CN101431137A - 发光装置、光接收装置、空间传输装置及透镜设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的发光装置可适当地确保用于便携式活动图像再现装置那样的光无线通信的可通信区域。该发光装置包括：发光单元，将光射出到包含光轴的某个范围；以及放射用透镜，被设置在光轴的周围以覆盖发光单元，使来自发光单元的光折射而放射到外部空间。在设定了将发光单元的中心设为原点，将光轴设为y轴，并具有与y轴正交的x轴的坐标系时，放射用透镜与外部空间的界面在x≥0的定义域中由函数y＝g(x)表示。随着|x|增大，以某个拐点x₀为界，函数g(x)的2次导数d²g(x)/dx²的符号从负变为正，在透镜的界面上存在凹坑。

Description

发光装置、光接收装置、空间传输装置及透镜设计方法

技术领域

本发明涉及发光装置、光接收装置、以及由发光装置和光接收装置的组合构成的空间光传输装置。

此外，该发明还涉及适合发光装置、光接收装置的透镜设计方法。

此外，该发明还涉及包括了发光装置的照明装置。

背景技术

图9例示了用户900在听由包含IrDA装置的便携式活动图像(movingpicture)再现装置101所再现的声音时的情况。IrDA装置意味着按照由红外线通信协会(Infrared Data Association)所规定的红外线的光无线通信标准来进行通信的装置，在该例子中是指发送机102和接收机104。由便携式活动图像再现装置101所得到的再现信号(1比特数字信号)通过发送机102，被调制为红外线信号103，从而被放射到空间中。接收机104接收被放射的该红外线信号103，从而通过未图示的低通滤波器而变换为声音信号。用户900一边观看在便携式活动图像再现装置101上所显示的活动图像，一边通过耳机120听声音。

图10表示公知的IrDA装置200的截面结构。该IrDA装置200包括：安装在基板211上的发光二极管芯片(light emitting diode chip)205；光接收芯片207；以及发送接收信号处理用IC(集成电路)芯片209。这些芯片205、207、209通过半导体装置保护用树脂210覆盖。在半导体装置保护用树脂210的表面中，在与发光二极管芯片205、光接收芯片207对应的部位上，与半导体装置保护用树脂210以相同的材料通过一体成型而分别设置了放射模式控制用透镜206、光接收用聚光透镜208。该放射模式控制用透镜206、光接收用聚光透镜208都是半球状或者半椭圆球状的凸透镜。来自外部空间的光203′在透镜208的界面上折射而被聚光，并入射到光接收芯片207的光接收单元(在芯片表面形成的光接收区域)。

图11表示从发光二极管芯片205那样的发光元件的发光单元(在芯片内形成的发光区域)的中心O(将中心O设为xyz正交坐标的原点)射出的光线L通过的情况。该xyz正交坐标由与发光二极管芯片205(的发光单元)的光轴一致的y轴、与其垂直的x轴、与它们正交的z轴规定。在包含y轴且相对z轴倾斜了角度φ的平面Q内，被射到相对y轴倾斜了角度θ的方向上的光线L在透镜206的界面S上，被折射到相对y轴倾斜了角度Θ的方向上。如果假设发光二极管芯片205的发光面和透镜206相对y轴为旋转对称，则光线L的y轴附近的角度θ不改变，光线L进至平面Q内。

已知，在将光功率合计设为P₀时，从发光二极管芯片205射出的光L在透镜206的内部的放射强度分布由下一算式(1)的一般朗伯分布(Lambertdistribution)(以下简称为“朗伯分布”)表示。

$f\left(\mathrm{\θ}\right)=P_0\frac{n+1}{2\mathrm{\π}}{\cos }^n\mathrm{\θ}...\left(1\right)$

这里，n是被称为朗伯指数的指数，n＝1。因此，定向半值角度为60度。此外，为了简化，设光功率合计P₀＝1mW。

透镜206为半球状或者半椭圆球状的情况下，通过了透镜206的界面S后的光L(相当于图9中的103、图10中的203)的放射强度分布由下一算式(2)表示。

$F\left(\mathrm{\Θ}\right)=P_0\frac{N+1}{2\mathrm{\π}}{\cos }^N\mathrm{\Θ}...\left(2\right)$

这里，指数N使用通过了透镜206的界面S后的定向半值角度(意味着放射强度相对于最大放射强度为一半值的角度)Θ_H，从而表示为，

N＝ln(cosΘ_H)/ln0.5...(3)。

图12表示将对于y轴的角度取作横轴，将放射强度取作纵轴时的朗伯分布的放射强度分布。在对于y轴的角度Θ＝0时的放射强度为最大，随着对于y轴的角度Θ增大而放射强度减小，在角度Θ成为定向半值角度Θ_H时，放射强度成为1/2。在该例子中，Θ_H＝27度。这时，根据算式(3)，指数N＝6。

