JP2013201367A - 反射集光型受光器 - Google Patents

Abstract

【課題】直射日光などの強力な光の集光による受光素子の破損を防止しつつ、受光素子の受光・光電変換効率を向上させることができる反射集光型受光器を提供する。
【解決手段】情報信号を重畳した空間光を、焦点を有する凹面鏡２を介し反射集光して受光する、受光素子３を有した反射集光型受光器１である。凹面鏡２の内側の略中央軸線上に、受光素子３が、その受光面３ａを凹面鏡２の鏡面側に向けて配置される。また、受光素子３は、凹面鏡２の焦点位置からその受光面３ａの位置を鏡面側または反鏡面側に偏位して配置される。さらに、凹面鏡２の周縁部近傍の周縁鏡面２２は、そこで反射する反射光が受光素子３の受光面３ａに到達するように、中央鏡面２１に対し受光素子側または反受光素子側に偏位して形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、空間に照射された可視光又は赤外線を媒体として通信を行なう空間光通信用受光装置等に使用される反射集光型受光器に関し、詳しくは、凹面鏡の内側に受光素子を鏡面側に向けて配置し、凹面鏡からの反射光を受光素子が効率良く受光するようにした反射集光型受光器に関する。

電波を通信媒体とした無線通信は、携帯電話網、無線ＬＡＮ、近距離無線通信など多くの分野で使用されている。しかし、電波を媒体として使用する無線通信は、人の近くで送受信を行なう場合、電磁波の人体への影響を考慮して、送信電力を上げることができない。

また、無線通信に使用される電波の周波数帯域は、既に多くの使用分野において割り振られ、使用されていることもあって、広帯域の周波数帯を自由に使用することはできない。さらに、病院などの特殊な環境下においては、電波の使用に制限が加えられるなどの制約がある。

そこで、近年、可視光や赤外線を通信媒体として用いる空間光通信の開発が進み、各種の空間光通信システムが提案されている。

特開平１０−３２２２７６号公報 特開２００９−３０２５１９号公報

この種の従来の空間光通信システムでは、通常、受信器側の受光器に、集光レンズを含む光学系を備えた受光素子が使用され、送信器側の投光器から投光された光を光学系で集光し、受光素子に当て、受光信号を出力するようにしている。特に、送信器と受信器の相対的な位置が移動する空間光通信装置においては、送信器の投光器から照射された光が受信器の受光器に到達する光量が低い場合を考慮して光の集光率を上げるために、集光レンズを含む光学系を大型とする必要があり、受光器の形状が比較的大型化し、特に集光レンズを用いた場合、受光器の厚さ寸法が長くなり、小型化が難しいという問題があった。

一方、リフレクタレンズを受光素子の受光路に配置して、受光器の厚さ寸法を短くした空間光通信用の受光器が、上記特許文献１などで提案されている。しかし、この反射集光型の受光器は、リフレクタレンズ内に、凸面鏡と凹面鏡を配置して光学系を構成し、そのリフレクタレンズの背後に受光素子を配置する構成のため、やはり光学系が大型化する問題があった。

そこで、本発明者らは、凹面鏡と、凹面鏡の内側の略中央に配設した受光素子とを有する反射集光型受光器の研究開発を行う間、その成果として、受光素子の受光面を凹面鏡の鏡面に向けて配置し、凹面鏡で反射された光を受光素子に入射するようにした反射集光型受光器を、上記特許文献２において提案した。

この反射集光型受光器は、受光素子を凹面鏡の内側に配置し、凹面鏡のみを光学系に使用するので、小型化が可能となり、従来の受光器に比べ受光効率も向上させることができる。しかし、主に直射日光などの強力な光の集光による受光素子の破損を防止するために、図８に示すように、受光素子の受光面を、凹面鏡（放物面鏡）の焦点位置から前方外側にずらして、凹面鏡の前方に受光素子を配置している。

つまり、この反射集光型受光器は、図８に示す如く、凹面鏡８の焦点Ｆが、凹面鏡８の中心軸線Ｌ上にあって、凹面鏡８の中心位置から前方に焦点距離ｆの距離に位置する構成であるが、受光素子９は、その焦点Ｆから所定距離ｈ（例えば、約ｆ／１０）だけ、内側に（凹面鏡８の中心方向に）ずらした位置に配置している。

