(57)【要約】【課題】３次元光学系における入射光に対し、広い角度範囲で安定した高利得で受光する。【解決手段】入射角度に依らず一定値の出射角度で光を出射する要素ＧＲＩＮレンズ１０を複数有する０．２５ピッチＧＲＩＮレンズアレー５と、前記ＧＲＩＮレンズアレー５の光出射側に設けられた集光レンズ６と、前記集光レンズ６の集光位置に配置された受光素子４とを備え、前記複数の要素ＧＲＩＮレンズ１０は２次元方向に配列されている、受光デバイス。【選択図】図１
2009122146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射角度に依らず一定値の出射角度で光を出射するビーム変換素子を複数備えたビーム変換器であって、
個々の前記ビーム変換素子は、中心軸上で最大となり、前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布と（０．５×ｍ＋０．２５）ピッチ（ｍ：整数）の光路長を有する屈折率分布型レンズであり、
前記複数のビーム変換素子は２次元方向に配列されている、ビーム変換器。
【請求項２】
入射角度に依らず一定値の出射角度で光を出射するビーム変換素子を複数有するビーム変換部と、
前記ビーム変換部の光出射側に設けられたビーム集光部と、
前記ビーム集光部の集光位置に配置された受光素子とを備え、
前記複数のビーム変換素子は２次元方向に配列されている、受光デバイス。
【請求項３】
前記ビーム変換部の前記出射角度の前記一定値は、出射光と２次元方向に配列された前記複数のビーム変換素子により形成される平面とがなす角が直角となるような値である、請求項２に記載の受光デバイス。
【請求項４】
前記ビーム変換素子は、中心軸上で最大となり、前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布と（０．５×ｍ＋０．２５）ピッチ（ｍ：整数）の光路長を有する屈折率分布型レンズである、請求項２に記載の受光デバイス。
【請求項５】
前記ビーム集光部は、その集光位置に焦点を有するレンズ、凹面鏡、又は円錐形状の反射面を有する集光器のいずれかを有する、請求項２に記載の受光デバイス。
【請求項６】
前記ビーム変換部に入射する光は複数の波長を有する光であって、
前記受光素子は、前記複数の波長に対応した異なる焦点位置に配置された複数の受光素子を有する、請求項２に記載の受光デバイス。
【請求項７】
前記焦点位置は、長波長のものほど前記ビーム集光部からの距離が大きい位置である、請求項６に記載の受光デバイス。
【請求項８】
前記受光素子は、前記焦点位置に一方の一端が配置された光導波路及び前記光導波路の他端と光学的に結合した光／電気変換素子で構成されている、請求項２に記載の受光デバイス。
【請求項９】
前記光導波路が、少なくとも一つのコアを有する、請求項８に記載の受光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号空間伝送、あるいは、光エネルギー空間伝送（太陽電池）に使用されるビーム変換器及び受光デバイスに関し、より特定的には、受信許容角度の大きなビーム変換器及び受光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光空間伝送においては送信部と受信部の光軸が合っているのが理想的であるが、現実的には、固定送信部と固定受信部のアライメント不良による静的軸ズレや、送信部と受信部の少なくとも一方が移動（可動）体である場合の動的軸ズレが存在する。軸ズレが発生すると受光レベルの低下によりＳＮ劣化、誤り率の増加による伝送レートの低下、送信パワーの増加の必要などの問題が生じる。さらに、受光素子に高速性が要求されるほど受光面積が小さくなるので、軸ズレの影響が顕著となる。
【０００３】
ここで、軸ズレには位置ズレと角度ズレの２種類があるが、光空間伝送の場合、自由空間伝搬中にビーム径はある程度広がっているので位置ズレよりも角度ズレが特に問題である。すなわち、受光面積の小さな受光素子に集光するための従来のレンズなどは分散面が固定的な曲面であるために、入射角の変動により集光位置が敏感に変化するので利得の劣化をもたらす。
【０００４】
