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JP2000347317A - レンズを備えたｌｅｄアレイ - Google Patents

レンズを備えたｌｅｄアレイ

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JP2000347317A
JP2000347317A JP2000079609A JP2000079609A JP2000347317A JP 2000347317 A JP2000347317 A JP 2000347317A JP 2000079609 A JP2000079609 A JP 2000079609A JP 2000079609 A JP2000079609 A JP 2000079609A JP 2000347317 A JP2000347317 A JP 2000347317A
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light
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Abstract

(57)【要約】 【課題】効率がよくかつ小型のＬＥＤ光集光システムを
提供する。 【解決手段】本発明の一実施例によれば、ＬＥＤアレイ
からの光を集めるのに使用されるレンズは、光学的接着
材から形成される。接着剤が供給されるにつれて、接着
剤はレンズの形状に形成される。次に、接着剤が硬化さ
れ、ＬＥＤアレイを覆うレンズが形成される。本発明に
よるレンズは、極度の角度でＬＥＤによって放射される
光を集め、その光を走査位置に向ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、光走査シ
ステムに関し、具体的には、プリント回路基板に取り付
けられたＬＥＤアレイからの光を集めるレンズに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】スキャナと複写機において、ターゲット
領域を照明するために使用される光は、一般に、発光ダ
イオード（ＬＥＤ）によって提供される。図５に示した
ように、ＬＥＤ５０から放射された光は、電力半値点５
２、５３が垂直軸５１から８０度になる広い角度で放射
される。
【０００３】したがって、ＬＥＤによって生成される光
のほとんどが無駄になる。その結果、走査システムは、
一般に、ターゲット領域に光を集めて集束するために集
光レンズを使用する。図６に示したように、ＬＥＤ６１
は、ターゲット領域３１上に光を集め焦点を合わせるた
めに集光レンズ６３を含む。ＬＥＤ６１は一般に一列の
アレイに配置された複数のＬＥＤを含み、レンズ６３は
円柱形レンズであることに注意されたい。図６におい
て、レンズ３３は、ＮＳＧからのＳＥＬＦＯＣレンズ・
アレイである。レンズ６３は、一般に、押出し成形また
は射出成形された、たとえばポリカーボネートやアクリ
ルなどのプラスチック・レンズである。面３１から反射
された光は、レンズ・システム３３によって捕捉され、
検出器３４上に集束される。図７は、図６の屈折レンズ
６３の代わりに、反射光学素子７２を使用して光をター
ゲット領域に反射させるＬＥＤ構成７１を示す。面３１
から反射した光は、レンズ・システム３３によって捕捉
され、検出器３４上に集束される。
【０００４】図６と図７の構成は、それぞれレンズまた
はリフレクタをＬＥＤ基板に取り付ける追加の工具を必
要とするので、製造の点で費用がかかる。さらに、レン
ズとリフレクタは、コストを高める追加部品である。さ
らに、レンズ６３をＬＥＤ６１に取り付けるためにレン
ズ６３がレンズ・マウント６２を必要とすることに注意
されたい。このレンズ・マウントは、走査システムにス
ペース要件を追加し、ハンドヘルド・スキャナなどの小
型システムでは、スペースは貴重である。また、図７の
構成は、スペースの点で費用がかかる。この構成を有効
にするためには、リフレクタ７２によって構成されるく
ぼみが深くなければならず、そのためリフレクタ７２
が、ＬＥＤ基板から突出する。したがって、一般に、図
８に示したＬＥＤ基板８１の構成が使用される。集光素
子がなく、代わりに、ターゲット領域３１を照明するた
めに露出したＬＥＤが使用されることに注意されたい。
面３１から反射した光は、レンズ・システム３３によっ
て捕捉され、検出器３４上に集束される。したがって、
ＬＥＤ基板８１によって生成された光のほとんどが無駄
になり、具体的には、光の約０．１％しか使用されず、
光の約９９．９％が無駄になる。したがって、当技術分
野において、効率がよくかつ小型のＬＥＤ光集光システ
ムが必要とされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、効率
がよくかつ小型のＬＥＤ光集光システムを提供すること
にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】これらの、および、その
