JP4470622B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、自発光機器、ＬＣＤバックライト又はフロントライト、及び屋外用表示機器などに使用する発光ダイオード光源の光学装置に関する。

発光ダイオードは、長寿命、高速応答性、低消費電力、小型軽量など優れた特徴を持っている。近年、これらの特徴を生かし、自動車のストップランプや交通信号灯器、ディスプレイなどに応用されるようになってきた。代表的なＬＥＤの構成を図１０に示す。一般的にＬＥＤはチップ１とリードフレーム２及びパッケージ３で構成されている。

代表的な発光ダイオードのパッケージは光路制御機能性光学部品の役割を果たし、チップからの光方向を制御するために凸レンズ形状となっている。このＬＥＤ光源は特許文献１の様に砲弾型ＬＥＤと呼ばれている。

また、ＬＣＤバックライトに使用されているＬＥＤ光源は、青色ＬＥＤチップから発光した光が黄色蛍光体塗料を発光させ白色光として使用している。このＬＥＤ光源はチップ型ＬＥＤと呼ばれている。

特許文献は以下の通り。
特開２００２−９４１２９号公報

図１１に示すように従来の砲弾型ＬＥＤの場合、正面のレンズへ入射した範囲内の光しか制御できないため、他は損失光５となってしまい、光の利用効率が低下することになる。また、砲弾型ＬＥＤは指向性が強い光がでるため、光学機器内での光学設計が容易であるが、正面部が球面状で、側面が円筒状であるために装置取り付けや固定がしづらく、立方型の装置部品が多い機器内では球面や円筒状であると広いスペースを必要とし、小型設計には不向きである。

また、チップ型ＬＥＤの場合、発光する光は指向性が低い散乱した光であり、光学機器内で使用する際、光の方向制御・分配といった光学設計が難しくなり、結果、迷光が多いため光の利用効率が悪くなってしまう。

例えば、ＬＣＤ用導光板へ導入する光源としては、チップ型ＬＥＤを一般に使用しているが発光する光が散乱しているため、完全に導波できずに損失光が多い。また、射出する光が整っている砲弾型ＬＥＤ光源であれば、ほとんどの光を導光板内で導波でき、効率よくＬＣＤ用バックライトとして使用できＬＣＤ表示装置の省電力にもなる。しかし、砲弾型ＬＥＤ光源はパッケージが問題であり、ほとんど小型機器には採用されていない。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、発光ダイオードと光路制御機能性光学部品からなり、発光ダイオードからの光路が光路制御機能性光学部品で指向性を持つ配置となっている光学装置において、光路制御機能性光学部品が平面状光路制御機能性光学部品であることを特徴とする光学装置とし、特定方向に光を射出できるようにした発光光源とすることである。

従って、凸レンズの作用を平面状光路制御機能性光学部品によって行なうことで薄型化でき、また、パッケージは曲面状や円筒状だけでなく、立方形も容易に設計できる。

請求項２記載の発明は、発光ダイオードと光路制御機能性光学部品からなり、発光ダイオードからの光路が光路制御機能性光学部品で指向性を持つ配置となっている光学装置において、光路制御機能性光学部品が凸レンズと円筒部分からなり、円筒部分が平面状光路制御機能性光学部品からなることを特徴とする光学装置とすることである。

従って、従来損失となっていた円筒部分への光も有効に利用することが可能になり、効率を向上することが可能である。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の光学装置において、平面状光路制御機能性光学部品がフレネルゾーンプレートからなる事を特徴とする光学装置とすることである。

従って、形状を変化させることで光の射出方向の制御が可能となる。

請求項４記載の発明は、前記透過型ブレーズド回折格子からなる微小なセルは、透過位相型フレネルゾーンプレートの部分領域からなることを特徴とする請求項１に記載の発光光源とすることである。

