光モジュール
【課題】送信光ビームをレンズで狭く絞り通信を行う場合に、光モジュール同士が近接した際にも、通信機器同士の送信部と受信部との対向位置関係によらずに高速光無線通信することができ、かつ、小型で光軸調整の必要がない光モジュール等を提供する。
【解決手段】他の光モジュール２００との間で近距離無線通信を行う一の光モジュール１００であって、送信光ビームを放射する１個の光送信部１２０と、受信光ビームを受信する１個の光受信部１３０とを備える。光送信部１２０は、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する１個の発光素子１２１と、発光素子から放射された光信号を集光して放射する発光素子用レンズ１２２とを含む。送信光ビームは、発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲１２７を有するメインビームと、メインビームの有効範囲外１２９に光強度分布の中心を有するサブビームとを含む。
【解決手段】他の光モジュール２００との間で近距離無線通信を行う一の光モジュール１００であって、送信光ビームを放射する１個の光送信部１２０と、受信光ビームを受信する１個の光受信部１３０とを備える。光送信部１２０は、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する１個の発光素子１２１と、発光素子から放射された光信号を集光して放射する発光素子用レンズ１２２とを含む。送信光ビームは、発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲１２７を有するメインビームと、メインビームの有効範囲外１２９に光強度分布の中心を有するサブビームとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間に光ビームを放射して相手端末との間で情報を送受信する光モジュールに関し、より特定的には、モバイル機器において高速に通信を行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等のモバイル機器において、高精細の静止画像や動画像を撮影できる機種が増えており、利用者は、この様なモバイル機器により撮影した静止画像や動画像のデータを、他のモバイル機器へ送信して他のユーザと共有したり、パソコンへ転送してバックアップするような用途が増えている。また、自身の所有するパソコンや販売サイトから、動画コンテンツや楽曲コンテンツなどのデータをモバイル機器に転送し、移動中や外出先等で再生するようなことも頻繁に行われている。
ここでモバイル機器間や、モバイル機器とパソコンとの間のデータの転送には、これらを直接ケーブルで接続する方法、メモリカードを差し替える方法、近距離無線通信による方法等があり、特に近距離無線通信による方法はその手軽さゆえに、最も頻繁に利用されるものと期待される。
【０００３】
モバイル機器における近距離無線通信には、例えば、ＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄａｔａ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ：赤外線通信協会、もしくは同協会によって定められた赤外線通信規格）に代表される赤外線通信モジュールが多用されており、携帯電話、パソコン、プリンタ等の様々な電子機器において広く利用されている。
【０００４】
しかしながら、従来型の赤外線通信モジュールによる近距離無線通信は、電話番号やアドレスの交換には頻繁に利用されているものの、高精細の静止画像や動画像等の大量のデータを転送するために利用するには通信速度が遅く適さない。
よって、手軽に大量のデータを転送できるよう、赤外線通信モジュールによる近距離無線通信の高速化が望まれている。
【０００５】
一方、上記赤外線通信モジュールのような光モジュールは、一般に光を放射するための発光ダイオードや、光を受信するためのフォトダイオードを備えており、さらに発光ダイオードにより生成された光ビームを所望の伝送範囲に集光して放射するための送信レンズや、空間に放射され拡散した送信光を集光しフォトダイオードに結合させるための受信レンズ等を備えている。
【０００６】
また光モジュールを用いた無線通信は、電波を用いた無線通信に比べ、低コスト、低消費電力、デバイスの小型化が可能といった長所があるが、通信の高速化を行うためには、受信部で十分なＳＮ比を保って信号処理を行う必要がある。したがって、大きな受光照度を得なければならず、そのためには、送信光ビームをレンズで狭く絞り通信を行う必要がある。
例えば、１ｃｍ以上の距離を伝送させる条件で、１Ｇｂｐｓ程度の高速通信を行う場合には、指向角を５°〜１０°程度にする必要がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
また上記光モジュールを用いた無線通信は双方向通信なので、両方の光モジュールが送信側と受信側とを備え、これらは通常横に並べて設置される。従って、送信光ビームを狭く絞った場合に、一方の光モジュールの送信側の正面に他方の光モジュールの受信側が位置し、一方の光モジュールの受信側の正面に他方の光モジュールの送信側とが位置するような状態で通信が行われた場合には何ら問題はないのであるが、これとは逆に、一方の光モジュールの送信側の正面に他方の光モジュールの送信側が位置し、一方の光モジュールの受信側の正面に他方の光モジュールの受信側とが位置するような状態で通信が行われた場合には、１ｃｍ以下程度の近距離において通信が行えなくなるという問題がある。
【０００８】
このような問題を解決する光無線システムが特許文献１に開示されている。特許文献１には、親機が狭指向角の送信光を２次元的に走査し、子機が受信素子アレイやＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）素子を用いて、受信素子アレイ上の受信光の位置から送信光の方向を検出して、検出した方向へ親機に向けて送信光を返すことにより送信方向を検出することができるので、狭指向角の光ビームでも通信できると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２００５−６４９９３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Infrared Data Association(登録商標)発行、Serial Infrared Physical Layer Specification Giga-IR addition version 1.0 p.20（インフラレッド データ アソシエーション 発行、シリアル インフラレッド フィジカル レイヤー スペシフィケーション ギガ アイアール アディション バージョン 1.0 ページ20）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１の光無線システムでは、受光素子アレイやＭＥＭＳ素子を用いなければならないためにシステムが大きくなり、またモバイル機器間で通信を行う前に光軸調整を行わなければならないので、その分時間が余計にかかるという問題がある。
【００１２】
それ故に、本発明は、高速に通信を行う等のために送信光ビームをレンズで狭く絞り通信を行う場合に、光モジュール同士が近接した際にも、通信機器同士の送信部と受信部との対向位置関係によらずに高速光無線通信することができ、かつ、小型で光軸調整の必要がない光モジュール、及び光無線システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、光モジュール、及び光無線システムに向けられている。そして上記課題を解決するために、本発明の光モジュールは、他の光モジュールとの間で近距離無線通信を行う一の光モジュールであって、１個の光送信部、及び１個の光受信部を備える。光送信部は、他の光モジュールへ向けて送信光ビームを放射する。光受信部は、他の光モジュールから受信光ビームを受信する。光送信部は、１個の発光素子、及び発光素子用レンズを含む。発光素子は、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。発光素子用レンズは、発光素子から放射された光信号を集光して放射する。
ここで送信光ビームは、メインビーム、及びサブビームとを含む。メインビームは、発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する。サブビームは、メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する。
【００１４】
好ましくは、発光素子は、上面、及び側面から光信号を放射し、メインビームの主成分は、発光素子の上面から放射された光信号が、発光素子用レンズにより集光されたものであり、サブビームの主成分は、発光素子の側面から放射された光信号が、発光素子用レンズにより集光されたものであるとよい。
【００１５】
好ましくは、発光素子用レンズは、メイン集光面、及びサブ集光面を有し、メイン集光面は、発光素子から放射された光信号の中心部を集光してメインビームを放射し、サブ集光面は、発光素子から放射された光信号の中心部を除く部分を集光してサブビームを放射するとよい。
【００１６】
好ましくは、他の光モジュールが備える光送信部と他の光モジュールが備える光受信部との距離をＤ、記発光素子用レンズの半径をＲｔ、他の光モジュールが備える光受信部に含まれる受光素子用レンズの半径をＲｒ、正常に通信すべき最接近時における発光素子用レンズの端と、他の光モジュールが備える光送信部に含まれる発光素子用レンズの端との距離をＬ、正常に通信すべき最接近時における、発光素子と他の光モジュールが備える光送信部に含まれる発光素子との距離をＬｅとするとき、サブビームの照射角度θは、tan-1[(D-Rt-Rr)/Le]≦θ≦tan-1(D/L)であるとよい。
