JPH04226095A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光装置に関す
る。さらに具体的にいうと、本発明は、半導体レーザ素
子や発光ダイオード等の発光素子と、当該素子からの出
射光を集束、コリメートもしくは発散させるためのフレ
ネルレンズ等の光学素子とを一体にパッケージしてなる
半導体発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から用いられている発光素子部品Ａ
を図１９に示し、説明する。図中、１は金属材料で形成
された円板状のステム（基台）、２はステム１の表面中
央に形成された長方形状の金属凸部、３は凸部２の側面
にヒートシンク４を介して実装された半導体レーザ素子
などの発光素子、５は発光素子３の出射光の出力をモニ
タして当該発光素子３の出力制御を行うためのモニタ用
受光素子、６は前記各素子３，５を覆うようステム１に
取り付けられた金属キャップ、７ａ〜７ｃは入出力用の
信号端子およびアース端子である。なお、二つの信号端
子７ａ，７ｂは、ステム１に対して絶縁状態に貫通装着
され、それぞれ発光素子３とモニタ用受光素子５にリー
ド線８，８を介して電気的に接続されている。一方、ア
ース端子７ｃはステム１に対して電気的に接続するよう
植設され、前記発光素子３およびモニタ用受光素子５に
ステム１を介して接続されている。

【０００３】このパッケージ型の発光素子部品Ａは、従
来より多量に生産され、安価に市販されているものであ
るが、出射光が拡散するため、光ピックアップや光セン
サなどとして使用する場合には、出射光を集光させたり
コリメートさせたりするためのフレネルレンズ等の光学
素子を組み合わせる必要がある。そのため部品点数が多
く、また光軸調整が煩わしいなどの問題があった。

【０００４】そこで、本件出願人は、図２０に示すよう
な半導体発光装置Ｂを考えている。この半導体発光装置
Ｂは、上述した構成に加えて、発光素子３からの出射光
をコリメートさせるための光学素子、例えばフレネルレ
ンズ９を装備したものである。つまり、中央部にフレネ
ルレンズ９を設けられたレンズ基板１０は、そのレンズ
部分周縁の平坦部分の一ヶ所がステム１の凸部２の先端
に接着剤で接着されている。この場合、凸部２とレンズ
基板１０を接着する紫外線硬化型（ＵＶ）接着剤の厚み
で、フレネルレンズ９と発光素子３の位置を調整してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなパッケージ型の半導体発光装置にあっては、光学
素子の焦点を所定位置に合わせてあっても、周囲温度や
素子温度の変化によって発光素子から出射された光線の
焦点位置が変動し、焦点距離の温度不安定性が大きくな
るという問題があった。

【０００６】焦点距離の温度不安定性の原因としては、
まず、上記半導体発光装置では、レンズ基板を接着させ
てある凸部が金属製であるので、熱膨張係数が大きく、
温度変化によってレーザチップとフレネルレンズの間の
距離が微妙に変化し、発光素子から出射された光線の焦
点位置が変動するという点が挙げられる。

【０００７】つぎに、第二の原因としては、半導体レー
ザ素子の温度による発光波長の変化によるものがある。 図２１は、半導体レーザ素子の発光波長λと温度Ｔとの
関係を示す。この図に示されているように、半導体レー
ザ素子の発光波長λは、半導体レーザ素子自身の温度Ｔ
によって変化し、温度Ｔが上昇すると、発光波長λは長
波長側へシフトし、温度Ｔが低下すると、発光波長λは
短くなる。また、発光ダイオードの場合も、同様な出射
波長−温度特性を示し、温度が上昇すると、出射波長が
長くなる。

【０００８】また、フレネルレンズ９は、図２２（ａ）
（ｂ）に示すように、多数の輪帯状レンズに分割された
回折レンズの一種であり、レンズ材料によって形成され
、一般にレンズ取付基板１０の表面に設けられている。 このフレネルレンズ９は、半導体レーザ素子や発光ダイ
オード等の発光素子の光に対して、通常の屈折形レンズ
と同様なレンズ作用を示す（図２２（ａ）（ｂ）に、光
線の一例を示している。）。しかも、平板状で厚みが薄
く、小形化が可能であるため、実装性及び集積性が良好
な短焦点レンズとして用いることができ、成形等により
製造も容易で、低波面収差であるという特徴がある。し
たがって、このフレネルレンズ９は、マイクロフレネル
レンズとして、半導体レーザ素子や発光ダイオード等の
発光素子と組み合わせて用いられている。

【０００９】フレネルレンズは、光の回折現象を利用し
たレンズであるから、発光素子の入射波長λが変化する
と、フレネルレンズを通過する光の回折角度が変わり、
入射波長λによって焦点位置もしくは焦点距離ｆが大き
く変化する。すなわち、入射波長λに対してフレネルレ
ンズの焦点距離ｆは、次式で表される。 ｆ＝（λ０／λ）・ｆ０　　　　　　…■あるいは、入
射波長λがδλだけ変化する時の焦点距離ｆの変化をδ
ｆとすれば、■式より、 δｆ＝−ｆ・δλ／λ　　　　　　　　……■と記述さ
れる。図２３は、■式で表されたフレネルレンズの焦点
距離ｆと入射波長λとの関係を図示したものであり、入
射波長λが長くなると、焦点距離ｆは短くなり、逆に、
入射波長λが短くなると、焦点距離ｆは長くなる。

【００１０】このため、発光素子とフレネルレンズを組
合せて半導体発光装置を構成した場合、発光素子の波長
λ０の出射光線を用いて焦点距離ｆ０のフレネルレンズ
として使用するように設計されていても、温度Ｔの変化
によって発光素子の出射波長λが変化すると、これに伴
ってフレネルレンズの焦点距離ｆが変化し（以下、発光
素子の波長変化に起因する焦点距離の温度不安定性とい
う。）、例えば、図２４に示すように半導体発光装置の
温度Ｔが上昇すると、フレネルレンズの焦点距離ｆが短
くなり、温度Ｔが低下すると、焦点距離ｆが長くなって
いた。

