JP3909883B2

JP3909883B2 - 低プロファイル、高利得、広視野の非撮像光学装置

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Publication number: JP3909883B2
Application number: JP05121596A
Authority: JP
Inventors: グレゴリー・エス・リー
Original assignee: アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2016-03-08
Also published as: JPH08334696A; EP0735396A3; EP0735396A2; US5699201A; EP0735396B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、光学集束器に関し、更に詳細には、非撮像光学集束器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学集束器は、移動式光通信リンクのような用途において必要とされる。Ｓ／Ｎ比を最大にし、それによってデータ転送速度を最大にするには、高い集束度が必要になる。集束器の精密な配向の維持により、負担がかかることなく、集束器との光通信を維持するには、広い視野での集束も必要になる。
【０００３】
当該技術においては、各種の光学集束器が既知のところである。最近では、光学集束器は、撮像集束器、又は非撮像集束器のいずれかに分類される。撮像集束器の例としては、古典的な球面レンズ（薄いか、厚いかはともかくとして）、及び放物面反射器がある。撮像集束器は、像を形成するために、数世紀にわたりかなりの改良が加えられてきたが、広い視野に対して、高い光の集束度を実現する際に最適というにはほど遠い。
【０００４】
非撮像集束器は、像を形成しないが、光を集束させる際に、ほぼ最適になるように設計することが可能である。集束器の光入射開口が、光を集めるための受光領域を与える。集められた光は、集束器の光射出開口によって与えられる、目標領域に集束させられる。１段式非撮像集束器の例としては、1978年にAcademic Pressから刊行された「The Optics of Nonimaging Concentrators」において、Welford 及びWinston によって解説された、複合放物面集束器（ＣＰＣ）があり、これを、背景情報のために、参照として本明細書に組み入れる。様々な高さ寸法、及び１０度〜２５度の範囲にある、対応する光線受光角θを有する、ＣＰＣタイプの１段式非撮像集束器が、図１に断面図で示されている。好都合なことには、広い受光角を有する非撮像集束器は、広い視野を与える。
【０００５】
集束器のアスペクト比は、集束器の光射出開口の寸法に対する、集束器の高さ寸法の比として定義される。光射出開口の直径の測定値は、目標領域の直径の測定値と同じであるため、代替として、集束器のアスペクト比は、光射出開口によって与えられる、目標領域の直径に対する、集束器の高さ寸法の比として定義される。アスペクト比が低い集束器は、好都合なことに、移動式光通信リンク構成要素の小型、且つ効率的な実装をもたらす。幸いなことに、望ましい低アスペクト比を有する低プロファイル集束器は、図１に示すように、広い視野を得るのに好適な受光角も備えている。あいにくなことに、低プロファイル集束器は、高プロファイル集束器により得られる光の集束度よりも、少ない光の集束度しか与えない。
【０００６】
本明細書において、集束比を、集束器の光射出開口の面積に対する、集束器の光入射開口の面積の比として定義する。光入射開口の面積の測定値が、受光領域の面積の測定値を同じであるため、また、光射出開口の面積の測定値が、目標領域の面積の測定値と同じであるため、代替として、本明細書において、集束比を、集束器の目標領域の面積に対する、集束器の受光領域の面積の比として定義する。前述のように、移動式光通信リンク用途では、高い集束度が望ましい。あいにく、低アスペクト比、及び広い受光角を有する、既知の非撮像集束器は、図１に示す集束器を検討することにより明らかなように、やはり、集束比が低い。図１に示すＣＰＣタイプの非撮像集束器は、全て射出開口が等しいが、低アスペクト比のものは、やはり、比較的入射開口が小さく、従って、比較的集束比が低い。このため、アスペクト比、視野、及び集束比の間で、何らかの設計上のトレード・オフが存在することになる。