角度ズレした入射光を広角度範囲で受光する方法としては、従来より以下のようなものが知られている。
【０００５】
図１０に示す例は、集光レンズ１０１と、角度ズレがない場合における集光レンズ１０１の光束１０２がつくる焦点１０３よりも近い位置に配置した受光素子１０４とを備えたものである（例えば、特許文献１参照）。受光素子１０４は角度ズレ後の光束１０５に対しても受光することができ、狭い角度範囲での高利得よりも広い角度範囲においてある程度の利得を確保することができる。
【０００６】
又、図１１に示すように、レンズ２００の一部である凸面をなす入力面２０１及び凹面をなす円錐状の側面２０２を有し、側面２０２から入力面２０１を通る光線が、受光側である出力面２０３の方へ全て内部反射する誘電性内部反射集光器を備えたものもある（例えば、特許文献２参照）。同様の原理による技術として、受光素子方向に断面が小さくなる円錐形状のレンズの側面に反射鏡を備えることにより、受光素子へ直接入射しない光も側面での反射を通して前記受光素子に入射させるものがある（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００５−１０２１７１（例えば第１図）
【特許文献２】特表２００４−５０８７３３（例えば第１図）
【特許文献３】特開平８−６２０３９（例えば第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術には以下のような課題があった。すなわち、図１０に示すような従来の方法は、レンズのデフォーカス光学系を利用して軸ズレ時にも受光素子１０４が受光できるようにしたものであるが、受光素子１０４の配置位置における入力光量が分散するため、角度ズレ無し時の受光素子１０４の利得も低下させてしまい、原理的に高利得は得られない。
【０００８】
一方、図１１に示すように、入力面２０１を通る入射光を側面２０２での全反射や金属反射により出力面２０３に誘導する構成では、入射角が大きくなるに従って側面２０２での反射回数が増え、集光器の出力面２０３に到達する前に外部に反射されるので、結局軸ズレ時の高利得は得られない。
【０００９】
以上のように、従来の受光系においては、軸ズレ、特に角度ズレに対応した広い角度範囲を確保し、かつ高利得で受光することが困難であった。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、３次元光学系における入射光に対し、広い角度範囲で安定した高利得で受光できるビーム変換器及び受光デバイス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】
【００１１】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、入射角度に依らず一定値の出射角度で光を出射するビーム変換素子を複数備えたビーム変換器であって、
個々の前記ビーム変換素子は、中心軸上で最大となり、前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布と（０．５×ｍ＋０．２５）ピッチ（ｍ：整数）の光路長を有する屈折率分布型レンズであり、
前記複数のビーム変換素子は２次元方向に配列されている、ビーム変換器である。
【００１２】
又、第２の本発明は、入射角度に依らず一定値の出射角度で光を出射するビーム変換素子を複数有するビーム変換部と、
前記ビーム変換部の光出射側に設けられたビーム集光部と、
前記ビーム集光部の集光位置に配置された受光素子とを備え、
前記複数のビーム変換素子は２次元方向に配列されている、受光デバイスである。
【００１３】
又、第３の本発明は、前記ビーム変換部の前記出射角度の前記一定値は、出射光と２次元方向に配列された前記複数のビーム変換素子により形成される平面とがなす角が直角となるような値である、第２の本発明の受光デバイスである。
【００１４】
又、第４の本発明は、前記ビーム変換素子は、中心軸上で最大となり、前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布と（０．５×ｍ＋０．２５）ピッチ（ｍ：整数）の光路長を有する屈折率分布型レンズである、第２の本発明の受光デバイスである。
