JP7322305B2 - ディテクタで使用するレンズ - Google Patents

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Description

本発明は、レンズに関する。より具体的に、本発明は、光学系及び／又はディテクタに使用され得るレンズに関する。
様々な種類のレンズが、複数の目的及び複数の分野で使用されており、膨大な数のレンズが、従来技術から知られている。レンズは、例えば、ビーム経路を制御するためのデバイス、シグナリングのためのデバイス、データを送信するためのデバイス等で使用され得る。今日大きな関心を集めている分野は、データを受信及び送信するためにレンズが使用され得る、光ワイヤレス通信の分野である。まだそれほど利用されていないが、急速に発展している一つの分野は、変調された光波を使用してデータを送信するＬｉ－Ｆｉシステムの分野である。Ｌｉ－Ｆｉシステムは、確立したＷｉ－Ｆｉ（登録商標）技術に対するオプションである。Ｗｉ－Ｆｉと比較して、Ｌｉ－Ｆｉシステムは、広帯域チャネルを提供し、特に航空機又は病院等の電磁干渉の影響を受けやすいエリアにおいて、送信のより高い忠実性(fidelity)を提供する。さらに、Ｗｉ－Ｆｉ信号は、信号が例えば壁を透過することを可能にする波長を使用するが、Ｌｉ－Ｆｉ信号は、物質によって効果的に止められる。これは、侵入者又はハッカーが攻撃するのをより困難にし得る、より安全なネットワーク接続を可能にする。
従来技術、例えば、Ｌｉ－Ｆｉシステムの分野で使用されるレンズは、比較的強い信号を生成しようとするために光波を集中させるように構成される。しかしながら、このアプローチは、光波が一点又は非常に小さなエリアに集束されるという問題を引き起こし得る。言い換えれば、より強い信号を作り出すために（潜在的に異なる）信号をまとめる(add together)ことは、情報損失の可能性を引き起こし得る。また、このアプローチは、信号がどこに由来するのかに関する情報が失われる結果になり得ることにも留意すべきである。
それゆえ、これらの課題を解決するために従来技術で使用されるレンズの代替物が必要とされている。とりわけ、コンパクトであり、複数のエミッタからの光波を受け、前記光波を透過することができる一方、依然として異なるエミッタからの信号を分離することができるレンズを提供することに関心がある。また、比較的広いエリアに配置され得るエミッタからの光波を受けることができるレンズを提供することに関心がある。
したがって、本発明の目的は、これらの技術分野の１つ以上において従来技術におけるレンズの代替物を提供することである。とりわけ、レンズデザインをコンパクトに保つ一方、上述の望ましい効果の１つ以上を実現するために光学系又はディテクタ（例えば、Ｌｉ－Ｆｉディテクタ）で使用され得るレンズを提供することに関心がある。
相対的な方向決定(relative direction determination)は、より少ないエネルギ消費でより安全且つ高速な通信を可能にし得る最も近い信号源を許容することができる。それゆえ、従来技術で使用されるレンズの代替物が必要とされている。とりわけ、コンパクトであり、複数のエミッタからの光波を受けることができる一方、依然として異なるエミッタからの信号を分離することができるレンズを提供することに関心がある。また、比較的広いエリアにわたって分散され得るエミッタからの光波を受けることができるレンズを提供することに関心がある。
したがって、本発明の目的は、これらの技術分野の１つ以上において従来技術におけるレンズの代替物を提供することである。とりわけ、レンズデザインをコンパクトに保つ一方、上述の望ましい効果の１つ以上を実現するために光学系又はディテクタ（例えば、Ｌｉ－Ｆｉディテクタ）で使用され得るレンズを提供することに関心がある。
この及び他の目的は、独立請求項における特徴を有するレンズを提供することによって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項において定義される。
したがって、本発明の第１の態様によれば、光軸を有するレンズが提供される。レンズは、第１の半径ｒ０を有する第１の球体の球冠(spherical cap)の形態の第１の部分と、第２の半径ｒｊを有する第２の球体の球台(spherical segment)の形態の第２の部分とを含み、ｒｊは、ｒ０以上であり、第１の球体及び第２の球体の中心は、光軸上の点において一致する。第２の部分は、第１の部分の方を向くトップサイド(top side)及び第１の部分から離れた方を向くベースサイド(base side)を有する。ベースサイドは、複数の同心セクション(concentric section)を含み、各セクションは、光軸から離れた方を向く第１の表面及び光軸の方を向く第２の表面を有する。各第１の表面は、光軸上の前述の点と一致する中心を有する第３の球体の球帯(spherical zone)の形態を有する。各セクションについて、第１の表面及び第２の表面は、第２の部分のベースサイドにおける第１の平面に位置する共通の円形ベースエッジ(common circular base edge)を有する。第２の部分は、第１の部分によって受けられる光波のうちの少なくとも１つの光波を透過する、及び、少なくとも１つの光波を複数の同心セクションを介して第１の平面と平行な第２の平面に投影するように構成される。
