JP2946642B2 - コリメートレンズ付led - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はロータリエンコーダ等に用いられるコリメー
トレンズ付LEDに関する。
トレンズ付LEDに関する。
従来、光電式ロータリエンコーダ等の光源に用いられ
るコリメートレンズ付LEDとして、例えば特開昭62−139
367号公報に記載されたLEDがある。
るコリメートレンズ付LEDとして、例えば特開昭62−139
367号公報に記載されたLEDがある。
第4図は、その断面図である。コリメートレンズはア
クリル製で、レンズ外面Bは楕円の長径を回転軸とする
回転楕円面の一部を形成し、レンズ内面Aは、楕円の焦
点(詳しくは、レンズの頂点から遠い焦点)Fを中心と
する球面である。レンズは、楕円の長径α,短径β,レ
ンズの屈折率nの間に次式 が成立つように形成されている。また、発光チップ2
は、その表面が楕円の焦点Fとほぼ一致するようにステ
ム3に接着され、金線5を介して外部リード4に接続さ
れている。したがって発光チップ2から出射した光は、
レンズの内面Aの球面で屈折せずにレンズに入射し、レ
ンズの外面Bの回転楕円面で屈折して楕円の長径に平行
な光束になる。上記公報の実施例に記載されているレン
ズの寸法はα=4mm,β=3mm,n=1.512で式(2)の関係
を満たしている。楕円の中心から焦点F迄の距離f=α
/n=2.645mmであるので、発光チップ2の表面からステ
ム3の裏面までの長さを1.3mmとすると、レンズの頂点
D、すなわち回転楕円面の頂点からステム3までの距離
Sは4+2.645+1.3=7.945mmである。
クリル製で、レンズ外面Bは楕円の長径を回転軸とする
回転楕円面の一部を形成し、レンズ内面Aは、楕円の焦
点(詳しくは、レンズの頂点から遠い焦点)Fを中心と
する球面である。レンズは、楕円の長径α,短径β,レ
ンズの屈折率nの間に次式 が成立つように形成されている。また、発光チップ2
は、その表面が楕円の焦点Fとほぼ一致するようにステ
ム3に接着され、金線5を介して外部リード4に接続さ
れている。したがって発光チップ2から出射した光は、
レンズの内面Aの球面で屈折せずにレンズに入射し、レ
ンズの外面Bの回転楕円面で屈折して楕円の長径に平行
な光束になる。上記公報の実施例に記載されているレン
ズの寸法はα=4mm,β=3mm,n=1.512で式(2)の関係
を満たしている。楕円の中心から焦点F迄の距離f=α
/n=2.645mmであるので、発光チップ2の表面からステ
ム3の裏面までの長さを1.3mmとすると、レンズの頂点
D、すなわち回転楕円面の頂点からステム3までの距離
Sは4+2.645+1.3=7.945mmである。
光電式ロータリエンコーダにおいては、光源用のコリ
メートレンズ付LED(以下、LEDと記す)は、その光軸と
ロータリエンコーダのシャフトとが平行になるようロー
タリエンコーダに取付けられる場合が多く、LEDの光軸
方向の寸法がロータリエンコーダのシャフト方向寸法に
影響する。このため、LEDの光軸方向の長さを短縮する
必要があるけれど、そのためには、該長さの大部分を占
めるレンズの長さを短縮しなければならない。しかし、
式(2)から明らかなように、楕円の縦横寸法の比は、
レンズの屈折率によって定まるので、第4図の従来例で
LEDの光軸方向の寸法を短くするためにはレンズを全体
的に縮小しなければならない。
メートレンズ付LED(以下、LEDと記す)は、その光軸と
ロータリエンコーダのシャフトとが平行になるようロー
タリエンコーダに取付けられる場合が多く、LEDの光軸
方向の寸法がロータリエンコーダのシャフト方向寸法に
影響する。このため、LEDの光軸方向の長さを短縮する
必要があるけれど、そのためには、該長さの大部分を占
めるレンズの長さを短縮しなければならない。しかし、
式(2)から明らかなように、楕円の縦横寸法の比は、
レンズの屈折率によって定まるので、第4図の従来例で
LEDの光軸方向の寸法を短くするためにはレンズを全体
的に縮小しなければならない。
一方、レンズを全体的に縮小すると楕円の短径もその
まま縮小され、平行光が得られる有効照射面積が小さく
なってしまうという問題点がある。
まま縮小され、平行光が得られる有効照射面積が小さく
なってしまうという問題点がある。
本発明の目的は、楕円の寸法を縮小せず、すなわち、
