(57)【要約】      （修正有） 【課題】  レンズの高さを低減でき、集光効率や指向特性に優れ、受光素子への集光能力が高く、しかも無用な迷光の集光を抑制し得たコンパクトで高感度な受光装置を提供する。 【解決手段】  受光素子と、外光を前記受光素子の受光面に集光する多面レンズ体と、を備える受光装置において、前記多面レンズ体は、多面レンズ体の中央に位置する第１レンズ面と、第１レンズ面の外周に位置する第２レンズ面と、第１レンズ面と第２レンズ面との間に介在し両者を接続する第１傾斜面と、第１レンズ面と第１傾斜面との境界の近傍に形成された境界を底とする第１窪みと、を少なくとも有し、かつ、前記多面レンズ体は、第１レンズ面の中心点と前記受光素子の受光面の中心点とを結んでなる中心軸に対し角度をもって入射してくる外光を、第１レンズ面以外の他の構成要素により障害されることなく、第１レンズ面の全面で直接受け取る構造の受光装置。 【選択図】        図１
2006228877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子と、外光を前記受光素子の受光面に集光する多面レンズ体と、を備える受光装置において、
前記多面レンズ体は、
前記多面レンズ体の中央に位置する第１レンズ面と、
前記第１レンズ面の外周に位置する第２レンズ面と、
前記第１レンズ面と前記第２レンズ面との間に介在し両者を接続する第１傾斜面と、
前記第１レンズ面と前記第１傾斜面との境界の近傍に形成された前記境界を底とする第１窪みと、
を少なくとも有し、
かつ、前記多面レンズ体は、
前記第１レンズ面の中心点と前記受光素子の受光面の中心点とを結んでなる中心軸に対し角度をもって入射してくる外光を、前記第１レンズ面以外の他の構成要素により阻害されることなく、前記第１レンズ面の全面で直接受け取る構造である
ことを特徴とする受光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の受光装置において、
前記入射してくる外光の角度をθ0とし、
前記第１窪みの一方の構成面である前記第１傾斜面部分における任意の点の法線と、前記中心軸に平行な直線とのなす角をδ"とするとき、
前記δ"と前記θ0との間に下記式１の関係が成立する
ことを特徴とする受光装置。
｜δ"｜≦π／２−θ0  …式１
【請求項３】
請求項２に記載の受光装置において、
前記多面レンズ体を前記中心軸を含む平面で切断したとき、前記第１傾斜面の断面が直線である
ことを特徴とする受光装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の受光装置において、
前記第１傾斜面上の任意の点における法線と前記中心軸に平行な直線とのなす角をδ’とし、前記中心軸に平行な光線であって前記第２レンズ面で屈折され多面レンズ体内に入射する光のうち前記第１窪みの底に接する光線が前記第２レンズ面の法線とのなす角をθ1とするとき、
前記δ’と前記θ1と前記θ0との間に下記式２の関係が成立する
ことを特徴とする受光装置。
π／２−θ1≦｜δ’｜≦π／２−θ0  …式２
【請求項５】
請求項１ないし４の何れかに記載の受光装置において、
前記多面レンズ体は更に、
前記第２レンズ面の外周に位置する第３レンズ面と、
前記第２レンズ面と前記第３レンズ面との間に介在し両者を接続する第２傾斜面と、
前記第２レンズ面と前記第２傾斜面との境界の近傍に形成された前記境界を底とする第２窪みと、
を有することを特徴とする受光装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れかに記載の受光装置において、
前記多面レンズ体を前記中心軸を含む平面で切断したとき、前記第１レンズ面の断面が前記中心軸を対称軸とし、変化率の連続しない接合点で接合された２つの曲線からなり、
かつ前記接合点は前記中心軸上に位置し、前記２つの曲線の頂上よりも低い位置にある
ことを特徴とする受光装置。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れかに記載の受光装置において、
前記多面レンズ体の任意のレンズ面上の点と前記受光面の中心点とを結ぶ線が前記中心軸とのなす角をωとし、
前記角度θ0を超えない範囲の角度で前記多面レンズ体に入射する光線と前記中心軸に平行な直線とのなす角をθ’とし、
前記任意のレンズ面上の点の法線と前記中心軸に平行な直線とのなす角をδとし、
前記レンズ面の構成材料の屈折率をｎ、前記レンズ面上の任意の点に角度θで入射する光線の屈折角をαとするとき、
下記式３および式４の関係が成立する
ことを特徴とする受光装置。
ω＝δ−α…式３
ｎ×ｓｉｎα＝ｓｉｎ（δ−θ’）…式４
【請求項８】
請求項１ないし６の何れかに記載の受光装置において、
前記第１レンズ面の頂上が、他のレンズ面の頂上よりも高い
ことを特徴とする受光装置。
【請求項９】
請求項１ないし６の何れかに記載の受光装置において、
前記中心軸から前記第１窪みの底までの最短距離をｄ1、前記中心軸から前記受光素子の受光面外周端までの最短距離をｄ2とするとき、ｄ1／ｄ2が２．５以内である
ことを特徴とする受光装置。
【請求項１０】
請求項１ないし６の何れかに記載の受光装置において、
前記第１窪みの底から前記第１レンズ面の頂上までの高さが、前記第２レンズ面の曲がり開始点から前記第１レンズ面の頂上までの高さよりも小さい
ことを特徴とする受光装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０の何れかに記載の受光装置において、
前記多面レンズ体の特定の１方向のレンズ外径が、当該方向に直角な方向のレンズ外径よりも小さい
ことを特徴とする受光装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１の何れかに記載の受光装置において、
前記第１傾斜面に、光反射膜が施されている