用語「レンズ」は、屈折によって光を分散又は集束させるように構成される実質的に任意の透過光学要素又はデバイス(transmissive optical element or device)を指すと解釈されるべきである。
第１の態様によるレンズは、２つの部分、すなわち、第１の部分及び第２の部分を含む。第１の部分は、光波を受ける、及び、受けた光波の少なくとも１つを第２の部分に透過するように構成される。第２の部分は、第１の部分から少なくとも１つの光波を受ける、及び、第１の部分から受ける光波の少なくとも１つを平面焦点面(planar focal surface)に投影するように構成される。
レンズの第１の部分は、球冠の形状を有する。球冠(spherical cap)は、平面により切断された球の一部である。第１の部分が球冠である球体(sphere)は、第１の球体と呼ばれる。この第１の球体は、半径ｒ０及びレンズの光軸上の点に位置する中心を有する。
レンズの第２の部分は、球台の形状を有する。球台(spherical segment)は、球体を1対の平行な平面で切断することにより定義される立体である。第２の部分が球台である球体は、第２の球体と呼ばれる。この第２の球体は、半径ｒｊ及びレンズの光軸上の、第１の球体の中心が位置する点と同じ点に位置する中心を有する。
第１の部分から離れた方を向く部分である、第２の部分のベースサイドは、複数の同心セクションを有する。各セクションは、レンズの光軸から離れた方を向く(face away from)第１の表面及び光軸の方を向く(face towards)第２の表面を有する。各第１の表面は、球帯の形態を有する。球帯(spherical zone)は、球台の底面(base)を除く、球台の表面である。第１の表面が球帯である球体は、第３の球体と呼ばれる。この第３の球体は、レンズの光軸上の、第１の球体及び第２の球体の中心が位置する点と同じ点に位置する中心を有する。
第１の態様によるレンズにおいて、第２の部分のベースサイドにおける同心セクションは、光波を屈折させ、当該光波を焦点面に透過する(transmit)ように構成される。光波が透過される焦点面は、すべてのセクションについて実質的に同じ平面であり、第２の平面と称される。これは、光波が第２の平面に集束されることを可能にする一方、集束された光波の位置は、到来する光波(incoming light wave)の入射角によって決定される。第３の球体の半径、同心セクションの数、及び隣接するセクション間の離間(separation)は、必要に応じて選択可能である。
第２の部分における同心セクションの各々は、レンズの光軸から離れた方を向き、レンズの光軸上の、第１の球体及び第２の球体の中心が位置する点と同じ点に位置する中心を有する第３の球体の球帯の形態を有する第１の表面を有する。言い換えれば、セクションの各第１の表面は、第３の球体に関連する。各第３の球体は、第３の半径ｒｉを有し、ｉ＝１、２、...、Ｎであり、Ｎは、セクションの数である。セクションの形状及び／又は位置は、最適なフォーカシング(optimal focusing)を作り出すために又はよりぼやけた焦点(more blurred focus)を作り出すために調整(tune)されることができることを理解されたい。本発明のレンズは、異なる入射角の光波が、同じ焦点面上に結像されることを可能にする点でさらに有利である。
レンズは、すべてのセクション間で実質的に等しい角度αｉのステップを有するように構成されてもよい。各角度αｉは、ここでは、焦点距離ｆｉと、その後の焦点距離(subsequent focal length)ｆｉ＋１との間の角度として定義される。セクション間の角度αｉの等しいステップを有することは、レンズが少なくとも部分的に最適化される点で有利である。最適化される(being optimized)とは、異なるロケーションからの、例えば、変調された光波の、信号に対して十分な信号品質を維持すること、又は所望の光学特性を達成することを指してもよい。セクションの数、第１の表面の球帯に関連する第３の球体の半径、及び角度αｉのステップは、複数のアプリケーションに適するように変更されてもよいことを理解されたい。
複数の同心セクションの各セクションは、光軸のレンズから離れた方を向く第１の表面を有し、第１の表面は、第３の球体の球帯の形態を有する。言い換えれば、セクションの各第１の表面は、第３の球体に関連する。各第３の球体は、第３の半径ｒｉを有し、ｉ＝１、２、...、Ｎであり、Ｎは、セクションの数である。これらの半径のうち、最小のｒｉ（ｉ＝１）は、レンズの光軸に最も近いセクションの第１の表面に関連する第３の球体の半径である。この最小のｒｉは、最も短い焦点距離に相当し、これは、第２の部分のベースに対応する第１の平面と、レンズの焦点面に対応する第２の平面との間の空間を画定する。レンズの光軸に最も近いセクションに対する第３の半径ｒｉを小さくすることは、低減された高さを有するディテクタにおけるレンズの実装を可能にするため、望ましくあり得る。
レンズの第１の部分は球面(spherical surface)を有し、球面に反射防止層が設けられてもよい。
適用波長又は帯域幅にマッチする第１の部分の受け面(receiving surface)上の注意深く選択された反射防止層は、レンズによって捕捉される光の量を著しく向上させ得る。これは、レンズの光学効率を向上させ、ディテクタ等に使用される場合、ディテクタの全体的な機能を向上させ得るので、有利である。
