WO2011024427A1 - レンズとそれを用いた半導体発光素子モジュール - Google Patents

レンズとそれを用いた半導体発光素子モジュール Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a lens having a light incident surface on which light from a light source is incident and a light exit surface for irradiating light incident on the light incident surface toward an object side, and a semiconductor light emitting element module using the lens.
  • a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode (LED) is used as a point light source as a light source for photographing a camera with a mobile phone.
  • a collimator lens that emits as much light as parallel light is used (see, for example, Patent Document 1).
  • the collimator lens disclosed in Patent Document 1 has a recess for forming a space in which an LED can enter.
  • the concave portion is surrounded by a first surface formed of a curved surface at a position facing the optical axis of the LED and a refractive inner wall formed of a curved surface.
  • the first surface forms a light incident surface for taking light into the lens.
  • the refracting inner wall is provided for taking into the lens the light from the LED that deviates laterally outward from the optical axis.
  • a total reflection curved surface is formed on the outer surface which is formed to greatly extend from the recess to the outside.
  • the present invention is a lens that can be miniaturized and a semiconductor light emitting element module using the lens.
  • the lens according to the present invention has a light incident surface, an output surface, and a side surface.
  • the light incident surface is disposed near or in contact with the light source.
  • the exit surface is provided on the opposite side of the light incident surface.
  • the side surface has a curved total reflection surface that totally reflects light incident from the light incident surface.
  • the total reflection surface is configured such that the light beam reflected by the total reflection surface is converged within a predetermined angle from the emission surface.
  • the body portion is between the light incident surface and the light exit surface, it is not necessary to form a useless space in the concave portion as in the prior art, and accordingly the size of the lens in the lateral direction is increased. This can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress an increase in size as in a conventional collimator lens and to realize a reduction in size.
  • the light reflected by the curved total reflection surface formed on at least a part of the outer surface of the main body is converged within a predetermined angle from the exit surface around the optical axis of the lens. Therefore, light emitted from a point light source such as an LED can be used effectively.
  • FIG. 1 is an enlarged side view showing a semiconductor light emitting device module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing the orientation of the lens of the semiconductor light emitting element module shown in FIG. 3A is a plan view of the lens shown in FIG.
  • FIG. 3B is a left side view of the lens shown in FIG. 3C is a front view of the lens shown in FIG.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing the orientation of another lens used in the semiconductor light emitting element module according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a plan view of the lens shown in FIG.
  • FIG. 5B is a left side view of the lens shown in FIG.
  • FIG. 5C is a front view of the lens shown in FIG.
  • FIG. 5D is a longitudinal sectional view of the lens shown in FIG.
  • FIG. 1 is an enlarged side view showing a configuration of a semiconductor light emitting element module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing the orientation of the lens of the semiconductor light emitting element module shown in FIG. 3A, 3B, and 3C are a plan view, a left side view, and a front view of the lens shown in FIG. 2, respectively.
  • the semiconductor light emitting element module is disposed in front of a light source (point light source) 1 composed of, for example, a light emitting diode (LED) mounted on a substrate (not shown), for example, and the light emission surface 1A side of the light source 1. It consists of a lens 2.
  • the light source 1 composed of a chip-type LED has a reflector.
  • the shape of the reflector in addition to a circular shape in plan view, an elliptical shape, a rectangular shape, a polygonal shape, or the like can be used.
  • Such a semiconductor light emitting element module is built in a mobile phone or the like.
  • the lens 2 is integrally molded with resin or the like.
  • the lens 2 includes a main body portion 4 having a light incident surface 3, an emission surface 5, and a side surface 10, and a flange portion 8.
  • the flat light incident surface 3 is almost in contact with the light source 1. “Substantially contact” refers to a state in which the exit surface 1A of the light source 1 is brought as close as possible to the entrance surface 3, and a small gap is generated between the entrance surface 3 and the exit surface 1A of the light source 1. However, this includes the case where the light exit surface 1 ⁇ / b> A of the light source 1 is brought into contact with the light incident surface 3. That is, the light incident surface 3 is disposed in the vicinity of the light source 1 or is in contact with the light source 1.
