JP2007317916A

JP2007317916A - 光学素子、発光素子及びプロジェクタ

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Publication number: JP2007317916A
Application number: JP2006146432A
Authority: JP
Inventors: Susumu Ariga; 進有賀
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP5044992B2

Abstract

【課題】発光部からの光を効率良く外部へ取り出すための光学素子、その光学素子を用い
ることで外部取出効率を向上させ、明るい光を供給可能な発光素子、及びプロジェクタを
提供すること。
【解決手段】光を供給する発光部１１の出射側に設けられ、発光部１１からの光を透過さ
せる光学素子１３であって、発光部１１の光軸ＡＸを含む断面において、発光部１１によ
り供給される光の強度が最大となる方向に対して略直交するような出射面である側面１５
を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子、発光素子及びプロジェクタ、特に、発光ダイオード素子（以下、
適宜「ＬＥＤ」という。）等の固体発光素子に用いられる光学素子の技術に関する。

従来、発光素子として、例えば、発光部である半導体層を基板に積層させたものが用い
られている。発光部からの光は、基板を透過した後、発光素子の外部へ進行する。発光素
子は、単に発光部に基板を積層した構成とする場合、基板及び空気の界面における全反射
により、発光素子の内部に光が取り込まれることがある。特に、発光面となす角度が小さ
い光を多く供給する配光分布特性の場合、基板及び空気の界面での全反射により、発光部
からの光の多くが発光部の方向へ戻されてしまう。光を外部へ取り出す外部取出効率が低
いほど、発光素子は、明るい光を供給することが困難となる。発光素子による光の外部取
出効率を向上させるための技術は、例えば、特許文献１に提案されている。

特開２００４−１２８４４５号公報

特許文献１には、微小な構造体を複数並列させることにより基板表面において屈折率を
規則的に変化させた構成が示されている。構造体を構成する媒質と、構造体の周囲の媒質
とは、互いに異なる屈折率を有する。この場合、発光素子の出射側界面における光の全反
射を低減することが可能となる。しかし、微小な構造体へ入射した光の一部は、全反射せ
ず外部へ出射した後、出射した構造体に隣接する他の構造体へ入射し、発光部の方向へ戻
されてしまう場合がある。特に、発光面となす角度が小さい光を多く供給する配光分布特
性の場合に、発光素子に取り込まれる光が増加する。このように、従来の技術によると、
発光部からの光を効率良く取り出すことが困難な場合があるという問題を生じる。本発明
は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、発光部からの光を効率良く外部へ取り出す
ための光学素子、その光学素子を用いることで外部取出効率を向上させ、明るい光を供給
可能な発光素子、及びプロジェクタ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
の出射側に設けられ、発光部からの光を透過させる光学素子であって、発光部の光軸を含
む断面において、発光部により供給される光の強度が最大となる方向に対して略直交する
ような出射面を有することを特徴とする光学素子を提供することができる。

光学素子の界面に対して垂直に光を入射させる場合、界面での反射、全反射により光学
素子に取り込まれる光を最小限とし、効率良く光を出射させることが可能となる。発光部
により供給される光の強度が最大となる方向に対して直交するような出射面を設けると、
最大強度となる方向の光を効率良く出射させることができる。最大強度となる方向の光を
効率良く出射させることにより、光学素子は、発光部からの光を高い効率で外部へ取り出
すことが可能となる。これにより、発光部からの光を効率良く外部へ取り出すための光学
素子を得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、発光部は、光を供給する発光面を備え、発光部
の光軸を含む断面において、発光部により供給される光の強度が最大となる方向に対して
略直交する第１出射面と、光軸上に設けられ、発光面に略平行な第２出射面と、を有する
ことが望ましい。発光面に略平行な第２出射面からは、光軸方向の光を効率良く出射させ
ることができる。これにより、さらに効率良く光を取り出すことができる。

また、本発明の好ましい態様としては、四角錐を発光面に略平行な面で切断し、四角錐
の頂点を含む部分を取り除いたような台形形状を備えることが望ましい。これにより、矩
形状の面発光光源からの光を効率良く外部へ取り出し可能な光学素子を得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、発光部からの光を透過させる基板の出射側に設
けられる光学素子であって、基板を構成する部材の屈折率と略同じ屈折率の部材を備える
ことが望ましい。これにより、発光部からの光を効率良く取り出すことができる。

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る光学素
子と、を有し、光学素子は、上記の光学素子であることを特徴とする発光素子を提供する
ことができる。上記の光学素子を用いることにより、発光部からの光を効率良く外部へ取
り出すことが可能である。これにより、外部取出効率を向上させ、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としては、発光部は、固体光源であることが望ましい。こ
れにより、固体光源からの光を効率良く外部へ取り出すことができる。