从前，作为IrDA装置的使用方式，主要设想了例如电视机装置的遥控器和其接收机那样，用户有意使发送机和接收机对置，进行短时间的数据交换的方式。因此，当接收机相对发送机在一定的角度范围且处于一定的距离范围的情况下进行良好的通信成为目标。例如，在特开平11-14935号公报、特开2005-189446号公报中，都较窄地限制了发送机放射的光的放射范围，从而使光的强度分布在该被限制的放射范围内均匀。

但是，在最近，正在增加使用关于图9所述的便携式活动图像再现装置101的情况那样，用户在长时间内实时地接收声音的使用方式。在这样的经过长时间的使用方式中，难以使用户在视听中有意地保持同样的姿势。因此，在以往的便携式活动图像再现装置101，用户的视听中会引发以下问题，例如用户在水平方向(左方向或者右方向)上平行移动了发送机的等情况下，接收机相对发送机从可通信区域(在该例子中是放射强度为100nW/cm²的区域)偏离。

发明内容

因此，本发明的课题在于，提供一种能够适当地确保用于便携式活动图像再现装置那样的光无线通信的可通信区域的发光装置、光接收装置、以及由发光装置和光接收装置的组合构成的空间光传输装置。

此外，本发明的课题还在于提供适合这样的发光装置、光接收装置的透镜设计方法。

此外，本发明的课题还在于提供可较宽地确保照明范围的照明装置。

根据本发明人的调查得知，在使用便携式活动图像再现装置时，在视听中通过用户的姿势改变，发送机对接收机相对地在水平方向移动的范围是20cm左右。即，如图13(照度等高线)中的实线所示，在对发送机沿垂直方向y为1m左右，从手边沿水平方向(左方向或者右方向)x为20cm左右的子弹型的范围内，发送机相对移动。并且，该发送机移动的子弹型的范围LI_R被要求作为可通信区域。另外，在便携式活动图像再现装置101那样的以往的IrDA装置中，虚线所示那样的大致椭圆形的范围LI_P为可通信区域。由该图13可知，在以往的IrDA装置中，在用户的手边(来自发送机的垂直距离y为10cm左右的地方)，在水平方向上被允许的位置偏移为20cm以下。因此，如上所述，会引起接收机相对发送机从可通信区域偏离的问题。

基于上述那样的调查结果，本发明人如下设计了能够适当地确保用于便携式活动图像再现装置那样的光无线通信的可通信区域的装置。

为了解决上述课题，本发明的发光装置的特征在于，包括：

发光单元，将光射出到包含光轴的某个范围；以及

放射用透镜，被设置在上述光轴的周围以覆盖上述发光单元，使来自上述发光单元的光折射而放射到外部空间，

在设定了将上述发光单元的中心设为原点，将上述光轴设为y轴，并具有与上述y轴正交的x轴的坐标系时，上述放射用透镜与外部空间的界面在x≥0的定义域中由函数y＝g(x)表示，随着|x|增大，以某个拐点x₀为界，上述函数g(x)的2次导数d²g(x)/dx²的符号从负变为正。

这里，发光单元的“光轴”意味着光的射出强度最大的、从发光单元延伸的直线。

在本发明的发光装置中，关于被放射到上述外部空间的光，可得到照度等高线为子弹型的形状那样的放射强度分布。因此，能够适当地确保用于便携式活动图像再现装置那样的光无线通信的可通信区域。

在一实施方式的发光装置中，其特征在于，在将被放射到上述外部空间的光对于上述y轴形成的角度设为Θ时，上述光的强度分布实质上包含1/sin²Θ的因子。

在这一实施方式的发光装置中，关于被放射到上述外部空间的光，可得到照度等高线大致为期望的子弹型的形状那样的放射强度分布。

在一实施方式的发光装置中，其特征在于，在将被放射到上述外部空间的光对于上述y轴形成的角度设为Θ，并将m设为4以上的整数时，上述光的强度分布实质上包含，

1+cos²Θ+cos⁴Θ+cos⁶Θ+...+cos^2mΘ

的因子。

一般成立

1/sin²Θ＝1+cos²Θ+cos⁴Θ+cos⁶Θ+...+cos^2mΘ+...

的关系式。这一实施方式的发光装置，在该关系式中，将m设为整数，从而在m≥4的范围内近似放射用透镜的界面的形状。由此，关于被放射到上述外部空间的光，可得到照度等高线大致为期望的子弹型的形状那样的放射强度分布。

