(57)【要約】【課題】赤外線無線通信用の従来の球面レンズの直径より小さい直径を有するレンズを提供すること【解決手段】赤外線無線通信トランシーバのダイオード用の双湾曲レンズが開示される。発光デバイス、光検出デバイス、及びトランシーバのような、係る双湾曲レンズを有するデバイスも開示される。係るレンズを設計するための方法、係るレンズ有するデバイスを製造するための方法も開示される。開示された双湾曲レンズは、下側半球形部分、及び上側非球面部分を有する。双湾曲レンズと共に使用される発光ダイオード及び光検出器は、赤外線通信協会の標準規格及びプロトコルに従った対称的な放射強度特性を示す。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードと、及び
双湾曲ドームレンズとを含み、そのレンズが、
第１の半径からなる半球形部分と、及び
第２の半径、及びゼロに等しくない円錐定数からなる非球面部分とからなる、発光デバイス。
【請求項２】
前記半球形部分が前記ドームの下側部分であり、前記非球面部分が前記ドームの上側部分である、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記発光ダイオードから放射されて前記双湾曲レンズを介して伝達された光が、放射強度分布を含み、前記放射強度分布が、水平角方向で対称であり、頂角方向で対称である、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記発光ダイオードが発光チップであり、前記発光チップが前記双湾曲ドームレンズに埋め込まれている、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記発光ダイオードが発光ダイであり、前記発光ダイが前記双湾曲ドームレンズに埋め込まれている、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項６】
光検出器と、及び
双湾曲ドームレンズとを含み、そのレンズが、
第１の半径からなる半球形部分と、及び
第２の半径、及びゼロに等しくない円錐定数からなる非球面部分とからなる、光検出デバイス。
【請求項７】
前記光検出器が光検出器チップであり、前記光検出器チップが前記双湾曲ドームレンズに埋め込まれている、請求項６に記載の光検出デバイス。
【請求項８】
前記光検出器が光検出器ダイであり、前記光検出器ダイが前記双湾曲ドームレンズに埋め込まれている、請求項６に記載の光検出デバイス。
【請求項９】
発光ダイオードから光を生成し、
双湾曲レンズを通じて光を伝達することを含み、
前記双湾曲レンズが第１の半球形部分と第２の非球面部分とからなる、光を放射する方法。
【請求項１０】
第１の半球形部分と第２の非球面部分とからなる双湾曲レンズを通じて、光を伝達し、及び
光を光検出器で受光することを含む、光を検出する方法。
【請求項１１】
発光デバイスと、及び
光検出デバイスとを含み、
前記発光デバイスが、
発光ダイオードと、及び
半球形部分と非球面部分とからなる第１の双湾曲レンズとを含み、
前記光検出デバイスが、
光検出器と、及び
半球形部分と非球面部分とからなる第２の双湾曲レンズとを含む、トランシーバ。
【請求項１２】
トランスファー成形方法によって、前記第１の双湾曲レンズが、前記発光ダイオードの上に形成され、前記第２の双湾曲レンズが、前記光検出器の上に形成される、請求項１１に記載のトランシーバ。
【請求項１３】
前記第１及び第２の双湾曲レンズが、水平方向及び垂直方向に放射を対称的に分布させる、請求項１１に記載のトランシーバ。
【請求項１４】
前記第１及び第２の双湾曲レンズの第１の半球形部分が、第１の半径からなり、前記第１及び第２の双湾曲レンズの第２の非球面部分が、第２の半径、及びゼロに等しくない円錐定数からなる、請求項１１に記載のトランシーバ。
【請求項１５】
前記発光ダイオードが赤外線光を放射し、前記光検出器が赤外線光を検出する、請求項１１に記載のトランシーバ。
【請求項１６】
前記発光ダイオードが発光チップであり、前記発光チップが前記第１の双湾曲レンズに埋め込まれている、請求項１１に記載のトランシーバ。
【請求項１７】
前記発光ダイオードが発光ダイであり、前記発光ダイが前記第１の双湾曲レンズに埋め込まれている、請求項１１に記載のトランシーバ。
【請求項１８】
前記光検出ダイオードが、光検出チップであり、前記光検出チップが前記第２の双湾曲レンズに埋め込まれている、請求項１１に記載のトランシーバ。
【請求項１９】
前記光検出ダイオードが、光検出ダイであり、前記光検出ダイが前記第２の双湾曲レンズに埋め込まれている、請求項１１に記載のトランシーバ。
【請求項２０】
プリント回路基板の基板上に無線通信デバイスを製作するための方法であって、
前記プリント回路基板の基板とダイオードチップを結合し、及び