他の目的、特徴および技術的利点は、光学的接着材を使
用して集光レンズを形成するシステムおよび方法によっ
て達成される。
【０００７】光学的接着材が、ＬＥＤアレイを覆うよう
に供給される。接着材が供給されるとき、接着材はレン
ズ形に形成される。次に、接着材が硬化され、ＬＥＤア
レイを覆うレンズが形成される。レンズ形は、供給の行
為によって形成される。重力、接着材の粘度特性、およ
び接着材の表面張力特性の組合せが作用しあってレンズ
形を形成する。あるいは、レンズの型または鋳型を使用
して、接着材をより良好で均一なレンズ形にすることが
できる。
【０００８】たとえば、ＬＥＤアレイが、長さ約５イン
チ幅１／４インチの小さなＰＣ基板上に配置されている
と仮定する。ＬＥＤアレイは、ＰＣ基板上に一列に均等
な間隔で配置された１８個のＬＥＤからなる。次に、光
学的接着材が、長いひも状の接着材としてＬＥＤ上に供
給される。重力、粘度、および表面張力により、接着材
はＬＥＤのまわりに集まり、湾曲した形状が保持され
る。このように、接着材は、ＬＥＤの上でほぼ円筒形の
レンズとなる。接着材は、次に、熱またはＵＶ光によっ
て硬化される。このように形成されたレンズは、レンズ
がレンズ形状に凹凸があるため、精密なレンズではない
ことに注意されたい。さらに、形状は、標準の円筒形レ
ンズに比べて、レンズの長さ方向にわたって均一ではな
い。しかしながら、本発明のレンズがＬＥＤと一体であ
るため、本発明のレンズは、従来技術のレンズの追加の
製造コストを必要とせず、また、本発明のレンズは、従
来技術のレンズのスペースを必要としない。さらに、本
発明のレンズは、最大の角度でＬＥＤから放射される光
を集め、その光を走査場所に導き、したがって、レンズ
を使用しない従来技術の構成よりも多くの光を提供す
る。
【０００９】したがって、本発明の技術的利点は、光学
的接着材を使用してＬＥＤ光集光レンズを形成すること
である。
【００１０】本発明のもう１つの技術的利点は、無駄に
される光を集め、その光を走査ターゲット領域に導くこ
とである。さらに、光が、本発明のレンズによって拡散
され、ターゲット領域により均一に分散される。これは
接着材の成分に依存することに注意されたい。接着材中
の添加物は、光の拡散を大きくする。接着材は、「ミル
ク色」の外観を有する。光の拡散が多くなると、システ
ムの効率は少し低下する。したがって、光の均一性と全
光出力との間にはトレードオフがあり、これは、不均一
さを較正する検出器のダイナミック・レンジに依存す
る。
【００１１】本発明のさらに他の技術的利点は、レンズ
がＬＥＤと一体的であり、そのためＬＥＤ基板への取付
けを必要としないことである。
【００１２】本発明のさらに他の技術的利点は、接着材
が低コストであり、またレンズをアレイに固定するため
に追加の工具および／または要素を必要としないので、
本発明は費用がかからないことである。
【００１３】以上、以下の本発明の詳細な説明がより良
く理解されるように、本発明の特徴および技術的利点を
比較的広義に概説した。以下に、本発明の特許請求の範
囲の主題を構成する本発明の追加の特徴および利点を説
明する。当業者は、開示した概念および特定の実施形態
が、本発明の同じ目的を達成するための他の構造を修正
または設計する論拠として容易に利用できることを理解
されたい。また、当業者は、そのような等価な構造が、
併記の特許請求の範囲に説明された本発明の趣旨および
範囲から逸脱しないことを理解されたい。
【００１４】本発明とその利点をより完全に理解するた
めに、次に、添付図面と関連して行われる以下の説明を
参照する。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は、アレイ１４に構成された
複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）１３を含むプリント回
路（ＰＣ）基板１２に取り付けられた本発明のレンズ１
１の等角図を示す。レンズ１１は、レンズが基板１２に
直接取り付けられているため、特別なレンズ・マウント
を必要としないことに注意されたい。基板は、ＰＣ基板
１２に電力を供給する接続１５を含む。レンズ１１は、
基板１２上に、注射針によって光学的接着材を直接送り
込むことによって形成される。供給された接着材の量
が、レンズのサイズを決定する。接着材の表面張力と粘
着特性ならびに重力の作用によって、レンズ１１の形が
決定される。これらの特性と重力の作用が共にはたらい
て、レンズ１１の冠部または円筒形状を形成する。具体
的には、重力と粘度によって接着材が広がり、レンズ１
１の基部を形成し、ＬＥＤ１３を覆う。表面張力によ
り、供給中の上面の接着材の湾曲または丸みが維持され
る。供給後、レンズは、スランピングまたは曲率の低下
を防ぐために、熱または紫外線（ＵＶ）光によって硬化
しなければならない。接着材の粘性により、供給した直
後に硬化を行うことはできず、レンズの形状になるには
少し時間がかかることがあり、したがって形になった後
で硬化が行われることに注意されたい。したがって、レ