【０００７】
１つの非撮像反射段、及び１つの非撮像屈折段を有する、２段式非撮像集束器の設計によって、図１に示す１段式非撮像集束器よりも高い集束比が与えられる。例えば、Welford 及びWinston は、そのテキストの７７〜７９ページにおいて、こうした２段式非撮像集束器の教示をしている。図２は、受光角θ、受光領域Ａをもたらす入射開口、目標領域Ｔをもたらす射出開口、及び屈折段において、屈折率ｎを有する透明な誘電材料を備える、同様の２段式非撮像集束器の断面図を示す。角度θ’で反射段に入射する光は、図２に示すように、別の角度θ”で屈折された後、射出開口に集束させられる。図２に示す２段式非撮像集束器は、同様の受光角、及び射出開口を備えた、図１の匹敵する１段式非撮像集束器とは対照的に、屈折率ｎに関連した係数だけ、集束比を増大させる。
【０００８】
高屈折率の材料は、好都合なことに、高い集束比をもたらすが、やはり相対的に高い屈折率を有する、実用的で、入手可能な材料の限られた選択しか存在しない。多くのプラスチック、及び通常のガラスは、屈折率が１．５〜１．６の範囲内である。２．２の屈折率を有する二酸化チタン（ＴｉＯ₂）が、実用的な誘電材料の屈折率に関して、確固たる上限を提示しているが、より選択される確率の高いのは、屈折率が１．６の材料である。従って、既知の２段式非撮像集束器の設計によって実現可能である、集束比の増大に関して実際上の限界がある。
【０００９】
先行技術の教示に従って、２段式非撮像集束器の屈折誘電体段をできるだけ短くし、同時に、所与の射出開口に対して、可能な最高の集束比を維持することによって、図２に示す２段式非撮像集束器の設計においては、アスペクト比が、同様の受光角、及び射出開口を有する、図１の１段式非撮像集束器よりも常に高くなる。例えば、±３０度の受光角±θ、及び約１０．４の集束比を有する、屈折率１．６の材料を用いた２段式非撮像集束器は、アスペクト比１９．１６の負担がかかるが、これは、同様の受光角、及び射出開口を備えた、図１の１段式非撮像集束器のアスペクト比よりも大きい。図２の２段式集束器の集束比を、図２の２段式集束器のアスペクト比で割ると、約０．５３の性能指数が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上から理解されるように、既知の非撮像集束器は、いくつかの利点をもたらすが、いくつかの制限も有している。本発明の目的は、高集束度を与えると同時に、低アスペクト比、及び広視野も与える、２段式非撮像集束器を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の２段式非撮像光学集束器は、既知の２段式非撮像集束器と比較して、高い集束度を与えると同時に、低いアスペクト比、及び広い視野を与える。移動式光通信リンクのような用途では、Ｓ／Ｎ比を最大にし、それによって、データ転送速度を最大にするのに、高い集束度が必要とされる。本発明の広い受光角によって、集束器の精密な配向を維持するのに、負担がかかることなく、集束器との光通信を維持するのに必要な広い視野が得られる。
【００１２】
手短に、且つ一般的に言えば、本発明の２段式非撮像集束器には、非撮像屈折部材、及び非撮像反射ファンネル部材が含まれる。好適な実施例において、屈折部材は、実質的に平坦であり、２段式集束器の射出開口を与える、切頭部分を有する。反射ファンネルは、広い端部、及び対向する狭い端部を備える。非撮像屈折部材が、実質的にファンネル内において、ファンネルの狭い端部に近接して配置され、そのため、本発明の２段式非撮像集束器の低アスペクト比がもたらされる。好都合なことには、本発明の集束器の低アスペクト比によって、移動式光通信リンク構成要素に関して、集束器の小型、且つ効率的な実装が与えられる。
【００１３】
非撮像屈折部材は、非撮像トーリック・レンズを含むのが望ましい。トーリック・レンズ表面の望ましい形状は、基本的に記載した通り、すなわち、幾何学的に表現すると、レンズの対称軸周りにおける切頭楕円の回転によって「生成される」、環状表面である。切頭楕円は、集束器の受光角にほぼ等しい角度だけ、トーリック・レンズの対称軸に対して傾斜している。
【００１４】