そこで、反射集光型受光器の性能実験及び受光状態のシミュレーション試験を実施したところ、凹面鏡８の中心部近傍で反射された光は受光素子９の受光面（凹面鏡側を向く面）に到達するものの、凹面鏡８の周縁部近傍で反射された光は受光素子の受光面から外れ、受光面に到達していないことが判明した。

つまり、図８に示すように、反射集光型受光器が凹面鏡８を介して正面から平行光線を受光すると仮定した場合、受光素子９を、その焦点Ｆから例えば約ｆ／１０だけ内側にずらした位置に配置したとき、受光素子９の受光面に到達する空間光は、凹面鏡全体ではなく、図８の凹面領域Ａ１（凹面鏡の中央部）の鏡面で反射された反射光に限定され、その周縁部の凹面領域Ａ２からの反射光は受光素子９に到達していない。

このため、凹面鏡８の中央部の凹面領域Ａ１の反射光のみが使用され、凹面鏡８の大きな面積を占める周縁部近傍の凹面領域Ａ２が使用されていないことから、受光素子９が受光する空間光の受光効率が低くなり、受光素子９の光電変換効率を高くできないという課題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、直射日光などの強力な光の集光による受光素子の破損を防止しつつ、受光素子の受光・光電変換効率を向上させることができる反射集光型受光器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の反射集光型受光器は、情報信号を重畳した空間光を、焦点を有する凹面鏡を介し反射集光して受光する、受光素子を有した反射集光型受光器において、該凹面鏡の内側の略中心軸線上に、該受光素子が、その受光面を該凹面鏡の鏡面側に向けて、且つ該凹面鏡の焦点位置から該受光面の位置を鏡面側または反鏡面側にずらして配置され、該凹面鏡の周縁部近傍の鏡面で反射する反射光が該受光素子の受光面に到達するように、該凹面鏡の周縁部近傍の周縁鏡面が、中央鏡面に対し該受光素子側にまたは反受光素子側に偏位して形成されたことを特徴とする。

この発明によれば、凹面鏡の内側の略中心軸線上に、受光素子が、その受光面を凹面鏡の鏡面側に向けて配置されるので、凹面鏡のみの小型の光学系に拘わらず効率良く空間光を受光素子が受光することができる。また、凹面鏡の焦点位置から受光面の位置が鏡面側または反鏡面側にずらして配置されるので、直射日光などの強力な光の集光による受光素子の破損を防止することができる。また、受光器が向く角度に応じた受光効率の角度依存性が低くなり、広い角度範囲の光を効率良く受光することができる。

さらに、凹面鏡の周縁部近傍の鏡面で反射する反射光が受光素子の受光面に到達するように、凹面鏡の周縁部近傍の周縁鏡面が、中央鏡面に対し受光素子側にまたは反受光素子側に偏位して形成されるので、受光素子の受光面の位置を、凹面鏡の焦点位置から鏡面側または反鏡面側にずらして配置した構成に拘わらず、凹面鏡の周縁部近傍での反射光を受光素子に入射させ、受光素子の受光・光電変換効率を向上させることができる。

ここで、上記凹面鏡は中心軸線上に焦点を有する放物面鏡であり、受光素子は、凹面鏡の内側の略中心軸線上に、その受光面が凹面鏡から遠ざかる方向に所定の偏位距離だけ焦点位置から偏位して配置され、凹面鏡の周縁部近傍の周縁鏡面が、中央鏡面に対し該偏位距離だけ受光素子に近づく方向に段状に突出して構成することができる。或いは、受光素子は、凹面鏡の内側の略中心軸線上に、その受光面が凹面鏡に近づく方向に所定の偏位距離だけ焦点位置から偏位して配置され、凹面鏡の周縁部近傍の周縁鏡面が、中央鏡面に対し該偏位距離だけ受光素子から遠ざかる方向に段状に偏位して形成することができる。

この発明によれば、放物凹面鏡の一部を構成する周縁鏡面が、中央鏡面に対し所定の偏位距離だけ受光素子に近づく方向に或いは受光素子から遠ざかる方向に、段状に突出し或いは偏位して形成されるため、凹面鏡の周縁部近傍での反射光を、より効率良く受光素子に入射させ、受光素子の受光・光電変換効率を一層向上させることができる。