  • the main body 4 extends from the light incident surface 3 to the object side, and a flat emission surface 5 is formed on the end surface of the main body 4 on the object side. That is, the emission surface 5 is provided on the opposite side of the light incident surface 3.
  • the side surface 10 provided between the light incident surface 3 and the light exit surface 5 is composed of a curved total reflection surface 6A and a cylindrical surface 7A that protrude outward. That is, the side surface 10 has a curved total reflection surface 6A that totally reflects light incident from the light incident surface 3.
  • the main body portion 4 It has the barrel-shaped part 6 provided in the side.
  • the side surface of the barrel-shaped portion 6 is configured by a total reflection surface 6A having a predetermined length longer in the optical axis K direction than the cylindrical surface 7A that is the side surface of the cylindrical portion 7.
  • the side surface of the barrel-like portion 6 is a gently curved surface whose diameter gradually increases as it is positioned upward.
  • the total reflection surface 6A is configured such that the light beam reflected by the total reflection surface 6A is converged within a predetermined angle from the emission surface 5.
  • the barrel portion 6 within a predetermined angular range the light reflected by the total reflection surface 6A from emission face 5, for example, an angle with respect to the normal H of the emission surface 5 of the light rays exiting from the exit surface 5
  • theta 2 It is configured to converge in the range of ⁇ 2 ⁇ 45 °.
  • the square flange portion 8 is provided to fix the lens 2 to a housing (not shown).
  • the flange portion 8 is formed at the end of the barrel-like portion 6 on the emission surface 5 side.
  • the configuration of the main body 4 enables the light emitted from the light source 1 (here, LED) to be effectively utilized while the lens 2 is downsized.
  • the main body 4 preferably satisfies the following conditional expression. That is, the angle of the light beam incident on the light incident surface 3 from the center of the light source 1 with respect to the optical axis K of the lens 2 is ⁇ 1 . circumscribed line S of the total reflection surface 6A of light incident from the incident surface 3 to the lens 2 at an incident angle of theta 1 hits is the angle between a horizontal axis perpendicular N to the optical axis K and theta r.
  • the refractive index of the lens 2 is n. At this time, it is preferable that ⁇ 2 ⁇ 45 °, ⁇ 1 > ⁇ 2 , 30 ° ⁇ 1 ⁇ 90 °, and satisfy the conditional expression (1).
  • the light emitted from the light source 1 can be effectively utilized by the small lens 2 by forming the barrel portion 6 so as to satisfy such a relationship.
  • the lens 2 that satisfies the above-described relationship is used, the light that has entered from the light incident surface 3 is reflected by the total reflection surface 6A of the barrel-shaped portion 6 and exits from the light exit surface 5.
  • An example of the angle is shown in Table 1.
  • the refractive index n of the lens 2 is 1.49.
  • FIG. 2 shows the orientation of light that has entered the lens 2. From FIG. 2, it can be understood that the number of light beams emitted toward the center of the optical axis K is larger than the number of light beams emitted outward. Thus, it turns out that it can condense effectively when the barrel-shaped part 6 satisfy
  • FIG. 4 is an explanatory view showing the orientation of another lens used in the semiconductor light emitting element module according to the embodiment of the present invention.
  • 5A, 5B, 5C, and 5D are a plan view, a left side view, a front view, and a longitudinal sectional view of the lens shown in FIG. 4, respectively.
  • the lens 12 is integrally formed of resin or the like, and has a main body portion 14 and a flange portion 18.
  • the main body 14 has a flat emission surface 15 and a side surface 16 ⁇ / b> A composed of a curved total reflection surface, and a recess 9 is formed on the back side of the emission surface 15.
  • the diameter of the main body 14 gradually increases toward the upper side toward the emission surface 15.
