JP2008509443A - 光信号の収集のための光学装置 - Google Patents

Abstract

本発明は第１段光収束装置（３４）と、容器（４２）とこの容器内の集光素子（４６）のアレイを有する第２段光収集装置（４０）とを具備する光学収束装置（２６）を提供する。複数の集光素子のアレイは光入射部と光出射部の組合せからなり、各集光素子は光入射開口部（６２）と、光出射開口部（６４）と、入射開口部と出射開口部間に伸びる集光領域（４４）を有する。集光領域は入射開口部で受信された光を出射開口部に方向付けるように配置されたテーパー状光反射面（６６）を有する。本発明はさらに集光装置からなる受光器を具備し、且つ集光装置により伝達された光を検出するため光出射開口部の後部に配置された少なくとも１つの検出素子（２４、７２、７４）を有する受光器（６６）を有する。

Description

本発明は光信号を収集するための光学装置および同装置のための方法に関する。特に、好ましい形態において、本発明は相当な角度範囲で受信された自由空間光信号の収集および収束させるための装置に関する。

適切な検出器又は検出器類と関連した本発明は自由空間光信号を利用した通信装置のトランシーバ類に応用できる。しかしながら、本発明は可視領域に制限されず、本発明の原理は（約５０ｎｍ）硬紫外線から上方向の任意の波長で使用できる。実際には、使用される最長の波長は（３０−４０ＧＨｚ以上の）センチ波ＲＦバンド帯である。これはこの明細書の残りの部分で理解されるように、本発明が伝送し又は収束するように設計された電磁放射は“光”又は“光学”として参照される。

種々の目的のために光を収集する装置類は既知である。

しかしながら、これらの既知の装置は多くの重要な不都合を有する。特に、従来技術の装置は一般的に同時に広角度の光信号を効率的に集光し且つ収束させることができない。

光媒体が商用無線通信目的のために使用される場合、
１．できるだけ多くの信号光が光検出器に到達することが必要である。
２．外部光の入力は最小でなければならない。
３．高データ速度の支持を保証するため、装置の光時間的分散を最小化しなければならず、検出器は（低装置容量、故に、高速応答時間を保証する為）できるだけ小さい感知領域を持たなければならない。
４．多くの実際の用途において、送信器と検出器を（手動又は自動で）注意深く整列させることは要求されるべきでない。
５．検出器類はできるだけ安価で且つ空間的に小型であることが必要である。
６．大多数の光学装置と異なり、原理的に、到来信号の全てができるだけ小さい空間領域に突き当たるのを単に保証するため、入力信号を結像すること（所謂“非結像システム”）を必要とすべきでない。

これらの条件の実際的な意味は、下記のごとくである。
１．装置が信号光に対する最大の感度を有すること、即ち、できるだけ多くの光を集光しなければならない。実際において、これは装置が大きい入力開口部を有するが、全体の寸法は最小でなければならないことを意味する。
２．装置は光を簡単で、低コスト、小開口部、高速電気光学検出器に伝送しなければならない。
３．装置はできるだけ広い角度範囲から衝突する信号光に敏感でなければならない。

これらの所望の特徴を全て同時に達成することは、従来のシステムで不可能ではないが、困難である。例えば、図１に示されるような以下の従来の光学システムを検討してみる。

集束レンズ
（図１ａに示される薄い球状又はフレネル形状の）集束レンズ１０はその前面開口部１２に作用する任意の方向からの光を集め、図１ｂに示されるような湾曲イメージ面Ｐ平行入射光のレンズの後方の距離ｆ)上の小点Ｆ(原理的に、ゼロ)に光を集中させる。しかしながら、異なる方向からの（例えば、ｘ軸下のΔθから）光線はイメージ面の分離した点上で且つΔｚ〜ｆΔθの偏差で焦点を合わせる。明らかに、複数の検出器を回避するため又は検出器の移動を回避するため、検出器のサイズはΔｚ以下でなければならず、したがって、角感度は＋／−ｔａｎ^−１（Δｚ／ｆ）の角度範囲に制限される。［Δｚ＝１ｍｍおよびｆ＝１００ｍｍで、固定した検出器の角感度が丁度円弧の＋／−０．６度であることを意味する］

放物面鏡（ミラー）
（図１ｃ及び図１ｄに示される）放物面鏡１４は収束レンズと同じ性能を有し、同様な制約が角度範囲及び感度に当てはまる。

反射パイプ
内部で反射する円筒状ミラー（“光パイプ”）１６は広範囲の角度からの光を受信し伝送するのには良いが、収束効果を持っていない。パイプに存在する光は光パイプの垂直断面を示す図１ｅに示すような、パイプに入るものと実質的に同一な空間及び角度分布を有する。

