JP5572038B2 - 半導体発光装置及びそれを用いた車両用灯具 - Google Patents
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Description
また、遠方視認性の高い配光を形成するためには、カットオフラインから下側に行くに従って照度(輝度)が低下していく輝度グラデーションが形成されることが好ましい。しかし、半導体発光装置の輝度分布がほぼ一定のものを用いる場合、輝度グラデーションの形成が難しいという問題があった。
半導体発光素子と、その発光面に積層され、波長変換層を含む1ないし複数の光取り出し層とを備え、光取り出し層は、発光面に平行な一つの方向について、その一端から他端に向かって変化する光学特性を有し、半導体発光装置の輝度分布が一端側で最大であって他端側で最小となる分布を有している。
本発明の半導体発光装置において、光取り出し層の光学特性は、一端から他端に向かってなだらかに変化するものであってもよいし、階段状に変化するものであってもよい。後者の場合、光取り出し層は、例えば、光学特性の異なる複数の光取り出し部からなり、複数の光取り出し部を、発光面の一端側から他端側に向かって、輝度の大きさの順となるように配置する。
また以下の説明で参照する各図面では、各層の膜厚や大きさ、層に含まれる粒子の形状や大きさなどを、わかりやすくために誇張して示しており、本発明はこれらに限定されるものではない。
本実施形態の半導体発光装置10は、図1(a)、(b)に示すように、実装基板11の上に、1ないし複数の発光素子12、波長変換層13がこの順に形成された構造を有する。実装基板11は、例えば、配線パターンが形成されたセラミック基板やシリコン基板からなる。図示する例では、4つの発光素子12が一列に配置された発光装置を示すが、発光素子12の数や配置については、用途に応じて任意に変更することが可能である。
さらに上記実施形態では、蛍光体として黄橙色発光の蛍光体を用いる場合を説明したが、蛍光体として緑色発光の蛍光体と赤色発光の蛍光体とを組み合わせたものや、これらの組み合わせに黄橙色発光の蛍光体を組み合わせたものなど、用途に合わせて適宜選択することができる。
本実施形態の半導体発光装置も、実装基板11の上に、1ないし複数の発光素子12、波長変換層がこの順に形成された構造を有することは、図1に示す第1の実施形態と同様である。本実施形態は、波長変換層に含まれる蛍光体粒子の粒径分布に傾斜を設けた点が特徴である。以下、図5を参照して、第1の実施形態と異なる特徴を中心として説明する。
本実施形態の半導体発光装置も、実装基板の上に、1ないし複数の発光素子、波長変換層がこの順に形成された構造を有することは、第1及び第2の実施形態と同様である。本実施形態は、波長変換層33に含まれる蛍光体の種類を段階的に変化させた点が特徴である。以下、第1及び第2の実施形態と異なる特徴を中心として説明する。
本実施形態によれば、波長変換層の一端から他端に向かって、波長変換材料である蛍光体の組み合わせを変化させることにより、蛍光体による発光効率の差を利用して、一端から他端に向かって輝度が傾斜する輝度分布を作り出すことができ、上述した第1、第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。
上述した第1〜第3の実施形態の半導体発光装置は、樹脂中に蛍光体粒子を分散させた波長変換層において、蛍光体粒子の密度、粒子径、種類等の分布に傾斜を設けることにより、発光装置の輝度分布を傾斜させたものであるが、本実施形態は、波長変換層に導光機能を持つガラス或いはセラミックスを用いるとともに、その表面(発光面)に輝度分布に傾斜を形成する機能を持たせたことが特徴である。
本実施形態によれば、波長変換層の材料として導光機能を有する材料を使用するとともに、その表面である発光面の表面粗さを一端から他端に向かって変化させることにより、一端から他端に向かって輝度が傾斜する輝度分布を作り出すことができ、上述した第1〜第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。
