JPH0685314A

JPH0685314A - 光結合装置、光結合アレイ及び光電センサ

Info

Publication number: JPH0685314A
Application number: JP16956693A
Authority: JP
Inventors: Arata Nakamura; 新中村; Norisada Horie; 教禎堀江; 潤一 ▲高▼木; Junichi Takagi; Tsuguji Tanaka; 嗣治田中; Yukinori Kitagawa; 幸範北川
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-06-16
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 1994-03-25

Abstract

(57)【要約】【目的】光学系の収差を補正することにより、発光素
子と光ファイバとの結合効率が高い光結合装置を提供す
る。【構成】発光チップ３を封止した透明樹脂パッケージ
５の光出射側を略半球状に形成し、ここに金属蒸着膜６
を付けて凹面状反射面７とする。また、透明樹脂パッケ
ージ５の反対側の面に光軸中心付近の曲率よりも周辺部
の曲率が小さな集光型非球面レンズ面８を形成する。透
明樹脂パッケージ５の非球面レンズ面８側には空間９を
隔てて光ファイバ２の端面を対向させる。発光チップ３
から出た光は凹面状反射面７で反射し、非球面レンズ面
８を通過してコマ収差を補正された後、空間９を経由し
て光ファイバ２の端面に集光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光結合装置、光結合アレ
イ及び光電センサに関する。具体的にいうと、本発明
は、半導体発光素子や半導体受光素子と光ファイバや自
由空間等とを結合する光結合装置と、その光結合装置を
利用した光結合アレイ及び光電センサに関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】図１は従来例の光結合装置８
１を示す断面図である。この光結合装置８１は、リード
フレーム８２に実装された面発光型のＬＥＤ（発光ダイ
オード）チップ８３を透明樹脂パッケージ８４内に封止
し、この透明樹脂パッケージ８４の上面に光ファイバ８
５の端面を接合させ、ＬＥＤチップ８３から出射された
光を光ファイバ８５の端面から光ファイバ８５内へ導入
するようにしたものである。

【０００３】しかしながら、このような構造において
は、ＬＥＤチップ８３から出射された全光量のうち一部
しか光ファイバ８５内へ導くことができず、ＬＥＤチッ
プ８３と光ファイバ８５との結合効率が低くて１０％に
満たない値しか得ることができなかった。

【０００４】そこで、図２に示すように、モールド用の
透明樹脂パッケージ８４の一部に凹面状反射面８６を設
け、ＬＥＤチップ８３から出射された光線を凹面状反射
面８６で反射させ、光ファイバ８５と接触している端面
に光線を集束させることにより光ファイバ８５との結合
効率を向上させようという試みがある（例えば、特開平
２−４９４７８号公報）。

【０００５】このような光結合装置８７における光線の
挙動を図２に示す。ＬＥＤチップ８３から出た光線は、
透明樹脂パッケージ８４の凹面状反射面８６で反射され
た後、透明樹脂パッケージ８４の端面（すなわち、光フ
ァイバ８５の端面）に向かって集光されるが、透明樹脂
パッケージ８４の端面においては屈折率の高い透明樹脂
パッケージ８４から一旦屈折率が１の空気に向かって射
出されるので、光線は透明樹脂パッケージ８４の端面で
屈折する。その結果、光ファイバ８５のＮＡ値（開口
数）に対応する角度よりも小さい角度で透明樹脂中を進
行した光線しか光ファイバ８５に結合することができな
い。

【０００６】光ファイバ８５に結合される光線の透明樹
脂内部からみた実効開口角θeは、透明樹脂の屈折率を
Ｎ１、透明樹脂と光ファイバ８５の間の媒質の屈折率を
Ｎ２、光ファイバ８５のＮＡ値に対応する開口角を公称
開口角θnとすると、 sinθe＝（Ｎ２／Ｎ１）sinθn …… によって表わされる。したがって、例えば、透明樹脂の
屈折率Ｎ１＝１.５，中間媒質の屈折率Ｎ２＝１，θn＝
３０゜とすると、光ファイバ８５との結合に寄与する光
線角度は公称開口角θn＝３０゜にたいしてθe＝１９.
５゜が限界となる。このため、凹面状反射面８６の角倍
率を小さくしなければ、ＬＥＤチップ８３から出た光線
を光ファイバ８５に結合することができない。しかしな
がら、角倍率＝（１／横倍率）という関係があるので、
角倍率を小さくすることは横倍率を大きくすることにほ
かならず、ＬＥＤチップ８３の中心から発した光は角倍
率を小さくすることで光ファイバ８５に結合させること
が可能となる。ところが、ＬＥＤチップ８３は有限の大
きさをもっているので、横倍率が大きくなる結果、ＬＥ
Ｄチップ８３の周辺から出た光は光ファイバ８５の領域
外に外れて光ファイバ８５と結合することができなくな
る。すなわち、このような構成の光結合装置８７におい
ては、透明樹脂パッケージ８４の端面で光が屈折する結
果、実効開口角θe（光ファイバ８５の直径／ＬＥＤの
チップ径）の値が結合効率の限界を制約し、光の結合効
率が低いという欠点があった。

【０００７】また、封止用の透明樹脂がなく、ＬＥＤチ
ップ８３と凹面状反射面８６のみである場合には、ＬＥ
Ｄチップ８３と光ファイバ８５の間が空間となるので、
透明樹脂端面による光の屈折がなく、実効開口角θe＝
公称開口角θnとなり、ＬＥＤチップ８３と光ファイバ
８５の結合効率が高くなる。例えばＬＥＤチップ８３の
サイズが０.３mm角、パッケージも含めたＬＥＤ素子の
全長が５mm、直径が４mmで、光ファイバ８５のコア径が
１mm、ＮＡ＝０.５の場合には、ＬＥＤチップ８３及び
リードフレーム８２による陰の面積を無視すると、透明
樹脂パッケージ８４に封止されている場合には結合効率
が３８％であるのに対し、全体が空間となっている場合
には結合効率が７６％という計算結果が得られる。

【０００８】しかしながら、ＬＥＤチップ８３と光ファ
イバ８５の端面の間がすべて空間の場合には、ＬＥＤチ
ップ８３の外部量子効率（ＬＥＤチップ８３の活性層で
発光した光のうち外部へ取り出すことができる光の割
合）が低く、透明樹脂充填の場合の約１／２の外部量子
効率となり、結局光ファイバに結合する光パワーは、上
記計算結果にも拘らず、透明樹脂充填の場合とほぼ同様
に小さくなってしまう。また、実用上、空間を有するキ
ャンタイプ等の封止パッケージはコストが高くなるとい
う問題点もある。

【０００９】図３（ａ）（ｂ）はさらに別な従来例の光
結合装置８８を示す（特開平１−２３０２７４号公
報）。この従来例においては、リードフレーム８２の上
に実装したＬＥＤチップ８３を透明樹脂パッケージ８４
内に封止し、透明樹脂パッケージ８４のＬＥＤチップ８
３と対向する面を半球状の凹面状反射面８６とすると共
に光ファイバ８５と対向する面８９を平面としている。
そして、透明樹脂パッケージ８４の端面と光ファイバ８
５の端面との間に空間９０を隔てて配置し、ＬＥＤチッ
プ８３から出た光線を凹面状反射面８６で反射させた
後、透明樹脂パッケージ８４及び空間９０を経由して光
ファイバ８５の端面で集光させ、光ファイバ８５と結合
させるようにしている。