【００１１】したがって、従来の半導体発光装置にあっ
ては、発光素子と光学素子の距離の温度による変化や発
光素子の出射波長の温度不安定性がそのまま半導体発光
装置に表われ、温度により焦点距離あるいは出射光の出
射角度が変化するという問題があった。例えば、コリメ
ート光源として用いる場合には、温度が変化すると完全
なコリメート光を得られなかったり、集光用に用いる場
合には、温度が変化すると焦点の位置が移動したり、発
散用に用いる場合には、温度によって発散角が変化した
りしていた。

【００１２】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、周囲温度や
素子温度の変化に伴う焦点位置等の変動を小さくし、焦
点ずれがなく温度安定性に優れた半導体発光装置を提供
するにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の半導
体発光装置は、発光素子と、発光素子から出射された光
を集光、コリメートもしくは発散させる光学素子とを一
体にパッケージしてなる半導体発光装置であって、前記
発光素子の支持部材にガラス繊維強化樹脂や炭素繊維強
化樹脂等の繊維強化樹脂によって成形されたキャップを
取着し、キャップに開口された光出射窓に前記光学素子
を取り付けたことを特徴としている。

【００１４】本発明に係る第２の半導体発光装置は、発
光素子と、発光素子から出射された光を集光、コリメー
トもしくは発散させる光学素子とを一体にパッケージし
てなる半導体発光装置において、温度変化による発光素
子からの出射光の波長変化に伴って生ずる当該発光装置
からの出射光の集光角、発散角もしくはコリメート性の
変化を小さくする手段を設けたことを特徴としている。

【００１５】本発明に係る第３の半導体発光装置は、上
記第２の半導体発光装置において、温度変化による発光
素子からの出射光の波長変化に伴って生ずる当該発光装
置からの出射光の集光角、発散角もしくはコリメート性
の変化を小さくするため、前記光学素子もしくは光学素
子を取り付けたレンズ取付基板を熱膨張係数の大きな材
料によって形成したことを特徴としている。

【００１６】本発明に係る第４の半導体発光装置は、上
記第２の半導体発光装置において、温度変化による発光
素子からの出射光の波長変化に伴って生ずる当該発光装
置からの出射光の集光角、発散角もしくはコリメート性
の変化を小さくするため、前記光学素子を取り付けたレ
ンズ取付基板を熱膨張係数の大きな材料によって形成す
ると共にレンズ取付基板の固定位置から光学素子の取付
位置まで適当な距離を持たせたことを特徴している。

【００１７】本発明に係る第５の半導体発光装置は、上
記第２の半導体発光装置において、温度変化による発光
素子からの出射光の波長変化に伴って生ずる当該発光装
置からの出射光の集光角、発散角もしくはコリメート性
の変化を小さくするため、前記光学素子もしくは光学素
子を取り付けたレンズ取付基板を熱膨張係数の大きな材
料によって形成し、さらに、レンズ取付基板の固定位置
から光学素子の取付位置まで適当な距離を持たせたこと
を特徴としている。

【００１８】本発明に係る第６の半導体発光装置は、発
光素子と、発光素子から出射された光を集光、コリメー
トもしくは発散させる光学素子とを一体にパッケージし
てなる半導体発光装置において、平板型光学素子がその
支持部材や発光素子の支持部材よりも大きな熱膨張係数
を有する素材からなり、かつ前記光学素子におけるパタ
ーン形成面と反対面が支持部材に固定され、温度変化に
伴う光学素子の熱伸縮を前記パターン形成面の反対面を
基準として行わせるものであることを特徴としている。

【００１９】本発明に係る第７の半導体発光装置は、発
光素子と、発光素子から出射された光を集光、コリメー
トもしくは発散させる光学素子とを一体にパッケージし
てなる半導体発光装置において、発光素子を光学素子の
焦点位置に配置させるよう、この両素子がパッケージ部
材に取り付けられているとともに、いずれか一方の素子
とパッケージ部材との間に、温度変化に応じて両素子の
相対位置を可変させる伸縮部材が介在されていることを
特徴としている。

【００２０】

【作用】上記第１の半導体発光装置にあっては、金属よ
りも熱膨張係数の小さな炭素繊維強化樹脂やガラス繊維
強化樹脂等の繊維強化樹脂によって成形されたキャップ
に光学素子を取り付けているので、温度変化による発光
素子と光学素子の間の距離の変化を小さくすることがで
き、温度変化に伴う焦点位置の変動を軽減することがで
きる。

【００２１】従来の半導体発光装置に用いられているフ
レネルレンズやレンズ取付基板が、ガラス等の熱膨張係
数の小さなレンズ材料を用いてレンズ自身の温度安定性
を得ていたのに対し、本発明に係る第２〜６の半導体発
光装置では、温度変化に応じて光学素子もしくはレンズ
取付基板が膨張・収縮することを利用して、光源からの
集光角もしくは出射光の拡がり角（発散角）の変化を小
さくする手段を設けることにより、温度変化時の発光素
子からの出射波長の変化に伴うフレネルレンズの焦点距
離の変化を相殺させ、温度変化前後において、光源から
の集光角、出射光の拡がり角または平行光のコリメータ
性の変化を小さくしている。

【００２２】つまり、温度変化に伴う発光素子の波長変
化と、光学素子そのもの、もしくはレンズ取付基板の伸
縮量もしくは変位量を考慮して、光学素子のパターン寸
法、あるいは発光素子と光学素子との相対離間距離を適
正に可変させれば、発光素子の波長変化に伴う悪影響を
除去できて、光学特性が安定に保てるようになる。

