JP2009117747A - 装置 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯型動画再生装置のような光無線通信のための通信可能エリアを適切に確保できる発光装置を提供すること。
【解決手段】光軸を含む或る範囲へ光を出射する発光部５と、光軸の周りに発光部５を覆うように設けられ、発光部５からの光を屈折させて外部空間へ放射する放射用レンズ６とを備える。発光部５の中心を原点とし、光軸をｙ軸とし、かつｙ軸に直交するｘ軸を有する座標系を設定したとき、放射用レンズ６の外部空間との界面がｘ≧０の定義域で関数ｙ＝ｇ（ｘ）で表される。ｘが大きくなるにつれて或る変曲点ｘ_０を境にして関数ｇ（ｘ）の２次導関数ｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２の符号が負から正に変わり、レンズ６の界面に凹み６ｃが存在する。
【選択図】図４

Description

この発明は発光装置、受光装置、および発光装置と受光装置との組み合わせからなる空間光伝送装置に関する。

また、この発明は、発光装置、受光装置に適したレンズ設計方法に関する。

また、この発明は、発光装置を備えた照明装置に関する。

図９は、使用者９００が、ＩｒＤＡデバイスを含む携帯型動画再生装置１０１で再生された音声を聞くときの態様を例示している。ＩｒＤＡデバイスとは、赤外線通信協会（Infrared Data Association）によって定められた赤外線による光無線通信規格にしたがって通信を行うデバイスを意味し、この例では送信機１０２と受信機１０４とを指す。携帯型動画再生装置１０１で得られた再生信号（１ビットデジタル信号）は、送信機１０２によって赤外線信号１０３に変調されて空間へ向けて放射される。受信機１０４は、その放射された赤外線信号１０３を受信して、図示しない低域透過フィルタを通して音声信号に変換する。使用者９００は、携帯型動画再生装置１０１上で表示される動画を見ながら、ヘッドセット１２０を介して音声を聞く。

図１０は、公知のＩｒＤＡデバイス２００の断面構造を示している。このＩｒＤＡデバイス２００は、基板２１１上に搭載された発光ダイオードチップ２０５と、受光チップ２０７と、送受信信号処理用ＩＣ（集積回路）チップ２０９とを備えている。これらのチップ２０５、２０７、２０９は、半導体デバイス保護用樹脂２１０で覆われている。半導体デバイス保護用樹脂２１０の表面のうち、発光ダイオードチップ２０５、受光チップ２０７に対応する部位には、それぞれ放射パターン制御用レンズ２０６、受光用集光レンズ２０８が、半導体デバイス保護用樹脂２１０と同じ材料で一体成型により設けられている。この放射パターン制御用レンズ２０６、受光用集光レンズ２０８は、いずれも半球状または半楕円球状の凸レンズである。外部空間からの光２０３′は、レンズ２０８の界面で屈折して集光され、受光チップ２０７の受光部（チップ表面に形成された受光領域）に入射する。

図１１は、発光ダイオードチップ２０５のような発光素子の発光部（チップ内に形成された発光領域）の中心Ｏ（これをｘｙｚ直交座標の原点とする。）から出射された光線Ｌの通過の様子を示している。このｘｙｚ直交座標は、発光ダイオードチップ２０５（の発光部）の光軸に一致したｙ軸と、それに垂直なｘ軸と、それらに直交するｚ軸とで規定されている。ｙ軸を含みｚ軸に対し角度φだけ傾斜した平面Ｑ内で、ｙ軸に対し角度θだけ傾斜した方向に出射された光線Ｌは、レンズ２０６の界面Ｓで、ｙ軸に対し角度Θだけ傾斜した方向に屈折される。発光ダイオードチップ２０５の発光面、レンズ２０６がｙ軸に対して回転対称であるとすれば、光線Ｌのｙ軸周りの角度φは変化せず、光線Ｌは平面Ｑ内を進む。

発光ダイオードチップ２０５から出射された光Ｌのレンズ２０６の内部での放射強度分布は、全光パワーをＰ_０とすると、次式（１）の一般化ランバート分布（以下、単に「ランバート分布」と呼ぶ。）で表されることが知られている。

ここで、ｎはランバート指数と呼ばれる指数であり、ｎ＝１である。したがって、指向半値角度は６０度となる。また、簡単のため、全光パワーはＰ_０＝１ｍＷとする。

レンズ２０６が半球状または半楕円球状である場合、レンズ２０６の界面Ｓ通過後の光Ｌ（図９中の１０３、図１０中の２０３に相当する）の放射強度分布は、次式（２）で表される。

ここで、指数Ｎは、レンズ２０６の界面Ｓ通過後の指向半値角度（最大放射強度に対して放射強度が半値になるような角度を意味する。）Θ_Ｈを用いて、
Ｎ＝ln(cosΘ_H)/ln0.5
と表される。

