光发射模块和光接收模块

摘要

在透镜元件(120)的发射表面上交替提供多个第一折射面(121)和多个第二折射面(122)，以形成每者具有位于其中心的光轴(113)，并具有互不相同的直径的同心圆，由所述多个第二折射面(122)折射并发射受到多个反射面(123)反射的光，所述多个反射面(123)设置在所述透镜元件的入射表面上，以形成具有位于其中心的光轴(113)，并具有互不相同的直径的同心圆。因此，有可能在不提高透镜元件(120)的直径的情况下，提高效率和发射强度，并降低所发射的光的亮度变化，由此实现具有有利性能的光发射模块(100)。

权利要求

1.一种光发射模块，其包括光源和用于将所述光源发射的光展开的散布角减小到预定角度，并以该预定角度发射光的透镜元件，其中所述透镜元件包括

多个第一折射面，其设置在所述透镜元件的发射表面上，形成以光轴为中心的直径不同的同心圆状，所述多个第一折射面用于折射从所述光源以处于0到θ0的范围内的发射角发射的第一发射光，从而以所述预定角度发射所述第一发射光，该发射角是指所述光轴和发射所述第一发射光的方向之间的角度，多个反射面，其在所述透镜元件的入射面形成为以所述光轴为中心的直径不同的同心圆状，将从所述光源以大于θ0的发射角发射的第二发射光引导至所述透镜元件的所述发射表面，该发射角是指所述光轴与发射所述第二发射光的方向之间的角度，以及多个第二折射面，其设置在所述透镜元件的所述发射表面上，形成以所述光轴为中心的直径不同的同心圆状，所述多个第二折射面用于折射由所述多个反射面引导的所述第二发射光，从而以所述预定角度发射所述第二发射光，其中，所述多个第二折射面和所述多个第一折射面交替设置在所述透镜元件的所述发射表面上；

所述多个反射面与所述多个第二折射面一对一对应。

2.根据权利要求1所述的光发射模块，其中，所述多个反射面包括至少一个全反射面。

3.根据权利要求1所述的光发射模块，还包括反射器，其用于将所述光源发射的所述第二发射光引导至所述多个反射面。

4.根据权利要求3所述的光发射模块，其中，所述反射器反射所述光源发射的所述第二发射光中以处于θ2到θ3的范围内的发射角发射的发射光，所述发射光无法直接抵达所述透镜元件，其中，所述发射角是指所述光轴与发射所述发射光的方向之间的角。

5.根据权利要求1所述的光发射模块，其中，所述光轴和所述多个反射面的最外周线之间的距离小于等于所述光轴和所述多个第一折射面的最外周线之间的距离。

6.根据权利要求1所述的光发射模块，其中，所述多个第二折射面具有的形状从所述透镜元件的所述发射表面消除了阻碍所述光源发射的发射光发射的无效部分。

7.一种光接收模块，其包括光接收元件和用于将光收集到所述光接收元件上的透镜元件，其中所述透镜元件包括

多个第一折射面，其设置在所述透镜元件的入射表面上，形成以光轴为中心的直径不同的同心圆状，所述多个第一折射面用于折射入射光的一部分，从而将所述入射光收集到所述光接收元件上，多个第二折射面，其设置在所述透镜元件的所述入射表面上，形成以所述光轴为中心的直径不同的同心圆状，所述多个第二折射面用于折射所述入射光中的其他部分，其中，所述多个第二折射面和所述多个第一折射面交替设置在所述透镜元件的所述入射表面上，以及多个反射面，其设置在这样的位置以形成为以所述光轴为中心的直径不同的同心圆状，以防止受到所述多个第一折射面折射，以便被收集到所述光接收元件上的光从其中穿过，所述多个反射面用于将受到所述多个第二折射面折射的光收集到所述光接收元件上；

所述多个反射面与所述多个第二折射面一对一对应。

8.根据权利要求7所述的光接收模块，其中，所述多个反射面包括至少一个全反射面。

9.根据权利要求7所述的光接收模块，还包括反射器，其用于将由所述多个反射面引导的光收集到所述光接收元件上。

10.根据权利要求7所述的光接收模块，其中，所述光轴和所述多个反射面的最外周线之间的距离小于等于所述光轴和所述多个第一折射面的最外周线之间的距离。

11.根据权利要求7所述的光接收模块，其中，所述多个第二折射面具有的形状从所述透镜元件的所述入射表面消除了阻碍所述入射光被收集到所述光接收元件上的无效部分。

说明书

光发射模块和光接收模块

技术领域

[0001] 本发明涉及分别用于(例如)无线光传输系统中的无线光发射机和无线光接收机的光发射模块和光接收模块，所述无线光传输系统用于通过自由空间传输诸如视频数据、音频信号和数字数据信号的作为光信号的信息数据，更具体而言，本发明涉及能够降低所发射的光的亮度变化(variation)并提高效率的光发射模块以及具有提高的光收集效率的光接收模块。

背景技术

[0002] 用于通过自由空间传输光信号的无线光传输系统的有利特征在于，由于光能够实现宽带传输，因而能够以比采用无线电波的无线电传输更高的速度执行传输。要想在移动装置中纳入无线光传输系统的无线光发射机和无线光接收机，必须降低其内采用的光发射模块和光接收模块中每者的厚度和尺寸。

[0003] 对于一些常规光发射模块而言，采用Fresnel透镜改变光源发射的光的发射角，由此实现其厚度的降低(例如，参见日本专利公开文本特开2005-49367)。图27示出了日本专利公开文本特开2005-49367中公开的常规光发射模块的示意图。

[0004] 如图27所示，光发射模块10包括光源1和透镜2。透镜2在其发射表面上具有多个折射面3，所述多个折射面3被设置为形成同心圆，每一所述同心圆具有位于其中心的光轴，并且具有互不相同的直径，从而使透镜2起着Fresnel透镜的作用，因此，透镜2使光源1发射的光折射，从而发射基本平行于光轴4的光。允许Fresnel透镜具有比带有连续曲面的球面透镜和非球面透镜更薄的透镜部分，即，允许Fresnel透镜的所述透镜部分的厚度降至板的厚度。换言之，Fresnel透镜的特征在于，能够容易地降低Fresnel透镜的厚度。但是，由于(例如)在对所述多个折射面3进行处理以形成其倾斜角的过程中存在限制，因而Fresnel透镜被构造为，使接收光源1发射的光的接收角2β只具有有限的值。因此，当光源1发射光的角度大时，光发射模块10可能无法有效地发射光。