ことを特徴とする受光装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１２の何れかに記載の受光装置と、
発光素子と、
が同一のパッケージに搭載された光送受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多面レンズ体と受光素子とを備えた受光装置に関し、詳しくは受光装置の集光効率や指向特性の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
受光装置には一般に、受光素子の受光面に光を集光するために集光レンズが使用されている。半球レンズは、簡単な構造でありながら、レンズの中心軸に平行な光線を単一の焦点に集光することができ、また中心軸に対し角度をもって入射する光線に対しても、限定された範囲内であれば比較的高い集光効率が得られる。
【０００３】
このため、従来、光通信トランシーバや各種の光センサモジュール用の集光レンズとして、半球レンズが広く用いられている。図１９（ａ）は半球レンズを用いた従来の受光装置構造を示す断面図である。これらの図面を参照しつつ、半球レンズを用いた従来の受光装置について説明する。
【０００４】
図１９（ａ）に示すように、基板５に受光素子１が実装されている。この受光素子１は、樹脂製の半球レンズ２０と一体モールドして形成されている。このような受光装置において、受光量を増大させるためには、レンズ径を大きくすることが有効であり、これは受光装置のサイズを大きくすることである。これは、例えば図１９（ａ）を図１９（ｂ）とすることである。
【０００５】
また、受光素子が受光することのできる範囲（視野角）を大きくするには、レンズ径を大きくしたり、受光素子の受光面の面積を大きくしたり、更にはレンズの高さとレンズの曲率等から定まる集光領域内において、受光素子の受光面をレンズ表面に近づける等の方法がある。
【０００６】
しかし、光センサモジュールに受光装置を実装する際には、大きさ制限がある場合が多い。例えば図１９に示すように高さｈに制限がある。また、受光した光は信号として用いられるので、受光素子のサイズ（静電容量）を大きくすると、信号処理の応答速度が遅くなる。さらに集光領域はレンズの高さとレンズの曲率等から定まるため、受光領域と集光領域とを一致させつつ受光素子をレンズ面に近づけるのは簡単ではないという問題がある。
【０００７】
このような事情から、半球レンズを集光レンズとして用いた受光装置においては、応答速度や感度を犠牲にすることなくして、装置のコンパクト化を図ることは容易ではない。
【０００８】
そこで、このような問題を解決するために、フレネルレンズを用いる技術が提案されている。フレネルレンズは、半球レンズ（図２０（ｂ））を薄く切り出し、図２０（ａ）のように並べたものである。この技術を用いると、レンズ径をそのままとして受光装置の高さｈを低減することができる。このようなフレネルレンズを視野角の制御が要求される受光装置に用いた技術としては、例えば下記特許文献１がある。
【０００９】
【特許文献１】特許３０５７４３２号公報  （段落００１３〜００２１、図１、２）
【００１０】
図面を参照しつつ特許文献１の技術を説明する。図２１は、特許文献１の技術にかかるレンズの断面図である。ここで、実装寸法として受光素子の受光面からレンズの上端までの距離ｈが制約されているとする。上述の理由から、半球レンズを用いた図１９（ｂ）のレンズでは、ｈの制約を満たし得ないが、特許文献１にかかるレンズでは、ｈの制約を満たすことができる。特許文献１にかかるレンズでは、第２レンズ面を形成し、かつ第２レンズ面２２の先端部分を平面部２４とし（図２２（ｂ）参照）、または第１レンズ面２１と立ち上がり領域２３との間に平面部２４を形成（図２２（ｃ）参照）することにより、第１レンズ面と第２レンズ面の高さを小さくしている。したがって、受光素子の受光面からレンズの上端までの距離に制約がある場合においても、受光量の低下を抑制しつつその制約を満たすことができる。
【００１１】
しかしながら、立ち上がり領域２３を有し第２レンズ面２２の先端部分を平面部２４とする図２２（ｂ）に示す構造であると、同図に示すように、本来の受光視野角（立ち上がり領域２３および第２レンズ面２２を有さない場合に受光素子が光線を受光できる最大視野角）以内で入射する光線であっても、第２レンズ面２２や平面部２４に遮られるため、入射する光線が第１レンズ面の全面に入光できない。それゆえ入射する光の一部が失われる。
【００１２】
また、第１レンズ面２１と立ち上がり領域２３との中間に平面部２４を設けた図２２（ｃ）の構造においては、同図に示すように、受光視野角範囲内の角度の光線であっても、曲率のない平面部２４に入射しそのまま直進する等のために受光素子に集光されない場合がある。また、第２レンズ面に入射する光には、第２レンズ面を通過した後、一旦レンズ外に出て再度レンズ面（第１レンズ面）に入射する光があり、この場合にはレンズ面での反射量が多くなる。このため、受光素子の受光量が大幅に減少する。
【００１３】
このように、特許文献１に係る技術は、レンズの高さを大幅に低減することができるという点において優れているが、集光効率の向上や受光量の増大という点において未だ十分ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上述の課題を解決することを目的とするものであって、レンズの高さを低減でき、集光効率や指向特性に優れ、受光素子への集光能力が高く、しかも無用な迷光の集光を抑制し得たコンパクトで高感度な受光装置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】
【００１５】
上記課題を解決する本発明受光装置は次のように構成されている。
受光素子と、外光を前記受光素子の受光面に集光する多面レンズ体と、を備える受光装置において、前記多面レンズ体は、前記多面レンズ体の中央に位置する第１レンズ面と、前記第１レンズ面の外周に位置する第２レンズ面と、前記第１レンズ面と前記第２レンズ面との間に介在し両者を接続する第１傾斜面と、前記第１レンズ面と前記第１傾斜面との境界の近傍に形成された前記境界を底とする第１窪みと、を少なくとも有し、
