JP2006196569A

JP2006196569A - 発光素子

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Publication number: JP2006196569A
Application number: JP2005004842A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Yamauchi; 泰介山内
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】高い外部取出効率で、明るい光を供給することが可能な発光素子を提供すること。
【解決手段】光を供給する発光部１２と、発光部１２からの光を透過させ、出射面Ｓ１から出射させる光学部であるプリズム体１５と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１３と、基板１４と、を有し、単独のプリズム体１５は、プリズム体１５の内部で放射する発光部１２からの光の放射角度分布と、出射面Ｓ１の傾斜角度分布とが略一致するように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子、特に、発光ダイオード素子（以下、適宜「ＬＥＤ」という。）等の固体発光素子の技術に関する。

従来、発光素子として、例えば、基板に半導体層を積層した構成の発光素子が用いられている。発光部からの光は、基板を透過した後、発光素子の外部へ出射する。基板と発光部とを単に積層した発光素子は、基板と空気との界面、発光部と基板との界面等、屈折率が異なる層同士の界面において光が全反射することにより、発光素子の外部取出効率が低下する場合がある。このような全反射によって発光素子の内部に光が取り込まれることにより、発光素子の外部取出効率は、例えば約８％にまで減少してしまう。明るい光を供給可能とし、さらに消費電力を低減するためには、発光素子の外部取出効率を向上させる必要がある。発光素子の外部取出効率を向上させるために、例えば、半球型レンズで発光素子を覆う手法が用いられている。発光素子より大型の半球型レンズを用いることで、発光素子と空気との界面における全反射を低減することが可能となる。

発光素子より大型の半球型レンズを用いる場合、発光素子の虚像面積が大きくなる。例えば、発光素子とレンズ系とを組み合わせて光を供給する構成では、発光素子の虚像面積が大きくなるに従い、レンズ系で取り込める光が減少する場合がある。また、複数の発光素子を集積する場合も、発光素子ごとに半球型レンズを設けることにより、発光素子を高い密度で配置することが困難になる。発光素子を広い領域に配置することにより、さらにレンズ系で集光不可能な光が増加することが考えられる。このように、半球型レンズを用いる場合、効率的な光学系を実現することが困難な場合がある。発光素子の虚像面積を大きくさせずに発光素子の外部取出効率を向上させる技術として、例えば、特許文献１に提案されているものがある。

特開平６−２９１３６８号公報

特許文献１に開示されている構成では、発光部の表面で光を散乱させることにより、発光部や基板の界面における全反射の低減を図っている。しかしながら、特許文献１の技術では、発光部の表面を粗面化する度合いに限界があるために、発光素子の外部取出効率は、発光部の表面を鏡面とする場合と比較して１０％程度向上するにとどまる。従来の技術では、発光素子の外部取出効率の更なる向上を図ることが困難であるため、発光素子を用いて効率良く明るい光を供給可能な構成を実現する上で問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、高い外部取出効率で、明るい光を供給可能な発光素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、光を供給する発光部と、発光部からの光を透過させ、出射面から出射させる光学部と、を有し、光学部は、光学部の内部で放射する発光部からの光の放射角度分布と、出射面の傾斜角度分布とが略一致するように形成されることを特徴とする発光素子を提供することができる。

本発明において放射角度分布とは、発光部から光学部へ入射し、光学部の内部で放射した光のうちある放射角度の光が存在する確率の分布をいうものとする。放射角度は、発光素子の基準面の法線と、光とがなす角度である。また、傾斜角度分布とは、出射面においてある傾斜角度の部分が存在する確率の分布をいう。傾斜角度は、出射面と基準面とがなす角度である。ある放射角度で光学部の内部を進行する光は、かかる放射角度と略同一の傾斜角度で設けられた出射面を通過させることにより、全反射や屈折の影響が最も少ない状態で出射する。光学部の内部における光の放射角度分布と、出射面の傾斜角度分布とを略一致させることにより、発光素子の全体について、発光部からの光を効率良く出射可能な構成とすることができる。発光部からの光の放射角度分布と、出射面の傾斜角度分布とが略一致するように形成された光学部を設けることにより、略平坦な平行基板から光を出射する場合と比較して、外部取出効率を例えば１．６倍に増加することが可能である。また、発光部と略同じ大きさの光学部を設けることが可能であることから、発光素子の虚像面積を増加させること無く外部取出効率を向上させることができる。これにより、高い外部取出効率で、明るい光を供給可能な発光素子を得られる。

