JP2011119662A - 発光モジュールおよびその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の発光面が大きい場合にもレンズ部材からの出射光の拡がりを抑えて、一様性が高い光強度分布を得る。
【解決手段】発光モジュールは、光を出射する発光素子と、発光素子から出射された光を屈折させて出射する屈折面を有するレンズ部材とを備え、レンズ部材は、レンズ部材から出射する光線の前記主光軸に対する角度をθ_１とするとき、前記屈折面と前記主光軸が交わる点の近傍の屈折面から、レンズ部材からの出射角度θ_１が最大の光線が出射される。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光素子の光を所望の光放射強度分布で出射する発光モジュールに関する。より詳しくは、映像データ、音声データ、その他のデジタルデータなどの情報データを、光空間送信器と光空間受信器との間で、自由空間を介して光信号で伝送する光空間伝送システムにおける光空間送信器等に用いる発光モジュールおよびその設計方法に関する。

半導体発光素子（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子は、発光素子の構造等により光放射強度分布（発光素子の主光軸からの角度に対する放射強度の変化）が決まる。しかし、その用途次第で好ましい光放射強度分布は様々に異なり、発光素子の光放射強度分布が用途に適した光放射強度分布とならない事が多い。このため、発光素子の前面にレンズ等を設けた発光モジュールとし、用途に適した光放射強度分布に近づける事が必要となる。

例えば、光空間送信器と光空間受信器との間で、自由空間を介して情報データを光信号で伝送する光空間伝送システムにおいて、主光軸からの角度が送信角度範囲±α内において一定の伝送距離を確保するような用途がある。このとき、発光モジュールから出射された光線の発光モジュールの主光軸からの角度を出射角度θ_１とすると、出射角度θ_１がαより大きな角度にはなるべく光を出さず、出射角度θ_１が０からαまでの間で光放射強度をほぼ一様とするような光放射強度分布が望ましい。

このような光放射強度分布に近づけようとする従来の発光モジュールとして、プリズムを用いているものがある（例えば、特許文献１：特開平１１−１４９３５号）。図２３は、特許文献１に記載された従来の光モジュールを示すものである。

図２３において、発光モジュール１００は、発光素子１０１の前面に、中央部が平行で周辺部が傾斜したプリズム１０２を配置している。発光素子１０１の中心から出射される光線のうち、出射角度θ_０が発光素子の半値角θ_０Ｈ以下の光線はプリズム１０２の中央部の平行な部分を通過し、ほぼそのままの光強度分布で出射される。一方、出射角度θ_０がθ_０Ｈを超える光線はプリズム１０２の傾斜部分を通過することにより光軸側に偏向する。この構成により、発光素子１０１の中心から出射される光線の出射角度θ_０と、その光線がプリズム１０２から出射される際の主光軸との角度である出射角度θ_１との関係は図２４のようになる。その結果、発光モジュール１００の中心から出射される光線は、図２５の様に出射角度θ_１が０からθ_０Ｈの間で、ほぼ一様な放射強度が得られる。

また、その他の従来の発光モジュールとして、レンズを用いているものもある（例えば、特許文献２：特開２００５−１４２４４７号）。図２６は、特許文献２に記載された従来の光モジュールを示すものである。

図２６において、発光モジュール２００は、発光素子２０１が樹脂等を材料とするレンズ２０３に内蔵される構成である。発光素子２０１の中心からの出射光の主光軸との角度である出射角度θ_０と、その光線がレンズ２０３から出射される際の主光軸との角度である出射角度θ_１とが、
ｃｏｓθ_１＝１−（１−ｃｏｓ^ｍ＋１θ_０）（１−ｃｏｓα） （式１）
の関係となるように光線を屈折するようレンズ２０３の屈折面２０３ａの形状を決めている。ここで、αは光を放射したい角度（既述の送信角度範囲：±α）、ｍは後述のランバーシャン分布の係数である。

例えば、α＝１５°、ｍ＝１の場合には、出射角度θ_０と出射角度θ_１とは、図２７の様に出射角度θ_０が０°から９０°に変化するに従い、出射角度θ_１が０°から１５°に単調に増加する関係となる。

式１は、発光素子２０１からの出射光分布を、出射角度θ_０に対する光放射強度の変化ｐ（θ_０）が
ｐ（θ０）＝ｐ０（１−ｃｏｓｍθ０） （式２）
で表されるランバーシャン分布の点光源を発光素子２０１の中心に置いた場合の光放射強度分布と仮定して導いている。ここで、ｐ_０はθ_０＝０°（光軸上）における光放射強度、ｍはランバーシャン分布の係数である。そして、式１は−９０°≦θ_０≦９０°の範囲（すなわち発光素子前面の半球の空間）に出射する式２の光放射強度分布を、レンズ２０３の外で−α≦θ_１≦αの空間で一様な光放射強度分布に変換するということを単純に数式に置き換えて表現したものであった。単純に数式へ置き換えたものであるため、発光素子２０１が点光源に近い微小な発光面で、光放射強度分布がランバーシャン分布に近ければ、ほぼ一様な放射強度分布が得られることになる。

特開平１１−１４９３５号公報 特開２００５−１４２４４７号公報

しかしながら、プリズム１０２を用いた図２３の構成では、プリズムを通過した光の広がり角が発光素子１０１の半値角θ_０Ｈで決まってしまうため、半値角θ_０Ｈと送信角度αが大きく異なる場合には適用できない。また、プリズム１０２を用いた図２３の構成では、発光素子の大きさを考慮していないため、発光素子１０１が微小な発光面でない場合には、放射強度分布の一様性が大きく損なわれる場合がある。