【００１０】図４は、このような構造の光結合装置８８
における光線の挙動を示す。透明樹脂パッケージ８４か
ら空間９０を経由して光ファイバ８５に結合させる場合
は、図４に示すように、透明樹脂パッケージ８４の表面
における光線の屈折は光ファイバ８５の端面から離れた
位置で行われるので、実効開口角θeは公称開口角θnと
等しい。また、透明樹脂パッケージ８４と空間９０の界
面で光線の屈折が起こるので、角倍率は界面がない場合
に比べて少し大きくなる。これら両者の関係がある程度
相殺するが、結合効率としては透明樹脂充填の場合（図
２）と全て空間の場合（透明樹脂がない場合の計算値）
の中間の値となり、前記条件と同一条件では結合効率が
５０％という計算結果が得られる。そして、ＬＥＤチッ
プ８３の外部量子効率が高いので、結局光ファイバ８５
に結合する光パワーとしては図２の従来例の１.３倍と
なる。

【００１１】また、図５は図３の光結合装置８８におい
て、ＬＥＤチップ８３の周辺部から出た光線の挙動を示
す図である。この光結合装置８８は、光線高さの低い光
線（図５の光線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を光ファイバ８５と
結合させようとすると、横倍率を（ファイバコア径）／
（ＬＥＤチップ径）に等しくしたときに最も結合効率が
高くなる。

【００１２】つぎに、光学系の角倍率について考える。
光学において一般的に用いられている角倍率の定義は、
図６に示す物点における光線角度θoと像点における光
線角度θiの各正接の比、すなわち tanθi／tanθo …… である。しかし、この定義によると、光線高さの高い光
線（図４の光線Ｌ６，Ｌ７）の角倍率は非常に小さな値
になってしまう。なぜなら、光線高さが高いということ
は光線角度θoが大きいということであって、式の分
母におけるtanθoが大きくなる結果、式で表わされる
角倍率は小さな値になる。このため、一般的に用いられ
ている角倍率の定義は、光線角度θoの大きな光学系を
考える場合には、必ずしも適当でない。

【００１３】そこで、この明細書（特許請求の範囲を含
む）の全体を通して、角倍率の定義（但し、発光素子を
用いた場合）としては、物点における光線角度θoと像
点における光線角度θiの比、すなわち κ＝θi／θo …… を用いている。この新たな定義によると、図４に示す光
学系においては、光線Ｌ１では光線角度θo＝２９°，
θi＝９°であるので、角倍率κ＝０.３１となり、光線
Ｌ７では光線角度θo＝８０°，θi＝２５°であるの
で、角倍率κ＝０.３１となり、光線Ｌ１とＬ７とでほ
ぼ同じ値の角倍率になる。また、別な従来例としては、
特開平４−２７１７４号公報に開示されたコマ収差の小
さな光学系がある。この従来例においても、角倍率κを
考えると、角度θo＝２０°の光線に対しては光線角度
θi＝５°となるので、その角倍率はκ＝０.２５とな
り、角度θo＝８０°の光線に対しては光線角度θi＝２
０°となるので、その角倍率はκ＝０.２５となり、こ
の従来例においても光線高さにかかわらず角倍率がほぼ
同じ値となる。つまり、これらの従来技術においては、
横倍率を最適に設計した場合に、光線高さの高い光線は
光ファイバ８５の実効開口角θe（＝公称開口角θn）を
超えてしまい光ファイバ８５に結合しなくなるという問
題があった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、光学系の収差を補正することにより、発光素子
と光ファイバ等の光結合対象物などとの結合効率が高い
光結合装置を提供することにある。さらに、その光結合
装置を用いた光結合アレイと光電センサを提供すること
にある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の光結合装
置は、半導体発光素子から出射された光を、当該発光素
子の光出射面側に配置された凹面状反射面によって反射
させた後、当該発光素子の光出射面と反対側に配置され
た光結合対象物に結合させる光結合装置において、光軸
から離れるに従って角倍率が小さくなるように、前記発
光素子の光出射面と反対側に非球面レンズを配置し、空
間を隔てて当該非球面レンズに前記光結合対象物を対向
させたことを特徴としている。

【００１６】前記第１の光結合装置においては、前記非
球面レンズが、表面周辺部の曲率が表面中心部の曲率よ
りも小さい凸レンズであってもよい。あるいは、前記非
球面レンズは、表面周辺部の曲率が表面中心部の曲率よ
りも大きい凹レンズであってもよい。さらに、前記非球
面レンズは、中心断面におけるプロフィールが変曲点を
２個以上有していてもよい。さらに、第１の光結合装置
は、前記半導体発光素子を前記凹面状反射面の光軸上か
らわずかにずらせて配置していてもよい。

【００１７】また、本発明の第２の光結合装置は、半導
体発光素子から出射された光を、当該発光素子の光出射
面側に配置された凹面状反射面によって反射させた後、
当該発光素子の光出射面と反対側の自由空間に結合させ
る光結合装置において、光軸から離れるに従って角倍率
が小さくなるように、前記発光素子の光出射面と反対側
に非球面レンズを配置したことを特徴としている。

【００１８】前記第２の光結合装置においては、前記非
球面レンズが、表面周辺部の曲率が表面中心部の曲率よ
りも小さい凸レンズであってもよい。あるいは、前記非
球面レンズは、表面周辺部の曲率が表面中心部の曲率よ
りも大きい凹レンズであってもよい。さらに、前記非球
面レンズは、中心断面におけるプロフィールが変曲点を
２個以上有していてもよい。さらに、第２の光結合装置
は、前記半導体発光素子を前記凹面状反射面の光軸上か
らわずかにずらせて配置していてもよい。

【００１９】また、上記第１又は第２の光結合装置にお
いては、前記半導体発光素子を取り付けた取付部材の当
該半導体発光素子取付面と反対側の面に第２の半導体発
光素子を配置してもよい。

【００２０】また、本発明の第３の光結合装置は、半導
体受光素子の受光面と反対側に配置された光結合対象物
から出射された光を、当該受光素子の受光面側に配置さ
れた凹面状反射面によって反射させた後、当該受光素子
に結合させる光結合装置において、前記半導体受光素子
の受光面と反対側に、光軸から離れるに従って角倍率が
小さくなるように、前記受光素子の受光面と反対側に非
球面レンズを配置し、空間を隔てて当該非球面レンズに
前記光結合対象物を対向させたことを特徴としている。

【００２１】前記第３の光結合装置においては、前記非
球面レンズが、表面周辺部の曲率が表面中心部の曲率よ
りも小さい凸レンズであってもよい。あるいは、前記非
球面レンズは、表面周辺部の曲率が表面中心部の曲率よ
りも大きい凹レンズであってもよい。さらに、前記非球
面レンズは、中心断面におけるプロフィールが変曲点を
２個以上有していてもよい。

【００２２】本発明の第４の記載の光結合装置は、半導
体受光素子の受光面と反対側の自由空間から入射した光
を、当該受光素子の受光面側に配置された凹面状反射面
によって反射させた後、当該受光素子に結合させる光結
合装置において、前記半導体受光素子の受光面と反対側
に、光軸から離れるに従って角倍率が小さくなるよう
に、前記受光素子の受光面と反対側に非球面レンズを配
置したことを特徴としている。

【００２３】前記第４の光結合装置においては、前記非
球面レンズが、表面周辺部の曲率が表面中心部の曲率よ
りも小さい凸レンズであってもよい。あるいは、前記非
球面レンズは、表面周辺部の曲率が表面中心部の曲率よ
りも大きい凹レンズであってもよい。さらに、前記非球
面レンズは、中心断面におけるプロフィールが変曲点を
２個以上有していてもよい。

【００２４】また、前記第１又は第３の光結合装置にお
いては、光結合対象物として光ファイバを用いることが
できる。

【００２５】また、前記第１〜４の光結合装置において
は、前記半導体発光素子もしくは半導体受光素子が光透
過性部材によって封止されていてもよい。その場合、前
記非球面レンズは、前記光透過性部材によって一体的に
形成することができる。また、前記光透過性部材の前記
凹面状反射面と対向する面の形状を当該凹面状反射面の
形状とほぼ等しくし、当該光透過性部材と当該凹面状反
射面との間にわずかな空間を形成してもよい。あるい
は、前記光透過性部材の表面に反射膜を形成して前記凹
面状反射面としてもよい。