前記ダイオードチップの上にレンズを形成することを含み、前記レンズが双湾曲外形からなる、方法。
【請求項２１】
前記ダイオードチップをエポキシの層で覆うことを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記双湾曲外形が、第１の半径からなる第１の球面部分と、第２の半径、及びゼロに等しくない円錐定数からなる第２の非球面部分とからなる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の球面部分が、前記双湾曲外形の下側部分であり、前記第２の非球面が、前記双湾曲外形の上側部分である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記プリント回路基板の基板が、電気端子を含み、前記ダイオードチップが、ボンディング可能ワイヤで前記プリント回路基板の基板と結合される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記レンズが、トランスファー成形方法により前記ダイオードチップの上に形成され、前記トランスファー成形方法が、
双湾曲レンズの金型を含むトランスファー成形装置に前記プリント回路基板を配置し、及び
前記双湾曲レンズの金型へカプセルの材料物質を流し込むことを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記ダイオードチップの上に前記レンズを形成した後で、前記プリント回路基板を加熱硬化することを更に含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ダイオードチップが、発光ダイオードチップである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記ダイオードチップが、光検出器チップである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
複数のダイオードチップが前記プリント回路基板の基板と結合され、複数の双湾曲レンズが前記複数のダイオードチップの上に形成され、前記方法が、前記プリント回路基板を無線通信ユニットへ単一化することを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
発光ダイオード用のレンズを設計するための方法であって、
前記レンズの下側球面部分をシミュレートし、
前記レンズの上側部分の対応する非球面外形を開発し、
前記下側球面部分と前記上側非球面部分とからなる双湾曲ドームをシミュレートし、
前記双湾曲ドームを介した放射強度特性をシミュレートし、
前記放射強度特性を評価し、
前記放射強度特性が最高点に関して対称であるか否かを判定し、
前記放射強度特性が前記最高点に関して対称でない場合、前記双湾曲ドームのパラメータを変更し、及び
前記放射強度特性が前記最高点に関して対称になるまで、前記双湾曲ドームを介した放射強度特性をシミュレートすること、前記放射強度特性を評価すること、前記放射強度特性が最高点に関して対称であるか否かを判定すること、及び前記双湾曲ドームのパラメータを変更することを繰り返すことを含む、方法。
【請求項３１】
前記レンズの上側部分の対応する非球面外形を開発することが、光線追跡技術によって達成される、請求項３０に記載のレンズを設計するための方法。
【請求項３２】
前記双湾曲ドームを介した放射強度特性をシミュレートすることが、光線当たりのフラックスの分析を考慮することにより達成される、請求項３０に記載のレンズを設計するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、概して無線通信デバイスに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、無線通信デバイスにおいて、発光ダイオード（ＬＥＤ）（単数又は複数）のチップ／ダイ、及び光検出器（ＰＤ：Photo detector）（単数又は複数）のチップ／ダイと共に使用されるレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）及び光検出器は、ラップトップコンピュータ、携帯情報端末、プリンタ、携帯電話、モデム、デジタル式ポケベル、電子カメラ、及びハンドヘルドコンピュータなどの装置において、無線赤外線通信を容易にするために、レンズを用いて又は用いずに広く使用されている。無線通信の人気の高まりにより、無線通信デバイス内のトランシーバなどのコンポーネントに対して小さいフォームファクタの猛烈な要求が生じている。
【０００３】
