JP2015015281A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度の低下を抑制し、高い光取り出し効率が得られる発光装置を提供する。【解決手段】レンズ２および発光体１を具備した発光装置１０において、レンズは、曲率半径ｒの球面を有する球欠体であり、球欠体の球欠高さｈが曲率半径ｒより大きく、発光体は、面状のものであり、発光体の一面が、レンズを構成する球欠体の底面２ｂに対接状態、または、発光体の他面１ｂが、レンズを構成する球欠体の底面が位置される平面内に位置された状態で配置され、球面の曲率中心を含む、発光体の一面に垂直な平面において、発光体からレンズの光軸Ｆに垂直に放射された光の方向と、その光が球面と交わる点における接線に対して垂直な仮想直線Ｖとのなす角である入射角φ0が臨界角未満であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、紫外線硬化によるシートの貼り合せ用の光源、フォトリソグラフィ用の露光光源、光配向用の光源等として用いられる発光装置に関し、更に詳しくは、ＬＥＤや固体蛍光体を発光体とする固体光源に配置されたレンズのレンズ形状に特徴を有する発光装置に関する。

従来、紫外線硬化によるシートの貼り合せ用の光源、フォトリソグラフィ用の露光光源、光配向用の光源として、紫外線ランプが使用されていた。近年、その一部として、ＵＶ−ＬＥＤが利用され始めている。
しかしながら、ＵＶ−ＬＥＤは、そのサイズにおいて、縦横３ｍｍ程度が限度であり、一般には、縦横０．２〜１ｍｍ程度である。そのため、チップ１個あたりから放射される放射光束が少なく、大量のチップが必要となる。
このような理由から、ＬＥＤ等の発光体をレンズで覆うことにより、当該発光体から放射される光の取り出し効率を向上させたものが知られている（例えば特許文献１および２参照）。

特許文献１には、発光体の周囲に反射面を有するフレームを形成し、当該反射面と境界面を共通にする球体状の一部からなるレンズを成形し、このレンズの内部に発光体を埋設した発光装置が開示されている。しかしながら、この発光装置は、発光体から放射された光をレンズ内面で反射させるために、発光体の実像が分割されてしまい、得られる輝度が低くなるという問題がある。

また、特許文献２には、発光体上に、当該発光体の径とほぼ同等の径を有する略球体状のレンズを積層し、発光体の側面がレンズで覆われた発光装置が開示されている。しかしながら、この発光装置は、発光体の側面を覆っている部分が変形しているので、実像が歪んでしまい、得られる輝度が低くなるという問題がある。さらに、この発光装置では、レンズ径に対して発光体径がほぼ等しい（レンズ径が相対的に小さい）ので、内面反射により光の取り出し効率が低下するという問題がある。

特開昭６２−１１９９８７号公報 特開２０１３−０２６５５８号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、輝度の低下を抑制し、高い光取り出し効率が得られる発光装置を提供することにある。

本発明の発光装置は、レンズおよび発光体を具備した発光装置において、
前記レンズは、曲率半径ｒの球面を有する球欠体であり、当該球欠体の球欠高さが前記曲率半径ｒより大きく、
前記発光体は、面状のものであり、当該発光体の一面が、前記レンズを構成する球欠体の底面に対接状態、または、当該発光体の他面が、前記レンズを構成する球欠体の底面が位置される平面内に位置された状態で配置され、
前記球面の曲率中心を含む、前記発光体の一面に垂直な平面において、前記発光体からレンズの光軸に垂直に放射された光の方向と、その光が球面と交わる点における接線に対して垂直な仮想直線とのなす角である入射角φ₀ が臨界角未満であることを特徴とする。

