WO2020021851A1 - 指向性を有するｌｅｄ光源装置、ｌｅｄ光源装置の製造方法およびプロジェクター - Google Patents

指向性を有するｌｅｄ光源装置、ｌｅｄ光源装置の製造方法およびプロジェクター Download PDF

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WO2020021851A1
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WO
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source device
light source
refractive index
led light
light
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PCT/JP2019/021451
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榎本　實
達 伊藤
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株式会社フーマイスターエレクトロニクス
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    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/40—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters with provision for controlling spectral properties, e.g. colour, or intensity
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
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    • G03B21/14—Details
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/52—Encapsulations
    • H01L33/56—Materials, e.g. epoxy or silicone resin

Definitions

  • the present invention relates to an LED light source device having directivity, a method of manufacturing the LED light source device, and a projector.
  • the amount of luminous flux of light emitted from the LED light source device can be increased to some extent, and the emission angle of light can be reduced to some extent.
  • an LED light source device and a projector capable of irradiating light with a larger number of rays and a smaller emission angle In the case of a configuration having a reflector, it is relatively difficult to create a reflector so that the light intensity distribution is uniform, and an LED light source device and a projector capable of irradiating light with uniform intensity have been demanded. .
  • An object of the present invention is to provide an LED light source device, a method of manufacturing the LED light source device, and a projector capable of irradiating light having a larger luminous flux amount, a smaller emission angle, and uniform intensity.
  • An LED light source device includes an LED chip, a reflector surrounding the LED chip, and a light-transmitting member formed of a light-transmitting material and having an upper surface formed in a lens shape.
  • the first translucent member is a layer that is in contact with the LED chip without a gap and has a light refractive index of 90% or more of the light refractive index of the LED chip. It has a refractive index layer.
  • the translucent member further includes a low-refractive-index layer having a lower refractive index of light than the first high-refractive-index layer, and the low-refractive-index layer includes the first high-refractive-index layer.
  • the translucent member further includes a second high-refractive-index layer having a higher refractive index of light than the low-refractive-index layer, and the second high-refractive-index layer includes the low-refractive-index layer.
  • a configuration in which the layers are stacked on the upper surface of the layer without any gap and the upper surface is formed in a lens shape can be adopted.
  • the first high refractive index layer is made of a light-transmitting resin or glass
  • the low refractive index layer is made of a light-transmitting resin
  • the second high refractive index is The layer can be configured to be made of a translucent resin or glass.
  • the second high refractive index layer may be configured such that an upper surface and a lower surface are formed in a lens shape.
  • the first high refractive index layer may have a configuration in which an upper surface is formed in a lens shape.
  • the first high refractive index layer may have a structure including a phosphor layer containing a phosphor.
  • the translucent member may be configured not to contain sulfur.
  • An LED light source device includes an LED chip, a reflector surrounding the LED chip, and a light-transmitting member formed of a light-transmitting material and having an upper surface formed in a lens shape.
  • the translucent member is in contact with the LED chip without a gap, and is also in contact with the upper surface of the reflector without a gap.
  • the translucent member may be configured to have a refractive index of light of 80% or more with respect to a refractive index of light of the LED chip.
  • the translucent member may be configured to be integrally formed.
  • the translucent material when the translucent material is filled in the reflector and the translucent member is integrally formed, an outflow preventing portion for preventing the translucent material from flowing out. May be further provided.
  • the light-transmitting member may be configured to contain sulfur.
  • the projector includes an LED light source device for red light, a transmissive liquid crystal panel for red light that modulates light emitted from the LED light source device for red light, an LED light source device for green light, and the green light.
  • Green light transmission type liquid crystal panel that modulates light emitted from the LED light source device, blue light LED light source device, and red light transmission type liquid crystal that modulates light emitted from the red light LED light source device
  • a projector comprising: a panel, a red light, a dichroic prism that combines green light and blue light, and a projection optical system that projects the combined light from the dichroic prism, wherein the LED light source device for red light and the green light
  • the LED light source device and the LED light source device for blue light are configured by the LED light source device.
  • an LED light source device a method of manufacturing the LED light source device, and a projector which can emit uniform light with a large light flux and a small radiation angle.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a projector according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the LED light source device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the LED light source device shown in FIG. 2 along the line III-III. It is a figure for explaining the LED light source device and the projector used for the simulation.
  • 5 is a graph illustrating a simulation result of a relationship between a distance from an optical axis of an LED chip and a light flux density in Example 1.
