專利名稱：發(fā)光裝置、光接收裝置、空間傳輸裝置及透鏡設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光裝置、光接收裝置、以及由發(fā)光裝置和光接收裝置的組 合構(gòu)成的空間光傳輸裝置。
此外，該發(fā)明還涉及適合發(fā)光裝置、光接收裝置的透鏡設(shè)計方法。 此外，該發(fā)明還涉及包括了發(fā)光裝置的照明裝置。
背景技術(shù)：
圖9例示了用戶900在聽由包含IrDA裝置的便攜式活動圖像(moving picture)再現(xiàn)裝置101所再現(xiàn)的聲音時的情況。IrDA裝置意味著按照由紅外 線通信協(xié)會(Infrared Data Association)所規(guī)定的紅外線的光無線通信標(biāo)準(zhǔn)來 進行通信的裝置，在該例子中是指發(fā)送機102和接收機104。由便攜式活動 圖像再現(xiàn)裝置101所得到的再現(xiàn)信號(1比特數(shù)字信號)通過發(fā)送機102，被 調(diào)制為紅外線信號103,從而被放射到空間中。接收機104接收被放射的該 紅外線信號103，從而通過未圖示的低通濾波器而變換為聲音信號。用戶900 一邊觀看在便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置101上所顯示的活動圖像， 一邊通過耳 機120聽聲音。
圖10表示公知的IrDA裝置200的截面結(jié)構(gòu)。該IrDA裝置200包括 安裝在基板211上的發(fā)光二極管芯片(light emitting diode chip ) 205;光接收 芯片207;以及發(fā)送接收信號處理用IC(集成電路)芯片209。這些芯片205、 207、209通過半導(dǎo)體裝置保護用樹脂210覆蓋。在半導(dǎo)體裝置保護用樹脂210 的表面中，在與發(fā)光二極管芯片205、光接收芯片207對應(yīng)的部位上，與半 導(dǎo)體裝置保護用樹脂210以相同的材料通過一體成型而分別設(shè)置了放射模式 控制用透鏡206、光接收用聚光透鏡208。該放射模式控制用透鏡206、光接 收用聚光透鏡208都是半球狀或者半橢圓球狀的凸透鏡。來自外部空間的光 203'在透鏡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 單元(在芯片表面形成的光接收區(qū)域)。
圖11表示從發(fā)光二極管芯片205那樣的發(fā)光元件的發(fā)光單元(在芯片內(nèi)形成的發(fā)光區(qū)域)的中心O (將中心O設(shè)為xyz正交坐標(biāo)的原點)射出的光 線L通過的情況。該xyz正交坐標(biāo)由與發(fā)光二極管芯片205 (的發(fā)光單元) 的光軸一致的y軸、與其垂直的x軸、與它們正交的z軸規(guī)定。在包含y軸 且相對z軸傾斜了角度())的平面Q內(nèi)，被射到相對y軸傾斜了角度e的方向上 的光線L在透鏡206的界面S上，被折射到相對y軸傾斜了角度0的方向上。 如果假設(shè)發(fā)光二極管芯片205的發(fā)光面和透鏡206相對y軸為旋轉(zhuǎn)對稱，則 光線L的y軸附近的角度e不改變，光線L進至平面Q內(nèi)。
已知，在將光功率合計設(shè)為P()時，從發(fā)光二極管芯片205射出的光L在 透鏡206的內(nèi)部的放射強度分布由下一算式(1)的一般朗伯分布(Lambert distribution )(以下簡稱為"朗伯分布")表示。
朋=尸。^0" …(1 )
這里，n是被稱為朗伯指數(shù)的指數(shù)，n=l。因此，定向半值角度為60度。此
外，為了簡化，設(shè)光功率合計P(^lmW。
透鏡206為半球狀或者半橢圓球狀的情況下，通過了透鏡206的界面S后的光L (相當(dāng)于圖9中的103、圖10中的203 )的放射強度分布由下一算
式(2)表示。
，)=Jpo^±lco,0 ... (2) 2;r
這里，指數(shù)N使用通過了透鏡206的界面S后的定向半值角度(意味著放射 強度相對于最大放射強度為一半值的角度)0H，從而表示為， N=ln(cos H)/ln0.5... (3)。
圖12表示將對于y軸的角度取作橫軸，將放射強度取作縱軸時的朗伯分 布的放射強度分布。在對于y軸的角度 =0時的放射強度為最大，隨著對于 y軸的角度0增大而放射強度減小，在角度0成為定向半值角度0H時，放射強 度成為1/2。在該例子中， ^27度。這時，根據(jù)算式(3),指數(shù)N二6。
從前，作為IrDA裝置的使用方式，主要設(shè)想了例如電視機裝置的遙控器 和其接收機那樣，用戶有意使發(fā)送機和接收機對置，進行短時間的數(shù)據(jù)交換 的方式。因此，當(dāng)接收機相對發(fā)送機在一定的角度范圍且處于一定的距離范 圍的情況下進行良好的通信成為目標(biāo)。例如，在特開平11-14935號公報、特 開2005-189446號公報中，都較窄地限制了發(fā)送機放射的光的放射范圍，從 而使光的強度分布在該被限制的放射范圍內(nèi)均勻。但是，在最近，正在增加使用關(guān)于圖9所述的便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置 101的情況那樣，用戶在長時間內(nèi)實時地接收聲音的使用方式。在這樣的經(jīng) 過長時間的使用方式中，難以使用戶在視聽中有意地保持同樣的姿勢。因此，
