JPH0287686A

JPH0287686A - 光電子装置

Info

Publication number: JPH0287686A
Application number: JP63240425A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sasayama; 佐々山　厚; Tomohiko Takenaka; 智彦竹中; Yoichi Yasuda; 洋一安田; Toshiro Yamada; 山田　敏郎
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Tohbu Semiconductor Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Renesas Eastern Japan Semiconductor Inc
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1990-03-28

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はパッケージの一部に光透過用のレンズを取り付
けた光電子装置に係わり、特に収差が問題となる発光素
子および受光素子等の光素子を組み込んだ光電子装置に
関する。

（従来の技術）発光ダイオードは、センサーや光通信用の発光源として
、広く使用されている。

発光ダイオード素子をパッケージ内に組み込んだ発光ダ
イオード装置（光電子装置）にあっては、パッケージを
構成するキャップに設けられた光透過窓部分には、平板
状のガラスあるいはレンズが取り付けられている。後者
のレンズの例としては、たとえば、工業調査会発行［電
子材料Ｊ　１９７０年３月号、昭和４５年１１月１日発
行、Ｐ９１〜Ｐ９４に記載されているように、光学マー
クリードセンサの発光源に使用された例がある。この発
光ダイオード装置は、レンズ部分で光を平行光束とし、
この光を集光レンズに進める構造となっている。

また、日立製作所発行、「日立オプトエレクトロニソク
デバイスデータプンク、レーザダイオード・赤外発光ダ
イオード・フォトディテクタ」昭和６１年９月発行、Ｐ
２１１には、エンコーダおよびセンサー光源用の０．８
μｍ帯赤外発光ダイオードについて記載されている。こ
の赤外発光ダイオードにあっては、パッケージの内側の
レンズ面および外側のレンズ面は共に球面となっている
。

〔発明が解決しようとする問題点］上記のように、球状レンズを用いてパッケージ内部の発
光ダイオード素子（発光ダイオードチップ）から発光さ
れた光を平行光束とする構造は、エンコーダおよびセン
サ用の光源として広く使用されている。

一方、光学式エンコーダはより高性能化が要求されてい
る。

前記エンコーダの高性能化を達成するためには、収差の
ない高出力の発光ダイオード装置が必要であることが本
発明者によってあきらかにされた。

すなわち、第８図に示されるように、光学式エンコーダ
にあっては、発光ダイオード装置１から発光された光２
を回転円板３に照射する。この回転円板３には、部分的
に所定数のスリット４が設けられていることから、この
−群のスリット４に光２が当たると、スリット４内に入
り込んだ光２は回転円板３を透過する。また、前記回転
円板３の後側には、固定板５が設けられている。この固
定板５にも、前記スリット４に対応するようにスリント
ロが設けられている。そして、前記回転円板３のスリッ
ト４と固定手圧５のスリット６とが一致した際、光２は
回転円板３と固定板５を透過し、ディテクター７で捕ら
えられる構造となっている。

前記光２は、発光ダイオード装置１のレンズ８が球面と
なっていることから、光２は第８図では示されていない
が、平行光９で構成されるような平行光束１０となって
いる。

ここで、従来の発光ダイオード装置１の構造について、
第９図を参照して簡単に説明する。発光ダイオード装置
１は、成形された金属板からなるステム１５の主面中央
の台座１６上にサブマウント１７を介して発光面がドー
ム状となった発光ダイオードチップ１８が固定されてい
る。前記サブマウント１７は、前記ステム１５上に半田
等を介して固定されている。また、ステム１５にはガラ
ス等を介して２木のり一ド１９が絶縁的に貫通固定され
ている。２本のり一ドＩ９は前記サブマウント１７の主
面に設けられた図示しない配線層と電気的に接続されて
いる。また、前記、発光ダイオードチップ１８は、図示
しない平坦な主面にアノード電極およびカソード電極を
存していて、これらアノード電極およびカソード電極を
介してサブマウント１７の配線層にそれぞれ電気的に固
定されている。また、リード１９の上端とサブマウント
１７の配線層はワイヤ２０で接続されている。