  • the recess 9 constitutes a light incident surface.
  • the concave portion 9 is configured to be surrounded by an upper wall surface 9A that faces the emission surface 1A of the light source 1 and a peripheral wall surface 9B that receives light emitted from the emission surface 1A of the light source 1 to the lateral side.
  • 9 A of upper wall surfaces are comprised by the gentle curved surface located below, so that the optical axis K is near.
  • the peripheral wall surface 9B is configured as a gently curved surface that is closer to the optical axis K as it goes away from the light source 1 and goes upward.
  • FIG. 4 shows the light orientation. Also in this case, it can be seen that the number of light beams emitted toward the optical axis K is larger than the number of light beams emitted outward.
  • the flange portion 18 is not the square shape of the flange portion 8 shown in FIG. Further, a columnar portion may be further provided on the upper surfaces of the flange portions 8 and 18. Further, the flanges 8 and 18 may be omitted, and the lenses 2 and 12 may be configured by the main body portions 4 and 14 alone.
  • the main body 4 of the lens 2 shown in FIG. 1 is composed of the barrel portion 6 and the cylindrical portion 7, but the main body portion 14 of the lens 12 shown in FIG. As described above, the entire outer surface may be constituted by the total reflection surface 6A.
  • the cylindrical portion 7 is a portion that does not affect the light beam passing through the main body portion 4, and is not limited in shape.
  • the cylindrical portion 7 is provided for positioning with respect to a mounted body such as a substrate on which the lens 2 is mounted. That is, the lens 2 can be positioned with respect to the mounted body by inserting the cylindrical portion 7 into the through hole provided in the mounted body.
  • the light source 1 may be configured by a semiconductor laser element or the like.
  • the lens of the present invention at least a part of the side surface connecting the light incident surface and the light exit surface is constituted by a curved total reflection surface that totally reflects light incident from the light incident surface.
