JP7733826B2 - デュアルコントラフォーカルホモジナイザ - Google Patents

Description

＜背景技術＞
パワービーミング（Power beaming）は、電磁エネルギーのビームを、それを電気に変換する特別に設計されたレシーバに送信することによって、ワイヤを使用してアクセスすることが困難又は不便である場所に電力を送信する、新興の方法である。パワービーミングシステムは自由空間（ビームが大気、真空、液体、又は他の非光学的に設計された媒体を通して送られる）、又はパワー・オーバー・ファイバ（「ＰｏＦ」）であってもよく、この場合、パワーは光ファイバを介して送信される。後者はいくつかの状況ではワイヤの場合と特定の欠点を共有し得るが、伝送効率、電気的絶縁、及び／又は安全性の向上も提供し得る。自由空間パワービーミングはより柔軟であり得るが、レシーバの正確なターゲティング、及びパワービーム上に侵入する反射及び物体などの危険を回避するためのより多くの課題を提供し得る。

「背景技術」の項で議論される主題の全ては、必ずしも先行技術ではなく、単に「背景技術」の項でのその議論の結果として先行技術であると想定されるべきではない。これらの線に沿って、背景技術のセクションで論じられた、又はそのような主題に関連する先行技術における問題の認識は先行技術であると明示的に述べられていない限り、先行技術として扱われるべきではない。代わりに、背景技術のセクションにおける任意の主題の議論は本発明者らの特定の問題に対するアプローチの一部として扱われるべきであり、それ自体が発明性を有する場合もある。

＜概要＞
一態様では、ビームホモジナイザが、入射パワービームを再成形する（又は、再整形する／reshape）ように構成された複合レンズを含む。複合レンズは、入射パワービームを焦点距離で集束させるように構成された第一光学面と、複数の光学素子（又は、光学要素／optical elements）を含む第二光学面とを含む。複数の光学素子の各々は集束されたパワービームのそれぞれの部分を集光領域に向かって拡大するように構成され、集束されたパワービームの向けられた部分（又は、指向部分／directed portion）は集光領域において互いに重なり合って均質化された（又は、均一化された、ホモジナイズされた／homogenized）パワービームを形成する。関連する態様では、パワーレシーバが、上述のビームホモジナイザと、均質化されたパワービームを受け取るように配置された電力変換器（又は、パワーコンバータ／power converter）とを含む。

別の態様では、パワービームを均質化する方法が、入射パワービームを受け取るステップと、受け取ったビームを複数のビーム部分に分割するステップと、各ビーム部分をビームターゲットエリアに向けるステップとを含む。各ビーム部分を向けるステップは、ターゲットエリアにおけるビーム部分のサイズを選択されたサイズに変更することを含む。複数のビーム部分は、ターゲットエリアにおいて互いに重なり合う。

図面は、本教示による１つ又は複数の実装形態を、限定としてではなく、単なる例として示す。図面において、同様の参照番号は、同じ又は同様の要素を指す。さらに、図面は必ずしも縮尺通りではないことを理解されたい。
図１は、パワービーミングトランスミッタ及びレシーバの概略図である。 図２は図１のパワービーミングトランスミッタの機能図であり、トランスミッタの構成要素間の相互関係を示す。 図３は図１のパワーレシーバの機能図であり、パワーレシーバの構成要素間の相互関係を示す。 図４は、均質化レンズ（又は、ホモジナイズレンズ／homogenization lens）の動作原理を示す概略図である。 図５は、第一段階ハイブリッド均質化レンズである。 図６は均質化レンズを含む概略図であり、凹状（発散）レンズレット（又は、lenslets）の代わりに凸状（収束）レンズレットを使用することによって、図４のレンズとは異なる。 図７は、光が軸外に入射したときの図６のレンズの応答を示す。 図８は、均質化レンズ及び集光器を含むモジュールを示す。 図９はＰＶセルのサイズに適合し、損失を最小限に抑えるために、かすめ入射角での単一反射に依存する二次多角形集光器である。 図１０（ａ）は、ガウス分布を有する入射コリメートビームを示す。図１０（ｂ）は集光器に入射する直前のビームを示し、図１０（ｃ）はＰＶセルに入射する直前のビームを示す。これらの３つの図は、本明細書ではまとめて図１０と呼ぶ場合もある。 図１１（ａ）はガウス分布を有する入射コリメートビームを示し、これは、図８に示されるモジュールに入射する前の光軸に対して著しくシフトされる。図１１（ｂ）は集光器に入射する直前のビームを示し、図１１（ｃ）はＰＶセルに入射する直前のビームを示す。これらの３つの図は、本明細書ではまとめて図１１と呼ぶ場合もある。 図１２（ａ）は、図８に示されるモジュールの３×３反射屈折アレイに入るガウス分布を有する入射コリメートビームを示す。図１２（ｂ）は集光器に入射する直前のビームを示し、図１２（ｃ）はＰＶセルに入射する直前のビームを示す。これらの３つの図は、本明細書ではまとめて図１２と呼ぶ場合もある。 図１３（ａ）は図８に示されるモジュールの３×３反射屈折アレイに入るガウス分布を有する入射コリメートビームを示し、これは、図１２（ａ）に示されるビームとはアレイの中心からオフセットされている点のみが異なる。図１３（ｂ）は集光器に入射する直前のビームを示し、図１３（ｃ）はＰＶセルに入射する直前のビームを示す。これらの３つの図は、本明細書ではまとめて図１３と呼ぶ場合もある。

＜詳細な説明＞
以下の詳細な説明では、関連する教示の完全な理解を提供するために、例として多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、本教示がそのような詳細なしに実施され得ることは明らかである。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、及び／又は回路は本教示の態様を不必要に不明瞭にすることを避けるために、詳細なしに、比較的高いレベルで説明されている。それにもかかわらず、当業者は、これらの方法、手順、構成要素、及び／又は回路の特徴、ならびにそれらが以下の説明においてどのように使用され得るかを理解するであろう。他の関連材料は以下のように、他の特許及び出願に見出すことができる：

これらの関連出願及び特許の各々は、本明細書と矛盾しない範囲で、参照により本明細書に組み込まれる。

上述のように、パワービーミングは、ワイヤを走らせることが不便であるか又は困難である状況において、物体に電力を供給する実行可能な方法になりつつある。例えば、自由空間パワービーミング（又は、フリースペースパワービーミング／free-space power beaming）は、地上ベースのパワートランスミッタ（又は、送電器／電力送信機／power transmitter）を介して電力を送達して、遠隔センサーに電力を供給する、バッテリを再充電する、又はドローンコプターなどの無人航空機（ＵＡＶ）に電力を供給して無人航空機が長期間飛行中に留まることを可能にするために使用することができる。パワー・オーバー・ファイバ（ＰｏＦ）システムは通常、光ファイバ（又は同等物）を電源からレシーバまで走らせる必要があるが、光の代わりに電気を運ぶ従来の銅線を超える電気的絶縁及び／又は他の利点を提供し得る。

「光源」という用語は、可視光だけでなく、エネルギーを伝達するために使用され得る電磁放射のすべての形態を包含することが意図されることが理解されるであろう。例えば、光源（例えば、ダイオードレーザ、ファイバレーザ、発光ダイオード、マグネトロン、又はクライストロン）は紫外線、可視線、赤外線、ミリ波、マイクロ波、電波、及び／又は他の電磁波を放射することができ、それらのいずれも、本明細書では一般に「光」と呼ぶことができる。「パワービーム」という用語は本明細書では「光ビーム」と互換的に使用されて、一般的に、本質的に方向性のある、高放射照度の伝送を意味し、これは、単一波長又は複数波長の、コヒーレント又はインコヒーレントであってもよく、パルス又は連続であり得る。パワービームは、自由空間、ＰｏＦであってもよく、又はそれぞれの構成要素を含み得る。例えば、トランスミッタは自由空間パワービームをレシーバ表面に送信することができ、レシーバ表面は、それを光ファイバ上の光として、それを電気に変換する光起電力（ＰＶ／photovoltaic）セルに伝導し得る。読みやすくするために、説明は光源を説明するために「レーザ」という用語を使用し得るが、それにもかかわらず、（限定はされないが）発光ダイオード、マグネトロン、又はクライストロンなどの他の光源も、文脈上別段の指示がない限り、企図され得る。

