DE10196480B3 - Optical encoder module - Google Patents

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    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715—Scale reading or illumination devices

Abstract

Ein optisches Codierermodul zum Erfassen von Licht, das durch ein Coderad moduliert ist. Der optische Codierer umfaßt einen Emitter (80), der ein lichtemittierendes Element (120) und ein transparentes Medium, das das lichtemittierende Element einkapselt, aufweist, wobei das transparente Medium eine konvexe asphärische Außenoberfläche (140) aufweist, die gestaltet ist, um Licht, das von dem lichtemittierenden Element empfangen wird, zum Beleuchten des beweglichen Bauglieds zu einem im wesentlichen kollimierten Lichtstrahl zu fokussieren. Das optische Codierermodul umfaßt ferner einen dem Emitter zugewandten Detektor (90) zum Erfassen von moduliertem Licht des durch das bewegliche Bauglied transmittiertem kollimierten Strahls.An optical encoder module for sensing light that is modulated by a code wheel. The optical encoder comprises an emitter (80) having a light emitting element (120) and a transparent medium encapsulating the light emitting element, the transparent medium having a convex aspherical outer surface (140) configured to emit light, received by the light emitting element to illuminate the movable member to focus a substantially collimated beam of light. The optical encoder module further includes a detector (90) facing the emitter for detecting modulated light of the collimated beam transmitted through the movable member.

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine lichtemittierende Vorrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine lichtemittierende Vorrichtung mit einer Kollimatorlinse zur Verwendung bei einem optischen Codierermodul.This invention relates generally to a light emitting device. More particularly, the invention relates to a light emitting device having a collimator lens for use with an optical encoder module.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Ein optisches Codierermodul weist in der Regel eine lichtemittierende Vorrichtung bzw. einen Emitter und eine Photodetektorvorrichtung bzw. einen Detektor auf. Der Emitter und der Detektor sind derart voneinander beabstandet und aufeinander ausgerichtet, daß ein an einer Welle angebrachtes Coderad in einem Zwischenraum zwischen dem Emitter und dem Detektor gedreht werden kann. Das Coderad weist abwechselnde lichtundurchlässige und transparente Bereiche auf, derart, daß durch den Emitter emittiertes Licht durch das Coderad entweder blockiert oder durchgelassen und anschließend durch den Detektor erfaßt wird. Ein optisches Codierermodul dieses Typs ist ausführlicher in dem US-Patent Nr. 4,691,101 beschrieben. Der Entwurf eines derartigen Codierermoduls ist ferner in dem US-Designpatent Des. 329,193 veranschaulicht.An optical encoder module usually has a light emitting device or emitter and a photodetector device or a detector. The emitter and the detector are spaced apart and aligned so that a code wheel mounted on a shaft can be rotated in a space between the emitter and the detector. The code wheel has alternating opaque and transparent regions such that light emitted by the emitter is either blocked or transmitted by the code wheel and subsequently detected by the detector. An optical encoder module of this type is more detailed in U.S. Patent Nos. 4,194,954 U.S. Patent No. 4,691,101 described. The design of such an encoder module is further in the US Design Patent Des. 329.193 illustrated.

1 veranschaulicht ein bekanntes optisches Codierermodul 1, das ein Gehäuse 2, einen Emitter 9, 11 und einen Detektor 7 aufweist, die einander in einer ausgerichteten Beziehung zugewandt sind. Der Emitter 9, 11 und der Detektor 7 sind voneinander beabstandet, um es einem Coderad 3 zu ermöglichen, in dem zwischen denselben gebildeten Zwischenrauen gedreht zu werden. Der Emitter besteht aus einer lichtemittierenden Diode (LED) 9 und einer über der LED positionierten separaten Linse, um Licht von der LED zu empfangen und einen kollimierten Lichtstrahl bzw. ein kollimiertes Strahlenbündel 17 in der Richtung es Detektors 7 zu erzeugen. Der Detektor 7 umfaßt vier längliche Photoerfassungselemente, die bei verschiedenen Winkelpositionen relativ zu dem Coderad Seite an Seite angeordnet sind, um von verschiedenen Abschnitten des kollimierten Lichtstrahls 17 Licht zu empfangen. Auf diese Weise ist das Codierermodul in der Lage, sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung der Drehung des Coderads genau zu erfassen. 1 illustrates a known optical encoder module 1 that is a case 2 , an emitter 9 . 11 and a detector 7 which face each other in an aligned relationship. The emitter 9 . 11 and the detector 7 are spaced apart to form a code wheel 3 to be allowed to be rotated in the intermediate grooves formed therebetween. The emitter consists of a light emitting diode (LED) 9 and a separate lens positioned over the LED to receive light from the LED and a collimated beam of light or a collimated beam 17 in the direction of the detector 7 to create. The detector 7 comprises four elongated photodetecting elements arranged side by side at different angular positions relative to the code wheel to move from different portions of the collimated light beam 17 To receive light. In this way, the encoder module is able to accurately detect both the speed and the direction of rotation of the code wheel.

