JP3639428B2 - 光源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光源装置に関し、特にたとえば発光素子を用いた光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示パネルの普及に伴い、光源のフラット化、平行光化が特に重要となり、従来において画像表示用光源として一般に用いられてきたハロゲンランプに代わり、ＬＥＤ素子を用いた平面光源が注目されている。
【０００３】
しかし、ＬＥＤ素子を画像表示用光源として実用化するには、輝度の向上と出射光の平行化が課題となる。ＬＥＤ素子を用いた光源であって平行光を出射する平行光光源装置として、たとえば、反射鏡を用いたものがある（特開平９−９０３５５）。この平行光光源装置１は、図１２の模式断面図に示すように、基板２と、ＬＥＤ３と、透明部材４とを備え、ＬＥＤ３は、リードフレーム５と、反射鏡６と、ＬＥＤ素子７と、透明樹脂８とを備える。ここで、ＬＥＤ３は、リードフレーム５によって基板２に接続されている。また、ＬＥＤ３は、反射鏡６の焦点付近にＬＥＤ素子７を透明樹脂８で固定したものである。この構造では、ＬＥＤ素子７から出射された光は、反射鏡６で反射されることによって略平行光となって透明部材４から出射される。
【０００４】
このように、ＬＥＤ素子を用いた従来の平行光光源装置としては、個別に反射鏡等を含むＬＥＤを、基板等に並列して配置することにより、平行光光源装置とするものがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術では、出射光の平行光化は達成されるが、実用的に十分な輝度を得ることが困難であった。すなわち、輝度の向上にはＬＥＤ素子の実装密度を上げることが必要とされるが、上記従来技術では、個別に形成したＬＥＤを並列して配置することによって平行光光源装置とするため、ＬＥＤのサイズによって高密度化が制限されてしまうという問題があった。たとえば、図１２の平行光光源装置１では、ＬＥＤ３のサイズがリードフレーム５や反射鏡６等の加工限界等によって制限されるため、ＬＥＤ３のサイズを一定限度以上に小さくすることができず、ＬＥＤ素子７の実装密度を上げることができなかった。従って、
従来技術では、ＬＥＤを用いた平行光光源装置において、十分な輝度を得ることが困難であるという問題があった。
【０００６】
一方、ＬＥＤ素子の発熱は、ハロゲンランプ等に比べて低いため、ＬＥＤ素子の実装密度が低い場合は大きな問題とならないが、実装密度を高くする場合には、ＬＥＤ素子の発熱が大きくなり、ＬＥＤ素子の発光強度や寿命が低下してしまう。
【０００７】
従って、ＬＥＤ素子の実装密度を高くすることによって、光源の輝度を向上させる場合には、同時にＬＥＤ素子の発熱を効果的に放熱することが出来なければ、光源の輝度および信頼性が低下するという問題があった。
【０００８】
そのため、この発明の主たる目的は、略平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の光源装置は、発光素子を用いた光源装置であって、透光性基板と、透光性基板の一主面に配置された複数の第１の発光素子と、透光性基板の一主面側に配置され、第１の発光素子から出射される光を略平行光化する第１平行光化手段と、透光性基板の一主面側に配置され、第１の発光素子から発生する熱を放熱する放熱手段と、透光性基板の他主面に配置された複数の第２の発光素子とを備え、複数の第２の発光素子がそれぞれ略半球状の透明樹脂でモールドされていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の光源装置は、請求項１に記載の光源装置において、放熱手段が、第１の発光素子のそれぞれに対応する位置に形成された凹面鏡を有する金属板を備え、第１平行光化手段が凹面鏡であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の光源装置は、請求項１に記載の光源装置において、放熱手段が、成形樹脂と成形樹脂の一部に形成された放熱板とを備え、成形樹脂は、第１の発光素子のそれぞれに対応する位置に凹部を備え、第１平行光化手段が、凹部上に形成された凹面鏡であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の光源装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の光源装置において、透光性基板と凹面鏡とによって形成される空間が、透明樹脂によって充填されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の光源装置は、請求項２に記載の光源装置において、透光性基板と凹面鏡とによって形成される空間が、透明樹脂によって充填されており、金属板が、すべての凹面鏡を一括して包囲するように形成された溝を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の光源装置は、請求項３に記載の光源装置において、透光性基板と凹面鏡とによって形成される空間が、透明樹脂によって充填されており、成形樹脂が、すべての凹面鏡を一括して包囲するように形成された溝を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の光源装置では、第１の発光素子から出射される光が第１平行光化手段によって略平行光化され、また、第１の発光素子から発生する熱が放熱手段によって放熱される。また、透光性基板に直接発光素子が配置されるため、高密度で第１の発光素子を実装することができる。従って、請求項１に記載の光源装置では、略平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置が得られる。
また、請求項１に記載の光源装置では、透光性基板の一主面と他主面の両面に発光素子が配置されるため、発光素子の数を略２倍とすることができる。従って、より高い輝度の光源装置が得られる。
【００１６】
請求項２に記載の光源装置では、透光性基板の一主面上に配置された金属板によって、第１の発光素子で発生した熱が速やかに放出されるため、透明基板上に高い密度で第１の発光素子を形成した場合であっても第１の発光素子が高温になるのを防止することができる。また、第１の発光素子から出射される光は、金属板が備える凹面鏡によって略平行光化される。従って、平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置が得られる。
【００１７】
請求項３に記載の光源装置では、透光性基板の一主面側に配置された成形樹脂と放熱板とによって、第１の発光素子で発生した熱が速やかに放出される。従って、高い密度で第１の発光素子を形成した場合であっても発光素子が高温になるのを防止することができる。また、第１の発光素子から出射される光は、成形樹脂の凹部上に形成された凹面鏡によって略平行光化される。従って、平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置が得られる。
【００１８】
請求項４に記載の光源装置では、第１の発光素子が透明樹脂によって覆われているため、第１の発光素子で発生した熱が速やかに放熱手段に伝えられる。
【００１９】
また、この光源装置では、透明樹脂の屈折率が空気よりも大きいため、発光素子とその周囲との屈折率差が小さくなる。従って、発光素子界面での反射が減少し、より多くの光を第１の発光素子から取り出すことができる。従って、高輝度で信頼性が高い光源装置が得られる。
【００２０】
請求項５に記載の光源装置では、光源装置を製造する場合において、第１の発光素子を透明樹脂でモールドする際に、透明樹脂材料内の気泡が、金属板の溝を介して排出される。従って、透明樹脂に気泡が混入することを防止することができ、気泡での乱反射による輝度の低下を防止し、気泡による放熱性の低下を防止することができる。
【００２１】
請求項６に記載の光源装置では、請求項５に記載の光源装置と同様に、透明樹脂に気泡が混入することを防止することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の参考の形態および実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
この参考の形態および実施の形態は、平行光化手段および放熱手段として、凹面鏡が形成された金属板を用いる、反射型の平面光源装置として用いられるものである。
【００２４】
図１（ａ）の模式断面図を参照して、この発明の参考の形態の光源装置１０は、透光性基板１２と、透光性基板１２に透明樹脂（図示せず）で接着された複数のＬＥＤ素子１４と、透明樹脂１６と、金属板１８とを備える。透明樹脂１６は、透光性基板１２と凹面鏡２２とによって形成される空間を充填するように形成されＬＥＤ素子１４を覆っており、たとえば、エポキシ樹脂からなる。