さらに、本発明によれば、上記の発光素子からの光を用いて画像を表示することを特徴
とするプロジェクタを提供することができる。上記の発光素子を用いることにより、明る
い光を供給することができる。これにより、明るい画像を表示することが可能なプロジェ
クタを得られる。

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は、本発明の実施例１に係る発光素子であるＬＥＤ１０の概略構成を示す。ＬＥＤ
１０に設けられた発光部１１は、主に発光面１７から光を供給する固体光源である。発光
面１７は、矩形形状を有する。発光部１１は、例えば、ｐ型半導体層、活性層、ｎ型半導
体層（いずれも不図示）を備えるダブルヘテロ構造をなしている。ｐ型半導体層、活性層
、ｎ型半導体層は、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。
ＬＥＤ１０は、発光面１７の側とは反対側に不図示の電極を配置して発光部１１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１１は、ｐ型半導体層、活
性層、ｎ型半導体層を有する構成に限られない。発光部１１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、活性層、ｎ型半導体層には、
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。なお、発光部
１１は、発光面１７と略直交する方向に沿った光軸ＡＸを有している。

発光部１１の出射側には、透明基板１２が設けられている。透明基板１２は、透明部材
、例えばサファイア部材により構成される平行平板である。透明基板１２は、発光部１１
と略一致する矩形形状をなしている。透明基板１２は、発光部１１からの光を透過させる
。透明基板１２の出射側には、光学素子１３が設けられている。光学素子１３は、透明基
板１２を経て入射した発光部１１からの光を透過させる。光学素子１３は、矩形形状の底
面１６、底面１６に略平行な上面１４、底面１６と上面１４との間に設けられた側面１５
を有する台形形状を備える。

底面１６は、発光部１１及び透明基板１２と略一致する矩形形状をなしている。側面１
５は４つの側面１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを含む、発光部１１からの光を出射させ
る第１出射面である。４つの側面１５ａ〜１５ｄのうち、側面１５ａと側面１５ｃ、側面
１５ｂと側面１５ｄはそれぞれ光軸ＡＸを挟んで対向している。上面１４は、発光部１１
の光軸ＡＸ上に配置されている。上面１４は、発光部１１からの光を出射させる第２出射
面であって、底面１６と略相似の矩形形状をなしている。光学素子１３は底面１６、上面
１４及び４つの側面１５ａ〜１５ｄを備えた六面体形状である。光学素子１３は、透明基
板１２と略同じ屈折率を持つ透明部材、例えばサファイア部材により構成されている。発
光部１１、透明基板１２、及び光学素子１３は、いずれも発光部１１の光軸ＡＸを中心軸
として配置されている。

図２は、発光部１１からの光の、透明基板１２内における配光分布の例を説明するもの
である。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。図２に示す例では、水平方向に扁平するような配光分布特性で光を供
給することがわかる。水平方向に扁平するような配光分布特性とは、発光面１７に対する
角度が小さい光を比較的多く供給するような特性である。

図３は、ＬＥＤ１０の断面構成を示す。図示する断面は、発光部１１の光軸ＡＸを含み
、かつ互いに対向する２つの側面１５ａ、１５ｃに対して略直交する断面である。例えば
、発光部１１からの光は、透明基板１２内において、発光面１７に対する角度αが２０度
の方向の光Ｌ１が最大強度となるような配光分布をなしている。光学素子１３の底面１６
は発光面１７に略平行であることとし、角度αは、最大強度となる方向の光Ｌ１と底面１
６との間の角度として示している。

光学素子１３の各側面１５ａ〜１５ｄは、それぞれ底面１６となす角度θ１が７０度で
あって、光軸ＡＸとなす角度θ２が２０度となるように設けられている。図示する断面に
おいて、第１出射面である側面１５は、発光部１１により供給される光の強度が最大とな
る方向に対して略直交する。光学素子１３が備える台形形状は、４０度、７０度、７０度
の二等辺三角形を備える断面の四角錐を発光面１７に略平行な面で切断し、四角錐の頂点
Ｐを含む部分を取り除いたような形状である。最大強度となる方向の光Ｌ１は、側面１５
ａに対して略垂直に入射し、そのまま光学素子１３から出射する。

光学素子１３の界面に対して垂直に光を入射させる場合、界面での反射、全反射により
光学素子１３に取り込まれる光を最小限とし、効率良く光を出射させることが可能となる
。発光部１１により供給される光の強度が最大となる方向に対して直交するような側面１
５を設けると、最大強度となる方向の光Ｌ１を効率良く出射させることができる。最大強
度となる方向の光Ｌ１を効率良く出射させることにより、光学素子１３は、発光部１１か
らの光を高い効率で外部へ取り出すことが可能となる。