【００２６】また、本発明の光結合アレイは、前記光結
合装置をアレイ状に配置したことを特徴としている。

【００２７】また、本発明の光電センサは、前記光結合
装置もしくは前記光結合アレイを備えていることを特徴
としている。

【００２８】

【作用】本発明の第１の光結合装置にあっては、半導体
発光素子から出た光線を凹面状反射面で反射させ、さら
に非球面レンズによって光軸から離れるに従って角倍率
が小さくなるように光線を屈折させているので、横倍率
を最適に設計した状態で角倍率を小さくすることがで
き、半導体発光素子と光ファイバ等の光結合対象物との
結合効率を向上させることができる。

【００２９】また、受光素子と光ファイバ等の光結合対
象物を光結合する本発明の第３の光結合装置において
も、本発明の第１の光結合装置と同様に、非球面レンズ
によって受光素子チップ側に対する光結合対象物側の角
倍率を小さくすることができ、光ファイバ等の光結合対
象物と受光素子との結合効率を向上させることができ
る。

【００３０】また、本発明の第２の光結合装置にあって
は、半導体発光素子から出た光線を凹面状反射面で反射
させ、さらに非球面レンズによって光軸から離れるに従
って角倍率が小さくなるように光線を屈折させて自由空
間に結合させているので、横倍率を最適に設計した状態
で角倍率を小さくすることができ、発光素子を良好な結
合効率で自由空間と結合させることができる。

【００３１】また、受光素子と自由空間を光結合する本
発明の第４の光結合装置においても、本発明の第２の光
結合装置と同様に、非球面レンズによって受光素子チッ
プ側に対する自由空間側の角倍率を小さくすることがで
き、自由空間と受光素子との結合効率を向上させること
ができる。

【００３２】また、発光素子もしくは受光素子を透明樹
脂に封止してあると、量子効率が高くなるので、より結
合効率が高くなる。

【００３３】

【実施例】図７は本発明の第１の実施例による光結合装
置を示す断面図である。この光結合装置は、発光器１と
光ファイバ２とから構成されている。発光器１において
は、ＬＥＤチップや半導体レーザチップ等の発光チップ
３が一方のリードフレーム４ａにマウントされ、他方の
リードフレーム４ｂとワイヤボンディングされており、
発光チップ３及びリードフレーム４ａ，４ｂは透明樹脂
パッケージ５内に封止されている。発光チップ３の光出
射側と対向する透明樹脂パッケージ５の表面は略半球状
に形成されており、この半球状面の表面には金属蒸着膜
６が形成されており、その内面が凹面状反射面７となっ
ている。また、透明樹脂パッケージ５の凹面状反射面７
と反対側の表面は、光軸中心付近の曲率よりも周辺部の
曲率が小さな集光型非球面レンズ面８となっており、そ
の非球面レンズ面８から空間（空気層）９を隔てて光フ
ァイバ２の端面が配置されている。

【００３４】しかして、発光チップ３から出た光線Ｌ１
〜Ｌ７は、図８に示すように、凹面状反射面７で反射し
た後、光ファイバ２側へ向かい、非球面レンズ面８から
透明樹脂パッケージ５外へ出射し、空間９を経由して光
ファイバ２の端面に集光する。

【００３５】つぎに、この実施例の光線の横倍率と角倍
率について考える。図８は発光チップ３の中心部から出
た光線の挙動を示し、図９は発光チップ３の周辺から出
た光線の挙動を示す。なお、図７に示す透明樹脂パッケ
ージ５の凹面状反射面７と反対側の表面における最外周
縁（平らな表面の部分）はレンズ作用を営む部分ではな
く、非球面レンズ面８の外部領域であるので、図８及び
図９では当該領域を省いている。図９から分かるよう
に、この光学系においては、最も結合効率が高くなるよ
うに、横倍率を（ファイバコア径）／（発光チップ径）
に合わせている。つぎに、角倍率κを考えると、図８の
光線Ｌ１に対しては、光線角度θo＝２９°、θi＝１
３.５°であるから角倍率κ＝０.４６となり、光線Ｌ６
に対しては、光線角度θo＝８０°，θi＝３０°である
から角倍率κ＝０.３７５となり、光線高さの高い光線
における角倍率κが小さくなっている。この結果、横倍
率を最適に合わせながら、光線高さの高い光線も光ファ
イバの実効開口率θe（＝公称開口角θn）以内に納める
ことができ、非常に高い結合効率を得ることができる。

【００３６】上記非球面レンズ面８の非球面（表面）
は、次の式で表わすことができる。ｚ＝(CV・ｒ²)／〔１＋√{１−CV²・(CC＋１)・ｒ²}〕＋AD・ｒ⁴＋AE・ｒ⁶ …… ここで、ｚは光軸方向の距離、ｒは光軸から測った光軸
と垂直な方向（径方向）の距離であって、原点は非球面
レンズ面８の中央にとっている。また、CVは曲率、CCは
２次非球面定数、ADは４次非球面定数、AEは６次非球面
定数と呼ばれる。例えば、２次非球面の場合CCが０なら
ば球面（すなわち非球面ではなくなる）となり、CCが０
から−１の間ならば楕円面となり、−１以下ならば双曲
面となる。２次非球面定数CC、４次非球面定数AD、６次
非球面定数AEは、 CC≦０ −０.１≦AD AE≦０.０１の範囲内の値である。

【００３７】図８及び図９に示したものは、非球面レン
ズ面８のレンズ形状の第１例であり、請求項２，７，１
３及び１７に対応するものである。また、図１０及び図
１１に示すものは別な形状の透明樹脂パッケージ５であ
って、表面周辺部の曲率が表面中心部の曲率よりも大き
な凹レンズ状の非球面レンズ面８を備えている。これは
請求項３，８，１４及び１８に対応する。この図１０は
発光チップ３の中心部から出た光線の光線追跡図であっ
て、図８と同様、およそ１点に集光している。また、図
１１は発光チップ３の周辺から出た光線の光線追跡図で
あり、図９と同様、横倍率を合わせながら、かつ光線高
さの高い光線も光ファイバ２に結合させることができ
る。さらに、図１２及び図１３に示すものはさらに別な
形状の透明樹脂パッケージ５であって、中心断面におけ
るプロフィールが変曲点を２個以上有する非球面レンズ
面８を備えている。これは請求項４，９，１５及び１９
に対応する。この図１２は発光チップ３の中心部から出
た光線の光線追跡図であり、図８と同様、およそ１点に
集光している。また、図１３は発光チップ３の周辺から
出た光線の光線追跡図であり、図９と同様、横倍率を合
わせながら、かつ光線高さの高い光線も光ファイバ２に
結合させることができる。なお、図１０〜図１３に示す
透明樹脂パッケージ５の最外周縁の平らな部分もレンズ
作用を営まない非球面レンズ面８の外部領域である。

【００３８】また、非球面レンズ面８の位置は、凹面状
反射面７の球面中心付近が最も収差補正効果が高く、そ
の結果結合効率が高くなる。また、図７の光結合装置で
は、透明樹脂パッケージ５と非球面レンズ面８とは一体
に形成されているが、透明樹脂パッケージ５と非球面レ
ンズ面８（非球面レンズ）は別部材としてもまったく同
じ効果を期待できることはいうまでもない。

【００３９】また、凹面状反射面７は球面状に形成して
あってもよいが、凹面状反射面７も非球面レンズ面８と
同様上記式で表わされるような非球面にしてあっても
よい。

【００４０】なお、上記実施例では凹面状反射面７を形
成するために金属蒸着膜６を使用しているが、アルミニ
ウムによる金属蒸着面の反射率は、表面反射（空間９と
金属界面の反射）で約９０％、裏面反射（透明樹脂と金
属界面の反射）で約８７％である。そこで、凹面状反射
面７の反射率を高めるため、金属蒸着膜６の下にさらに
誘電体による反射膜を形成したり、全体を誘電体多層膜
による反射率の高い反射面とすると、さらに結合効率を
高めることができる。