さらに、本発明によれば、光を供給する発光部と、発光部からの光を透過させ、出射面から出射させる光学部と、を有し、光学部は、光学部の内部で放射する発光部からの光の放射角度分布において最も確率が高い放射角度と、出射面の傾斜角度とが略一致するように形成されることを特徴とする発光素子を提供することができる。ある放射角度で光学部の内部を進行する光は、かかる放射角度と略同一の傾斜角度で設けられた出射面から効率良く出射する。光学部の内部における光の放射角度分布において最も確率が高い放射角度と、出射面の傾斜角度とを略一定させることにより、発光素子の全体について、発光部からの光を効率良く出射可能な構成とすることができる。これにより、高い外部取出効率で、明るい光を供給可能な発光素子を得られる。

また、本発明の好ましい態様によれば、光学部は、単独のプリズム体により構成されることが望ましい。光学部の内部における光の放射角度分布と、出射面の傾斜角度分布とを略一致させるような単独のプリズム体を形成することができる。光学部を単独のプリズム体で構成することで、光学部を簡易な構成とすることができる。これにより、簡易、かつ外部取出効率が高い構成にできる。また、単独のプリズム体を設ける構成とする場合、一度プリズム体から出射した光が再び発光素子に取り込まれるケースを低減できるという利点がある。

また、本発明の好ましい態様としては、光学部は、複数のプリズム体をアレイ状に配置することにより構成されることが望ましい。光学部の内部における光の放射角度分布と、出射面の傾斜角度分布とを略一致させるような複数のプリズム体をアレイ状に配置することができる。複数のプリズム体を設ける構成とする場合、発光部に近接させて他の光学素子を配置することが可能となる。発光素子からの光が広い範囲に広がる前に他の光学素子へ光を入射可能な構成にできることから、小型な光学素子を用いて、発光素子から出射する光を容易に制御することができる。これにより、光の進行方向を容易に制御でき、かつ外部取出効率が高い構成にできる。

また、本発明の好ましい態様としては、光学部は、出射面のうち傾斜角度を異ならせた部分を非周期的に配置するように形成されることが望ましい。光学部の内部における光の放射角度分布と、出射面の傾斜角度分布とを略一致させ、かつ出射面の傾斜角度が非周期的である光学部を形成することができる。出射面の傾斜角度が非周期的である光学部により、一度光学部から出射した光が再び発光素子に取り込まれるケースを低減でき、かつ、発光部に近接させて他の光学素子を配置することができる。これにより、外部取出効率が高い構成とすることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、発光部の出射側に設けられた半導体層と、半導体層の出射側に設けられた基板と、を有し、光学部は、半導体層と基板との間、及び基板の出射側の少なくとも一方に設けられることが望ましい。半導体層と基板との間に光学部を設ける場合、光学部は、半導体層から光学部へ入射した光の放射角度分布と、光学部の出射面の傾斜角度分布とが略一致するように形成する。基板の出射側に光学部を設ける場合、光学部は、基板から光学部へ入射した光の放射角度分布と、光学部の出射面の傾斜角度分布とが略一致するように形成する。これにより、外部取出効率が高い構成とすることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、出射面に設けられ、発光部からの光の反射を防止する反射防止部を有することが望ましい。反射防止部を設けることにより、出射面から発光部の方向へ反射する光を低減することができる。これにより、外部取出効率が高い構成とすることができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る発光素子であるＬＥＤ１０の要部断面構成を示す。ＬＥＤ１０は、ｎ型半導体層１１、発光部１２、ｐ型半導体層１３を有する。発光部１２は、光を供給することにより発光する活性層である。ｎ型半導体層１１、発光部１２、及びｐ型半導体層１３は、例えば窒化ガリウム系化合物半導体を用いて形成することができる。ｐ型半導体層１３は、基板１４に積層することにより形成される。基板１４は、例えばサファイア部材により構成されている。ＬＥＤ１０は、出射側に基板１４を設け、出射側とは反対側に不図示の電極を配置してＬＥＤチップを実装する、いわゆるフリップチップ構造をなしている。