図４は、光の強度が最大となる方向以外の方向へ進行する光Ｌ２、Ｌ３の振舞いを説明
するものである。光軸ＡＸに沿って上面１４の方向へ進行した光Ｌ２は、上面１４に対し
て略垂直に入射し、そのまま光学素子１３から出射する。発光面１７に略平行な上面１４
を設けることで、光学素子１３は、光軸ＡＸ方向の光を効率良く出射させることができる
。側面１５ａで一旦全反射した光Ｌ３は、その後臨界角以下の角度で側面１５ａに対向す
る側面１５ｃへ入射することにより光学素子１３から出射する。以上により、光学素子１
３は、最大強度の光Ｌ１のみならず、光の強度が最大となる方向以外の方向の光も効率良
く出射させることができる。これにより、本発明の光学素子１３により、発光部１１から
の光を効率良く外部へ取り出すことができるという効果を奏する。ＬＥＤ１０は、光学素
子１３を用いることにより、外部取出効率を向上させ、明るい光を供給することができる
。ＬＥＤ１０は、プロジェクタの光源として用いる場合に有用である。

図５は、発光部１１からの光の配光分布の他の例を説明するものである。図５には、略
円形状の配光分布特性で光を供給する、いわゆるランバーシャン配光の例を示している。
この場合、図２に示す配光分布の場合と比較して、発光面１７となす角度が大きい光が多
く供給される。例えば、発光部１１からの光は、発光面１７に対する角度αが４５度の方
向の光が最大強度となるような配光分布をなす。この場合、光学素子１３の各側面１５は
、底面１６となす角度、光軸ＡＸとなす角度のいずれもが４５度となるように設けられる
。これにより、最大強度となる方向の光を効率良く出射させることができる。

また、発光面１７となす角度が大きい光が増加すると、図４に示す光Ｌ３のように、側
面１５で全反射する光も増加することとなる。光学素子１３は、側面１５に対して一旦全
反射した光Ｌ３を、その後臨界角以下の角度で側面１５へ入射させることで効率良く出射
させることが可能である。よって、光学素子１３は、略円形状の配光分布特性の光も効率
良く取り出すことができる。このように、光学素子１３は、発光部１１の配光分布特性に
応じて、発光面１７に対する側面１５の傾きを適宜決定することができる。

光学素子１３は、矩形形状の底面１６を備える台形形状とすることで、矩形形状の発光
面１７を備える発光部１１からの光を効率良く取り出し可能な構成とすることができる。
光学素子１３は、透明基板１２と底面１６とを一致させることが可能であれば良く、形状
を適宜決定することができる。光学素子１３は、上面１４を大きくするほど、光軸ＡＸ方
向へ進行する光を高い効率で取り出すことが可能となる。また、光学素子１３は、側面１
５を大きくするほど、光の強度が最大となる方向の光を高い効率で取り出すことが可能と
なる。ＬＥＤ１０は、発光部１１からの光の配光分布特性に対応して上面１４及び側面１
５の割合を適宜決定することで、高い効率で光を出射可能な構成とすることができる。

さらに、光学素子１３は、透明基板１２を構成するサファイア部材の屈折率と略同じ屈
折率の部材を備える構成に限られない。光学素子１３は、透明基板１２を構成する部材の
屈折率より小さい屈折率の部材、例えばプラスチック部材を備える構成としても良い。こ
の場合も、光学素子１３は、発光部１１からの光を効率良く取り出し可能な構成とするこ
とができる。光学素子１３は、ＬＥＤ１０に適用する場合に限られず、ＬＥＤ１０以外の
他の固体発光素子、例えばＥＬ素子等に適用することとしても良い。

図６は、本発明の実施例２に係るプロジェクタ２０の概略構成を示す。プロジェクタ２
０は、スクリーン２６に光を供給し、スクリーン２６で反射する光を観察することで画像
を鑑賞するフロント投写型のプロジェクタである。プロジェクタ２０は、赤色（Ｒ）光用
光源部２１Ｒ、緑色（Ｇ）光用光源部２１Ｇ、及び青色（Ｂ）光用光源部２１Ｂからの各
色光を用いて画像を表示する。Ｒ光用光源部２１Ｒは、Ｒ光を供給する。Ｇ光用光源部２
１Ｇは、Ｇ光を供給する。Ｂ光用光源部２１Ｂは、Ｂ光を供給する。各光源部２１Ｒ、２
１Ｇ、２１Ｂは、いずれも上記実施例１の発光素子であるＬＥＤ１０（図１参照）と同様
の構成を有する。