円錐反射面
円筒光パイプの収束効果を改良するために、図１ｅに示される円錐又は“ホーン”ミラー１８におけるような、光パイプの直径をその軸に沿った距離とともにより小さくさせる事が単に必要であると推測されるかもしれない。円錐部のより大きな開口部に入る光は継続して“圧縮”され、所望のより小さい開口部から出射する。これは実際の場合と異なる。円錐半角度（ψ）に依存して、多少の光は、実際には、図１ｆに示されるように、より小さい開口部に達する前に円錐部から反射する。

反射による排除の可能性を減少させるため、角度（ψ）を小さくしなければならない。しかしながら、所定の感度のため、これは円錐部を非常に長くし、出力開口部のサイズを増大させ、幾何学的収束力を減少させる。もちろん、限界値
ψ→０において、この円錐部は非収束パイプになる。

要約すると、集束レンズと放物面ミラーシステムは集光において非常に効率的である。しかしながら、これらの光に対する角度感度は非常に指向性である。これらの型の光学を使用する実際のシステムは角度範囲から入る光を収集するために注意深い（手動又は自動）位置合わせを必要とする。一方、円錐状反射器のような特に指向性感度でない光学システムは集光において特に効率的ではない。

本発明は従来技術の上記不都合を克服することを追求するものである。

本発明によれば、集光装置は第１段光収束装置、及び容器及び容器内の複数の集光素子のアレイを有する第２段集光装置を具備している。集光素子のアレイは光入射部と光出射部を有する。各集光素子は光入射開口部と光出射開口部を有する。集光領域は入射開口部と出射開口部間に伸びており、入射開口部で受けられた光を出射開口部に向けて方向付けるように配置されたテーパー状光反射面を具備している。

光収束装置は単一のレンズ素子又は複数のレンズ素子から構成できる。

光収束装置は容器の前方に配置でき、例えば、球状又はフレネルレンズからなる光収束装置のような集光素子に光を方向付ける。

好ましくは、集光素子アレイの光入射部は実質的にレンズ素子又は複数のレンズ素子の焦点面、即ち、像平面と同一平面にある。

集光装置はさらに光収束装置上に設けられたフィルターカバーを有する。

光収束装置の効果は集光装置の光入射開口部で焦点面に像を形成することである。集光装置は光収束装置から受信された収束光を抽出する。

本発明の好ましい形態において、集光装置は光入射部から光出射部に伸びる複数の楕円開口部のアレイと共に形成された単一容器を具備している。各開口部は光反射面を提供する反射壁面を有する。反射壁面はミラーコーティングにより得られ、又は、壁面は、例えば、真鍮のような金属の結果として本質的に反射し、成形加工される。

例えば、容器は各々が楕円形である平行開口部の線形アレイと共に形成される。開口部は容器内の空洞部であり又は透明誘電体材料の充填物を含んでいる。後者の例では、誘電体材料の屈折率は光の伝送効率を高めるために有利に選択される。

好ましくは、複数の集光装置は拡大受光領域を形成するために並置される。後述の本発明の好ましい形態において、このような集光装置は一般的に円筒状又は球状の固体の領域の形状をしている。

この例において、単一の光収束装置がいくつかの集光装置と重複することが好まれる。

後述の好ましい実施例において、本発明の特徴は光収束装置が各集光素子の光入射開口部の前面で短距離で収束するように配置された焦点面を有する収束素子を具備していることである。これは光収束素子からの光が集光素子に入ることを保証し、集光素子の効率に有利である。

本発明の集光装置は集光装置により伝送された光を検出するように各集光素子の光入射開口部の後部に配置された少なくとも１つの検出素子を設けることにより受光器として採用できる。例えば、各々が集光素子のアレイの１つに対応する、複数の検出器のアレイは集光素子の光出射開口部の近傍に設けることができる。この例では、検出器アレイは連続光検出面として効率的に作用する。

本発明の更なる態様によれば、受光器は第１段光収束装置と、容器と容器内の集光素子のアレイとを有する第２段集光装置を具備している。集光素子のアレイは光入射部と光出射部を有する。各集光素子は光入射開口部と、光出射開口部と、入射開口部と出射開口部間に伸びる集光領域を有する。集光領域は入射開口部で受信された光を出射開口部に方向付けるように配置されたテーパー状光反射面を具備している。受光器は更に集光装置により伝送された光を検出するため光出射開口部の後部に配置された少なくとも１つの検出素子を具備している。