基板１４の出射側には、単独のプリズム体１５が設けられている。プリズム体１５は、発光部１２からの光を透過させ、出射面Ｓ１から出射させる光学部である。プリズム体１５の入射面は、基板１４の出射面と略一致する矩形形状を有する。プリズム体１５は、透明部材、例えば硝子部材、樹脂部材、シリコン部材のいずれかを用いて形成することができる。発光部１２から基板１４の方向へ供給された光は、基板１４、及びプリズム体１５を透過した後ＬＥＤ１０から出射する。

なお、ｎ型半導体層１１の下面には、高反射性の部材で構成された電極を配置することとしても良い。この場合、発光部１２から基板１４とは反対の方向へ供給された光は、電極で反射することにより、基板１４の方向へ進行する。基板１４の方向へ反射した光は、発光部１２から基板１４の方向へ供給された光と同様に振る舞う。このようにして、高反射性の電極を用いることにより、基板１４とは反対の方向へ供給された光を出射側へ進行させることができる。また、ＬＥＤ１０は、ｎ型半導体層１１と、発光部１２と、ｐ型半導体層１３とを順次積層する構成に限らず、例えば、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とが入れ替わった構成や、他の部材で構成された層を設けることとしても良い。

次に、図２〜図５を用いて、プリズム体１５の形状について説明する。図２は、プリズム体１５の内部で放射する発光部１２からの光の放射角度分布と、プリズム体１５の出射面Ｓ１の傾斜角度とを説明するものである。放射角度分布は、発光部１２からプリズム体１５へ入射し、プリズム体１５の内部で放射した光のうちある放射角度の光が存在する確率の分布である。放射角度は、ＬＥＤ１０の基準面の法線Ｎと、光とがなす角度である。

まず、発光部１２からの光がプリズム体１５を構成する部材と同一の部材で構成された透明層２５で放射していると考える。例えば、透明層２５で放射する光のうち放射角度θ１で進行する光Ｌが、矢印の長さで示す確率で存在しているとする。ここでは、矢印の長さが長い方向の光ほど高い確率で存在しているものとする。透明層２５における発光部１２からの光の放射角度分布Ｄは、光の存在確率を示す矢印の先端位置を各放射角度の光についてプロットすることで示している。放射角度分布Ｄは、例えば、ＬＥＤ１０の基準面の法線Ｎに関して回転対称な放物面で表すことができる。

放射角度θ１の光Ｌは、光Ｌの進行方向に対して透明層２５の出射面Ｓ３が略垂直である場合、全反射や屈折の影響が最も少ない状態で透明層２５から出射する。従って、プリズム体１５の出射面Ｓ３の傾斜角度θ２が、光Ｌの放射角度θ１と略同一である場合、光Ｌは、出射面Ｓ３から最も効率良く出射する。出射面Ｓ３の傾斜角度θ２は、ＬＥＤ１０の基準面に平行な面Ｓ２と出射面Ｓ３とがなす角度である。光学部であるプリズム体１５は、プリズム体１５の内部で放射する発光部１２からの光の放射角度分布Ｄと、出射面Ｓ３の傾斜角度分布とが略一致するように形成される。

図３は、透明層２５における発光部１２からの光の放射角度分布の例を示す。図３は、縦軸に存在確率、横軸に放射角度をとり、放射角度分布を曲線で表している。また、図３に示す放射角度分布は、ｐ型半導体層１３、基板１４、透明層２５の屈折率がそれぞれ２．２９、１．７７、１．５１６である場合のものである。図３に示す放射角度分布によると、透明層２５の内部には、放射角度がおよそ６７度である光が最も高い確率で存在している。なお、図３に示す放射角度分布では、発光部１２からの光が等方的に放射するものと仮定している。