【００４１】図１４は本発明の第２の実施例による光結
合装置を示す。この実施例にあっては、非球面レンズ面
８を備えた非球面レンズ１０と凹面状反射面７を備えた
反射部材１１との間の空間１２に発光チップ３が置かれ
ており、発光チップ３から発した光線は空間１２を経由
して凹面状反射面７で反射された後、収差補正用の非球
面レンズ１０を通過して空間９を経由して光ファイバ２
の端面に向かって集光される。

【００４２】この構成によると、発光チップ３の外部量
子効率は低くなるが、第１の実施例と同様に収差補正効
果を得ることができ、特に（光ファイバの直径）／（発
光チップ径）が小さいときに高い結合効率を得ることが
できる。なお、図１４においては反射部材１１側が平面
で光ファイバ２側が凸面となった非球面レンズ１０を示
しているが、両面が凸面でも、反射部材１１側のみが凸
面でもよく、コマ収差補正作用と角倍率補正作用のある
非球面レンズならばどのようなものでも良い。

【００４３】図１５は本発明の第３の実施例による光結
合装置を示す断面図である。この実施例にあっては、発
光チップ３及びリードフレーム４ａ，４ｂを封止してい
る透明樹脂パッケージ５の光出射側に略球面状曲面１３
を形成すると共に光ファイバ２に対向する側を非球面レ
ンズ面８としている。また、反射部材１１に透明樹脂パ
ッケージ５の略球面状曲面１３とほぼ等しい曲率の凹部
１４を設け、凹部１４の内面に金属蒸着膜６を形成して
凹面状反射面７としてある。そして、透明樹脂パッケー
ジ５と凹面状反射面７との間に数１０μｍの小さな空間
１２を隔てて透明樹脂パッケージ５の略球面状曲面１３
の側を反射部材１１の凹部１４内に納めている。

【００４４】透明樹脂パッケージ５の表面に直接金属蒸
着膜６を形成して凹面状反射面７を形成する場合には、
滑らかな鏡面を得にくい。この実施例のように反射部材
１１に凹面状反射面７を形成すれば、部品点数は増える
が、精密射出成形したプラスチック成形品（反射部材１
１）の鏡面部分に金属蒸着して凹面状反射面７を形成す
ることができるので、非常に滑らかな鏡面を得ることが
でき、凹面状反射面７における反射効率を高めて発光チ
ップ３と光ファイバ２との結合効率を高めることができ
る。

【００４５】この実施例においては、透明樹脂パッケー
ジ５の略球面状曲面１３と反射部材１１の凹部１４とを
互いに形状がほぼ等しく、かつ、空間１２の間隙が小さ
くなるようにすることにより、透明樹脂パッケージ５の
略球面状曲面１３の内面でフレネル反射される光も有効
に利用することができる。しかし、この空間１２の間隙
はフレネル反射される光（約５％）をあえて利用しよう
としなければ特に小さくする必要はない。例えば、図１
６に示す第４の実施例のように、透明樹脂パッケージ５
の光出射側の面１５を平面とし、透明樹脂パッケージ５
の光出射側の面１５と凹面状反射面７との間に広い空間
１２を形成してもよい。

【００４６】図１７は本発明の第５の実施例による光結
合装置を示す断面図である。この実施例は、透明樹脂パ
ッケージ５の光出射側の面１５に別体の反射部材１６を
光学接着剤１７によって接着したものである。この反射
部材１６は透明樹脂成形品であって、凸レンズ状に成形
されており、凸曲面側の表面には金属蒸着膜６によって
凹面状反射面７が形成されている。

【００４７】この実施例にあっては、第４の実施例と同
様、精密成形したプラスチック成形品（反射部材１６）
の鏡面部分に金属蒸着膜６を成膜して凹面状反射面７を
形成することができるので、反射効率を高めて結合効率
を向上させることができる。

【００４８】図１８は本発明の第６の実施例による光結
合装置を示す断面図である。この実施例においては、透
明樹脂パッケージ５と別体となった凹型の反射部材１１
に凹部１４を設け、凹部１４の奥面を凹面状反射面７と
すると共に凹部１４の内周壁面をガイド面１８としてあ
り、透明樹脂パッケージ５を反射部材１１の凹部１４内
に挿入すると共にガイド面１８でガイドすることによっ
て透明樹脂パッケージ５を光軸方向に滑らかにスライド
させられるようにしてある。

【００４９】しかして、発光器１の組み立てに際して
は、発光チップ３から光を出射させて光ファイバ２に結
合する光強度をモニターしながら透明樹脂パッケージ５
を位置調整した後、接着剤によって透明樹脂パッケージ
５と反射部材１１を固定する。

【００５０】この実施例によれば、凹面状反射面７の反
射効率を高めて結合効率を向上させることができるのに
加え、組み立て時の調整により常に最高の結合効率を有
する光結合装置を作製できる。

【００５１】図１９は本発明の第７の実施例による光結
合装置を示す断面図である。この実施例においては、リ
ードフレーム４ａにリセス状の微小反射面１９を設け、
その中に発光チップ３を実装している。この微小反射面
１９は発光チップ３の実装位置の周囲を略４５度の角度
に傾斜させてあり、図２０（ａ）（ｂ）に示すように四
角形であってもよく、あるいは、図２１（ａ）（ｂ）に
示すように円形をしていてもよく、これら以外の形状で
あっても差し支えない。このような構成によれば、発光
チップ３の側面から発する光を直接凹面状反射面７の外
周部に当てるのでなく、発光チップ３の側面から出た光
を一旦微小反射面１９で反射させることによって凹面状
反射面７の中心部で反射させることができる。この結
果、一層結合効率が向上すると共に発光チップ３やリー
ドフレーム４の位置ズレに対して強い構成となる。

【００５２】図２２は本発明の第８の実施例を示す断面
図である。この光結合装置においては、光ファイバ２と
発光器１の間の空間９に集光用コーン２０を配置してい
る。この集光用コーン２０は、錐状をした貫通穴２１を
有しており、貫通穴２１の内周面は光反射面２２となっ
ている。しかして、発光器１から光ファイバ２の口径外
へ向けて出射された出射角度の小さな光線を集光用コー
ン２０の光反射面２２で反射させることによって光ファ
イバ２内へ導き、結合させることができる。この構成
は、特に、集光用コーン２０がない状態で最適設計され
た光ファイバ口径よりも小さな口径の光ファイバ２を用
いなければならない場合に、非常に有効となる。すなわ
ち、この集光用コーン２０は脱着自在として複数種類準
備しておき、使用する光ファイバ２の口径に応じて異な
る集光用コーン２０を用いるようにすることが有効であ
る。

【００５３】図２３（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の第９
の実施例による光結合装置を示す水平断面図、垂直断面
図及び発光器１の正面図である。この光結合装置におい
ては、３本のリードフレーム４ａ，４ｂ，４ｃと２個の
発光チップ３ａ，３ｂを備えており、かつ、光軸と垂直
な互いに直交するＸ方向（発光チップ３ａ，３ｂの並ん
でいる方向）及びＹ方向で凹面状反射面７の曲率が異な
っており、２つの発光チップ３ａ，３ｂで発光した光を
光ファイバ２と有効に結合させることができるようにし
ている。また、このように２個の発光チップ３ａ，３ｂ
を用いた構成において、凹面状反射面７だけでなく、非
球面レンズ面８のＸ方向とＹ方向の曲率（あるいは、
式のCV、CC等の定数）を変えることもできる。

【００５４】図２４は本発明の第１０の実施例による光
結合装置を示す。この実施例も２個の発光チップ３ａ、
３ｂを備えており、かつ、凹面状反射面７も各発光チッ
プ３ａ，３ｂに対応させて２面設けてあり、各凹面状反
射面７によって各発光チップ３から出た光をそれぞれ光
ファイバ２と有効に結合できるように配置している。

