JP2668615B2

JP2668615B2 - 光学反射素子

Info

Publication number: JP2668615B2
Application number: JP4180610A
Authority: JP
Inventors: 宏和田中; 中島　　宏
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1992-06-16
Filing date: 1992-06-16
Publication date: 1997-10-27
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: JPH063593A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学反射素子に関し、
例えば、光を利用した空中電送装置、ＰＯＳ（ポジショ
ンオペレ−ションシステム）、パソコンとプリンタ間の
光通信などに利用される光電変換装置に備える光学反射
素子に係る。

【０００２】

【従来の技術】光による空中電送に利用される光電変換
装置には様々な構成のものがあるが、その一例を図６に
示す。１は断面形状がｙ²＝４Ｐ₁ｘで定義される放物線
断面からなる凹面鏡で、内面が反射面となっている。こ
の凹面鏡１は、光発信器が遠方の場合に、入射光Ｌ₁、
Ｌ₂・・・・・は軸線Ｚに対してほぼ平行となり焦点で
あるＰ₁点に集光する。また、この凹面鏡１の中央奥底
部には透光孔１ａが形成されている。

【０００３】２は断面形状がｙ²＝４Ｐ₂ｘで定義される
放物線断面からなる小径の凸面鏡で、外面を反射面とし
てある。この凸面鏡２は、鏡面側を上記した凹面鏡１の
透光孔１ａに対向させ、焦点Ｐ ₂が凹面鏡１の焦点Ｐ₁と
同一位置となるように配置されている。

【０００４】上記した凹面鏡１に入射した光発信器から
の光Ｌ₁、Ｌ₂・・・・・は、この凹面鏡１で反射されて
集光し、その後、凸面鏡２で反射され、その反射光が軸
線Ｚに対して平行な光となる。

【０００５】すなわち、図７上において、軸線Ｚ上にあ
る焦点Ｐ₂より光Ｌａが出たと仮定すると、凸面鏡２の
Ｔ点で軸線Ｚに平行に反射されてＬｂの光となる。凸面
鏡２のＴ点における接線をＳとすれば、Ｑ₁＝Ｑ₂とな
る。また、Ｌｃの光がＰ₂に向かうと仮定すると、Ｑ₁＝
Ｑ₃であるから光Ｌｃの反射光をＬｄとすると、Ｑ₃＝Ｑ
₄である。

【０００６】これより、Ｑ₂＝Ｑ₄となりＬｄは軸線Ｚに
平行な光となる。したがって、凸面鏡２で反射された光
は軸線Ｚと平行となり凹面鏡１の透光孔１ａより凹面鏡
１の外方に出る。

【０００７】また、凹面鏡１の外方には受光素子３が設
けられている。この受光素子３は、凸面鏡２の反射光路
上に備え、軸線Ｚを中心位置とするように設けられてい
る。

【０００８】これより、凸面鏡２で反射され、透光孔１
ａより凹面鏡１の外方に出た光は受光素子３の受光面に
入射して光電変換される。上記した受光素子３はインピ
−ダンス変換する電子回路部品４や他の電子回路部品５
と共に回路基板６に設けられている。

【０００９】上記した光電変換装置は、光発信器が比較
的遠方にある場合に、発信された光が軸線Ｚに対して略
平行な光となって凹面鏡１に入射する。この入射光
Ｌ₁、Ｌ₂・・・・は凹面鏡１の内面で反射して焦点Ｐ₁
に向かう。焦点Ｐ₁に向かった反射光Ｌ₁、Ｌ₂・・・・
・・は凸面鏡２の外面で反射し軸線Ｚに平行な光となっ
て透光孔１ａより凹面鏡１の外方に出る。そして、上記
の如く集光した光Ｌ₁、Ｌ₂・・・・・を受光素子３によ
って受光し、光信号を電気信号に変換して信号出力回路
に送る。

【００１０】また、光発信器が近距離にある場合は、図
８に示すように光発信器の位置を第１の焦点Ｆ₁とし、
第２の焦点をＦ₂とする楕円曲線断面の凹面鏡７を用い
て光Ｌ₁、Ｌ₂・・・・・を反射させる。この凹面鏡７も
中央奥底部に透光孔７ａが設けられている。