楕円の焦点は、レンズの平坦な切頭部分に位置するようにし、２段式集束器の射出開口の直径の１／２にほぼ等しい量だけ、対称軸から離れて変移されるのが望ましい。ファンネル内におけるトーリック・レンズの好適な実施例の数学的シミュレーションによれば、傾斜した切頭楕円を回転することにより、実質的に生成される形状が、ファンネル内に配置される他のレンズ構成よりも、良好な光の集束度をもたらすことが示されている。
【００１５】
本発明の他の態様、及び利点については、本発明の原理を例示する、添付図面に関連してなされる、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図３には、本発明の２段式非撮像集束器３００の好適な実施例が示されている。図示のように、集束器は、対称軸に関して半径方向に対称である。本発明の２段式集束器は、好適には、成型アクリル酸プラスチック、又はエポキシである、適切な形状の透明な屈折材料の非撮像屈折部材３０１、及び好適には、成型アルミニウム、又はアルミニウム被覆のプラスチックである、非撮像反射ファンネル部材３０３を含む。
【００１７】
本発明の２段式非撮像集束器を構成する、非撮像屈折部材、及び非撮像反射部材は、像を形成しないが、光の高い集束度をもたらすように設計されている。従って、本明細書において、本発明の非撮像部材は、反射、又は屈折によって入射光を集束させるが、入射光から像を形成することはできない、光学部材と定義される。これに対し、古典的な球面レンズ（薄いか厚いかはともかくとして）、及び放物面反射器のような撮像集束器は、像を形成し、広い視野に対して、光の高集束度を実現する上で最適というにはほど遠い。従って、本発明の屈折材料の非撮像屈折部材は、古典的な球面、又は放物面レンズ、あるいは、それから導き出された、当該技術においては既知の、修正された球面、又は放物面レンズのどれとも実質的に異なるべく成形される、ということを理解されたい。非撮像屈折部材は、環状表面を備えた屈折材料から成る、非撮像トーリック・レンズを含むことが望ましい。
【００１８】
図３に示すように、反射ファンネルは、広い端部３０４、及び対向する狭い端部３０６を備えている。図示のように、好適な実施例のトーリック・レンズは、基本的に、２段式集束器のアスペクト比を低下させるように、ファンネル内において、ファンネルの狭い端部に近接して配置されている。特に、図示の好適な実施例において、ある容積のレンズが、ファンネル内に配置される。
【００１９】
本発明の２段式集束器は、最初に、反射ファンネルの広い端部３０４によって受光される、空間集束モードで好適に動作する。次に、光は、２つの集束段を経て、反射ファンネルの狭い端部３０６を通って伝達される。ファンネルの反射性内部表面のテーパ形状により、光は、トーリック・レンズに達する前に、反射ファンネル内において、第１段階の集束を被る。光がトーリック・レンズの表面に突き当たり、それを透過する際に、光は第２段階の集束を被る。代替として、本発明の２段式集束器は、角集束モードでも動作する。最初に、光が、反射ファンネルの狭い端部３０６において、広い入射角範囲にわたって受光され、次に、光が２つの角集束段階を経て、反射ファンネルの広い端部３０４を通って、狭い角範囲にわたって伝達される。
【００２０】
図４は、図３に示す集束器３００の好適な実施例の断面図を示す。２段式集束器は、集束器の受光領域Ａ’を与えるための、光入射開口を備えている。反射ファンネルの広い端部３０４は、２段式集束器の入射開口に一体に結合されている。
【００２１】
集束器の視野は、集束器の受光角θにより規定される。本発明の２段式非撮像集束器は、視野が広く、これは、集束器の精密な配向の維持による負担がかかることなく、集束器との光通信を維持するのに有利である。例えば、図３、及び図４に示す好適な実施例、及び後続の図面のいくつかの他のどこかにおいて、レンズの視野は、±角度θ、更に詳細には±３０度の角度範囲内である。
【００２２】
