JP2008008671A - 受光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】最低利得を保障できる軸ズレ入射角範囲が広い受光デバイスを提供する。
【解決手段】光が入射する入力面５と、入力面５に対向し入力面５よりも狭い面積を有する出力面６と、入力面５から出力面６に亘り設けられ、その内周面８が入力面５から入射した光を反射させる側面部とを有する集光体１０と、出力面６から出射される光を受光する検出部４とを備える。そして、集光体１０の内周面８の形状は、出力面６の中心線３に対する内周面８の傾斜角１１が、出力面６から入力面５に向かうにしたがって単調減少する部分を、少なくとも出力面６よりも入力面５に近い側に有した形状である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光空間伝送に使用される受光デバイスに関する。

最近、ＡＶ機器間の信号伝送をコードレスで行おうとする試みがなされている。その手段として、携帯電話を用いた赤外線通信などのように、もっぱら赤外線による光伝送が用いられている。

光空間伝送において送信部と受信部の光軸が合っているのが理想的であるが、現実的には、固定送信部と固定受信部のアライメント不良による静的軸ズレや、送信部と受信部の少なくとも一方が移動（可動）体である場合、例えば携帯電話を手に持って使用したり移動している自動車との間で伝送する場合などでは、動的軸ズレが存在する。軸ズレが発生すると受光レベルの低下によりＳＮ劣化、誤り率の増加による伝送レート低下、送信パワーの増加などの問題が生じる。さらに、高速応答する受光素子になるほど受光面積が小さくなるので、軸ズレの影響が顕著となる。

なお、上記軸ズレは位置ズレと角度ズレの両者を含んでいる。光空間伝送の場合、自由空間伝搬中にビーム径はある程度広がっているので位置ズレよりも角度ズレが特に問題である。しかし、面積の小さな受光素子に集光するための従来のレンズなどは分散面が固定的な曲面であるために、入射角の変動により集光位置が敏感に変化するので利得の劣化をもたらす。

角度ズレした入射光を広角度で受光する方法として、レンズの側面に設けた反射鏡を利用したものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１１は、特許文献１で提案されている受光装置の側断面図を示している。

受光素子８２に向かって断面が小さくなる円錐台形状のレンズ８１を備えている。そして反射鏡８３が、レンズ８１の側面を被うように、空間的な隙間なく取り付けられている。

このような構成にしたことにより、受光素子へ直接入射しなかった光も反射鏡８３で反射して受光素子８２に入射させることにより、入射光が効率的に受光素子８２に到達するようにしている。

また、集光器の側面における全反射を利用したものもある（例えば、特許文献２参照）。

図１２は、特許文献２で提案されている誘電性全内部反射集光器の側断面図を示している。

この誘電性全内部反射集光器は、凸状に曲がった受信面９１、軸対称である凹面をなしている側面９２および円形の検知面９３を備えている。検知面９３には、光センサー９４が組み入れられており、平らな薄膜光学フィルタ９５で覆われている。

このような構成にしたことにより、受信面９１を通り、検知面９３へ直接入射しなかった光線も、側面９２で全反射して検知面９３に受光させることにより、広角度で入射光を受光できるようにしている。
特開平８−６２０３９号公報（例えば、第１図） 特表２００４−５０８７３３号公報（例えば、第１図）

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の受光装置では、それらの側面の形状が原因となって、広角度で軸ズレして入射する光に対しては、受光できたとしてもその利得が小さくなってしまうという問題があった。

受光したデータが有効なデータとして処理されるためには、最低限必要な利得値（以降、最低利得値という）以上の利得で受光されなければならない。つまり、軸ズレして入射する光を受光できたとしても、最低利得値以上の利得値が得られる範囲のみが、許容できる軸ズレ受光角範囲である。

特許文献１や特許文献２に記載の従来の受光装置の側面の形状では、入射光の軸ズレ角度が大きくなるにしたがって利得値が大きく低下していくため、最低利得値を保障できる軸ズレ受光角範囲を大きくするにも限度があった。すなわち、従来の受光装置の側面の形状では、広角度で軸ズレして入射する光を有効に受光できなかった。

なお、上述した、従来の受光装置の側面の形状では入射光の軸ズレ角度が大きくなるにしたがって利得値が大きく低下していくことについて、以下に数式を用いて説明する。

図１１や図１２のような、入力面を通る入射光を側面の反射により出力面に誘導する集光器では、側面上でｍ番目の反射点への入射角β_ｍおよび反射角γ_ｍは、それぞれ数３および数４で表される。ただし、α₁：入射光の入力面での屈折角、θ_ｍ：ｍ番目の反射点の傾斜角であり、角度符号は出力面から入力面方向を基準にする。なお、傾斜角とは、入力面と出力面のそれぞれの中心点を結ぶ中心線と、入力面から出力面に向かう方向の側面における接線とのなす角度をいう。