本発明の発光装置においては、レンズの光軸と、発光体から任意の方向に放射された光が球面と交わる点における接線に対して垂直な仮想直線とのなす角をθ、球面の曲率中心から発光体の一面までの光軸方向の離間距離である発光体の位置をＳ、発光体の一面における最小半径をＬｍｉｎとするとき、下記式（１）で表わされる入射角φと、
レンズの屈折率をｎ₁ 、レンズに接する物質の屈折率をｎ₀ 、臨界角をＡｃとするとき、下記式（２）で表わされる臨界角Ａｃとが、
前記入射角φがレンズ頂点からの角度θの全てにおいて、下記式（３）を満たす、当該位置Ｓに発光体が配置されることが好ましい。
式（１）：φ＝θ−ｔａｎ^-1［{ｒｓｉｎ（θ）−Ｌｍｉｎ}／{Ｓ＋ｒｃｏｓ（θ）}］
式（２）：Ａｃ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₀ ／ｎ₁ ）
式（３）：Ａｃ＞φ

本発明の発光装置においては、前記レンズを構成する球欠体の底面とこれに接する物質との境界面が、光軸方向に光を反射するミラー面とされることが好ましい。
また、本発明の発光装置においては、前記発光体の他面とこれに接する物質との境界面が、光軸方向に光を反射するミラー面とされる構成とすることもできる。

本発明の発光装置においては、発光体からレンズの光軸に垂直に放射された光の入射角φ₀ が臨界角未満であることにより、発光体からレンズ中に低角度（光軸に対して垂直または垂直に近い角度）に放射された光は、レンズの上半球より下の部分に到達し、全反射することなく屈折して外部（空気中）に出射されることとなる。この光は、上半球でのレンズ作用と連続したレンズ作用を受けるので、発光体の実像を結ぶことが可能となる。従って、発光体から放射された光を最大限外部へ出射させることができるので、高い光取り出し効率が得られ、また、発光体の実像が分割されたり歪んだりすることがないので、輝度の低下を抑制することができる。

また、本発明の発光装置によれば、上記式（１）〜（３）を満たす位置に発光体が配置されることにより、発光体から放射された光の全ての入射角が臨界角未満であり、全反射することがなく外部に出射されるので、確実に高い光取り出し効率が得られる。

本発明の発光装置の構成の一例を示す説明用概略図である。 本発明の発光装置における各部位の定義を説明するための概略図である。 本発明の発光装置の製造方法の一例を示す説明図である。 本発明の発光装置の構成の他の一例を示す説明用概略図である。 本発明の発光装置の構成のさらに他の一例を示す説明用概略図である。 本発明の発光装置を照明装置に組み込んだ構成の一例を示す説明用概略図である。

以下、本発明の発光装置の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の発光装置の構成の一例を示す説明用概略図である。
この発光装置１０は、球欠体からなるレンズ２と、矩形の面状の発光体１とを備えてなる。この発光装置１０においては、発光体１の他面（底面）１ｂが、レンズ２を構成する球欠体の底面２ｂが位置される平面内に位置された状態、すなわち、発光体１の他面（底面）１ｂのレベル位置とレンズ２を構成する球欠体の底面２ｂのレベル位置とが一致した状態で発光体１が配置されている。具体的には、この実施形態においては、発光体１の他面（底面）１ｂを除く外表面（上面および側面）がレンズ２を形成する硝材に接する状態で、発光体１がレンズ２の底部に埋設されている。
また、発光体１は、当該発光体１の形状中心Ｏがレンズ２の光軸Ｆ上に位置された状態でレンズ２内に配置されている。なお、発光体１の形状中心Ｏとは、発光体１の一面（図１における上面）における形状の中心をいい、本実施形態においては矩形の中心（対角線の交点）をいう。

発光体１は、固体光源よりなり、具体的にはＬＥＤや固体蛍光体等よりなる。発光体の発光波長は、例えば３００〜８００ｎｍとされる。
発光体１の底面１ｂには、例えば配線等が形成された基板（図示せず）が配置されている。