多くの用途では、パワーレシーバが自由空間又はＰｏＦパワービームを受け取り、例えば、ＰＶセル又は光を電気に変換するための他の構成要素（例えば、マイクロ波電力を変換するためのレクテナ、又は光ビームによって生成された熱を電気に変換するための熱エンジン）を使用して、それを電気に変換するように構成される。読みやすくするために、本出願は本出願の範囲から逸脱することなく、同様の機能を有する他の構成要素（上記に列挙されたものなどであるが、これらに限定されない）を置き換えることができるという理解を伴って、「ＰＶセル」を指すことがある。

＜パワービーミングシステム＞
図１は、パワービームトランスミッタ１０２及びレシーバ１０４の概略図である。レーザ１０６はパワービーム１０８（図全体を通して点線で示す）を光学ユニット１１０に向けて導き、光学ユニットは、ビームをミラーアセンブリ１１２などのビームステアリングアセンブリに向ける。光学ユニット１１０は以下でさらに説明するように、様々なレンズ、ミラー、及びその他の光学要素を含むことができる。ステアリングミラーアセンブリ１１２は、パワービーム１０８をパワーレシーバ１０４に向ける。任意選択のチラー（又は、冷却器／chiller）１１４は、レーザ１０６に接続されるように示されているが、トランスミッタ１０２の他の構成要素も、必要に応じて、独立した、又は接続された熱管理システムを有することができる。図１には、トランスミッタ１０２の一部として、トラッキングシステム（又は、追跡システム）１１６及び安全システム１１８も示されている。これらのシステムは、図では光学ユニット１１０の内部にあるものとして示されているが、当業者であれば、いくつかの実装形態では、それらは、光学ユニット１１０の外部、ステアリングミラーアセンブリ１１２の一部、又はトランスミッタシステムの他の場所にあってもよいことを認識するのであろう。また、ＴＸコントローラ１２０、ユーザインターフェース１２２、及びＴＸ通信ユニット１２４も示されており、これらのすべてについては、図２に関連して以下でさらに説明される。トランスミッタ１０２は、ビーム整形器、ガードビーム、または他の適切なアクセサリ要素などの他の要素を含むことができ、これらは、図を簡単にするために図１から省略されていることを理解されたい。これらの要素のうちのいくつかは図２において以下に概略的に示されるが、当業者はパワートランスミッタにおいて光学要素と制御要素とをどのように組み合わせるかを理解するのであろう。

レシーバ１０４は、複数の個々のＰＶ セル１３２を含むＰＶアレイ１３０を含む（図を不必要に乱雑にすることを避けるために、すべてのＰＶセルがラベル付けされているわけではない）。ＰＶセル１３２は以下でさらに説明するように、入力パワービーム１０８を電気に変換する。レシーバ１０４はまた、トラッキングエミッタ１３４を示し、これは、いくつかの実装形態ではビームトラッキング又は他の目的のためにＰＶアレイ１３０の位置を監視するためにトラッキングシステム１１６によって使用され得る。レシーバ１０４はまた、安全エミッタ１３６を示し、これは、いくつかの実装形態では潜在的な侵入、反射、又は他の安全ハザードについてパワービーム１０８を監視するために安全システム１１８によって使用され得る。ＲＸ通信ユニット１３８は（破線によって示されるように）ＴＸ通信ユニット１２４と通信し、安全、トラッキング（又は、追跡）、テレメトリ、フィードバック制御、又はトランスミッタ１０２及びレシーバ１０４が通信することが望ましい場合がある任意の他の目的のために使用され得る。図示の実施形態はトランスミッタ１０２とレシーバ１０４との間の無線リンクなどの別個のチャネルを介した通信を提供するが、パワービーム１０８、トラッキングエミッタ１３４、安全エミッタ１３６、又はパワービーミングシステムの他の既存の構成要素の変調を介して通信が達成され得ることも企図される。レシーバ１０４はまた、図３に関連して以下でさらに説明される、任意選択のＲＸセンサー１４０を含み得る。図１に示されるように、ＰＶアレイ１３０は、レシーバ１０４を持ち上げてパワービーム１０８が人間又は他の障害物を回避することを可能にし得る、任意選択のマスト１４２に取り付けられる。

図２は、トランスミッタの構成要素間の機能的関係を示す要約図である。トランスミッタ１０２はレーザ１０６を含むが、いくつかの実装形態では、ＬＥＤ又はマグネトロンなどの他の光発生構成要素をレーザ１０６の代わりに使用することができることを理解されたい。レーザ１０６は、コントローラ１２０と、電源ユニット（ＰＳＵ）２０２（入力電力２０４に接続される）と、熱管理システム（チラー）１１４とに接続される。図２および図３を通して、熱流は太い点線によって示され、一方、パワービーム１０８は太い実線によって示され、センサー信号は太い破線によって示され、データ及び／又は制御信号は一点鎖線によって示され、電力は細い実線によって示される。明確にするために、すべての内部電気接続が示されているわけではない。

コントローラ１２０はレーザ１０６の動作を制御し、システムの設計制約に応じて、手動（例えば、ユーザインターフェース１２２を使用した）、部分自動、又は完全自動とし得る。特に、コントローラ１２０は例えば、共通所有の米国特許番号１０，６３４，８１３及び１０，８１６，６９４、米国特許出願第１５，５７４，６５９及び１６／０７９，０７３、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／３４１０４号、ならびに米国仮出願第６３／１４０，２３６号に記載されているように、安全システムからの入力を受信し得る。安全システムは例えば、トランスミッタ１０２からレシーバ１０４への中断されない光路が保証され得ないとき、又は他の危険な状態がビームパワーの継続に関連し得るときに、ビームを弱める（又は、ターンダウン／turn down）又は止める（又は、ターンオフ／turn off）するように設計され得る。コントローラ１２０は例えば、レーザの健全性又は温度を監視するために、他の構成要素から入力（データ）を受信し得る。ＰＳＵ２０２は例えば、電力グリッド、発電機、又はバッテリであり得る入力電力２０４から電力を引き出し、それをレーザ１０６に供給する。図ではコントローラ１２０及びチラー１１４が入力電力２０４に直接接続されているが、他の実施形態ではこれら又は他の構成要素が電力供給ユニット２０２から電力を受け取ることができる。チラー１１４はレーザ１０６（及び／又は必要に応じてトランスミッタの他の構成要素）の温度を監視し、安全値を超えないことを確実にする。

図２に示すように、パワービーム１０８は光源１０６から出射し、光学ユニット１１０に入射する。光１０８は図２を通して同じ参照番号を維持するが、光１０８の特性は異なる光学系及び他の構成要素を通過することにつれて、様々な方法（例えば、偏光、収束／発散角、ビームプロファイル、又は強度）で変化し得ることが理解されよう。光学ユニット１１０は、ビームインテグレータ２０６と、レンズ、ミラー、フェーズドアレイ、又は光の方向、発散、及びビーム放射照度プロファイル（beam irradiance profile）を管理するため、又は異なる光パワービーム及び／又は信号をマージするための任意の他の適切な構成要素などの他の光学系とを含み得る。ビームインテグレータ２０６は一般に、光源１０６の波長領域に一致するように選択され、パワービームのサイズ、形状、又は強度分布を変更するために使用し得る。例えば、レシーバへパワーをビームする場合、いくつかの実装形態ではビーム幅をレシーバのサイズに一致させ、場合によってはビーム放射照度プロファイルをレシーバの表面にわたって比較的均一になるように「平坦化」すること、例えば、実質的にガウシアンビームプロファイルを「トップハット」又はスーパーガウシアンプロファイルに変換することが望ましい場合がある。ビーム方向及びビームプロファイル成形は、同時係属中の共通所有の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／３４０９５号においてより詳細に論じられている。特に、レシーバ上のパワービームの配置を監視し、監視されたデータを使用してコントローラ１２０及び／又はステアリングアセンブリ１１２にフィードバックするための、そこに記載された機構を、本システムに組み込むことができる。

ステアリング（又は、操舵／方向操作）アセンブリ１１２はいくつかの実装形態では、レシーバを追跡し、ビームをその位置に向けるためのフィードバック情報を提供するために、方向又は放射照度プロファイルなどのビーム特性を測定するために、又は光路への潜在的侵入を監視するために使用され得る、ステアリング光学系２１０及び／又はセンサー２１２を含み得る。ステアリングアセンブリ１１２はまた、マージング光学系（又は、合体光学系／merging optics）を含み得る。マージング光学系は一般に、複数の光路を結合するために、又は、場合によってはオプティカルフローが反対方向にあるときにそれらを分離するために使用される。例えば、図に示されるように、電力を送るための出射パワービーム１０８は、レシーバを追跡するために使用される入射光ビーコン２０８と組み合わされてもよい。図示のように、ビーコン（beacon）はトラッキングのためにステアリングアセンブリ１１２で使用されるが、他の実装形態では信号２０８が光学ユニット１１０又はそれを超えて伝搬し得る。