レンズは、ポリマーを含んでもよい。レンズは、ポリマー、例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、又はシリコン等のよく使用される低コストの光学材料で実現されてもよい。軽量で容易な製造可能性のレンズは、ポリマーベースの光学材料を用いて実現されてもよい。
レンズは、屈折率ｎを有するガラスを含み、ｎ＞１．５であってもよい。
ガラスベースの材料も考慮されてもよい。ポータブル及びモバイルデバイスで用いるためのレンズのサイズを小さくする一つのやり方は、比較的高い屈折率を有する光学材料を使用することである。これは、レンズの屈折率を上げることが、集光比(concentration ratio)を向上させ得るためである。高屈折率を有する市販されている光学材料としては、Ｓ－ＬＡＨ７９（ｎ＝２．００、Ｏｈａｒａ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）、Ｎ－ＬＡＳＦ４４（ｎ＝１．８、Ｓｃｈｏｔｔ ＡＧ）等がある。
レンズの第１の部分及び第２の部分は、同じ又は異なる材料から作られてもよい。
レンズは、別個のコンポーネントとして個別に作られてもよい。その後、これらは、単一の、堅牢で、機械的に安定した光学体を形成するために光学接着剤を使用して接着されることができる。
第１の部分及び第２の部分は、例えば一枚のガラス及び／又はプラスチックによって形成される、単一の要素であってもよい。代替的に、第１の部分及び第２の部分は、隣接して配置される２つの別個の要素であってもよい。第１の部分及び第２の部分は、単一のボールレンズを構成してもよい。「ボールレンズ(ball lens)」は、球状を有する実質的に任意のレンズを意味する。レンズは、例えば、射出成形、トランスファー成形、及び３Ｄ印刷等のアディティブ又はサブトラクティブ製造技術によって、モノリシックに作られてもよい。
レンズの第１の部分は、球冠の形態を有する。球冠の例は、半球である。
レンズの第１の部分は、広い範囲の入射角からの光を集光するように構成される。
第１の部分は、レンズの光軸に対して少なくとも５０度までの入射角で光波を受けるように構成されてもよい。
最大入射角(maximum angle of incidence)は、到来する光波が捕捉されることができるレンズの光軸からの最大角度である。大きな入射角は、ほとんどのアクセスポイントがオプティカルディテクタ(optical detector)によって撮像されることができるような十分な視野を確保するために望まれる。少なくとも５０度までの入射角で十分であり得る。
レンズは、第１の部分の球冠に関連する第１の球体の第１の半径が、第２の部分の球台に関連する第２の球体の第２の半径よりも小さくなるように構成されてもよい。この場合、第２の部分のトップサイドが、第１の部分の周りにリムを画定する。リムは、好ましくは、不所望の周囲光が第２の部分を介して直接レンズに入るのを防止又は制限するために不透明である。
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様によるレンズを含む、光波を検出するためのディテクタが提供される。ディテクタはさらに、複数のセグメントを含むフォトディテクタを含む。複数のセグメントの各セグメントは、レンズによって透過される光波のうちの少なくとも１つの光波を受けるように配置される。
本発明の第２の態様によるディテクタは、フォトディテクタを含む。「フォトディテクタ(photodetector)」は、光／電磁放射／光子を検出する及び光を電流／電気信号に変換することができる実質的に任意の要素を意味する。フォトディテクタは、光波を検出する並びに検出された光波に基づいて電流及び／又は電気信号を生成するために設けられる。フォトディテクタで生成される信号は、データを含んでもよい。データは、セグメントへの（複数の）入射光波の（複数の）波長、総光子数(total photon count)、光子検出周波数(photon detection frequency)、光波の変調、又はこれらの任意の組み合わせに関する情報の形態でコード化されてもよい。信号における情報（例えば、変調された光波の変調によって伝送されるデータ）は、さらに、電流及び／又は電気信号において伝送される。その後、電流及び／又は電気信号は、例えばコンピュータによって、データとして受信されてもよい。
さらに、フォトディテクタは、本発明の第１の態様によるレンズの焦点面に配置されるべきである。これは、異なるロケーションに由来する光波が、同じフォトディテクタに投影／結像されることを可能にする。
複数のセグメントの各セグメントは、レンズによって透過される光波のうちの少なくとも１つの光波を受けるように配置される。第２の態様によるディテクタは、フォトディテクタがセグメント化されること、すなわち、フォトディテクタが、実質的に比較的小さなサイズのフォトディテクタである複数のセグメントを含み、各セグメントが互いに独立して光波を検出することができる点で有利である。ここで、「互いに独立して(independently of each other)」は、各セグメントが光波を検出する及び当該セグメントのみに入射する光子に基づいて信号を生成し得ることを意味する。斯くして、各セグメントは、他のすべてのセグメントと区別可能な信号を生成し得る。また、１つ以上の信号を組み合わせて、より強い信号を生成することもオプションである。