レンズ２は、曲率半径ｒの球面を有する球欠体であって、更に詳しくは、半径ｒの球体の一部を平面によって切り欠いた形状を有するものである。
そして、レンズ２を構成する球欠体は、当該球欠体の球欠高さｈが曲率半径ｒより大きいもの、すなわち、球体の一部を切り欠く平面の位置が上半球より下の位置のものである。なお、球欠体の球欠高さｈとは、底面２ｂから球面の曲率中心Ｃを通るレンズ頂点Ｔまでの垂直距離をいう。

レンズ２の形成材料は、硝材であれば特に限定されず、具体的にはガラス（石英ガラス、ホウ珪酸ガラス）、透明樹脂（シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂）、結晶（多結晶ＹＡＧ、キュービックジルコニア）等が挙げられる。

発光装置１０においては、球欠体を形成する球面の曲率中心（球体の中心）Ｃを含む、発光体１の一面１ａに垂直な平面において、発光体１からレンズ２の光軸Ｆに垂直な方向に放射された光Ｐ₀ の方向と、その光Ｐ₀ が球面（レンズ表面）と交わる点における接線に対して垂直な仮想直線Ｖとのなす角である入射角φ₀ の大きさが臨界角未満とされる。すなわち、本発明においては、発光体１からレンズ２の光軸Ｆに垂直に放射された光Ｐ₀ の入射角φ₀ が臨界角未満となるように、レンズ２（球欠体）の形状、具体的には球面の曲率半径や球欠体の切断面（底面２ｂ）の位置等が決定されるものである。

また、発光装置１０においては、下記式（１）〜（３）を満たすように発光体１が配置されることが好ましい。
すなわち、下記式（１）で表わされる入射角φと、下記式（２）で表わされる臨界角Ａｃとが、入射角φがレンズ頂点Ｔからの角度θの全てにおいて、下記式（３）を満たす位置Ｓに発光体１を配置することが好ましい。
式（１）：φ＝θ−ｔａｎ^-1［{ｒｓｉｎ（θ）−Ｌｍｉｎ}／{Ｓ＋ｒｃｏｓ（θ）}］
式（２）：Ａｃ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₀ ／ｎ₁ ）
式（３）：Ａｃ＞φ

式（１）においては、図２に示すように、θは、レンズ２の光軸Ｆと、発光体１の最小半径Ｌｍｉｎ位置から任意の方向に放射された光Ｐが球面（レンズ表面）と交わる点における接線に対して垂直な仮想直線Ｖとのなす角［°］、ｒは球面（レンズ表面）の曲率半径［ｍｍ］、Ｓは球面（レンズ表面）の曲率中心Ｃから発光体１の一面（図２における上面）１ａまでの光軸Ｆ方向の離間距離である発光体の位置［ｍｍ］、Ｌｍｉｎは発光体１の一面１ａにおける最小半径［ｍｍ］を示す。
ここで、発光体１の最小半径Ｌｍｉｎとは、発光体１の形状中心Ｏから外縁までの最も短い長さをいい、本実施形態のように発光体１の形状が矩形である場合には、当該矩形の中心（対角線の交点）から最も近い辺までの長さをいい、例えば発光体の形状が正方形である場合には、当該正方形の内接円の半径をいい、例えば発光体の形状が円形である場合には、当該円形の半径をいう。

式（２）において、ｎ₁ はレンズ２の屈折率、ｎ₀ はレンズ２に接する物質の（例えば空気等）の屈折率、Ａｃは臨界角［°］である。

本発明においては、上記式（１）および（２）を満たし、入射角φがレンズ頂点Ｔからの角度θの全てにおいて、式（３）を満たすこと、すなわち、発光体１から放射された光の全ての入射角φが臨界角未満となるように、発光体１の最小半径Ｌｍｉｎと発光体１の位置Ｓとの関係で、レンズ２（球欠体）の形状が決定されるものである。

レンズに接する物質の屈折率ｎ₀ は、例えばレンズ外部が空気である場合に１である。
レンズ２の屈折率ｎ₁ は、例えば１．４〜２．４である。
また、発光体１の屈折率ｎ₂ は、例えば１．８〜２．５である。
レンズ２の屈折率ｎ₁ は、発光体１の屈折率ｎ₂ 以上であることが好ましい。この理由は、レンズ２の屈折率ｎ₁ が、発光体１の屈折率ｎ₂ 以上であれば、発光体１からレンズ２に向う光はその界面において臨界角反射を起こさず全ての光を取り出すことができるためである。