平行光が得られる有効照射面積を小さくせずに光軸方向
の寸法のみを短縮したコリメートレンズ付LEDを提供す
ることにある。
平行光が得られる有効照射面積を小さくせずに光軸方向
の寸法のみを短縮したコリメートレンズ付LEDを提供す
ることにある。
本発明のコリメートレンズ付LEDは、 楕円の長径を含む直線を光軸とし、該長径の一端を頂
点とし、前記楕円の長径のまわりの回転楕円面の一部を
外面とするレンズをコリメートレンズとして備えるコリ
メートレンズ付LEDにおいて、 前記楕円の、前記頂点から遠い焦点を極として該焦点
から前記頂点へ向く半直線を始線とする極座標を(r,
θ)とし、レンズの屈折率をn、前記焦点と前記光軸上
の所定の点との間の距離をaとするとき、 前記レンズは、次式 で表わされる内面を有し、LED光源は前記所定の点に位
置決めされる。
点とし、前記楕円の長径のまわりの回転楕円面の一部を
外面とするレンズをコリメートレンズとして備えるコリ
メートレンズ付LEDにおいて、 前記楕円の、前記頂点から遠い焦点を極として該焦点
から前記頂点へ向く半直線を始線とする極座標を(r,
θ)とし、レンズの屈折率をn、前記焦点と前記光軸上
の所定の点との間の距離をaとするとき、 前記レンズは、次式 で表わされる内面を有し、LED光源は前記所定の点に位
置決めされる。
本発明のコリメートレンズ付LEDにおいては、(1)
レンズの有効照射面積を小さくせずに光軸方向の長さを
縮小するために光源をレンズに近づけ、(2)レンズか
ら出射する光線をコリメートするために、光源の虚像が
楕円の焦点に位置するように、レンズの内面の形状を設
計する。
レンズの有効照射面積を小さくせずに光軸方向の長さを
縮小するために光源をレンズに近づけ、(2)レンズか
ら出射する光線をコリメートするために、光源の虚像が
楕円の焦点に位置するように、レンズの内面の形状を設
計する。
第3図は本発明の原理の説明図である。
いま、焦点Fを極とし、焦点Fからレンズの頂点へ向
く半直線Fxを始線とする極座標(r,θ)によって内面A
の方程式を次式で表わす。
く半直線Fxを始線とする極座標(r,θ)によって内面A
の方程式を次式で表わす。
r=h(θ) (3) また、光源は光軸上の、焦点Fに対してレンズ側(第
3図では焦点Fの右側)の点Qに置かれるものとし、さ
らに、第3図中、記号N,Rはそれぞれ内面Aの面法線お
よび屈折光の向きを示す単位ベクトルとする。
3図では焦点Fの右側)の点Qに置かれるものとし、さ
らに、第3図中、記号N,Rはそれぞれ内面Aの面法線お
よび屈折光の向きを示す単位ベクトルとする。
点Qにある光源の虚像が焦点Fにできるためには、点
Qを出射して内面A上の任意の点PでR方向に屈折した
光の光路を逆向きに延長すると、その延長線(以下、仮
想光路と記す)が焦点Fを通過しなければならない。以
下、この要件を虚光源要件と記す。したがって、式
(3)の関数形h(θ)は虚光源要件が満たされるよう
に定められなければならない。
Qを出射して内面A上の任意の点PでR方向に屈折した
光の光路を逆向きに延長すると、その延長線(以下、仮
想光路と記す)が焦点Fを通過しなければならない。以
下、この要件を虚光源要件と記す。したがって、式
(3)の関数形h(θ)は虚光源要件が満たされるよう
に定められなければならない。
点Qから点Pに入射した光の入射角および屈折角をそ
れぞれθ1,θ2とすると、スネルの法則によって、次式
を得る。
れぞれθ1,θ2とすると、スネルの法則によって、次式
を得る。
sinθ1=n sinθ2 (4) 仮想光路は焦点Fを通るので、次式を得る。
したがって、 ここでh=h(θ),H≡dh/dθである。
いま、FQ=a,角FPQ≡θ3とおき、△FPQに正弦法則を
適用すると、 を得る。したがって、次式 sinθ1=sin(θ2+θ3) =sin θ2 cos θ3+cos θ2 sin θ3 …(11) の右辺に式(6),(7),(9),(10)を代入する
と、 を得る。
適用すると、 を得る。したがって、次式 sinθ1=sin(θ2+θ3) =sin θ2 cos θ3+cos θ2 sin θ3 …(11) の右辺に式(6),(7),(9),(10)を代入する
と、 を得る。
式(6)と式(12)によって式(4)のスネルの法則
を表わし、さらにH=dh/dθについて解くと次の微分方
程式を得る。