【００２３】環境温度が変化すると、それに応じて発光
素子の発光波長が変化するのは避けられないので、本発
明に係る第７の半導体発光装置では温度変化に応じて伸
縮部材が膨張・収縮することを利用して、いずれか一方
の素子を他方の素子に対して遠近変位させるようにした
。つまり、温度変化に伴う発光素子の波長変化と、伸縮
部材の伸縮量とを考慮して、発光素子と光学素子との相
対離間距離を適正に可変させれば、発光素子の波長変化
に伴う悪影響を除去できて、光学特性が安定に保てるよ
うになる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の各実施例を添付図に基づいて
詳述する。図１は本発明の第１実施例の半導体発光装置
１１であって、発光素子と光学素子の距離が温度変化に
よって変化しにくいようにしたものである。キャップ１
２は、ガラス繊維強化樹脂や炭素繊維強化樹脂等の繊維
強化樹脂によって略円筒状に成形されたものであり、例
えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹
脂等の熱硬化性樹脂にガラス繊維や炭素繊維等の強化用
繊維を充填させた繊維強化樹脂によって成形されている
。キャップ１２の基端部内周には、例えば図１９に示し
たような内部構造を有する発光素子部品Ａのステム１を
嵌合させるための凹部１８が設けられており、外周面は
先端側で次第に小径となるように複数箇所に段部１６，
１７が形成されている。この繊維強化樹脂製キャップ１
２の先端面に開口された光出射窓１３には、内面側にフ
レネルレンズ（マイクロフレネルレンズ）１４を一体に
成形されたレンズ取付基板１５が接着剤によって接着さ
れており、フレネルレンズ１４はキャップ１２の内側で
光出射窓１３の中心に位置決めして固定されている。さ
らに、フレネルレンズ１４を設けられたレンズ取付基板
１５は全周をキャップ１２の先端面に固定されているの
で、精度よく位置決めされ、レンズ取付基板１５の固定
後においてもレンズ取付基板１５が位置ずれしにくい。

【００２５】しかして、キャップ１２の凹部１８に発光
素子部品Ａのステム１を圧入して（必要に応じてステム
１と凹部１８を接着してもよい。）キャップ１２を発光
素子部品Ａに被せると、発光素子部品Ａはキャップ１２
の凹部１８によって位置決めされ、発光素子３の光出射
方向とフレネルレンズ１４の光軸とが一致するように位
置決めされる。

【００２６】なお、このような半導体発光装置１１にあ
っては、レンズ取付基板１５が外部に露出しているので
、外部からの機械的衝撃等を受ける恐れがある。この場
合には、簡易な保護手段として、必要に応じ、キャップ
１２の外周の中央の段部１６に筒状のガード筒１９を着
脱自在に取着し（接着しても差し支えない。）、レンズ
取付基板１５を保護させることができる。キャップ１２
の先端側の段部１７は、ガード筒１９の装着を用意にす
るものであり、また、レンズ取付基板１５をキャップ１
２の先端面に接着させる時にレンズ取付基板１５の外周
を掴み易くするためのものである。

【００２７】図２は本発明の第２実施例の半導体発光装
置２１を示す断面図である。この実施例にあっては、キ
ャップ１２の光出射窓１３に接着されたレンズ取付基板
１５の外面にフレネルレンズ１４を配置されており、キ
ャップ１２の中央の段部１６に合成樹脂製のカバー２２
を被せ、カバー２２の光出射窓２３をプラスチックまた
はガラスの透光板２４で塞いである。従って、フレネル
レンズ１４がレンズ取付基板１５の外に出ていてもカバ
ー２２及び透光板２４によって保護されており、傷付い
たり、汚れたりすることがない。

【００２８】上記のような第１及び第２の実施例にあっ
ては、市販の安価な発光素子部品を用いて安価に提供す
ることができる。また、発光素子とフレネルレンズとの
距離はキャップの筒長によって決まるので、予めレンズ
取付基板を取り付けた筒長の異なる各種キャップを用意
しておけば、使用時にユーザーが発光素子部品と適当な
キャップとを組み合わせて使用することができる。この
ようにしても、発光素子とフレネルレンズとの距離や軸
心合わせは、予めキャップの寸法や形状によって決めら
れているので、精度を確保することができる。しかも、
キャップは繊維強化樹脂によって成形されていて温度に
よる伸縮が小さく、焦点ずれの恐れも非常に少ない。ま
た、樹脂製であるので、キャップをステムに圧入する際
も容易に行える。

【００２９】また、第１及び第２の実施例ではパッケー
ジ型の発光素子部品を用いているが、ステムの表面に発
光素子が露出したキャップレス型の発光素子部品に直接
繊維強化樹脂製のキャップを取り付けても良い。

【００３０】つぎに、図３は本発明の第３実施例の半導
体発光装置３１を示す。金属製のステム４４の内面から
は金属製のヒートシンクブロック４５が突設されており
、ヒートシンクブロック４５の上面には発光素子（半導
体レーザ素子）４１が搭載されている。また、ステム４
４の内面には、発光素子４１の光軸と一致させてモニタ
ー用のフォトダイオード等の受光素子４６が設けられて
いる。この受光素子４６は、発光素子４１から後方へ射
出されたレーザ光の光強度を検出するために用いること
ができ、検出した光強度に基づき、発光素子４１からの
光出力が一定となるように発光素子４１を間接的にフィ
ードバック制御する。また、ステム４４から後方へ突出
されている端子ピン４７ａ，４７ｂ，４７ｃは、発光素
子４１に電力を供給して光出力を制御するためのものと
、受光素子４６からの検出信号を取り出すためのもので
ある。ステム４４の前面には、円筒状をした金属製のキ
ャップ４８が溶接や接着等によって接合されており、発
光素子４１やヒートシンクブロック４５等は、キャップ
４８内に収納されている。フレネルレンズ４３は、比較
的厚みの大きなレンズ取付基板４２と一体に成形されて
おり、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）やＣＲ−３９（眼鏡
レンズに用いられているプラスチック材料）等の熱膨張
係数の大きな（線膨張係数が、ガラスや金属に比べて１
桁大きく、１０−４以上のオーダーのもの）光学的に透
明な樹脂材料によって形成されている。このレンズ取付
基板４２は、発光素子４１と対向する後端面に小さなフ
レネルレンズ４３を設けられており、前端部に周設され
ているフランジ４９をキャップ４８の前端に接着剤によ
り接着されている。また、この半導体発光装置３１は、
発光素子４１から放射された光をフレネルレンズ４３で
コリメートして平行光線５０として射出させるものであ
って、発光素子４１の発光点が、フレネルレンズ４３の
焦点に位置させられている。

