JP2000277761A

JP2000277761A - 集光器及び受光装置

Info

Publication number: JP2000277761A
Application number: JP11085286A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Sawada; 寿史澤田
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】指向性を広くし、入射面に入射する光束を効
率よく集光することを可能とし、なお且つ小形で効率的
な集光を可能とする。【解決手段】集光器は、透光性を有する集光器本体１
１と、この集光器本体１１の一端に形成された光が入射
する入射面１２とを有する。前記入射面１２の光軸の回
りの中心部は、光軸に対して垂直な平面１４であり、入
射面１２の前記平面１４の周囲が二次曲面１６である。
集光器本体１１の光軸上であって、集光器本体１１の内
部の焦点ｆ付近に受光器１５を配置し、入射面１２側か
ら集光器本体１１に入射した光を受光器１５の受光面に
集光し、これを受光器１５で受光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空間を光伝送媒体
とする光情報通信の分野において使用される集光器であ
って、光入射面側に入射する光束をより狭い範囲に収束
する集光器と、それを使用した集光装置に関する。例え
ば、受光器に光を収束して入射させるのに使用すること
ができる集光器とそれを使用した集光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来において、或る程度の範囲を伝搬す
る光束をより狭い範囲に収束して受光器に入射するため
の集光器としては、光学レンズが使用されていた。光学
レンズを使用した集光器には、単体のレンズを使用した
単レンズ形と複数のレンズを使用した複合レンズ形とが
ある。

【０００３】単レンズ形の集光器において、通常の使い
方において、広い範囲の光束を集光するためには、レン
ズ口径を大きくする必要があり、高屈折率のレンズを使
用した場合でも、その焦点距離が或る程度大きくなって
しまう。そのため、視野角が狭くなるという課題があ
る。

【０００４】他方、複合レンズ形の集光器は、光束を複
数のレンズを用いて収束するため、口径の大きなレンズ
を使用しても焦点距離を短くすることができ、或る程度
の視野角を確保することができる。しかし、光軸に沿っ
て複数のレンズを配置する必要があるため、寸法、重量
共に大きくなり、コストもかかるという課題がある。

【０００５】そこで、部分角錐形または部分円錐形の集
光器が提案されている（特開平７−２６１０２８号公
報）。この集光器は、対向する入射面とこれに対向する
平坦な対向面とを有し、その間にテーパ状の反射面を設
けた透明な無空の集光器本体からなるものである。入射
面から集光器本体に入射した光束の一部を反射面で反射
し、対向面側に集光するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】光通信の分野で
は、集光器の集光効率を高めればより微弱な信号を受信
することができる。また、集光器の集光効率を高めるこ
とにより、受光器の受光面積を小さくすることができ、
その分だけ機器の小型化やコストの低減が可能となる。
さらに、今後の光通信分野における情報量の増大に対応
するには、高速伝送化が必要である。このため、受光器
を構成するフォトダイオード等の半導体受光素子の受光
面積を小さく抑えることにより、電気的容量Ｃを小さく
抑え、高速の光信号を受信できるようにすることが不可
欠となる。

【０００７】また、オーディオ−ビジュアル機器用リモ
ートコントローラや移動体を対象とした光空間通信方式
においては、広い角度から伝搬してくる光を効率よく集
光し、受光器の受光面に集めることが求められている。
本発明は、このような従来の集光器に要望される課題に
鑑み、レンズ系の集光器において、指向性が比較的広
く、入射面に入射する光束を効率よく集光することがで
き、なお且つ小形で効率的な集光が可能な集光器を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記の目的
を達成するため、集光器本体１１の形状を凸形状とし、
この凸形状の頂点である集光器本体１１の入射面１２の
光軸回りの中心部を、光軸に対して垂直な平面１４と
し、入射面１２の前記平面１４の周囲のみを凸状の球面
或いはその他の二次曲面１６としたものである。これに
より、集光器本体１１の焦点を光軸の周囲に分散させ、
入射面１２に光軸に対して斜めに入射してくる光であっ
ても、その一部を光軸上に配置した受光器１５の受光面
に入射できるようにしたものである。

【０００９】すなわち、本発明による集光器は、透光性
を有し、外界より屈折率が高い集光器本体１１と、この
集光器本体１１の一端に形成された光が入射する入射面
１２ととを有する。前記入射面１２の光軸の回りの中心
部は、光軸に対して垂直な平面１４であり、入射面１２
の前記平面１４の周囲が外界側に凸状の二次曲面１６で
ある。入射面１２の二次曲面１６は球面が一般的である
が、放物面等の非球面であてもよい。

【００１０】このような集光器では、集光器本体１１の
光軸上に焦点ｆがあるが、この光軸上の焦点ｆの付近に
受光器１５を配置することにより、入射面１２側から集
光器本体１１に入射した光を受光器１５の受光面に集光
し、これを受光器１５で受光することができる。このと
き、通常のレンズ系集光器では、集光器本体１１の光軸
に対して入射面１２に斜めに入射する光に対しては、集
光位置が中心から移動するため、この移動の範囲を考慮
して大きな受光面積を有する受光器を使用する必要があ
る。

