JPWO2008143183A1 - Glass-coated light emitting element, lighting device and projector device - Google Patents

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実 関根
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Abstract

半導体発光素子からの出射光を光制御部に効率よく導入することが可能であり、かつ、レンズと発光素子との位置合わせが不要となるとともに、半導体発光素子からの出射光を効率的に取り出して利用に供することができるガラス被覆発光素子を提供する。基板面上に実装され発光領域から所定波長帯域の光を出射する半導体発光素子1と、光を出射する表面が半球面より広い球面の一部を有するとともに、球面以外の表面において半導体発光素子1と対向・配置した状態で半導体発光素子1の発光領域を被覆するように一体化され、発光ピーク波長における屈折率が1.7以上で、直径に対する半導体発光素子の基板面の最大径の比が少なくとも1.8以上であるガラス2と、ガラス2の表面から出射されずにガラス2内部に存在する光を屈折させる光散乱部である接合面2Aとを備えた。The light emitted from the semiconductor light emitting element can be efficiently introduced into the light control unit, and the alignment between the lens and the light emitting element is unnecessary, and the light emitted from the semiconductor light emitting element is efficiently extracted. Provided is a glass-coated light-emitting element that can be used. The semiconductor light emitting device 1 mounted on the substrate surface and emitting light of a predetermined wavelength band from the light emitting region, and the light emitting surface has a part of a spherical surface wider than the hemispherical surface, and the semiconductor light emitting device 1 on a surface other than the spherical surface Are integrated so as to cover the light emitting region of the semiconductor light emitting device 1 in a state of being opposed to each other, and the refractive index at the emission peak wavelength is 1.7 or more, and the ratio of the maximum diameter of the substrate surface of the semiconductor light emitting device to the diameter is The glass 2 which is at least 1.8 or more and the bonding surface 2A which is a light scattering portion that refracts the light existing inside the glass 2 without being emitted from the surface of the glass 2 are provided.

Description

本発明は、ガラスによって被覆されている半導体発光素子、つまりガラス被覆発光素子、照明装置およびプロジェクタ装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor light-emitting element coated with glass, that is, a glass-coated light-emitting element, an illumination device, and a projector device.

発光ダイオード(LED;Light Emitting Diode)に代表される半導体発光素子は、小型、高効率、長寿命などの特徴を有し、様々な用途に使用されている。たとえばLEDをプロジェクタ光源に用いるとLEDが小型であるため照明系をコンパクトにできる反面、LEDからの出射光は無指向性であるので、出射光を効率よく液晶パネル、マイクロミラーアレイなどの光制御部に導入する必要がある。   BACKGROUND Semiconductor light-emitting elements typified by light-emitting diodes (LEDs) have features such as small size, high efficiency, and long life, and are used in various applications. For example, if an LED is used as a projector light source, the illumination system can be made compact because the LED is small, but the emitted light from the LED is non-directional, so the emitted light can be efficiently controlled by a liquid crystal panel, a micromirror array, etc. It is necessary to introduce to the department.

従来、このような出射光を効率よく光制御部に導入するためにレンズ付き発光素子、すなわち目的に応じた放射角や強度分布を有するように、別に製作した種々のレンズを金属等のホルダーを介してLEDなど発光素子の位置に合わせて調整固定したものが使用されている。   Conventionally, in order to efficiently introduce such emitted light into the light control unit, a light emitting element with a lens, that is, various lenses manufactured separately so as to have a radiation angle and intensity distribution according to the purpose are attached with a holder such as a metal. The LED is adjusted and fixed in accordance with the position of a light emitting element such as an LED.

しかし、このような従来のレンズ付き発光素子は、発光素子、レンズおよびそれらの固定ホルダーの3点部品がセットとなっており、かつ、それらの部品の調整固定工程も必要であり、費用の高いものであった。また、その放射強度分布も通常のレンズ形状では必ずしも効率のよいものとはならない問題もあった。   However, such a conventional light emitting element with a lens includes a light emitting element, a lens and a fixing holder for the three parts, and an adjustment fixing process for these parts is also required, which is expensive. It was a thing. Further, there is a problem that the radiation intensity distribution is not always efficient with a normal lens shape.

このような問題を解決するべくライトパイプを用いた照明系が提案されている(特許文献1参照)。このような照明系においては、前記レンズ付き発光素子を用いる場合に比べて放射強度分布は効率がよいものになると考えられるが、ライトパイプと発光素子または光制御部との位置合わせがやはり必要であり、前記問題の解決には不十分であった。
特表2006−505830号公報
In order to solve such problems, an illumination system using a light pipe has been proposed (see Patent Document 1). In such an illumination system, it is considered that the radiation intensity distribution is more efficient than the case where the lens-equipped light emitting element is used, but it is still necessary to align the light pipe with the light emitting element or the light control unit. Yes, it was insufficient to solve the problem.
JP-T-2006-505830

本発明は、半導体発光素子からの出射光を前記光制御部に効率よく導入することが可能であり、かつ、先に述べたようなレンズまたはライトパイプと発光素子との位置合わせが不要となるとともに、半導体発光素子からの出射光を発光用の光として効率的に取り出して利用に供することができるガラス被覆発光素子、照明装置およびプロジェクタ装置の提供を目的とする。   According to the present invention, it is possible to efficiently introduce the light emitted from the semiconductor light emitting element into the light control unit, and it is not necessary to align the lens or the light pipe and the light emitting element as described above. In addition, an object of the present invention is to provide a glass-coated light-emitting element, an illumination device, and a projector device that can efficiently take out emitted light from a semiconductor light-emitting element as light for light emission and use it.

本発明は、半導体発光素子と、当該半導体発光素子から出射された光を出射する表面を有し、当該表面が半球面より広い球形状で一部に球欠部を有するとともに、前記球欠部において前記半導体発光素子に取り付けられ、前記半導体発光素子の発光ピーク波長における屈折率が1.7以上で、直径に対する前記球欠部の最大径の比が少なくとも1.8以上であるガラスと、前記ガラスの前記表面から出射されずに前記ガラス内部に存在する光を屈折させる光散乱部と、を備えるガラス被覆発光素子を提供する。   The present invention has a semiconductor light emitting element and a surface from which the light emitted from the semiconductor light emitting element is emitted, and the surface has a spherical shape wider than a hemispherical surface and a part of a spherical notch. The glass is attached to the semiconductor light emitting element, the refractive index at the emission peak wavelength of the semiconductor light emitting element is 1.7 or more, and the ratio of the maximum diameter of the spherical notch to the diameter is at least 1.8 or more, There is provided a glass-coated light emitting device comprising: a light scattering portion that refracts light existing inside the glass without being emitted from the surface of the glass.

また、本発明は、前記ガラス被覆発光素子とフィールドレンズを備える照明装置、光源として当該照明装置を有するプロジェクタ装置をも提供する。   The present invention also provides an illumination device including the glass-coated light emitting element and a field lens, and a projector device having the illumination device as a light source.

本発明によれば、被覆ガラスが前記レンズまたはライトパイプと同様の作用を有し、そのために先に述べたような位置合わせが不要となる。すなわち、従来はレンズを用いて指向性を高める場合、半導体発光素子とレンズを別々に配置しなければならなかったのでそれらを位置合わせする必要があったが、そのような位置合わせが不要となる。   According to the present invention, the coated glass has the same function as the lens or the light pipe, so that the alignment as described above is not necessary. That is, in the past, when using a lens to enhance directivity, the semiconductor light emitting element and the lens had to be arranged separately, so that they had to be aligned, but such alignment was not necessary. .

また、本発明においては、発光素子から球状のガラスに光が入射する場合に、ガラスと外部の空気との界面(以下、「ガラス界面」)での入射角度が臨界角を超えている場合には全反射によって再度半導体発光素子の発光面に戻るが、光散乱部での散乱により光路が変化してガラス界面での全反射条件を崩してガラスから出射させることができる。従って、本発明によれば、半導体発光素子からの出射光を発光用の光として効率的に取り出し増大させた光量で(被照射面を所望の照射パターンで)照明させることができる。   In the present invention, when light is incident on the spherical glass from the light emitting element, the incident angle at the interface between the glass and the external air (hereinafter “glass interface”) exceeds the critical angle. Can return to the light emitting surface of the semiconductor light emitting device again by total reflection, but the light path can be changed by scattering at the light scattering portion, and the total reflection condition at the glass interface can be broken and emitted from the glass. Therefore, according to the present invention, it is possible to illuminate the emitted light from the semiconductor light emitting element as light for light emission efficiently and with an increased amount of light (irradiated surface with a desired irradiation pattern).