在以往的便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置101,用戶的視聽中會引發(fā)以下問題，例
如用戶在水平方向(左方向或者右方向)上平行移動了發(fā)送機的等情況下，
接收機相對發(fā)送機從可通信區(qū)域(在該例子中是放射強度為100nW/cn^的區(qū)
域)偏離。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的課題在于，提供一種能夠適當(dāng)?shù)卮_保用于便攜式活動圖 像再現(xiàn)裝置那樣的光無線通信的可通信區(qū)域的發(fā)光裝置、光接收裝置、以及 由發(fā)光裝置和光接收裝置的組合構(gòu)成的空間光傳輸裝置。
此外，本發(fā)明的課題還在于提供適合這樣的發(fā)光裝置、光接收裝置的透 4竟i殳計方法。
此外，本發(fā)明的課題還在于提供可較寬地確保照明范圍的照明裝置。
根據(jù)本發(fā)明人的調(diào)查得知，在使用便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置時，在視聽 中通過用戶的姿勢改變，發(fā)送機對接收機相對地在水平方向移動的范圍是 20cm左右。即，如圖13 (照度等高線)中的實線所示，在對發(fā)送機沿垂直 方向y為lm左右，乂人手邊沿水平方向(左方向或者右方向)x為20cm左右 的子彈型的范圍內(nèi)，發(fā)送機相對移動。并且，該發(fā)送機移動的子彈型的范圍 LlR被要求作為可通信區(qū)域。另外，在便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置101那樣的以 往的IrDA裝置中，虛線所示那樣的大致橢圓形的范圍LIp為可通信區(qū)域。由 該圖13可知，在以往的IrDA裝置中，在用戶的手邊(來自發(fā)送機的垂直距 離y為10cm左右的地方)，在水平方向上^皮允i午的位置偏移為20cm以下。 因此，如上所述，會引起接收機相對發(fā)送機從可通信區(qū)域偏離的問題。
基于上述那樣的調(diào)查結(jié)果，本發(fā)明人如下設(shè)計了能夠適當(dāng)?shù)卮_保用于便 攜式活動圖像再現(xiàn)裝置那樣的光無線通信的可通信區(qū)域的裝置。
為了解決上述課題，本發(fā)明的發(fā)光裝置的特征在于，包括
發(fā)光單元，將光射出到包含光軸的某個范圍；以及
放射用透鏡，被設(shè)置在上述光軸的周圍以覆蓋上述發(fā)光單元，使來自上 述發(fā)光單元的光折射而放射到外部空間，在設(shè)定了將上述發(fā)光單元的中心設(shè)為原點，將上述光軸設(shè)為y軸，并具 有與上述y軸正交的x軸的坐標(biāo)系時，上述放射用透鏡與外部空間的界面在 x^)的定義域中由函數(shù)y二g (x)表示，隨著lxl增大，以某個拐點xo為界， 上述函數(shù)g (x)的2次導(dǎo)數(shù)Wg (x) /dx2的符號從負(fù)變?yōu)檎?br> 這里，發(fā)光單元的"光軸"意味著光的射出強度最大的、從發(fā)光單元延 伸的直線。
在本發(fā)明的發(fā)光裝置中，關(guān)于被放射到上述外部空間的光，可得到照度 等高線為子彈型的形狀那樣的放射強度分布。因此，能夠適當(dāng)?shù)卮_保用于便 攜式活動圖像再現(xiàn)裝置那樣的光無線通信的可通信區(qū)域。
在一實施方式的發(fā)光裝置中，其特征在于，在將被放射到上述外部空間 的光對于上述y軸形成的角度設(shè)為0時，上述先的強度分布實質(zhì)上包含l/sin20 的因子。
在這一實施方式的發(fā)光裝置中，關(guān)于被放射到上述外部空間的光，可得 到照度等高線大致為期望的子彈型的形狀那樣的放射強度分布。
在一實施方式的發(fā)光裝置中，其特征在于，在將被放射到上述外部空間 的光對于上述y軸形成的角度設(shè)為G),并將m設(shè)為4以上的整數(shù)時，上述光 的強度分布實質(zhì)上包含，
l+cos20+cos4 +cos60+.. .+cos2m0
的因子。 一4殳成立
l/sin2 =l+cos2 +cos40+cos6 +.. .+cos2m0+... 的關(guān)系式。這一實施方式的發(fā)光裝置，在該關(guān)系式中，將m設(shè)為整數(shù)，從而 在m^4的范圍內(nèi)近似放射用透鏡的界面的形狀。由此，關(guān)于被放射到上述外 部空間的光，可得到照度等高線大致為期望的子彈型的形狀那樣的放射強度 分布。
在一實施方式的發(fā)光裝置中，其特征在于，關(guān)于上述x軸方向，上述發(fā) 光單元的尺寸相對于上述放射用透鏡的尺寸為1/5以下。
在這一實施方式的發(fā)光裝置中，關(guān)于被放射到上述外部空間的光，可高 精度地得到照度等高線為子彈型的形狀那樣的放射強度分布。
在一實施方式的發(fā)光裝置中，其特征在于，上述發(fā)光單元由面發(fā)光激光 器構(gòu)成。一般，面發(fā)光激光器的其發(fā)光面的尺寸為pm級(order)。因此，在這一 實施方式的發(fā)光裝置中，根據(jù)上述發(fā)光單元的pm級的尺寸，可實現(xiàn)放射用透 鏡的小型化。
本發(fā)明的光接收裝置，其特征在于，包括
光接收單元，從包含光軸的某個范圍接受光；以及
聚光用透鏡，被設(shè)置在上述光軸的周圍以覆蓋上述光接收單元，使來自 外部空間的光折射而入射到上述光接收單元，