【００２５】
ここで、透光性基板１２は、ガラス等の透明絶縁体からなり、ＬＥＤ素子１４が接着された透光性基板１２の一主面には、ＬＥＤ素子１４を駆動するための電気回路２４ａおよび２４ｂ（図１（ｂ）参照）が形成されている。そして、電気回路２４ａおよび２４ｂとＬＥＤ素子１４とはワイヤ２０によって電気的に接続されている。
【００２６】
ＬＥＤ素子１４には、目的に合わせて赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ等が用いられる。また、ＬＥＤ素子１４の構造はいかなるものでも良いが、この実施形態で説明するＬＥＤ素子１４は、ｐ側電極およびｎ側電極をともにＬＥＤ素子１４の表面側（ワイヤ２０が接続されている側）に有し、基板としてサファイア等の透明基板を用いたものである。従って、ＬＥＤ素子１４からは全方位に光が出射される。
【００２７】
金属板１８は、ＬＥＤ素子１４に対応する部分に凹面鏡２２を有する。なお、ＬＥＤ素子１４で発生した熱を速やかに放熱するため、金属板１８には熱伝導性の良いアルミニウムや銅等を用いることが望ましい。
【００２８】
凹面鏡２２は、たとえば、その焦点がＬＥＤ素子１４に位置するように放物面形状に形成される。
【００２９】
なお、一般的に、点光源から出射されたすべての光を凹面鏡で平行光化する場合は、凹面鏡の焦点が点光源に位置するように凹面鏡を配置すればよいが、ＬＥＤ素子１４は面発光素子であるため、すべての光を平行光化することは不可能である。そこで、凹面鏡２２の形状は、面発光によって発光し配光特性を有するＬＥＤ素子１４の特性を考慮して形成することが好ましい。たとえば、凹面鏡２２として、複数の微小な凹面鏡を放物曲面上に配置したものを用いても良い。この場合、微小な凹面鏡のそれぞれの焦点を最適化することによって、出射光の平行光化をより促進することが可能である。
【００３０】
光源装置１０の平面図を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子１４は、凹面鏡２２の曲面底部の法線上に位置している。
【００３１】
ここで、ＬＥＤ素子１４の大きさは、たとえば０．３ｍｍ角であり、隣接するＬＥＤ素子１４との距離は、たとえば２．５ｍｍである。
【００３２】
図２を参照して、光源装置１０の製造方法の一例を説明する。
【００３３】
まず、図２（ａ）に示すように、透光性基板１２にＬＥＤ素子１４の裏面側（ワイヤ２０が接続されていない側）を透明樹脂で接着し、透光性基板上１２上の電気回路２４ａおよび２４ｂ（図１（ｂ）参照）とＬＥＤ素子１４とをワイヤ２０によって電気的に接続する。
【００３４】
次に、図２（ｂ）に示すように、凹面鏡２２が形成された金属板１８上に凹面鏡２２を満たすように透明樹脂材料１６ａを滴下した後、金属板１８の上方から、ＬＥＤ素子１４が接着された透光性基板１２を、透明樹脂材料１６ａが硬化するまで金属板１８上に固定する。この際、余分な透明樹脂材料１６ａは、透光性基板１２と金属板１８の間から流出する。
【００３５】
なお、透光性基板１２上に形成される電気回路２４ａおよび２４ｂと金属板１８とが短絡しないようにする必要があるが、電気回路２４ａおよび２４ｂを絶縁体でカバーするか、あるいは電気回路２４ａおよび２４ｂと金属板１８とが密着しないように透光性基板１２と金属板１８との間にスペーサー等を挟めばよい。
【００３６】
すると、図２（ｃ）に示すように、光源装置１０が形成される。
【００３７】
光源装置１０の凹面鏡２２の機能を、図３に模式的に示す。図３に示すように、ＬＥＤ素子１４の表面側から出射された光は凹面鏡２２によって反射され、略平行光となって、透光性基板１２から、ＬＥＤ素子１４が形成されていない側に出射される。従って、光源装置１０では、ＬＥＤ素子１４の表面側からの発光を有効に平行光として利用することができる。
【００３８】
また、ＬＥＤ素子１４は、透明樹脂（図示せず）によって透光性基板１２に接着されているため、図３に示すように、ＬＥＤ素子１４の裏面側から出射された光は透光性基板１２を透過して出射される。従って、光源装置１０では、従来利用効率の悪かったＬＥＤ素子１４の裏面から出射される光も有効に活用することができる。
【００３９】
さらに、光源装置１０では、従来のように樹脂モールドしたＬＥＤを配列するのとは異なり、ＬＥＤ素子１４を直接透光性基板１２に接着するため、より高密度にＬＥＤ素子１４を実装することが可能であり、実装密度の向上による輝度の向上を図ることができる。
【００４０】
また、ＬＥＤ素子１４は、透明樹脂１６で覆われており、空気よりも透明樹脂１６の屈折率の方が大きいため、ＬＥＤ素子１４とその周囲との屈折率差が小さくなる。従って、ＬＥＤ素子１４の界面での光の反射が減少し、ＬＥＤ素子１４から取り出せる光量が大きくなる。
【００４１】
以上のことから、光源装置１０によれば、従来よりも高輝度の光源装置が得られる。一例として、光源装置１０において、透明基板１２上に２．５ｍｍ間隔でＬＥＤ素子１４を配置（縦８列、横１０列で８０個配置）してＬＥＤ素子１４を発光（駆動電流２０ｍＡ）させた場合、透光性基板１２の光出射側の面直上中央部の輝度は、ＬＥＤ素子１４に赤色ＬＥＤ素子を用いた場合に２２，０００ルクス、緑色ＬＥＤ素子を用いた場合に１１０，０００ルクス、青色ＬＥＤ素子を用いた場合に３２，０００ルクスであった。
【００４２】
さらに、光源装置１０によれば、ＬＥＤ素子１４で発生した熱を速やかに放出することができるため、高輝度で信頼性の高い光源装置を得ることができる。すなわち、ＬＥＤ素子１４で発生した熱は、透明樹脂１６を介して金属板１８に伝導され、金属板１８から大気中に放熱されるため、ＬＥＤ素子１４が高熱となるのを防止することができる。また、金属板１８に放熱フィンや放熱ファン等の放熱促進手段を付加することによって、さらにＬＥＤ素子１４の温度上昇を防止することが可能である。
【００４３】
たとえば、上記参考形態において、金属板１８に放熱フィンを取り付け、放熱フィンを蓄熱容積を増すための冷却用溶液に浸漬した場合、透明基板１２上に２．５ｍｍ間隔でＬＥＤ素子１４を配置（縦８列、横１０列で８０個配置）して最も消費電力が大きい青色ＬＥＤ素子を発光（駆動電圧３．８４Ｖ、駆動電流２０ｍＡ）させても、透光性基板１２の表面温度は略６０℃で冷却用溶液の温度とバランスしてほぼ一定となった。一方、上記実施形態と異なり、同様の条件でＬＥＤ素子１４を透光性基板１２上に配置し、放熱手段を形成しないで（図２（ａ）の状態）発光させた場合では、透光性基板１２の表面温度は１分以内に１００℃を超えてしまい、ＬＥＤ素子１４の発光強度および寿命が著しく低下した。
【００４４】
なお、上記参考形態では、平行光化手段および放熱手段として、凹面鏡が形成された金属板を用いたが、熱伝導率が高い金属やセラミクスに凹部を形成し、凹部上に光反射率の高い銀やアルミニウム等からなる金属薄膜を形成して凹面鏡としたものを用いてもよい。
【００４５】
また、図１に示した光源装置１０は、この参考の形態の一例を模式的に示したものであり、ＬＥＤ素子１４の数や配置は目的に合わせて任意に設定することができる（以下の実施形態において同様である。）。
【００４６】
たとえば、図４に縦８列、横１０列のＬＥＤ素子１４を形成する場合の金属板１８の形状の一例を示す。図４に示す金属板１８は、ＬＥＤ素子１４に対応する位置に形成された凹面鏡２２と、すべての凹面鏡２２を一括して包囲するように形成された溝２６と、透光性基板１２を３方で支持する透光性基板固定面２８とを備える。この金属板１８では、透光性基板固定面２８を、凹面鏡２２が形成されている面よりも高い位置に設けることによって、透光性基板１２上に形成された電気回路２４ａおよび２４ｂが金属板１８と接触して短絡することを防止することができる。また、図２（ｂ）に示した光源装置１０の製造過程において、透光性基板１２を金属板１８に固定する際に、設計空隙以上に滴下された透明樹脂材料１６ａ、および透明樹脂材料１６ａに存在する気泡を溝２６によって容易に排出することができ、透明樹脂１６に気泡が混入することを防止することができる。
【００４７】
なお、ＬＥＤ素子１４の配置は、６方位に隣接するような最密充填配置としてもよい。その場合の凹面鏡２２の配置は図５のようになり、各凹面鏡２２の曲面底部の法線上にＬＥＤ素子１４が配置される。
【００４８】
図６を参照して、この発明のその他の参考形態について説明する。
【００４９】
この参考の形態の光源装置３０は、図１に示した光源装置１０と同様の技術的効果を得ることができ、かつ、製造が容易なものである。
【００５０】
図６（ａ）の模式断面図を参照して、この参考の形態の光源装置３０は、透光性基板１２と、透光性基板１２に透明樹脂（図示せず）で接着された複数のＬＥＤ素子１４と、透明樹脂１６と、金属薄膜３２と、成形樹脂３４と、成形樹脂３４の一主面に形成された放熱板３６とを備える。透光性基板１２には、ＬＥＤ素子１４を駆動するための電気回路２４ａおよび２４ｂ（図１（ｂ）参照）が形成されており、ＬＥＤ素子１４と電気回路はワイヤ２０によって電気的に接続されている。