本発明の反射集光型受光器によれば、直射日光などの強力な光の集光による受光素子の破損を防止するとともに、受光器が向く角度に応じた受光効率の角度依存性を小さくして、広い角度範囲の光を効率良く受光することができ、受光素子の受光・光電変換効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態を示す反射集光型受光器の拡大斜視図である。 図１のII−II断面図である。 図１のIII−III断面図である。 凹面鏡に平行光線を入射させたときの反射光を示す説明図である。 第２実施形態の反射集光型受光器の図２に対応した断面図である。 同反射集光型受光器の図３に対応した断面図である。 凹面鏡に平行光線を入射させたときの反射光を示す説明図である。 従来の反射集光型受光器の断面説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図４は第１実施形態の、空間光通信用等に使用する反射集光型受光器１を示している。この反射集光型受光器１は、概略的には、図示しない送信器から投光照射された空間光を、凹面鏡２を介し反射集光し、受光素子３により受光する受光器であり、凹面鏡２の内側の略中央に、受光素子３がその受光面３ａを凹面鏡２の鏡面側に向けて配置されて構成される。受光素子３の両電極に接続された１対の電極リード４，５は、凹面鏡２の前面中央部から両側に開くように延設され、凹面鏡２の本体２０の外側面を経て、図示しない回路基板の受光回路に接続される。

凹面鏡２は、図１〜図４に示すように、その本体２０が合成樹脂により略直方体状に形成され、その本体２０の前面に放物面（放物線をその中心軸線を中心に回転させたときの面）を有した凹部２３が形成される。凹部２３内面の放物面に、反射用の銀、アルミニウムなどの金属膜をめっき或いは蒸着することにより、放物面鏡が形成される。また、図４に示す如く、放物面鏡である凹面鏡２には、鏡面の中心点から前方に焦点距離ｆの位置に１つの焦点Ｆが位置し、受光素子３は、その焦点Ｆから所定の偏位距離ｈだけ外側、つまり鏡面から遠ざかる方向に偏位して（平行移動により変位して）配置されている。

さらに、この凹面鏡２は、中央部分に位置する中央鏡面２１とその周縁に位置する周縁鏡面２２とから構成され、中央鏡面２１の焦点位置は焦点Ｆであるが、その周縁鏡面２２の焦点位置は受光素子３の受光面３ａとなるように構成される。つまり、その周縁部近傍の周縁鏡面２２で反射する反射光が受光素子３の受光面３ａに到達するように、凹面鏡２の周縁部近傍の周縁鏡面２２が、中央鏡面２１に対し所定距離ｈだけ受光素子３に近づく方向に段状に偏位（平行移動）しており、このために、図１〜図４のように、凹面鏡２の鏡面は、中央鏡面２１と周縁鏡面２２がその間で、段差部を介して接続される構成となっている。

基本的には、凹面鏡２は、中心軸線Ｌ上に焦点Ｆを有する放物面鏡から構成され、受光素子３は、凹面鏡２の内側の略中心軸線Ｌ上に、その受光面３ａを凹面鏡２から遠ざかる方向に所定の偏位距離ｈだけ偏位し（平行移動し）て配置され、凹面鏡２の周縁部近傍の周縁鏡面２２は、中央鏡面２１に対し偏位距離ｈだけ受光素子３に近づく方向に、段状に突出して形成されている。

ここで、図４に示すように、凹面鏡２の焦点距離をｆ、受光素子３の受光面３ａの半径をａ、及び受光面３ａの偏位距離をｈとした場合、
中央鏡面２１の半径Ｒは、
Ｒ＝２ｆ／ａ（√（ａ^２＋４ｈ^２）―２ｈ）・・・・（１）
の式から算出することができる。