【００１１】これに対し、前記のような集光器では、集
光器本体１１の入射面１２の光軸の回りの中心部を光軸
に対して垂直な平面１４とし、入射面１２の前記平面１
４の周囲のみを二次曲面１６としているため、焦点ｆが
光軸の回りに分散される。そして、集光器本体１１の光
軸に対して入射面１２に斜めに入射する光に対しては、
やはり集光位置が移動するが、集光位置は一定の範囲に
分散しているため、一部の光が受光器１５の受光面上に
残る。このため、受光器１５の受光面が光軸の周囲のご
く小さな範囲であっても、一部の光を受光することがで
きるようになる。これにより、広い角度範囲から入射面
１２に入射してくる光でも、受光器１５の受光面に集光
して受光することができるようになる。

【００１２】前記集光器本体１に特定の周波数帯域の光
を遮断または減衰させる色素を含有させると、不要な周
波数帯域の光を除いて、所望の周波数帯域の光のみを集
光することができるようになる。これにより、受光器１
５で受光する光の周波数帯域を選択的に制限でき、様々
な用途に適切に対応させることができる。なお、前記の
受光器１５は、集光器本体１１の内部に配置するとよ
い。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１と図２に本発明による集光器の一実施形態を示す。
この集光器は、側面が凸形状で平面が円形状を有し、外
界より屈折率が高い集光器本体１１からなる。図におい
て、この集光器本体１１の上面に当たる部分が入射面１
２、底面に当たる部分が入射面と対向する平坦な対向面
１３となっている。

【００１４】この集光器本体１１は利用する光の周波数
帯域において透明であって、且つ屈折率の高いものがよ
い。一般的には光学プラスチック、光学ガラス等からな
るが、赤外線領域のように比較的波長が長い周波数帯域
で使用する場合には、シリコンが使用されることもあ
る。この集光器本体１には、特定の周波数帯域の光を遮
断または減衰させる色素を含有させることができる。こ
れにより、不要な周波数帯域の光を除いて、所望の周波
数帯域の光のみを集光することができる。

【００１５】集光器本体１１の対向面１３側は、低い円
柱形となっており、図１及び図２における円柱部分の底
面が対向面１３である。この円柱部分と一体に凸状部分
があり、この突状部分の上面が入射面１２となってい
る。この入射面１２の頂部は円形状の平面１４となって
おり、この平面１４の周囲が外界側に凸状の二次曲面１
６となっている。図示の例では、二次曲面１６は球面と
なっているが、その他放物面等であってもよい。

【００１６】この入射面１２を形成する突状部分と対向
面１３を有する円柱部分との中心軸は一致しており、そ
れらの中心軸が図１に一点鎖線で示す光軸となってい
る。前記入射面１２の平面１４と対向面１３とは、何れ
も前記中心軸に対して直交し、且つ光軸は、前記平面１
４の中心と対向面１３の中心とを結ぶ直線と一致してい
る。

【００１７】この集光器本体１１の入射面１２に光軸と
平行な光束が入射した状態を図１（ａ）に示す。この図
に示すように、入射面１２から光軸に対して平行に入射
した光は、集光器本体１１を通過することにより収束さ
れ、その焦点ｆに収束する。この集光器本体１１は、前
述の通り、入射面１２側に平面１４を有し、その周囲の
みが二次曲面１６となっているため、焦点ｆは１点では
なく、中心軸の周囲の一定の範囲が焦点となる。その焦
点ｆとなる範囲は、通常は前記平面１４の形状、寸法と
等しくなり、光軸を中心とした円となる。

【００１８】このような集光器本体１１の光軸上であっ
て、集光器本体１１の内部に受光器１５を配置し、その
受光面を入射面１２の平面１４に向ける。図示の例では
受光器１５の受光面は、その中心が光軸上にあって、焦
点ｆの近くにあるが、その焦点ｆよりは入射面１２側に
僅かに寄った位置に配置されている。これは受光器１５
の受光面が或る程度の広さがあるためで、図１（ａ）に
示すように、集光器本体１１の入射面に光軸に平行に入
射した光のほぼ全てが受光器１５の受光面に入射する位
置に受光器１５を配置するのが適当である。従って、こ
の受光器１５を配置する位置は、その受光面の広さによ
っても異なってくる。

【００１９】なお、受光器１５を受光器本体１１の内部
に配置せずに、受光器１５の受光面を集光器本体１１の
対向面１３に張り付けて設けてもよい。この受光器１５
は、光を電気信号に変換するフォトダイオード等の受光
素子を有し、さらに必要な場合はその受光により生じた
電気信号を処理する受光回路を含んでいる。図示の受光
器１５は、これらの光電変換機能を有するチップ状のも
のである。

【００２０】図１（ｂ）は、集光器本体１１の中心軸に
対して或る程度の角度を持った光束が入射面１２から集
光器本体１１に入射し、その対向面１３から出射し、焦
点ｆ付近に集光された状態を示す。前記受光器１５の配
置等、光束の角度以外は全く図１（ａ）と同じである。