数３および数４より、図１１の反射鏡８３のように側面に金属などの反射率の高い反射材料を使用する場合、数５となる光線は、側面での反射により入力面方向へ反射されて最終的には入力面から外部へ出射されてしまい、受光素子８２で受光できない。

また、図１２のように側面９２での全反射を利用する場合は、数６となる光線は、側面９２で全反射されず透過するので、やはり検知面９３で受光できない。ただし、ｎ：集光器の屈折率（＞１）であり、図１２の全反射の方が図１１の場合よりも受光条件が厳しい。

次に、入力面と出力面の大きさの差が大きく、集光器の長さが短い、開口角が大きい場合を考える。

説明を簡単にするために、入力面と出力面が円形（それぞれの半径はＤ_０、Ｄ_１）で、側面が直線である中心対称な集光器を仮定すると、傾斜角θは反射位置に依らず数７で表される。ただし、ｈ：入力面と出力面間距離（集光器の長さ）である。

数３、数４、および数７より、利得と正の相関関係にある入力面と出力面の大きさの差が大きく、集光器の長さが短いほど、反射点への入射角β_ｍおよび反射角γ_ｍが大きくなるので受光が困難となる。したがって、図１１に示した特許文献１や図１２に示した特許文献２の形状の集光器を使用する場合、集光器の長さが短くなると、入射光が軸ズレするにしたがって利得が急激に低下してしまう。つまり、従来の側面形状の集光器では、軸ズレに対する利得の低下を抑えながら集光器の長さを短くすること、すなわち、小型化をするにも限度があった。

例えば、最大利得が２０ｄＢとなる入力面径と出力面径の比が１０:１となるＤ_０＝５ｍｍ、Ｄ_１＝０．５ｍｍで、集光器の長さが１０ｍｍの小型形状の場合、θ＝２４．２°の傾斜角を持つので、側面上のｍ番目の反射点への入射角および反射角は、それぞれ、β_ｍ＝α_１−２４．２°＋４８．５°ｍ、およびγ_ｍ＝α_１＋４８．５°ｍとなり、ｍ＜２でなければ受光できない。

しかし、ｍ＜２で高利得を得るには、軸ズレの有無に関わらず、入力面での屈折後に最初に到達する位置が入力面上の入射位置に依らず出力面を含む近傍になるようにしなければならない。図１１に示すような従来の構成で、±１５°のような広指向角範囲でこのような入力面を構成するのは不可能である。なお、図１２に示すような出力面から入力面に向かうにしたがって傾斜角が単調増加するラッパ形状の場合は、入力面側の側面の傾斜角が直線の場合よりも大きいのでなおさら困難である。

このように、集光器の長さを短くすると、入射光の少しの軸ズレに対して利得が急激に低下してしまい、広角度に軸ズレした入射光の利得を保障できなかった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、３次元光学系における入射光に対し、最低利得を保障できる軸ズレ入射角範囲が従来よりも広い受光デバイスを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
光が入射する入力面と、前記入力面に対向し前記入力面よりも狭い面積を有する出力面と、前記入力面から前記出力面に亘り設けられ、その内周面が前記入力面から入射した光を反射させる側面部とを有する集光体と、
前記出力面から出射される光を受光する検出部とを備え、
前記集光体の前記内周面の形状は、前記出力面の中心線に対する前記内周面の傾斜角が、前記出力面から前記入力面に向かうにしたがって単調減少する部分を、少なくとも前記出力面よりも前記入力面に近い側に有した形状である受光デバイスである。

また、第２の本発明は、
前記内周面の傾斜角とは、前記出力面の中心線を含む平面と前記内周面とが交差する線上の各点における、前記平面に含まれる前記内周面の接線と前記中心線とがなす角度のことである、第１の本発明の受光デバイスである。

また、第３の本発明は、
前記内周面における、前記入力面から入射した光の前記反射は、金属反射である、第１の本発明の受光デバイスである。

また、第４の本発明は、
前記内周面の、前記傾斜角が単調減少する部分以外の部分の形状は、その傾斜角が一定または単調増加する形状である、第３の本発明の受光デバイスである。

また、第５の本発明は、
前記内周面の形状は、前記中心線上の前記出力面からの距離ｚの位置における、前記中心線から垂直方向の距離ｒが数１で表される形状である、第３の本発明の受光デバイスである。

また、第６の本発明は、
前記内周面の形状は、前記中心線上の前記出力面からの距離ｚの位置における、前記中心線から垂直方向の距離ｒが数２で表される形状であり、
前記中心線を含む断面における、前記入力面の円周上の点と前記出力面の円周上の点とを結ぶ直線の、前記中心線となす角度が２７°以上の形状である、第３の本発明の受光デバイスである。

