JP2006310853A - 反射率検出のための一体型光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】反射率検出のための小型の光センサを提供すること。
【解決手段】発光ダイオードから光を放射し、その光を非球面レンズを使用して集束させ、反射面を照らすことにより、表面からの反射光を検出する。反射面によって反射された光は非球面レンズを使用してコレクタレンズに集束される。発光ダイオードは非球面エミッタレンズの光軸からずらして配置され、フォトディテクタは非球面コレクタレンズの光軸からずらして配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は概して光検出の分野に関する。特に、本発明は反射率検出のための光センサモジュールに関する。

反射率検出の例には、バーコード検出、エッジ検出、反射位置エンコーディングなどがある。バーコード技術は十分に確立された技術であり、コンピュータ化された種々の情報管理システムにおけるデータ記憶やデータ入力のための正確で簡便で安価な方法となっている。ラベルや記事の表面にあるバーコードを読み取る様々な光学走査システムが開発されている。一般にバーコードは、一連のライン（バー）と様々な幅の空白からなる。ラインの光反射特性はその間隔によって異なる。情報は幅の変化として符号化される。バーコードに記憶される最も一般的なデータタイプは、在庫管理、プロセス管理、配送管理、その他の資材管理に使用される物品識別情報である。これらの用途では、バーコードは製品番号、シリアル番号、符号化された物品の説明などを表わす場合がある。また、バーコードは、物品や取引に関する情報をコンピュータに正確に入力しなければならない場面でも使用される。

光学スキャナはバーコードを検出し、そのバーコードを電気信号に変換するのに使用され、電気信号はその後、英数字文字としてデコードされる。

バーコード読み取りのための走査システムは多数開発されている。そうした走査システムには例えば、レーザースキャナ、電荷結合素子（ＣＣＤ）スキャナ、発光ダイオード（ＬＥＤ）とフォトダイオードを利用するスキャナなどがある。

ＬＥＤバーコードスキャナは一般に、適当な電子部品及び焦点調節光学部品と共にパッケージングされたＬＥＤとフォトダイオードからなる。光学素子は、ＬＥＤの光を製品バーコードの最小ライン幅以下の幅のスポットとして集束させる。そして、その反射光をフォトダイオードによって受け取り、フォトダイオードにおいて光の有無が検出される。

ＬＥＤスキャナは小型且つ軽量に作成することができ、バーコード走査、エッジ検出及び位置決め、並びに光学タコメータといった、種々の用途に使用される。

ＬＥＤは非常に広い開口角にわたって光を放射するため、放射光を狭い領域に集束させたい場合は、光学レンズが使用される。光センサでは、光を光ファイバに結合させるために、ＬＥＤと共に光学レンズが使用される。これらのレンズは、レンズの光軸上に配置されたＬＥＤと共に使用される。

また、光が照射された物体からの反射光をフォトダイオードに集束させる際にも、レンズが使用される。この場合も、これらのレンズは、レンズの光軸上に配置されたフォトダイオードと共に使用される。

本発明に特有であると思われる新規な特徴は特許請求の範囲に記載している。ただし、本発明、並びに、使用の好ましい実施形態、及び本発明の更なる目的及び利点は、添付の図面を参照して例示的実施形態に関する下記の説明を読むことで明らかになるであろう。

本発明は多数の異なる形の実施形態が可能であり、図面に記載し、本明細書で説明する実施形態は、幾つかの特定の実施形態である。本明細書の開示は、本発明の原理を例示するものであり、そこに本発明を図示説明する特定の実施形態に制限する意図は無い。下記の説明では、複数の図面における同じ部品、類似した部品、又は、対応する部品を説明する際に、同じ参照符号が使用される。

図１は、従来技術の光検出システム１００を示す概略図である。図１に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）１０２から発せられた光は、第１のレンズ１０４を通過して反射面１０６に集束される。表面１０６から反射された光は第２のレンズ１０８を通過し、フォトディテクタ１１０によって受け取られ、そこで電気信号に変換される。フォトディテクタには例えば、フォトダイオードやフォトトランジスタが使用される。レンズ１０４及び１０８は傾きを有し、その結果、その光軸は機械軸１１２に対して傾斜している。ＬＥＤ１０２は、傾いたレンズ１０４の機械軸１１２上に配置される。フォトディテクタ１１０は、傾いたレンズ１０８の機械軸１１４上に配置される。