一般的な無線通信デバイスでは、トランシーバと呼ばれる装置において、赤外線送信機（例えば、レンズを備えるＬＥＤのチップ／ダイ）が、赤外線受信機（例えば、光検出器のチップ／ダイ）に隣接して構成される。レンズを備えた埋込み式ＬＥＤチップ／ダイは、放出器（エミッタ：emitter）と呼ばれる。レンズを備えた埋込み式ＰＤダイ／チップは、受信機と呼ばれる。送信機と受信機は、信号処理のための集積回路に接続される。トランシーバの表面上には、２つのレンズが存在する。発光ダイオードのチップ／ダイは、１つのレンズの中央、又はその近くに位置し、光検出器のチップ／ダイは、別のレンズの中央、又はその近くに位置する。従来、図１に示されるような半径ｒ（１１５）によって描かれた球面レンズ１１０が、光の適切な方向分布を保証するために使用されていた。
【０００４】
ＬＥＤのレンズを評価する方法の１つは、放射強度特性の生成である。放射強度特性は、レンズの表面のステラジアン毎の放射束を示す。本文脈において、用語「束（フラックス）」は、ＬＥＤのステラジアン当たりの放射エネルギーを意味する。ステラジアン２１０は、図２に示された球形の３次元の単位である。１ステラジアン２１０は、立体角であり、例えば、半径ｒ（２０５）の球体２０１の中心に頂点２２１を有し、球体の半径ｒに等しい長さの辺を備えた正方形の面積に等しい、球体の表面上の領域（２２０）を切断した円錐である。即ち、１ステラジアン２１０は、半径ｒ（２０５）によって描かれた球体２０１の表面上でｒ２に等しい領域２２０を画定する立体角である。
【０００５】
球面レンズの放射強度特性は、図３に示される。水平方向のステラジアン当たりのフラックスの曲線３１０は、最高点３３０に関して実質的に対称である。また、垂直方向のステラジアン当たりのフラックスの曲線３２０も、最高点３３０に関して実質的に対称である。垂直方向と水平方向の双方におけるこの対称性は、赤外線無線通信に全世界的に採用される仕様を開発するために専念する非営利組織である、赤外線通信協会（ＩｒＤＡ）の標準規格及びプロトコルを満たすために必要とされる。理解されるように、ＩｒＤＡの標準規格及びプロトコルに準拠する市販の装置が望ましい。
【０００６】
無線デバイス内のより小さいコンポーネントに対する現在の要求を満たすための１つのアプローチは、赤外線トランシーバのＬＥＤ及び光検出器用の球面レンズをより小さく製造することである。しかしながら、ＬＥＤと共に使用される球面レンズの直径が小さくなると、ＬＥＤの輝度も減少し、それ故に信号出力が損なわれる。光検出器と共に使用される球面レンズの直径が小さくなると、光検出器で受光される光も減少し、それ故に信号処理が損なわれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の課題は、上述した技術的な問題を克服、又は少なくとも緩和することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、発光ダイオードのチップ／ダイ、及び双湾曲ドームレンズを有する発光デバイスを開示する。本発明の実施形態による双湾曲ドームレンズは、第１の半径によって画定された半球形下側部分、及び第２の半径と円錐定数により画定された非球面上側部分を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によるレンズの直径は、従来の球面レンズの直径より小さくすることができる。従って、双湾曲レンズを有するトランシーバは、球面レンズを有するトランシーバに比べてより小さく、よりコンパクトにすることができる。双湾曲レンズを用いたトランシーバを有する無線通信デバイスは、従来の球面レンズを用いたトランシーバを有する無線通信デバイスに比べてより小さく、よりコンパクトにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本明細書に組み込まれて本明細書の一部を形成する添付図面は、以下の説明と共に本発明の実施形態を例示し、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【００１１】
ここで、本発明の種々の実施形態を詳細に参照し、それらの例は、添付図面に示される。本発明は種々の実施形態に関連して説明されるが、理解されるように、本発明をこれらの実施形態に制限することは意図されていない。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の思想と範囲内に含められ得る代替形態、修正形態、及び等価物を網羅するように意図されている。更に、本発明の以下の詳細な説明において、非常に多くの特定の細部が、本発明の完全な理解を提供するために説明される。しかしながら、当業者には理解されるように、本発明はこれらの特定の細部なしに実施され得る。また、よく知られた方法、手順、コンポーネント、構造、及びデバイスは、本発明の態様を不必要に不明瞭にすることを避けるように、詳細に説明されない。
【００１２】
