(57)【要約】幅広い視野の入射放射線を受信するため凸面をなす受信面（２）、および凹面をなす側面（３）を有して、凹面をなす側面から受信面を通る放射線が検知面（４）の方へ全て内部反射する誘電性全内部反射集光器（ＤＴＩＲＣ）（１）を光学無線通信受信機は、備えている。狭帯域光学フィルタ（６）は、検知面（４）に放射線が到達する前に放射線をフィルタリングするために備えられ、光センサーは、検知面（４）に到達している放射線を検知し、検知された放射線の電気出力信号表示を与える。上記した構成では、より高い集光を提供し、電気容量およびコストを低減させ、受信感度を向上させた小さな光センサーの使用を可能とする。
2004508733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅広い視野にわたる入射放射線を受信するための受信面（２２；１２；２３、２４、２５；７２）、上記受信面を通過する放射線を、検知面（４；１４；７６）の方へ全て内部反射する凹面をなす側面（３；１３）、上記放射線が検知面（４；１４；７６）に達する前に、放射線をフィルタリングするためのフィルタ手段（６；１６）および、検知面（４；１４；７６）に達する放射線を検知し、検知された放射線の電気出力信号表示を与えるための検知手段（５；１５；２６、２７、２８）を有する全内部反射集光器（１；１０；２０、２１、２２；７１）を備えることを特徴とする無線通信受信機。
【請求項２】
上記集光器（１；１０；２０、２１、２２；７１）は、誘電性の全内部反射集光器（ＤＴＩＲＣ）であることを特徴とする請求項１に記載の受信機。
【請求項３】
上記フィルタ手段（６；１６）は、狭帯域フィルタ備えていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項４】
上記フィルタ（６；１６）は、薄膜誘電性フィルムの多層から構成される干渉フィルタであることを特徴とする請求項３に記載の受信機。
【請求項５】
上記フィルタ手段（６；１６）は、要求される帯域幅の範囲において波長のみが検知されるようにするため波長の閾値を有する検知手段（５；１５；２６、２７、２８）と組み合わせて用いられるロングパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項６】
上記フィルタ手段は、検知面（４；７６）の近傍においてフラットフィルタ（６）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項７】
上記フィルタ手段は、湾曲した受信面（１２）にて、湾曲フィルタ（１６）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項８】
上記検知面（４；１４；７６）には、反射防止コーティング（１７）が備えられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項９】
上記検知面（４；１４；７６）には、屈折率整合コーティング（７、８；１８）が備えられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１０】
上記集光器（１；１０；２０、２１、２２；７１）は、凸面または凹面に湾曲した受信面（２２；１２；２３、２４、２５；７２）を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１１】
上記集光器（７１）は、入射放射線を検知面（７６）の方へ導く光導体（７４）によって伸ばされていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１２】
上記集光器は、入射放射線を上記検知面の方へ導く光ファイバによって伸ばされていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１３】
検知手段（５；１５；２６、２７、２８）から電気出力信号を受信するために、検知回路を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１４】
全内部反射集光器（１）の配列、上記集光器（１）によって受信した放射線を検知し、検知された放射線の電気出力信号表示を与えるための検知手段を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１５】
上記集光器（１）は、幅広い複合視野の入射放射線を受信するためにそれぞれ異なる角度で配置された受信面（２）を備えることを特徴とする請求項１４に記載の受信機。
【請求項１６】
上記集光器（１）は、受信機が要求される形状に適合できるように、柔軟なリンク（８２）によって共に連結されていることを特徴とする請求項１４〜１５いずれか１項に記載の受信機。
【発明の詳細な説明】
本発明は、無線通信受信機に関するものであり、限定されるものではないが、特には屋内の赤外線通信受信機などのような光無線通信受信機に関する。
【０００１】
「光」という言葉は、可視スペクトルの範囲の波長のみならず、赤外線および紫外線の波長、すなわち全波長範囲が１ｎｍから１ｍｍまでのものを意味していることは理解されるであろう。
【０００２】
屋内および屋外にて用いられる光無線通信システムが向上するように、徹底した研究が近年行われてきている。短距離通信用媒体としてのラジオと比較すると、スペクトルの光学部分は、多大な利点を提供するからである。特に、赤外線通信は、低コストで高い帯域幅を有しており、ラジオの干渉を受けず、自由に入手できるスペクトルを用いる。さらにまた、赤外線生成部材は安価であり、小型で、消費電力が低い。しかしながら、赤外線には、いくつかの欠点もある。ある配置においては、赤外線のリンクは、その通信経路に在る人や物によって妨害され得る。概して、屋内の光無線通信システムは、人工光または太陽光によるノイズのある環境にて作動する。多くの適用では、伝送受信技術としての輝度変調／直接検知（ｄｉｒｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）（ＩＭ／ＤＤ）を用いており、ＤＤ受信機の電気的な信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ − ｔｏ − ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）は、受信した光パワー（ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）の二乗に比例する。つまり、上記システムは、小さな経路ロスのみを許容し、上記伝達装置は、高い出力を必要とする。しかし、伝送出力は、安全性の考慮および消費電力によって制限される。
【０００３】
非常に有効的な集光領域と狭い光帯域幅とを有する光センサーを利用することによって、経路ロスおよびバックグラウンドノイズ（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ）の影響を低減させることができる。しかしながら、上記したような検知器の高い電気容量は、受信機の帯域幅を低減させ、信号対雑音比の低下を招来することとなる。従って、受信機が狭帯域光学フィルタを用いて、周囲照明からの放射線を遮蔽できるように、ごくわずかな狭い光学スペクトルを有する伝送装置を提供することは好都合なことである。大きな領域への光の入射をより小さな領域へのビームの入射へ転換することによって、受信機の収光効率を向上させるため、光学集光器を用いることもまた望まれる。より小さな光センサーを用いることができるので、電気容量およびコストを低減させ、受信機の感度を向上させることができる。