【００２１】図１（ｂ）に示すように、集光器本体１１
の中心軸に対して或る程度の角度を持った光束の場合、
光束の角度が変動した分だけその収束位置は焦点ｆから
移動し、その結果一部の光は前記受光器１５の受光面か
ら外れる。しかし、集光位置は一定の範囲にあるため、
一部の光が受光器１５の受光面上に照射され、これが受
光器１５で受光される。従って、図１及び図２に示すよ
うな集光器とそれを使用した受光装置では、広い角度範
囲から入射する光を光軸近くに集光し、これを光軸上に
配置した受光器１５で受光することができる。これによ
り、高い集光効率が得られる。換言すると、その分だけ
受光器１５の受光面が狭くて済むので、受光器１５を小
形化することができる。

【００２２】図１と図２に示した集光器及び受光装置と
対比すべき集光器と受光装置を図４に示す。この受光器
は、受光器本体１の入射面２に前記のような平面１４が
無く、入射面２全体が凸状の二次曲面、具体的には球面
である点のみが前記図１と図２に示した集光器と異な
る。

【００２３】この集光器本体１の入射面２に光軸と平行
な光束が入射した状態を図４（ａ）に示す。この図に示
すように、入射面２から光軸に対して平行に入射した光
は、集光器本体１を通過することにより収束され、その
焦点ｆに収束する。この焦点ｆは近似的に１点とみなす
ことができる。

【００２４】この集光器本体１の光軸上であって、受光
器本体に受光器５を配置し、その受光面を入射面２と対
向させる。例えば、集光器本体１の入射面に光軸に平行
に入射した光のほぼ全てが受光器５の受光面に入射する
よう受光器５の受光面を焦点ｆより入射面２側に僅かに
近い位置に配置する。この場合、受光器５は集光器本体
１の入射面に光軸に平行に入射した光のほぼ全てを受光
することができる。

【００２５】しかし、図４（ｂ）に示すように、集光器
本体１の中心軸に対して或る程度の角度を持った光束が
入射面２から集光器本体１に入射した場合、光束の角度
が変動した分だけその収束位置は焦点ｆから移動する。
その結果、集光された光は前記受光器５の受光面から外
れる。このため、広い角度範囲から入射する光を光軸上
に配置した受光器５で受光することができず、高い集光
効率が得らない。換言すると、広い範囲から入射する光
を光軸上に配置した受光器５で受光するには、その分だ
け受光器５の受光面を広くしなければならず、受光器５
を小形化することができない。

【００２６】図３は図１及び図２に示した受光装置と図
４に示した受光装置との光の入射角（光軸と光束との角
度）と集光量との関係を示すグラフである。前者を実施
例、後者を比較例として示した。この図４から明らか通
り、入射角０〜４０゜において、実施例は比較例と比較
して０．３〜０．６程高い集光倍率が得られている。

【００２７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による集光器
では、レンズ系の集光器において、入射面１２に入射す
る光束を効率よく集光することができ、高い集光効率が
得られる。従って、この集光器を用いた受光装置は、遠
方からのより微弱な光信号を受光することができる。発
光側の出力を小さくすることができるので、光通信系統
の全体的な消費電力を小さくすることが可能となる。ま
た、受光器１５を構成する半導体受光素子等の受光面積
を小さくすることができ、その分コストを下げることが
できると共に、電気的容量の低減により高速伝送に対応
することもできる。さらに、入射面１２の面積が同じな
らば、薄型の集光器とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による集光器とそれを使用
した受光装置の光学的側面配置図である。

【図２】本発明の一実施形態を示す集光器の半断面斜視
図である。

【図３】同実施形態による受光装置と比較例による受光
装置と入射光の入射角と集光量との関係を示すグラフで
ある。

【図４】前記比較例である集光器とそれを使用した受光
装置の光学的側面配置図である。

【符号の説明】

１１集光器本体１２入射面１３対向面１４平面面１５受光器１６二次曲面ｆ焦点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性を有し、外界より屈折率が高い集
光器本体（１１）と、この集光器本体（１１）の一端に
形成された光が入射する入射面（１２）を有する集光器
において、前記入射面（１２）の光軸の回りの中心部が
光軸に対して垂直な平面（１４）であり、入射面（１
２）の前記平面（１４）の周囲が外界側に凸状の二次曲
面（１６）であることを特徴とする集光器。
【請求項２】入射面（１２）の二次曲面（１６）が球
面であることを特徴とする請求項１に記載の集光器。
【請求項３】入射面（１２）の二次曲面（１６）が非
球面であることを特徴とする請求項１に記載の集光器。
【請求項４】集光器本体（１１）が特定の周波数帯域
の光を遮断または減衰させる色素を含有していることを
特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の集光器。
【請求項５】光を集光する集光器本体（１１）と、こ
の集光器本体（１１）で受光した光を受光する受光器
（１５）とを有する集光装置において、前記請求項１〜
４の何れかに記載の集光器を使用し、その集光器本体
（１１）の光軸上に受光器（１５）を配置したことを特
徴とする集光装置。
【請求項６】受光器（１５）は集光器本体（１１）の
内部に配置されていることを特徴とする請求項５に記載
の集光装置。