図２は、本発明の一実施形態による光センサ２００を示す概略図である。この実施形態では、ＬＥＤが非球面レンズに埋め込まれ、一体型光モジュールを形成している。フォトダイオードダイ又はフォトトランジスタダイも、非球面レンズに埋め込まれる。これが従来の光センサと大きく違う点であり、従来の光センサでは、ＬＥＤ並びに、フォトダイオード又はフォトトランジスタのために、更にレンズが必要となる。図２に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイ２０２から発せられた光は、非球面エミッタレンズ２０４を通過して、それらのレンズから指定された距離にある反射面２０６上の或る領域に集束される。反射面２０６から反射された光は、非球面コレクタレンズ２０８を通過して、フォトディテクタダイ２１０によって受け取られ、そこで電気信号に変換される。ＬＥＤダイ２０２は非球面エミッタレンズ２０４の光軸２１２からずらして配置される。また、フォトディテクタダイ２１０は非球面集光レンズ２０８の光軸からずらして配置される。レンズ２０４及び２０８に対するＬＥＤダイ２０２及びフォトディテクタダイ２１０のこのような幾何配置によって、小型検出システムの製造が容易になる。

ＬＥＤ及びフォトディテクタを光軸からずらして配置することにより、ＬＥＤと表面との間の光結合、及び、表面とフォトディテクタとの間の光結合を良好にすることができる。

フォトディテクタが受け取る光の量は、エミッタによって照らされる表面の領域の光反射率によって決まる。

ＬＥＤダイ２０２及びフォトディテクタダイ２１０が、レンズ２０４及び２０８の光軸からそれぞれずらして配置されるため、ＬＥＤダイ２０２からの光を表面２０６上に集束させたり、表面２０６からの光をフォトディテクタダイ２１０に対して集束させたりするのに、球面レンズは適していない。レンズ２０４及び２０８の形状は、レイトレーシングを利用した最適化プロセスにより、試験レンズ形状の性能を推定し、品質基準に応じて最終的なレンズ形状を選択することにより決定される。ＬＥＤダイ２０２から表面２０６へ向かう光線２１６と、表面２０６からフォトディテクタダイ２１０へ向かう光線２１６とが使用される。品質基準の一例は、レンズから所定の距離において生成されるスポットサイズである。他の品質基準としては、変調伝達関数がある。バーコードスキャナに使用する場合、エミッタレンズの形状は、バーコードパターンを解釈できるくらい小さなスポットサイズが得られるものでなければならない。本発明の一実施形態において、レンズは、０．５ｍｍ間隔のバーコードパターンを解釈できるように設計される。この実施形態では、ＬＥＤダイからのほとんどのエネルギーが、０．５ｍｍ幅以下のスポットに集束される。

本発明の一実施形態において、レンズ２０４及び２０８の形状は光軸を中心として対称であり、実質的に楕円形の断面を有する。

図３は、本発明の一実施形態による光センサモジュール３００の断面図である。図３に示すように、光センサは基板又はプリント回路基板３０２上に取り付けられる。発光ダイオード半導体ダイ２０２はＬＥＤカソードリードフレーム３０４によって支持され、ワイヤボンド３０６によりＬＥＤアノードリードフレーム３０８に電気接続される。同様に、フォトディテクタ２１０はリードフレーム３１０によって支持され、ワイヤボンド３１２によりリードフレーム３１４に電気接続される。これらのリードフレームは基板３０２を貫通し、光センサモジュール３００をメイン回路基板に取り付けるのを助ける働きをする場合がある。メイン回路基板は、発光ダイオードに電気駆動信号を供給し、フォトディテクタによって生成された電気信号を受信する回路を有する。エミッタレンズ２０４及びコレクタレンズ２０８の形成は、基板３０２をモールド器具の上に置き、エポキシのような封止材を流し込むことによってなされる。レンズの形成の他に、封止材は基板や取り付け部品の周り（輪郭）を充填する層３１６の形成にも使用される場合がある。発光ダイオードとフォトディテクタの間に光障壁を配置して、発光ダイオードからの光が真っ直ぐな経路に沿ってフォトダイオードに到達することを防止してもよい。

