JP2006228925A - 光源装置およびその製造方法並びにプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 発光光の取り出し効率が高い光源装置とその製造方法とを提供する。
【解決手段】 各層の界面において全反射が起きないように、高屈折率の散乱層を発光素素子の出射表面に形成する。散乱層は液晶性高分子からなり、屈折率異方性を有するので、発光光を散乱させて効率よく発光光を空気中に放射させることができる。散乱層は、モノマー液の塗布、硬化、洗浄の３工程で形成可能であり、製造コストを低減できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は光源装置およびその製造方法、並びにプロジェクタに関するものである。

プロジェクタは、近年小型化、高輝度化、長寿命化、廉価化等が図られてきている。例えば、小型化に対しては液晶パネル（光変調素子）サイズは対角１．３インチが０．５インチになり、面積比で１／６強の小型化がされてきている。

一方、プロジェクタの光源として、固体光源である発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）光源を用いることによる小型化が提案されている。ＬＥＤ光源は、電源を含めて小型であり、瞬時点灯／消灯が可能であること、色再現性が広く長寿命であることなど、プロジェクタ用光源としてのメリットを有している。また、水銀などの有害物質を含まないため、環境保全上からみても好ましいものである。

ＬＥＤ光源は化合物半導体からなる発光部を基板の片側表面に積層してなり、なかでも窒化ガリウム系化合物半導体とサファイア基板とを用いたＬＥＤ光源はその発光色が紫外から赤色にまで及ぶために有望視されている。フリップチップ実装されたＬＥＤ光源においては、発光部から出射された光は基板を介して、基板の逆側の出射表面から出射される。ところが、基板の屈折率は空気の屈折率よりも大きいので、出射表面と空気との界面において全反射が起きてしまい、発光光を効率良く取り出すことができないという問題があった。

特許文献１には、ｎ形ＧａＮ層とｐ形ＧａＮ層とからなる発光部と、この各発光部にそれぞれ別個に接続された電極とが、サファイア基板の片側表面上に形成されてなる発光素子において、これら発光部と電極とが形成されていない側のサファイア基板の表面に、周期的な回折構造からなる屈折率調整部を設けて、サファイア基板とその上層となる空気層との界面での内部全反射を低減する構成が開示されている。さらに、基板表面に前記屈折率調整部となる溝や回折構造をレーザ加工で形成する方法が記載されている。
特開２００４−１２８４４５号公報

ところが、上記構成では基板に屈折率調整部となる周期的な回折構造を形成する必要があるが、サファイア基板は化学的に安定であるために、その加工が困難であるという問題があった。これに対して、レーザ加工によって屈折率調整部を形成する方法が提案されているが、高精密な加工が必要でプロセスが煩雑になるので、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、発光光を高効率で取り出すことのできる光源装置と、これを簡便かつ安価にて提供可能な製造方法と、この光源装置を用いたプロジェクタとを提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために本発明の光源装置は、化合物半導体からなる発光部が基板上に積層されてなる発光素子を備えてなる光源装置であって、前記発光素子の発光光の出射面上に、該出射面の屈折率と同等、あるいはそれより高い屈折率を有する散乱層が形成されてなることを特徴とする。

発光素子の基板の出射側表面上に散乱層を積層すると、発光部から出射された光は、基板に入射した後、散乱層に入射される。この際に、散乱層の屈折率は基板の屈折率と同等かそれより高くされているので、基板と散乱層との界面で全反射が起きることがない。そして、散乱層に入射した光はここで散乱されて空気中へ放射されるので、発光素子から発光光を効率よく取り出すことができる。

本発明の光源装置にあっては、前記散乱層が高分子網目構造からなることを特徴とする。
網目構造をなす高分子の配列に沿って散乱層内での屈折率に異方性が生じるので、単一部材であっても、均一な散乱を起こす層となる。よって、単純な構成であっても、発光素子から発光光を効率よく取り出すことができる。

さらに、本発明の光源装置にあっては、前記高分子網目構造が液晶性高分子からなることを特徴とする。
液晶性高分子はその配列が不規則状態であって、屈折率異方性を有するので、層内に入射した光をランダムに散乱させることができ、均一な面発光を行うことができる。特に、液晶性高分子は高い屈折率と屈折率異方性とを併せ持つ材料であるので、複雑な構造や複数の部材を用いることなく、液晶性高分子からなる単一の散乱層を形成するだけで、均一性の高い面発光をする発光光を効率よく取り出すことができる。