フォトディテクタは、シリコン（Ｓｉ）フォトダイオードであってもよい。これは、この種のフォトディテクタは、比較的小さく、低ノイズ、高速及び／又は高スペクトル応答を有し得るので、有利である。フォトディテクタは、光子／光波を検出する及び信号を生成することができる任意のディテクタであってもよいことを理解されたい。
フォトディテクタはセグメント化され、異なる入射角を有する光波がほぼ同一平面上に集束されるため、フォトディテクタは、少なくとも部分的に、光波の複数のエミッタからの信号を別々に検出することができる。これは、光波が変調された光波である場合に特に有利である。それゆえ、ディテクタはまた、マルチチャネル通信を可能にし、これにより、通信の帯域幅を増加させてもよい。
本発明の別の有利な点は、最高／最強の信号を有するフォトディテクタセグメント、すなわち、入射光波から最高数の光子を検出するセグメントが、最も近いエミッタ及び／又は最も強い送信信号を有するエミッタの方向を示し得ることである。セグメントによって生成される信号は、セグメントへの（複数の）入射光波の（複数の）波長、総光子数、光子検出周波数又は光波の変調に関する情報を含んでもよい。これらの任意の組み合わせが信号に含まれてもよいことを理解されたい。
さらに、ディテクタが複数のエミッタからの光波を受けている状況において、ディテクタは、１つの（特定の）エミッタから発する信号を区別し得る。受ける光波が変調された光波である場合、ディテクタは、例えば、Ｌｉ－Ｆｉシステムで使用されてもよい。ディテクタは、特定のエミッタからの信号を区別し得、よりエネルギ効率の高いディテクタシステム（例えば、Ｌｉ－Ｆｉシステム）を可能にし、また、強い信号が受信されたエミッタに信号を送り返すことを選択する可能性があるので、より信頼性の高いシステムを可能にし得る。例えば、障害物又は干渉等に起因して、最も近いエミッタよりも、より高い信号を有する遠くのエミッタの方が、ターゲットエミッタとしてより良い選択となる可能性がある。
第２の態様によるディテクタは、異なる入射角からの光波を受け得る及び平面ディテクタ上に光波を結像し得る点で有利である。さらに、異なるエミッタからの信号を分離することができる点で有利である。その結果、従来技術におけるディテクタと比較して、より効率的なディテクタ（例えば、Ｌｉ－Ｆｉディテクタ）が提供される。さらに、光波の受光は、より効率的に行われ得る。したがって、本発明の第２の態様のディテクタは、光学的効率及び／又は空間的効率を向上させる。
本発明の第２の態様によるディテクタにおいて、レンズ及びフォトディテクタは、空気のボリューム(volume of air)によって隔てられるように配置されることができる。
したがって、レンズは、長い焦点距離を有するように構成されてもよく、レンズのより寛大なデザイン(more lenient design)を可能にする。代替的に、レンズとフォトディテクタを隔てるボリューム(volume)は、光波の波長を考慮した任意の他の透明な光学材料であることができる。ボリュームは、代替的に、プラスチック又はガラス等の任意の他の透明な物質と交換可能であってもよいことを理解されたい。
レンズとフォトディテクタの間のボリュームは、円筒状の不透明なカバーによって囲まれることができ、円筒状の不透明なカバーは、レンズの第２の部分の周りに少なくとも部分的に配置されてもよい。円筒状の不透明なカバーは、ディテクタとレンズを隔てるボリューム、及び、好ましくは、レンズの第２の部分の少なくとも一部も、到来する光から遮蔽するように構成される。これは、カバーが、光波がレンズの第１の部分を最初に通過することなくディテクタに入ることを禁止し、ディテクタの信号対雑音比及び光収率を高くする点で有利である。その結果、フォトディテクタでの光波の検出が向上される。さらなる有利な点は、カバーが、レンズ及びフォトディテクタを一緒に保持するように構成されてもよいことである。したがって、カバーは、構造的な支持(structural support)を提供してもよい。円筒状の不透明なカバー、レンズ、及びフォトディテクタは、単一のディテクタユニットを形成してもよい。ディテクタユニットは、堅固(rigid)であってもよい。
円筒状の不透明なカバーは、光吸収性であってもよい。
（黒色）ペイント等の光吸収材料が、円筒状の不透明なカバーを実現するために使用されることができる。代替的に、反射金属層が、目的を満たすために使用されることができる。
フォトディテクタの複数のセグメントの各セグメントは、六角形の形状を有し、複数のセグメントのセグメントは、互いに隣接して配置（タイルド(tiled)）されてもよい。
これは、セグメントが、複数のセグメントの周囲を最小化する効率的なパターンで配置され、異なるセグメント間のデッドスペースがほとんどないため、有利である。しかしながら、矩形、三角形、円形等、セグメントの他のジオメトリが適用されることも可能である。
本発明の第３の態様によれば、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ：Universal Serial Bus）デバイスを含むディテクタ構成(detector arrangement)が提供されてもよい。ＵＳＢデバイスは、本発明の第２の態様によるディテクタを含み、ディテクタは、ＵＳＢデバイスに通信可能に接続される。