図４は、本発明の一実施形態による光センサモジュールの製造方法を示すフロー図である。開始ブロック４０２の後、ブロック４０４において、１以上のＬＥＤ半導体ダイ及びフォトディテクタ半導体ダイを基板又は回路基板に取り付ける。基板は複数のセンサユニットを支持することができ、複数のセンサモジュールをまとめて製造することができる。ブロック４０６において、基板と、そこに取り付けられた半導体ダイを共に、モールド器具上に配置する。モールド器具は、所定のレンズ間隔を有するエミッタレンズ及びコレクタレンズの形状を画定する転写モールドを有する。ブロック４０８において、モールドに透明な封止材を充填する。ブロック４１０において、封止材を適当な温度でキュアする。基板が複数のセンサユニットを支持している場合、ブロック４１２において、例えば切断によりセンサユニットを分離する。ブロック４１４において、分離されたセンサユニットを指定された温度でポストキュアする。ブロック４１６において、センサユニットが正しい動作をするか否か、試験をしてもよい。ブロック４１８において処理は終了する。

以下に、本発明の例示的実施形態を列挙する。
１．光軸を有する非球面エミッタレンズと、
前記非球面エミッタレンズを照らすように配置され、前記非球面エミッタレンズの光軸からずらして配置された発光ダイオードダイと、
光軸を有する非球面コレクタレンズと、
前記非球面コレクタレンズから光を受け取るように配置され、前記非球面コレクタレンズの光軸からずらして配置されたフォトディテクタダイと
を含む光センサモジュールであって、前記非球面エミッタレンズは、前記発光ダイオードダイからの光を前記発光ダイオードダイから指定された距離における指定された直径内に集束させ、前記非球面コレクタレンズは、前記フォトディテクタダイの外側で受け取った光を前記フォトディテクタダイの指定された直径内に集束させる、光センサモジュール。
２．前記非球面エミッタレンズは前記非球面コレクタレンズの直ぐ近くに配置され、前記非球面エミッタレンズの光軸は前記非球面コレクタレンズの光軸に対して平行である、１に記載の光センサモジュール。
３．前記発光ダイオードダイは前記非球面エミッタレンズに埋め込まれる、１に記載の光センサモジュール。
４．前記フォトディテクタダイは前記非球面コレクタレンズに埋め込まれる、１に記載の光センサモジュール。
５．前記非球面エミッタレンズと前記非球面コレクタレンズのうちの少なくとも一方は実質的に楕円形の断面を有する、１に記載の光センサモジュール。
６．前記発光ダイオードダイに電気駆動信号を供給し、前記フォトディテクタダイによって生成された電気信号を受信する電気回路を更に含む、１に記載の光センサモジュール。
７．ハウジングの中に取り付けられた６に記載の光センサモジュールを含む、バーコードスキャナ。
８．基板を更に含み、前記発光ダイオードダイ及び前記フォトディテクタダイは前記基板上に取り付けられ、前記エミッタレンズ及び前記コレクタレンズは前記基板上に形成される、１に記載の光センサモジュール。
９．前記発光ダイオードダイと前記フォトディテクタダイの間に配置された光障壁を更に含み、前記光障壁のサイズは、前記発光ダイオードダイからの光が真っ直ぐな光路に沿って前記フォトディテクタダイに到達することを防止するサイズである、８に記載の光センサモジュール。