【００５１】
成形樹脂３４は、ＬＥＤ素子１４のそれぞれに対応する位置に凹部３８を備える。
【００５２】
金属薄膜３２は、アルミニウムや銀等の光反射率の高い金属からなり、凹部３８上の金属薄膜３２は凹面鏡４０として機能する。そして、凹面鏡４０の形状は光源装置１０の凹面鏡２２と同様である。また、透明樹脂１６は、透光性基板１２と凹面鏡４０とによって形成される空間を充填するように形成され、ＬＥＤ素子１４を覆っている。
【００５３】
放熱板３６は、熱伝導性の良い金属やセラミクスであればよく、特にアルミニウムや銅等の金属が好ましい。
【００５４】
図６（ｂ）および（ｃ）を参照して、光源装置３０の製造方法の一例を説明する。
【００５５】
まず、図６（ｂ）に示すように、一方主面に凹部３８を備え、他方主面に放熱板３６が形成された成形樹脂３４上に、金属薄膜３２を形成する。ここで、凹部３８は、成形樹脂３４が硬化する際に凸部を有する型を押圧すること等によって容易に形成することができる。また、金属薄膜３２は、蒸着法やメッキ法によって、容易に形成することができる。
【００５６】
次に、図６（ｃ）に示すように、凹面鏡４０を満たすように透明樹脂材料１６ａを金属薄膜３２上に滴下し、その上方からＬＥＤ素子１４を接着した透光性基板１２を、透明樹脂材料１６ａが硬化するまで固定することによって、光源装置３０を形成することができる。ここで、ＬＥＤ１４を接着した透光性基板１２は、図２で説明したものと同様のものであるので、重複する説明は省略する。
【００５７】
光源装置３０では、図１に示した光源装置１０と同様の技術的効果を得ることができ、かつ、容易に製造をすることができる。
【００５８】
すなわち、光源装置１０では、金属板１８のうち、凹面鏡２２の部分は金属を加工して形成しなければならないのに対し、光源装置３０では、凹面鏡４０は凹部３８を形成した成形樹脂３４上に金属薄膜３２を蒸着あるいはメッキ等することによって容易に形成できる。従って、生産性を向上させ、製造コストを低下させることができる。
【００５９】
なお、光源装置３０では、ＬＥＤ素子１４で発生した熱は、透明樹脂１６および成形樹脂３４を介して放熱板３６に伝導され、放熱される。従って、成形樹脂３４の熱伝導性はより高いことが好ましく、成形樹脂３４に、熱伝導性向上のための金属フィラーやセラミクスフィラーを混入することがより好ましい。
【００６０】
図７を参照して、この発明のその他の参考形態について説明する。
【００６１】
この参考の形態の光源装置５０は、図１に示した光源装置１０と同様の技術的効果を得ることができ、かつ、製造が容易なものである。
【００６２】
図７（ａ）の模式断面図を参照して、光源装置５０は、透光性基板１２と、透光性基板１２に透明樹脂（図示せず）で接着された複数のＬＥＤ素子１４と、透明樹脂１６と、金属薄膜５２と、成形樹脂５４と、放熱板５６とを備える。
【００６３】
透光性基板１２には、ＬＥＤ素子１４を駆動するための電気回路２４ａおよび２４ｂ（図１（ｂ）参照）が形成されており、ＬＥＤ素子１４と電気回路２４ａおよび２４ｂとはワイヤ２０によって電気的に接続されている。
【００６４】
金属薄膜５２は、アルミニウムや銀等の光反射率の高い金属からなり、透明樹脂１６に面している部分は凹面鏡５８として機能する。そして、凹面鏡５８の形状は光源装置１０の凹面鏡２２と同様である。また、透明樹脂１６は、透光性基板１２と凹面鏡５８とによって形成される空間を充填するように形成され、ＬＥＤ素子１４を覆っている。
【００６５】
放熱板５６は、凹部５９を有し、熱伝導性の良い、銅やアルミニウム等の金属やセラミクス等が用いられる。
【００６６】
図７（ｂ）および（ｃ）を参照して、光源装置５０の製造方法の一例を説明する。
【００６７】
まず、図７（ｂ）に示すように、透光性基板１２に接着されたＬＥＤ素子１４を包むように平凸レンズ状の透明樹脂１６を形成し、さらに透光性基板１２上および透明樹脂１６上に金属薄膜５２を形成する。ここで、ＬＥＤ素子１４を包むように平凸レンズ状の透明樹脂１６を形成する方法としては、たとえば図２（ｃ）に示した光源装置１０の製造過程において、透明樹脂１６が硬化した後に、金属板１８を透光性基板１２および透明樹脂１６から剥離すればよい。また、金属薄膜５２は、蒸着法やメッキ法によって容易に形成することができる。
【００６８】
その後、図７（ｃ）に示すように、放熱板５６の凹部５９を満たすように成形樹脂材料５４ａを滴下し、放熱板５６の上方から図７（ｂ）に示した透光性基板１２を成形樹脂材料５４ａが硬化するまで固定する。
【００６９】
このようにして、光源装置５０が得られる。
【００７０】
図６に示した光源装置３０と同様に、図７に示した光源装置５０では、図１に示した光源装置１０と同様の技術的効果を得ることができ、かつ、容易に製造をすることができる。すなわち、光源装置５０では、凹面鏡５８を容易に形成することが可能である。
【００７１】
なお、光源装置５０においても、光源装置３０と同様に、成形樹脂５４に熱伝導性向上のための金属フィラーやセラミクスフィラーを混入することがより好ましい。
【００７２】
図８を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００７３】
この実施形態の光源装置６０は、特に高い輝度が得られるものである。
【００７４】
図８（ａ）の模式断面図を参照して、光源装置６０は、図１に示した光源装置１０の透光性基板１２上に、さらに、複数のＬＥＤ素子６２と、ＬＥＤ素子６２近傍を除く部分に形成されたマスキングパターン６４と、ＬＥＤ素子６２を覆うように略半球状に形成された透明樹脂６６とを備えるものである。ここで、透光性基板１２のＬＥＤ素子６２が形成された一方主面には、電気回路（図示せず）が他方主面と同様に形成され（図１（ｂ）参照）、ＬＥＤ素子６２と電気回路とはワイヤ６８によって電気的に接続されている。また、ＬＥＤ素子６２は、透光性基板１２を挟んでＬＥＤ素子１４と対向する位置に配置されている。
【００７５】
光源装置６０を形成する方法としては、たとえば、まず、図１の光源装置１０を形成した後、透光性基板１２上に電気回路パターンを形成し（図示せず）、その後、透明樹脂６６を形成する部分を除いて、透光性基板１２上にマスキングパターン６４を形成する。ここで、マスキングパターン６４には、透明樹脂６６と親和性のない素材を用い、たとえば透明樹脂６６にエポキシ樹脂を用いた場合は、エポキシ樹脂と親和性のないシリコーン系の材料等を用いる。
【００７６】
次に、ＬＥＤ素子６２を透光性基板１２を挟んでＬＥＤ素子１４と対向する位置に透明樹脂（図示せず）で接着し、ＬＥＤ素子６２と透光性基板１２上の電気回路とをワイヤ６８によって電気的に接続する。
【００７７】
その後、各ＬＥＤ素子６２上に透明樹脂６６の材料を個別に滴下して硬化させることによって、ＬＥＤ素子６２を覆うように透明樹脂６６を形成する。ここで、マスキングパターン６４には透明樹脂材料と親和性がない材料が用いられるため、マスキングパターン６４が透明樹脂材料の流れ出しを防止し、図８（ａ）に示すような略半球状の透明樹脂６６が形成される。
【００７８】
このようにして、光源装置６０が形成される。
【００７９】
光源装置６０においては、図８（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子１４の表面側から出射された光は凹面鏡２２によって略平行光化され、ＬＥＤ素子１４の裏面側から出射された光は透明樹脂６６によって略平行光化される。また、ＬＥＤ素子６８の表面側から出射された光は透明樹脂６６によって略平行光化され、ＬＥＤ素子６８の裏面側から出射された光は凹面鏡２２によって略平行光化される。
【００８０】
この実施の形態の光源装置６０によれば、透光性基板１２の両面にそれぞれＬＥＤ素子１４および６２が形成されるため、単位面積あたりのＬＥＤ素子の実装密度を略２倍とすることが可能であり、高輝度の光源装置を得ることができる。さらに、ＬＥＤ素子１４および６２によって発生した熱は、透光性基板１２および透明樹脂１６を介して速やかに金属板１８に伝導され、放熱されるため、ＬＥＤ素子１４および６２の温度が高温となるのを避けることができ、高輝度で信頼性の高い光源装置を得ることができる。
【００８１】
なお、上記実施形態では、ＬＥＤ素子６２を、透光性基板１２を挟んでＬＥＤ素子１４と対向する位置に形成する場合を示したが、ＬＥＤ素子６２は透光性基板１２上の任意の位置に形成することができる。
【００８２】
また、上記図８（ａ）の実施形態において、ＬＥＤ素子６２を接着せずに、マスキングパターン６４および透明樹脂６６のみを形成した場合は、ＬＥＤ素子１４の表面側から出射された光は凹面鏡２２によって略平行光化され、ＬＥＤ素子１４の裏面側から出射された光は透明樹脂６６によって略平行光化される。従って、光源装置１０と同様の輝度で、かつ、光源装置１０よりも出射光を平行光化することが可能となる。