在一实施方式的发光装置中，其特征在于，关于上述x轴方向，上述发光单元的尺寸相对于上述放射用透镜的尺寸为1/5以下。

在这一实施方式的发光装置中，关于被放射到上述外部空间的光，可高精度地得到照度等高线为子弹型的形状那样的放射强度分布。

在一实施方式的发光装置中，其特征在于，上述发光单元由面发光激光器构成。

一般，面发光激光器的其发光面的尺寸为μm级(order)。因此，在这一实施方式的发光装置中，根据上述发光单元的μm级的尺寸，可实现放射用透镜的小型化。

本发明的光接收装置，其特征在于，包括：

光接收单元，从包含光轴的某个范围接受光；以及

聚光用透镜，被设置在上述光轴的周围以覆盖上述光接收单元，使来自外部空间的光折射而入射到上述光接收单元，

在设定了将上述光接收单元的中心设为原点，将上述光轴设为y轴，并具有与上述y轴正交的x轴的坐标系时，上述聚光用透镜与外部空间的界面在x≥0的定义域中由函数y＝h(x)表示，随着|x|增大，以某个拐点x₀为界，上述函数h(x)的2次导数d²h(x)/dx²的符号从负变为正。

这里，光接收单元的“光轴”意味着光的入射灵敏度最大的、从光接收单元延伸的直线。

在本发明的光接收装置中，能够高灵敏度地接收从近距离向水平方向到来的光。因此，能够适当地确保用于便携式活动图像再现装置那样的光无线通信的可通信区域。

本发明的空间光传输装置用于进行光无线通信，其由发光装置和光接收装置组合而构成，

上述发光装置包括：

发光单元，将光射出到包含光轴的某个范围；以及

放射用透镜，被设置在上述光轴的周围以覆盖上述发光单元，使来自上述发光单元的光折射而放射到外部空间，

在设定了将上述发光单元的中心设为原点，将上述光轴设为y轴，并具有与上述y轴正交的x轴的坐标系时，上述放射用透镜与外部空间的界面在x≥0的定义域中由函数y＝g(x)表示，随着|x|增大，以某个拐点x₀为界，上述函数g(x)的2次导数d²g(x)/dx²的符号从负变为正，

上述光接收装置包括：

光接收单元，从包含光轴的某个范围接受光；以及

聚光用透镜，被设置在上述光轴的周围以覆盖上述光接收单元，使来自外部空间的光折射而入射到上述光接收单元，

在设定了将上述光接收单元的中心设为原点，将上述光轴设为y轴，并具有与上述y轴正交的x轴的坐标系时，上述聚光用透镜与外部空间的界面在x≥0的定义域中由函数y＝h(x)表示，随着|x|增大，以某个拐点x₀为界，上述函数h(x)的2次导数d²h(x)/dx²的符号从负变为正。

在本发明的空间光传输装置中，发光装置以照度等高线为子弹型的形状那样的放射强度分布向外部空间放射光。此外，光接收装置能够高灵敏度地接收从近距离向水平方向到来的光。因此，在该空间光传输装置例如作为便携式活动图像再现装置使用时，能够适当地确保用于光无线通信的可通信区域。

此外，本发明的空间光传输装置被用于例如可见光通信***时，可进行空间分割，可实现一对多的通信。

在一实施方式的空间光传输装置中，其特征在于，

上述发光装置实时地连续发送表示声音的信号作为上述光，

上述光接收装置实时地连续接收表示声音的上述信号作为上述光。

在该空间光传输装置中，上述发光装置实时地连续发送表示声音的信号作为上述光，上述光接收装置实时地连续接收表示声音的上述信号作为上述光。因此，通过该空间光传输装置，例如在长时间内再现活动图像的图像/声音的便携式活动图像再现装置被理想地构成。

本发明的照明装置的特征在于包括上述发光装置。

在本发明的照明装置中，发光装置以照度等高线为子弹型的形状那样的放射强度分布向外部空间放射光。因此，本发明的照明装置被优选用作聚光灯(spotlight)。并且，本发明的照明装置被小型地构成。

本发明的透镜界面设计方法，其为上述发光装置而设定用于表示上述放射用透镜与外部空间的界面的函数g(x)，该透镜界面设计方法的特征在于，

在将从上述发光单元射出的上述放射用透镜内的光、被放射到上述外部空间的光分别对上述y轴形成的角度设为θ、Θ时，

关于上述放射用透镜内的光，求放射强度相对于上述y轴上的放射强度为1/2的定向半值角度θ_H，并通过

n＝ln(cosθ_H)/ln0.5

的关系式而确定指数n的基础上，

将M设为4以上的整数，并通过数值计算方法设定上述函数g(x)，以在θ和Θ之间成立

$1-{\cos }^{n+1}\mathrm{\θ}=\frac{\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2m+1}(1-{\cos }^{2m+1}\mathrm{\Θ})}{\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2m+1}}$

的关系式。

通过本发明的透镜界面设计方法所设计的发光装置中，被放射到上述外部空间的光的强度分布实质上包含，

1+cos²Θ+cos⁴Θ+cos⁶Θ+...+cos^2mΘ

的因子(这里，m≥4)。由此，即使是单一透镜，关于被放射到上述外部空间的光，可得到照度等高线大致为期望的子弹型的形状那样的放射强度分布。因此，能够适当地确保用于便携式活动图像再现装置那样的光无线通信的可通信区域。

