(57)【要約】【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】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、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。集光レンズ２の略焦点位置に受光素子４が配置され、集光レンズ２の焦点距離ｆが、集光レンズ２のレンズ径Ｂ以上で、且つ集光レンズ２のレンズ径の２倍より小さく設定される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
該集光レンズの略焦点位置に該受光素子が配置され、該集光レンズの焦点距離が、該集光レンズのレンズ径以上で、且つ該集光レンズのレンズ径の２倍より小さく設定されたことを特徴とする空間光通信用受光器。
【請求項２】
前記受光素子の受光面は、前記集光レンズの焦点位置から軸方向に僅かにずれた位置に配置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。
【請求項３】
前記集光レンズは、そのレンズ曲面が、楕円を軸の回りで回転させたときに生じる回転楕円面であり、楕円レンズであ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。
【請求項４】
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記載の空間光通信用受光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−５１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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結合効率、つまり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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決するために、空間光通信用受光器の研究開発に鋭意努力を重ねた結果、下記の条件を満たすように集光レンズを構成することにより、集光率の向上を図ることができることを知見し、下記構成の空間光通信用受光器の発明に想到した。
【００１１】
すなわち、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、
該集光レンズの略焦点位置に該受光素子が配置され、該集光レンズの焦点距離が、該集光レンズのレンズ径以上で、且つ該集光レンズのレンズ径の２倍より小さく設定されたことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、集光レンズの焦点距離を、集光レンズのレンズ径以上で且つ集光レンズのレンズ径の２倍より小さく設定するため、集光レンズを通して受光素子の受光面に入射する光の許容入射角が略最大となり、且つ集光レンズの入射光と受光素子との結合効率が高く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。また、集光レンズのレンズ径を小さくできるため、受光器の小型化が可能となる。
【００１３】
ここで、上記受光素子の受光面は、上記集光レンズの焦点位置から軸方向に僅かにずれた位置に配置することが好ましい。
【００１４】
この発明によれば、集光レンズはそこに入射する入射光を受光面上で非結像集光することとなり、入射光の傾き依存性を小さくし、より広範囲の入射光を集光して受光素子の受光面に入射させ、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。
【００１５】
また、上記集光レンズは、そのレンズ曲面が、楕円を軸の回りで回転させたときに生じる回転楕円曲面であり、楕円レンズとして構成することが好ましい。
【００１６】
この発明によれば、集光レンズを楕円レンズとすることにより、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。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の空間光通信用受光器によれば、集光レンズの入射光と受光素子との結合効率が高く、集光レンズによる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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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。
【図２】同空間光通信用受光器の平面図である。
【図３】同空間光通信用受光器の左側面図である。
【図４】図３のIV−IV断面図である。
【図５】同空間光通信用受光器の斜視図である。
【図６】集光レンズに正面から平行光線を入射角０°で入射させたときの、入射光の状態を示す説明断面図である。
【図７】集光レンズに正面から平行光線を入射角Φで入射させたときの、光束入射状態を示す説明図である。