以上のような発光装置１０の仕様の一例を以下に示す。
発光体１がＬＥＤよりなり、その寸法は、１ｍｍ（縦）×１ｍｍ（横）×０．３ｍｍ（厚み）、発光体１の屈折率ｎ₂ は２．５、レンズ２が石英ガラスよりなり、その曲率半径ｒは１ｍｍ、屈折率ｎ₁ は１．４６である。
例えば、上記仕様の場合、レンズに接する物質の屈折率ｎ₀ を１とすると、臨界角Ａｃは４３．６°となり、入射角φがレンズ頂点Ｔからの角度θの全てにおいて臨界角Ａｃ未満となる発光体１の位置Ｓは、０＜Ｓ≦０．４７となる。

本発明の発光装置を製造する方法の一例について、以下具体的に説明する。
ここでは、発光体１としてＬＥＤ（寸法：１ｍｍ（縦）×１ｍｍ（横）×０．３ｍｍ（厚み）、型：縦型、発光波長：３６５ｎｍ、材質：ＧａＮ）を用い、レンズ２の形成材料として石英ガラス（屈折率：１．４６）を用い、発光体１とレンズ２との間の空間をレンズ２の屈折率と近似した透明樹脂（材料：ジメチルシリコーン樹脂、屈折率：１．４１）６０によって充填し、透明樹脂６０中に発光体１が埋設された発光装置を作製する。
まず、球欠体の底面２ｂにおける中央位置に球欠高さ方向に伸びる孔２０ｈを有するレンズ形成材２０と、中央位置に厚さ方向に貫通して伸びる孔３０ｈを有する石英ガラス製の板材３０とを準備する（図３（ａ）参照）。レンズ形成材２０の孔２０ｈと板材３０の孔３０ｈとはそれぞれ、発光体１が収容可能な大きさを有する。
次に、レンズ形成材２０における底面２ｂと板材３０の一面とを、それぞれの孔（２０ｈおよび３０ｈ）の位置を一致させた状態で接合させて、ツバ付きレンズ体４０を形成する（図３（ｂ）参照）。接合方法としては、接着剤を用いる方法やオプチカルコンタクトによる接合加工を用いる方法が挙げられる。ツバ付きレンズ体４０には、レンズ形成材２０の孔２０ｈと板材３０の孔３０ｈとが連通された孔４０ｈが形成されることとなる。
一方、マウント基盤５１上にＬＥＤよりなる発光体１がマウントされた基板５０を準備する（図３（ｃ）参照）。
そして、ツバ付きレンズ体４０の孔４０ｈに未硬化の透明樹脂を充填し、その中に基板５０上にマウントされた発光体１を挿入し、未硬化の透明樹脂を硬化させる（図３（ｄ）参照）。樹脂の硬化方法としては、トランスファーモールド法などが挙げられる。なお、ツバ付きレンズ体４０の孔４０ｈには、発光体１の他、当該発光体１のリード線（図示せず）も収容された状態で透明樹脂６０に埋設されている。
なお、上述したように、本発明の発光装置においては、製造上の観点から、発光体とレンズとの間隙に樹脂などが充填される場合があるが、このような場合であっても、充填する樹脂として、レンズとの屈折率の差が±０．１程度のものを用い、樹脂の厚み（球欠高さ方向の厚み）を可能な限り小さいものとすれば、光学特性に影響は殆どない。