【００１７】
好ましくは、一の光モジュールは、さらに、実装基板、第１反射部、及び第２反射部を備え、実装基板には、発光素子と受光素子とが実装されており、第１反射部は、発光素子と受光素子との間の実装基板に対向する場所において、発光素子用レンズから放射されたビームの一部を反射し、第２反射部は、実装基板上の、発光素子と受光素子との間において、第１反射部により反射されたビームをさらに反射して、サブビームとして放射するとよい。
好ましくは、一の光モジュールは、さらに、実装基板、第１反射部、及び第２反射部を備え、実装基板には、発光素子と受光素子とが実装されており、第１反射部は、実装基板に対向する場所においてサブビームを反射し、第２反射部は、実装基板上の、発光素子と受光素子との間において、第１反射部により反射されたサブビームを、さらに反射するとよい。
【００１８】
また上記課題を解決するために、本発明の光無線システムは、第１光モジュールと第２光モジュールとの間で近距離無線通信を行う。
第１光モジュールは、１個の第１光送信部、及び１個の第１光受信部を備える。第１光送信部は、第２光モジュールへ向けて、第１送信光ビームを放射する。第１光受信部は、第２光モジュールから受信光ビームを受信する。第１光送信部は、１個の第１発光素子、及び第１発光素子用レンズを含む。第１発光素子は、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。第１発光素子用レンズは、第１発光素子から放射された光信号を集光して放射する。
ここで第１送信光ビームは、第１メインビーム、及び第１サブビームを含む。第１メインビームは、第１発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する。第１サブビームは、第１メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する。
第２光モジュールは、１個の第２光送信部、及び１個の第２光受信部を備える。第２光送信部は、第１光モジュールへ向けて第２送信光ビームを放射する。第２光受信部は、第１光モジュールから受信光ビームを受信する。第２光送信部は、第２発光素子、及び第２発光素子用レンズを含む。第２発光素子は、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。第２発光素子用レンズは、第２発光素子から放射された光信号を集光して放射する。
ここで第２送信光ビームは、第２メインビーム、及び第２サブビームを含む。第２メインビームは、第２発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する。第２サブビームは、第２メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明においては、メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有するサブビームを、メインビームとともに放射することができる。
このような構成によれば、光モジュール同士が近接し光送信部同士及び光受信部同士が対向するような厳しい状況において、従来よりも受信可能範囲を広げることができ、特に近距離において良好に通信ができるので、大変有用である。
よって、本発明によれば、送信光ビームをレンズで狭く絞り通信を行う場合に、光モジュール同士が近接した際にも、通信機器同士の送信部と受信部との対向位置関係によらずに高速光無線通信を行うことができ、また、小型で光軸調整の必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１における光無線システムを用いたモバイル機器間の近距離通信時の様子を示す図
【図２】実施の形態１における光無線システム１０の概略を示す図
【図３】（ａ）は、従来の光送信部９２０の断面の概略を示す図、（ｂ）は、実施の形態１における光送信部１２０の断面の概略を示す図
【図４】光モジュール１００と光モジュール２００とが、ある程度の距離だけ離れた状態における光無線システム１０の概略を示す図
【図５】実施の形態１における光モジュール１００の放射角度と放射強度の関係を示す図
【図６】（ａ）、（ｂ）は、シミュレーションによる実施の形態１の光無線システム１０における、光モジュール間の距離と受光照度及び最小受光照度との関係を示す図
【図７】近距離通信時の光無線システム１０の概略を示す図
【図８】実施の形態２における光無線システム１０の概略を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［実施の形態１］
＜構成＞
図１は、実施の形態１における光無線システムを用いたモバイル機器間の近距離通信時の様子を示す図である。モバイル機器１、２は、例えば携帯電話であり、図１に示すように、それぞれ光モジュール１００及び光モジュール２００を備えており、光モジュール１００と光モジュール２００とを突き合わせて近距離無線通信を行う。
【００２２】
図２は、実施の形態１における光無線システム１０の概略を示す図である。
図２において、光モジュール１００、及び光モジュール２００は、互いに光ビームを空間に放射し、データ通信を行う近距離無線通信用のユニットである。
図２においては光モジュール１００と光モジュール２００とが４ｍｍ程度の距離まで近接しており、かつ光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっている。
【００２３】
光モジュール１００と光モジュール２００との実質的な構成、及び動作は同じである。
そこで、以下に、光モジュール１００から光モジュール２００へデータを送信する場面について、主に詳細に説明する。
光モジュール１００は、実装基板１１０と、光送信部１２０と、光受信部１３０とを備える。
光モジュール２００は、実装基板２１０と、光送信部２２０と、光受信部２３０とを備える。
【００２４】
実装基板１１０は、ガラスエポキシ等の絶縁物からなる平板であり、光送信部１２０と、光受信部１３０とを所定の間隔だけ離して並べて実装する。ここで所定の間隔は、５ｍｍ程度である。
光送信部１２０は、発光素子１２１と、樹脂レンズ１２２とを備えている。
発光素子１２１は、LED(Light Emitting Diode)やVCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などの半導体デバイスであり、主に上面１２３（光モジュール２００に対向する面であり、図２では右側の一面）から送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。特にＬＥＤの場合には、上面１２３から光を放射するだけでなく、側面１２４（実装基板１１０と上面との間の面であり、図２では上、下、手前、奥側の計四面）にも発光分布があるので、上面１２３と側面１２４との両方から、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。従来の光モジュールを用いた近距離無線通信では、側面１２４から放射される光信号は通信に寄与することはなかったが、実施の形態１においては、この光信号を通信に用いることができる。
樹脂レンズ１２２は、直径が２〜５ｍｍ程度のエポキシ系等、仕様光源の波長に対して透明性の高い樹脂からなる発光素子用レンズであり、発光素子用の第１集光面１２５、及び発光素子用の第２集光面１２６を有している。
【００２５】
ここで、発光素子１２１から放射された光信号のうち、主に上面から、あるいは上面の中央部分から放射された光信号は、第１集光面１２５によって光照射範囲１２７（図２中の細かい点線の範囲）に集光されて、樹脂レンズ１２２の略中心位置１２８（図２中の１点鎖線）を光強度分布の中心とする所定の有効範囲（光照射範囲１２７）を有するメインビームとして放射される。
一方、発光素子１２１から放射された光信号のうち、主に側面から、あるいは上面の周辺部分から放射された光信号は、第２集光面１２６によって光照射範囲１２９（図２中の荒い点線間の範囲）に集光されて、メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有するサブビームとして放射される。
【００２６】
図３（ａ）は、従来の光送信部９２０の断面の概略を示す図であり、図３（ｂ）は、実施の形態１における光送信部１２０の断面の概略を示す図である。ここで光送信部９２０の構成のうち光送信部１２０と同様の構成には同じ参照番号を付す。また光送信部９２０は、光送信部１２０の樹脂レンズ１２２の代わりに樹脂レンズ９２２を備え、樹脂レンズ９２２は、第２集光面１２６を有していない。
図３（ａ）に示すように、従来の光送信部９２０では、発光素子１２１から放射される光信号のうち、発光素子１２１の上面１２３から、あるいは上面１２３の中央部分から放射される光信号は、第１集光面１２５によってモジュールの正面方向の光照射範囲１２７へ放射されるが、発光素子１２１から放射される光信号のうち、側面１２４から、あるいは上面１２３の周辺部分から放射される光信号は、レンズ端面９２６に集光作用がないので拡散光９２９となって出力される。
【００２７】
一方、図３（ｂ）に示すように、光送信部１２０では、発光素子１２１から放射される光信号のうち、発光素子１２１の上面１２３から、あるいは上面１２３の中央部分から放射される光信号は、従来の光送信部９２０と同様に、第１集光面１２５によってモジュールの正面方向の光照射範囲１２７へメインビームとして放射されるが、発光素子１２１から放射される光信号のうち、側面１２４から、あるいは上面１２３の周辺部分から放射される光信号は、レンズ端面を凸状に湾曲させることにより第２集光面１２６としているので、第２集光面１２６によってメインビームの周辺の光照射範囲１２９へサブビームとして放射される。