本発明の第1の実施形態に係るガラス被覆発光素子の発光素子及び配線基板の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the cross section of the light emitting element and wiring board of the glass covering light emitting element which concern on the 1st Embodiment of this invention. (A)はそのガラス被覆発光素子の発光素子及び配線基板の断面の拡大概念図、(B)はその発光素子の電極などの形状を示す概略平面図である。(A) is the expansion conceptual diagram of the cross section of the light emitting element and wiring board of the glass covering light emitting element, (B) is a schematic plan view which shows shapes, such as an electrode of the light emitting element. (A)〜(D)は球状ガラスの屈折率が1.5の場合の計算結果(光量分布)を示す図である。(A)-(D) are figures which show the calculation result (light quantity distribution) in case the refractive index of spherical glass is 1.5. (A)〜(D)は球状ガラスの屈折率が2.0の場合の計算結果(光量分布)を示す説明図である。(A)-(D) are explanatory drawings which show the calculation result (light quantity distribution) in case the refractive index of spherical glass is 2.0. (A)は指向性のない発光素子から照射面への照射光路及び照射面での光量分布を示すグラフ、(B)は本発明のガラス被覆発光素子から照射面への照射光路及び照射面での光量分布を示すグラフである。(A) is a graph showing the irradiation light path from the non-directional light emitting element to the irradiation surface and the light quantity distribution on the irradiation surface, and (B) is the irradiation light path and irradiation surface from the glass-coated light emitting element of the present invention to the irradiation surface. It is a graph which shows light quantity distribution. 本発明のガラス被覆発光素子の出射光の角度依存性を示す図である。It is a figure which shows the angle dependence of the emitted light of the glass covering light-emitting element of this invention. (A)は発光素子の発光点Aが球レンズの最後方点のときの球レンズを出射後の光路、(B)は発光点Aが球レンズの最後方点よりも照射方向の前方側にずれているときの光路を示す説明図である。(A) is the optical path after exiting the spherical lens when the light emitting point A of the light emitting element is the rearmost point of the spherical lens, and (B) is the front of the light emitting point A in the irradiation direction from the rearmost point of the spherical lens. It is explanatory drawing which shows the optical path when it has shifted | deviated. 本発明のガラス被覆発光素子における球面収差による光路の偏移を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the shift | offset | difference of the optical path by the spherical aberration in the glass-coated light emitting element of this invention. (A)は本発明のガラス被覆発光素子におけるガラス内で全反射領域を示す説明図、(B)はそのガラス内から出射するときの照明光の光路を示す光路図である。(A) is explanatory drawing which shows a total reflection area | region in the glass in the glass-coated light emitting element of this invention, (B) is an optical path figure which shows the optical path of illumination light when it radiate | emits from the inside of the glass. 本発明の第2の実施形態に係るガラス被覆発光素子の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the cross section of the glass-coated light emitting element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. (A)、(B)は本発明の第3の実施形態に係るガラス被覆発光素子の断面の概念図およびその変形例である。(A), (B) is the conceptual diagram of the cross section of the glass-coated light-emitting device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention, and its modification. 本発明の第4の実施形態に係るガラス被覆発光素子の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the cross section of the glass-coated light emitting element which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明のガラス被覆発光素子を用いて照度分布を調べるシミュレーションを行うときの設定条件を示すモデル図である。It is a model figure which shows the setting conditions when performing the simulation which investigates illumination intensity distribution using the glass covering light-emitting device of this invention. 反射板での散乱率を0%(この場合には、100%正反射する)に設定してシミュレーションを行ったときの照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows illuminance distribution when a simulation is performed with the scattering rate at the reflector set to 0% (in this case, 100% regular reflection). 反射板での散乱率を0%(この場合には、100%正反射する)に設定してシミュレーションを行ったときの輝度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the luminance distribution when it simulates by setting the scattering rate in a reflecting plate to 0% (in this case, 100% regular reflection). 反射板での散乱率を0%(この場合には、100%正反射する)に設定してシミュレーションを行ったときの平面内照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the in-plane illuminance distribution when it simulates by setting the scattering rate in a reflecting plate to 0% (in this case, 100% regular reflection). 図14Cを模式的に示す等高線図である。FIG. 14C is a contour diagram schematically showing FIG. 14C. 反射板での散乱率を10%に設定してシミュレーションを行ったときの照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows illuminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflector to 10%. 反射板での散乱率を10%に設定してシミュレーションを行ったときの輝度分布を示すグラフである。It is a graph which shows luminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 10%. 反射板での散乱率を10%に設定してシミュレーションを行ったときの平面内照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the in-plane illumination intensity distribution when setting the scattering rate in a reflecting plate to 10%, and performing simulation. 図15Cを模式的に示す等高線図である。FIG. 15C is a contour diagram schematically showing FIG. 15C. 反射板での散乱率を30%に設定してシミュレーションを行ったときの照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows illuminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 30%. 反射板での散乱率を30%に設定してシミュレーションを行ったときの輝度分布を示すグラフである。It is a graph which shows luminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 30%. 反射板での散乱率を30%に設定してシミュレーションを行ったときの平面内照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the in-plane illumination intensity distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 30%. 図16Cを模式的に示す等高線図である。FIG. 16C is a contour diagram schematically showing FIG. 16C. 反射板での散乱率を50%に設定してシミュレーションを行ったときの照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows illuminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflector to 50%. 反射板での散乱率を50%に設定してシミュレーションを行ったときの輝度分布を示すグラフである。It is a graph which shows luminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 50%. 反射板での散乱率を50%に設定してシミュレーションを行ったときの平面内照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the illumination intensity distribution in a plane when performing the simulation by setting the scattering rate in a reflecting plate to 50%. 図17Cを模式的に示す等高線図である。FIG. 17C is a contour diagram schematically showing FIG. 17C. 反射板での散乱率を60%に設定してシミュレーションを行ったときの照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows illuminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 60%. 反射板での散乱率を60%に設定してシミュレーションを行ったときの輝度分布を示すグラフである。It is a graph which shows luminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflector to 60%. 反射板での散乱率を60%に設定してシミュレーションを行ったときの平面内照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the illumination intensity distribution in a plane when performing the simulation by setting the scattering rate in a reflecting plate to 60%. 図18Cを模式的に示す等高線図である。FIG. 18C is a contour diagram schematically showing FIG. 18C. 反射板での散乱率を70%に設定してシミュレーションを行ったときの照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows illuminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 70%. 反射板での散乱率を70%に設定してシミュレーションを行ったときの輝度分布を示すグラフである。It is a graph which shows luminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflector to 70%. 反射板での散乱率を70%に設定してシミュレーションを行ったときの平面内照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the illuminance distribution in a plane when the scattering rate in a reflecting plate is set to 70%, and it simulates. 図19Cを模式的に示す等高線図である。FIG. 19C is a contour diagram schematically showing FIG. 19C. 反射板での散乱率を90%に設定してシミュレーションを行ったときの照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows illuminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflector to 90%. 反射板での散乱率を90%に設定してシミュレーションを行ったときの輝度分布を示すグラフである。It is a graph which shows luminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflector to 90%. 反射板での散乱率を90%に設定してシミュレーションを行ったときの平面内照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the in-plane illumination intensity distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 90%. 図20Cを模式的に示す等高線図である。FIG. 20C is a contour diagram schematically showing FIG. 20C. 反射板での散乱率を99%に設定してシミュレーションを行ったときの照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows illuminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 99%. 反射板での散乱率を99%に設定してシミュレーションを行ったときの輝度分布を示すグラフである。It is a graph which shows luminance distribution when simulating by setting the scattering rate in a reflecting plate to 99%. 反射板での散乱率を99%に設定してシミュレーションを行ったときの平面内照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the illuminance distribution in a plane when the scattering rate in a reflecting plate is set to 99%, and a simulation is performed. 図21Cを模式的に示す等高線図である。FIG. 21C is a contour map schematically showing FIG. 21C. 反射板での吸収率を100%に設定してシミュレーションを行ったときの照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the illumination intensity distribution when setting absorptance in a reflecting plate to 100%, and performing simulation. 反射板での吸収率を100%に設定してシミュレーションを行ったときの輝度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the luminance distribution when a simulation is performed with the absorptivity at the reflector set to 100%. 反射板での吸収率を100%に設定してシミュレーションを行ったときの平面内照度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the in-plane illumination intensity distribution when setting absorptance in a reflecting plate to 100%, and performing simulation. 図22Cを模式的に示す等高線図である。FIG. 22C is a contour diagram schematically showing FIG. 22C. 反射板での散乱率と全光束量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the scattering rate in a reflecting plate, and the total luminous flux. 本発明の照明装置を示す構成図及び正面図である。It is the block diagram and front view which show the illuminating device of this invention. 本発明のプロジェクタ装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the projector apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体発光素子(発光素子)
1A、1B 電極
1C、1D、1E ミラー電極
1F、1G、1H 透明電極
10、20、30A、30B、40 ガラス被覆発光素子
10R、10G、10B ガラス被覆発光装置
14 透明基板
2 球状ガラス(ガラス)
2A 接合面
3 配線基板
31 基板
31A 反射面(散乱反射面)
32 配線パターン
33 バンプ
4 フィラー
5 モールド部
50 照明装置
60 フィールドレンズ(対物レンズ)
70R、70G、70B LCD(液晶表示装置)
80 合波素子
90 プロジェクションレンズ
100 プロジェクタ
1 Semiconductor light emitting device (light emitting device)
1A, 1B electrode
1C, 1D, 1E Mirror electrode 1F, 1G, 1H Transparent electrode 10, 20, 30A, 30B, 40 Glass-coated light-emitting element 10R, 10G, 10B Glass-coated light-emitting device 14 Transparent substrate 2 Spherical glass (glass)
2A Bonding surface 3 Wiring board 31 Substrate 31A Reflecting surface (scattering reflecting surface)
32 Wiring pattern 33 Bump 4 Filler 5 Mold part 50 Illumination device 60 Field lens (objective lens)
70R, 70G, 70B LCD (Liquid Crystal Display)
80 Multiplexing element 90 Projection lens 100 Projector

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るガラス被覆発光素子(第1の発光素子)の構成を示す断面図である。このガラス被覆発光素子10は、半導体発光素子1とガラス2とを備え、配線基板3上に配置されている。また、このガラス被覆発光素子10のガラス2の半導体発光素子1との接合面2Aには、細かい凹凸からなる微細加工が施してある。この微細加工(光散乱部)は、半導体発光素子1から出射してガラス2内の球面で全反射して戻る光を散乱させる。この微細加工は、例えば、サンドブラスト、エッチングなどを用いてガラス2の接合面2Aを荒らすことによって形成される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a glass-coated light emitting device (first light emitting device) according to the first embodiment of the present invention. The glass-coated light emitting element 10 includes a semiconductor light emitting element 1 and glass 2 and is disposed on a wiring board 3. Moreover, the fine processing which consists of fine unevenness is given to 2 A of joining surfaces with the semiconductor light-emitting device 1 of the glass 2 of this glass-coated light-emitting device 10. This fine processing (light scattering portion) scatters light that is emitted from the semiconductor light emitting element 1 and totally reflected by the spherical surface in the glass 2 and returned. This fine processing is formed, for example, by roughening the bonding surface 2A of the glass 2 using sandblasting, etching, or the like.

半導体発光素子(発光素子)1は、発光領域を有する面(以下、発光面)から所定波長帯域の光を2次元的に出射するものであり、配線基板3上に実装されている。ここで、図2を用いて、発光素子1の構成について説明する。発光素子1は、透明基板14と、透明基板14上に形成されたn層12と、n層12上に形成された発光層13と、発光層13上に形成されたp層11とを有する。p層11とn層12上には電極1A、1Bが設けられている。発光素子1はいわゆるフリップチップ実装されている。電極1A、1Bは、バンプ33を介して配線基板3の配線パターン32に接続されている。   A semiconductor light emitting element (light emitting element) 1 emits light in a predetermined wavelength band two-dimensionally from a surface having a light emitting region (hereinafter referred to as a light emitting surface), and is mounted on a wiring substrate 3. Here, the configuration of the light-emitting element 1 will be described with reference to FIG. The light emitting element 1 includes a transparent substrate 14, an n layer 12 formed on the transparent substrate 14, a light emitting layer 13 formed on the n layer 12, and a p layer 11 formed on the light emitting layer 13. . Electrodes 1 </ b> A and 1 </ b> B are provided on the p layer 11 and the n layer 12. The light emitting element 1 is so-called flip chip mounting. The electrodes 1A and 1B are connected to the wiring pattern 32 of the wiring board 3 via the bumps 33.