在另一方面，本发明的透镜界面设计方法为上述发光装置而设定用于表示上述放射用透镜与外部空间的界面的函数g(x)，该透镜界面设计方法的特征在于，

在将从上述发光单元射出的上述放射用透镜内的光、被放射到上述外部空间的光分别对上述y轴形成的角度设为θ、Θ时，

关于上述放射用透镜内的光，求放射强度相对于上述y轴上的放射强度为1/2的定向半值角度θ_H，并通过

n＝ln(cosθ_H)/ln0.5

的关系式而确定指数n的基础上，

将M设为4以上的整数，并通过数值计算方法设定上述函数g(x)，以在θ和Θ之间成立

$1-{\cos }^{n+1}\mathrm{\θ}=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2m+1}(1-{\cos }^{2m+1}\mathrm{\Θ})}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2m+1}}$

的关系式。

通过本发明的透镜界面设计方法所设计的发光装置中，被放射到上述外部空间的光的强度分布实质上包含，

1+cos²Θ+cos⁴Θ+cos⁶Θ+...+cos²mΘ

的因子(这里，m≥4)。由此，即使是单一透镜，关于被放射到上述外部空间的光，可得到照度等高线大致为期望的子弹型的形状那样的放射强度分布。因此，能够适当地确保用于便携式活动图像再现装置那样的光无线通信的可通信区域。此外，可延长通信距离。

附图说明

本发明可通过以下的详细说明和添加的附图充分地理解。添加的附图只是用于说明，而并非限制本发明。在附图中，

图1A是表示本发明一实施方式的IrDA装置的截面结构的图。

图1B是表示本发明的其他实施方式的IrDA装置的截面结构的图。

图2是表示由便携式活动图像再现装置要求的、由图1A的IrDA装置所实现的光的放射强度分布的图。

图3是表示由图1A的IrDA装置所实现的、照度等高线表示子弹型的形状的可通信区域的图。

图4是表示图1A的IrDA装置的放射模式控制用透镜的界面的形状的图。

图5是表示照度等高线表示与图3不同的子弹型的形状的可通信区域的图。

图6是例示用户在听由包含图1A的IrDA装置的便携式活动图像再现装置所再现的声音时的情况的图。

图7是表示与图3、图5不同的可通信区域的图。

图8是表示本发明一实施方式的空间光传输装置70的图。

图9是例示用户在听由包含以往的IrDA装置的便携式活动图像再现装置所再现的声音时的情况的图。

图10是表示以往的IrDA装置的截面结构的图。

图11是表示从发光元件的发光单元的中心射出的光线通过的样子的图。

图12是表示基于以往的IrDA装置的光的放射强度分布的图。

图13是对以往的IrDA装置的可通信区域和便携式活动图像再现装置所要求的可通信区域进行比较表示的图。

具体实施方式

以下，通过图示的实施方式来详细说明本发明。

(第1实施方式)

图1A表示作为本发明的空间光传输装置的一实施方式的IrDA装置40的截面结构。该IrDA装置40包括：安装在基板11上的发光二极管芯片5、光接收芯片7、以及发送接收信号处理用IC(集成电路)芯片9。为了分离发送和接收，发光二极管芯片5和光接收芯片7在基板11上被配置在IC芯片9的相对侧(在图1A中为左侧和右侧)。这些芯片5、7、9通过半导体装置保护用树脂10覆盖。在半导体装置保护用树脂10的表面10a中，在与发光二极管芯片5、光接收芯片7对应的部位上，与半导体装置保护用树脂10以相同的材料通过一体成型而分别设置了作为放射用透镜的放射模式控制用透镜6、作为聚光用透镜的光接收用聚光透镜8。在该例子中，发光二极管芯片5和放射模式控制用透镜6构成作为发光装置的发送机。此外，光接收芯片7和光接收用聚光透镜8构成作为光接收装置的接收机。

与以往的透镜208(参照图10)同样地，光接收用聚光透镜8为半球状或者半椭圆球状的凸透镜。来自外部空间的光3′在透镜8的界面8a上折射而被聚光，并入射到光接收芯片7的光接收单元(在芯片表面形成的光接收区域)。另一方面，与以往的透镜206(参照图10)不同，放射模式控制用透镜6为具有后述的界面形状的凸透镜。从发光二极管芯片5的发光单元(在芯片内所形成的发光区域。在该例子中设为芯片的中心。)射出的光3在透镜6的界面6S(包括6a、6b、6c、6d)上折射，成为期望的放射模式从而被放射到外部空间。

图4中用实线描绘了上述的透镜6的界面6S的形状。另外，为了比较，图4中用虚线描绘了以往的半球透镜206的界面。在该图4中，设定了将发光二极管芯片5的中心设为原点O，将发光二极管芯片5的光轴(在该例子中，用通过芯片5的中心和透镜6的顶点6a的虚线表示)设为y轴，并具有与y轴正交的x轴的坐标系。这里，假设放射用透镜6与外部空间的界面6S围绕y轴为旋转对称，在x≥0的定义域中由函数y＝g(x)表示。下面，说明通过一实施方式的透镜界面设计方法来设定该函数y＝g(x)的方法。