Die Erzeugung eines kollimierten Lichtstrahls von dem Emitter 9, 11 an den Detektor ist ein wichtiges Merkmal, das einen exakten Betrieb des Codierers gewährleistet. Von dem kollimierten Strahl streuendes Licht ist nicht wünschenswert und trägt zu parallaxen Fehlern in dem Codierer und zu einer Verschlechterung des funktionstüchtigen Dynamikbereichs der Photoerfassungselemente bei.The generation of a collimated light beam from the emitter 9 . 11 to the detector is an important feature that ensures accurate operation of the encoder. Light scattering from the collimated beam is undesirable and contributes to parallax errors in the encoder and degradation of the functional dynamic range of the photodetection elements.

Die lichtemittierende Diode 9 besteht aus einem Halbleiterchip, beispielsweise vorn GaP- oder GaAsP-Typ, das an einem Metalleitungsrahmen 12 angebracht und über ein direktes oder über ein Drahtbonden mit demselben elektrisch gekoppelt ist. Ferner kann die LED 9 mit einem transparenten Epoxidmaterial eingekapselt sein. Die separate Kollimatorlinse 11 ist aus einem Kunststoffmaterial geformt und ist in einer korrekten Ausrichtung mit der LED 9 an dem Gehäuse 2 angebracht.The light-emitting diode 9 consists of a semiconductor chip, for example of the front GaP or GaAsP type, attached to a metal line frame 12 attached and electrically coupled via a direct or via a wire bonding. Furthermore, the LED 9 be encapsulated with a transparent epoxy material. The separate collimator lens 11 is molded from a plastic material and is in correct alignment with the LED 9 on the housing 2 appropriate.

Jedoch weist der vorstehende Entwurf eines Codierermoduls verschiedene Beschränkungen auf.However, the above design of an encoder module has various limitations.

Die Kollimatorlinse 11 empfängt Licht von der LED 9 durch eine untere planare Oberfläche und fokussiert Licht, während es aus der gekrümmten oberen Oberfläche austritt. Sowohl die obere als auch die untere Oberfläche sind Brechungsoberflächen, die zu der Kollimation von Licht von der LED 9 beitragen. Folglich ist die Fähigkeit der Kollimatorlinse, Licht präzise zu kollimieren, nicht nur durch Herstellungstoleranzen und -ungenauigkeiten beim Erzeugen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche, sondern auch durch die relativen Positionen und Orientierungen der oberen und unteren Oberfläche beschränkt.The collimator lens 11 receives light from the LED 9 through a lower planar surface and focuses light as it exits the curved upper surface. Both the top and bottom surfaces are refractive surfaces leading to the collimation of light from the LED 9 contribute. Consequently, the ability of the collimator lens to collimate light precisely is limited not only by manufacturing tolerances and inaccuracies in creating the top surface and bottom surface, but also by the relative positions and orientations of the top and bottom surfaces.

Die Position der Kollimatorlinse 11 relativ zu der LED 9 ist ferner bezüglich der Leistungsfähigkeit des Emitters beim Erzeugen eines kollimierten Lichtstrahls kritisch. Eine präzise Plazierung der Linse über der LED 9 ist ein zeitaufwendiger Prozeß, der zusätzliche Kosten für den Zusammenbau des Codierermoduls bedeutet.The position of the collimator lens 11 relative to the LED 9 is also critical to the performance of the emitter in producing a collimated light beam. A precise placement of the lens over the LED 9 is a time consuming process that adds cost to the assembly of the encoder module.

Auf dem Markt besteht eine steigende Nachfrage nach kompakteren Entwürfen von Codierern. Eine Einbeziehung einer an dem Codierergehäuse angebrachten Kollimatorlinse schränkt die Fähigkeit von Herstellern, kleinere Codierer zu entwerfen, ein.There is an increasing demand in the market for more compact designs of encoders. Inclusion of a collimator lens mounted on the encoder housing limits the ability of manufacturers to design smaller encoders.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine lichtemittierende Vorrichtung, die ein lichtemittierendes Element und ein transparentes Medium aufweist, vorgesehen, das das lichtemittierende Element einkapselt, wobei das transparente Medium eine konvexe asphärische Außenoberfläche aufweist, die gestaltet ist, um Licht, das von dem lichtemittierenden Element empfangen wird, zu einem im wesentlichen kollimierten Strahl zu fokussieren.According to a first aspect of the present invention, there is provided a light-emitting device having a light-emitting element and a transparent medium encapsulating the light-emitting element, the transparent medium having a convex aspheric outer surface configured to receive light incident from the light-emitting element light-emitting element is to focus to a substantially collimated beam.

Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der Erfindung weist den Vorteil auf, daß sie eine kompakte Vorrichtung zum Erzeugen eines kollimierten Lichtstrahls liefert. Die lichtemittierende Vorrichtung kann vorteilhafterweise als Emitter in einem optischen Codierermodul verwendet werden, wo der durch den Emitter erzeugte kollimierte Lichtstrahl besondere Vorzüge aufweist. Die lichtemittierende Vorrichtung kann überdies vorteilhafterweise bei anderen Anwendungen verwendet werden, bei denen eine kompakte Quelle kollimierten Lichts erforderlich ist.A light-emitting device according to the invention has the advantage that it provides a compact device for generating a collimated light beam. The light-emitting device may advantageously be used as an emitter in an optical Encoder module can be used, where the produced by the emitter collimated light beam has particular advantages. Moreover, the light-emitting device can be advantageously used in other applications where a compact source of collimated light is required.