本発明の第２の態様によるディテクタは、よく使用されているデータ転送インターフェースを含むデバイスの一部であることができる。デバイスは、データ転送インターフェースが、コンピュータに接続可能な広く使用されているＵＳＢタイプであることができる、モバイル又はポータブルデバイスであることができる。それゆえ、ディテクタによって検出される光波は、所望の目的のために転送されることができる。
さらに、比較的小さなフォトディテクタ、例えば、１００ｍｍ２未満の総面積のフォトディテクタを使用することが有益であり得る。これは、フォトディテクタのサイズが比較的小さくなり得る点で有利である。斯くして、フォトディテクタは、上述のデバイス、例えば、ＵＳＢスティック又はドングルに都合よく収められることができるほど十分に小型であることが可能である。円筒状の不透明なカバーは、ディテクタが配置される構造体、例えば、ＵＳＢスティック又はドングルの一部であってもよい。したがって、ディテクタが配置される構造体は、光が第２の部分に侵入するのを阻止してもよい。
本発明による第４の態様によれば、本発明の第２の態様によるディテクタを含むシステムが提供されてもよい。システムはさらに、ディテクタによって検出可能な光波を発するように構成される少なくとも１つのエミッタを含んでもよい。
ディテクタ構成を有するデバイスは、光波の形態でデータ又は情報を送信するための１つ以上のエミッタを含み得る光ワイヤレス通信システムの一部であることができる。ディテクタを含む前述のデバイスは、エミッタとの１つ以上の通信リンクを確立するための通信システムの一部であることができる。
ここで、本発明の実施形態を、対応する参照符号が対応する部分を示す添付の概略図を参照して、単なる例として説明する。
図１は、レンズの断面図を概略的に示す。 図２は、ディテクタの断面図を概略的に示す。 図３は、レンズ及びフォトディテクタを含むディテクタの斜視図を概略的に示す。 図４は、フォトディテクタの上面図を示す。 図５は、ディテクタの斜視図を概略的に示す。 図６ａ～図６ｄは、レンズの複数の斜視図を示す。 図７ａ～７ｂは、それぞれレンズの側面図及び斜視図を示す。 図８は、ディテクタ及び光波を発するエミッタを含むシステムの図を示す。
図に示されているように、レイヤ及び領域のサイズは、例示の目的で誇張されている場合があり、斯くして、本発明の実施形態の一般的な構造を例示するために提供されている。同様の参照数字は、全体を通して同様の要素を指す。
本発明は、本発明の現在好ましい実施形態が示されている添付図面を参照して、以下にさらに完全に述べられる。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書で述べられている実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、徹底性及び完全性のために提供されており、本開示の範囲を当業者に完全に伝える。
図１は、光軸Ａを有するレンズ２００の断面図を示している。レンズ２００は、光波１１０を受けるように構成される第１の部分２１０を含む。第１の部分２１０は、光軸Ａ上の点Ｐに位置する中心を有する第１の球体の球冠の形態を有する。第１の球体は、第１の半径ｒ０を有する。
レンズ２００はさらに、第１の部分２１０に隣接して配置される第２の部分２２０を含む。第２の部分２２０は、第２の半径ｒｊを有する第２の球体の球台の形態を有する。第２の球体の中心は、光軸Ａ上の点Ｐにおいて第１の球体の中心と一致する。
第２の部分２２０は、第１の部分２１０の方を向くトップサイド及び第１の部分２１０から離れた方を向くベースサイドを有する。第２の部分２２０のベースサイドは、複数の同心セクション２３０を含む。各セクション２３０は、光軸Ａから離れた方を向いている第１の表面２３０ａ及び光軸Ａの方を向く第２の表面２３０ｂを含む。
各セクションについて、第１の表面２３０ａ及び第２の表面２３０ｂは、光軸Ａに垂直な第１の平面Ｋに位置する共通の円形ベースエッジを有する。
各第１の表面２３０ａは、光軸Ａ上の点Ｐと一致する中心を有する第３の球体の球帯の形態を有する。
図１はさらに、第１の平面Ｋと平行な第２の平面Ｈを示している。第２の部分２２０は、第１の部分２１０によって受けられる光波１１０のうちの少なくとも１つの光波を透過する、及び、少なくとも１つの光波を複数のセクション２３０を介して第２の平面Ｈに投影するように構成される。
図１において、第１の部分２１０は、第１の半径ｒ０を有する第１の球体の球冠の形態及び光軸Ａ上の点Ｐにおける中心を有する。第２の部分２２０は、第２の半径ｒｊを有する第２の球体の球台の形態及び光軸Ａ上の点Ｐにおける中心を有する。第２の球体の第２の半径ｒｊは、第１の半径ｒ０以上であることができる。図１に示されるレンズにおいて、第２の半径ｒｊは、第１の半径ｒ０よりも大きく、その結果、第２の部分２２０のトップサイドに第１の部分２１０を囲むリム２２１がある。
各セクション２３０について、第１の表面２３０ａは、光軸上の点Ｐにおける中心を有する第３の球体の球帯の形態を有する。各第１の表面２３０ａについて、球帯に関連する第３の球体は、第３の半径ｒｉを有し、ｉ＝１、２、...、Ｎであり、Ｎは、セクション２３０の数である。図１に示される半径ｒｉ及びｒ０は例示的な半径であり、半径ｒｉは、ｒ０よりも小さくできることを理解されたい。また、２つの半径の違いは、異なる実施形態において異なってもよく、当業者は、異なる半径を選択する多くのやり方があることを理解するであろう。