かつ、前記多面レンズ体は、前記第１レンズ面の中心点と前記受光素子の受光面の中心点とを結んでなる中心軸に対し角度をもって入射してくる外光を、前記第１レンズ面以外の他の構成要素により阻害されることなく、前記第１レンズ面の全面で直接受け取る構造であることを特徴とする。
【００１６】
この構成では、第１傾斜面や第２レンズ面等の要素により第１レンズ面に角度をもって入射してくる外光が阻害されることがないので、複数のレンズ面を備える多面レンズ体の中心に位置する第１レンズ面の全面で、角度をもって入射してくる外光を全て受け取ることができる。言い換えると、第２レンズ面等を設けたことにより主要レンズ面（第１レンズ面）の集光機能が損なわれない構造であるので、多面レンズ体全体としての集光量が確実に増加する。
【００１７】
ここで、上記構成における「第１レンズ面の全面」とは、第１レンズ面と第１傾斜面との境界から第１レンズ面の中心点に亘る全面を意味する。また「中心点」とは、レンズ面、受光面ともに、面積中心点を意味する。
【００１８】
更に「傾斜面」とは、中心軸と平行な直線に対して０°より大きく９０°未満の角度を有する面を意味する。ただし、必ずしも平滑な面を意味しない。若干の凹凸があってもよい。また、製造誤差等に起因し、その一部に９０°ないしこれを超える部分が存在してもよい。
【００１９】
「第１窪み」とは、第１レンズ面と第１傾斜面の境界（図１に示すＢ点）を底とし、前記境界から第１レンズ面の頂上までの高さの５％以内の範囲内の領域をいう。
【００２０】
第１窪みは、前記境界と前記境界近傍の第１レンズ面の一部と第１傾斜面の一部とで構成されることになるが、窪みの側面を構成する第１レンズ面の一部および第１傾斜面の一部は、第１レンズ面や第１傾斜面でなくなるのではなく、第１レンズ面および第１傾斜面でもある（２つの機能を持った部分である）。また、第ｎ窪み（ｎは整数）についても、上記と同様であり、第ｎレンズ面と第ｎ傾斜面との境界（第ｎの境界）を中心とし、第ｎレンズ面の頂上から前記第ｎの境界までの高さの５％以内にある領域を「第ｎ窪み」と定義する。
【００２１】
上記構成においては、前記入射してくる外光の角度をθ0とし、前記第１窪みの一方の構成面である前記第１傾斜面部分における任意の点の法線と、前記中心軸に平行な直線とのなす角をδ"とするとき、前記δ"と前記θ0との間に下記式１の関係が成立する構成とすることができる。
【００２２】
｜δ"｜≦π／２−θ0  …式１
【００２３】
この構成を採用することにより、第１レンズ面の全面で中心軸に対してθ0の範囲内の角度で入射する光線を全て受光することができる。なお、前記θ0は、受光装置に要求される視野角であり、受光装置の設計段階で任意に設定される角度である。
【００２４】
また、上記構成において、前記多面レンズ体を前記中心軸を含む平面で切断したとき、前記第１傾斜面の断面が直線である構成とすることができる。
【００２５】
中心軸を含む面により切断したときの断面が直線であると、レンズ構造が簡単となり、その分作製が容易となる。また、この構成であると、中心軸に対してθ0を超える角度で入射する光線（迷光）が第２レンズ面で屈折し傾斜面（従来のレンズでは立ち上がり面）に入射する際の入射角を従来の受光装置よりも大きくし、第１傾斜面でこの入射光線を全反射させることができる。よって、この構造であると、受光素子の受光面への迷光の入射を大幅に抑制することができる。
【００２６】
更にまた、上記構成においては、前記第１傾斜面上の任意の点における法線と前記中心軸に平行な直線とのなす角をδ’とし、前記中心軸に平行な光線であって前記第２レンズ面で屈折され多面レンズ体内に入射する光のうち前記第１窪みの底に接する光線が前記第２レンズ面の法線とのなす角をθ1とするとき、前記δ’と前記θ1と前記θ0との間に下記式２の関係が成立する構成とすることができる。
【００２７】
π／２−θ1≦｜δ’｜≦π／２−θ0  …式２
【００２８】
この構成を採用することにより、中心軸に対してθ0範囲内の角度で入射する光線を第１レンズ面の全面で全て受光できる。また、受光素子の受光面への迷光の入射を抑制することができる。
【００２９】
更にまた、上記構成においては、前記多面レンズ体は更に、前記第２レンズ面の外周に位置する第３レンズ面と、前記第２レンズ面と前記第３レンズ面との間に介在し両者を接続する第２傾斜面と、前記第２レンズ面と前記第２傾斜面との境界の近傍に形成された前記境界を底とする第２窪みと、を有する構成とすることができる。
【００３０】
この構成では第３レンズ面をさらに備えるので、第３レンズ面が中心軸に対してθ0範囲内の角度で入射する光線を受光して、受光素子の受光面に集光することができる。よって、一層受光量を増大させることができる。
【００３１】
この構成においては、第３レンズ面の外側に、第４レンズ面、第３傾斜面、第３窪みを有するものとしてもよく、更に多くのレンズ面、傾斜面、窪みを有するものとしてもよい。また、最も外側に位置するレンズ面の周囲に、レンズ面以外の構成要素（例えば集光レンズの破損を防止するための保護部材）を有するものとしてもよい。
【００３２】
更にまた、上記構成においては、前記多面レンズ体を前記中心軸を含む平面で切断したとき、前記第１レンズ面の断面が前記中心軸を対称軸とし、変化率の連続しない接合点で接合された２つの曲線からなり、かつ前記接合点は前記中心軸上に位置し、前記２つの曲線の頂上よりも低い位置にある構成とすることができる。
【００３３】
この構成では第１レンズ面の頂上が複数有り、且つ前記接合点は前記中心軸上に形成されることになるが、この構成によると、図８（ａ）に示すように、第１レンズ面の全投影面積（受光面積）を大きくすることができ、受光量を飛躍的に増大させることができる。
【００３４】