与关于图10叙述的同样，将从发光二极管芯片5射出的透镜6内的光、被放射到外部空间的光分别对y轴形成的角度设为θ、Θ。在将光功率合计设为P₀时，从发光二极管芯片5射出的光在透镜6的内部的放射强度分布由已知的算式(1)的朗伯分布表示。

$f\left(\mathrm{\θ}\right)=P_0\frac{n+1}{2\mathrm{\π}}{\cos }^n\mathrm{\θ}...\left(1\right)$

这里，n是被称为朗伯指数的指数，n＝1。为了简化，设光功率合计P₀＝1mW。

另外，上述的指数n使用被要求的放射强度分布中的定向半值角度(意味着放射强度相对于最大放射强度为一半值的角度)θ_H，通过n＝ln(cosθ_H)/ln0.5的关系式表示。

另一方面，对于被放射到外部空间的光3，假设被要求的放射强度分布F(Θ)包含

1/sin²Θ...(3)

的因子。实际上，成立

1/sin²Θ＝1+cos²Θ+cos⁴Θ+cos⁶Θ+...+cos^2mΘ+...

的一般的关系式。并且，将展开的右边的项设为m＝10，即取到cos²⁰Θ为止，对于被放射到外部空间的光3，被要求的放射强度分布F(Θ)表示图2所示的分布。该分布对应于图3所示那样的、对被放射到外部空间的光3所要求的、照度等高线表示子弹型的形状的放射强度分布LI₁。

接着，设n＝1、M为4以上的整数，通过数值计算方法设定上述的函数g(x)，以在θ和Θ之间成立

$1-{\cos }^{n+1}\mathrm{\θ}=\frac{\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2m+1}(1-{\cos }^{2m+1}\mathrm{\Θ})}{\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2m+1}}...\left(4\right)$

的关系式。

该算式(4)是在将算式(1)、(3)分别进行了归一化使其成为相同的光功率的基础上，通过使在半球上分别积分至θ、Θ的结果相等而得到。这里，使用了以下的公式。

$\frac{1}{{\sin }^2\mathrm{\θ}}=1+{\cos }^2\mathrm{\θ}+{\cos }^4\mathrm{\θ}+{\cos }^6\mathrm{\θ}+\·\·\·=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\cos }^{2m}\mathrm{\θ}$

该式的展开式进行到m＝M＝10。上述的图4描绘了该算式(4)，即将透镜的折射率设1.6，同时将透镜6的高度归一化为1。

函数g(x)的2次导数d²g(x)/dx²的符号如以下的算式(5)那样。

$\frac{d^{2}g}{{\mathrm{dx}}^2}=\left\{\begin{array}{cc}0& (x=0)\\ <0& (0<x<x_0)\\ 0& (x=x_0)\\ >0& (x_0<x<x_1)\\ 0& (x=x_1)\\ <0& (x_1<x\&le;x_2)\end{array}\right....\left(5\right)$

即，在透镜6的顶部6a，即x＝0时，d²g(x)/dx²＝0。当x从0增大时，暂时d²g(x)/dx²的符号成为负，透镜6的界面6b向上凸。x再增大时，在某个拐点x₀，d²g(x)/dx²＝0。然后，当x从x₀增大时，暂时d²g(x)/dx²的符号成为正，透镜6的界面6c向下凸。x再增大时，在另一个拐点x₁，d²g(x)/dx²＝0。然后，当x从x₁增大时，d²g(x)/dx²的符号成为负，透镜6的界面6d向上凸。然后，达到透镜6的端部x₂。

该函数g(x)所表示的透镜界面的特征在于，与半球透镜206进行比较的情况下，在x＝0.75附近，透镜界面6c表示凹坑。这一特征在M≥4时共同。此外，作为透镜6的材料，在使用了一般的树脂或玻璃的情况下，这些材料具有的折射率1.2～1.8的范围内，该凹坑形状几乎不变。并且，即使在透镜6内的反射强度分布从n＝1的朗伯分布产生了若干偏移的情况下，也可以使用算式(4)，原样地将透镜界面作为函数g(x)进行数值化。

若图1A中所示的放射模式控制用透镜6具有该函数g(x)表示的透镜界面6S，则关于被放射到外部空间的光3，如图3所示，可得到照度等高线表示子弹型的形状的放射强度分布LI₁。因此，能够适当地确保用于便携式活动图像再现装置那样的光无线通信的可通信区域(在该例子中是放射强度为100nW/cm²的区域)。此外，可延长通信距离。