Ein weiterer Vorteil der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß Licht unter Verwendung einer einzigen Brechungsschnittstelle kollimiert wird. Daher muß jeder Lichtstrahl von dem lichtemittierenden Element lediglich einmal gebrochen werden, bevor er in das kollimierte Strahlenbündel eintritt. Die einzige optische Schnittstelle führt zu einem einfacheren Strahlengang, der wiederum zu einer größeren Intensität von Licht führt, das zu dem kollimierten Strahl durchgelassen wird.Another advantage of the light-emitting device according to the invention is that light is collimated using a single refractive interface. Therefore, each light beam from the light-emitting element need only be refracted once before entering the collimated beam. The single optical interface results in a simpler beam path, which in turn results in a greater intensity of light being transmitted to the collimated beam.

Idealerweise ist die konvexe asphärische Außenoberfläche um eine optische Achse radial symmetrisch, und das lichtemittierende Element ist im wesentlichen auf der optischen Achse der konvexen asphärischen Außenoberfläche positioniert.Ideally, the convex aspherical outer surface is radially symmetric about an optical axis, and the light emitting element is positioned substantially on the optical axis of the convex aspheric outer surface.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die konvexe asphärische Außenoberfläche durch den Ausdruck

Figure 00040001
definiert,
wobei R die Entfernung zwischen einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche und der optischen Achse ist, Z die Entfernung zwischen einer Projektion des Punktes auf die optische Achse und dem Schnittpunkt zwischen der optischen Achse und der asphärischen Oberfläche ist, m aus der Gruppe von Ganzzahlen ausgewählt ist, die größer sind als zwei, und r durch den Ausdruck r = f·(n – 1)/n definiert ist,
wobei n der Brechungsindex des transparenten Mediums ist und f die Entfernung zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Schnittpunkt zwischen der optischen Achse und der asphärischen Oberfläche ist.In a preferred embodiment, the convex aspheric outer surface becomes the expression
Figure 00040001
Are defined,
where R is the distance between a point on the aspherical surface and the optical axis, Z is the distance between a projection of the point on the optical axis and the intersection between the optical axis and the aspheric surface, m is selected from the group of integers which are greater than two, and r by the term r = f * (n-1) / n is defined
where n is the refractive index of the transparent medium and f is the distance between the light-emitting element and the intersection between the optical axis and the aspherical surface.

Vorzugsweise ist das transparente Einkapselungsmaterial eine Epoxidverbindung. Ferner kann die konvexe asphärische Außenoberfläche durch ein Formen des transparenten Einkapselungsmediums, beispielsweise der Epoxidverbindung, hergestellt werden. Somit weist die lichtemittierende Vorrichtung den Vorteil auf, daß sie unter Verwendung von Massenproduktionstechniken auf präzise Weise hergestellt werden kann.Preferably, the transparent encapsulating material is an epoxy compound. Further, the convex aspheric outer surface may be formed by molding the transparent encapsulating medium, for example, the epoxy compound. Thus, the light emitting device has the advantage that it can be manufactured in a precise manner using mass production techniques.

Geeigneterweise ist das lichtemittierende Element eine lichtemittierende Diode.Suitably, the light emitting element is a light emitting diode.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das lichtemittierende Element elektrisch mit einem Leitungsrahmen gekoppelt, wobei der Leitungsrahmen teilweise durch das transparente Medium eingekapselt ist.In a preferred embodiment, the light emitting element is electrically coupled to a lead frame, the lead frame being partially encapsulated by the transparent medium.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Codierermodul zum Erfassen von Licht vorgesehen, das durch eine Transmission durch ein bewegliches Bauglied moduliert ist, wobei das Codierermodul folgende Merkmale aufweist: einen Emitter, der ein lichtemittierendes Element und ein transparentes Medium, das das lichtemittierende Element einkapselt, aufweist, wobei das transparente Medium eine konvexe asphärische Außenoberfläche aufweist, die gestaltet ist, um Licht, das von dem lichtemittierenden Element empfangen wird, zum Beleuchten des beweglichen Bauglieds zu einem im wesentlichen kollimierten Lichtstrahl zu fokussieren; und einen Detektor, der dem Emitter zugewandt ist, zum Erfassen von moduliertem Licht des durch das bewegliche Bauglied transmittierten kollimierten Strahls.According to a second aspect of the present invention, there is provided an optical encoder module for detecting light modulated by transmission through a movable member, the encoder module comprising: an emitter comprising a light-emitting element and a transparent medium containing the light-emitting element; Encapsulating element, the transparent medium having a convex aspherical outer surface configured to focus light received by the light emitting element to illuminate the movable member to a substantially collimated light beam; and a detector facing the emitter for detecting modulated light of the collimated beam transmitted through the movable member.