また、凹面鏡２は、その正面の縦、横（高さ、幅）の寸法が例えば約８ｍｍ×８ｍｍ、その厚さが約３ｍｍと非常に小型に形成され、反射集光型受光器１は、受光素子３が凹面鏡２の略内側に配されるため、凹面鏡２（反射集光型受光器１）の厚さ寸法を短く、非常に小型化することができる。例えば、受光素子３の受光面３ａの半径ａが約０．２５ｍｍの場合、その焦点距離ｆは約２〜３ｍｍ、偏位距離ｈは、約ｆ／１０の約０．２〜０．３ｍｍとなる。したがって、凹面鏡２の周縁部近傍の周縁鏡面２２の中央鏡面２１に対する偏位距離ｈは、約０．２〜０．３ｍｍとなり、凹面鏡２の中央鏡面２１と周縁鏡面２２の段差部には約０．２〜０．３ｍｍの段差が付くこととなる。この場合、凹面鏡２の中央鏡面２１の鏡面半径Ｒは約２ｍｍとなる。

凹面鏡２の本体２０は、例えば熱可塑性樹脂などの合成樹脂（例えば、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂）により直方体状に成形される。凹面鏡２の内側の略中央に、受光素子３がその受光面３ａを凹面鏡２の中央鏡面２１側に向けて配置される。受光素子３の１対の電極（アノード電極、カソード電極）には各々電極リード４，５が半田付け或いは導電性接着剤により接続されており、両電極に接続された１対の電極リード４，５は、凹面鏡２の前面中央部から両側に開くように配設される。

両電極リード４，５は、凹面鏡２の正面から本体２０の外側面に沿って直角に曲げられ、さらに電極リード４，５の端部は、凹面鏡２の本体２０の側面から背面側に直角に曲げられ、両電極リード４、５により凹面鏡２の本体２０を挟むようにして、受光素子３を凹面鏡２の前面中央部に取り付けている。

このとき、両電極リード４、５が接触する凹面鏡２の本体２０の前面、側面、背面に沿って溝を形成し、その溝に両電極リード４、５を嵌め込むようにして、凹面鏡２の定位置に、受光素子３及び電極リード４，５を取着し、さらに接着剤により接着することができる。

このような電極リード４，５の端部は、反射集光型受光器１が回路基板上に実装されたとき、回路基板上の導電層に当接し、リフロー半田などにより結合接続される。１対の電極リード４，５は、凹面鏡２の前面中央部から両側に開くように延設され、凹面鏡２の外側面を経て受光回路に接続されるため、１対の電極リード４，５と受光回路のプリアンプのグランド間に生じる静電容量は、単純に受光素子をプリアンプ等の入力側に接続した場合に比べ、大幅に減少させている。

凹面鏡２の凹部２３内には、凹面鏡２の略中央に受光素子３を取り付けた状態で、凹部２３内に透明合成樹脂（例えばエポキシ樹脂など）が充填される。この透明合成樹脂の充填により、受光素子３の反射面側の受光面３ａを透明合成樹脂で覆うようにし、これらを保護する。また、凹部２３内の透明合成樹脂の充填により、凹面鏡２内の光の屈折率を調整して、凹面鏡２の焦点位置を任意に調整することができる。

受光素子３には、例えばＳｉＡＰＤ（シリコンアバランシュフォトダイオード）を使用することができる。このＳｉＡＰＤの受光素子３は、逆バイアスを印加して光電流を増幅させ、高速の信号を高感度で受光することが可能であり、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。受光する空間光としては、青色光、白色光などの可視光のほか、赤外線を使用することもでき、その場合、赤外線を高効率で受光するフォトダイオードが使用される。

また、受光素子３の受光面には、ＡＲコート（反射防止膜）を施すことが好ましい。ＡＲコートは、例えばフッ化マグネシウムを受光面３ａに真空蒸着して形成され、薄膜を透過して奥の面で反射する光と薄膜の透過光を干渉させて、受光面３ａからの反射を防止し、受光素子３の受光効率を向上させることができる。

上記構成の反射集光型受光器１は、図４に示すように、凹面鏡２の前方から平行光線を受光した場合、凹面鏡２の中央鏡面２１で反射される光は、凹面鏡２の焦点Ｆを通過した後、その前方の受光素子３の受光面３ａに入射する。このように、凹面鏡２の焦点位置から受光面３ａの位置が反鏡面側にずらして配置されるので、直射日光などの強力な光が受光素子３の受光面３ａの集光することがなく、集光による受光素子の破損を防止することができるとともに、受光器が向く角度に応じた受光効率の角度依存性を小さくして、広い角度範囲の光を効率良く受光することができる。