まず図２を参照すると、本発明による集光システムを含む受信器が説明される。図２は集光システム２２と検出システム２４を具備する光信号のための受信器２０を示す。集光システム２２は入射光を受けるための拡大表面領域２８を形成するため共に並置された一連の集光装置２６、この例では、５個の集光装置を具備している。本例において、各集光装置２６は断面において円のセクター（領域）の形状であり、５個の集光装置２６は断面で半円部３０を説明するために組み合わさっている。より一般的に、各セクターの角度は３６０／（２Ｎ）であり、Ｎは集光装置２６の数である。

全ての集光装置２６は同一であり、その１つのみが説明される。

図２および図３で示されるように、各集光装置２６は入射光を受けるための前面３２を有する。光収束素子３４の形状の第１段光収束装置が入射光表面３２に設けられ、フィルタカバー３６により保護される。光収束素子３４は球状レンズ又は円形フレネルレンズの形態をとり、第２段集光装置４０の前面の近傍の焦点面Ｐで集光装置２６により受信された実質的に平行な入射光線を収束するように作用する。集光装置４０は複数の集光素子４６のアレイを提供する複数の開口部４４と共に形成される単一容器４２を具備している。

容器４２は図４ａ〜図４ｃで最も良好に示され、容器４２が一般的に矩形の前部表面４８、一般的に矩形の後部表面５０、方形断面５２、および収束側面５４を有する。この後者の構成部により各集光装置２６が記載されたように近接し、セクターの形状を可能にする。前面４８は中央挿入物５６を有し、各開口部４４は挿入物５６から後部表面５０に容器４２を貫通してまっすぐに伸びている。挿入物５６は集光素子のアレイに光入射部５８を提供し、後部表面５０は光出射部６０を提供する。

複数の集光素子４６の複数の開口部４４は互いに近傍に配置され、容器４２を通して光を伝送するための平行通路を提供する。各開口部４４は光入射部５８と一致するその端部で光入射開口部６２および光出射部６０と一致する端部で光出射開口部６４を有する。本実施例の複数の集光素子４６は容器４２を跨ぐ線形アレイを形成し、集光素子４６の光入射開口部６２は光入射部５８の入射する相当な光量が集光素子４６に入ることを保証するため表面５６で互いに密接した近傍に配置される。さらに、開口部４４、光入射部及び出射開口部６２、６４はここでは円形で示されるが、方形又は矩形断面が集光装置４０の前面４８の光収集効率を増強するために使用されることが理解される。

各集光素子４６の入射開口部６２に関する光収束レンズ３４の焦点面Ｐの位置は入射開口部６２上に焦点を結ぶ光の“スポットサイズ”を決定する。もしスポットサイズが定義により入射開口部６２の領域より大きければ、周辺光は除去される。したがって、入射光に対する最大感度を保証するため、焦点面Ｐは入射開口部６２と交差する平面でレンズ３４から収束光線の断面領域が入射開口部６２の物理的サイズより小さくなるように位置決めされなければならない。

容器４２内の各開口部４４が光入射部５８から光出射部６０に伸びる方向にテーパー状の特徴を有することが理解される。このテーパー状の特徴は本発明の重要な特徴であり、図５を参照して更に説明される。

図５は容器４２内の２個の集光素子４６を示している。図示されているように、各開口部４４は集光素子４６を規定する楕円壁表面６６を提供する楕円形状からなる。壁表面６６は金、銀、銅及び真鍮の反射被膜（ミラーコーティング）で被覆され、ミラー仕上げを与える。したがって、開口部４４に入る光は集光素子４６内の光反射面６６から反射される。効率を増大させるために選択された反射率を有する透明誘電体材料の充填物６８が開口部４４内に設けられ、容器４２の前面４８の挿入物５６は透明充填物材料のはめ込みを可能にする。

記述のように、各開口部４４は楕円形であり、光入射部５８と一致し、集光素子４６に対する光入射開口部を与えるより広い前面開口部６２および容器４２の光出射部６０と一致し、集光素子４６に対して光出射開口部を与えるより狭い後部開口部６４を有する。開口部６４は光が集光素子４６を出射するのに充分な領域を与えるため楕円の頂点から所定の量だけ内側に設定されることが留意されるべきである。開口部６４は、また、光の反射を入射開口部６２に向かって戻るより出射開口部６４に向かうように支援し、効率を増大させるため、この楕円の端部で焦点７０の前方に位置決めされる。

したがって、集光素子４６に入る全ての光の実質的な一部は光反射表面６６で内部反射し、光出射開口部６４で出力する。この特徴は重要であり、集光素子４６内で散乱する光が最小化され、光は後述のように光出射開口部６４を透過して効率的に集められ且つ伝達されるのを保証する。