図１２は、ｙ軸に対する角度を横軸にとり、放射強度を縦軸にとったときの、ランバート分布の放射強度分布を示している。ｙ軸に対する角度Θ＝０での放射強度が最大であり、ｙ軸に対する角度Θが大きくなるにつれて放射強度が小さくなっていき、角度Θが指向半値角度Θ_Ｈになったとき放射強度が１／２になる。この例では、Θ_Ｈ＝２７度である。このとき、式（３）により、指数Ｎ＝６となる。
特開平１１−１４９３５号公報 特開２００５−１８９４４６号公報

かつては、ＩｒＤＡデバイスの使用態様として、例えばテレビジョン装置のリモートコントローラとその受信機のように、使用者が送信機と受信機とを意図的に対向させ、短時間のデータ交換をする態様が主に想定されていた。このため、送信機に対して受信機が一定の角度範囲かつ一定の距離範囲にある場合に良好な通信をすることが目標とされてきた。例えば、特許文献１、２では、いずれも送信機が放射する光の放射範囲を狭く制限して、その制限された放射範囲内で光の強度分布を均一にするようになっている。

しかしながら、最近では、図９に関して述べた携帯型動画再生装置１０２を使用する場合のように、使用者が長時間にわたってリアルタイムで音声を受信する使用態様が増えている。このような長時間にわたる使用態様では、使用者が視聴中に意図して同じ姿勢を保持し続けることは困難である。このため、従来の携帯型動画再生装置１０２では、使用者の視聴中に、例えば使用者が水平方向（左方向または右方向）に送信機を平行移動させた場合などには、送信機に対して受信機が通信可能エリア（この例では放射強度が１００ｎＷ／ｃｍ^２であるようなエリア）から外れてしまうという問題が起こる。

そこで、この発明の課題は、携帯型動画再生装置のような光無線通信のための通信可能エリアを適切に確保できる発光装置、受光装置、および発光装置と受光装置との組み合わせからなる空間光伝送装置を提供することにある。

また、この発明の課題は、そのような発光装置、受光装置に適したレンズ設計方法を提供することにある。

また、この発明の課題は、照明範囲を広く確保できる照明装置を提供することにある。

本発明者らが調べたところ、携帯型動画再生装置を使用する場合に、視聴中に使用者の姿勢が変化することによって受信機に対して送信機が相対的に水平方向に動く範囲は２０ｃｍ程度であることがわかった。つまり、図１３（照度等高線）中に実線で示すように、送信機に対して垂直方向ｙに１ｍ程度、手元で水平方向（左方向または右方向）ｘに２０ｃｍ程度の弾丸型の範囲で相対的に送信機が動く。そして、この送信機が動く弾丸型の範囲ＬＩ_Ｒが通信可能エリアとして要求される。なお、携帯型動画再生装置１０２のような従来のＩｒＤＡデバイスでは、破線で示すような略楕円型の範囲ＬＩ_Ｐが通信可能エリアとなっている。この図１３から分かるように、従来のＩｒＤＡデバイスでは、使用者の手元（送信機からの垂直距離ｙが１０ｃｍ程度の所）で、水平方向に許容される位置ずれが２０ｃｍ以下となっている。このため、上述のように、送信機に対して受信機が通信可能エリアから外れてしまうという問題が起こるのである。

上述のような調査結果に基づいて、本発明者は、携帯型動画再生装置のような光無線通信のための通信可能エリアを適切に確保できる装置を、次のように考案した。

上記課題を解決するため、この発明の発光装置は、
光軸を含む或る範囲へ光を出射する発光部と、
上記光軸の周りに上記発光部を覆うように設けられ、上記発光部からの光を屈折させて外部空間へ放射する放射用レンズとを備え、
上記発光部の中心を原点とし、上記光軸をｙ軸とし、かつ上記ｙ軸に直交するｘ軸を有する座標系を設定したとき、上記放射用レンズの外部空間との界面がｘ≧０の定義域で関数ｙ＝ｇ（ｘ）で表され、ｘが大きくなるにつれて或る変曲点ｘ_０を境にして上記関数ｇ（ｘ）の２次導関数ｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２の符号が負から正に変わることを特徴とする。

ここで、発光部の「光軸」とは、光の出射強度が最大であるような、発光部から延びる直線を意味する。

この発明の発光装置では、上記外部空間へ放射された光に関して、照度等高線が弾丸型の形状であるような放射強度分布が得られる。したがって、携帯型動画再生装置のような光無線通信のための通信可能エリアを適切に確保できる。

一実施形態の発光装置では、上記外部空間へ放射された光が上記ｙ軸に対してなす角度をΘとしたとき、上記光の強度分布が実質的に
１／ｓｉｎ^２Θ
なる因子を含むことを特徴とする。

この一実施形態の発光装置では、上記外部空間へ放射された光に関して照度等高線がほぼ所望の弾丸型の形状であるような放射強度分布が得られる。

一実施形態の発光装置では、上記外部空間へ放射された光が上記ｙ軸に対してなす角度をΘとし、ｍを４以上の整数としたとき、上記光の強度分布が実質的に、
１＋ｃｏｓ^２Θ＋ｃｏｓ^４Θ＋ｃｏｓ^６Θ＋…＋ｃｏｓ^２ｍΘ
なる因子を含むことを特徴とする。