更にまた、上記構成においては、前記多面レンズ体の任意のレンズ面上の点と前記受光面の中心点とを結ぶ線が前記中心軸とのなす角をωとし、前記角度θ0を超えない範囲の角度で前記多面レンズ体に入射する光線と前記中心軸に平行な直線とのなす角をθ’とし、前記任意のレンズ面上の点の法線と前記中心軸に平行な直線とのなす角をδとし、前記レンズ面の構成材料の屈折率をｎ、前記レンズ面上の任意の点に角度θで入射する光線の屈折角をαとするとき、下記式３および式４の関係が成立する構成とすることができる。
【００３５】
ω＝δ−α…式３
ｎ×ｓｉｎα＝ｓｉｎ（δ−θ’）…式４
【００３６】
この構成によると、設定した角度θ’で入射する光線は、遮られたり全反射したりすることがなくレンズ内を通過する限りにおいて、受光素子の受光面の中心点に集光する。よって、設定した角度θ’で入射する光線の集光効率を飛躍的に向上させることができる。
【００３７】
更にまた、上記構成においては、前記第１レンズ面の頂上が、他のレンズ面の頂上よりも高い構成とすることができる。
【００３８】
この構成によると、第２レンズ面を中心軸側に近づけたり、第２レンズ面の曲率を小さくしたりしやすく、第２レンズ面から入射する光線を受光素子の受光面に集光させることが容易となる。
【００３９】
更にまた、上記構成においては、前記中心軸から前記第１窪みの底までの最短距離をｄ1、前記中心軸から前記受光素子の受光面外周端までの最短距離をｄ2とするとき、ｄ1／ｄ2が２．５以内である構成とすることができる。
【００４０】
この構成によると、第２レンズ面を中心軸側に近づけたり、第２レンズ面の曲率を小さくしたりしやすく、第２レンズ面から入射する光線を受光素子の受光面に集光させることが容易となる。
【００４１】
更にまた、上記構成においては、前記第１窪みの底から前記第１レンズ面の頂上までの高さが、前記第２レンズ面の曲がり開始点から前記第１レンズ面の頂上までの高さよりも小さい構成とすることができる。
【００４２】
この構成によっても、第２レンズ面を中心軸側に近づけたり、第２レンズ面の曲率を小さくしたりしやすく、第２レンズ面から入射する光線を受光素子の受光面に集光させることが容易となる。
【００４３】
更にまた、上記構成においては、前記多面レンズ体の特定の１方向のレンズ外径が、当該方向に直角な方向のレンズ外径よりも小さい構成とすることができる。
【００４４】
この構成によると、高さ方向だけではなく、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように特定１方向の多面レンズ体の大きさｄに制限がある場合に、この制約を満たしつつ、受光量、集光効率に優れた受光装置が得られる。
【００４５】
更にまた、上記構成においては、前記第１傾斜面に、光反射膜が施されている構成とすることができる。
【００４６】
この構成によると、光反射膜が迷光を全反射するので、迷光が受光素子の受光面に集光されることをさらに抑制できる。
【００４７】
更にまた、上記課題を解決するための光送受信モジュールに関する本発明は、上記の何れかに記載の受光装置と、発光素子と、が同一のパッケージに搭載されることにより構成されている。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によると、レンズの高さの増大を招くことなく、受光量、集光効率、指向特性に優れ、しかも迷光が受光素子の受光面に集光されることを防止し得た受光装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
【００５０】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明に係る受光装置を示す図であって、図１（ａ）は中心軸１５を含む断面図、図１（ｂ）は平面概略図である。ここで、前記中心軸とは、第１レンズ面１１の面積中心点と受光素子１の受光面の中心点（面積中心点）とを結んでなる仮想線をいう。
【００５１】
図１（ａ）に示すように、実施の形態１に係る受光装置は、受光素子１と、受光素子１に外光を集光する多面レンズ体とを備えており、多面レンズ体は、中央に位置する第１レンズ面１１、第１レンズ面の外周側に位置する第２レンズ面１２、第１レンズ面１１と第２レンズ面１２との間に介在し両者を接続する第１傾斜面１３、前記第１レンズ面１２と前記第１傾斜面１３との境界の近傍に形成された前記境界を底とする第１窪み１４とを有している。
【００５２】
前記第１傾斜面１３は、図１（ａ）に示す断面図において直線となるように形成されており、その法線と中心軸に平行な直線とのなす角δ’の絶対値は常に一定の値となる。
【００５３】
そして、図２に示すように、中心軸に平行な光線（入射する角度０°）のうち、第２レンズ面で屈折して第１窪み１４の底に接する光線の第２レンズ面１２の表面での法線と中心軸に平行な直線とのなす角をθ1としたとき、θ1 とδ’と下記する外光の設定入射角度θ0 が下記式２の関係を満たす構造としてある。この構造では、第１レンズ面の面積中心点と受光素子の受光面の面積中心点とを結ぶ中心軸に角度θ0で入射する外光（θ0は受光装置に要求される視野角であり、受光装置の設計段階で任意に設定される角度）を、多面レンズ体の中央に位置する第１レンズ面の全面で受け取ることができる。
【００５４】
π／２−θ1≦｜δ’｜≦π／２−θ0  …式２
【００５５】
上記式２は、中心軸１５と、傾斜面とのなす角をθとしたとき、下記式５で表されるものと等価である。
【００５６】
θ0≦θ≦θ1  …式５
【００５７】
また、実施の形態１では、δ’＝π／２−θ0（θ＝θ0）としている。
【００５８】
なお、従来のレンズでは、図２３に示すように、中心軸に角度θ0で入射する外光であっても、第２レンズ面２２で屈折され第１傾斜面２３の内側面においてレンズの中心軸と反対方向に反射される結果、第１レンズ面に入射できない光線がある。このため、従来構造の受光装置では、中心軸に角度θ0で入射してくる外光の何割かは、主要レンズ面である第１レンズ面で受け取ることができない。よって、その分、受光素子が受け取る光量(受光量)が減少することになる。