【０００４】
多層の帯域通過フィルタと共に、全方向及び定方向の集光器の使用は、効果的に望まれない周囲照明を選別して除き、光センサーの有効範囲を増加させることを示してきた。Ｊ．Ｐ．サビッキー（Ｓａｖｉｃｋｉ）およびＣ．Ｓ．Ｐ．モーガン（Ｍｏｒｇａｎ）による、「照射野を取り除くプレーナー型センサー用半球状集光器およびスペクトルフィルタ」、応用光学、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．３４、１９９４年１２月、ｐｐ．８０５７−８０６１にて、半球状表面にコーティングされたフィルタを備える半球状誘電性集光器の使用が開示される。上記したような構成は、半球が、光センサーと比べて十分に大きい限りにおいて、狭帯域通過、幅広い視野およびＮ２（Ｎは、屈折率）に近似する利得を得る。また、軸対称である複合放物面集光器（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｓ）を利用する構成が提案されており、例えばＫ．ホー及びＪ．Ｍ．カーンの「狭帯域の無線赤外線受信機用複合放物面集光器」、光工学、ｖｏｌ．３４、Ｎｏ．５、１９９５年５月、ｐｐ．１３８５−１３９５がある。このような集光器を利用する構成は、いくつかの利点がある。例えば、平らな薄膜光学フィルタが用いられているが、そのフィルタは、半球状フィルタよりも容易に作ることができる。また、このような集光器は、視野が９０度未満の場合、Ｎ２よりも高い利得を有するように設計され、より小さい光センサーを利用することができるので、従ってコストを低減することができる。しかしながら、上記したような集光器の重大な欠点は、上記集光器を多くの実用的な装置に適応させ得ない要因である集光器の過度な長さである。
【０００５】
本発明の目的は、先に示した構成に関係している多くの問題を回避する広い視野を有する狭帯域無線通信受信機を提供することである。
【０００６】
本発明においては、幅広い視野にわたる入射放射線（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を受信する受信面、上記受信面を通過する放射線を、検知面の方へ全て内部反射する凹面をなす側面、放射線が検知面に達する前に放射線をフィルタリングするフィルタ手段、および上記検知面に達した放射線を検知し、検知された放射線の電気出力信号表示を与えるための検知手段を有する全内部反射集光器（ｔｏｔａｌｌｙ ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）を備えた無線通信受信機が提供されている。
【０００７】
上記集光器は、誘電性全内部反射集光器（ＤＴＩＲＣ）であることが望ましい。ＤＴＩＲＣは、受信面の屈折と側面からの全内部反射とを結合するので、理論的な最大限度に近似する集光を得ることができる。半球状の集光器と比較すると、ＤＴＩＲＣは、より高い集光と、製作が容易で製作寸法公差を緩和できる平らな薄膜光学フィルタの使用の可能性とを提供し得る。さらにまた、電気容量およびコストを低減し、受信機の感度を向上させるより小さな光センサーを使用することができる。ＤＴＩＲＣは、ＤＴＩＲＣの表面の湾曲形状および大きな屈折率の誘電性材料の使用の結果として、複合放物面集光器と比較して、ＤＴＩＲＣはより小さい寸法（概して、複合パラボリック集光器のおよそ５分の１）であり、より高い集光ができるという２つの利点を有している。
【０００８】
より十分に本発明の理解を深めるため、ここで添付図面にて例示することによって参照されており、
図１、２および３は本発明の異なる３つの実施形態を示し、
図４は、薄膜帯域通過光学フィルタの構成を示す図であり、
図５は、薄膜光学帯域通過フィルタの角伝送特性（ａｎｇｕｌａｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）のグラフであり、
図６は、薄膜光学帯域通過フィルタに対する入射角にともなう中心波長の変化を示すグラフであり、
図７は、シリコン光ダイオードの典型的な反応性を示したものに重ね合わせたガリウム砒化物材料の伝送曲線を示すグラフであり、
図８および図９は、説明図であり、
図１０は、本発明のさらなる実施形態を示しており、
図１１（ａ）および１１（ｂ）は、いくつかのレシーバを利用した配列の端面図および側面図であり、
図１２は、図１１（ａ）および（ｂ）の変更した配列の側面図である。
【０００９】
図１は、本発明の無線通信受信機の第１の実施形態を示しており、本発明は、凸状に曲がった受信面２、軸対称である凹面をなしている側面３および円形の検知面４を備えたＤＴＩＲＣ１を有している。上記検知面４は、例えば赤外線検知器などのような光センサー５を組み入れている。平らな薄膜光学フィルタ６は、検知面４を覆っており、フィルタの屈折率をフィルタのどちらか一方側の屈折率に整合するために、屈折率マッチングフィルム７と８との間に挟まれる。光学上および赤外線の運用において、上記ＤＴＩＲＣ１は、低速因子（ａ ｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）を有する誘電性材料、すなわち言い換えると高い屈折率を有する材料（例えば、パースペクス（ｐｅｒｓｐｅｘ）またはクラウンガラスなどのような材料である。）にて主に構成されている。
【００１０】
上記に示した実施形態は、他のフィルタ形状よりも容易に製作できる平らなフィルタを組み入れているという利点を有しているが、ある入射角での光の受信面における反射光に起因して、いくつかの方向ではより低い感度となる不利点をこうむるので、主には光学テレポイント（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｌｅｐｏｉｎｔ）等のような応用例に適する。
【００１１】
図２は、本発明の第２の実施形態であって、本発明は、凸面をなす受信面１２、軸対称である凹面をなす側面１３および、光センサー１５を組み入れた円形の検知面１４を備えたＤＴＩＲＣ１０を有する。この場合、半球状の薄膜光学フィルタ１６は、受信面１２に備えられる。随意的に、反射防止コーティング１７は、検知面１４に備えられ、上記反射防止コーティング１７には屈折率整合フィルム（ａｎ ｉｎｄｅｘ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｉｌｍ）１８が備えられる。本実施形態は、光学利得と受信機の視野との間にて折衷されており、定方向及び拡散したシステム両方に適する。
【００１２】
図３は、さらにまた、広く結合した視野の受光に対して異なる角度にて配置される凸をなす受信面２３、２４、２５を備えるＤＴＩＲＣ２０、２１、２２が配列された実施形態を示す。各ＤＴＩＲＣ２０、２１、２２は、図２にて参照し記したＤＴＩＲＣ１０と同じ一般的構成である。さらにまた、上記ＤＴＩＲＣ２０、２１、２２の光センサー２６、２７、２８は、３つの集光器が受信した光に対して検出回路網が反応するように、共通の検出回路網（図示せず）に連結される。このような構成は、高い利得および全体で半角９０度以上の視野を実現できる。
【００１３】
ＤＴＩＲＣを利用する上記した受信機は、半球状の集光器に比べ高い集光効率を有しており、同様に、製作容易で製作工程を緩和できる平らな薄膜光学フィルタを使用することができることを示す。すなわち、より小さい光センサーを用いることができ、つまりは、コスト及び電気容量を低減させ、受信機の感度を向上させることができる。