図４は、透明層２５における発光部１２からの光の放射角度分布に基づいて決定された、プリズム体１５の出射面Ｓ１（図１参照）の傾斜角度分布４５を説明するものである。傾斜角度分布は、出射面Ｓ１においてある傾斜角度の部分が存在する確率の分布をいう。傾斜角度分布４５は、出射面Ｓ１の傾斜角度ごとにエリアを分割して表している。傾斜角度分布４５は、法線Ｎを中心とする矩形の外縁部分に沿って同一の傾斜角度の部分を配置するように決定される。また、傾斜角度分布４５は、法線Ｎから離れるに従って傾斜角度が大きくなるように決定される。説明のために、図４に示す傾斜角度分布４５は、傾斜角度を１０度ごとに区切って示している。

例えば、透明層２５において放射する光のうち、放射角度が０度である光が３０％、放射角度が３０度である光が７０％存在しているとする。この場合、傾斜角度が０度である部分が出射面Ｓ１の全体の３０％、傾斜角度が３０度である部分が同様に７０％を占めるように、プリズム体１５の傾斜角度分布４５を決定する。このようにしてプリズム体１５の形状を決定することで、プリズム体１５から最も効率良く光を出射させることが可能となる。

これと同様に、透明層２５において放射する各放射角度の光について、各放射角度の光が存在する確率と、その放射角度と略同一の傾斜角度の部分が存在する確率とが略一致するように、傾斜角度分布４５を決定する。プリズム体１５の内部における光の放射角度分布と、出射面Ｓ１の傾斜角度分布とを略一致させることにより、ＬＥＤ１０の全体について、発光部１２からの光を効率良く出射可能な構成とすることができる。

図５は、図３に示す放射角度分布に基づいて設計されたプリズム体１５の斜視構成を示す。出射面Ｓ１は、傾斜角度分布４５に基づいて設計することによって、傾斜角度が連続的に変化するような４つの自由曲面を有する形状をなす。プリズム体１５全体としては、底辺ｄが１．０ｍｍ、高さｈが１．６ｍｍである四角錐形状を基に、底面以外の４つの側面を膨らませるように変形した形状を有する。また、法線Ｎから離れるに従って傾斜角度が大きくなるように傾斜角度分布４５（図４参照）を決定していることから、プリズム体１５は単独の構造体として構成される。光学部を単独のプリズム体１５で構成することで、光学部を簡易な構成とすることができる。

ここで、従来のＬＥＤの光量と、本発明のＬＥＤ１０の光量とを比較して説明する。従来のＬＥＤとして、図６に示すＬＥＤ６０と、図７に示すＬＥＤ７０とを説明に用いる。ＬＥＤ６０のプリズム体６５は、頂角が略９０度の通常の四角錐形状を有する。プリズム体６５の出射面Ｓ４は、４つの略平坦な平面で構成される。ＬＥＤ７０のプリズム体７５は、球面形状の出射面Ｓ５を有する。プリズム体７５は、本発明のＬＥＤ１０との比較のために、球面形状を、基板１４と略同一の矩形状に切り出した形状としている。

各ＬＥＤは、ｎ型半導体層１１（図１参照）の下面における反射率が０％であって、かつ発光部１２からプリズム体１５の方向以外の側面方向へも光を透過させる構成であるとする。また、光量の測定は、発光源に対して十分に遠い位置に配置した測定器によって、±９０度の範囲に出射した光を測定することにより行う。ＬＥＤ６０は、プリズム体６５を設けることにより、基板１４から直接光を出射させる場合を基準として、例えば、光量が１．３４倍に増加する。ＬＥＤ７０は、プリズム体７５を設けることにより、基板１４から直接光を出射させる場合を基準として、例えば、光量が１．５２倍に増加する。

これに対して、本発明のＬＥＤ１０は、プリズム体１５を設けることにより、基板１４から直接光を出射させる場合を基準として、例えば、光量を１．６１倍に増加させることができる。また、各ＬＥＤが、発光部１２からプリズム体１５の方向以外の側面方向へ進行する光を完全に吸収させる構成であるとすると、ＬＥＤ６０、７０、１０の光量は、例えば、それぞれ１．４８倍、１．６７倍、１．８３倍に増加する。このように、本発明のＬＥＤ１０は、従来のＬＥＤより高い外部取出効率で光を供給することができる。