【００５５】図２３及び図２４の各実施例の光結合装置
においては、２つの発光チップ３ａ，３ｂの発光波長が
同じであれば単に大きな光パワーを光ファイバ２と結合
させることができる光結合装置となり、また、発光波長
が異なれば光ミキサーとなる。なお、発光チップ３ａ，
３ｂや対応する凹面状反射面７の数は２つに限定される
わけではなく、３つ以上の複数とすることもできる。

【００５６】図２５（ａ）（ｂ）は本発明の第１１の実
施例による光結合装置を示す断面図及びその発光器１の
正面図である。この光結合装置は、リードフレームを用
いず、発光チップ３に電力を供給する部材としてガラス
板や透明プラスチック板等の透明プレート２３上に薄膜
によってパターン形成したＩＴＯなどの透明電極２４を
使用している。この実施例のように透明電極２４を使用
すれば、リードフレームのように光線を遮蔽する遮光領
域が存在しなくなるので、結合効率を一層高めることが
できる。

【００５７】図２６は本発明の第１２の実施例による光
結合装置を示す断面図である。この光結合装置にあって
は、一方のリードフレーム４ａの凹面状反射面７と対向
する側の面に第１の発光チップ３ａをマウントし、その
裏面である非球面レンズ面８と対向する側の面に第２の
発光チップ３ｂをマウントし、両発光チップ３ａ，３ｂ
をそれぞれ他方のリードフレーム４ｂにワイヤボンディ
ングされている。この実施例のように発光チップ３ａの
裏面側にも発光チップ３ｂを設ければ、発光チップ３ａ
から出射された光線と共に発光チップ３ｂから出射され
た光線も光ファイバ２に結合させることができるので、
大きな光パワーを光ファイバ２に入射させることがで
き、光ファイバ２から大きな光パワーを取り出すことが
できる。また、両発光チップ３ａ，３ｂの発光波長が異
なれば光ミキサーとなる。

【００５８】図２７は本発明の第１３の実施例による光
結合装置を示す断面図である。この光結合装置は、図２
６に示した第１２の実施例と同様リードフレーム４ａの
表裏に発光チップ３ａ，３ｂをマウントした光結合装置
であって、さらに、発光チップ３ａから出射した光線が
リードフレーム４ａと発光チップ３ａ自身によって遮ら
れる領域において、透明樹脂パッケージ５の非球面レン
ズ面８の一部に、発光チップ３ｂから出射された光線を
光ファイバ２に集光させるための結合用レンズ面２５を
形成している。従って、発光チップ３ａから出射した光
線は、凹面状反射面７で反射した後、非球面レンズ面８
で集光されて光ファイバ２に結合され、また、発光チッ
プ３ｂから出射した光線は、結合用レンズ面２５で集光
されて光ファイバ２に結合される。従って、光ファイバ
２へ入射する光量が増加し、光結合効率が向上する。

【００５９】図２８は本発明の第１４の実施例による光
結合装置を示し、図２８（ａ）は透明樹脂パッッケージ
５の背面図、図２８（ｂ）は同図（ａ）のＸ１−Ｘ１線
における光結合装置の断面図である。この実施例にあっ
ては、発光チップ３をマウントしたリードフレーム４ａ
の先端部２６を屈曲させることにより、発光チップ３の
位置を非球面レンズ面８及び凹面状反射面７の光軸から
わずかにずらせて配置している。従って、発光チップ３
から出射される光線の光軸は、非球面レンズ面８及び凹
面状反射面７の光軸に対して斜めに歪み、発光器１から
斜め方向へ光線が出射される。一方、光ファイバ２は、
発光チップ３から出射される光線の光軸方向とほぼ一致
させて配置されている。なお、光ファイバ２は光学系の
光軸と平行に配置してもよい（図２９（ａ）参照）。

【００６０】発光チップ３を非球面レンズ面８及び凹面
状反射面７の光軸上に配置した場合には、発光チップ３
から出射される正面光（中心光）が発光チップ３自身と
リードフレーム４ａとによって遮断されるため、発光チ
ップ３から離れた位置においては出射角の小さな光線成
分が減少し、光強度分布曲線のピーク部分が落ち込む。
これに対し、この実施例のように発光チップ３の位置を
非球面レンズ面８及び凹面状反射面７の光軸からずらす
ことにより、出射光線の光軸が光線遮断領域から外すこ
とができるので、図２８（ｂ）に示す光強度分布曲線２
７のように出射角の小さい光線成分も含んだ光強度分布
（ファーフィールドパターン）を得ることができ、光利
用効率が向上する。

【００６１】図２９は本発明の第１５の実施例による光
結合装置を示し、図２９（ａ）はその光結合装置の断面
図、図２９（ｂ）は透明樹脂パッッケージ５の背面図で
ある。この実施例にあっては、発光チップ３をマウント
したリードフレーム４ａのインサート深さを浅くするこ
とにより、発光チップ３の位置を非球面レンズ面８及び
凹面状反射面７の光軸からわずかにずらせて配置してい
る。従って、発光チップ３から出射される光線の光軸
は、非球面レンズ面８及び凹面状反射面７の光軸に対し
て斜めに歪み、発光器１から斜め方向へ光線が出射され
る。一方、光ファイバ２は、発光チップ３から出射され
る光線を受光するよう、非球面レンズ面８及び凹面状反
射面７の光軸と平行に配置されている。なお、光ファイ
バ２は、発光チップ３から出射される光線の光軸方向と
ほぼ一致させて配置してもよい（図２８（ｂ）参照）。
この実施例においても、図２８（ａ）（ｂ）の光結合装
置と同様な効果を得ることができる。

【００６２】図３０（ａ）は本発明の第１６の実施例に
よる光結合装置を示す断面図、図３０（ｂ）は発光チッ
プの部分を拡大して示す側面図である。この実施例にあ
っては、凹面状反射面７の曲率を大きくし、発光チップ
３の側面光２９を細径の光ファイバ２（コアの直径が
０.２５ｍｍ以下のもの）に結合させられるようにして
いる。すなわち、リードフレーム４ａ上にマウントされ
た発光チップ３の活性層２８から出射される光線のうち
側面光２９が凹面状反射面７で反射した後、非球面レン
ズ面８で集光され、細径の光ファイバ２に結合されるよ
う、凹面状反射面７を設計している。従って、この実施
例によれば、正面光３０よりも光密度の高い側面光２９
を有効に光ファイバ２に結合することができ、この結
果、側面光２９の光ファイバ２との結合効率が向上し、
細径の光ファイバ２からより大きな出射パワーを得るこ
とが可能になる。

【００６３】図３１は本発明の第１７の実施例による光
結合装置を示す断面図である。この実施例にあっては、
透明樹脂パッケージ５の凹面状反射面７と対向している
略半球状の面に波長選択性を有する材料又は誘電体多層
反射膜からなる波長選択フィルタ３１を形成したもので
ある。しかして、この光結合装置によれば、発光チップ
３から出射された光線の光波長帯のうち、波長選択フィ
ルタ３１の特性によって決まる波長帯域以外の光線を波
長選択フィルタ３１によって吸収し、必要な波長帯域の
光線のみを発光器１から取り出して光ファイバ２と結合
させることが可能になる。