【００１４】
狭帯域の光学スペクトルを用いる送信機を備える高速屋内赤外線通信システムにおいて上記した受信機が使用される場合、受信機は、実質的にはただ送信機にて用いられる波長の光のみ通過させ、その一方で、受信機において雑音の一因となる入射放射線のほとんどを遮蔽する、帯域通過又はロングパスフィルタのいずれかを用いてもよい。図４に示すように、帯域通過光学フィルタは、たいてい光学干渉の効力によりフィルタリングする多層の誘電性フィルムから構成される。フィルタ３０は、コームライン（ｃｏｍｂ−ｌｉｎｅ）フィルタとして働くファブリーペロー共振器にて２または３のセクション３１を有する。各セクション３１は、スペーサー層３４によって分割された２つの誘電性層３２、３３を構成し、隣接するセクション３１は、連結層３５によって共に連結される。これらのフィルタの反応は、入射角に強く依存しており、受信機を設計する際は、入射角を考慮しなければならない。
【００１５】
上記フィルタの伝送特性は、
【００１６】
【数１】
2004508733.tif 000003
【００１７】
にて示される式のｍ次数バタワース応答（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）に近づくことが知られており、ここで、θは入射角、λ０は垂直入射での中心波長（ｃｅｎｔｒｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）、Ｔｆ０は送信のピーク値（ｐｅａｋ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）、Δλはフィルタの光学帯域幅である。上記の近似は、フィルタの性質および帯域通過リプル（ｔｈｅ ｂａｎｄｐａｓｓ ｒｉｐｐｌｅ）における低下を考慮することができないが、入射角に関連する中心波長の依存性を明確に示すことができる。入射角（θ）に関連するフィルタ（λｃ）の中心波長の変化は、
【００１８】
【数２】
2004508733.tif 000004
【００１９】
によって近似でき、ここで、ｎｌは入力層の屈折率、ｎｓはスペーサーの有効な屈折率、λ０はθ＝０度での中心波長である。図５は、バタワース近似を利用する光学帯域通過フィルタの典型的な送信スペクトルを示す。図６は、薄膜フィルタに対する中心波長の角依存性を示す。薄膜帯域通過フィルタは、場合によっては１ｎｍ以下の非常に狭い帯域幅を有するので、周辺光への高い遮蔽をなし得る。
【００２０】
図６から分かるように、光の入射角度の値が増加するにつれ、フィルタの中心波長はより小さい値の方へと移行しおり、この現象は、広い視野を有する受信機を設計する際には考慮しなければならないことであると認められる。特には、受信機での信号対比を最大とするために、送信機のスペクトルが、確実にフィルタの帯域幅の範囲に位置することは重要である。
【００２１】
バックグラウンドノイズを遮断するため帯域通過フィルタを用いることの代替案として、シリコン光センサーが検知しない範囲を超えた遮断波長を有するシリコン光センサーと組み合わせて、広域特性を有するロングパスフィルタを使用することができる。図７は、ロングパスフィルタの応答曲線４１に重ね合わせたシリコン光ダイオードの応答特性曲線４０を示すことにより、該代替案を図示する。上記光ダイオードは、１，１００ｎｍ以下の波長に対してのみ応答し、一方で、上記フィルタは、約７８０ｎｍを超える波長を通しており、図７の斜線領域４２にて示されるように約３２０ｎｍの光学帯域幅を示していることが分かる。ロングパスフィルタは、着色されたプラスチックもしくはガラス、またはヒ化ガリウム基材にて作られる。さらにまた、フィルタがあらゆる種類の光学集光器と共に用いることができるように、これらのフィルタの送信特性は、基本的には、光の入射角には依存していない。しかしながら、上記したようなフィルタの帯域幅は、比較的大きく、それ故、いくつかの応用例には適し得えない。
【００２２】
位相保存（ｐｈａｓｅ−ｃｏｎｓｅｒｖｉｎｇ）法並びに集光器の幾何学的および光学的特性を利用した図１のＤＴＩＲＣ１の設計は、受信面２、全内部反射側面３、検知面４と符号された図８、９を参照して以下において議論される。一束の光線５０が、図８に示すように最大の角度（受信できる角度）にて受信面２に達した場合、光線は屈折し、５１にて示すように側面３に向かい、そして５２に示すように検知面の方へ全て内部反射される。検知面４に到達した光線のみが、集光器の設計された受信できる角度の範囲の光線である。受信面２における光線の入射が、上記した受信できる角度を越える場合、光線は側面３から射出し、検知面４から外れる。
【００２３】
３次元集光器の設計をする場合の最も良い方法は、まず、２次元の場合についての設計値を解き、一度２次元解が得られたら、対称軸に対して２次元の形状を回転することにより３次元の場合と同値を得ることができる。受信面２は、球形の一部であり、側面３の傾斜は、全内部反射の要求に基づいて決定される。平らな干渉フィルタが用いられる場合は、ある値を超えないようにする、検知面での光の入射角に関する要求などのように、他の付随的な条件の設計においてもまた考慮する必要がある。このように、図８に示するように平面フィルタ６を用いるＤＴＩＲＣ１の場合、形状は、反射した光線が入射の最大値を超えないような方法で設計される。この制限は、入射角へのフィルタの高い依存応答のためである。
【００２４】
上記設計は、位相保存法に基づかれており、射出遠光線（ｔｈｅ ｅｘｉｔｉｎｇ ｅｘｔｒｅｍｅ ｒａｙｓ）は、光線が側面３を経て反射した後に、新しい波先を形成し、そして反射した光線は、予め決められた最大角の範囲に射出されねばならないのである。図８を参照すると、側部の形状がＰ１−Ｐ２とＰ２−Ｐ３との２つの部分に分けられる。第１の部分（Ｐ１−Ｐ２）におけるすべての遠光線は、単一の全内部反射の後、コーナーポイントＰ３´に向かう。第２の部分（Ｐ２−Ｐ３）における射出する遠光線は、側面３を経て反射した後に、新しい波先を形成する。図９は、１１、１２、１３、１４の４つの部分から構成される入射部の波先から射出部の波先間での光線の全光路長を示す。部分１１は、最初の波先点から受信面２まで伸びており、部分１２は、受信面２から側面３の反射点６０まで伸びており、部分１３は、反射点６０から射出面６１まで伸びており、部分１４は、射出面６１から最終の波先まで伸びている（光線がＰ３´に集光する場合は、部分１４は０となる）。従って、全光路長は下記の式にて計算でき、
【００２５】
【数３】
2004508733.tif 000005
【００２６】
ｎは、ＤＴＩＲＣの材料の屈折率を示している。
【００２７】
形状の調整は、上記式と厳しい制約とを組み合わせて、部分１１、１２、１３、１４の値を解析的に解き、先に提案された付随的な条件に照らし合わせて計算され得る。
【００２８】
上記した方法に基づくプログラムは、プログラムへの入力を、受信できる角度、受信面の弧の角度、誘電性物質の屈折率、射出部の開口としてＭＡＴＬＡＢ（登録商標）を利用して側面形状の曲面を数値的に導きだせるようになってきた。上記プログラムは、試算の入射部の開口および試算の高さを仮定し、一束の遠光線、要求精度に依存して用いられる遠光線の総数、Ｐ３で反射する遠光線から開始してＰ１で入射する遠光線で終了するプログラムを用いて上記形状の調整を計算できる。上記プログラムは、上記試算の開口と発生した入射部の開口とを比較し、試算の開口と計算上の開口との差分が、予め設定された測定誤差の許容範囲に収束するまで繰り返し試行されることで、上記２つの開口の間の差分から新しい開口および高さが得られる。一旦、入射部の開口が設定されると、ＤＴＩＲＣのＸ−Ｙ軸は計算できる。
