JP6905191B2 - レンズ及び複眼レンズ - Google Patents
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Description
この図20に取り上げた無線装置904がIoTデバイスの場合、図20でハッチを施し示す領域(スモールセル基地局における「通信可能範囲」に相当)は、例えば、IoTデバイスが(焦電センサ・赤外線センサあるいは魚眼型の監視カメラなど)人感センサとするならば、屋内・室内・施設内に居たり、移動したりする状況の人を検知する事が可能な範囲を表す。他に、IoTデバイスが赤外線を利用し離れた所から高温な箇所を把握する熱感知センサや炎の光を高感度にキャッチする照度センサとするならば、火災の出火を捉えられることができる検出範囲とも云い換えられる。そして、これらの無線通信の機能を搭載した無線装置904は照明機器903の内側に設置することができる。
図1は、従来の無線通信システム7の具体例を示す図である。従来の無線通信システム7は、送信アンテナ701、障害物702及び受信アンテナ703を有する。図1において、直交座標系であるXYZ座標系のX軸は水平方向に平行な軸であり、Y軸は鉛直方向に平行な軸である。
送信アンテナ701、障害物702及び受信アンテナ703は、X軸方向に、送信アンテナ701、障害物702、受信アンテナ703の順番に配置される。
図2は、第一の実施形態の透過部材1の具体的な断面図を示す図である。透過部材1は、図1の無線通信システム7における障害物702のYZ面に平行な表面のうち、送信アンテナ701側の表面に接する。透過部材1は、入射した電磁波の障害物702の表面における反射を抑制するとともに、その入射した電磁波を受信アンテナ703に集光する。なお、図2のXYZ座標は、図1のXYZ座標と同じである。
nc=(n1×n2)1/2 ・・・(1)
を満たす。
合計の厚さdL1は、
dL1=m×λ/(4×nc) ・・・(2)
の関係を満たす。この式(2)において,mは奇数(m=1、3、5、・・・)であり、λは、透過部材1に入射する電磁波の真空中の波長である。第一の薄膜11−1〜5は、それぞれ同じ厚さds1及び屈折率ncを有するものの、形状又は大きさが異なる。なお、第一の薄膜11−5は障害物702に接する。第一の薄膜11−5が、障害物702に接する面は、X軸正方向(すなわち、厚さ方向)に垂直な面である。
なお、透過部材1は、必ずしも5枚の第一の薄膜11を備える必要はなく、mを奇数として、複数枚の積層した全体の厚さが物質内波長のm/4倍であれば何枚であってもよい。
また、実施形態の透過部材1は、必ずしも同じ厚さの第一の薄膜11によって構成される必要はなく、屈折率が(n1×n2)1/2である複数枚の薄膜によって構成され、透過部材1の厚さ(すなわち、X軸方向の幅であり、図2におけるdL1)が物質内波長の1/4の奇数倍であって、透過部材1の形状が凸レンズに略同一の形状であれば、どのように構成されてもよい。
また、透過部材1は、第一の薄膜11をシールのように張り合わせることで形成されてもよいし、第一の薄膜11同士を接着剤で張り合わせることで形成されてもよい。
また、図4において、透過部材1は送信アンテナ701に対して十分遠方にある。そのため、送信アンテナ701が放射する電磁波は、透過部材1の入射面において、近似的に平面波である。例えば、送信アンテナ701と透過部材1との間の距離をdinとすると、dinは、din≧2D2λの関係を満たす。
一方、図4における透過部材1は、送信アンテナ701が放射し、透過部材1に入射する平面波である電磁波を受信アンテナ703に集光する。
そのため、図4において焦点距離がdfに略同一である透過部材1の曲率半径R1は、
R1=(nc−1)df ・・・(3)
と表される。なお、dfは、受信アンテナ703と障害物702の送信アンテナ701側の表面との水平距離である。すなわち、dfは、図4においてはdoutとdbとの和である。つまり、この図4に示す状況で透過部材1が送信アンテナ701に対して十分遠方にある場合、曲率半径を求める上記の式(3)はR1=(nc−1)(dout+db)となる。なお、doutは、受信アンテナ703と、障害物702の受信アンテナ703側の表面との水平距離である。