【００１５】
又、第５の本発明は、前記ビーム集光部は、その集光位置に焦点を有するレンズ、凹面鏡、又は円錐形状の反射面を有する集光器のいずれかを有する、第２の本発明の受光デバイスである。
【００１６】
又、第６の本発明は、前記ビーム変換部に入射する光は複数の波長を有する光であって、
前記受光素子は、前記複数の波長に対応した異なる焦点位置に配置された複数の受光素子を有する、第２の本発明の受光デバイスである。
【００１７】
又、第７の本発明は、前記焦点位置は、長波長のものほど前記ビーム集光部からの距離が大きい位置である、第６の本発明の受光デバイスである。
【００１８】
又、第８の本発明は、前記受光素子は、前記焦点位置に一方の一端が配置された光導波路及び前記光導波路の他端と光学的に結合した光／電気変換素子で構成されている、第２の本発明の受光デバイスである。
【００１９】
又、第９の本発明は、前記光導波路が、少なくとも一つのコアを有する、第８の本発明の受光デバイスである。
【００２０】
以上のような本発明は、その一例として、同一光軸上の入射側から、出力光の出射角度が入射角度に依らず０度となる部分を有するビーム変換素子の複数個を光軸に垂直な２次元方向に配列した２次元配列ビーム変換素子群と、前記２次元配列ビーム変換素子群と同程度の大きさを有するビーム集光部と、前記ビーム集光部の集光位置に配置された受光素子で構成される。
【００２１】
以上のような本発明によれば、ビーム集光部の集光位置に受光素子を配置する集光光学系において、出力光の出射角度が入射角度に依らず０度となる部分を有するビーム変換素子の複数個を光軸に垂直な２次元方向に配列した２次元配列ビーム変換素子群を配置することによって、入射光の入射角に依らず常に一定光量がビーム集光部へ軸ズレ無し状態で入射するので、広い角度範囲で安定的に受光素子に集光される。
【発明の効果】
【００２２】
以上述べたことから明らかなように、本発明は、３次元光学系における入射光に対し、広い角度範囲で安定した高利得で受光できるという効果を有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の受光デバイスの構成図である。
【００２４】
本実施の形態１の受光デバイスは、０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズアレーと集光光学系を使用した受光デバイスである。
【００２５】
本発明の実施の形態１の受光デバイスは、図１に示すように、同一光軸上の入射側から、中心軸上で最大となり、前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布及び０．２５ピッチの光路長を有する屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）を複数個を、個々のＧＲＩＮレンズ（以下、要素ＧＲＩＮレンズと称す）の光軸に垂直な２次元方向に格子配列してなるＧＲＩＮレンズアレー５と、ＧＲＩＮレンズアレー５と同程度の大きさを有する集光レンズ６と、集光レンズ６から焦点距離８だけ離れた焦点位置に配置された受光素子４とで構成され、光源１から出射され、自由空間２を伝播する光を受光するものである。
【００２６】
なお、上記の構成において、ＧＲＩＮレンズアレー５は本発明のビーム変換部に相当する。又、集光レンズ６は本発明のビーム集光部に相当する。又、受光素子４は本発明の受光素子に相当する。
【００２７】
次に、集光レンズ６のようなレンズの集光光学系でも広い角度範囲で軸ズレ入射光を安定的に受光素子４上に集光できるメカニズムを、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００２８】
まず、要素ＧＲＩＮレンズ１０としての、屈折率分布定数ｇ（ｍｍ−１）、中心軸上の屈折率ｎ０の０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズ、及び、集光レンズ６としての、焦点距離８としての焦点距離ｆ（＞0：凸レンズを仮定）の集光レンズの入出力特性はそれぞれ式１、式２となる。
【００２９】
【数１】
2009122146.tif 000003
【００３０】