本発明の光源装置の製造方法にあっては、化合物半導体からなる発光部が基板上に積層されてなる発光素子を備えてなり、前記発光素子の発光光の出射面上に、該出射面の屈折率と同等、あるいはそれより高い屈折率を有する散乱層が形成されてなる光源装置の製造方法であって、前記発光素子の発光光の出射面上に紫外線硬化性モノマー液を塗布してモノマー層を形成し、このモノマー層に紫外線を照射して硬化させた後、未硬化の紫外線硬化性モノマー液を洗浄除去して散乱層を形成することを特徴とする。

本発明の製造方法はエッチングや機械的切削などによって基板本体に加工を施すものではないので、基板が化学的に安定なサファイア基板などであっても、加工が困難であるという問題点がなく、発光光の取り出し効率の高い光源装置を安価にて提供可能となる。
また、本発明の製造方法のプロセスは、基板上にモノマー液を塗布した後、これを硬化させて散乱層を形成するものであるから、従来の製造プロセスおよび製造装置に若干の変更を加えるだけでよく、簡便な方法である。よって、均一な面発光をする高効率の光源装置を安価にて提供可能となる。

本発明のプロジェクタは、光源装置から出射された光を変調して表示面に投写することによって画像を形成するプロジェクタであって、上記光源装置として、本発明の光源装置を備えることを特徴とする。
本発明の光源装置によれば、その出射光を効率よく利用することができるばかりでなく、平面における輝度が均一な照明光を得ることができるので、高品位の画像を形成できるものとなる。また、安価な本発明の光源装置を備えることにより、本発明のプロジェクタもまた、安価なものとなる。

以下、図面を参照して、本発明に係る光源装置およびその製造方法、並びにプロジェクタの一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態の光源装置１における発光素子としてのＬＥＤチップ２０の概略断面図である。図２は、図１に示したＬＥＤチップ２０を備えた光源装置１００の概略構成を示した平面図である。また、図３は図２におけるＡ−Ａ´断面図である。
これらの図に示すように、本実施形態の光源装置１００は、基台１０と発光素子としてのＬＥＤチップ２０と、樹脂フレーム３０とキャップ４０とを備えて構成されている。

基台１０はたとえばアルミニウムからなり、基台１０の上面には、ＬＥＤチップ２０が実装されており、このＬＥＤチップ２０の周囲を環状に囲むようにリフレクタ１４が形成されている。このリフレクタ１４は、ＬＥＤチップ２０から射出された光を導光するものである。本実施形態の光源装置１００においては、基台１０とリフレクタ１４とが一体形成されている。

基台１０の上面には、リフレクタ１４を囲うように樹脂フレーム３０が配置されている。そして、樹脂フレーム３０の上部に支持されてキャップ４０が配置されており、キャップ４０と樹脂フレーム３０によって形成された空間内には、シリコンオイル等が充填されている。図２及び図３に示すように、樹脂フレーム３０には、アウターリード３１，３２がインサードモールドされており、このアウターリード３１，３２の一端が基台１０上に配置されたフレキシブル基板１７，１８と接続され、他端が金ワイヤ２２等によってサブマウント２１上に形成された接続パッドと接続されている。そして、サブマウント２１、フレキシブル基板１７，１８、アウターリード３１，３２及び金ワイヤ２２を介してＬＥＤチップ２０に電力が供給される。なお、本実施形態においては、図２に示すように、各アウターリード３１，３２に３本ずつの金ワイヤ２２が接続されているが、ＬＥＤチップ２０に供給される電力量に応じて金ワイヤ２２の本数は変更される。

ＬＥＤチップ２０は、電力を供給されることによって発光するものであり、電力を供給するための配線が形成されたサブマウント２１上にフリップチップ実装され、このサブマウント２１ごと熱伝導性の接着剤（例えば、銀ペースト）によって基台１０上に実装されている。

ＬＥＤチップ２０は図１に示したように、基板１の片側表面（図１中の下面側）に化合物半導体からなる発光部２を備えてなる。この発光部２はｎ形化合物半導体層２ａとｐ形化合物半導体層２ｂとを積層してなり、各化合物半導体層２ａ、２ｂには、それぞれ電極３ａ、３ｂとが接続されており、発光部２に通電することができる。基板１の、発光部２が形成されていない側の表面（図１中の上面側）には、散乱層４が積層されている。