【００２９】
光学無線通信受信機を設計する場合、コストや必要となる出力、サイズ、重量、構成部材の入手可能性など多数の異なる基準を考慮しなければならず、さらにまた同様に、指向性および信号対雑音比に対する要求も考慮しなければならない。また、光ダイオードのサイズ（直接的にはコストおよび電気容量に関係する）および集光材料の屈折率に応じて制限が課せられる。小さいサイズで最大の集光ができるようにするため、屈折率はできるだけ大きく選択される。さらにまた、屈折率の増加に伴い、幾何学的集光（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）も増加する。また、受信面の弧の角度が小さな角度から大きな角度に変化するにつれ、幾何学的集光は、いくつかの屈折率に対してほぼ一定となる。屈折率だけでなく、集光に影響を与えるほかの２つのパラメータは、受信面の弧の角度と受容角度（遠距離である発光源からの波先を仮定する）である。幾何学的集光は、受容角度に反比例するが、概して集光は、受信面の弧の角度によって比較的軽微な程度の影響を受ける。
【００３０】
散在リンクを設計する場合、幾何学的集光と視野との間において妥協がなされる。たとえば、３立方メートルの部屋において拡散照射された場合、受信機は、その部屋全体を十分カバーできる半角６０°の視野を有することが計算される。しかしながら、ＤＴＩＲＣ（それは高利得である）を用いることによる利点をより活かせるシステムは、定方向のシステムであり、そしてそれはＬＯＳシステムであるということが認められる。既述した薄膜帯域通過フィルタは、入射角に強い依存性を有しているので、このことは、ＤＴＩＲＣを設計する際に考慮されねばならない。上記したような帯域通過フィルタを用いて、出力角度を４５°以下に制限する必要があるならば、受信面の弧の角度はできるだけ大きく取られなければならず、集光器のサイズを低減させてしまう。ＤＴＩＲＣは、高い最大出力値を有するように設計されている場合、最も良い選択肢は、上記したようにシリコン光センサーと組み合わせて、ロングパスフィルタを用いることである。この選択によって望まれないバックグラウンド放射線（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）のフィルタリングと組み合わせた高い集光が可能となる。概して、受容角度が小さくなるにつれて、幾何学的集光は増加する。
【００３１】
軸対称で、３次元のＤＴＩＲＣの使用によって、冗長な集光器を必要とせずに、光学集光器の熱力学的限界に到達し得る。
【００３２】
図１０は、本発明のさらなる実施形態を示しており、遠隔に据え付けられた電気回路にオプティカルカップリング（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）させる、又は異なる光捕獲性能を許容するように、ＤＴＩＲＣ７１の一端は、光導体７４または光ファイバによって伸ばされている。受信面７２からの光ビームの光路７３を考慮した場合、ＤＴＩＲＣ７１と光導体の非相関性は、光導体７４または光ファイバによって光学上の先端を伸ばすことで失われるということが認められ得る。すなわち、光導体７４の一端は、狭帯域干渉フィルタ７５および円形検知面７６と一体になり得る。
【００３３】
そのような構成の特に有利な点は、送信／受信電気回路が、遠隔のプリント配線板に備えることができ、適宜特定の装置に配置される。この典型例は、テレビジョン、ビデオ、またはＤＶＤプレーヤーであり、光学受信機が、直接的なまたは反射的な目的のための遠隔制御ユニットからの赤外線信号を受信するように室内に面している。この場合において、受信面７２は、狭帯域干渉フィルタ７５の代わりに、受信機および光導体を形成する光学材料に内蔵されたフィルタ材料を組み入れ得る。このことは、いわゆるプラスチックにて製造する廉価な受信機を提供できるので商業的な利点を有する。
【００３４】
本発明の発展形においては、ＤＴＩＲＣ１の配列は、図１１（ａ）の端面および図１１（ｂ）の側面に示されるように、支持部８０にて据え付けられており、対応する光センサーからの出力信号が、共通の検出回路（不図示）に印加される。この構成は、より大きな捕獲領域が得られるので、より高度な感度を示すことができる。すなわち、全体として同じ捕獲領域を備えた等価なシングルＤＴＩＲＣの受信機に比べて、電気的な帯域幅が改善されることを意味する。ＤＴＩＲＣ１は、集光が妨げられ無い位置にて連結部８１によって互いに接合される。柔軟性のある連結部８２が備えられている場合には、図１２にて示すように、曲面に適合できる柔軟な配列が形成され得る。
【００３５】
上記で述べた本発明の集光器は、要求される適用に対する特定の誘電性材料を選択することによって、さらにより適合性を高めて提供され得る。例えば、単純なプラスチックまたはセラミック材料の代わりに強誘電性材料を用いることができ、装置が異なる周波数または波長となるようにすることができる。さらに、インピーダンス特性および装置の方向性など、装置のほかの特性を最適化するように調整できる。それゆえ、ふさわしい電気または電子制御システムの使用によって、結果として装置の特性は変化させることができるので、無線通信システムに基づくソフトウェアでの使用に適した装置を提供することとなる。
【００３６】
ＤＴＩＲＣの使用に関して、上記の記述が示される一方で、本発明はまた、材料が自由空間速度（ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）未満となる範囲の放射速度で、ある他の材料から形成される全内部反射集光器の使用についてもまた考慮していることが分かる。さらにまた、本発明の範囲内の受信機は、音響放射線と同様に光学波長範囲の外側に電磁放射線を有する適用も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の異なる３つの実施形態を示す図である。
【図２】
本発明の異なる３つの実施形態を示す図である。
【図３】
本発明の異なる３つの実施形態を示す図である。
【図４】
薄膜帯域通過光学フィルタの構成を示す図である。
【図５】
薄膜光学帯域通過フィルタの角伝送特性のグラフである。
【図６】
薄膜光学帯域通過フィルタに対する入射角にともなう中心波長の変化を示すグラフである。
【図７】
シリコン光ダイオードの典型的な反応性を示したものに重ね合わせたガリウム砒化物材料の伝送曲線を示すグラフである。
【図８】
位相保存法並びに集光器の幾何学的および光学的特性を利用した図１のＤＴＩＲＣ１の説明図である。
【図９】
位相保存法並びに集光器の幾何学的および光学的特性を利用した図１のＤＴＩＲＣ１の説明図である。
【図１０】
本発明のさらなる実施形態を示す図である。
【図１１】
（ａ）および（ｂ）は、いくつかのレシーバを利用した配列の端面図および側面図である。
【図１２】
図１１（ａ）および（ｂ）の変更した配列の側面図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年2月21日(2002.2.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【書類名】明細書