一般的には、
１／ｓｉｎ^２Θ＝１＋ｃｏｓ^２Θ＋ｃｏｓ^４Θ＋ｃｏｓ^６Θ＋…＋ｃｏｓ^２ｍΘ＋…
なる関係式が成立する。この一実施形態の発光装置は、この関係式において、ｍを整数として、ｍ≧４の範囲にて放射用レンズの界面の形状を近似するものである。これにより、上記外部空間へ放射された光に関して照度等高線がほぼ所望の弾丸型の形状であるような放射強度分布が得られる。

一実施形態の発光装置では、上記ｘ軸方向に関して、上記発光部の寸法が上記放射用レンズの寸法に対して１／５以下であることを特徴とする。

この一実施形態の発光装置では、上記外部空間へ放射された光に関して照度等高線が弾丸型の形状であるような放射強度分布が精度良く得られる。

一実施形態の発光装置では、上記発光部は面発光レーザからなることを特徴とする。

一般的に、面発光レーザはその発光面の寸法がμｍオーダである。したがって、この一実施形態の発光装置では、上記発光部のμｍオーダの寸法に応じて、放射用レンズの小型化を図ることが可能となる。

この発明の受光装置は、
光軸を含む或る範囲から光を受ける受光部と、
上記光軸の周りに上記受光部を覆うように設けられ、外部空間からの光を屈折させて上記受光部へ入射させる集光用レンズとを備え、
上記受光部の中心を原点とし、上記光軸をｙ軸とし、かつ上記ｙ軸に直交するｘ軸を有する座標系を設定したとき、上記集光用レンズの外部空間との界面がｘ≧０の定義域で関数ｙ＝ｈ（ｘ）で表され、ｘが大きくなるにつれて或る変曲点ｘ_０を境にして上記関数ｈ（ｘ）の２次導関数ｄ^２ｈ（ｘ）／ｄｘ^２の符号が負から正に変わることを特徴とする。

ここで、受光部の「光軸」とは、光の入射感度が最大であるような、受光部から延びる直線を意味する。

この発明の受光装置では、近距離から水平方向に到来する光を感度よく受光することができる。したがって、携帯型動画再生装置のような光無線通信のための通信可能エリアを適切に確保できる。

この発明の空間光伝送装置は、光無線通信を行う空間光伝送装置であって、上記発光装置と、上記受光装置とを組み合わせて構成された空間光伝送装置である。

この発明の空間光伝送装置では、発光装置は外部空間へ、照度等高線が弾丸型の形状であるような放射強度分布で光を放射する。また、受光装置は、近距離から水平方向に到来する光を感度よく受光することができる。したがって、この空間光伝送装置が例えば携帯型動画再生装置として用いられるような場合、光無線通信のための通信可能エリアを適切に確保できる。

また、この発明の空間光伝送装置が例えば可視光通信システムに用いられた場合、空間分割を可能とし、１対多の通信を実現できる。

一実施形態の空間光伝送装置では、
上記発光装置は上記光として音声を表す信号をリアルタイムで連続して送信し、
上記受光装置は上記光として上記音声を表す信号をリアルタイムで連続して受信することを特徴とする。

この空間光伝送装置では、上記発光装置は上記光として音声を表す信号をリアルタイムで連続して送信し、上記受光装置は上記光として上記音声を表す信号をリアルタイムで連続して受信する。したがって、この空間光伝送装置によって、例えば動画の画像・音声を長時間にわたって再生する携帯型動画再生装置が好ましく構成される。

この発明の照明装置は、上記発光装置を備えたこと特徴とする照明装置である。

この発明の照明装置では、発光装置は外部空間へ、照度等高線が弾丸型の形状であるような放射強度分布で光を放射する。したがって、この発明の照明装置はスポットライトとして好ましく用いられる。しかも、この発明の照明装置は、小型に構成される。

この発明のレンズ界面設計方法は、
上記発光装置のために上記放射用レンズの外部空間との界面を表す関数ｇ（ｘ）を設定するレンズ界面設計方法であって、
上記発光部から出射された上記放射用レンズ内の光、上記外部空間へ放射された光がそれぞれ上記ｙ軸に対してなす角度をθ、Θとしたとき、
上記放射用レンズ内の光に関して上記ｙ軸上の放射強度に対して放射強度が１／２になるような指向半値角度θ_Ｈを求めて、指数ｎを
ｎ＝ln(cosθ_H)/ln0.5
なる関係式によって定めた上、
Ｍを４以上の整数として、θとΘとの間に

