JP2014112609A

JP2014112609A - 空間光通信用受光器

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Publication number: JP2014112609A
Application number: JP2012266607A
Authority: JP
Inventors: Fumitaka Murayama; 文孝村山; Hiroyuki Kurokawa; 裕之黒川; Etsuji Omura; 悦司大村
Original assignee: OUTSTANDING TECHNOLOGY KK; Outstanding Technology Co Ltd; Kyosemi Corp
Current assignee: OUTSTANDING TECHNOLOGY KK; Outstanding Technology Co Ltd; Kyosemi Corp
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-06-19

Abstract

【課題】集光レンズによる受光素子への集光率を向上させ、受光・光電変換効率を向上させることができる空間光通信用受光器を提供する。
【解決手段】透明合成樹脂により受光素子４がモールドされ、モールドした透明合成樹脂の先端部に集光レンズ２が形成される空間光通信用受光器である。集光レンズ２が非球面フレネルレンズ２０から構成される。非球面フレネルレンズ２０は、その中央部に中央ドーム部２１が断面を楕円とする楕円面を有して形成される。中央ドーム部２１の外側に円環状の第１外周円環部２２が楕円面を有して形成される。中央ドーム部２１及び第１外周円環部２２の各楕円面の曲率半径は、中央ドーム部２１及び第１外周円環部２２の楕円面に入射する光束が非球面フレネルレンズ２０の中心軸線上の略１点に集光して、集光レンズ２の焦点位置となるように設定される。
【選択図】図４

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に使用される空間光通信用受光器に関し、特に、透明合成樹脂により受光素子をモールドし、モールド樹脂の端部に集光レンズを設けた空間光通信用受光器に関する。

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２００６−５１４１号公報

この種の従来の空間光通信システムでは、通常、受信器側の受光器は、集光レンズを含む光学系と受光素子とから構成され、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、特に独立した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。

このため、受光器の小型化を目的として、透明合成樹脂により受光素子をモールドし、モールド樹脂の端部に集光用の凸レンズを設けた受光器が、上記特許文献１などにより提案されている。

しかし、この種の受光素子をモールドした樹脂モールドの端部に集光レンズ（凸レンズ）を形成した受光器は、その集光レンズが、任意の外径と焦点距離を有した単純な半球型の凸レンズとするように形成されるため、集光レンズに入射した光が受光素子に到達する、集光レンズによる受光素子への集光率が低く、このために、受光素子の受光効率が低くなり、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、集光レンズによる受光素子への集光率を向上させ、受光・光電変換効率を向上させることができる空間光通信用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、本発明の空間光通信用受光器は、透明合成樹脂により受光素子がモールドされ、モールドした該透明合成樹脂の先端部に集光レンズが形成され、情報信号を重畳して投光された空間光を、該集光レンズにより集光して受光する空間光通信用受光器において、
該集光レンズが非球面フレネルレンズから構成され、該非球面フレネルレンズは、その中央部に中央ドーム部が断面を楕円とする楕円面を有して形成されるとともに、該中央ドーム部の外側に円環状の外周円環部が同心円状に且つ楕円面を有して形成され、
該中央ドーム部及び外周円環部の各楕円面の曲率半径は、該中央ドーム部及び外周円環部の楕円面に入射する光束が該非球面フレネルレンズの中心軸線上の略１点に集光して該集光レンズの焦点位置となるように設定され、該焦点位置に該受光素子が配置されたことを特徴とする。

この発明によれば、集光レンズを非球面フレネルレンズで構成するので、通常のレンズに比べ厚さが薄くなり、受光器の中心軸に沿った長さを小さくし、受光器の小型化が可能となる。

また、集光レンズが非球面フレネルレンズとされ、非球面フレネルレンズの中央ドーム部が断面を楕円とする楕円面で形成され、且つ中央ドーム部の外側の円環状の外周円環部が楕円面として形成されるので、収差による集光不良の影響を最小とし、集光率を向上させることができる。