[0005] 此外，日本专利公开文本特开2005-49367公开了提高接收光源1发射的光的接收角的范围。图28是示出了日本专利公开文本特开2005-49367中公开的另一常规光发射模块11的示意图。

[0006] 如图28所示，光发射模块11包括光源1和透镜12。透镜12在其发射表面上具有多个折射面13，所述多个折射面13类似于图27所示的透镜2的多个折射面3，并且透镜12在其入射表面上具有多个反射面15，所述多个反射面15被设置为形成同心圆，每一所述同心圆具有位于其中心的光轴，并且具有互不相同的直径。通过所述多个反射面15反射光源1以大于2β的发射角发射的一部分光，从而使其从透镜2的发射表面的平面部分16发射。

[0007] 另一方面，一些用于将入射光转化为电信号的常规光接收模块结合了Fresnel透镜作为汇集光接收元件上的入射光的收集透镜，由此降低其厚度(例如，参见日本专利公开文本特开3-60080)。图30是示出了日本专利公开文本特开3-60080公开的常规光接收模块20的示意图。

[0008] 如图30所示，光接收模块20包括收集透镜21和光接收元件22。收集透镜21起着Fresnel透镜的作用，所述Fresnel透镜在其入射表面上具有多个折射面23，将所述多个折射面23设置为形成同心圆，每一所述同心圆具有位于其中心的光轴，并且具有互不相同的直径。收集透镜21收集光接收元件22上的入射光。与具有球面的凸透镜等相比，允许起着Fresnel透镜的作用的收集透镜21具有降低的厚度。

[0009] 图29是具有图28所示的常规构造的光发射模块11的A1部分的放大图。如图29所示，所述多个折射面13中的每者在其尖端具有透镜无效部分(lens invalid portion)，其阻止了光源1发射的光从其中穿过。因此，产生了防止光从其中穿过的黑暗部分。因此，光发射模块11存在从透镜12发射的光具有亮度变化的问题。

[0010] 此外，图28所示的常规光发射模块11从发射表面的平面部分16发射由所述多个反射面15反射的光，所述平面部分16对应于所述多个折射面13的最外面的周线朝外的部分。因此，所述多个反射面15的直径d2必须大于所述多个折射面13的直径d1，由此提高了透镜12的直径。

[0011] 此外，图31是图30所示的常规光接收模块20的A2部分的放大图。如图31所示，所述多个折射面23中的每者在其尖端具有阻碍在其上收集入射光的透镜无效部分。因此，光接收模块20存在光收集效率降低的问题，这是由于无法收集入射光的区域导致的。

发明内容

[0012] 因此，本发明的第一目的在于提供一种能够在使透镜的直径降至最低的同时降低发射光的亮度变化并提高效率的光发射模块。此外，本发明的第二目的在于提供一种能够在使透镜的直径降至最低的同时提高光收集效率的光接收模块。

[0013] 为了实现第一个目的，本发明涉及一种光发射模块，其包括光源和用于将所述光源发射的光展开的散布角减小到预定角度，并以该预定角度发射光的透镜元件，其中所述透镜元件包括：多个第一折射面，其设置在所述透镜元件的发射表面上，形成以光轴为中心的直径不同的同心圆状，所述多个第一折射面用于折射从光源以处于0到θ0的范围内的发射角发射的第一发射光，从而以所述预定角度发射所述第一发射光，其中，所述发射角是指所述光轴和发射所述第一发射光的方向之间的角度；多个反射面，其在所述透镜元件的入射面形成为以所述光轴为中心的直径不同的同心圆状，将从光源以大于θ0的发射角发射的第二发射光引导至所述透镜元件的发射表面，其中，所述发射角是指所述光轴与发射所述第二发射光的方向之间的角；以及多个第二折射面，其设置在所述透镜元件的发射表面上，形成以所述光轴为中心的直径不同的同心圆状，所述多个第二折射面用于折射由所述多个反射面引导的第二发射光，从而以所述预定角度发射所述第二发射光，并且在所述透镜元件的所述发射表面上交替提供所述多个第二折射面和所述多个第一折射面，所述多个反射面与所述多个第二折射面一对一对应。

[0014] 所述多个反射面优选包括至少一个全反射面。

[0015] 所述光发射模块还优选包括反射器，其用于将所述光源发射的所述第二发射光引导至所述多个反射面。

[0016] 所述反射器反射优选反射所述光源发射的所述第二发射光中以处于θ2到θ3的范围内的发射角发射的发射光，从而防止所述发射光直接抵达所述透镜元件，其中，所述发射角是指所述光轴与发射所述发射光的方向之间的角。

[0017] 所述光轴和所述多个反射面的最外周线之间的距离优选小于等于所述光轴和所述多个第一折射面的最外周线(outermostcircumference)之间的距离。

[0018] 所述多个第二折射面具有的形状优选从所述透镜元件的所述发射表面消除阻碍所述光源发射的发射光的发射的无效部分。

[0019] 为了实现第二个目的，本发明涉及一种光接收模块，其包括光接收元件和用于将光收集到所述光接收元件上的透镜元件，其中所述透镜元件包括：多个第一折射面，其设置在所述透镜元件的入射表面上，形成以光轴为中心的直径不同的同心圆状，所述多个第一折射面用于折射所述入射光的一部分，从而将所述入射光收集到所述光接收元件；多个第二折射面，其设置在所述透镜元件的所述入射表面上，形成以所述光轴为中心的直径不同的同心圆状，所述多个第二折射面用于折射所述入射光的其他部分，所述多个第二折射面和多个第一折射面交替设置在所述透镜元件的入射表面上；以及多个反射面，其设置在这样的位置以形成为以所述光轴为中心的直径不同的同心圆状，以防止受到所述多个第一折射面折射，以便被收集到所述光接收元件上的光穿过其间，所述多个反射面用于将受到所述多个第二折射面折射的光收集到所述光接收元件上；所述多个反射面与所述多个第二折射面一对一对应。