【００８３】
図９を参照して、この発明の他の参考形態について説明する。
【００８４】
この参考形態の光源装置７０は、出射光のより高い平行光化を可能とするものである。
【００８５】
図９の模式断面図を参照して、光源装置７０は、図１に示した光源装置１０と、光源装置１０の光出射側に配置したフレネルレンズアレイ７２とを備え、フレネルレンズアレイ７２には、ＬＥＤ素子１４の鉛直線上にその中心位置を有するフレネルレンズ７４が、各ＬＥＤ素子１４に対応して形成されている。
【００８６】
図１に示した光源装置１０では、高輝度で信頼性の高い光源装置が得られるが、ＬＥＤ素子１４が、面発光素子であることから、凹面鏡２２のみによってＬＥＤ素子１４から出射される光をすべて平行化することは困難である。また、ＬＥＤ素子１４の裏面から出射される光は、平行化されずに出射される。一方、図９に示した光源装置７０では、凹面鏡２２とフレネルレンズ７４とを組み合わせることによって、出射光をより平行光化することができる。
【００８７】
従って、光源装置７０によれば、光源装置１０と同様に高輝度で信頼性が高く、さらに、出射光をより平行光化できる光源装置が得られる。
【００８８】
図１０を参照して、この発明のその他の参考形態について説明する。
【００８９】
この参考形態の光源装置８０は、出射光のより高い平行光化を可能とするものである。
【００９０】
図１０（ａ）の模式断面図を参照して、光源装置８０は、図１に示した光源装置１０と光源装置１０の光出射側に配置されたボールレンズアレイ８２とを備え、ボールレンズアレイ８２はボールレンズ８４を支持枠８６によって固定したものである。ここで、光源装置８０においては、金属板１８の凹面鏡２２は、略半球状に形成されている。また、ボールレンズ８４は、その焦点がＬＥＤ素子１４の近傍に位置するように、支持枠８６でＬＥＤ素子１４の鉛直線上に固定されている。
【００９１】
この光源装置８０の機能を、図１０（ｂ）に模式的に示す。
【００９２】
図１０（ｂ）に示すように、光源装置８０では、ＬＥＤ素子１４の表面側から出射された光は、凹面鏡２２によって反射され、ＬＥＤ素子１４近傍を通過してボールレンズ８４に入射するため、略平行光化される。また、ＬＥＤ素子１４の裏面側から出射された光もボールレンズ８４によって略平行光化されて出射される。
【００９３】
従って、光源装置８０によれば、高輝度で信頼性が高く、さらに、出射光の平行度が高い光源装置が得られる。
【００９４】
なお、上記参考の形態では、ボールレンズを用いる場合を示したが、ボールレンズの代わりにその他のレンズ、たとえば平凸レンズ等を用いてもよい。
【００９５】
図１１を参照して、この発明のさらにその他の参考形態について説明する。
【００９６】
この形態の光源装置９０は、特に投影型の液晶表示装置用光源として有用なものである。
【００９７】
図１１（ａ）の模式断面図を参照して、光源装置９０は、図１に示した光源装置１０と光源装置１０の光出射側に配置されたマイクロレンズアレイ９２とを備え、マイクロレンズアレイ９２は、透光性基板９４と透光性基板９４の一主面に形成された複数のマイクロレンズ９６とを備える。
【００９８】
図１１（ｂ）を参照して、この光源装置９０の機能を説明する。
【００９９】
液晶表示パネルは平面型の画像表示装置として有用であるが、図１１（ｂ）に示すように、液晶表示パネル９８は、画素１００の部分とブラックマトリクス１０２の部分とからなり、ブラックマトリクス１０２の部分は画像表示に寄与しない。従って、ブラックマトリクス１０２に入射した光は無駄な光となってしまうという問題があった。
【０１００】
一方、この光源装置９０では、光源装置１０から出射された略平行光は、マイクロレンズ９６によって焦点Ａに収束する。従って、光源装置９０を液晶表示装置の光源として用いる場合、図１１（ｂ）に示すように、液晶表示パネル９８を焦点Ａの位置に配置することによって、光源装置１０から出射された略平行光が、マイクロレンズ９６によって画素１００の部分に収束するため、ブラックマトリクス１０２による出射光の損失を防止することができる。
【０１０１】
従って、光源装置９０によれば、投影型の液晶表示装置用光源として有用な光源装置を得ることができる。
【０１０２】
なお、上記参考形態によれば、マイクロレンズ９６を透光性基板９４上に形成した場合を示したが、マイクロレンズ９６を光源装置１０の透光性基板１２上に形成してもよく、また、液晶表示パネル９８の光源装置９０側の主面上に形成してもよい。
【０１０３】
以上、この発明の参考形態および実施形態について例を挙げて説明したが、上記参考形態および実施形態はこの発明を用いた場合の一例にすぎず、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【０１０４】
たとえば、光源装置６０、７０、８０、および９０の実施形態および参考形態の説明では、それぞれが光源装置１０を備える場合について説明したが、光源装置１０の代わりに光源装置３０または５０を用いてもよいことはいうまでもない。
【０１０５】
また、上記参考形態および実施形態では、透明基板と凹面鏡によって形成される空間が透明樹脂で充填されている場合を示したが、この透明樹脂がない場合であってもよい。この場合、ＬＥＤ素子１４で発生した熱は、透明基板と凹面鏡とによって形成される空間に存在する気体および透明基板を介して金属板または放熱板に伝導される。
【０１０６】
さらに、上記参考形態および実施形態形態では、ＬＥＤ素子として、ｐ側電極およびｎ側電極がともに素子表面側に形成されているＬＥＤ素子を用いる場合を示したが、いずれか一方が素子表面側に形成されており、他方がＬＥＤ素子の裏面側に形成されているＬＥＤ素子を用いてもよい。この場合、裏面側電極は透光性基板上に形成された電気回路に金属ペーストで電気的かつ物理的に接続されるため、ＬＥＤ素子裏面側からは光が出射しない。従って、この場合には、凹面鏡やフレネルレンズ等の平行光化手段は、素子表面側からの光のみが最適に平行光化できるように形成される。
【０１０７】
また、上記参考形態および実施形態では、発光素子としてＬＥＤ素子を用いる場合を示したが、その他の発光素子を用いることも可能である。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、発光素子を高密度で実装すること、発光素子から出射された光を略平行光化すること、および発光素子の温度上昇を防止することができる。従って、略平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一参考形態を示す図解図である。
【図２】 図１に示した光源装置の製造工程を示す図解図である。
【図３】 凹面鏡の機能を示す図解図である。
【図４】 この発明の一参考形態における金属板の形状を示す図解図である。
【図５】 凹面鏡の配置状態の一例を示す図解図である。
【図６】 この発明の他の参考形態を示す図解図である。
【図７】 この発明のその他の参考形態を示す図解図である。
【図８】 この発明の実施形態を示す図解図である。
【図９】 この発明の他の参考形態を示す図解図である。
【図１０】 この発明のその他の参考形態を示す図解図である。
【図１１】 この発明のさらにその他の参考形態を示す図解図である。
【図１２】 従来の平行光光源装置の構造を示す図解図である。
【符号の説明】
１０、３０、５０、６０、７０、８０、９０ 光源装置
１２ 透光性基板
１４、６２ ＬＥＤ素子
１６、６６ 透明樹脂
１８ 金属板
２０、６８ ワイヤ
２２、４０、５８ 凹面鏡
２６ 溝
３２、５２ 金属薄膜
３４、５４ 成形樹脂
３６、５６ 放熱板
３８、５９ 凹部
６４ マスキングパターン
７２ フレネルレンズアレイ
７４ フレネルレンズ
８２ ボールレンズアレイ
８４ ボールレンズ
９２ マイクロレンズアレイ
９６ マイクロレンズ
【発明の属する技術分野】
この発明は光源装置に関し、特にたとえば発光素子を用いた光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示パネルの普及に伴い、光源のフラット化、平行光化が特に重要となり、従来において画像表示用光源として一般に用いられてきたハロゲンランプに代わり、ＬＥＤ素子を用いた平面光源が注目されている。
【０００３】
しかし、ＬＥＤ素子を画像表示用光源として実用化するには、輝度の向上と出射光の平行化が課題となる。ＬＥＤ素子を用いた光源であって平行光を出射する平行光光源装置として、たとえば、反射鏡を用いたものがある（特開平９−９０３５５）。この平行光光源装置１は、図１２の模式断面図に示すように、基板２と、ＬＥＤ３と、透明部材４とを備え、ＬＥＤ３は、リードフレーム５と、反射鏡６と、ＬＥＤ素子７と、透明樹脂８とを備える。ここで、ＬＥＤ３は、リードフレーム５によって基板２に接続されている。また、ＬＥＤ３は、反射鏡６の焦点付近にＬＥＤ素子７を透明樹脂８で固定したものである。この構造では、ＬＥＤ素子７から出射された光は、反射鏡６で反射されることによって略平行光となって透明部材４から出射される。