さらに、中央ドーム部及び外周円環部の各楕円面の曲率半径は、中央ドーム部及び外周円環部の楕円面に入射する光束が非球面フレネルレンズの中心軸線上の略１点に集光して集光レンズの焦点位置となるように設定され、その焦点位置に受光素子を配置するので、集光レンズをフレネルレンズとしているにも拘わらず、受光素子への集光率が極めて向上し、受光素子の受光効率及び光電変換効率を向上させることができる。

すなわち、従来一般に使用されるフレネルレンズは、凸レンズの中央ドーム部及び外周円環部を単に軸方向に平行移動させた構造のため、中央ドーム部及び外周円環部の各曲率半径は単純に同一値で形成され、中央ドーム部及び外周円環部の位置は軸方向の平行移動によってずれる。

このため、従来のフレネルレンズを受光器の集光レンズとして用いた場合、図８に示すように、中央ドーム部４１及び外周円環部４２に入射する光束は、フレネルレンズ４０の中心軸線上で相互にずれて集光し、焦点の１点で集光することはなく、レンズの中心軸線上の焦点付近に受光素子４の受光面５を配置したとしても、受光面５の集光率は低い。

しかし、本発明の受光器における集光レンズの非球面フレネルレンズは、中央ドーム部及び外周円環部の各楕円面の曲率半径が、中央ドーム部及び外周円環部の楕円面に入射する光束が非球面フレネルレンズの中心軸線上の略１点に集光して集光レンズの焦点位置となるように設定され、その焦点位置に受光素子を配置するので、受光素子への極めて高い集光率を実現することができる。

ここで、上記外周円環部は、該中心軸線に近い縁部が上記中央ドーム部の中心位置と面一になるように、該中心軸線と平行に平行移動して形成することができる。

さらに、集光レンズの非球面フレネルレンズにおける、中央ドーム部及び外周円環部の各楕円面の離心率は、モールド樹脂の入射光の屈折率、中央ドーム部及び外周円環部の直径、及び受光素子の直径に応じて、該中央ドーム部及び外周円環部に入射した平行光線が略１点に集光するように設定することが好ましい。これによれば、集光レンズの集光率を一層向上させることができる。

さらに、上記空間光通信用受光器において、受光素子としてフォトダイオードが円柱型のモールド本体内に封止され、モールド本体の先端部に集光レンズが一体成形され、モールド本体の基部からフォトダイオードのリード線が導出される構成とすることができる。

本発明の空間光通信用受光器によれば、集光レンズを通して入射光が受光素子に入射する際の、受光素子への集光率が向上し、受光素子の受光効率及び光電変換効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示す空間光通信用受光器の正面図である。同空間光通信用受光器の平面図である。同空間光通信用受光器の左側面図である。図３のIV−IV断面図である。同空間光通信用受光器の斜視図である。集光レンズに正面から平行光線を入射させたときの、入射光の状態を示す説明断面図である。他の実施形態を示す、集光レンズに正面から平行光線を入射させたときの、入射光の状態を示す説明断面図である。従来のフレネルレンズ製の集光レンズに、正面から平行光線を入射させたときの、入射光の状態を示す説明断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。この空間光通信用受光器は、透明合成樹脂により受光素子４がモールドされ、円柱状にモールドした透明合成樹脂の先端部に集光レンズ２が形成され、情報信号を重畳して投光された空間光を、集光レンズ２により集光して受光する受光器である。

図１〜図５に示すように、受光素子４は、透明合成樹脂によってモールドされて、円柱型のモールド本体１内に封止され、モールド本体１の先端部に集光レンズ２が一体成形され、集光レンズ２から入射した入射光が集光されて受光素子４の受光面５に入射するように構成される。受光素子４は、集光レンズ２の略焦点位置に配置される。受光素子４としては、可視光用フォトダイオード、赤外線用フォトダイオード、フォトトランジスタ等を使用することができる。

モールド本体１の先端部に形成された集光レンズ２は、非球面フレネルレンズ２０から構成される。集光レンズ２の非球面フレネルレンズ２０は、中央部に中央ドーム部２１を有し、この中央ドーム部２１は、円形平面とし、断面を楕円とする楕円面から形成される。