第1の実施形態において、発光素子1の発光面は透明基板14の裏面(ガラス2の接合面2Aに対向する面)である。発光層13で生成された光は、図2(A)の矢印A方向に進行し、透明基板14を介して出射する。電極1A、1Bは、ガラス2の表面にて全反射してガラス2の表面から外部に出射されずに電極1A、1Bに戻ってきた光を反射させるためのミラーとしての機能も有する。第1の実施形態では、発光素子1として青色LEDを用いて説明しているが、他の色のLED、レーザーダイオードなどでも良いことは言うまでもない。   In the first embodiment, the light emitting surface of the light emitting element 1 is the back surface of the transparent substrate 14 (the surface facing the bonding surface 2A of the glass 2). The light generated in the light emitting layer 13 travels in the direction of arrow A in FIG. 2A and is emitted through the transparent substrate 14. The electrodes 1A and 1B also have a function as a mirror for reflecting light that is totally reflected on the surface of the glass 2 and is not emitted from the surface of the glass 2 and returned to the electrodes 1A and 1B. In the first embodiment, a blue LED is used as the light emitting element 1, but it goes without saying that LEDs of other colors, laser diodes, and the like may be used.

発光素子1は、上方から見て長方形または正方形であることが一般的である。発光素子1の発光面である透明基板14の裏面も長方形または正方形であっても良い。発光層13から発生した光が透明基板14を介して発光素子1から出射されることから、透明基板14の裏面が発光素子1の発光領域と考えられる。そして、その発光領域は電極の形状(図2(B)の斜線で示される領域)と相似である。従って、所望の投影形状を得るためには、電極の形状を所望の投影形状とすることが良い。後述するように、本発明のガラスは指向性が良い。言い換えると、入射した光の形状をほぼそのままの形状として外部に投影することができる。つまり、本発明のガラス被覆発光素子の発光面は、所望の投影面に合わせた発光面とすることできる。例えば、発光面を矩形や丸形とし、その発光面の形状が照射される。これにより、被照射面に対し、種々の形状パターンを持った光を照射・照明することができることとなり、照明光源の応用を広げることができる。   The light emitting element 1 is generally rectangular or square when viewed from above. The back surface of the transparent substrate 14 that is the light emitting surface of the light emitting element 1 may also be rectangular or square. Since the light generated from the light emitting layer 13 is emitted from the light emitting element 1 through the transparent substrate 14, the back surface of the transparent substrate 14 is considered to be the light emitting region of the light emitting element 1. The light emitting region is similar to the shape of the electrode (the region indicated by the oblique lines in FIG. 2B). Therefore, in order to obtain a desired projection shape, it is preferable that the shape of the electrode be a desired projection shape. As will be described later, the glass of the present invention has good directivity. In other words, the shape of the incident light can be projected to the outside as a substantially unchanged shape. That is, the light emitting surface of the glass-coated light emitting device of the present invention can be a light emitting surface that matches a desired projection surface. For example, the light emitting surface is rectangular or round, and the shape of the light emitting surface is irradiated. Thereby, it becomes possible to irradiate and illuminate the surface to be irradiated with light having various shape patterns, and the application of the illumination light source can be expanded.

なお、上方から見た発光素子2の形状が長方形または正方形である場合、その最大径Lは対角線の長さであり、Lは典型的には400〜1500μmである。   In addition, when the shape of the light-emitting element 2 viewed from above is a rectangle or a square, the maximum diameter L is the length of a diagonal line, and L is typically 400 to 1500 μm.

ガラス2は、発光素子1を被覆するものであり、この表面は半球面よりも広い球面の一部を有しており、球形状である(以下、「球状ガラス」)。このような形状のため、第1の実施形態のガラス被覆発光素子は、出射光の指向性と均一性の両者を向上させることができる。球状ガラス2は発光素子1との接合面(第1の実施形態では、接合面2Aに相当する部分)において球が切断された形状であり、その球の切断された部分は球欠(球欠部2C;図7(B)及び図8参照)と言われるものである。   The glass 2 covers the light emitting element 1, and the surface has a part of a spherical surface wider than the hemispherical surface and has a spherical shape (hereinafter “spherical glass”). Due to such a shape, the glass-coated light emitting device of the first embodiment can improve both the directivity and uniformity of the emitted light. The spherical glass 2 has a shape in which a sphere is cut at a joint surface with the light-emitting element 1 (a portion corresponding to the joint surface 2A in the first embodiment). Part 2C; see FIG. 7B and FIG.

球状ガラス2としてたとえば、酸化物基準のモル%表示で、TeO 40〜53%、GeO 0〜10%、B 5〜30%、Ga 0〜10%、Bi 0〜10%、ZnO 3〜20%、Y 0〜3%、La 0〜3%、Gd 0〜7%、Ta 0〜5%、から本質的になるガラスが使用される。このガラスは本発明の目的を損なわない範囲で上記成分以外の成分を含有してもよいが、その場合そのような成分の含有量は合計で好ましくは10%以下、より好ましくは5%以下である。ここで、たとえば「GeO 0〜10%」とはGeOは必須ではないが10%まで含有してもよい、の意である。As the spherical glass 2, for example, TeO 2 40 to 53%, GeO 2 0 to 10%, B 2 O 3 5 to 30%, Ga 2 O 3 0 to 10%, Bi 2 O in terms of mol% based on oxide. 3 0~10%, 3~20% ZnO, Y 2 O 3 0~3%, La 2 O 3 0~3%, Gd 2 O 3 0~7%, Ta 2 O 5 0~5%, essentially from Glass is used. The glass may contain components other than the above components as long as the object of the present invention is not impaired. In that case, the total content of such components is preferably 10% or less, more preferably 5% or less. is there. Here, for example, “GeO 2 0 to 10%” means that GeO 2 is not essential but may be contained up to 10%.

発光素子1の発光ピーク波長λにおける球状ガラス2の屈折率nは1.7以上である。1.7未満では後述する最大照度または照度分布が小さくなる。好ましくは1.8以上、より好ましくは1.9以上である。また、nは2.3以下、好ましくは2.2以下である。なお、λは青色LEDにおいては450〜480nm、特には450〜460nmが一般的である。また、発光素子1は、青色LEDに限定されるものではなく、各種固有波長或いは特定波長帯域の光を出射するものが使用可能である。The refractive index n p of the spherical glass 2 at the emission peak wavelength λ p of the light emitting element 1 is 1.7 or more. If it is less than 1.7, the maximum illuminance or illuminance distribution described later becomes small. Preferably it is 1.8 or more, More preferably, it is 1.9 or more. Further, n p is 2.3 or less, preferably 2.2 or less. Note that λ p is generally 450 to 480 nm, particularly 450 to 460 nm for blue LEDs. Further, the light emitting element 1 is not limited to the blue LED, and one that emits light of various intrinsic wavelengths or specific wavelength bands can be used.

球状ガラス2の球面の直径をd、球欠部の直径をLとして、d/L(球欠比;直径に対する球欠部の最大径の比)は少なくとも1.8以上、好ましくは1.8〜3.5とされる(なお、dは図7(B)に示す球状ガラス2の球欠部2Cの水平方向の幅の最大値に等しい)。   When the diameter of the spherical surface of the spherical glass 2 is d and the diameter of the spherical portion is L, d / L (spherical portion ratio; the ratio of the maximum diameter of the spherical portion to the diameter) is at least 1.8, preferably 1.8. -3.5 (note that d is equal to the maximum horizontal width of the spherical notch 2C of the spherical glass 2 shown in FIG. 7B).

本発明者らの先に行った実験によれば、最大照度は3×10−5以上、照度分布は0.35以上であることが好ましい。この実験は、球状ガラスが光散乱部材を有していないが、測定結果については何ら影響はない。具体的には、光源の前方すなわち出射光側に受光面を配置しその受光面における照度を計算した。発光素子からの出射光線は出射光側空間の全180度方向について無指向性、非コヒーレント性とし、出射光線の屈折、反射については、屈折・反射の法則(スネルの法則)にしたがって計算をした。また、光源全強度は1mWに規格化し、出射光線数は全部で100万本として計算した。なお、光源全強度を1mWに規格化して計算したのは便宜上そのようにしただけであって本発明はこれに限定されず、また、本計算では偏光は考慮せず、多重反射による光線強度低下は0.0001%まで有効とした。According to the experiments conducted by the present inventors, it is preferable that the maximum illuminance is 3 × 10 −5 or more and the illuminance distribution is 0.35 or more. In this experiment, the spherical glass does not have a light scattering member, but there is no influence on the measurement result. Specifically, a light receiving surface was arranged in front of the light source, that is, on the outgoing light side, and the illuminance on the light receiving surface was calculated. The outgoing light from the light emitting element is non-directional and non-coherent in all directions of the outgoing light side space, and the refraction and reflection of the outgoing light are calculated according to the law of refraction and reflection (Snell's law). . The total light source intensity was normalized to 1 mW, and the number of emitted light rays was calculated as 1 million in total. It should be noted that the calculation was performed with the total light source intensity normalized to 1 mW for the sake of convenience, and the present invention is not limited to this. In this calculation, the polarization is not taken into account, and the light intensity is reduced due to multiple reflections. Was effective up to 0.0001%.

Lを1mm、受光面を1辺が15mmの正方形、球状ガラスがその一部を構成するところの球面の受光面から最も離れている点と受光面との距離が19mmとなるようにした場合の受光面における照度を、nが1.5、1.75、2.0、2.25、dが1mm、2mm、3mm、4mmすなわちd/Lが1(球状ガラスが半球の場合)、2、3、4である場合について計算した。When L is 1 mm, the light-receiving surface is a square with a side of 15 mm, and the distance between the light-receiving surface and the point farthest from the spherical light-receiving surface, which is part of the spherical glass, is 19 mm. The illuminance at the light receiving surface is such that n p is 1.5, 1.75, 2.0, 2.25, d is 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, that is, d / L is 1 (when the spherical glass is a hemisphere), 2 Calculations were made for 3, 4 and 4 cases.

計算によって得られた照度から最大照度(単位:mW)および照度分布(単位:%)を読み取った。結果を表1(最大照度)および表2(照度分布)に示す。   Maximum illuminance (unit: mW) and illuminance distribution (unit:%) were read from the illuminance obtained by the calculation. The results are shown in Table 1 (maximum illuminance) and Table 2 (illuminance distribution).