【００２８】
光受信部１３０は、光モジュール２００の光受信部２３０と同様の構成であり、受光素子１３１と、樹脂レンズ１３２とを備えている。
実装基板２１０は、実装基板１１０と同様の構成であり、光送信部２２０と、光受信部２３０とを所定の間隔だけ離して、並べて実装する。
光送信部２２０は、光送信部１２０と同様の構成であり、発光素子２２１と、樹脂レンズ２２２とを備えている。
光モジュール１００の光送信部１２０から放射された送信光ビームは、光モジュール２００の光受信部２３０により受信されなければならない。
光受信部２３０は、受光素子２３１と、樹脂レンズ２３２とを備えている。
受光素子２３１は、上面２３３（光モジュール１００に対向する面であり、図２では左側の一面）で、光信号を受信する。
樹脂レンズ２３２は、直径が２〜５ｍｍ程度のエポキシ系等、仕様光源の波長に対して透明性の高い樹脂であり、受光素子用の第１集光面２３４及び受光素子用の第２集光面２３５を有している。
【００２９】
図２に示すように、光モジュール１００と光モジュール２００とが近接しており、かつ光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっている場合には、光モジュール１００から送信される送信光ビームのうちの、第２集光面１２６によって光照射範囲１２９に集光されたサブビームが有効である。
図２においては、光モジュール１００より放射されたサブビームが第２集光面２３５による集光範囲２３７に入っているので、サブビームは樹脂レンズ２３２の第２集光面２３５によって集光されて受光素子２３１に照射され、光信号が受信される。
【００３０】
一方、光モジュール１００から送信される送信光ビームのうちの、第１集光面１２５によって光照射範囲１２７に集光されたメインビームは、光送信部１２０の正面に光受信部２３０が在る状態や、光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合っていても、さほど近接していない状態において有効である。
図４は、光モジュール１００と光モジュール２００とが、ある程度の距離だけ離れた状態における光無線システム１０の概略を示す図である。
図４においては、光モジュール１００と光モジュール２００とが１２〜１５ｍｍ程度の距離まで離れており、かつ光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっている。
【００３１】
図４に示すように、光モジュール１００と光モジュール２００とがある程度離れている場合には、光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっているか、光送信部と光受信部が向かい合った状態となっているかに関わらず、光モジュール１００から送信される送信光ビームのうちの、第１集光面１２５によって光照射範囲１２７に集光されたメインビームにより通信が行われる。
図４においては、光モジュール１００より放射されたメインビームが第１集光面２３４による集光範囲２３６に入っているので、メインビームは樹脂レンズ２３２の第１集光面２３４によって集光されて受光素子２３１に照射され、光信号が受信される。
【００３２】
図５は、実施の形態１における光モジュール１００の放射角度と放射強度の関係を示す図である。ここで図５中の１点鎖線は樹脂レンズ１２２の略中心位置１２８であり、かつメインビームの光強度分布の中心である。また図５中の２点鎖線３０２はサブビームの光強度分布の中心である。
図５に示すように、第１集光面１２５により正面方向の光照射範囲１２７へ放射されるメインビームは放射角度が浅いので、長距離においてはこのメインビームのみが通信に寄与することになるため、メインビームの放射強度３００（図５中の真ん中の高い山）がある程度強くなるように設計して、比較的長距離であっても通信が可能なようにすることが好ましい。一方、第２集光面１２６によりメインビームの周辺の光照射範囲１２９へ放射されるサブビームは放射角度が深く、光モジュール２００の光受信部２３０が正面方向から外れ、かつ近距離においてのみ通信に寄与することになるため、サブビームの放射強度３０１（図５中の両端の低い山）を必要以上に強くする必要がなく、放射強度はメインビームよりも弱くてよい。
なお、図２、及び図４において、光モジュール２００の光送信部と光受信部の位置が入れ替わり、光モジュール１００の光送信部の正面に、光モジュール２００の光受信部がある場合には、距離に関係なくメインビームにより通信が行われる。
【００３３】
＜効果の検証＞
図６（ａ）、（ｂ）は、シミュレーションによる実施の形態１の光無線システム１０における、光モジュール間の距離と受光照度及び最小受光照度との関係を示す図である。
図６（ａ）、（ｂ）は、いずれも光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態において、モバイル機器間の距離を変化させたときの受光照度及び最小受光照度の変化の様子を示している。
ここで図６（ａ）のシミュレーション条件は、第２集光面１２６、２３５を有しない従来の光無線システムを用い、レンズ直径が５ｍｍ、光送信部の放射指向角が±１０°、光受信部の受信許容角が±１０°である。
【００３４】
また図６（ｂ）のシミュレーション条件は、第２集光面１２６、２３５を有する実施の形態１の光無線システム１０を用い、第２集光面１２６による光軸が３０°、その他の条件は図６（ａ）と同様である。
図６（ａ）によれば、従来の光無線システムにおける、受光照度が最小受光照度を越えている受信可能範囲は、９．８〜５０．０ｍｍである。
一方、図６（ｂ）によれば、実施の形態１の光無線システム１０における受光照度が最小受光照度を越えている受信可能範囲は、４．１〜５０．０ｍｍ超である。
図６（ｂ）が図６（ａ）に較べて、近距離における受光照度が上がっているのは、第２集光面１２６によって放射されたサブビームによるものであると思われる。
【００３５】
また図６（ａ）において、モバイル機器間の距離が接近するほど最小受光照度が上がっているのは、光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態において、モバイル機器間の距離が接近すると、光受信部により受信されるビームの照射角が大きくなるためであると思われる。
受光素子は一般に照射角が小さい程結合効率が高くなりやすい傾向があるため、光受光部が何の対策も講じていない従来の構造であれば、モバイル機器間の距離が接近すると結合効率が極端に下がるので、反対に最小受光照度は急激に大きくなってしまうのである。
【００３６】
一方図６（ｂ）において、モバイル機器間の距離が接近しても、さほど最小受光照度が上がっていないのは、実施の形態１の光無線システム１０は光受信部に第２集光面２３５を有するため、本来の受信許容角（例えば±１０°）よりも大きな角度から照射される光も受光素子に集光することができるからであると思われる。
なお、受光素子の照射角による結合効率の変動特性は受光素子によって異なり、上記シミュレーションでは実測した値を用いたわけではないので、上記の効果はあくまで予測の一例に過ぎない。
【００３７】
以上のように、実施の形態１の光無線システム１０によれば、光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態において、従来よりも受信可能範囲を広げることができ、特に近距離において良好に通信ができるので、高速に通信を行う等のために送信光ビームをレンズで狭く絞り通信を行う場合に、光モジュール同士が近接した際にも、光モジュールの位置関係に係わらず通信することができ、また、小型で光軸調整の必要がないという優れた効果が得られる。
【００３８】
＜サブビームの照射角度の求め方＞
以下に、サブビームの照射角度θの最大値と最小値とを決める方法を説明する。
図７は、近距離通信時の光無線システム１０の概略を示す図である。ここで、図２と同様の構成要素については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図７において、サブビームがどこから放射したとしても、少なくとも送受信間のレンズの頂点を結んだ角度θMAXを超えないことから、サブビームの光軸の最大照射角度の値は、図７より、
θMAX ＝tan-1(D/L) ・・・式１
となる。
【００３９】
ここで“D”は発光素子２２１と受光素子２３１との距離、“L”は正常に通信すべき最接近時における樹脂レンズ１２２の端と樹脂レンズ２３２の端との距離である。
一方、最も照射角度が小さくなるときのサブビームの光軸は、送受間のレンズの側面（側面の曲率を無視できる場合）を結んだ線となり、この線の角度θMINより狭放射角で放射すると、光が対向する受光器に照射されないことから、サブビームの光軸の最小照射角度の値は、図７より、
θMIN＝ tan-1[(D-Rt-Rr)/Le] ・・・式２
となる。
【００４０】
ここで、“D”は発光素子２２１と受光素子２３１との距離、“Rt”は樹脂レンズ１２２のレンズ半径、“Rr”は樹脂レンズ２３２のレンズ半径、“Le”は正常に通信すべき最接近時における発光素子１２１と受光素子２３１との距離である。また“D-(Rt+Rr) ”は、樹脂レンズ１２２と樹脂レンズ２３２との内側の距離となる。
上記式１、式２より、サブビームの照射角度θは、
tan-1[(D-Rt-Rr)/Le]≦θ≦tan-1(D/L) ] ・・・式３
となる。
式３を満たすように光送信部１２０の第２集光面１２６を設計することにより、光モジュール同士が近接し光送信部同士及び光受信部同士が対向した場合であっても、効率よく第２集光面１２６により集光されたサブビームが光受信部２３０へ照射される。