【発明の名称】全内部反射集光器を用いる無線通信受信器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）幅広い視野にわたる入射放射線を受信するための受信面（２２；１２；２３、２４、２５；７２）、（ｉｉ）上記受信面を通過する放射線を、本体内に備えられている検知面（４；１４；７６）の方へ全て内部反射する凹面をなす側面（３；１３）、（ｉｉｉ）上記放射線が検知面（４；１４；７６）に達する前に、受信面に入射する放射線をフィルタリングするための狭帯域フィルタ手段（６；１６）および、（ｉｖ）検知面（４；１４；７６）に達する放射線を検知し、検知された放射線の電気出力信号表示を与えるための検知面（４、１４、１７）での検知手段（５；１５；２６、２７、２８）を有する、誘電性材料より本体が構成された全内部反射集光器（１；１０；２０、２１、２２；７１）を備えることを特徴とする無線通信受信機。
【請求項２】
上記集光器（１；１０；２０、２１、２２；７１）は、誘電性の全内部反射集光器（ＤＴＩＲＣ）であることを特徴とする請求項１に記載の受信機。
【請求項３】
上記フィルタ手段（６；１６）は、薄膜フィルムフィルタを備えていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項４】
上記フィルタ（６；１６）は、薄膜誘電性フィルムの多層から構成される干渉フィルタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項５】
上記フィルタ手段（６；１６）は、要求される帯域幅の範囲において波長のみが検知されるようにするため波長の閾値を有する検知手段（５；１５；２６、２７、２８）と組み合わせて用いられるロングパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項６】
上記フィルタ手段は、検知面（４；７６）の近傍においてフラットフィルタ（６）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項７】
上記フィルタ手段は、湾曲した受信面（１２）にて、湾曲フィルタ（１６）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項８】
上記検知面（４；１４；７６）には、反射防止コーティング（１７）が備えられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項９】
上記検知面（４；１４；７６）には、屈折率整合コーティング（７、８；１８）が備えられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１０】
上記集光器（１；１０；２０、２１、２２；７１）は、凸面または凹面に湾曲した受信面（２２；１２；２３、２４、２５；７２）を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１１】
上記集光器（７１）は、入射放射線を検知面（７６）の方へ導く光導体（７４）によって伸ばされていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１２】
上記集光器は、入射放射線を上記検知面の方へ導く光ファイバによって伸ばされていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１３】
検知手段（５；１５；２６、２７、２８）から電気出力信号を受信するために、検知回路を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１４】
全内部反射集光器（１）の配列、上記集光器（１）によって受信した放射線を検知し、検知された放射線の電気出力信号表示を与えるための検知手段を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の受信機。
【請求項１５】
上記集光器（１）は、幅広い複合視野の入射放射線を受信するためにそれぞれ異なる角度で配置された受信面（２）を備えることを特徴とする請求項１４に記載の受信機。
【請求項１６】
上記集光器（１）は、受信機が要求される形状に適合できるように、柔軟なリンク（８２）によって共に連結されていることを特徴とする請求項１４〜１５いずれか１項に記載の受信機。
【発明の詳細な説明】
本発明は、無線通信受信機に関するものであり、限定されるものではないが、特には屋内の赤外線通信受信機などのような光無線通信受信機に関する。
【０００１】
「光」という言葉は、可視スペクトルの範囲の波長のみならず、赤外線および紫外線の波長、すなわち全波長範囲が１ｎｍから１ｍｍまでのものを意味していることは理解されるであろう。
【０００２】
屋内および屋外にて用いられる光無線通信システムが向上するように、徹底した研究が近年行われてきている。短距離通信用媒体としてのラジオと比較すると、スペクトルの光学部分は、多大な利点を提供するからである。特に、赤外線通信は、低コストで高い帯域幅を有しており、ラジオの干渉を受けず、自由に入手できるスペクトルを用いる。さらにまた、赤外線生成部材は安価であり、小型で、消費電力が低い。しかしながら、赤外線には、いくつかの欠点もある。ある配置においては、赤外線のリンクは、その通信経路に在る人や物によって妨害され得る。概して、屋内の光無線通信システムは、人工光または太陽光によるノイズのある環境にて作動する。多くの適用では、伝送受信技術としての輝度変調／直接検知（ｄｉｒｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）（ＩＭ／ＤＤ）を用いており、ＤＤ受信機の電気的な信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ − ｔｏ − ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）は、受信した光パワー（ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）の二乗に比例する。つまり、上記システムは、小さな経路ロスのみを許容し、上記伝達装置は、高い出力を必要とする。しかし、伝送出力は、安全性の考慮および消費電力によって制限される。
【０００３】
非常に有効的な集光領域と狭い光帯域幅とを有する光センサーを利用することによって、経路ロスおよびバックグラウンドノイズ（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ）の影響を低減させることができる。しかしながら、上記したような検知器の高い電気容量は、受信機の帯域幅を低減させ、信号対雑音比の低下を招来することとなる。従って、受信機が狭帯域光学フィルタを用いて、周囲照明からの放射線を遮蔽できるように、ごくわずかな狭い光学スペクトルを有する伝送装置を提供することは好都合なことである。大きな領域への光の入射をより小さな領域へのビームの入射へ転換することによって、受信機の収光効率を向上させるため、光学集光器を用いることもまた望まれる。より小さな光センサーを用いることができるので、電気容量およびコストを低減させ、受信機の感度を向上させることができる。
【０００４】