【００３１】しかして、半導体発光装置３１の温度が上
昇すると、発光素子４１の出射波長が長くなるので、フ
レネルレンズ４３の焦点距離が短くなるが、一方で、フ
レネルレンズ４３の熱膨張によりフレネルレンズ４３の
焦点距離が長くなる。したがって、発光素子４１の出射
波長変化によって短くなった焦点距離をフレネルレンズ
４３の熱膨張によって長くなるように補正させることが
でき、半導体発光装置３１全体としての焦点距離の変化
を小さくできる。

【００３２】この作用をさらに具体的に説明する。例え
ば、温度Ｔが上昇した場合を考えると、図２１及び図２
３から明らかなように、発光素子の出射波長λが長くな
り、この結果、フレネルレンズの焦点距離ｆが短くなる
。一方、フレネルレンズのレンズ材料を熱膨張係数の大
きな材料とすれば、フレネルレンズの熱膨張による焦点
距離の変化量を、発光素子の出射波長変化に起因する焦
点距離の変化量と匹敵する程度のオーダーまで大きくす
ることが可能になる。しかも、温度が上昇すると、発光
素子の出射波長変化に起因して焦点距離が短くなるのに
対し、フレネルレンズの熱膨張に起因して焦点距離が長
くなるので、光源全体としては焦点距離の変化を小さく
することができるのである。

【００３３】さらに、定量的にいえば、フレネルレンズ
は、温度ＴがδＴだけ変化する時、熱膨張によってフレ
ネルレンズの焦点距離ｆは、近似的に、δｆ＝２αｆ・
δＴ　　　　　　　　　　……■だけ変化する。ここに
、αは、フレネルレンズを構成するレンズ材料の線膨張
係数である。図４は、このフレネルレンズの焦点距離ｆ
と温度Ｔとの関係を図示したものであり、温度Ｔ０で焦
点距離ｆ０のフレネルレンズとして用いるように設計さ
れていても、例えば、温度Ｔが上昇すると、焦点距離ｆ
が長くなる（これを、以下においては、フレネルレンズ
の熱膨張に起因する焦点距離の温度不安定性という。）
。これは、温度が上昇すると、フレネルレンズが熱膨張
してレンズパターンが広がり、フレネルレンズの各格子
（輪帯状レンズ）における回折角が小さくなり、このた
め焦点距離が長くなるものである。 したがって、フレネルレンズの熱膨張係数が大きいほど
、フレネルレンズの熱膨張に起因する焦点距離の温度不
安定性は大きくなる。また、発光素子の出射波長λの温
度変化係数をγ＝δλ／（λ・δＴ）とすれば、発光素
子の出射波長λの変化δλに起因する焦点距離ｆの変化
δｆは、 δｆ＝−γｆ・δＴ　　　　　　　　　　……■となる
。したがって、■式及び■式より全体としての焦点距離
の変化は、 δｆ＝（２α−γ）ｆ・δＴ　　……■となる。よって
、（２α−γ）の値ができるだけ小さくなるようにフレ
ネルレンズのレンズ材料を選択することにより光源の焦
点距離の変化を小さくすることができる。あるいは、実
験的にレンズ材料の最適な熱膨張係数を決定すればよい
。

【００３４】このようにフレネルレンズ４３の熱膨張だ
けで焦点距離の変化を完全に無くすことができれば理想
的であるが、フレネルレンズ４３の焦点距離の変化を完
全に打ち消すように任意の熱膨張係数を有するレンズ材
料を選定することは困難である。図３の半導体発光装置
３１は、焦点距離の変化を完全に打ち消すように十分大
きな熱膨張係数を有するレンズ材料を選定することがで
きない場合の実施例でもある。すなわち、熱膨張係数の
大きな材料で形成されたレンズ取付基板４２の厚みＬを
大きくし、レンズ取付基板４２の後面にフレネルレンズ
４３を設け、前端のフランジ４９をキャップ４８に固定
している。このようにレンズ取付基板４２が後方へ突出
した形状となっていて、その後面にフレネルレンズ４３
が設けられているので、温度が上昇すると、レンズ取付
基板４２の熱膨張によりフレネルレンズ４３は後方へ変
位させられる。

【００３５】十分大きな熱膨張係数のレンズ材料を選定
することができない場合には、温度が上昇すると、発光
素子４１の出射波長が長くなってフレネルレンズ４３が
短焦点化し、これはフレネルレンズ４３の熱膨張によっ
ても完全に補正されない。この結果、発光素子４１の発
光点がフレネルレンズ４３の焦点から外れてしまう。し
かし、上記のような厚みＬの大きなレンズ取付基板４２
を用いれば、温度上昇によってフレネルレンズ４３の焦
点距離が短くなった分だけ、フレネルレンズ４３を発光
素子４１側へ変位させ、発光素子４１の発光点がフレネ
ルレンズ４３の焦点に保持されるように二次補正させる
ことができる。このような二次補正を行なわせるには、
レンズ取付基板４２の熱膨張係数を考慮してレンズ取付
基板４２の厚みＬを決定すればよいが、その時にはヒー
トシンクブロック４５の熱膨張による発光素子４１の位
置の変化やキャップ４８の熱膨張等も考慮する必要があ
るのは、当然である。

【００３６】なお、フレネルレンズ４３及びレンズ取付
基板４２の熱膨張係数を適当に選択するだけで、焦点距
離の変化を十分に満足の得られる程度に小さくできる場
合には、厚みＬの薄いレンズ取付基板４２を用いればよ
い。

【００３７】図５に示すものは本発明の第４実施例であ
り、発光素子４１から放射された光を発散光５１として
出射させるタイプの半導体発光装置３２である。したが
って、第３の実施例とほとんど同様な構成を有している
が、発光素子４１の発光点とフレネルレンズ４３の間の
距離が、フレネルレンズ４３の焦点距離よりも短くなっ
ている。

【００３８】しかして、温度が変化しても、フレネルレ
ンズ４３の熱膨張による焦点距離の補正効果と、レンズ
取付基板４２の熱膨張によるフレネルレンズ４３の位置
の補正効果により、発光素子４１の出射波長の変化によ
る短焦点化を補正し、一定の出射角度が得られるように
している。