【００６４】上記実施例は原理的な構造のみを示した
が、具体的な光結合装置においては、発光器１と光ファ
イバ２を位置決め固定するためには別部材が必要とな
る。その一例を図３２の第１８の実施例に示す。この光
結合装置４１は、内面に凹面状反射面７を形成された反
射部材１１とファイバ固定部材４２を互いに位置決め嵌
合し、この反射部材１１とファイバ固定部材４２間に発
光器１を挟み込んで固定し、ファイバ固定部材４２のフ
ァイバ挿入穴４３に光ファイバ２の端部を挿入して接着
固定している。反射部材１１、ファイバ固定部材４２及
び発光器１同士は互いに接着固定しても良いし、スナッ
プフィット構造などで固定しても良い。このような構造
によれば、光ファイバ２をファイバ固定部材４２のファ
イバ挿入穴４３に挿入することによって調芯効果を持た
せた上で位置決めを行うことができる。また、光ファイ
バ２の端部をファイバ固定部材４２に接着せず、脱着自
在としておけば、使い勝手の良い光結合装置４１とする
ことができる。さらに、このファイバ固定部材４２に設
けられている錐状のコーン面４４に鏡面加工を施してお
けば、ファイバ固定部材４２に集光用コーンの機能を持
たせることができる。

【００６５】図３３は本発明の第１９の実施例を示す断
面図である。この光結合装置４５においては、ファイバ
固定部材４２の後部内面に形成された雌ネジ部４６と反
射部材１１の外周面に形成された雄ネジ部４７とを互い
に螺合させている。また、ファイバ固定部材４２内に納
められた発光器１はファイバ固定部材４２に固定されて
おり、ファイバ固定部材４２に固定された光ファイバ２
の端面と対向している。しかして、反射部材１１を回転
させて反射部材１１をファイバ固定部材４２内に挿入
し、あるいは、抜き出すことにより、反射部材１１の内
面に形成された凹面状反射面７と発光チップ３との距離
を調整することができる。発光器１と光ファイバ２との
高い結合効率を得るためには、凹面状反射面７と発光チ
ップ３との光軸方向における間隔を高精度（数１０μ
ｍ）に管理しなければならないが、この実施例によれ
ば、ファイバ固定部材４２と反射部材１１との間のネジ
機構によって容易に発光チップ３と凹面状反射面７との
間の間隔を微調整することができるので、高い結合効率
を得ることができる。

【００６６】図３４は本発明の第２０の実施例を示す断
面図である。この光結合装置４８においては、発光器１
はファイバ固定部材４２内部に固定されており、反射部
材１１はファイバ固定部材４２内部に摺動自在に納めら
れている。また、発光器１と反射部材１１との間におい
て、ファイバ固定部材４２には、発光器１と凹面状反射
面７との間の空間に連通した注入孔４９が開口されてい
る。しかして、この光結合装置４８は、発光器１を固定
されたファイバ固定部材４２内に反射部材１１を摺動自
在に挿入し、反射部材１１を摺動させることによって発
光チップ３と凹面状反射面７との間隔を微調整した後、
注入孔４９からファイバ固定部材４２内に紫外線硬化型
樹脂（ＵＶ硬化樹脂）５０を注入し、紫外線硬化型樹脂
５０を硬化させて発光器１と反射部材１１とを固定して
いる。この実施例によれば、注入孔４９から注入された
透明な紫外線硬化型樹脂５０によって発光器１と反射部
材１１とを固定しているので、単に発光器１と反射部材
１１とを固定できるだけでなく、発光器１の透明樹脂パ
ッケージ５の表面の成形による表面粗さを低減し、透明
樹脂パッケージ５の表面における光線の散乱を抑える効
果があり、発光器１と反射部材１１との間を空間とする
場合に比較して結合効率を向上させることができる。

【００６７】図３５は本発明の第２１の実施例による光
結合アレイ５１を示す断面図である。この光結合アレイ
５１は、上記のいずれかの構造の光結合装置５２をアレ
イ状に配置したものである。すなわち、反射部材１１に
はアレイ状に凹面状反射面７を形成してあり、各凹面状
反射面７の前方にはそれぞれリードフレーム４上にマウ
ントされた発光チップ３が配置されており、各発光チッ
プ３を封止している透明樹脂パッケージ５は一体に成形
されている。また、各発光チップ３の前方にはそれぞれ
光ファイバ２が配列されている。このような複数個の光
結合装置５２を一体化した光結合アレイ５１は、複数本
の光ファイバ２に同時に複数個の発光チップ３を結合さ
せ、同時に複数本の光線を光ファイバ２へ供給したい場
合に適している。

【００６８】上記各光結合装置においては、いずれも発
光器１から出射された光線を光ファイバ２に結合させた
が、いずれの構造の光結合装置においても、各発光器１
から出射された光線を自由空間に結合させることもでき
る。例えば、図３６（ａ）に示すものは、図７の実施例
と同様に発光チップ３を封止している透明樹脂パッケー
ジ５の背面側の曲面に蒸着膜６からなる凹面状反射面７
を形成した発光器１を自由空間に結合させるようにした
光結合装置である。また、図３６（ｂ）に示すものは、
図１５の実施例と同様に発光チップ３を封止している透
明樹脂パッケージ５の背面に凹面状反射面７を備えた反
射部材１１を取り付けた発光器１を自由空間に結合させ
るようにした光結合装置である。図３７（ａ）（ｂ）に
示すものは、図２８の光結合装置と同様に発光チップ３
を非球面レンズ面８及び凹面状反射面７の光軸からわず
かにずらせた位置に配置し、発光チップ３から出射され
た光線を斜め方向へ出射させるようにした発光器１を自
由空間に結合させるようにしたものである。

【００６９】また、図３８は本発明の第２５の実施例に
係る光結合アレイ５３を示す一部破断した断面図であ
る。これは、複数個の光結合装置５２をアレイ状に配列
した光結合アレイであって、各発光器１を自由空間に結
合させたものである。このような光結合アレイ５３は、
例えばディスプレイ装置などに応用することができる。

【００７０】上記各光結合装置及び各光結合アレイにお
いては、非球面レンズ面８がいずれも、表面周辺部の曲
率が表面中心部の曲率よりも小さくなった凸型の集光型
非球面レンズとなっていたが、同様な構成の光結合装置
及び光結合アレイにおいて、図１０、図１１、図１２及
び図１３に示すような非球面レンズを用いることもでき
る。非球面レンズ面８を下記の実施例のように凹型に形
成すれば、発光器１の突出部分が減るので発光器１を薄
型化することができ、さらに、透明樹脂パッケージ５中
の光路長を短くできて樹脂による光の透過損失を低減さ
せることができる。このような実施例を図３９〜図４９
に示す。

【００７１】図３９に示すものは、図２６の光結合装置
と同様リードフレーム４ａの表裏両面に発光チップ３
ａ，３ｂをマウントした光結合装置であって、非球面レ
ンズ面８の周辺部は平らに形成されており、中央部は凹
状に形成されている。同じように、図４０〜図４６、図
４８（ａ）（ｂ）に示す光結合装置は、それぞれ図２７
〜図３１、図３３〜図３４、図３６（ａ）（ｂ）の光結
合装置と同様な構造の光結合装置であるが、いずれも透
明樹脂パッケージ５の周辺部は平らに形成されており、
中央部には凹状の非球面レンズ面８が形成されている。
また、図４７及び図４９に示す光結合アレイは、それぞ
れ図３５及び図３８の光結合アレイ５１，５３と同様な
構造の光結合アレイであるが、いずれも凹状の非球面レ
ンズ面８が配列されており、非球面レンズ面８を除く領
域は平らに形成されている。もちろん、これ以外の光結
合装置についても、中央部が凹状となった非球面レンズ
面８を用いることができるのは言うまでもない。特に、
図４２に示す光結合装置において、非球面レンズを図１
２に示したような形状の非球面レンズ面８としても良
い。