トランスミッタ１０２はまた、周囲条件を監視するために使用され得るセンサー２１４を備えることができる。センサー２１２、２１４は、ビームインテグレータ２０６及び／又はステアリング光学系２１０を調整するために使用され得る。例えば、センサー２１２はステアリングアセンブリ１１２内の集束レンズ又は他の光学部品の位置を監視することができ、センサー２１４は、周囲温度及び／又は他の構成要素の温度を監視するために使用し得る。センサー２１２、２１４からのデータはコントローラ１２０にフィードバックされて、例えば、安全上の考慮のためにレーザ１０６を調整するか、又は、ビーム１０８をレシーバ上に導くように、ステアリング光学系２１０及び／又はステアリングアセンブリ１１２を制御し得る。制御信号及びデータ信号は図２に一点鎖線で示すように、コントローラ１２０と他の構成要素との間で受け渡しすることができ、コントローラ１２０は例えば、トランスミッタ通信ユニット１２４を使用して、レシーバとの通信を制御し得る。

光学ユニット１１０を通過した後、パワービーム１０８は、ステアリングアセンブリ１１２によって、トランスミッタ１０２から離れて所望の方向に向けられる。いくつかの実装形態では、ステアリングアセンブリ１１２がステアリング光学系２１０、ミラー又は他の構成要素（図示せず）を調整するためのモータ、及び／又はより多くの成形光学系（又は、整形光学系／shaping optics）（図示せず）を含み得る。当業者であれば、トランスミッタシステムの基本的な性質を変更することなく、異なる実装形態が光学要素の異なる配置（光が通過する構成要素の順序など）を必要とし得ることを理解するであろう。

図３は、図１に示されるレシーバなどのパワーレシーバ１０４の構成要素間の機能的関係を示す。図のレシーバ１０４は、ＰＶセル１３２のＰＶアレイ１３０を含む電力変換器３０２を含む。電力変換器３０２は、レーザ１０６からのパワービーム１０８を電気に（又は、いくつかの実装形態では別の有用な形態のエネルギーに）変換するように構成される。レシーバ１０４はまた、例えば国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／３４０９３号に記載されているような、ＰＶアレイ１３０に到達する前に、受信したビームを成形（又は、整形／shape）又は修正することができる光学系３０４を含むことができる。多くの実施形態では、ＰＶアレイ１３０が熱管理システム３０６を含む。このシステムは受動的又は能動的冷却を含むことができ、ＰＶアレイ１３０のいずれかの部分が安全温度限界を超えた場合には、（例えば、ＲＸ通信ユニット１３８を介して）トランスミッタ１０２に信号を送り返すように構成することができる。

電力変換器３０２はさらに、電力管理及び配電（ＰＭＡＤ）システム３０８に接続され得る。ＰＭＡＤシステム３０８は、ユーザデバイス３１０、電力バス３１２、及び／又はエネルギー蓄積デバイス３１４に電力を供給し得る。ＰＭＡＤシステム３０８は、センサー１４０を介してＰＶアレイ１３０を監視し得るコントローラ３１６に接続されることができ、例えば、個々の光電池、電池群、又はアレイ全体の電圧、電流、及び／又は温度、ＰＭＡＤ又は個々の負荷の電圧及び／又は電流を監視する。コントローラ３１６はまた、ＰＶアレイ１３０のための最大電力点追従（ＭＰＰＴ）を含んでもよく、又はＭＰＰＴは、ＰＭＡＤシステム３０８によって処理されてもよい。ＰＭＡＤシステム３０８はまた、例えば、好ましい電圧及び電流特性を有するデバイス３１０、３１２、３１４に電力を提供するために、ＤＣ／ＤＣコンバータを含み得る。テレメトリユニット３１８は例えば、ＲＸ通信ユニット１３８を介して、光ビーム１０８を制御する際に使用するために、上記データのいずれか又はすべてをトランスミッタに送り返すことができる。いくつかの実装形態では、コントローラ３１６がレシーバユーザインターフェース３２０と通信することができ、パワーレシーバのユーザによるレシーバ動作のローカル閲覧及び／又は制御を可能にし得る。

図３にはレシーバ１０４によってトランスミッタ１０２に送り返される信号２０８（例えば、光信号）も示されており、これは図示されているように、パワービーム１０８と同じ経路に沿って送信され得る。いくつかの実装形態ではたとえば、信号２０８はトランスミッタ１０２からレシーバ１０４への中断されない経路を保証するために使用される安全信号を含み得る。いくつかの実装形態では、この信号は安全エミッタ１３６から送られ得る。安全システムの更なる詳細は例えば、共通所有の米国特許番号１０，５８０，９２１、１０，６３４，８１３、１０，８１６，６９４、及び１１，１０５，９５４、米国特許出願第１６／０７９，０７３号、ならびに国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／３４１０４号に見ることができる。いくつかの実装形態では、信号２０８がトラッキングエミッタ１３４から送信される信号など、電力変換器３０２上にパワービーム１０８を位置決めするために使用されるトラッキング信号を含み得る。図に示される信号２０８は「アクティブ」信号であるが、他の実装形態ではエミッタ１３４、１３６はトランスミッタ１０２によって、又は電力伝送システム内の他の適切な構成要素によって識別される基準マーク（fiducial mark）（図示せず）によって置き換えられ得る。

例えば熱管理システム３０６、ＲＸ通信ユニット１３８、ＰＭＡＤシステム３０８、コントローラ３１６、テレメトリユニット３１８、及び／又はユーザインターフェース３２０などであるがこれらに限定されない、電力を必要とする任意のレシーバ構成要素は必要に応じて、電力変換器３０２によって（直接的に、又はＰＭＡＤ３０８を介して）電力供給され得る。構成要素が変換器３０２によって電力供給される場合、システムは始動中に、又は変換器３０２が電力を供給していない他の時間に、これらの構成要素に電力を供給するためのバッテリ（エネルギー貯蔵３１４の一部として、又は別個の構成要素として）を含み得る。

＜ビームの再成形＞
レシーバにおいてスーパーガウシアン又はほぼ「フラットトップ」の強度プロファイルを有するビームを送達することが好ましいが、場合によっては、例えばレシーバまでの距離のために、代わりに「プレーンな（又は、平坦な／plain）」ガウシアンビームを送達し得る。スーパーガウシアンビームでさえ、それらの強度プロファイルにおいて「テール」を有し、これは、ＰＶアレイの外周付近のＰＶセルがほとんど又は全く光を受けない恐れがあるため、アレイ性能を制限する可能性がある。アレイを過充填して（overfilling）、それらの全てに光を当てることは、無駄な光により効率を低下させ、潜在的に、レシーバを越えてこぼれる光による安全上の危険を引き起こす。セルはセル当たりの入力電力レベルを有し、それを超えると、効率を失い、最終的に過熱する可能性があり、したがって、ビームのピークパワー強度（通常、ビームの中心付近）は、所与のパワー出力に必要とされるセルの総数を駆動する（又は、ドライブする／drive）可能性がある。さらに、シンチレーションは個々のＰＶセルに、公称強度の上下の両方で、迅速かつ広く変化する強度を記録させる可能性があり、これは、様々な理由で効率を低下させる可能性がある。本設計は少なくとも部分的にビームを均質化し、その結果、アレイ内の個々のセル上の強度の範囲が、いくつかの光を最も外側のセルにシフトさせることによって効果的に縮小され、これは所与の数のセルに対してより高いアレイパワー出力を可能にする。

