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zoom RSS 光学要素(その1.コリメータ)

<<   作成日時 : 2014/01/26 20:36   >>

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 発光ダイオードは人の眼からみれば非常に小さく、ほぼ点光源とみなせ、1点からあらゆる方向に広がる光を出します。実際の光源としては一つの方向に光を取り出したいことが多いので、例えば反射体など何らかの光学要素を組み合わせて出射光を得る場合が多くなります。

 このような光学要素は発光ダイオードパッケージとは別に用意して組み合わせてもよいですが、パッケージと一体に組み込んでしまった方が位置合わせが不要になりますし、小型にできるという利点があります。

 光学要素の機能としては、反射機能、集光機能、光拡散機能、光路変換機能などがあります。波長変換機能もこのなかに入ると思います。

 反射体(リフレクタ)は多くのパッケージに組み込まれ、四方に広がる光を曲げて1方向に集める役割をします。発光ダイオードの光を光ファイバなどへ結合したい場合は集光機能が必要でレンズが組み合わされます。逆に光を広げたい場合にもレンズが使われます。また光を特定の方向に出射させたい場合にも反射体あるいはプリスムが組み合わされます。

 多くの一般用途な製品では、レンズやリフレクタが設けられていても、その機能はそれほど厳密なものでなく、ある程度集光や発光強度の増強ができればよいといった考えで作られていると思われます。もう少し厳密な集光がしたい場合は光学的な設計が必要になります。
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 そのような光学設計を楽にするためには、発光ダイオードパッケージからの出射光が平行光になっていると便利です。広がる光を平行光に変換することをコリメート(collimate、「視準」という日本語もあります)といい、その機能をもった光学素子をコリメータ(collimator)と言います。

 図Aのように点光源50を凸レンズ61の焦点に置けば平行光Lが得られます。反対に平行光に凸レンズを入れれば、そのレンズの焦点位置に集光ができます。このときレンズを入れる光軸方向の位置はどこでもよいので、装置の組み立てが楽になります。もちろん凹レンズを使えば、発散光も得られます。

 しかし発光ダイオードからの広がった光を無駄なく利用しようとすると、口径の大きなレンズを使う必要があります。これは装置の大型化を招くので、小型で発光ダイオードの出射光を無駄なく利用できるように種々の工夫がなされています。

 図Bは特開2013-201226によるパッケージの断面図ですが、発光素子102が基板101に設けた凹部内に固定されています。発光素子の上面101aから上方に向かって発散する出射光を封止樹脂103の中央部に作り込んだ小さなレンズ103aでコリメートしています。一方、発光素子の側面102bから横方向へ出射する光は基板凹部の斜面101bで反射して上方へ曲げています。横方向への光は平面反射鏡で折り返すだけですから、横方向へ向かう光が初めから平行光でないと出射光も平行光にはなりません。実際にはそうではなく広がる光のはずなので、出射光112は完全な平行光にはならないかもしれません。
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 図C(再表2008/069143より。光の方向を揃えるため、原図を90°回転して示しています)の方はパッケージの反射鏡は使わず、光学素子(コリメータレンズ)20の形を特殊なものにして、外側の表面20cでの全反射によって横方向に広がる光を上方に曲げています。外側の曲面の形を工夫し、内側のレンズ部20cと組み合わせれば、全体を平行光にすることができそうです。
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 図D(特願2009-152227)のもう一つの例はレンズを使わず曲面反射鏡によってコリメートを行っています。発光素子9を下向きに固定し、出射光を凹部を作ったケース6の内面の反射面2で上方に折り返すように反射し、平行光にしています。上の斜視図からわかるように発光素子を固定、配線するリード7、8は幅が狭く、ケースの凹部内は透明樹脂13で充填されているので、反射光の平行光は十分上方に取り出されます。
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 コリメート機能をもった発光ダイオードパッケージはこのようにいろいろな方式がありますが、目的によって平行光をそのまま使ってもよいし、さらにレンズなどの光学素子を組み合わせて使うこともでき、応用範囲が広いと言えると思います。




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