なる関係式が成り立つように、数値計算法によって上記関数ｇ（ｘ）を設定することを特徴とする。

この発明のレンズ界面設計方法によって設計された発光装置では、上記外部空間へ放射された光の強度分布が実質的に、
１＋ｃｏｓ^２Θ＋ｃｏｓ^４Θ＋ｃｏｓ^６Θ＋…＋ｃｏｓ^２ｍΘ
なる因子を含む（ここで、ｍ≧４である。）。これにより、単一のレンズでもって、上記外部空間へ放射された光に関して照度等高線がほぼ所望の弾丸型の形状であるような放射強度分布が得られる。したがって、携帯型動画再生装置のような光無線通信のための通信可能エリアを適切に確保できる。

別の局面では、この発明のレンズ界面設計方法は、
上記発光装置のために上記放射用レンズの外部空間との界面を表す関数ｇ（ｘ）を設定するレンズ界面設計方法であって、
上記発光部から出射された上記放射用レンズ内の光、上記外部空間へ放射された光がそれぞれ上記ｙ軸に対してなす角度をθ、Θとしたとき、
上記放射用レンズ内の光に関して上記ｙ軸上の放射強度に対して放射強度が１／２になるような指向半値角度θ_Ｈを求めて、指数ｎを
ｎ＝ln(cosθ_H)/ln0.5
なる関係式によって定めた上、
Ｍを４以上の整数として、θとΘとの間に

なる関係式が成り立つように、数値計算法によって上記関数ｇ（ｘ）を設定することを特徴とする。

この発明のレンズ界面設計方法によって設計された発光装置では、上記外部空間へ放射された光の強度分布が実質的に、
１＋ｃｏｓ^２Θ＋ｃｏｓ^４Θ＋ｃｏｓ^６Θ＋…＋ｃｏｓ^２ｍΘ
なる因子を含む（ここで、ｍ≧４である。）。これにより、単一のレンズでもって、上記外部空間へ放射された光に関して照度等高線がほぼ所望の弾丸型の形状であるような放射強度分布が得られる。したがって、携帯型動画再生装置のような光無線通信のための通信可能エリアを適切に確保できる。また、通信距離を伸ばすことが可能となる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の空間光伝送装置の一実施形態としてのＩｒＤＡデバイス４０の断面構造を示している。このＩｒＤＡデバイス４０は、基板１１上に搭載された発光ダイオードチップ５と、受光チップ７と、送受信信号処理用ＩＣ（集積回路）チップ９とを備えている。発光ダイオードチップ５と受光チップ７とは、送信と受信との分離を図るために、基板１１上でＩＣチップ９を挟んで互いに反対側（図１において左側と右側）に配置されている。これらのチップ５、７、９は、半導体デバイス保護用樹脂１０で覆われている。半導体デバイス保護用樹脂１０の表面１０ａのうち、発光ダイオードチップ５、受光チップ７に対応する部位には、それぞれ放射用レンズとしての放射パターン制御用レンズ６、集光用レンズとしての受光用集光レンズ８が、半導体デバイス保護用樹脂１０と同じ材料で一体成型により設けられている。この例では、発光ダイオードチップ５と放射パターン制御用レンズ６とが発光装置としての送信機を構成する。また、受光チップ７と受光用集光レンズ８とが受光装置としての受信機を構成する。

受光用集光レンズ８は、従来のレンズ２０８（図１０参照）と同様に、半球状または半楕円球状の凸レンズである。外部空間からの光３′は、レンズ８の界面８ａで屈折して集光され、受光チップ７の受光部（チップ表面に形成された受光領域）に入射する。一方、放射パターン制御用レンズ６は、従来のレンズ２０６（図１０参照）とは異なり、後述する界面形状をもつ凸レンズである。発光ダイオードチップ５の発光部（チップ内に形成された発光領域。この例ではチップの中心であるものとする。）から出射された光３は、レンズ６の界面６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄで屈折され、所望の放射パターンになって外部空間へ放射される。

図４には、上述のレンズ６の界面６ａ〜６ｄの形状が実線で描かれている。なお、比較のため、図４中には従来の半球レンズ２０６の界面が破線で描かれている。この図４では、発光ダイオードチップ５の中心を原点Ｏとし、発光ダイオードチップ５の光軸（この例では、チップ５の中心とレンズ６の頂点６ａとを通る破線で示す。）をｙ軸とし、かつｙ軸に直交するｘ軸を有する座標系が設定されている。ここで、放射用レンズ６の外部空間との界面を、ｙ軸周りに回転対称になっているものとし、ｘ≧０の定義域で関数ｙ＝ｇ（ｘ）で表すものとする。次に、この関数ｙ＝ｇ（ｘ）を一実施形態のレンズ界面設計方法によって設定する仕方について説明する。

図１０に関して述べたのと同様に、発光ダイオードチップ５から出射されたレンズ６内の光、外部空間へ放射された光がそれぞれｙ軸に対してなす角度をθ、Θとする。発光ダイオードチップ５から出射された光のレンズ６の内部での放射強度分布は、全光パワーをＰ_０とすると、既述の式（１）のランバート分布で表される。

ここで、ｎはランバート指数と呼ばれる指数であり、ｎ＝１である。簡単のため、全光パワーはＰ_０＝１ｍＷとする。

なお、上述の指数ｎは、要求される放射強度分布における指向半値角度（最大放射強度に対して放射強度が半値になるような角度を意味する。）θ_Hを用いて、ｎ＝ln(cosθ_H)/ln0.5の関係式により表される。