【００４１】
［実施の形態２］
図８は、実施の形態２における光無線システム２０の概略を示す図である。
図８において、光モジュール４００、及び光モジュール５００は、互いに光ビームを空間に放射し、データ通信を行う近距離無線通信用のユニットである。
図８においては光モジュール４００と光モジュール５００とが４〜５ｍｍ程度の距離まで近接しており、かつ光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっている。ここで、図２、及び図３と同様の構成要素については同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００４２】
実施の形態２では、光モジュール４００と光モジュール５００の間の実装基板１１０に対向する場所に第１反射部４０１が備えられ、実装基板１１０上の光モジュール４００と光モジュール５００の間に、第２反射部４０２が備えられている。
第１反射部４０１は、樹脂レンズ９２２から放射されたビームの一部を反射する。
第２反射部４０２は、第１反射部４０１により反射されたビームをさらに反射してサブビーム４０４として放射する。また第１反射部４０１で反射されなかった残りのビームがメインビームとなる。
【００４３】
ここで、赤外線により通信を行う場合には、必須ではないが、通常可視光による悪影響を軽減するために、可視光を除去する可視光カットフィルターを備えることが多い。可視光カットフィルターを備える場合には、図８に示したように、第１反射部４０１を、可視光カットフィルター４０３の一部に設けることができ、その際には第１反射部４０１が光受光部の受光範囲にできるだけ重ならないようにすることが望ましい。なお、第１反射部４０１はアルミ等の金属を可視光カットフィルター４０３上の必要な部分に蒸着するなどにより作成することができ、同様に、第２反射部４０２はアルミ等の金属を実装基板１１０上の必要な部分に蒸着するなどにより作成することができる。
【００４４】
このように、樹脂レンズ９２２から放射されたビームの一部が第１反射部４０１により一旦反射され、光モジュール２００に対し、逆方向へ向かった後に、第２反射部４０２によって再び光モジュール２００の方向へ放射されることにより、ビームの一部を平行移動させることができる。
よって、光モジュール同士が近接し、光送信部同士及び光受信部同士が対向した場合に、本来受光素子へ届かない送信光ビームを受光素子へ届けることができる。
【００４５】
なお、ここでは、第１集光面１２５により放射されるビームの一部を反射させて、サブビームとして放射しているが、実施の形態１で示した第２集光面１２６により放射されるサブビームを反射させてもよい。
第２集光面１２６により放射されるサブビームを反射させる場合には、第１集光面１２５による光照射範囲１２７に第１反射部４０１ができるだけ重ならないように設置するとよく、この場合には照射角が大きくなるので、光送信部と光受信部との間隔が比較的大きい場合により好ましい。
【００４６】
また第１集光面１２５により放射されるビームの一部を反射させる場合には、第１集光面１２５による光照射範囲１２７の一部に第１反射部４０１が重なるように設置し、光送信部同士、及び光受信部が向かい合いあった状態のときに光照射範囲１２７が２３６と重ならなくなる距離において受信が可能な程度の照度となるように、第１反射部４０１の面積を定めるとよく、この場合には照射角がさほど大きくはならないので、光送信部と光受信部との間隔が比較的小さい場合により好ましい。さらに、受光素子は一般に照射角が小さい程結合効率が高くなりやすい傾向があるため、ビームの一部を反射させる場合には光モジュール５００における結合効率が高くなりやすいので、何の対策も講じていない従来と同様の構造の光モジュール５００の光受光部であっても、光モジュール同士が近接し光送信部同士及び光受信部同士が対向するような厳しい状況において、遜色なくサブビームを受信することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の光モジュール、及び光無線システムは、携帯電話、パソコン、プリンタ等の様々な電子機器に利用可能であり、光モジュール同士が近接し光送信部同士及び光受信部同士が対向するような厳しい状況において、従来よりも受信可能範囲を広げることができ、特に近距離において良好に通信ができるので、大変有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１ モバイル機器
２ モバイル機器
１０ 光無線システム
１００ 光モジュール
１１０ 実装基板
１２０ 光送信部
１２１ 発光素子
１２２ 樹脂レンズ
１２５ 第１集光面
１２６ 第２集光面
１３０ 光受信部
１３１ 受光素子
１３２ 樹脂レンズ
２００ 光モジュール
２１０ 実装基板
２２０ 光送信部
２２１ 発光素子
２２２ 樹脂レンズ
２３０ 光受信部
２３１ 受光素子
２３２ 樹脂レンズ
２３４ 第１集光面
２３５ 第２集光面
４００ 光モジュール
４０１ 第１反射部
４０２ 第２反射部
４０３ 可視光カットフィルター
５００ 光モジュール
９２２ 樹脂レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間に光ビームを放射して相手端末との間で情報を送受信する光モジュールに関し、より特定的には、モバイル機器において高速に通信を行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等のモバイル機器において、高精細の静止画像や動画像を撮影できる機種が増えており、利用者は、この様なモバイル機器により撮影した静止画像や動画像のデータを、他のモバイル機器へ送信して他のユーザと共有したり、パソコンへ転送してバックアップするような用途が増えている。また、自身の所有するパソコンや販売サイトから、動画コンテンツや楽曲コンテンツなどのデータをモバイル機器に転送し、移動中や外出先等で再生するようなことも頻繁に行われている。
ここでモバイル機器間や、モバイル機器とパソコンとの間のデータの転送には、これらを直接ケーブルで接続する方法、メモリカードを差し替える方法、近距離無線通信による方法等があり、特に近距離無線通信による方法はその手軽さゆえに、最も頻繁に利用されるものと期待される。
【０００３】
モバイル機器における近距離無線通信には、例えば、ＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄａｔａ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ：赤外線通信協会、もしくは同協会によって定められた赤外線通信規格）に代表される赤外線通信モジュールが多用されており、携帯電話、パソコン、プリンタ等の様々な電子機器において広く利用されている。
【０００４】
しかしながら、従来型の赤外線通信モジュールによる近距離無線通信は、電話番号やアドレスの交換には頻繁に利用されているものの、高精細の静止画像や動画像等の大量のデータを転送するために利用するには通信速度が遅く適さない。
よって、手軽に大量のデータを転送できるよう、赤外線通信モジュールによる近距離無線通信の高速化が望まれている。
【０００５】
一方、上記赤外線通信モジュールのような光モジュールは、一般に光を放射するための発光ダイオードや、光を受信するためのフォトダイオードを備えており、さらに発光ダイオードにより生成された光ビームを所望の伝送範囲に集光して放射するための送信レンズや、空間に放射され拡散した送信光を集光しフォトダイオードに結合させるための受信レンズ等を備えている。
【０００６】
また光モジュールを用いた無線通信は、電波を用いた無線通信に比べ、低コスト、低消費電力、デバイスの小型化が可能といった長所があるが、通信の高速化を行うためには、受信部で十分なＳＮ比を保って信号処理を行う必要がある。したがって、大きな受光照度を得なければならず、そのためには、送信光ビームをレンズで狭く絞り通信を行う必要がある。
例えば、１ｃｍ以上の距離を伝送させる条件で、１Ｇｂｐｓ程度の高速通信を行う場合には、指向角を５°〜１０°程度にする必要がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
また上記光モジュールを用いた無線通信は双方向通信なので、両方の光モジュールが送信側と受信側とを備え、これらは通常横に並べて設置される。従って、送信光ビームを狭く絞った場合に、一方の光モジュールの送信側の正面に他方の光モジュールの受信側が位置し、一方の光モジュールの受信側の正面に他方の光モジュールの送信側とが位置するような状態で通信が行われた場合には何ら問題はないのであるが、これとは逆に、一方の光モジュールの送信側の正面に他方の光モジュールの送信側が位置し、一方の光モジュールの受信側の正面に他方の光モジュールの受信側とが位置するような状態で通信が行われた場合には、１ｃｍ以下程度の近距離において通信が行えなくなるという問題がある。
【０００８】