また、レンズ２０２を用いた図２６の構成では、発光素子２０１が微小な光源の場合には発光素子２０１の半値角に関わらず、送信角度αに合わせて一様な放射強度分布を形成できるが、発光素子の大きさを考慮していないため、発光素子２０１が微小な発光面でない場合には、やはり放射強度分布の一様性が大きく損なわれる場合がある。

本願発明は、上記従来の課題を解決するもので、発光素子の発光面が大きい場合にも、発光面の大きさの光放射強度分布への影響を低減し、所望の特性に近い光放射強度分布が得られる発光モジュールを提供する。

本願発明の発光モジュールは、光を出射する発光素子と、発光素子から出射された光を屈折させて出射する屈折面を有するレンズ部材とを備え、レンズ部材は、レンズ部材から出射する光線の主光軸に対する角度をθ_１とするとき、屈折面と主光軸が交わる点の近傍の屈折面からレンズ部材からの出射角度θ_１が最大の光線が出射されるものである。

かかる構成によって、光源の発光面が大きい場合にもレンズ部材からの出射光の拡がりを抑えて、一様性が高い光強度分布を得ることができる。

実施の形態１における発光モジュールの斜視図である。 実施の形態１における発光モジュールの上面図である。 図１Ａ、図１Ｂに示す発光モジュールの２−２線における断面図である。 実施の形態１における発光モジュールを用いた光空間伝送システムのブロック構成図である。 実施の形態１における発光モジュールの屈折面の動作を示す光線図である。 実施の形態１における発光モジュールの屈折面の特性図である。 従来の発光モジュールの屈折面の動作を示す光線図である。 実施の形態１における発光モジュールの放射強度分布の概念図である。 空気と樹脂等の界面での屈折の様子を表す説明図である。 屈折における角度変化の割合ｄθ_ｂ/ｄθ_ａに関する特性図である。 実施の形態１における発光モジュールの出射角が最大値に近い光線についての光線図である。 従来の発光モジュールの出射角が最大値に近い光線についての光線図である。 実施の形態１における発光モジュールおよび従来の発光モジュールの出射角が最大値に近い光線についての角度特性の説明図である。 実施の形態１における発光モジュールおよび従来の発光モジュールの微小な発光素子に対する放射強度分布の特性図である。 実施の形態１における発光モジュールおよび従来の発光モジュールの発光面の大きな発光素子に対する放射強度分布の特性図である。 実施の形態１における発光モジュールおよび従来の発光モジュールの送信角度によるｄθ_ｂ/ｄθ_ａの変化を示す特性図である。 実施の形態１における発光モジュールの屈折面の形状詳細図である。 実施の形態１における発光モジュールの屈折面の形状にフィッティングした非球面レンズ計算式の定数値を示した図である。 実施の形態１における発光モジュールの屈折面の形状座標値を示した図である。 実施の形態１における発光モジュールの設計変更例における屈折面の形状詳細図である。 実施の形態１における発光モジュールの設計変更例における屈折面の形状にフィッティングした非球面レンズ計算式の定数値を示した図である。 実施の形態１における発光モジュールの設計変更例における屈折面の形状座標値を示した図である。 実施の形態２における発光モジュールの斜視構成図である。 実施の形態２における発光モジュールの屈折面の動作を示す断面構成図である。 特許文献１に記載された従来の発光モジュールの構成図である。 特許文献１に記載された従来の発光モジュールの屈折面の特性図である。 特許文献１に記載された従来の発光モジュールの放射強度分布に対する動作説明図である。 特許文献２に記載された従来の発光モジュールの構成図である。 特許文献２に記載された従来の発光モジュールの屈折面の特性図である。

以下本願発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１Ａは、本願発明の実施の形態１における発光モジュールの構成を示す斜視図であり、図１Ｂは、同じく上面図である。また図２は、図１Ａ、図１Ｂに示す発光モジュールの２−２線における断面図である。

図１Ａ、図１Ｂおよび図２において、発光モジュール１１００の発光素子１１０１は基板１１０５の上面に実装されている。上記発光素子１１０１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、基板１１０５との間でワイヤーや半田、ボンディングパッド等（図示せず）で電気的に接続される。さらに発光素子１１０１は、基板１１０５上の配線パターンと、基板１１０５の側面にスルーホール等を利用して形成された端子１１０５ａ、１１０５ｂとを介して外部と接続される。なお、発光素子１１０１は基板上に実装された電気部品に接続される場合もある。発光素子１１０１は封止部材１１０４で封止されている。封止部材１１０４上にはレンズ部材１１０３が設けられており、レンズ部材１１０３には発光素子１１０１からの光を屈折してレンズ部材１１０３の外に出射するための屈折面１１０３ａが形成されている。発光素子１１０１から出射された光線の主光軸に対する角度である出射角度θ_０で発光素子１１０１から出射した光は、この屈折面１１０３ａにより、レンズ部材１１０３から出射された光線の主光軸に対する角度である出射角度θ_１でレンズ部材１１０３から出射される。

封止部材１１０４は発光素子１１０１の発光波長に対して透明性の高い特性の、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等を充填して形成される。実施の形態１では、レンズ部材１１０３は、封止部材１１０４と同一の材料を使用し、金型成型により封止部材１１０４と同時に一体成型されている。これにより、発光モジュール１１００を低コストに形成することができる。