そのため、焦点距離がdinであり、図4における透過部材1の曲率半径R1は、
R1=(nc−1)din ・・・(4)
の関係を満たす。
さらに、このように構成された透過部材1は、障害物702の表面に設置されるだけで、送信アンテナ701の通信可能距離を伸ばすことができる。そのため、例えば、利用するアンテナ口径の拡大や弱い信号の増幅に対応するアンプの高利得化などの方法と比較して、実施形態の透過部材1によれば通信可能距離を伸ばすための装置の大型化及び設置コストの増大を抑制しつつ、通信可能距離を伸ばすことができる。
図7は、障害物702に接する第一の薄膜11が、曲率半径R1の円に接しない場合の具体例を示す図である。図7の透過部材1は、図2の透過部材1における第一の薄膜11−1に代えて第一の薄膜11−6を備える。第一の薄膜11−6の屈折率及び厚さは、第一の薄膜11と同じである。第一の薄膜11−6は、第一の薄膜11−4と同じかそれよりも広い面積を有する(後述する図13や図14を参照)。第一の薄膜11−6は、障害物702に接し、曲率半径R1の円に接しない。第一の薄膜11−6は、第一の薄膜11−4と同じかそれよりも広い面積を有し、屈折率及び厚さが第一の薄膜11と同じ薄膜であって、曲率半径R1の円に接しない薄膜であればどのような薄膜であってもよい。例えば、第一の薄膜11−6は、自身が接する障害物702の面の全面を覆う形状であってもよい。この場合には、第一の薄膜11−6を曲率半径R1の円に接する形状に加工する必要がないため、透過部材1の作成を容易にする効果を奏する。また、ユーザーが第一の薄膜11−6を備えた透過部材1を障害物702に取り付ける際には、透過部材1が第一の薄膜11−6を備えるため、ユーザーは障害物702を覆うように透過部材1を取り付ければよい。そのため、このように構成された透過部材1は、ユーザーが透過部材1を障害物702に取り付けることを容易にするという効果を奏する。なお、第一の薄膜11の面積とは、第一の薄膜11のYZ面に平行な面の面積である。
図8は、第二の実施形態の透過部材2の具体的な断面図を示す図である。透過部材2は、図1の無線通信システム7における障害物702のYZ面に平行な表面に接する。透過部材2は、入射した電磁波の入射面における反射を抑制するとともに、その入射した電磁波を受信アンテナ703に集光させる。なお、図8のXYZ座標は、図1のXYZ座標と同じである。以下、図2〜5と同様のものに対しては、同じ符号を付して説明を省略する。
また、先の図6で説明した2つの反射波L1及びL2に関して、この図8においては、第三の薄膜13の表面での反射波(先のL1が第一の薄膜11−1であった点とは異なる)と、第二の薄膜12−5の表面での反射波(先のL2に相当)になる。
なお、透過部材2は、必ずしも5枚の第二の薄膜12を備える必要はなく、第三の薄膜13と障害物702の厚さを全て合せた全体の厚さが、mを奇数として、物質内波長のm/4倍であれば、どのような枚数の第二の薄膜12を備えてもよい。
また、実施形態のレンズ状部材21は、必ずしも同じ厚さの第二の薄膜12によって構成される必要はない。レンズ状部材21は、以下の3つの条件を満たすように構成されればどのように構成されてもよい。第一の条件は、自身の屈折率をn2として、自身の厚さと、屈折率n2の障害物702の厚さと、屈折率n2の第三の薄膜13の厚さとの合計の厚さが物質内波長の1/4の奇数倍の関係を満たす厚さであることである。第二の条件は、凸レンズに略同一の形状であることである。第三の条件は、屈折率がn2の複数枚の薄膜によって構成されることである。
また、透過部材2は、第二の薄膜12をシールのように張り合わせることで形成されてもよいし、第二の薄膜12同士を接着剤で張り合わせることで形成されてもよい。
第三の薄膜13は、屈折率がn2の薄膜であって、障害物702の有する表面のうち第二の薄膜12が接する表面とは反対側の表面に接する。なお、障害物702に接する第三の薄膜13の面は厚さ方向に垂直な面である。第三の薄膜の厚さds3は、dL2+db+ds3がλ/(4×n2)の奇数倍となる厚さである。
すなわち、第三の薄膜の厚さds3は、
dL2+db+ds3=λ/(4×n2)×m(m:奇数) ・・・(5)