这里，关于指数M(以及m)进行说明。cos^2mθ在θ＝0附近为1，因此，即使m增大，上述的展开式

$\frac{1}{{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}=1+{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+{\cos }^4\mathrm{\&theta;}+{\cos }^6\mathrm{\&theta;}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;=\underset{m=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\cos }^{2m}\mathrm{\&theta;}$

也不收敛。通过增大该指数M，可通信区域较长地伸长为子弹型。因此，可以在M≥4左右选择最佳的M，通过数值计算方法来求函数g(x)。增加该指数M虽然会增大数值计算上的繁杂程度，但所得到的透镜是单一(单面)透镜，不会使发送机的结构复杂化。这样仅改变指数M就能够简单地改变可通信区域的形状。例如图5表示指数M＝4时的可通信区域LI₂。在设M＝4时，与图3所示的设M＝10的情况相比，可通信区域沿水平方向变宽，相应地，垂直方向的可通信距离从大约106cm缩短至大约67cm。发送的光功率合计不变，在任何情况下都没有引发基于透镜6的光的损耗。

图6例示了用户900在听由包含图1A的IrDA装置的便携式活动图像再现装置1所再现的声音时的情况。由便携式活动图像再现装置1所得到的再现信号(1比特数字信号)通过发送机2被调制为红外线信号3，从而被实时地连续放射到空间。接收机4实时地连续接收该被放射的红外线信号3，并通过未图示的低通滤波器而变换为声音信号。用户900一边观看在便携式活动图像再现装置1上所显示的活动图像，一边通过耳机20听声音。由此，用户900可在长时间内对活动图像的图像/声音进行视听。

这里，由图3或图5可知，在用户的手边(来自发送机的垂直距离y为10cm左右的地方)，在水平方向上被允许的位置偏移为20cm以上。因此，不会引起以往那样的、接收机相对发送机从可通信区域偏离的问题。因此，用户可稳定地接收声音，而不必注意保持视听时的姿势。

(第2实施方式)

在上述的第1实施方式的IrDA装置40中，即使是来自发送机的垂直距离y小于10cm、例如y＝0的地方，在水平方向上被允许20cm以上的位置偏移，从而成为可通信区域。由第1实施方式中关于指数M的讨论可知，这一点意味着假定将发送机的光功率合计设为一定时，可通信区域沿水平方向x变宽，相应地，垂直方向y的可通信距离缩短。此外，意味着假定将垂直方向y的可通信距离设为一定时，可通信区域沿水平方向x变宽，相应地，必须增大发送机的光功率合计。

另一方面，由于人的眼球的焦距通常为10cm以上，因此在对于发送机的垂直距离y小于10cm的位置上，用户无法视听活动图像。

因此，在该第2实施方式中，在对于发送机的垂直距离y小于10cm的地方，通过使水平方向x的可通信距离最佳，从而可减少发送机的消耗功率。在该第2实施方式中，由于IrDA装置在实际空间中的结构与第1实施方式的结构几乎相同，因此省略其附图进行说明。

具体地说，在该第2实施方式中，代替第1实施方式中的算式(4)，使用下一算式(6)。即，将M设为4以上的整数，并通过数值计算方法设定上述函数g(x)，以在θ和Θ之间成立

$1-{\cos }^{n+1}\mathrm{\&theta;}=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2m+1}(1-{\cos }^{2m+1}\mathrm{\&Theta;})}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2m+1}}$

的关系式。

图7表示设指数M＝10、透镜的折射率为1.6时的、基于该第2实施方式的IrDA装置的可通信区域LI₃。可知，在该图7的例子中，例如与图3的例子相比，在对于发送机的垂直距离y小于10cm的地方，可通信区域沿水平方向x变窄从而被最佳化。由此，在将发送机的光功率合计设为一定(相同的消耗功率)时，在对于发送机的垂直距离y小于10cm的地方，可通信区域沿水平方向x变窄，相应地，垂直方向y的可通信距离变长。例如，在图3的例子中垂直方向y的可通信距离大约为106cm，但在该图7的例子中，变长至大约1.28m。此外，在将垂直方向y的可通信距离设为一定时，在对于发送机的垂直距离y小于10cm的地方，可通信区域沿水平方向x变窄，相应地，可减小发送机的消耗功率。例如，相对于图3的例子，在该图7的例子中，消耗功率成为(1.06/1.28)²。即，可将消耗功率减少大约30％。

(第3实施方式)

在上述的第1、第2实施方式的IrDA装置中，将本发明应用到了放射模式控制用透镜6的界面6S的形状上，但不限于此。若将本发明的透镜界面的形状应用到例如图1A中所示的光接收用聚光透镜8，则可期待与第1、第2实施方式中叙述的同样的效果。图1B表示那样的IrDA装置40′的截面结构。在该IrDA装置40′中，通过与覆盖发光二极管芯片5的放射模式控制用透镜6等价的光接收用聚光透镜8′，光接收芯片7被覆盖。聚光透镜8′的界面8S′(包括8a′、8b′、8c′、8d′)的形状与透镜6的界面6S的形状分别对应。即，透镜8′的局部界面8a′、8b′、8c′、8d′与透镜6的局部界面6a、6b、6c、6d分别对应。