図３は発光モジュール１１００を用いた光空間伝送システムの概略構成を示すブロック図である。光空間伝送システム１２５０は、光空間送信器１２５１と光空間受信器１２６１で構成されている。光空間送信器１２５１は、変調回路１２５３と発光モジュール１１００で構成されており、光空間受信器１２６１は、受光モジュール１２６２と復調回路１２６３で構成されている。光空間送信器１２５１の変調回路１２５３は、光空間受信器１２６１に対して送信すべき伝送信号を入力とし、伝送信号に応じて発光モジュール１１００を制御する電気信号を出力する。光空間送信器１２５１の発光モジュール１１００は、変調回路１２５３から入力された電気信号に応じた変調光信号を送信角度αに応じた放射強度分布で自由空間へ放射する。光空間受信器１２６１の受光モジュール１２６２は、自由空間を伝搬した光信号を受光して電気信号に変換する。光空間受信器１２６１の復調回路１２６３は、光モジュール１２６２から出力された電気信号を伝送信号に復調して出力する。これにより、自由空間を伝搬する光信号により光空間送信器１２５１から光空間受信器１２６１への信号伝送が可能となる。

本願発明の実施の形態１における発光モジュール１１００において、従来の発光モジュール２００と異なる点は、レンズ部材１１０３に形成された屈折面１１０３ａの特性及び作用である。つぎに、本願発明の実施の形態１における発光モジュール１１００の、屈折面１１０３ａの特性及び作用について説明する。

図４は、屈折面１１０３ａの作用を説明する光線図であり、発光素子１１０１の中心からそれぞれ異なる出射角度θ_０で出射された複数光線の進路を示している。実施の形態１における発光モジュール１１００は、発光素子１１０１からの出射角度θ_０が大きくなるに従って、レンズ部材１１０３からの出射角度θ_１を小さくしている。図５は本実施の形態１における発光モジュール１１００における発光素子１１０１からの出射角度θ_０と、レンズ部材１１０３からの出射角度θ_１との関係を表す、屈折面１１０３ａの特性図である。図５には、レンズ部材１１０３からの出射角度θ_０が大きくなるに従ってレンズ部材１１０３からの出射角度θ_１が単調に減少するという、実施の形態１の発光モジュール１１００における屈折面１１０３ａの特性の特徴が、明確に表されている。

一方、図６は、図４の実施の形態１における発光モジュールと比較するために示した、特許文献２に記載された従来の発光モジュール２００の屈折面２０３ａの動作を示す光線図である。特許文献２に記載された従来の発光モジュール２００では、発光素子２０１からの出射角度θ_０が大きくなるに従って、レンズ部材２０３からの出射角度θ_１も大きくなる特性となっている。図２６に示した従来の発光モジュール２００は図２７に示すように、発光素子２０１からの出射角度θ_０が大きくなるに従って、レンズ部材２０３からの出射角度θ_１が単調に増加する特性を有しており、これは本実施の形態１における発光モジュールが有する特性とは異なっている。また、図２３に示した特許文献１に記載された従来の発光モジュールでも図２４の様に、θ_０＝±θ_０Ｈで不連続な部分があるが、その他の範囲では発光素子２０１からの出射角度θ_０が大きくなるに従って、レンズ部材２０３からの出射角度θ_１が単調に増加している。

図３に示す光空間伝送システム１２５０において、送信角度範囲±α内での最低伝送距離は、発光モジュール１１００の送信角度範囲±α内の最低の放射強度によって決定される。図７は発光モジュール１１００からの放射強度ｐ_１の分布の例を概念的に示した図である。例えば発光モジュール１１００が図７に示すような放射強度分布を有する場合は、破線で示した送信角度範囲±α内の最低の放射強度により最低伝送距離が決まることになる。したがって、送信角度範囲±α内に極力多くの光電力を入れ、かつ送信角度範囲±α内で極力一様な放射強度分布とすることで、光空間伝送システム１２５０における最低伝送距離を伸長することができる。

このような用途に於いては、発光素子１１０１からの出射角度θ_０と、レンズ部材１１０３からの出射光の出射角度θ_１との関係を次式の関係となるようにすることが望ましい。

（式３）
ここで、θ_１ｍａｘはレンズ部材１１０３からの出射光の出射角度θ_１の設計上の最大値であり、例えば送信角度αとほぼ同じ値とする。θ_１ｍｉｎは出射角度θ_１の設計上の最小値であり、多くの場合は０°とすればよい。したがって、θ_１ｍａｘ≧θ_１ｍｉｎである。θ_０ｍａｘは屈折面１１０３ａに到達する発光素子１１０１からの出射角度θ_０の最大値であり、図２に示した屈折面１１０３ａの法線と主光軸との角度βの加工上の最大値やθ_１ｍａｘ、レンズ部材１１０３の屈折率ｎ_ａからθ_０ｍａｘの限界値は決定される。また、ｍは発光素子１１０１からの出射角度θ_０に対する放射強度分布ｐ_０（θ_０）を式２のランバーシャン分布に近似した時の係数である。たとえばＬＥＤ上面からの放射光のような無指向性の面光源ではｍ≒１となる。図５に示した発光素子１１０１からの出射角度θ_０とレンズ部材１１０３からの出射角度θ_１との関係は、式３においてθ_１ｍａｘ＝１５°、θ_１ｍｉｎ＝０°、θ_０ｍａｘ＝４５°、ｍ＝１の場合を示している。

後述のように、実施の形態１における発光モジュール１１００の構成により、光源の発光面が大きい場合にもレンズ部材からの出射光の拡がりを抑えて、一様性が高い光強度分布を実現できるという効果が得られる。ここで、実施の形態１における発光モジュール１１００における屈折面１１０３ａの特徴である、発光素子１１０１からの出射角度θ_０が大きくなるに従って、レンズ部材１１０３からの出射角度θ_１が単調に減少する特性により、上記の光源の発光面が大きい場合にもレンズ部材からの出射光の拡がりを抑えて、一様性が高い光強度分布を実現できる。以下、その作用について説明する。