【００５９】
図２，３および図２４を参照しつつ、更に、実施の形態１の内容を説明する。図３（ａ）、図２４（ａ）において、第１窪みの底から中心軸に平行な直線に対して角度θ0で傾けて延長した直線と中心軸との交点をＭとし、レンズ面上の任意の点の法線と中心軸に平行な直線とのなす角をδとし、交点Ｍから上記任意の点にまで延長した直線と中心軸とのなす角をΦとする。図３は、実施の形態１に係るものであり、図２４は特許文献１に係るものである。
【００６０】
第１レンズ面の全面で、入射してくる角度がθ0の範囲内の外光を全て受け取ることができないということは、図２４（ｂ）に斜線領域として示されるように、一つのΦに対して複数のδが存在することを意味する。一方、実施の形態１においては、図３（ｂ）に示すように一つのΦに対して一つのδしか存在せず、実施の形態１の受光装置では、中心軸に対してθ0範囲内の角度で入射してくる外光を、第１レンズ面の全面で受け取ることができる。
【００６１】
なお、実施の形態１に係る受光装置では、図２に示すように、第２レンズ面１２のうち、その法線と中心軸に平行な直線とのなす角がθ1となる点より中心軸側のレンズ面で屈折されて傾斜面１３に入射する中心軸に平行な光線は、傾斜面１３の内側面に対する入射角が大きくなるため、傾斜面１３で反射され易く、受光素子の受光面に集光されにくい。
【００６２】
以上の説明のように、実施の形態１に係る受光装置では、中心軸に対してθ0範囲内の角度で入射する光線については入射する角度が大きくなるほど受光量の減少を抑制する作用効果が大きくなるが、その一方で、中心軸に対してθ0よりも大きな角度θ2で入射する光線は、受光素子の受光面に集光されると、受光素子の動作に無用な迷光となるため、設定角度より大きい入射角度の光線の集光を抑制するのがよい。この点について図４、図２５を参照しつつ説明する。
【００６３】
図４は実施の形態１の場合を示し、図２５は従来のレンズの場合を示す。図２５に示すように、従来の受光装置では、第２レンズ面２２に入射し屈折されて立ち上がり領域２３の内側面に到達した光線は、立ち上がり領域２３に対する入射角γが小さいために、ここで反射されることなく透過屈折して一旦レンズ外に出た後、主要レンズ面である第１レンズ面に入射する。よって、迷光が受光素子の受光面に集光されやすい。
【００６４】
これに対し、実施の形態１の受光装置においては、図４に示すように、上記立ち上がり領域２３に対応する面（傾斜面１３）が傾斜しているので、第２レンズ面１２で屈折した光線が傾斜面１３に入射する角度γが大きくなる。よって、第２レンズ面１２で屈折した光線が傾斜面１３で全反射されやすい。これにより、迷光が受光素子の受光面に集光される程度が大幅に抑制される。このことは、従来装置に比べて指向特性が向上することを意味する。
【００６５】
ところで、本発明に係る受光装置において、図５（ａ）、（ｂ）に、第１窪みの底に当たる点Ｂを原点として、外周側にχ軸をとったときにおける角度δと距離χとの関係を示す。図５（ｂ）の実線で示されるように、窪みの底を境として、δはπ／２から−π／２へと移る。なお、実際のレンズでは加工精度上、図５（ｂ）の破線で示されるように、窪みの底や傾斜面が丸まり角度δは角度χに対して連続的に変化する傾向となる。
【００６６】
〔実施の形態２〕
実施の形態２は、図６に示すように、前記中心軸を含む平面により受光装置を切断した場合における断面図において、傾斜面１３が曲線状に形成されており、かつ第１レンズ面１１と傾斜面１３の境界近傍に形成される第１窪みの一方の構成面である第１傾斜面部分における任意の点の法線と、前記中心軸に平行な直線とのなす角(δ")を上記δ'と同じとし下記式１の関係を満たすように構成してある。その他の要素については前記実施の形態１と同様である。
【００６７】
｜δ"｜≦π／２−θ0  …式１
【００６８】
この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００６９】
〔実施の形態３〕
実施の形態３は、図７に示すように、上記実施の形態１における角度θを、前記角度θ1よりも大きくした構造であり、第２レンズ面の上端が第１レンズ面の頂上よりも低くなっている。その他については前記実施の形態１と同様である。この構造では、第２レンズ面１２に対して中心軸と平行に入射する光線が上記実施の形態１よりも受光素子の受光面に集光されにくいために、上記実施の形態１よりも中心軸に平行な光の受光量が減少するが、その一方、中心軸に対して前記角度θ0よりも大きな角度で第２レンズ面１２に入射する光線（無用な迷光）の受光素子の受光面への集光を抑制させることができる。これは、該光線の傾斜面１３に対する入射角が実施の形態１に係るレンズよりも大きく、第２レンズ面１２で屈折した光線の傾斜面１３で全反射する割合が高まるためである。よって、実施の形態３によると、無用な迷光が受光素子の受光面に集光されることを顕著に抑制することができる。
【００７０】
〔実施の形態４〕
実施の形態４は、図８に示すように、受光装置の中心軸を含む平面断面図において、第１レンズ面の表面が、中心軸を対称軸とし、かつ曲線の変化率が連続しない接合点で接合された２つの曲線で構成され、前記接合点は前記中心軸上にあり、しかも第１レンズ面の頂上よりも低い位置にある構造の受光装置である。その他の要素については上記実施の形態１と同様である。この構造であると、受光量の増大に最も寄与する第１レンズ面の全投影面積（受光面積）を大きくすることができるので、実施の形態１の装置に比較し更に受光量を増大させることができる。その他の効果については、上記実施の形態１と同様である。
【００７１】
〔実施の形態５〕
実施の形態５は、図９に示すように、受光装置の中心軸を含む平面断面図において、第１レンズ面の頂上よりも、第２レンズ面の頂上を低く形成したものである。その他の要素については上記実施の形態１と同様である。この構成であると、第１レンズ面の頂上と、第２レンズ面の頂上を同一の高さとした場合よりも、第２レンズ面の頂上を中心軸に近づけたり、第２レンズ面の曲率を小さくしたりすることができるので、中心軸に対して前記角度θ0の範囲内で第２レンズ面に入射する光線を受光素子の受光面に集光させることが容易となる。