一方、外部空間へ放射された光３について、要求される放射強度分布Ｆ(Θ)は、
１／ｓｉｎ^２Θ …（３）
なる因子を含むものとする。実際には、
１／ｓｉｎ^２Θ＝１＋ｃｏｓ^２Θ＋ｃｏｓ^４Θ＋ｃｏｓ^６Θ＋…＋ｃｏｓ^２ｍΘ＋…
なる一般的な関係式が成り立つ。そして、展開された右辺の項をｍ＝１０、つまり

までとると、外部空間へ放射された光３について、要求される放射強度分布Ｆ(Θ)は、図２に示すような分布を示す。この分布は、図３に示すように、外部空間へ放射された光３について要求されるような、照度等高線が弾丸型の形状を示す放射強度分布ＬＩ_１と対応する。

次に、ｎ＝１、Ｍを４以上の整数として、θとΘとの間に

なる関係式が成り立つように、数値計算法によって上述の関数ｇ（ｘ）を設定する。

この式（４）は、式（１）、（３）をそれぞれ同一の光パワーになるように規格化した上で、半球上でそれぞれθ、Θまで積分したものを等しいとおくことによって得られたものである。ここで、次の公式を用いた。

この式の展開はｍ＝Ｍ＝１０まで行っている。上述の図４は、この式（４）をレンズの屈折率を１．６にするとともに、レンズ６の高さを１に規格化して描いたものである。

関数ｇ（ｘ）の２次導関数ｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２の符号は、次の式（５）のようになっている。

つまり、レンズ６の頂部６ａ、つまりｘ＝０では、ｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２＝０である。ｘが０から大きくなると、しばらくｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２の符号は負になり、レンズ６の界面６ｂは上に凸になる。さらにｘが大きくなると、或る変曲点ｘ_０でｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２＝０となる。そして、ｘがｘ_０から大きくなると、しばらくｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２の符号は正になり、レンズ６の界面６ｃは下に凸になる。さらにｘが大きくなると、もう一つの変曲点ｘ_１でｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２＝０となる。そして、ｘがｘ_１から大きくなると、ｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２の符号は負になり、レンズ６の界面６ｄは上に凸になる。そしてレンズ６の端部ｘ_２に達する。

この関数ｇ（ｘ）が表すレンズ界面６ａ〜６ｄの特徴は、半球レンズ２０６と比較した場合、ｘ＝０．７５付近でレンズ界面６ｃが凹みを示すことである。この特徴は、Ｍ≧４にて共通である。また、レンズ６の材料として一般的な樹脂やガラスを用いた場合、それらの材料がもつ屈折率１．２〜１．８の範囲において、この凹み形状は殆ど変化しない。さらに、レンズ６内の放射強度分布がｎ＝１のランバート分布から若干ずれた場合であっても、式（４）を用いてそのままレンズ界面を関数ｇ（ｘ）として数値化することが可能である。

図１中に示した放射パターン制御用レンズ６がこの関数ｇ（ｘ）が表すレンズ界面６ａ〜６ｄを有していれば、外部空間へ放射された光３に関して、図３に示すように、照度等高線が弾丸型の形状を示す放射強度分布ＬＩ_１が得られる。したがって、携帯型動画再生装置のような光無線通信のための通信可能エリア（この例では放射強度が１００ｎＷ／ｃｍ^２であるようなエリア）を適切に確保できる。また、通信距離を伸ばすことが可能となる。

ここで、指数Ｍ（およびｍ）について説明する。ｃｏｓ^２ｍθは、θ＝０付近で１であるから、ｍが大きくなっても、上述の展開式

は収束しない。この指数Ｍを増していくことで、通信可能エリアは弾丸型に長く伸びていく。したがってＭ≧４程度で最適なＭを選択し、数値計算法により関数ｇ（ｘ）を求めるとよい。この指数Ｍを増やすことは数値計算上の煩わしさは増すものの、得られるレンズは単一（単面）レンズであり、送信機の構成が複雑化するものではない。このように指数Ｍを変えるだけで簡単に通信可能エリアの形状を変えることが可能である。例えば図５は、指数Ｍ＝４にしたときの、通信可能エリアＬＩ_２を示している。このＭ＝４にした場合、図３のようなＭ＝１０とした場合に比して、通信可能エリアが水平方向に広くなった分だけ、垂直方向の通信可能距離が約１０６ｃｍから約６７ｃｍへ短くなっている。送信の全光パワーは変化しておらず、レンズ６による光の損失は何れの場合でも起こっていない。