また、第７の本発明は、
前記内周面の形状は、前記出力面の中心線に対して回転対称の形状である、第１の本発明の受光デバイスである。

また、第８の本発明は、
前記入力面の焦点距離は、前記入力面と前記出力面間の距離よりも大きい、第１の本発明の受光デバイスである。

また、第９の本発明は、
前記内周面は、反射率の高い材料で構成されている、第１の本発明の受光デバイスである。

また、第１０の本発明は、
前記内周面は、ブラッグ反射を起こす周期構造を有している、第１の本発明の受光デバイスである。

本発明により、３次元光学系における入射光に対し、最低利得を保障できる軸ズレ入射角範囲が従来よりも広い受光デバイスを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１および図２は、本発明の実施の形態１の第１の側面形状を有する受光デバイスの、光線軌跡を示す側断面図を示している。図１には、入射光が軸ズレ無し時の光線軌跡を、図２には、入射光が軸ズレ時の光線軌跡を、それぞれ示している。

本実施の形態１の受光デバイスは、図１に示すように、集光器１０と受光素子４で構成されており、光源１から自由空間２で隔てられて配置されている。

集光器１０は、出力面６と、出力面６に対向し出力面６よりも面積が大きい入力面５を備えている。入力面５は、凸面であり、その焦点位置は出力面６よりも遠方にある。そして、入力面５から出力面６に亘って反射側面８が設けられている。反射側面８の、出力面６側よりも入力面５側に偏った部分は、出力面６から入力面５に向かうにしたがって、傾斜角（θ_ｍ）１１が単調減少する形状をしている。そして、その傾斜角１１が単調減少する部分以外の反射側面８の部分は、傾斜角１１が一定である形状をしている。

また、集光器１０は、入力面５、出力面６および反射側面８に囲まれる内部に、屈折率が一定の導光部９を備えている。そして、この集光器１０は、入力面５と出力面６の各中心点を結ぶ中心軸３に対して軸対称の形状をしている。

そして、受光素子４が、集光器１０の出力面６から出射される光を受光する位置に配置されている。光線軌跡１２は、入力面５から入射した光が集光器１０に入射した後の、集光器１０内の光線の軌跡を示している。

なお、入力面５の焦点位置が出力面６よりも遠方にあるとは、軸ズレ無し入射光７が入力面５上での屈折後に中心軸３に交わる点が、入力面５上の入射位置に依らず出力面６位置よりも遠方にあることである。なお、入力面５の各位置に入射する光線の中心軸３との交点は必ずしも一致する必要はない。

また、ここで言う傾斜角とは、中心軸３を含む平面と反射側面８が交差する線上の各点における、その平面に含まれる反射側面８の接線と中心軸３とがなす角度のことを言う。例えば、図１に示す平面図が中心軸３を含む平面の一例であり、この場合、図１の反射側面８の外形との交点（反射点（Ｐ）１３）における接線と中心軸３とのなす角度（傾斜角１１）が、反射点（Ｐ）１３における傾斜角である。

なお、反射側面８が、本発明の内周面の一例にあたる。また、集光器１０および受光素子４が、それぞれ、本発明の集光体および検出部の一例にあたる。また、中心軸３が、本発明の、出力面の中心線の一例のあたる。

次に、出力面６に到達する光線は全て受光素子４に受光されると仮定して、入力面５に入射する光の受光状態を、入力面５上に入射する光線の光線追跡で説明する。

まず、集光器１０に対して軸ズレが無い入射光７が入射する場合について、図１を用いて説明する。

入力面５の中心に入射する光線３０は、中心軸３上を進み、直接出力面６の中心に到達する。入力面５の焦点位置は出力面６よりも遠方にあるので、入力面５上の入射点が中心軸３から離れるに従って、入力面５での屈折後に到達する点は、中心軸３に対して出力面６の中心から入力面５上の入射位置と同方向に離れていく。さらに、その屈折後に到達する点は、出力面６を外れた後は、傾斜角１１が一定の反射側面８上の部分に移動するが、光線３１のように反射側面８での反射により出力面６に到達する。その時の出力面６上の到達点は、中心軸３に対する入力面５上の入射位置とは逆方向へ移動する。

さらに、入力面５上で入射点が中心軸３から離れて端へ近づくにつれて屈折後の最初に到達する反射側面８上の点は、出力面６側から入力面５側の方向へさらに移動していくが、入力面５での屈折のために最初に到達する反射側面８上の点は、入力面５近くの傾斜角１１が単調減少する領域には到達しないか、到達したとしても傾斜角１１が一定の領域と大差が無い領域であるため、反射側面８で反射した後の出力面６上の到達する点は、引き続き中心軸３に対して入力面５上の入射位置と逆方向の出力面６の端に移動していく。そして、その到達する点は、出力面６を外れた後は、中心軸３に対して入力面５上の入射位置と逆方向の反射側面８上に移動して第２の反射点ができる。

