JP2006012918A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子から発光された光を効率的に外部へ放射させるとともに、広指向角の光を外部へ放射させる発光素子の外囲器を実現する。
【解決手段】 パッケージ１１に形成された凹部１２の底部１３は平らな状態に形成し、その底部１３に発光素子１６を配置する。凹部１２には透明部材１８を、凹部１２の開口から突出させる状態で充填する。透明部材１８には、底部１３と平行となる空気との接触する第１の境界面２０１と底部１３と所定の角度を有する第２の境界面２０２を形成する。発光素子１６からの光のうち第１の境界面２０１で透明部材１８から放射できない角度の光を第２の境界面２０２で放射する。これにより、第１の境界面では全反射される領域の光を、第２の境界面で放射させるようにしたことで、外部に放射される光量を増加させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、発光素子から発光された光を、透明部材を介して外部へ効率的に放射させるようにした発光装置に関する。

従来の発光素子の外囲器としては、内壁が傾斜された凹部の平坦な底面に発光素子が設置され、この凹部を透光性の封止樹脂を用いて封止し、発光素子の光を外部に放射させている。（例えば、特許文献１）
特開２００２−２１７４５９公報（第３〜４頁、図１、２）

しかしながら、文献１に代表される外囲器では、封止樹脂と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角以上の入射角度で入射される発光素子から放射された光は、外部に出ることはなく、封止樹脂内と凹部壁面内で反射吸収等を繰り返すことにより減衰してしまう。

この発明の目的は、発光素子から発光された光を効率的に外部へ放射するとともに、広指向角の光を外部へ放射する発光装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、この発明の発光装置は、発光素子と、前記発光素子を配置した平らな底面を有する凹部と、前記凹部に突出した状態で充填された透明部材と、を具備し、前記透明部材に、前記底面に平行な空気との第１の境界面および該第１の境界面と前記凹部の開口との間に前記底面と所定の角度を有する空気との第２の境界面を形成したことを特徴とする。

この発明によれば、凹部の底面に平行な透明部材と空気との境界面に対し、発光素子から放射された光の入射角が全反射の臨界角以上であるにも拘わらず、その光を効率的に外部へ放射することができる。

以下、この発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施例）
図１は、この発明の第１の実施例における発光素子の外囲器の構成について斜視図、図２は、図１のｘ−ｘ’断面図である。
図１に示す外囲器は、一般にＳＭＤ(Surface Mount Device)型と呼ばれるもので、受けた光を完全拡散反射に近い条件で反射する白色の例えばナイロン系の樹脂や各種液晶ポリマー等の熱可塑性樹脂の枠構造のパッケージ１１に凹部１２を形成し、凹部１２の平坦な底面１３に金属製のリードフレーム１４の上面電極１４１、リードフレーム１５の上面電極１５１がそれぞれ配置される。上面電極１４１には発光ダイオード等の発光素子１６の一方電極が導電材料を用いて接続され、発光素子１６の他方の電極は例えば金製のワイヤ１７を介して上面電極１５１に接続される。この状態で、凹部１２には、透光性のあるエポキシ樹脂等の透明部材１８が充填される。透明部材１８は、パッケージ１１の上面１９から突出させた状態で形成され、底面１３に対して平行な空気（外部）との第１の境界面２０１と、底面１３に対して所定の角度を持った空気との第２の境界面２０２が形成される。

図３は、透明部材１８の屈折率を約１.５２としたとき、第１の境界面２０１に、透明部材１８側から入射された光の入射角による反射率（Ｓ偏光反射率とＰ偏光反射率の平均値）の変化について説明するための説明図である。
図３に示されるように、入射角が０°〜２６°付近（矢印ａ）までの反射率は、垂直入射の約４.３％の反射率に近い値を持っている。しかし、２６°付近から反射率は、徐々に大きくなって行き、約４１°の臨界角（矢印ｂ）以上になったときの入射角の光は、１００％の反射となる。

再び図２において、臨界角以上の入射角の光は第１の境界面２０１で全反射する。透明部材１８と第１の境界面２０１が一様に平坦であれば、発光素子１６から放射された臨界角以上の図中二点鎖線で示す領域の入射角の光は、第１の境界面２０１では全反射し、その後、凹部１２の壁面での反射による吸収損失等により減衰してしまう。これらの光が透明部材１８内で減衰する前に、外部に効率的に取り出すために、第２の境界面２０２を凹部１２の開口面に対して突出させた形状とし、それらの光の第２の境界面２０２に対する入射角を臨界角以下にする必要がある。