図６は、使用者９００が、図１のＩｒＤＡデバイスを含む携帯型動画再生装置１で再生された音声を聞くときの態様を例示している。携帯型動画再生装置１で得られた再生信号（１ビットデジタル信号）は、送信機２によって赤外線信号３に変調されて空間へ向けてリアルタイムで連続して放射される。受信機４は、その放射された赤外線信号３をリアルタイムで連続して受信して、図示しない低域透過フィルタを通して音声信号に変換する。使用者９００は、携帯型動画再生装置１上で表示される動画を見ながら、ヘッドセット２０を介して音声を聞く。これにより、使用者９００は動画の画像・音声を長時間にわたって視聴することができる。

ここで、図３や図５から分かるように、使用者の手元（送信機からの垂直距離ｙが１０ｃｍ以下の所）で、水平方向に許容される位置ずれが２０ｃｍ以上となっている。このため、従来のような、送信機に対して受信機が通信可能エリアから外れてしまうという問題が起こらない。したがって、使用者９００は視聴時の姿勢の保持に意識をとられることなく、安定した音声受信が可能となる。

（第２実施形態）
上述の第１実施形態のＩｒＤＡデバイス４０では、送信機からの垂直距離ｙが１０ｃｍ未満、例えばｙ＝０の所でも、水平方向に２０ｃｍ以上の位置ずれが許容されて、通信可能エリアとなっている。このことは、第１実施形態での指数Ｍに関する議論から分かるように、仮に送信機の全光パワーを一定とした場合、通信可能エリアが水平方向ｘに広くなった分だけ、垂直方向ｙの通信可能距離が短くなることを意味する。また、仮に垂直方向ｙの通信可能距離を一定とした場合、通信可能エリアが水平方向ｘに広くなった分だけ、送信機の全光パワーを大きくしなければならないことを意味する。

一方、人間の眼球の焦点距離は通常１０ｃｍ以上であるから、送信機に対する垂直距離ｙが１０ｃｍ未満の位置では、使用者が動画を視聴することはあり得ない。

そこで、この第２実施形態では、送信機に対する垂直距離ｙが１０ｃｍ未満の所で水平方向ｘの通信可能距離を最適化することによって、送信機の消費電力低減を図る。この第２実施形態では、ＩｒＤＡデバイスの実空間での構成は、第１実施形態のものと殆ど同じであるため、その図面を割愛して説明する。

具体的には、この第２実施形態では、第１実施形態における式（４）に代えて、次の式（６）を用いる。すなわち、Ｍを４以上の整数として、θとΘとの間に

なる関係式が成り立つように、数値計算法によって上述の関数ｇ（ｘ）を設定する。

図７は、指数Ｍ＝１０、レンズの屈折率を１．６にしたときの、この第２実施形態のＩｒＤＡデバイスによる通信可能エリアＬＩ_３を示している。分かるように、この図７の例では、例えば図３の例に比して、送信機に対する垂直距離ｙが１０ｃｍ未満の所で通信可能エリアが水平方向ｘに狭くなって最適化されている。これにより、送信機の全光パワーを一定（同一の消費電力）とした場合、送信機に対する垂直距離ｙが１０ｃｍ未満の所で通信可能エリアが水平方向ｘに狭くなった分だけ、垂直方向ｙの通信可能距離が長くなる。例えば、図３の例では垂直方向ｙの通信可能距離が約１０６ｃｍであったものが、この図７の例では、約１．２８ｍと長くなっている。また、垂直方向ｙの通信可能距離を一定とした場合、送信機に対する垂直距離ｙが１０ｃｍ未満の所で通信可能エリアが水平方向ｘに広くなった分だけ、送信機の消費電力を小さくすることができる。例えば、図３の例に対して、この図７の例では、消費電力が（１．０６／１．２８）^２となる。つまり、約３０％だけ消費電力を低減できる。

（第３実施形態）
上述の第１、第２実施形態のＩｒＤＡデバイスでは、本発明を放射パターン制御用レンズ６の界面の形状に適用したが、これに限られるものではない。例えば図１中に示した受光用集光レンズ８に本発明のレンズ界面の形状を適用すれば、第１、第２実施形態で述べたのと同様の効果が期待できる。

この場合、集光用レンズ８の外部空間との界面がｘ≧０の定義域で関数ｙ＝ｈ（ｘ）で表されるものとすると、関数ｈ（ｘ）の２次導関数ｄ^２ｈ（ｘ）／ｄｘ^２の符号は、次の式（６）のようになる。

このようにした場合、送信機と１対１で通信する受信機において、近距離から水平方向に到来する光を感度よく受光することができる。したがって、携帯型動画再生装置のような光無線通信のための通信可能エリアを適切に確保できる。

なお、送信機に対して所定の角度ずれのみが生じることを想定したシステムでは、従来のレンズを備えた受信機を用いれば足りる。これに対して、角度ずれは生じにくいが、水平方向の位置ずれは生じるようなシステム、ないし使用シーンにおいては、受信機の受信感度−角度曲線は、既述の式（３）の
１／ｓｉｎ^２Θ
なる因子を含むほうが都合のよいことがある。たとえば、固定局間同士のＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）などがこの例に当てはまる。また、建物の屋上の壁などに取り付けてある送信機や受信機は、角度は変化しないが、空気の屈折率の揺らぎなどの気象条件、風などによる位置の変化に対して高い耐性を要求される。このような場合に、受信機の受光用集光レンズに本発明のレンズ界面の形状を適用すれば、受信感度を向上することができる。