本実施形態は、輝度分布に傾斜を形成する機能を発光装置の発光面に持たせる点は第4の実施形態と同じであるが、第4の実施形態では、波長変換層自体の表面に、表面粗さの傾斜をつけて上記機能を持たせているのに対し、本実施形態では、図13に示すように、波長変換層53の上に、透明な板材(光取り出し層)55を配置し、その表面である発光面に表面粗さの傾斜をつける。図13(a)は、1枚の板材55の表面に表面粗さの傾斜をつけた例、図13(b)は板材55を3つの部材551、552、553で構成し、各部材が、表面粗さの粗い順に配置された例を示している。図中、57、57’は輝度分布を示す。
本実施形態によれば、波長変換層の上に配置される透明な板材(光取り出し層)の材料として導光機能を有する材料を使用するとともに、その表面である発光面の表面粗さを一端から他端に向かって変化させることにより、一端から他端に向かって輝度が傾斜する輝度分布57、57’を作り出すことができ、上述した第1〜第4の実施形態と同様の効果を得ることができる。
本実施形態は、波長変換層またはその上に設けられる透明な板材の、屈折率に傾斜を設けて、輝度分布に傾斜を形成したものである。一般に材料の屈折率が高いほど、空気との界面で全反射する光の割合が増加し、外側に出射する光の割合が少なくなる。そこで本実施形態の発光装置では、波長変換層または透明な板材を複数の領域に分けて、領域毎に屈折率の異なる材料(ガラス或いは樹脂)を用い、一端から他端に向かって、屈折率が大きくなるように配置する。これにより、一端から他端にかけて光の出射量が変化する、即ち一端で輝度が高く、他端に向かって輝度が減少する輝度分布を有する半導体発光装置が得られる。
図15に、本発明の車両用灯具の第1の実施形態を示す。この車両用灯具150は、半導体発光装置151と、半導体発光装置151が発する光を反射し、水平方向に向ける反射面152と、カバーガラス153とを備えている。半導体発光装置151は、発光面(照射方向)が下側に向くように配置され、反射面152は半導体発光装置151の下方に配置されている。反射面152は、光源の光源像を車両前方に投影して、車両前端部に正対した仮想鉛直スクリーン上にヘッドランプ用配光パターンPを形成する投影光学系として機能する。即ち、反射面152は、焦点が半導体発光装置151近傍に設定された回転放物面系の反射面(複数の小反射領域に区画されたいわゆるマルチリフレクタ)であり、これにより反射面152から投影方向に向かう光を、図示する上限の位置よりも下側に向かわせ、カットオフライン以下を照射するように構成されている。また水平方向については、図16に示すように、水平カットオフラインCL1と、水平方向に対し15°程度の角度をもつ斜めカットオフラインCL2を形成するように構成されている。
図15では、半導体発光装置151の発光面が下側を向く配置の車両用灯具を示したが、半導体発光装置の発光面が上側を向く配置の車両用灯具についても、同様に本発明の半導体発光装置を適用することができる。
図18に示す車両用灯具180は、半導体発光装置181と、反射面182、シェード(遮蔽板)184および投影レンズ185等の投影光学系とを備えている。半導体発光装置181は、発光面が略上向きであって、発光素子の最大輝度となる一端部が投影方向において投影レンズ185に近い側に配置されている。反射面182は、半導体発光装置181の上方に配置され、発光装置181からの光を反射して投影方向(投影レンズ185)に向ける。
反射面182から反射されて生成する光源像のうち、最大輝度となる部分が、図16で示す水平方向および水平に対し例えば15°の斜め方向に高密度に配置することで、明瞭な水平カットオフラインCL1及び斜めカットオフラインCL2を形成することができる。
図19に示す車両用灯具190は、半導体発光装置191と、シェード194および投影レンズ195等の投影光学系とを備えている。
半導体発光装置191は、その発光面が投影レンズ195を向き、発光面の最大輝度となる端部191aが下側となるように配置されている。シェード194は、反射面192からの反射光の一部を遮光してカットオフパターンを形成するための遮光部材であり、上端縁を投影レンズ195の焦点近傍に位置させた状態で投影レンズ195と半導体発光装置191との間に配置されている。
また本発明の車両用灯具は、車両の前照灯を構成する種々の灯具、例えばハイビーム灯、ロービーム灯、フォグランプにも適用できることは言うまでもないが、カットオフラインの明瞭性の求められる灯具であれば種々の灯具に適用することができる。
Claims (13)