集束器は、さらに、集束器の光目標領域Ｔ’を与えるための、光射出開口を備えている。図４の断面図に示すように、トーリック・レンズ３０１には、２段式集束器の射出開口と一体に結合された、平坦な切頭部分３０８が備わっている。好適な実施例において、光射出開口、及び対応する目標領域Ｔ’は、それぞれ、直径ｄのほぼ円形である。好適な実施例において、光射出開口、及び対応する円形目標領域の面積は、それぞれ、レンズの平坦な円形切頭部分の面積より小さく、また、ファンネルの狭い端部の面積より小さい。集束度を効率よくし、アスペクト比を低下させるため、好適な実施例において、光射出開口、及び対応する目標領域の面積は、それぞれ、レンズの平坦な切頭部分の面積の約１／１００〜約２／３の範囲内であり、好適には、レンズの平坦な切頭部分の面積の約１／４である。集束器の光入射開口によって、光を集めるための受光領域が与えられる。集められた光は、光射出開口によって与えられる目標領域に集束する。
【００２３】
集束器のアスペクト比は、集束器の光射出開口の直径に対する、集束器の高さ寸法の比として定義される。光射出開口の直径の測度値は、目標領域の直径の測定値と同じであるため、集束器のアスペクト比は、代替として、光射出開口によって与えられる目標領域の直径に対する、集束器の高さ寸法の比としても定義される。本発明の２段式非撮像集束器は、移動式光通信リンク構成要素の小型、且つ効率的な実装をもたらすのに、有利な低アスペクト比を有する。例えば、好適な実施例において、本発明の２段式集束器のアスペクト比は約１．７８である。図４には、対称軸以外に、水平軸も示されており、本発明の集束器の低アスペクト比を図解するために、それらの軸上に正規化区分が示されている。
【００２４】
本明細書において、集束比は、集束器の光射出開口の面積に対する、集束器の光入射開口の面積の比として定義される。光入射開口の面積の測定値は、受光領域の面積の測定値と同じであるため、また、光射出開口の面積の測定値は、目標領域の面積の測定値と同じであるため、代替として、集束比は、本明細書において、集束器の目標領域の面積に対する、集束器の受光領域の面積の比としても定義される。本発明の２段式非撮像集束器によれば、移動式光通信リンク用途において所望される高い集束比が与えられる。例えば、好適な実施例において、本発明の２段式非撮像集束器は、集束比が約８．２５になる。図４において、集束器の高い集束比を図解するために、水平軸上に正規化区分が示されている。
【００２５】
上述のように、好適な実施例は、約８．２５の望ましい高集束比、及び約１．７８の望ましい低アスペクト比を有する。好適な実施例の集束比を、好適な実施例のアスペクト比で割ることによって、約４．６３の望ましい高性能指数が得られる。本発明は、匹敵する屈折率材料、視野、及び集束比を用いるが、１９．１６の望ましくない高アスペクト比、及び約０．５３だけの望ましくない性能指数を有する、図２に示す既知の２段式非撮像集束器と比較すると、極めて有利である。
【００２６】
トーリック・レンズ３０１表面の好適な形状は、基本的に、記載した通り、すなわち、幾何学的に表現すると、対称軸周りにおける切頭楕円の回転によって「生成される」。切頭楕円は、集束器の受光角にほぼ等しい角度だけ、対称軸に対して傾斜している。例えば、図４の断面図に示す右と左の焦点Ｒ、Ｌのような、回転楕円の焦点は、レンズの平坦な切頭部分に位置するのが望ましい。図示のように、該焦点は、それぞれ、２段式集束器の光射出開口の直径の半分、すなわち、ｄ／２にほぼ等しい量だけ、トーリック・レンズの対称軸から離れて変移している。ファンネル内におけるトーリック・レンズの好適な実施例の数学的シミュレーションによれば、基本的に、傾斜した切頭楕円の回転によって生成される形状が、ファンネル内に配置される他のレンズ構成よりも、良好な光の集束度をもたらすことが示されている。
【００２７】
図５、６、７、及び８は、本発明の働きの光学原理を示す部分略図である。本発明は、スネルの法則、及びフェルマの最短時間の原理を有効に用いている。例示のため、図５には、切頭楕円レンズが２次元で示されている。例示目的のみのために、図５のレンズの楕円形状を視覚化する助けとなるように、楕円レンズの平坦な切頭部分の周囲に点線が描かれている。
【００２８】
切頭楕円レンズは、角度θだけ傾斜しているので、レンズの受光角によって規定される視野は、±角度θの角範囲内である。本発明の光学原理を例示するため、水平から角度θだけ傾斜した、発光ロッドの仮定構造が図に描かれており、平行光線が、発光ロッドから垂直に放出されるように描かれている。本発明の教示によれば、切頭、且つ傾斜した楕円レンズが、レンズの平坦な切頭領域内、又は該領域上のある点に、平行入射光線を合焦させる。図５に示すように、最大角度θで右から到来する光線は、楕円レンズの焦点Ｌに指向される。図示のように、楕円レンズの焦点は、縦軸からｄ／２の距離にある。本明細書で後述するように、縦軸は、レンズの環状表面を生成するための回転対称軸である。図５、６には、さらに、楕円の短半軸ｒ₀が示されている。
