JP4242814B2

JP4242814B2 - 光学素子及びその製造方法

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Publication number: JP4242814B2
Application number: JP2004227818A
Authority: JP
Inventors: 和風邱; 政忠郭; 仁群翁
Original assignee: 光寶科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: JP2006049546A

Description

本発明は、光学素子及びその製造方法に関し、特にこの構造設計及び製造方法による光学素子は、光源及びセンサ素子を備える全てのものに応用することができる結像システムに関する。

一般に、光学システムは、センサ素子、光源および光学レンズなどの素子により構成される。例えば、光学マウスは、光源により発生された光線を物体表面（例えば、卓上やマウスパッドなど）へ照射し、表面の不均等な凹凸を感知し、物体表面の画像をレンズによりセンサ素子上に結像する。マウスが物体表面を移動すると、画像認識技術により画像を素早く取込み、得られた画像を移動度データへ変換する。即ち、ある時間点で取得された画像と次の時間点で取得された画像とを比較することにより画像の移動方向と距離を検知する。

図１は、公知技術である第１の光学システムを示す側面断面図であり、これは特許文献１において開示されている。
光学システム構造１００ａ中の光学システムは、固定ベース１０７ａ上に固定されたＬＥＤ発光源１０６ａを含み、ＬＥＤ発光源１０６ａは固定された入射光の角度を有し、折り曲げられたピン（ＬＥＤ発光源１０６ａのピン）は、プリント配線基板（ＰＣＢ）１１８ａ上に固定される。
さらに重要な素子は、集積回路チップ１２４ａ上に設けられたセンサ１２８ａであり、物体表面から反射された光線はレンズ１２０ａを通り、物体表面の画像をセンサ１２８ａ上に表示する。光線誘導素子１２２ａは、周囲を遮蔽して迷光を遮蔽するとともに、レンズ１２０ａを固定する。

図２は、公知技術である第２の光学システムを示す構造側面図であり、それはヒューレット・パッカード社（ＨＰ）により設計されたＨＤＮＳ−２０００の産品を示す。
そして、図２に示すように、この照射システムにあっては、発光源４４ｂがＬＥＤであり、発光源４４ｂを固定ベース４６ｂ上に固設している。また、レンズセット３０ｂは発光源４４ｂとセンサ１６０ｂとの間に適当な光伝導ルートを形成し、発光源４４ｂにとってこのレンズセット３０ｂは、発光源４４ｂから発射される光線を反射方式により所定角度で物体表面へ照射するように作用する。

センサ１６０ｂは、導電フレーム１７０ｂ上に固定され、射出成型された黒色プラスチックケース１５０ｂ内に設置空間を設けてセンサ１６０ｂを設置する。黒色プラスチックケース１５０ｂは下カバー１８０ｂを覆って、この下カバー１８０ｂには絞りに使用するホール１８１ｂが設けられ、迷光を遮って光学結像の品質を向上させる。
また、組立工程においてセンサ１６０ｂに粉塵粒子が付着しないよう、その表面には一層の透明シリコンゴム１９０ｂが設けられる。物体表面の画像がセンサ１６０ｂの表面に結像されるように、レンズセット３０ｂ上にはレンズ３２ｂが設けられる。プリント配線基板１００ｂは発光源４４ｂを固定すると同時に、導電フレーム１７０ｂによりセンサ１６０ｂを固定する。

公知技術の第１および第２の光学システムにおいて、上記数個の異なる機能を有する素子を光学システムと組合せ、各素子は異なる製造工程により製造されるため、組立工程が繁雑となり時間とコストが多くかかった。
また、各素子の間には異なる誤差があるため、特に発光源１０６ａ、４４ｂを高精度に組立てなければ好適な結像品質を得ることはできなかった。しかし、完成品に存在する公差の組合わせにより、精確な結像品質を得ることは困難であった。