の関係を満たす。なお、dL2は、第二の薄膜12−1〜5を重ねた厚さであってdL2=ds2×5の関係を満たす。
第三の薄膜の厚さds3がλ/(4×n2)の奇数倍であるため、図6と同様の物理現象によって、障害物702から外気に入射する電磁波の反射波の発生が抑制される。
第三の薄膜13は、自身が接する障害物702の表面の全体を覆ってもよいし、一部を覆ってもよい。
R2=(nc−1)df ・・・(6)
の関係を満たす。前述したようにdfは、受信アンテナ703と障害物702の送信アンテナ701側の表面との水平距離である。そのため、図9においては、df=dall−(din+dL2)であり、曲率半径を求める(6)式は、R2=(nc−1){dall−(din+dL2)}となる。ここでdallは、送信アンテナ701と受信アンテナ703との水平方向の距離である。
図10は、図9において、n1=1.00、n2=1.50、nc=1.22、din=5cm、dL1=15λ/(4×nc)=15×0.4/(4×1.22)≒1.23cmである場合に、周波数が75GHzの電磁波を受信アンテナ703に集光する透過部材2の曲率半径R2とdallとの関係を表す。ここで、din+dL2≒6.7cmが固定値であり、dallが0〜200mの範囲内の値である場合における曲率半径R2を求めて示す。なお、図10は、第二の薄膜12を積層し構成した透過部材2の全体の厚さdL2が45λ/(4×nc)=45×0.4/(4×1.22)≒3.7cmとしたシミュレーションの結果である。図10のグラフは、dallが大きいほど曲率半径R2が大きいことを示す。
図11のグラフは、図9において、n1=1.00、n2=1.50、nc=1.22、dall=200mである場合に、周波数が75GHzの電磁波を受信アンテナ703に集光する透過部材2の曲率半径R2とdallとの関係を表す。ここで,dall=200mが固定値であり、din+dL2が0〜40cmの範囲内の値である場合における曲率半径R2のグラフを示す。曲率半径R2はdin+dL2が大きいほど小さい値である。
(変形例)
また、図7に示したように、透過部材1の第一の薄膜11の一部は、障害物702を覆う面積を有する第一の薄膜11であってもよい。
以下、送信アンテナ701、障害物702及び受信アンテナ703を無線通信システム7と同様の順番で備えるものの、θa≒0とみなせない無線通信システム(以下「非近似成立システム」という。)について説明する。非近似成立システムにおいては、透過部材1又は2は式(3)〜(6)においてそれぞれ、dfをdf/cos(θa)に置換し、dbをdb/cos(θa)に置換した以下の式(7)〜(10)を満たす。
R1=(nc−1)df/cos(θa)・・・(7)
R1=(nc−1)din/cos(θa)・・・(8)
(dL2+db+ds3)/cos(θa)=λ/(4×n2)×m・・・(9)
R2=(nc−1)df/cos(θa)・・・(10)
送信アンテナ701が放射した電磁波は、障害物702に入射する。障害物702に入射した電磁波は屈折し、障害物702を伝搬する。障害物702から外気へ伝搬する境界においては,この境界へ入射角θbで入射して、外気中に出射角θaの方向に伝搬する。
電磁波が障害物702を通過する距離(以下「伝搬経路長」という。)をUとして、Uは、U=db/cos(θb)である。
θb=arcsin(n1×sin(θa))/n2 …(11)
を満たす。
そのため、伝搬経路長Uは
U=db/cos{arcsin(n1×sin(θa))/n2} …(12)
である。
θb=arcsin(n1×sin(θa))/n2
=arcsin(1.00×0.316)/1.50
=18.43/1.50
=12.29deg
である。
そのため、tan(θb)=0.218であり、db{tan(θa)−tan(θb)}≒8×{0.333−0.218}=0.92mmである。したがって、H1=10mなので、0.92mm/10mは0.0001以下の非常に小さい値である。
このことは、非近似成立システムであっても、条件次第では無線通信システム7と略同一の経路を伝搬する電磁波が存在することを示す。さらに、このことは、非近似成立システムであっても条件次第では、透過部材1又は2は式(3)〜(10)を満たすことを示す。