図４は、本発明を理解するための概略図である。角度および距離は、必ずしも縮尺通りではない。図示のように、アセンブリ４００は、（例えば、レーザパワービームから）入射するコリメート光４０４を受け取る正方形の複合屈折レンズ４０２（図４では断面図を、図５では斜視図を示す）を含む。レンズ４０２は幅ｄを有し、その上面は、焦点距離ｆを有する凸形状を有する（したがって、ｆ値（f-number）はｆ／ｄ）。したがって、底面の効果を考慮しなければ、太い破線４０８によって示されるように、レンズから距離ｆだけ離れた表面４０６上に光４０４を集束させる。図４に示される例では、焦点距離ｆおよび作動距離（working distance）Ｌは等しいが、以下で論じるように、これは必要条件ではない。作動距離Ｌは、他の実装形態では焦点距離と異なり得、頂部形状は任意の適切な形状（たとえば、球形、非球形、または自由形状）であり得る。図４に示す実施形態では、レンズ４０２の下面は、上面とほぼ同じ大きさの負のｆ値を有する正方形の凹レンズレットの配列でタイリングされる（又は、タイル張りされる／tiled）。したがって、これらのレンズはそれぞれ、一対の点線および一点鎖線４１０、４１２、４１４によって示されるように、光を、レンズから距離Ｌだけ離れた平面においておおよそ元のビームの幅まで広げて戻す。この組み合わせは、底面の各レンズレットが、各個々のレンズレットからのビーム部分が第１の表面からのその屈折のためにターゲット表面４０６の中心に向かって角度が付けられるので、入射ビームの一部分をターゲット平面全体（またはほぼ全体）にわたって広げるため、ビームを効果的に均質化する。したがって、レンズレットアレイ全体の効果はビームプロファイルを平坦化し、シンチレーション（又は閃光／scintillation）または他のビーム不均一性（即ち、inhomogeneity）の効果を軽減することである。特に、サイドリフレクタが設けられていなくても、レンズ４０２の断面から下方に投影される直円柱の幅から出る光はほとんどなく、ターゲット平面に到達する光は、ビームを広げる傾向がある標準的なディフューザシステムの場合よりも、平面に対して垂直に近い。これは、ＰＶセルが光に対する制限された受光角（又は、受容角／acceptance angle）を有し得るか、または少なくとも、光がそれらの表面に対してできるだけ垂直に近いときに改善された効率を有し得るため、重要である。いくつかの実施形態では、凹レンズレットのｆ値がわずかに大きくなり、その結果、光はよりゆっくりと発散するが、依然として、作動距離Ｌにおいて重なる領域（又は、重複エリア／overlapping area）に到達する。図示のように、ターゲット表面４０６はレンズ４０２とほぼ同じ幅を有するが、もちろん、いくつかの実施形態では入射ビームの大部分又は全てを捕捉するのに少なくとも十分な幅である限り、狭くなることもある。

いくつかの実装形態では、ターゲット表面４０６がレンズ４０２より幾分大きくてもよいし、又は小さくてもよいが、各レンズレットが、図４に示されるように、レンズ４０２とほぼ同じ大きさである重複するターゲットエリアにわたって入射光４０４のそれ自身のセクションを広げるという同じ原理に従って、ターゲット表面は依然として成形される。いくつかの実装形態では、ターゲットエリアがターゲット表面４０６の幅の少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、又は少なくとも９５％である。ターゲットエリア４０６はまた、レンズ４０２よりも広くてもよい（例えば、１１０％又は１２５％）が、これらの場合、均質化の程度はターゲット表面４０６の周辺部でいくらか低減され、図１２及び図１３に関連して以下で論じるように、複数のモジュールを組み立てることがより困難となり得る。

図６は、その底面に凸レンズレットを使用する代替の屈折レンズ６０２を含むアセンブリ６００を示す。上面は依然として同じ焦点距離（ここではｆ_１とマークされる）を有するが、レンズレットはそれぞれのレンズレットから来る光（６１０、６１２、６１４）がターゲット表面４０６に達する前に十分に点に収束し、次いで、発散して、表面の同じターゲット領域にわたって広がるように選択される、より小さい正の焦点距離ｆ_２を有する。この図では、ｆ_２が図４に示されるよりも小さい重複エリア、すなわち、ターゲット表面４０６の幅の約３５％（したがって、上記エリアの約１２％）に達するように選択される。当業者には、本発明の原理を変更することなく、様々な実装が入射光を様々な程度に集中させること（図示のように）または広げることを含み得ることが明らかであろう。

当業者は、ターゲット表面４０６上に光を含み、エッジから光を失わないように光をターゲット平面にわたって均等に広げるには、レンズ４０２、６０２のｆ値をどのように選択するかをさらに理解するであろう。これは図４～図６に示されるようなレンズの文脈において最も容易に図示され、理解されるが、当業者は同じ原理を反射光学系又は回折光学素子（ＤＯＥ）に適用することができ、それはより軽量及び／又はよりコンパクトなシステムを提供し得、また、システムのための光誘起損傷閾値（light-induced damage threshold）を改善し得ることも理解するであろう。レンズレットは典型的なマイクロレンズよりも幾分大きくてもよく、例えば、幅約０．１～３ｃｍであり得る。システムの利点はシステムに入射するコリメート光４０４の角度のわずかな変化がターゲット表面４０６上に投影される光の位置をシフトさせるが、図７でより明確に見られるように、重複エリアを維持することである。レンズ６０２は図６と同じ形状を有するが、入射光４０４は垂直から３度離れてシフトされている。この変化はターゲットエリアを左にシフトさせるが、レンズレットの各々は依然として、ビームのその部分をターゲットエリアにわたって広げる。ターゲット表面４０６の平面における図７のビームのサイズはターゲット表面４０６の全幅よりも小さいので、シフトされたビームはターゲット表面４０６からこぼれず、なぜなら、このビーム位置のシフトはブランク／非照明領域の幅よりも小さいからであり、それによって、システムはいくらかの量のポインティングエラー（pointing error）に適応し得る。ビームの位置（その角度ではなく）のシフトについては、図１１に関連して以下に示す。

図８は、レンズ４０２と、集光器８０２のグループ（明瞭さのために全てに番号が付されていない）と、ＰＶセル１３２とを含むモジュール８００を示す。図の集光器は複合放物面集光器（ＣＰＣ）であるが、他の非結像集光器（non-imaging concentrator）も考えられる。入射光４０４はレンズ４０２に入り、集光器８０２に向けられ、集光器は上述のようにターゲット表面４０６と同等の位置に配置され、同時係属中の共有の米国特許出願第１７／６１３，０１５号に記載されているビーム分割装置と同様に、光４０４をＰＶセル１３２に向けて集光する。１つの集光器８０２の断面を図９に示す。これは多角形の幾何学的形状、例えば正方形または六角形の断面を有する中空部分であり、いくつかの好ましい実施態様では密に充填され得る。いくつかの実装形態では、集光器８０２の出力角（output angle）が、結合を改善するためのＰＶセル１３２の最大受光角（maximum acceptance angle）に対応するように選択され得る。図９に示される中空反射プロファイルはレシーバの質量を低減し、内部放射冷却を支援するように選択されているが、他のタイプの集光器も本発明の範囲内で企図される。図８はまた、光４０４がレンズ４０２を通ってＰＶセル１３２に進むときの光路を横切る３つの線Ａ、Ｂ、Ｃを含む。これらは、以下に説明する図１０・図１３の観察平面（viewing plane）を表す。

＜有効性指標＞
図１０は、光がモジュール８００を通って移動するときに放射照度（irradiance）がどのように変化するかを示す。図８の線Ａに入射するガウシアン光ビームを図１０（ａ）に示す。この図は、ビーム放射照度（任意の単位で）を示す等高線を重ね合わせたヒートマップ、ならびに最高強度点における単一の線に沿った放射照度のグラフを含む。図１０（ｂ）は集光器に入射する直前の線Ｂにおいて光ビームのプロファイルがどのように均質化されたかを示し、図１０（ｃ）は、ＰＶセルに入射する直前の線Ｃにおける光の分布を示す。（図１０－図１３はそれぞれ、図の明瞭さを向上させるために、位置Ｃにおけるプロファイルが省略された輪郭を有することを除いて、輪郭を有するヒートマップと、各部分における最高強度の線に沿った２Ｄグラフとの同じ組み合わせを示す。）光はシステムによって実質的に均質化されており、ＰＶセルのそれぞれ上の光パワーは、ホモジナイザなしであったものであろうものと比較して、定性的に均等化（equalized）されていることが明確に分かる。均質化度の定量分析を以下に示す。

図１１は、システムが幾分中心から外れたビームにどのように応答するかを示している。図１１（ａ）は、１００ｍｍ角モジュールの中心からｘおよびｙ方向に２５ｍｍずれた入射ビームを示す。図１１（ｂ）は集光器に入射する直前の線Ｂにおいて光ビームのプロファイルがどのように均質化されたかを示し、図１１（ｃ）は、ＰＶセルに入射する直前の線Ｃにおける光の分布を示す。入射ビームの空間的均質化は、ビームが光軸に沿ってセンタリングされるときに複合レンズによって最適化され得るが、光学系の固有のシフト不変特性はそれにもかかわらず、偏心を軽減し、第２段光学系の均一な充填を確実にし得る。光を受光するのが光学素子の一部のみ（図１１（ａ）参照）であっても、光は、ＰＶセルに到達するときには、ターゲット平面の大部分にわたって依然としてかなり均一に広がることが分かるであろう（図１１（ｃ）参照）。