重畳レンズ２２Ｒは、Ｒ光用光源部２１Ｒからの光束をＲ光用空間光変調装置２３Ｒ上
で重畳させる。Ｒ光用空間光変調装置２３Ｒ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。Ｒ光用空間光変調装置２３Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系
であるクロスダイクロイックプリズム２４へ入射する。

重畳レンズ２２Ｇは、Ｇ光用光源部２１Ｇからの光束をＧ光用空間光変調装置２３Ｇ上
で重畳させる。Ｇ光用空間光変調装置２３Ｇ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。Ｇ光用空間光変調装置２３Ｇで変調されたＧ光は、Ｒ光とは異な
る側からクロスダイクロイックプリズム２４へ入射する。

重畳レンズ２２Ｂは、Ｂ光用光源部２１Ｂからの光束をＢ光用空間光変調装置２３Ｂ上
で重畳させる。Ｂ光用空間光変調装置２３Ｂ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。Ｂ光用空間光変調装置２３Ｂで変調されたＢ光は、Ｒ光及びＧ光
とは異なる側からクロスダイクロイックプリズム２４へ入射する。なお、プロジェクタ２
０は、光束の強度分布を均一化させる均一化光学系、例えば、ロッドインテグレータやフ
ライアイレンズを配置しても良い。

クロスダイクロイックプリズム２４は、互いに略直交するように配置された２つのダイ
クロイック膜２４ａ、２４ｂを有する。第１ダイクロイック膜２４ａは、Ｒ光を反射させ
、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第２ダイクロイック膜２４ｂは、Ｂ光を反射させ、Ｒ光及
びＧ光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム２４は、それぞれ異なる側からクロ
スダイクロイックプリズム２４へ入射したＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成し、投写レンズ２５
の方向へ出射させる。投写レンズ２５は、クロスダイクロイックプリズム２４からの光を
スクリーン２６へ投写させる。

上記のＬＥＤ１０と同様の光源部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを用いることにより、明るい
光を供給することができる。これにより、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、プロジェクタ２０は、３つの透過型液晶表示装置を設けた構成に限られ
ない。プロジェクタ２０は、例えば、反射型液晶表示装置や微小ミラーアレイデバイスを
用いた構成や、光の回折効果を利用して光の向きや色等を制御する投影デバイス（例えば
、ＧＬＶ（Grating Light Valve））を用いた構成であっても良い。プロジェクタ２０は
、フロント投写型プロジェクタに限らず、スクリーンの一方の面に光を投写し、スクリー
ンの他方の面から出射する光を観察することにより画像を鑑賞するリアプロジェクタであ
っても良い。

以上のように、本発明に係る光学素子は、ＬＥＤ等の固体発光素子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の概略構成を示す図。発光部からの光の、透明基板内における配光分布の例を説明する図。ＬＥＤの断面構成を示す図。光の強度が最大となる方向以外の方向へ進行する光の振舞いを説明する図。発光部からの光の配光分布の他の例を説明する図。本発明の実施例２に係るプロジェクタの概略構成を示す図。

符号の説明

１０ＬＥＤ、１１発光部、１２透明基板、１３光学素子、１４上面、１５
側面、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ側面、１６底面、１７発光面、ＡＸ光軸
、Ｐ頂点、２０プロジェクタ、２１ＲＲ光用光源部、２１ＧＧ光用光源部、２１
ＢＢ光用光源部、２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ重畳レンズ、２３ＲＲ光用空間光変調装
置、２３ＧＧ光用空間光変調装置、２３ＢＢ光用空間光変調装置、２４クロスダイ
クロイックプリズム、２４ａ第１ダイクロイック膜、２４ｂ第２ダイクロイック膜、
２５投写レンズ、２６スクリーン

Claims

光を供給する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素子で
あって、
前記発光部の光軸を含む断面において、前記発光部により供給される光の強度が最大と
なる方向に対して略直交するような出射面を有することを特徴とする光学素子。
前記発光部は、光を供給する発光面を備え、
前記発光部の光軸を含む断面において、前記発光部により供給される光の強度が最大と
なる方向に対して略直交する第１出射面と、
前記光軸上に設けられ、前記発光面に略平行な第２出射面と、を有することを特徴とす
る請求項１に記載の光学素子。
四角錐を前記発光面に略平行な面で切断し、前記四角錐の頂点を含む部分を取り除いた
ような台形形状を備えることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
前記発光部からの光を透過させる基板の出射側に設けられる光学素子であって、
前記基板を構成する部材の屈折率と略同じ屈折率の部材を備え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光学素子。
光を供給する発光部と、
前記発光部からの光を透過させる光学素子と、を有し、
前記光学素子は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学素子であることを特徴とす
る発光素子。
前記発光部は、固体光源であることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
請求項５又は６に記載の発光素子からの光を用いて画像を表示することを特徴とするプ
ロジェクタ。