【００７２】
〔実施の形態６〕
実施の形態６は、図１０に示すように、第２レンズ面の外周に、更に第２傾斜面１３ａと、第３レンズ面１２ａを形成したものである。その他の要素については上記実施の形態５と同様である。この構成によると、光軸上から見たレンズ（第１〜第３レンズ面）の全投影面積を更に大きくできるので、更なる受光量の増大、受光面への集光効率の向上を図ることができる。
【００７３】
なお、第３レンズ面の外周に、更に第３傾斜面と第４レンズ面を設けることや、さらに続いて第ｎ傾斜面、第ｎ＋１レンズ面を設けることも可能である。しかし、中心軸から離れるにつれて、入射角θ0で入射する光線の受光面への集光性が低下する。また、レンズ面を多くするほど、製造が難しくなる。したがって、受光装置に対する要求特性とコストとを比較考量しレンズ面の数および傾斜面を適正に設定するのがよい。
【００７４】
〔実施の形態７〕
実施の形態７は、図１１に示すように、中心軸から第１窪みの底までの最短距離（直線距離）をｄ1、中心軸から受光素子の受光面外周端までの最短距離をｄ2としたとき、ｄ1／ｄ2を２．５以内としたものである。この構成によると、第２レンズ面の頂上を中心軸に近づけたり、第２レンズ面の曲率を小さくしたりすることができるので、中心軸に対して前記角度θ0の範囲内で第２レンズ面に入射する光線を受光素子の受光面に集光させることが容易となる。
【００７５】
また、図１１に示す例では、第１窪みの底から第１レンズ面の頂上までの高さが、第２レンズ面と第２傾斜面との間に形成される第２窪みの底から第１レンズ面の頂上までの高さよりも小さく、かつ第１レンズ面の頂上と第２レンズ面の先端の高さが同じとしてあり、第３レンズ面の先端の高さが第１レンズ面の頂上よりも低くしてある。この構造であると、レンズ全体に対して第２レンズ面が占める面積を大きくすることとなり、第１レンズ面だけでなく第２レンズ面をも集光機能の点で主要なレンズ面となる。この結果、主要なレンズ面の全投影面積を実効的に大きくできるので、更なる受光量の増大、受光面への集光効率の向上の作用効果が得られる。
【００７６】
また、ｄ1／ｄ2を大きくしていくと、第２レンズ面を中心軸に近づけたり、第２レンズ面の曲率を小さくしたりすることが困難となるので、中心軸に対して前記角度θ0の範囲内で第２レンズ面に入射する光線を受光素子の受光面に集光させることが厳しくなる。受光装置の現実的な応用上の制約（レンズの高さやレンズ径等）を考量したとき、第２レンズ面の効果を十分に発揮させるためには、ｄ1／ｄ2を２．５以内であることが望ましい。
【００７７】
ところで、この実施の形態において、図１１（ｂ）に斜線領域で示すように、第２窪みに関しては一つのΦに対して複数のδが存在している。しかし、このことは、座標軸Φの設定に基づくものであって、第３レンズ面の全面で、入射する角度がθ0の範囲内の光線を全て受光することができないことを必ずしも意味するわけではない。この実施の形態において、第３レンズ面の全面で、入射する角度がθ0の範囲内の光線を全て受光させることが可能であることを断っておかねばならない。
【００７８】
なお、この実施の形態においては、第１レンズ面の頂上と第２レンズ面の先端の高さを上記実施の形態６と同様に設定してもよい。また、実施の形態１のように、第２傾斜面と、第３レンズ面とを有さない構成としてもよく、この場合は、上記「第２窪みの底」が第２レンズ面の曲がり開始点となる。
【００７９】
〔実施の形態８〕
実施の形態８は、図１２（ｃ）に示すように、多面レンズ体の任意のレンズ面上の点と前記受光素子の受光面の中心点とを結ぶ線が前記中心軸となす角をωとし、前記入射角θ0（設定入射角）の範囲内で入射する光線と前記中心軸に平行な直線とのなす角をθ’とし、前記任意のレンズ面上での点の法線と前記中心軸に平行な直線とのなす角をδとし、前記レンズ面の構成材料の屈折率をｎ、前記レンズ面上の任意の点に角度θ’で入射する光線の屈折角をαとするとき、下記式３および式４の関係を満たす構造となっている。更に、第２レンズ面の先端が第１レンズ面の頂上と同じ高さになっており、第３レンズ面の先端は第１レンズ面の頂上より低くなった構造となっている（図１２（ａ））。ただし、第２レンズ面の先端や第３レンズ面の先端の位置について、この構造に限定されるものではない。
【００８０】
ω＝δ−α …式３
ｎ×ｓｉｎα＝ｓｉｎ（δ−θ’）…式４
【００８１】
上記式３および式４の関係を満たす受光装置の場合、角度θ’で入射する光線については、角度ωに対する角度δが一意に決定される（図１２（ｄ）参照）。これは、レンズ面の任意の点より角度θでレンズ内に入射した光線は、レンズ表面で遮られたり全反射されたりしない限り、受光素子の受光面の中心点に集光することを意味する。よって、上記式３および式４の関係を満たす構成を採用することにより、集光効率が飛躍的に向上する。
【００８２】
ところで、上記説明からして当然にこの実施の形態にかかる受光装置においては、入射光の入射角度がθ’から離れるに従って集光位置が受光素子の受光面の中心から離れ、集光範囲が広がり集光効率が低下することになる。よって、上記式３および式４の関係を満たす構成を採用することによる利点を十分に活かすためには、光軸に平行なレンズの全投影面積を、好ましくは図２０に示す従来レンズの２倍以上とするのがよい。このようにすると、レンズの高さを増大させることなくして受光量を確実に増加させることができる。
【００８３】
更にまた、受光素子の受光面の面積や受光素子の位置を変えることにより、入射光の角度がθ’から離れるに従い集光位置が受光面の中心から離れ、集光範囲が広がるという特性を逆に利用することができる。すなわち、中心軸に平行な光線を集光対象とし、その集光効率の向上を図る従来技術においては、一般に図１３の破線で示すような指向特性を得ているが、中心軸に平行でない光線（角度θ’の光線）をも確実に集光する本発明にかかる装置においては、前記角度θ’を変えることにより、集光効率ηが角度θ’で最大となるピークを２つ有する受光装置を実現することができる（図１３の実線を参照）。