従って、透過位相型フレネルゾーンプレートの部分領域を微小セルとして使用し配置することでＬＥＤチップから発っし広がる光を平行光（広がらずに進む光）とすることが可能である。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の光学装置において、平面状光路制御機能性光学部品が等間隔の曲線状格子からなる透過位相型フレネルゾーンプレートである事を特徴とする光学装置とすることである。

従って、微小部分までほぼ等間隔の格子と近似することができるため、、フレネルゾーンプレート通りに光学設計よりも簡略化でき、作製においても時間を短縮することができる。

請求項６記載の発明は、請求項４記載の光学装置において、平面状光路制御機能性光学部品が微小な単位光学素子の集合体からなり、平面状光路制御機能性光学部品が連続的に格子間隔が変化する曲線状格子を近似的に単位光学素子の範囲内で平均化した等間隔の直線状格子からなる透過位相型フレネルゾーンプレートである事を特徴とする光学装置とすることである。

従って、フレネルゾーンプレートの部分領域では連続的に格子間隔が変化している曲線状格子が、微小なセル内を考えるとほぼ等間隔の直線状の格子と近似することができるため、、フレネルゾーンプレート通りに光学設計よりも簡略化でき、格子作製においても時間を短縮することができる。

請求項７記載の発明は、請求項１または２記載の光学装置において、平面状光路制御機能性光学部品が回折格子からなる事を特徴とする光学装置とすることである。

従って、格子間隔を変化させることにより微細な設計が可能になり、フレネルゾーンプレート通りに光学設計よりも簡略化でき、格子作製においても時間を短縮することができ
る。

請求項８記載の発明は、請求項１または２記載の光学装置において、平面状光路制御機能性光学部品がブレーズド型回折格子からなる事を特徴とする光学装置とすることである。

従って、より光学特性を高く設計することが可能で、しかも想定していない方向への副次的回折の発生を最小限とすることが可能にすることができる。

請求項９記載の発明は、請求項１乃至５の何れかおよび７および８記載の光学装置において、平面状光路制御機能性光学部品が微小な単位光学素子の集合体からなる事を特徴とする光学装置とすることである。

従って、微小な単位光学素子を考えると、例えばほぼ等間隔の格子と近似することができるなど、フレネルゾーンプレート通りに光学設計よりも簡略化でき、作製においても時間を短縮することができる。

請求項１０記載の発明は、前記透過型ブレーズド回折格子からなる微小なセルにおいて、複数の透過位相型フレネルゾーンプレートの部分領域からなる複数の微小なセルをアレイ状又はマトリックス状に発光素子の前方に複数配置し、発光ダイオードのチップからの光を２つ以上の特定方向に分配できるようにした発光光源とすることである。

従って、複数の透過位相型フレネルゾーンプレートの部分領域からなる複数の微小セルをアレイ状又はマトリックス状に配置することで凸レンズでは困難である光の分配機能も付加することが可能である。

請求項１１記載の発明は、発光ダイオードの発光素子側面には光反射性の部材が設置されている請求項１に記載の発光光源とすることである。

従って、発光ダイオードの発光素子側面に光反射性の部材が設置することで損失光であった光を有効利用することが可能である。

請求項１２に記載の光反射性の部材は、反射型のブレーズド型回折格子パターンが形成された部材であることを特徴とする請求項６に記載の発光光源とすることである。

従って、発光ダイオードの発光素子側面に反射型のブレーズド型回折格子パターンが形成された部材が設置することで損失光であった光を正面方向へ平行光として射出することが可能となり、光の利用効率が向上する。

本発明を実施することにより、従来、砲弾型ＬＥＤ光源に比べ、小型で薄く、小型装置への取り付けや固定が容易で、損失光を少なくし、光の利用効率を高めたＬＥＤ光源を提供できる。また、チップ型ＬＥＤ光源よりも光の指向性が強く整った光を得ることが可能となり、ＬＣＤ用導光板へ導入する光源として最適である。