なお、照度分布は次のようにして読み取った。すなわち、受光面上の実効的に照射されている部分の横方向の長さaと照度が記最大照度の80%以上である横方向の長さbを求め、b/aを照度分布とした。d=1mmにおける照度分布は実効的に照射されている部分が受光面よりも広くなったために読み取ることができなかった。   The illuminance distribution was read as follows. That is, the lateral length a and the lateral length b in which the illuminance is 80% or more of the maximum illuminance are obtained, and b / a is defined as the illuminance distribution. . The illuminance distribution at d = 1 mm could not be read because the effectively irradiated part was wider than the light receiving surface.

以上の計算により得られた光量分布を図3(A)〜図3(D)、図4(A)〜図4(D)に示す。各図中の滑らかに引かれた曲線をもとにnが1.5および2.0でのdが2mm、3mm,4mmすなわちd/Lが2、3,4の場合における前記照度分布を読み取った。読み取りの補助線もあわせて示す。The light quantity distribution obtained by the above calculation is shown in FIGS. 3 (A) to 3 (D) and FIGS. 4 (A) to 4 (D). The illuminance distribution in the case where d is 2 mm, 3 mm, 4 mm, that is, d / L is 2, 3, 4 when n p is 1.5 and 2.0 based on the smoothly drawn curves in each figure. I read it. The auxiliary lines for reading are also shown.

Figure 2008143183
Figure 2008143183

Figure 2008143183
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最大照度は3×10−5以上、照度分布は0.35以上であることが好ましい。先にも述べたようにnが1.7未満では最大照度または照度分布が小さい。d/Lが1.8未満では最大照度または照度分布が小さく、3.5超では最大照度または照度分布が小さくなることがある。好ましくは2.0〜3.2である。The maximum illuminance is preferably 3 × 10 −5 or more and the illuminance distribution is preferably 0.35 or more. As described above, the maximum illuminance or the illuminance distribution is small when n p is less than 1.7. If d / L is less than 1.8, the maximum illuminance or illuminance distribution may be small, and if it exceeds 3.5, the maximum illuminance or illuminance distribution may be small. Preferably it is 2.0-3.2.

球状ガラス2は発光素子1の上面(透明基板14の裏面)だけでなく側面(透明基板14、n層12及び発光層13の側面)も被覆することが好ましい。球状ガラス2が発光素子1の側面を被覆することにより、発光素子1の側面から外部に漏れていた光を所望の方向(図2(A)の矢印A方向)に出射することができ、出射光の利用効率を向上させることができる。なお、球状ガラス2が半導体発光素子1の電極1A、1Bの側面を被覆していてもよいことは言うまでもない。   The spherical glass 2 preferably covers not only the upper surface of the light emitting element 1 (the back surface of the transparent substrate 14) but also the side surfaces (the side surfaces of the transparent substrate 14, the n layer 12 and the light emitting layer 13). By covering the side surface of the light emitting element 1 with the spherical glass 2, the light leaking to the outside from the side surface of the light emitting element 1 can be emitted in a desired direction (the direction of arrow A in FIG. 2A). The utilization efficiency of the incident light can be improved. Needless to say, the spherical glass 2 may cover the side surfaces of the electrodes 1 </ b> A and 1 </ b> B of the semiconductor light emitting device 1.

図1に示されるように、配線基板3は、たとえばアルミナなどで構成される基板31と、この基板31上にペーストを用いて形成されたAu配線やAg配線、銅箔などで形成された配線パターン32とを備えている。   As shown in FIG. 1, a wiring substrate 3 includes a substrate 31 made of alumina, for example, and an Au wiring, an Ag wiring, a copper foil or the like formed on the substrate 31 using a paste. Pattern 32.

図1に示されるように、ガラス被覆発光素子10の電極1A、1Bは、金などのバンプ33を介して配線基板3の配線パターン32と電気的に接続されている。図1において、球状ガラス2は配線基板3と接触していないが配線基板3と接触しても良いことは言うまでもない。   As shown in FIG. 1, the electrodes 1 </ b> A and 1 </ b> B of the glass-coated light emitting element 10 are electrically connected to the wiring pattern 32 of the wiring substrate 3 through bumps 33 such as gold. In FIG. 1, the spherical glass 2 is not in contact with the wiring board 3, but needless to say, it may be in contact with the wiring board 3.

図5(A)に示すように、通常のLEDなどの指向性のない発光素子200では、光量分布の均一化のための光学素子(インテグラルレンズなど)がない限り、コリメータ201で平行光となった光束の光強度Iは、コサイン4乗則(COSθ)によって中央部が最大分布を呈する正規分布(ガウス分布)となってしまう(図6のd=1.02mmのデータ参照)。θはコリメータ201に入射する前の光線の光軸となす角度、Izは光源のある1点から出射してレンズを通過後、被照明面内に達する全光線の強度分布、ΣIzは光源の全点から出射して被照明面内に達する全光線の強度分布である。As shown in FIG. 5A, in a light emitting element 200 having no directivity such as a normal LED, collimator 201 converts parallel light into parallel light unless there is an optical element (such as an integral lens) for uniformizing the light amount distribution. The light intensity I of the luminous flux becomes a normal distribution (Gaussian distribution) in which the central portion exhibits the maximum distribution according to the cosine fourth power law (COS 4 θ Z ) (see data of d = 1.02 mm in FIG. 6). . θ Z is the angle formed by the optical axis of the light beam before entering the collimator 201, Iz is the intensity distribution of all the light rays that are emitted from one point of the light source, pass through the lens, and reach the illuminated surface, and ΣIz is the light source It is an intensity distribution of all rays that are emitted from all points and reach the illuminated surface.

一方、本発明では、同図(B)に示すように、その発光素子1を光散乱部である接合面2Aを設けてある球状ガラス2で被覆したガラス被覆発光素子10で構成している。これにより、たとえ従来と同じ指向性のない発光特性を有する正規分布の発光特性を有する通常のLEDを発光素子1として使用しても、コリメータ201で平行光となった光束の光強度Iは、光量分布がほぼ平均化される(図6のBarechip、d=0.55mm、d=0.72mmのデータ参照)。これは、指向性のある光源の場合、球状ガラス2内を通過する角度θzは大きくとも、球状ガラス2を通過後、指向性のある細い光束に変換されるのでコリメータ201を通過する光束の角度差は小さくなり、それぞれの射出方向のコリメータ201の一部しか通過しないので、コサイン4乗則で低下するθzは小さくなるからである。   On the other hand, in this invention, as shown to the same figure (B), it comprises with the glass-coated light emitting element 10 which coat | covered the light emitting element 1 with the spherical glass 2 which provided the joining surface 2A which is a light-scattering part. Thus, even if a normal LED having a normal distribution of light emission characteristics having the same non-directional light emission characteristics as the conventional one is used as the light emitting element 1, the light intensity I of the light beam that has become parallel light in the collimator 201 is The light quantity distribution is almost averaged (see data of Barechip, d = 0.55 mm, d = 0.72 mm in FIG. 6). This is because, in the case of a directional light source, even if the angle θz passing through the spherical glass 2 is large, it is converted into a thin directional light beam after passing through the spherical glass 2, so the angle of the light beam passing through the collimator 201 This is because the difference becomes small and only a part of the collimator 201 in each emission direction passes, so that θz that decreases by the cosine fourth law becomes small.

ここで、球欠形状の球状ガラス2のレンズ作用について以下で説明する。   Here, the lens action of the spherical glass 2 having a spherical shape will be described below.

(イ)発光素子1からの出射光のうち球状ガラス2で全反射した戻り光を散乱手段で散乱させることについて:
発光素子1から出射する発光ピーク波長λの光、たとえば460nmの青色光は発光素子1の後方を除く出射光側空間の略全周360度にわたる領域に面発光する。ここで、出射直後(球状ガラス1入射時)の照射パターンは、図6のd=1.02mmの線として示すように、ほぼ正規分布に対応する中央が最大ピークの山型である。この発光素子1からの出射光は、出射後、空気中を透過することなく直ちに球状ガラス2の内部を進行し、その後、球状ガラス2を透過する際に、空気との界面に対して全反射角(臨界角)以下で入射する光線のみが、球状ガラス2の外部へ出射していく。一方、空気との界面に対して全反射角以上で入射する光線は、全反射し、接合面2Aに戻ってくる。接合面2Aに戻ってきた光は、光散乱部である球状ガラス2の接合面2Aで散乱され、その後は光路を変更する。そして、全反射角以下の入射角度でガラス−空気界面に到達した光となり、外部へ出射される。
(A) Scattering the return light totally reflected by the spherical glass 2 out of the light emitted from the light emitting element 1 by the scattering means:
Light emission peak wavelength lambda p emitted from the light emitting element 1, for example, blue light of 460nm region to the surface-emitting over substantially the entire circumference of 360 degrees of the outgoing light side space except the rear of the light emitting element 1. Here, the irradiation pattern immediately after emission (when the spherical glass 1 is incident) is a mountain shape having a maximum peak at the center corresponding to a normal distribution, as shown by a line d = 1.02 mm in FIG. The emitted light from the light emitting element 1 travels immediately inside the spherical glass 2 without passing through the air after being emitted, and then totally reflected on the interface with the air when passing through the spherical glass 2. Only light rays incident below the angle (critical angle) are emitted to the outside of the spherical glass 2. On the other hand, a light ray incident on the interface with air at a total reflection angle or more is totally reflected and returns to the bonding surface 2A. The light that has returned to the bonding surface 2A is scattered by the bonding surface 2A of the spherical glass 2 that is a light scattering portion, and thereafter the optical path is changed. And it becomes the light which reached | attained the glass-air interface with the incident angle below a total reflection angle, and is radiate | emitted outside.

