JPH0990132A - 集光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 集光能力と指向性とを両方満足するような特
性が得ることのできる集光装置を提供する。 【構成】 集光装置３０は、光の出射端面３３と、出射
端面３３と対向し、かつ出射端面の表面積より大きい表
面積を有する光の入射端面３２と、第１の側面３４と、
この第１の側面３４と対向する第２の側面３５と、第３
の側面３６と、この第３の側面３６と対向する第４の側
面３７とから構成され、第１、第２、第３及び第４の側
面３４、３５、３６、３７は平面形状の光学的ミラー反
射面であり、かつ入射端面３２の形状は、第１の側面３
４から第２の側面３５にかけて延在する面であって、こ
の面は所望の曲率半径を有するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空間での光を伝送
媒体とする情報通信の分野で用いられる集光装置に関す
るものであり、また光センサ等の光学レンズ系としても
適用できる集光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、以下に示すようなものがあった。

【０００３】図８はかかる従来の集光装置の構成例図で
あり、集光装置本体５０は、光の出射端面５３と、この
出射端面５３の表面積より大きい表面積を有する光の入
射端面５２と、光学的ミラー反射面となっている側面５
４とから構成され、入射端面５２が球面形状５２aに形
成されている。このような装置では、入射端面５２より
入射した光が側面５４を反射して出射端面５３に導かれ
ることで集光を行っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の光空間伝送システムの受信機に用いられる集光装置の
場合、交信相手が複数分散して位置することと遠距離で
の通信を可能とするために、集光能力と広い指向性を兼
ね備える必要がある。

【０００５】図９は従来の集光装置の構造モデルを示す
図である。図９は、図８中、中心軸Aを含む断面図であ
る。

【０００６】ここで、Damは入射端面半幅を示してお
り、Dbmは出射端面半幅を示しており、Raは入射端面の
曲率半径を示しており、θgは中心軸Aと側面とがなす角
を示している。これらの構造パラメータをもとに、従来
の集光装置における指向性及び集光能力についてシミュ
レーションを行った結果を以下に示し、説明を行う。

【０００７】図１０において、このシュミレーションの
構造パラメータの値は Dbm=1.75mm, Dam=17.5mm, Ra=50mm, θg=15° である。

【０００８】図１０の左図は、中心軸Aに対する入射光
の偏角θinに対する相対集光率Prを示している。右図は
左図の結果を元に実平面上での指向性を示したものであ
る。

【０００９】この図から明らかなように、従来の集光装
置の指向性は、θin=10°辺りまではフラットなPrが得
られ、θin=16°辺りでPrが０となる。

【００１０】集光装置の集光能力は入射端面から入射し
てきた入射端面半幅（Dam）x10本の光線が、直接出射端
面から放出されるか、或いはテーパ面（集光装置の側
面）での反射により出射端面まで導かれ放出された透過
光線数により示す。

【００１１】図１０に示す従来の集光装置では透過光線
数はθin=0°の時、6400本となる。

【００１２】次に、従来の集光装置において構造パラメ
ータの内、Raを26.25mmと小さくし、シュミレーション
を行った結果を図１１に示す。この場合の指向性は、θ
in=7°辺りでPrが０となり、明らかに指向性が狭くな
る。但し、この場合のθin=0°の時の透過光線数は、30
976本であり、集光能力は向上していることが分かる。

【００１３】次に、従来の集光装置において構造パラメ
ータの内、Raを1750mmと大きくし、シュミレーションを
行った結果を図１２に示す。この場合の指向性は、θin
=20°辺りまではフラットなPrが得られ、θin=28°辺り
でPrが０となり、明らかに指向性が広くなる。但し、こ
の場合のθin=0°の時の透過光線数は、2304本であり、
集光能力は大きく低下していることが分かる。