このような問題を解決する光無線システムが特許文献１に開示されている。特許文献１には、親機が狭指向角の送信光を２次元的に走査し、子機が受信素子アレイやＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）素子を用いて、受信素子アレイ上の受信光の位置から送信光の方向を検出して、検出した方向へ親機に向けて送信光を返すことにより送信方向を検出することができるので、狭指向角の光ビームでも通信できると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２００５−６４９９３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Infrared Data Association(登録商標)発行、Serial Infrared Physical Layer Specification Giga-IR addition version 1.0 p.20（インフラレッド データ アソシエーション 発行、シリアル インフラレッド フィジカル レイヤー スペシフィケーション ギガ アイアール アディション バージョン 1.0 ページ20）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１の光無線システムでは、受光素子アレイやＭＥＭＳ素子を用いなければならないためにシステムが大きくなり、またモバイル機器間で通信を行う前に光軸調整を行わなければならないので、その分時間が余計にかかるという問題がある。
【００１２】
それ故に、本発明は、高速に通信を行う等のために送信光ビームをレンズで狭く絞り通信を行う場合に、光モジュール同士が近接した際にも、通信機器同士の送信部と受信部との対向位置関係によらずに高速光無線通信することができ、かつ、小型で光軸調整の必要がない光モジュール、及び光無線システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、光モジュール、及び光無線システムに向けられている。そして上記課題を解決するために、本発明の光モジュールは、他の光モジュールとの間で近距離無線通信を行う一の光モジュールであって、１個の光送信部、及び１個の光受信部を備える。光送信部は、他の光モジュールへ向けて送信光ビームを放射する。光受信部は、他の光モジュールから受信光ビームを受信する。光送信部は、１個の発光素子、及び発光素子用レンズを含む。発光素子は、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。発光素子用レンズは、発光素子から放射された光信号を集光して放射する。
ここで送信光ビームは、メインビーム、及びサブビームとを含む。メインビームは、発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する。サブビームは、メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する。
【００１４】
好ましくは、発光素子は、上面、及び側面から光信号を放射し、メインビームの主成分は、発光素子の上面から放射された光信号が、発光素子用レンズにより集光されたものであり、サブビームの主成分は、発光素子の側面から放射された光信号が、発光素子用レンズにより集光されたものであるとよい。
【００１５】
好ましくは、発光素子用レンズは、メイン集光面、及びサブ集光面を有し、メイン集光面は、発光素子から放射された光信号の中心部を集光してメインビームを放射し、サブ集光面は、発光素子から放射された光信号の中心部を除く部分を集光してサブビームを放射するとよい。
【００１６】
好ましくは、他の光モジュールが備える光送信部と他の光モジュールが備える光受信部との距離をＤ、記発光素子用レンズの半径をＲｔ、他の光モジュールが備える光受信部に含まれる受光素子用レンズの半径をＲｒ、正常に通信すべき最接近時における発光素子用レンズの端と、他の光モジュールが備える光送信部に含まれる発光素子用レンズの端との距離をＬ、正常に通信すべき最接近時における、発光素子と他の光モジュールが備える光送信部に含まれる発光素子との距離をＬｅとするとき、サブビームの照射角度θは、tan-1[(D-Rt-Rr)/Le]≦θ≦tan-1(D/L)であるとよい。
【００１７】
好ましくは、一の光モジュールは、さらに、実装基板、第１反射部、及び第２反射部を備え、実装基板には、発光素子と受光素子とが実装されており、第１反射部は、発光素子と受光素子との間の実装基板に対向する場所において、発光素子用レンズから放射されたビームの一部を反射し、第２反射部は、実装基板上の、発光素子と受光素子との間において、第１反射部により反射されたビームをさらに反射して、サブビームとして放射するとよい。
好ましくは、一の光モジュールは、さらに、実装基板、第１反射部、及び第２反射部を備え、実装基板には、発光素子と受光素子とが実装されており、第１反射部は、実装基板に対向する場所においてサブビームを反射し、第２反射部は、実装基板上の、発光素子と受光素子との間において、第１反射部により反射されたサブビームを、さらに反射するとよい。
【００１８】
また上記課題を解決するために、本発明の光無線システムは、第１光モジュールと第２光モジュールとの間で近距離無線通信を行う。
第１光モジュールは、１個の第１光送信部、及び１個の第１光受信部を備える。第１光送信部は、第２光モジュールへ向けて、第１送信光ビームを放射する。第１光受信部は、第２光モジュールから受信光ビームを受信する。第１光送信部は、１個の第１発光素子、及び第１発光素子用レンズを含む。第１発光素子は、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。第１発光素子用レンズは、第１発光素子から放射された光信号を集光して放射する。
ここで第１送信光ビームは、第１メインビーム、及び第１サブビームを含む。第１メインビームは、第１発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する。第１サブビームは、第１メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する。
第２光モジュールは、１個の第２光送信部、及び１個の第２光受信部を備える。第２光送信部は、第１光モジュールへ向けて第２送信光ビームを放射する。第２光受信部は、第１光モジュールから受信光ビームを受信する。第２光送信部は、第２発光素子、及び第２発光素子用レンズを含む。第２発光素子は、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。第２発光素子用レンズは、第２発光素子から放射された光信号を集光して放射する。
ここで第２送信光ビームは、第２メインビーム、及び第２サブビームを含む。第２メインビームは、第２発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する。第２サブビームは、第２メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明においては、メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有するサブビームを、メインビームとともに放射することができる。
このような構成によれば、光モジュール同士が近接し光送信部同士及び光受信部同士が対向するような厳しい状況において、従来よりも受信可能範囲を広げることができ、特に近距離において良好に通信ができるので、大変有用である。
よって、本発明によれば、送信光ビームをレンズで狭く絞り通信を行う場合に、光モジュール同士が近接した際にも、通信機器同士の送信部と受信部との対向位置関係によらずに高速光無線通信を行うことができ、また、小型で光軸調整の必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１における光無線システムを用いたモバイル機器間の近距離通信時の様子を示す図
【図２】実施の形態１における光無線システム１０の概略を示す図
【図３】（ａ）は、従来の光送信部９２０の断面の概略を示す図、（ｂ）は、実施の形態１における光送信部１２０の断面の概略を示す図
【図４】光モジュール１００と光モジュール２００とが、ある程度の距離だけ離れた状態における光無線システム１０の概略を示す図
【図５】実施の形態１における光モジュール１００の放射角度と放射強度の関係を示す図
【図６】（ａ）、（ｂ）は、シミュレーションによる実施の形態１の光無線システム１０における、光モジュール間の距離と受光照度及び最小受光照度との関係を示す図
【図７】近距離通信時の光無線システム１０の概略を示す図
【図８】実施の形態２における光無線システム１０の概略を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［実施の形態１］
＜構成＞
図１は、実施の形態１における光無線システムを用いたモバイル機器間の近距離通信時の様子を示す図である。モバイル機器１、２は、例えば携帯電話であり、図１に示すように、それぞれ光モジュール１００及び光モジュール２００を備えており、光モジュール１００と光モジュール２００とを突き合わせて近距離無線通信を行う。
【００２２】
図２は、実施の形態１における光無線システム１０の概略を示す図である。
図２において、光モジュール１００、及び光モジュール２００は、互いに光ビームを空間に放射し、データ通信を行う近距離無線通信用のユニットである。
図２においては光モジュール１００と光モジュール２００とが４ｍｍ程度の距離まで近接しており、かつ光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっている。
【００２３】
光モジュール１００と光モジュール２００との実質的な構成、及び動作は同じである。
そこで、以下に、光モジュール１００から光モジュール２００へデータを送信する場面について、主に詳細に説明する。
光モジュール１００は、実装基板１１０と、光送信部１２０と、光受信部１３０とを備える。
光モジュール２００は、実装基板２１０と、光送信部２２０と、光受信部２３０とを備える。
【００２４】
実装基板１１０は、ガラスエポキシ等の絶縁物からなる平板であり、光送信部１２０と、光受信部１３０とを所定の間隔だけ離して並べて実装する。ここで所定の間隔は、５ｍｍ程度である。