一方、凹面鏡２の周縁鏡面２２で反射される光は、図４に示すように、受光素子３の受光面３ａに集光するように進み、受光面３ａに入射する。このため、上記の中央鏡面２１で反射された反射光に加えて、従来の反射集光型受光器の凹面鏡では反射光が到達していなかった周縁鏡面２２での反射光も、受光素子３の受光面３ａに入射することとなり、これにより、受光素子３の受光・光電変換効率を向上させることができる。

このように、受光素子３が凹面鏡２の焦点位置から反鏡面側に偏位して（ずらして）位置するので、空間光の光源に対する反射集光型受光器１の向きをラフにした場合の、つまり、反射集光型受光器１が向く角度に応じた受光効率の角度依存性を小さくして、広い角度範囲の光を効率良く受光することができる。また、太陽の直射日光などに向けた場合でも、太陽光などが受光素子３上で焦点を結ぶことがなく、熱による受光素子３の損傷を回避することができる。さらに、周縁鏡面２２で反射される光は、受光素子３の受光面３ａに集光するように進み、受光面３ａに入射するので、中央鏡面２１で反射された反射光に加えて、従来の反射集光型受光器の凹面鏡では反射光が到達していなかった周縁鏡面２２での反射光も、受光素子３の受光面３ａに入射し、受光素子３の受光・光電変換効率を向上させることができる。

なお、上記反射集光型受光器では、受光する空間光として白色光、青色光などの可視光を例示したが、赤外線（近赤外線）を使用することもできる。この場合、反射集光型受光器には受光素子として赤外線用フォトダイオードを使用することとなる。

図５〜図７は第２実施形態の反射集光型受光器１１を示している。上記凹面鏡２では、受光素子３の受光面３ａを、その焦点Ｆから、反鏡面側（前方）にずらして（偏位、平行移動）しているが、受光素子３の位置は、図５〜図７の反射集光型受光器１１のように、凹面鏡１２の焦点Ｆから、鏡面側（内側）にずらすこともできる。なお、この第２実施形態の反射集光型受光器１１において、上記第１実施形態のものと同様な構成部分については上記と同じ符号を図５〜図７に付してその説明は省略する。

凹面鏡１２は、図５〜図７に示すように、上記と同様、その本体１０が合成樹脂により略直方体状に形成され、その本体１０の前面に放物面を有した凹部２７が形成される。凹部２７の前面（内面）の放物面には、反射用の銀、アルミニウムなどの金属膜がめっき或いは蒸着され、放物面鏡を形成する。また、図７に示す如く、放物面鏡である凹面鏡１２には、鏡面の中心点から前方に焦点距離ｆの位置に１つの焦点Ｆが位置し、受光素子３の受光面３ａがその焦点Ｆから所定の偏位距離ｈだけ内側（鏡面側）にずらして（偏位して）配置される。

さらに、この凹面鏡１２は、中央部分に位置する中央鏡面２５とその周縁に位置する周縁鏡面２６とから構成され、中央鏡面２５の焦点位置は焦点Ｆであるが、その周縁鏡面２６の焦点位置は受光素子３の受光面３ａとなるように構成される。つまり、その周縁部近傍の周縁鏡面２６で反射する反射光が受光素子３の受光面３ａに到達するように、凹面鏡１２の一部である、周縁部近傍の周縁鏡面２６が、中央鏡面２５に対し所定距離ｈだけ受光素子３から遠ざかる方向に段状に偏位（平行移動）しており、このために、図５〜図７のように、凹面鏡１２の鏡面は、中央鏡面２５と周縁鏡面２６の間で、段差部を介して接続される構成となっている。

凹面鏡１２の凹部２７内には、凹面鏡１２の略中央に受光素子３を取り付けた状態で、凹部２７内に透明合成樹脂（例えばエポキシ樹脂など）が充填される。この透明合成樹脂の充填により、受光素子３の反射面側の受光面３ａを透明合成樹脂で覆うようにし、これらを保護する。また、凹部２７内の透明合成樹脂の充填により、凹面鏡１２内の光の屈折率を調整して、凹面鏡１２の焦点位置を任意に調整することができる。