以下、本発明が開示する、ブレーズド回折格子を用いたＬＥＤ光源について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の断面図及び発光素子である発光ダイオード、即ちＬＥＤチップ前
方の光制御部となる平面状光路制御機能性光学部品の拡大断面図及び発光ダイオード、即ちＬＥＤ光源の正面からの平面図である。

図１に示すようにＬＥＤチップの発光素子は透明樹脂材料からなるモールド樹脂中に封止されている。モールド樹脂の前面部にはブレーズ化された位相型フレネルゾーンプレート部分領域を微小な単位光学素子を構成する微小セルとして複数配置して一つの回折格子レンズとしている。このときの作成条件として、中心からｍ番目の曲線半径を導く式として数１を、各格子の深さを決定する式として数２がある。ここで、ｍ、ｒ（ｍ）、ｆ、λ、ｈ、ｎは、それぞれ輪帯の番号、ｍ番目輪帯の半径、焦点距離、ＬＥＤの発光波長、格子の溝深さ、モールド樹脂の屈折率である。（図２参照）
これら、ブレーズド格子の作製には電子線（ＥＢ）描画装置を使用して作製することができ、ＥＢレジスト上に描画されたパターンは、電鋳法にてニッケル金型とすることが可能である。この金型を使用し、エポキシ樹脂等の耐熱性のある樹脂にて、ＬＥＤチップ及びリードフレーム等を封止することで作製できる。

また、２種のフレネルゾーンプレートの分部領域の微小セルをアレイ状に配置すれば、図３に示すように１つのＬＥＤチップから発光した光を異なる２方向（１０，１１）に分配する様に指向性を与えることができる。

この様に、指向性とはある場所を焦点とする場合、平行光を得る場合、その他特定領域を照明しようとする場合、特定範囲の立体角を指向する場合など、各種の場合が考えられる。

以上により、薄型でかつパッケージの形が自由であり、光の射出範囲を任意に設定することが可能な光の利用効率の高いＬＥＤ発光光源をえることができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態と同様にフレネルゾーンプレートの部分領域の５０μｍのセルを考えたとき、例えば、輪帯の番号３００含むセルを考えるとセル内に描画される格子数は約２５個であり、輪帯の番号を３００から３２５までを考慮すればよい。また、焦点距離、ＬＥＤの発光波長は、それぞれ５ｍｍ、０．５５μとすると、式１から格子の山と山との間隔は輪帯の番号３００のとき２．１４μｍであり、輪帯の番号３２５のとき２．０６μｍである。ここで同一セル内の最大格子間隔と最小格子間隔の差は非常に小さいので平均化して２．１μｍ間隔の格子で置き換えてもほとんど影響はでない。図４に本実施形態の説明図を示す。

また、５０μｍのセル内では曲線の格子線をほぼ直線とみなすことが可能である。その際には、セル中央部の曲線の接線と同じ角度を持つ直線のブレーズド格子とすればよい。図５に説明図を示す。

以上により、フレネルゾーンプレート通りに光学設計するよりも簡略化できるため、描画データ量も少なくてすみ、ブレーズド格子パターン作製において時間を短縮することができる。
（第３の実施形態）
図１１において損失光としてでてしまう光を図６に示したようにパッケージ側面にアルミ蒸着したフィルムを接着剤又は粘着剤によって取りつけることでより光の利用効率を向上できる。（およそ２割の明るさ向上が確認できた。）
また、エンボス法などで製造された空間周波数２０００本／ｍｍ〜３０００本／ｍｍの反射型ブレーズド回折格子パターンを有する回折格子箔をパッケージ側面に貼り合せることで前方方向へ損失光を射出することができ、より光の利用効率を高めることができる。