（第４実施形態）
上述の第１実施形態のＩｒＤＡデバイス４０では、発光ダイオードチップ５が発光部を構成するものとしたが、これに限られるものではない。例えば、この第４実施形態では、面発光型半導体レーザチップ（図１中の発光ダイオードチップと同じ符号５を用いて説明する。）が発光部を構成するものとする。すなわち、同じく図１を参照しながら説明すると、面発光型半導体レーザチップ５は、レーザ発振のための発光面（発光部）の寸法がμｍオーダ、この例では直径１０μｍφであるものとする。このように発光面が小さい面発光型半導体レーザチップ５を用いれば、その放射パターンはランバート分布に極めて近い値が得られる。我々が検討したところ、発光面の径寸法がレンズ６の径寸法に対して１／５以下であれば、言い換えれば、発光面の径寸法に対してレンズ６の径寸法が５倍以上であれば、上述の第１、第２実施形態で述べた効果が十分に得られることが確認された。

なお、一般的な発光ダイオードチップの場合は、その発光面の大きさは約０．３ｍｍφ程度であるから、レンズ６の直径が１．５ｍｍφであれば、首尾良く放射強度分布を制御することが可能である。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態としての照明装置について説明する。この第５実施形態の照明装置は、同じく図１を参照しながら説明すると、上述の第１実施形態のＩｒＤＡデバイス４０における発光装置、つまり発光ダイオードチップ５と放射パターン制御用レンズ６とからなる。発光ダイオードチップ５は、この例では青紫色の光を出射するものとする。発光ダイオードチップ５の周囲直近は、レンズ６を構成する物質に代えて、（図示しない）蛍光物質により取り囲まれているものとする。この蛍光体は青紫色の光を吸収して、蛍光作用により白色光を発する。放出された白色光はランバート分布になることが知られている。さて、発光ダイオードチップ５から外部空間に至る光軸上に、本発明で得られる形状をもつレンズ界面６を形成しておく。これにより、発光装置は外部空間へ、照度等高線が弾丸型の形状であるような放射強度分布で光を放射する。したがって、この照明装置はスポットライトとして好ましく用いられる。しかも、この照明装置は、小型に構成される。

（第６実施形態）
図８は、本発明の第６実施形態としての空間光伝送装置７０を示している。この空間光伝送装置７０は、室内の天井に、上述の第１実施形態のＩｒＤＡデバイス４０、４０を複数配置して構成されている。各ＩｒＤＡデバイス４０は、発光ダイオードチップ５と受光チップ７とを放射パターン制御用レンズ６で覆って構成されている。

この例では、各ＩｒＤＡデバイス４０は、発光ダイオードチップ５からの可視光３を、図７に示したような放射強度分布ＬＩ_３で下方へ指向性をもって放射する。室内の机上には、それぞれ第１実施形態のＩｒＤＡデバイス４０と同様のＩｒＤＡデバイス（図示せず）を内蔵したノート型パーソナルコンピュータ８０，８１が載置されている。各パーソナルコンピュータ８０，８１は、そのパーソナルコンピュータが対応するＩｒＤＡデバイス４０との間で、互いに独立に、可視光を用いた光通信を行う。

このようにした場合、各ＩｒＤＡデバイス４０が良好な指向性を有することから、各ＩｒＤＡデバイス４０毎に通信可能エリアが互いに分離して設定される。したがって、各パーソナルコンピュータ８０，８１毎に、データ通信を互いに独立に並行して行うことが可能となる。

この発明の一実施形態のＩｒＤＡデバイスの断面構造を示す図である。 携帯型動画再生装置で要求され、図１のＩｒＤＡデバイスで実現された光の放射強度分布を示す図である。 図１のＩｒＤＡデバイスで実現された、照度等高線が弾丸型の形状を示す通信可能エリアを示す図である。 図１のＩｒＤＡデバイスの放射パターン制御用レンズの界面の形状を示す図である。 図３のものとは別の、照度等高線が弾丸型の形状を示す通信可能エリアを示す図である。 使用者が、図１のＩｒＤＡデバイスを含む携帯型動画再生装置で再生された音声を聞くときの態様を例示する図である。 図３、図５のものとは別の通信可能エリアを示す図である。 この発明の一実施形態の空間光伝送装置７０を示す図である。 使用者が、従来のＩｒＤＡデバイスを含む携帯型動画再生装置で再生された音声を聞くときの態様を例示する図である。 従来のＩｒＤＡデバイスの断面構造を示す図である。 発光素子の発光部の中心から出射された光線の通過の様子を示す図である。 従来のＩｒＤＡデバイスによる光の放射強度分布を示す図である。 従来のＩｒＤＡデバイスによる通信可能エリアと携帯型動画再生装置で要求される通信可能エリアとを比較して示す図である。

