JP2006310737A - 発光素子、発光素子の製造方法及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い外部取出効率で、所定の照明方向へ効率良く光を供給することが可能であっ
て、容易かつ安価に製造することが可能な発光素子等を提供すること。
【解決手段】基準面ＳＳ上に設けられ、光を供給する発光部１０４と、発光部１０４の出
射側に設けられ、発光部１０４からの光を透過させる光学部１０１と、を有し、光学部１
０１は、基準面ＳＳに略平行な二次元方向につき屈折率が周期的に変化するように形成さ
れ、かつ発光部１０４に対して別途形成可能な構成を有する。
【選択図】図１−１

Description

本発明は、発光素子、発光素子の製造方法及び画像表示装置、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。単に発光部
に基板を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、光を内部に取り込んでしまうこ
とがある。また、単に発光部に基板を積層した発光素子は、水平方向に扁平するような放
射分布特性で発光光を供給することがわかっている。例えば、画像表示装置の光源部のよ
うに、照明対象の方向へ効率良く光を供給することが求められる場合であっても、かかる
発光素子では所定の照明方向へ効率良く光を供給することは困難である。発光素子の外部
取出効率を向上させ、かつ所定の照明方向へ効率良く光を供給するために、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一方で、発
光素子より大きい面積の虚像が形成される。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。虚像面積を大きくすることなく外部取出効率を向上させ、か
つ所定の照明方向へ効率良く光を供給するための技術としては、例えば、特許文献１に提
案されているものがある。

特開２００４−１２８４４５号公報

特許文献１には、波長オーダの微小な光学素子を発光素子の表面に設ける技術が開示さ
れている。かかる微小な光学素子は、レーザ光による改質加工を用いて形成することが可
能である。しかし、微小な領域にレーザ光を照射する必要があるため、製造が困難であっ
て製造コストが高騰することや、各発光素子に加工を施すことによる歩留まりの低下等の
課題がある。本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、高い外部取出効率で、
所定の照明方向へ効率良く光を供給することが可能であって、容易かつ安価に製造するこ
とが可能な発光素子、その発光素子の製造方法、及び、その発光素子を用いる画像表示装
置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、基準面上に設けられ
、光を供給する発光部と、発光部の出射側に設けられ、発光部からの光を透過させる光学
部と、を有し、光学部は、基準面に略平行な二次元方向につき屈折率が周期的に変化する
ように形成され、かつ発光部に対し別途形成可能な構成を有することを特徴とする発光素
子を提供することができる。

二次元方向につき屈折率が周期的に変化する光学部を設けることにより、発光部からの
光が発光部の内部に取り込まれることを防ぎ、高い外部取出効率で光を供給することがで
きる。光学部は発光部と略同じ大きさで形成することにより、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可能である。光学部は、その構造に応じて、光軸に
対して大きい角度の光を、光軸に対して小さい角度で進行するように角度変換することも
可能である。さらに、発光部に対して光学部を別途形成可能な構成とすることにより、各
発光素子に直接加工を施すことによって光学部を形成する場合に比較して、歩留まりを向
上させることが可能である。各発光素子に加工を施すことにより光学部を形成する場合に
比較して、光学部の形成に関する制約を軽減できることから、従来加工が困難であった光
学部について、簡易な手法を用いて安価かつ大量に製造することも可能となる。また、従
来加工を施すことが困難と考えられた発光素子にも光学部を適用することができる。これ
により、高い外部取出効率で、所定の照明方向へ効率良く光を供給することが可能であっ
て、容易かつ安価に製造することが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、基準面に略垂直な方向に高さを有す
る複数の凸部、又は基準面に略垂直な方向に深さを有する複数の凹部を備えることが望ま
しい。光学部は、複数の凸部、又は複数の凹部を設けることにより、二次元方向について
、光学部を構成する部材と空気との、互いに異なる屈折率の媒質を有する。これにより、
基準面に略平行な二次元方向につき屈折率が変化する構成とすることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、光学部は、フィルム状に形成されることが望ま
しい。光学部をフィルム状に形成することで、光学部は、発光部に対し別途形成した後発
光部上に積層することができる。フィルム状の光学部は、例えば、フィルム部材にプレス
加工を施すことによって容易に形成することができる。また、フィルム部材は、切り分け
ることも容易である。このため、一度の型転写で型形成したフィルム部材を切り分けるこ
とにより、大量の光学部を容易に製造することができる。さらに、熱可塑性、熱硬化性、
光硬化性のいずれかを有するフィルム部材を用いることにより、プレス加工を施した後に
おけるフィルム部材の硬化も容易に行うことができる。これにより、発光素子の製造を容
易かつ安価に行うことができる。フィルム状に形成された光学部を用いることにより、略
平坦な出射面を有する発光素子のみならず、例えば曲面を有する発光素子のように、従来
加工を施すことが困難と考えられた発光素子にも光学部を適用することができる。このよ
うに、フィルム状の光学部を用いることにより、発光素子に光学部を適用するための利便
性、及び汎用性を大幅に高めることが可能となる。