また、公知技術の第２の光学システムのように、適切な光の方向を得るために、レンズセットと光学レンズとの組合せにより構成された光パイプ（Light Pipe）が、連続した光の反射および屈折を発生させるため、反対に光の損失が容易に発生して光効率を向上させることはできなかった。
更に、公知の第２の光学システムのように、下カバー１８０ｂの組合せ工程においては、容易に粉塵粒子が透明シリコンゴム１９０ｂに付着するため、最も軽微で結像品質に影響を与え、最悪の場合には不良品を発生させて、生産コストが増大した。

よって、本発明者は上述の欠点に鑑み、研究に専念して学理を運用し、設計が合理的で上述の欠点を効果的に改善することができる本発明を提供する。
米国特許第４７５１５０５号公報

本発明の第１の目的は、公差が組合わさることを防止して結像品質を向上させる光学素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、レンズの組合わせを減らして光の損失を低下させ、光効率を向上させる光学素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第３の目的は、簡易な封止工程により、光学モジュールの機能を達成する光学素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第４の目的は、簡易な封止工程により、粉塵粒子が付着することを防ぎ、製品収率を向上させて生産コストを低下させる光学素子構造及びその製造方法を提供することにある。

本発明が提供する光学素子は、導電フレームと、前記導電フレームに設けられたセンサ素子と、前記センサ素子を覆い、前記センサ素子に対応する位置に開口が設けられた絞り素子と、前記導電フレームに設けられた発光素子と、前記発光素子を封止し、透明を呈して前記導電フレーム上に一体成形され、前記発光素子に対応する位置に円突部が突設され、前記円突部により前記発光素子の光を集光する第一の保護素子と、前記絞り素子を封止し、透明を呈して前記導電フレーム上に一体成形され、前記開口に対応する位置に凸弧部が突設され、前記凸弧部により結像を行う第二の保護素子と、を備えることを特徴としている。

本発明が提供する光学素子の製造方法は、発光素子およびセンサ素子を導電フレーム上へ固定して配線するステップと、開口を有する絞り素子を前記導電フレーム上へ結合して前記開口を前記センサ素子へ対応させるステップと、前記発光素子および前記絞り素子を封止して前記導電フレーム上に一体成形するとともに、前記開口および前記発光素子に対応する位置に、結像を行う凸弧部および前記発光素子の光を集光する円突部が突設された、透明な保護素子を形成するステップと、を含むことを特徴としている。

上記をまとめると、本発明の光学素子及び光学素子の製造方法は、次のような長所を有する。
（１）発光素子およびセンサ素子を導電フレーム上に一体成形した後、封止技術を利用して光学モジュールに形成することにより組立工程が省略され、公差が組合わさることを防止して結像品質を向上することができる。
（２）導電フレームを折り曲げて発光素子を所定角度にすることにより、レンズの組合わせが光パイプとなって光が損失されることを防ぎ、光効率を向上させる。
（３）封止技術を利用して光学モジュールにすることにより、別に組立ててカバーするときに粉塵粒子が付着されることを防ぎ、産品収率を向上させて、生産コストを下げる。
（４）生産コストを下げ、製造技術を簡便にし、封止技術を使用することにより、本発明の光学素子のサイズを縮小し、応用できる層面を大幅に拡大する。

図３は、本実施例の光学素子の構造を示す側面断面図であり、図４は本実施例の光学素子の構造を示す斜視図である。
それらの図によると、光学素子構造は、導電フレーム１２５と、導電フレーム１２５に設けられたセンサ素子１３３と、センサ素子１３３を覆う絞り素子１４０と、導電フレーム１２５に設けられた発光素子１３６と、導電フレーム１２５上に一体成形された発光素子１３６および絞り素子１４０を封止する第一、第二の保護素子１５５とを備える。

前記絞り素子１４０には、光の結像品質を向上させるため、センサ素子１３３に対応する位置に開口（Aperture）１４２が設けられている。そして、前記発光素子１３６は被照射物体の表面へ光源を提供し、センサ素子１３３を用いて被照射物体の表面画像を検知するようになされている。
前記保護素子１５５は透明であり、開口１４２に対応する位置に形成された凸弧部１５６と一体に成形されて、センサ素子１３３を保護している。
また、発光素子１３６に対応する位置に形成された円突部１５７は保護素子１５５であり、前記センサ素子１３３の保護素子１５５と同時に成形され、発光素子１３６を保護している。