本発明の一実施形態は、図４に示された双湾曲ドーム形状のレンズ４００である。双湾曲レンズの外形は、２つの曲率によって画定され、従って、用語「双湾曲（bi-curvature）」を使用している。図４に示されるように、ドーム４００の下側部分４１０は、半球形外形４１１、及び半径ｒ１（４１５）を有する。上側部分４２０は、非球面外形４２１、曲率半径ｒ２（４２５）、及び円錐定数ｋを有する。円錐定数ｋは、非球面外形の偏心の関数であり、この場合、偏心は、非球面外形の球形からの偏位を定義する。球形の場合、円錐定数はゼロである。この文脈において、用語「非球面」は、球形でない、例えば円錐定数がゼロに等しくない、表面又は外形を意味する。一実施形態において、非球面外形４２１は、楕円形の外形である。
【００１３】
図５は、本発明の実施形態による双湾曲レンズ（図４のような）を有するＬＥＤの配光の放射強度特性５００を示す。水平方向におけるステラジアン当たりのフラックス（５１０）は、最高点５３０に関して対称である。また、垂直方向におけるステラジアン当たりのフラックス（５２０）も、最高点５３０に関して対称である。放射強度の水平方向と垂直方向の双方における最高点に関する対称性は、赤外線通信協会（ＩｒＤＡ）の標準規格及びプロトコルを満たすために必要とされる。
【００１４】
ここで、図６を参照すると、本発明の一実施形態に従って、双湾曲レンズ６０１を用いて、例えば赤外線放射デバイスのような発光ダイオードのチップ／ダイ６２０から放射された光６１０を方向付けることができる。また、図７に示されるように、本発明の実施形態による双湾曲レンズ７０１を用いて、光検出器７２０での検出のために光７１０を方向付けることができる。一実施形態において、図７に示された光検出器７２０は光検出器チップであり、別の実施形態において、図７に示された光検出器７２０は光検出器ダイである。本発明の実施形態による双湾曲ドームレンズは、可視光、赤外光、紫外線、又は他の光の任意の波長を案内するために使用され得る。本発明の実施形態による双湾曲ドームレンズを介して伝達される光は、ＩｒＤＡによって必要とされるような、水平方向及び垂直方向に沿った放射強度の対称性を示す。
【００１５】
本発明によるレンズの直径は、従来の球面レンズの直径より小さくすることができる。従って、双湾曲レンズを有するトランシーバは、球面レンズを有するトランシーバに比べてより小さく、よりコンパクトにすることができる。双湾曲レンズを用いたトランシーバを有する無線通信デバイスは、従来の球面レンズを用いたトランシーバを有する無線通信デバイスに比べてより小さく、よりコンパクトにすることができる。
【００１６】
図８は、赤外線無線通信トランシーバの一実施形態における無線通信トランシーバ８００を示す。ＬＥＤチップ８２０は、ボンディング可能ワイヤ８２１によってＰＣＢ基板８１０と取り付けられる。光検出器チップ８３０は、ボンディング可能ワイヤ８３１によってＰＣＢ基板８１０と取り付けられる。エポキシの層８４０が、ＬＥＤチップ８２０及び光検出器チップ８３０を覆う。ＬＥＤチップ８２０によって放出される光８６５は、双湾曲レンズ８６０を介して伝達され、図５の放射強度特性によって示されるような、水平方向と垂直方向の双方において対称的な放射強度を生成する。本発明による双湾曲レンズ８５０を介して伝達される光８５５は、光検出器チップ８３０で受光される。
【００１７】
本発明の一実施形態は、水平方向及び垂直方向の双方において対称的な放射強度の光の放出を可能にする双湾曲ドームを得るために使用される設計方法である。１つの設計方法が図９の流れ図９００に記載される。最初に、ステップ９１０において、例えば半球形構造のような球面構造が、双湾曲レンズ（図４の４００）の下側部分（図４の４１０）のためにシミュレートされる。次いで、流れ図９００のステップ９２０に記載されたように、シーケンシャル光線追跡プログラムを使用して、ドーム（図４の４００）の上側部分（図４の４２０）の非球面外形（図４の４２１）を開発することができる。後続のステップ９３０は、ステップ９１０でシミュレートされた球面下側部分（図４の４１０）とステップ９２０でシミュレートされた非球面上側部分（図４の４２０）とを結合した双湾曲ドーム（図４の４００）のシミュレーションである。ひとたび結合した双湾曲ドーム構造がステップ９３０で開発されたなら、流れ図９００のステップ９４０によって示されるように、放射強度特性（例えば、図５）がドーム構造（図４の４００）全体を通じてシミュレートされる。ステップ９４０でシミュレートされた放射強度特性は、ステップ９５０で評価される。ステップ９７０において、ステップ９４０でシミュレートされた放射強度特性が好ましいか否かが判定される。ステップ９４０でシミュレートされた放射強度特性が、図５のように、水平方向と垂直方向の双方において最高点に関して対称である場合には、その特性は好ましい。放射強度特性が満足のいくものである場合、設計プロセスは終了する。放射強度特性が満足のいかないもの、例えば水平方向と垂直方向の双方において最高点に関して実質的に対称でない場合、流れ図９００のステップ９６０のように、設計の特定のパラメータが変更され得る。例えば、図４を参照すると、レンズ４００の非球面部分４２０の外形４２１は、曲率半径ｒ２（４２５）又は円錐定数ｋを増減することにより修正され得る。変更され得るパラメータの別の例は、ドーム４００の高さを基準とした下側球面部分４１０と上側非球面部分４２０との割合である。本発明の一実施形態によれば、所望の放射強度分布が得られるまで、種々の反復が実行される。流れ図９００を参照すると、ステップ９４０でシミュレートされた放射強度特性において実質的に対称性が得られるまで、ステップ９４０〜９７０は繰り返される。