这时，设聚光用透镜8′与外部空间的界面8S′在x≥0的定义域中由函数y＝h(x)表示时，函数h(x)的2次导数d²h(x)/dx²的符号如以下的算式(7)那样。

$\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dx}}^2}=\left\{\begin{array}{cc}0& (x=0)\\ <0& (0<x<x_0)\\ 0& (x=x_0)\\ >0& (x_0<x<x_1)\\ 0& (x=x_1)\\ <0& (x_1<x\&le;x_2)\end{array}\right....\left(7\right)$

这时，在与发送机1对1进行通信的接收机中，能够高灵敏度地接收从近距离向水平方向到来的光。因此，能够适当地确保用于便携式活动图像再现装置那样的光无线通信的可通信区域。

另外，在假定了相对发送机只产生规定的角度偏移的***中，只要使用具备了以往的透镜的接收机就足够。相对于此，在不易产生角度偏移，但会产生水平方向的位置偏移的***或使用场地(scene)，有时接收机的接收灵敏度-角度曲线包含已知的算式(3)的

1/sin²Θ

的因子比较好。例如，固定站之间的LAN(局域网)等适合该例子。此外，安装在建筑物的屋顶上的墙壁等的发送机或接收机，角度不会变化，但对于因空气的折射率的摇摆等气象条件、风等引起的位置变化，要求较高的抵抗性。这时，若将本发明的透镜界面的形状应用到接收机的光接收用聚光透镜上，则可提高接收灵敏度。

(第4实施方式)

在上述的第1实施方式的IrDA装置40中，假设了发光二极管芯片5构成发光单元，但不限于此。例如，在该第4实施方式中，假设面发光型半导体激光器芯片(使用与图1A中的发光二极管芯片相同的标号5进行说明)构成发光单元。即，若同样地参照图1A进行说明，则面发光型半导体激光器芯片5，用于激光振荡的发光面(发光单元)的尺寸为μm级，在该例子中设直径为10μmφ。若使用这样的发光面小的面发光型半导体激光器芯片5，则其放射模式可得到与朗伯分布极其相近的值。研究后确认，若发光面的直径尺寸相对于透镜6的直径尺寸为1/5以下，换言之，透镜6的直径尺寸相对于发光面的直径尺寸为5倍以上，则可充分地得到上述第1、第2实施方式中所述的效果。

另外，在一般的发光二极管芯片的情况下，由于其发光面的大小大约为0.3mmφ左右，因此若透镜6的直径为1.55mmφ，则始终能够较好地控制放射强度分布。

(第5实施方式)

说明作为本发明第5实施方式的照明装置。若同样地参照图1A进行说明，则该第5实施方式的照明装置由上述的第1实施方式的IrDA装置40中的发光装置、即发光二极管芯片5和放射模式控制用透镜6构成。在该例子中，假设发光二极管芯片5射出蓝紫色的光。假设发光二极管芯片5的周围附近，代替构成透镜6的物质，而通过(未图示)荧光物质包围。该荧光体吸收蓝紫色的光，通过荧光作用而发出白色光。可知被放出的白色光成为朗伯分布。那么，在从发光二极管芯片5到外部空间的光轴上，形成具有由本发明所得到的形状的透镜界面6。由此，发光装置以照度等高线为子弹型的形状那样的放射强度分布向外部空间放射光。因此，该照明装置被优选用作聚光灯。并且，该照明装置被小型地构成。

(第6实施方式)

图8表示作为本发明第6实施方式的空间光传输装置70。该空间光传输装置70通过在室内的天花板上配置多个上述的第1实施方式的IrDA装置40、40而构成。各个IrDA装置40通过用放射模式控制用透镜6覆盖发光二极管芯片5和光接收芯片7而构成。

在该例子中，各个IrDA装置40以图7所示的放射强度分布LI₃向下方具有指向性地放射来自发光二极管芯片5的可见光3。在室内的桌子上，放置了分别内置有与第1实施方式的IrDA装置40相同的IrDA装置(未图示)的笔记本型个人计算机80、81。各个个人计算机80、81在其个人计算机对应的IrDA装置40之间，相互独立地进行使用了可见光的光通信。

这时，根据各个IrDA装置40具有良好的定向性，对各个IrDA装置40，可通信区域被相互分离地设定。因此，对于各个个人计算机80、81，可相互独立地并行数据通信。

Claims (11)

1、一种发光装置，其特征在于，包括：

发光单元，将光射出到包含光轴的某个范围；以及

放射用透镜，被设置在上述光轴的周围以覆盖上述发光单元，使来自上述发光单元的光折射而放射到外部空间，

在设定了将上述发光单元的中心设为原点，将上述光轴设为y轴，并具有与上述y轴正交的x轴的坐标系时，上述放射用透镜与外部空间的界面在x≥0的定义域中由函数y＝g(x)表示，随着|x|增大，以某个拐点x₀为界，上述函数g(x)的2次导数d²g(x)/dx²的符号从负变为正。