また、本発明の好ましい態様によれば、光学部は、シリコン樹脂部材を有することが望
ましい。シリコン樹脂部材を用いることにより、シリコン樹脂部材を型押しした後熱硬化
することにより、光学部を容易に形成することができる。また、光学部は、シリコン樹脂
部材を用いることにより、耐熱性、耐光性、耐湿性等の耐環境性が高い構成とすることが
できる。これにより、容易に形成でき、かつ耐環境性が高い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、流動性部材を備える緩衝層を有し、緩衝層は、
発光部と光学部との間に設けられることが望ましい。緩衝層は、発光部及び光学部の間に
おける寸法の変化を緩衝する。発光部と光学部との間に緩衝層を設けることにより、発光
部と光学部との間のひずみを低減し、破損しにくい構成とすることができる。特に、高出
力の発光素子において構造上の劣化を低減することができる。これにより、破損しにくく
長期に渡って使用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、略円柱形状を有する凸部を備えるこ
とが望ましい。光学部は、複数の凸部を設けることにより、二次元方向について、光学部
を構成する部材と空気との、互いに異なる屈折率の媒質を有する。これにより、基準面に
略平行な二次元方向につき屈折率が変化する構成とすることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、凸部は、一の凸部、及び、一の凸部に隣接する
他の２つの凸部により、基準面に略平行な面において三角形をなすような位置に配置され
ることが望ましい。光学部は、三角形をなすように凸部を配置することで、凸部を稠密に
配置することが可能となる。これにより、光軸に略平行な方向へ進行する光を増加させ、
かつ良好な放射特性を得ることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、凸部は、凸部が備える円柱形状の高さを、円柱
形状の直径で除した比が、２以上３以下であることが望ましい。これにより、光軸に略平
行な方向へ進行する光を増加させ、かつ良好な放射特性を得ることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、凸部は、円柱形状の高さを円柱形状の直径で除
した比が略２．５であることが望ましい。これにより、光軸に略平行な方向へ進行する光
をさらに増加させ、さらに良好な放射特性を得ることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、光学部は、凸部が備える円柱形状の直径を、複
数の凸部を並列させるピッチで除した比が、０．６５以上０．８５以下となるように構成
されることが望ましい。これにより、光軸に略平行な方向へ進行する光を増加させ、かつ
良好な放射特性を得ることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、光学部は、複数の凸部を並列させるピッチが、
５００ナノメートル以上２０００ナノメートル以下となるように構成されることが望まし
い。これにより、光軸に略平行な方向へ進行する光を増加させ、かつ良好な放射特性を得
ることができる。

さらに、本発明によれば、発光部から光を供給する発光素子の製造方法であって、二次
元方向につき屈折率が周期的に変化する光学部を形成する光学部形成工程と、二次元方向
に略平行な基準面上に設けられた発光部の上に光学部を積層する光学部積層工程と、を含
むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供することができる。基準面に略平行な二次
元方向につき屈折率が周期的に変化する光学部を用いることで、高い外部取出効率で、所
定の照明方向へ効率良く光を供給可能な発光素子を製造することができる。また、光学部
形成工程において、発光部に対して光学部を別途形成することにより、各発光素子に直接
加工を施すことによって光学部を形成する場合に比較して、歩留まりを向上させることが
可能である。各発光素子に加工を施すことにより光学部を形成する場合に比較して、光学
部の形成に関する制約を軽減できることから、従来加工が困難であった光学部についても
、簡易な手法を用いて安価かつ大量に光学部を製造することも可能となる。これにより、
高い外部取出効率で、所定の照明方向へ効率良く光を供給することが可能な発光素子を、
容易かつ安価に製造することができる。

さらに、本発明によれば、光を供給する発光素子を備える光源部と、光源部からの光を
画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有し、発光素子は、上記の発光素子であ
ることを特徴とする画像表示装置を提供することができる。光源部に上記の発光素子を用
いることにより、光源部を容易かつ安価に製造し、かつ空間光変調装置へ高い効率で光を
供給することができる。これにより、容易かつ安価に製造でき、かつ高い効率で明るい画
像を表示することが可能な画像表示装置を得られる。

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１−１は、本発明の実施例１に係る発光素子であるＬＥＤ１００の要部斜視構成を示
す。ＬＥＤ１００は、発光部１０４と光学部１０１とを有する。ＬＥＤ１０１は、主に発
光部１０４の表面から光を放出する面発光光源である。発光部１０４は、基準面ＳＳ上に
設けられ、光を供給する。基準面ＳＳは、光軸であるＺ軸に直交する平面であって、ＸＹ
平面である。

発光部１０４は、ｐ型半導体層１０５、活性層１０６、ｎ型半導体層１０７を備えるダ
ブルヘテロ構造をなしている。ｐ型半導体層１０５、活性層１０６、ｎ型半導体層１０７
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。ＬＥＤ１０１は
、出射側とは反対側に不図示の電極を配置して発光部１０４を実装する、いわゆるフリッ
プチップ構造をなしている。なお、発光部１０４は、ｐ型半導体層１０５、活性層１０６
、ｎ型半導体層１０７を有する構成に限られない。発光部１０４は、ホモ接合構造等周知
の他の構造を採用することとしても良い。また、ｐ型半導体層１０５、活性層１０６、ｎ
型半導体層１０７には、窒化ガリウム系化合物半導体以外の他の半導体を用いることとし
ても良い。

発光部１０４の出射側には、接着層１０８を介して光学部１０１が設けられている。光
学部１０１は、発光部１０４からの光を透過させる。光学部１０１は、複数の凸部１０２
が薄膜１０３上に設けられた構成を有する。凸部１０２及び薄膜１０３は、例えば、透明
なシリコン樹脂部材により構成されている。シリコン樹脂部材としては、例えば、シロキ
サン結合（−Ｓｉ−Ｏ−）の側鎖にアルキル基等が結合した分子構造を有するポリマーを
用いることができる。光学部１０１は、フィルム状とすることで、発光部１０４に対し別
途形成した後、発光部１０４上に積層することができる。接着層１０８は、透明接着剤等
が硬化して形成された透明な層であって、発光部１０４と光学部１０１とを接着している
。

凸部１０２は、基準面ＳＳに略垂直な方向であるＺ軸方向に高さを有する円柱形状をな
している。また、凸部１０２は、一の凸部、及び、一の凸部に隣接する他の２つの凸部に
より、基準面ＳＳに略平行な面であるＸＹ平面において正三角形をなすような位置に配置
されている。１つの凸部１０２に着目すると、１つの凸部１０２の周りには６つの凸部１
０２が形成されている。このように三角格子をなすように複数の凸部１０２を配置するこ
とで、凸部１０２を稠密に配置することが可能となる。また、凸部１０２は、発光部１０
４からの光の波長程度の所定のピッチで、周期構造をなすように配列している。光学部１
０１は、複数の凸部１０２を設けることにより、ＸＹ方向について、シリコン樹脂部材と
空気との、屈折率が異なる２種類の媒質を有する構成をなしている。このように、光学部
１０１は、基準面ＳＳに略平行な二次元方向につき屈折率が周期的に変化する構成を有す
る。なお、複数の凸部１０２は、三角格子をなすように配列する構成に限らず、所定のピ
ッチで周期構造をなすように配列する構成であれば良い。