在設(shè)定了將上述光接收單元的中心設(shè)為原點，將上述光軸設(shè)為y軸，并 具有與上述y軸正交的x軸的坐標(biāo)系時，上述聚光用透鏡與外部空間的界面 在x^O的定義域中由函數(shù)y^(x)表示，隨著lxl增大，以某個拐點xo為界， 上述函數(shù)h (x)的2次導(dǎo)數(shù)cPh (x) /dx2的符號從負(fù)變?yōu)檎?br> 這里，光接收單元的"光軸，，意味著光的入射靈敏度最大的、從光接收 單元延伸的直線。
在本發(fā)明的光接收裝置中，能夠高靈敏度地接收從近距離向水平方向到 來的光。因此，能夠適當(dāng)?shù)卮_保用于便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置那樣的光無線 通信的可通信區(qū)域。
本發(fā)明的空間光傳輸裝置用于進行光無線通信，其由發(fā)光裝置和光接收 裝置組合而構(gòu)成，
上述發(fā)光裝置包括
發(fā)光單元，將光射出到包含光軸的某個范圍；以及
放射用透鏡，被設(shè)置在上述光軸的周圍以覆蓋上述發(fā)光單元，使來自上 述發(fā)光單元的光折射而放射到外部空間，
在設(shè)定了將上述發(fā)光單元的中心設(shè)為原點，將上述光軸設(shè)為y軸，并具 有與上述y軸正交的x軸的坐標(biāo)系時，上述放射用透鏡與外部空間的界面在 x20的定義域中由函數(shù)y二g (x)表示，隨著lxl增大，以某個拐點x。為界， 上述函數(shù)g (x)的2次導(dǎo)數(shù)d、 (x) /dxZ的符號從負(fù)變?yōu)檎?br> 上述光接收裝置包括
光接收單元，從包含光軸的某個范圍接受光；以及 聚光用透鏡，被設(shè)置在上述光軸的周圍以覆蓋上述光接收單元，使來自 外部空間的光折射而入射到上述光接收單元，
在設(shè)定了將上述光接收單元的中心設(shè)為原點，將上述光軸設(shè)為y軸，并具有與上述y軸正交的x軸的坐標(biāo)系時，上述聚光用透鏡與外部空間的界面 在x^O的定義域中由函數(shù)y二h(x)表示，隨著lxl增大，以某個拐點xo為界， 上述函數(shù)h (x)的2次導(dǎo)數(shù)d211 (x) /cb^的符號從負(fù)變?yōu)檎?br> 在本發(fā)明的空間光傳輸裝置中，發(fā)光裝置以照度等高線為子彈型的形狀 那樣的放射強度分布向外部空間放射光。此外，光接收裝置能夠高靈敏度地 接收從近距離向水平方向到來的光。因此，在該空間光傳輸裝置例如作為便 攜式活動圖像再現(xiàn)裝置使用時，能夠適當(dāng)?shù)卮_保用于光無線通信的可通信區(qū) 域。
此外，本發(fā)明的空間光傳輸裝置被用于例如可見光通信系統(tǒng)時，可進行
空間分割，可實現(xiàn)一對多的通信。
在一實施方式的空間光傳輸裝置中，其特征在于，
上述發(fā)光裝置實時地連續(xù)發(fā)送表示聲音的信號作為上述光，
上述光接收裝置實時地連續(xù)接收表示聲音的上述信號作為上述光。
在該空間光傳輸裝置中，上述發(fā)光裝置實時地連續(xù)發(fā)送表示聲音的信號
作為上述光，上述光接收裝置實時地連續(xù)接收表示聲音的上述信號作為上述
光。因此，通過該空間光傳輸裝置，例如在長時間內(nèi)再現(xiàn)活動圖像的圖像/聲
音的便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置被理想地構(gòu)成。
本發(fā)明的照明裝置的特征在于包括上述發(fā)光裝置。
在本發(fā)明的照明裝置中，發(fā)光裝置以照度等高線為子彈型的形狀那樣的 放射強度分布向外部空間放射光。因此，本發(fā)明的照明裝置被優(yōu)選用作聚光 燈(spotlight)。并且，本發(fā)明的照明裝置被小型地構(gòu)成。
本發(fā)明的透鏡界面設(shè)計方法，其為上述發(fā)光裝置而設(shè)定用于表示上述放 射用透鏡與外部空間的界面的函數(shù)g (x),該透鏡界面設(shè)計方法的特征在于，
在將從上述發(fā)光單元射出的上述放射用透鏡內(nèi)的光、被放射到上述外部
空間的光分別對上述y軸形成的角度設(shè)為e、 時，
關(guān)于上述放射用透鏡內(nèi)的光，求放射強度相對于上述y軸上的放射強度 為1/2的定向半但角度9h，并通過
n=ln ( cos6H ) /ln0.5 的關(guān)系式而確定指數(shù)n的基礎(chǔ)上，
將M設(shè)為4以上的整數(shù)，并通過數(shù)值計算方法設(shè)定上述函數(shù)g ( x ),以 在9和0之間成立(l_cos2m+10)
的關(guān)系式。
通過本發(fā)明的透鏡界面設(shè)計方法所設(shè)計的發(fā)光裝置中，被放射到上述外 部空間的光的強度分布實質(zhì)上包含，
l+cos20+cos40+cos60+.. .+cos2mG) 的因子(這里，m^4)。由此，即使是單一透鏡，關(guān)于被放射到上述外部空間 的光，可得到照度等高線大致為期望的子彈型的形狀那樣的放射強度分布。 因此，能夠適當(dāng)?shù)卮_保用于便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置那樣的光無線通信的可 通信區(qū)i或。
在另一方面，本發(fā)明的透鏡界面設(shè)計方法為上述發(fā)光裝置而設(shè)定用于表 示上述放射用透鏡與外部空間的界面的函數(shù)g (x),該透鏡界面設(shè)計方法的 特征在于，