いくつかの実装形態では、図８に示される完全な光学素子が図８に示されるモジュール８００を複数、たとえば３×３又は４×４アレイで含み得る。いくつかの実装形態では各マイクロレンズアレイが図４～図６に図示及び論じられるように成形され得るが、他の実装形態ではレンズレットが、各レンズレットが光４０４のそのそれぞれの部分をターゲット表面のより大きい部分にわたって広げるように成形され得る。そのような実装形態では、上述の複数のモジュールの異なる要素からの光がターゲット表面において重複し得る。前者の構成の利点は、モジュール８００が全て実質的に同一であってもよく、構築（又は、構成／construction）の効率を提供することである。後者の構成の利点は、入射光が平面全体にわたってより完全に均等化され得ることである。簡単のために、以下の説明は各モジュール８００が実質的に同じであると仮定するが、当業者は、アレイの内部のモジュールが収穫されたビームをさらに均等化するために、光を隣接するモジュールに拡散するようにどのように配置され得るかを理解するであろう。

モジュラーアレイ設計は反射屈折性であり、３×３パターンで配列された９つの正方形光学モジュールのアレイを含み、各モジュールは、図８に示されるようなアセンブリ８００を含む。ＰＶセルにおけるモジュール毎の均一性（uniformity）は２つの段階で達成される、つまり、第一段階の屈折光学系（例えば、レンズ４０２）は第二段階への入口における光学放射の（均質化に加えて）いくらか弱い集光を提供し、二次非結像光学系８０２（例えば、中空集光器、ケーラー集光器、又は単純なレンズ）は、個々のＰＶセル上に光を集中させる。段階的光学系の機能は疑似コリメートされた（又は、準コリメートされた／quasi-collimated）レーザ入力を、二次非結像光学系に一致する角度受容限界内の空間的に均質化されたビームに成形することであり、これは、各個々のＰＶセルにおける最終集光比（又は、最終濃度比／final concentration ratio）を保証する。

図１２は、反射屈折アレイの３×３アパーチャの大部分を満たす中心高出力ガウシアンビームに対するシステムの応答を示す。３００×３００ｍｍアレイの場合、ビームの半値全幅（full-width half-max）は１１９ｍｍである。ＰＶアレイのエッジから光がほとんどこぼれず、９つの第一段階光学系のそれぞれが、入射ビームのその部分を均質化する。図１２（ａ）はアレイに入射したときのビーム放射照度（線Ａ）、図１２（ｂ）は集光器に入射したときのビーム放射照度（線Ｂ）、図１２（ｃ）はＰＶセルに到達したときのビーム放射照度（線Ｃ）を示している。

入射ビームがアレイ上でセンタリングされていない場合でも、システムは図１３に示されるように、モジュールのアレイを形成する各個々のモジュール内にＰＶセルの均一な放射照度を生成する。図１３（ａ）はアレイに入射したときのビーム放射照度（線Ａ）、図１３（ｂ）は集光器に入射したときのビーム放射照度（線Ｂ）、図１３（ｃ）はＰＶセルに到達したときのビーム放射照度（線Ｃ）を示している。

定性的には、最も効率的で費用効果の高いレーザパワー伝送システムが、アレイにわたって比較的均一に広がる光を有する傾向があり、ほとんどのＰＶセルはほぼ同じ量の光を受光し、アレイに完全に当たらないか、又はＰＶセルがそれをエネルギーに効率的に変換しないような高角度で入射する光はほとんどない。アレイを評価して、アレイにわたって測定された放射照度の標準偏差をモデル化することによって、アレイがこの定性的記述にどれだけよく一致するかを見ることができる。このパラメータは、平均放射照度で割ることによって無次元の正規化された偏差（又は、正規化偏差normalized deviation）に変換され、任意の単位を除去する。前のセクションで説明したシステムでは、単一のモジュール（例えば、図１０でモデル化された均質化レンズ及びＰＶセルの４×４アレイ）に対し正規化された偏差をモデル化することができ、入射光ビームについて様々な仮定を行う。集光器に光が入射する点における正規化された偏差を計算し得る。

正規化された偏差は、モジュールに向けられたビームプロファイルに応じて変化する。図１０は１００ｍｍのアレイ幅上に３９．２５ｍｍの半値全幅を有するセンタリングされたガウシアンビーム（又は、中心におかれたガウシアンビーム／centered Gaussian beam）に基づいており、図１１は、ｘ軸及びｙ軸のそれぞれにおいて、２５ｍｍだけアレイの中心からオフセットされた同じサイズのビームを示す。図８の平面Ａと平面Ｂにおける中心ビームとオフセットビームの両方の正規化された偏差を報告する。得られたデータを表１の最初の２行に示す。放射照度の正規化された偏差は、ビームホモジナイザによって少なくとも４倍低減される。

図１２（及び図１３）に示されるモジュールのアレイについて、正規化された偏差（アレイ全体にわたって平均化される）は典型的には、各モジュールが入射光の大部分をそれ自体のＰＶセルのアレイに向ける傾向があり、したがって、異なるモジュールが著しく異なる放射照度レベルになり得るので、完全なアレイ（又は、フルアレイ／full array）に到達するガウシアンビームについてより高くなる。これらの相違は、図１２において定性的に明らかである。いくつかの実装形態では、差異が、アレイの異なるモジュールに対しては異なるＰＶセル、電子機器、及び／又は他の構成要素を使用することがより効率的であるか、又はより費用効率が高いことを意味し得る。これらの理由から、各モジュールの正規化された偏差は、より扱いやすい指標（又は、メトリック／metric）である。図１２に示すように、１００ｍｍの正方形モジュールの３×３アレイと、１１９ｍｍの半値全幅を有するセンタリングされたガウシアンビームについて、９つのモジュールのうちの３つ、すなわち、中央の単一モジュール、エッジの４つのモジュール（中央モジュールに直角に隣接する）のうちの１つ、及びコーナーの４つのモジュール（中央モジュールに対角に隣接する）のうちの１つについて、正規化された偏差を計算する。他の６つは、システム全体の対称性のために実質的に同じ値を有するので、それらは別々にモデル化されなかった。これらのデータは、表１で「ラージビーム」とラベル付けされた欄に報告されている。中央モジュールについて、ホモジナイザはビームをわずかに不均一にするが（ホモジナイザはビームエリアをわずかに減少させるが、「暗いエッジ」は正規化された偏差の計算に含まれるため）、エッジ及びコーナーモジュール（放射照度の初期分布がより均一でない）については、ホモジナイザは正規化された偏差を約３倍又は４倍減少させることが分かるであろう。

また、本発明者らは、集光器８０２が単一モジュール内の各ＰＶセルに入るパワーの量をモデル化することによって、ＰＶセルにおける放射照度に悪影響を与えないことも確認する（センタリングされたビーム及びオフセットビームの両方を用いて）。センタリングされたビームについて、各ＰＶセルにおける正規化された光束（１つのＰＶセルにおける総パワーを全てのＰＶセルにわたる平均パワーで割ったもの）はコーナーにおける０．８３２から中央の４つのセルに対する１．２９までの範囲であり、正規化偏差は０．１７７である。オフセットビームの場合、正規化された光束は最小値０．６７９から最大値１．３８までの範囲であり、正規化された偏差は０．２１０である。この比較的狭い範囲は、ＰＶセル間の不一致がホモジナイザなしの場合よりも小さいことを意味し（正規化された偏差はセンタリングされた場合に１．２１５であり、オフセットの場合に１．４７５）、それによって、ＰＶセルの利用及び有効性を改善する。

いくつかの実装形態では、図１２及び図１３に示されるモジュールのＰＶセルが本発明者らの同時係属及び共通所有の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２２／１３５７０号で論じられるように、直列並列配置で配線され得るが、他の実装形態では各モジュールにわたる均質化がこのタイプの配線を不要にし得る。