を表わし、さらにH=dh/dθについて解くと次の微分方
程式を得る。
レンズの内面Aは、式(13)にルンゲ・クツタ法を適
用して求めることができる。
用して求めることができる。
したがって、点Qにおかれた光源から出射した光は、
内面Aで屈折してあたかも焦点Fから出射した光線が内
面Aで屈折しないで進行した場合と同様な光路をとる。
その結果、レンズから出た光線は光軸に平行な光束にな
る。したがって点Qはレンズの焦点F′と一致する。
内面Aで屈折してあたかも焦点Fから出射した光線が内
面Aで屈折しないで進行した場合と同様な光路をとる。
その結果、レンズから出た光線は光軸に平行な光束にな
る。したがって点Qはレンズの焦点F′と一致する。
このようにして、レンズの焦点F′が楕円の焦点Fよ
りもレンズの近くに位置するように内面Aを設計し、そ
の焦点F′の位置Qに光源を置くことにより、LEDの光
軸方向の寸法を縮小することができる。
りもレンズの近くに位置するように内面Aを設計し、そ
の焦点F′の位置Qに光源を置くことにより、LEDの光
軸方向の寸法を縮小することができる。
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
る。
第1図は本発明のコリメートレンズ付LEDの一実施例
の断面図、第2図は第1図のLEDの近軸光線の光路を示
す図である。
の断面図、第2図は第1図のLEDの近軸光線の光路を示
す図である。
本実施例においては、レンズ1はアクリル製でレンズ
本体11とレンズ支持部12とから成っている。楕円の長径
α,短径β,レンズの屈折率nは前述の従来例と同じで
α=4mm,β=3mm,n=1.512である。ステム3も前述の従
来技術と同じものを用いている。ステム3の上に置かれ
た発光チップ2の表面は、レンズ本体の外面Bが形成す
る楕円の焦点Fよりレンズ側に距離a=1mmだけ寄った
光軸上の点Qにある。以下、距離aを短縮距離と記す。
本体11とレンズ支持部12とから成っている。楕円の長径
α,短径β,レンズの屈折率nは前述の従来例と同じで
α=4mm,β=3mm,n=1.512である。ステム3も前述の従
来技術と同じものを用いている。ステム3の上に置かれ
た発光チップ2の表面は、レンズ本体の外面Bが形成す
る楕円の焦点Fよりレンズ側に距離a=1mmだけ寄った
光軸上の点Qにある。以下、距離aを短縮距離と記す。
レンズ本体の内面Aは式(13)の微分方程式で表わさ
れる曲面である。本実施例においては、微分方程式(1
3)の解を求めるための境界条件を次のように設定す
る。
れる曲面である。本実施例においては、微分方程式(1
3)の解を求めるための境界条件を次のように設定す
る。
式(14)は内面Aが光軸(θ=0)に垂直に交わるた
めの条件である。式(15)は、点Qから出射された近軸
光線が焦点Fに虚像を結ぶための条件である(第2図参
照)。
めの条件である。式(15)は、点Qから出射された近軸
光線が焦点Fに虚像を結ぶための条件である(第2図参
照)。
式(14),(15)を境界条件として式(13)の微分方
程式を解いて得られる曲面Aを用いれば、楕円の焦点F
からレンズ側に短縮距離a=1.0mmだけ寄ったところに
このレンズの焦点F′が出来る。この焦点F′の位置Q
に発光チップの表面が位置決めされるようにレンズ支持
部12の寸法が決めてあるので、楕円の頂点Dからステム
3の裏面までの寸法Lは7.945−1.0=6.945mmである。
程式を解いて得られる曲面Aを用いれば、楕円の焦点F
からレンズ側に短縮距離a=1.0mmだけ寄ったところに
このレンズの焦点F′が出来る。この焦点F′の位置Q
に発光チップの表面が位置決めされるようにレンズ支持
部12の寸法が決めてあるので、楕円の頂点Dからステム
3の裏面までの寸法Lは7.945−1.0=6.945mmである。
なお、短縮距離aの値は自由に決めることができる
が、あまり大きくすると、微分方程式(13)による曲面
が楕円と交わってしまう。そこで、本実施例では、この
曲面が楕円と交わらないようにa=1.0mmとした。
が、あまり大きくすると、微分方程式(13)による曲面
が楕円と交わってしまう。そこで、本実施例では、この
曲面が楕円と交わらないようにa=1.0mmとした。
以上説明したように本発明は、光源の位置をレンズに
近付けても光源の虚像の位置が楕円の焦点と一致するよ
うに、レンズの内面を設計することにより、楕円の寸法