更に、発光素子１３６から照射された光線を所定の光路に沿わせて、センサ素子１３３まで反射させるため、光路ガイドメカニズム（光路誘導機構）として、発光素子１３６が取り付けられる導電フレーム１２５が折曲可能に構成されている。

次に、その製造ステップを述べる。
ワイヤボンディングによりセンサ素子１３３を導電フレーム１２５に接続する。このセンサ素子１３３は相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ：Complementary Metal-Oxide Semiconductor）、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）、電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）またはフォトマルチプライヤ（ＰＭ：Photo Multiplier）などのチップである。
同様に、発光素子１３６を導電フレーム１２５上に設ける。この発光素子１３６は発光ダイオードまたはレーザダイオードのチップで、その発光波長は４００〜１０００ｎｍであり、ワイヤボンディングにより電気的接続がなされる。

また、絞り素子の技術を取り入れて絞り素子１４０と導電フレーム１２５とを結合する。図５に示すように、絞り素子１４０は、埋込み式或いは粘着式により導電フレーム１２５上へ固定される。
図５に基づいて説明すると、先ずセンサ素子１３３を導電フレーム１２５上へ固定してから、ワイヤボンディングによりセンサ素子１３３を導電フレーム１２５に接続し、絞り素子１４０を導電フレーム１２５上に固定する。これは全体で一つの素子として見ることができ、後述する保護素子により全体が封止される。なお、絞り素子１４０は金属または耐高温プラスチック材料により製造される。

なお、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、絞り素子１４０を折り曲げ可能な導電フレーム１２５に一体に形成し、絞り素子１４０を導電フレーム１２５から折曲げることによって、絞り素子１４０を形成してもよい。また、絞り素子１４０は導電フレーム１２５と同様、金属材料により製造されてもよい。

この絞り素子１４０には、センサ素子１３３を覆うとともにセンサ素子１３３に対応する位置に開口１４２が設けられているが、その目的はセンサ素子１３３に代わって不必要な迷光を遮断することにある。

また、保護素子１５５は、エポキシ（Epoxy）樹脂または熱硬化性プラスチックであり、エポキシ樹脂または熱硬化性プラスチックを金型に充填して全ての素子の封止、保護そして固定を行うと同時に、この保護素子１５５である光学レンズに相当する凸弧部１５６および円突部１５７を導電フレーム１２５に対して一体的に成形する。
特に注意が必要な従来技術と異なる点は、この実施例の保護素子１５５を導電フレーム１２５に一体成形する方式により、センサ素子１３３および発光素子１３６を保護するという点である。尚、センサ素子１３３および発光素子１３６を保護する保護素子１５５は、第一、第二の保護素子として説明したが、その作用効果からすれば一つの保護素子と見ることができる。

このように、保護素子１５５は同時に保護およびレンズの機能を提供するため、従来技術においてレンズをさらに増やさなければならない工程と、レンズが増えることにより発生する公差が大きくなることを防ぐことができる。この実施形態にあっては、センサ素子１３３の下方には凸弧部１５６が主に結像の目的のために形成され、発光素子１３６の下方には円突部１５７が光線を集中させるために形成されている。

また、図７に示すのは本発明の好適な一実施例による照射システムを示す図である。図７に示されるように、先ず導電フレーム１２５上に碗形の凹部を一つ設け、凹部内には反射面が設けられ、発光素子１３６を凹部内に設ける。
そして、ワイヤボンディングにより発光素子１３６と導電フレーム１２５とを接続し、透明樹脂により形成された円突部１５７により発光素子１３６を保護する。前記円突部１５７の機能は、レンズに相当し、発光素子１３６の発光角度を変えて光線をさらに集中させることができる。また、前記凹部の形成により、発光素子１３６から発射される光線はさらに集中させることができる。