在將從上述發(fā)光單元射出的上述放射用透鏡內(nèi)的光、被放射到上述外部
空間的光分別對上述y軸形成的角度設(shè)為e、 時，
關(guān)于上述放射用透鏡內(nèi)的光，求放射強度相對于上述y軸上的放射強度 為1/2的定向半值角度QH,并通過
n=ln ( cosQh ) /ln0.5 的關(guān)系式而確定指數(shù)n的基礎(chǔ)上，
將M設(shè)為4以上的整數(shù)，并通過數(shù)值計算方法設(shè)定上述函數(shù)g (x)，以
在e和o之間成立
的關(guān)系式。
通過本發(fā)明的透鏡界面設(shè)計方法所設(shè)計的發(fā)光裝置中，被放射到上述外 部空間的光的強度分布實質(zhì)上包含，
l+cos2G)+cos4 +cos6 +.. .+cos2m0 的因子(這里，m^4)。由此，即使是單一透鏡，關(guān)于被放射到上述外部空間 的光，可得到照度等高線大致為期望的子彈型的形狀那樣的放射強度分布。因此，能夠適當(dāng)?shù)卮_保用于便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置那樣的光無線通信的可 通信區(qū)域。此外，可延長通信距離。


本發(fā)明可通過以下的詳細說明和添加的附圖充分地理解。添加的附圖只 是用于說明，而并非限制本發(fā)明。在附圖中，
圖1A是表示本發(fā)明一實施方式的IrDA裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖。
圖1B是表示本發(fā)明的其他實施方式的IrDA裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖。
圖2是表示由便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置要求的、由圖1A的IrDA裝置所
實現(xiàn)的光的放射強度分布的圖。
圖3是表示由圖1A的IrDA裝置所實現(xiàn)的、照度等高線表示子彈型的形
狀的可通信區(qū)域的圖。
圖4是表示圖1A的IrDA裝置的放射模式控制用透鏡的界面的形狀的圖。 圖5是表示照度等高線表示與圖3不同的子彈型的形狀的可通信區(qū)域的圖。
圖6是例示用戶在聽由包含圖1A的IrDA裝置的便攜式活動圖像再現(xiàn)裝
置所再現(xiàn)的聲音時的情況的圖。
圖7是表示與圖3、圖5不同的可通信區(qū)域的圖。
圖8是表示本發(fā)明一實施方式的空間光傳輸裝置70的圖。
圖9是例示用戶在聽由包含以往的IrDA裝置的便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置
所再現(xiàn)的聲音時的情況的圖。
圖IO是表示以往的IrDA裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖。
圖11是表示從發(fā)光元件的發(fā)光單元的中心射出的光線通過的樣子的圖。 圖12是表示基于以往的IrDA裝置的光的放射強度分布的圖。 圖13是對以往的IrDA裝置的可通信區(qū)域和便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置所 要求的可通信區(qū)域進行比較表示的圖。
具體實施例方式
以下，通過圖示的實施方式來詳細說明本發(fā)明。 (第1實施方式)
圖1A表示作為本發(fā)明的空間光傳輸裝置的一實施方式的IrDA裝置40的截面結(jié)構(gòu)。該lrDA裝置40包括安裝在基板11上的發(fā)光二極管芯片5、 光接收芯片7、以及發(fā)送接收信號處理用IC (集成電路)芯片9。為了分離 發(fā)送和接收，發(fā)光二極管芯片5和光接收芯片7在基板11上被配置在IC芯 片9的相對側(cè)(在圖1A中為左側(cè)和右側(cè))。這些芯片5、 7、 9通過半導(dǎo)體裝 置保護用樹脂IO覆蓋。在半導(dǎo)體裝置保護用樹脂10的表面10a中，在與發(fā) 光二極管芯片5、光接收芯片7對應(yīng)的部位上，與半導(dǎo)體裝置保護用樹脂10 以相同的材料通過一體成型而分別設(shè)置了作為放射用透鏡的放射模式控制用 透鏡6、作為聚光用透鏡的光接收用聚光透鏡8。在該例子中，發(fā)光二極管芯 片5和放射模式控制用透鏡6構(gòu)成作為發(fā)光裝置的發(fā)送機。此外，光接收芯 片7和光接收用聚光透鏡8構(gòu)成作為光接收裝置的接收機。
與以往的透鏡208 (參照圖10)同樣地，光接收用聚光透鏡8為半球狀 或者半橢圓球狀的凸透鏡。來自外部空間的光3'在透鏡8的界面8a上折射而 被聚光，并入射到光接收芯片7的光接收單元(在芯片表面形成的光接收區(qū) 域)。另一方面，與以往的透鏡206 (參照圖10)不同，放射模式控制用透鏡 6為具有后述的界面形狀的凸透鏡。從發(fā)光二極管芯片5的發(fā)光單元(在芯 片內(nèi)所形成的發(fā)光區(qū)域。在該例子中設(shè)為芯片的中心。)射出的光3在透鏡6 的界面6S(包括6a、 6b、 6c、 6d)上折射，成為期望的放射模式從而被放射 到外部空間。
圖4中用實線描繪了上述的透鏡6的界面6S的形狀。另外，為了比較， 圖4中用虛線描繪了以往的半球透鏡206的界面。在該圖4中，設(shè)定了將發(fā) 光二極管芯片5的中心設(shè)為原點O，將發(fā)光二極管芯片5的光軸(在該例子 中，用通過芯片5的中心和透鏡6的頂點6a的虛線表示)設(shè)為y軸，并具有 與y軸正交的x軸的坐標(biāo)系。這里，假設(shè)放射用透鏡6與外部空間的界面6S 圍繞y軸為旋轉(zhuǎn)對稱，在x》0的定義域中由函數(shù)y二g (x)表示。下面，說明 通過一實施方式的透鏡界面設(shè)計方法來設(shè)定該函數(shù)y二g (x)的方法。