【０００４】
このように、ＬＥＤ素子を用いた従来の平行光光源装置としては、個別に反射鏡等を含むＬＥＤを、基板等に並列して配置することにより、平行光光源装置とするものがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術では、出射光の平行光化は達成されるが、実用的に十分な輝度を得ることが困難であった。すなわち、輝度の向上にはＬＥＤ素子の実装密度を上げることが必要とされるが、上記従来技術では、個別に形成したＬＥＤを並列して配置することによって平行光光源装置とするため、ＬＥＤのサイズによって高密度化が制限されてしまうという問題があった。たとえば、図１２の平行光光源装置１では、ＬＥＤ３のサイズがリードフレーム５や反射鏡６等の加工限界等によって制限されるため、ＬＥＤ３のサイズを一定限度以上に小さくすることができず、ＬＥＤ素子７の実装密度を上げることができなかった。従って、
従来技術では、ＬＥＤを用いた平行光光源装置において、十分な輝度を得ることが困難であるという問題があった。
【０００６】
一方、ＬＥＤ素子の発熱は、ハロゲンランプ等に比べて低いため、ＬＥＤ素子の実装密度が低い場合は大きな問題とならないが、実装密度を高くする場合には、ＬＥＤ素子の発熱が大きくなり、ＬＥＤ素子の発光強度や寿命が低下してしまう。
【０００７】
従って、ＬＥＤ素子の実装密度を高くすることによって、光源の輝度を向上させる場合には、同時にＬＥＤ素子の発熱を効果的に放熱することが出来なければ、光源の輝度および信頼性が低下するという問題があった。
【０００８】
そのため、この発明の主たる目的は、略平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の光源装置は、発光素子を用いた光源装置であって、透光性基板と、透光性基板の一主面に配置された複数の第１の発光素子と、透光性基板の一主面側に配置され、第１の発光素子から出射される光を略平行光化する第１平行光化手段と、透光性基板の一主面側に配置され、第１の発光素子から発生する熱を放熱する放熱手段と、透光性基板の他主面に配置された複数の第２の発光素子とを備え、複数の第２の発光素子がそれぞれ略半球状の透明樹脂でモールドされていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の光源装置は、請求項１に記載の光源装置において、放熱手段が、第１の発光素子のそれぞれに対応する位置に形成された凹面鏡を有する金属板を備え、第１平行光化手段が凹面鏡であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の光源装置は、請求項１に記載の光源装置において、放熱手段が、成形樹脂と成形樹脂の一部に形成された放熱板とを備え、成形樹脂は、第１の発光素子のそれぞれに対応する位置に凹部を備え、第１平行光化手段が、凹部上に形成された凹面鏡であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の光源装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の光源装置において、透光性基板と凹面鏡とによって形成される空間が、透明樹脂によって充填されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の光源装置は、請求項２に記載の光源装置において、透光性基板と凹面鏡とによって形成される空間が、透明樹脂によって充填されており、金属板が、すべての凹面鏡を一括して包囲するように形成された溝を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の光源装置は、請求項３に記載の光源装置において、透光性基板と凹面鏡とによって形成される空間が、透明樹脂によって充填されており、成形樹脂が、すべての凹面鏡を一括して包囲するように形成された溝を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の光源装置では、第１の発光素子から出射される光が第１平行光化手段によって略平行光化され、また、第１の発光素子から発生する熱が放熱手段によって放熱される。また、透光性基板に直接発光素子が配置されるため、高密度で第１の発光素子を実装することができる。従って、請求項１に記載の光源装置では、略平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置が得られる。
また、請求項１に記載の光源装置では、透光性基板の一主面と他主面の両面に発光素子が配置されるため、発光素子の数を略２倍とすることができる。従って、より高い輝度の光源装置が得られる。
【００１６】
請求項２に記載の光源装置では、透光性基板の一主面上に配置された金属板によって、第１の発光素子で発生した熱が速やかに放出されるため、透明基板上に高い密度で第１の発光素子を形成した場合であっても第１の発光素子が高温になるのを防止することができる。また、第１の発光素子から出射される光は、金属板が備える凹面鏡によって略平行光化される。従って、平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置が得られる。
【００１７】
請求項３に記載の光源装置では、透光性基板の一主面側に配置された成形樹脂と放熱板とによって、第１の発光素子で発生した熱が速やかに放出される。従って、高い密度で第１の発光素子を形成した場合であっても発光素子が高温になるのを防止することができる。また、第１の発光素子から出射される光は、成形樹脂の凹部上に形成された凹面鏡によって略平行光化される。従って、平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置が得られる。
【００１８】
請求項４に記載の光源装置では、第１の発光素子が透明樹脂によって覆われているため、第１の発光素子で発生した熱が速やかに放熱手段に伝えられる。
【００１９】
また、この光源装置では、透明樹脂の屈折率が空気よりも大きいため、発光素子とその周囲との屈折率差が小さくなる。従って、発光素子界面での反射が減少し、より多くの光を第１の発光素子から取り出すことができる。従って、高輝度で信頼性が高い光源装置が得られる。
【００２０】
請求項５に記載の光源装置では、光源装置を製造する場合において、第１の発光素子を透明樹脂でモールドする際に、透明樹脂材料内の気泡が、金属板の溝を介して排出される。従って、透明樹脂に気泡が混入することを防止することができ、気泡での乱反射による輝度の低下を防止し、気泡による放熱性の低下を防止することができる。
【００２１】
請求項６に記載の光源装置では、請求項５に記載の光源装置と同様に、透明樹脂に気泡が混入することを防止することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の参考の形態および実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
この参考の形態および実施の形態は、平行光化手段および放熱手段として、凹面鏡が形成された金属板を用いる、反射型の平面光源装置として用いられるものである。
【００２４】
図１（ａ）の模式断面図を参照して、この発明の参考の形態の光源装置１０は、透光性基板１２と、透光性基板１２に透明樹脂（図示せず）で接着された複数のＬＥＤ素子１４と、透明樹脂１６と、金属板１８とを備える。透明樹脂１６は、透光性基板１２と凹面鏡２２とによって形成される空間を充填するように形成されＬＥＤ素子１４を覆っており、たとえば、エポキシ樹脂からなる。
【００２５】
ここで、透光性基板１２は、ガラス等の透明絶縁体からなり、ＬＥＤ素子１４が接着された透光性基板１２の一主面には、ＬＥＤ素子１４を駆動するための電気回路２４ａおよび２４ｂ（図１（ｂ）参照）が形成されている。そして、電気回路２４ａおよび２４ｂとＬＥＤ素子１４とはワイヤ２０によって電気的に接続されている。
【００２６】
ＬＥＤ素子１４には、目的に合わせて赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ等が用いられる。また、ＬＥＤ素子１４の構造はいかなるものでも良いが、この実施形態で説明するＬＥＤ素子１４は、ｐ側電極およびｎ側電極をともにＬＥＤ素子１４の表面側（ワイヤ２０が接続されている側）に有し、基板としてサファイア等の透明基板を用いたものである。従って、ＬＥＤ素子１４からは全方位に光が出射される。
【００２７】
金属板１８は、ＬＥＤ素子１４に対応する部分に凹面鏡２２を有する。なお、ＬＥＤ素子１４で発生した熱を速やかに放熱するため、金属板１８には熱伝導性の良いアルミニウムや銅等を用いることが望ましい。