【００７２】これまでの実施例においては発光チップ３
を内蔵した発光器１と光ファイバ２の結合部分、あるい
は、自由空間と結合される発光チップ３を内蔵した発光
器１についてのみ言及したが、これらの構造は全て受光
素子チップ６１を内蔵した受光部６２と光ファイバ２と
の光結合装置にも適用できる。すなわち、光軸から離れ
るに従って角倍率が小さくなるように、受光素子チップ
６１の受光面と反対側に非球面レンズを配置することが
できる。この一例を図５０に示す。受光系の応答速度を
早くしようとすると、受光素子チップ６１の面積を小さ
くする必要があるが、本発明による光結合装置はこのよ
うな場合にも高い結合効率を得ることができ、非常に有
効となる。また、図５１（ａ）（ｂ）に示すように受光
素子チップ６１を内蔵した受光部６２と自由空間との光
結合装置にも適用でき、図５２に示すように光結合アレ
イにも適用できる。但し、受光素子チップを用いる場合
にも、角倍率κの定義では素子側を分母とし、 κ＝（光ファイバからの出射角度）／（受光素子チップ
への入射角度）とするものとする［従って、発光素子の場合の定義式
とは像点側と物点側とが逆になる］。

【００７３】図５３に示すものは本発明の第４２の実施
例の光ファイバ式光電センサ６３を示す概略断面図であ
る。この光ファイバ式光電センサ６３は、処理回路等を
内蔵したセンサ本体６４に、発光チップ３を内蔵した本
発明に係る光結合装置６５と受光素子チップ６１を内蔵
した本発明に係る光結合装置６６を介してそれぞれ投光
側光ファイバ２ａと受光側光ファイバ２ｂを接続し、光
結合装置６５内の発光チップ３から出た光を投光側光フ
ァイバ２ａ１１１の先端から出射し、これを受光側光フ
ァイバ２ｂの先端に入射させ、これを光結合装置６６内
の受光素子チップ６１によって検出するようにしたもの
である。このような構成の光ファイバ式光電センサ６３
によれば、光結合装置６５，６６の結合効率が高くなる
結果、投光側光ファイバ２ａから強度の大きな光を出射
させることができ、また、受光側の感度も高くすること
ができる。

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば、半導体発光素子から出
た光線を凹面状反射面で反射させた後、光軸から離れる
に従って角倍率が小さくなるようにした非球面レンズで
光線の収差を補正し、ついで空間を経由して光結合対象
物に結合させているので、非球面レンズによって補正さ
れた光線を光結合対象物に結合させることができ、発光
素子と光ファイバ等の光結合対象物との結合効率を向上
させることができる。

【００７５】同様に、光ファイバ等の光結合対象物から
出射された光線の収差を非球面レンズで補正して受光素
子に結合させることができ、受光素子と光結合対象物の
結合効率を向上させることができる。

【００７６】また、本発明によれば、半導体発光素子か
ら出た光線を凹面状反射面で反射させた後、非球面レン
ズを経由して自由空間に結合させているので、光線の収
差を非球面レンズで補正し集光させて高い効率で自由空
間と結合させることができる。

【００７７】同様に、受光素子と自由空間を光結合する
光結合装置においても、自由空間から入射した光線の収
差を非球面レンズで補正した後、受光素子に結合するこ
とができ、集光効率を向上させることができる。

【００７８】また、半導体発光素子を凹面状反射面の光
軸上からわずかにずらせて配置した光結合装置において
は、半導体発光素子から出射する正面光が半導体発光素
子自身やその取付部材によって遮断されなくなり、より
大きな光量の光線をファイバ出射ファーフィールドパタ
ーンの中心部に凹みを生じさせること無く取り出すこと
ができる。

【００７９】また、取付部材の両面に半導体発光素子を
取り付けた光結合装置においては、両半導体発光素子か
ら出射させた光線を光結合対象物や自由空間に結合させ
ることができるので、大きな光パワーの光線を光結合対
象物ないし自由空間に結合させられる。

【００８０】また、非球面レンズの表面中心部を引っ込
めて凹型にした光結合装置においては、非球面レンズの
表面が突出しなくなるので、光結合装置を薄型化するこ
とができる。さらに、非球面レンズ中の光路長を短くで
きるので、光の透過損失を低減させることができる。

【００８１】また、発光素子もしくは受光素子を透明樹
脂に封止してあると、量子効率が高くなるので、より結
合効率が高くなる。

【００８２】また、非球面レンズを透明樹脂によって一
体的に形成することによって部品点数を削減でき、コス
トを安価にすることができる。

【００８３】さらに、光透過性部材と凹面状反射面との
間にわずかな空間が存在していると、凹面状反射面で反
射される光と共に透明樹脂の表面でフレネル反射される
光も有効に利用することができ、より結合効率が向上す
る。

【００８４】また、光透過性部材の表面に反射膜を形成
することによって凹面状反射面を形成すれば、部材点数
を減らすことができ、コストも安価にすることができ
る。

【００８５】また、これらの光結合装置をアレイ状に配
列して光結合アレイとすれば、同時に複数の光結合対象
物や複数箇所の自由空間に結合させることができる。

【００８６】さらに、このような光結合装置や光結合ア
レイを光電センサに用いれば、検出感度の良好な光電セ
ンサを作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例による光結合装置を示す断面図である。

【図２】別な従来例においてＬＥＤチップから出射され
た光線の挙動を示す図である。

【図３】（ａ）（ｂ）はさらに別な従来例による光結合
装置を示す断面図及び一部省略した正面図である。

【図４】同上の従来例において、光軸中心から発した光
線の挙動を示す図である。

【図５】同上の従来例において、光軸外から発した光線
の挙動を示す図である。

【図６】角倍率の定義を説明するための図である。

【図７】本発明の第１の実施例による光結合装置を示す
断面図である。

【図８】同上の実施例において、光軸中心から発した光
線の挙動を示す図である。

【図９】同上の実施例において、光軸外から発した光線
の挙動を示す図である。

【図１０】異なるパターンの非球面レンズ面を備えた透
明樹脂パーケージにおいて、光軸中心から発した光線の
挙動を示す図である。

【図１１】同上の透明樹脂パッケージにおいて、光軸外
から発した光線の挙動を示す図である。

【図１２】さらに異なるパターンの非球面レンズ面を備
えた透明樹脂パーケージにおいて、光軸中心から発した
光線の挙動を示す図である。

【図１３】同上の透明樹脂パッケージにおいて、光軸外
から発した光線の挙動を示す図である。

【図１４】本発明の第２の実施例による光結合装置を示
す断面図である。

【図１５】本発明の第３の実施例による光結合装置を示
す断面図である。

【図１６】本発明の第４の実施例による光結合装置を示
す断面図である。

【図１７】本発明の第５の実施例による光結合装置を示
す断面図である。

【図１８】本発明の第６の実施例による光結合装置を示
す断面図である。

【図１９】（ａ）は本発明の第７の実施例による光結合
装置を示す断面図、（ｂ）はその発光器を示す正面図で
ある。

【図２０】（ａ）（ｂ）は同上の実施例における微小反
射面に実装された発光チップの一例を示す断面図及び正
面図である。

【図２１】（ａ）（ｂ）は同上の実施例における微小反
射面に実装された発光チップの他例を示す断面図及び正
面図である。

【図２２】本発明の第８の実施例による光結合装置を示
す断面図である。

【図２３】（ａ）（ｂ）は本発明の第９の実施例による
光結合装置を示す水平断面図及び垂直断面図、（ｃ）は
その発光器の正面図である。

【図２４】本発明の第１０の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図２５】（ａ）は本発明の第１１の実施例による光結
合装置を示す断面図、（ｂ）はその発光器を示す正面図
である。

【図２６】本発明の第１２の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図２７】本発明の第１３の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図２８】本発明の第１４の実施例であって、（ａ）は
その透明樹脂パッケージの背面図、（ｂ）は（ａ）のＸ
１−Ｘ１線に相当する断面における光結合装置の断面図
である。

【図２９】本発明の第１５の実施例であって、（ａ）は
その光結合装置の断面図、（ｂ）は透明樹脂パッッケー
ジの背面図である。

【図３０】（ａ）は本発明の第１６の実施例による光結
合装置を示す断面図、（ｂ）は発光チップの拡大図であ
る。

【図３１】本発明の第１７の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図３２】本発明の第１８の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図３３】本発明の第１９の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図３４】本発明の第２０の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図３５】本発明の第２１の実施例による光結合アレイ
を示す一部破断した断面図である。