  • the curved surface shape of the total reflection surface is configured so that the light reflected by the total reflection surface is converged within a predetermined angle from the emission surface. With this configuration, the lens can be reduced in size.
  • This lens and a semiconductor light emitting element module using the lens are useful in the fields of a mobile phone having a camera function, a digital camera, a surveillance camera, an in-vehicle camera, and the like.

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Abstract

　レンズは、入光面と、出射面と、側面と、を有する。入光面は光源の近傍に配置されるかまたは光源に接触している。出射面は入光面の反対側に設けられている。側面は、入光面から入射した光線を全反射する曲面状の全反射面を有する。この全反射面は、全反射面で反射した光線が出射面から所定角度内に集束するように構成されている。

Description

レンズとそれを用いた半導体発光素子モジュール
　本発明は、光源からの光を入射する入光面と、入光面に入ってきた光を物体側に照射するための出射面とを有するレンズと、それを用いた半導体発光素子モジュールに関する。
　携帯電話でのカメラ撮影用の光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子が点光源として用いられている。そしてＬＥＤ等の点光源から発せられる光を有効に活用するために、できるだけ多くの光を平行光として出射させるコリメータレンズが利用されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１に開示されたコリメータレンズには、ＬＥＤが入り込むことができる空間を形成するための凹部が形成されている。この凹部は、ＬＥＤの光軸と対向する位置に曲面で構成された第１面と、曲面に構成された屈折内壁とで囲まれている。第１面は光をレンズに取り込むための入光面を形成している。屈折内壁はＬＥＤからの光のうち光軸から横外方へ外れる光をレンズに取り込むために設けられている。そして凹部から外側に大きく拡がって形成される外面には全反射曲面が形成されている。
　しかしながら、この構成では、凹部とこの凹部よりも外側に大きく広がる外面の２つの主構成が必要である。そのため、幅を小さくすることができず、コリメータレンズそのものが大型になる。
特開２００４－５１６６８４号公報
　本発明は、小型化できるレンズとそれを用いた半導体発光素子モジュールである。本発明によるレンズは、入光面と、出射面と、側面とを有する。入光面は光源の近傍に配置されるかまたは光源に接触している。出射面は入光面の反対側に設けられている。側面は、入光面から入射した光線を全反射する曲面状の全反射面を有する。この全反射面は、全反射面で反射した光線が出射面から所定角度内に集束するように構成されている。
　この構成では、入光面と出射面との間が本体部になっていることから、従来のような凹部内の無駄な空間を形成することが不要になり、その分レンズの横方向の大きさを抑えることができる。したがって従来のコリメータレンズのように大型化することを抑制し、小型化を実現することができる。しかも、本体部の外側面の少なくとも一部に形成された曲面状の全反射面で反射した光が出射面からレンズの光軸を中心として所定角度内に集束する。そのため、ＬＥＤ等の点光源から発せられる光を有効に活用することができる。
図１は本発明の実施の形態による半導体発光素子モジュールを示す拡大側面図である。 図２は図１で示した半導体発光素子モジュールのレンズの配向を示す説明図である。 図３Ａは図２に示したレンズの平面図である。 図３Ｂは図２に示したレンズの左側面図である。 図３Ｃは図２に示したレンズの正面図である。 図４は本発明の実施の形態による半導体発光素子モジュールに用いる別のレンズの配向を示す説明図である。 図５Ａは図４に示したレンズの平面図である。 図５Ｂは図４に示したレンズの左側面図である。 図５Ｃは図４に示したレンズの正面図である。 図５Ｄは図４に示したレンズの縦断面図である。
　図１は、本発明の実施の形態による半導体発光素子モジュールの構成を示す拡大側面図である。図２は図１で示した半導体発光素子モジュールのレンズの配向を示す説明図である。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃはそれぞれ、図２に示したレンズの平面図、左側面図、正面図である。この半導体発光素子モジュールは、例えば基板（図示せず）に実装される例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成された光源（点光源）１と、光源１の出射面１Ａの側の前方に配置されたレンズ２とで構成されている。チップ型のＬＥＤで構成された光源１はリフレクタを有する。このリフレクタの形状は、平面視において円形の他、楕円形や角形あるいは多角形などのものを用いることができる。このような半導体発光素子モジュールは携帯電話などに内蔵される。