與關(guān)于閨IO敘述的同樣，將從發(fā)光二極管芯片5射出的透鏡6內(nèi)的光、 被放射到外部空間的光分別對y軸形成的角度設(shè)為e、 。在將光功率合計設(shè) 為Po時，從發(fā)光二極管芯片5射出的光在透鏡6的內(nèi)部的放射強度分布由已 知的算式(1 )的朗伯分布表示。
/(一尸o^co"... (1)
這里，n是被稱為朗伯指數(shù)的指數(shù)，n=l。為了簡化，設(shè)光功率合計P(^lmW。另外，上述的指數(shù)n使用被要求的放射強度分布中的定向半值角度(意 味著放射強度相對于最大放射強度為一半值的角度)eH,通過r^ln (coseH) /ln0.5的關(guān)系式表示。
另一方面，對于被放射到外部空間的光3，假設(shè)被要求的放射強度分布F ( )包含
1/sin2 ... (3) 的因子。實際上，成立
l/sin20=l+cos2@+cos4G)+cos6 +.. .+cos2m +... 的一般的關(guān)系式。并且，將展開的右邊的項設(shè)為m=10，即取到cos^G)為止， 對于被放射到外部空間的光3，被要求的放射強度分布F (0)表示圖2所示 的分布。該分布對應(yīng)于圖3所示那樣的、對被放射到外部空間的光3所要求 的、照度等高線表示子彈型的形狀的放射強度分布LI,。
接著，設(shè)n-l、 M為4以上的整數(shù)，通過數(shù)值計算方法設(shè)定上述的函數(shù)g (x)，以在e和0之間成立
Mi / 、
A/
》
(4)
32w + l 的關(guān)系式。
該算式(4)是在將算式(1)、 (3)分別進行了歸一化使其成為相同的光
功率的基礎(chǔ)上，通過使在半球上分別積分至e、 0的結(jié)果相等而得到。這里，
使用了以下的公式。
1
sin 6*
=1 + cos2 0 + cos4 6> + cos6 "…=$ cos2 6)
m=0
該式的展開式進行到m=M=10。上述的圖4描繪了該算式(4)，即將透 鏡的折射率設(shè)1.6,同時將透鏡6的高度歸一化為1。
函數(shù)g (x)的2次導(dǎo)數(shù)d2g (x) /dx2的符號如以下的算式(5)那樣。
(5)
<formula>formula see original document page 14</formula>
即，在透鏡6的頂部6a，即x-0時，d2g (x) /dx2=0。當(dāng)x從O增大時，暫時fg (x) /cb^的符號成為負(fù)，透鏡6的界面6b向上凸。x再增大時，在 某個拐點x0， d2g (x) /dx2=0。然后，當(dāng)x從xo增大時，暫時d2g (x) /dx2 的符號成為正，透鏡6的界面6c向下凸。x再增大時，在另一個拐點x,， d2g (x)/dx2=0。然后，當(dāng)x從x!增大時，d2g (x) /dx2的符號成為負(fù)，透鏡6 的界面6d向上凸。然后，達到透鏡6的端部X2。
該函數(shù)g (x)所表示的透鏡界面的特征在于，與半球透鏡206進行比較 的情況下，在xK).75附近，透鏡界面6c表示凹坑。這一特征在M24時共同。 此外，作為透鏡6的材料，在使用了一般的樹脂或玻璃的情況下，這些材料 具有的折射率1.2-1.8的范圍內(nèi)，該凹坑形狀幾乎不變。并且，即使在透鏡6 內(nèi)的反射強度分布從n-l的朗伯分布產(chǎn)生了若干偏移的情況下，也可以使用 算式(4)，原樣地將透鏡界面作為函數(shù)g (x)進行數(shù)值化。
若圖1A中所示的放射模式控制用透鏡6具有該函數(shù)g (x)表示的透鏡 界面6S,則關(guān)于被放射到外部空間的光3，如圖3所示，可得到照度等高線 表示子彈型的形狀的放射強度分布LI,。因此，能夠適當(dāng)?shù)卮_保用于便攜式活 動圖像再現(xiàn)裝置那樣的光無線通信的可通信區(qū)域(在該例子中是放射強度為 100nW/cm2的區(qū)域)。此外，可延長通信距離。
這里，關(guān)于指數(shù)M (以及m)進行說明。cos加e在e二0附近為1,因此， 即使m增大，上述的展開式
= 1 + cos2 6> + cos4 6> + cos6 6 +…=f COs2m 0 sin2 ^ fb
也不收斂。通過增大該指數(shù)M，可通信區(qū)域較長地伸長為子彈型。因此，可
以在M24左右選擇最佳的M,通過數(shù)值計算方法來求函數(shù)g (x)。增加該指
數(shù)M雖然會增大數(shù)值計算上的繁雜程度，但所得到的透鏡是單一 (單面)透
鏡，不會使發(fā)送機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。這樣僅改變指數(shù)M就能夠簡單地改變可通
信區(qū)域的形狀。例如圖5表示指數(shù)M二4時的可通信區(qū)域Ll2。在設(shè)IVN4時，
與圖3所示的設(shè)M40的情況相比，可通信區(qū)域沿水平方向變寬，相應(yīng)地，
垂直方向的可通信距離從大約106cm縮短至大約67cm。發(fā)送的光功率合計不
變，在任何情況下都沒有引發(fā)基于透鏡6的光的損耗。
圖6例示了用戶900在聽由包含圖1A的IrDA裝置的便攜式活動圖像再