Im Vergleich zu dem bekannten optischen Codierer der 1 weist das optische Codierermodul gemäß der Erfindung verschiedene Vorteile auf.Compared to the known optical encoder of 1 The optical encoder module according to the invention has several advantages.

Die konvexe asphärische Außenoberfläche empfängt Licht direkt von dem lichtemittierenden Element und fokussiert dieses Licht zu einem kollimierten Strahl bzw. Strahlenbündel. Somit muß im Vergleich zu den beiden Oberflächen der Kollimatorlinse der 1 lediglich eine einzige genaue Brechungsoberfläche hergestellt werden. Dies vereinfacht und verbilligt die Herstellung eines optischen Codierermoduls gemäß der Erfindung.The convex aspheric outer surface receives light directly from the light-emitting element and focuses that light into a collimated beam. Thus, in comparison to the two surfaces of the collimator lens of 1 only a single precise refraction surface can be made. This simplifies and reduces the cost of manufacturing an optical encoder module according to the invention.

Das lichtemittierende Element kann vor einem Zusammenbau des Codierermoduls mit der Linsenstruktur des Emitters eingekapselt und positionsmäßig ausgerichtet werden. Somit ist das Erfordernis, die Kollimatorlinse während des Zusammenbaus des Codierers der 1 präzise zu plazieren, nicht mehr gegeben.The light emitting element may be encapsulated and positionally aligned with the lens structure of the emitter prior to assembly of the encoder module. Thus, the requirement to use the collimator lens during assembly of the encoder is 1 to place precisely, no longer given.

Das lichtemittierende Element ist mit der Linsenstruktur des Emitters eingekapselt. Daher kann ein Emitter gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu der Struktur des bekannten Emitters der 1 eine integrierte Struktur mit einem flacheren Profil aufweisen. Ferner spart die integrierte Struktur Materialkosten.The light-emitting element is encapsulated with the lens structure of the emitter. Therefore, an emitter according to the present invention can be compared with the structure of the known emitter of 1 have an integrated structure with a flatter profile. Furthermore, the integrated structure saves material costs.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen: A preferred embodiment of the invention will be described below by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Querschnittsansicht eines bekannten optischen Codierermoduls; 1 a cross-sectional view of a known optical encoder module;

2 eine schematische Querschnittsansicht eines optischen Codierermoduls gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 a schematic cross-sectional view of an optical encoder module according to a preferred embodiment of the present invention;

3 eine perspektivische Querschnittsansicht des optischen Codierermoduls der 2; 3 a perspective cross-sectional view of the optical encoder module of 2 ;

4A und 4B Flußdiagramme, die mögliche Schritte zum Entwerfen einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigen; und 4A and 4B Flowcharts showing possible steps for designing a light-emitting device according to the invention; and

5 bis 8 Computersimulationsdarstellungen, die die Brechung von Lichtstrahlen in unterschiedlichen Stadien der Ausführung einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigen. 5 to 8th Computer simulation diagrams showing the refraction of light rays at different stages of the implementation of a light-emitting device according to the invention.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELSDETAILED DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT

Wie in 2 und 3 gezeigt ist, weist ein optisches Codierermodul gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 100 auf, das einstückig aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist und zwei Ausnehmungen aufweist, die übereinander angeordnet sind. Jede Ausnehmung weist ein offenes Ende und ein dem offenen Ende gegenüberliegendes geschlossenes Ende auf. In dem Gehäuse 100 ist zwischen den Ausnehmungen ein Zwischenraum 6 gebildet, derart, daß er zu einem Ende des Gehäuses 100 hin offen ist. Die Zwischenraumöffnung ist benachbart zu dem geschlossenen Ende der Ausnehmungen.As in 2 and 3 1, an optical encoder module according to a preferred embodiment of the present invention includes a housing 100 on, which is made in one piece from a plastic material and having two recesses which are arranged one above the other. Each recess has an open end and a closed end opposite the open end. In the case 100 is a gap between the recesses 6 formed so that it to one end of the housing 100 is open. The gap opening is adjacent to the closed end of the recesses.

In einer Ausnehmung ist ein eingekapselter optischer Emitter 80 untergebracht, und in der anderen Ausnehmung ist ein eingekapselter optischer Detektor 90 untergebracht. Die Einkapselung des Emitters 80 und die des Detektors 90 weisen jeweils einen Verriegelungsvorsprung 10 zur Ineingriffnahme mit jeweiligen Verriegelungsöffnungen 5, um den Emitter 80 und den Detektor 90 in einer Verriegelungsposition in den jeweiligen Ausnehmungen zu verriegeln, auf. Die Einkapselung des Emitters 80 und des Detektors 90 ist aus einem Epoxidmaterial hergestellt, das lichtdurchlässig ist.In a recess is an encapsulated optical emitter 80 housed, and in the other recess is an encapsulated optical detector 90 accommodated. The encapsulation of the emitter 80 and that of the detector 90 each have a locking projection 10 for engagement with respective locking openings 5 to the emitter 80 and the detector 90 in a locking position in the respective recesses to lock on. The encapsulation of the emitter 80 and the detector 90 is made of an epoxy material that is translucent.