したがって、一対のり一ド１９に所定の電圧を印加する
と、発光ダイオードチップ１日のドーム面から光２を発
光する。

また、前記ステム１５の主面には金属製の筒状のキャッ
プ２１がステム１５に気密的に固定されている。また、
キャップ２１の上部には、光透過のために透明体となる
レンズ８が取り付けられている。この構造のレンズ８に
あっては、ステム１５とキャンプ２１で形成されるパッ
ケージ２５の内側のレンズ内側面２２およびレンズ外側
面２３はともに所定の曲率をもつ球面をなしている。そ
して、前記レンズ８の外側面は、発光ダイオードチップ
１日から発光された光２を平行光９としてパッケージ２
５外に放出するようになっている。

一方、近年、光学式エンコーダの高性能化に伴って、よ
り厳密な平行光束が要求されるようになってきた。すな
わち、第１０図に示されるように、エンコーダの回転円
板３や固定板５に設けられるスリット４．６の幅ａ、　
　ｂは、たとえば５０μｍと極めて狭くなっている。ま
た、前記回転円板３と固定板５の間隔Ｗは０．１ｍｍと
大きい、前記間隔Ｗが大きい理由は、回転円板３と固定
板５のゆがみ等を考慮しなければならないからである。

このようにエンコーダの検出パターンが微細化されると
、第１０図の二点鎖線で示すような散乱光１１が存在し
た場合、固定板５に対して回転円板３が光を遮蔽する状
態であっても前記散乱光１１が固定板５のスリット６内
に入り込んでディテクター７に光が到達したり、あるい
はこのような散乱光１１のために像が不明瞭となって検
出値がバラツキ、信転性が低くなる。

ところで、前述のようにレンズ８のレンズ外側面２３を
半球面として平行光束１０を作り出す発光ダイオード装
置にあっては、第９図に示されるように、レンズ８のレ
ンズ外側面２３の外周部では非平行光２４が発光される
ことが本発明者等によってあきらかにされた。この非平
行光２４は微量であることから、従来のエンコーダでは
特に支障を来していなかった。そして、従来はこのよう
にエンコーダの光源としての発光ダイオード装置におい
て、収差については配慮がなされていなかった。

しかし、エンコーダの高性能化に対処するには、発光ダ
イオード装置１はそのレンズ８から発光される光２の全
てを平行光９とする必要がある。

本発明の目的は、−点から発光された光を平行光束にあ
るいは平行光束を一点に集光できるレンズを有する光電
子装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであ
ろう。

〔問題点を解決するための手段］本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明の光電子装置は、パッケージ内に発光
ダイオードチップを内蔵しているとともに、このパッケ
ージの一部には発光ダイオードチップから発光された光
をパッケージ外に案内するレンズが取り付けられている
。このレンズは前記発光ダイオードチップに対面するレ
ンズ内側面が光軸に垂直となる平坦面となっている。ま
た、レンズ外側面はレンズから発光される光の全てが相
互に平行光となるような非球面となっている。

〔作用〕

上記した手段によれば、本発明の光電子装置にあっては
、パッケージ内の発光ダイオードチップに対面するレン
ズのレンズ内側面は光軸と垂直となる平坦面となってい
るとともに、レンズ外側面はレンズから発光された光を
いずれも平行光とするような曲率を有する非球面となっ
ているため、レンズから発光された光はレンズの周辺部
分の光をも含めて平行光となり平行光束が得られる。し
たがって、スリット幅が小さくスリット間隔が大きい。

換言するならば、スリット幅／スリット間隔が小さい高
性能の光学式エンコーダの発光源としても使用できる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の一実施例について説明する
。

第１図は本発明の一実施例による発光ダイオードチップ
を組み込んだ光電子装置を示す断面図、第２図は第１図
のレンズの座標系を示す模式図、第３図は同じく本発明
の光電子装置を光学式エンコーダの発光源として使用し
た場合の平行光束検出状態を示す模式図である。