ンズは、ＵＶ光の下に通されるかまたは炉に入れられ
る。全体の作業は、比較的短く、おそらく供給に約１０
秒、ＵＶ硬化に約３０秒または熱硬化に３０〜１２０分
である。この工程は、レンズの長さ全体にわたって半径
が精密に制御または複製されないため、完全なレンズを
生成しないことに注意されたい。しかしながら、本発明
のレンズ１１は、適切な集光作用を提供し、また、きわ
めて迅速かつ安価である。また、レンズ１１が、ＬＥＤ
１３を内部に封入し保護することに注意されたい。さら
に、接着材の供給の間またはその後に、基板を裏返すこ
とができることに注意されたい。裏返すことにより、重
力が接着材の湾曲を維持するのを助ける。
【００１６】図２に示したように、レンズ１１は、ダイ
オード１３から大きな立体角２１で放射される光２１を
含む光を集める。次に、この光は、ターゲット領域に送
られ、図３に示したように走査ターゲット３１の照明に
使用される。本発明のレンズおよびＰＣ基板３２は、走
査ターゲット面３１に対して約４５度でその面から約
０．１６インチ（すなわち約４ｍｍ）の位置に取り付け
られる。面３１から反射した光は、レンズ・システム３
３によって捕捉され、検出器３４上に集束される。レン
ズ３２が面３１に多くの光を提供するように意図されて
いるため、レンズ３２が、画像品質の光を提供できなく
てもよく、すなわちレンズ３２は、非結像レンズでもよ
いことに注意されたい。
【００１７】レンズ１１として使用するように企図され
る接着材料には、Ｍａｓｔｅｒ Ｂｏｎｄによって製造
されたＵＶ硬化材料のＵＶ１５−７ＴＫ１Ａ、ＵＶ１５
Ｘ−５、およびＳｉｌ４１０、ならびにＰａｃｉｆｉｃ
Ｐｏｌｙｔｅｃｈ Ｉｎｃ．によって製造された熱硬
化材料のＰＴ１００２Ａ／Ｂがある。これらの材料のう
ち、ＵＶ１５は、最も良く機能することが分かった。し
かしながら、材料が、可視スペクトル範囲の適切な波長
で光を透過し屈折させるのに十分な光学特性と、ＰＣ基
板１２に接着するのに十分な接着特性とを有する限り、
エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂などの他の
材料を使用することができる。レンズ１１をＬＥＤと関
連付けて示し説明したが、特に不完全な光学特性を有す
る一体レンズを使用できる場合には、レンズ１１を、他
のシステムの他の要素と共に使用することができること
に注意されたい。
【００１８】代替レンズ１１は、所望の形状を有するレ
ンズの型または鋳型を使用して形成することができる。
たとえば、図１に示したレンズを形成するために、円柱
形のレンズの型を、接着材材料に適用することができ
る。ＰＣ基板１２に型を押し付けてもよく、あるいは型
の中で基板１２を移動させてもよい。接着材が型に着く
のを防ぐために、型は、テフロン（登録商標）などの非
付着材料で被覆される。型は、レンズ１１が光学的に適
切な湾曲を有することを保証する。硬化中に適切な形状
が維持されるように、型が硬化システムに組み込まれる
ことがある。このシステムは、前述の簡単なシステムよ
りも多くの工具と費用を必要とすることになるが、レン
ズを精密で均一な形状に作成し、それによりレンズを画
像形成に使用することができることに注意されたい。
【００１９】図４Ａは、複数の球面レンズを備えたレン
ズ４１を示す。このレンズ構成が、軽くなり、きわめて
不均一になることに注意されたい。球面レンズは、基板
１２上の接着材に押しつけられたレンズ鋳型によって形
成される。球面レンズの形状とサイズは、ターゲット領
域に光を集めるように選択される。ＬＥＤから放射され
た多くの軸のずれた光を集めるために非球面レンズを使
用できることに注意されたい。さらに、図４Ｂに示した
ような、円筒形レンズ４２を含む他のレンズ形状を使用
できることに注意されたい。さらに、形成された光モデ
ィファイアが光を集め湾曲させる限り、接着材に非レン
ズ形状を押し付けることもできることに注意されたい。
接着材に、ターゲット領域に光を集めて集束することが
できる回折格子を形成することができる。
【００２０】ＬＥＤを形成するときに、別の代替レンズ
１１を形成することができる。それぞれ個々のＬＥＤ１
３が、エポキシ樹脂の立方体で包まれた半導体材料とワ
イヤ・フレームを含むことに注意されたい。立方体中に
ＬＥＤを入れる代わりに、ＬＥＤワイヤ・フレームをレ
ンズ内に入れてもよい。したがって、それぞれの個々の
ＬＥＤワイヤ・フレームは、レンズ形状を有する鋳型に
入れられ、硬化される。これは、図４Ｃに示したよう
に、個別の一体レンズ４３を有するＬＥＤを生成するこ
とになる。たとえば図１に示したように、単一のレンズ
・アレイを形成するために、複数のＬＥＤワイヤ・フレ
ームが、より大きいレンズ鋳型に入れられることがある
ことに注意されたい。
【００２１】本発明とその利点を詳細に説明したが、併
記の特許請求の範囲によって定義されたような本発明の
精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に様々
な変更、代用、および改変を行うことができることを理