さらに、光学素子はピンの折曲技術により、光路誘導機構として、導電フレーム２５に対して下向きに曲がるように折曲部１２６が、導電フレーム２５に一体に形成されると共に、発光素子１３６は折曲部１２６上に設けられている。
したがって、発光素子１３６を所定角度θに曲げて、発光素子１３６から発射される光線を適当な角度で物体表面へ照射することができる。このように、導電フレーム１２５（折曲部）を所定角度θへ曲げることによって、光路を変更できる。

また、図４、７に示すように、所定角度θは０〜９０度であるが最も好適な角度は６０〜７０度であり、これは発光素子１３６から発射された光源から物体表面または反射面の照射角度を２０〜３０度にする。

このピンを曲げる技術により、発光素子１３６を所定角度θにして、発光素子１３６から発射される光がさらに効率良く物体表面に照射されるようにして、光学システムの効率を向上させる。好適な本実施例は、公知の第２光学システムと較べて光効率が２倍以上に向上する。

なお、保護素子１５５を装着した後、導電フレーム１２５をディップ型（ＤＩＰ）の導電ピンにするか、或いは図４に示すように保護素子１５５を装着した後、導電フレーム１２５を表面実装部品型（ＳＭＤ）の導電ピンにしてもよい。

本発明の光学素子は公差の組合わせを防いで結像品質を向上させることができるため、指紋、虹彩識別などといったより精確な画像識別システムへ応用することができる。
図８に示すのは本発明を応用した実施例であり、この光学マウス２０は同時に二つの光学素子を応用するが、その中の一つは位置情報を読取り、もう一つは指紋を識別する。

位置情報を読取る光学素子は、発光素子１３６が提供する被照射物体３０表面からの光源を利用する。センサ素子１３３は被照射物体３０の表面画像を検知する。保護素子１５５は透明であり、それぞれ凸弧部１５６および円突部１５７を導電フレーム１２５に対して一体形成することにより、センサ素子１３３を保護し、発光素子１３６およびレンズ体を固定する。

また、指紋を識別する光学素子は発光素子１３６’を利用して指４０の表面に光源を提供し、センサ素子１３３’は指４０表面の画像を検知する。保護素子１５５’はセンサ素子１３３’を保護し、発光素子１３６’およびレンズ体を固定する。
二つの光学素子が取得する画像の移動情報は、関連設計と合わせて同時に応用した効果を達成する。本発明は更に、情報家電（ＩＡ：Information Appliance）、電子産品、安全管理システムなどへ運用することができる。

以上述べたことから、本発明は確かに所定の目的と効果を達成することができる。しかし、上述の技術手段は単に本発明の好適な一実施例を示しただけであり、本発明の精神、特徴による修飾や変化は全て特許請求の範囲内に含まれるべきである。

従来技術による、第１の光学システムを示す側面断面図である。従来技術による、第２の光学システムを示す側面断面図である。本発明の好適な一実施例を示す側面断面図である。本発明の好適な一実施例を示す斜視図である。（Ａ）は本発明の結像システムを示す分解斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の結像システムを示す組立斜視図である。（Ａ）は本発明のもう一つの実施例の結像システムを示す分解斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の結像システムを示す組立斜視図である。本発明の照射システムを示す側面断面図である。本発明を複数個応用した実施例を示す側面断面図である。

符号の説明

１２５、１２５’ 導電フレーム、１２６折曲部、１３３、１３３’ センサ素子、１３６、１３６’ 発光素子、１４０、１４０’ 絞り素子、１４２、１４２’ 開口、１５５、１５５’ 保護素子、１５６、１５６’ 凸弧部、１５７、１５７’ 円突部、θ 所定角度、２０光学マウス、３０被照射物体、４０指、１００ａ光学システム構造、１０６ａＬＥＤ発光源、１０７ａ固定ベース、１１８ａプリント配線基板（ＰＣＢ）、１２０ａレンズ、１２２ａ光線誘導素子、１２４ａ集積回路チップ、１２８ａセンサ、４４ｂ発光源、４６ｂ固定ベース、３０ｂレンズセット、３２ｂレンズ、１００ｂプリント配線基板、１５０ｂ黒色プラスチックケース、１６０ｂセンサ、１７０ｂ導電フレーム、１８０ｂ下カバー、１８１ｂホール