基板１および化合物半導体層２ａ、２ｂは、いずれも特に限定されるものではない。たとえば基板１としては、サファイア基板（Ａｌ_２Ｏ_３）のほか、ＧａＮ，ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＳｉＣなどを用いることができる。化合物半導体としては、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮなどを適宜組み合わせて用いることができる。

上記基板１および発光部２となる化合物半導体はいずれも空気よりも大きな屈折率を有するので、ＬＥＤチップ２０の出射表面とその上層となる空気層との界面で、発光光が全反射されて、発光光の取り出し効率が低下する。これに対して、本発明のＬＥＤチップ２０にあっては、基板１と同等であるか、それより高い屈折率を有する材料からなる散乱層４を基板１の出射側表面上に設けてあるので、発光光が発光部２から基板１を介して散乱層４内に入射する際にその界面で全反射することがない。

なお、散乱層４の屈折率が基板１と同等以上であれば、基板１と散乱層４との界面における全反射を防止できて望ましい構成となるが、散乱層４の屈折率が基板１より小さい場合にも、上記界面における全反射の臨界角が大きくなり、全反射が生じ難くなるので、散乱層４を具備しない従来のＬＥＤチップと比較すると光取り出し効率を高めることができ、明るいＬＥＤチップを得ることができる。

散乱層４を高屈折率材料から構成すると、散乱層４と空気との界面においてもまた、全反射が起きることが懸念されるが、網目構造を有する高分子を用いると、散乱層４において光を散乱することができるので、効率よく発光光を空気中へ放射することができる。これは、高分子の網目構造によれば、散乱層４内部での屈折率異方性を持たせることができるためである。このように高屈折率を有し、かつ屈折率異方性を持つような高分子網目構造を有する材料としては、液晶性高分子を挙げることができる。液晶性高分子によって散乱層４を構成すれば、不規則に配向した液晶性高分子によって、散乱層４内に入射された光はランダムに散乱され、その出射表面から均一に放射されることとなる。よって、発光面の均一性が高く、かつ取り出し効率のよいＬＥＤチップ２０とすることができる。

このように構成された光源装置１００にあっては、ＬＥＤチップ２０に電力が供給されると、ＬＥＤチップ２０から光が射出され、この射出された光がキャップ４０を介して光源装置１から射出される。そして、ＬＥＤチップ２０から側方に射出された光は、リフレクタ１４によってキャップ４０方向に反射され、その後キャップ４０を介して光源装置１から射出される。

なお、上記実施の形態では、フリップチップ実装によりサブマウント２１上に実装される態様のＬＥＤチップ２０を用いた場合について説明したが、発光素子であるＬＥＤチップとしては、ワイヤーボンディング等の他の実装方法により基台１０上に実装されるものも採用できるのは勿論であり、その実装態様に応じてＬＥＤチップ自体の構成も適宜変更することができる。たとえば、ワイヤーボンディングにより実装するＬＥＤチップである場合には、図１に示した電極３ａ、３ｂを備えた発光部２が、基板１を挟んで基台１０と反対側に配置されることになるが、この場合には、散乱層４を基板１上に形成した発光部２のさらに上側（最表面）に形成することで、光取り出し効率を高めることができる。

次に、本実施形態の光源装置１００の製造方法について説明する。はじめに発光素子としてのＬＥＤチップ２０を用意する。
基板１としてサファイア基板を用意し、この上にＭＯＣＶＤ法などを用いてｎ型ＧａＮ層２ａと、ｐ型ＧａＮ層２ｂとを順に積層する。ついでフォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ型ＧａＮ層２ｂに所定パターンを形成したのち、その一部をエッチングして、電極を形成できるだけのｎ型ＧａＮ層２ａを露出させる。この後、各化合物半導体層２ａ、２ｂのそれぞれに電極３ａ、３ｂを接続する。

次に、サファイア基板１の、発光部２が形成されている面とは逆側の表面に散乱層４を形成する。
散乱層４は、紫外線硬化性の液晶性高分子から構成することが好ましい。液晶性高分子は高屈折率と屈折率異方性とを併せもつからである。そのなかでも紫外線硬化性の液晶性高分子を用いれば、以下に述べるように、紫外線硬化性モノマー液の塗布、硬化、洗浄の３工程で所望の特性と膜厚とを有する散乱層４を非常に簡便に形成することができる。