この他、単に発光ダイオードからの光路が光路制御機能性光学部品で指向性を持つ配置となっている光学装置において、光路制御機能性光学部品が平面状光路制御機能性光学部品であることとする構成、発光ダイオードからの光路が光路制御機能性光学部品で指向性を持つ配置となっている光学装置において、光路制御機能性光学部品が凸レンズと円筒部分からなり、円筒部分が平面状光路制御機能性光学部品からなることする構成、単に平面状光路制御機能性光学部品がフレネルゾーンプレートからなる構成、単に平面状光路制御機能性光学部品が透過位相型フレネルゾーンプレートからなる構成、単に平面状光路制御機能性光学部品が等間隔の曲線状格子からなる透過位相型フレネルゾーンプレートである構成においてもそれなりに効果を有する。

加えて、単に平面状光路制御機能性光学部品が回折格子からなる構成、単に平面状光路制御機能性光学部品がブレーズド型回折格子からなる構成、これらにおいて、平面状光路制御機能性光学部品が微小な単位光学素子の集合体からなる構成でもそれなりに効果を有する。

加えて、発光ダイオードの発光素子側面には光反射性の部材が設置されているだけでもそれなりの効果を有する。

数式は以下の通り。

本発明は、自発光機器、ＬＣＤバックライト又はフロントライト、及び屋外用表示機器などに使用する各種の発光ダイオード光源の光学装置に利用できる。

第１の実施形態を説明する図 フレネルゾーンプレートの輪帯半径及び格子溝の深さの決定を説明する図 平面状光路制御機能性光学部品が２つ以上の複数の指向性を持つ配置である様に微小な単位光学素子の集合体からなる場合の光学装置の効果を説明する側面図である。 等間隔の曲線状格子からなる透過位相型フレネルゾーンプレートである場合の平面状光路制御機能性光学部品を説明する図 平面状光路制御機能性光学部品が微小な単位光学素子の集合体からなり、平面状光路制御機能性光学部品が連続的に格子間隔が変化する曲線状格子を近似的に単位光学素子の範囲内で平均化した等間隔の直線状格子からなる透過位相型フレネルゾーンプレートである例を説明する図 発光ダイオードの発光素子側面には光反射性の部材が設置されている場合を説明する図 反射型のブレーズド型回折格子パターンが形成された部材である場合の光学装置を説明する図 発光ダイオードと光路制御機能性光学部品からなり、発光ダイオードからの光路が光路制御機能性光学部品で指向性を持つ配置となっている光学装置において、光路制御機能性光学部品が凸レンズと円筒部分からなり、円筒部分が平面状光路制御機能性光学部品からなることを特徴とする光学装置を説明する図 図８の従来の砲弾型ＬＥＤ光源の光利用効率を説明する図。 従来の砲弾型ＬＥＤ光源の断面図。 図１０の従来の砲弾型ＬＥＤ光源の光利用効率を説明する図。

符号の説明

１…ＬＥＤチップ
２…リードフレーム
３…光路制御機能性光学部品
４…凸レンズ
５…損失光
６…本発明によるＬＥＤ光源
７…ＬＥＤ光源前面の光制御部断面
８…ＬＥＤ光源前面の光制御部正面
９…本発明によるＬＥＤ光源
１０…分割された光の１方向
１１…分割された光の１方向
１２…本発明によるＬＥＤ光源
１３…フレネルゾーンプレートの部分領域
１４…格子間隔を平均化したブレーズド格子の微小セル
１５…曲線ブレーズド格子
１６…直線ブレーズド格子
１７…光反射性膜
１８、２０…砲弾型ＬＥＤ光源では損失光成分の光
１９…ブレーズド回折格子箔
２１…凸レンズ
２２…円筒部分
２３…円筒部分に入射した光

Claims (1)

1. 発光ダイオードと光路制御機能性光学部品からなり、前記発光ダイオードからの光路が光路制御機能性光学部品で指向性を持つ配置となっている光学装置において、
   前記発光ダイオードの光射出面上に平面状光路制御機能性光学部品が形成され、かつ前記発光ダイオードの発光素子側面には反射型のブレーズド型回折格子パターンが形成された部材であることを特徴とする光学装置。