１０．前記発光ダイオードダイは赤外線を発する、１に記載の光センサモジュール。
１１．前記発光ダイオードダイは可視光線を発する、１に記載の光センサモジュール。
１２．光センサモジュールの製造方法であって、
発光ダイオードダイを基板に取り付けるステップと、
フォトディテクタダイを前記基板に取り付けるステップと、
前記発光ダイオードダイの上に非球面エミッタレンズを成形し、前記フォトディテクタダイの上に非球面コレクタレンズを成形するステップと
を含み、前記発光ダイオードダイは前記エミッタレンズの光軸からずらして配置され、前記フォトディテクタダイは前記コレクタレンズの光軸からずらして配置される、光センサモジュールの製造方法。
１３．前記エミッタレンズの光軸は前記コレクタレンズの光軸に対して平行である、１２に記載の製造方法。
１４．前記発光ダイオードダイの上に非球面エミッタレンズを成形し、前記フォトディテクタダイの上に非球面コレクタレンズを成形するステップは、
転写モールドを有するモールド器具の上に基板を配置するステップと、
前記モールドに封止材を注入し、前記モールドと前記基板との間を充填するステップと、
前記封止材をキュアするステップと
を含む、１２に記載の製造方法。
１５．前記封止材はエポキシである、１４に記載の製造方法。
１６．光センサモジュールの製造方法であって、
複数の発光ダイオードを基板に取り付けるステップと、
複数のフォトディテクタのそれぞれを前記複数の発光ダイオードのそれぞれの近くに位置決めし、複数のセンサユニットが形成されるように、複数のフォトディテクタを前記基板に取り付けるステップと、
前記複数の発光ダイオードのそれぞれの上に非球面エミッタレンズを成形し、前記複数のフォトディテクタのそれぞれの上に非球面コレクタレンズを成形するステップと、
前記複数のセンサユニットから１つのセンサユニットを分離し、光センサモジュールを形成するステップと
を含み、各発光ダイオードは、その発光ダイオードの上にある前記非球面エミッタレンズの光軸からずらして配置され、各フォトディテクタは、そのフォトディテクタの上にある前記非球面コレクタレンズの光軸からずらして配置される、製造方法。
１７．前記光センサモジュールの動作を試験するステップを更に含む、１６に記載の製造方法。
１８．表面の光反射率を検出する方法であって、
発光ダイオードから光を放射するステップと、
前記発光ダイオードから放射された光を第１の非球面レンズを使用して集束させ、前記表面を照らすステップと、
前記表面で反射された光の一部を第２の非球面レンズを使用してフォトディテクタに対して集束させるステップと
を含み、前記発光ダイオードは前記第１の非球面レンズの光軸からずらして配置され、前記フォトディテクタは前記第２の非球面レンズの光軸からずらして配置される、方法。
１９．前記第１の非球面レンズと前記第２の非球面レンズのうちの少なくとも一方は実質的に楕円形の断面を有する、１７に記載の方法。
２０．前記第１の非球面レンズ及び前記第２の非球面レンズを前記表面から所定の距離に配置し、前記発光ダイオードからの光を前記表面に集束させるステップを更に含む、１７に記載の方法。