解されたい。
【００２２】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【００２３】[実施態様１]基板（１２）上に集光レンズ
（１１）を形成する方法であって、前記基板上に光学的
接着材を供給するステップと、前記接着材でレンズ形を
形成するステップと、前記接着材を前記レンズ形に硬化
させて集光レンズを形成するステップと、を備えて成る
方法。
【００２４】[実施態様２]前記基板が、アレイ（１４）
に配置された複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）（１３）
を有するプリント回路基板（１２）であり、前記供給す
るステップが、前記アレイ上に前記接着材を供給するス
テップ、を備えて成ることを特徴とする、実施態様１に
記載の方法。
【００２５】[実施態様３]前記形成するステップが、レ
ンズ鋳型で前記接着材を前記レンズ形に成形するステッ
プ、を備えて成ることを特徴とする、実施態様２に記載
の方法。
【００２６】[実施態様４]前記形成するステップが、前
記接着材の表面張力特性によって前記レンズ形を維持す
るステップ、を備えて成ることを特徴とする、実施態様
２に記載の方法。
【００２７】[実施態様５]前記硬化するステップが、前
記接着材を所定長さの時間だけ所定の温度に加熱するス
テップ、を備えて成ることを特徴とする、実施態様１に
記載の方法。
【００２８】[実施態様６]前記硬化するステップが、前
記接着材を所定長さの時間だけ所定の波長の光にさらす
ステップ、を備えて成ることを特徴とする、実施態様１
に記載の方法。
【００２９】[実施態様７]基板（１２）上に形成された
集光レンズであって、前記基板は、少なくとも１つの光
生成要素（１３）を有し、前記レンズ（１１）が、前記
基板に固定され、前記基板上の前記光生成要素の外形に
適合するベース部分と、前記ベース部分の近くに配置さ
れ、前記光生成要素から光学軸の方に光の一部分を反射
する湾曲部分と、を備えて成り、前記ベース部分と前記
湾曲部分とが、光学的接着材から形成されることを特徴
とする、集光レンズ。
【００３０】[実施態様８]前記基板（１２）が、プリン
ト回路基板であり、前記少なくとも１つの光生成要素
（１１）が、アレイ（１４）に配置された複数の発光ダ
イオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする、実施態様
１４に記載の集光レンズ。
【００３１】[実施態様９]前記集光レンズ１１が、走査
システムに使用されることを特徴とする、実施態様１４
に記載の集光レンズ。
【００３２】[実施態様１０]前記集光レンズ（１１）
が、前記光生成要素１３から光２１を集め、前記光を走
査ターゲット３１に向けることを特徴とする、実施態様
１９に記載の集光レンズ。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、効率がよくかつ小型のＬＥＤ光集光システム
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＬＥＤアレイに取り付けられた本発明のレンズ
の等角図である。
【図２】図１の本発明のレンズの断面図である。
【図３】走査システム内の図１の本発明のレンズを示す
図である。
【図４Ａ】図１の本発明のレンズの代替実施形態を示す
図である。
【図４Ｂ】図１の本発明のレンズの代替実施形態を示す
図である。
【図４Ｃ】図１の本発明のレンズの代替実施形態を示す
図である。
【図５】標準的なＬＥＤからの光の放射を示す図であ
る。
【図６】円筒形集光レンズを備えた走査システムの従来
の構成を示す図である。
【図７】複合放物線状集光器を備えた走査システムの従
来の構成を示す図である。
【図８】集光レンズのない走査システムの従来の構成を
示す図である。
【符号の説明】
１１：集光レンズ １２：プリント回路基板 １３：発光ダイオード（ＬＥＤ） １４：アレイ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に集光レンズを形成する方法であっ
    て、 前記基板上に光学的接着材を供給するステップと、 前記接着材でレンズ形を形成するステップと、 前記接着材を前記レンズ形に硬化させて集光レンズを形
    成するステップと、 を備えて成る方法。
JP2000079609A 1999-04-12 2000-03-22 プリント回路基板上に集光レンズを形成する方法 Expired - Fee Related JP3507755B2 (ja)

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US290131 1981-08-05
US09/290,131 US6188527B1 (en) 1999-04-12 1999-04-12 LED array PCB with adhesive rod lens

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