【００２９】
傾斜切頭楕円レンズを選択された縦軸周りで回転させると、図７の断面図に示すように、トーリック・レンズ表面が掃引される。例示目的のみのために、図５、６の切頭楕円形状の回転に関する説明を視覚化する助けとなるように、図７に示すトーリック・レンズの平坦な切頭領域の周囲に、点線が描かれている。図７の断面図に示すように、最も左側の形状、及び最も右側の形状が、回転楕円レンズの鏡像を示唆している。さらに図７の断面図に示すように、Ｌ及びＲで表示される、対応する最も左側の光学焦点、及び最も右側の光学焦点は、トーリック・レンズの平坦な切頭領域に沿っている、横軸上の−ｄ／２、及び＋ｄ／２に位置している。目標領域の直径ｄは、光学焦点間の距離である。従って、レンズの湾曲側に入射する、±角度θ間の角範囲の全光線が、レンズによって、選択された縦軸から、−ｄ／２の距離と＋ｄ／２のもう一方の対向する距離との間に収まるように指向されるので、該レンズの平坦な切頭表面において、この直径の目標領域を中央に位置決めすることによって、前記光線が遮断される。図６には、やはり、楕円の短半軸ｒ₀が示されている。
【００３０】
特に留意すべきは、直径ｄが、楕円の短軸の半径、楕円の傾斜角、及び選択される回転縦軸の選定に依存するという点である。トーリック・レンズの好適な実施例において、材料の屈折率が指定され、直径ｄが正規化長として指定され、短軸の半径が、角度θの余弦の直径倍の値よりわずかに少なくなるように選択され、それによって半径がカスタム化されて、所望の視野に対して、集束比が最大化され、集束器の高さが最小化される。一般に、トーリック・レンズの表面は、基本的に記載した通り、すなわち、幾何学的に表現すると、集束器の対称縦軸周りにおける切頭楕円の回転によって「生成される」ので、レンズ上部表面の中心において、僅かな尖点窪みが存在する。しかし、この窪みは、集束器の性能にほとんど影響がなく、幾つかの実施例においては隠される。
【００３１】
図７には、基本的に反射ファンネル内に配置される、トーリック・レンズの断面図が示されている。平行光線は、図示のように、仮定発光ロッドから放出され、最大角度θで右から集束器に入射する。図における第１の光線Ａのように、反射体によって再指向されることなく、直接レンズに当たるこうした光線は、該レンズによって左の焦点Ｌに指向される。右から到来する別の光線Ｂは、最初に、ファンネルの反射性内部表面に突き当たり、反射によってレンズへと再指向され、次に、該レンズによって右の焦点Ｒに指向される。
【００３２】
本発明では、スネルの法則、及びフェルマの最短時間の原理を適用して、ファンネルの反射性内部表面の形状を規定する。図７に示すように、ファンネルの反射性内部表面は、トーリック・レンズの平坦な切頭領域の縁に近い点Ｉにおいて、トーリック・レンズに近接しているので、反射と屈折を有効に用いることによって、ファンネルの広い端部に入射する、光の効果的な集束が促進される。更に別の光線Ｃは、レンズによって焦点Ｌへと直接屈折されるか、又は最初に、ファンネルの内部表面によって反射され、次に、レンズによってもう１つの焦点Ｒに指向される可能性がある。図示のように、この光線Ｃは、ファンネルの反射性内部表面における、集束器の高盲点ＨＢＰとして示されるところに入射する。ファンネルの反射性内部表面の勾配は、近接点Ｉから高盲点ＨＢＰまで、一定であることが望ましい。
【００３３】
高盲点ＨＢＰからファンネルの広い端部まで延びる領域内において、ファンネルの該領域に入射する光線の経路は、スネルの法則、及びフェルマの最短時間の原理を適用することによって、焦点からレンズを出て逆方向にトレースすることが可能である。以下では、厳密な数学的論考を加え、さらに、本発明の働き、ファンネルの反射性内部表面の形状、及びレンズの環状表面の形状について説明する。
【００３４】
以下の説明では、数学的パラメータｔが用いられる。図７において、発光ロッドの点の軌跡は、パラメータ化形式（ｘ₁(t),ｙ₁(t))で表現される、第１の対の座標によって記述される。ファンネルの反射性内部表面の点の軌跡は、パラメータ化形式（ｘ₂(t),ｙ₂(t))で表現される、第２の対の座標によって記述される。レンズの環状表面の点の軌跡は、パラメータ化形式（ｘ₃(t),ｙ₃(t))で表現される、第３の対の座標によって記述される。