図１−２は、発光部に透明基板を積層した構成を有する従来のＬＥＤの放射分布特性の
例を示す。円グラフ中、太線が円の中心から離れるほど、その角度方向に進行する光が多
いことを示している。単に発光部に透明基板を積層したＬＥＤは、水平方向に扁平するよ
うな放射分布特性で発光光を供給することがわかる。例えば、画像表示装置の光源部のよ
うに、照明対象の方向へ効率良く光を供給することが求められる場合であっても、かかる
ＬＥＤでは所定の照明方向へ効率良く光を供給することは困難である。

これに対して、二次元方向につき屈折率が周期的に変化する光学部１０１を設けること
により、発光部１０４からの光が発光部１０４の内部に取り込まれることを防ぎ、高い外
部取出効率で光を供給することができる。光学部１０１は発光部１０４と略同じ大きさで
形成することにより、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可
能である。光学部１０１は、その構造に応じて、光軸に対して大きい角度の光を、光軸に
対して小さい角度で進行するように角度変換することも可能である。従って、光学部１０
１は、高い外部取出効率で、所定の照明方向へ効率良く光を供給することができる。

図２及び図３は、光学部１０１を設けることによるＬＥＤの放射分布特性の変化を説明
するものである。図２は光学部１０１を設けない場合の放射分布、図３は光学部１０１を
設ける本発明のＬＥＤ１００の放射分布を示す。図２及び図３のいずれも、ＸＺ平面にお
ける光の強度分布を、強度が大きいほうから黒塗り部分、ハッチング部分、トーン部分、
白抜き部分で示したものである。図２では発光部１０４の出射面を基準面Ｓとして、図３
では凸部１０２が設けられている薄膜１０３の出射側の面を基準面Ｓとして、ＬＥＤから
の光の強度分布を表している。領域Ｐは、発光部１０４のうち強く光が供給される部分で
あって、発光部１０４のうちＸＹ方向における略中心位置である。図２と図３とを比較す
ると、光学部１０１を設けることにより、領域ＰからプラスＺ方向へ進む光の強度が大き
くなるように放射分布特性が変化することがわかる。

図４及び図５は、ＸＹ平面における放射分布特性の変化を説明するものである。図４は
、図２で説明した放射分布を、基準面Ｓから１マイクロメートル出射側のＸＹ平面で見た
ものである。図５は、図３で説明した放射分布を、基準面Ｓから１．５マイクロメートル
出射側のＸＹ平面で見たものである。図５に示すＸＹ平面中には、複数の凸部１０２が配
列されている。図４と図５とを比較すると、光学部１０１を設けることにより、非常に狭
い角度範囲に光の強度を集中させることが可能であることを確認できる。

光学部１０１に設けられる凸部１０２は、図１−１に示す形状に限られず、変形しても
良い。例えば、Ｚ軸方向への高さが高い凸部１０２を設ける場合と、Ｚ軸方向への高さが
低い凸部１０２を設ける場合とでは、高い凸部１０２を設けるほうが、斜め方向へ進行す
る光をより多くＺ軸方向へ角度変換することが可能である。このため、図示するよりもＺ
軸方向への高さが高い凸部１０２を設けることとしても良い。また、凸部１０２は円柱形
状に限られず、角柱形状としても良い。

さらに、光学部１０１は、凸部１０２を設ける構成に限らず、基準面ＳＳ（図１−１参
照）に略垂直な方向であるＺ軸方向に深さを有する複数の凹部を備えることとしても良い
。光学部１０１に設ける凹部は、凸部１０２の形状を転写することにより形成できる。光
学部１０１は、凸部１０２に代えて凹部を設ける場合も、基準面ＳＳに略平行な二次元方
向につき屈折率が周期的に変化する構成を有する。凹部を設ける場合も、高い外部取出効
率で、所定の照明方向へ効率良く光を供給することができる。光学部１０１のその他の変
形例については、後述する。

図６及び図７は、ＬＥＤ１０１の製造手順を説明するものである。図６に示す工程ａ〜
工程ｅは、発光部１０４に対して別途光学部１０１を形成する光学部形成工程である。Ｌ
ＥＤ１０１の光学部１０１は、金型を用いたプレス加工をナノスケールに応用したいわゆ
るナノインプリント法を用いて成型することができる。ナノインプリント法は、微細な凹
凸のある型を樹脂薄膜等の被加工材料に押しつけて成型する加工技術であって、数十ナノ
メートル幅のパターン形成を可能とするものである。プレスによりパターン形成すること
から、電子ビームを用いたナノスケールの加工技術に比べ、容易かつ安価に成型できると
いう特長がある。

光学部１０１を形成する手順としては、まず、工程ａ〜工程ｃにおいてモールドを作成
する。モールドは、例えば、電鋳加工により形成することができる。工程ａでは、硝子部
材等で構成された基板６０１に、所望の形状のレジスト層６０２を形成する。工程ｂでは
、基板６０１及びレジスト層６０２の上に、金属層６０３を形成する。金属層６０３は、
例えばニッケル、銅等の金属部材により形成することができる。そして、工程ｃにおいて
、金属層６０３から基板６０１及びレジスト層６０２を剥離することにより、所望の形状
が転写されたモールドが得られる。なお、モールドは、電鋳加工に限らず、他の加工法、
例えば、ウェットエッチングやドライエッチング、レーザ加工により作成することとして
も良い。