第１の部分２１０の屈折率は、第２の部分２２０の屈折率と異なってもよい。さらに、第１の部分２１０及び第２の部分２２０の屈折率は同じであってもよい。
さらに、図１において、焦点距離ｆｉ及びｆｉ＋１が、第２の平面Ｈで終わるように示されている。各セクション２３０は、第１の部分２１０及び第２の部分２２０と共に、それぞれの焦点距離を有することになる。これは、セクション２３０に関連する異なる第３の半径に部分的に起因する。これらの焦点距離のうちの１つｆｉとその後の焦点距離ｆｉ＋１との間の角度は、αｉとして図１に示されている。セクション２３０間の間隔(spacing)は、例えば、角度αｉで等しい間隔を選択することによって決定されてもよい。また、セクション２３０間の間隔は異なり、角度αｉで等しい間隔を含まなくてもよい。レンズの焦点距離ｆｉは、以下の式に従って、ｒｉ、レンズ２００の屈折率ｎ、及び角度αｉに依存してもよい。
Figure 0007322305000001
図２は、ディテクタ１００の断面図を示している。ディテクタ１００は、図１のレンズ２００に対応するレンズを含み、理解を深めるために関連するテキストについて図１が参照される。
図２のディテクタ１００はさらに、光軸Ａに垂直な、図１に示される平面Ｈと一致する平面に沿って延在するフォトディテクタ１２０を含む。光波１１０は、入射角Φを有する。フォトディテクタ１２０は、複数のセクション２３０によって透過される光波１１０を受けるように構成される。フォトディテクタ１２０は、複数のセグメント（図２には示されていない）を含む。各セグメントは、入射角に依存して光波１１０のうちの少なくとも１つの光波を受けるように構成される。光波１１０は、例えば、情報を担持するように構成される変調された光波であってもよい。このような変調された光波は、インターネット又はデータ接続を実現するためのＬｉＦｉ－システムにおいてディテクタ１００と共に使用されてもよい。
さらに、図２のディテクタ１００は、レンズ２００とフォトディテクタ１２０の間の離間によって画定されるボリューム１５０を含む。ボリューム１５０は、空気であることができる。ボリューム１５０は、ガラス又はプラスチック等の異なる透明な媒体であってもよいことを理解されたい。
ボリューム１５０は、レンズ２００の第２の部分２２０の周りにも配置される円筒状の不透明なカバー３００によって囲まれている。円筒状の不透明なカバー３００は、第２の部分２２０及び／又はフォトディテクタ１２０を迷光から遮蔽するように構成される。迷光の例は、検出のために関心のない周囲光であり得る。円筒状の不透明なカバー３００は、レンズ２００及びフォトディテクタ１２０に依存して図２に示されるものとは異なる形状を有してもよい。さらに別の例として、円筒状の不透明なカバー３００は、複数の（サブ）要素を含んでもよく、レンズ２００の第２の部分２２０をカバーするコーティングを含んでもよい。例えば、コーティングは、光を吸収するペイント又は光を反射する金属コーティングであってもよい。
また、リム２２１は、不所望の周囲光が、第１の部分２１０を最初に通過することなくレンズ２００の第２の部分２２０を介して直接ディテクタ１００に入らないように、不透明である。リム２２１は、周囲光を吸収又は反射するコーティングを有してもよい。
図３は、光軸Ａに沿って延在するディテクタ１００の斜視図を示している。図３のディテクタ１００は図２のディテクタ１００に対応し、理解を深めるために図２及び関連するテキストが参照される。図３のディテクタ１００は、第１の部分２１０及び第２の部分２２０を含むレンズ２００を含む。第１の部分２１０は、光波を受けるように構成される。第１の部分２１０は、半球形状を有し、第１の部分が、比較的大きな範囲の入射角からの光波を受けることを可能にする。第２の部分２２０は、第１の部分２１０から離れた方を向くベースサイドにおいて複数の同心セクション２３０を含み、光の入射角に依存して第１の部分２１０によって受けられる光波をフォトディテクタ１２０に透過するように構成される。第２の部分２２０のベースサイドは、第１の平面Ｋに延在する部分３１０を有する。フォトディテクタ１２０は、第２の平面Ｈに延在する。フォトディテクタ１２０は、第１の部分２１０によって受けられ、第２の部分２２０によって透過される光波を受けるように構成される複数のセグメント１３０（図３には示されていない）を含む。図３において、第１の平面Ｋ、及び第２の平面Ｈは、互いに平行に延在する。フォトディテクタ１２０の面積は、第２の部分２２０の部分３１０の面積と等しくてもよく、小さくてもよく、又は大きくてもよい。
図４は、本明細書で述べられるディテクタ１００に使用され得るフォトディテクタ１２０の一例を概略的に示している。フォトディテクタ１２０は、複数のセグメント１３０を含む。セグメント１３０は、互いに隣接して配置され、各々が六角形の形状を有し、いわゆるハニカムパターンに配置される。例示されたハニカムパターンは、フォトディテクタ１２０の面積及び／又は材料使用を最適化するために、個別に機能するフォトディテクタセグメントを組織化する効率的な態様を提供する。セグメント１３０の数及びセグメント１３０の形状は異なってもよいことを理解されたい。例えば、フォトディテクタ１２０は、より少ないセグメント１３０を含んでもよく、さらに、矩形であってもよい。セグメント１３０の各々は、互いに独立して機能するように構成される。用語「独立して機能する(function independently)」は、各セグメント１３０が、任意の他のセグメント１３０の機能とは独立して光波を検出し、信号を生成してもよいことを意味する。さらに、各セグメント１３０によって生成される信号は、互いに区別可能であってもよい。六角形の代わりに、セグメント１３０の形状は、正方形、長方形、三角形、又は任意の他の幾何学的形状であってもよい。また、セグメント１３０は、異なる形状を有してもよく、これは、フォトディテクタ１２０のある（第１の）セグメント１３０がある形状を有し、フォトディテクタ１２０の別の（第２の）セグメント１３０が異なる形状を有することを意味する。