【００３５】
極光線と発光ロッド間の垂直関係は、次のように表される。
【００３６】
ｘ₂(t)−ｘ₁(t)＝tanθ(ｙ₂(t)−ｙ₁(t)）
ここで、ｘ₁(t)＝ｔcosθ、及びｙ₁(t)＝ｙ₀−ｔcosθである。
【００３７】
レンズ表面は、下記の式によって表される。
【００３８】
【数１】

【００３９】
フェルマの最短時間は、以下関係を与える。
【００４０】
【数２】

【００４１】
ここで、Ｃは定数である。
【００４２】
関数θ_n(ｘ,ｙ)を以下のように定義すると、
【００４３】
【数３】

【００４４】
スネルの法則は、関数θ_n(ｘ,ｙ)に関連して書かれ、パラメータ化された変数ｘ₃(t)とｙ₃(t)に適切な値を代入すると、次のようになる。
【００４５】
sin(tan^-1((ｙ₃(t)−ｙ₂(t))/(ｘ₃(t)−ｘ₂(t))−θ_n(ｘ₃(t),ｙ₃(t)))
＝ｎsin(tan^-1(ｙ₃(t)/(ｘ₃(t)−ｄ/２))−θ_n(ｘ₃(t),ｙ₃(t)))
これらのパラメータ方程式を同時に解くことによって、点（Ｘ₂(t),Ｙ₂(t))の軌跡に対する解に関連して、好適な反射性内部表面が厳密に記述され、また、点（Ｘ₃(t),Ｙ₃(t))の軌跡に対する解に関連して、トーリック・レンズの好適な環状表面が厳密に記述される。これらの方程式を、周知のコンピュータ・シミュレーション、及びグラフィックス・ソフトウェアと関連して用いることによって、図３の好適な実施例の各種の投影図を示す、図８、９、及び１０が描かれた。反射体表面、及びレンズ表面は、ほぼ平滑であることが望ましいが、図８、９、及び１０では、例示だけを目的として、それらの表面は、傾斜表面として描かれている、ということを理解されたい。
【００４６】
特に、図８には、非撮像トーリック・レンズ３０１、及び図示のように、広い端部３０４と対向する狭い端部３０６を備えた、非撮像反射ファンネル３０３から構成される、図３の２段式集束器３００の等角図が示されている。図９は、トーリック・レンズ３０１を見せるため、反射ファンネル３０３の一部を切り欠いた、本発明の２段式集束器の等角図である。図示のように、好適な実施例において、トーリック・レンズは、ほぼ平坦であり、２段式集束器の射出開口をあたえる、切頭部分３８を備えている。図１０は、２段式集束器のトーリック・レンズの上部表面における、好適なディンプル機構を特に示す、詳細な切り欠き等角図である。しかし、トーリック・レンズの上部表面におけるディンプル機構は、特に著しいものではなく、本発明の働きにとって必須というわけではない。
【００４７】
本発明の２段式非撮像光学集束器は、既知の２段式非撮像集束器に比べて、高い集束度を与えると同時に、低いアスペクト比、広い視野を与える。本発明の特定の実施例を説明、及び例示したが、本発明は、こうして説明、及び例示された特定の形態、又は部品の構成に限定されるべきではなく、本発明の範囲、及び精神を逸脱することなく、各種の修正、及び変更をなすことが可能である。例えば、代替実施例において、集束器は、約±５度の視野を有する。従って、本発明は、特許請求の範囲内において、特定として説明、及び例示したものとは別様の実施が可能である。
【００４８】
以下に、本発明の実施態様を列挙する。
【００４９】
１．２段式非撮像集束器からなる装置において、２段式非撮像集束器が、
非撮像屈折部材と、
広い端部、及び対向する狭い端部を有する、非撮像反射ファンネル部材とを含み、前記屈折部材が、２段式集束器の低アスペクト比を与えるように、ファンネル内において、ファンネルの狭い端部に近接して配置されることを特徴とする、装置。
【００５０】
２．２段式集束器が、集束器の受光領域を与える光入射開口を備え、且つ集束器の光目標領域を与える光射出開口を備えることと、
反射ファンネルの広い端部が、２段式集束器の入射開口と一体に結合されることと、
非撮像屈折部材が、２段式集束器の射出開口と一体に結合された、切頭部分を備えていることを特徴とする、前項１に記載の装置。
【００５１】
３．屈折部材の切頭部分が、平坦であることを特徴とする、前項２に記載の装置。
【００５２】
４．非撮像屈折部材が、トーリック・レンズの対称軸周りでの、傾斜した切頭楕円の回転により生成される環状表面を備える、非撮像トーリック・レンズが含むことを特徴とする、前項１に記載の装置。