[0020] 所述多个反射面优选包括至少一个全反射面。

[0021] 所述光接收模块还优选包括反射器，其用于将由所述多个反射面引导的光收集到所述光接收元件上。

[0022] 所述光轴和所述多个反射面的最外周线之间的距离优选小于等于所述光轴和所述多个第一折射面的最外周线之间的距离。

[0023] 所述多个第二折射面具有的形状优选从所述透镜元件的所述入射表面消除阻碍所述入射光被收集到所述光接收元件上的无效部分。

[0024] 如上所述，根据本发明的光发射模块允许在使透镜的直径降至最低的同时降低发射光的亮度变化，并提高效率。此外，根据本发明的光接收模块允许在使透镜的直径降至最低的同时提高光收集效率。

[0025] 通过下文中结合附图对本发明做出的详细说明，本发明的这些和其他目的、特征、方面和优点将变得更为显见。

附图说明

[0026] 图1是根据本发明第一实施例的光发射模块的顶视图和侧视截面图；

[0027] 图2是根据本发明第一实施例的光发射模块的主要部分的侧视截面图；

[0028] 图3是根据本发明第一实施例的光发射模块的主要部分的侧视截面图；

[0029] 图4是根据本发明的第一实施例的光发射模块的示范性变型的侧视截面图；

[0030] 图5是根据本发明的第一实施例的透镜元件的示范性变型的侧视截面图；

[0031] 图6是根据本发明的第一实施例的透镜元件的示范性变型的侧视截面图；

[0032] 图7是根据本发明的第一实施例的光发射模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0033] 图8是根据本发明的第一实施例的光发射模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0034] 图9是根据本发明的第一实施例的光发射模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0035] 图10是根据本发明第二实施例的光发射模块的顶视图；

[0036] 图11是根据本发明的第二实施例的光发射模块的侧视截面图；

[0037] 图12是根据本发明第二实施例的光发射模块的主要部分的侧视截面图；

[0038] 图13是根据本发明第二实施例的光发射模块的主要部分的放大侧视截面图；

[0039] 图14是根据本发明的第二实施例的光发射模块的示范性变型的侧视截面图；

[0040] 图15是根据本发明的第二实施例的光发射模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0041] 图16是根据本发明的第二实施例的光发射模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0042] 图17是根据本发明的第二实施例的光发射模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0043] 图18是根据本发明的第二实施例的光发射模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0044] 图19是根据本发明第三实施例的光接收模块的顶视图和侧视截面图；

[0045] 图20是根据本发明第三实施例的光接收模块的主要部分的侧视截面图；

[0046] 图21是根据本发明的第四实施例的光接收模块的顶视图；

[0047] 图22是根据本发明的第四实施例的光接收模块的侧视截面图；

[0048] 图23是根据本发明第四实施例的光接收模块的主要部分的侧视截面图；

[0049] 图24是根据本发明的第四实施例的光接收模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0050] 图25是根据本发明的第四实施例的光接收模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0051] 图26是根据本发明的第四实施例的光接收模块的示范性变型的主要部分的侧视截面图；

[0052] 图27是常规光发射模块的侧视截面图；

[0053] 图28是常规光发射模块的侧视截面图；

[0054] 图29是图28所示的常规光发射模块的A1部分的放大侧视截面图；

[0055] 图30是常规光接收模块的侧视截面图；以及

[0056] 图31是图30所示的常规光接收模块的A2部分的放大侧视截面图。

具体实施方式

[0057] 在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。

[0058] (第一实施例)

[0059] 图1是根据本发明第一实施例的光发射模块100的顶视图和侧视截面图。图2是根据本发明第一实施例的光发射模块100的主要部分的侧视截面图。

[0060] 如图1和图2所示，光发射模块100主要包括光源110和透镜元件120。作为光源110，例如，采用LED或半导体激光器。将光源110容纳到封装111内。在外壳130内，将封装111和透镜元件120固定在能够满足其间的预定位置关系的位置。将经调制的电信号通过端子112提供给光源110，光源110发射(例如)发光强度根据所述调制信号变化的光信号，从而使所述光信号从光轴113展开。例如，在采用LED作为光源110时，从光源110发射的光的散布基本表现为Lambertian分布，其中，发射强度与cosθ成正比，θ表示作为光轴113和发射方向之间的角度的发射角。

[0061] 采用透镜元件120将来自光源110的光散布的角度变为适当的散布角。由被设置为面对光发射模块100的无线光接收机(未示出)接收所发射的光信号，由此实现对信息数据的无线光传输。当光发射模块100发射的光的过宽散布导致了辐射功率密度的降低时，所述无线光传输系统仅只能提供缩短的传输距离。因此，将透镜元件120设计为，将光源110发射的光展开的散布角减小到预定角度，并以该预定角度发射光。如图2所示，透镜元件120在其发射表面上具有多个第一折射面121，所述多个第一折射面121被设置为形成同心圆，每一所述同心圆具有位于其中心的光轴113，并且具有互不相同的直径。所述多个第一折射面121中的每者折射光源110以小于等于θ0的角度发射的光，并沿由预期角度表示的方向发射所述光。图2示出了将光源110发射的光变为平行于光轴113的光的情况作为简单的例子。也就是说，所述多个第一折射面121起着典型的Fresnel透镜的作用。因此，所述多个第一折射面121按照与图27和图28中所示的常规光发射模块相同的方式工作。

[0062] 接下来，将描述常规光发射模块与根据本发明的第一实施例的光发射模块100之间的差异。除了常规光发射模块的透镜之外，根据本发明的第一实施例的光发射模块100的透镜元件120具有形成于其发射表面上的多个第二折射面122。此外，将所述多个反射面123形成为光引导部分，其用于将光源110以大于θ0的发射角发射的光朝向所述多个第二折射面122引导，所述θ0表示光轴113和发射方向之间的角度。

[0063] 在所述透镜元件120的发射表面上交替提供所述多个第二折射面122和多个第一折射面121，从而使之形成每者具有位于其中心的光轴113的同心圆。所述多个第二折射面122的透镜表面具有的形状能够防止透镜元件120包括图28和图29所示的常规光发射模块的透镜12的透镜无效部分(对应于图2中的斜线部分)。也就是说，透镜元件120不包括阻碍来自光源110的光发射的无效部分。