【数２】
2009122146.tif 000004
【００３１】
ただし、ｒ１とｒ１′、ｒ２とｒ２′、ｒ３とｒ３′は、それぞれ集光レンズ６の光軸３を基準にした要素ＧＲＩＮレンズ１０への入射光７の入射位置（ｍｍ）と入射角度（ｒａｄ）、要素ＧＲＩＮレンズ１０からの出射光の出射位置（ｍｍ）と出射角度（ｒａｄ）、集光レンズ６の出射位置（ｍｍ）と出射角度（ｒａｄ）を示し、ｒｋは、ＧＲＩＮレンズアレー５における第ｋ番目の要素ＧＲＩＮレンズの中心軸１１の位置を示す。又、集光レンズ６の出射端は集光位置とし、周囲は空気と仮定した。
【００３２】
従って、集光レンズ６の入射側近傍にＧＲＩＮレンズアレー５を配置した光学系の入出力関係は式３となる。
【００３３】
【数３】
2009122146.tif 000005
【００３４】
式１によると、ＧＲＩＮレンズアレー５を構成する任意の要素ＧＲＩＮレンズの中心軸
上（ｒ１＝ｒｋ）に入射した光はその入射角度ｒ１′の大きさに依らず出射角度ｒ２′は０（ｒａｄ）となる。図２（ａ）には、集光レンズ６の光軸３と中心軸１１を共有する要素ＧＲＩＮレンズ１０を例にとり説明したが、他の要素ＧＲＩＮレンズにおいても同様である。なお、要素ＧＲＩＮレンズ１０は本発明のビーム変換素子に相当する。
【００３５】
従って、式３より、ｒ１＝ｒｋの場合、ｒ３＝０となるので、原理的には入射角度ｒ１′に関し、−π／２（ｒａｄ）（＝−９０°）＜ｒ１′＜π／２（ｒａｄ）（＝９０°）の広い角度範囲において要素ＧＲＩＮレンズの中心軸１１上に入射した入射光７は全て集光レンズ６に対する平行光として集光レンズ６に入射するため、受光素子４に受光される。
【００３６】
ＧＲＩＮレンズアレー５の場合、集光レンズ６に入射する光２次元方向に配列された要素ＧＲＩＮレンズ１０により形成される平面とがなす角が直角となるように、各要素ＧＲＩＮレンズ１０を配列しているため、ＧＲＩＮレンズアレー５全体の光軸は集光レンズ６の光軸３と平行となる。
【００３７】
又、ｒ３が受光素子４の受光断面半径ｒ６以下の場合も受光されるので、式４に示す範囲内にある、個々の要素ＧＲＩＮレンズの中心軸近傍の入射光も受光される。
【００３８】
【数４】
2009122146.tif 000006
【００３９】
一方、要素ＧＲＩＮレンズ１０の中心軸近傍以外、つまりｒ１が中心軸１１から離れた位置における入射光７の出射角度ｒ２′は、図２（ｂ）（ｃ）に示すように集光レンズ６への入射角ｒ３が０（ｒａｄ）（＝０°）にならず、焦点位置に配置した受光素子４に受光されない。実施の形態の場合も特許文献１に記載の技術と同様に入射光の一部を犠牲にして広い受光角度を得ていると言える。
【００４０】
しかし、焦点位置でのレンズ利得は一般的に３０ｄＢ以上あるので、入射光の大半を捨てる本実施の形態の方が、非焦点位置に受光素子を配置することでレンズ利得が約６ｄＢ（特許文献１の段落（００２２）に記載された受光できる受光素子のズレ量１８ｍｍと段落（００４２）に記載されたレンズ幅７０ｍｍから、レンズ利得は
【００４１】
【数５】
2009122146.tif 000007
【００４２】
と算出することが出来る）の特許文献１よりも優れている。
【００４３】
以下、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して、本実施の形態の受光デバイスと特許文献１に記載の、受光素子４を集光レンズ６の非焦点位置に配置してなる従来例との利得比較を定量的に行う。ただし図３（ａ）は本実施の形態の受光デバイスの受光状態を説明する図、図３（ｂ）は図３（ａ）を要素ＧＲＩＮレンズ１０単位で見た場合の説明図、図３（ｃ）は従来例による受光状態を説明する図である。
【００４４】
特許文献１の従来例に関し、図３（ｃ）を参照して、集光レンズ６の面積をＳ１、焦点位置１２より前方に配置された受光素子４の配置位置における集光面積をＳ２とすると、レンズ利得Ｇ′は式５となる。
【００４５】
【数６】
2009122146.tif 000008
【００４６】