Der Emitter 80 und der Detektor 90 sind derart beabstandet und aufeinander ausgerichtet, daß ein Coderad durch den Zwischenraum 6 zwischen dem Emitter 80 und dem Detektor 90 gedreht und durch das optische Codierermodul erfaßt und gelesen werden kann. Diese Ausrichtung ist in 2 durch die Achse A-A angegeben. Das durch den Emitter 80 emittierte Licht wird durch das Coderad durchgelassen oder blockiert und anschließend durch den Detektor 90 erfaßt. Da der Emitter 80 und der Detektor 90 exakt aufeinander ausgerichtet sind, d. h. da der Emitter 80 und der Detektor 90 angeordnet sind, um einander in einer präzisen Überlappungsposition zugewandt zu sein, ist ein zuverlässiger Betrieb des optischen Codierermoduls gewährleistet.The emitter 80 and the detector 90 are spaced and aligned with each other such that a code wheel passes through the gap 6 between the emitter 80 and the detector 90 can be rotated and detected and read by the optical encoder module. This alignment is in 2 indicated by the axis AA. That by the emitter 80 emitted light is transmitted or blocked by the code wheel and then by the detector 90 detected. Because the emitter 80 and the detector 90 are aligned exactly to each other, ie because the emitter 80 and the detector 90 are arranged to face each other in a precise overlapping position, a reliable operation of the optical encoder module is ensured.

Der Emitter 80 weist einen Metalleitungsrahmen 110, einen LED-Chip 120 (LED = lichtemittierende Diode) und ein geformtes Epoxidkapselungsmaterial 130 auf. Der LED-Chip 120 ist durch eine beliebige geeignete Technik, die Fachleuten bekannt ist, beispielsweise durch Drahtbonden, an zwei Anschlußleitungen des Metalleitungsrahmens angebracht und mit denselben elektrisch gekoppelt. Die beiden Anschlußleitungen liefern dem LED-Chip 120 eine elektrische Leistung, so daß er als lichtemittierendes Element für den Emitter agieren kann.The emitter 80 has a metal line frame 110 , an LED chip 120 (LED = light emitting diode) and a molded epoxy encapsulating material 130 on. The LED chip 120 is attached to and electrically coupled to two leads of the metal line frame by any suitable technique known to those skilled in the art, for example by wire bonding. The two leads supply the LED chip 120 an electric power so that it can act as a light-emitting element for the emitter.

Die Gesamtheit des LED-Chips 120 und mit dem LED-Chip 120 gekoppelte Abschnitte des Leitungsrahmens 110 sind durch eine geformte Epoxidharzverbindung 130 eingekapselt. Das Kapselungsmaterial ist geformt, um über dem LED-Chip 120 eine asphärische Linse 135 zu liefern. Die asphärische Linse 135 weist eine optische Achse entlang der Achse A-A auf und ist derart gestaltet, daß durch den LED-Chip 120 emittiertes Licht zu einem kollimierten Strahl gebrochen wird. Die asphärische Linse ist durch eine einzige Linsenoberfläche 140 definiert. Zu der Linse 135 benachbarte Oberflächen 150 sind aufgerauht, um eine innere Reflexion zu verhindern und um Streulichtstrahlen in dem kollimierten Lichtstrahlenbündel zu verringern.The entirety of the LED chip 120 and with the LED chip 120 coupled sections of the lead frame 110 are by a molded epoxy resin compound 130 encapsulated. The encapsulation material is molded to over the LED chip 120 an aspherical lens 135 to deliver. The aspherical lens 135 has an optical axis along the axis AA and is designed such that through the LED chip 120 emitted light is refracted into a collimated beam. The aspheric lens is through a single lens surface 140 Are defined. To the lens 135 adjacent surfaces 150 are roughened to prevent internal reflection and to reduce stray light rays in the collimated light beam.

Das Profil der konvexen asphärischen Außenoberfläche 140 ist durch den Ausdruck

Figure 00090001
definiert,
wobei R die Entfernung zwischen einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche und der optischen Achse ist, Z die Entfernung zwischen einer Projektion des Punktes auf die optische Achse und dem Schnittpunkt zwischen der optischen Achse und der asphärischen Oberfläche ist, m aus der Gruppe von Zahlen ausgewählt ist, die größer sind als zwei, c und kn Konstanten sind und r durch den Ausdruck: r = f·(n – 1)/n definiert ist,
wobei n der Brechungsindex des transparenten Mediums ist und f die Entfernung zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Schnittpunkt zwischen der optischen Achse und der asphärischen Oberfläche ist. Für ein Epoxidkapselungsmaterial beträgt der Wert von n ungefähr 1,5. Die Entfernung zwischen der Oberseite der Linsenoberfläche und dem LED-Chip 120 kann beispielsweise 3 mm betragen, und der größte Radius R der Linse kann beispielsweise 1,3 mm betragen. Die Breite des kollimierten Strahls an dem Detektor ist als anvisierte Beleuchtungsfleckgröße bekannt.The profile of the convex aspherical outer surface 140 is through the expression
Figure 00090001
Are defined,
where R is the distance between a point on the aspherical surface and the optical axis, Z is the distance between a projection of the point on the optical axis and the intersection between the optical axis and the aspherical surface, m is selected from the group of numbers that are greater than two, c and k n are constants, and r is expressed by the expression: r = f * (n-1) / n is defined
where n is the refractive index of the transparent medium and f is the distance between the light-emitting element and the intersection between the optical axis and the aspherical surface. For an epoxy encapsulant, the value of n is about 1.5. The distance between the top of the lens surface and the LED chip 120 may for example be 3 mm, and the largest radius R of the lens may be for example 1.3 mm. The width of the collimated beam at the detector is known as the targeted spot size.