まず、光の屈折の特性について考察する。図８は一般に空気（屈折率ｎ_ｂ≒１）と樹脂等の高屈折率材料（例えば屈折率ｎ_ａ≒１．３〜１．６）との界面での屈折の様子を表す説明図である。界面の法線と樹脂等内での光線の角度θ_ａと界面の法線と空気内での光線の角度θ_ｂの関係は、よく知られたスネルの法則に従い、
ｎｂｓｉｎθｂ＝ｎａｓｉｎθａ （式４）
で表される。これから、樹脂等内での光線の角度θ_ａの変化に対する空気内での光線の角度θ_ｂの変化の割合ｄθ_ｂ/ｄθ_ａを求めると次式となる。

（式５）
図９は式５の角度θ_ａとｄθ_ｂ/ｄθ_ａの関係を、ｎ_ａ＝１．５、ｎ_ｂ＝１の場合について示したものである。図９からは、θ_ａが０°付近では、式５からも解るようにｄθ_ｂ/ｄθ_ａはｎ_ａ/ｎ_ｂに近い値となっているのに対し、θ_ａが臨界角θ_ａｃ＝ｓｉｎ^-1（ｎ_ｂ/ｎ_ａ）に近付くに従いｄθ_ｂ/ｄθ_ａは非常に大きな値となっていることが分かる。

次に、レンズ部材からの出射角度θ_１が最大値に近い光線に注目して、本実施の形態１における発光モジュール１１００と従来の発光モジュール２００とを比較する。図１０Ａは、実施の形態１における発光モジュール１１００における、レンズ部材１１０３からの出射角度θ_１が最大値に近い光線を示している。図１０Ｂは、従来の発光モジュール２００における、レンズ部材２０３からの出射角度θ_１が最大値に近い光線を示している。図１０Ａ及び図１０Ｂでは、発光素子１１０１、２０１の中心から出射する光線をそれぞれ実線で示している。図１０Ａに示す本実施の形態１の発光モジュール１１００では、発光素子１１０１からの出射角θ_０が大きくなるにしたがってレンズ部材１１０３からの出射角θ_１が小さくなるので（図４参照）、θ_０が０°付近（発光モジュール１１０の主光軸にほぼ平行）でレンズ部材１１０３からの出射角度θ_１が最大値に近くなる。これに対して、図１０Ｂに示す従来の発光モジュール２００では、発光素子２０１からの出射角度θ_０が大きくなるにしたがってレンズ部材２０３からの出射角度θ_１が大きくなるので（図６参照）、発光素子２０１からの出射角θ_０が最大となる部分（屈折面２０３ａの外周）付近でレンズ部材２０３からの出射角度θ_１が最大値に近くなる。図１０Ａ及び図１０Ｂでは、これらの光線と屈折面１１０３ａ、２０３ａの法線とのなす角を、レンズ部材２０３、１１０３の内と外とでそれぞれ角度θ_ａ、角度θ_ｂと表示している。図１０Ａの本実施の形態１の発光モジュール１１００と、図１０Ｂの従来の発光モジュール２００とを比較すると、図１０Ａに示す実施の形態１の発光モジュールの方が、角度θ_ａが小さくなっていることが分かる。

また図１０Ａ及び図１０Ｂには、発光素子１１０１、２０１の外周付近から出射し、屈折面１１０３ａ、２０３ａにおいて実線で示された光線と同じ位置を通過する光線を破線で示している。発光素子１１０１、２０１の発光面（図１０Ａ及び図１０Ｂの発光素子１１０１、２０１上面）全体からの出射光は、破線の間の光線が重ね合わされることになる。これらの光線は発光面の出射位置によって、屈折面の法線に対する角度θ_ａが変化することになる。この角度θ_ａの変化幅は図１０Ａ、図１０Ｂ共に同程度の大きさである。しかしながら、上述のように角度θ_ａの大きさは図１０Ａが小さく、図１０Ｂが大きくなっている。また、図９で示したようにθ_ａが大きくなるとｄθ_ｂ/ｄθ_ａが大きくなる。この結果、角度θ_ｂの変化幅、すなわちレンズ部材からの出射角度θ_１の変化幅は、図１０Ａに示す実施の形態１の発光モジュール１１００では小さく、図１０Ｂに示す従来の発光モジュール２００では大きくなる。レンズ部材１１０３、２０３からの出射角θ_１が最大付近となる光の出射について、発光面の出射位置による角度変化に関する関係をまとめると、図１１の様になる。

続いて、発光モジュールからの放射強度分布について説明する。

図１２は、実施の形態１の発光モジュール１１００の放射強度ｐ_１の分布（ａ）、および従来の発光モジュール２００の放射強度ｐ_１の分布（ｂ）を、発光素子１１０１、２０１が微小な場合、すなわち点光源の場合についてシミュレーションした結果を示す図である。図１２の縦軸は、放射強度ｐ_１［ｍＷ／ｓｒ］のシミュレーション結果を（ａ）実施の形態１の発光モジュール１１００、（ｂ）従来の発光モジュール２００共に同じ基準値で除した相対値で示している。また図１２の下方の横軸は、放射強度分布の面積が光電力［ｍＷ］に比例して見ることができるので、立体角τ_１［ｓｒ］＝２π（１−ｃｏｓθ_１[ｒａｄ]）のスケールで表している。上方の横軸は、平面角θ_１[ｄｅｇ]の値である。本シミュレーションにおいて、レンズ部材１１０３、２０３の直径Ｄ _Ｌ はφ３ｍｍ、発光素子１１０１、２０１は点光源、レンズ部材１１０３、２０３からの設計上の最大出射角θ_１ｍａｘは１５°としている。また、ｎａ＝１．５４、ｎｂ＝１、発光素子１１０１から屈折面１１０３ａの外周までの主光軸に沿った距離Ｌｓは１．５ｍｍとしており、発光素子１１０１から屈折面１１０３ａの中心までの主光軸に沿った距離Ｌｃは２．６２２ｍｍである。