(ロ)光源である発光素子1の発光点A’を球状ガラス2を真球とした場合の仮想最後方点Aよりも照射方向の前方側にずらすことで、球状ガラス2を透過する際に光束が拡散する方向に広がることについて:
たとえば、かりに、図7(A)に示すように球欠部のない球状ガラス2’の球面収差を無視できるような無収差の近軸条件が成り立つとすれば、発光素子1の発光点Aが球状ガラス2’の最後方点Aにあれば、球状ガラス2’を出射後の光束は平行光束で進行する。なお、実際には、発光点Aから出て球状ガラス2’から出射する光線は、球状ガラス2’から出射する位置が光軸から離れれば離れるほど球面収差が大きくなるため、無収差の場合の光線の進行方向に比べて光軸に近い方向に向かって収斂する。一方、本発明の発光素子1は、同図(B)に示すように、発光点A’を球状ガラス1の最後方点Aよりも照射方向の前方側(Z軸方向)にずらしているので、光束が拡散する方向に広がる効果(以下、第1効果という)を付与することができる。
(B) When the light-emitting point A ′ of the light-emitting element 1 that is a light source is shifted to the front side in the irradiation direction from the virtual rearmost point A when the spherical glass 2 is a true sphere, About spreading in the direction of light flux diffusion:
For example, as shown in FIG. 7A, if a paraxial condition with no aberration is established such that the spherical aberration of the spherical glass 2 ′ having no spherical portion is negligible, the light emitting point A of the light emitting element 1 is If it exists in the last point A of spherical glass 2 ', the light beam after radiate | emitting spherical glass 2' will advance with a parallel light beam. Actually, a light beam emitted from the light emitting point A and emitted from the spherical glass 2 ′ has a larger spherical aberration as the position of the light emitted from the spherical glass 2 ′ moves away from the optical axis. It converges in a direction closer to the optical axis than the traveling direction of the light beam. On the other hand, in the light emitting element 1 of the present invention, the light emitting point A ′ is shifted from the rearmost point A of the spherical glass 1 to the front side in the irradiation direction (Z-axis direction) as shown in FIG. The effect of spreading in the direction in which the light beam diffuses (hereinafter referred to as the first effect) can be imparted.

(ハ)球状ガラス2を透過する際に、屈折率nをたとえば1.7以上とすることで光束を拡散方向に広がらせることができること、あるいはnをたとえば2.2以下とすることで光束を収斂方向に狭めることができることについて:
一般に、両面球レンズの中心を通る光軸を含む断面内で、レンズ面半径をそれぞれr、r、球面レンズの屈折率をn、光軸方向のレンズ厚をtとすると、屈折力(1/f;ただしfは焦点距離。)は(1)式で表される。
(C) When transmitting through the spherical glass 2, the refractive index n can be set to 1.7 or more, for example, so that the light beam can be spread in the diffusion direction, or n is set to 2.2 or less for example. About things that can narrow in the convergence direction:
In general, in a cross section including the optical axis passing through the center of a double-sided spherical lens, when the lens surface radii are r 1 and r 2 , the refractive index of the spherical lens is n, and the lens thickness in the optical axis direction is t, the refractive power ( 1 / f; where f is the focal length.) Is expressed by equation (1).

1/f=[(n−1)/r]+[(1−n)/r
+[{(n−1)d}/(n・r・r)] ・・・(1)
1 / f = [(n−1) / r 1 ] + [(1−n) / r 2 ]
+ [{(N−1) 2 d} / (n · r 1 · r 2 )] (1)

球面レンズでは、r=−r=d/2である。For a spherical lens, r 1 = −r 2 = d / 2.

球状ガラス2のように球の一部を平面で切取った形状すなわち球欠形状であるものについては、球の一部が切取られた側の半球の半径、ここでは便宜的にこれをrとすると、rが∞となり1/r→0となるので、(1)式は次の(2)式になる。For a spherical glass 2 having a shape in which a part of a sphere is cut off by a plane, that is, a spherical shape, the radius of the hemisphere on which a part of the sphere is cut off, here for convenience r 1 Then, since r 1 becomes ∞ and 1 / r 1 → 0, the expression (1) becomes the following expression (2).

=(1−n)・f ・・・(2)r 2 = (1-n) · f (2)

そして、近軸条件を十分満足する理想的な場合において、nが2のときにr=−fとなり、すなわち焦点距離がrに等しくなり、レンズの中心からrの位置に物点が置かれた場合に出射光が平行光となる。Then, in the ideal case of sufficiently satisfying paraxial conditions, r 2 = -f next when n is 2, i.e. the focal length is equal to r 2, the object point from the center of the lens at the position of r 2 is When placed, the emitted light becomes parallel light.

したがって、このような理想的な場合においては球状ガラス2の屈折率が2未満であれば光束が拡散し、2超であれば光束が収斂する効果(以下、第2効果という)を付与することができる。   Therefore, in such an ideal case, if the refractive index of the spherical glass 2 is less than 2, the light beam diffuses, and if it exceeds 2, the light beam converges (hereinafter referred to as a second effect). Can do.

(ニ)球状ガラス2の球面収差により、球状ガラス2を透過する際に、前述した(ロ)、(ハ)における効果を相殺(調整)するような、収束する方向の作用が発生することについて:
周知のように、近軸条件が十分に満足するほど理想的な場合を除き、図8に示すように、光軸(Z)上の物点から平行に進行する光は、一般に、光軸(Z)に垂直な方向(X)に関して、光軸(Z)からより離れた物点での光ほど、理想的な焦点位置よりも近くに像を結ぶ作用が発生する(球面収差)。
(D) When the spherical glass 2 is transmitted through the spherical glass 2 due to the spherical aberration, an action in a converging direction that cancels (adjusts) the effects in (b) and (c) described above occurs. :
As is well known, except in the ideal case where the paraxial condition is sufficiently satisfied, as shown in FIG. 8, light traveling in parallel from an object point on the optical axis (Z) generally has an optical axis ( With respect to the direction (X) perpendicular to Z), the light at an object point farther from the optical axis (Z) has an effect of forming an image closer to the ideal focal position (spherical aberration).

そこで、本発明では、前述した第1、第2の効果の合算値を、この作用でキャンセルさせるべく、球状ガラス2のd/Lと屈折率nとを適正な値に設定するようにしている。すなわち、本発明ではこれを具体的に実現するべく、
a)発光素子1の発光点A’が球状ガラス2の最後方点Aよりも照射方向の前方側にずらすことと、
b)球状ガラス2としてnが1.7以上、好ましくは1.8〜2.2、典型的には1.9〜2.2であるものを使用すること、としている。
Therefore, in the present invention, the d / L and refractive index np of the spherical glass 2 are set to appropriate values in order to cancel the sum of the first and second effects described above by this action. Yes. That is, in the present invention, in order to specifically realize this,
a) the light emitting point A ′ of the light emitting element 1 is shifted from the rearmost point A of the spherical glass 2 to the front side in the irradiation direction;
b) As the spherical glass 2, one having n p of 1.7 or more, preferably 1.8 to 2.2, and typically 1.9 to 2.2 is used.

従って、本実施形態によれば、図9(A)に示すように、半導体発光素子1からの光が球状ガラス2内部を進行し、球状ガラス2と外部の空気との界面(ガラス界面)に入射する際に入射角度が臨界角を超えている場合(破線で示す範囲δの領域外)、全反射によって再度発光素子1の発光面近傍まで戻る場合がある。図9(A)では、太線矢印Bで示された光路をたどった反射光が、全反射により球状ガラス2から出射されず、半導体発光素子1の存在領域に戻ってきた光に相当する。そして、本実施形態によれば、光散乱部を備えている。そのため、全反射によって発光素子1近傍に戻ってきた光は、光散乱部である接合面2A(図1参照)に入射すると、そこで屈折することにより光路が変化する。このため、屈折された戻り光は、ガラス界面での全反射条件が崩れ、球状ガラス2の界面に入射する入射角度が臨界角δの範囲内に入ることにより、同図(B)の太線矢印Bに示すような光路を辿り、球状ガラス2から出射される。その結果、第1の実施形態のガラス被覆発光素子によれば、今まで全反射によりガラス外部へ出射されなかった光をガラス外部へ出射することができるので、光量を増加させることができるという効果を有する。   Therefore, according to this embodiment, as shown in FIG. 9A, the light from the semiconductor light emitting element 1 travels inside the spherical glass 2 and reaches the interface (glass interface) between the spherical glass 2 and the external air. When the incident angle exceeds the critical angle at the time of incidence (outside the range δ indicated by the broken line), it may return to the vicinity of the light emitting surface of the light emitting element 1 again by total reflection. In FIG. 9A, the reflected light that follows the optical path indicated by the thick arrow B corresponds to light that is not emitted from the spherical glass 2 due to total reflection and returns to the region where the semiconductor light emitting element 1 exists. And according to this embodiment, the light-scattering part is provided. Therefore, when light that has returned to the vicinity of the light-emitting element 1 by total reflection enters the bonding surface 2A (see FIG. 1) that is a light scattering portion, the light path is changed by being refracted there. For this reason, the refracted return light loses its total reflection condition at the glass interface, and the incident angle incident on the interface of the spherical glass 2 falls within the critical angle δ. It follows the optical path as shown in B and is emitted from the spherical glass 2. As a result, according to the glass-coated light-emitting element of the first embodiment, light that has not been emitted to the outside of the glass by total reflection so far can be emitted to the outside of the glass, so that the amount of light can be increased. Have

これにより、従来のランプ光源などに代わる高輝度平行光源が実現でき、しかもその照射面の形状を所望の形状に自由に設定することもできる。   Thereby, a high-intensity parallel light source can be realized in place of the conventional lamp light source, and the shape of the irradiation surface can be freely set to a desired shape.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。なお、本実施形態において、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals to avoid redundant description.

図10は、本発明の第2の実施形態に係るガラス被覆発光素子(第2の発光素子)20を示すものであり、このガラス被覆発光素子20には、半導体発光素子1から出射して球状ガラス2内の球面で全反射して戻る光を散乱させるための光散乱部として、接合面2Aに細かい凹凸からなる微細加工を施す代わりに、球状ガラス2と半導体発光素子1との間の空間2Bに、アルミナからなる多数の細かいビーズ状の光散乱部材としてのフィラー4を介装させるとともに、これらのフィラー4を介装させた状態で、球状ガラス2と半導体発光素子1とがUV接着剤で一体に接合されている。ここで、フィラーの粒径は100μmから200nm程度にするのが好ましい。小さすぎると散乱能が落ち、大きすぎると、単位体積当たりの散乱能が落ちるからである。しかしながら、特に粒径は限定されるものではない。   FIG. 10 shows a glass-coated light-emitting element (second light-emitting element) 20 according to the second embodiment of the present invention. The glass-coated light-emitting element 20 has a spherical shape emitted from the semiconductor light-emitting element 1. A space between the spherical glass 2 and the semiconductor light emitting element 1 as a light scattering part for scattering the light that is totally reflected by the spherical surface in the glass 2, instead of performing fine processing including fine irregularities on the bonding surface 2 </ b> A. 2B is provided with a filler 4 as a large number of fine bead-shaped light scattering members made of alumina, and with these fillers 4 interposed, the spherical glass 2 and the semiconductor light emitting element 1 are bonded with a UV adhesive. Are joined together. Here, the particle size of the filler is preferably about 100 μm to 200 nm. This is because if it is too small, the scattering ability is lowered, and if it is too large, the scattering ability per unit volume is lowered. However, the particle size is not particularly limited.