Die spezifische Gestalt der Linsenoberfläche hängt von dem Wert der Konstanten c und kn ab. Aufgrund der Komplexität der Gleichung sind mathematische oder rechentechnische Lösungsansätze zum Ableiten der Konstanten c und kn nicht geeignet. Statt dessen werden die Konstanten unter Verwendung eines in den 4A und 4B veranschaulichten systematischen Verfahrens auf empirische Weise ermittelt.The specific shape of the lens surface depends on the value of the constants c and k n . Due to the complexity of the equation, mathematical or computational approaches to derive the constants c and k n are not suitable. Instead, the constants are calculated using one in the 4A and 4B illustrated systematic method empirically determined.

Unter Verwendung eines Optiksimulationsprogramms, beispielsweise des Advanced Systems Analysis Program (ASAP), das von Breault Research Organisation, Inc., Tucson, Arizona, erhältlich ist, ist es möglich, die Konstanten bis zu der zwanzigsten Ordnung von R, d. h. wobei n = 10, zu ermitteln.Using an optical simulation program, such as the Advanced Systems Analysis Program (ASAP) available from Breault Research Organization, Inc. of Tucson, Arizona, it is possible to calculate the constants up to the twentieth order of R, i. H. where n = 10, to be determined.

Unter Bezugnahme auf 4A zeigt das Flußdiagramm eine Reihe von Schritten 400 bis 460, die zum Entwerfen eines Profils für die asphärische Linsenoberfläche 140 gemäß der Erfindung geeignet sind. Bei dem ersten Schritt 400 müssen Informationen, die die Zielcharakteristika des optischen Codierermoduls betreffen, zusammengetragen werden. Im einzelnen müssen die Zielhöhe h für den eingekapselten optischen Emitter 80, die Beleuchtungsfleckgröße w an dem eingekapselten optischen Detektor 90 und der Brechungsindex n1 des geformten Epoxidkapselungsmaterials 130 ermittelt werden.With reference to 4A the flowchart shows a series of steps 400 to 460 For designing a profile for the aspherical lens surface 140 are suitable according to the invention. At the first step 400 For example, information concerning the target characteristics of the optical encoder module must be collected. Specifically, the target height h must be for the encapsulated optical emitter 80 , the illumination spot size w on the encapsulated optical detector 90 and the refractive index n 1 of the molded epoxy encapsulating material 130 be determined.

Bei Schritt 410 wird die Zielentfernung zwischen dem lichtemittierenden Element 120 und dem Schnittpunkt zwischen der optischen Achse A-A und der asphärischen Linsenoberfläche 140 auf einen Wert eingestellt, der niedriger ist als die Höhe h des Emitters 80.At step 410 becomes the target distance between the light-emitting element 120 and the intersection between the optical axis AA and the aspherical lens surface 140 set to a value lower than the height h of the emitter 80 ,

Ausgehend von den Werten der Entfernung f und des Brechungsindex n1 wird bei Schritt 420 ein Krümmungsradiuswert r für die Linse berechnet.Starting from the values of the distance f and the refractive index n 1 , in step 420 calculated a radius of curvature r for the lens.

Bei Schritt 430 wird das Profil der Linse gemäß der vorgeschriebenen Formel unter Verwendung der Kreiskoordinaten Z und R berechnet. Die in der Formel angegebenen Koeffizienten werden mit Hilfe eines Optiksimulationsprogramms empirisch ermittelt. Das Diagramm 2 in 4B veranschaulicht die Schritte zum Durchführen der empirischen Messungen.At step 430 For example, the profile of the lens is calculated according to the prescribed formula using the circle coordinates Z and R. The coefficients given in the formula are empirically determined by means of an optical simulation program. The diagram 2 in 4B illustrates the steps to perform the empirical measurements.

Schritte 440 und 450 liefern dem Entwerfer eine Auswahl, ob er die Seitenwände 150 matt gestaltet, um Strahlen einer inneren Reflexion zu verringern, und falls das der Fall ist, ob die mattierten Wände 150 eine absorbierende Beschichtung umfassen. Schließlich veranschaulicht Schritt 460 den Schritt des Sendens des Entwurfs zur Herstellung.steps 440 and 450 Give the designer a choice, whether he has the sidewalls 150 dulled to reduce rays of internal reflection, and if so, whether the frosted walls 150 comprise an absorbent coating. Finally, step illustrated 460 the step of sending the design to manufacture.