図５は、図２及び図３で述べられるようなディテクタ１００の斜視図を示している。この実施形態において、ディテクタ１００はさらに、光が、レンズ２００の第１の部分２１０を最初に通過することなくディテクタ１００に入るのを妨げる又は軽減するように構成される円筒状の不透明なカバー３００を含む。円筒状の不透明なカバー３００は、ディテクタ１００のレンズ２００の第２の部分２２０の周りに径方向に延在するリムであってもよい。
図６Ａ～６Ｄは、本発明によるレンズ２００の異なる図を示している。例えば、レンズ２００は、本願で開示される１つ以上の実施形態のディテクタ１００に使用されることができる。
レンズ２００は、光波を受けるように構成される第１の部分２１０を含む。図６Ａ～６Ｄにおいて、第１の部分２１０は、第１の半径及びレンズ２００の光軸上の点Ｐにおける中心を有する第１の球体の半球として成形されている。半球形状は、レンズ２００に比較的大きな視野角を提供するように構成される。
レンズ２００はさらに、第１の部分２１０によって受けられる光波を透過するように構成される第２の部分２２０を含む。第２の部分２２０は、第２の球体の球台の形態を有し、その中心は、レンズ２００の光軸上の点Ｐにおいて第１の球体の中心と一致する。
第２の部分２２０のベースサイドは、複数の同心セクション２３０を含む。セクション２３０の各々は、レンズの光軸から離れた方を向き、レンズ２００の光軸上の点Ｐにおいて第１の球体及び第２の球体の中心と一致する中心を有する第３の球体の球帯の形態を有する第１の表面を含む。
第２の部分２２０に関連する第２の球体の半径は、第１の部分２１０に関連する第１の球体の半径よりも大きく、これは、図６ａ～図６ｃにおいて、第１の部分２１０を囲むリム２２１として視覚化されている。図５で述べられる円筒状の不透明なカバー３００は、このリム２２１を、検出のために関心のない周囲光等、到来する迷光から遮蔽するようにも構成されてもよい。
さらに、図６Ａ～６Ｄの第２の部分２２０は、各々がレンズ２００の光軸から離れた方を向き、光軸上の点Ｐにおける中心を有する第３の球体の球帯の形態を有する第１の表面を含む、複数の同心セクション２３０を含み、それらのいくつかは、半球状のトップ部分(hemispherical top part)２１０に関連する第１の球体の半径よりも小さい半径を有する。セクション２３０間の距離は、使用に依存して変えてもよい。
図７ａ～７ｂは、本願で開示される実施形態のディテクタ１００に使用されることができるレンズ２００の２つの異なる図を示している。レンズ２００は、図６ａ～図６ｄで述べられるものと同様であるが、第２の部分２２０に関連する第２の球体の第２の半径が、半球状の第１の部分２１０に関連する第１の球体の第１の半径に実質的に等しいという点で異なる。それゆえ、この例では、第１の部分２１０から第２の部分２２０への移行(transition)がより滑らかである。
レンズの光軸から離れた方を向き、異なる半径を有する球体の球帯の形態を有する第１の表面を有する、２つ以上のセクション２３０が存在する限り、同心セクション２３０の数は異なってもよいことを理解されたい。
図８は、ディテクタ１００を含むシステムを示している。システムはさらに、光波１１０を発する複数のエミッタ４００を含む。ディテクタ１００は、光波１１０を検出するように構成される。複数のエミッタ４００は、例えば、可視又は赤外スペクトルにおける光波を発するＬＥＤライトであってもよい。図８におけるエミッタ４００は、概略的に示されていることに留意されたい。例えば、エミッタ４００は、直接天井における点光源であってもよく、又は照明器具に組み込まれてもよい。エミッタ４００は、ＬｉＦｉ－システムを作成し、インターネット又はデータ接続を確立するためのダウンリンク情報を供給するために変調された光波を発するように構成されてもよい。
さらに、図８に示されるようなシステムは、ディテクタ１００に関連して変調された光波を発するためのトランスミッタを含んでもよい。変調された光波を発するためのトランスミッタは、インターネット又はデータ接続を確立するための情報を送信することができてもよい。ディテクタ１００におけるフォトディテクタの個々のセグメントが、ディテクタ１００のレンズによって案内される到来する変調された光波１１０を受けてもよい。これは、到来する変調された光波１１０の入射角度に依存する。フォトディテクタのセグメントを通して測定される相対的な強度変化は、最も近いエミッタの決定、及びエミッタの相対的な方向の決定を可能にする。これは、最良の接続のために、最も高い強度を有する特定のエミッタ４００との接続のみを確立する可能性を生み出す。