上記でモデル化され、記載された同じ光学機能は、より薄く、したがってはるかに軽量であり得る、ＤＯＥ（例えば、サブ波長ＤＯＥ）を用いても達成され得る。２レンズＫｏｈｌｅｒ型光学系（複数のＰＶセルにわたってビームを均質化しない）の一実装形態では、パワービームレシーバモジュール（１０ｃｍ×１０ｃｍ）は、合計５９１グラムに対して、２２８グラムの重量の光学系と、加えて３６３グラムの重量の金属支持フレーム、を含む。本発明者らは光学系及びマウントを上記の２つの段階に置き換えると、質量がモジュール当たり～１１５グラムまで減少し、５倍の減少となると推定する。

以下では、さらなる特徴、特性、及び利点が次の項目によって説明される：
項目１：ビームホモジナイザは、入射パワービームを再成形する（又は、再整形する／reshape）ように構成された複合レンズを含む。複合レンズは、入射パワービームを焦点距離で集束させるように構成された第一光学面と、複数の光学素子を含む第二光学面とを含む。複数の光学素子の各々は集束されたパワービームのそれぞれの部分を集光領域に向かって拡大するように構成され、集束されたパワービームの向けられた部分（又は、指向部分／directed portion）は集光領域において互いに重なり合って均質化されたパワービームを形成する。
項目２：前記複合レンズは幅を有し、前記複合レンズは、前記集光領域から、前記幅の約半分と前記幅の約６倍との間の距離に配置される、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目３：前記複合レンズは、前記集光領域から、約前記幅（又は、ほぼ前記幅／おおむね前記幅）と前記幅の約４倍との間の距離に配置される、項目２に記載のビームホモジナイザ。
項目４：前記複合レンズが、前記集光領域から、前記幅の約２倍と前記幅の約３倍との間の距離に配置される、項目３に記載のビームホモジナイザ。
項目５：前記複合レンズは軸を有し、前記均質化されたパワービームは前記複合レンズの幅よりも小さい最終幅（final width）を有し、前記集光領域は、前記入射パワービームが前記軸に対して２度未満の角度を形成するときに、前記均質化されたパワービームが前記集光領域内に配置されるのに十分に広い、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目６：前記集光領域は、前記入射パワービームが前記軸に対して５度未満の角度を形成するときに、前記均質化されたパワービームが前記集光領域内に配置されるのに十分に広い、項目５に記載のビームホモジナイザ。
項目７：前記集光領域は、前記入射パワービームが前記軸に対して１０度未満の角度を形成するときに、前記均質化されたパワービームが前記集光領域内に配置されるのに十分に広い、項目５に記載のビームホモジナイザ。
項目８：前記入射パワービームは整形されていない（unshaped）ビーム放射照度プロファイルを有し、前記均質化されたパワービームは再成形されたビーム放射照度プロファイルを有し、前記再成形されたビーム放射照度プロファイルは、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルよりも平坦である、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目９：前記整形されていないビーム放射照度プロファイルが、ほぼガウス分布である、項目８に記載のビームホモジナイザ。
項目１０：前記再成形されたビーム放射照度プロファイルが、前記集光領域の少なくとも半分にわたってほぼ平坦である、項目９に記載のビームホモジナイザ。
項目１１：前記再成形されたビーム放射照度プロファイルが、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルの正規化された偏差の半分未満の正規化された偏差を有する、項目８に記載のビームホモジナイザ。
項目１２：前記再成形されたビーム放射照度プロファイルの正規化された偏差が、整形されていないビーム放射照度プロファイルの正規化された偏差の０．３倍未満である、項目１１に記載のビームホモジナイザ。
項目１３：前記再成形されたビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差が、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差の０．２５倍未満である、項目１１に記載のビームホモジナイザ。
項目１４：前記再成形されたビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差が、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差の０．２倍未満である、項目１１に記載のビームホモジナイザ。
項目１５：前記光学素子が、前記ビームホモジナイザの幅の約２０分の１の幅を有する、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目１６：前記光学素子が、前記ビームホモジナイザの幅の約１０分の１の幅を有する、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目１７：前記光学素子が、前記ビームホモジナイザの幅の約５分の１の幅を有する、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目１８：前記光学素子が１ｍｍ未満の幅を有する、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目１９：前記光学素子が５ｍｍ未満の幅を有する、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目２０：前記光学素子が２０ｍｍ未満の幅を有する、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目２１：前記光学素子が凸状である、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目２２：前記光学素子が凹状である、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目２３：前記光学素子がレンズレットである、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目２４：前記第一の側（又は、第一の面／the first side）が第一のｆ値を有し、前記第二の側（又は、第二の面／the second side）が第二のｆ値を有し、前記第一のｆ値及び前記第二のｆ値が互いの１０％以内の絶対値を有する、項目１に記載のビームホモジナイザ。
項目２５：パワーレシーバは、項目１のビームホモジナイザと、均質化されたパワービームを受け取るように配置された電力変換器とを含む。
項目２６：均質化されたパワービームの少なくとも一部を電力変換器に向けるように配置された集光器をさらに含む、項目２５に記載のパワーレシーバ。
項目２７：前記集光器が反射型集光器である、項目２６に記載のパワーレシーバ。
項目２８：前記集光器は、前記電力変換器の最大受光角以下の出力角を有する、項目２６に記載のパワーレシーバ。
項目２９：複数の集光器をさらに備え、各集光器は、再成形されたパワービームの少なくとも一部を集光領域内の特定の位置に向けるように配置される、項目２５に記載のパワーレシーバ。
項目３０：前記複数の集光器は、前記再成形されたパワービームの少なくとも９０％を収集するために一緒にパックされる、項目２９に記載のパワーレシーバ。
項目３１：前記電力変換器は、光起電力（ＰＶ）セルを含む、項目２５に記載のパワーレシーバ。
項目３２：前記電力変換器は、複数のＰＶセルを含む、項目２５に記載のパワーレシーバ。
項目３３：前記パワーレシーバが複数の集光器を含み、各集光器が前記均質化されたパワービームの少なくとも一部を受け取るように配置され、各集光器が前記均質化されたパワービームのそれぞれの部分を少なくとも１つのＰＶセルに向けるように配置される、項目３２に記載のパワーレシーバ。
項目３４：パワービームを均質化する方法は、入射パワービームを受け取るステップと、受け取ったビームを複数のビーム部分に分割するステップと、各ビーム部分をビームターゲットエリアに向けるステップとを含む。各ビーム部分を向けるステップは、前記ターゲットエリアにおける前記ビーム部分のサイズを選択されたサイズに変更することを含み、前記複数のビーム部分は前記ターゲットエリアにおいて互いに重なり合う。
項目３５：前記ビームを複数のビーム部分に分割し、各ビーム部分をビームターゲットエリアに向けるステップは、前記パワービームを複合レンズに通過させることを含む、項目３４に記載の方法。
項目３６：前記複合レンズが入射面及び出射面を有し、前記出射面が、複数のレンズレットを含む、項目３５に記載の方法。
項目３７：前記レンズレットが凸状である、項目３６に記載の方法。
項目３８：前記レンズレットが凹状である、項目３６に記載の方法。
項目３９：前記入射面が非球面である（aspheric）、項目３６に記載の方法。
項目４０：前記入射面が第一のｆ値を有し、前記出射側が第二のｆ値を有し、前記第一のｆ値及び前記第二のｆ値が互いの１０％以内の絶対値を有する、項目３６に記載の方法。
項目４１：前記入射パワービームはビーム放射照度の入射正規化偏差（incident normalized deviation）を有し、前記ターゲットエリアにおける前記重なる複数のビーム部分はビーム放射照度の均質化された正規化偏差を有し、前記均質化された正規化偏差と前記入射正規化偏差との比は、１／２未満である、項目３４に記載の方法。
項目４２：前記均質化された正規化偏差と前記入射正規化偏差との比が、１／３未満である、項目４１に記載の方法。
項目４３：前記均質化された正規化偏差と前記入射正規化偏差との比が、１／４未満である、項目４１に記載の方法。
項目４４：前記均質化された正規化偏差と前記入射正規化偏差との比が、１／５未満である、項目４１に記載の方法。
項目４５：前記複数のビーム部分は、９～１０，０００個のビーム部分を含む、項目３４に記載の方法。
項目４６：前記複数のビーム部分は、２５～４００個のビーム部分を含む、項目３４に記載の方法。
項目４７：前記複数のビーム部分は、６４～２２５個のビーム部分を含む、項目３４に記載の方法。
項目４８：前記重なるビーム部分が、均質化されたビームを形成する、項目３４に記載の方法。
項目４９：前記均質化されたビームの少なくとも一部を集光するステップをさらに含む、項目４８に記載の方法。
項目５０：前記均質化されたビームの集光された部分を電力変換器に向けるステップをさらに含む、項目４９に記載の方法。
項目５１：前記パワービームの少なくとも一部を集光するステップは、前記電力変換器の最大受光角以下の出力角を有する集光器に前記ビームを通過させることを含む、項目５０に記載の方法。
項目５２：前記均質化されたパワービームを電力変換器に向けるステップをさらに含む、項目３４に記載の方法。
項目５３：前記電力変換器は光起電力（ＰＶ）セルを含む、項目５２に記載の方法。
項目５４：前記電力変換器は複数のＰＶセルを含む、項目５２に記載の方法。