この実施例の光電子装置は発光ダイオードチップ、たと
えば、近赤外発光ダイオードチップを内蔵する構造とな
っている。この光電子装置、すなわち、発光ダイオード
装置は第１図に示されるような構造となっている０発光
ダイオード装置１は、成形された金属板からなるステム
１５の主面中央の台座１６上に矩形体からなる発光ダイ
オードチンプ１８が固定されている。また、ステム１５
には２本のリード１９が固定されている。１本のリード
１９はガラス等を介して絶縁的に貫通状態でステム１５
に固定されている。また、他のリード１９はステム１５
に直接固定されてステム１５に電気的にも接続されてい
る。前記ステム１５は前記発光ダイオードチップ１８の
下部電極と電気的に接続されている。また、前記発光ダ
イオードチップ１８の図示しない上部電極と、台座１６
上に突出するリード１９とはワイヤ２０を介して電気的
に接続されている。したがって、一対のリード１９に所
定の電圧を印加すると、発光ダイオードチップ１８の上
面の平坦面から光２を発光する。

発光ダイオードチップ１８は、−ｍに光２の放射角度は
６０度〜１６０度程度となっている。本発明では、放射
角度が１６０度程度と広いものであっても、パッケージ
外に平行光束１０として取り出せる発光ダイオード装置
１を提供するものである。

一方、前記ステム１５の主面には金属製筒状のキャップ
２１が取付けられている。このキャップ２１は下端にフ
ランジ２６を有する構造となっていて、フランジ２６を
介してステム１５に気密的に固定されている。そして、
このステム１５とキャップ２１とによって気密性のパッ
ケージ２５が形成される。このキャップ２１の上部には
、光透過のために透明体となるレンズ８が取り付けられ
ている。前記レンズ８の発光ダイオードチップ１８に対
面するレンズ内側面２２は、光軸２７に垂直となる平坦
面２８となっている。また、前記パッケージ２５の外側
に露出するレンズ８のレンズ外側面２３は非球面２９と
なっている。前記平坦面２８の直径は略４ｍｍとなると
ともに、平坦面２８は発光ダイオードチップ１８に約２
．５ｍｍと近接していることから、発光ダイオードチッ
プ１８から発光された光２は略全てレンズ８内に取り込
まれる。

また、前記発光ダイオードチップ１日の発光点とキャッ
プ２１の上端内周縁とを結ぶ線３０よりも外側に進む周
辺光３１は、第１図に示されるように前記平坦面２８で
屈折されるため、レンズ８内において前記周辺光３１は
線３０を横切って線３０の内側に入り込み、レンズ８の
レンズ外側面２３からパッケージ２５外に放出される。

また、前記レンズ外側面２３は非球面２９となっていて
、レンズ外側面２３の光軸２７部分を含む前面レンズ面
部分は勿論のこととして、前述のように周辺光３１が発
光されるレンズ外側面２３の周縁部分のレンズ面におい
ても、レンズ外側面２３から発光される光２は同図に示
されるように平行光９となり、相互に平行光束１０を構
成している。この非球面２９は略放物線状の面に返信し
た面となっている。

そして、たとえば、非球面２９は、第２図に示される発
光ダイオード装置１における発光ダイオードチップ１の
発光点を原点とするＸＹ座標系において、第１表に示さ
れる座標値によって決まる面を構成している。

第　　１　　表このような発光ダイオード装置ｌにあっては、平行光束
ｌＯが得られる。したがって、光学式エンコーダの発光
源として使用した場合、第３図に示されるように回転円
板３による光遮蔽時、散乱光１１が存在しないことから
、平行光９は固定板５のスリット６が設けられていない
遮蔽部分で確実に遮蔽され、光はディテクター７に届か
ない。

また、回転円板３のスリット４および固定板５のスリッ
ト６を透過した光は、散乱光１１が存在しない平行光束
１０であることから、ディテクター７によ）て検出され
る像はぼけることなく鮮明となり、高精度の検出が達成
できる。

この結果、エンコーダの回転円板３や固定板５に設けら
れたスリット４，６の幅ａ、ｂが、たとえば５０Ｉ！ｍ
となりかつ前記回転円板３と固定板５の間隔Ｗが０．１
ｍｍと大きい高性能なエンコーダの光源として充分使用
できることになる。

このような実施例によれば、つぎのような効果が得られ
る。

（１）本発明の光電子装置にあっては、パッケージ内の
発光ダイオードチップから発光された光を発光ダイオー
ドチップに対面するレンズ内側面は、光軸と垂直となる
平坦面となっているとともに、レンズ外側面はレンズか
ら発光された光をいずれも平行光とするような曲率を有
する非球面となっているため、レンズから発光された光
はレンズの周辺部分の光をも含めて平行光となるという
効果が得られる。