【００２８】
凹面鏡２２は、たとえば、その焦点がＬＥＤ素子１４に位置するように放物面形状に形成される。
【００２９】
なお、一般的に、点光源から出射されたすべての光を凹面鏡で平行光化する場合は、凹面鏡の焦点が点光源に位置するように凹面鏡を配置すればよいが、ＬＥＤ素子１４は面発光素子であるため、すべての光を平行光化することは不可能である。そこで、凹面鏡２２の形状は、面発光によって発光し配光特性を有するＬＥＤ素子１４の特性を考慮して形成することが好ましい。たとえば、凹面鏡２２として、複数の微小な凹面鏡を放物曲面上に配置したものを用いても良い。この場合、微小な凹面鏡のそれぞれの焦点を最適化することによって、出射光の平行光化をより促進することが可能である。
【００３０】
光源装置１０の平面図を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子１４は、凹面鏡２２の曲面底部の法線上に位置している。
【００３１】
ここで、ＬＥＤ素子１４の大きさは、たとえば０．３ｍｍ角であり、隣接するＬＥＤ素子１４との距離は、たとえば２．５ｍｍである。
【００３２】
図２を参照して、光源装置１０の製造方法の一例を説明する。
【００３３】
まず、図２（ａ）に示すように、透光性基板１２にＬＥＤ素子１４の裏面側（ワイヤ２０が接続されていない側）を透明樹脂で接着し、透光性基板上１２上の電気回路２４ａおよび２４ｂ（図１（ｂ）参照）とＬＥＤ素子１４とをワイヤ２０によって電気的に接続する。
【００３４】
次に、図２（ｂ）に示すように、凹面鏡２２が形成された金属板１８上に凹面鏡２２を満たすように透明樹脂材料１６ａを滴下した後、金属板１８の上方から、ＬＥＤ素子１４が接着された透光性基板１２を、透明樹脂材料１６ａが硬化するまで金属板１８上に固定する。この際、余分な透明樹脂材料１６ａは、透光性基板１２と金属板１８の間から流出する。
【００３５】
なお、透光性基板１２上に形成される電気回路２４ａおよび２４ｂと金属板１８とが短絡しないようにする必要があるが、電気回路２４ａおよび２４ｂを絶縁体でカバーするか、あるいは電気回路２４ａおよび２４ｂと金属板１８とが密着しないように透光性基板１２と金属板１８との間にスペーサー等を挟めばよい。
【００３６】
すると、図２（ｃ）に示すように、光源装置１０が形成される。
【００３７】
光源装置１０の凹面鏡２２の機能を、図３に模式的に示す。図３に示すように、ＬＥＤ素子１４の表面側から出射された光は凹面鏡２２によって反射され、略平行光となって、透光性基板１２から、ＬＥＤ素子１４が形成されていない側に出射される。従って、光源装置１０では、ＬＥＤ素子１４の表面側からの発光を有効に平行光として利用することができる。
【００３８】
また、ＬＥＤ素子１４は、透明樹脂（図示せず）によって透光性基板１２に接着されているため、図３に示すように、ＬＥＤ素子１４の裏面側から出射された光は透光性基板１２を透過して出射される。従って、光源装置１０では、従来利用効率の悪かったＬＥＤ素子１４の裏面から出射される光も有効に活用することができる。
【００３９】
さらに、光源装置１０では、従来のように樹脂モールドしたＬＥＤを配列するのとは異なり、ＬＥＤ素子１４を直接透光性基板１２に接着するため、より高密度にＬＥＤ素子１４を実装することが可能であり、実装密度の向上による輝度の向上を図ることができる。
【００４０】
また、ＬＥＤ素子１４は、透明樹脂１６で覆われており、空気よりも透明樹脂１６の屈折率の方が大きいため、ＬＥＤ素子１４とその周囲との屈折率差が小さくなる。従って、ＬＥＤ素子１４の界面での光の反射が減少し、ＬＥＤ素子１４から取り出せる光量が大きくなる。
【００４１】
以上のことから、光源装置１０によれば、従来よりも高輝度の光源装置が得られる。一例として、光源装置１０において、透明基板１２上に２．５ｍｍ間隔でＬＥＤ素子１４を配置（縦８列、横１０列で８０個配置）してＬＥＤ素子１４を発光（駆動電流２０ｍＡ）させた場合、透光性基板１２の光出射側の面直上中央部の輝度は、ＬＥＤ素子１４に赤色ＬＥＤ素子を用いた場合に２２，０００ルクス、緑色ＬＥＤ素子を用いた場合に１１０，０００ルクス、青色ＬＥＤ素子を用いた場合に３２，０００ルクスであった。
【００４２】
さらに、光源装置１０によれば、ＬＥＤ素子１４で発生した熱を速やかに放出することができるため、高輝度で信頼性の高い光源装置を得ることができる。すなわち、ＬＥＤ素子１４で発生した熱は、透明樹脂１６を介して金属板１８に伝導され、金属板１８から大気中に放熱されるため、ＬＥＤ素子１４が高熱となるのを防止することができる。また、金属板１８に放熱フィンや放熱ファン等の放熱促進手段を付加することによって、さらにＬＥＤ素子１４の温度上昇を防止することが可能である。
【００４３】
たとえば、上記参考形態において、金属板１８に放熱フィンを取り付け、放熱フィンを蓄熱容積を増すための冷却用溶液に浸漬した場合、透明基板１２上に２．５ｍｍ間隔でＬＥＤ素子１４を配置（縦８列、横１０列で８０個配置）して最も消費電力が大きい青色ＬＥＤ素子を発光（駆動電圧３．８４Ｖ、駆動電流２０ｍＡ）させても、透光性基板１２の表面温度は略６０℃で冷却用溶液の温度とバランスしてほぼ一定となった。一方、上記実施形態と異なり、同様の条件でＬＥＤ素子１４を透光性基板１２上に配置し、放熱手段を形成しないで（図２（ａ）の状態）発光させた場合では、透光性基板１２の表面温度は１分以内に１００℃を超えてしまい、ＬＥＤ素子１４の発光強度および寿命が著しく低下した。
【００４４】
なお、上記参考形態では、平行光化手段および放熱手段として、凹面鏡が形成された金属板を用いたが、熱伝導率が高い金属やセラミクスに凹部を形成し、凹部上に光反射率の高い銀やアルミニウム等からなる金属薄膜を形成して凹面鏡としたものを用いてもよい。
【００４５】
また、図１に示した光源装置１０は、この参考の形態の一例を模式的に示したものであり、ＬＥＤ素子１４の数や配置は目的に合わせて任意に設定することができる（以下の実施形態において同様である。）。
【００４６】
たとえば、図４に縦８列、横１０列のＬＥＤ素子１４を形成する場合の金属板１８の形状の一例を示す。図４に示す金属板１８は、ＬＥＤ素子１４に対応する位置に形成された凹面鏡２２と、すべての凹面鏡２２を一括して包囲するように形成された溝２６と、透光性基板１２を３方で支持する透光性基板固定面２８とを備える。この金属板１８では、透光性基板固定面２８を、凹面鏡２２が形成されている面よりも高い位置に設けることによって、透光性基板１２上に形成された電気回路２４ａおよび２４ｂが金属板１８と接触して短絡することを防止することができる。また、図２（ｂ）に示した光源装置１０の製造過程において、透光性基板１２を金属板１８に固定する際に、設計空隙以上に滴下された透明樹脂材料１６ａ、および透明樹脂材料１６ａに存在する気泡を溝２６によって容易に排出することができ、透明樹脂１６に気泡が混入することを防止することができる。
【００４７】
なお、ＬＥＤ素子１４の配置は、６方位に隣接するような最密充填配置としてもよい。その場合の凹面鏡２２の配置は図５のようになり、各凹面鏡２２の曲面底部の法線上にＬＥＤ素子１４が配置される。
【００４８】
図６を参照して、この発明のその他の参考形態について説明する。
【００４９】
この参考の形態の光源装置３０は、図１に示した光源装置１０と同様の技術的効果を得ることができ、かつ、製造が容易なものである。
【００５０】
図６（ａ）の模式断面図を参照して、この参考の形態の光源装置３０は、透光性基板１２と、透光性基板１２に透明樹脂（図示せず）で接着された複数のＬＥＤ素子１４と、透明樹脂１６と、金属薄膜３２と、成形樹脂３４と、成形樹脂３４の一主面に形成された放熱板３６とを備える。透光性基板１２には、ＬＥＤ素子１４を駆動するための電気回路２４ａおよび２４ｂ（図１（ｂ）参照）が形成されており、ＬＥＤ素子１４と電気回路はワイヤ２０によって電気的に接続されている。
【００５１】
成形樹脂３４は、ＬＥＤ素子１４のそれぞれに対応する位置に凹部３８を備える。
【００５２】
金属薄膜３２は、アルミニウムや銀等の光反射率の高い金属からなり、凹部３８上の金属薄膜３２は凹面鏡４０として機能する。そして、凹面鏡４０の形状は光源装置１０の凹面鏡２２と同様である。また、透明樹脂１６は、透光性基板１２と凹面鏡４０とによって形成される空間を充填するように形成され、ＬＥＤ素子１４を覆っている。
【００５３】
放熱板３６は、熱伝導性の良い金属やセラミクスであればよく、特にアルミニウムや銅等の金属が好ましい。
【００５４】
図６（ｂ）および（ｃ）を参照して、光源装置３０の製造方法の一例を説明する。
【００５５】
まず、図６（ｂ）に示すように、一方主面に凹部３８を備え、他方主面に放熱板３６が形成された成形樹脂３４上に、金属薄膜３２を形成する。ここで、凹部３８は、成形樹脂３４が硬化する際に凸部を有する型を押圧すること等によって容易に形成することができる。また、金属薄膜３２は、蒸着法やメッキ法によって、容易に形成することができる。