上記の発光装置１０においては、発光体１から放射された光は、球面（レンズ表面）に到達し、全反射されることなく屈折して外部に出射される。

このような発光装置１０においては、発光体１から光軸Ｆに垂直に放射された光Ｌ₀ の入射角φ₀ が臨界角未満であることにより、発光体１からレンズ２中に低角度（光軸に対して垂直または垂直に近い角度）に放射された光は、レンズ２の上半球より下の部分に到達し、屈折して外部（空気中）に出射されることとなる。この光は、上半球でのレンズ作用と連続したレンズ作用を受けるので、発光体１の実像を結ぶことが可能となる。従って、発光体１から放射された光を最大限外部へ出射させることができるので、高い光取り出し効率が得られ、また、発光体１の実像が分割されたり歪んだりすることがないので、輝度の低下を抑制することができる。
また、発光装置１０によれば、上記式（１）〜（３）を満たす位置Ｓに発光体１が配置されることにより、発光体１から放射された光の全ての入射角が臨界角未満であり、全反射することがなく外部に出射されるので、確実に高い光取り出し効率が得られる。

本発明においては、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図４に示すように、レンズ２を構成する球欠体の底面２ｂとこれに接する物質との境界面が、光軸Ｆ方向に光を反射するミラー面２ｃとされる構成、すなわち、レンズ２を構成する球欠体の内底面が、ミラー面２ｃとされる構成とすることができる。このような構成により、発光体１から放射されてミラー面２ｃに入射した光についても、ミラー面２ｃで反射されて球面（レンズ表面）に戻すことができ、より一層の高い光取り出し効率が得られる。また、発光体の底面とこれに接する物質との境界面、すなわち発光体の内底面が、光軸方向に光を反射するミラー面とされる構成であってもよい。
また例えば、発光体の発光面全体がレンズを形成する硝材に接している必要はなく、図５に示すように、少なくとも発光体１の発光面の一部、図示の例においては、発光体１の一面（図５における上面）１ａが、レンズ２を構成する球欠体の底面２ｂに対接状態とされる構成であってもよい。

さらに例えば、発光体はＬＥＤに限定されず、固体蛍光体とすることもできる。以下、本発明の発光装置において、発光体として固体蛍光体を用いる構成について具体的に説明する。
図６に、発光体として固体蛍光体を用いた発光装置を照明装置に組み込んだ構成の一例を示す。
この照明装置７０は、発光体１として固体蛍光体を用いた発光装置１０と、この発光装置１０の光出射方向前方に配置された、２つのコリメートレンズ７１，７１およびダイクロイックミラー７３と、固体蛍光体を励起するレーザ光を出射するレーザ発振器７４とが備えられている。ダイクロイックミラー７３は、光出射面が発光装置１０から出射される光の光軸に対して傾斜した状態で配置されている。レーザ発振器７４は、当該レーザ発振器７４から出射されたレーザ光がダイクロイックミラー７３で反射され、発光装置１０から出射される光と同じ光路上を通過して蛍光体に入射するように配置されている。
このような照明装置７０においては、レーザ発振器７４からレーザ光Ｌが出射され、ダイクロイックミラー７３で反射されて、発光装置１０の発光体１に入射される。発光体１はレーザ光により励起されて、励起された光が発光装置１０から出射され、２つのコリメートレンズ７１，７２によりコリメートされる。コリメートされた光Ｒはダイクロイックミラー７３を透過して外部へ出射される。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〔実験例１〕
図１に示す構成に従い、下記の仕様の発光装置〔Ａ〕を作製した。なお、レンズに接する物質（空気）の屈折率ｎ₀ を１とする。
［発光体（１）］
種類：ＬＥＤ，寸法：１ｍｍ（縦）×１ｍｍ（横）×０．３ｍｍ（厚み），材質：ＧａＮ、発光波長：３６５ｎｍ，配置位置Ｓ：０．５１ｍｍ，最小半径Ｌｍｉｎ：０．５ｍｍ
発光体１から空気中に直接放射する光の配光はランバーシアンであり、発光体１から空気中に直接放射する光の放射光束を１００ｍＷとする。
［レンズ（２）］
材質：石英ガラス，屈折率ｎ₁ ＝１．４６，曲率半径ｒ＝１．５ｍｍ，球欠高さｈ＝２．０１ｍｍ