これにより、高い外部取出効率で、明るい光を供給することができるという効果を奏する。なお、ＬＥＤ１０の光量は、ＬＥＤ１０の構成や各層の屈折率等に応じて変化するものであることから、上記の数値に限られない。ＬＥＤ１０のプリズム体１５は、傾斜角度が連続的に変化するような出射面Ｓ１を備えることから、あらゆる放射角度の光について効率良く出射させることが可能である。このため、一定の傾斜角度をなす出射面を設ける場合と比較して、効率良く光を出射させることが可能であると考えられる。

本発明のＬＥＤ１０は、発光部１２と略同じ大きさのプリズム体１５を設けることが可能である。ＬＥＤ１０は、ＬＥＤ１０の虚像面積を増加させること無く外部取出効率を向上させることができる。また、プリズム体１５が発光部１２と略同じ大きさであることから、複数のＬＥＤ１０を高い密度で容易に配置することができる。このことから、照明光学系にＬＥＤ１０を用いることにより、照明光学系や、その照明光学系の後段における光学系で集光不可能な光を低減することが可能となる。従って、ＬＥＤ１０の外部取出効率を向上させることに加えて、光学系全体における光の損失を低減することで、高い光利用効率を実現できる。本発明のＬＥＤ１０は、例えば、プロジェクタの光源として用いる場合に有用である。

図８は、反射防止部８７を有するＬＥＤ８０の要部断面構成を示す。ＬＥＤ８０は、上記のＬＥＤ１０に反射防止部８７を追加した構成を有する。反射防止部８７は、プリズム体１５の出射面Ｓ１を覆うように設けられている。反射防止部８７は、発光部１２からの光の反射を防止する。反射防止部８７を設けることにより、出射面Ｓ１における発光部１２の方向への反射を低減することができる。これにより、さらに外部取出効率が高い構成とすることができる。

図９は、本発明の実施例２に係る発光素子であるＬＥＤ９０の要部断面構成を示す。上記実施例１のＬＥＤ１０と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施例の発光素子は、複数のプリズム体９６を有することを特徴とする。プリズムアレイ９５は、Ｘ方向及びＹ方向にプリズム体９６を配列して構成されている。プリズムアレイ９５は、複数のプリズム体９６をアレイ状に配置することにより構成された光学部である。プリズムアレイ９５は、上記実施例１のプリズム体１５を構成する部材と同様の部材で構成することができる。

プリズムアレイ９５は、基板１４の出射側に設けられている。各プリズム体９６は、いずれも上記実施例１のプリズム体１５と略同じ形状を有する。プリズム体１５と略同じ形状のプリズム体９６を設けることから、プリズムアレイ９５は、発光部１２からの光の放射角度分布と、出射面の傾斜角度分布とが略一致している。これにより、上記実施例１と同様に、外部取出効率が高い構成にできる。ＬＥＤ９０は、上記実施例１のＬＥＤ１０と同様に、ＬＥＤ９０の虚像面積を増加させること無く外部取出効率を向上させることができる。なお、プリズムアレイ９５の数量及び大きさは、図示するものに限られない。プリズムアレイ９５は、Ｘ方向に３つ、Ｙ方向に４つのプリズム体９６を配置する構成に限らず、１つ以上のプリズム体９６を配置する構成であれば良い。

本実施例のＬＥＤ９０は、複数のプリズム体９６を設ける構成とすることで、単独のプリズム体を設ける場合と比較して、発光部１２に近接させて他の光学素子を配置することが可能である。ＬＥＤ９０からの光が広い範囲に広がる前に他の光学素子へ光を入射可能な構成にできることから、小型な光学素子を用いて、ＬＥＤ９０から出射する光の進行方向を容易に制御することができる。例えば、光の進行方向を容易に制御可能であると、ＬＥＤ９０からの光を所定の照明方向へ進行させる場合に有用である。