数３に示すように、側面上の反射点への入射角βは、側面上での反射毎に各反射点での傾斜角が屈折角に累積していくので、入力面５上の入射点が端に近づくほど互いに対向する反射面間の反射回数が増えて数５の受光条件を満足できなくなる。したがって、図１に示す本実施の形態１の集光器１０のように入力面５の焦点が出力面６よりも遠方にある場合は、入力面５の端の近くに入射した光線（光線３２）の光量分の利得が低下する。

次に、集光器１０に対して軸ズレがある入射光１４が入射する場合について、図２を用いて説明する。

図２に示すように、光源１から出射された光が軸ズレ方向にずれた方向から集光器１０の入力面５に入射した場合について説明する。この場合、入力面５の中心軸３上に入射する光線３４は、入射角α１３で入射し屈折角α_１１４で屈折して導光部９内を進行していく。

入力面５の軸ズレと逆方向の端近傍に入射する光線３５の、入力面５での屈折後の最初に到達する反射側面８上の反射点は、傾斜角１１が単調減少する領域である入力面５近傍となるため、その反射点での傾斜角１１の絶対値は反射側面８上では最小となるので非常に小さく、数３によると入射角（＝反射角）は入力面５での屈折角に近く、反射光は中心軸３に対して出力面６の軸ズレと逆方向の端近傍に到達し受光される。

ここで、最初に到達する反射側面８上の点における傾斜角１１をさらに小さくすれば、中心軸３に対してその最初の反射点と同じ側の反射側面８上の第２の反射点に到達することになるが、その第２の反射点での入射角は非常に小さいので、この場合にも第２の反射点での反射光は出力面６に到達し受光される。

次に、入射点が入力面５の軸ズレと逆方向の端（図２の上側）から中心軸３に近づくにつれて、入力面５での屈折後の反射側面８上に最初に到達する反射点は、入力面５側から出力面６側へ移動していくので反射側面８上の反射点における傾斜角１１は徐々に大きくなり、反射後の出力面６上に到達する点は軸ズレ方向に移動していく。そして、その反射後の到達する点は、出力面６の端を外れた後は、中心軸３に対する入力面５上の入射位置とは反対方向の反射側面８へ移動して第２の反射点ができる。

入力面５上の中心付近に入射する軸ズレ光１４の光線３４は、第２の反射点の入射角（＝反射角）が大きいので、図２のように入力面５方向へ反射されるか、出力面６方向へ反射されて対向する反射側面８上に第３の反射点ができてもその第３の反射点への入射角は非常に大きく、最終的には入力面５方向へ反射され、受光素子４で受光できない。

そして今度は、入力面５上の入射位置が中心軸３から軸ズレ方向側の端に近づくにつれて、入力面５での屈折後の反射側面８上の最初の反射点は出力面６方向へ移動していくので、対向する反射側面８上の第２の反射点も出力面６方向へ移動していき、出力面６上に到達するようになり光線３３のように受光できるようになる。

次に、側面形状が図１および図２と異なる構成の本発明の受光デバイスについて説明する。

図３および図４は、本発明の実施の形態１の第２の側面形状を有する受光デバイスの、光線軌跡を示す側断面図を示している。図３には、入射光が軸ズレ無し時の光線軌跡を、図４には、入射光が軸ズレ時の光線軌跡を、それぞれ示している。

本実施の形態１の第２の側面形状を有する受光デバイスは、図３に示すように、集光器２０と受光素子２４で構成されており、光源１から自由空間２で隔てられて配置されている。

集光器２０は、出力面２６と、出力面２６に対向し出力面２６よりも面積が大きい入力面２５を備えている。入力面２５は、凸面であり、その焦点位置は出力面２６よりも遠方にある。そして、入力面２５から出力面２６に亘って反射側面２８が設けられている。反射側面２８の、出力面２６側よりも入力面２５側に偏った部分は、出力面２６から入力面２５に向かうにしたがって、傾斜角（θ_ｍ）２１が単調減少する形状をしている。そして、その傾斜角２１が単調減少する部分以外の反射側面２８の部分は、傾斜角２１が入力面２５に向かうにしたがって単調増加する形状をしている。

また、集光器２０は、入力面２５、出力面２６および反射側面２８に囲まれる内部に、屈折率が一定の導光部２９を備えている。そして、この集光器２０は、入力面２５と出力面２６の各中心点を結ぶ中心軸２３に対して軸対称の形状をしている。

そして、受光素子２４が、集光器２０の出力面２６から出射される光を受光する位置に配置されている。光線軌跡２２は、入力面２５から入射した光が集光器２０に入射した後の、集光器２０内の光線の軌跡を示している。