【００８４】
なお、図１２（ｂ）からわかるように、入射する光線の角度θ’を０以外の値（絶対値がθ0以下）とした場合、実施の形態４のように中心軸近傍でのδは負の値となる。
【００８５】
また、図１２（ｂ）に斜線領域で示すように、この例では一つのΦに対して複数のδが存在するが、上記と同様、第３レンズ面１２ａの全面で、入射する角度がθ0の範囲内の光線を全て受光することができないことを必ずしも意味しない。設計次第では、第３レンズ面の全面で、入射する角度がθ0の範囲内の光線を全て受光させることが可能となる。
【００８６】
〔実施の形態９〕
実施の形態９は、実装に際して特定１方向における幅が制約されている場合においても、実装可能な受光装置を提供するものである。具体的には、特定１方向における装置幅がｄに制約された装置に関する。この実施の形態９では、中心軸を含む平面を対称面として、レンズ幅がｄとなるように、図１（ｂ）に示すレンズの一部を切り欠くことにより、図１５（ａ）および（ｂ）に示す構造のレンズとなし、これを集光用レンズとして受光装置に組み込む構成である。本発明によると、このようにレンズの最外郭面を切り欠くことにより特定１方向の幅を規制したとしても、受光量、集光効率、指向特性等に優れた受光装置を実現することができる。
【００８７】
〔実施の形態１０〕
実施の形態は、図１６に示すように、傾斜面１３に反射膜１７を施した構成である。この構成を採用することにより、第２レンズ面に入射する角度θ0の範囲外の迷光を確実に第１傾斜面で全反射させることができる。
【００８８】
上記反射膜は、例えば受光装置の傾斜面１３に相当する部分が開いたマスク（図１８参照）を用いて金属を蒸着する方法により作製することができる。この蒸着において、傾斜面に垂直となるように斜め蒸着を行うと、所望の反射特性に設定しやすい。
【００８９】
また、反射膜の代わりに、光を散乱させる粗面としたり、光を吸収する光吸収膜を設けたりする手段を採用してもよい。これらは、公知の方法でよい。
【００９０】
〔実施の形態１１〕
実施の形態１１は、実施の形態１に係る受光装置を組み込んだ光送受信モジュールである。この光送受信モジュールは、図１７に示すように、受光素子１と、発光素子２と、ＩＣチップ３とが基板５上に形成されており、受光素子１、発光素子２、ＩＣチップ３は、樹脂４で覆われている。また、受光装置１１および発光素子用レンズ１６はこの樹脂を成形する方法で形成されている。
【００９１】
上記基板としては、プリント配線基板を用いることができる。また、光送受信モジュール以外に、フォトカプラ等の受光素子、発光素子、レンズを有するモジュールに用いることもできる。なお、図１７は、実施の形態１１に係る光送受信モジュールを示す図であり、図１７（ａ）は装置全体の斜視図を示し、図１７（ｂ）は２つのレンズの中心軸を含む断面模式図である。
【００９２】
上記構成の光送受信モジュールは、実施の形態１〜１０で説明したように、受光量、集光効率、指向特性等に優れる。
【００９３】
本発明の更に具体的な内容を実施例に基づいて説明する。
【００９４】
（実施例１）
実施例１は、上記実施の形態８に係る受光装置と同様な構成である。この実施例で使用した多面レンズ体は、上記式３および式４を満たす構造であり、設定する入射角度θ’＝０°（中心軸に平行）、要求される視野角θ0＝１５°（π／１２）、レンズ面の構成材料の屈折率ｎ＝１．６、受光素子の受光面のサイズ：直径１．０ｍｍの円形、レンズ高ｈ＝２．０ｍｍに設定されている。
【００９５】
この多面レンズ体を、中心軸に平行な光線が第１レンズ面に入射すると、受光素子の受光面の中心部に集光されるよう受光素子を設定し、樹脂をトランスファーモールド成形する方法を用いて実施例１に係る受光装置を作製した。
【００９６】
この装置について、指向特性および受光量を調べた。
【００９７】
（比較例１）
比較例として、図２１に示す特許文献１に係る受光装置を作製した。光軸上から見たレンズの全投影面積、レンズの屈折率、受光素子のサイズおよびレンズの高さは、実施例１と同様とし、装置作製方法も実施例１と同様とした。比較例１に係る装置についても実施例１と同様にして指向特性および受光量を調べた。
【００９８】
図１４および図２６は、レンズ面に入射する光線の装置中心軸に対する角度と、レンズ面が光線を受け取る領域（斜線部分）との関係を示した図である。図１４は、実施例１の場合、図２６は比較例１の場合を示し、それぞれの図において、（ａ）は光線が角度０°で入射した場合、（ｂ）は光線が左側から角度１５°で入射した場合、（ｃ）は光線が左側から角度３０°（迷光）で入射した場合を示す。
【００９９】
入射角度０°の場合、図１４（ａ）および図２６（ａ）に示すように、実施例１および比較例１ともレンズ全面で外光を受け取るが、その光量は実施例１の方が約５％大きいことが確認された。また、光線の入射角度が大きくなるにつれて実施例１と比較例１との受光量の差が大きくなり、入射角度が１５°の場合において受光量に約２０％の差が認められた。すなわち、実施例１と比較例１との間の受光量の差が約２０％に拡大した。これは、入射角度が１５°の場合、図１４（ｂ）および図２６（ｂ）に示すように、斜線部分の割合が縮小する（レンズ面が外光を受け取る面積が小さくなる）が、この程度が比較例１の方が大きいためである。
【０１００】
他方、角度θ0の範囲の外である入射角３０°の光線（これは無用な迷光である）については、図１４（ｃ）および図２６（ｃ）に示すように、比較例１では第１レンズ面で集光しているのに対し、実施例１では第１レンズ面で全く集光せず、第２レンズ面からの集光のみが認められた。ただし、その量は、比較例１の受光量の５０％以下であった。
【０１０１】