を変えずに、すなわち平行光が得られる有効照射面積を
狭くせずに、LEDの光軸方向の寸法のみを短縮すること
ができ、その結果、LEDが取付けられる機器の寸法を小
さくすることができる効果がある。
近付けても光源の虚像の位置が楕円の焦点と一致するよ
うに、レンズの内面を設計することにより、楕円の寸法
を変えずに、すなわち平行光が得られる有効照射面積を
狭くせずに、LEDの光軸方向の寸法のみを短縮すること
ができ、その結果、LEDが取付けられる機器の寸法を小
さくすることができる効果がある。
第1図は本発明のコリメートレンズ付LEDの一実施例の
断面図、第2図は第1図のLEDの近軸光線の光路を示す
図、第3図は本発明の原理の説明図、第4図はコリメー
トレンズ付LEDの従来例の断面図である。 1……レンズ、 2……発光チップ、 3……ステム、 4……外部リード、 5……金線、 11……レンズ本体、 12……レンズ支持部。
断面図、第2図は第1図のLEDの近軸光線の光路を示す
図、第3図は本発明の原理の説明図、第4図はコリメー
トレンズ付LEDの従来例の断面図である。 1……レンズ、 2……発光チップ、 3……ステム、 4……外部リード、 5……金線、 11……レンズ本体、 12……レンズ支持部。
Claims (1)
- 【請求項1】楕円の長径を含む直線を光軸とし、該長径
の一端を頂点とし、前記楕円の長径のまわりの回転楕円
面の一部を外面とするレンズをコリメートレンズとして
備えるコリメートレンズ付LEDにおいて、 前記楕円の焦点のうち、前記頂点から遠い焦点を極とし
て該焦点から前記頂点へ向く半直線を始線とする極座標
を(r,θ)とし、レンズの屈折率をn、前記焦点と前記
光軸上の所定の点との間の距離をaとするとき、 前記レンズは、次式 で表わされる内面を有し、LED光源は前記所定の点に位
置決めされることを特徴とするコリメートレンズ付LE
D。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2139937A JP2946642B2 (ja) | 1990-05-31 | 1990-05-31 | コリメートレンズ付led |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2139937A JP2946642B2 (ja) | 1990-05-31 | 1990-05-31 | コリメートレンズ付led |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0499074A JPH0499074A (ja) | 1992-03-31 |
JP2946642B2 true JP2946642B2 (ja) | 1999-09-06 |
Family
ID=15257146
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2139937A Expired - Fee Related JP2946642B2 (ja) | 1990-05-31 | 1990-05-31 | コリメートレンズ付led |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2946642B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06148406A (ja) * | 1992-11-02 | 1994-05-27 | Micro Eng Kk | 非球面メニスカスレンズ |
JPH07301704A (ja) * | 1994-05-02 | 1995-11-14 | Stanley Electric Co Ltd | 平行光線を出入射する曲面光学素子 |
KR100990640B1 (ko) * | 2008-05-29 | 2010-10-29 | 삼성엘이디 주식회사 | 확산렌즈 및 확산렌즈를 이용한 발광소자 조립체 |
-
1990
- 1990-05-31 JP JP2139937A patent/JP2946642B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0499074A (ja) | 1992-03-31 |
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