多層の帯域通過フィルタと共に、全方向及び定方向の集光器の使用は、効果的に望まれない周囲照明を選別して除き、光センサーの有効範囲を増加させることを示してきた。Ｊ．Ｐ．サビッキー（Ｓａｖｉｃｋｉ）およびＣ．Ｓ．Ｐ．モーガン（Ｍｏｒｇａｎ）による、「照射野を取り除くプレーナー型センサー用半球状集光器およびスペクトルフィルタ」、応用光学、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．３４、１９９４年１２月、ｐｐ．８０５７−８０６１にて、半球状表面にコーティングされたフィルタを備える半球状誘電性集光器の使用が開示される。上記したような構成は、半球が、光センサーと比べて十分に大きい限りにおいて、狭帯域通過、幅広い視野およびＮ２（Ｎは、屈折率）に近似する利得を得る。また、軸対称である複合放物面集光器（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｓ）を利用する構成が提案されており、例えばＫ．ホー及びＪ．Ｍ．カーンの「狭帯域の無線赤外線受信機用複合放物面集光器」、光工学、ｖｏｌ．３４、Ｎｏ．５、１９９５年５月、ｐｐ．１３８５−１３９５がある。このような集光器を利用する構成は、いくつかの利点がある。例えば、平らな薄膜光学フィルタが用いられているが、そのフィルタは、半球状フィルタよりも容易に作ることができる。また、このような集光器は、視野が９０度未満の場合、Ｎ２よりも高い利得を有するように設計され、より小さい光センサーを利用することができるので、従ってコストを低減することができる。しかしながら、上記したような集光器の重大な欠点は、上記集光器を多くの実用的な装置に適応させ得ない要因である集光器の過度な長さである。
【０００５】
本発明の目的は、先に示した構成に関係している多くの問題を回避する広い視野を有する狭帯域無線通信受信機を提供することである。
【０００６】
本発明においては、（ｉ）幅広い視野にわたる入射放射線（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を受信する受信面、（ｉｉ）上記受信面を通過する放射線を、本体内に備えられた検知面の方へ全て内部反射する凹面をなす側面、（ｉｉｉ）放射線が検知面に達する前に受信面に入射する放射線をフィルタリングする狭帯域フィルタ手段、および（ｉｖ）上記検知面に達した放射線を検知し、検知された放射線の電気出力信号表示を与えるための検知手段を有する、誘電性材料により本体が構成された全内部反射集光器（ｔｏｔａｌｌｙ ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）を備えた無線通信受信機が提供されている。
【０００７】
「狭帯域フィルタ」という語は、固有の狭帯域特性を有するフィルタおよびフィルタの両方の範囲を包含する、すなわちロングパスフィルタと、要求された帯域幅の範囲の波長のみが検知されるようにするための波長の閾値を有する検知手段との組み合わせなどのように、２つ又はそれ以上の要素の組み合わせであり、狭帯域特性を有するものとして理解される。
【０００８】
上記集光器は、誘電性全内部反射集光器（ＤＴＩＲＣ）であることが望ましい。ＤＴＩＲＣは、受信面の屈折と側面からの全内部反射とを結合するので、理論的な最大限度に近似する集光を得ることができる。半球状の集光器と比較すると、ＤＴＩＲＣは、より高い集光と、製作が容易で製作寸法公差を緩和できる平らな薄膜光学フィルタの使用の可能性とを提供し得る。さらにまた、電気容量およびコストを低減し、受信機の感度を向上させるより小さな光センサーを使用することができる。ＤＴＩＲＣは、ＤＴＩＲＣの表面の湾曲形状および大きな屈折率の誘電性材料の使用の結果として、複合放物面集光器と比較して、ＤＴＩＲＣはより小さい寸法（概して、複合パラボリック集光器のおよそ５分の１）であり、より高い集光ができるという２つの利点を有している。
【０００９】
より十分に本発明の理解を深めるため、ここで添付図面にて例示することによって参照されており、
図１、２および３は本発明の異なる３つの実施形態を示し、
図４は、薄膜帯域通過光学フィルタの構成を示す図であり、
図５は、薄膜光学帯域通過フィルタの角伝送特性（ａｎｇｕｌａｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）のグラフであり、
図６は、薄膜光学帯域通過フィルタに対する入射角にともなう中心波長の変化を示すグラフであり、
図７は、シリコン光ダイオードの典型的な反応性を示したものに重ね合わせたガリウム砒化物材料の伝送曲線を示すグラフであり、
図８および図９は、説明図であり、
図１０は、本発明のさらなる実施形態を示しており、
図１１（ａ）および１１（ｂ）は、いくつかのレシーバを利用した配列の端面図および側面図であり、
図１２は、図１１（ａ）および（ｂ）の変更した配列の側面図である。
【００１０】
図１は、本発明の無線通信受信機の第１の実施形態を示しており、本発明は、凸状に曲がった受信面２、軸対称である凹面をなしている側面３および円形の検知面４を備えたＤＴＩＲＣ１を有している。上記検知面４は、例えば赤外線検知器などのような光センサー５を組み入れている。平らな薄膜光学フィルタ６は、検知面４を覆っており、フィルタの屈折率をフィルタのどちらか一方側の屈折率に整合するために、屈折率マッチングフィルム７と８との間に挟まれる。光学上および赤外線の運用において、上記ＤＴＩＲＣ１は、低速因子（ａ ｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）を有する誘電性材料、すなわち言い換えると高い屈折率を有する材料（例えば、パースペクス（ｐｅｒｓｐｅｘ）またはクラウンガラスなどのような材料である。）にて主に構成されている。
【００１１】
上記に示した実施形態は、他のフィルタ形状よりも容易に製作できる平らなフィルタを組み入れているという利点を有しているが、ある入射角での光の受信面における反射光に起因して、いくつかの方向ではより低い感度となる不利点をこうむるので、主には光学テレポイント（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｌｅｐｏｉｎｔ）等のような応用例に適する。
【００１２】
図２は、本発明の第２の実施形態であって、本発明は、凸面をなす受信面１２、軸対称である凹面をなす側面１３および、光センサー１５を組み入れた円形の検知面１４を備えたＤＴＩＲＣ１０を有する。この場合、半球状の薄膜光学フィルタ１６は、受信面１２に備えられる。随意的に、反射防止コーティング１７は、検知面１４に備えられ、上記反射防止コーティング１７には屈折率整合フィルム（ａｎ ｉｎｄｅｘ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｉｌｍ）１８が備えられる。本実施形態は、光学利得と受信機の視野との間にて折衷されており、定方向及び拡散したシステム両方に適する。
【００１３】
図３は、さらにまた、広く結合した視野の受光に対して異なる角度にて配置される凸をなす受信面２３、２４、２５を備えるＤＴＩＲＣ２０、２１、２２が配列された実施形態を示す。各ＤＴＩＲＣ２０、２１、２２は、図２にて参照し記したＤＴＩＲＣ１０と同じ一般的構成である。さらにまた、上記ＤＴＩＲＣ２０、２１、２２の光センサー２６、２７、２８は、３つの集光器が受信した光に対して検出回路網が反応するように、共通の検出回路網（図示せず）に連結される。このような構成は、高い利得および全体で半角９０度以上の視野を実現できる。
【００１４】