次に、工程ｄ及び工程ｅにおいて、モールドである金属層６０３を用いて、薄膜状のシ
リコン樹脂層６０５へ型転写する。工程ｄにおいて金属層６０３を用いてシリコン樹脂層
６０５にプレス加工を施した後、工程ｅにおいて金属層６０３の剥離、及びシリコン樹脂
層６０５の熱硬化を行う。このようにして、シリコン樹脂部材に所望の形状が形成された
フィルム状の光学部１０１が得られる。光学部１０１は、ＬＥＤ１００の大きさで形成す
るほか、ＬＥＤ１０１より大きいサイズで形成後ＬＥＤ１００のサイズに切り分けること
としても良い。フィルム状のシリコン樹脂部材は、切り分けが容易にできる。このように
、一度の型転写を経て大量の光学部１０１を製造することもできる。

図７に示す工程ｆ〜工程ｈは、発光部１０４の上に光学部１０１を積層する光学部積層
工程である。工程ｆに示すように二次元方向に凸部１０２が形成された光学部１０１を、
工程ｇにおいて、接着剤７０６により発光部１０４の上に接着させる。接着剤７０６は、
例えば、液状、又はゲル状の透明接着剤であって、硬化により透明な接着層１０８となる
。以上により、工程ｈに示すＬＥＤ１００を製造することができる。なお、光学部１０１
と発光部１０４との貼り合わせは、接着剤７０６を用いず、光学部１０１の一部を熱で軟
化させた状態で発光部１０４に貼り付けることにより行うこととしても良い。

なお、光学部形成工程において、さらに、プレス加工に用いるモールドを型転写によっ
て形成するためのモールドを作成することとしても良い。プレス加工に用いるモールドを
形成するためのモールドを作成するためには、工程ａにおいて、基板６０１とレジスト層
６０２とにより、図６の工程ｃに示す金属層６０３と同様の形状を形成する。これにより
、図６の工程ｃに示す金属層６０３とは逆の凹凸を有する形状をなすモールドを作成する
ことができる。プレス加工に用いるモールドを形成するためのモールドを作成することに
より、プレス加工に用いるモールドが劣化した場合であっても、プレス加工に用いるモー
ルドを、型転写により容易に作成し直すことができる。

光学部形成工程において、発光部１０４に対して光学部１０１を別途形成することによ
り、各ＬＥＤに加工を施すことにより光学部１０１を形成する場合に比較して、歩留まり
を向上させることが可能である。各ＬＥＤに加工を施すことにより光学部１０１を形成す
る場合に比較して、光学部１０１の形成に関する制約を軽減できることから、従来加工が
困難であった光学部１０１について、簡易な手法を用いて安価かつ大量に製造することも
可能となる。また、フィルム状の光学部１０１は、フィルム部材にプレス加工を施すこと
によって容易に形成することができる。これにより、高い外部取出効率で、所定の照明方
向へ効率良く光を供給することが可能な発光素子を、容易かつ安価に製造することできる
という効果を奏する。本発明のＬＥＤ１００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。

光学部１０１は、熱硬化性樹脂であるシリコン樹脂部材を用いて形成することにより、
型押し後のシリコン樹脂部材の硬化を容易に行うことができる。また、光学部１０１は、
シリコン樹脂部材を用いて形成することにより、耐熱性、耐光性、耐湿性等の耐環境性が
高い構成とすることができる。これにより、ＬＥＤ１０１を容易に形成でき、かつ耐環境
性が高い構成とすることができる。なお、光学部１０１は、シリコン樹脂部材を有する構
成に限らず、他の透明部材を有する構成としても良い。さらに、光学部１０１は、熱硬化
性の部材で形成する場合に限らず、例えば、熱可塑性の部材や光硬化性の部材で形成する
こととしても良い。熱可塑性の部材や光硬化性の部材で形成する場合も、型押し後の硬化
を容易に行うことができる。

図８−１は、本実施例の変形例に係る発光素子であるＬＥＤ８００の製造手順を説明す
るものである。本変形例のＬＥＤ８００は、緩衝層８０８を有することを特徴とする。図
８−１に示す工程ｉ〜工程ｋは、発光部１０４の上に光学部１０１を積層する光学部積層
工程である。工程ｉには、二次元方向に凸部１０２が形成された光学部１０１を示してい
る。上記と同様にして光学部１０１を別途形成後、工程ｊでは、光学部１０１を、流動性
材料８０６を介して発光部１０４の上に載せる。流動性材料８０６は、液状、又はゲル状
の透明部材であって、光学オイル等である。そして、工程ｋにおいて、発光部１０４及び
光学部１０１を、発光部１０４及び光学部１０１の周囲に設けられる支持部８０１によっ
て支持する。

光学部１０１と発光部１０４とは精緻な位置合わせをする必要は無く、支持部８０１は
、光学部１０１と発光部１０４との大きな位置ずれを防ぐ目的で設けられる。流動性材料
８０６は、発光部１０４、光学部１０１及び支持部８０１によって取り囲まれることによ
り、流動性部材を備える緩衝層８０８となる。以上により、高い外部取出効率で、所定の
照明方向へ効率良く光を供給することが可能なＬＥＤ８００を製造することができる。

発光部１０４と光学部１０１との間に設けられた緩衝層８０８は、発光部１０４及び光
学部１０１の間における寸法の変化を緩衝する。発光部１０４と光学部１０１との間に緩
衝層８０８を設けることにより、発光部１０４と光学部１０１との間のひずみを低減し、
破損しにくい構成とすることができる。特に、緩衝層８０８を設けることで、ＬＥＤ８０
０が高出力である場合であっても、ＬＥＤ８００の構造上の劣化を低減することができる
。これにより、破損しにくく長期に渡って使用可能なＬＥＤ８００を得られる。