【図８】集光レンズに正面から平行光線を入射角Φで入射させたときの、光束入射状態を示す説明図である。
【図９】レンズ径Ｂを２ｍｍとし、集光レンズに平行光線を入射させながら、集光レンズの焦点距離ｆと入射角Φを変えて、光束シミュレーションを実施した際の、受光素子への光束の集光率（結合効率）と入射角Φとの関係を示すグラフである。
【図１０】レンズ径Ｂを３ｍｍとし、集光レンズに平行光線を入射させながら、集光レンズの焦点距離ｆと入射角Φを変えて、光束シミュレーションを実施した際の、受光素子への光束の集光率（結合効率）と入射角Φとの関係を示すグラフである。
【図１１】レンズ径Ｂを４ｍｍとし、集光レンズに平行光線を入射させながら、集光レンズの焦点距離ｆと入射角Φを変えて、光束シミュレーションを実施した際の、受光素子への光束の集光率（結合効率）と入射角Φとの関係を示すグラフである。
【図１２】受光素子の受光径Ａを５００μｍとし、レンズ径Ｂを２，３，４ｍｍとしたときの光束シミュレーションの結果を示し、焦点距離ｆと入射角Φとの関係を示すグラフである。
【図１３】受光素子の受光径Ａを１００μｍとし、レンズ径Ｂを２，３，４ｍｍとしたときの光束シミュレーションの結果を示し、焦点距離ｆと入射角Φとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、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。
【００２１】
図１〜図５に示すように、受光素子４が、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。
【００２２】
受光器の形状を小型化しつつ、集光レンズ２の集光率（集光レンズの入射光と受光素子の結合効率）を最高の値にするためには、集光レンズ２のレンズ径Ｂとその焦点距離ｆの値を最適値に設定することが重要である。
【００２３】
このために、コンピュータを用いた光束シミュレーション装置上で仮想の集光レンズ２を設定し、集光レンズ２の略焦点位置に受光素子４を配置し、各レンズ径Ｂについて、レンズの焦点距離ｆを変えながら、平行光線を集光レンズ２に入射させ、その入射角Φを変えながら、レンズ端部を通過した光束が受光素子４の受光面５の端部に到達し、且つ入射角が許容最大入射角Φmaxとなるように、光束シミュレーションを実施した。
【００２４】
受光素子４の位置は、その受光面５が集光レンズ２の焦点位置から、軸方向に数百μｍ程度ずれた位置に設定した。これにより、集光レンズ２はそこに入射する入射光を、受光素子４の受光面５上で非結像集光することとなり、受光器は、入射光の傾き依存性を小さくすることができ、より広範囲の入射光を集光して受光素子４の受光面５に入射させ、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。
【００２５】
モールド本体１の先端部に一体成形する集光レンズ２のレンズ曲面は、楕円を軸の回りで回転させたときに生じる回転楕円曲面とした。回転楕円曲面を有する楕円レンズは、光路設計を適正に行うことができ、受光素子４の受光面５への集光率を最良化することができる。
【００２６】
楕円レンズからなる集光レンズ２は、そのレンズ曲面の曲率半径ｒ、離心率ｅによって、そのレンズ曲面が決定され、レンズの屈折率ｎは、使用する透明合成樹脂材料の既知の屈折率ｎに基づき設定される。透明合成樹脂として例えばアクリル樹脂を使用する場合、屈折率ｎは約１．４５となる。集光レンズ２の回転楕円曲面の離心率ｅは、楕円レンズであるため、０＜ｅ＜１の範囲である。
【００２７】
光束シミュレーションは、集光レンズ２のレンズ径Ｂ（レンズの外径、直径）を、例えば２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍに設定し、受光素子４の受光面５の受光径Ａ（直径）を、例えば５００μｍ、１００μｍに設定した。レンズ径Ｂ及び受光径Ａを各設定値とした場合について、集光レンズ２の焦点距離ｆを、例えば２ｍｍ〜６ｍｍと変えながら、且つ平行光線（多数の光束）を集光レンズ２の正面から、図６〜図８に示す如く光束の入射角Φを変えながら照射し、入射角Φが許容最大入射角Φmaxとなり、且つ受光素子４の受光面５に到達する光束の割合、つまり受光素子に対するレンズの結合効率である集光率を求めた。なお、入射角Φが許容最大入射角Φmaxとなる場合、図７、８に示すように、集光レンズ２の端部に入射角Φで入射した光束が受光面５の端部を通過することが条件となる。
【００２８】
図９〜図１１は、上記光束シミュレーションを実施した際の結果を示し、図９は集光レンズ２のレンズ径Ｂを２ｍｍとした場合の入射角Φと集光率との関係を示すグラフ、図１０はレンズ径Ｂを３ｍｍとした場合の入射角Φと集光率との関係を示すグラフ、図１１はレンズ径Ｂを４ｍｍとした場合の入射角Φと集光率との関係を示すグラフである。
【００２９】
図９のグラフから、レンズ径Ｂを２ｍｍとした場合、焦点距離ｆを２．５ｍｍとしたとき、最も大きい入射角Φ（約−７．６°〜約７．６°）で高い集光率（約１）が得られることが分かる。
【００３０】