図17において、直交座標系であるXYZ座標系のX軸は水平方向に平行な軸であり、Y軸は鉛直方向に平行な軸である。
送信アンテナ701a、障害物702a及び受信アンテナ703aは、Y軸負方向に、送信アンテナ701a、障害物702a、受信アンテナ703aの順番に配置される。
θb=arcsin(n1×sin(θa))/n2 ・・・(13)
を満たす。また、図16と同様にして、dbは、
db/cosθb = db/cos{arcsin(n1×sinθa)/n2} ・・・(14)
を満たす。
そのため、図17及び18においては、透過部材1又は2は式(3)〜(6)においてそれぞれ、dfをdf/cos{arcsin(n1×sinθa)/n2}に置換し、dbをdb/cos{arcsin(n1×sinθa)/n2}に置換した式(7)〜(10)を満たす。
θb=arcsin(n1×sin(θa))/n2
=arcsin(1.00×0.164)/1.50
=9.46/1.50
=6.31deg
である。
そのため、tan(θb)=0.111であり、db{tan(θa)−tan(θb)}≒8×{0.166−0.111}=0.44mmである。したがって、このことは、H2=5mなので、アンテナ間の高低差に比べて、電磁波が集光される位置のズレは非常に小さいことを意味する。
このことは、図16と同様に、非近似成立システムであっても、条件次第では無線通信システム7と略同一の経路を伝搬する電磁波が存在することを示す。
Claims (5)
- 屈折率がn1である媒質を伝搬する波長λの電磁波に対する屈折率がncの複数の薄膜が層状に並び、前記複数の薄膜の一部又は全部が凸レンズの形状に略同一の形状を成し、前記複数の薄膜のうちの最も大きな面積を有する薄膜が、前記電磁波に対する屈折率がn 2 であって、前記電磁波を所定の透過率で透過させる障害物が有する面のうち一方の面に接し、
n c =(n 1 ×n 2 ) 1/2 であり、前記複数の薄膜の前記一方の面に垂直な方向の厚さがλ/(4×nc)の奇数倍である、
レンズ。 - 屈折率がn1である媒質を伝搬する波長λの電磁波に対する屈折率がn2の複数の薄膜が層状に並び、前記複数の薄膜の一部又は全部が凸レンズの形状に略同一の形状を成し、前記複数の薄膜のうちの最も大きな面積を有する薄膜が、前記電磁波に対する屈折率がn 2 であって、前記電磁波を所定の透過率で透過させる障害物が有する面のうち一方の面に接するレンズ状部材と、
前記電磁波に対する屈折率がn2であって、前記障害物が有する面のうち、前記レンズ状部材が接する面に平行であり、前記レンズ状部材が接する面の反対側に存在する面に接する薄膜状部材と、
を備え、
前記レンズ状部材の前記一方の面に垂直な方向の厚さと、前記障害物の前記一方の面に垂直な方向の厚さと、前記薄膜状部材の前記一方の面に垂直な方向の厚さとの合計の厚さが、
λ/(4×n2)の奇数倍である、
レンズ。 - 前記複数の薄膜と、前記障害物の前記一方の面の側に配置され前記電磁波を放射する第一のアンテナとの距離dinが、前記第一のアンテナの開口の長さをDとして、din≧2D2/λである場合において、前記凸レンズの形状に略同一の形状は、前記第一のアンテナと、前記障害物の前記一方の面の反対側に配置され前記電磁波を受信する第二のアンテナとの距離をdallとし、前記複数の薄膜の厚さの合計をdlとした場合に、R=(nc−1)df、df=dall−(din+dl)を満たす曲率半径Rの球面に接する形状である、
請求項1に記載のレンズ。 - 前記複数の薄膜と、前記障害物の前記一方の面の側に配置され前記電磁波を放射する第一のアンテナとの距離dinが、前記第一のアンテナの開口の長さをDとして、din<2D2/λである場合において、前記凸レンズの形状に略同一の形状は、R=(nc−1)dinを満たす曲率半径Rの球面に接する形状である、
請求項1に記載のレンズ。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載のレンズを複数備える、
複眼レンズ。
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