【００１１】凹面鏡７で反射した反射光Ｌ₁、Ｌ₂・・・
・・は凹面鏡７の焦点Ｆ₂と同一位置に設けられた焦点
Ｐ₂の凸面鏡２によって反射させ、軸線Ｚに平行な反射
光として透光孔７ａから射出させ、凸面鏡２の反射光路
上に備えた受光素子３に入射させて光電変換する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記した光電変換装置
は、凹面鏡１内に凸面鏡２を配置する構成であることか
ら、凸面鏡２の支持手段が必要となるが、この支持手段
は光発光器からの光Ｌ₁、Ｌ₂・・・・・・を遮らないよ
うに構成しなければならない。

【００１３】したがって、図９（Ａ）に示したような光
学反射素子が凸面鏡２として使用される。この光学反射
素子８は、透明の合成樹脂で形成されており、円形断面
の胴部８ａの前端に湾曲凹面８ｂが形成され、その後部
に受光素子９が埋設されている。

【００１４】湾曲凹面８ｂは、焦点Ｐ₂を持つ放物線を
軸線Ｚの回りに回転して得られる湾曲反射面となってお
り、この反射面で反射される光の光路に受光素子９が位
置している。

【００１５】上記した光学反射素子８は、凹面鏡１の透
光孔１ａより差し入れ、受光素子９の端子ピン９ａ、９
ｂを回路基板６に固着させるようにして取付ける。この
場合、湾曲凹面８ｂの焦点Ｐ₂を凹面鏡１の焦点Ｐ₁に一
致させるようにする。

【００１６】このように構成した光電変換装置は、凹面
鏡１で反射された光が光学反射素子８の胴部８ａより入
射し、湾曲凹面８ｂで反射されて受光素子９により受光
される。

【００１７】ところが、上記した光学反射素子８は入射
面を形成している胴部８ａが円形断面となっている関係
で、凹面鏡１の反射光が各々異なった入射角で光学反射
素子８に入射し、各々の入射角にしたがって屈折した光
となる。

【００１８】つまり、凹面鏡１の反射光が焦点Ｐ₂に向
かわないために湾曲凹面８ｂによって反射された光が軸
線Ｚと平行とならず、受光素子９の受光量が減少すると
いう問題がある。

【００１９】本発明は上記した実情にかんがみ、上記し
たような光電変換装置などに用いて、入射する全ての光
を反射させるようにした光学反射素子を開発することを
目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、第１の発明として、透明材からなる光
学反射素子において、軸線が通る上記光学反射素子の一
面に、上記軸線上の点またはこの軸線から離れた点を焦
点に持つ曲線を上記軸線を中心に軸回転して得られる反
射面を形成し、上記焦点に向かうようにしてこの光学反
射素子の内部に入射する光の光路上となるようにした上
記軸線に沿う側の外面に、上記焦点を中心にして描いた
曲線を上記軸線を中心に軸回転して得られる入射面を形
成したことを特徴とする光学反射素子を提案する。

【００２１】また、第２の発明として、第１の発明の光
学反射素子において、反射面の反射光路に位置させた受
光素子を埋設し、また、一体的に固着したことを特徴と
する光学反射素子を提案する。

【００２２】さらに、第３の発明として、第１の発明の
光学反射素子において、反射面を鏡面として形成したこ
とを特徴とする光学反射素子を提案する。

【００２３】

【作用】第１の発明の光学反射素子は、入射面より入射
する全ての光が入射面の曲線の焦点に向かうようにな
る。この結果、入射した全ての光が入射面の曲線の中心
と同じ位置となっている焦点の反射面により一定方向に
反射される。

【００２４】受光素子を埋設し、また、一体的に固着し
た光学反射素子では、反射面で上記のように反射された
光が受光素子によって受光され、光電変換される。ま
た、反射面を鏡面形成すれば、光学反射素子の反射面形
状が特定されず、反射面形成の自由度が広くなる。

【００２５】

【実施例】次に、本発明を光電変換装置の光学反射素子
として用いた実施例について図面に沿って説明する。図
１は本発明の第１実施例を示す光電変換装置の原理構成
図である。