発光装置〔Ａ〕からの放射光束を計測したところ、１８０ｍＷであった。光取り出し効率は１８０％であった。

〔実験例２〕
実験例１において、レンズ（２）の曲率半径ｒを１．０ｍｍ（球欠高さｈを１．５１ｍｍ）に変更した以外は、発光装置〔Ａ〕と同様の構成および仕様の発光装置〔Ｂ〕を作製し、放射光束を計測したところ、１２０ｍＷであった。光取り出し効率は１２０％であった。
なお、この発光装置〔Ｂ〕においては、発光体（１）からレンズ（２）の光軸に垂直に放射された光の入射角φ₀ が臨界角以上となるものであり、さらに、上記式（１）〜（３）を満たす位置に発光体（１）が配置されていないものである。

以上の結果より、本発明に係る発光装置〔Ａ〕によれば、発光体から光軸に垂直に放射された光の入射角φ₀ が臨界角未満であり、さらに、上記式（１）〜（３）を満たす位置に発光体が配置されることにより、発光装置〔Ｂ〕に比べ高い光取り出し効率が得られたことが確認された。

１ 発光体
１ａ 一面
１ｂ 他面（底面）
２ レンズ
２ｂ 底面
２ｃ ミラー面
１０ 発光装置
２０ レンズ形成材
２０ｈ 孔
３０ 板材
３０ｈ 孔
４０ ツバ付きレンズ体
４０ｈ 孔
５０ マウント基盤
５１ 基板
６０ 透明樹脂
７０ 照明装置
７１ コリメートレンズ
７２ コリメートレンズ
７３ ダイクロイックミラー
７４ レーザ発振器
Ｃ 曲率中心
Ｆ 光軸
ｈ 球欠高さ
Ｏ 形状中心
Ｐ₀ ，Ｐ 光
Ｔ レンズ頂点
Ｖ 仮想直線

Claims (4)

1. レンズおよび発光体を具備した発光装置において、
   前記レンズは、曲率半径ｒの球面を有する球欠体であり、当該球欠体の球欠高さが前記曲率半径ｒより大きく、
   前記発光体は、面状のものであり、当該発光体の一面が、前記レンズを構成する球欠体の底面に対接状態、または、当該発光体の他面が、前記レンズを構成する球欠体の底面が位置される平面内に位置された状態で配置され、
   前記球面の曲率中心を含む、前記発光体の一面に垂直な平面において、前記発光体からレンズの光軸に垂直に放射された光の方向と、その光が球面と交わる点における接線に対して垂直な仮想直線とのなす角である入射角φ₀ が臨界角未満であることを特徴とする発光装置。
2. レンズの光軸と、発光体から任意の方向に放射された光が球面と交わる点における接線に対して垂直な仮想直線とのなす角をθ、球面の曲率中心から発光体の一面までの光軸方向の離間距離である発光体の位置をＳ、発光体の一面における最小半径をＬｍｉｎとするとき、下記式（１）で表わされる入射角φと、
   レンズの屈折率をｎ₁ 、レンズに接する物質の屈折率をｎ₀ 、臨界角をＡｃとするとき、下記式（２）で表わされる臨界角Ａｃとが、
   前記入射角φがレンズ頂点からの角度θの全てにおいて、下記式（３）を満たす、当該位置Ｓに発光体が配置されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
   式（１）：φ＝θ−ｔａｎ^-1［{ｒｓｉｎ（θ）−Ｌｍｉｎ}／{Ｓ＋ｒｃｏｓ（θ）}］
   式（２）：Ａｃ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₀ ／ｎ₁ ）
   式（３）：Ａｃ＞φ
3. 前記レンズを構成する球欠体の底面とこれに接する物質との境界面が、光軸方向に光を反射するミラー面とされることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置。
4. 前記発光体の他面とこれに接する物質との境界面が、光軸方向に光を反射するミラー面とされることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の発光装置。

Images