ここまで本発明をその好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の思想や範囲から外れることなく、実施形態やその細部に変更を施すことも可能であることは、当業者には明らかであろう。従って出願人は、そうした変形形態、修正形態及び改変形態も、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲に含めることを意図している。

従来技術による光センサを示す概略図である。 本発明の一実施形態による光センサを示す概略図である。 本発明の一実施形態による光センサモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態による光センサモジュールの製造方法を示すフロー図である。

Claims (20)

1. 光軸を有する非球面エミッタレンズと、
   前記非球面エミッタレンズを照らすように配置され、前記非球面エミッタレンズの光軸からずらして配置された発光ダイオードダイと、
   光軸を有する非球面コレクタレンズと、
   前記非球面コレクタレンズから光を受け取るように配置され、前記非球面コレクタレンズの光軸からずらして配置されたフォトディテクタダイと
   を含む光センサモジュールであって、前記非球面エミッタレンズは、前記発光ダイオードダイからの光を前記発光ダイオードダイから指定された距離における指定された直径内に集束させ、前記非球面コレクタレンズは、前記フォトディテクタダイの外側で受け取った光を前記フォトディテクタダイの指定された直径内に集束させる、光センサモジュール。
2. 前記非球面エミッタレンズは前記非球面コレクタレンズの直ぐ近くに配置され、前記非球面エミッタレンズの光軸は前記非球面コレクタレンズの光軸に対して平行である、請求項１に記載の光センサモジュール。
3. 前記発光ダイオードダイは前記非球面エミッタレンズに埋め込まれる、請求項１に記載の光センサモジュール。
4. 前記フォトディテクタダイは前記非球面コレクタレンズに埋め込まれる、請求項１に記載の光センサモジュール。
5. 前記非球面エミッタレンズと前記非球面コレクタレンズのうちの少なくとも一方は実質的に楕円形の断面を有する、請求項１に記載の光センサモジュール。
6. 前記発光ダイオードダイに電気駆動信号を供給し、前記フォトディテクタダイによって生成された電気信号を受信する電気回路を更に含む、請求項１に記載の光センサモジュール。
7. ハウジングの中に取り付けられた請求項６に記載の光センサモジュールを含む、バーコードスキャナ。
8. 基板を更に含み、前記発光ダイオードダイ及び前記フォトディテクタダイは前記基板上に取り付けられ、前記エミッタレンズ及び前記コレクタレンズは前記基板上に形成される、請求項１に記載の光センサモジュール。
9. 前記発光ダイオードダイと前記フォトディテクタダイの間に配置された光障壁を更に含み、前記光障壁のサイズは、前記発光ダイオードダイからの光が真っ直ぐな光路に沿って前記フォトディテクタダイに到達することを防止するサイズである、請求項８に記載の光センサモジュール。
10. 前記発光ダイオードダイは赤外線を発する、請求項１に記載の光センサモジュール。
11. 前記発光ダイオードダイは可視光線を発する、請求項１に記載の光センサモジュール。
12. 光センサモジュールの製造方法であって、
    発光ダイオードダイを基板に取り付けるステップと、
    フォトディテクタダイを前記基板に取り付けるステップと、
    前記発光ダイオードダイの上に非球面エミッタレンズを成形し、前記フォトディテクタダイの上に非球面コレクタレンズを成形するステップと
    を含み、前記発光ダイオードダイは前記エミッタレンズの光軸からずらして配置され、前記フォトディテクタダイは前記コレクタレンズの光軸からずらして配置される、光センサモジュールの製造方法。
13. 前記エミッタレンズの光軸は前記コレクタレンズの光軸に対して平行である、請求項１２に記載の製造方法。
14. 前記発光ダイオードダイの上に非球面エミッタレンズを成形し、前記フォトディテクタダイの上に非球面コレクタレンズを成形するステップは、
    転写モールドを有するモールド器具の上に基板を配置するステップと、
    前記モールドに封止材を注入し、前記モールドと前記基板との間を充填するステップと、
    前記封止材をキュアするステップと
    を含む、請求項１２に記載の製造方法。
15. 前記封止材はエポキシである、請求項１４に記載の製造方法。
16. 光センサモジュールの製造方法であって、
    複数の発光ダイオードを基板に取り付けるステップと、
    複数のフォトディテクタのそれぞれを前記複数の発光ダイオードのそれぞれの近くに位置決めし、複数のセンサユニットが形成されるように、複数のフォトディテクタを前記基板に取り付けるステップと、
    前記複数の発光ダイオードのそれぞれの上に非球面エミッタレンズを成形し、前記複数のフォトディテクタのそれぞれの上に非球面コレクタレンズを成形するステップと、
    前記複数のセンサユニットから１つのセンサユニットを分離し、光センサモジュールを形成するステップと
    を含み、各発光ダイオードは、その発光ダイオードの上にある前記非球面エミッタレンズの光軸からずらして配置され、各フォトディテクタは、そのフォトディテクタの上にある前記非球面コレクタレンズの光軸からずらして配置される、製造方法。
17. 前記光センサモジュールの動作を試験するステップを更に含む、請求項１６に記載の製造方法。
18. 表面の光反射率を検出する方法であって、
    発光ダイオードから光を放射するステップと、
    前記発光ダイオードから放射された光を第１の非球面レンズを使用して集束させ、前記表面を照らすステップと、
    前記表面で反射された光の一部を第２の非球面レンズを使用してフォトディテクタに対して集束させるステップと
    を含み、前記発光ダイオードは前記第１の非球面レンズの光軸からずらして配置され、前記フォトディテクタは前記第２の非球面レンズの光軸からずらして配置される、方法。
19. 前記第１の非球面レンズと前記第２の非球面レンズのうちの少なくとも一方は実質的に楕円形の断面を有する、請求項１７に記載の方法。
20. 前記第１の非球面レンズ及び前記第２の非球面レンズを前記表面から所定の距離に配置し、前記発光ダイオードからの光を前記表面に集束させるステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
    

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