図１２から分かるように、発光素子１１０１、２０１が点光源の場合、本実施の形態１の発光モジュール１１００も、従来の発光モジュール２００も、共に約±１５°の範囲でほぼ一様な放射強度分布が得られている。伝送角度範囲内の最低伝送距離は図１２中の一点鎖線で示した放射強度により決まるため、発光素子１１０１、２０１が点光源の場合、実施の形態１の発光モジュール１１００の最低伝送距離と従来の発光モジュール２００の最低伝送距離とは同程度となる。

一方、図１３は、発光素子１１０１、２０１を点光源とした上記のシミュレーションに対し、発光素子１１０１、２０１の発光面の大きさのみを変えて行なったシミュレーションの結果を示す図である。このシミュレーションでは、発光素子１１０１、２０１の発光面をφ０．４ｍｍの円形としており、これは上面が辺長０．３ｍｍ程度の正方形の一般的なＬＥＤの発光面サイズに相当する。図１３と図１２と比較すると、図１３では（ａ）実施の形態１の発光モジュール１１００、（ｂ）従来の発光モジュール２００共に放射強度分布が±１５°の外に広がり、一様な放射強度分布が崩れていることが分かる。しかし、（ａ）の実施の形態１の発光モジュール１１００では、上述の図１０Ａ及び図１０Ｂによる説明の通り、図１２における±１５°の光の広がりが少ないため、一様な放射強度分布を比較的維持することができている。これに対して（ｂ）の従来の発光モジュール２００では、図１２における±１５°の光が大きく広がってしまうため、一様性が低く指向角の狭い放射強度分布となってしまう。したがって、従来の発光モジュール２００では図１３中に二点鎖線で示した放射強度で伝送角度範囲内の最低伝送距離が制限され、伝送距離の大きな低下を招くことになる。それに対して、本発明の実施の形態１の発光モジュール１１００では、図１３中に一点鎖線で示した放射強度で伝送角度範囲内の最低伝送距離が決まることになり、従来の発光モジュール２００に比べ、伝送距離を伸ばすことが可能となる。

以上で説明した通り、本実施の形態の発光モジュール１１００では、屈折面１１０３ａを、発光素子１１０１からの出射角度θ_０が大きくなるに従ってレンズ部材１１０３からの出射角度θ_１が小さくなる特性とすることにより、発光素子１１０１の発光面が大きい場合にもレンズ部材１１０３からの最大出射角度θ_１ｍａｘ付近の光の広がりを抑えられ、発光面が大きいことによる放射強度分布の一様性の低下を抑えることができる。これにより、例えば実施の形態１の発光モジュール１１００を光空間伝送システムの光送信器で用いることで、従来の発光モジュール２００を用いた場合と比較して伝送距離を伸ばすことができるなど、特性を改善することができる。

次に、ここで実施の形態１の発光モジュール１１００が上記効果を発揮する送信角度範囲について説明する。発光面が大きいことによる放射強度分布の一様性の低下を抑えることができるという効果を発揮する送信角度範囲を明らかにするため、図１０Ａ、図１０Ｂにおけるレンズ部材１１０３、２０３からの出射角度θ_１がほぼ送信角度αとなる光線に対するｄθ_ｂ/ｄθ_ａを比較する。まず、図１０Ａに示すように実施の形態１における発光モジュール１１００では、発光素子１１０１の中心から主光軸のごく近傍（θ_０≒０°）に出射する光に対して出射角度θ_１をほぼ送信角度αとすることになる。この場合、
θｂ≒θａ＋α （式６）
となる。式６と式４よりθ_ａをαで表すと

（式７）
となる。式７と式５より、実施の形態１の発光モジュール１１００における送信角度αと、θ_１≒αとなる光軸近傍におけるｄθ_ｂ/ｄθ_ａとの関係は、ｎ_ａ＝１．５、ｎ_ｂ＝１の場合、図１４の実線のようになる。

一方、図１０Ｂに示すように従来の発光モジュール２００では、例えば屈折面２０３ａの法線が主光軸と直角な場合に、θ_１≒αとすることになる。この場合、
θｂ≒（π/２）−α （式８）
であり、式８と式４よりθ_ａをαで表すと

（式９）
となる。式９と式５より、従来の発光モジュール２００における送信角度αと、θ_１≒αとなる光線におけるｄθ_ｂ/ｄθ_ａとの関係は、図１４の破線のようになる。

図１４から明らかなように、送信角度αが約２７°より小さい時に（ａ）の実施の形態１の発光モジュール１１００の方が（ｂ）の従来の発光モジュール２００よりもｄθ_ｂ/ｄθ_ａが小さくなる。θ_１≒αとなる光線におけるｄθ_ｂ/ｄθ_ａが小さいほど、レンズ部材１１０３、２０３からの最大出射角度θ_１ｍａｘ付近の光の広がりを抑えられるので、レンズ部材１１０３、２０３からの出射角度θ_１の最大値を３０°程度とすれば、実用上問題なく利用できる。