【００５３】
５．２段式集束器が受光角を有し、切頭楕円が、集束器の受光角度にほぼ等しい角度だけ、対称軸に対して傾斜されることを特徴とする、前項４に記載の装置。
【００５４】
６．切頭楕円の焦点が、トーリック・レンズの対称軸から離れて変移されることを特徴とする、前項４に記載の装置。
【００５５】
７．２段式集束器が、ある半径を有する射出開口を備え、楕円の焦点が、２段式集束器の射出開口の直径の約１／２に等しい量だけ、対称軸から離れて変移されることを特徴とする、前項４に記載の装置。
【００５６】
８．ある容積量の屈折部材が、ファンネル内に配置されることを特徴とする、前項１に記載の装置。
【００５７】
９．屈折部材が、ファンネルを介して全体的に延伸することを特徴とする、前項１に記載の装置。
【００５８】
１０．屈折部材の切頭部分が、ある面積を有し、光射出開口、及び目標領域が各々、屈折部材の切頭部分の前記面積の、約１／１００〜約２／３の範囲内にある面積を有することを特徴とする、前項２に記載の装置。
【００５９】
１１．光射出開口、及び目標領域が各々、屈折部材の切頭部分の前記面積の約１／４である面積を有することを特徴とする、前項１０に記載の装置。
【００６０】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成し、非撮像屈折部材が、反射ファンネル内において、ファンネルの狭い端部に近接して配置されるので、２段式集束器のアスペクト比が低くなり、それによって、移動式光通信リンク構成要素に関して、集束器の小型、且つ効率的な実装が可能となる。
【００６１】
また、反射ファンネル内のトーリック・レンズは、レンズの対称軸周りにおける、切頭楕円の回転によって生成される環状表面を有し、切頭楕円は、集束器の受光角にほぼ等しい角度だけ、トーリック・レンズの対称軸に対して傾斜されるので、集束度が高くなり、それによって、移動式光通信リンク用途において、Ｓ／Ｎ比を最大化して、データ転送速度を最大化することが可能となる。
【００６２】
更に、反射ファンネルの広い端部は、２段式集束器の入射開口に一体に結合されるので、受光角が広く、従って２段式集束器の視野が広くなり、集束器の精密な配向の維持による負担がかかることなく、集束器との光通信を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各種の高さ寸法、及び対応する光線受光角を備えた、従来から知られる、１段式非撮像集束器の断面図である。
【図２】従来から知られる、２段式非撮像集束器の断面図である。
【図３】本発明の２段式非撮像集束器の好適な実施例を示す図である。
【図４】図３の集束器の断面図である。
【図５】本発明の働きにおける光学原理を示す部分略図である。
【図６】本発明の働きにおける光学原理を示す部分略図である。
【図７】本発明の働きにおける光学原理を示す部分略図である。
【図８】図３の集束器の好適な実施例の投影図である。
【図９】図３の集束器の好適な実施例の投影図である。
【図１０】図３の集束器の好適な実施例の投影図である。
【符号の説明】
３００２段式非撮像集束器
３０１非撮像屈折部材
３０３非撮像反射ファンネル部材
３０４広い端部
３０６狭い端部
３０８切頭部分

Claims

２段式非撮像集束器であって、
非撮像屈折部材（３０１）と、広い端部（３０４）及び対向する狭い端部（３０６）を有する非撮像反射ファンネル部材（３０３）とを含み、前記屈折部材（３０１）が、２段式集束器（３００）の低アスペクト比を与えるように、実質的にファンネル内において、ファンネルの狭い端部（３０６）に近接して配置される２段式非撮像集束器。
集束器（３００）の受光領域を与えるように働く光入射開口と、集束器（３００）の光目標領域を与えるように働く光射出開口を備え、反射ファンネルの広い端部（３０４）が２段式集束器（３００）の入射開口と一体に結合され、非撮像屈折部材（３０１）が２段式集束器（３００）の射出開口と一体に結合された切頭部分を備えている、請求項１に記載の集束器。
光射出開口及び目標領域が各々、屈折部材（３０１）の切頭部分の前記面積の約１／１００〜約２／３の範囲内にある面積を有する、請求項２に記載の集束器。
屈折部材（３０１）の切頭部分が、実質的に平坦である、請求項２または請求項３に記載の集束器。