　レンズ２は、樹脂などにより一体成型されている。レンズ２は、入光面３と出射面５と側面１０とを有する本体部４と、フランジ部８とを有する。
　平面の入光面３は光源１にほぼ接触している。「ほぼ接触」とは、入光面３に対して光源１の出射面１Ａを出来る限り近付けて入光面３と光源１の出射面１Ａとの間に小さな隙間が発生している状態を言うが、入光面３に対して光源１の出射面１Ａを接触させる場合も含む。すなわち入光面３は、光源１の近傍に配置されるかまたは光源１に接触している。
　本体部４は入光面３から物体側へ延び、平面の出射面５は本体部４の物体側の端面に形成されている。すなわち、出射面５は入光面３の反対側に設けられている。
　入光面３と出射面５との間に設けられた側面１０は、外向きに凸な曲面状の全反射面６Ａと円柱面７Ａとで構成されている。すなわち、側面１０は、入光面３から入射した光を全反射する曲面状の全反射面６Ａを有する。
　つまり、図１、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、本体部４は、入光面３と同一径にて形成された円柱部７と、円柱部７の出射面５側に設けられた樽状部６とを有する。樽状部６の側面は、円柱部７の側面である円柱面７Ａよりも光軸Ｋ方向で長い所定長さを有する全反射面６Ａで構成されている。樽状部６の側面は、上方に位置するほど径が少しずつ大きくなる緩やかな曲面になっている。具体的には、全反射面６Ａで反射した光線が出射面５から所定角度内に集束するように全反射面６Ａが構成されている。すなわち、樽状部６は、全反射面６Ａで反射した光が出射面５から所定角度範囲内、例えば出射面５から出て行く光線の出射面５の法線Ｈに対する角度をθ２とするとθ２＜４５°の範囲に集束するように構成されている。
　角形のフランジ部８はレンズ２を図示していない筐体に固定するために設けられている。フランジ部８は、樽状部６の出射面５側端に形成されている。
　本体部４の構成により、レンズ２を小型化しながらも、光源１（ここではＬＥＤ）から発せられる光を有効に活用することができる。
　より具体的には、本体部４が下記条件式を満たすことが好ましい。つまり、光源１の中心から入光面３に入射する光線のレンズ２の光軸Ｋに対する角度をθ１とする。θ１の入射角で入光面３からレンズ２に入射した光線が当たる全反射面６Ａの外接線Ｓが、光軸Ｋに垂直な水平軸Ｎと成す角度をθｒとする。またレンズ２の屈折率をｎとする。このとき、θ２＜４５°、θ１＞θ２、３０°＜θ１＜９０°であって、かつ条件式（１）を満たすことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　このような関係を満たすように樽状部６を形成することにより、光源１から発せられる光を小型のレンズ２で有効に活用することができる。
　上述の関係を満たすレンズ２を用いた場合に、入光面３から入ってきた光が、樽状部６の全反射面６Ａに反射され、出射面５から出て行く場合の各面における光の角度の一例を表１に示す。なお、レンズ２の屈折率ｎは１．４９としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　θ１＝９０°とは光軸Ｋに垂直な方向なので、点光源である光源１からこの方向には光線は発せられない。またレンズ２を構成する材料の屈折率は一般的に１．４～１．７程度であるため、θ１＝３０°の場合には、入光面３から入射した光線の進む方向と光軸Ｋとが成す角度はかなり小さくなる。したがってこのような光線が全反射面６Ａに当たるためには樽状部６の光軸Ｋに沿った方向の長さを大きくする必要がある。すなわちレンズ２が大きくなる。したがって３０°＜θ１＜９０°の範囲でθ２がある程度の範囲になっていれば、小型のレンズ２で適度に集光できると言える。表１より、θ２は±３０°以内に収まっている。
　また、図２はレンズ２に入ってきた光の配向を示している。図２より、光軸Ｋの中心部側に出射される光線の数がそれよりも外側に出射される光線の数よりも多くなっていることが理解できる。このように樽状部６が上述の関係を満たすことにより、有効に集光できることがわかる。
　なお図１に示す構成では、入光面３を平面に形成しているが、本発明はこれに限定されない。図４及び図５Ａ～図５Ｄに示すように、光源１の出射面１Ａを覆うように凹んだ凹部９を形成してもよい。図４は本発明の実施の形態による半導体発光素子モジュールに用いる別のレンズの配向を示す説明図である。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄはそれぞれ、図４で示したレンズの平面図、左側面図、正面図、縦断面図である。