なお、実施の形態１の発光モジュール１１００における特徴的な点は、発光素子１１０１からの出射角度θ_０が大きくなるに従って、レンズ部材１１０３からの出射角度θ_１を小さくしている屈折面１１０３ａの特性であると説明した。しかし、図１１およびその説明から明らかなように実施の形態１において特徴的な点は、レンズ部材１１０３からの出射角度θ_１が最大に近い範囲で、上記発光素子１１０１から出射する光線と上記屈折面１１０３ａとの角度θ_aをほぼ最小とするレンズ部材１１０３の特性であると言い換えることもできる。あるいは、上記発光素子１１０１から出射する光線と上記屈折面１１０３ａとの角度θ_aが大きくなるにしたがって、レンズ部材１１０３からの出射角度θ_１がほぼ単調に減少するレンズ部材１１０３の特性であるとも言える。

なお、実施の形態１では、レンズ部材１１０３と封止部材１１０４が同一材料で、一体成型されている場合を例に挙げて説明したが、レンズ部材１１０３と封止部材１１０４とが異なる材料であっても良いことは言うまでもない。例えば、レンズ部材１１０３にアクリル系の樹脂、封止部材１１０４にシリコーン系の樹脂を用いることもあるが、この場合に於いても、屈折面１１０３ａの特性を、発光素子１１０１からの出射角度θ_０が大きくなるに従って、レンズ部材１１０３からの出射角度θ_１を小さくする特性とすることにより、同様の効果が得られる。

以上の説明では、主に、実施の形態１の発光モジュール１１００における光線の方向（図４におけるθ_１）に関する特徴と、それにより得られる作用・効果を述べてきた。次に以下では、実施の形態１の発光モジュール１１００の屈折面１１０３ａの形状を詳しく説明する。

発光モジュール１１００の断面図（図４）における屈折面１１０３ａの詳細形状図を図１５に示す。ただし、図４と上下方向を逆転し、断面の右半分のみを図示している。主光軸に沿った屈折面１１０３ａの中心からの距離を縦軸Ｚとしており、レンズ面の形状を表す際に使用されるサグを表している。

ところで、一般に非球面レンズは次の計算式の形で表すことが多い。

（式１０）
ここで、ｘ、Ｚは、図１５と同じく、それぞれ半径、サグであり、Ｋ、Ｒ、Ａiは非球面の形状を決定する定数である。

式１０の第二項以下の次数ｉをｉ＝１〜８として図１５の形状にフィッティングすると、式１０における定数は図１６となる。ただし、フィッティングした定数の値は、フィッティングの手法や求める精度により異なるので、一例と言える。また、フィッティングした式１０より、図１５の屈折面１１０３ａの詳細形状を（ｘ，Ｚ）の値で表すと図１７となる。

図１５や、図１７で解るように、実施の形態１の発光モジュール１１００におけるレンズ部材１１０３は、半径ｘが０．４５ｍｍ付近で最も厚くなり、中心部は最厚部より０．１０２ｍｍ窪んだ形状となっている。

さらに続いて、実施の形態１の発光モジュール１１００において、最大出射角度θ_１ｍａｘを変更して設計した場合の屈折面１１０３ａの形状についても以下に示す。最大出射角度θ_１ｍａｘを５°とした時の発光モジュール１１００の断面図（図４）における屈折面１１０３ａの詳細形状図を図１８に示す。図１８は図１５と同様の座標により表示している。レンズ部材１１０３の直径Ｄ_Ｌ＝φ３ｍｍ、ｎａ＝１．５４、ｎｂ＝１、発光素子１１０１から屈折面１１０３ａの外周までの主光軸に沿った距離Ｌｓ＝１．５ｍｍは変更していない。発光素子１１０１から屈折面１１０３ａの中心までの主光軸に沿った距離Ｌｃは３．０５５ｍｍである。

式１０の第二項以下の次数ｉをｉ＝１〜８として図１５の形状にフィッティングすると、式１０における定数は図１９となる。また、フィッティングした式１０より、図１８の屈折面１１０３ａの詳細形状を（ｘ，Ｚ）の値で表すと図２０となる。

図１８や、図２０で解るように、実施の形態１の発光モジュール１１００におけるレンズ部材１１０３は、半径ｘが０．２ｍｍ付近で最も厚くなり、中心部は最厚部より０．０１３ｍｍ窪んだ形状となっている。

このように、実施の形態１の発光モジュール１１００における屈折面１１０３ａ（すなわちレンズ部材１１０３）は、形状的な特徴として中心部分が窪んだ形状となる。これは、すでに述べたように、本実施の形態１の発光モジュール１１００では、θ_０が０°付近（発光モジュール１１０の主光軸にほぼ平行）でレンズ部材１１０３からの出射角度θ_１が最大値に近くなる特性としたためである（図４、図１０Ａ及び図１０Ｂ参照）。つまり、図１５や図１８に光線を破線で示したように、光素子１１０１からの出射角θ_０が０°に近く、屈折面１１０３ａのｘ＝０ｍｍ付近を通過する光線を、レンズ部材１１０３から最大出射角度θ_１ｍａｘに近い方向に偏向する特性としている。このため、屈折面１１０３ａの中心付近は光軸方向に傾いた面となる。したがって、レンズ部材１１０３の中心付近には窪み（凹部）が生じるのである。これが本発明の屈折面１１０３ａの形状に関する特徴の一つである。

また、図１５および図１８から解るように屈折面１１０３ａはｘ＝０ｍｍの点を除き、その他の部分では全てレンズ部材１１０３外側に向かって凸形状（曲率中心がレンズの内側に位置する）となっている。これは、本発明に於いて発光素子１１０１からの出射角θ_０が大きくなるにしたがってレンズ部材１１０３からの出射角θ_１を小さくするという特徴に基づくものである。発光素子１１０１からの出射角θ_０が大きくなることは屈折面における半径ｘが大きくなることであり、レンズ部材１１０３からの出射角θ_１を次第に小さくするということは、屈折面１１０３ａの面を次第に外側に向けるということになる。したがって、ｘ＝０ｍｍの点を除き、その他の部分では全て、レンズ部材１１０３外側に向かって凸形状（曲率中心がレンズの内側に位置する）となるのである。これが本発明の屈折面１１０３ａの形状に関する、もう一つの特徴である。