【００２６】この光電変換装置は、本発明の光学反射素
子の他、反射鏡として形成した凹面鏡５０を備えてい
る。凹面鏡５０は中央奥底部に透光孔５０ａを有する椀
状のもので、断面形状がｙ^２＝４Ｐ_１ｘで定義される放
物面断面であり、内面が鏡面形成されている。この凹面
鏡５０は、光発信器からの光を反射させる第１の反射鏡
として用いられ、光発信器が遠方の場合、軸線Ｚとほぼ
平行となる入射光Ｌ_１、Ｌ_２・・・・・・・を反射し、
焦点Ｐ_１に集光させる。

【００２７】５１は、透明のガラスまたは合成樹脂材な
どで形成した光学反射素子で、第２の反射鏡を備えてい
る。この光学反射素子５１は、入射面としての円形外面
部５２と反射面としての湾曲面部５３及び胴部５４とか
ら構成され、円形外面部５２は軸線Ｚに沿う側の外面に
設けてあり、凹面鏡５０の焦点Ｐ_１を中心とする円弧を
軸線Ｚの回りに回転して得られる形状をなし、この円形
外面部５２の外側から焦点Ｐ_１に向かう光をこの円形外
面部５２の入射点において直進させるようになってい
る。

【００２８】また、湾曲面部５３は、軸線Ｚが通る光学
反射素子５１の前面（一面）をＹ^２＝４Ｐ_２Ｘで定義さ
れる放物線にしたがって湾曲させた形状となっている。
また、胴部５４は、円形断面として凹面鏡５０の透光孔
５０ａに挿入可能に形成されている。

【００２９】この光学反射素子５１は、図１に示すよう
に、受光素子５５が予め埋設されており、光学反射素子
５１の背面から突出した上記受光素子５５の端子ピン５
６を回路基板５７に固着して保持されている。

【００３０】なお、光学反射素子５１は、湾曲面部５３
の焦点Ｐ₂を凹面鏡５０の焦点Ｐ₁に一致させるように位
置決めされている。また、受光素子５５は、光学反射素
子５１内において、湾曲面部５３の反射光路上に軸線Ｚ
を中心位置とするようにして埋設される。さらに、端子
ピン５６は、回路基板５７に設けた信号回路に接続され
ている。

【００３１】上記の如く構成した光電変換装置は、光発
信器が比較的遠方にある場合、発信された光が軸線Ｚに
対してほぼ平行な光となって凹面鏡５０に入射する。こ
の入射光Ｌ₁、Ｌ₂・・・・・は凹面鏡５０の内面で反射
して焦点Ｐ₁に向かう。

【００３２】焦点Ｐ_１に向かった反射光Ｌ_１、Ｌ_２・・
・・・・は光学反射素子５１の円形外面部５２より入射
し、この円形外面部５２を直進して湾曲面部５３に入射
する。そして、湾曲面部５３で再び反射し軸線Ｚに対し
て平行な光となって光学反射素子５１に備えた受光素子
５５に入射し、この受光素子５５によって光信号が電気
信号に変換され回路基板５７に備えた信号出力回路に送
られる。

【００３３】上記した光電変換装置は、光学反射素子５
１の円形外面部５２の円弧の焦点が凹面鏡５０の焦点Ｐ
_１と一致しているので、凹面鏡５０で反射された全ての
光Ｌ_１、Ｌ_２・・・・・・は凹面鏡５０の焦点に向かう
ようにして上記した円形外面部５２よりこの光学反射素
子５１に入射する。この入射光は、焦点Ｐ _１と同じ位置
にある焦点Ｐ _２を有する湾曲面部５３によって反射され
て受光素子５５に送られる。

【００３４】また、光電変換装置は、光学反射素子５１
に設けた受光素子５５の端子ピン５６を回路基板５７の
所定位置に固着することによって保持するようにしてい
るので、光学反射素子５１の保持構成が簡単となる。