【００３９】図６に示すものは本発明の第５実施例であ
り、発光素子４１から放射された光を収束光５２として
出射させるタイプの半導体発光装置３３である。したが
って、第３の実施例とほとんど同様な構成を有している
が、発光素子４１の発光点とフレネルレンズ４３の間の
距離が、フレネルレンズ４３の焦点距離よりも長くなっ
ている。

【００４０】しかして、温度が変化しても、フレネルレ
ンズ４３の熱膨張による焦点距離の補正効果と、レンズ
取付基板４２の熱膨張によるフレネルレンズ４３の位置
の補正効果により、発光素子４１の出射波長の変化によ
る短焦点化を補正し、外部において一定位置に焦点を結
ぶようにしている。

【００４１】図７に示すものは、本発明の第６実施例の
半導体発光装置３４であり、熱膨張係数の大きな材料に
よってフレネルレンズ４３と一体に形成されたレンズ取
付基板６１の後端面をキャップ４８の前端に接着し、レ
ンズ取付基板６１の前面にフレネルレンズ４３を位置さ
せている。この実施例は、フレネルレンズ４３の熱膨張
係数が大き過ぎ、熱膨張によるフレネルレンズ４３の焦
点距離補正が過多の場合を想定しており、レンズ取付基
板６１の厚み方向における熱膨張によりフレネルレンズ
４３を変位させ、その補正過多をさらに二次補正するよ
うにしたものである。例えば、温度が上昇した場合、発
光素子４１の出射波長の変化によって焦点距離が短くな
るが、これがフレネルレンズ４３の熱膨張によって補正
過多となり、全体として長焦点化しても、レンズ取付基
板６１の熱膨張によりフレネルレンズ４３が発光素子４
１から離れる方向へ変位することにより、発光素子４１
の発光点をフレネルレンズ４３に対して所定位置に保持
させている。

【００４２】図８に示すものは、本発明の第７実施例の
半導体発光装置３５であり、半導体レーザ素子３を組込
んだ図１９のような市販のパッケージ型発光素子部品Ａ
を利用したものである。この発光素子部品Ａは、基板６
２に開口された通孔６３に挿通させるようにして基板６
２に固定されており、金属キャップ６側が基板６２の前
方へ突出させられている。さらに、基板６２の前面には
、発光素子部品Ａを囲むように円筒状のキャップ４８が
取付けられている。フレネルレンズ４３及びレンズ取付
基板４２は、熱膨張係数の大きな光学的に透明な材料に
よって一体に形成されており、レンズ取付基板４２のフ
ランジ４９をキャップ４８の前端に接着されている。

【００４３】図９に示すものは、本発明の第８実施例の
半導体発光装置３６である。この実施例は、図８の実施
例の構成に加え、キャップ４８及びレンズ取付基板４２
を収容させるようにして保護キャップ６４を設け、保護
キャップ６４の窓に透光板６５を取り付け、保護キャッ
プ６４及び透光板６５によってレンズ部分を保護させる
ようにしたものである。

【００４４】図１０に示すものは、本発明の第９実施例
の半導体発光装置３７である。この実施例では、キャッ
プ４８の前端に取付けられた環状板６６の内周から後方
へ、熱膨張係数の大きな材料（レンズ材料である必要は
ない。）で形成された筒状の補助構造材６７を突出させ
、この補助構造材６７の後端に厚みの薄いレンズ取付基
板６８を接着したものである。レンズ取付基板６８の厚
みが大きくなると光波に不具合が生じる場合には、この
実施例のように、レンズ取付基板６８の厚みを薄くし、
熱膨張係数の大きな材料で形成された補助構造材６７の
熱伸縮によってフレネルレンズ４３の焦点距離の二次補
正を行わせてもよい。

【００４５】図１１に示すものは、本発明の第１０実施
例の半導体発光装置３８であり、本発明の第７実施例（
図８）とほぼ同様な構成を有しているが、レンズ取付基
板の構造を異にしている。

【００４６】すなわち、発光素子部品Ａを基板６２の通
孔６３に挿通させるようにして基板６２に固定し、基板
６２の前面に円筒状のキャップ４８を取付けてある。フ
レネルレンズ４３及びレンズ取付基板６９は、熱膨張係
数が大きく光学的に透明な材料によって一体に形成され
ており、レンズ取付基板６９のフランジ４９をキャップ
４８の前端に接着されている。このレンズ取付基板６９
は、全体をほぼ均一な厚みに形成して全体を薄肉化して
いる。つまり、図８のレンズ取付基板４２のように中央
部をフランジ４９に比較して大きな厚みとすることなく
、レンズ取付基板６９のレンズ取付面と反対側に凹部７
０を形成し、レンズ取付基板６９の中央部もフランジ４
９とほぼ同じ薄さに成形してある。このようにレンズ取
付基板６９の全体を薄肉化すれば、レンズ取付基板６９
を射出成形や注型によって成形することが可能になり、
レンズ取付基板６９を樹脂成形によって製造してもレン
ズ取付基板６９にヒケ等の欠点も発生しにくく、品質の
良好なレンズ取付基板６９を製造でき、さらに成形後の
樹脂硬化時間も短縮でき、製造コストを安価にできる。 また、レーザー光の透過するレンズ取付基板６９の中央
部が薄肉となったので、光の透過率も大幅に増大させる
ことができ、レーザー光のパワーの低下を軽減できる。 このレンズ取付基板６９の成形材料は、透明材料であっ
て、部品をできるだけ小さくできるよう線膨張係数の大
きなものが望ましいので、ポリカーボネイト（線膨張係
数７×１０−６゜Ｋ−１）などが好ましい。また、レン
ズ取付基板６９の部品寸法に制限がない場合であれば、
ポリエチレンやポリメタクリル酸メチルなどを用いても
よい。

【００４７】図１２に示すものは、本発明の第１１実施
例の半導体発光装置３９である。この実施例は、図１１
の実施例の構成に加え、キャップ４８及びレンズ取付基
板４２を収容させるようにして保護キャップ６４を設け
、保護キャップ６４の窓に透光板６５を取り付け、保護
キャップ６４及び透光板６５によってレンズ部分を保護
させるようにしたものである。