　レンズ１２は、レンズ２と同様に、樹脂などにより一体成型され、本体部１４とフランジ部１８とを有する。本体部１４は、平面の出射面１５と、曲面の全反射面で構成された側面１６Ａとを有し、出射面１５の裏側に凹部９が形成されている。本体部１４は、出射面１５に向かう上方になるほど徐々に径が大きくなっている。凹部９は入光面を構成している。
　凹部９は、光源１の出射面１Ａに対向する上壁面９Ａと、光源１の出射面１Ａから横側へ出射される光を受ける周壁面９Ｂとに囲まれて構成されている。上壁面９Ａは、光軸Ｋに近いほど下方に位置する緩やかな曲面で構成されている。周壁面９Ｂは、光源１から遠ざかり上方に向かうほど光軸Ｋに近付く緩やかな曲面に構成されている。
　図４は光の配向を示している。この場合も、光軸Ｋ側に出射される光線の数がそれよりも外側に出射される光線の数よりも多くなっていることがわかる。
　図４に示すようにレンズ１２に凹部９を設けた場合でも、前述の条件式を満足するようにレンズ１２を作製することによって、本体部１４の外方側へ光が広がるのを抑えることができる。したがって、レンズ１２の大型化を抑制しながら、光源１（ここではＬＥＤ）から発せられる光を有効に活用することができる。
　図５Ａでは、フランジ部１８が、図３Ａに示すフランジ部８の角形ではなく、円形になっているが、フランジ部８、１８の形状は、その他各種の形状であってもよい。また、フランジ部８、１８の上面にさらに円柱状部をさらに設けてもよい。また、フランジ部８、１８を省略して本体部４、１４のみでレンズ２、１２を構成してもよい。
　また図１に示すレンズ２の本体部４は、本体部４を樽状部６と円柱部７で構成されているが、樽状部６のみで構成し図４に示すレンズ１２の本体部１４のように外側面の全域を全反射面６Ａで構成してもよい。円柱部７は図２に示すように本体部４内を通る光線に影響しない部分であり、形状の制約はない。本実施の形態では、円柱部７はレンズ２を装着する基板などの被装着体に対して位置決めするために設けられている。すなわち、被装着体に設けられた貫通孔に円柱部７を挿入することで被装着体に対してレンズ２を位置決めすることができる。
　また、光源１をＬＥＤで構成した例を示したが、半導体レーザ素子などで光源１を構成してもよい。
　なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。
　本発明のレンズは、入光面と出射面とをつなぐ側面の少なくとも一部が入光面から入射した光線を全反射する曲面状の全反射面で構成されている。そして、この全反射面で反射した光が出射面から所定角度内に集束するように全反射面の曲面形状が構成されている。この構成によって、レンズを小型化することができる。このレンズやそれを用いた半導体発光素子モジュールは、カメラ機能を備えた携帯電話機、デジタルカメラ、監視用カメラ、車載カメラ等の分野で有用である。
１　　光源
１Ａ　　出射面
２，１２　　レンズ
３　　入光面
４，１４　　本体部
５，１５　　出射面
６　　樽状部
６Ａ　　全反射面
７　　円柱部
８，１８　　フランジ部
９　　凹部
９Ａ　　上壁面
９Ｂ　　周壁面
１０，１６Ａ　　側面

Claims (4)

  1. 光源の近傍に配置されるかまたは前記光源に接触する入光面と、
    前記入光面の反対側に設けられた出射面と、
    前記入光面から入射した光線を全反射する曲面状の全反射面を有する側面と、を備え、
    前記全反射面で反射した光線が前記出射面から所定角度内に集束するように前記全反射面が構成されている、
    レンズ。
  2. 前記光源の中心から前記入光面に入射する光線の前記レンズの光軸に対する角度をθ１、前記出射面から出て行く光線の前記出射面の法線に対する角度をθ２、θ１の入射角で前記入光面から前記レンズに入射した光線が当たる前記全反射面の外接線が、前記レンズの前記光軸に垂直な水平軸と成す角度をθｒ、前記レンズの屈折率をｎとするとき、
    θ２＜４５°、θ１＞θ２、３０°＜θ１＜９０°を満たすとともに、条件式（１）を満たすように形成されている、
    請求項１記載のレンズ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  3. 半導体発光素子で構成された光源と、
    前記光源の出射面側に配置された請求項１記載のレンズと、を備えた、
    半導体発光素子モジュール。
  4. 前記光源の中心から前記入光面に入射する光線の前記レンズの光軸に対する角度をθ１、前記出射面から出て行く光線の前記出射面の法線に対する角度をθ２、θ１の入射角で前記入光面から前記レンズに入射した光線が当たる前記全反射面の外接線が、前記レンズの前記光軸に垂直な水平軸と成す角度をθｒ、前記レンズの屈折率をｎとするとき、
    θ２＜４５°、θ１＞θ２、３０°＜θ１＜９０°を満たすとともに、条件式（１）を満たすように形成されている、
    請求項３記載の半導体発光素子モジュール。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
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