現(xiàn)裝置1所再現(xiàn)的聲音時的情況。由便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置1所得到的再
現(xiàn)信號(1比特數(shù)字信號)通過發(fā)送機2被調(diào)制為紅外線信號3,從而被實時地連續(xù)放射到空間。接收機4實時地連續(xù)接收該被放射的紅外線信號3,并
通過未圖示的低通濾波器而變換為聲音信號。用戶900 —邊觀看在便攜式活 動圖像再現(xiàn)裝置1上所顯示的活動圖像， 一邊通過耳機20聽聲音。由此，用 戶900可在長時間內(nèi)對活動圖像的圖像/聲音進行視聽。
這里，由圖3或圖5可知，在用戶的手邊(來自發(fā)送機的垂直距離y為 10cm左右的地方)，在水平方向上^皮允許的位置偏移為20cm以上。因此，不 會引起以往那樣的、接收機相對發(fā)送機從可通信區(qū)域偏離的問題。因此，用 戶可穩(wěn)定地接收聲音，而不必注意保持視聽時的姿勢。 (第2實施方式)
在上述的第1實施方式的IrDA裝置40中，即使是來自發(fā)送機的垂直距 離y小于1 Ocm、例如y=0的地方，在水平方向上被允許20cm以上的位置偏 移，從而成為可通信區(qū)域。由第1實施方式中關(guān)于指數(shù)M的討論可知，這一 點意味著假定將發(fā)送機的光功率合計設(shè)為一定時，可通信區(qū)域沿水平方向x 變寬，相應(yīng)地，垂直方向y的可通信距離縮短。此外，意味著，i定將垂直方 向y的可通信距離設(shè)為一定時，可通信區(qū)域沿水平方向x變寬，相應(yīng)地，必 須增大發(fā)送機的光功率合計。
另一方面，由于人的眼球的焦距通常為10cm以上，因此在對于發(fā)送機 的垂直距離y小于10cm的位置上，用戶無法 /斤活動圖像。
因此，在該第2實施方式中，在對于發(fā)送^/L的垂直距離y小于10cm的 地方，通過使水平方向x的可通信距離最佳，從而可減少發(fā)送機的消耗功率。 在該第2實施方式中，由于IrDA裝置在實際空間中的結(jié)構(gòu)與第1實施方式的 結(jié)構(gòu)幾乎相同，因此省略其附圖進行說明。
具體地說，在該第2實施方式中，代替第1實施方式中的算式(4)，使 用下一算式(6)。即，將M設(shè)為4以上的整數(shù)，并通過數(shù)值計算方法設(shè)定上
述函數(shù)g(x)，以在e和o之間成立 '<formula>formula see original document page 16</formula>的關(guān)系式。
圖7表示設(shè)指數(shù)M二10、透鏡的折射率為1.6時的、基于該第2實施方式 的IrDA裝置的可通信區(qū)域Ll3?？芍?，在該圖7的例子中，例如與圖3的例子相比，在對于發(fā)送機的垂直距離y小于10cm的地方，可通信區(qū)域沿水平 方向x變窄從而被最佳化。由此，在將發(fā)送機的光功率合計設(shè)為一定(相同 的消耗功率)時，在對于發(fā)送機的垂直距離y小于10cm的地方，可通信區(qū) 域沿水平方向X變窄，相應(yīng)地，垂直方向y的可通信距離變長。例如，在圖 3的例子中垂直方向y的可通信距離大約為106cm,但在該圖7的例子中， 變長至大約1.28m。此外，在將垂直方向y的可通信距離設(shè)為一定時，在對 于發(fā)送機的垂直距離y小于10cm的地方，可通信區(qū)域沿水平方向x變窄， 相應(yīng)地，可減小發(fā)送機的消耗功率。例如，相對于圖3的例子，在該圖7的 例子中，消耗功率成為(1.06/1.28 ) 2。即，可將消耗功率減少大約30%。 (第3實施方式)
在上述的第1、第2實施方式的IrDA裝置中，將本發(fā)明應(yīng)用到了放射模 式控制用透鏡6的界面6S的形狀上，但不限于此。若將本發(fā)明的透鏡界面的 形狀應(yīng)用到例如圖1A中所示的光接收用聚光透鏡8，則可期待與第1、第2 實施方式中敘述的同樣的效果。圖1B表示那樣的IrDA裝置40'的截面結(jié)構(gòu)。 在該IrDA裝置40'中，通過與覆蓋發(fā)光二極管芯片5的放射模式控制用透鏡 6等價的光接收用聚光透鏡8'，光接收芯片7被覆蓋。聚光透鏡8'的界面8S' (包括8a'、 8b'、 8c'、 8d')的形狀與透鏡6的界面6S的形狀分別對應(yīng)。即， 透鏡8'的局部界面8a'、 8b'、 8c'、 8d'與透4竟6的局部界面6a、 6b、 6c、 6d分 別對應(yīng)。
這時，設(shè)聚光用透鏡8'與外部空間的界面8S'在x20的定義域中由函數(shù) y=h (x)表示時，函數(shù)h (x)的2次導(dǎo)數(shù)d211 (x) /dx2的符號如以下的算式 (7)那樣。
0(x = 0)
<0(0 < ;c < x0)
0(x = x0)
>0(X。 < X < X！)
0
<0(X, < x S x2)
...(7)
這時，在與發(fā)送機1對1進行通信的接收機中，能夠高靈敏度地接收從 近距離向水平方向到來的光。因此，能夠適當(dāng)?shù)卮_保用于便攜式活動圖像再 現(xiàn)裝置那樣的光無線通信的可通信區(qū)域。
另外，在假定了相對發(fā)送機只產(chǎn)生規(guī)定的角度偏移的系統(tǒng)中，只要使用具備了以往的透鏡的接收機就足夠。相對于此，在不易產(chǎn)生角度偏移，但會
產(chǎn)生水平方向的位置偏移的系統(tǒng)或使用場地(scene),有時接收機的接收靈 敏度-角度曲線包含已知的算式(3)的 l/sin2G)