光送信部１２０は、発光素子１２１と、樹脂レンズ１２２とを備えている。
発光素子１２１は、LED(Light Emitting Diode)やVCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などの半導体デバイスであり、主に上面１２３（光モジュール２００に対向する面であり、図２では右側の一面）から送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。特にＬＥＤの場合には、上面１２３から光を放射するだけでなく、側面１２４（実装基板１１０と上面との間の面であり、図２では上、下、手前、奥側の計四面）にも発光分布があるので、上面１２３と側面１２４との両方から、送信すべき情報に基づいた光信号を放射する。従来の光モジュールを用いた近距離無線通信では、側面１２４から放射される光信号は通信に寄与することはなかったが、実施の形態１においては、この光信号を通信に用いることができる。
樹脂レンズ１２２は、直径が２〜５ｍｍ程度のエポキシ系等、仕様光源の波長に対して透明性の高い樹脂からなる発光素子用レンズであり、発光素子用の第１集光面１２５、及び発光素子用の第２集光面１２６を有している。
【００２５】
ここで、発光素子１２１から放射された光信号のうち、主に上面から、あるいは上面の中央部分から放射された光信号は、第１集光面１２５によって光照射範囲１２７（図２中の細かい点線の範囲）に集光されて、樹脂レンズ１２２の略中心位置１２８（図２中の１点鎖線）を光強度分布の中心とする所定の有効範囲（光照射範囲１２７）を有するメインビームとして放射される。
一方、発光素子１２１から放射された光信号のうち、主に側面から、あるいは上面の周辺部分から放射された光信号は、第２集光面１２６によって光照射範囲１２９（図２中の荒い点線間の範囲）に集光されて、メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有するサブビームとして放射される。
【００２６】
図３（ａ）は、従来の光送信部９２０の断面の概略を示す図であり、図３（ｂ）は、実施の形態１における光送信部１２０の断面の概略を示す図である。ここで光送信部９２０の構成のうち光送信部１２０と同様の構成には同じ参照番号を付す。また光送信部９２０は、光送信部１２０の樹脂レンズ１２２の代わりに樹脂レンズ９２２を備え、樹脂レンズ９２２は、第２集光面１２６を有していない。
図３（ａ）に示すように、従来の光送信部９２０では、発光素子１２１から放射される光信号のうち、発光素子１２１の上面１２３から、あるいは上面１２３の中央部分から放射される光信号は、第１集光面１２５によってモジュールの正面方向の光照射範囲１２７へ放射されるが、発光素子１２１から放射される光信号のうち、側面１２４から、あるいは上面１２３の周辺部分から放射される光信号は、レンズ端面９２６に集光作用がないので拡散光９２９となって出力される。
【００２７】
一方、図３（ｂ）に示すように、光送信部１２０では、発光素子１２１から放射される光信号のうち、発光素子１２１の上面１２３から、あるいは上面１２３の中央部分から放射される光信号は、従来の光送信部９２０と同様に、第１集光面１２５によってモジュールの正面方向の光照射範囲１２７へメインビームとして放射されるが、発光素子１２１から放射される光信号のうち、側面１２４から、あるいは上面１２３の周辺部分から放射される光信号は、レンズ端面を凸状に湾曲させることにより第２集光面１２６としているので、第２集光面１２６によってメインビームの周辺の光照射範囲１２９へサブビームとして放射される。
【００２８】
光受信部１３０は、光モジュール２００の光受信部２３０と同様の構成であり、受光素子１３１と、樹脂レンズ１３２とを備えている。
実装基板２１０は、実装基板１１０と同様の構成であり、光送信部２２０と、光受信部２３０とを所定の間隔だけ離して、並べて実装する。
光送信部２２０は、光送信部１２０と同様の構成であり、発光素子２２１と、樹脂レンズ２２２とを備えている。
光モジュール１００の光送信部１２０から放射された送信光ビームは、光モジュール２００の光受信部２３０により受信されなければならない。
光受信部２３０は、受光素子２３１と、樹脂レンズ２３２とを備えている。
受光素子２３１は、上面２３３（光モジュール１００に対向する面であり、図２では左側の一面）で、光信号を受信する。
樹脂レンズ２３２は、直径が２〜５ｍｍ程度のエポキシ系等、仕様光源の波長に対して透明性の高い樹脂であり、受光素子用の第１集光面２３４及び受光素子用の第２集光面２３５を有している。
【００２９】
図２に示すように、光モジュール１００と光モジュール２００とが近接しており、かつ光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっている場合には、光モジュール１００から送信される送信光ビームのうちの、第２集光面１２６によって光照射範囲１２９に集光されたサブビームが有効である。
図２においては、光モジュール１００より放射されたサブビームが第２集光面２３５による集光範囲２３７に入っているので、サブビームは樹脂レンズ２３２の第２集光面２３５によって集光されて受光素子２３１に照射され、光信号が受信される。
【００３０】
一方、光モジュール１００から送信される送信光ビームのうちの、第１集光面１２５によって光照射範囲１２７に集光されたメインビームは、光送信部１２０の正面に光受信部２３０が在る状態や、光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合っていても、さほど近接していない状態において有効である。
図４は、光モジュール１００と光モジュール２００とが、ある程度の距離だけ離れた状態における光無線システム１０の概略を示す図である。
図４においては、光モジュール１００と光モジュール２００とが１２〜１５ｍｍ程度の距離まで離れており、かつ光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっている。
【００３１】
図４に示すように、光モジュール１００と光モジュール２００とがある程度離れている場合には、光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっているか、光送信部と光受信部が向かい合った状態となっているかに関わらず、光モジュール１００から送信される送信光ビームのうちの、第１集光面１２５によって光照射範囲１２７に集光されたメインビームにより通信が行われる。
図４においては、光モジュール１００より放射されたメインビームが第１集光面２３４による集光範囲２３６に入っているので、メインビームは樹脂レンズ２３２の第１集光面２３４によって集光されて受光素子２３１に照射され、光信号が受信される。
【００３２】
図５は、実施の形態１における光モジュール１００の放射角度と放射強度の関係を示す図である。ここで図５中の１点鎖線は樹脂レンズ１２２の略中心位置１２８であり、かつメインビームの光強度分布の中心である。また図５中の２点鎖線３０２はサブビームの光強度分布の中心である。
図５に示すように、第１集光面１２５により正面方向の光照射範囲１２７へ放射されるメインビームは放射角度が浅いので、長距離においてはこのメインビームのみが通信に寄与することになるため、メインビームの放射強度３００（図５中の真ん中の高い山）がある程度強くなるように設計して、比較的長距離であっても通信が可能なようにすることが好ましい。一方、第２集光面１２６によりメインビームの周辺の光照射範囲１２９へ放射されるサブビームは放射角度が深く、光モジュール２００の光受信部２３０が正面方向から外れ、かつ近距離においてのみ通信に寄与することになるため、サブビームの放射強度３０１（図５中の両端の低い山）を必要以上に強くする必要がなく、放射強度はメインビームよりも弱くてよい。
なお、図２、及び図４において、光モジュール２００の光送信部と光受信部の位置が入れ替わり、光モジュール１００の光送信部の正面に、光モジュール２００の光受信部がある場合には、距離に関係なくメインビームにより通信が行われる。
【００３３】
＜効果の検証＞
図６（ａ）、（ｂ）は、シミュレーションによる実施の形態１の光無線システム１０における、光モジュール間の距離と受光照度及び最小受光照度との関係を示す図である。
図６（ａ）、（ｂ）は、いずれも光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態において、モバイル機器間の距離を変化させたときの受光照度及び最小受光照度の変化の様子を示している。
ここで図６（ａ）のシミュレーション条件は、第２集光面１２６、２３５を有しない従来の光無線システムを用い、レンズ直径が５ｍｍ、光送信部の放射指向角が±１０°、光受信部の受信許容角が±１０°である。
【００３４】
また図６（ｂ）のシミュレーション条件は、第２集光面１２６、２３５を有する実施の形態１の光無線システム１０を用い、第２集光面１２６による光軸が３０°、その他の条件は図６（ａ）と同様である。
図６（ａ）によれば、従来の光無線システムにおける、受光照度が最小受光照度を越えている受信可能範囲は、９．８〜５０．０ｍｍである。
一方、図６（ｂ）によれば、実施の形態１の光無線システム１０における受光照度が最小受光照度を越えている受信可能範囲は、４．１〜５０．０ｍｍ超である。
図６（ｂ）が図６（ａ）に較べて、近距離における受光照度が上がっているのは、第２集光面１２６によって放射されたサブビームによるものであると思われる。
【００３５】
また図６（ａ）において、モバイル機器間の距離が接近するほど最小受光照度が上がっているのは、光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態において、モバイル機器間の距離が接近すると、光受信部により受信されるビームの照射角が大きくなるためであると思われる。