図３および図４に示す第２の側面形状を有する受光デバイスにおける入射光の受光のメカニズムについては、上述した第１の側面形状を有する受光デバイスの場合に比べて軸ズレ時の入力面２５の中心付近の入射光の受光量が低下する以外は、第１の側面形状を有する受光デバイスの場合と同様である。

このように、本実施の形態１の受光デバイスは、第１の側面形状を有する場合も、第２の側面形状を有する場合も、入力面での屈折後の反射側面で反射する割合を多くするように入力面の焦点位置を出力面よりも遠くした入力面形状と、出力面から入力面に向かうにしたがって傾斜角が単調減少する部分を出力面側よりも入力面側に偏った部分に有する側面形状を採用することにより、入力面上の端に近い入射光は軸ズレ無し時は反射受光が抑制され、軸ズレ時には反射受光が促進される一方、入力面の中心に近い入射光は軸ズレ無し時は直接受光と反射受光が促進され、軸ズレ時には反射受光が抑制される。

次に、図５〜９を用いて、本実施の形態１の受光デバイスの反射側面の形状を用いた場合と、従来の反射側面の代表的な形状を用いた場合との、それぞれにおける利得を対比して説明する。

図５は、表１に示す関数で表現される、集光器の各種反射側面形状の側断面図を示している。

図５および表１の関数で示す各反射側面の形状は、(i)直線、(ii)傾斜角が単調増加、(iii)傾斜角が単調増加から一定に変化、(iv)傾斜角が一定から単調減少に変化、(v)傾斜角が単調増加から単調減少への変極点を有する、(vi)傾斜角が０から単調増加した後単調減少に転じて０に戻る、(vii)傾斜角が単調減少から単調増加への変極点を有する、の７種類である。なお、これらの傾斜角の変化は、出力面から入力面に向かう方向で示している。

図６は、表１の関数で示す集光器の反射側面の各形状(i)〜(vii)がわかりやすいように、それらの側断面を誇張して示した模式図である。図１および図２に示した第１の側面形状を有する反射側面８の形状は、表１の(iv)の関数で表される形状であり、図６(iv)の模式図が相当する。また、図３および図４に示した第２の側面形状を有する反射側面２８の形状は、表１の(v)の関数で表される形状であり、図６(v)の模式図が相当する。また、特許文献１および特許文献２の集光器の部分の形状は、それぞれ、表１の(i)および(ii)の形状に相当する。

なお、表１では、集光器の中心軸をｚ軸（出力面を原点）とし、入力面と出力面の半径をそれぞれＤ_０とＤ_１、入力面と出力面の間隔をｈとし、入力面は球面としたときの、中心軸からの動径方向の距離ｒを示している。

表１の各関数毎に、平均傾斜角を変化させたときの、入射光が軸ズレ無し時と１５°軸ズレ時の各利得を算出し、それらの最低利得の変化を対比した。

図７は、各利得を算出する際に対象とした各側面形状の設定値を説明する図である。平均傾斜角とは、側面形状が直線と仮定した場合の傾斜角、つまり、出力面の中心線を含む断面における、入力面の円周上の点と出力面の円周上の点とを結ぶ直線が、中心線となす角度である。

具体的には、表１の(i)〜(vii)の各関数において、出力面の半径Ｄ_１＝０．５ｍｍ、出力面と入力面間の距離ｈ＝１０ｍｍの固定値としておき、入力面の半径Ｄ_０を０．５ｍｍから１３ｍｍまでの範囲で０．２５ｍｍ刻みで、入力球面の中心位置Ｘ０を、出力面の中心線上の、出力面と入力面間で０．２ｍｍ刻みの位置で、それぞれ変化させたときの全ての場合について、軸ズレなしで入射する光に対する利得と１５°軸ズレして入射する光に対する利得を求めた。

入力面の半径Ｄ_０、出力面の半径Ｄ_１、および出力面と入力面間の距離ｈによって平均傾斜角が決まるので、入力面の半径Ｄ_０を変化させるにしたがって、平均傾斜角は変化する。

図８および図９は、表１の(i)〜(vii)の各関数について、上記のようにして求めた平均傾斜角に対する最低利得値の変化を示したグラフである。ここでは、軸ズレ無し時と１５°軸ズレ時の２つの利得のうちの低い方の利得値を最低利得値として用いている。図８は、入力球面の中心位置Ｘ０を４．２ｍｍとした場合、図９は、Ｘ０を０ｍｍとした場合についての、それぞれの最低利得の変化を示している。なお、図８および図９に示す、(i)〜(vii)の各符号は、表１の(i)〜(vii)の各数式で表される反射側面形状に対応している。また、ここでは、反射側面が金属反射の場合の利得値を示している。

図８より、(iv)の側面形状の場合、すなわち本実施の形態１の第１の側面形状の場合には、平均傾斜角が２７°以上となる立体角の範囲では、同じ平均傾斜角の他のいずれの形状の場合よりも最低利得値が大きいことがわかる。

