JP2007115909A - 光モジュールおよび光モジュールアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 光モジュールおよび光モジュールアレイの小型化を図りながら、広い発光視野および受光視野を実現し、さらに入射角度の変化による受信感度の変動を小さくする。
【解決手段】 受光素子と集光レンズが一体成形された受光器と、該受光器に受光させる光信号の波長または偏波を選択する光学フィルタと、該光学フィルタが受光器の前面に配置されるように支持する支持枠とを備えた光モジュールにおいて、支持枠は、集光レンズの頂部より低く、集光レンズを介して受光素子に入射する光信号の受光視野を妨げない高さに形成し、光学フィルタは、支持枠に支持され、かつ集光レンズを覆う形状に形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音声アナログ信号を１ビット量子化処理して得られる音声ディジタル光信号を送受信する光無線送受信機に用いられ、発光器または受光器と、送受信する光信号を選択する光学フィルタとを含む光モジュールに関する。また、複数の光モジュールを配列し、複数チャネル（例えば２チャネルステレオ）の音声ディジタル光信号を光学フィルタを用いてチャネル分離する光モジュールアレイに関する。

図５は、光無線送受信機の回路構成例を示す（非特許文献１）。図において、光無線送信機は、音声アナログ信号を入力とし、１ビット量子化Ａ／Ｄ変換器５１で１ビット量子化信号（パルスの疎密波）に変換し、発光器（IrDA-TX ）５２からオン／オフキーイングされた音声ディジタル光信号（例えば赤外線）として送信する構成である。光無線受信機は、音声ディジタル光信号を受光器（IrDA-RX ）５３で電気信号（１ビット量子化信号）に変換し、反転バッファ５４で波形整形し、フィルタ回路５５で音声アナログ信号を再生してスピーカ５６を駆動する構成である。なお、発光器５２は、発光素子と集光レンズが一体成形された構成である。受光器５３は、受光素子と集光レンズが一体成形された構成である。

このような光無線送受信機の構成により、光無線受信機ではクロック再生やフレーム同期などのディジタル伝送に特有の回路が必要なくなり、さらにＤ／Ａ変換器も不要となるため、小型・低電力化が可能となる。なお、光無線受信機では、フィルタ回路５５の機能により、１ビット量子化信号のパルスデューティに比例した音量が再生される特徴がある。

ところで、光によって複数チャネルの信号を送受信するには、時分割多重、波長多重、偏波多重などが用いられる。ここで、光の性質を利用する波長多重や偏波多重では、信号を選択的に送受信するために波長フィルタや偏光フィルタなどの光学フィルタが用いられる。この光学フィルタと発光器５２を合わせたものを発光モジュール、光学フィルタと受光器５３を合わせたものを受光モジュールといい、それぞれ複数配列したものを発光モジュールアレイ、受光モジュールアレイという。また、それらを総称して光モジュールおよび光モジュールアレイという。

２チャネルの光無線送受信機は、図６に示すように、発光器５２−１，５２−２と光学フィルタ６１−１，６１−２から発光モジュールアレイが構成され、受光器５３−１，５３−２と光学フィルタ６２−１，６２−２から受光モジュールアレイが構成される。光学フィルタ６１−１（６２−１）と、光学フィルタ６１−２（６２−２）は、互いに異なる波長または偏波の光を選択的に通過させる。ここで、破線は、発光器５２−１，５２−２から送信される光の発光視野の境界線を示す。この発光視野の境界線の外には光は放射されない。また、受光器５３−１，５３−２にも同様の受光視野の境界線が存在する。この受光視野の境界線の外側からの光は受光できない。

図７は、従来の光モジュールの断面構成例を示す。以下、受光モジュールを例に説明するが、発光モジュールの場合も同様の構成である。図において、受光モジュールは、受光器（５２）を構成する受光素子７１および集光レンズ７２と、受光する光信号を選択する光学フィルタ６２と、光学フィルタ６２を支持する支持枠７３とを備える。