光学部１０１と発光部１０４との位置ずれを防ぐ構成としては、支持部８０１を用いる
場合に限られない。例えば、図８−２に示すＬＥＤ８２０のように、光学部１０１及び発
光部１０４を支持可能な基板８２１を用いる構成としても良い。光学部１０１及び発光部
１０４は、基板８２１に設けられた溝部に嵌め込まれることにより固定されている。かか
る溝部を有する基板８２１は、例えば、平行平板にエッチングを施すことにより形成する
ことができる。

なお、緩衝層８０８は、光学部１０１を構成する透明部材と同程度の屈折率を有する部
材によって構成することとしても良い。例えば、屈折率が約１．５である透明樹脂、例え
ば、アクリル樹脂やシクロオレフィンポリマーにより光学部１０１を構成する場合、緩衝
層８０８としては、屈折率が約１．５であるエマルジョンオイルを用いることができる。
これにより、緩衝層８０８と光学部１０１との界面における光の損失を低減することがで
きる。この他、緩衝層８０８は、光学部１０１を構成する透明部材の屈折率と、発光部１
０４に用いられる不図示の透明基板の屈折率との間の屈折率を有する部材により構成する
こととしても良い。例えば、屈折率が約１．５である透明樹脂により光学部１０１を構成
し、発光部１０４の透明基板として、屈折率が約１．７であるサファイア部材を用いる場
合、緩衝層８０８としては、屈折率が１．５〜１．７である液浸露光用液体を用いること
ができる。これにより、発光部１０４と緩衝層８０８との界面、及び緩衝層８０８と光学
部１０１との界面における光の損失を低減することができる。

本実施例の光学部は、上記のＬＥＤ１００、８００、８２０の発光部１０４のように、
略平坦な出射面を有する発光部に限らず、図９に示すような曲面状の出射面を有する発光
部９０４と組み合わせて用いることもできる。発光部９０４は、例えば、円柱形状を有し
、円柱の曲面から光を供給する蛍光灯である。発光部９０４にフィルム状の光学部９０１
を巻き付けることにより、図１０に示す蛍光発光素子１０００を形成することができる。
光学部９０１は、発光部９０４の出射側に設けられ、発光部９０４からの光を透過させる
。光学部９０１の構成や作用は、上記のＬＥＤ１００に設けられる光学部１０１と同様で
ある。これにより、蛍光発光素子１０００についても、上記のＬＥＤ１００と同様に、高
い外部取出効率で光を供給することができる。

フィルム状に形成された光学部９０１を用いることにより、曲面を有する発光素子のよ
うに、従来加工を施すことが困難と考えられた発光素子にも光学部９０１を適用すること
ができる。このように、フィルム状の光学部９０１を用いることにより、発光素子に光学
部９０１を適用するための利便性、及び汎用性を大幅に高めることが可能となる。これに
より、発光素子の製造を容易かつ安価に行うことができる。光学部９０１は、円柱形状の
発光部９０４を有する発光素子のみならず、曲面を有するその他の発光素子や、複雑な形
状の発光素子にも適用することができる。

図１１は、本実施例の変形例に係る光学部１１０１の要部斜視構成を示す。本変形例の
光学部１１０１は、上記のＬＥＤ１００、８００、８２０に適用することができる。光学
部１１０１は、入射面と出射面とに光学素子１１０２、１１０３が設けられる三次元構造
を有することを特徴とする。光学部１１０１の入射面に設けられた光学素子１１０３は、
Ｙ軸方向に長手方向を有し、かつＸ軸方向に並列して設けられている。光学部１１０１の
出射面に設けられた光学素子１１０２は、Ｘ軸方向に長手方向を有し、かつＹ軸方向に並
列して設けられている。光学部１１０１も、上記の光学部１０１と同様に、高い外部取出
効率で、所定の照明方向へ効率良く光を供給することができる。

三次元構造の光学部１１０１は、ＬＥＤに直接加工施す場合には極めて製造が困難であ
る。これに対して、発光部に対して別途光学部１１０１を形成する場合、光学部１１０１
は、例えば、薄膜状の材料の表面と裏面とにプレス加工を施すことによって容易に形成す
ることが可能である。このように、本発明によると、光学部１１０１の形成に関する制約
を軽減でき、従来加工が困難であった光学部１１０１を、簡易な手法を用いて安価かつ大
量に製造することができる。

図１２は、本発明の実施例２に係る発光素子であるＬＥＤに設けられる光学部１２０１
の要部斜視構成を示す。本実施例では、良好な放射特性を得るための光学部１２０１の構
成について説明する。光学部１２０１の各凸部１２０２は、円柱形状の高さｈが１３８０
ｎｍ、円柱形状の直径ｄが５５０ｎｍとなるように形成されている。円柱形状の高さｈを
直径ｄで除した比をアスペクト比と呼ぶこととすると、かかる凸部１２０２のアスペクト
比は、略２．５となる。

図１３は、ＸＹ平面上における凸部１２０２の配置を示す。光学部１２０１は、ピッチ
ｐが７００ｎｍとなるように各凸部１２０２を配置している。光学部１２０１は、凸部１
２０２が備える円柱形状の直径ｄをピッチｐで除した比が略０．７９である。また、凸部
１２０２は、一の凸部１２０２ａ、及び、一の凸部１２０２ａに隣接する他の２つの凸部
１２０２ｂ、１２０２ｃにより、基準面ＳＳに略平行なＸＹ面において正三角形をなすよ
うな位置に配置される。１つの凸部１２０２ｂに着目すると、１つの凸部１２０２ｂの周
りには６つの凸部１２０２が形成されている。このように、ＸＹ面上にて三角格子をなす
ように凸部１２０２を配置することにより、光学部１２０１は、凸部１２０２を稠密に配
置することが可能となる。