なお、本発明においては、設計を変えることにより、第２レンズ面および第３レンズ面が迷光を集光しないようにすることができることを確認している。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
以上の説明のように、本発明によると、受光装置のレンズの高さやサイズを増大させることなく、受光装置の受光量の増大、集光効率および指向特性の向上を実現することができる。よって産業上の利用可能性は大きい。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】図１は、実施の形態１に係る受光装置を示す図であって、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は断面形状と平面形状との対応関係を模式的に説明する概念図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る受光装置の窪み近傍の拡大図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る受光装置の角度δと角度Φとの関係を示す図である。
【図４】図４は実施の形態１に係る受光装置の第２レンズ面に中心軸とのなす角がθ0より大きいθ2で入射する光線の屈折状態を示す図である。
【図５】図５は、角度δと距離χとの関係を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る受光装置の断面形状と、角度δと角度Φとの関係を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態３に係る受光装置の断面形状と、角度δと角度Φとの関係を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態４に係る受光装置の断面形状と、角度δと角度Φとの関係を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態５に係る受光装置の断面形状を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態６に係る受光装置を示す図であって、図１０（ａ）は断面図、図１０（ｂ）は断面形状と平面形状との対応関係を模式的に説明する概念図である。
【図１１】図１１は、実施の形態７に係る受光装置の断面形状と、角度δと角度Φとの関係を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態８に係る受光装置の断面形状と、角度δと角度Φとの関係および受光素子への集光状態と角度の関係を示した図であって、図１２（ａ）は断面形状を示す図、図１２（ｂ）は角度δと角度Φとの関係を示す図、１２（ｃ）は集光状態を示す図、図１２（ｄ）は角度δと角度ωとの関係を示す図である。
【図１３】図１３は、実施の形態８に係る受光装置の指向特性を示す図である。
【図１４】図１４は、実施例１に係る受光装置において、中心軸と入射する光線の角度と、レンズ面が光線を受け取る領域（斜線領域）との関係を示す図であって、（ａ）は光線が０°で入射した場合、（ｂ）は光線が左側から１５°で入射した場合、（ｂ）は光線が左側から３０°で入射した場合を示す。
【図１５】図１５は、実施の形態９に係る受光装置を示す図であって、図１５（ａ）は断面図、図１５（ｂ）は断面形状と平面形状との対応関係を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態１０に係る受光装置（反射膜形成後）を示す断面図である。
【図１７】図１７は、実施の形態１１に係る光送受信モジュールを示す図であって、図１７（ａ）斜視図、図１７（ｂ）は２つのレンズの中心軸を含む断面図である。
【図１８】図１８は、実施の形態１０に係る受光装置の反射膜を形成するためのマスクと、レンズの断面図との関係を示す図である。
【図１９】図１９は、半球レンズを用いた従来の受光装置の断面図であって、図１９（ａ）は高さがｈであるもの、図１９（ｂ）は高さがｈよりも大きいものを示す。
【図２０】図２０は、従来型フレネルレンズ用いた受光装置の断面図であって、図２０（ａ）はレンズの切り出し後の形状を示し、図２０（ｂ）は切り出し前の形状を示す。
【図２１】図２１は、特許文献１に係る受光装置の断面図である。
【図２２】図２２は、従来のレンズにおける光の屈折状態を示す断面図であって、図２２（ａ）は従来のフレネルレンズを用いたもの、図２２（ｂ）は特許文献１に係るレンズ（第２レンズ面と立ち上がり領域との間に平面部を設けたもの）、図２２（ｃ）は特許文献１に係るレンズ（立ち上がり領域と第１レンズ面との間に平面部を設けたもの）を示す。
【図２３】図２３は、従来のフレネルレンズの部分拡大図である。
【図２４】図２４は、特許文献１に係るフレネルレンズの角度δと角度Φとの関係を示す図である。
【図２５】図２５は従来のフレネルレンズにおいて第２レンズ面に対して中心軸とのなす角がθ0より大きい角度θ2で入射する光線の屈折状態を示す図である。
【図２６】図２６は、比較例１に係る受光装置において、中心軸と入射する光線の角度と、レンズ面が光線を受け取る領域（斜線領域）との関係を示す図であって、（ａ）は光線が０°で入射した場合、（ｂ）は光線が左側から１５°で入射した場合、（ｂ）は光線が左側から３０°で入射した場合を示す。
【符号の説明】
【０１０４】
１    受光素子
２    発光素子
３    ＩＣチップ
４    樹脂
５    基板
１０  光送受信モジュール
１１  第１レンズ面
１２  第２レンズ面
１３  第１傾斜面
１４  第１窪み
１５  中心軸
１６  発光素子用レンズ
１７  反射膜
【図１】
2006228877.tif 000003
【図２】
2006228877.tif 000004
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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