【００１４】このように、入射端面が球面形状に形成さ
れた集光装置では、集光能力を上げると、指向性が狭く
なり、指向性を広げると集光能力が低下するといったト
レードオフの関係があり、集光能力と指向性との両方満
足するような特性は得られなかった。

【００１５】本発明は、上記問題点を除去し、集光能力
と指向性とを両方満足するような特性が得ることのでき
る集光装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の集光装置は、光の出射端面と、前記出射端面と
対向し、かつ前記出射端面の表面積より大きい表面積を
有する光の入射端面と、第１の側面と、この第１の側面
と対向する第２の側面と、第３の側面と、この第３の側
面と対向する第４の側面とから構成され、前記第１、第
２、第３及び第４の側面は平面形状の光学的ミラー反射
面であり、かつ前記入射端面の形状は、前記第１の側面
から前記第２の側面にかけて延在する面であって、この
面は所望の曲率半径を有することを特徴とする。

【００１７】また、移動体間における光空間伝送におい
て、前記第１の側面または前記第２の側面のうち一方の
側面が水平方向と略平行に配置することを特徴とする。

【００１８】さらに、前記入射端面側に外来雑音光の入
射防止用の枠体が設けられていることを特徴とする。

【００１９】さらに、選択的に所望の波長域の光のみを
透過させる膜を前記入射端面に設けることを特徴とす
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照しながら詳細に説明する。

【００２１】＜本発明の第１の実施の形態＞図１は本発
明の第１の実施の形態を示す集光装置の斜視図である。

【００２２】従来の集光装置は、その入射端面３２の形
状が有する曲率半径が大きくなる程、集光装置の指向性
は広くなり、その集光能力は低下する。その逆に、曲率
半径が小さくなる程、その集光能力は向上し、指向性は
狭くなるという性質を持っていた。

【００２３】そこで、本発明の第１の実施の形態の集光
装置３０は、光の出射端面３３と、出射端面３３と対向
し、かつ出射端面の表面積より大きい表面積を有する光
の入射端面３２と、第１の側面３４と、この第１の側面
３４と対向する第２の側面３５と、第３の側面３６と、
この第３の側面３６と対向する第４の側面３７とから構
成され、第１、第２、第３及び第４の側面３４、３５、
３６、３７は平面形状の光学的ミラー反射面であり、か
つ入射端面３２の形状は、第１の側面３４から第２の側
面３５にかけて延在する面であって、この面は所望の曲
率半径を有するように構成した。

【００２４】このことにより、曲率半径を有する面（第
１の側面３４から第２の側面３５へ延在方向）では指向
性は狭くなるが、集光能力は望める。また、この延在方
向とは垂直な方向、つまり第３の側面３６から第４の側
面３７への方向の面では集光能力は望めないが、広い指
向性が得られる。

【００２５】図３は本発明の集光装置の構造モデルを示
す図である。図３(a)は、図１(a)中、中心軸Aを含む水
平方向で切った断面図である。また、 図３(b)は、図１
(a)中、中心軸Aを含む鉛直方向で切った断面図である。

【００２６】ここで、構造パラメータは、 Dam；水平方向での入射端面半幅 Dbm；水平方向での出射端面半幅 θg；水平方向での中心軸Aと側面とがなす角 Dam-vertical；鉛直方向での入射端面半幅 Dbm-vertical；鉛直方向での出射端面半幅 θg-vertical；鉛直方向での中心軸Aと側面とがなす角 Ra-vertical；入射端面の曲率半径 である。

【００２７】これらの構造パラメータをもとに、本発明
の第１の実施の形態の集光装置における指向性及び集光
能力についてシミュレーションを行った結果を図４に示
す。

【００２８】図４において、このシュミレーションの構
造パラメータの値は Dbm=1.75mm, Dam=17.5mm, θg=15° Dbm-vertical=1.75mm, Dam-vertical=17.5mm, Ra-vertical=26.25mm, θg-vertical=15° である。