上述した実施形態は本発明を限定するものではなく、例示するものであり、当業者は添付の特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代替的な実施形態を設計できることに留意されたい。請求項では、括弧内のいかなる参照符号も、その請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。動詞「含む」及びその活用形の使用は、請求項に記述されたもの以外の要素又はステップが存在することを排除するものではない。要素に先行する冠詞「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」は、複数のそのような要素が存在することを排除するものではない。
特定の特徴が、互いに異なる従属請求項内に列挙されているという単なる事実は、これらの特徴の組み合わせが、有利に使用され得ないことを示すものではない。上述した様々な態様は、追加の利点を提供するために組み合わされることができる。さらに、当業者は、２つ以上の実施形態が組み合わされてもよいことを理解するであろう。

Claims (15)

  1. 光軸を有するレンズであって、当該レンズは、
    第１の半径ｒ０を有する第１の球体の球冠の形態の第１の部分と、
    第２の半径ｒｊを有する第２の球体の球台の形態の第２の部分と、
    を含み、
    ｒｊは、ｒ０以上であり、前記第１の球体及び前記第２の球体の中心は、前記光軸上の点において一致し、
    前記第２の部分は、前記第１の部分の方を向くトップサイド及び前記第１の部分から離れた方を向くベースサイドを有し、
    前記ベースサイドは、複数の同心セクションを含み、各セクションは、前記光軸から離れた方を向く第１の表面及び前記光軸の方を向く第２の表面を有し、
    各第１の表面は、前記点と一致する中心を有する第３の球体の球帯の形態を有し、
    各セクションについて、前記第１の表面及び前記第２の表面は、前記第２の部分の前記ベースサイドにおける第１の平面に位置する共通の円形ベースエッジを有し、
    前記第２の部分は、前記第１の部分によって受けられる光波のうちの少なくとも１つの光波を透過する、及び、前記少なくとも１つの光波を前記複数の同心セクションを介して前記第１の平面と平行な第２の平面に投影するように構成される、レンズ。
  2. 少なくとも１つの第１の表面の球帯は、前記第３の球体に対応する第３の半径ｒｉを有し、ｒｉ＜ｒ０である、請求項１に記載のレンズ。
  3. 前記第１の部分は球面を有し、前記球面に反射防止層が設けられている、請求項１又は２に記載のレンズ。
  4. 当該レンズは、ポリマーを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレンズ。
  5. 当該レンズは、屈折率ｎを有するガラスを含み、ｎ＞１．５である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレンズ。
  6. 前記第１の部分は半球である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレンズ。
  7. 前記第１の部分は、前記光軸に対して少なくとも５０度までの入射角で光波を受けるように構成される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレンズ。
  8. 前記第２の部分の前記トップサイドが、前記第１の部分の周りにリムを画定するように、ｒ０＜ｒｊであり、前記リムは、不透明である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレンズ。
  9. 光波を検出するためのディテクタであって、
    請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレンズと、
    前記第２の平面に配置される複数のセグメントを含むフォトディテクタであって、前記複数のセグメントの各セグメントは、前記レンズによって透過される光波のうちの少なくとも１つの光波を受けるように配置される、フォトディテクタと、
    を含む、ディテクタ。
  10. 前記レンズ及び前記フォトディテクタは、空気のボリュームによって隔てられる、請求項９に記載のディテクタ。
  11. 前記ボリュームは、円筒状の不透明なカバーによって囲まれ、前記円筒状の不透明なカバーは、前記第２の部分の周りに少なくとも部分的に配置される、請求項１０に記載のディテクタ。
  12. 円筒状の不透明なカバーは、光吸収性である、請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のディテクタ。
  13. 前記複数のセグメントの各セグメントは、六角形の形状を有し、前記複数のセグメントのセグメントは、互いに隣接して配置される、請求項９乃至１２のいずれか一項に記載のディテクタ。
  14. ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）デバイスと、
    請求項９乃至１３のいずれか一項に記載のディテクタであって、前記ディテクタは、前記ＵＳＢデバイスに通信可能に接続される、ディテクタと、
    を含む、ディテクタ構成。
  15. 請求項９乃至１３のいずれか一項に記載のディテクタと、
    前記ディテクタによって検出可能な光波を発するように構成される少なくとも１つのエミッタと、
    を含む、ディテクタシステム。
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