プロジェクタの光源としてＬＥＤ９０を用いる場合、空間光変調装置で変調可能な角度範囲の光を効率良く供給可能な構成とすることができる。なお、複数のプリズム体を設ける場合、一度プリズム体から出射した光が再び隣接するプリズム体に入射することによる光の取り込みが起きる場合があると考えられる。単独のプリズム体を設ける構成とする場合、一度プリズム体から出射した光が再びＬＥＤに取り込まれるケースを低減できるという利点がある。プリズムアレイ９５は、基板１４と同じサファイア部材により構成することとしても良い。この場合、基板１４の出射側の面を、プリズムアレイ９５の形状に形成することにより、プリズムアレイ９５を製造することができる。

図１０は、本実施例の変形例に係る発光素子であるＬＥＤ１００の要部断面構成を示す。本変形例のＬＥＤ１００は、出射面Ｓ６のうち傾斜角度を異ならせた部分を非周期的に配置するようにプリズムアレイ１０５が形成されていることを特徴とする。プリズムアレイ１０５は、傾斜角度を異ならせた部分が不規則に配列された出射面Ｓ６を有する。図１０に示す断面に略垂直な断面においても、プリズムアレイ１０５の出射面Ｓ６は、傾斜角度を異ならせた部分を不規則に配列して構成されている。

プリズムアレイ１０５は、発光部１２からの光の放射角度分布と、出射面の傾斜角度分布とが略一致している。プリズムアレイ１０５を設けることにより、一度プリズムアレイ１０５から出射した光が再びＬＥＤ１００に取り込まれるケースを低減でき、かつ、発光部１２に近接させて他の光学素子を配置することができる。これにより、上記実施例１と同様に、外部取出効率が高い構成にできる。なお、本変形例のプリズムアレイ１０５は、傾斜角度を異ならせた部分を不規則に配列して非周期的構造とする場合に限られない。例えば、上記実施例１のプリズム体１５と略同一の形状、かつさまざまなサイズのプリズム体をランダムに配置することにより、非周期的構造をとる構成としても良い。

図１１は、本発明の実施例３に係る発光素子であるＬＥＤ１１０の要部断面構成を示す。上記実施例１のＬＥＤ１０と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。ＬＥＤ１１０は、ｐ型半導体層１１３と基板１１４との間にプリズムアレイ１１５が設けられていることを特徴とする。プリズムアレイ１１５は、Ｘ方向及びＹ方向にプリズム体１１６をアレイ状に配列して構成されている。プリズムアレイ１１５は、複数のプリズム体１１６をアレイ状に配置することにより構成された光学部である。基板１１４は、プリズムアレイ１１５の出射側に設けられている。

ｐ型半導体層１１３は、発光部１２の出射側に設けられた半導体層である。プリズムアレイ１１５は、ｐ型半導体層１１３を構成する部材と同じ部材で構成されている。プリズムアレイ１１５は、ｐ型半導体層１１３からプリズムアレイ１１５へ入射した光の放射角度分布と、プリズムアレイ１１５の出射面の傾斜角度分布とが略一致するように形成される。なお、プリズム体１１６は、実施例２のプリズムアレイ９５と同様に、いずれも略同一の形状で形成されている。ＬＥＤ１１０は、発光部１２からの光を高い効率で基板１１４へ入射させることが可能である。これにより、高い効率で光を供給することができる。

ＬＥＤ１１０の製造手順としては、まず、プリズム体１１６と交互に咬合う構造体を表面に備えた基板１１４を形成する。次に、プリズム体１１６と咬合う構造体を形成した基板１１４面上に、半導体材料を成長させることで、ｐ型半導体層１１３を形成する。そして、ｐ型半導体層１１３を平坦化した後、発光部１２及びｎ型半導体層１１を積層することにより、ＬＥＤ１１０を製造することができる。なお、プリズムアレイ１１５は、ｐ型半導体層１１３を構成する部材と同じ部材で構成する場合に限らず、他の部材で構成することとしても良い。

図１２は、本実施例の変形例に係る発光素子であるＬＥＤ１２０の要部断面構成を示す。本変形例のＬＥＤ１２０は、上記のＬＥＤ１１０にプリズムアレイ１２５を追加した構成を有する。プリズムアレイ１２５は、基板１１４の出射側に設けられている。プリズムアレイ１２５は、Ｘ方向及びＹ方向にプリズム体１２６をアレイ状に配置して構成されている。プリズムアレイ１２５は、複数のプリズム体１２６をアレイ状に配置することにより構成された光学部である。プリズムアレイ１２５は、上記実施例１のプリズム体１５を構成する部材と同様の部材で構成することができる。