[0064] 在所述透镜元件120的入射表面上提供多个反射面123，以形成每者具有位于其中心的光轴113并且具有互不相同的直径的同心圆。此外，所述多个反射面123为多个全反射面。此外，将所述多个反射面123提供为吸收以大于θ0的发射角从光源110发射的光。由所述多个第一折射面121使以小于等于θ0的发射角从光源110发射的光发生折射，并使其从透镜元件120发射。因此，在光源110发射的光以小于等于θ0的发射角从透镜元件120发射时，不产生光损耗。所述多个反射面123与所述多个第二折射面122基本上以一对一的对应方式相互作用，因此，根据一对一的对应关系将光源110以处于θ0到θ1的范围内的发射角发射的光朝向所述多个第二折射面122反射。所述多个第二折射面122使反射光发生折射，并将从透镜元件120发射所述经折射的光。在这种情况下，将所述多个反射面123的角度设置为，使光从透镜元件120以预期角度发射(在图2中，使光平行于光轴113发射)。

[0065] 如上所述，将所述多个第二折射面122和所述多个反射面123形成为，使光源110以处于θ0到θ1的范围内的发射角发射的光从对应于图29所示的黑暗部分的部分发射，由此降低发射光的亮度变化。此外，以小于等于θ0的发射角从光源110发射的光和以处于θ0到θ1的范围内的发射角从光源110发射的光均从所述多个第一折射面121中的直径为do的区域内发射，由此提高了直径为do的区域内的辐射功率密度，并实现了能够实现高效性能的发光模块100。此外，在不增大透镜元件120的直径的情况下，与典型的常规Fresnel透镜相比，当光轴113和所述多个反射面123的最外周线之间的距离小于等于光轴113和所述多个第一折射面121的最外周线之间的距离时(也就是说，直径di小于等于直径do)，有可能提高光发射模块发射的光的效率和强度。更具体地说，图28所示的常规光发射模块11必须提高透镜12的直径，因为由所述多个反射面15反射的光从对应于所述多个折射面13的最外周线之外的部分的发射表面(也就是说，从直径d1外部的区域)发射。另一方面，根据第一实施例，由所述多个反射面123反射的光分别从所述多个第二折射面122发射，将光轴113和多个第二折射面122的最外周线之间的距离构造为小于光轴113和多个第一折射面121的最外周线(直径do的边缘)之间的距离。因此，有可能在不提高透镜元件120的直径的情况下提高效率。

[0066] 如上所述，根据第一实施例，在透镜元件120的发射表面上交替提供所述多个第一折射面121和多个第二折射面122，以形成每者具有位于其中心的光轴113，并且具有互不相同的直径的同心圆，在透镜元件120的入射表面上提供多个反射面123，以形成每者具有位于其中心的光轴113，并且具有互不相同的直径的同心圆，分别通过所述多个第二折射面122以预期的角度折射和发射经所述多个反射面123反射的光。因此，有可能在不提高透镜元件120的直径的情况下，降低所发射的光的亮度变化，并提高效率和发射强度，由此实现具有有利性能的光发射模块100。

[0067] 尽管，在上述说明中，所述多个反射面123与所述多个第二折射面122以基本一对一的对应方式相互作用，但是，所述多个反射面123可以与所述多个第二折射面122中的至少一个相互作用。仍然就这种情况而言，与常规光发射模块相比，有可能在不提高透镜元件120的直径的情况下，降低透镜元件120所发射的光的亮度变化，并提高效率和发射强度，由此实现具有有利性能的光发射模块100。

[0068] 接下来，将更详细地描述所述多个第二折射面122和所述多个反射面123的透镜表面的角度。图3是图2所示的根据第一实施例的光发射模块100的主要部分的侧视截面图。在下文中将详细描述反射从光源110以α1的发射角发射的光的反射面123a和经反射的光指向的第二折射面122a。

[0069] 如图3所示，将第二折射面122a提供为沿射线114倾斜，射线114是通过在透镜元件的入射表面124上使光源110发射的光折射，并使经折射的光穿过透镜元件120得到的。第二折射面122a具有的形状使得其不包括上述透镜无效部分。在反射面123a上的反射点P处反射以发射角α1从光源110发射的光，α1表示光轴113和发射方向之间角度。使反射光指向第二折射面122a，并在第二折射面122a上的折射点Q处受到折射，进而沿平行于光轴113的方向作为发射光发射。

[0070] n1表示光源110和透镜元件120之间的光折射率，n2表示透镜元件120的光折射率，n3表示透镜元件120和无线光接收机(未示出)之间的光折射率。当透镜元件位于空气当中时，折射率n1和n3中的每者几乎为1。β1表示在对应于光源110的位置的点O处，射线114和光轴113之间的角度。β2表示在透镜元件120的点R处，射线114与正交于入射表面124的线(在本实施例中为平行于光轴113的线，因为入射表面124为平面)之间的角。r表示从包括第二折射面122a的透镜元件120的发射表面的突起的顶点延伸与光轴113垂直的线的长度，L1表示从光源110延伸垂直于入射表面124的线的长度，L2表示从包括第二折射面122a的透镜元件120的发射表面的突起的顶点延伸垂直于入射表面124的线的长度。在这种情况下，满足方程(1)和(2)。

[0071] r＝L1tanβ1+L2tanβ2……(1)

[0072] n1·sinβ1＝n2·sinβ2……(2)

[0073] 因而，基于长度r、L1和L2确定第二折射面122a的角β2。

[0074] 此外，α2表示在反射点P处平行于光轴113的线与通过在反射点P处反射由光源110以发射角α1发射的光而获得的反射光之间的角。α2’表示在折射点Q处，在反射点P处受到反射的光与垂直于第二折射面122a的线之间的角。γ表示在反射点P处，平行于入射表面124的线与垂直于反射面123a的线之间的角。在这种情况下，满足方程(3)到(5)。

[0075] n3·sin(π/2-β2)＝n2·sinα2′……(3)

[0076] α2＝π/2-β2-α2′……(4)