つぎに、屈折面１１０３ａの形状に関する上記の二つの特徴を数式で表す。第１の特徴、すなわち屈折面１１０３ａの中心付近は光軸方向に傾いた面となり、レンズ部材１１０３の中心付近には窪み（凹部）が生じることについては、ｘ＝０近傍で、
ｄＺ/ｄｘ＜０ （式１１）
であると表される。さらには、発光素子１１０１からの出射角θ_０＝０近傍でレンズ部材１１０３からの出射角度θ_１＝θ_１ｍａｘとすることとスネルの法則からｘ＝０付近で

（式１２）
となる。またさらに、式１０の非球面式を用いる場合には、

（式１３）
であるから、ｘ＝０では、

（式１４）
または、

（式１５）
である。

また、第２の特徴、すなわちｘ＝０ｍｍの点を除き、その他の部分では全て、レンズ部材１１０３外側に向かって凸形状（曲率中心がレンズの内側に位置する）となることについては、

（式１６）
と表される。式１０の非球面式を用いる場合には、

（式１７）
である。

なお、従来の発光モジュール２００においても、特許文献２にレンズ２０３の中心部に窪み（凹部）を有することが示されている。しかし、従来の発光モジュール２００で窪み（凹部）を設けるのは、光源の光軸の周りに集中して配光される光を広い範囲に広げて均一にする“散光”の目的である。したがって、実施の形態１の発光モジュール１１００では、窪み（凹部）が、中心付近の光を最大出射角度θ_１ｍａｘに近い方向に“偏向”する目的であるという点で異なる。このため、従来の発光モジュール２００においてレンズ２０３の中心部に窪み（凹部）を有する場合は、レンズ２０３の中心付近では凹形状（曲率中心がレンズの外側に位置する）となるのに対して、実施の形態１の発光モジュール１１００では中心付近でもレンズ部材１１０３外側に向かって凸形状（曲率中心がレンズの内側に位置する）となる点で形状における違いが生じるのである。

ただし、実施の形態１の発光モジュール１１００では、屈折面１１０３ａの中心（図１５におけるｘ＝０の点）において面の傾斜の急激な変化が生じる。このため、レンズ加工上の問題から面の傾斜に急激な変化を設けにくい場合には、たとえば半径０．１ｍｍの範囲内や窪みの範囲の１／２の半径の範囲内で凹形状とする場合もある。

（実施の形態２）
図２１は、本願発明の実施の形態２における発光モジュールの構成を示す斜視図である。また図２２は図２１において２点鎖線で示した位置における断面図である。図２１および図２２において、図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示した実施の形態１における発光モジュール１１００と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図２１及び図２２に示す発光モジュール２１００は、図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示す発光モジュール１１００における封止部材１１０４を備えておらず、発光モジュール２１００のレンズ部材１１０３と基板１１０５が筐体２１０６により保持されている。そして、レンズ部材１１０３、基板１１０５、筐体２１０６および発光素子１１０１に囲まれた筐体内部２１０７に空気、あるいは発光素子１１０１の変質を防止するための不活性ガス等を充填している点で図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示す発光モジュール１１００における封止部材１１０４と異なっている。

実施の形態２においても、屈折面１１０３ａの特性を、発光素子１１０１からの出射角度θ_０が大きくなるに従って、レンズ部材１１０３からの出射光の出射角度θ_１を小さくする特性とすることにより、本発明の実施の形態１と同様に、発光素子１１０１の発光面が大きい場合にもレンズ部材１１０３からの最大出射角度付近の光の広がりを抑えられるので、発光面が大きいことによる放射強度分布の一様性の低下を抑えることができる。

なお、実施の形態２において、筐体内部２１０７は空気や不活性ガス等としたが、ゲル状やゴム状のシリコーン樹脂など、樹脂を充填しても良いことは、実施の形態１の説明から、言うまでもないことである。

本願発明の一態様である発光モジュールは、発光素子とレンズ部材とを含み、レンズ部材が、屈折面と主光軸が交わる点の近傍の屈折面からレンズ部材からの出射角度θ_１が最大の光線が出射される特性を有することを特徴とする。ここで、レンズ部材からの出射角度θ_１が最大の光線が出射される屈折面上の位置を屈折面と主光軸が交わる点の近傍としている。その理由は、本願発明に基づいて屈折面と前記主光軸が交わる点において出射角度θ_１が最大の光線が出射される、例えば式３の条件を満たすように製造されたレンズ部材であっても、製造上の問題、または設計上の問題で屈折面と前記主光軸が交わる点において式３の望ましい条件を満たすような特性とならない可能性があるためである。

たとえ、屈折面と前記主光軸が交わる点において出射角度θ_１が最大の光線が出射されていなくても、レンズ部材が望ましい条件を満たすような特性とならない部分を除いた領域に於いてたとえば式３の条件を満たす特性とすることによって、その領域のうち屈折面と主光軸が交わる点に最も近い部分から出射角度θ_１が最大の光線が出射されていれば、本願発明の効果を得ることができる。