的因子比較好。例如，固定站之間的LAN (局域網(wǎng))等適合該例子。此外， 安裝在建筑物的屋頂上的墻壁等的發(fā)送機或接收機，角度不會變化，但對于 因空氣的折射率的搖擺等氣象條件、風(fēng)等引起的位置變化，要求較高的抵抗 性。這時，若將本發(fā)明的透鏡界面的形狀應(yīng)用到接收機的光接收用聚光透鏡 上，則可提高接收靈敏度。 (第4實施方式)
在上述的第1實施方式的IrDA裝置40中，假設(shè)了發(fā)光二極管芯片5構(gòu) 成發(fā)光單元，但不限于此。例如，在該第4實施方式中，假設(shè)面發(fā)光型半導(dǎo) 體激光器芯片(使用與圖1A中的發(fā)光二極管芯片相同的標(biāo)號5進行說明) 構(gòu)成發(fā)光單元。即，若同樣地參照圖1A進行說明，則面發(fā)光型半導(dǎo)體激光 器芯片5，用于激光振蕩的發(fā)光面(發(fā)光單元)的尺寸為pm級，在該例子中 設(shè)直徑為lOpm(l)。若使用這樣的發(fā)光面小的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器芯片5， 則其放射模式可得到與朗伯分布極其相近的值。研究后確認(rèn)，若發(fā)光面的直 徑尺寸相對于透鏡6的直徑尺寸為1/5以下，換言之，透鏡6的直徑尺寸相 對于發(fā)光面的直徑尺寸為5倍以上，則可充分地得到上述第1、第2實施方 式中所述的效果。
另外，在一般的發(fā)光二極管芯片的情況下，由于其發(fā)光面的大小大約為 0.3mm())左右，因此若透鏡6的直徑為1.55 mmf則始終能夠較好地控制放射 強度分布。
(第5實施方式)
說明作為本發(fā)明第5實施方式的照明裝置。若同樣地參照圖1A進行說 明，則該第5實施方式的照明裝置由上述的第1實施方式的IrDA裝置40中 的發(fā)光裝置、即發(fā)光二極管芯片5和放射模式控制用透鏡6構(gòu)成。在該例子 中，假設(shè)發(fā)光二極管芯片5射出藍紫色的光。假設(shè)發(fā)光二極管芯片5的周圍 附近，代替構(gòu)成透鏡6的物質(zhì)，而通過(未圖示)熒光物質(zhì)包圍。該熒光體 吸收藍紫色的光，通過熒光作用而發(fā)出白色光?？芍猑U丈出的白色光成為朗 伯分布。那么，在從發(fā)光二極管芯片5到外部空間的光軸上，形成具有由本發(fā)明所得到的形狀的透鏡界面6。由此，發(fā)光裝置以照度等高線為子彈型的 形狀那樣的放射強度分布向外部空間放射光。因此，該照明裝置被優(yōu)選用作 聚光燈。并且，該照明裝置被小型地構(gòu)成。
(第6實施方式)
圖8表示作為本發(fā)明第6實施方式的空間光傳輸裝置70。該空間光傳輸 裝置70通過在室內(nèi)的天花板上配置多個上述的第1實施方式的IrDA裝置40、 40而構(gòu)成。各個IrDA裝置40通過用放射模式控制用透鏡6覆蓋發(fā)光二極管 芯片5和光接收芯片7而構(gòu)成。
在該例子中，各個IrDA裝置40以圖7所示的放射強度分布LI3向下方 具有指向性地放射來自發(fā)光二極管芯片5的可見光3。在室內(nèi)的桌子上，放 置了分別內(nèi)置有與第1實施方式的IrDA裝置40相同的IrDA裝置(未圖示) 的筆記本型個人計算機80、 81。各個個人計算機80、 81在其個人計算機對 應(yīng)的IrDA裝置40之間，相互獨立地進行使用了可見光的光通信。
這時，根據(jù)各個IrDA裝置40具有良好的定向性，對各個IrDA裝置40， 可通信區(qū)域被相互分離地設(shè)定。因此，對于各個個人計算機80、 81，可相互 獨立地并行數(shù)據(jù)通信。
權(quán)利要求
1、一種發(fā)光裝置，其特征在于，包括發(fā)光單元，將光射出到包含光軸的某個范圍；以及放射用透鏡，被設(shè)置在上述光軸的周圍以覆蓋上述發(fā)光單元，使來自上述發(fā)光單元的光折射而放射到外部空間，在設(shè)定了將上述發(fā)光單元的中心設(shè)為原點，將上述光軸設(shè)為y軸，并具有與上述y軸正交的x軸的坐標(biāo)系時，上述放射用透鏡與外部空間的界面在x≥0的定義域中由函數(shù)y＝g(x)表示，隨著|x|增大，以某個拐點x0為界，上述函數(shù)g(x)的2次導(dǎo)數(shù)d2g(x)/dx2的符號從負(fù)變?yōu)檎?br> 2、 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于，在將被放射到上述外部空間的光對于上述y軸形成的角度設(shè)為0時，上 述光的強度分布實質(zhì)上包含1/sii^0的因子。
3、 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于，在將被放射到上述外部空間的光對于上述y軸形成的角度設(shè)為 ，并將m 設(shè)為4以上的整數(shù)時，上述光的強度分布實質(zhì)上包含， l+cos2G)+cos40+cos60+,. .+cos2m0的因子。
4、 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于，關(guān)于上述x軸方向，上述發(fā)光單元的尺寸相對于上述放射用透鏡的尺寸 為1/5以下。
5、 如權(quán)利要求4所述的發(fā)光裝置，其特征在于， 上述發(fā)光單元由面發(fā)光激光器構(gòu)成。