【００３５】図２は本発明の第２実施例を示す光電変換
装置の原理構成図である。この実施例は、光発信器が比
較的近距離にある場合を示し、光発信器からの光Ｌ₁、
Ｌ₂・・・・・・・を反射させる第１の反射鏡を楕円曲
線断面の凹面鏡５９とし、光学反射素子６０の湾曲面部
６２を楕円曲線断面の凸面鏡として構成したものであ
る。凹面鏡５９は、中央奥底部に透光孔５９ａが設けら
れている。

【００３６】第２の反射鏡となる光学反射素子６０は、
円形外面部６１が凹面鏡５９の焦点Ｆ₃を中心とする円
弧を軸線Ｚの回りに回転して得られる形状をなし、ま
た、湾曲させて設けた湾曲面部６２は楕円曲線を軸線Ｚ
の回りに回転して得られる形状となっている。そして、
凹面鏡５９の焦点Ｆ₃と同位置を第１焦点Ｆ₄、受光素子
６３の受光面中心位置を第２の焦点Ｆ₅としてある。ま
た、胴部６４は、第１実施例に示した光学反射素子５１
の胴部５４に比べて小径のものとなっている。

【００３７】この光学反射素子６０は、湾曲面部６２の
反射光路に受光素子６３が埋設され、この受光素子６３
の端子ピン６５を回路基板６６に固着して保持されてい
る。

【００３８】光発信器が焦点Ｆ₆のように近距離にある
場合、焦点Ｆ₆、Ｆ₃とする凹面鏡５９で光Ｌ₁、Ｌ₂・・
・・・・を反射させる。凹面鏡５９の反射光は光学反射
素子６０の円形外面部６１に入射し、この円形外面部６
１を直進して湾曲面部６２に入射する。そして、湾曲面
部６２で再度反射して受光素子６３に入射し、この受光
素子６３によって光電変換される。この実施例の場合、
湾曲面部６２で反射する光は軸線Ｚに平行光とならず、
焦点Ｆ₅に集光する。

【００３９】このように構成すれば、前述した第１実施
例と同様の効果が得られる他、受光素子６３の受光面を
縮小させることができる。

【００４０】上記した第１、第２実施例において、光学
反射素子５１、６０の湾曲面部５３、６２を銀メッキ蒸
着したり、また、この湾曲面部５３、６２に鏡面形成し
た金属板を張り合わせて鏡面形成すれば、必ずしも湾曲
面部５３、６２を放物線断面、楕円曲線断面としなくと
も全反射させて反射光を受光素子５５、６３に導くこと
ができる。

【００４１】また、上記第１、第２実施例においては、
受光素子５５、６３を光学反射素子５１、６０に埋設し
てあるが、図３に一例をもって示す如く、受光素子５
５、６３を光学反射素子５１、６０の外方に配置した
り、光学反射素子５１、６０の外面に固着する構成とす
ることもできる。

【００４２】なお、図３に示すように構成する場合は、
光学反射素子５１の胴部５４と凹面鏡５０の透光孔５０
ａとをほぼ同径に形成して胴部５４を透光孔５０ａに挿
着させ、光学反射素子５１を凹面鏡５０で保持するよう
に構成することができる。

【００４３】図４は本発明の第３実施例を示す光電変換
装置の原理構成図である。６７は中央奥底部に透光孔６
７ａを有する椀状の第１の凹面鏡で、この凹面鏡６７は
断面形状がｙ²＝４Ｐ₃ｘで定義される放物面鏡で、内面
が鏡面形成されている。

【００４４】この凹面鏡６７は、軸線Ｚより一定距離は
なれた点を焦点Ｐ₃とする放物線断面で、軸線Ｚを中心
にこの焦点Ｐ₃を回転させて得た円環状の集光部をも
ち、光発信器が遠方の場合に軸線Ｚに対して平行となる
入射光Ｌ₁、Ｌ₂・・・・・を凹面鏡６７で反射して集光
部に集光する。