散乱層４を形成するにあたっては、まず、石英ガラス基板を別に用意する。この石英ガラス基板は、散乱層４の出射側表面（図１上面）を平滑に形成するためのものであるので、形成した散乱層４を構成する液晶性高分子から剥がしやすくするための処理を施しておくことが好ましい。そのため、石英ガラス基板の表面の接触角を大きくするように、具体的には、フッ素コーティングやカップリング剤によって処理されていることが好ましい。

次に、サファイア基板１の、発光部２が形成されている面とは逆側の表面に、散乱層４を構成する液晶性高分子となる液晶性モノマーを含んだ紫外線硬化性モノマー液を塗布する。液晶性モノマーとしては、重合して高分子を形成した際に、サファイアと同等かそれより高い屈折率を有する材料であって、かつ屈折率異方性を示すような網目構造を有するものが好ましく、上記紫外線硬化性モノマー液としては、液晶材料に紫外線硬化性モノマーを配合したものなどを例示できる。より具体的には、たとえば大日本インキ化学工業株式会社製のＵＶキュアラブル液晶ＭｉｘｔｕｒｅＣ（商品名）などである。

上記紫外線硬化性モノマー液を、発光部２とは逆側のサファイア基板１表面に滴下したならば、これにギャップ剤を介して前記の石英ガラス基板を載置する。サファイア基板１と石英ガラス基板との間にギャップ剤を介在させることにより、このギャップ剤の大きさに対応して、塗布した紫外線硬化性モノマー液からなるモノマー層の厚さ（形成する散乱層４の厚さ）を制御することができる。ギャップ剤は特に限定されるものではないが、形成すべきモノマー層の厚さに対応して、その粒径が１００〜５００μｍのガラスビーズなどを利用することができる。

前記モノマー層と石英ガラス基板とが順次積層されたサファイア基板１に紫外線を照射すると、液晶性モノマーが硬化して高分子層が形成される。紫外線の照射条件は、モノマー層を構成するモノマーの種類および膜厚によって適宜選択されるが、たとえば上記のＵＶキュアラブル液晶の場合には、室温で３５０ｎｍの紫外線を１０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で約１０分間照射することで、液晶性モノマーを硬化させて高分子層とすることができる。

そして、石英ガラス基板を高分子層から剥離する。この際に、石英ガラス基板は、先に述べたように、その表面の接触角が大きくなるように処理されているので、容易に高分子層から剥離することができる。

ついで、前記高分子層に含まれる未硬化の液晶性モノマーをエタノールやアセトンなどの有機溶剤を用いて洗浄除去することで、先のギャップ剤の粒径に対応して１００〜５００μｍの膜厚を有する散乱層４が形成されたＬＥＤチップ２０とすることができる。

次に、基台１０をアルミニウムのプレス成形などによって作成する。ここで、本実施形態の光源装置１００の製造方法においては、基台１０を作成する際に、リフレクタ１４が基台１０と同一材料（本実施形態においてはアルミニウム）によって一体形成される。

続いて、配線パターンが形成されたフレキシブル基板１７，１８を基台１０上に貼り付けた後、アウターリード３１，３２がインサートモールドされた樹脂フレーム３０に接合し、アクターリード３１，３２をフレキシブル基板１７，１８に半田付けする。そして、リフレクタ１４によって囲まれた領域の中心部（基台１０の上面）に、サブマウント２１に実装された上記ＬＥＤチップ２０をサブマウント２１ごと実装する。その後、金ワイヤ２２によってサブマウント２１上に形成された接続パッドとアウターリード３１，３２とを電気的に接続する。続いて、樹脂フレーム３０によって囲まれた空間内に、シリコンオイルを充填し、樹脂フレーム３０の上部に支持させる形でキャップ４０を配置することによって、本実施形態の光源装置１００が製造される。

本発明の製造方法によれば、基板１に切削などの機械的加工を施すことなく散乱層４を直接形成できるので、基板１が化学的に安定で加工が困難であるサファイアであっても、散乱層４を容易に形成することができる。また、本発明の製造方法によれば、散乱層４は、単一部材の単一層であり、単純な製造工程で製造可能である。散乱層４は紫外線硬化性の液晶性高分子からなるので、製造プロセスは紫外線硬化性モノマー液の塗布、硬化、洗浄の３工程であり、非常に簡便なプロセスとなる。また、このプロセスは、いずれも従来のＬＥＤチップ２０の製造工程中に含まれるものであり、従来の製造工程の若干の変更でよく、高効率で発光光を取り出し可能な光源装置を低コストで提供できる。