【００２９】尚、図４は水平方向の指向性のみを示して
おり、鉛直方向の指向性は示されていない。

【００３０】この図から明らかなように、本発明の第１
の実施の形態の集光装置における水平方向の指向性は、
θin=20°辺りまではフラットなPrが得られ、θin=26°
辺りでPrが０となる。また、この場合のθin=0°の時の
透過光線数は、8448本である。

【００３１】上記シミュレーション結果より、図８に示
した従来の集光装置に比べ、水平方向の指向性は広くな
り、且つ集光装置全体の集光能力が向上していることが
分かる。

【００３２】このように入射端面の形状を構成する曲率
半径を任意に設定することにより、集光装置の用途によ
って、任意に指向性と集光性を設定できる。

【００３３】例えば、上述した本発明の第１の実施の形
態の集光装置を自動車対自動車等の移動体間における光
空間伝送に適用する場合、その相対位置関係の変化は主
として、水平方向に限られる、このため受信機に用いら
れる集光装置は、水平方向に広い指向角を有する必要が
あり、かつ遠距離で交信可能な集光能力が必要となる。

【００３４】従って、本発明の第１の実施の形態によれ
ば、第１の側面または第２の側面のうち一方の側面が水
平方向と略平行に配置する。つまり、広い指向性を有す
る方向を路面に対して水平な方向と一致する。これによ
って、自動車対自動車等の移動体間における光空間伝送
においては、理想的な集光装置として提供できる。

【００３５】図２は本発明の集光装置の基本原理を説明
するための説明図であり、これは、図１の第１の実施の
形態の集光装置の中心軸Aを含む水平面内において、入
射光に水平方向の中心軸Aに対する偏角を与えた場合に
ついての集光装置内での光路軌跡を示したものである。

【００３６】図２(a)の場合は、集光装置６０の本体６
１の入射端面６２から入射した光は、側面６４での反射
無しに集光装置６０内を通過し、出射端面６３から出射
する場合であり、中心軸Aに近く、かつその中心軸Aに対
する偏角（θin）が比較的小さい入射光の場合に相当す
る。

【００３７】図２(b)及び図２(c)の場合は、入射端面６
２から入射した光は、集光装置内で１回又は２回、側面
６４で反射を経過した後に、出射端面６３から出射され
る場合を示し、入射光の入射位置が中心軸Aから遠い
程、あるいは偏角が大きい程側面６４での反射の回数は
増加する。

【００３８】上記した光路軌跡は、側面６４の中心軸A
に対する側面６４がなす角をθgとすると、側面６４に
よる反射を経過する毎に、集光装置６０内での光路の中
心軸Ａに対する絶対値は２θｇずつ増加する。また、入
射端面及び出射端面は、集光装置６０を構成している光
学材料の屈折率と大気の屈折率との界面であり、その両
端面の形状により、集光装置６０内の光路とその集光装
置６０外の入射光及び出射光との屈折関係が定まる。

【００３９】＜本発明の第２の実施の形態＞図５は本発
明の第２の実施の形態を示す集光装置の斜視図である。

【００４０】本発明の第２の実施の形態の集光装置は、
集光装置自体は、本発明の第１の実施の形態で説明した
構造と同一である、つまり集光装置３０は、光の出射端
面３３と、出射端面３３と対向し、かつ出射端面の表面
積より大きい表面積を有する光の入射端面３２と、第１
の側面３４と、この第１の側面３４と対向する第２の側
面３５と、第３の側面３６と、この第３の側面３６と対
向する第４の側面３７とから構成され、第１、第２、第
３及び第４の側面３４、３５、３６、３７は平面形状の
光学的ミラー反射面であり、かつ入射端面３２の形状
は、第１の側面３４から第２の側面３５にかけて延在す
る面であって、この面は所望の曲率半径を有するように
構成した。