図１４は、従来のＬＥＤの放射分布特性Ｃ０、及び、本実施例の光学部１２０１を用い
たＬＥＤの放射分布特性Ｃ１等を表したものである。放射分布特性Ｃ０は、発光部１０４
に透明基板を積層した構成のＬＥＤによるものであって、図１−２に示した放射分布特性
である。２つの放射分布特性Ｃ０、Ｃ１を比較すると、本実施例のＬＥＤのほうが、従来
のＬＥＤよりも光軸方向へ多くの光を進行させていることがわかる。本実施例のＬＥＤは
、光軸方向における輝度が、従来のＬＥＤと比較して約３．５倍に増加している。

また、従来と比較すると、本実施例では、ＬＥＤ全体の光取出効率は約１．０倍となる
のに対して、光軸方向を基準とする±３０度の角度範囲における光の絶対光量については
、約２．１倍に増加させることが可能となる。さらに、ＬＥＤの全光量に対して、光軸方
向を基準とする±３０度の角度範囲において出射可能な光量の割合は、従来の構成で２２
％であるのに対して、本実施例により４７％に増加させることができる。このように、本
実施例の構成によると、光軸に略平行な方向へ進行する光を増加させ、かつ良好な放射特
性を得ることができる。

例えば、光源部と空間光変調装置とを含めたプロジェクタの光学系において、光束が存
在する空間的な広がりを、発光面積と放射角の積（エテンデュー、Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａ
ｌ Ｅｘｔｅｎｔ）として表すことができる。空間光変調装置は、有効に変調可能な光の
光線角度に限りがある（例えば、光軸に対して±１６度以内。）。空間光変調装置にて光
源部からの光を効率良く利用可能とするためには、光源部のエテンデューを、空間光変調
装置のエテンデューより小さくする必要がある。本実施例によると、光軸に略平行な方向
へ進行する光を増加させ、かつ良好な放射特性を得ることにより、エテンデューを低減す
ることが可能である。よって、本実施例の発光素子は、プロジェクタにより効率良く明る
い画像を表示するのに適している。

なお、光学部１２０１を構成する凸部１２０２の高さｈ、直径ｄ、ピッチｐの各値は、
上記のものに限られない。例えば、凸部１２０２のアスペクト比が略２．５となるように
、凸部１２０２の高さｈ及び直径ｄを適宜設定することができる。また、凸部１２０２の
アスペクト比は、略２．５とする構成に限られず、２以上３以下であれば良い。凸部１２
０２の直径ｄをピッチｐで除した比は、略０．７９とする構成に限られず、０．６５以上
０．８５以下であれば良い。ピッチｐは、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下のいずれかの
値とすることが可能である。

ここで、２つの変形例について説明する。変形例１は、円柱形状の高さｈが２５３０ｎ
ｍ、円柱形状の直径ｄが１０１０ｎｍの凸部１２０２を、１３００ｎｍのピッチｐで配置
する構成である。かかる凸部１２０２のアスペクト比は、略２．５となる。また、直径ｄ
をピッチｐで除した比は、略０．７８である。図１４に示すように、変形例１の場合の放
射分布特性Ｃ２を従来の放射分布特性Ｃ０と比較すると、光軸方向における輝度が約５倍
に増加している。また、従来と比較すると、本変形例では、ＬＥＤ全体の光取出効率は約
０.９倍であるのに対して、光軸方向を基準とする±３０度の角度範囲における光の絶対
光量については、約１．６倍に増加させることが可能となる。さらに、ＬＥＤの全光量に
対して、光軸方向を基準とする±３０度の角度範囲において出射可能な光量の割合は、本
変形例により３６％に増加させることができる。

変形例２は、円柱形状の高さｈが１１１０ｎｍ、円柱形状の直径ｄが５５０ｎｍの凸部
１２０２を、７００ｎｍのピッチｐで配置する構成である。かかる凸部１２０２のアスペ
クト比は、略２．０となる。また、直径ｄをピッチｐで除した比は、略０．７９である。
図１４に示すように、変形例２の場合の放射分布特性Ｃ３を従来の放射分布特性Ｃ０と比
較すると、光軸方向における輝度が約３倍に増加している。また、従来と比較すると、本
変形例では、ＬＥＤ全体の光取出効率は約１．１倍であるのに対して、光軸方向を基準と
する±３０度の角度範囲における光の絶対光量については、約２．１倍に増加させること
が可能となる。さらに、ＬＥＤの全光量に対して、光軸方向を基準とする±３０度の角度
範囲において出射可能な光量の割合は、本変形例により４３％に増加させることができる
。

図１５は、ＬＥＤの全光量、±３０度の角度範囲における絶対光量、±３０度の角度範
囲における出射割合について、凸部１２０２のアスペクト比との関係を表したものである
。ＬＥＤの全光量、±３０度の角度範囲における絶対光量は、いずれも、発光部１０４に
透明基板を積層した従来のＬＥＤを基準とした倍率によって表している。かかる倍率は、
グラフ左側の目盛りにて示している。±３０度の角度範囲における出射割合は、ＬＥＤの
全光量に対して±３０度における出射可能な光量の割合によって表している。かかる倍率
は、グラフ右側の目盛りにて示している。ここでは、凸部１２０２の直径ｄを７００ｎｍ
に固定し、高さｈを変化させることとする。また、複数の凸部１２０２は、ピッチｐを９
００ｎｍとして配置することとする。

図１５に示すグラフから、凸部１２０２のアスペクト比が２以上３以下である場合、特
に、２．５である場合に、±３０度の角度範囲における光の絶対光量、及び、±３０度の
角度範囲において出射可能な光量の割合が高くなることがわかる。よって、高さｈを直径
ｄで除したアスペクト比が２以上３以下、特に、略２．５である凸部１２０２を形成させ
た光学部１２０１を用いることにより、光軸に略平行な方向へ進行する光を増加させ、良
好な放射特性を得ることが可能である。