【００４５】６８は第２の反射鏡として備えた光学反射
素子で、この光学反射素子６８は、凹面鏡６７の焦点Ｐ
₃を中心とする円弧を軸線Ｚを中心に回転して得られる
トロイダル状の円形外面部６９と、上記した凹面鏡６７
の焦点Ｐ₃と同じ位置を焦点Ｆ₇とする放物線を軸線Ｚの
回りに回転して得られる形状の湾曲面部７０と、凹面鏡
６７の透光孔６７ａに挿入させるように形成した胴部７
１とから構成されている。なお、この光学反射素子６８
はガラス、合成樹脂材などの透明材で形成してある。

【００４６】光学反射素子６８には受光素子７２を埋設
し、受光素子７２の端子ピン７３を回路基板７４に固着
するようにして、光学反射素子６８を回路基板７４に保
持させてある。この光学反射素子６８は、焦点Ｆ₇を凹
面鏡６７の焦点Ｐ₃と一致させるように位置決めして凹
面鏡６７内に設けてある。さらに、受光素子７２は、湾
曲面部７０の反射光路上に軸線Ｚを中心位置とするよう
にして光学反射素子６８に埋設されている。

【００４７】上記した光電変換装置は、光発信器が比較
的遠方にある場合、発信された光は軸線Ｚに対してほぼ
平行な光Ｌ₁、Ｌ₂・・・・・となって凹面鏡６７に入射
する。この入射光Ｌ₁、Ｌ₂・・・・・は凹面鏡６７の内
面で反射して焦点Ｐ₃に向かう。

【００４８】焦点Ｐ₃に向かった反射光Ｌ₁、Ｌ₂・・・
・・は光学反射素子６８の円形外面部６９に入射し、こ
の円形外面部６９を直進して湾曲面部７０に入射する。
そして、湾曲面部７０で再び反射し、軸線Ｚに対して平
行な光となって受光素子７２に入射し光電変換される。
この光電変換装置も、前述した第１実施例と同様の効果
が得られる。

【００４９】図５は本発明の第４実施例を示す光電変換
装置の原理構成図である。この実施例は、光発信器が比
較的に近距離にある場合を示し、第１の反射鏡を楕円曲
線断面の凹面鏡７５とし、光学反射素子７６の湾曲面部
７８を楕円曲面で構成したものである。

【００５０】凹面鏡７５は、焦点Ｆ₈、Ｆ₉をもつ楕円曲
線を軸線Ｚの回りを回転させて得られた断面形状となっ
ている。この凹面鏡７５の中央奥底部には透光孔７５ａ
が設けられている。

【００５１】第２の反射鏡となる光学反射素子７６は、
円形外面部７７が、軸線Ｚより一定距離はなれた凹面鏡
７５の焦点Ｆ₉を中心とする円弧を軸線Ｚを中心に回転
して得られる形状をなし、湾曲面部７８が凹面鏡７５の
焦点Ｆ₉と同じ位置を第１の焦点Ｆ₁₀、後述する受光素
子７９の受光面中心を第２の焦点Ｆ₁₁とする楕円曲線を
軸線Ｚの回りを回転させて得られた断面形状をなしてい
る。また、胴部８０は凹面鏡７５の透光孔７５ａに挿入
可能に形成すると共に、上記透光孔７５ａの外方に向か
って小径となるように形成してある。

【００５２】この光学反射素子７６も第２実施例と同様
にガラス、合成樹脂材などの透明材で形成し、受光面を
小形にした受光素子７９を埋設し、受光素子７９の端子
ピン８１を回路基板８２に固着してある。

【００５３】また、光学反射素子７６は、湾曲面部７８
が凹面鏡７５の内方において、その焦点Ｆ₁₀を凹面鏡７
５の焦点Ｆ₉に一致させるように位置決めして固定し、
さらに、受光素子７９は、湾曲面部７８の反射光路上に
軸線Ｚを中心位置とするようにして光学反射素子７６に
埋設してある。

【００５４】光発信器が焦点Ｆ₈のように近距離にある
場合、焦点Ｆ₈、Ｆ₉とする凹面鏡７５で光Ｌ₁、Ｌ₂・・
・・・・を反射させる。凹面鏡７５の反射光Ｌ₁、Ｌ₂・
・・・・・は光学反射素子７６の円形外面部７７に入射
し、この円形外面部７７を直進して湾曲面部７８に入射
する。そして、湾曲面部７８が再び反射して受光素子７
９に入射し、この受光素子７９によって光電変換され
る。