また、(v)の側面形状の場合、すなわち本実施の形態１の第２の側面形状の場合にも、平均傾斜角が４７°以上となる立体角の範囲では、同じ平均傾斜角の従来の側面形状の場合（(i)、(ii)、(iii)、(vi)、(vii)）よりも最低利得値が大きくなっている。さらに、(v)の側面形状の場合には、平均傾斜角が３５°〜４１°の範囲においても、同じ平均傾斜角の従来の側面形状の場合よりも最低利得値が大きくなっている。

Ｘ０を０ｍｍとした図９からも、図８と同様の傾向があることがわかる。

すなわち、(iv)の側面形状の場合、平均傾斜角が２４°以上となる立体角の範囲では、同じ平均傾斜角の従来形状の場合よりも最低利得値が大きいことがわかる。

また、(v)の側面形状の場合、平均傾斜角が４７°以上となる立体角の範囲では、同じ平均傾斜角の従来の側面形状の場合よりも最低利得値が大きくなっている。さらに、(v)の側面形状の場合には、平均傾斜角が２７°〜４３°の角度範囲においても、同じ平均傾斜角の従来の側面形状の場合よりも最低利得値が大きくなっている。

これらの結果から、(iv)および(v)の数式で表される側面形状を用いると、立体角が大きい場合には、同じ平均傾斜角の他の形状に比べて最低利得値を大きくすることができることがわかる。最低利得値を大きくできるということは、許容できる軸ズレ角度範囲を大きくできることになる。

これは、(iv)および(v)の数式で表される反射側面形状に共通の、入力面での屈折後の反射側面で反射する割合を多くするように入力面の焦点位置を出力面よりも遠くした入力面形状と、出力面から入力面に向かうにしたがって傾斜角が単調減少する部分を出力面側よりも入力面側に偏った部分に有する側面形状を採用することにより、入力面上の端に近い入射光は軸ズレ無し時は反射受光が抑制され、軸ズレ時には反射受光が促進される一方、入力面の中心に近い入射光は軸ズレ無し時は直接受光と反射受光が促進され、軸ズレ時には反射受光が抑制されるためである。したがって、軸ズレした場合の利得低下を抑制できるので、平均傾斜角が４７°以上となる広指向角範囲で比較的高利得を維持できる。したがって、最低利得を保障できる軸ズレ入射角範囲が従来よりも広い受光デバイスを作製できる。

集光体を相似形状で大きくすれば利得は大きくなる。したがって、各形状を同様に相似形状で大きくすれば、それぞれの利得の大小関係が維持されたまま各利得は大きくなる。すなわち、同等のサイズであれば、サイズの大小に関わらず、(iv)および(v)の数式で表される側面形状を用いると、立体角が大きい場合には、同じ平均傾斜角の他の形状に比べて最低利得値を大きくすることができることになる。

本実施の形態１の集光器１０の反射側面８の形状、および集光器２０の反射側面２８の形状の、それぞれの相似形も含んだ形状は、表１に示す(iv)、(v)の関数より数１のように表すことができる。

例えば、平均傾斜角が広い範囲（例えば、２７°以上の範囲）で、数１で表される反射側面形状を前提とすることにより、許容できる軸ズレ角度範囲の大きい受光デバイスを容易に設計できる。

また、図８および図９で、(iv)の数式で表される反射側面形状に着目すると、平均傾斜角が２７°以上の範囲においては、同じ平均傾斜角の従来の反射側面形状の場合よりも、確実に最低利得を大きくできることがわかる。つまり、平均傾斜角が２７°以上の範囲で、(iv)の関数の相似形状を示す数２で表される反射側面形状を前提とすることにより、許容できる軸ズレ角度範囲の大きい受光デバイスをさらに容易に設計できる。

次に、軸ズレ無し時と軸ズレ有り時の各入射光の利得差が小さい場合の反射側面形状を最適構成として、表１の各関数毎に最適構成の反射側面形状を抽出し、それらの各最適構成の反射側面形状における利得を対比した。

図１０は、表１の(i)〜(vii)の各関数毎に抽出した最適構成の反射側面形状と利得の相関関係を示している。

各最適構成は、上記で入力面の半径Ｄ_０と入力球面の中心位置Ｘ０を変化させて得た全データに基づいて抽出した。まず、(i)〜(vii)の各関数毎に軸ズレなしで入射する光に対する利得と１５°軸ズレして入射する光に対する利得との差が最小となる構成を抽出した。そして、利得差が同等の構成が複数抽出された場合には、それらの中から最も利得値の大きい構成を最適構成として抽出した。