[0077] γ＝(α1-α2)/2……(5)

[0078] 因而，基于光源110发射的光的发射角α1确定反射面123a的角γ。

[0079] 此外，在满足下述方程(6)时，可以将所述多个反射面123形成为多个全反射面。在不满足方程(6)时，例如，可以对所述多个反射面123电镀金属，以获得能够实现预期性能的多个反射面123。

[0080] n2·sin{(π-α1-α2)/2}≥n1…………(6)

[0081] 根据图1所示的第一实施例，将光发射模块100构造为，将光源110容纳到封装111内，将封装111和透镜元件120固定至外壳130。但是，应当理解，可以采用任何满足前述关系的其他构造产生与上述相同的效果。例如，如图4所示，可以采用封装140替代图1所示的光发射模块100的封装111，可以在封装140上固定设置光源110。

[0082] 此外，根据第一实施例，将透镜元件120构造为，使光轴113和多个反射面123的最外周线之间的距离小于等于光轴113和多个第一折射面121的最外周线之间的距离(也就是说，直径di小于等于直径do)，由此避免提高透镜元件120的直径。本发明不限于此。如图5所示，可以采用光轴113和多个反射面223的最外周线之间的距离大于光轴113和多个第一折射面121的最外周线之间的距离(也就是说，直径di2大于直径do)。透镜元件220的构造允许提高效率和发射强度，并且能够在使透镜的直径降至最低的情况下降低所发射的光的亮度变化。应当理解，与图3所示的透镜元件120一样，二者均包含于透镜元件220中的多个第二折射面122和多个反射面223满足上述方程(1)到(6)。

[0083] 此外，根据第一实施例，将透镜元件120构造为，使从光源110以小于等于θ0的发射角发射的光入射到其上的入射表面124为平面。但是，所述入射表面可以是曲面，也就是说，所述入射表面可以是，例如，图6所示的透镜元件320的入射表面324。当在透镜元件320的发射表面上交替提供多个第一折射面321和多个第二折射面322，并且所述多个第二折射面322折射并发射来自设置在透镜元件320的入射表面上的多个反射面323的反射光时，透镜元件320能够产生与上文所述相同的效果。或者，入射表面324可以是Fresnel透镜表面。当透镜元件320的入射表面324具有以光源110为中心的球体的球面时，入射表面324不对光源110发射的光折射，因此，图3所示的角度β1和β2之间的关系满足β1＝β2。因此，二者均包含在透镜元件320中的多个第二折射面322和多个反射面323满足上述方程(1)到(6)，从而满足β1＝β2。而且，当入射表面324具有其他曲面或者Fresnel透镜表面时，可以根据入射表面324上的折射执行向方程(2)中的代入。

[0084] 此外，根据第一实施例，提供多个反射面123。但是，可以采用图7所示的其内设置了单个反射面423而不是多个反射面123的透镜元件420。在这种情况下，可以将多个第二折射面422每者设计为相对于单个反射面423具有适当的角。在这种情况下，同样有可能降低所发射的光的亮度变化，并提高效率和发射强度，由此产生与上文所述相同的效果。

[0085] 接下来，将更详细地描述单个反射面423的透镜表面的角度和多个第二折射面422的透镜表面的角度。图8是图7所示的光发射模块的主要部分的侧视截面图，其中，向第一实施例的光发射模块100安装了透镜元件420。在图8中，采用相同的对应的附图标记表示与图3所示的部件相同的部件，并将省略对其的说明。

[0086] 如图8所示，在反射面423上的第一反射点Pa处反射以发射角α1从光源110发射的光，其中α1表示光轴113和发射方向之间的角。使反射光指向第二折射面422a，并在第二折射面422a上的折射点Qa处受到折射，进而沿平行于光轴113的方向作为发射光发射。第二折射面422a与反射面423之间的关系与参考图3描述的均包含在透镜元件120中的第二折射面122a和反射面123a之间的关系相同。具体而言，长度r、L1和L2以及角β1、β2、α1、α2、α2’和γ满足上述方程(1)到(6)。

[0087] 接下来，将描述从光轴113来看直接围绕(immediatelysurrounding)第二折射面422a设置的第二折射面422b。以小于发射角α1的角从光源110发射的光在反射面423上的第二反射点Pb处受到反射。使反射光指向第二折射面422b，并在第二折射面422b上的折射点Qb处受到折射，进而沿平行于光轴113的方向作为发射光发射。

[0088] α2b表示在第二折射点Qb处，在第二反射点Pb处受到反射的光与一条线之间的角，所述线是通过使通过在第二折射点Qb处使所述反射光发生折射而获得的发射光朝向透镜元件420的内部延伸而得到的。此外，β2b表示在第二折射点Qb处，平行于光轴113的直线与通过使第二折射面422b的倾斜面的线朝向透镜元件420之外延伸得到的线之间的角。在这种情况下，当角α2b和β2b满足方程(7)时，在第二折射点Qb处受到折射的发射光平行于光轴113。

[0089] n3·sin(π/2-β2b)＝n2·sin(π/2-β2b-α2b)……(7)

[0090] 此外，可以提供包围光源110的图9所示的透镜元件520，以替代图7所示的透镜元件420。在透镜元件520的发射表面上，交替提供多个第一折射面521和多个第二折射面522，由所述多个第二折射面522折射并发射来自反射面523的反射光，由此产生与上文所述相同的效果。无用赘言，多个第二折射面522和反射面523之间的关系与均包含于透镜元件420的多个第二折射面422和反射面423之间关系相同，也就是说，满足上述方程(1)到(7)。

[0091] (第二实施例)

[0092] 在第一实施例中，利用从光源以处于θ0到θ1的范围内的发射角发射的光降低所发射的光的亮度变化，由此实现具有高效性能的光发射模块，其中，发射角是指光轴与发射方向之间的角。根据第二实施例，利用光源发射的未直接抵达透镜元件的光，而不是从光源以处于θ0到θ1的范围内的发射角发射的光，其中，所述发射角是指光轴与发射方向之间的角。