受光素子は一般に照射角が小さい程結合効率が高くなりやすい傾向があるため、光受光部が何の対策も講じていない従来の構造であれば、モバイル機器間の距離が接近すると結合効率が極端に下がるので、反対に最小受光照度は急激に大きくなってしまうのである。
【００３６】
一方図６（ｂ）において、モバイル機器間の距離が接近しても、さほど最小受光照度が上がっていないのは、実施の形態１の光無線システム１０は光受信部に第２集光面２３５を有するため、本来の受信許容角（例えば±１０°）よりも大きな角度から照射される光も受光素子に集光することができるからであると思われる。
なお、受光素子の照射角による結合効率の変動特性は受光素子によって異なり、上記シミュレーションでは実測した値を用いたわけではないので、上記の効果はあくまで予測の一例に過ぎない。
【００３７】
以上のように、実施の形態１の光無線システム１０によれば、光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態において、従来よりも受信可能範囲を広げることができ、特に近距離において良好に通信ができるので、高速に通信を行う等のために送信光ビームをレンズで狭く絞り通信を行う場合に、光モジュール同士が近接した際にも、光モジュールの位置関係に係わらず通信することができ、また、小型で光軸調整の必要がないという優れた効果が得られる。
【００３８】
＜サブビームの照射角度の求め方＞
以下に、サブビームの照射角度θの最大値と最小値とを決める方法を説明する。
図７は、近距離通信時の光無線システム１０の概略を示す図である。ここで、図２と同様の構成要素については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図７において、サブビームがどこから放射したとしても、少なくとも送受信間のレンズの頂点を結んだ角度θMAXを超えないことから、サブビームの光軸の最大照射角度の値は、図７より、
θMAX ＝tan-1(D/L) ・・・式１
となる。
【００３９】
ここで“D”は発光素子２２１と受光素子２３１との距離、“L”は正常に通信すべき最接近時における樹脂レンズ１２２の端と樹脂レンズ２３２の端との距離である。
一方、最も照射角度が小さくなるときのサブビームの光軸は、送受間のレンズの側面（側面の曲率を無視できる場合）を結んだ線となり、この線の角度θMINより狭放射角で放射すると、光が対向する受光器に照射されないことから、サブビームの光軸の最小照射角度の値は、図７より、
θMIN＝ tan-1[(D-Rt-Rr)/Le] ・・・式２
となる。
【００４０】
ここで、“D”は発光素子２２１と受光素子２３１との距離、“Rt”は樹脂レンズ１２２のレンズ半径、“Rr”は樹脂レンズ２３２のレンズ半径、“Le”は正常に通信すべき最接近時における発光素子１２１と受光素子２３１との距離である。また“D-(Rt+Rr) ”は、樹脂レンズ１２２と樹脂レンズ２３２との内側の距離となる。
上記式１、式２より、サブビームの照射角度θは、
tan-1[(D-Rt-Rr)/Le]≦θ≦tan-1(D/L) ] ・・・式３
となる。
式３を満たすように光送信部１２０の第２集光面１２６を設計することにより、光モジュール同士が近接し光送信部同士及び光受信部同士が対向した場合であっても、効率よく第２集光面１２６により集光されたサブビームが光受信部２３０へ照射される。
【００４１】
［実施の形態２］
図８は、実施の形態２における光無線システム２０の概略を示す図である。
図８において、光モジュール４００、及び光モジュール５００は、互いに光ビームを空間に放射し、データ通信を行う近距離無線通信用のユニットである。
図８においては光モジュール４００と光モジュール５００とが４〜５ｍｍ程度の距離まで近接しており、かつ光送信部同士、及び光受信部同士が向かい合った状態となっている。ここで、図２、及び図３と同様の構成要素については同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００４２】
実施の形態２では、光モジュール４００と光モジュール５００の間の実装基板１１０に対向する場所に第１反射部４０１が備えられ、実装基板１１０上の光モジュール４００と光モジュール５００の間に、第２反射部４０２が備えられている。
第１反射部４０１は、樹脂レンズ９２２から放射されたビームの一部を反射する。
第２反射部４０２は、第１反射部４０１により反射されたビームをさらに反射してサブビーム４０４として放射する。また第１反射部４０１で反射されなかった残りのビームがメインビームとなる。
【００４３】
ここで、赤外線により通信を行う場合には、必須ではないが、通常可視光による悪影響を軽減するために、可視光を除去する可視光カットフィルターを備えることが多い。可視光カットフィルターを備える場合には、図８に示したように、第１反射部４０１を、可視光カットフィルター４０３の一部に設けることができ、その際には第１反射部４０１が光受光部の受光範囲にできるだけ重ならないようにすることが望ましい。なお、第１反射部４０１はアルミ等の金属を可視光カットフィルター４０３上の必要な部分に蒸着するなどにより作成することができ、同様に、第２反射部４０２はアルミ等の金属を実装基板１１０上の必要な部分に蒸着するなどにより作成することができる。
【００４４】
このように、樹脂レンズ９２２から放射されたビームの一部が第１反射部４０１により一旦反射され、光モジュール２００に対し、逆方向へ向かった後に、第２反射部４０２によって再び光モジュール２００の方向へ放射されることにより、ビームの一部を平行移動させることができる。
よって、光モジュール同士が近接し、光送信部同士及び光受信部同士が対向した場合に、本来受光素子へ届かない送信光ビームを受光素子へ届けることができる。
【００４５】
なお、ここでは、第１集光面１２５により放射されるビームの一部を反射させて、サブビームとして放射しているが、実施の形態１で示した第２集光面１２６により放射されるサブビームを反射させてもよい。
第２集光面１２６により放射されるサブビームを反射させる場合には、第１集光面１２５による光照射範囲１２７に第１反射部４０１ができるだけ重ならないように設置するとよく、この場合には照射角が大きくなるので、光送信部と光受信部との間隔が比較的大きい場合により好ましい。
【００４６】
また第１集光面１２５により放射されるビームの一部を反射させる場合には、第１集光面１２５による光照射範囲１２７の一部に第１反射部４０１が重なるように設置し、光送信部同士、及び光受信部が向かい合いあった状態のときに光照射範囲１２７が２３６と重ならなくなる距離において受信が可能な程度の照度となるように、第１反射部４０１の面積を定めるとよく、この場合には照射角がさほど大きくはならないので、光送信部と光受信部との間隔が比較的小さい場合により好ましい。さらに、受光素子は一般に照射角が小さい程結合効率が高くなりやすい傾向があるため、ビームの一部を反射させる場合には光モジュール５００における結合効率が高くなりやすいので、何の対策も講じていない従来と同様の構造の光モジュール５００の光受光部であっても、光モジュール同士が近接し光送信部同士及び光受信部同士が対向するような厳しい状況において、遜色なくサブビームを受信することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の光モジュール、及び光無線システムは、携帯電話、パソコン、プリンタ等の様々な電子機器に利用可能であり、光モジュール同士が近接し光送信部同士及び光受信部同士が対向するような厳しい状況において、従来よりも受信可能範囲を広げることができ、特に近距離において良好に通信ができるので、大変有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１ モバイル機器
２ モバイル機器
１０ 光無線システム
１００ 光モジュール
１１０ 実装基板
１２０ 光送信部
１２１ 発光素子
１２２ 樹脂レンズ
１２５ 第１集光面
１２６ 第２集光面
１３０ 光受信部
１３１ 受光素子
１３２ 樹脂レンズ
２００ 光モジュール
２１０ 実装基板
２２０ 光送信部
２２１ 発光素子
２２２ 樹脂レンズ
２３０ 光受信部
２３１ 受光素子
２３２ 樹脂レンズ
２３４ 第１集光面
２３５ 第２集光面
４００ 光モジュール
４０１ 第１反射部
４０２ 第２反射部
４０３ 可視光カットフィルター
５００ 光モジュール
９２２ 樹脂レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
他の光モジュールとの間で近距離無線通信を行う一の光モジュールであって、
前記他の光モジュールへ向けて、送信光ビームを放射する１個の光送信部と、
前記他の光モジュールから、受信光ビームを受信する１個の光受信部とを備え、
前記光送信部は、
送信すべき情報に基づいた光信号を放射する１個の発光素子と、
前記発光素子から放射された光信号を集光して放射する発光素子用レンズとを含み、
前記送信光ビームは、
発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有するメインビームと、
前記メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有するサブビームとを含むこと、を特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記発光素子は、
上面、及び側面から光信号を放射し、
前記メインビームの主成分は、
前記発光素子の上面から放射された光信号が、前記発光素子用レンズにより集光されたものであり、
前記サブビームの主成分は、