上記では最良の形態及び／又は他の例と見なされるものを説明してきたが、本明細書では様々な修正を行うことができ、本明細書で開示される主題は様々な形態及び例で実装することができ、教示は多数の用途に適用することができ、そのうちのいくつかのみが本明細書で説明されたことを理解されたい。以下の特許請求の範囲は、本教示の真の範囲内にある、任意の及びすべての適用、修正、及び変形を請求することを意図している。

特に明記しない限り、以下の特許請求の範囲を含む、本明細書に記載されるすべての測定値、値、評価、位置、大きさ、サイズ、及び他の仕様は、正確ではなく、おおよそのものである。それらは、それらが関係する機能及びそれらが関係する技術分野において慣習的であるものと一致する合理的な範囲を有することが意図される。

保護の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。その範囲は本明細書及び以下の手続き履歴に照らして解釈されるときに特許請求の範囲で使用される文言の通常の意味と一致し、すべての構造的及び機能的等価物を包含するのと同じくらい広いものであることが意図される。それにもかかわらず、米国特許法第１０１条、第１０２条又は第１０３条の要件を満たさない主題を包含することを意図するものではなく、また、そのように解釈されるべきものではない。そのような主題の意図しない包含は、本明細書によって放棄される。

前段落に記載されている場合を除き、特許請求の範囲に記載されているか否かにかかわらず、記載されているか又は図示されているものは、いかなる構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、利点、又は公衆との同等物の専有を引き起こすように意図され、又は解釈されるべきではない。

本明細書で使用される用語及び表現は特定の意味が本明細書で別段に記載されている場合を除き、それらの対応するそれぞれの問い合わせ及び調査の領域に関して、そのような用語及び表現に与えられる通常の意味を有することが理解されよう。第一及び第二などの関係用語は、そのようなエンティティ間のいかなる関係又は順序も必ずしも暗示することなく、あるエンティティを別のエンティティと区別するためにのみ使用され得る。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」はそれらの文法的形態の全てにおいて、非排他的な包含をカバーすることを意図しており、したがって、要素のリストを含むか又は含むプロセス、方法、物品、装置、又は組成物は、明示的に列挙されていない他の要素も含み得る。「ａ」又は「Ａｎ」が先行する要素はさらなる制約なしに、追加の同一又は類似の要素の存在を除外しない。

本開示の要約は、読者が技術的開示の性質を迅速に確認することを可能にするために提供される。要約書は、特許請求の範囲を解釈又は限定するために使用されないことを理解されたい。加えて、前述の詳細な説明では、説明を明確にするために、様々な特徴が様々な例において一緒にグループ化され得ることが分かる。この開示方法は、請求項が各請求項に明示的に記載されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。さらに、本出願の全体的な範囲及び趣旨から逸脱することなく、１つの例からの特徴は、別のものに自由に含まれてもよく、又は互いに置き換えられてもよい。

下記は、本願の出願当初に記載の発明である。
＜請求項１＞
入射パワービームを再成形するように構成された複合レンズを含むビームホモジナイザであって、
前記複合レンズは、
前記入射パワービームを焦点距離で集束させるように構成された第一光学面と、
複数の光学素子を含む第二光学面であって、前記複数の光学素子の各々は前記集束されたパワービームのそれぞれの部分を集光領域に向かって拡大するように構成され、前記集束されたパワービームの向けられた部分はそれぞれ、前記集光領域において互いに重なり合って均質化されたパワービームを形成する、該第二光学面と、を含む、ビームホモジナイザ。
＜請求項２＞
前記複合レンズは幅を有し、前記複合レンズは、前記集光領域から、前記幅の約半分と前記幅の約６倍との間の距離に配置される、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項３＞
前記複合レンズは、前記集光領域から、約前記幅と前記幅の約４倍との間の距離に配置される、請求項２記載のビームホモジナイザ。
＜請求項４＞
前記複合レンズは、前記集光領域から、前記幅の約２倍と前記幅の約３倍との間の距離に配置される、請求項３に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項５＞
前記複合レンズは軸を有し、
前記均質化されたパワービームは前記複合レンズの幅よりも小さい最終幅を有し、
前記集光領域は、前記入射パワービームが前記軸に対して２度未満の角度を形成するときに、前記均質化されたパワービームが前記集光領域内に配置されるのに十分に広い、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項６＞
前記集光領域は、前記入射パワービームが前記軸に対して５度未満の角度を形成するときに、前記均質化されたパワービームが前記集光領域内に配置されるのに十分に広い、請求項５に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項７＞
前記集光領域は、前記入射パワービームが前記軸に対して１０度未満の角度を形成するときに、前記均質化されたパワービームが前記集光領域内に配置されるのに十分に広い、請求項５に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項８＞
前記入射パワービームは整形されていないビーム放射照度プロファイルを有し、前記均質化されたパワービームは再成形されたビーム放射照度プロファイルを有し、前記再成形されたビーム放射照度プロファイルは、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルよりも平坦である、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項９＞
前記整形されていないビーム放射照度プロファイルは、ほぼガウス分布である、請求項８に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１０＞
前記再成形されたビーム放射照度プロファイルは、前記集光領域の少なくとも半分にわたってほぼ平坦である、請求項９に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１１＞
前記再成形されたビーム放射照度プロファイルは、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルの正規化された偏差の半分未満の正規化された偏差を有する、請求項８に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１２＞
前記再成形されたビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差は、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差の０．３倍未満である、請求項１１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１３＞
前記再成形されたビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差は、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差の０．２５倍未満である、請求項１１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１４＞
前記再形成されたビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差は、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差の０．２倍未満である、請求項１１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１５＞
前記光学素子は、前記ビームホモジナイザの幅の約２０分の１の幅を有する、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１６＞
前記光学素子は、前記ビームホモジナイザの幅の約１０分の１の幅を有する、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１７＞
前記光学素子は、前記ビームホモジナイザの幅の約５分の１の幅を有する、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１８＞
前記光学素子は、１ｍｍ未満の幅を有する、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項１９＞
前記光学素子は、５ｍｍ未満の幅を有する、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項２０＞
前記光学素子は、２０ｍｍ未満の幅を有する、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項２１＞
前記光学素子は凸状である、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項２２＞
前記光学素子は凹状である、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項２３＞
前記光学素子は、レンズレットである、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項２４＞
前記第一の側が第一のｆ値を有し、前記第二の側が第二のｆ値を有し、前記第一のｆ値及び前記第二のｆ値は互いの１０％以内の絶対値を有する、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
＜請求項２５＞
請求項１に記載のビームホモジナイザと、
前記均質化されたパワービームを受け取るように配置された電力変換器と、を備える、パワーレシーバ。
＜請求項２６＞
前記均質化されたパワービームの少なくとも一部を前記電力変換器に向けるように配置された集光器をさらに備える、請求項２５に記載のパワーレシーバ。
＜請求項２７＞
前記集光器が反射型集光器である、請求項２６に記載のパワーレシーバ。
＜請求項２８＞
前記集光器は、前記電力変換器の最大受光角以下の出力角を有する、請求項２６に記載のパワーレシーバ。
＜請求項２９＞
複数の集光器をさらに備え、各集光器は、前記再成形されたパワービームの少なくとも一部を前記集光領域内の特定の位置に向けるように配置される、請求項２５に記載のパワーレシーバ。
＜請求項３０＞
前記複数の集光器は、前記再成形されたパワービームの少なくとも９０％を収集するために一緒にパックされる、請求項２９に記載のパワーレシーバ。
＜請求項３１＞
前記電力変換器は、光起電力（ＰＶ）セルを含む、請求項２５に記載のパワーレシーバ。
＜請求項３２＞
前記電力変換器は、複数のＰＶセルを含む、請求項２５に記載のパワーレシーバ。
＜請求項３３＞
前記パワーレシーバは複数の集光器を含み、各集光器は前記均質化されたパワービームの少なくとも一部を受け取るように配置され、各集光器は前記均質化されたパワービームのそれぞれの部分を少なくとも１つのＰＶセルに向けるように配置される、請求項３２に記載のパワーレシーバ。
＜請求項３４＞
パワービームを均質化する方法であって、
入射パワービームを受け取るステップと、
前記受け取ったビームを複数のビーム部分に分割するステップと、
各ビーム部分をビームターゲットエリアに向けるステップであって、
各ビーム部分を向けるステップは、前記ターゲットエリアにおける前記ビーム部分のサイズを選択されたサイズに変更することを含み、
前記複数のビーム部分は前記ターゲットエリアにおいて互いに重なり合う、該ステップと、を含む方法。
＜請求項３５＞
前記ビームを複数のビーム部分に分割し、各ビーム部分をビームターゲットエリアに向けるステップが、前記パワービームを複合レンズに通過させることを含む、請求項３４に記載の方法。
＜請求項３６＞
前記複合レンズが入射面及び出射面を有し、前記出射面が、複数のレンズレットを含む、請求項３５に記載の方法。
＜請求項３７＞
前記レンズレットが凸状である、請求項３６に記載の方法。
＜請求項３８＞
前記レンズレットが凹状である、請求項３６に記載の方法。
＜請求項３９＞
前記入射面が非球面である、請求項３６に記載の方法。
＜請求項４０＞
前記入射面は第一のｆ値を有し、前記出射側は第二のｆ値を有し、前記第一のｆ値及び前記第二のｆ値は互いの１０％以内の絶対値を有する、請求項３６に記載の方法。
＜請求項４１＞
前記入射パワービームは、ビーム放射照度の入射正規化偏差を有し、
前記ターゲットエリアにおける前記重なる複数のビーム部分はビーム放射照度の均質化された正規化偏差を有し、
前記入射正規化偏差に対する前記均質化された正規化偏差の比は、１／２未満である、請求項３４に記載の方法。
＜請求項４２＞
前記入射正規化偏差に対する前記均質化された正規化偏差の比が１／３未満である、請求項４１に記載の方法。
＜請求項４３＞
前記入射正規化偏差に対する前記均質化された正規化偏差の比が、１／４未満である、請求項４１に記載の方法。
＜請求項４４＞
前記入射正規化偏差に対する前記均質化された正規化偏差の比が１／５未満である、請求項４１に記載の方法。
＜請求項４５＞
前記複数のビーム部分は、９～１０，０００個のビーム部分を含む、請求項３４に記載の方法。
＜請求項４６＞
前記複数のビーム部分は、２５～４００個のビーム部分を含む、請求項３４に記載の方法。
＜請求項４７＞
前記複数のビーム部分は、６４～２２５個のビーム部分を含む、請求項３４に記載の方法。
＜請求項４８＞
前記重なるビーム部分が、均質化されたビームを形成する、請求項３４に記載の方法。
＜請求項４９＞
前記均質化されたビームの少なくとも一部を集光するステップをさらに含む、請求項４８に記載の方法。
＜請求項５０＞
前記均質化されたビームの前記集光された部分を電力変換器に向けるステップをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
＜請求項５１＞
前記パワービームの少なくとも一部を集光するステップは、前記電力変換器の最大受光角以下の出力角を有する集光器に前記ビームを通過させることを含む、請求項５０に記載の方法。
＜請求項５２＞
前記均質化されたパワービームを電力変換器に向けるステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
＜請求項５３＞
前記電力変換器は光起電力（ＰＶ）セルを含む、請求項５２に記載の方法。
＜請求項５４＞
前記電力変換器は複数のＰＶセルを含む、請求項５２に記載の方法。