次に、上記実施形態の光源装置を備えるプロジェクタについて説明する。
図４は、上記実施形態の光源装置を備えたプロジェクタ５００の説明図である。図中、符号５１２、５１３、５１４は上記実施形態の光源装置、５２２、５２３、５２４は液晶ライトバルブ（光変調手段）、５２５はクロスダイクロイックプリズム（色光合成手段）、５２６は投写レンズ（投写手段）を示している。

図４のプロジェクタ５００は、本実施形態のように構成した３個の光源装置５１２、５１３、５１４を備えている。各光源装置５１２、５１３、５１４には、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に発光するＬＥＤが採用されている。なお、光源光の照度分布を均一化させるための均一照明系として、各光源装置の後方にロッドレンズやフライアイレンズを配置してもよい。

赤色光源装置５１２からの光束は、重畳レンズ５３５Ｒを透過して反射ミラー５１７で反射され、赤色光用液晶ライトバルブ５２２に入射する。また、緑色光源装置５１３からの光束は、重畳レンズ５３５Ｇを透過して緑色光用液晶ライトバルブ５２３に入射する。
また、青色光源装置５１４からの光束は、重畳レンズ５３５Ｂを透過して反射ミラー５１６で反射され、青色光用液晶ライトバルブ５２４に入射する。なお、各光源からの光束は重畳レンズを介することにより液晶ライトバルブの表示領域において重畳され、液晶ライトバルブが均一に照明されるようになっている。

また、各液晶ライトバルブの入射側および出射側には、偏光板（図示せず）が配置されている。そして、各光源からの光束のうち所定方向の直線偏光のみが入射側偏光板を透過して、各液晶ライトバルブに入射する。また、入射側偏光板の前方に偏光変換手段（図示せず）を設けてもよい。この場合、入射側偏光板で反射された光束をリサイクルして各液晶ライトバルブに入射させることが可能になり、光の利用効率を向上させることができる。

各液晶ライトバルブ５２２、５２３、５２４によって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム５２５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投写レンズ５２６により投写スクリーン５２７上に投写され、拡大された画像が表示される。

上述した本実施形態のプロジェクタは、発光光の取り出し効率が高く、かつ均一な面発光をする安価な光源装置を備えたものであるので、高輝度化されるとともに安価に製造することができるものである。したがって、上述した光源装置を備えることにより、表示特性の優れたプロジェクタを安価に提供することができる。

以上、図面を参照しながら本発明に係る光源装置及びその製造方法、並びにプロジェクタの好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では固体光源としてＬＥＤチップを採用したが、固体光源として半導体レーザ等を採用することも可能である。さらに、上述したプロジェクタでは光変調手段として液晶ライトバルブを採用したが、光変調手段として微小ミラーアレイデバイス等を採用することも可能である。

本発明の第１実施形である光源装置に好適に用いられるＬＥＤチップの概略断面図である。 本発明の第１実施形である光源装置の概略構成図である。 図２のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の光源装置を備えるプロジェクタの概略構成を示した説明図である。

符号の説明

１００…光源装置、１０…基台、１…基板、２…発光部、４…散乱層、２０…ＬＥＤチップ。

Claims (5)

1. 化合物半導体からなる発光部が基板上に積層されてなる発光素子を備えた光源装置であって、
   前記発光素子の発光光の出射面上に、該出射面の屈折率と同等、あるいはそれより高い屈折率を有する散乱層が形成されてなることを特徴とする光源装置。
2. 前記散乱層が高分子網目構造からなることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記高分子網目構造が液晶性高分子からなることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
4. 請求項１に記載の光源装置の製造方法であって、
   前記発光素子の発光光の出射面上に紫外線硬化性のモノマー液を塗布してモノマー層を形成し、このモノマー層に紫外線を照射して硬化させた後、未硬化の紫外線硬化性モノマー液を洗浄除去して散乱層を形成することを特徴とする光源装置の製造方法。
5. 光源装置から出射された光を変調して表示面に投写することによって画像を形成するプロジェクタであって、
   前記光源装置として、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光源装置を備えることを特徴とするプロジェクタ。
   
   

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