ＤＴＩＲＣを利用する上記した受信機は、半球状の集光器に比べ高い集光効率を有しており、同様に、製作容易で製作工程を緩和できる平らな薄膜光学フィルタを使用することができることを示す。すなわち、より小さい光センサーを用いることができ、つまりは、コスト及び電気容量を低減させ、受信機の感度を向上させることができる。
【００１５】
狭帯域の光学スペクトルを用いる送信機を備える高速屋内赤外線通信システムにおいて上記した受信機が使用される場合、受信機は、実質的にはただ送信機にて用いられる波長の光のみ通過させ、その一方で、受信機において雑音の一因となる入射放射線のほとんどを遮蔽する、帯域通過又はロングパスフィルタのいずれかを用いてもよい。図４に示すように、帯域通過光学フィルタは、たいてい光学干渉の効力によりフィルタリングする多層の誘電性フィルムから構成される。フィルタ３０は、コームライン（ｃｏｍｂ−ｌｉｎｅ）フィルタとして働くファブリーペロー共振器にて２または３のセクション３１を有する。各セクション３１は、スペーサー層３４によって分割された２つの誘電性層３２、３３を構成し、隣接するセクション３１は、連結層３５によって共に連結される。これらのフィルタの反応は、入射角に強く依存しており、受信機を設計する際は、入射角を考慮しなければならない。
【００１６】
上記フィルタの伝送特性は、
【００１７】
【数１】
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【００１８】
にて示される式のｍ次数バタワース応答（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）に近づくことが知られており、ここで、θは入射角、λ０は垂直入射での中心波長（ｃｅｎｔｒｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）、Ｔｆ０は送信のピーク値（ｐｅａｋ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）、Δλはフィルタの光学帯域幅である。上記の近似は、フィルタの性質および帯域通過リプル（ｔｈｅ ｂａｎｄｐａｓｓ ｒｉｐｐｌｅ）における低下を考慮することができないが、入射角に関連する中心波長の依存性を明確に示すことができる。入射角（θ）に関連するフィルタ（λｃ）の中心波長の変化は、
【００１９】
【数２】
2004508733.tif 000027
【００２０】
によって近似でき、ここで、ｎｌは入力層の屈折率、ｎｓはスペーサーの有効な屈折率、λ０はθ＝０度での中心波長である。図５は、バタワース近似を利用する光学帯域通過フィルタの典型的な送信スペクトルを示す。図６は、薄膜フィルタに対する中心波長の角依存性を示す。薄膜帯域通過フィルタは、場合によっては１ｎｍ以下の非常に狭い帯域幅を有するので、周辺光への高い遮蔽をなし得る。
【００２１】
図６から分かるように、光の入射角度の値が増加するにつれ、フィルタの中心波長はより小さい値の方へと移行しおり、この現象は、広い視野を有する受信機を設計する際には考慮しなければならないことであると認められる。特には、受信機での信号対比を最大とするために、送信機のスペクトルが、確実にフィルタの帯域幅の範囲に位置することは重要である。
【００２２】
バックグラウンドノイズを遮断するため帯域通過フィルタを用いることの代替案として、シリコン光センサーが検知しない範囲を超えた遮断波長を有するシリコン光センサーと組み合わせて、広域特性を有するロングパスフィルタを使用することができる。図７は、ロングパスフィルタの応答曲線４１に重ね合わせたシリコン光ダイオードの応答特性曲線４０を示すことにより、該代替案を図示する。上記光ダイオードは、１，１００ｎｍ以下の波長に対してのみ応答し、一方で、上記フィルタは、約７８０ｎｍを超える波長を通しており、図７の斜線領域４２にて示されるように約３２０ｎｍの光学帯域幅を示していることが分かる。ロングパスフィルタは、着色されたプラスチックもしくはガラス、またはヒ化ガリウム基材にて作られる。さらにまた、フィルタがあらゆる種類の光学集光器と共に用いることができるように、これらのフィルタの送信特性は、基本的には、光の入射角には依存していない。しかしながら、上記したようなフィルタの帯域幅は、比較的大きく、それ故、いくつかの応用例には適し得えない。
【００２３】
位相保存（ｐｈａｓｅ−ｃｏｎｓｅｒｖｉｎｇ）法並びに集光器の幾何学的および光学的特性を利用した図１のＤＴＩＲＣ１の設計は、受信面２、全内部反射側面３、検知面４と符号された図８、９を参照して以下において議論される。一束の光線５０が、図８に示すように最大の角度（受信できる角度）にて受信面２に達した場合、光線は屈折し、５１にて示すように側面３に向かい、そして５２に示すように検知面の方へ全て内部反射される。検知面４に到達した光線のみが、集光器の設計された受信できる角度の範囲の光線である。受信面２における光線の入射が、上記した受信できる角度を越える場合、光線は側面３から射出し、検知面４から外れる。
【００２４】
３次元集光器の設計をする場合の最も良い方法は、まず、２次元の場合についての設計値を解き、一度２次元解が得られたら、対称軸に対して２次元の形状を回転することにより３次元の場合と同値を得ることができる。受信面２は、球形の一部であり、側面３の傾斜は、全内部反射の要求に基づいて決定される。平らな干渉フィルタが用いられる場合は、ある値を超えないようにする、検知面での光の入射角に関する要求などのように、他の付随的な条件の設計においてもまた考慮する必要がある。このように、図８に示するように平面フィルタ６を用いるＤＴＩＲＣ１の場合、形状は、反射した光線が入射の最大値を超えないような方法で設計される。この制限は、入射角へのフィルタの高い依存応答のためである。
【００２５】
上記設計は、位相保存法に基づかれており、射出遠光線（ｔｈｅ ｅｘｉｔｉｎｇ ｅｘｔｒｅｍｅ ｒａｙｓ）は、光線が側面３を経て反射した後に、新しい波先を形成し、そして反射した光線は、予め決められた最大角の範囲に射出されねばならないのである。図８を参照すると、側部の形状がＰ１−Ｐ２とＰ２−Ｐ３との２つの部分に分けられる。第１の部分（Ｐ１−Ｐ２）におけるすべての遠光線は、単一の全内部反射の後、コーナーポイントＰ３´に向かう。第２の部分（Ｐ２−Ｐ３）における射出する遠光線は、側面３を経て反射した後に、新しい波先を形成する。図９は、１１、１２、１３、１４の４つの部分から構成される入射部の波先から射出部の波先間での光線の全光路長を示す。部分１１は、最初の波先点から受信面２まで伸びており、部分１２は、受信面２から側面３の反射点６０まで伸びており、部分１３は、反射点６０から射出面６１まで伸びており、部分１４は、射出面６１から最終の波先まで伸びている（光線がＰ３´に集光する場合は、部分１４は０となる）。従って、全光路長は下記の式にて計算でき、
【００２６】
【数３】
2004508733.tif 000028
【００２７】
ｎは、ＤＴＩＲＣの材料の屈折率を示している。
【００２８】
形状の調整は、上記式と厳しい制約とを組み合わせて、部分１１、１２、１３、１４の値を解析的に解き、先に提案された付随的な条件に照らし合わせて計算され得る。
【００２９】