（２）上記（１）により、本発明の光電子装置にあって
は、キャップに取り付けられたレンズは非球面となって
いることから、レンズの周辺から発光される光も平行光
束化されるため、光強度が向上するという効果が得られ
る。

（３）本発明の光電子装置・は、前記発光ダイオードチ
ップに対面するレンズのレンズ内側面が光軸と垂直とな
る平坦面となっていることから、前記発光ダイオードチ
ップから発光された周辺部分の光もレンズ内に取り込み
かつレンズから平行光として発光できるため、光出力が
増大するという効果が得られる。

（４）上記（１）により、本発明の光電子装置を光学式
エンコーダの発光源として使用した場合、検出に使用さ
れる光は、平行光束であることから、ディテクターに光
が届かない遮蔽動作時、光は確実に遮蔽されるため誤検
出も起きず、検出精度向上が達成できるという効果が得
られる。

（５）上記（１）により、本発明の光電子装置は、レン
ズから発光される光は完全な平行光束となるため、スリ
ット巾／スリット間隔が極めて小さい高性能な光学式エ
ンコーダの発光源として使用でき、エンコーダの信幀性
も安定するという効果が得られる。

（６）上記（１）〜（５）により、本発明によれば、光
出力が高くかつ平行光束を発光する光電子装置を提供す
ることができるという相乗効果が得られる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない、たとえば、前記実施例の
発光ダイオード装置１にあっては、発光ダイオードチッ
プ１８は矩形体の発光ダイオードチップを用いたが、発
光面が球面（ドーム面）となったドーム状の発光ダイオ
ードチップを組み込んでも前記実施例同様な効果が得ら
れる。

つぎに、前記レンズの形状が異なった各光電子装置の他
の実施例について説明する。これらの光電子装置におい
ては、レンズの直径は前記実施例と路間−となっている
。

第４図は前記実施例構造において、前記レンズ８のレン
ズ内側面２２を半球面３５とした発光ダイオード装置１
である。この構造では前記レンズ内側面２２が半球面３
５となっていることから、たとえば放射角度が１６０度
と広い角度で光２を発光する発光ダイオードチップ１８
にあっても、その光２の全体をレンズ８に取り込みかつ
レンズ８の非球面２９となるレンズ外側面２３から平行
光９として放出することができる。

したがって、この実施例の発光ダイオード装置も高性能
な光学式エンコーダの発光源として使用できる。

第５図はレンズ８のレンズ内側面２２を非球面３６とし
、レンズ外側面２３を光軸２７に垂直となる平坦面３７
とした発光ダイオード装置１の例である。この例では、
レンズ内側面２２は光軸２７から外れるに従って曲率半
径が大きくなる非球面となっていて、発光ダイオードチ
ップ１８から発光された光２のその殆どをレンズ８内に
取り込みかつレンズ外側面２３から発光する光２の全て
を平行光９とするようになっている。

このような実施例の発光ダイオード装置ｌも、高性能な
光学式エンコーダの発光源として使用できる。

第６図はレンズ８のレンズ内側面２２を半球面３．８と
し、かつレンズ外側面２３を非球面３９とした発光ダイ
オード装置１の例である。この例では、発光ダイオード
チップ１８から発光された光２を半球面３８としたレン
ズ内側面２２で全てレンズ８内に取り込みかつ非球面３
９からなるレンズ外側面２３の曲率の作用によってパッ
ケージ２５の外の光軸２７上のＡ点に光２を集光させる
ようになっている。

このような発光ダイオード装置１では、発光ダイオード
チソブ１８から発光された光２を効率的にＡ点に集光さ
せることができるという効果が得られる。

第７図はレンズ８のレンズ内側面２２を非球面４０とす
るとともに、レンズ外側面２３を光軸２７に垂直となる
平坦面４１とし、かつステム１５の台座１６上に受光素
子４２を取り付けた受光装置４３の例である。この受光
装置４３では、平行光束１０をレンズ８の平坦面４１か
らなるレンズ外側面２３で受け、レンズ８内に取り込ん
だ光２をレンズ内側面２２の非球面４０からなるレンズ
内側面２２で屈折させて受光素子４２の開示しない受光
面に集光させるようになっている。