ここで、従来の受光モジュールでは、１枚の平面上の光学フィルタ６２が用いられるため、集光レンズ７２の頂部と同じ高さの支持枠７３に支持された光学フィルタ６２が集光レンズ７２の頂部に接するように設置される。一方、集光レンズ７２を介して受光素子７１に受光可能な光信号の最大入射角は、図中の破線で示す受光視野の境界線で示される。したがって、光学フィルタ６２の幅（支持枠７３の間隔）は、この受光視野の境界線より広くなるように設定される。また、例えば図６に示すように２つの受光モジュールをアレイ化する場合には、図８に示すような配置となり、受光視野に応じた実装面積が必要になる。
http://www.voiceubique.com/technology.html

ところで、特に受光モジュール（受光モジュールアレイ）の実装面積を小さくするために、図９に示すように光学フィルタ６２の幅（支持枠７３の間隔）を狭くすると、支持枠７３の影によって受光視野が狭くなる。

一方、受光モジュールを搭載した光無線受信機として例えばヘッドホンなどを想定した場合に、光無線送信機からの距離や角度が変化しても安定した受信状態を確認するためには、できるだけ受光視野が広い方がよい。しかし、受光視野を広くするには、図７に示すように受光視野の境界線の外側に支持枠７３を配置する必要が生じ、受光モジュール（受光モジュールアレイ）の小型化の障害となる問題がある。

また、受光素子７１の受信感度は、一般に集光レンズ７２の正面からの入射（入射角０）に対して最も良好で、入射角が大きくなるにつれて低下する。また、光学フィルタ６２においても、入射角が大きくなるにつれて反射量が大きくなり透過特性が劣化する。したがって、従来の光学フィルタ６２を用いた受光モジュールでは、入射角が大きくなると、受光素子７１の受信感度の低下と光学フィルタ６２の透過特性の劣化が重なり、受信特性が急激に劣化する問題がある。すなわち、受光器の受光視野のすべてを有効に利用することができなかった。

なお、以上の問題は、発光モジュールおよび発光モジュールアレイにおいても同様である。

本発明は、光モジュールおよび光モジュールアレイの小型化を図りながら、広い発光視野および受光視野を実現し、さらに入射角度の変化による受信感度の変動を小さくすることができる光モジュールおよび光モジュールアレイを提供することを目的とする。

第１の発明は、受光素子と集光レンズが一体成形された受光器と、該受光器に受光させる光信号の波長または偏波を選択する光学フィルタと、該光学フィルタが受光器の前面に配置されるように支持する支持枠とを備えた光モジュールにおいて、支持枠は、集光レンズの頂部より低く、集光レンズを介して受光素子に入射する光信号の受光視野を妨げない高さに形成し、光学フィルタは、支持枠に支持され、かつ集光レンズを覆う形状に形成する。

ここで、光学フィルタは、少なくとも２枚の平面フィルタを角度をつけて接合した構成としてもよい。また、光学フィルタは、集光レンズを覆う形状に屈曲成形された構成としてもよい。

第２の発明は、第１の発明の光モジュールを複数配置した光モジュールアレイにおいて、各受光モジュールの光学フィルタおよび支持枠は、互いの受光素子の受光視野を妨げない形状に構成する。

第３の発明は、発光素子と集光レンズが一体成形された発光器と、該発光器から送信する光信号の波長または偏波を選択する光学フィルタと、該光学フィルタが発光器の前面に配置されるように支持する支持枠とを備えた光モジュールにおいて、支持枠は、集光レンズの頂部より低く、集光レンズを介して発光素子から出射する光信号の発光視野を妨げない高さに形成し、光学フィルタは、支持枠に支持され、かつ集光レンズを覆う形状に形成する。

ここで、光学フィルタは、少なくとも２枚の平面フィルタを角度をつけて接合した構成としてもよい。また、光学フィルタは、集光レンズを覆う形状に屈曲成形された構成としてもよい。