【００５５】この場合、湾曲面部７８で反射する光は軸
線Ｚに平行光とならず、焦点Ｆ₁₁に集光する。この実施
例の場合も、前述した第２実施例と同様の効果が得られ
る。

【００５６】上記した第３、第４実施例において、光学
反射素子６８、７６の湾曲面部７０、７８を銀メッキ蒸
着したり、また、この湾曲面部７０、７８に鏡面形成し
た金属板を張り合わせて鏡面形成すれば、必ずしも湾曲
面部７０、７８を放物線断面、楕円曲線断面としなくと
も全反射させて反射光を受光素子７２、７９に導くこと
ができる。

【００５７】また、上記第３、第４実施例は、受光素子
７２、７９を光学反射素子６８、７６に埋設して構成し
てあるが、受光素子７２、７９を光学反射素子６８、７
６の外方に配置したり、光学反射素子６８、７６の外面
に固着する構成とすることも可能である。

【００５８】この場合は、光学反射素子６８、７６の胴
部７１、８０と凹面鏡６７、７５の透光孔６７ａ、７５
ａとをほぼ同径に形成して、胴部７１、８０を透光孔６
７ａ、７５ａに挿着させて保持することができる。

【００５９】以上、本発明の実施例について説明した
が、第１の反射鏡及び第２の反射鏡として備えた光学反
射素子における湾曲面部については、放物線断面や楕円
曲線断面に限らず、断面をこのような二次曲線に近似し
た他の曲線としても同様の効果を得ることができる。

【００６０】また、各実施例で示した光学反射素子５
１、６０、６８、７６は一体構造のものとなっている
が、図１の鎖線Ａで示すように二体構造に分離したもの
とすることもできる。

【００６１】

【発明の効果】上記した通り、本発明に係る光学反射素
子によれば、入射する全ての光は入射面を直進するよう
にして入射し、また、この入射光は反射面によって全て
所定方向に反射されるので、入射する光を集光して反射
させる光学反射素子として極めて有効なものとなると共
に、取付けに便利な光学反射素子となる。また、受光素
子と一体的に構成できるので、光電変換用の光学反射素
子として有効となり、さらに、反射面を鏡面形成するこ
とによって、この反射面の形状を任意に形成できる光学
反射素子となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す光電変換装置の原理
構成図である。

【図２】本発明の第２実施例を示す光電変換装置の原理
構成図である。

【図３】第１実施例の変形例を示す光電変換装置の原理
構成図である。

【図４】本発明の第３実施例を示す光電変換装置の原理
構成図である。

【図５】本発明の第４実施例を示す光電変換装置の原理
構成図である。

【図６】従来の光電変換装置の原理構成図である。

【図７】従来の光電変換装置に用いた凸面鏡の性質を説
明するための光学系図である。

【図８】従来の光電変換装置の他の原理説明図である。

【図９】図９（Ａ）は従来の光電変換装置に備えられた
光学反射素子の断面図、図９（Ｂ）は当該光学反射素子
の一部拡大断面図である。

【符号の説明】

５０、５９、６７、７５凹面鏡５１、６０、６８、７６光学反射素子５２、６１、６９、７７円形外面部５３、６２、７０、７８湾曲面部５５、６３、７２、７９受光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｂ 10/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明材からなる光学反射素子において、
軸線が通る上記光学反射素子の一面に、上記軸線上の点
またはこの軸線から離れた点を焦点に持つ曲線を上記軸
線を中心に軸回転して得られる反射面を形成し、上記焦
点に向かうようにしてこの光学反射素子の内部に入射す
る光の光路上となるようにした上記軸線に沿う側の外面
に、上記焦点を中心にして描いた曲線を上記軸線を中心
に軸回転して得られる入射面を形成したことを特徴とす
る光学反射素子。
【請求項２】反射面の反射光路に位置させた受光素子
を埋設し、また、一体的に固着したことを特徴とする請
求項（１）記載の光学反射素子。
【請求項３】反射面を鏡面として形成したことを特徴
とする請求項（１）記載の光学反射素子。