符号の説明

１ 携帯型動画再生装置
２ 送信機
４ 受信機
５ 発光ダイオードチップ
６ 放射パターン制御用レンズ
７ 受光チップ
８ 受光用集光レンズ
９ 送受信信号処理用ＩＣチップ
４０ ＩｒＤＡデバイス

Claims (11)

1. 光軸を含む或る範囲へ光を出射する発光部と、
   上記光軸の周りに上記発光部を覆うように設けられ、上記発光部からの光を屈折させて外部空間へ放射する放射用レンズとを備え、
   上記発光部の中心を原点とし、上記光軸をｙ軸とし、かつ上記ｙ軸に直交するｘ軸を有する座標系を設定したとき、上記放射用レンズの外部空間との界面がｘ≧０の定義域で関数ｙ＝ｇ（ｘ）で表され、ｘが大きくなるにつれて或る変曲点ｘ_０を境にして上記関数ｇ（ｘ）の２次導関数ｄ^２ｇ（ｘ）／ｄｘ^２の符号が負から正に変わることを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置において、
   上記外部空間へ放射された光が上記ｙ軸に対してなす角度をΘとしたとき、上記光の強度分布が実質的に
   １／ｓｉｎ^２Θ
   なる因子を含むことを特徴とする発光装置。
3. 請求項１または２に記載の発光装置において、
   上記外部空間へ放射された光が上記ｙ軸に対してなす角度をΘとし、ｍを４以上の整数としたとき、上記光の強度分布が実質的に、
   １＋ｃｏｓ^２Θ＋ｃｏｓ^４Θ＋ｃｏｓ^６Θ＋…＋ｃｏｓ^２ｍΘ
   なる因子を含むことを特徴とする発光装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一つに記載の発光装置において、
   上記ｘ軸方向に関して、上記発光部の寸法が上記放射用レンズの寸法に対して１／５以下であることを特徴とする発光装置。
5. 請求項４に記載の発光装置において、
   上記発光部は面発光レーザからなることを特徴とする発光装置。
6. 光軸を含む或る範囲から光を受ける受光部と、
   上記光軸の周りに上記受光部を覆うように設けられ、外部空間からの光を屈折させて上記受光部へ入射させる集光用レンズとを備え、
   上記受光部の中心を原点とし、上記光軸をｙ軸とし、かつ上記ｙ軸に直交するｘ軸を有する座標系を設定したとき、上記集光用レンズの外部空間との界面がｘ≧０の定義域で関数ｙ＝ｈ（ｘ）で表され、ｘが大きくなるにつれて或る変曲点ｘ_０を境にして上記関数ｈ（ｘ）の２次導関数ｄ^２ｈ（ｘ）／ｄｘ^２の符号が負から正に変わることを特徴とする受光装置。
7. 光無線通信を行う空間光伝送装置であって、
   請求項１から５までのいずれか一つに記載の発光装置と、請求項６に記載の受光装置とを組み合わせて構成された空間光伝送装置。
8. 請求項７に記載の空間光伝送装置において、
   上記発光装置は上記光として音声を表す信号をリアルタイムで連続して送信し、
   上記受光装置は上記光として上記音声を表す信号をリアルタイムで連続して受信することを特徴とする空間光伝送装置。
9. 請求項１から５までのいずれか一つに記載の発光装置を備えたこと特徴とする照明装置。
10. 請求項１から５までのいずれか一つに記載の発光装置のために上記放射用レンズの外部空間との界面を表す関数ｇ（ｘ）を設定するレンズ界面設計方法であって、
    上記発光部から出射された上記放射用レンズ内の光、上記外部空間へ放射された光がそれぞれ上記ｙ軸に対してなす角度をθ、Θとしたとき、
    上記放射用レンズ内の光に関して上記ｙ軸上の放射強度に対して放射強度が１／２になるような指向半値角度θ_Ｈを求めて、指数ｎを
    ｎ＝ln(cosθ_H)/ln0.5
    なる関係式によって定めた上、
    Ｍを４以上の整数として、θとΘとの間に
    

    

    なる関係式が成り立つように、数値計算法によって上記関数ｇ（ｘ）を設定することを特徴とするレンズ界面設計方法。
11. 請求項１から５までのいずれか一つに記載の発光装置のために上記放射用レンズの外部空間との界面を表す関数ｇ（ｘ）を設定するレンズ界面設計方法であって、
    上記発光部から出射された上記放射用レンズ内の光、上記外部空間へ放射された光がそれぞれ上記ｙ軸に対してなす角度をθ、Θとしたとき、
    上記放射用レンズ内の光に関して上記ｙ軸上の放射強度に対して放射強度が１／２になるような指向半値角度θ_Ｈを求めて、指数ｎを
    ｎ＝ln(cosθ_H)/ln0.5
    なる関係式によって定めた上、
    Ｍを４以上の整数として、θとΘとの間に
    

    

    なる関係式が成り立つように、数値計算法によって上記関数ｇ（ｘ）を設定することを特徴とするレンズ界面設計方法。

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