プリズムアレイ１２５は、発光部１２からプリズムアレイ１１５、及び基板１１４を透過した後プリズムアレイ１２５へ入射した光の放射角度分布と、プリズムアレイ１２５の出射面の傾斜角度分布とが略一致するように形成される。ｐ型半導体層１１３と基板１１４との間に設けたプリズムアレイ１１５に加えて、基板１１４の出射側にもプリズムアレイ１２５を設けることにより、さらに高い効率で光を供給することができる。なお、ＬＥＤ１２０は、プリズムアレイ１１５及びプリズムアレイ１２５のいずれか一方と、従来のプリズムアレイとを組み合わせて用いることとしても良い。

図１３は、本発明の実施例４に係る発光素子であるＬＥＤ１３０の要部断面構成を示す。上記実施例１のＬＥＤ１０と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。ＬＥＤ１３０は、四角錐形状のプリズム体１３５を有する。プリズム体１３５は、発光部１２からの光を透過させ、出射面Ｓ７から出射させる光学部である。プリズム体１３５は、頂角θ４が略４６度となるように形成されている。プリズム体１３５は、上記実施例１のプリズム体１５を構成する部材と同様の部材で構成することができる。

図３を用いて説明したように、実施例１のＬＥＤ１０に設けられたプリズム体１５の内部には、放射角度がおよそ６７度である光が最も高い確率で存在している。放射角度が６７度の光は、傾斜角度が６７度となるように出射面を形成することにより、最も効率良く出射させることができる。頂角θ４が略４６度である本実施例のプリズム体１３５は、出射面Ｓ７が略６７度の傾斜角度をなしている。このように、プリズム体１３５は、プリズム体１３５の内部で放射する発光部１２からの光の放射角度分布において最も存在確率が高い放射角度と、出射面Ｓ７の傾斜角度とが略一致するように形成されている。なお、プリズム体１３５は、頂角θ４を略４６度とする構成に限らず、プリズム体１３５の内部において最も存在確率が高い放射角度に応じて頂角θ４を適宜設定することができる。

プリズム体１３５の内部における光の放射角度分布において最も確率が高い放射角度と、出射面Ｓ７の傾斜角度とを略一定させることにより、ＬＥＤ１３０の全体について、発光部１２からの光を効率良く出射可能な構成とすることができる。ここで、ＬＥＤ１３０が、発光部１２からプリズム体１５の方向以外の側面方向へも光を透過させる構成であるとする。上記実施例１と同様の条件でＬＥＤ１３０の光量を測定すると、ＬＥＤ１３０は、プリズム体１３５を設けることにより、基板１４から直接光を出射させる場合を基準として、例えば、光量を１．６１倍に増加させることができる。

また、ＬＥＤ１３０が、発光部１２からプリズム体１３５の方向以外の側面方向へ進行する光を完全に吸収させる構成であるとすると、ＬＥＤ１３０の光量は、例えば、１．８３倍に増加する。これにより、高い外部取出効率で、明るい光を供給することができるという効果を奏する。なお、ＬＥＤ１３０の光量は、ＬＥＤ１３０の構成や各層の屈折率等に応じて変化するものであることから、上記の数値に限られない。また、ＬＥＤ１３０は、上記実施例２のＬＥＤ９０と同様に、プリズム体１３５と略同一の形状を有するプリズム体をアレイ状に配置したプリズムアレイを用いることとしても良い。

図１４は、本実施例の変形例に係る発光素子であるＬＥＤ１４０の要部断面構成を示す。本変形例のＬＥＤ１４０は、基板１１４の出射面に設けられたプリズム体１４５のほかに、ｐ型半導体層１１３の出射面に設けられたプリズムアレイ１１５を有する。ＬＥＤ１４０は、上記実施例３のＬＥＤ１１０に、プリズム体１４５を追加した構成を有する。プリズム体１４５は、頂角θ５が相違する以外は上記のプリズム体１３５と同様の構成を有する。