Claims

導電フレームと、
前記導電フレームに設けられたセンサ素子と、
前記センサ素子を覆い、前記センサ素子に対応する位置に開口が設けられた絞り素子と、
前記導電フレームに設けられた発光素子と、
前記発光素子を封止し、透明を呈して前記導電フレーム上に一体成形され、前記発光素子に対応する位置に円突部が突設され、前記円突部により前記発光素子の光を集光する第一の保護素子と、
前記絞り素子を封止し、透明を呈して前記導電フレーム上に一体成形され、前記開口に対応する位置に凸弧部が突設され、前記凸弧部により結像を行う第二の保護素子と、
を備えることを特徴とする光学素子。
前記発光素子は、発光ダイオードまたはレーザ発光ダイオードのチップであることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記センサ素子は、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ：Complementary Metal-Oxide Semiconductor）、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）、電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）またはフォトマルチプライヤ（ＰＭ：Photo Multiplier）などのチップであることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記保護素子は、エポキシ（Epoxy）樹脂または熱硬化性プラスチックからなることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記発光素子から発射される光線を所定光路に沿わせて、前記センサ素子まで反射する光路誘導機構を備え、
前記光路誘導機構は、導電フレーム上に所定角度で一体成形されて下向きに曲げられる折曲部であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記所定角度を６０〜７０度にして、前記発光素子が発射する光源から物面または反射面までの投光角度を２０〜３０度にすることを特徴とする請求項５記載の光学素子。
前記光路誘導機構は、光路を変えることができる微構造がその上に形成された導電フレームを備えることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記絞り素子は、前記導電フレームに一体形成され、導電フレームの一部を折り曲げることにより形成されることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記絞り素子は前記導電フレームに組み立てられることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
発光素子およびセンサ素子を導電フレーム上へ固定して配線するステップと、
開口を有する絞り素子を前記導電フレーム上へ結合して前記開口を前記センサ素子へ対応させるステップと、
前記発光素子および前記絞り素子を封止して前記導電フレーム上に一体成形するとともに、前記開口および前記発光素子に対応する位置に、結像を行う凸弧部および前記発光素子の光を集光する円突部が突設された、透明な保護素子を形成するステップと、
を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
更に、保護素子を形成するステップ後、前記導電フレームが露出した導電ピンをディップ型（ＤＩＰ）にすることを特徴とする請求項１０記載の光学素子の製造方法。
更に、保護素子を形成するステップ後、前記導電フレームが露出した表面実装部品型（ＳＭＤ）の導電ピンにすることを特徴とする請求項１０記載の光学素子の製造方法。
前記センサ素子は、ＣＭＯＳ、ＣＣＤ、ＰＤまたはＰＭのチップであることを特徴とする請求項１０記載の光学素子の製造方法。
前記絞り素子は、埋込み式または粘着式により導電フレーム上に固定されることを特徴とする請求項１０記載の光学素子の製造方法。
前記絞り素子は、前記導電フレームに一体形成され、導電フレームの一部を折り曲げることにより形成されることを特徴とする請求項１０記載の光学素子の製造方法。
保護素子を形成するステップにおいて、エポキシ樹脂または熱硬化性プラスチックを金型に充填して全ての素子を封止すると同時に、光学レンズに相当する前記凸弧部および前記円突部を一体成形することを特徴とする請求項１０記載の光学素子の製造方法。
前記導電フレームを折り曲げ、前記発光素子を所定角度にすることを特徴とする請求項１０記載の光学素子の製造方法。
前記所定角度を６０〜７０度にして、前記発光素子から発射される光源から物面または反射面までの投光角度を２０〜３０度にすることを特徴とする請求項１７記載の光学素子の製造方法。