また、中央ドーム部２１の外側に、第１外周円環部２２が形成され、第１外周円環部２２の外周面は、断面を楕円とする楕円面から形成される。さらに、第１外周円環部２２の外側に、第２外周円環部２３が形成され、第２外周円環部２３の外周面は、断面を楕円とする楕円面から形成される。

中央ドーム部２１の外側に形成される、第１外周円環部２２及び第２外周円環部２３は、集光レンズ２つまり非球面フレネルレンズ２０の中心軸線と同心円状に形成され、且つ中央ドーム部２１、第１外周円環部２２及び第２外周円環部２３の各楕円面の曲率半径は、各々、その中央ドーム部２１、第１外周円環部２２及び第２外周円環部２３の楕円面に入射する光束が、集光レンズ２つまり非球面フレネルレンズ２０の中心軸線上の略１点に集光して集光レンズの焦点位置となるように設定される。

集光レンズ２の非球面フレネルレンズ２０を設計する場合、先ず中央ドーム部２１の離心率ｅを決定する。中央ドーム部２１の楕円面の離心率ｅは、中央ドーム部２１の楕円面に入射する光束が一点（集光レンズ２の中央軸線上の焦点位置）に集光するように設定される。そして、この離心率ｅに基づき、下記の計算式を用いて、中央ドーム部２１の楕円面の曲率半径ｒ₀が決定される。

すなわち、中央ドーム部２１の楕円面を構成する楕円は、
ｚ＝ｈ²／ｒ₀｛１＋√（１−ｅｈ²／ｒ₀）｝
の式で表すことができる。

ここで、ｚは楕円の短径方向の長さ、ｈは楕円の長径方向の長さ、ｅは楕円面の楕円の離心率、ｒ₀は楕円面の曲率半径である。

したがって、楕円の短径方向の長さｚ、楕円の長径方向の長さｈ、楕円面の楕円の離心率ｅを用いて、上記楕円を表す式から中央ドーム部２１の楕円面の曲率半径ｒ₀が決定される。

次に、中央ドーム部２１の外側に第１外周円環部２２を、中心軸線と同心円状に形成する。第１外周円環部２２は、中心軸線に近い縁部が中央ドーム部２１の中心面と面一になるように、中心軸線と平行に平行移動して形成される。しかし、第１外周円環部２２を単純に平行移動させたのみでは、その焦点位置は上記中央ドーム部２１の焦点に対してずれが生じる。そこで、第１外周円環部２２の楕円面の曲率半径ｒ₁が、その第１外周円環部２２の楕円面に入射する光束が上記中央ドーム部２１の焦点位置に集光するように設定される。

同様に、第１外周円環部２２の外側に、第２外周円環部２３を中心軸線と同心円状に形成する。第２外周円環部２３は、中心軸線に近い縁部が中央ドーム部２１の中心面と面一になるように、中心軸線と平行に平行移動して形成されるが、第２外周円環部２３を単純に平行移動させたのみでは、その焦点位置は上記集光レンズ２の焦点に対してずれが生じる。そこで、第２外周円環部２３の楕円面の曲率半径ｒ₂が、その第２外周円環部２３の楕円面に入射する光束が上記中心ドーム部２１及び第１外周円環部２２の焦点位置に集光するように設定される。なお、第１外周円環部２２、第２外周円環部２３の楕円面の離心率ｅには、中央ドーム部２１の離心率ｅと同一の値が使用される。

このような、非球面フレネルレンズ２０の各楕円面の離心率ｅ及び曲率半径ｒ₀、ｒ₁、ｒ₂は、コンピュータを用いた光束シミュレーションにより決定することができる。光束シミュレーションでは、中央ドーム部２１、第１外周円環部２２及び第２外周円環部２３の楕円面を有する非球面フレネルレンズ２０を、光束シミュレーションの画面上で設定し、非球面フレネルレンズ２０の正面から平行光線を入射させたときの光跡を検証して行なわれる。