上記構成の反射集光型受光器１１は、図７に示すように、凹面鏡１２の前方から平行光線を受光した場合、凹面鏡１２の中央鏡面２５で反射される光は、凹面鏡２の焦点Ｆの手前で受光素子３の受光面３ａに入射するが、凹面鏡１２の焦点位置から受光面３ａの位置が鏡面側にずらして配置されるので、直射日光などの強力な光が受光素子３の受光面３ａの集光することがなく、集光による受光素子の破損を防止することができる。さらに、受光器が向く角度に応じた受光効率の角度依存性は低くなり、広い角度範囲の光を効率良く受光することができる。

一方、凹面鏡１２の周縁部の周縁鏡面２６で反射される光は、図７に示すように、受光素子３の受光面３ａに集光するように進み、受光面３ａに入射する。このため、上記の中央鏡面２５で反射された反射光に加えて、従来の反射集光型受光器の凹面鏡では反射光が到達していなかった周縁鏡面２６での反射光も、受光素子３の受光面３ａに入射することとなり、これにより、受光素子３の受光・光電変換効率を向上させることができる。

このように、受光素子３が凹面鏡１２の焦点位置から鏡面側に偏位して位置するので、空間光の光源に対する反射集光型受光器１１の向きをラフにした場合の、つまり、反射集光型受光器１１が向く角度に応じた受光効率の角度依存性を小さくして、広い角度範囲の光を効率良く受光することができる。また、太陽の直射日光などに向けた場合でも、太陽光などが受光素子３上で焦点を結ぶことがなく、熱による受光素子３の損傷を回避することができる。さらに、凹面鏡１２の周縁鏡面２６で反射される光が、受光素子３の受光面３ａに到達するようになるので、中央鏡面２５で反射された反射光に加えて、従来の反射集光型受光器の凹面鏡では反射光が到達していなかった周縁鏡面２６での反射光も、受光素子３の受光面３ａに入射し、これにより、受光素子３の受光・光電変換効率を向上させることができる。

１ 反射集光型受光器
２ 凹面鏡
３ 受光素子
３ａ 受光面
４ 電極リード
８ 凹面鏡
９ 受光素子
１０ 本体
１１ 反射集光型受光器
１２ 凹面鏡
２０ 本体
２１ 中央鏡面
２２ 周縁鏡面
２３ 凹部
２５ 中央鏡面
２６ 周縁鏡面
２７ 凹部

Claims (3)

1. 情報信号を重畳した空間光を、焦点を有する凹面鏡を介し反射集光して受光する、受光素子を有した反射集光型受光器において、
   該凹面鏡の内側の略中心軸線上に、該受光素子が、その受光面を該凹面鏡の鏡面側に向けて、且つ該凹面鏡の焦点位置から該受光面の位置を鏡面側または反鏡面側にずらして配置され、
   該凹面鏡の周縁部近傍の鏡面で反射する反射光が該受光素子の受光面に到達するように、該凹面鏡の周縁部近傍の周縁鏡面が、中央鏡面に対し該受光素子側にまたは反受光素子側に偏位して形成されたことを特徴とする反射集光型受光器。
2. 前記凹面鏡は中心軸線上に焦点を有する放物面鏡から構成され、
   前記受光素子は、該凹面鏡の内側の略中心軸線上に、その受光面が該凹面鏡から遠ざかる方向に所定の偏位距離だけ該焦点位置から偏位して配置され、該凹面鏡の周縁部近傍の該周縁鏡面が、該中央鏡面に対し該偏位距離だけ該受光素子に近づく方向に段状に突出して形成されたことを特徴とする請求項１記載の反射集光型受光器。
3. 前記凹面鏡は中心軸線上に焦点を有する放物面鏡から構成され、
   前記受光素子は、該凹面鏡の内側の略中心軸線上に、その受光面が該凹面鏡に近づく方向に所定の偏位距離だけ該焦点位置から偏位して配置され、該凹面鏡の周縁部近傍の周縁鏡面が、該中央鏡面に対し該偏位距離だけ該受光素子から遠ざかる方向に段状に偏位して形成されたことを特徴とする請求項１記載の反射集光型受光器。

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