【００５６】
次に、図６（ｃ）に示すように、凹面鏡４０を満たすように透明樹脂材料１６ａを金属薄膜３２上に滴下し、その上方からＬＥＤ素子１４を接着した透光性基板１２を、透明樹脂材料１６ａが硬化するまで固定することによって、光源装置３０を形成することができる。ここで、ＬＥＤ１４を接着した透光性基板１２は、図２で説明したものと同様のものであるので、重複する説明は省略する。
【００５７】
光源装置３０では、図１に示した光源装置１０と同様の技術的効果を得ることができ、かつ、容易に製造をすることができる。
【００５８】
すなわち、光源装置１０では、金属板１８のうち、凹面鏡２２の部分は金属を加工して形成しなければならないのに対し、光源装置３０では、凹面鏡４０は凹部３８を形成した成形樹脂３４上に金属薄膜３２を蒸着あるいはメッキ等することによって容易に形成できる。従って、生産性を向上させ、製造コストを低下させることができる。
【００５９】
なお、光源装置３０では、ＬＥＤ素子１４で発生した熱は、透明樹脂１６および成形樹脂３４を介して放熱板３６に伝導され、放熱される。従って、成形樹脂３４の熱伝導性はより高いことが好ましく、成形樹脂３４に、熱伝導性向上のための金属フィラーやセラミクスフィラーを混入することがより好ましい。
【００６０】
図７を参照して、この発明のその他の参考形態について説明する。
【００６１】
この参考の形態の光源装置５０は、図１に示した光源装置１０と同様の技術的効果を得ることができ、かつ、製造が容易なものである。
【００６２】
図７（ａ）の模式断面図を参照して、光源装置５０は、透光性基板１２と、透光性基板１２に透明樹脂（図示せず）で接着された複数のＬＥＤ素子１４と、透明樹脂１６と、金属薄膜５２と、成形樹脂５４と、放熱板５６とを備える。
【００６３】
透光性基板１２には、ＬＥＤ素子１４を駆動するための電気回路２４ａおよび２４ｂ（図１（ｂ）参照）が形成されており、ＬＥＤ素子１４と電気回路２４ａおよび２４ｂとはワイヤ２０によって電気的に接続されている。
【００６４】
金属薄膜５２は、アルミニウムや銀等の光反射率の高い金属からなり、透明樹脂１６に面している部分は凹面鏡５８として機能する。そして、凹面鏡５８の形状は光源装置１０の凹面鏡２２と同様である。また、透明樹脂１６は、透光性基板１２と凹面鏡５８とによって形成される空間を充填するように形成され、ＬＥＤ素子１４を覆っている。
【００６５】
放熱板５６は、凹部５９を有し、熱伝導性の良い、銅やアルミニウム等の金属やセラミクス等が用いられる。
【００６６】
図７（ｂ）および（ｃ）を参照して、光源装置５０の製造方法の一例を説明する。
【００６７】
まず、図７（ｂ）に示すように、透光性基板１２に接着されたＬＥＤ素子１４を包むように平凸レンズ状の透明樹脂１６を形成し、さらに透光性基板１２上および透明樹脂１６上に金属薄膜５２を形成する。ここで、ＬＥＤ素子１４を包むように平凸レンズ状の透明樹脂１６を形成する方法としては、たとえば図２（ｃ）に示した光源装置１０の製造過程において、透明樹脂１６が硬化した後に、金属板１８を透光性基板１２および透明樹脂１６から剥離すればよい。また、金属薄膜５２は、蒸着法やメッキ法によって容易に形成することができる。
【００６８】
その後、図７（ｃ）に示すように、放熱板５６の凹部５９を満たすように成形樹脂材料５４ａを滴下し、放熱板５６の上方から図７（ｂ）に示した透光性基板１２を成形樹脂材料５４ａが硬化するまで固定する。
【００６９】
このようにして、光源装置５０が得られる。
【００７０】
図６に示した光源装置３０と同様に、図７に示した光源装置５０では、図１に示した光源装置１０と同様の技術的効果を得ることができ、かつ、容易に製造をすることができる。すなわち、光源装置５０では、凹面鏡５８を容易に形成することが可能である。
【００７１】
なお、光源装置５０においても、光源装置３０と同様に、成形樹脂５４に熱伝導性向上のための金属フィラーやセラミクスフィラーを混入することがより好ましい。
【００７２】
図８を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００７３】
この実施形態の光源装置６０は、特に高い輝度が得られるものである。
【００７４】
図８（ａ）の模式断面図を参照して、光源装置６０は、図１に示した光源装置１０の透光性基板１２上に、さらに、複数のＬＥＤ素子６２と、ＬＥＤ素子６２近傍を除く部分に形成されたマスキングパターン６４と、ＬＥＤ素子６２を覆うように略半球状に形成された透明樹脂６６とを備えるものである。ここで、透光性基板１２のＬＥＤ素子６２が形成された一方主面には、電気回路（図示せず）が他方主面と同様に形成され（図１（ｂ）参照）、ＬＥＤ素子６２と電気回路とはワイヤ６８によって電気的に接続されている。また、ＬＥＤ素子６２は、透光性基板１２を挟んでＬＥＤ素子１４と対向する位置に配置されている。
【００７５】
光源装置６０を形成する方法としては、たとえば、まず、図１の光源装置１０を形成した後、透光性基板１２上に電気回路パターンを形成し（図示せず）、その後、透明樹脂６６を形成する部分を除いて、透光性基板１２上にマスキングパターン６４を形成する。ここで、マスキングパターン６４には、透明樹脂６６と親和性のない素材を用い、たとえば透明樹脂６６にエポキシ樹脂を用いた場合は、エポキシ樹脂と親和性のないシリコーン系の材料等を用いる。
【００７６】
次に、ＬＥＤ素子６２を透光性基板１２を挟んでＬＥＤ素子１４と対向する位置に透明樹脂（図示せず）で接着し、ＬＥＤ素子６２と透光性基板１２上の電気回路とをワイヤ６８によって電気的に接続する。
【００７７】
その後、各ＬＥＤ素子６２上に透明樹脂６６の材料を個別に滴下して硬化させることによって、ＬＥＤ素子６２を覆うように透明樹脂６６を形成する。ここで、マスキングパターン６４には透明樹脂材料と親和性がない材料が用いられるため、マスキングパターン６４が透明樹脂材料の流れ出しを防止し、図８（ａ）に示すような略半球状の透明樹脂６６が形成される。
【００７８】
このようにして、光源装置６０が形成される。
【００７９】
光源装置６０においては、図８（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子１４の表面側から出射された光は凹面鏡２２によって略平行光化され、ＬＥＤ素子１４の裏面側から出射された光は透明樹脂６６によって略平行光化される。また、ＬＥＤ素子６８の表面側から出射された光は透明樹脂６６によって略平行光化され、ＬＥＤ素子６８の裏面側から出射された光は凹面鏡２２によって略平行光化される。
【００８０】
この実施の形態の光源装置６０によれば、透光性基板１２の両面にそれぞれＬＥＤ素子１４および６２が形成されるため、単位面積あたりのＬＥＤ素子の実装密度を略２倍とすることが可能であり、高輝度の光源装置を得ることができる。さらに、ＬＥＤ素子１４および６２によって発生した熱は、透光性基板１２および透明樹脂１６を介して速やかに金属板１８に伝導され、放熱されるため、ＬＥＤ素子１４および６２の温度が高温となるのを避けることができ、高輝度で信頼性の高い光源装置を得ることができる。
【００８１】
なお、上記実施形態では、ＬＥＤ素子６２を、透光性基板１２を挟んでＬＥＤ素子１４と対向する位置に形成する場合を示したが、ＬＥＤ素子６２は透光性基板１２上の任意の位置に形成することができる。
【００８２】
また、上記図８（ａ）の実施形態において、ＬＥＤ素子６２を接着せずに、マスキングパターン６４および透明樹脂６６のみを形成した場合は、ＬＥＤ素子１４の表面側から出射された光は凹面鏡２２によって略平行光化され、ＬＥＤ素子１４の裏面側から出射された光は透明樹脂６６によって略平行光化される。従って、光源装置１０と同様の輝度で、かつ、光源装置１０よりも出射光を平行光化することが可能となる。
【００８３】
図９を参照して、この発明の他の参考形態について説明する。
【００８４】
この参考形態の光源装置７０は、出射光のより高い平行光化を可能とするものである。
【００８５】
図９の模式断面図を参照して、光源装置７０は、図１に示した光源装置１０と、光源装置１０の光出射側に配置したフレネルレンズアレイ７２とを備え、フレネルレンズアレイ７２には、ＬＥＤ素子１４の鉛直線上にその中心位置を有するフレネルレンズ７４が、各ＬＥＤ素子１４に対応して形成されている。
【００８６】
図１に示した光源装置１０では、高輝度で信頼性の高い光源装置が得られるが、ＬＥＤ素子１４が、面発光素子であることから、凹面鏡２２のみによってＬＥＤ素子１４から出射される光をすべて平行化することは困難である。また、ＬＥＤ素子１４の裏面から出射される光は、平行化されずに出射される。一方、図９に示した光源装置７０では、凹面鏡２２とフレネルレンズ７４とを組み合わせることによって、出射光をより平行光化することができる。
【００８７】