【００１８】
一実施形態において、無線通信トランシーバは、図１０の流れ図１０００に記載されたようなトランスファー成形の方法により製作される。最初に、ステップ１０１０に記載されるように、ＬＥＤチップ（例えば、ＩＲＥＤチップ）又は赤外線光検出器チップのような少なくとも１つのダイオードチップが、プリント回路基板（ＰＣＢ）の基板に取り付けられる。トランシーバの場合、図８に示されるように、ＬＥＤチップ及び光検出器チップは、互いに隣接してプリント回路基板に取り付けられる。各チップは、ＰＣＢ基板の電気端子にワイヤボンディングされる。エポキシの層がプリント回路基板の基板の表面上に形成され、ダイオード（単数又は複数）を覆うことができる。次いで、ステップ１０２０に記載されるように、ＰＣＢ基板は、本発明の双湾曲ドームレンズの実施形態による双湾曲レンズの金型を有するトランスファー成形装置に配置される。ステップ１０３０へ進み、カプセルの材料（レンズの材料）が、双湾曲レンズの金型を満たすように流し込まれ、光の放射及び／又は受光の所望の特性を有する双湾曲ドームレンズを保証するために、ステップ１０４０の加熱硬化がそれに続く。加熱硬化後、プリント回路基板は、ステップ１０５０に記載されるように、個々の発光ユニット、光検出器ユニット、又はトランシーバユニットへ単一化される準備が整う。ＰＣＢの単一化は、適切なノコ引きによって達成され得る。
【００１９】
理解されるように、本発明の双湾曲ドームレンズは、効率的な光の透過を行う任意の材料から形成され得る。本発明の実施形態による双湾曲ドームレンズは、赤外線無線通信の用途に限定されない。本発明の実施形態により、光学設計者が、非常に小さいレンズ、例えば非常に小さい直径を有するレンズを用いて所望の放射強度特性を達成することが可能になる。双湾曲レンズの製造コストは、従来の球面レンズの製造コストに匹敵する。
【００２０】
本発明の特定の実施形態に関する前述の説明は、例示と説明のために提供された。これらの実施形態は、本発明を網羅的にしたり、又は開示されたそのままずばりの形態に制限することは意図されておらず、上記の教示に鑑みて多くの修正形態及び変形形態が可能である。本発明の原理、及びその実用的な用途を最も良く説明するための実施形態が選択されて説明され、それにより当業者が、企図された特定の用途に適合するように、種々の修正形態と共に本発明及び種々の実施形態を最も良く利用することが可能になる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物によって規定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＬＥＤチップ／ダイの従来の球面ドームレンズを示す図である。
【図２】ステラジアンを示す図である。
【図３】ＬＥＤチップ／ダイを用いた従来の球面ドームレンズの放射強度特性である。
【図４】本発明の実施形態による双湾曲ドームレンズを示す図である。
【図５】本発明の実施形態による双湾曲ドームレンズの放射強度特性である。
【図６】本発明の実施形態による双湾曲ドームレンズを有する発光デバイスを示す図である。
【図７】本発明の実施形態による双湾曲ドームレンズを有する受光デバイスを示す図である。
【図８】本発明の実施形態による双湾曲ドームレンズを有するトランシーバを示す図である。
【図９】双湾曲ドームレンズを設計する方法のステップを列挙した流れ図である。
【図１０】本発明に開示された放出器及び／又はレシーバＬＥＤ及び／又は光検出器デバイスを製作する方法のステップを示す流れ図である。
【符号の説明】
【００２２】
400、601、701、850、860  双湾曲ドームレンズ
411  半球形外形
421  非球面外形
800  無線通信トランシーバ
810  ＰＣＢ基板
820  ＬＥＤチップ
821、831  ボンディング可能ワイヤ
830  光検出器チップ
840  エポキシの層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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