非球面フレネルレンズ２０の中央ドーム部２１、第１外周円環部２２、及び第２外周円環部２３の特性を決定する設定値としては、上記の値のほか、モールド樹脂の屈折率ｎ、受光素子４の受光面５の直径、及び各楕円面の楕円の離心率がある。したがって、これらの数値を光束シミュレーション上で具体的に設定し、非球面フレネルレンズ２０に入射した平行光線がモールド本体１の透明合成樹脂つまり非球面フレネルレンズ２０内で進む光束が焦点Ｆを通るよう、非球面フレネルレンズ２０の各楕円面の曲率半径ｒ₀、ｒ₁、ｒ₂を変化させ、中央ドーム部２１、第１外周円環部２２、及び第２外周円環部２３の特性を決定することができる。

なお、光束シミュレーションでは、集光レンズ２の非球面フレネルレンズ２０における、中央ドーム部２１及び第１外周円環部２２、第２外周円環部２３の各楕円面の離心率ｅは、一定値として設定したが、モールド樹脂の入射光の屈折率ｎ、中央ドーム部２１、第１外周円環部２２の直径、第２外周円環部２３の直径、及び受光素子の直径に応じて、中央ドーム部の焦点位置と外周円環部の焦点位置のばらつきが最小となるように、つまり中央ドーム部２１に入射した平行光線が略１点に集光するように離心率ｅを設定することもできる。これによれば、集光レンズ２の集光率を一層向上させることができる。

図６は、光束シミュレーションを行なった際に、集光レンズ２の非球面フレネルレンズ２０に対しその正面から平行光線を入射させ、入射光の光跡を図示している。中央ドーム部２１、第１外周円環部２２及び第２外周円環部２３の各楕円面の曲率半径ｒ₀、ｒ₁、ｒ₂を、各々、上記のように設定することにより、図６に示す如く、その中央ドーム部２１、第１外周円環部２２及び第２外周円環部２３の楕円面に入射する光束が、集光レンズ２つまり非球面フレネルレンズ２０の中心軸線上の略１点に集光し、その点が集光レンズの焦点Ｆとなる。したがって、集光レンズ２つまり非球面フレネルレンズ２０の焦点Ｆに受光素子を配置すれば、非常に高い集光率で受光素子に光を入射させることができる。

上記構成の中央ドーム部２１、第１外周円環部２２及び第２外周円環部２３を有する非球面フレネルレンズ２０は、透明合成樹脂により受光素子４をモールドして受光器を製作する際、円柱型のモールド本体１の先端部に形成するように、型成形が行なわれる。これにより、モールド本体１の先端部に非球面フレネルレンズ２０が形成され、その内部の焦点Ｆ位置に、受光素子４が封止される。

受光素子４としてフォトダイオードが使用される場合、フォトダイオードが、図１〜５のように、円柱型のモールド本体１内に封入され、モールド本体１の先端部に集光レンズ２としての非球面フレネルレンズ２０が一体成形される。モールド本体１の基部からは、フォトダイオードのリード線８，９が導出される。

このような空間光通信用受光器は、空間光を使用する通信用受信機の受光器として使用されるが、集光レンズ２が非球面フレネルレンズ２０により構成されるので、通常の凸レンズに比べ厚さが薄くなり、受光器の中心軸に沿った長さを小さくし、受光器の小型化が可能となる。

また、集光レンズ２が非球面フレネルレンズ２０とされ、非球面フレネルレンズ２０の中央ドーム部２１が断面を楕円とする楕円面で形成され、中央ドーム部２１の外側の円環状の第１外周円環部２２、第２外周円環部２３が楕円面として形成されるので、収差による集光不良の影響を最小とし、集光率を向上させることができる。また、特定波長の可視光を空間光として空間光通信を行う場合、特定波長の光がレンズの色収差による悪影響を受ける不具合を解消することができる。