第４の発明は、第３の発明の光モジュールを複数配置した光モジュールアレイにおいて、各発光モジュールの光学フィルタおよび支持枠は、互いの発光素子の発光視野を妨げない形状に構成する。

本発明の光モジュールは、光学フィルタを支持する支持枠が集光レンズの頂部より低く、かつ受光視野または発光視野を妨げない高さに形成されるので、受光素子および集光レンズに対して支持枠の間隔を狭めることができ、広い受光視野または発光視野を確保しながら実装面積を大幅に低減することができる。

また、光学フィルタは、集光レンズの頂部より低い支持枠に支持されて集光レンズを覆う形状に形成されるので、受光モジュールに入射する光の入射角度の変動に対して、光学フィルタの透過特性と受光素子の受信感度の変動が相殺され、それによって受信特性の変動を抑えることができる。

（光モジュールの第１の実施形態）
図１は、本発明の光モジュールの第１の実施形態の断面構成例を示す。ここでは、受光モジュールを例に説明するが、発光モジュールの場合も同様の構成である。図において、受光モジュールは、受光器を構成する受光素子７１および集光レンズ７２と、受光する光信号の波長または偏波を選択する光学フィルタ１１と、光学フィルタ１１を支持する支持枠１２とを備える。

本実施形態の特徴は、支持枠１２の高さを破線で示す受光視野の境界線より低くし、かつ受光素子７１に近づけ、２枚の平板の光学フィルタ１１を集光レンズ７２に接するように山形に支持枠１２に固定する。これにより、受光視野を妨げることなく支持枠１２の間隔を狭くし、受光モジュールの小型化を図ることができる。

なお、受光素子７１および集光レンズ７２の正面から入射する光に対して光学フィルタ１１に角度が設定されるので、光学フィルタ１１の透過特性は最良でないものの受光素子７１の受信感度が最良となる。一方、受光素子７１および集光レンズ７２の斜めから入射する光に対しては、受光素子７１の受信感度が低下するものの光学フィルタ１１の透過特性がよくなる。すなわち、受光モジュールに入射する光の入射角度の変動に対して、光学フィルタ１１の透過特性と受光素子７１の受信感度を合わせた受信特性の変動を抑えることができる。

（光モジュールの第２の実施形態）
図２は、本発明の光モジュールの第２の実施形態の断面構成例を示す。ここでは、受光モジュールを例に説明するが、発光モジュールの場合も同様の構成である。基本的構造は第１の実施形態と同様であるが、本実施形態の特徴は１枚の屈曲成形した光学フィルタ１３を用いるところにある。

（光モジュールの第３の実施形態）
図３は、本発明の光モジュールの第３の実施形態の断面構成例を示す。ここでは、受光モジュールを例に説明するが、発光モジュールの場合も同様の構成である。基本的構造は第１の実施形態と同様であるが、本実施形態の特徴は１枚の曲面成形した光学フィルタ１４を用いるところにある。例えば、光学フィルタ１４の曲面を受光素子７１の受光面の１点を中心とする円弧とする。

なお、第１〜第３の実施形態では二次元的な受光視野を想定し、第１の実施形態の光学フィルタ１１および第２の実施形態の光学フィルタ１３は三角屋根を想定し、第３の実施形態の光学フィルタ１４は円筒面を想定している。ここで、三次元的な受光視野を想定する場合には、光学フィルタ１１，１３，１４を三次元的に形成する。第１の実施形態の光学フィルタ１１は、４枚の平板の光学フィルタを四角錐状に貼り合わせる。第２の実施形態の光学フィルタ１３は、１枚の光学フィルタを四角錐状に屈曲成形したものを用いる。第３の実施形態の光学フィルタ１４は、お椀を伏せた形とする。

（光モジュールアレイの実施形態）
図４は、本発明の光モジュールアレイの実施形態の断面構成例を示す。ここでは、光モジュールの第１の実施形態の受光モジュールを２組並べて配置した受光モジュールアレイを例に説明するが、他の実施形態の受光モジュールおよび発光モジュールアレイの場合も同様の構成である。