上記した方法に基づくプログラムは、プログラムへの入力を、受信できる角度、受信面の弧の角度、誘電性物質の屈折率、射出部の開口としてＭＡＴＬＡＢ（登録商標）を利用して側面形状の曲面を数値的に導きだせるようになってきた。上記プログラムは、試算の入射部の開口および試算の高さを仮定し、一束の遠光線、要求精度に依存して用いられる遠光線の総数、Ｐ３で反射する遠光線から開始してＰ１で入射する遠光線で終了するプログラムを用いて上記形状の調整を計算できる。上記プログラムは、上記試算の開口と発生した入射部の開口とを比較し、試算の開口と計算上の開口との差分が、予め設定された測定誤差の許容範囲に収束するまで繰り返し試行されることで、上記２つの開口の間の差分から新しい開口および高さが得られる。一旦、入射部の開口が設定されると、ＤＴＩＲＣのＸ−Ｙ軸は計算できる。
【００３０】
光学無線通信受信機を設計する場合、コストや必要となる出力、サイズ、重量、構成部材の入手可能性など多数の異なる基準を考慮しなければならず、さらにまた同様に、指向性および信号対雑音比に対する要求も考慮しなければならない。また、光ダイオードのサイズ（直接的にはコストおよび電気容量に関係する）および集光材料の屈折率に応じて制限が課せられる。小さいサイズで最大の集光ができるようにするため、屈折率はできるだけ大きく選択される。さらにまた、屈折率の増加に伴い、幾何学的集光（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）も増加する。また、受信面の弧の角度が小さな角度から大きな角度に変化するにつれ、幾何学的集光は、いくつかの屈折率に対してほぼ一定となる。屈折率だけでなく、集光に影響を与えるほかの２つのパラメータは、受信面の弧の角度と受容角度（遠距離である発光源からの波先を仮定する）である。幾何学的集光は、受容角度に反比例するが、概して集光は、受信面の弧の角度によって比較的軽微な程度の影響を受ける。
【００３１】
散在リンクを設計する場合、幾何学的集光と視野との間において妥協がなされる。たとえば、３立方メートルの部屋において拡散照射された場合、受信機は、その部屋全体を十分カバーできる半角６０°の視野を有することが計算される。しかしながら、ＤＴＩＲＣ（それは高利得である）を用いることによる利点をより活かせるシステムは、定方向のシステムであり、そしてそれはＬＯＳシステムであるということが認められる。既述した薄膜帯域通過フィルタは、入射角に強い依存性を有しているので、このことは、ＤＴＩＲＣを設計する際に考慮されねばならない。上記したような帯域通過フィルタを用いて、出力角度を４５°以下に制限する必要があるならば、受信面の弧の角度はできるだけ大きく取られなければならず、集光器のサイズを低減させてしまう。ＤＴＩＲＣは、高い最大出力値を有するように設計されている場合、最も良い選択肢は、上記したようにシリコン光センサーと組み合わせて、ロングパスフィルタを用いることである。この選択によって望まれないバックグラウンド放射線（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）のフィルタリングと組み合わせた高い集光が可能となる。概して、受容角度が小さくなるにつれて、幾何学的集光は増加する。
【００３２】
軸対称で、３次元のＤＴＩＲＣの使用によって、冗長な集光器を必要とせずに、光学集光器の熱力学的限界に到達し得る。
【００３３】
図１０は、本発明のさらなる実施形態を示しており、遠隔に据え付けられた電気回路にオプティカルカップリング（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）させる、又は異なる光捕獲性能を許容するように、ＤＴＩＲＣ７１の一端は、光導体７４または光ファイバによって伸ばされている。受信面７２からの光ビームの光路７３を考慮した場合、ＤＴＩＲＣ７１と光導体の非相関性は、光導体７４または光ファイバによって光学上の先端を伸ばすことで失われるということが認められ得る。すなわち、光導体７４の一端は、狭帯域干渉フィルタ７５および円形検知面７６と一体になり得る。
【００３４】
そのような構成の特に有利な点は、送信／受信電気回路が、遠隔のプリント配線板に備えることができ、適宜特定の装置に配置される。この典型例は、テレビジョン、ビデオ、またはＤＶＤプレーヤーであり、光学受信機が、直接的なまたは反射的な目的のための遠隔制御ユニットからの赤外線信号を受信するように室内に面している。この場合において、受信面７２は、狭帯域干渉フィルタ７５の代わりに、受信機および光導体を形成する光学材料に内蔵されたフィルタ材料を組み入れ得る。このことは、いわゆるプラスチックにて製造する廉価な受信機を提供できるので商業的な利点を有する。
【００３５】
本発明の発展形においては、ＤＴＩＲＣ１の配列は、図１１（ａ）の端面および図１１（ｂ）の側面に示されるように、支持部８０にて据え付けられており、対応する光センサーからの出力信号が、共通の検出回路（不図示）に印加される。この構成は、より大きな捕獲領域が得られるので、より高度な感度を示すことができる。すなわち、全体として同じ捕獲領域を備えた等価なシングルＤＴＩＲＣの受信機に比べて、電気的な帯域幅が改善されることを意味する。ＤＴＩＲＣ１は、集光が妨げられ無い位置にて連結部８１によって互いに接合される。柔軟性のある連結部８２が備えられている場合には、図１２にて示すように、曲面に適合できる柔軟な配列が形成され得る。
【００３６】
上記で述べた本発明の集光器は、要求される適用に対する特定の誘電性材料を選択することによって、さらにより適合性を高めて提供され得る。例えば、単純なプラスチックまたはセラミック材料の代わりに強誘電性材料を用いることができ、装置が異なる周波数または波長となるようにすることができる。さらに、インピーダンス特性および装置の方向性など、装置のほかの特性を最適化するように調整できる。それゆえ、ふさわしい電気または電子制御システムの使用によって、結果として装置の特性は変化させることができるので、無線通信システムに基づくソフトウェアでの使用に適した装置を提供することとなる。
【００３７】
ＤＴＩＲＣの使用に関して、上記の記述が示される一方で、本発明はまた、材料が自由空間速度（ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）未満となる範囲の放射速度で、ある他の材料から形成される全内部反射集光器の使用についてもまた考慮していることが分かる。さらにまた、本発明の範囲内の受信機は、音響放射線と同様に光学波長範囲の外側に電磁放射線を有する適用も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の異なる３つの実施形態を示す図である。
【図２】
本発明の異なる３つの実施形態を示す図である。
【図３】
本発明の異なる３つの実施形態を示す図である。
【図４】
薄膜帯域通過光学フィルタの構成を示す図である。
【図５】
薄膜光学帯域通過フィルタの角伝送特性のグラフである。
【図６】
薄膜光学帯域通過フィルタに対する入射角にともなう中心波長の変化を示すグラフである。
【図７】
シリコン光ダイオードの典型的な反応性を示したものに重ね合わせたガリウム砒化物材料の伝送曲線を示すグラフである。
【図８】
位相保存法並びに集光器の幾何学的および光学的特性を利用した図１のＤＴＩＲＣ１の説明図である。
【図９】
位相保存法並びに集光器の幾何学的および光学的特性を利用した図１のＤＴＩＲＣ１の説明図である。
【図１０】
本発明のさらなる実施形態を示す図である。
【図１１】
（ａ）および（ｂ）は、いくつかのレシーバを利用した配列の端面図および側面図である。
【図１２】
図１１（ａ）および（ｂ）の変更した配列の側面図である。
【国際調査報告】
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