従って、光源装置７０によれば、光源装置１０と同様に高輝度で信頼性が高く、さらに、出射光をより平行光化できる光源装置が得られる。
【００８８】
図１０を参照して、この発明のその他の参考形態について説明する。
【００８９】
この参考形態の光源装置８０は、出射光のより高い平行光化を可能とするものである。
【００９０】
図１０（ａ）の模式断面図を参照して、光源装置８０は、図１に示した光源装置１０と光源装置１０の光出射側に配置されたボールレンズアレイ８２とを備え、ボールレンズアレイ８２はボールレンズ８４を支持枠８６によって固定したものである。ここで、光源装置８０においては、金属板１８の凹面鏡２２は、略半球状に形成されている。また、ボールレンズ８４は、その焦点がＬＥＤ素子１４の近傍に位置するように、支持枠８６でＬＥＤ素子１４の鉛直線上に固定されている。
【００９１】
この光源装置８０の機能を、図１０（ｂ）に模式的に示す。
【００９２】
図１０（ｂ）に示すように、光源装置８０では、ＬＥＤ素子１４の表面側から出射された光は、凹面鏡２２によって反射され、ＬＥＤ素子１４近傍を通過してボールレンズ８４に入射するため、略平行光化される。また、ＬＥＤ素子１４の裏面側から出射された光もボールレンズ８４によって略平行光化されて出射される。
【００９３】
従って、光源装置８０によれば、高輝度で信頼性が高く、さらに、出射光の平行度が高い光源装置が得られる。
【００９４】
なお、上記参考の形態では、ボールレンズを用いる場合を示したが、ボールレンズの代わりにその他のレンズ、たとえば平凸レンズ等を用いてもよい。
【００９５】
図１１を参照して、この発明のさらにその他の参考形態について説明する。
【００９６】
この形態の光源装置９０は、特に投影型の液晶表示装置用光源として有用なものである。
【００９７】
図１１（ａ）の模式断面図を参照して、光源装置９０は、図１に示した光源装置１０と光源装置１０の光出射側に配置されたマイクロレンズアレイ９２とを備え、マイクロレンズアレイ９２は、透光性基板９４と透光性基板９４の一主面に形成された複数のマイクロレンズ９６とを備える。
【００９８】
図１１（ｂ）を参照して、この光源装置９０の機能を説明する。
【００９９】
液晶表示パネルは平面型の画像表示装置として有用であるが、図１１（ｂ）に示すように、液晶表示パネル９８は、画素１００の部分とブラックマトリクス１０２の部分とからなり、ブラックマトリクス１０２の部分は画像表示に寄与しない。従って、ブラックマトリクス１０２に入射した光は無駄な光となってしまうという問題があった。
【０１００】
一方、この光源装置９０では、光源装置１０から出射された略平行光は、マイクロレンズ９６によって焦点Ａに収束する。従って、光源装置９０を液晶表示装置の光源として用いる場合、図１１（ｂ）に示すように、液晶表示パネル９８を焦点Ａの位置に配置することによって、光源装置１０から出射された略平行光が、マイクロレンズ９６によって画素１００の部分に収束するため、ブラックマトリクス１０２による出射光の損失を防止することができる。
【０１０１】
従って、光源装置９０によれば、投影型の液晶表示装置用光源として有用な光源装置を得ることができる。
【０１０２】
なお、上記参考形態によれば、マイクロレンズ９６を透光性基板９４上に形成した場合を示したが、マイクロレンズ９６を光源装置１０の透光性基板１２上に形成してもよく、また、液晶表示パネル９８の光源装置９０側の主面上に形成してもよい。
【０１０３】
以上、この発明の参考形態および実施形態について例を挙げて説明したが、上記参考形態および実施形態はこの発明を用いた場合の一例にすぎず、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【０１０４】
たとえば、光源装置６０、７０、８０、および９０の実施形態および参考形態の説明では、それぞれが光源装置１０を備える場合について説明したが、光源装置１０の代わりに光源装置３０または５０を用いてもよいことはいうまでもない。
【０１０５】
また、上記参考形態および実施形態では、透明基板と凹面鏡によって形成される空間が透明樹脂で充填されている場合を示したが、この透明樹脂がない場合であってもよい。この場合、ＬＥＤ素子１４で発生した熱は、透明基板と凹面鏡とによって形成される空間に存在する気体および透明基板を介して金属板または放熱板に伝導される。
【０１０６】
さらに、上記参考形態および実施形態形態では、ＬＥＤ素子として、ｐ側電極およびｎ側電極がともに素子表面側に形成されているＬＥＤ素子を用いる場合を示したが、いずれか一方が素子表面側に形成されており、他方がＬＥＤ素子の裏面側に形成されているＬＥＤ素子を用いてもよい。この場合、裏面側電極は透光性基板上に形成された電気回路に金属ペーストで電気的かつ物理的に接続されるため、ＬＥＤ素子裏面側からは光が出射しない。従って、この場合には、凹面鏡やフレネルレンズ等の平行光化手段は、素子表面側からの光のみが最適に平行光化できるように形成される。
【０１０７】
また、上記参考形態および実施形態では、発光素子としてＬＥＤ素子を用いる場合を示したが、その他の発光素子を用いることも可能である。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、発光素子を高密度で実装すること、発光素子から出射された光を略平行光化すること、および発光素子の温度上昇を防止することができる。従って、略平行光を出射する、高輝度で信頼性の高い光源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一参考形態を示す図解図である。
【図２】 図１に示した光源装置の製造工程を示す図解図である。
【図３】 凹面鏡の機能を示す図解図である。
【図４】 この発明の一参考形態における金属板の形状を示す図解図である。
【図５】 凹面鏡の配置状態の一例を示す図解図である。
【図６】 この発明の他の参考形態を示す図解図である。
【図７】 この発明のその他の参考形態を示す図解図である。
【図８】 この発明の実施形態を示す図解図である。
【図９】 この発明の他の参考形態を示す図解図である。
【図１０】 この発明のその他の参考形態を示す図解図である。
【図１１】 この発明のさらにその他の参考形態を示す図解図である。
【図１２】 従来の平行光光源装置の構造を示す図解図である。
【符号の説明】
１０、３０、５０、６０、７０、８０、９０ 光源装置
１２ 透光性基板
１４、６２ ＬＥＤ素子
１６、６６ 透明樹脂
１８ 金属板
２０、６８ ワイヤ
２２、４０、５８ 凹面鏡
２６ 溝
３２、５２ 金属薄膜
３４、５４ 成形樹脂
３６、５６ 放熱板
３８、５９ 凹部
６４ マスキングパターン
７２ フレネルレンズアレイ
７４ フレネルレンズ
８２ ボールレンズアレイ
８４ ボールレンズ
９２ マイクロレンズアレイ
９６ マイクロレンズ
Claims (6)
- 発光素子を用いた光源装置であって、
透光性基板と、
前記透光性基板の一主面に配置された複数の第１の発光素子と、
前記透光性基板の前記一主面側に配置され、前記第１の発光素子から出射される光を略平行光化する第１平行光化手段と、
前記透光性基板の前記一主面側に配置され、前記第１の発光素子から発生する熱を放熱する放熱手段と、
前記透光性基板の他主面に配置された複数の第２の発光素子とを備え、
前記複数の第２の発光素子がそれぞれ略半球状の透明樹脂でモールドされていることを特徴とする光源装置。 - 前記放熱手段が、前記第１の発光素子のそれぞれに対応する位置に形成される凹面鏡を有する金属板を含み、
前記第１平行光化手段が前記凹面鏡であることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。 - 前記放熱手段が、成形樹脂と成形樹脂の一部に形成された放熱板とを備え、
前記成形樹脂は前記第１の発光素子のそれぞれに対応する位置に凹部を備え、
前記第１平行光化手段が、前記凹部上に形成された凹面鏡であることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。 - 前記透光性基板と前記凹面鏡とによって形成される空間が、
透明樹脂によって充填されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の光源装置。 - 前記透光性基板と前記凹面鏡とによって形成される空間が、
透明樹脂によって充填されており、
前記金属板が、すべての前記凹面鏡を一括して包囲するように形成された溝を備えることを特徴とする、請求項２に記載の光源装置。 - 前記透光性基板と前記凹面鏡とによって形成される空間が、
透明樹脂によって充填されており、
前記成形樹脂が、すべての前記凹面鏡を一括して包囲するように形成された溝を備えることを特徴とする、請求項３に記載の光源装置。
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