前記発光素子の側面から放射された光信号が、前記発光素子用レンズにより集光されたものであること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記発光素子用レンズは、
前記発光素子から放射された光信号の中心部を集光して前記メインビームを放射するメイン集光面と、
前記発光素子から放射された光信号の中心部を除く部分を集光して前記サブビームを放射するサブ集光面とを有すること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記他の光モジュールが備える光送信部と、前記他の光モジュールが備える光受信部との距離をＤ、
前記発光素子用レンズの半径をＲｔ、
前記他の光モジュールが備える光受信部に含まれる受光素子用レンズの半径をＲｒ、
正常に通信すべき最接近時における、前記発光素子用レンズの端と、前記他の光モジュールが備える光送信部に含まれる発光素子用レンズの端との距離をＬ、
正常に通信すべき最接近時における、前記発光素子と、前記他の光モジュールが備える光送信部に含まれる発光素子との距離をＬｅとするとき、
前記サブビームの照射角度θは、tan-1[(D-Rt-Rr)/Le]≦θ≦tan-1(D/L)であること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記一の光モジュールは、さらに、
前記発光素子と、前記受光素子とが実装されている実装基板と、
前記発光素子と前記受光素子との間の前記実装基板に対向する場所において、前記発光素子用レンズから放射されたビームの一部を反射する第１反射部と、
前記実装基板上の、前記発光素子と前記受光素子との間において、前記第１反射部により反射されたビームをさらに反射して、前記サブビームとして放射する第２反射部とを備えること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記一の光モジュールは、さらに、
前記発光素子と、前記受光素子とが実装されている実装基板と、
前記実装基板に対向する場所において、前記サブビームを反射する第１反射部と、
前記実装基板上の、前記発光素子と前記受光素子との間において、前記第１反射部により反射された前記サブビームを、さらに反射する第２反射部とを備えること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項７】
第１光モジュールと第２光モジュールとの間で近距離無線通信を行う光無線システムであって、
前記第１光モジュールは、
前記第２光モジュールへ向けて、第１送信光ビームを放射する１個の第１光送信部と、
前記第２光モジュールから、受信光ビームを受信する１個の第１光受信部とを備え、
前記第１光送信部は、
送信すべき情報に基づいた光信号を放射する１個の第１発光素子と、
前記第１発光素子から放射された光信号を集光して放射する第１発光素子用レンズとを含み、
前記第１送信光ビームは、
前記第１発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する第１メインビームと、
前記第１メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する第１サブビームとを含み、
前記第２光モジュールは、
前記第１光モジュールへ向けて、第２送信光ビームを放射する１個の第２光送信部と、
前記第１光モジュールから、受信光ビームを受信する１個の第２光受信部とを備え、
前記第２光送信部は、
送信すべき情報に基づいた光信号を放射する１個の第２発光素子と、
前記第２発光素子から放射された光信号を集光して放射する第２発光素子用レンズとを含み、
前記第２送信光ビームは、
前記第２発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する第２メインビームと、
前記第２メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する第２サブビームとを含むこと、を特徴とする光無線システム。
【請求項１】
他の光モジュールとの間で近距離無線通信を行う一の光モジュールであって、
前記他の光モジュールへ向けて、送信光ビームを放射する１個の光送信部と、
前記他の光モジュールから、受信光ビームを受信する１個の光受信部とを備え、
前記光送信部は、
送信すべき情報に基づいた光信号を放射する１個の発光素子と、
前記発光素子から放射された光信号を集光して放射する発光素子用レンズとを含み、
前記送信光ビームは、
発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有するメインビームと、
前記メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有するサブビームとを含むこと、を特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記発光素子は、
上面、及び側面から光信号を放射し、
前記メインビームの主成分は、
前記発光素子の上面から放射された光信号が、前記発光素子用レンズにより集光されたものであり、
前記サブビームの主成分は、
前記発光素子の側面から放射された光信号が、前記発光素子用レンズにより集光されたものであること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記発光素子用レンズは、
前記発光素子から放射された光信号の中心部を集光して前記メインビームを放射するメイン集光面と、
前記発光素子から放射された光信号の中心部を除く部分を集光して前記サブビームを放射するサブ集光面とを有すること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記他の光モジュールが備える光送信部と、前記他の光モジュールが備える光受信部との距離をＤ、
前記発光素子用レンズの半径をＲｔ、
前記他の光モジュールが備える光受信部に含まれる受光素子用レンズの半径をＲｒ、
正常に通信すべき最接近時における、前記発光素子用レンズの端と、前記他の光モジュールが備える光送信部に含まれる発光素子用レンズの端との距離をＬ、
正常に通信すべき最接近時における、前記発光素子と、前記他の光モジュールが備える光送信部に含まれる発光素子との距離をＬｅとするとき、
前記サブビームの照射角度θは、tan-1[(D-Rt-Rr)/Le]≦θ≦tan-1(D/L)であること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記一の光モジュールは、さらに、
前記発光素子と、前記受光素子とが実装されている実装基板と、
前記発光素子と前記受光素子との間の前記実装基板に対向する場所において、前記発光素子用レンズから放射されたビームの一部を反射する第１反射部と、
前記実装基板上の、前記発光素子と前記受光素子との間において、前記第１反射部により反射されたビームをさらに反射して、前記サブビームとして放射する第２反射部とを備えること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記一の光モジュールは、さらに、
前記発光素子と、前記受光素子とが実装されている実装基板と、
前記実装基板に対向する場所において、前記サブビームを反射する第１反射部と、
前記実装基板上の、前記発光素子と前記受光素子との間において、前記第１反射部により反射された前記サブビームを、さらに反射する第２反射部とを備えること、を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項７】
第１光モジュールと第２光モジュールとの間で近距離無線通信を行う光無線システムであって、
前記第１光モジュールは、
前記第２光モジュールへ向けて、第１送信光ビームを放射する１個の第１光送信部と、
前記第２光モジュールから、受信光ビームを受信する１個の第１光受信部とを備え、
前記第１光送信部は、
送信すべき情報に基づいた光信号を放射する１個の第１発光素子と、
前記第１発光素子から放射された光信号を集光して放射する第１発光素子用レンズとを含み、
前記第１送信光ビームは、
前記第１発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する第１メインビームと、
前記第１メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する第１サブビームとを含み、
前記第２光モジュールは、
前記第１光モジュールへ向けて、第２送信光ビームを放射する１個の第２光送信部と、
前記第１光モジュールから、受信光ビームを受信する１個の第２光受信部とを備え、
前記第２光送信部は、
送信すべき情報に基づいた光信号を放射する１個の第２発光素子と、
前記第２発光素子から放射された光信号を集光して放射する第２発光素子用レンズとを含み、
前記第２送信光ビームは、
前記第２発光素子用レンズの略中心位置を光強度分布の中心とする所定の有効範囲を有する第２メインビームと、
前記第２メインビームの有効範囲外に光強度分布の中心を有する第２サブビームとを含むこと、を特徴とする光無線システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１３０２６９（Ｐ２０１１−１３０２６９Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８７９２８（Ｐ２００９−２８７９２８）
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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