従って、本実施形態でも、半導体発光素子1からの光が球状ガラス2内部を進行し、全反射によって再度半導体発光素子の発光面近傍に戻る。そして、その戻り光が、ちょうど光散乱部である多数の細かいビーズ状のフィラー4に入射すると、そこで散乱することにより光路が変化する。このため、屈折された戻り光は、ガラス界面での全反射条件が崩れ、球状ガラス2の界面に入射する入射角度が臨界角δの範囲内に入ることにより、球状ガラス2から出射される。その結果、第2の実施形態のガラス被覆発光素子によれば、今まで全反射によりガラス外部へ出射されなかった光をガラス外部へ出射することができるので、光量を増加させることができるという効果を有する。更に、第2の実施形態のガラス被覆発光素子によれば、球状ガラス2と半導体発光素子1との間に光散乱部が介在することにより、球ガラスの全反射ロスを解消し、出射光量が増加する若しくは光の取り出し効率が向上するだけでなく、フィラーの粒径、屈折率、充填率をパラメータとして散乱層の散乱特性を変えることが可能になる。よって、第2の実施形態のガラス被覆発光素子によれば、出射輝度分布をより均一化したり、最適化できるという効果がある。   Therefore, also in this embodiment, the light from the semiconductor light emitting element 1 travels inside the spherical glass 2 and returns again to the vicinity of the light emitting surface of the semiconductor light emitting element by total reflection. Then, when the return light is incident on a large number of fine bead-like fillers 4 which are light scattering portions, the light path is changed by scattering there. Therefore, the refracted return light is emitted from the spherical glass 2 when the total reflection condition at the glass interface is broken and the incident angle incident on the interface of the spherical glass 2 falls within the critical angle δ. As a result, according to the glass-coated light-emitting device of the second embodiment, light that has not been emitted to the outside of the glass by total reflection so far can be emitted to the outside of the glass, so that the amount of light can be increased. Have Furthermore, according to the glass-coated light emitting device of the second embodiment, the light scattering portion is interposed between the spherical glass 2 and the semiconductor light emitting device 1, thereby eliminating the total reflection loss of the spherical glass and reducing the amount of emitted light. In addition to increasing or improving the light extraction efficiency, it is possible to change the scattering characteristics of the scattering layer using the particle size, refractive index, and filling factor of the filler as parameters. Therefore, according to the glass-coated light emitting device of the second embodiment, there is an effect that the emission luminance distribution can be made more uniform or optimized.

(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。なお、本実施形態において、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals to avoid redundant description.

図11は、本発明の第3の実施形態に係るガラス被覆発光素子(第3の発光素子)30Aを示すものであり、このガラス被覆発光素子30Aでは、半導体発光素子1から出射してガラス2内の球面で全反射して戻る光を散乱させるための光散乱部として、接合面2Aに細かい凹凸からなる微細加工が施してある代わりに、半導体発光素子1の電極に微細加工した反射面を有する(光反射機能を有する)ミラー電極1C,1Dを用いてある。ここで、ミラー電極1DにはP電極として、Ni、Au、Pd、Rhなどホール注入性に優れ、かつ反射率の良い金属を用いる。   FIG. 11 shows a glass-coated light-emitting element (third light-emitting element) 30A according to the third embodiment of the present invention. In the glass-coated light-emitting element 30A, the glass 2 emits light from the semiconductor light-emitting element 1. As a light scattering portion for scattering the light that is totally reflected by the inner spherical surface and returned, a reflective surface that is finely processed on the electrode of the semiconductor light-emitting element 1 is used instead of the bonding surface 2A that is finely processed with fine irregularities. The mirror electrodes 1C and 1D having the light reflection function are used. Here, for the mirror electrode 1D, a metal having excellent hole injection property and good reflectivity such as Ni, Au, Pd, and Rh is used as the P electrode.

このミラー電極1C,1Dは、光反射性の高い材料で形成されているとともに、それぞれ、p層やn層との接合面側である発光面寄りの接合面(上面)に凹凸の微細加工が施してある。   The mirror electrodes 1C and 1D are made of a highly light-reflective material, and each of the mirror electrodes 1C and 1D is subjected to microfabrication of unevenness on the bonding surface (upper surface) near the light emitting surface, which is the bonding surface side with the p layer and n layer. It has been given.

従って、本実施形態でも、球状ガラス2内部を進行し、全反射によって再度半導体発光素子1に戻る戻り光のうち、ミラー電極1C,1Dに向かうものが、ミラー電極1C,1Dの上面に設けた微細加工の凹凸部分で散乱反射されるので、光路が変更されて球状ガラス2内部へ戻る。その結果、第3の実施形態のガラス被覆発光素子によれば、今まで全反射によりガラス外部へ出射されなかった光をガラス外部へ出射することができるので、光量を増加させることができるという効果を有する。更に、第3の実施形態のガラス被覆発光素子によれば、電極をミラー電極とすることにより、新たな部品を必要とせず、低コスト化という効果がある。   Therefore, also in this embodiment, among the return light that travels inside the spherical glass 2 and returns to the semiconductor light emitting element 1 again by total reflection, the light that goes to the mirror electrodes 1C and 1D is provided on the upper surfaces of the mirror electrodes 1C and 1D. Since the light is scattered and reflected by the uneven portions of the microfabrication, the optical path is changed to return to the inside of the spherical glass 2. As a result, according to the glass-coated light emitting device of the third embodiment, the light that has not been emitted to the outside of the glass by total reflection until now can be emitted to the outside of the glass, so that the amount of light can be increased. Have Furthermore, according to the glass-coated light emitting device of the third embodiment, by using the electrode as a mirror electrode, there is an effect of reducing cost without requiring new parts.

また、本実施形態のガラス被覆発光素子30Aに類似する同図(B)に示すタイプのガラス被覆発光素子30Bの場合には、電極が半導体発光素子1の片面ではなく両面に設けられている。これらの電極1E,1Fのうち発光する光が出射する球状ガラス2寄りにある方の(負)電極1Fは透明電極で構成されている。一方、反対側の(正)電極1Eは、ミラー電極で構成されているとともに、p層に接する一面(上面)に凹凸の微細加工が施されている。なお、(負)電極1Fは、配線基板3の配線パターン32に対し金線34を用いたワイヤボンディングにて接続され、半導体発光素子1の発光面である上面には金線34ごと透明樹脂で封止されたモールド部5が設けられている。   Further, in the case of the glass-coated light emitting device 30B of the type shown in FIG. 5B that is similar to the glass-coated light emitting device 30A of the present embodiment, the electrodes are provided on both surfaces of the semiconductor light emitting device 1 instead of one surface. Of these electrodes 1E and 1F, the (negative) electrode 1F closer to the spherical glass 2 from which the emitted light is emitted is composed of a transparent electrode. On the other hand, the opposite (positive) electrode 1E is constituted by a mirror electrode, and one surface (upper surface) in contact with the p layer is subjected to fine processing of irregularities. The (negative) electrode 1F is connected to the wiring pattern 32 of the wiring board 3 by wire bonding using a gold wire 34, and the upper surface which is the light emitting surface of the semiconductor light emitting element 1 is made of a transparent resin together with the gold wire 34. A sealed mold part 5 is provided.

(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。なお、本実施形態において、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals to avoid redundant description.

図12は、本発明の第4の実施形態に係るガラス被覆発光素子(第4の発光素子)40を示すものであり、このガラス被覆発光素子40では、半導体発光素子1が透明基板14上に搭載された表面実装型の半導体チップで構成されているとともに、半導体発光素子1の電極部分が透明電極1G、1Hで構成されている。そして、この半導体発光素子1の透明電極1G、1Hと配線基板3の配線パターン32との間は、金線34などでワイヤボンディングにより接続された構成となっている。また、本実施形態のガラス被覆発光素子40では、半導体発光素子1の発光面である上面には、透明樹脂で封止されたモールド部5が設けられている。   FIG. 12 shows a glass-coated light-emitting element (fourth light-emitting element) 40 according to the fourth embodiment of the present invention. In this glass-coated light-emitting element 40, the semiconductor light-emitting element 1 is placed on the transparent substrate 14. The semiconductor light-emitting element 1 is composed of transparent electrodes 1G and 1H. The transparent electrodes 1G and 1H of the semiconductor light emitting element 1 and the wiring pattern 32 of the wiring board 3 are connected by wire bonding with a gold wire 34 or the like. Further, in the glass-coated light emitting device 40 of the present embodiment, a mold part 5 sealed with a transparent resin is provided on the upper surface, which is the light emitting surface of the semiconductor light emitting device 1.

さらに、このガラス被覆発光素子40では、光散乱部として、少なくとも、半導体発光素子1での発光領域に対応する発光領域直下の配線基板3の上面に、半導体発光素子1を透過して入射する光を反射させる反射面31Aを形成している。また、その反射面31Aには微細な凹凸加工が施されており、散乱反射面を構成している。   Further, in the glass-coated light emitting device 40, light that is transmitted through the semiconductor light emitting device 1 and incident on at least the upper surface of the wiring substrate 3 immediately below the light emitting region corresponding to the light emitting region of the semiconductor light emitting device 1 as a light scattering portion. A reflective surface 31A for reflecting the light is formed. Further, the reflective surface 31A is finely processed to form a scattering reflective surface.