一方、本実施の形態の受光デバイスに関し、図３（ａ）を参照して、集光レンズ６の焦点位置に配置した受光素子４の、当該配置位置での集光面積をＳ３、要素ＧＲＩＮレンズの受光面積（断面積）をＳ４、要素ＧＲＩＮレンズ１０の中心軸近傍面積をＳ５とすると、レンズ利得Ｇは式６となる。ただし、図３（ｂ）に示すように、要素ＧＲＩＮレンズ１０の中心軸１１近傍に入射する光は全て受光し、それ以外は全て受光しないと仮定する。
【００４７】
【数７】
2009122146.tif 000009
【００４８】
従って、両者のレンズ利得差Ｇ′−Ｇは式７となる。
【００４９】
【数８】
2009122146.tif 000010
【００５０】
特許文献１の段落（００２２）の記載によるとＳ２＝π×１８２（ｍｍ２）となるのに対し、集光レンズ６の集光面積はシングルモード光ファイバーのコア径以下波長以上に集光できるのでＳ３＜π×０．００８２（ｍｍ２）となる。
【００５１】
従って、これらを式７に代入すると以下の式８が得られる。ただし、要素ＧＲＩＮレンズの受光断面半径をｒ４、要素ＧＲＩＮレンズの中心軸近傍断面半径をｒ５（＝ｒ６／ｆｎ０ｇ）とした。
【００５２】
【数９】
2009122146.tif 000011
【００５３】
ここで、受光素子４や集光レンズ６の設計パラメータとして、受光素子４の断面半径ｒ６＞０．１（ｍｍ）、ｆ＝２０（ｍｍ）、ｎ０＝１．５９０、ｇ＝０．３２６（ｍｍ−１）、ｒ４＝０．５（ｍｍ）などの代表的な数値を使用すると、ｒ５＝９．６μｍとなるので、以下の式９に示すように、本実施の形態の方が特許文献１に記載の従来例よりも２５ｄＢ以上利得が高いことが分かる。
【００５４】
【数１０】
2009122146.tif 000012
【００５５】
なお、以上の比較はＧＲＩＮレンズアレー５の挿入損失を無視しているが、ＧＲＩＮレンズアレー５の挿入損失は１ｄＢより小さい範囲内にあり、この挿入損失を考慮しても圧倒的に本実施の形態の受光デバイスの方が優れている。
【００５６】
さらに、特許文献１に記載の従来例の場合は受光角度範囲と利得に負相関があるのに対して、本実施の形態の場合は受光角度範囲と利得はＧＲＩＮレンズアレー５（要素ＧＲＩＮレンズ１０）の設計で自由に制御できる利点もある。又、入射光７の入射角度に依らず受光量が一定なので、利得が安定する利点もある。
【００５７】
このように、本発明の実施の形態１の受光デバイスによれば、レンズの焦点位置に受光素子を配置する集光光学系において、０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズのように出力光の出射角度が入射角度に依らず中心軸に対して０度となる部分を有するビーム変換素子の複数個を、各ビーム変換素子の光軸に垂直な２次元方向に配列した２次元配列ビーム変換素子群を配置することによって広い角度範囲において高利得で受光できる。
【００５８】
なお、受光素子４の例としては光／電気変換素子が挙げられるが、光ファイバーとすると軸ズレ入射光と光ファイバーの結合問題に、又、光源１の例としてはレーザダイオード等のレーザ光源が挙げられるが、光源１を太陽とすると、光エネルギーと太陽電池の結合問題に置き換えることができ、これら問題を扱う受光システムにおいても本発明は有用である。
【００５９】
又、以上の原理は光（可視光、不可視光を問わない）の波長帯域に限らず、その他の波長領域の電磁波にも応用できる。
【００６０】
又、ＧＲＩＮレンズアレー５は、図４（ａ）に示すように、要素ＧＲＩＮレンズの２次元上配置として格子配置であるものとして説明を行ったが、図４（ｂ）に示すように千鳥配置であるものとしてもよい。この場合、最密充填構造として、単位面積当たりの要素ＧＲＩＮレンズの個数を増やして、ＧＲＩＮレンズアレー５の集光効率を高めることが可能となり、小型化又は高密度化の効果が得られる。
【００６１】
又、ＧＲＩＮレンズアレー５は、図１及び図４（ａ）（ｂ）に示すように、集光レンズ６の直径に対応して方形に要素ＧＲＩＮレンズ１０を配置するものとして説明を行ったが、集光レンズ６の外形に対応して円形に配置するものとしてもよい。
【００６２】
要するに、本発明のビーム変換部は、ビーム集光部に対し平行光を出射できるものであれば、ビーム変換素子の２次元配列の具体的な態様によって限定されるものではない。
【００６３】