しかしながら、まず図２及び図３に戻ると、受信器２０は各光検出装置２６のために設けられる検出器アレイ７２の形状である検出器システム２４を含む。このような検出器アレイ７２は、ダイオード７４が集光素子４６の付随する素子の光出射開口部６４にかぶさるように、容器４２の後部表面５０に搭載された一連の個別ダイオード７２を具備している。

図６を参照して説明される、各集光素子の入射開口部６４および出射開口部６４の関係の観点からおよび楕円焦点７０を有する出射開口部６４の相対的配置の観点から、特定の集光装置２６の製造に関与する多数の設計検討事項がある。

最初に、集光素子４６が最大光感度を有し、即ち、できるだけ多くの光を集めるように且つ小型で、低コストな電気光学検出器上に光が焦点を結ぶように、入射開口部６２が出射開口部６４に対してできるだけ大きいことおよび出射開口部６４が入射開口部６２よりより小さい領域を有することが望ましい。出射開口部６４のサイズは楕円主軸に沿って位置決めする（ｘ）に依存する。入射開口部６２のより近くに出射開口部６４を置くことは出射開口部６４がより大きいことを意味し、出射開口部６４をより遠くに置くことは出射開口部がより小さいことを意味する。

第二に、入射開口部６２を通過する光の多くが検出目的のために出射開口部６４を透過することが望ましい。焦点７０に対する出射開口部６４の位置はこの透過に影響を与える。もし出射開口部６４が楕円の焦点７０より入射開口部６２からより遠くに位置決めされると、光が楕円の対向する壁部間で反射し、最終的に、入射開口部６２を通して集光素子４６から戻り反射する高い可能性がある。これは検出効率が低下することを意味する。

したがって、最小反射損出を有する最大開口面積比を保証するため、出射開口部６４の最適位置は焦点７０上又は直前である。

開口面積比がどのように楕円のサイズと共に変わるかを理解するために、楕円方程式を検討する。
（ｘ／ａ）^２＋（ｙ／ｂ）^２＝１
ここで、ａおよびｂはｘおよびｙ軸に沿った楕円の最大寸法である（図６を参照）。

楕円焦点の位置は以下のように示される。
ｘ＝＋／−√（ａ^２＋ｂ^２）
これを＋／−ｕとする。

ｘ＝０であるように仮定された入射開口部の面積は以下の如くである。
Ａ_０＝πｂ^２

−ｘに配置された出射開口部の面積は以下の如くである。
Ａ_１＝πｂ^２（ａ^２−ｘ^２）／ａ^２

もし出射開口部がｘ＝−ｕ（即ち、焦点上）であると、下記の如くである。
Ａ_１＝πｂ^４／ａ^２

したがって、開口比は下記の如くである。
Ａ_０／Ａ_１ ＝（ａ／ｂ）^２

したがって、原理的に、もし楕円集光素子４６のパラメータが正しく選択されると、任意の開口比が得られる。非常に大きな比において、ａ／ｂは非常に大きく、これは素子４６が細長いことを意味する。実際的な限界値は集光素子２６の全長、光収束レンズ３４の焦点距離等のようなパラメータにより決定される。

もし全ての集光素子４６により示される光入射部５８の長手寸法Ｄ_０および光出射部６０の最大長手寸法ｄを有することを要求されると、Ｎ個の素子４６があり、各素子４６の光入射開口部６２の入射直径は以下の如くである。
Ｄ_０／Ｎ＝２ｂ

故に、Ｄ_０／Ｎ／ｄ＝ａ／ｂ＝２ａＮ／Ｄ_０

したがって、各集光素子４６の長さが以下の如くになる。
ａ（Ｎ）＝１／２（Ｄ_０／Ｎ）^２

この意味は以下の如くであり、
ａ（Ｎ）／ａ（１）＝１／Ｎ^２
各素子４６の長さが素子４６の数の自乗で減少するので集光装置４０を１個の集光素子４６以上に分割することは寸法の点でより優れていることを意味し、これは全体システムの簡潔さを増大させる。