[0093] 图10是根据本发明第二实施例的光发射模块600的顶视图，图11是根据本发明的第二实施例的光发射模块600的侧视截面图。图12是根据本发明第二实施例的光发射模块600的主要部分的侧视截面图。图13是图12所示的光发射模块600的B部分的放大图。在图10到13中，采用相同的对应的附图标记表示与图1和图2所示的部件相同的部件，并将省略对其的说明。

[0094] 如图10到13所示，光发射模块600主要包括光源110和透镜元件620。例如，光源110为LED。光源110被接合至阴极电极612a，并通过导线612c电连接到阳极电极612b。将透镜元件620、阴极电极612a和阳极电极612b固定到由树脂和/或类似物构成的外壳
630。此外，阴极电极612a包括反射器641。反射器641具有形成了(例如)倒置锥的内部形状的反射面。可以将反射器641固定到阴极电极612a上。或者，反射器641可以由与阴极电极612a相同的材料构成，从而与阴极电极612a集成。

[0095] 与图2所示的透镜元件120一样，在透镜元件620的发射表面上，交替提供多个第一折射面121和多个第二折射面122，以形成每者具有位于其中心的光轴113，并且具有互不相同的直径的同心圆。在所述透镜元件620的入射表面上提供多个反射面623，以形成每者具有位于其中心的光轴113并且具有互不相同的直径的同心圆。此外，所述多个反射面623为多个全反射面。根据第二实施例的光发射模块600具有与根据第一实施例的光发射模块相同的构造，只是光发射模块600具有反射器641，其用于反射从光源110的侧面发射的光，即，从光源以处于θ2到θ3的范围内的发射角发射的光，所述发射角是指光轴113和发射方向之间的角。反射器641反射从光源110的侧面发射的光，并使反射光指向设置在透镜元件620的入射表面上的多个反射面623。所述多个反射面623与所述多个第二折射面
122通过基本上一对一的对应方式相互作用，因此，根据所述一对一对应关系将通过反射器
641引导的反射光朝向所述多个第二折射面122反射。所述多个第二折射面122使反射光发生折射，并从透镜元件620发射所述经折射的光。如上所述，根据参考图2描述的第一实施例，利用图2所示的以处于θ0到θ1的范围内的发射角发射的光，而根据第二实施例，利用从光源110的侧面发射的光。具体地，在采用LED作为光源110时，从LED的侧面发射的光提供了大功率，因此，能够利用从光源的侧面发射的光的电功率，以提高光发射模块600的效率。所述多个反射面623与所述多个第二折射面122通过基本上一对一的对应方式相互作用，并根据所述一对一对应关系将从光源110的侧面发射的光朝向所述多个第二折射面122反射。所述多个第二折射面122使反射光发生折射，并从透镜元件620发射所述经折射的光。在这种情况下，将所述多个反射面623的角度设置为，使光从透镜元件620以预期角度发射(在图12中，使光平行于光轴113)。

[0096] 如此形成了多个第二折射面122、多个反射面623和反射器641，因此从光源110的侧面发射的光从对应于图29所示的黑暗部分的部分发射，由此实现了所发射的光的亮度变化的降低。此外，以小于等于θ0的发射角从光源110发射的光和从光源110的侧面发射的光均从所述多个第一折射面121的直径为do的区域内发射，由此提高了直径为do的区域内的发射功率密度，并实现了能够实现高效性能的发光模块600。

[0097] 如上所述，根据第二实施例，在透镜元件620的发射表面上，交替提供多个第一折射面121和多个第二折射面122，以形成每者具有位于其中心的光轴113，并且具有互不相同的直径的同心圆，并且在透镜元件620的入射表面上提供多个反射面623，以形成每者具有位于其中心的光轴113，并且具有互不相同的直径的同心圆。此外，提供包围光源110的反射器641，从而允许所述多个第二折射面122按照预期角度折射并发射来自光源110的侧面的光。因此，有可能在不提高透镜元件620的直径的情况下，降低所发射的光的亮度变化，并提高效率和发射强度，由此实现具有有利的性能的光发射模块600。

[0098] 根据参考图10到13描述的第二实施例，将光发射模块600构造为，通过提供反射器641和多个反射面623，从而使来自光源110的侧面的光指向多个第二折射面122。但是，本发明不限于此。可以采用诸如棱镜的光偏转器替代反射器641，从而利用折射执行偏转，由此像通过反射器641执行的那样，使光源110发射的光朝向多个反射面623偏转。

[0099] 此外，可以采用多个折射面替代多个反射面623。图14是包括多个替代多个反射面623的折射面的光发射模块700的侧视截面图。图15是光发射模块700的主要部分的侧视截面图。如图15所示，将光发射模块700构造为，利用在透镜元件720的入射表面上提供的多个第三折射面725使来自反射器741的反射光指向多个第二折射面122。这一构造允许有效地利用来自光源110的侧面的光，提高效率和发射强度，并且降低发射光的亮度变化。

[0100] 将图15所示的透镜元件720构造为，在其入射表面上提供多个第三折射面725。但是，可以采用图16所示的透镜元件820，其中，采用单个第三折射面825替代多个第三折射面725。在这种情况下，可以将多个第二折射面822每者设计为相对于单个第三折射面
825具有适当的角。因而，有可能降低所发射的光的亮度变化，并提高效率和发射强度，由此产生与上文所述相同的效果。

[0101] 此外，可以采用图17所示的透镜元件920替代图16所示的透镜元件820，从而使透镜元件920包围光源110和反射器941。同样在这种情况下，在透镜元件920的发射表面上交替提供多个第一折射面921和多个第二折射面922，从而通过多个第二折射面922折射并发射来自反射器941的反射光。因此，有可能有效地利用来自光源110的侧面的光，降低发射光的亮度变化，并提高效率和发射强度，由此产生与上述相同的效果。

[0102] 此外，根据第二实施例，反射器反射来自光源110的侧面的光，以提高光发射模块的效率。但是，如图18所示，反射器1041可以反射从光源110以处于θ0到θ1的范围内的发射角发射的光，所述反射光可以入射到透镜元件1020的单个第三折射面1025上，从而受到多个第二折射面1022的折射，可以利用所述折射光，由此降低发射光的亮度变化，并提高效率。

[0103] (第三实施例)