【００４１】本発明の第２の実施の形態の特徴部は、集
光装置３０の入射端面３２側に外来雑音光の入射防止用
の枠体（以下、フードと略す。）４０を設けている点で
ある。本発明の第２の実施の形態の集光装置のように入
射端面３２側に枠体のフード４０を設けたことで、信号
光以外の太陽光等の外来雑音光が集光装置へ入射するこ
とを制限できる。このため、受信機が受ける信号光対外
来雑音光の比（Ｓ／Ｎ比）の向上が期待でき、受信機の
交信距離（範囲）の拡大も期待できる。

【００４２】＜本発明の第３の実施の形態＞図６は本発
明の第３の実施の形態を示す集光装置の斜視図である。

【００４３】第３の実施の形態を示す集光装置は、集光
装置自体は、本発明の第１の実施の形態で説明した構造
と同一である、つまり集光装置３０は、光の出射端面３
３と、出射端面３３と対向し、かつ出射端面の表面積よ
り大きい表面積を有する光の入射端面３２と、第１の側
面３４と、この第１の側面３４と対向する第２の側面３
５と、第３の側面３６と、この第３の側面３６と対向す
る第４の側面３７とから構成され、第１、第２、第３及
び第４の側面３４、３５、３６、３７は平面形状の光学
的ミラー反射面であり、かつ入射端面３２の形状は、第
１の側面３４から第２の側面３５にかけて延在する面で
あって、この面は所望の曲率半径を有するように構成し
た。

【００４４】本発明の第３の実施の形態は、集光装置３
０の入射端面３２側に外来雑音光の入射防止用の枠体
（以下、フードと略す。）５０を設けている点では本発
明の第２の実施の形態と同じであるが、フード５０の形
状に特徴がある。

【００４５】このフード５０は、テーパ角を有する側面
５１、５２とテーパ角を有さない側面５３、５４から構
成されていて、テーパ角を有する側面５１、５２は集光
装置３０の本体の第２の側面３６、３７の入射端面３２
側の２辺の夫々と一致するように配置されており、テー
パ角を有さない側面５３、５４は集光装置３０の本体の
第１の側面３４、３５の入射端面３２側の２辺の夫々と
一致するように配置されている。

【００４６】このような、枠体のフード５０を有する集
光装置を自動車等の移動体に搭載する際、フード５０の
テーパ角を有さない側面５３、５４の一方と路面（図示
していない）とを対向するように配置する。

【００４７】上述の本発明の第３の実施の形態の集光装
置は、自動車等の移動体間で光空間伝送を行う場合に必
要な路面に対し水平方向の指向角のみを有するようにな
るため、外来雑音光の影響が極力抑さえられ好都合であ
るという効果を有する。

【００４８】＜本発明の第４の実施の形態＞図７は本発
明の第４の実施の形態を示す集光装置の斜視図である。

【００４９】第４の実施の形態を示す集光装置は、集光
装置自体は、本発明の第１の実施の形態で説明した構造
と同一である。つまり、集光装置３０は、光の出射端面
３３と、出射端面３３と対向し、かつ出射端面の表面積
より大きい表面積を有する光の入射端面３２と、第１の
側面３４と、この第１の側面３４と対向する第２の側面
３５と、第３の側面３６と、この第３の側面３６と対向
する第４の側面３７とから構成され、第１、第２、第３
及び第４の側面３４、３５、３６、３７は平面形状の光
学的ミラー反射面であり、かつ入射端面３２の形状は、
第１の側面３４から第２の側面３５にかけて延在する面
であって、この面は所望の曲率半径を有するように構成
した。

【００５０】また、本発明の第４の実施の形態は、集光
装置３０の入射端面３２側に外来雑音光の入射防止用の
枠体（以下、フードと略す。）４０を設けている点は本
発明の第２の実施の形態の集光装置と同じである。