Unter Bezugnahme auf 4B veranschaulicht der erste Schritt 470 bei dem empirischen Meßprozeß, wie das Simulationsprogramm programmiert ist, um fünf Elemente zu definieren. Unter weiterer Bezugnahme auf 5 ist das erste Element die asphärische Linsenoberfläche 54, die gemäß der vorgeschriebenen Formel des Schrittes 430 ermittelt wird, wobei die Koeffizienten d, e, f, g, ... auf Null eingestellt sind und der Koeffizient C auf einen nicht Null betragenden Wert eingestellt ist. Das zweite Element ist die LED-Seitenwand oder der Emitterkörper 52, die bzw. der eine Apertur definiert. Das dritte Element ist die LED-Basis, die eine Basis für das vierte Element liefert, wobei die isotrope Punktlichtquelle 50 bei einer Entfernung f von dem Apex der Linsenoberfläche angeordnet ist. Das fünfte Element ist die Detektorebene 56, die bei einer Entfernung, die dem Detektor 90 entspricht, positioniert ist.With reference to 4B illustrates the first step 470 in the empirical measurement process, how the simulation program is programmed to define five elements. With further reference to 5 the first element is the aspherical lens surface 54 according to the prescribed formula of the step 430 is determined, wherein the coefficients d, e, f, g, ... are set to zero and the coefficient C is set to a nonzero value. The second element is the LED sidewall or the emitter body 52 that defines an aperture. The third element is the LED base which provides a base for the fourth element, the isotropic point light source 50 at a distance f from the apex of the lens surface. The fifth element is the detector plane 56 that at a distance that the detector 90 corresponds, is positioned.

Wie in 5 gezeigt ist, werden Lichtstrahlen durch das Optiksimulationsprogramm simuliert, wie sie von der Punktlichtquelle 50 in einer einzigen Ebene zwischen 0 Grad und 180 Grad bei feststehenden winkelmäßigen Intervallen emit- tiert werden. Das Programm simuliert eine Brechung der Lichtstrahlen durch das asphärische Linsenoberflächenelement 54 hin zu dem Detektor 90.As in 5 is shown, light rays are simulated by the optical simulation program, such as from the point light source 50 in a single plane between 0 degrees and 180 degrees at fixed angular intervals. The program simulates refraction of the light rays through the aspherical lens surface element 54 towards the detector 90 ,

Bei Schritt 480 des Diagramms 2 wird der Koeffizient C zunächst durch ein Anpassen seines Werts, bis die Lichtstrahlen so nahe bei der optischen Achse wie möglich kollimiert sind, optimiert. In diesem Stadium sind die anderen Koeffizienten oder Konstanten auf Null eingestellt.At step 480 of the graph 2, the coefficient C is first optimized by adjusting its value until the light beams are collimated as close to the optical axis as possible. At this stage, the other coefficients or constants are set to zero.

In den nachfolgenden Schritten 491 bis 499 wird anschließend wiederum jede Konstante optimiert, d. h. mit zunehmendem n, bis der Lichtstrahl als ein im wesentlichen kollimierter Lichtstrahl optimiert ist. Falls eine Konstante beträchtlich angepaßt wurde, kann es sein, daß die vorhergehende Konstante erneut optimiert werden muß, wie in den Schritten 493 und 497 gezeigt ist.In the following steps 491 to 499 In turn, each constant is then optimized, ie, with increasing n, until the light beam is optimized as a substantially collimated light beam. If a constant has been significantly adjusted, it may be necessary to re-optimize the previous constant as in the steps 493 and 497 is shown.

Bei dem abschließenden Schritt 500 wird die Verteilung der Lichtstrahlen auf der Detektorebene analysiert, um zu beurteilen, ob eine Mehrheit gleichmäßig über die festgelegte Fleckgröße w verteilt ist. Falls dies der Fall ist, sind die Koeffizienten erfolgreich optimiert.At the final step 500 the distribution of light rays at the detector plane is analyzed to judge if a majority is evenly distributed over the specified spot size w. If so, the coefficients are successfully optimized.

5 zeigt die simulierten Lichtstrahlen für einen nichtoptimierten Wert von c, 6 zeigt die Lichtstrahlen für einen optimierten Wert von c, 7 zeigt die Lichtstrahlen für einen optimierten Wert von d und 8 zeigt die Lichtstrahlen für alle Konstanten bis zu n = 10 optimiert. 5 shows the simulated light rays for a non-optimized value of c, 6 shows the light rays for an optimized value of c, 7 shows the light rays for an optimized value of d and 8th shows the light rays optimized for all constants up to n = 10.