6、 一種光接收裝置，其特征在于，包括 光接收單元，從包含光軸的某個范圍接受光；以及聚光用透鏡，被設(shè)置在上述光軸的周圍以覆蓋上述光接收單元，使來自 外部空間的光折射而入射到上述光接收單元，在設(shè)定了將上述光接收單元的中心設(shè)為原點，將上述光軸設(shè)為y軸，并 具有與上述y軸正交的x軸的坐標(biāo)系時，上述聚光用透鏡與外部空間的界面 在x》0的定義域中由函數(shù)y^(x)表示，隨著lxl增大，以某個拐點x。為界， 上述函數(shù)h (x)的2次導(dǎo)數(shù)d211 (x) /dx 的符號從負(fù)變?yōu)檎?br> 7、 一種空間光傳輸裝置，用于進行光無線通信，其中， 該空間光傳輸裝置由發(fā)光裝置和光接收裝置組合而構(gòu)成，上述發(fā)光裝置包括發(fā)光單元，將光射出到包含光軸的某個范圍；以及放射用透鏡，被設(shè)置在上述光軸的周圍以覆蓋上述發(fā)光單元，使來自上 述發(fā)光單元的光折射而放射到外部空間，在設(shè)定了將上述發(fā)光單元的中心設(shè)為原點，將上述光軸設(shè)為y軸，并具 有與上述y軸正交的x軸的坐標(biāo)系時，上述放射用透鏡與外部空間的界面在 。0的定義域中由函數(shù)y二g (x)表示，隨著lxl增大，以某個拐點xo為界， 上述函數(shù)g (x)的2次導(dǎo)數(shù)fg (x) /cb^的符號從負(fù)變?yōu)檎?，上述光接收裝置包括光接收單元，從包含光軸的某個范圍接受光；以及聚光用透鏡，被設(shè)置在上述光軸的周圍以覆蓋上述光接收單元，使來自 外部空間的光折射而入射到上述光接收單元，在設(shè)定了將上述光接收單元的中心設(shè)為原點，將上述光軸設(shè)為y軸，并 具有與上述y軸正交的x軸的坐標(biāo)系時，上述聚光用透鏡與外部空間的界面 在x』的定義域中由函數(shù)y寸(x)表示，隨著lxl增大，以某個拐點xo為界， 上述函數(shù)h (x)的2次導(dǎo)數(shù)d211 (x) /dx2的符號從負(fù)變?yōu)檎?br> 8、 如權(quán)利要求7所述的空間光傳輸裝置，其特征在于， 上述發(fā)光裝置實時地連續(xù)發(fā)送表示聲音的信號作為上述光， 上述光接收裝置實時地連續(xù)接收表示聲音的上述信號作為上述光。
9、 一種照明裝置，其特征在于，包括權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置。
10、 一種透鏡界面設(shè)計方法，其為權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置而設(shè)定用 于表示上述放射用透鏡與外部空間的界面的函數(shù)g (x),該透鏡界面設(shè)計方 法的特征在于，在將從上述發(fā)光單元射出的上述放射用透鏡內(nèi)的光、被放射到上述外部空間的光分別對上述y軸形成的角度設(shè)為e、 時，關(guān)于上述放射用透鏡內(nèi)的光，求放射強度相對于上述y軸上的放射強度為1/2的定向半值角度0H，并通過n=ln ( cos6H ) /ln0.5 的關(guān)系式而確定指數(shù)n的基礎(chǔ)上，將M設(shè)為4以上的整數(shù)，并通過數(shù)值計算方法設(shè)定上述函數(shù)g (x)，以在e和0之間成立<formula>formula see original document page 4</formula>的關(guān)系式。
11、 一種透鏡界面設(shè)計方法，其為權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置而設(shè)定用于表示上迷放射用透鏡與外部空間的界面的函數(shù)g(x)，該透鏡界面設(shè)計方法的特征在于，在將從上述發(fā)光單元射出的上述放射用透鏡內(nèi)的光、被放射到上述外部空間的光分別對上述y軸形成的角度設(shè)為e、 0時，關(guān)于上述放射用透鏡內(nèi)的光，求放射強度相對于上述y軸上的放射強度 為1/2的定向半但角度6h，并通過n=ln ( cos6h ) /ln0,5 的關(guān)系式而確定指數(shù)n的基礎(chǔ)上，將M設(shè)為4以上的整數(shù)，并通過數(shù)值計算方法設(shè)定上述函數(shù)g (x),以在e和0之間成立<formula>formula see original document page 4</formula>的關(guān)系式。
全文摘要
本發(fā)明的發(fā)光裝置可適當(dāng)?shù)卮_保用于便攜式活動圖像再現(xiàn)裝置那樣的光無線通信的可通信區(qū)域。該發(fā)光裝置包括發(fā)光單元，將光射出到包含光軸的某個范圍；以及放射用透鏡，被設(shè)置在光軸的周圍以覆蓋發(fā)光單元，使來自發(fā)光單元的光折射而放射到外部空間。在設(shè)定了將發(fā)光單元的中心設(shè)為原點，將光軸設(shè)為y軸，并具有與y軸正交的x軸的坐標(biāo)系時，放射用透鏡與外部空間的界面在x≥0的定義域中由函數(shù)y＝g(x)表示。隨著|x|增大，以某個拐點x₀為界，函數(shù)g(x)的2次導(dǎo)數(shù)d²g(x)/dx²的符號從負(fù)變?yōu)檎谕哥R的界面上存在凹坑。
文檔編號G02B3/00GK101431137SQ200810149990
公開日2009年5月13日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
發(fā)明者下中淳 申請人:夏普株式會社