【００５１】本発明の第４の実施の形態の特徴部は、集
光装置の入射端面３２に信号光の波長域の光のみを透過
させうるフィルタ６０が取付けられている点である。

【００５２】このような、フィルタ６０を取付けること
により、あらゆる波長の光を含んでいる外来雑音光の
内、信号光と同じ波長域以外の外来雑音光が集光装置に
入射することを抑さえることができる。このため、受信
機が受ける信号光対外来雑音光の比（Ｓ／Ｎ比）の向上
が期待でき、受信機の交信距離（範囲）の拡大も期待で
きる。

【００５３】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が
可能であり、これらを本発明の範囲から排除するもので
はない。

【００５４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
集光装置によれば、以下のような効果を奏することがで
きる。

【００５５】（１）本発明の集光装置では、従来の集光
装置における集光能力を上げると、指向性が狭くなり、
指向性を広げると集光能力が低下するといったトレード
オフの関係があり、集光能力と指向性を両方共に十分な
特性は得られないという問題点を除去し、集光能力と指
向性を両方共に十分な特性が得ることのできる集光装置
を提供できる。

【００５６】（２）適用形態に対応して、本発明の集光
装置を、水平及び垂直方向の指向特性を夫々任意の値に
容易に設定できるようにしたため、例えば、自動車対自
動車等の移動体間における光空間伝送においては、広い
指向性を有する方向を路面に対して水平な方向と一致す
るようになり、理想的な集光装置として提供できる。

【００５７】（３）本発明の集光装置の入射端面３２側
に外来雑音光の入射防止用の枠体を設けるようにしたた
め、信号光以外の太陽光等の外来雑音光が集光装置へ入
射することを制限できる。

【００５８】（４）選択的に所望の波長域の光のみを透
過させる膜を集光装置の入射端面に設けたことにより、
あらゆる波長の光を含んでいる外来雑音光の内、信号光
と同じ波長域以外の外来雑音光が集光装置に入射するこ
とを抑さえることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す集光装置の斜
視図及び集光装置の断面図である。

【図２】本発明の集光装置の基本原理を説明するための
説明図である。

【図３】本発明の集光装置の構造モデルを示す図であ
る。

【図４】本発明の集光装置の集光特性を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す集光装置の斜
視図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す集光装置の斜
視図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態を示す集光装置の斜
視図である。

【図８】従来の集光装置を説明するための平面図であ
る。

【図９】従来の集光装置の構造モデルを示す図である。

【図１０】従来の集光装置の集光特性を示す図（その
１）である。

【図１１】従来の集光装置の集光特性を示す図（その
２）である。

【図１２】従来の集光装置の集光特性を示す図（その
３）である。

【符号の説明】

３０ 集光装置 ３２ 入射端面 ３３ 出射端面 ３４ 第１の側面 ３５ 第２の側面 ３６ 第３の側面 ３７ 第４の側面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光の出射端面と、前記出射端面と対向
   し、かつ前記出射端面の表面積より大きい表面積を有す
   る光の入射端面と、第１の側面と、この第１の側面と対
   向する第２の側面と、第３の側面と、この第３の側面と
   対向する第４の側面とから構成され、 前記第１、第２、第３及び第４の側面は平面形状の光学
   的ミラー反射面であり、かつ前記入射端面の形状は、前
   記第１の側面から前記第２の側面にかけて延在する面で
   あって、この面は所望の曲率半径を有することを特徴と
   する集光装置。
2. 【請求項２】 移動体間における光空間伝送において、
   前記第１の側面または前記第２の側面のうち一方の側面
   が水平方向と略平行に配置することを特徴とする請求項
   １記載の集光装置。
3. 【請求項３】 前記入射端面側に外来雑音光の入射防止
   用の枠体が設けられていることを特徴とする請求項１記
   載の集光装置。
4. 【請求項４】 選択的に所望の波長域の光のみを透過さ
   せる膜を前記入射端面に設けることを特徴とする請求項
   １記載の集光装置。