又、本発明のビーム集光部は図１のような凸レンズの集光レンズ６を例として説明を行ったが、図５に示す、入力側が湾曲した円錐状の反射面１３ａを有する集光器１３や、図６に示す、湾曲した鏡面を有し、光軸３上に配置されない受光素子４方向に反射して集光する反射鏡１４として実現してもよい。
【００６４】
要するに、本発明のビーム集光部は、受光素子に光を導くことができれば、その具体的な構成や光学的作用の違いによって限定されるものではない。
【００６５】
又、上記の説明においては要素ＧＲＩＮレンズ１０はいずれも０．２５ピッチの光路長を有するものとして説明を行ったが、（０．５×ｍ＋０．２５）ピッチ（ｍ：整数）の条件を満たす光路長であれば任意の長さとしてもよい。
【００６６】
又、上記の説明においては、集光レンズ６の光軸３とＧＲＩＮレンズアレー５の光軸を一致させるべく、要素ＧＲＩＮレンズ１０からの出射光と２次元方向に配列された各要素ＧＲＩＮレンズ１０により形成される平面とがなす角が直角であるとして説明を行ったが、出射光と当該平面とがなす角は斜行していてもよい。この場合、集光レンズ６の光軸３とＧＲＩＮレンズアレー５の光軸が交差する関係となるが、受光システム内における受光素子４の配置にバリエーションを持たせることができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の受光デバイスは、図７に示すように、複数の波長を有する光源としての太陽１９に対して受光を行うものである。
【００６７】
図７において図１と同一又は相当部には、同一符号を付した。すなわち、実施の形態１のＧＲＩＮレンズアレー５と同様の構成を有する、同一光軸上の入射側から、中心軸上で最大となり、前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布と０．２５ピッチの光路長を有する要素ＧＲＩＮレンズを複数個光軸に垂直な２次元方向に配列したＧＲＩＮレンズアレー５と、ＧＲＩＮレンズアレーと同程度の大きさを有する集光レンズ６とを備えた点は実施の形態１と同様であるが、本実施の形態２は、単一の受光素子４に代えて、受光する光の波長に応じて異なる焦点位置に配置される複数の受光素子を備えたことを特徴とする。図７においては、長波長光の受光に用いる長波長受光素子１７、及び短波長光の受光に用いる短波長受光素子１８の２つの受光素子を用いた。
【００６８】
このとき、光軸３上にて、短波長受光素子１８の短波長焦点距離１６は、長波長受光素子１７の長波長焦点距離１５はよりも小さくなっており、短波長受光素子１８は集光レンズ６に近い側に配置されるが、これは以下の理由による。すなわち、凸レンズとしての集光レンズ６を用いた場合、レンズ材料のガラスや樹脂等の色収差によって、集光レンズ６の焦点距離は、長波長の光ほど長くなるからである。
【００６９】
本実施の形態の構成とすることにより、太陽光のような複数の波長を有する光源からの光を受光する場合は、波長で感度が異なる受光素子を最適配置することで、広い角度範囲と広い波長範囲において高利得受光が可能となる。このような受光デバイスは、特に太陽電池に好適である。
【００７０】
なお、上記の説明では受光素子は２つであるとしたが、必要とする波長に応じて３つ以上としてよいことはいうまでもない。又、複数の波長を有する光源としては太陽に限定されず、電球光等の人工的な光であってもよい。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、図８に示すように、実施の形態１の受光素子４に代えて、光／電気変換素子２１、及び集光レンズ６の焦点位置に入力端を、遠隔地に配置された光／電気変換素子２１を出力端にそれぞれ接続し、光学的結合を確保した光ファイバー２０を備えた構成を有する。
【００７１】
このように、光ファイバー２０を使用して遠隔地で光／電気変換することで、エネルギー光源と電気需要地が離れていても、エネルギー光源の状態（光ファイバー２０への入力状態）に依らず、広い角度範囲と広い波長範囲において高利得受光が可能となる。
【００７２】
なお、光ファイバー２０はパワー伝送を目的とする場合は、マルチモード光ファイバーで、コアを複数個有するバンドルファイバーであってもよい。又、光源１は複数波長を有していてもよい。この場合実施の形態２の構成と組み合わせることもできる。
【００７３】