さらに、中央ドーム部２１、第１外周円環部２２及び第２外周円環部２３の各楕円面の曲率半径は、中央ドーム部２１、第１外周円環部２２及び第２外周円環部２３の各楕円面に入射する光束が非球面フレネルレンズ２０の中心軸線上の略１点に集光して集光レンズ２の焦点位置となるように設定され、その焦点位置に受光素子４を配置するので、集光レンズ２をフレネルレンズとしているにも拘わらず、受光素子４への集光率が極めて向上し、受光素子４の受光効率及び光電変換効率を向上させることができる。

図７は、他の実施形態の非球面フレネルレンズ３０を用いた受光器において、非球面フレネルレンズ３０の正面から平行光線を入射させたときの入射光の光跡を示している。この図７の非球面フレネルレンズ３０は、中央ドーム部３１、第１外周円環部３２、第２外周円環部３３の外側に、さらに、第３外周円環部３４及び第４外周円環部３５を設けて構成される。

この非球面フレネルレンズ３０における、第３外周円環部３４及び第４外周円環部３５においても、中央ドーム部３１、第１外周円環部３２及び第２外周円環部３３と同様に、非球面フレネルレンズ３０の中心軸線と同心円状に形成され、且つ第３外周円環部３４及び第４外周円環部３５の各楕円面の曲率半径は、その第３外周円環部３４及び第４外周円環部３５の楕円面に入射する光束が、非球面フレネルレンズ３０の中心軸線上の略１点に集光して集光レンズの焦点位置となるように設定される。

この図７の非球面フレネルレンズ３０を集光レンズとして先端部に設けた受光器、つまり中央ドーム部３１、第１外周円環部３２、第２外周円環部３３、第３外周円環部３４及び第４外周円環部３５を同心円状に有した非球面フレネルレンズ３０を用いた受光器においても、各楕円面の曲率半径が、各楕円面に入射する光束が集光レンズの焦点を通るように設定されるので、集光レンズの焦点位置に配置された受光素子への光の集光率を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、非球面フレネルレンズ２０，３０において、中央ドーム部２１，３１の外側同心円状に、２本または４本の外周円環部を形成したが、外周円環部は１本または３本とすることもできる。

１モールド本体
２集光レンズ
４受光素子
５受光面
８リード線
２０非球面フレネルレンズ
２１中央ドーム部
２２第１外周円環部
２３第２外周円環部
３０非球面フレネルレンズ
３１中央ドーム部
３２第１外周円環部
３３第２外周円環部
３４第３外周円環部
３５第４外周円環部

Claims

透明合成樹脂により受光素子がモールドされ、モールドした該透明合成樹脂の先端部に集光レンズが形成され、情報信号を重畳して投光された空間光を、該集光レンズにより集光して受光する空間光通信用受光器において、
該集光レンズが非球面フレネルレンズから構成され、該非球面フレネルレンズは、その中央部に中央ドーム部が断面を楕円とする楕円面を有して形成されるとともに、該中央ドーム部の外側に円環状の外周円環部が同心円状に且つ楕円面を有して形成され、
該中央ドーム部及び外周円環部の各楕円面の曲率半径は、該中央ドーム部及び外周円環部の楕円面に入射する光束が該非球面フレネルレンズの中心軸線上の略１点に集光して該集光レンズの焦点位置となるように設定され、該焦点位置に該受光素子が配置されたことを特徴とする空間光通信用受光器。
前記外周円環部は、該中心軸線に近い縁部が前記中央ドーム部の中心位置と面一になるように、該中心軸線と平行に平行移動して形成されたことを特徴とする請求項１記載の空間光通信用受光器。
前記集光レンズの非球面フレネルレンズにおける、前記中央ドーム部及び外周円環部の各楕円面の離心率は、モールド樹脂の入射光の屈折率、中央ドーム部及び外周円環部の直径、及び受光素子の直径に応じて、該中央ドーム部及び外周円環部に入射した平行光線が略１点に集光するように設定されることを特徴とする請求項１または２記載の空間光通信用受光器。
前記受光素子としてフォトダイオードが円柱型のモールド本体内に封止され、該モールド本体の先端部に前記集光レンズが一体成形され、該モールド本体の基部から該フォトダイオードのリード線が導出されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の空間光通信用受光器。