【００４８】図１３に示すものは、本発明の第１２実施
例の半導体発光装置４０である。この半導体発光装置４
０は、第３実施例（図３）の構成において、図１１で説
明したような薄肉構造のレンズ取付基板６９を使用した
ものである。あるいは、第９実施例（図１０）との比較
では、レンズ取付基板６８、環状板６６及び補助構造材
６７を透明な光学樹脂によって一体成形してレンズ取付
基板６９としたものに相当する。

【００４９】これを図１０の実施例と比較すれば、部品
点数の削減を図れ、組立て時にレンズ取付基板６８と環
状板６６と補助構造材６７の接着作業を省略でき、製造
工程が簡略される。また、図１０のようにレンズ取付基
板６８、環状板６６及び補助構造材６７を接着している
と、接着剤層によって温度特性の部分的なバラツキが生
じ、精密な設計が困難になるが、レンズ取付基板６９の
ように一体成形してあれば、このような心配もなく、光
学的特性が安定する。

【００５０】なお、上記第３〜１２の実施例では、いず
れもフレネルレンズとレンズ取付基板の双方を熱膨張係
数の大きなレンズ材料によって形成したが、フレネルレ
ンズのみを熱膨張係数の大きなレンズ材料で形成してい
てもよい。また、レンズ取付基板を熱膨張率の大きな材
料によって形成していれば、フレネルレンズは、レンズ
取付基板の熱伸縮に伴って伸縮させられ、レンズパター
ンが引き伸ばされたり、収縮させられたりするので、フ
レネルレンズを熱膨張係数の大きなレンズ材料で形成し
たのと同じ効果を得ることができる。したがって、レン
ズ取付基板のみを熱膨張係数の大きなレンズ材料で形成
してもよい。また、発光素子としては、上記半導体レー
ザ素子に限らず、発光ダイオード等の素子を用いてもよ
い。

【００５１】図１４は本発明の第１３実施例による半導
体発光装置７１を示している。平板型光学素子であるフ
レネルレンズ７２は、ステム４４とは別個の支持台７３
に取り付けられている。このフレネルレンズ７２は、平
板状の基板の一面に凹凸状のレンズパターン７２ａを樹
脂成形することによって製作されるものであって、基板
の材料としては、シリコン（熱膨張係数：約２．５×１
０−４／℃）、または、ピエチレングリコールビス、ア
クリルカーボネイトの一種であるＴＰＧ社の製品名ＣＲ
−３９（熱膨張係数：約１．１×１０−４／℃）などの
樹脂が選定される。すなわち、フレネルレンズ７２の基
板材料の熱膨張係数は一般的なガラス基板（×１０−６
／℃）に比べて２桁も大きく、また、このフレネルレン
ズ７２を支持する支持台７３や発光素子４１を支持する
ステム４４の素材である金属材料（×１０−６／℃）に
比べても前記同様に大きい。

【００５２】支持台７３は、円筒形状になっていて、そ
の貫通孔における上方開口端には径方向内向きの鍔部７
３ａが形成されており、下方開口端には径方向外向きの
鍔部７３ｂが形成されている。この径方向外向きの鍔部
７３ｂがステム４４上に接着剤を介して取り付けられて
おり、この径方向内向きの鍔部７３ａの内面にはフレネ
ルレンズ７２がそのレンズパターン７２ａに発光素子４
１からの出射光が入射するような位置関係で接着剤を介
して取り付けられている。すなわち、フレネルレンズ７
２の光透過側の面７２ｂが径方向内向きの鍔部７３ａの
内面に固定されている。

【００５３】この支持台７３の長さ寸法は、使用するフ
レネルレンズ７２の焦点距離に応じて長短設定される。 この支持台７３に対するフレネルレンズ７２の実装時や
ステム４４に対する発光素子４１の実装時における環境
温度は、例えば２５℃に調節されており、以下で言う温
度変化とはこの実装時の温度を基準にした変動を言う。

【００５４】次に、動作を説明する。まず、環境温度が
上がると、発光素子４１の発光波長が長くなるけれども
、フレネルレンズ７２が膨張することになる。そのとき
、フレネルレンズ７２において支持台７３に固定されて
いる光透過側の面７２ｂを基準として、レンズパターン
７２ａが存在する光入射側の面が膨張して、当該面の位
置が発光素子４１側へ近づく。一方、環境温度が下がる
と、発光素子４１の発光波長が短くなるけれども、フレ
ネルレンズ７２の光入射側の面が収縮して、当該面の位
置が発光素子４１から遠ざかる。

【００５５】このようなフレネルレンズ７２の自動焦点
調節機能でもって、フレネルレンズ７２の焦点位置が発
光素子４１の光出射面に一致することになる。

【００５６】図１５は本発明の第１４実施例を示してい
る。本実施例の半導体発光装置７４は、図１９に示した
ような一般的に市販されている発光素子部品Ａとレンズ
ユニットＣとを組み合わせた構造になっている。

【００５７】レンズユニットＣは、環状枠７５と、請求
項に記載の支持部材に相当する外側キャップ７６と、フ
レネルレンズ７２とからなり、環状枠７５の一面におい
て貫通孔を閉塞するように外側キャップ７６が取り付け
られており、この外側キャップ７６の開口窓の内側にフ
レネルレンズ７２が接着剤を介して取り付けられている
。この実施例でも上記第１３の実施例と同様に、フレネ
ルレンズ７２のレンズパターン７２ａに発光素子３から
の出射光が入射するように光透過側の面７２ｂが外側キ
ャップ７６の開口窓に固定されている。ここでは、外側
キャップ７６が上記第１３実施例での支持台７３となっ
ており、この外側キャップ７６が請求項に記載の平板型
光学素子用の支持部材に相当する。

【００５８】そして、このレンズユニットＣと発光素子
部品Ａとの組み立ては、発光素子部品Ａのステム１をレ
ンズユニットＣの環状枠７５の貫通孔に嵌入し、両者を
接着剤７７で接着させることにより行われる。