[0104] 图19是根据本发明第三实施例的光接收模块2100的顶视图和侧视截面图。图20是根据本发明第三实施例的光接收模块2100的主要部分的侧视截面图。

[0105] 如图19和图20所示，光接收模块2100主要包括光接收元件2110和透镜元件2120。例如，可以采用光电二极管(PD)作为光接收元件2110。将光接收元件2110容纳到封装2111内。在外壳2130内，将封装2111和透镜元件2120固定在能够满足其间的预定位置关系的位置。光接收模块2100接收来自无线光发射机(未示出)的光信号(例如，由第一实施例的光发射模块100发射的光信号)，所述无线光发射机被设置为面对光接收模块2100。

[0106] 透镜元件2120收集光接收元件2110上的入射光。光接收元件2110将接收到的光信号转化为电信号，并从端子2112输出所述电信号，由此实现信息数据的无线光传输。在入射光的低效收集降低了所接收的光的功率时，所述无线光传输系统只能提供降低的传输距离。因此，将透镜元件2120设计为提高光收集效率。如图20所示，透镜元件2120在其入射表面上具有多个第一折射面2121，所述多个第一折射面2121被设置为形成同心圆，每一所述同心圆具有位于其中心的光轴2113，并且具有互不相同的直径。所述多个第一折射面2121每者折射一部分入射光，以收集光接收元件2110上的入射光。图20示出了收集平行于光轴2113的入射光的情况作为例子。也就是说，所述多个第一折射面2121起着典型的Fresnel透镜的作用。因而，所述多个第一折射面2121与图30所示的常规光接收模块中采用的一样。

[0107] 接下来，将描述常规光接收模块和根据本发明的第三实施例的光接收模块2100之间的差异。除了常规光接收模块的透镜之外，根据本发明的第三实施例的光接收模块2100的透镜元件2120具有形成于透镜元件2120的入射表面上的多个第二折射面2122。此外，将多个反射面2123形成为光引导部分，其用于收集受到多个第二折射面折射的光，使之指向光接收元件。

[0108] 在所述透镜元件2120的入射表面上交替提供所述多个第二折射面2122和多个第一折射面2121，从而使之形成每者具有位于其中心的光轴2113的同心圆。所述多个第二折射面2122的透镜表面具有的形状防止了透镜元件2120包括图30和图31所示的常规光接收模块的透镜21的透镜无效部分(对应于图20中的斜线部分)。也就是说，透镜元件2120不包括阻碍将入射光收集到光接收元件2110上的无效部分。

[0109] 在所述透镜元件2120的发射表面上提供多个反射面2123，以形成每者具有位于其中心的光轴2113并且具有互不相同的直径的同心圆。此外，所述多个反射面2123为多个全反射面。此外，在一区域的外部设置所述多个反射面2123，由多个第一折射面2121折射的光穿过所述区域，从而使之收集到光接收元件2110上。通过多个第一折射面2121折射入射到多个第一折射面2121上的光，并使之收集到光接收元件2110上。因此，在将入射到多个第一折射面2121上的光收集到光接收元件2110上时，不产生光损耗。所述多个反射面2123以基本上一对一的对应方式与多个第二折射面2122相互作用。所述多个第二折射面2122根据所述一对一对应关系将入射光朝向所述多个反射面2123折射。所述多个反射面2123将所述折射光朝向所述光接收元件2110反射。在这种情况下，将多个反射面2123的角设为，将受到多个第二折射面2122折射的光朝向光接收元件2110反射。

[0110] 如上所述，将所述多个第二折射面2122和多个反射面2123形成为，允许将来自图31所示的非光收集部分的入射光收集到光接收元件2110上，由此实现具有增强的光收集效率的光接收模块2100。此外，与常规的典型Fresnel透镜相比，在不提高透镜元件2120的直径的情况下，当光轴2113和多个反射面2123的最外周线之间的距离小于等于光轴2113和多个第一折射面2121的最外周线之间的距离时(也就是说，直径di小于等于直径do)，有可能提高光接收模块2100的光收集效率。更具体地说，在光以和光穿过图28所示的常规光发射模块的方式相逆的方式从其中穿过的常规光接收元件中，必须提高透镜12的直径，因为要收集入射到对应于多个折射面13的最外周线之外的部分(即位于直径为d1的区域之外的部分)的入射表面上的入射光。另一方面，根据第三实施例，多个第二折射面2122上的入射光受到折射，并通过多个反射面2123反射所述折射光，从而使之被收集，其中，将所述多个第二折射面2122构造为，使光轴2113和多个第二折射面2122的最外周线之间的距离小于光轴2113和多个第一折射面2121的最外周线(直径do的边缘)之间的距离。因此，有可能在不提高透镜元件2120的直径的情况下提高效率。

[0111] 如上所述，根据第三实施例，在透镜元件2120的入射表面上交替提供所述多个第一折射面2121和多个第二折射面2122，以形成每者具有位于其中心的光轴2113，并且具有互不相同的直径的同心圆，将多个第二折射面2122上的入射光朝向多个反射面2123折射，所述多个反射面2123设置在透镜元件2120的发射表面上，从而形成了每者具有位于其中心的光轴2113，并具有互不相同的直径的同心圆，所述多个反射面2123将所述折射光朝向光接收元件2110反射。因此，能够将对应于Fresnel透镜的非光收集部分的部分上的入射光收集到光接收元件2110上，从而有可能实现具有有利的性能并且能够在不提高透镜元件2120的直径的情况下提高其光收集效率的光接收模块2100。

[0112] 此外，入射到第三实施例的光接收模块上的光以和第一实施例的光发射模块发射的光从其中穿过的方式相逆的方式从其中穿过。因此，可以将第一实施例的光发射模块用作第三实施例的光接收模块。

[0113] 可以采用与图3所示的透镜元件120所采用的相同的方式设计包含于根据第三实施例的光接收模块的透镜元件2120内的多个第二折射面2122和多个反射面2123的透镜表面的角。此外，与多个反射面123一样，所述多个反射面2123可以是多个全反射面。或者，例如，可以对所述多个反射面电镀金属，以形成能够实现预期性能的多个反射面2123。