各最適構成として抽出した構成の入力面の半径Ｄ_０および入力球面の中心位置Ｘ０の値は、それぞれ、(i)が７．２５ｍｍおよび５．４ｍｍ、(ii)が８．５ｍｍおよび７．４ｍｍ、(iii)が１１．２５ｍｍおよび１０．０ｍｍ、(iv)が１１．２５ｍｍおよび４．２ｍｍ、(v)が１３．０ｍｍおよび０ｍｍ、(vi)が１２．５ｍｍおよび３．０ｍｍ、(vii)が４．７５ｍｍおよび２．４ｍｍである。

図１０に示す各利得は、このようにして求めた、各関数で表される最適構成の反射側面形状を用いた場合におけるそれぞれの利得を示している。したがって、いずれの関数で示される形状の場合も、軸ズレ有り時と軸ズレなし時との利得はほぼ等しい値となっている。

なお、図１０の金属反射時の(iv)に記載しているように、軸ズレ無し時と軸ズレ有り時の利得差が最適構成と同等であるが利得値が低いものや、利得差が大きいものもある。図１０の金属反射時の(iv)の場合も、最適構成以外に記載しているものは一部のみであり、他の形状の場合については、最適構成以外の記載は省略している。

図１０より、反射側面を(i)〜(vii)の形状に変化させた時の利得の角度依存性は、本実施の形態１で使用した(iv)の場合が最も利得が高く、角度依存性が小さいことがわかる。

入力面への入射光を全て受光した全受光仮定時の利得（２５ｄＢ）と比較すると、(iv)の形状時の利得は軸ズレの有無に依らず低い。これは、入力面の端に入射する光線を、軸ズレ無し時にあえて受光せずに、軸ズレ時に受光できるようにして利得の角度変化を補償したためである。具体的には、図１０に示した(iv)では、±１５°の指向角範囲において約２０ｄＢの高利得が得られている。

なお、図５には、金属反射（反射率が高い材料を使用）の場合と全反射の場合について示したが、数５と数６の比較から分かるように金属反射の場合の方が高利得が得られる。

実使用上、光空間伝送に用いられる受光デバイスとしては、少なくとも２０ｄＢ程度以上の利得が要求される。図１０より、(iv)の関数で示される最適構成の反射側面を持つ集光器を備えた受光デバイスであれば、１０ｍｍ程度の長さの小型のものでも実使用上、用いることができると言える。

相似形状で集光器の大きさを大きくすれば、軸ズレ時との利得差割合が同じままで利得が大きくなる。つまり、図１０に示す各関数で表される最適形状の集光器を、それぞれ相似形状で同じ割合で変化させた場合でも、各形状間における利得の大小の関係は変わらない。したがって、例えば、(v)の関数で示される最適構成の反射側面を持つ集光器を用いる場合には、図１０に示す大きさでは利得が１６ｄＢ程度なので、その利得が２０ｄＢ程度になるよう、相似形状で大きくしたものとすれば実用できるものとなる。

また、上記したように、図１０で求めた各関数で表される反射側面の最適形状とは、同じ入力面と出力面間の距離とし、入力面径を同じ範囲内で変化させた場合の、それぞれの最も利得が大きくなる形状なので、同じ限られた大きさの空間に収まる中では、(iv)の関数で示される最適構成のものが最も高利得にできる、と言える。言い換えれば、同じ利得を得るのであれば、(iv)の関数で示される最適構成の反射側面の形状（の相似形状）にした場合に、最も小型にできる。また、図５より、(iv)の関数と同様に、傾斜角が入力面に向かって単調減少する形状を入力面側に有している(v)の関数で示される最適構成の場合も、金属反射の場合には、他の従来の反射側面形状の場合よりも小型にすることができると言える。

したがって、さらに高利得が要求される場合には、(iv)の関数で示される最適構成の反射側面の形状を、相似形状で大きくしていけば、最も小型で所望の利得を得ることができる。

なお、本発明の検出部として受光素子４を例に説明したが、受光素子としてフォトダイオードなどの光電変換器だけでなく、出力面に光伝送路を接続して光のまま遠方へ伝送してもよい。また、波長多重光の受光の場合は、受光素子に結合させる前に光フィルターなどを配置し、波長分離して受光させればよい。また、不要な波長を除去する目的で、その光フィルターを使用してもよい。

また、本実施の形態１では、入力面５、２５の形状を凸面としたが、入力面がそれ以外の形状、例えば平面や凹面形状であっても同様の効果が得られる。

また、集光器１０、２０の形状が、中心軸３、２３に対して軸対称の形状であることとしたが、必ずしも中心軸３、２３に対して軸対称の形状でなくてもよく、例えば中心軸に垂直な断面形状が楕円形状であってもよい。

また、本実施の形態１の反射側面８、２８は、内側の導光部９、２９側にのみ光を反射できさえすればよい。したがって、例えば、反射側面８、２８を内周面として持つ側面部に、導光部９、２９が密接して構成されるような集光器であってもよい。