２組の受光モジュールを構成する受光素子７１、集光レンズ７２、光学フィルタ１１、支持枠１２は、それぞれ第１の実施形態と同様であるが、光学フィルタ１１および支持枠１２が互いの受光モジュールの受光視野の妨げにならないように形成される。これにより、受光モジュールアレイの実装面積を従来構成に比べて大幅に低減することができる。なお、２つの光学フィルタ１１は、互いに異なる波長または偏波を透過する特性を有するものとする。

本発明の光モジュールの第１の実施形態の断面構成例を示す図。 本発明の光モジュールの第２の実施形態の断面構成例を示す図。 本発明の光モジュールの第３の実施形態の断面構成例を示す図。 本発明の光モジュールアレイの実施形態の断面構成例を示す図。 光無線送受信機の回路構成例を示す図。 ２チャネルの光無線送受信機のイメージを説明する図。 従来の光モジュールの断面構成例を示す図。 従来の光モジュールアレイの実装例を示す図。 従来の光モジュールの問題点を説明する図。

符号の説明

１１，１３，１４，６１，６２ 光学フィルタ
１２，７３ 支持枠
５１ １ビット量子化Ａ／Ｄ変換器
５２ 発光器（IrDA-TX ）
５３ 受光器（IrDA-RX ）
５４ 反転バッファ
５５ フィルタ回路
５６ スピーカ
７１ 受光素子
７２ 集光レンズ

Claims (8)

1. 受光素子と集光レンズが一体成形された受光器と、該受光器に受光させる光信号の波長または偏波を選択する光学フィルタと、該光学フィルタが前記受光器の前面に配置されるように支持する支持枠とを備えた光モジュールにおいて、
   前記支持枠は、前記集光レンズの頂部より低く、前記集光レンズを介して前記受光素子に入射する光信号の受光視野を妨げない高さに形成し、
   前記光学フィルタは、前記支持枠に支持され、かつ前記集光レンズを覆う形状に形成されたことを特徴とする光モジュール。
2. 請求項１に記載の光モジュールにおいて、
   前記光学フィルタは、少なくとも２枚の平面フィルタを角度をつけて接合した構成であることを特徴とする光モジュール。
3. 請求項１に記載の光モジュールにおいて、
   前記光学フィルタは、前記集光レンズを覆う形状に屈曲成形された構成であることを特徴とする光モジュール。
4. 請求項１に記載の光モジュールを複数配置した光モジュールアレイにおいて、
   各受光モジュールの光学フィルタおよび支持枠は、互いの受光素子の受光視野を妨げない形状に構成されたことを特徴とする光モジュールアレイ。
5. 発光素子と集光レンズが一体成形された発光器と、該発光器から送信する光信号の波長または偏波を選択する光学フィルタと、該光学フィルタが前記発光器の前面に配置されるように支持する支持枠とを備えた光モジュールにおいて、
   前記支持枠は、前記集光レンズの頂部より低く、前記集光レンズを介して前記発光素子から出射する光信号の発光視野を妨げない高さに形成し、
   前記光学フィルタは、前記支持枠に支持され、かつ前記集光レンズを覆う形状に形成されたことを特徴とする光モジュール。
6. 請求項５に記載の光モジュールにおいて、
   前記光学フィルタは、少なくとも２枚の平面フィルタを角度をつけて接合した構成であることを特徴とする光モジュール。
7. 請求項５に記載の光モジュールにおいて、
   前記光学フィルタは、前記集光レンズを覆う形状に屈曲成形された構成であることを特徴とする光モジュール。
8. 請求項５に記載の光モジュールを複数配置した光モジュールアレイにおいて、
   各発光モジュールの光学フィルタおよび支持枠は、互いの発光素子の発光視野を妨げない形状に構成されたことを特徴とする光モジュールアレイ。
   

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