また、発光素子１６から放射された臨界角ｃ以下の図中一点鎖線で示す入射角の光は、第１の境界面２０１を透過できることから、それらの光が入射する第１の境界面２０１の領域は、底面１３に平行とする。ただしその領域の範囲は、発光素子１６の端１６１，１６２を頂点とするそれぞれの頂角αを、例えば臨界角ｃの２倍（約８２゜）の値から３０°を引いた範囲（約５２゜）とする円錐群が重なった領域とする。

このような領域にすることで、図３において矢印ａで示した、反射率が垂直入射の反射率に近い値の角度範囲の光を、この底面１３に平行な領域から透過させる。そして、図１において臨界角以下であるが矢印ａの範囲外の比較的反射率の高い角度範囲の光を、底面１３に対して傾斜した第２の境界面２０２から、さらに小さな入射角で効率的に外部に取り出すことができる。

透明部材１８と空気との境界面を、上記説明した形状の第１の境界面２０１と第２の境界面２０２にすることで、発光素子１６から発光された光を効率的に外部へ取り出すことができる。透明部材１８から外部に出力された光は、極めて広い指向性を有する。つまり、底面１３に対して傾斜した第２の境界面２０２から、効率的に取り出された光が、発光素子１６の観測者側表面の法線と大きな角度をなすことに起因している。

従って、発光素子１６が発光された光を効率的に外部へ取り出すことができ、かつその光の指向性は、広範囲となることから、表示機器のバックライト等として使用する際に、明るさを保ちながら、使用する個数を減らすことができることから省電力化にも寄与するという利点がある。

図４は、この透明部材１８から放射された光の出射角度による強度分布について説明するための説明図である。図中のｄ，ｅに示す領域は、第２の境界面２０２から出力される光度の上昇が見てとれる。

（第２の実施例）
図５は、この発明の第２の実施例について説明するための断面図である。この実施例と第１の実施例と同一の構成部分には同一の符号を付し、ここでは異なる構成部分を中心に説明する。

すなわち、第１の境界面２０１において、底面１３に平行な第１の境界面２０１の端５１と発光素子１６の観測者側表面の端とを結ぶ直線Ｌ１と凹部１２開口面の縁５２と発光素子１６の観測者側表面の端とを結ぶ直線Ｌ２のなす角度βを、入射臨界角の２倍以下の範囲としている。

このような角度範囲とすることで、底面１３に平行な第１の境界面２０１に対する臨界角以上の網目で示す領域５３の入射角の光を、効率的に外部に取り出すことができる。また、その角度を変化させることで、底面１３に対して傾斜した第２の境界面２０２から放射される光の量を制御でき、透明部材１８から放射される光の広指向性の程度を任意とすることができる。

なお、ここでは図中左側について説明したが右側についても同様にして発光素子１６から発光された光を、透明部材１８を介して外部に放射させるものである。

（第３の実施例）
図６は、この発明の第３の実施例について説明するための断面図である。この実施例は、凹部１２の底面１３と傾斜された空気との境界面を外側に曲面させて第２の境界面２０３とした構成部分が第１の実施例と異なるだけで、同一の構成部分は同一の符号を付して説明する。

この実施例は、第１の境界面２０１と第２の境界面２０３の境界から凹部１２の開口までを外側に所定の曲率で突出された境界面としたものである。

この場合、第１の境界面２０１に基づく発光素子１６からの光の放射に加え、第２の境界面２０３の各点に入射される光の入射角を、さらに小さくすることが可能となり、極めて効率的に外部に取り出すことができる。また、第２の境界面２０３の曲率を任意に変化させることにより、透明部材１８から放射される光の広指向性の程度を制御することができる。

（第４の実施例）
図７は、この発明の第４の実施例について説明するための断面図である。この実施例は凹部１２の内壁面１２１を拡散反射が支配的な高反射材料の例えばポリフタルアミドにより構成されたもので、第１および第２の境界面２０１，２０２から放射される光についての説明は省略し、ここでは内壁面１２１に反射し、第２の境界面２０２から放射される光について説明する。

内壁面１２１に接する図中に示す円は、内壁面１２１が均等拡散面とした場合に、発光素子１６の側面１６３あるいは観測者側表面から放射された後、高反射材料の内壁面１２１で拡散反射した光の角度による光度分布を示すものである。透明部材１８と空気との境界面が一様に平坦であるなら、これまでの記述から、内壁面１２１で拡散反射した光の内、図中の頂角が臨界角×２とする円錐（破線７１）と重なる部分の光のみが、外部に取り出される。しかし、上記した実施例の外囲器では、それ以外に、図中の角度領域７２に反射する光も、底面１３に対して傾斜した第２の境界面２０２から外部に取り出すことができる。