従って、本実施形態でも、球状ガラス2内部を進行し、全反射によって再度半導体発光素子1に戻る戻り光のうち、半導体発光素子1を透過して配線基板3に向かうものが、その配線基板3の上面に設けた微細加工の凹凸部分の反射面31Aで散乱反射される。これにより、光路が変更されて球状ガラス2内部へ戻る戻り光のうち、全反射条件が崩れて球状ガラス2のガラス界面での入射角度が臨界角以下になる戻り光が、球状ガラス2から出射される。その結果、第4の実施形態のガラス被覆発光素子によれば、今まで全反射によりガラス外部へ出射されなかった光をガラス外部へ出射することができるので、光量を増加させることができるという効果を有する。更に、第4の実施形態のガラス被覆発光素子によれば、表面実装型の半導体発光素子にも適用できるという効果がある。なお、第4の実施形態と第2の実施形態と組み合わせ、金線34を封止するモールド部5に光散乱性を有する構造としても問題はない。   Therefore, also in this embodiment, among the return light that travels inside the spherical glass 2 and returns to the semiconductor light emitting element 1 again by total reflection, the light that passes through the semiconductor light emitting element 1 and travels toward the wiring board 3 is the wiring board 3. The light is scattered and reflected by the reflective surface 31A of the uneven portion of the microfabrication provided on the upper surface. As a result, of the return light returning to the inside of the spherical glass 2 by changing the optical path, the return light whose total reflection condition is broken and the incident angle at the glass interface of the spherical glass 2 is less than the critical angle is emitted from the spherical glass 2. Is done. As a result, according to the glass-coated light-emitting element of the fourth embodiment, light that has not been emitted to the outside of the glass by total reflection so far can be emitted to the outside of the glass, so that the amount of light can be increased. Have Furthermore, according to the glass-coated light emitting device of the fourth embodiment, there is an effect that it can be applied to a surface mount type semiconductor light emitting device. In combination with the fourth embodiment and the second embodiment, there is no problem even if the mold part 5 for sealing the gold wire 34 has a light scattering structure.

次に、本発明のガラス被覆発光素子を用いてこれから一定距離離れた場所での照度分布についてシミュレーションを行った。なお、このシミュレーションでは、ガラス被覆発光素子として第1の実施形態のガラス被覆発光素子10を用いた。但し、このガラス被覆発光素子10では、図13(A)、(B)に示すように、発光素子1の一辺が0.32mm□(ここで、□は正方形の意味。以下同じ。)のLED光源を、球ガラス2には屈折率2.0(λ=546nmのとき)を有する直径1.0mmのものを用いた。また、同図(C)に示すように、発光素子1から50mmだけ離間した正面位置に一辺100mm□のフォトディテクタDを設置して照度分布図をシミュレーションにより作成した。なお、発光素子1の背面には、反射板Rを設置してある。   Next, using the glass-coated light-emitting element of the present invention, a simulation was performed on the illuminance distribution at a certain distance from the glass-coated light-emitting element. In this simulation, the glass-coated light-emitting element 10 of the first embodiment was used as the glass-coated light-emitting element. However, in this glass-coated light-emitting element 10, as shown in FIGS. 13A and 13B, one side of the light-emitting element 1 is 0.32 mm □ (where □ means a square. The same applies hereinafter). As the light source, the spherical glass 2 having a refractive index of 2.0 (when λ = 546 nm) and a diameter of 1.0 mm was used. Further, as shown in FIG. 5C, an illuminance distribution diagram was created by simulation by installing a photo detector D having a side of 100 mm □ at a front position separated from the light emitting element 1 by 50 mm. A reflector R is installed on the back surface of the light emitting element 1.

このシミュレーションによれば、散乱率が0%(この場合には、100%正反射する)、10%(残りの90%が正反射する。以下、同様。)、30%、50%、60%、70%、90%、99%のときの光学特性を調べた結果、それぞれ、図14A〜図21Aに示すような照度分布、図14B〜図21Bに示すような輝度分布、及び図14A〜図21Aの照度分布を平面(被照射面)で表した平面照度分布の図14C〜図21Cが得られた。また、図14D〜図21Dは、図14C〜図21Cを模式的に示した等高線図である。なお、比較のために、図22には反射板での吸収が100%とした場合の各グラフを同時に示す。   According to this simulation, the scattering rate is 0% (in this case, 100% regular reflection), 10% (the remaining 90% is regular reflection, the same applies hereinafter), 30%, 50%, 60%. , 70%, 90%, and 99%, the optical characteristics were examined. As a result, the illuminance distribution as shown in FIGS. 14A to 21A, the luminance distribution as shown in FIGS. 14B to 21B, and FIGS. 14C to FIG. 21C of the planar illuminance distribution in which the illuminance distribution of 21A is represented by a plane (surface to be irradiated) were obtained. 14D to 21D are contour maps schematically showing FIGS. 14C to 21C. For comparison, FIG. 22 simultaneously shows each graph when the absorption at the reflector is 100%.

このシミュレーションによれば、図14A〜図21A及び図14C〜図21Cに示されているように、散乱率(散乱比率)と照度の分布の間に所定の相関関係があることが理解される。例えば図14〜図17のように散乱率が小さい場合は、照射領域内の中央部で照度が小さく、外縁部では大きくなることが示されている。一方、図20、図21のように散乱率が大きい場合は、照射領域内の中央部で照度が大きく、外縁部では小さくなることが示されている。   According to this simulation, it is understood that there is a predetermined correlation between the scattering rate (scattering ratio) and the illuminance distribution, as shown in FIGS. 14A to 21A and 14C to 21C. For example, when the scattering rate is small as shown in FIG. 14 to FIG. 17, the illuminance is small at the central portion in the irradiation region and large at the outer edge portion. On the other hand, when the scattering rate is large as shown in FIGS. 20 and 21, it is shown that the illuminance is large at the central portion in the irradiation region and small at the outer edge portion.

そして、図18A、図18C、図19A、図19Cに示すように、散乱率が一定割合(おおよそ60%から70%)のときに、発光素子1の形状に相似する(正方形又は長方形を有する)照射領域において、外縁部と面内で照度がほぼ等しい照度になることが理解される。このように、散乱率を調整することにより、照射領域内の照度を均一なものとすることが可能となることが理解される。このような制御は、発光素子1の仕様、実施形態の変更にかかわらず可能である。   Then, as shown in FIGS. 18A, 18C, 19A, and 19C, when the scattering rate is a certain ratio (approximately 60% to 70%), it resembles the shape of the light emitting element 1 (having a square or a rectangle). It is understood that the illuminance in the irradiation area is substantially equal between the outer edge portion and the surface. Thus, it is understood that the illuminance in the irradiation region can be made uniform by adjusting the scattering rate. Such control is possible regardless of the specification of the light emitting element 1 and the change of the embodiment.

また、このシミュレーションによれば、散乱比率と照度(全光束量)との間には、例えば図23に示すような相関性があり、散乱率が一定割合(このシミュレーションでは凡そ20%の散乱率)を超えると、所定値以上の照度が安定して得られることがわかった。   Further, according to this simulation, there is a correlation as shown in FIG. 23 between the scattering ratio and the illuminance (total light flux amount), for example, and the scattering rate is a constant rate (in this simulation, the scattering rate is approximately 20%). ) Exceeding the predetermined value, it was found that illuminance of a predetermined value or more can be obtained stably.

次に、本発明の照明装置について、図24を参照しながら説明する。   Next, the illuminating device of this invention is demonstrated, referring FIG.

本発明の照明装置50は本発明のガラス被覆発光素子10と、その前方に配置されたフィールドレンズ(対物レンズ)60とを備えている。ガラス被覆発光素子10は、通常、その電極がバンプによって配線基板の配線パターンに電気的に接続されている。   The illuminating device 50 of the present invention includes the glass-coated light emitting element 10 of the present invention and a field lens (objective lens) 60 disposed in front thereof. The glass-coated light-emitting element 10 is usually electrically connected to the wiring pattern of the wiring board by bumps.

本発明の照明装置50によれば、ガラス被覆発光素子10を出射した各光線は、LEDの発光点位置とガラス被覆発光素子10の中心点とで決まる主光線に沿ったZ方向に、あるまとまった指向性のある光束となって進行し、フィールドレンズ60に達する。そして、フィールドレンズ60に達したそれぞれの光束は、さらにフィールドレンズ60の到達点の高さにおいて、その屈折力によってレンズの光軸に平行に近くなる方向に偏向されて被照明体(図示せず)に達する。   According to the illumination device 50 of the present invention, each light beam emitted from the glass-coated light-emitting element 10 is gathered in the Z direction along the principal light beam determined by the light-emitting point position of the LED and the center point of the glass-coated light-emitting element 10. It proceeds as a light beam having a directivity and reaches the field lens 60. Each light beam reaching the field lens 60 is further deflected in a direction close to parallel to the optical axis of the lens by its refractive power at the height of the arrival point of the field lens 60 to be illuminated (not shown). ).

ここで、ガラス被覆発光素子10の球状レンズとフィールドレンズ20とが理想的な無収差レンズであれば、全方向の光線が被照明体に垂直に入射することも可能となるが、実際にはいずれのレンズも大きな球面収差を有するため、被照明体にある程度斜めに入射する光線が存在することは避けられない。   Here, if the spherical lens of the glass-coated light emitting element 10 and the field lens 20 are ideally non-aberration lenses, light in all directions can be incident on the illuminated body vertically. Since any lens has a large spherical aberration, it is inevitable that there is a light beam that is incident on the object to be illuminated obliquely to some extent.

しかし、球状レンズとフィールドレンズ60の光線のばらつき状態を見ながら、図23のように中心と周辺付近の光束がほぼ被照明体面内に入射するようにフィールドレンズ60の屈折力と位置とを最適化することにより、ガラス被覆発光素子10から出射する光線をほとんど被照明体面内にその収差の範囲内でできるだけ垂直に近い状態で入射させることができる。   However, while observing the dispersion state of the light rays of the spherical lens and the field lens 60, the refractive power and position of the field lens 60 are optimized so that the light beams near the center and the periphery are substantially incident on the surface of the illuminated body as shown in FIG. As a result, almost all of the light emitted from the glass-coated light emitting element 10 can be incident on the surface of the illuminated body as close to vertical as possible within the aberration range.

更に、通過する光束をできるだけ平行光化する手段として、フィールドレンズを、安価な平凸球面レンズに代えて、最適な非球面形状を有する(平凸または両面)非球面レンズにすることにより、より垂直にすることも可能である。この場合、非球面レンズについては、照明光の均一化、輝度向上の効果との比較において、採用の可否を考慮できる。   Further, as a means for collimating the passing light beam as much as possible, the field lens is replaced with an aspheric lens having an optimal aspheric shape (plano-convex or double-sided) instead of an inexpensive plano-convex spherical lens. It is also possible to make it vertical. In this case, whether or not the aspheric lens can be used can be considered in comparison with the effects of uniformizing illumination light and improving luminance.