本実施例において、光学部１２０１を構成する凸部１２０２の高さｈ、直径ｄ、ピッチ
ｐの最適値は、光が５２５ｎｍの波長を持つＧ光であるものとして算出している。Ｇ光以
外のＲ光、Ｂ光についても、本実施例で説明した範囲の数値を用いて凸部１２０２を構成
することにより、光軸に略平行な方向へ進行する光を増加させ、かつ良好な放射特性を得
ることが可能である。

図１６は、本発明の実施例３に係る画像表示装置であるプロジェクタ１６００の概略構
成を示す。プロジェクタ１６００は、Ｒ光を供給する光源部１００Ｒと、Ｇ光を供給する
光源部１００Ｇと、Ｂ光を供給する光源部１００Ｂとを有する。光源部１００Ｒ、１００
Ｇ、１００Ｂは、上記実施例１のＬＥＤ１００と同様の構成を有する。光源部１００Ｒか
らのＲ光は、レンズＬＮを透過して、空間光変調装置１１０Ｒに入射する。空間光変調装
置１１０Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。空間光変
調装置１１０Ｒは、液晶パネル１１５Ｒと、第１偏光板１１６Ｒと、第２偏光板１１７Ｒ
とを有する。

第１偏光板１１６Ｒは、Ｒ光のうちのｐ偏光光を透過し、液晶パネル１１５Ｒに入射さ
せる。光源部１００Ｒと第１偏光板１１６Ｒとの間には、ｐ偏光光以外の振動方向の偏光
光、例えばｓ偏光光をｐ偏光光に変換する偏光変換素子を設けることとしても良い。液晶
パネル１１５Ｒは、ｐ偏光光を画像信号に応じて変調し、ｓ偏光光に変換する。第２偏光
板１１７Ｒは、液晶パネル１１５Ｒでｓ偏光光に変換されたＲ光を出射する。このように
して、空間光変調装置１１０Ｒは、光源部１０１ＲからのＲ光を画像信号に応じて変調す
る。空間光変調装置１１０Ｒでｓ偏光光に変換されたＲ光は、クロスダイクロイックプリ
ズム１１２に入射する。

光源部１００ＧからのＧ光は、レンズＬＮを透過して、空間光変調装置１１０Ｇに入射
する。空間光変調装置１１０Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装
置である。空間光変調装置１１０Ｇは、液晶パネル１１５Ｇと、第１偏光板１１６Ｇと、
第２偏光板１１７Ｇを有する。第１偏光板１１６Ｇは、Ｇ光のうちのｓ偏光光を透過し、
液晶パネル１１５Ｇに入射させる。光源部１００Ｇと第１偏光板１１６Ｇとの間には、ｓ
偏光光以外の振動方向の偏光光、例えばｐ偏光光をｓ偏光光に変換する偏光変換素子を設
けることとしても良い。液晶パネル１１５Ｇは、ｓ偏光光を画像信号に応じて変調し、ｐ
偏光光に変換する。第２偏光板１１７Ｇは、液晶パネル１１５Ｇでｐ偏光光に変換された
Ｇ光を出射する。このようにして、空間光変調装置１１０Ｇは、光源部１００ＧからのＧ
光を画像信号に応じて変調する。空間光変調装置１１０Ｇでｐ偏光光に変換されたＧ光は
、Ｒ光とは異なる面からクロスダイクロイックプリズム１１２に入射する。

光源部１００ＢからのＢ光は、レンズＬＮを透過して、空間光変調装置１１０Ｂに入射
する。空間光変調装置１１０Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装
置である。空間光変調装置１１０Ｂは、液晶パネル１１５Ｂと、第１偏光板１１６Ｂと、
第２偏光板１１７Ｂとを有する。第１偏光板１１６Ｂは、Ｂ光のうちのｐ偏光光を透過し
、液晶パネル１１５Ｂに入射させる。光源部１００Ｂと第１偏光板１１６Ｂとの間には、
ｐ偏光光以外の振動方向の偏光光、例えばｓ偏光光をｐ偏光光に変換する偏光変換素子を
設けることとしても良い。液晶パネル１１５Ｂは、ｐ偏光光を画像信号に応じて変調し、
ｓ偏光光に変換する。第２偏光板１１７Ｂは、液晶パネル１１５Ｂでｓ偏光光に変換され
たＢ光を射出する。このようにして、空間光変調装置１１０Ｂは、光源部１０１Ｂからの
Ｂ光を画像信号に応じて変調する。空間光変調装置１１０Ｂでｓ偏光光に変換されたＢ光
は、Ｒ光及びＧ光とは異なる面からクロスダイクロイックプリズム１１２に入射する。

色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１１２は、２つのダイクロイック膜
１１２ａ、１１２ｂを有する。ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂは、Ｘ字型に直交し
て配置される。ダイクロイック膜１１２ａは、ｓ偏光光であるＲ光を反射し、ｐ偏光光で
あるＧ光を透過する。ダイクロイック膜１１２ｂは、ｓ偏光光であるＢ光を反射し、ｐ偏
光光であるＧ光を透過する。このように、クロスダイクロイックプリズム１１２は、空間
光変調装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂでそれぞれ変調されたＲ光、Ｇ光及びＢ光を合
成する。投写レンズ１３０は、クロスダイクロイックプリズム１１２で合成された光をス
クリーン１４０に投写する。

ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂは、通常、ｓ偏光光の反射特性に優れる。このた
め、本実施例のように、ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂでそれぞれ反射すべきＲ光
及びＢ光は、ｓ偏光光となってクロスダイクロイックプリズム１１２に入射するように設
定される。また、ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂを透過すべきＧ光は、ｐ偏光光と
なってクロスダイクロイックプリズム１１２に入射するように設定される。

なお、本実施例では、各光源部１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂは、レンズＬＮを通して
各空間光変調装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂに光を入射させる構成としている。これ
に限られず、光源部１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂの出射開口の大きさを空間光変調装置
１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂに対応させ、各光源部１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂから
の光を直接空間光変調装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂに入射させる構成としても良い
。