【図３６】（ａ）（ｂ）は本発明の第２２及び第２３の
実施例による各光結合装置を示す断面図である。

【図３７】本発明の第２４の実施例であって、（ａ）は
その透明樹脂パッケージの背面図、（ｂ）は（ａ）のＸ
２−Ｘ２線に相当する断面における光結合装置の断面図
である。

【図３８】本発明の第２５の実施例による光結合アレイ
を示す一部破断した断面図である。

【図３９】本発明の第２６の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図４０】本発明の第２７の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図４１】本発明の第２８の実施例であって、（ａ）は
その透明樹脂パッケージの背面図、（ｂ）は（ａ）のＸ
３−Ｘ３線に相当する断面における光結合装置の断面図
である。

【図４２】本発明の第２９の実施例であって、（ａ）は
その光結合装置の断面図、（ｂ）は透明樹脂パッッケー
ジの背面図である。

【図４３】（ａ）は本発明の第３０の実施例による光結
合装置を示す断面図、（ｂ）は発光チップの拡大図であ
る。

【図４４】本発明の第３１の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図４５】本発明の第３２の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図４６】本発明の第３３の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図４７】本発明の第３４の実施例による光結合アレイ
を示す一部破断した断面図である。

【図４８】（ａ）（ｂ）は本発明の第３５及び第３６の
実施例による各光結合装置を示す断面図である。

【図４９】本発明の第３７の実施例による光結合アレイ
を示す一部破断した断面図である。

【図５０】本発明の第３８の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図５１】（ａ）（ｂ）は本発明の第３９及び第４０の
実施例による光結合装置を示す断面図である。

【図５２】本発明の第４１の実施例による光結合装置を
示す断面図である。

【図５３】本発明の第４２の実施例による光ファイバ式
光電センサを示す概略断面図である。

【符号の説明】

１発光器２光ファイバ３発光チップ３ａ，３ｂ発光チップ４ａ，４ｂリードフレーム５透明樹脂パッケージ７凹面状反射面８非球面レンズ面９空間１１反射部材１２空間６１受光素子チップ６３光ファイバ式光電センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中嗣治京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (72)発明者北川幸範京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体発光素子から出射された光を、当
該発光素子の光出射面側に配置された凹面状反射面によ
って反射させた後、当該発光素子の光出射面と反対側に
配置された光結合対象物に結合させる光結合装置におい
て、光軸から離れるに従って角倍率が小さくなるように、前
記発光素子の光出射面と反対側に非球面レンズを配置
し、空間を隔てて当該非球面レンズに前記光結合対象物
を対向させたことを特徴とする光結合装置。
【請求項２】前記非球面レンズは、表面周辺部の曲率
が表面中心部の曲率よりも小さい凸レンズであることを
特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
【請求項３】前記非球面レンズは、表面周辺部の曲率
が表面中心部の曲率よりも大きい凹レンズであることを
特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
【請求項４】前記非球面レンズは、中心断面における
プロフィールが変曲点を２個以上有することを特徴とす
る請求項１，２又は３に記載の光結合装置。
【請求項５】前記半導体発光素子を前記凹面状反射面
の光軸上からわずかにずらせて配置したことを特徴とす
る請求項１，２，３又は４に記載の光結合装置。
【請求項６】半導体発光素子から出射された光を、当
該発光素子の光出射面側に配置された凹面状反射面によ
って反射させた後、当該発光素子の光出射面と反対側の
自由空間に結合させる光結合装置において、光軸から離れるに従って角倍率が小さくなるように、前
記発光素子の光出射面と反対側に非球面レンズを配置し
たことを特徴とする光結合装置。
【請求項７】前記非球面レンズは、表面周辺部の曲率
が表面中心部の曲率よりも小さい凸レンズであることを
特徴とする請求項６に記載の光結合装置。
【請求項８】前記非球面レンズは、表面周辺部の曲率
が表面中心部の曲率よりも大きい凹レンズであることを
特徴とする請求項６に記載の光結合装置。
【請求項９】前記非球面レンズは、中心断面における
プロフィールが変曲点を２個以上有することを特徴とす
る請求項６，７又は８に記載の光結合装置。
【請求項１０】前記半導体発光素子を前記凹面状反射
面の光軸上からわずかにずらせて配置したことを特徴と
する請求項６，７，８又は９に記載の光結合装置。
【請求項１１】前記半導体発光素子を取り付けた取付
部材の当該半導体発光素子取付面と反対側の面に第２の
半導体発光素子を配置したことを特徴とする請求項１，
２，３，４，５，６，７，８，９又は１０に記載の光結
合装置。
【請求項１２】半導体受光素子の受光面と反対側に配
置された光結合対象物から出射された光を、当該受光素
子の受光面側に配置された凹面状反射面によって反射さ
せた後、当該受光素子に結合させる光結合装置におい
て、前記半導体受光素子の受光面と反対側に、光軸から離れ
るに従って角倍率が小さくなるように、前記受光素子の
受光面と反対側に非球面レンズを配置し、空間を隔てて
当該非球面レンズに前記光結合対象物を対向させたこと
を特徴とする光結合装置。
【請求項１３】前記非球面レンズは、表面周辺部の曲
率が表面中心部の曲率よりも小さい凸レンズであること
を特徴とする請求項１２に記載の光結合装置。
【請求項１４】前記非球面レンズは、表面周辺部の曲
率が表面中心部の曲率よりも大きい凹レンズであること
を特徴とする請求項１２に記載の光結合装置。
【請求項１５】前記非球面レンズは、中心断面におけ
るプロフィールが変曲点を２個以上有することを特徴と
する請求項１２，１３又は１４に記載の光結合装置。
【請求項１６】半導体受光素子の受光面と反対側の自
由空間から入射した光を、当該受光素子の受光面側に配
置された凹面状反射面によって反射させた後、当該受光
素子に結合させる光結合装置において、前記半導体受光素子の受光面と反対側に、光軸から離れ
るに従って角倍率が小さくなるように、前記受光素子の
受光面と反対側に非球面レンズを配置したことを特徴と
する光結合装置。
【請求項１７】前記非球面レンズは、表面周辺部の曲
率が表面中心部の曲率よりも小さい凸レンズであること
を特徴とする請求項１６に記載の光結合装置。
【請求項１８】前記非球面レンズは、表面周辺部の曲
率が表面中心部の曲率よりも大きい凹レンズであること
を特徴とする請求項１６に記載の光結合装置。
【請求項１９】前記非球面レンズは、中心断面におけ
るプロフィールが変曲点を２個以上有することを特徴と
する請求項１６，１７又は１８に記載の光結合装置。
【請求項２０】前記光結合対象物が光ファイバである
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，１２，１
３，１４又は１５に記載の光結合装置。
【請求項２１】前記半導体発光素子もしくは半導体受
光素子が光透過性部材によって封止されていることを特
徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，
１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１
８，１９又は２０に記載の光結合装置。
【請求項２２】前記非球面レンズが、前記光透過性部
材によって一体的に形成されていることを特徴とする請
求項２１に記載の光結合装置。
【請求項２３】前記光透過性部材の前記凹面状反射面
と対向する面の形状が当該凹面状反射面の形状とほぼ等
しく、当該光透過性部材と当該凹面状反射面との間にわ
ずかな空間が存在することを特徴とする請求項２１又は
２２に記載の光結合装置。
【請求項２４】前記凹面状反射面が、前記光透過性部
材の表面に反射膜を形成したものであることを特徴とす
る請求項２１又は２２に記載の光結合装置。
【請求項２５】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，
１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３又は２４に
記載の光結合装置をアレイ状に配置したことを特徴とす
る光結合アレイ。
【請求項２６】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，
１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３又は２４に
記載の光結合装置もしくは請求項２５に記載の光結合ア
レイを備えたことを特徴とする光電センサ。