また、本願発明の別の一態様である発光モジュールは、発光素子とレンズ部材とを含み、レンズ部材が、発光素子からの出射角度θ_０が小さい光線ほどレンズ部材からの出射角度θ_１が大きくなる特性を有することを特徴とする。なお、ここでレンズ部材が発光素子からの出射角度θ_０が小さい光線ほどレンズ部材からの出射角度θ_１が大きくなる特性を有すると記載しているが、この特性はレンズ部材の屈折面の全ての領域において完全に満たされている必要はない。例えば、製造上の問題、または設計上の問題でレンズ部材の屈折面の一部の領域において局所的に出射角度θ_０が小さい光線ほどレンズ部材からの出射角度θ_１が小さくなる特性になっていたとしても、全体としてみれば出射角度θ_０が小さい光線ほどレンズ部材からの出射角度θ_１が大きくなる特性となっていれば、本願発明の効果を得ることができる。

また、本願発明の別の一態様である発光モジュールは、発光素子とレンズ部材とを含み、レンズ部材からの出射角度θ_１が最大となる光線の入射角度θ_aは、レンズ部材からの出射角度θ_１が最小となる光線の入射角度θ_aよりも小さくなるよう形成されていることを特徴とする。なお、レンズ部材からの出射角度θ_１が最大となる光線の入射角度θ_aは、レンズ部材からの出射角度θ_１が最小となる光線の入射角度θ_aよりも小さくなるという条件は、レンズ部材の屈折面のうち例えば式３の条件を満たすように発光素子から出射された光線を屈折させる領域においてのみ満たされていればよい。例えば、レンズ部材の屈折面の一部の領域において、製造上の問題、または設計上の問題で式３の条件を満たしていない場合、当該領域から出射される光線によりレンズ部材からの出射角度θ_１が最大となる光線の入射角度θ_aは、レンズ部材からの出射角度θ_１が最小となる光線の入射角度θ_aよりも小さくなると言う条件が満たされなかったとしても、本願発明の効果を得る上で問題はない。

本願発明にかかる発光モジュールは、光源の発光面が大きい場合にもレンズ部材からの出射光の拡がりを抑えて、一様性が高い光強度分布が得られ、光空間伝送システムにおける光空間送信器等に用いる発光モジュール等として有用である。また照明等に使用される発光モジュール等の用途にも応用できる。

１１００ 発光モジュール
１１０１ 発光素子
１１０３ レンズ部材
１１０３ａ 屈折面
１１０４ 封止部材
１１０５ 基板
１１０５ａ，１１０５ｂ 端子
１２５０ 光空間伝送システム
１２５１ 光空間送信器
１２５３ 変調回路
１２６１ 光空間受信器
１２６２ 受光モジュール
１２６３ 復調回路
２１００ 発光モジュール
２１０６ 筐体
２１０７ 筐体内部

Claims (7)

1. 光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射された光を屈折させて出射する屈折面を有するレンズ部材とを備え、
   前記レンズ部材は、前記レンズ部材から出射する光線の主光軸に対する角度をθ_１とするとき、前記屈折面と前記主光軸が交わる点の近傍の屈折面から前記レンズ部材からの出射角度θ_１が最大の光線が出射される、発光モジュール。
2. 前記レンズ部材は、前記発光素子から出射する光線の主光軸に対する角度をθ_０とするとき、前記発光素子からの出射角度θ_０が小さい光線ほど前記レンズ部材からの出射角度θ_１が大きくなる特性を有する、請求項１記載の発光モジュール。
3. 前記レンズ部材は、前記発光素子から出射されて前記レンズ部材の屈折面に到達する光線と前記到達する点における前記屈折面の法線とのなす入射角度をθ_aとするとき、前記レンズ部材からの出射角度θ_１が最大となる光線の前記入射角度θ_aは、前記レンズ部材からの出射角度θ_１が最小となる光線の前記入射角度θ_aよりも小さくなるよう形成されている、請求項１記載の発光モジュール。
4. 前記レンズ部材は、前記発光素子と前記主光軸とが交わる前記発光素子上の点から射出された光の光強度分布が、前記レンズ部材からの出射角度θ_１がθ_１ｍｉｎからθ_１ｍａｘ（θ_１ｍｉｎ≦θ_１ｍａｘ）の範囲でほぼ一定値となる特性を有する、請求項１記載の発光モジュール。
5. 前記レンズ部材は、前記発光素子から出射する光線の主光軸に対する角度をθ_０、前記発光素子からの出射角度θ_０の最大値をθ_０ｍａｘとするとき、前記発光素子と前記主光軸とが交わる前記発光素子上の点から射出された光線を
   

   

   に従って屈折させて出射する特性を有する、請求項４記載の発光モジュール。
6. 前記θ_１ｍａｘは２７°よりも小さい値である、請求項４記載の発光モジュール。
7. 光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射された光を屈折させて出射する屈折面を有するレンズ部材とを備え、
   前記レンズ部材は、前記レンズ部材から出射する光線の主光軸に対する角度をθ_１とするとき、前記屈折面と前記主光軸が交わる点の近傍の屈折面から前記レンズ部材からの出射角度θ_１が最大の光線が出射され、前記発光素子と前記主光軸とが交わる前記発光素子上の点から射出された光の光強度分布が、前記レンズ部材からの出射角度θ_１がθ_１ｍｉｎからθ_１ｍａｘ（θ_１ｍｉｎ≦θ_１ｍａｘ）の範囲でほぼ一定値となる特性を有する発光モジュールの設計方法であって、
   前記レンズ部材の前記屈折面は、前記発光素子から出射する光線の主光軸に対する角度をθ_０、前記発光素子からの出射角度θ_０の最大値をθ_０ｍａｘとするとき、前記発光素子と前記主光軸とが交わる前記発光素子上の点から射出された光線を
   

   

   に従って屈折させて出射するように前記屈折面を設計する、発光モジュールの設計方法。

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