Claims (10)

Eine lichtemittierende Vorrichtung, die ein lichtemittierendes Element und ein transparentes Medium, das das lichtemittierende Element einkapselt, aufweist, wobei das transparente Medium eine konvexe asphärische Außenoberfläche aufweist, sodass das transparente Medium mittels der asphärischen Außenoberfläche eine Linse (135) bildet, die gestaltet ist, um Licht, das von dem lichtemittierenden Element empfangen wird, zu einem im wesentlichen kollimierten Strahl zu fokussieren, wobei zu der Linse benachbarte Oberflächen (150) aufgeraut sind.A light-emitting device comprising a light-emitting element and a transparent medium encapsulating the light-emitting element, the transparent medium having a convex aspheric outer surface so that the transparent medium has a lens (Fig. 135 ) designed to focus light received by the light-emitting element into a substantially collimated beam, with surfaces adjacent to the lens ( 150 ) are roughened. Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die konvexe asphärische Außenoberfläche um eine optische Achse radial symmetrisch ist.A light-emitting device according to claim 1, wherein the convex aspherical outer surface is radially symmetric about an optical axis. Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der das lichtemittierende Element im Wesentlichen auf der optischen Achse der konvexen asphärischen Außenoberfläche positioniert ist.A light-emitting device according to claim 2, wherein the light-emitting element is positioned substantially on the optical axis of the convex aspherical outer surface. Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die konvexe asphärische Außenoberfläche durch den Ausdruck
Figure 00130001
definiert ist, wobei R die Entfernung zwischen einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche und der optischen Achse ist, Z die Entfernung zwischen einer Projektion des Punktes auf die optische Achse und dem Schnittpunkt zwischen der optischen Achse und der asphärischen Oberfläche ist, m aus der Gruppe von Zahlen ausgewählt ist, die großer sind als zwei, c und kn empirisch ermittelte Konstanten sind und r durch den Ausdruck r = f·(n – 1)/n definiert ist, wobei n der Brechungsindex des transparenten Mediums ist und f die Entfernung zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Schnittpunkt zwischen der optischen Achse und der asphärischen Oberfläche ist.A light-emitting device according to claim 3, wherein said convex aspherical outer surface is defined by said expression
Figure 00130001
where R is the distance between a point on the aspherical surface and the optical axis, Z is the distance between a projection of the point on the optical axis and the intersection between the optical axis and the aspheric surface, m is from the group of Numbers are selected which are greater than two, c and k n are empirically determined constants and r by the expression r = f * (n-1) / n where n is the refractive index of the transparent medium and f is the distance between the light emitting element and the intersection between the optical axis and the aspheric surface. Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das transparente Einkapselungsmedium eine Epoxidverbindung ist.A light-emitting device according to any one of the preceding claims, wherein the transparent encapsulating medium is an epoxy compound. Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die konvexe asphärische Außenoberfläche durch ein Formen des transparenten Einkapselungsmediums erzeugt ist.A light-emitting device according to any one of the preceding claims, wherein the convex aspherical outer surface is formed by molding the transparent encapsulating medium. Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das lichtemittierende Element eine lichtemittierende Diode ist.A light-emitting device according to any one of the preceding claims, wherein the light-emitting element is a light-emitting diode. Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das lichtemittierende Element mit einem Leitungsrahmen elektrisch gekoppelt ist, wobei der Leitungsrahmen teilweise durch das transparente Medium eingekapselt ist.A light-emitting device according to any one of the preceding claims, wherein the light-emitting element is electrically coupled to a lead frame, the lead frame being partially encapsulated by the transparent medium. Ein optisches Codierermodul zum Erfassen von Licht, das durch eine Transmission durch ein bewegliches Bauglied moduliert ist, wobei das Codierermodul folgende Merkmale aufweist: einen Emitter, der ein lichtemittierendes Element und ein transparentes Medium, das das lichtemittierende Element einkapselt, aufweist, wobei das transparente Medium eine konvexe asphärische Außenoberfläche aufweist, sodass das transparente Medium mittels der asphärischen Außenoberfläche eine Linse (135) bildet, die gestaltet ist, um Licht, das von dem lichtemittierenden Element empfangen wird, zum Beleuchten des beweglichen Bauglieds zu einem im wesentlichen kollimierten Lichtstrahl zu fokussieren, wobei zu der Linse benachbarte Oberflächen (150) aufgeraut sind; und einen Detektor, der dem Emitter zugewandt ist, zum Erfassen von moduliertem Licht des durch das bewegliche Bauglied transmittierten kollimierten Strahls.An optical encoder module for detecting light modulated by transmission through a moveable member, the encoder module comprising: an emitter having a light emitting element and a transparent medium encapsulating the light emitting element, the transparent medium has a convex aspheric outer surface, so that the transparent medium by means of the aspherical outer surface of a lens ( 135 ) configured to focus light received by the light-emitting element to illuminate the movable member into a substantially collimated light beam, wherein surfaces adjacent to the lens (Fig. 150 ) are roughened; and a detector facing the emitter for detecting modulated light of the collimated beam transmitted through the movable member. Ein optisches Codierermodul gemäß Anspruch 9, bei dem das bewegliche Bauglied ein Coderad ist.An optical encoder module according to claim 9, wherein the movable member is a code wheel.
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