- 半導体発光素子と、その発光面に積層され、波長変換層を含む1ないし複数の光取り出し層を備え、前記光取り出し層は、前記発光面に平行な一つの方向について、その一端から他端に向かって変化する光学特性を有し、輝度が一端側で最大であって他端側で最小である輝度分布を持つ半導体発光装置であって、
前記波長変換層は、樹脂中に波長変換材料を分散させてなり、前記波長変換層を層の厚み方向に沿って等分した単位体積当たりの波長変換材料の含有量が前記一端から前記他端まで同じであり且つ波長変換材料の密度分布が、前記一端から前記他端に向かって変化していることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項1に記載の半導体発光装置であって、
前記波長変換材料の密度分布は、前記波長変換材料の層の厚み方向の分布が、前記他端側では均一であり、前記一端側に近づくにつれて、発光素子層に隣接する領域で高くなることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項2に記載の半導体発光装置であって、
前記光取出し層は、前記波長変換層の上に透明な板材を備えることを特徴とする半導体発光装置。 - 半導体発光素子と、その発光面に積層され、波長変換層を含む1ないし複数の光取り出し層を備え、前記光取り出し層は、前記発光面に平行な一つの方向について、その一端から他端に向かって変化する光学特性を有し、輝度が一端側で最大であって他端側で最小である輝度分布を持つ半導体発光装置であって、
前記波長変換層に含有される波長変換材料の平均粒径が、前記一端から前記他端に向かって変化していることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項4に記載の半導体発光装置であって、
前記光取出し層は、前記波長変換層の上に透明な板材を備えることを特徴とする半導体発光装置。 - 半導体発光素子と、その発光面に積層され、波長変換層を含む1ないし複数の光取り出し層を備え、前記光取り出し層は、前記発光面に平行な一つの方向について、その一端から他端に向かって変化する光学特性を有し、輝度が一端側で最大であって他端側で最小である輝度分布を持つ半導体発光装置であって、
前記波長変換層に含有される波長変換材料の種類又はその組み合わせが、前記一端から前記他端に向かって変化していることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項6に記載の半導体発光装置であって、
前記光取出し層は、前記波長変換層の上に透明な板材を備えることを特徴とする半導体発光装置。 - 半導体発光素子と、その発光面に積層され、波長変換層を含む1ないし複数の光取り出し層を備え、前記光取り出し層は、前記発光面に平行な一つの方向について、その一端から他端に向かって変化する光学特性を有し、輝度が一端側で最大であって他端側で最小である輝度分布を持つ半導体発光装置であって、
前記光取り出し層を形成する層の少なくとも一層は、前記一端側から前記他端側に向かって、屈折率が変化していることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項8に記載の半導体発光装置であって、
前記光取出し層は、前記波長変換層の上に透明な板材を備えることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項3、5、7、9のいずれか1項に記載の半導体発光装置であって、
前記透明な板材は、ガラス、セラミックスまたはプラスチックからなる半導体発光装置。 - 請求項9または10に記載の半導体発光装置であって、
前記透明な板材の表面には表面凹凸が形成されていることを特徴とする半導体発光装置。 - 半導体発光装置を光源とし、前記光源の光源像を車両前方に投影して、車両前端部に正対した仮想鉛直スクリーン上にヘッドランプ用配光パターンを形成するように構成された投影光学系を有する車両用灯具であって、
前記半導体発光装置が、請求項1ないし11のいずれか1項に記載の半導体発光装置であることを特徴とする車両用灯具。 - 請求項12に記載の車両用灯具であって、
前記半導体発光装置が、一列に配列した複数の発光素子と、前記複数の発光素子を覆う波長変換層を含む1ないし複数の光取出し層とを備え、前記複数の発光素子の配列方向が車両の幅方向となるように灯具内に固定されていることを特徴とする車両用灯具。
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