（第５の実施例）
図８は、この発明の第５の実施例について説明するための断面図であり、図１と同一部分には同一の符号を付しその説明は省略する。この実施例は、第４の実施例と同様に、凹部１２の内壁面１２２が、拡散反射が支配的な高反射材料から構成されており、かつ内壁面１２１と底面１３とのなす角度θを、（９０゜−臨界角（約４１°））以下としたものである。

なお、ここでは上記した第１および第２の境界面２０１，２０２から放射される発光素子１６の光が直接放射される光についての説明は省略し、内壁面１２１に反射し、第２の境界面２０２から放射される光について説明する。

すなわち、内壁面１２１と底面１３との角度θを、９０゜−臨界角（約４１°）の範囲内とすることで、境界面が一様に平坦な場合の破線８１に示す取り出し円錐を囲む全周方向の角度領域８２，８３に、反射する光を、透明部材１８を介して外部に取り出すことができる。

（第６の実施例）
図９は、この発明の第６の実施例について説明するための断面図である。この実施例は正反射が支配的な高反射材料から構成の湾曲させた内壁面１２３で反射された光が、底面１３に対して傾斜した透明部材１８の空気との第２の境界面２０２に、集光させるようにしたものである。なお、第１および第２の境界面２０１，２０２から放射される発光素子１６の光が直接放射される光についての説明は省略し、内壁面１２３に反射し、第２の境界面２０２から放射される光について説明する。

この実施例の場合、湾曲させた内壁面１２３で集光させて反射した多量の光を、底面１３に傾斜した第２の境界面２０２から放射させることで、発光素子１６の観測者側表面の法線と大きな角度をなす位置が、リング状に明るく輝くという特異な配光を得ることができる。

この発明の第１の実施例における発光装置の外観全体について説明するための斜視図。 図１のｘ−ｘ’断面図。 透明部材と空気との境界面に、透明部材側から入射した光の入射角と反射率との関係について説明するための説明図。 図２に示す外囲器から放射された光の出射角度による強度分布について説明するための説明図。 この発明の第２の実施例における発光装置の断面図。 この発明の第３の実施例における発光装置の断面図。 この発明の第４の実施例における発光装置の断面図。 この発明の第５の実施例における発光装置の断面図。 この発明の第６の実施例における発光装置の断面図。

符号の説明

１１ パッケージ
１２ 凹部
１２１，１２２，１２３ 内壁面
１３ 底面
１４，１５ リードフレーム
１４１，１５１ 上面電極
１６ 発光素子
１６１，１６２ 端
１６３ 側面
１８ 透明部材
２０１ 第１の境界面
２０２，２０３ 第２の境界面

Claims (7)

1. 発光素子と、
   前記発光素子が配置された平らな底面を有する凹部と、
   前記凹部に突出した状態で充填された透明部材と、を具備し、
   前記透明部材に、前記底面に平行な空気との第１の境界面および該第１の境界面と前記凹部の開口との間に前記底面と所定の角度を有する空気との第２の境界面を形成したことを特徴とする発光装置。
2. 前記底面に平行な領域の範囲は、前記発光素子の端を頂点とし、頂角を前記透明部材と空気との第１の境界面に対して全反射を起こす入射臨界角の２倍の値から、該値から３０°を引いた範囲とする円錐群が重なってなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記第１の境界面の前記底面に平行な面の端と前記発光素子の観測者側表面の端とを結ぶ直線と、前記開口面の縁と発光素子の前記観測者側表面の端とを結ぶ直線のなす角度を、前記入射臨界角の２倍の値以下としたことを特徴とする請求項２記載の発光装置。
4. 前記第２の境界面を前記凹部の開口面に対して凸形状の曲面としたことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の発光装置。
5. 前記凹部の内壁面を、拡散反射が支配的な高反射材料としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光装置。
6. 前記凹部の内壁面を、拡散反射が支配的な高反射材料で形成するとともに、前記凹部の内壁面と前記底面とのなす角度を、９０°−前記臨界角以下の範囲としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光装置。
7. 前記凹部の内壁面を、正反射が支配的な高反射材料で形成し、前記凹部の内壁面で反射した光が、前記底面に対して傾斜した前記透明部材と空気との境界面に集光する形状としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光装置。

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