【００５９】この第１４の実施例の動作も上記第１３の
実施例と同様なので、その説明を省略する。

【００６０】図１６に本発明の第１５実施例を示してい
る。この実施例の半導体発光装置７８では、図１９に示
す発光素子部品Ａの金属キャップ６を取り外し、これを
レンズユニットＣに装着した構造としている。その他の
構成は第１４実施例と同様であるので、その説明を省略
する。

【００６１】なお、市販の発光素子部品Ａを使用するに
あたって、その金属キャップおよびそれに装着してある
透明板をなくせば、発光素子３からの出射光がフレネル
レンズ２７に直接到達することになるので、光の収差を
極力抑えることができるようになり、光学特性の向上が
望める。

【００６２】また、上記実施例以外にも、例えば、市販
の発光素子部品Ａにおいて、そのキャップ６の開口窓に
フレネルレンズ２７を接着剤を介して取り付けた構造と
してもよい。

【００６３】図１７は本発明の第１６実施例を示してい
る。本実施例の半導体発光装置７９は、図１９のような
一般的に市販されている発光素子部品Ａとレンズユニッ
トＤとを組み合わせた構造になっている。

【００６４】レンズユニットＤは、環状枠７５と、外側
キャップ７６と、フレネルレンズ８０とからなり、環状
枠７５の一面において貫通孔を閉塞するように外側キャ
ップ７６が取り付けられており、この外側キャップ７６
の開口窓の内側にフレネルレンズ８０が伸縮部材８１を
介して取り付けられている。

【００６５】そして、このレンズユニットＤと発光素子
部品Ａとの組み立ては、発光素子部品Ａのステム１をレ
ンズユニットＤの環状枠７５の貫通孔に嵌入し、両者を
接着剤７７で接着させることにより行われる。この装置
内空間にはＮ２などの安定した気体が充填されている。

【００６６】この構造において、レンズユニットＤおよ
び発光素子部品Ａのステム１が、請求項に記載のパッケ
ージ部材に相当する。

【００６７】上記伸縮部材８１は、温度変化により膨張
・収縮するものであり、例えばシリコン（熱膨張係数：
２．５×１０−４／℃）などが採用される。このような
熱膨張係数の大きな素材を選定すれば、十分な伸縮性を
持つので、その厚みを薄くして装置全体の小型化を図る
ことも可能となる。

【００６８】なお、外側キャップ７６に対するフレネル
レンズ８０の実装時やステム１に対する発光素子３の実
装時における環境温度は、例えば２５℃に調節されてお
り、以下で言う温度変化とはこの実装時の温度を基準に
した変動を言う。

【００６９】次に、動作を説明する。まず、環境温度が
上がると、発光素子３の発光波長が長くなるけれども、
伸縮部材８１が膨張してフレネルレンズ８０を光軸Ｏに
沿って矢印Ｘ方向へ変位させることにより、フレネルレ
ンズ８０が発光素子３側へ近づけられるので、発光素子
３がフレネルレンズ８０の焦点位置に位置することにな
る。

【００７０】一方、環境温度が下がると、発光素子３の
発光波長が短くなるけれども、伸縮部材８１が収縮して
フレネルレンズ８０を光軸Ｏに沿って矢印Ｘ’方向へ変
位させることにより、フレネルレンズ８０が発光素子３
から遠ざけられるので、発光素子３がフレネルレンズ８
０の焦点位置に位置することになる。

【００７１】図１８に本発明の第１７実施例を示してい
る。この実施例の半導体発光装置８２では、図１９の発
光素子部品Ａのキャップを取り外し、これをレンズユニ
ットＤに装着した構造としている。そして、発光素子部
品Ａのステム１が、レンズユニットＤの環状枠６２の貫
通孔に正の隙間を持つように嵌入されており、環状枠６
２の下面側に断面凹状のカバー８３を取り付け、このカ
バー８３の内部とステム１の間に伸縮部材８１を挿入し
ている。そして、レンズユニットＤにおける外側キャッ
プ７６の開口窓にはフレネルレンズ８０が接着剤などを
介して直に取り付けられている。

【００７２】この構造の場合、環境温度が上がると、伸
縮部材８１が膨張してステム１を環状枠６２の貫通孔内
で矢印Ｙ方向へスライドさせることにより発光素子３が
フレネルレンズ８０側へ近づけられる一方、環境温度が
下がると、伸縮部材８１が収縮してステム１を環状枠６
２の貫通孔内で矢印Ｙ’方向へスライドさせることによ
り発光素子３がフレネルレンズ８０から遠ざけられるこ
とになる。このような動作によって発光素子３が温度変
化に応じてフレネルレンズ８０の焦点位置に位置させら
れることになる。

【００７３】

【発明の効果】本発明に係る第１の半導体発光装置によ
れば、温度変化による発光素子と光学素子との間の距離
の変化を小さく抑制することができ、温度変化による集
光位置位置のずれを小さくできる。しかも、キャップを
繊維強化樹脂製としたので、発光素子を保護するのに十
分な耐衝撃性を有する。さらに、発光素子と光学素子の
距離を変更するには、樹脂のキャップを交換するだけで
よく、焦点位置等の異なる種々のタイプの半導体発光装
置を製造するためのコストを安価にできるという利点が
ある。

【００７４】本発明に係る第２〜５の半導体発光装置に
よれば、光源からの集光角もしくは出射光の拡がり角（
発散角）の変化を小さくする手段を設けてあるので、温
度変化時の光半導体素子からの出射波長の変化に伴うフ
レネルレンズの焦点距離の変化を相殺させ、温度変化前
後において、光源からの集光角または出射光の拡がり角
の変化を小さくすることができる。したがって、光半導
体素子光源の温度安定性をより一層向上させることがで
きる。

【００７５】本発明に係る第６の半導体発光装置によれ
ば、温度変化に伴い発光素子の発光波長が変化して平板
型光学素子の焦点距離が狂ったとしても、平板型光学素
子そのものの膨張・収縮でもって当該平板型光学素子と
発光素子との相対離間距離を可変させることにより、前
記平板型光学素子の焦点距離の狂いを除去することがで
きるので、温度変化に関係なく発光素子からの出射光を
一定に保つことができるようになる。したがって、本発
明の半導体発光装置を光ピックアップや光センサなどに
利用する場合において、検出精度の高いものとすること
ができる。