光源部１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂに上記のＬＥＤ１００を用いることにより、光源
部１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂを容易かつ安価に製造し、かつ空間光変調装置１１０Ｒ
、１１０Ｇ、１１０Ｂへ高い効率で光を供給することができる。これにより、プロジェク
タ１６００を容易かつ安価に製造でき、かつ高い効率で明るい画像を表示することができ
るという効果を奏する。

なお、上記のプロジェクタ１６００は、透過型液晶表示装置を用いる構成としているが
、反射型液晶表示装置やティルトミラーデバイスを用いる構成としても良い。また、本発
明の発光素子は、フロント投写型のプロジェクタの光源部に用いる場合に限らず、リアプ
ロジェクタの光源部に用いても良い。さらに、本発明の発光素子はＬＥＤに限らず、ＥＬ
素子や半導体レーザ等の他の固体発光素子であっても良い。

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ＬＥＤの要部斜視構成を示す図。 従来のＬＥＤの放射分布特性を説明する図。 光学部を設けることによるＬＥＤの放射分布特性の変化を説明する図。 光学部を設けることによるＬＥＤの放射分布特性の変化を説明する図。 ＸＹ平面における放射分布特性の変化を説明する図。 ＸＹ平面における放射分布特性の変化を説明する図。 ＬＥＤの製造手順を説明する図。 ＬＥＤの製造手順を説明する図。 実施例１の変形例に係るＬＥＤの製造手順を説明する図。 光学部及び発光部を支持可能な基板を用いる構成を説明する図。 曲面を有する発光部と光学部とを組み合わせる例を説明する図。 曲面を有する発光部と光学部とを組み合わせる例を説明する図。 実施例１の変形例に係る光学部の要部斜視構成を示す図。 本発明の実施例２に係る光学部の要部斜視構成を示す図。 ＸＹ平面上における凸部の配置を示す図。 ＬＥＤの放射分布特性を示す図。 ＬＥＤの特性と、凸部のアスペクト比との関係を説明する図。 本発明の実施例３に係るプロジェクタの概略構成を示す図。

符号の説明

１００ ＬＥＤ、１０１ 光学部、１０２ 凸部、１０３ 薄膜、１０４ 発光部、１
０５ ｐ型半導体層、１０６ 活性層、１０７ ｎ型半導体層、１０８ 接着層、ＳＳ
基準面、６０１ 基板、６０２ レジスト層、６０３ 金属層、６０５ シリコン樹脂層
、７０６ 接着剤、８００ ＬＥＤ、８０１ 支持部、８０６ 流動性材料、８０８ 緩
衝層、８２０ ＬＥＤ、８２１ 基板、９０１ 光学部、９０４ 発光部、１０００ 蛍
光発光素子、１１０１ 光学部、１１０２、１１０３ 光学素子、１２０１ 光学部、１
２０２、１２０２ａ、１２０２ｂ、１２０２ｃ 凸部、１６００ プロジェクタ、１００
Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂ 光源部、１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂ 空間光変調装置、１
１２ クロスダイクロイックプリズム、１１２ａ、１１２ｂ ダイクロイック膜、１１５
Ｒ、１１５Ｇ、１１５Ｂ 液晶パネル、１１６Ｒ、１１６Ｇ、１１６Ｂ 第１偏光板、１
１７Ｒ、１１７Ｇ、１１７Ｂ 第２偏光板、１３０ 投写レンズ、１４０ スクリーン

Claims (13)

1. 基準面上に設けられ、光を供給する発光部と、
   前記発光部の出射側に設けられ、前記発光部からの光を透過させる光学部と、を有し、
   前記光学部は、前記基準面に略平行な二次元方向につき屈折率が周期的に変化するように
   形成され、かつ前記発光部に対して別途形成可能な構成を有することを特徴とする発光素
   子。
2. 前記光学部は、前記基準面に略垂直な方向に高さを有する複数の凸部、又は前記基準面
   に略垂直な方向に深さを有する複数の凹部を備えることを特徴とする請求項１に記載の発
   光素子。
3. 前記光学部は、フィルム状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。
4. 前記光学部は、シリコン樹脂部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一
   項に記載の発光素子。
5. 流動性部材を備える緩衝層を有し、
   前記緩衝層は、前記発光部と前記光学部との間に設けられることを特徴とする請求項１
   〜４のいずれか一項に記載の発光素子。
6. 前記光学部は、略円柱形状を有する前記凸部を備えることを特徴とする請求項２〜５の
   いずれか一項に記載の発光素子。
7. 前記凸部は、一の凸部、及び、前記一の凸部に隣接する他の２つの凸部により、前記基
   準面に略平行な面において三角形をなすような位置に配置されることを特徴とする請求項
   ６に記載の発光素子。
8. 前記凸部は、前記凸部が備える円柱形状の高さを、前記円柱形状の直径で除した比が、
   ２以上３以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載の発光素子。
9. 前記凸部は、前記円柱形状の高さを前記円柱形状の直径で除した比が略２．５であるこ
   とを特徴とする請求項８に記載の発光素子。
10. 前記光学部は、前記凸部が備える円柱形状の直径を、複数の前記凸部を並列させるピッ
    チで除した比が、０．６５以上０．８５以下となるように構成されることを特徴とする請
    求項６〜９のいずれか一項に記載の発光素子。
11. 前記光学部は、複数の前記凸部を並列させるピッチが、５００ナノメートル以上２００
    ０ナノメートル以下となるように構成されることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか
    一項に記載の発光素子。
12. 発光部から光を供給する発光素子の製造方法であって、
    二次元方向につき屈折率が周期的に変化する光学部を形成する光学部形成工程と、
    前記二次元方向に略平行な基準面上に設けられた前記発光部の上に前記光学部を積層す
    る光学部積層工程と、を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
13. 光を供給する発光素子を備える光源部と、
    前記光源部からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有し、
    前記発光素子は、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の発光素子であることを特徴と
    する画像表示装置。

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