また、図１０のグラフから、レンズ径Ｂを３ｍｍとした場合には焦点距離ｆを４ｍｍとしたとき、最も大きい入射角Φ（約−５°〜約５°）で高い集光率（約１）が得られることが分かる。
【００３１】
また、図１１のグラフから、レンズ径Ｂを４ｍｍとした場合には焦点距離ｆを５ｍｍとしたとき、最も大きい入射角Φ（約−４°〜約４°）で高い集光率（約１）が得られることが分かる。
【００３２】
さらに、これらの図９〜図１１に示すグラフのデータから、図１２に示すように、レンズ径Ｂを２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍとした各場合について、焦点距離ｆを２ｍｍ〜６ｍｍと変えたときの許容最大入射角Φmaxを求めた。
【００３３】
この図１２のグラフは、受光面５の受光径Ａが５００μｍの場合であり、レンズ径Ｂが２ｍｍで、焦点距離ｆが約２．９ｍｍのとき、許容最大入射角Φmaxが得られ、レンズ径Ｂが３ｍｍで、焦点距離ｆが約４．４ｍｍのとき、許容最大入射角Φmaxが得られ、レンズ径Ｂが４ｍｍで、焦点距離ｆが約６ｍｍのとき、許容最大入射角Φmaxが得られることが分かる。
【００３４】
一方、図１３は、受光面５の受光径Ａが１００μｍの場合、レンズ径Ｂを２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍとした各場合について、焦点距離ｆを２ｍｍ〜６ｍｍと変えたときの許容最大入射角Φmaxを求めたときのグラフであり、やはり上記受光面５の受光径Ａが５００μｍの場合と同様、レンズ径Ｂが２ｍｍで、焦点距離ｆが約２．９ｍｍのとき、許容最大入射角Φmaxが得られ、レンズ径Ｂが３ｍｍで、焦点距離ｆが約４．４ｍｍのとき、許容最大入射角Φmaxが得られ、レンズ径Ｂが４ｍｍで、焦点距離ｆが約６ｍｍのとき、許容最大入射角Φmaxが得られることが分かる。
【００３５】
このように、図１２，１３のグラフから得られた、各レンズ径Ｂについて、許容最大入射角Φmaxが得られる焦点距離ｆと各レンズ径Ｂとの関係（比）を検討すると、レンズ径Ｂが２ｍｍのとき、焦点距離ｆは約２．９ｍｍであり、その比（ｆ／Ｂ）は約１．４５となる。また、レンズ径Ｂが３ｍｍのとき、焦点距離ｆは約４．４ｍｍであり、その比（ｆ／Ｂ）は約１．３７となる。また、レンズ径Ｂが４ｍｍのとき、焦点距離ｆは約６ｍｍであり、その比（ｆ／Ｂ）は約１．５となる。また、各レンズ径Ｂの集光レンズ２において、その焦点距離ｆはそのレンズ径Ｂより大きくなっている。
【００３６】
このような光束シミュレーションの結果から考察すると、集光レンズ２の焦点距離ｆは、Ｂ≦ｆ＜２×Ｂの範囲とする、つまり焦点距離ｆはレンズ径Ｂ以上で、且つレンズ径Ｂの２倍より小さく設定して最適範囲とすることができる。また、さらに望ましい条件としては、１．２×Ｂ≦ｆ＜１．７×Ｂの範囲とすることが好ましく、さらに望ましい条件としては、１．３×Ｂ≦ｆ＜１．５×Ｂの範囲とすることが好ましい。
【００３７】
このように、集光レンズ２の焦点距離ｆを、集光レンズ２のレンズ径Ｂ以上で且つレンズ径Ｂの２倍より小さい最適範囲に設定することにより、集光レンズ２を通して受光素子４の受光面５に入射する光の許容入射角が略最大となり、且つ集光レンズ２の入射光と受光素子４との結合効率が高く受光素子４への集光率が向上し、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。
【００３８】
また、集光レンズ２のレンズ径Ｂは不要に大きくする必要がなく、レンズ径Ｂを比較的小さくできるため、受光器の小型化が可能となる。さらに、集光レンズ２の焦点距離ｆは、Ｂ≦ｆ＜２×Ｂの範囲とし、レンズ径Ｂに比して不要に小さくすることもないので、集光レンズ２をモールドする透明合成樹脂の材料に、高屈折率の材料ではなく通常の屈折率の材料を使用することができ、高屈折率レンズによる収差の悪影響を少なくすることができる。
【００３９】
上記のようにして決定された焦点距離ｆ及びレンズ径Ｂの集光レンズ２を有する空間光通信用受光器は、図１〜図５に示すように、受光素子４の周囲が透明合成樹脂によりモールドされて、円柱型のモールド本体１が形成され、そのモールド本体１内に受光素子４が封止され、モールド本体１の先端部に集光レンズ２が一体成形される。モールド本体１の基部３からは受光素子４のアノード及びカソード用のリード線８，９が導出される。
【００４０】
上記構成の空間光通信用受光器は、その受光効率及び光電変換効率を高く維持した状態で、モールド本体１の外径が２〜４ｍｍと非常に小型化することができ、携帯端末などの空間光通信装置に適用が可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１      モールド本体
２      集光レンズ
３      基部
４      受光素子
５      受光面
８      リード線
Ａ      受光径
Ｂ      レンズ径
ｅ      離心率
ｆ      焦点距離
ｎ      屈折率
ｒ      曲率半径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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