プリズム体１４５の出射面Ｓ８は、プリズムアレイ１１５、及び基板１１４を透過した後プリズム体１４５へ入射した光の放射確率分布において最も存在確率が高い放射角度と略一定する傾斜角度をなしている。プリズム体１４５の頂角θ５は、出射面Ｓ８の傾斜角度に基づいて決定することができる。これにより、さらに高い効率で光を供給することができる。本変形例のＬＥＤ１４０は、プリズムアレイ１１５に代えて、ｐ型半導体層１１３の出射側において最も存在確率が高い放射角度と、出射面の傾斜角度とを略一致させたプリズム体で構成されたプリズムアレイを用いても良い。なお、本発明は、ＬＥＤ以外の他の固体発光素子、例えば、半導体レーザやＥＬ素子に適用することもできる。

以上のように、本発明に係る発光素子は、高い光利用効率で明るい光を供給する場合に有用であり、特に、レンズ等と組み合わせて構成される照明光学系、例えばプロジェクタの照明光学系に用いる場合に適している。

本発明の実施例１に係る発光素子であるＬＥＤの要部断面構成図。発光部からの光の放射角度分布等を説明する図。発光部からの光の放射角度分布を示す図。プリズム体の出射面の傾斜角度分布を説明する図。プリズム体の斜視構成図。従来のＬＥＤの構成を説明する図。従来のＬＥＤの構成を説明する図。反射防止部を有するＬＥＤの要部断面構成図。本発明の実施例２に係る発光素子であるＬＥＤの要部断面構成図。実施例２の変形例に係る発光素子であるＬＥＤの要部断面構成図。本発明の実施例３に係る発光素子であるＬＥＤの要部断面構成図。実施例３の変形例に係る発光素子であるＬＥＤの要部断面構成図。本発明の実施例４に係る発光素子であるＬＥＤの要部断面構成図。実施例４の変形例に係る発光素子であるＬＥＤの要部断面構成図。

符号の説明

１０ＬＥＤ、１１ｎ型半導体層、１２発光部、１３ｐ型半導体層、１４基板、１５プリズム体、Ｓ１出射面、２５透明層、θ１放射角度、θ２傾斜角度、Ｄ放射角度分布、Ｎ法線、Ｓ２、Ｓ３面、４５傾斜角度分布、６０ＬＥＤ、６５プリズム体、θ３頂角、Ｓ４出射面、７０ＬＥＤ、７５プリズム体、Ｓ５出射面、８０ＬＥＤ、８７反射防止部、９０ＬＥＤ、９５プリズムアレイ、９６プリズム体、１００ＬＥＤ、１０５プリズムアレイ、Ｓ６出射面、１１０ＬＥＤ、１１３ｐ型半導体層、１１４基板、１１５プリズムアレイ、１１６プリズム体、１２０ＬＥＤ、１２５プリズムアレイ、１２６プリズム体、１３０ＬＥＤ、１３５プリズム体、θ４頂角、Ｓ７出射面、１４０ＬＥＤ、１４５プリズム体、θ５頂角、Ｓ８出射面

Claims

光を供給する発光部と、
前記発光部からの光を透過させ、出射面から出射させる光学部と、を有し、
前記光学部は、前記光学部の内部で放射する前記発光部からの光の放射角度分布と、前記出射面の傾斜角度分布とが略一致するように形成されることを特徴とする発光素子。
光を供給する発光部と、
前記発光部からの光を透過させ、出射面から出射させる光学部と、を有し、
前記光学部は、前記光学部の内部で放射する前記発光部からの光の放射角度分布において最も存在確率が高い放射角度と、前記出射面の傾斜角度とが略一致するように形成されることを特徴とする発光素子。
前記光学部は、単独のプリズム体により構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
前記光学部は、複数のプリズム体をアレイ状に配置することにより構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
前記光学部は、前記出射面のうち傾斜角度を異ならせた部分を非周期的に配置するように形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
前記発光部の出射側に設けられた半導体層と、
前記半導体層の出射側に設けられた基板と、を有し、
前記光学部は、前記半導体層と前記基板との間、及び前記基板の出射側の少なくとも一方に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
前記出射面に設けられ、前記発光部からの光の反射を防止する反射防止部を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光素子。