[0114] 与图4所示的光发射模块一样，可以将第三实施例的光接收模块构造为，将光接收元件固定设置在封装上。

[0115] 与图5所示的透镜元件220一样，可以将第三实施例的光接收模块的透镜元件构造为，使光轴2113和多个反射面的最外周线之间的距离大于光轴2113和多个第一折射面的最外周线之间的距离，即，直径di大于直径do。

[0116] 与图6所示的透镜元件320一样，在第三实施例的光接收模块的透镜元件上，除多个反射面2123之外的发射表面可以包括曲面。或者，所述发射表面可以包括Fresnel透镜表面，而不是多个反射面2123。

[0117] 与图7所示的透镜元件420一样，第三实施例的光接收模块的透镜元件可以具有单个反射面而不是多个反射面2123。在这种情况下，可以按照与图8所示的透镜元件420所采用的相同的方式设计包含于光接收模块的透镜元件内的单个反射面和多个第二折射面的透镜表面的角。

[0118] 与图9所示的透镜元件520一样，可以将第三实施例的光接收模块的透镜元件构造为，使透镜元件包围光接收元件。

[0119] 可以采用任何上述构造实现具有有利性能和提高的光收集效率的光接收模块。

[0120] (第四实施例)

[0121] 图21是根据本发明的第四实施例的光接收模块2600的顶视图，图22是根据本发明的第四实施例的光接收模块2600的侧视截面图。图23是根据本发明第四实施例的光接收模块2600的主要部分的侧视截面图。在图21到23中，采用相同的对应的附图标记表示与图19和图20所示的部件相同的部件，并将省略对其的说明。

[0122] 如图21到23所示，光接收模块2600主要包括光接收元件2110和透镜元件2620。例如，可以采用光电二极管(PD)作为光接收元件2110。光接收元件2110被接合至阳极电极2612a，并通过导线2612c电连接到阴极电极2612b。将透镜元件2620、阳极电极2612a和阴极电极2612b固定到由树脂和/或类似物构成的外壳2630上。此外，阳极电极2612a包括反射器2641。反射器2641具有形成了(例如)倒置锥的内部形状的光反射面。可以将反射器2641固定到阳极电极2612a上。或者，可以由与阳极电极2612a相同的材料形成反射器2641，从而使之与阳极电极2612a集成。

[0123] 与图20所示的透镜元件2120一样，在透镜元件2620的入射表面上交替设置多个第一折射面2121和多个第二折射面2122，以形成每者具有位于其中心的光轴2113的同心圆。在所述透镜元件2620的发射表面上提供多个反射面2623，以形成每者具有位于其中心的光轴2113并且具有互不相同的直径的同心圆。此外，所述多个反射面2623为多个全反射面。根据第四实施例的光接收模块2600具有与根据第三实施例的光接收模块一样的构造，只是光接收模块2600具有反射器2641，其用于进一步反射受到多个反射面2623反射的光。所述多个反射面2623以基本上一对一的对应方式与多个第二折射面2122相互作用。所述多个第二折射面2122根据所述一对一对应关系将入射光朝向所述多个反射面2623折射。所述多个反射面2623将折射光朝向反射器2641反射。反射器2641将所述反射光朝向光接收元件2110反射。在这种情况下，将所述多个反射面2623的角设为，使得所述多个反射面2623将光以预期角朝向光接收元件2110反射。

[0124] 与针对第三实施例描述的一样，将所述多个第二折射面2122、多个反射面2623和反射器2641形成为，将来自图31所示的非光收集部分的入射光收集到光接收元件2110上。

[0125] 如上所述，根据第四实施例，在透镜元件2620的入射表面上交替提供多个第一折射面2121和多个第二折射面2122，以形成具有位于其中心的光轴2113，并且具有互不相同的直径的同心圆，在透镜元件2620的发射表面上提供多个反射面2623，此外还提供包围光接收元件2110的反射器2641，因而，有可能将来自Fresnel透镜的非光收集部分的入射光收集到光接收元件2110上。因此，能够实现在使透镜元件2620的直径降至最低的同时具有有利性能和提高的光收集效率的光接收模块2600。

[0126] 根据参考图21到23描述的第四实施例，将光接收模块2600构造为，通过提供反射器2641和多个反射面2623，将多个第二折射面2122上的入射光朝向光接收元件2110引导。但是，本发明不限于此。可以采用诸如棱镜的光偏转器替代反射器2641，所述光偏转器用于采用折射执行偏转，从而像反射器2641执行的那样，使由多个反射面2623反射的光朝向光接收元件2110偏转。

[0127] 此外，入射到第四实施例的光接收模块上的光以和第二实施例的光发射模块发射的光从其中穿过的方式相逆的方式从其中穿过。因此，可以将第二实施例的光发射模块用作第四实施例的光接收模块。

[0128] 第四实施例的光接收模块可以具有图24所示的透镜元件2720，其中，提供了多个第三折射面2725以替代多个反射面2623。在这种情况下，提供反射器2741，从而将由多个第三折射面2725折射的光收集到光接收元件2110上。

[0129] 图24所示的透镜元件2720具有位于透镜元件2720的发射表面上的多个第三折射面2725。但是，可以提供图25所示的透镜元件2820，其中，采用了单个第三折射面2825，而不是多个第三折射面2725。在这种情况下，提供反射器2841，从而将由单个第三折射面2825折射的光收集到光接收元件2110上。

[0130] 此外，可以采用图26所示的包围光接收元件2110和反射器2941的透镜元件2920替代图25所示的透镜元件2820。

[0131] 可以采用任何上述构造实现具有有利性能和提高的光收集效率的光接收模块。

[0132] 在上述说明中，将每一上述实施例应用于无线光传输系统。但是，本发明不限于此。允许根据第一实施例和第二实施例中的每者的光发射模块以缩小的厚度降低亮度变化，并提高效率的辐射功率密度。允许根据第三实施例和第四实施例中的每者的光接收模块提高光收集效率。因此，能够将本发明有效地应用于其他用途。例如，本发明适用于照明以及利用在自由空间内传输的光的光学传感器等。

[0133] 尽管已经详细描述了本发明，但是无论如何上述说明都是出于举例说明的目的，并且是非限制性的。应当理解，可以在不背离本发明的范围的情况下设计很多其他修改和变化。