【００７６】本発明に係る第７の半導体発光装置によれ
ば、温度変化に伴い発光素子の発光波長が変化して光学
素子の焦点距離が狂ったとしても、伸縮部材の膨張・収
縮でもって発光素子と光学素子との相対離間距離を可変
させることにより、前記光学素子の焦点距離の狂いを除
去することができるので、温度変化に関係なく発光素子
からの出射光を一定に保つことができるようになる。し
たがって、本発明の半導体発光装置を光ピックアップや
光センサなどに利用する場合において、検出精度の高い
ものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示す断面図である。

【図３】本発明の第３の実施例を示す断面図である。

【図４】フレネルレンズの熱伸縮によって生じるフレネ
ルレンズの焦点距離の変化と温度との関係を示す図であ
る。

【図５】本発明の第４の実施例を示す断面図である。

【図６】本発明の第５の実施例を示す断面図である。

【図７】本発明の第６の実施例を示す断面図である。

【図８】本発明の第７の実施例を示す断面図である。

【図９】本発明の第８の実施例を示す断面図である。

【図１０】本発明の第９の実施例を示す断面図である。

【図１１】本発明の第１０の実施例を示す断面図である
。

【図１２】本発明の第１１の実施例を示す断面図である
。

【図１３】本発明の第１２の実施例を示す断面図である
。

【図１４】本発明の第１３の実施例を示す断面図である
。

【図１５】本発明の第１４の実施例を示す断面図である
。

【図１６】本発明の第１５の実施例を示す断面図である
。

【図１７】本発明の第１６の実施例を示す断面図である
。

【図１８】本発明の第１７の実施例を示す断面図である
。

【図１９】従来例の発光素子部品を示す一部破断した正
面図である。

【図２０】試案例の一部破断した斜視図である。

【図２１】半導体レーザ素子の発光波長−温度特性を示
す図である。

【図２２】（ａ）（ｂ）はフレネルレンズの斜視図及び
中心断面図である。

【図２３】フレネルレンズの焦点距離と入射波長との関
係を示す図である。

【図２４】温度によるフレネルレンズの焦点距離のずれ
量を示す図である。

【符号の説明】

Ａ　　　　発光素子部品 １　　　　ステム ３　　　　発光素子 １２　　キャップ １４　　フレネルレンズ １５　　レンズ取付基板 ４１　　発光素子 ４２　　レンズ取付基板 ４３　　フレネルレンズ ４４　　ステム ６１　　レンズ取付基板 ６８　　レンズ取付基板 ６９　　レンズ取付基板 ７２　　フレネルレンズ ７２ａ　　レンズパターン ７３　　支持台 ７６　　外側キャップ ８０　　フレネルレンズ ８１　　伸縮部材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　発光素子と、発光素子から出射された
   光を集光、コリメートもしくは発散させる光学素子とを
   一体にパッケージしてなる半導体発光装置であって、前
   記発光素子の支持部材にガラス繊維強化樹脂や炭素繊維
   強化樹脂等の繊維強化樹脂によって成形されたキャップ
   を取着し、キャップに開口された光出射窓に前記光学素
   子を取り付けたことを特徴とする半導体発光装置。
2. 【請求項２】　　発光素子と、発光素子から出射された
   光を集光、コリメートもしくは発散させる光学素子とを
   一体にパッケージしてなる半導体発光装置において、温
   度変化による発光素子からの出射光の波長変化に伴って
   生ずる当該発光装置からの出射光の集光角、発散角もし
   くはコリメート性の変化を小さくする手段を設けたこと
   を特徴とする半導体発光装置。
3. 【請求項３】　　温度変化による発光素子からの出射光
   の波長変化に伴って生ずる当該発光装置からの出射光の
   集光角、発散角もしくはコリメート性の変化を小さくす
   るため、前記光学素子もしくは光学素子を取り付けたレ
   ンズ取付基板を熱膨張係数の大きな材料によって形成し
   たことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 【請求項４】　　温度変化による発光素子からの出射光
   の波長変化に伴って生ずる当該発光装置からの出射光の
   集光角、発散角もしくはコリメート性の変化を小さくす
   るため、前記光学素子を取り付けたレンズ取付基板を熱
   膨張係数の大きな材料によって形成すると共にレンズ取
   付基板の固定位置から光学素子の取付位置まで適当な距
   離を持たせたことを特徴とする請求項２に記載の半導体
   発光装置。
5. 【請求項５】　　温度変化による発光素子からの出射光
   の波長変化に伴って生ずる当該発光装置からの出射光の
   集光角、発散角もしくはコリメート性の変化を小さくす
   るため、前記光学素子もしくは光学素子を取り付けたレ
   ンズ取付基板を熱膨張係数の大きな材料によって形成し
   、さらに、レンズ取付基板の固定位置から光学素子の取
   付位置まで適当な距離を持たせたことを特徴とする請求
   項２に記載の半導体発光装置。
6. 【請求項６】　　発光素子と、発光素子から出射された
   光を集光、コリメートもしくは発散させる光学素子とを
   一体にパッケージしてなる半導体発光装置において、平
   板型光学素子がその支持部材や発光素子の支持部材より
   も大きな熱膨張係数を有する素材からなり、かつ前記光
   学素子におけるパターン形成面と反対面が支持部材に固
   定され、温度変化に伴う光学素子の熱伸縮を前記パター
   ン形成面の反対面を基準として行わせるものであること
   を特徴とする半導体発光装置。
7. 【請求項７】　　発光素子と、発光素子から出射された
   光を集光、コリメートもしくは発散させる光学素子とを
   一体にパッケージしてなる半導体発光装置において、発
   光素子を光学素子の焦点位置に配置させるよう、この両
   素子がパッケージ部材に取り付けられているとともに、
   いずれか一方の素子とパッケージ部材との間に、温度変
   化に応じて両素子の相対位置を可変させる伸縮部材が介
   在されていることを特徴とする半導体発光装置。