このような受光装置４３では、レンズ８のレンズ内側面
が非球面４０となっていることから、無駄なく光２を受
光素子４２の受光部に集光できるという効果が得られる
。なお、受光装置４３におけるレンズ８はこの実施例に
特定されるものではなく、本発明の思想に基づく構造の
ものならばよイ、シたがって、第１図に示した、レンズ
８が受光装置に適用できることは、いうまでもない。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である光学式エンコーダの
発光源として説明したが、それに限定されるものではな
（、たとえば、光通信用。

医療用等に適用できる。

本発明は少なくとも光の授受を行う技術には適用できる
。

〔発明の効果］本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。

本発明の光電子装置にあっては、パッケージ内の発光ダ
イオードチップから発光された光をパッケージ外に案内
するレンズにおいて、前記発光ダイオードチップに対面
するレンズ内側面は、光軸と垂直となる平坦面となって
いるとともに、前記レンズ外側面がレンズから発光され
た光をいずれも平行光とするような曲率を有する非球面
となっているため、レンズから発光された光はレンズの
周辺部分の光をも含めて平行光となり平行光束が得られ
る。したがって、スリット幅が狭い高性能の光学式エン
コーダの発光源としても使用できる。

また、スリット間隔が大きい光学式エンコーダは高性能
な発光ダイオード（ＬＥＤ）を必要とするが、本発明の
光電子装置はこのような光学式エンコーダの発光源とし
ても充分使用できる。この結果、本発明の光電子装置を
組み込んだ光学式エンコーダの信頼度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による発光ダイオードチップ
を組み込んだ光電子装置を示す断面図、第２図は第１図
のレンズの座標系を示す模式図、第３図は同じく本発明
の光電子装置を光学式エンコーダの発光源として使用し
た場合の平行光束検出状態を示す模式図、第４図は本発明の他の実施例による発光ダイオードチッ
プを組み込んだ光電子装置を示す断面図、第５図は本発
明の他の実施例による発光ダイオードチップを組み込ん
だ光電子装置を示す断面図、第６図は本発明の他の実施
例による発光ダイオードチップを組み込んだ光電子装置
を示す断面図、第７図は本発明の他の実施例による受光
素子を組み込んだ光電子装置を示す断面図、第８図は従来の発光ダイオード装置を光学式エンコーダ
の発光源として使用した例を示す模式図、第９図は同じ
（従来の発光ダイオード装置を示す断面図、第１０図は同じく検出部分での散乱光の状態を示す模式
図である。１・・・発光ダイオード装置、２・・・光、３・・・回
転円板、４・・・スリット、５・・・固定板、６・・・
スリット、７・・・ディテクター８・・・レンズ、９・
・・平行光、１０・・・平行光束、１１・・・散乱光、
１５・・・ステム、１６・・・台座、１７・・・サブマ
ウント、１８・・・発光ダイオードチップ、１９・・・
リード、２０・・・ワイヤ、２１・・・キャップ、２２
・・・レンズ内側面、２３・・・レンズ外側面、２４・
・・非平行光、２５・・・パッケージ、２６・・・フラ
ンジ、２７・・・光軸、２８・・・平坦面、２９・・・
非球面、３０・・・線、３１・・・周辺光、３５．３８
・・・半球面、３６，３９．４０・・・非球面、３７．
４１・・・平坦面、４２・・・受光素子、４３・・・受
光装置。

Claims

【特許請求の範囲】１、一部に光透過用レンズが組み込まれたパッケージと
、このパッケージの内部に配設された光素子とを有し、
前記光素子とパッケージ外部との光の授受は前記レンズ
を介して行われる光電子装置であって、前記レンズのパ
ッケージ内側あるいは外側のどちらか一方のレンズ面は
平坦面または凸曲面となるとともに他方のレンズ面は凸
状の非球面となっていることを特徴とする光電子装置。２、前記パッケージ内には発光ダイオード素子が配設さ
れかつ前記レンズはそのレンズ面が前記パッケージ外に
発光される光の全てが平行光となるような面を構成して
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光電
子装置。