以上の各実施の形態においては、本発明の受光デバイスとして、ＧＲＩＮレンズアレー５、集光レンズ６及び受光素子４等を備えた構成を中心に行ったが、本発明は、ＧＲＩＮレンズアレー５単体にて実現してもよい。この場合、任意の方向から入射する入射光に対して一定値の出射角度を有する出射光を出射可能な光学素子として、光中継器等の各種光学デバイスに用いることができる。このときＧＲＩＮレンズアレー５は、本発明のビーム変換器に相当することになる。
【００７４】
又、上記の各実施の形態においては、ＧＲＩＮレンズアレー５は、複数の要素ＧＲＩＮレンズ１０を２次元配列して構成するものとして説明をおこなったが、図９に示すように、一部は要素ＧＲＩＮレンズ１０に代えて、屈折率分布を有さないガラス板等の光学素子１０ａを用いてもよい。光学素子１０ａを軸ズレによって光路の影響を受けにくい場所について用いることによって、高利得受光効果を確保しつつ、低コスト、手間を削減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明のビーム変換器及び受光デバイスは、光空間伝送において、広い角度範囲で安定した高利得で受光できる効果を有し、例えばビーム変換器及び受光デバイスを用いた高速伝送方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施の形態１の、集光レンズ６として凸レンズを使用した受光デバイスの概要図である。
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１の０．２５ピッチの要素ＧＲＩＮレンズ１０の光線軌跡の概要図である。（ｂ）本発明の実施の形態１の０．２５ピッチの要素ＧＲＩＮレンズ１０の光線軌跡の概要図である。（ｃ）本発明の実施の形態１の０．２５ピッチの要素ＧＲＩＮレンズ１０の光線軌跡の概要図である。
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１の受光デバイスの受光デバイス利得計算モデルの概要図である。（ｂ）本発明の実施の形態１の受光デバイスの利得計算モデルの概要図である。（ｃ）従来例の受光デバイスの利得計算モデルの概要図である。
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１のＧＲＩＮレンズアレー５の概要図である。（ｂ）本発明の実施の形態１のＧＲＩＮレンズアレー５の他の構成の概要図である。
【図５】本発明の実施の形態１の、集光器１３を使用した受光デバイスの概要図である。
【図６】本発明の実施の形態１の、反射鏡１４を使用した受光デバイスの概要図である。
【図７】本発明の実施の形態２の、各波長毎に受光素子を最適配置した太陽電池に適した受光デバイスの概要図である。
【図８】本発明の実施の形態３の、光ファイバー２０で受光伝送する受光デバイスの概要図である。
【図９】本発明の実施の形態のＧＲＩＮレンズアレー５の他の構成例を示す概要図である。
【図１０】従来の技術による受光デバイスの概要図である。
【図１１】従来の技術による受光デバイスの概要図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  光源
２  自由空間
３  光軸
４  受光素子
５  ＧＲＩＮレンズアレー
６  集光レンズ
７  入射光
８  焦点距離
９  出射光
１０  要素ＧＲＩＮレンズ
１０ａ  光学素子
１１  中心軸
１２  焦点位置
１３  集光器
１３ａ  反射面
１４  反射鏡
１５  長波長焦点距離
１６  短波長焦点距離
１７  長波長受光素子
１８  短波長受光素子
１９  太陽
２０  光ファイバー
２１  光／電気変換素子
【図１０】
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【図１１】
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【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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