例えば、もし直径１００．０ｍｍ、焦点距離１００．０ｍｍの集束レンズ３４と、直径２．０ｍｍの検出ダイオード７４と、１００ｍｒａｄの全システムの水平角度範囲条件を得ると、検出器アレイ７２は水平の広がりで１００ｘ０．１ｍｍ＝１０ｍｍ（２ｘｂ）である。もし単一楕円集光素子４６を使用すると、レンズ３４の焦点面がこの開口部と一致すると、１０ｍｍ以上又はに等しい素子のための入射開口部６２を意味する。この単一の楕円集光素子の入射及び出射開口部のための１０／２の直径比が要求される。以上から、ａ／ｂ＝５であり、ｂ＝５．０ｍｍとするとａ＝２５．０ｍｍ。楕円集光素子は２５ｍｍの半主軸および（マイナー軸に対応する）１０．０ｍｍの入射部直径を持たなければならない。

代案として、もし上述のように総数３個の楕円集光素子４６を有する光学装置４０が使用されると、各入射開口直径は３．３３ｍｍであり、レンズの位置は３．３３ｍｍ以上又はに等しい入射開口部でスポット直径を与えるように調整することが必要である。出射開口部６４は関連するダイオード７４に適合させるため２．０ｍｍの直径である必要があり、以上から、ａ／ｂは３．３３／２．０＝１．６７ある。つまり、ａ＝１．６７ｘ３．３３／２＝２．７８ｍｍである。１つでなく３個の素子を使用することにより、光学装置４０を（９＝３^２の因数だけ）短く製作し、２．７８ｍｍの全有効長および１０．０ｍｍの全有効幅を与えた。

留意すべきは、本発明は非常に大きいサイズ、数メートル、から幾何学的な光線の扱いが無効になるサイズ、通常、検出される放射の約１０波長、までの範囲のサイズの光学装置４０に応用できることである。赤外線の場合、波長は約１０００ｎｍであり、本発明の最小寸法は約１０ミクロンである。

説明された構成において、受光器の前面２８上に入射する実質的に全ての光はレンズ３４を介して伝達され、集光装置４６上で検出される。集光素子４６の特有の形状により、光入射開口部６２に入る実質的に全ての光は集光装置４６内で反射し、光出射開口部６４を介して集光素子４６から検出ダイオード７４上に方向付けされる。

したがって、本発明は高効率集光装置又はシステムおよび検出ダイオードと組み合わせて高効率受光器を提供する。

多数の変形例が本発明の範囲で可能であることは明らかである。

例えば、集光素子のアレイが線形アレイであるように説明されたが、グリッド又はマトリックス状でも可能である。

さらに、集光装置２６の数及び構成は変更可能である。

各集光素子の形態は楕円として説明されたが、出射開口部に向って収束する開口部の壁部を有する方形又は矩形断面形状を採用することも可能である。この例において、壁部は直線側面にしたり、部分的に楕円形状に湾曲させることができる。

さらに、開口部の壁部がミラーコーティングを有するように説明されたが、それ自体で反射させることも可能である。

図１ａは集束レンズの形態における従来の光学装置の概略図である。 図１ｂは集束レンズの形態における従来の光学装置の概略図である。 図１ｃは放物面鏡の形態における従来の光学装置の概略図である。 図１ｄは放物面鏡の形態における従来の光学装置の概略図である。 図１ｅは反射パイプの形態における従来の光学装置の概略図である。 図１ｆは円錐反射面の形態における従来の光学装置の概略図である。 図２は本発明による光収集システムを含む受光器の概略断面図である。 図３は図２に示される光収集システムの概略断面図である。 図４ａ、図４ｂ及び図４ｃはそれぞれ図３の装置の光収集装置の側面図、端面図及び平面図である。 図５は装置の集光素子が光を集める方法を示す図４の光収集装置の各集光素子の詳細図である。 図６は図５の集光素子のパラメータのいくつかを説明するための楕円を示す図である。

符号の説明

１０ 集束レンズ
１２ 前方開口部
１４ 放物面ミラー
１６ 円筒ミラー
２０ 受信器
２２ 集光システム
２４ 検出システム
２６ 集光装置
２８ 拡大表面領域
３０ 半円部
３２ 入射光表面
３４ 光収束素子
３６ フィルターカバー
４０ 第２段集光装置
４２ 単一容器
４４ 開口部
４６ 集光素子
５６ 中央挿入部
５８ 光入射口
６０ 光出射口
６２ 光入射口
６４ 光出射口

Claims (1)

1. 第１段光集束装置と；
   容器と前記容器内の複数の集光素子のアレイを有する第２段集光装置と；
   を具備し、前記集光素子の前記アレイは光入射部と光射部を有し、各集光素子は光入射開口部と、光出射開口部と、及び前記光入射開口部と前記光出射開口部間に伸びる集光領域とを有し、前記集光領域は前記光入射開口部で受光された光を前記光出射開口部に向けるように配置されたテーパー状光反射面を有することを特徴とする集光装置。

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