また、本実施の形態１の受光デバイスの反射側面８、２８には、反射率の高い材料を用いるのが望ましい。反射率が７０％以上の材料が望ましく、例えば金属などが適している。

また、反射側面材料として、構造的に高反射率を実現する、例えばブラッグ反射を起こす周期構造などを用いてもよい。

以上述べたことから明らかなように、本発明の受光デバイスを用いることにより、可動機構が不要で、広い受光角範囲で高利得が得られ、高速光空間伝送を可能とする光学系を提供できる。

本発明に係る受光デバイスは、小型で、３次元光学系における入射光に対し最低利得を保障できる軸ズレ入射角範囲が従来よりも広い効果を有し、空間光伝送において軸ズレ光に対して光軸調整を不要とする受光デバイスや高速伝送方法等として有用である。

本発明の実施の形態１の第１の側面形状を有する受光デバイスの、入射光が軸ズレ無し時の光線軌跡を示す側断面図 本発明の実施の形態１の第１の側面形状を有する受光デバイスの、入射光が軸ズレ時の光線軌跡を示す側断面図 本発明の実施の形態１の第２の側面形状を有する受光デバイスの、入射光が軸ズレ無し時の光線軌跡を示す側断面図 本発明の実施の形態１の第２の側面形状を有する受光デバイスの、入射光が軸ズレ時の光線軌跡を示す側断面図 集光器の反射側面の各種形状の側断面図 集光器の反射側面の各種形状の側断面を誇張して示した模式図 各利得を算出する際に対象とした各側面形状の設定値を説明する図 集光器の反射側面の各種形状毎の、平均傾斜角に対する最低利得値の変化を示した図 集光器の反射側面の各種形状毎の、平均傾斜角に対する最低利得値の変化を示した図 図３および表１に示した集光器の反射側面の各種形状のうちの、各最適構成の形状と利得の相関関係を示す図 従来の、角度ズレした入射光を広角度で受光できるようにした受光装置の側断面図 従来の、角度ズレした入射光を広角度で受光できるようにした誘電性全内部反射集光器の側断面図

符号の説明

１ 光源
２ 自由空間
３、２３ 中心軸
４、２４ 受光素子
５、２５ 入力面
６、２６ 出力面
７ 軸ズレ無し入射光
８、２８ 反射側面
９、２９ 導光部
１０、２０ 集光器
１１、２１ 側面の傾斜角
１２、２２ 光線軌跡
１３、２７ 反射点
１４ 軸ズレ入射光
３０、３１、３２、３３、３４、３５ 光線

Claims (10)

1. 光が入射する入力面と、前記入力面に対向し前記入力面よりも狭い面積を有する出力面と、前記入力面から前記出力面に亘り設けられ、その内周面が前記入力面から入射した光を反射させる側面部とを有する集光体と、
   前記出力面から出射される光を受光する検出部とを備え、
   前記集光体の前記内周面の形状は、前記出力面の中心線に対する前記内周面の傾斜角が、前記出力面から前記入力面に向かうにしたがって単調減少する部分を、少なくとも前記出力面よりも前記入力面に近い側に有した形状である受光デバイス。
2. 前記内周面の傾斜角とは、前記出力面の中心線を含む平面と前記内周面とが交差する線上の各点における、前記平面に含まれる前記内周面の接線と前記中心線とがなす角度のことである、請求項１に記載の受光デバイス。
3. 前記内周面における、前記入力面から入射した光の前記反射は、金属反射である、請求項１に記載の受光デバイス。
4. 前記内周面の、前記傾斜角が単調減少する部分以外の部分の形状は、その傾斜角が一定または単調増加する形状である、請求項３に記載の受光デバイス。
5. 前記内周面の形状は、前記中心線上の前記出力面からの距離ｚの位置における、前記中心線から垂直方向の距離ｒが数１で表される形状である、請求項３に記載の受光デバイス。
   

   
6. 前記内周面の形状は、前記中心線上の前記出力面からの距離ｚの位置における、前記中心線から垂直方向の距離ｒが数２で表される形状であり、
   前記中心線を含む断面における、前記入力面の円周上の点と前記出力面の円周上の点とを結ぶ直線の、前記中心線となす角度が２７°以上の形状である、請求項３に記載の受光デバイス。
   

   
7. 前記内周面の形状は、前記出力面の中心線に対して回転対称の形状である、請求項１に記載の受光デバイス。
8. 前記入力面の焦点距離は、前記入力面と前記出力面間の距離よりも大きい、請求項１に記載の受光デバイス。
9. 前記内周面は、反射率の高い材料で構成されている、請求項１に記載の受光デバイス。
10. 前記内周面は、ブラッグ反射を起こす周期構造を有している、請求項１に記載の受光デバイス。
    

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