Claims (22)

1. 入射コリメートパワービームを再成形するように構成された複合レンズを含むビームホモジナイザであって、
   前記複合レンズは、
   第一のｆ値を有し、前記入射パワービームを焦点距離で集束させるように構成された第一光学面と、
   複数の光学素子を含む第二光学面であって、
   前記複数の光学素子のそれぞれの光学素子は前記集束されたパワービームのそれぞれの部分を集光領域に向かって拡大するように構成され、
   前記複数の光学素子のそれぞれの光学素子は、前記第一のｆ値の１０％以内の絶対値を有する関連するｆ値を有し、
   前記集束されたパワービームの前記拡大された部分はそれぞれ、前記集光領域において互いに重なり合って均質化されたパワービームを形成する、該第二光学面と、を含む、ビームホモジナイザ。
2. 前記複合レンズは幅を有し、前記複合レンズは、前記集光領域から、前記幅の半分と前記幅の６倍との間の距離に配置される、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
3. 前記複合レンズは軸を有し、
   前記均質化されたパワービームは前記複合レンズの幅よりも小さい最終幅を有し、
   前記集光領域は、前記入射パワービームが前記軸に対して１０度未満の角度を形成するときに、前記均質化されたパワービームが前記集光領域内に配置されるのに十分に広い、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
4. 前記入射パワービームは整形されていないビーム放射照度プロファイルを有し、前記均質化されたパワービームは再成形されたビーム放射照度プロファイルを有し、前記再成形されたビーム放射照度プロファイルは、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルよりも平坦である、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
5. 前記再成形されたビーム放射照度プロファイルは、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルの正規化された偏差の半分未満の正規化された偏差を有する、請求項４に記載のビームホモジナイザ。
6. 前記再成形されたビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差は、前記整形されていないビーム放射照度プロファイルの前記正規化された偏差の０．２倍未満である、請求項５に記載のビームホモジナイザ。
7. 前記光学素子は、それぞれ２０ｍｍ未満の幅を有する、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
8. 前記光学素子は、レンズレットである、請求項１に記載のビームホモジナイザ。
9. 請求項１に記載のビームホモジナイザと、
   前記均質化されたパワービームを受け取るように配置された電力変換器と、を備える、パワーレシーバ。
10. 前記均質化されたパワービームの少なくとも一部を前記電力変換器に向けるように配置された集光器をさらに備える、請求項９に記載のパワーレシーバ。
11. 複数の集光器をさらに備え、各集光器は、前記再成形されたパワービームの少なくとも一部を前記集光領域内の特定の位置に向けるように配置される、請求項９に記載のパワーレシーバ。
12. 前記電力変換器は、光起電力（ＰＶ）セルを含む、請求項９に記載のパワーレシーバ。
13. 前記電力変換器は、複数のＰＶセルを含む、請求項９に記載のパワーレシーバ。
14. パワービームを均質化する方法であって、
    入射コリメートパワービームを受け取るステップと、
    前記受け取ったビームを複数のビーム部分に分割するステップと、
    各ビーム部分をビームターゲットエリアに向けるステップであって、
    各ビーム部分を向けるステップは、前記ターゲットエリアにおける前記ビーム部分のサイズを選択されたサイズに変更することを含み、
    前記複数のビーム部分は前記ターゲットエリアにおいて互いに重なり合い、
    前記受け取ったビームを複数のビーム部分に分割するステップと、各ビーム部分をビームターゲットエリアに向けるステップは、前記パワービームを複合レンズに通過させることを含み、
    前記複合レンズが入射面及び出射面を有し、前記出射面が、複数の光学素子を含み、
    前記入射面は第一のｆ値を有し、前記複数の光学素子のそれぞれの素子が、前記第一のｆ値の１０％以内の絶対値を有するそれぞれのｆ値を有する、該ステップと、を含む方法。
15. 前記入射パワービームは、ビーム放射照度の入射正規化偏差を有し、
    前記ターゲットエリアにおける前記重なる複数のビーム部分はビーム放射照度の均質化された正規化偏差を有し、
    前記入射正規化偏差に対する前記均質化された正規化偏差の比は、１／２未満である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記入射正規化偏差に対する前記均質化された正規化偏差の比が１／５未満である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数のビーム部分は、９～１０，０００個のビーム部分を含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記重なるビーム部分が、均質化されたビームを形成する、請求項１４に記載の方法。
19. 前記均質化されたビームの少なくとも一部を集光するステップと、前記均質化されたビームの前記集光された部分を電力変換器に向けるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記均質化されたパワービームを電力変換器に向けるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記電力変換器は光起電力（ＰＶ）セルを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記電力変換器は複数のＰＶセルを含む、請求項２０に記載の方法。