2、如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，

在将被放射到上述外部空间的光对于上述y轴形成的角度设为Θ时，上述光的强度分布实质上包含1/sin²Θ的因子。

3、如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，

在将被放射到上述外部空间的光对于上述y轴形成的角度设为Θ，并将m设为4以上的整数时，上述光的强度分布实质上包含，

1+cos²Θ+cos⁴Θ+cos⁶Θ+...+cos^2mΘ

的因子。

4、如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，

关于上述x轴方向，上述发光单元的尺寸相对于上述放射用透镜的尺寸为1/5以下。

5、如权利要求4所述的发光装置，其特征在于，

上述发光单元由面发光激光器构成。

6、一种光接收装置，其特征在于，包括：

光接收单元，从包含光轴的某个范围接受光；以及

聚光用透镜，被设置在上述光轴的周围以覆盖上述光接收单元，使来自外部空间的光折射而入射到上述光接收单元，

在设定了将上述光接收单元的中心设为原点，将上述光轴设为y轴，并具有与上述y轴正交的x轴的坐标系时，上述聚光用透镜与外部空间的界面在x≥0的定义域中由函数y＝h(x)表示，随着|x|增大，以某个拐点x₀为界，上述函数h(x)的2次导数d²h(x)/dx²的符号从负变为正。

7、一种空间光传输装置，用于进行光无线通信，其中，

该空间光传输装置由发光装置和光接收装置组合而构成，

上述发光装置包括：

发光单元，将光射出到包含光轴的某个范围；以及

放射用透镜，被设置在上述光轴的周围以覆盖上述发光单元，使来自上述发光单元的光折射而放射到外部空间，

在设定了将上述发光单元的中心设为原点，将上述光轴设为y轴，并具有与上述y轴正交的x轴的坐标系时，上述放射用透镜与外部空间的界面在x≥0的定义域中由函数y＝g(x)表示，随着|x|增大，以某个拐点x₀为界，上述函数g(x)的2次导数d²g(x)/dx²的符号从负变为正，

上述光接收装置包括：

光接收单元，从包含光轴的某个范围接受光；以及

聚光用透镜，被设置在上述光轴的周围以覆盖上述光接收单元，使来自外部空间的光折射而入射到上述光接收单元，

在设定了将上述光接收单元的中心设为原点，将上述光轴设为y轴，并具有与上述y轴正交的x轴的坐标系时，上述聚光用透镜与外部空间的界面在x≥0的定义域中由函数y＝h(x)表示，随着|x|增大，以某个拐点x₀为界，上述函数h(x)的2次导数d²h(x)/dx²的符号从负变为正。

8、如权利要求7所述的空间光传输装置，其特征在于，

上述发光装置实时地连续发送表示声音的信号作为上述光，

上述光接收装置实时地连续接收表示声音的上述信号作为上述光。

9、一种照明装置，其特征在于，包括权利要求1所述的发光装置。

10、一种透镜界面设计方法，其为权利要求1所述的发光装置而设定用于表示上述放射用透镜与外部空间的界面的函数g(x)，该透镜界面设计方法的特征在于，

在将从上述发光单元射出的上述放射用透镜内的光、被放射到上述外部空间的光分别对上述y轴形成的角度设为θ、Θ时，

关于上述放射用透镜内的光，求放射强度相对于上述y轴上的放射强度为1/2的定向半值角度θ_H，并通过

n＝ln(cosθ_H)/ln0.5

的关系式而确定指数n的基础上，

将M设为4以上的整数，并通过数值计算方法设定上述函数g(x)，以在θ和Θ之间成立

$1-{\cos }^{n+1}\mathrm{\&theta;}=\frac{\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2m+1}(1-{\cos }^{2m+1}\mathrm{\&Theta;})}{\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2m+1}}$

的关系式。

11、一种透镜界面设计方法，其为权利要求1所述的发光装置而设定用于表示上述放射用透镜与外部空间的界面的函数g(x)，该透镜界面设计方法的特征在于，

在将从上述发光单元射出的上述放射用透镜内的光、被放射到上述外部空间的光分别对上述y轴形成的角度设为θ、Θ时，

关于上述放射用透镜内的光，求放射强度相对于上述y轴上的放射强度为1/2的定向半值角度θ_H，并通过

n＝ln(cosθ_H)/ln0.5

的关系式而确定指数n的基础上，

将M设为4以上的整数，并通过数值计算方法设定上述函数g(x)，以在θ和Θ之间成立

$1-{\cos }^{n+1}\mathrm{\&theta;}=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2m+1}(1-{\cos }^{2m+1}\mathrm{\&Theta;})}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2m+1}}$

的关系式。

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