そして、その被照明体に入射する光線位置はガラス被覆発光素子10の発光点位置に対応して決まるので、ガラス被覆発光素子10の光線強度が一様であれば、被照明体の各点に到達する光線強度も一様に近い状態になる。このため、たとえば一般の建築照明部材や液晶テレビ、プロジェクタ画面等のディスプレイ等の分野において、従来のインテグレータレンズ系のような高価な均一化光学系等の高価な追加光学系を用いることなく、必要な場合でも薄い拡散板のような安価な均一化素子を追加する程度でほぼ均一な光線強度の照射面やスクリーンを実現できる。   Since the position of the light beam incident on the illuminated body is determined corresponding to the light emitting point position of the glass-coated light emitting element 10, if the light intensity of the glass-coated light emitting element 10 is uniform, each position of the illuminated body The reaching light intensity is also nearly uniform. For this reason, for example, in the field of displays such as general architectural lighting members, liquid crystal televisions, and projector screens, it is necessary without using expensive additional optical systems such as expensive homogenizing optical systems such as conventional integrator lens systems. Even in such a case, it is possible to realize an irradiation surface or screen having a substantially uniform light intensity by adding an inexpensive uniformizing element such as a thin diffusion plate.

しかも、本発明では、ガラス被覆発光素子10に光散乱部を備えているので、照明領域の内部を外縁部とほぼ同等の照度で照明することができるとともに、発光素子1の発光領域が発光素子1の形状に対応する形状を有するので、被照明体の照明すべき形状に合わせた形状に発光素子1を形成することで、被照明体での照明領域を自由に形成することができる。   In addition, in the present invention, since the glass-coated light emitting element 10 includes the light scattering portion, the inside of the illumination area can be illuminated with substantially the same illuminance as the outer edge portion, and the light emitting area of the light emitting element 1 is the light emitting element. Since the light emitting element 1 has a shape corresponding to the shape to be illuminated of the object to be illuminated, the illumination area on the object to be illuminated can be freely formed.

次に、本発明のプロジェクタ装置(以下、単にプロジェクタという。)について図25を参照しながら説明するが、本発明はこの図に示すようなものに限定されない。   Next, a projector device of the present invention (hereinafter simply referred to as a projector) will be described with reference to FIG. 25, but the present invention is not limited to the one shown in this figure.

本発明のプロジェクタ100は、本発明のガラス被覆発光素子10R,10G,10Bと、フィールドレンズ60と、LCD(液晶表示装置)70R,70G,70Bと、合波素子80と、プロジェクションレンズ90とを備えている。なお、ガラス被覆発光素子10R,10G,10Bは通常それらの電極がバンプによって配線基板の配線パターンに電気的に接続されている。各ガラス被覆発光素子10R,10G,10Bと、各LCD70R,70G,70Bより、照明装置50R,50G,50Bが構成される。   The projector 100 of the present invention includes the glass-coated light emitting elements 10R, 10G, and 10B of the present invention, a field lens 60, LCDs (liquid crystal display devices) 70R, 70G, and 70B, a multiplexing element 80, and a projection lens 90. I have. The glass-coated light emitting elements 10R, 10G, and 10B are usually electrically connected to the wiring pattern of the wiring board by bumps. Each of the glass-coated light emitting elements 10R, 10G, and 10B and the LCDs 70R, 70G, and 70B constitute lighting devices 50R, 50G, and 50B.

このような構成のプロジェクタ100によれば、RGBの各光源として設けたガラス被覆発光素子10R,10G,10Bからの光は、それぞれフィールドレンズ60を透過したのち、LCD(液晶表示装置)70R,70G,70Bに背面から入射してバックライトを構成する。そして、このLCD(液晶表示装置)70R,70G,70Bにおいて、RGBのそれぞれの光成分に対応する画像が形成された後、それらの画像成分が合波素子80で合波されてから、投影レンズ90に入射する。   According to the projector 100 having such a configuration, the light from the glass-covered light emitting elements 10R, 10G, and 10B provided as the RGB light sources passes through the field lens 60, and then LCDs (liquid crystal display devices) 70R and 70G. , 70B from the back surface to constitute a backlight. In the LCDs (liquid crystal display devices) 70R, 70G, and 70B, after images corresponding to the respective RGB light components are formed, the image components are combined by the combining element 80, and then the projection lens. 90 is incident.

本発明のプロジェクタ100によれば、発光素子10R,10G,10Bと1枚のフィールドレンズ60という構成だけで三原色のそれぞれのLCDを、従来の複雑で、ある大きさを持ったインテグレータ光学系等の均一化光学系を用いることなく、照明領域の内部を外縁部とほぼ同等の照度で均一に照明する光学エンジン部を構成できる。したがって、従来の3枚のLCDプロジェクタ光学系を、その部品点数を大幅に減らし、かつ、小さく、安価に製作できるようになる。   According to the projector 100 of the present invention, each of the three primary color LCDs can be replaced with a conventional complex optical system having a certain size by using only the configuration of the light emitting elements 10R, 10G, and 10B and the single field lens 60. An optical engine unit that uniformly illuminates the interior of the illumination area with substantially the same illuminance as the outer edge portion can be configured without using a uniformizing optical system. Therefore, the conventional three LCD projector optical systems can be manufactured at a low cost with a reduced number of parts.

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は、2007年5月17日出願の日本特許出願(特願2007−132194)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。   Although the present invention has been described in detail and with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. This application is based on a Japanese patent application filed on May 17, 2007 (Japanese Patent Application No. 2007-132194), the contents of which are incorporated herein by reference.

本発明のガラス被覆発光素子は、照射効率が良好であるとともに出射光を所望の方向に効率よく導光することが可能であり、かつ、レンズまたはライトパイプとの位置合わせが不要となる効果を有するばかりでなく、半導体発光素子からの出射光を光散乱部によって発光用の光として効率的に取り出して利用に供することができるので、ガラス被覆発光素子の前方にフィールドレンズ(対物レンズ)が配置されている照明光源やこの照明光源を有するプロジェクタ装置等に有用である。   The glass-coated light emitting device of the present invention has an effect that the irradiation efficiency is good and the emitted light can be efficiently guided in a desired direction, and the alignment with the lens or the light pipe is not required. In addition to having the light emitted from the semiconductor light emitting element, it can be efficiently extracted and used as light for light emission by the light scattering part, so a field lens (objective lens) is placed in front of the glass-coated light emitting element. It is useful for an illumination light source that has been used and a projector apparatus having this illumination light source.

Claims (11)

半導体発光素子と、
当該半導体発光素子から出射された光を出射する表面を有し、当該表面が半球面より広い球形状で一部に球欠部を有するとともに、前記球欠部において前記半導体発光素子に取り付けられ、前記半導体発光素子の発光ピーク波長における屈折率が1.7以上で、直径に対する前記球欠部の最大径の比が少なくとも1.8以上であるガラスと、
前記ガラスの前記表面から出射されずに前記ガラス内部に存在する光を屈折させる光散乱部と、
を備えるガラス被覆発光素子。
A semiconductor light emitting device;
A surface that emits light emitted from the semiconductor light emitting element, and the surface has a spherical shape wider than a hemispherical surface and a part of a spherical notch, and is attached to the semiconductor light emitting element in the spherical notch, A glass having a refractive index at an emission peak wavelength of the semiconductor light-emitting element of 1.7 or more and a ratio of a maximum diameter of the spherical portion to a diameter of at least 1.8;
A light scattering part that refracts light existing inside the glass without being emitted from the surface of the glass;
A glass-coated light emitting device comprising:
請求項1に記載のガラス被覆発光素子であって、
前記光散乱部は、前記ガラスの前記半導体発光素子の発光面を被覆する面に形成された凹凸であることを特徴とするガラス被覆発光素子。
The glass-coated light emitting device according to claim 1,
The glass-coated light-emitting element, wherein the light scattering part is an unevenness formed on a surface of the glass that covers a light-emitting surface of the semiconductor light-emitting element.
請求項1に記載のガラス被覆発光素子であって、
前記光散乱部は、前記ガラスの前記半導体発光素子の発光面を被覆する面と前記半導体発光素子の前記発光面との間に設けた光散乱部材より構成されるガラス被覆発光素子。
The glass-coated light emitting device according to claim 1,
The light scattering portion is a glass-coated light-emitting element including a light scattering member provided between a surface of the glass that covers a light-emitting surface of the semiconductor light-emitting element and the light-emitting surface of the semiconductor light-emitting element.
請求項1に記載のガラス被覆発光素子であって、
前記光散乱部は、前記半導体発光素子に形成された光反射機能を有する電極であることを特徴とするガラス被覆発光素子。
The glass-coated light emitting device according to claim 1,
The light-scattering portion is an electrode having a light reflecting function formed on the semiconductor light-emitting element.
請求項1に記載のガラス被覆発光素子であって、
前記光散乱部は、前記半導体発光素子が接続される配線基板上に設けられた散乱反射面であることを特徴とするガラス被覆発光素子。
The glass-coated light emitting device according to claim 1,
The glass-coated light-emitting element, wherein the light scattering portion is a scattering reflection surface provided on a wiring substrate to which the semiconductor light-emitting element is connected.
請求項1から5のいずれか1項に記載のガラス被覆発光素子であって、
前記屈折率が2.3以下であるガラス被覆発光素子。
The glass-coated light emitting device according to any one of claims 1 to 5,
A glass-coated light emitting device having a refractive index of 2.3 or less.
請求項1から6のいずれか1項に記載のガラス被覆発光素子であって、
前記屈折率が1.8〜2.2、前記比が3.5以下であるガラス被覆発光素子。
The glass-coated light emitting device according to any one of claims 1 to 6,
A glass-coated light emitting device having a refractive index of 1.8 to 2.2 and a ratio of 3.5 or less.
請求項1から7のいずれか1項に記載のガラス被覆発光素子であって、
前記半導体発光素子が発光ダイオードであるガラス被覆発光素子。
The glass-coated light emitting device according to any one of claims 1 to 7,
A glass-coated light emitting device, wherein the semiconductor light emitting device is a light emitting diode.
請求項1から8のいずれか1項に記載のガラス被覆発光素子であって、
前記半導体発光素子の発光ピーク波長が450〜480nmであるガラス被覆発光素子。
The glass-coated light emitting device according to any one of claims 1 to 8,
A glass-coated light emitting device, wherein the semiconductor light emitting device has an emission peak wavelength of 450 to 480 nm.
請求項1から9のいずれか1項に記載のガラス被覆発光素子と、フィールドレンズより構成される照明装置。   The illuminating device comprised from the glass-coated light emitting element of any one of Claim 1 to 9, and a field lens. 光源として請求項10記載の照明装置を有するプロジェクタ装置。   The projector apparatus which has an illuminating device of Claim 10 as a light source.
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