  • 10 is a graph showing a simulation result of a relationship between a distance from an optical axis of an LED chip and a light flux density in Example 2. It is sectional drawing of the LED light source device which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a projector device 4 according to the present embodiment.
  • the projector device 4 of the present embodiment includes three LED light source devices 1, three collimator lenses 42, three liquid crystal light valves 43, a dichroic prism 41, and a projection optical system 44.
  • the LED light source device 1, the collimator lens 42, and the liquid crystal light valve 43 emit R (red), G (green), and B (blue) light to the dichroic prism 41.
  • the red light (R light) from the LED light source device 1R is collimated by the collimator lens 42R and light-modulated by the liquid crystal light valve 43R.
  • the liquid crystal light valve 43R is a transmissive liquid crystal panel (HTPS liquid crystal panel) arranged in a matrix and is a known light modulator that modulates the R light for each pixel according to a video signal.
  • HTPS liquid crystal panel transmissive liquid crystal panel
  • the green light (G light) from the LED light source device 1G and the blue light (B light) from the LED light source device 1B which are collimated by the collimator lenses 42G and 42B and are formed by the known liquid crystal light valves 43G and 43B.
  • the light is modulated.
  • the dichroic prism 41 has two dichroic films disposed so as to be orthogonal to each other.
  • One dichroic film reflects R light, but transmits G light and B light other than R light, and the other dichroic film.
  • the film reflects B light, but transmits R light and G light other than B light.
  • the projection optical system 44 includes a plurality of projection lenses on which the light synthesized by the dichroic prism 41 is incident, and a projection lens housing for accommodating the plurality of projection lenses.
  • the projection optical system 44 emits the projection light L to display a color image on a screen. Enlarge and project.
  • LED light source device Next, the LED light source device 1 according to the first embodiment, which constitutes the projector device 4 shown in FIG. 1, will be described.
  • the LED light source device 1 includes a mounting substrate 11, a wiring layer 12 formed on the upper surface of the mounting substrate 11, and a solder resist layer 13 for protecting the wiring layer 12.
  • a plurality of LED chips 14, a reflector 20, and a translucent member 30. 2 and 3 illustrate the configuration in which the LED light source device 1 includes nine LED chips 14 in 3 series ⁇ 3 parallel, the number of LED chips 14 is not limited, and the number of LED chips 14 is one. One, two to eight, or ten or more.
  • the LED chip 14 is a bare LED chip mounted on a surface.
  • an LED chip having a sapphire substrate that emits blue light is used as the LED chip 14, but the LED chip 14 is not particularly limited.
  • a gallium nitride (GaN, AlGaN, InGaN) LED chip Alternatively, an LED chip that emits ultraviolet light, particularly UVA, may be used.
  • the LED chip 14 is bonded to the wiring layer 12 by flip-chip mounting.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • the LED chip 14 can be bonded by wire bonding.
  • the LED chip 14 uses, for example, an LED chip having a maximum rated current of 300 mA or more, preferably a maximum rated current of 400 mA or more, and more preferably a maximum rated current of 500 mA or more.
  • the size of the LED chip 14 is preferably 3 to 4 mm square or less, and is 1.5 mm square or less. Is preferred.
  • an LED chip having a maximum rated current of 2 to 4 A is used as the LED chip 14.
  • the amount of heat generated in the LED chip 14 is large, and it is necessary to efficiently radiate the heat of the LED chip 14. Therefore, in the present embodiment, a high heat dissipation insulator such as aluminum nitride or silicon nitride is used as the mounting substrate 11. Thereby, heat is radiated by efficiently transmitting the heat of the LED chip 14 to the mounting board 11, and the durability of the LED light source device 1 can be improved.
  • the thermal resistance ( ⁇ jc) of the mounting board made of a copper plate is 10 to 12 ° C. per mm 2 of a chip. / W
  • the thermal resistance ( ⁇ jc) of the mounting substrate 11 made of aluminum nitride is 2 to 4 ° C./W.
  • the wiring layer 12 is formed on the mounting board 11, as shown in FIG.
  • the wiring layer 12 is a metal film such as a copper foil.
  • the wiring layer 12 is electrically connected to a power supply and a control device (not shown).
  • the wiring layer 12 can be formed as the wiring layer 12 by removing unnecessary portions by photo-etching the copper foil. 2, illustration of the wiring layer 12 is omitted.
  • the material used for the wiring layer 12 is not limited to a copper foil film, and for example, a metal such as a silver paste or a copper paste can be used.
  • This wiring layer 12 is surface-treated by plating with NiCrAu or NiPdAu.
  • solder resist layer 13 is laminated on some of the wiring layers 12.
  • the solder resist layer 13 includes a silicone resin, a glass epoxy resin, and a polyamide resin as main components and has a function of protecting the wiring layer 12.
  • the solder resist layer 13 may include a white inorganic pigment such as titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide, and alumina to provide a function as a reflector.
  • the LED light source device 1 is provided with a reflector 20 so as to surround the LED chip 14 as shown in FIGS.
  • the reflector 20 can be configured to include a light-reflective metal film such as aluminum that causes regular reflection on at least the inner surface. Further, the entire reflector may be formed of aluminum or the like.
  • the reflector 20 is formed on the solder resist layer 13 after performing the bonding process on the LED chip 14. Further, in the present embodiment, the plurality of LED chips 14 are surrounded by one reflector 20, but each LED chip 14 may be surrounded by the reflector 20.
  • the translucent member 30 is made of a translucent material such as glass or a translucent resin material, and has an upper surface formed in a lens shape. As shown in FIG. 3, the translucent member 30 includes a first high refractive index layer 31, a low refractive index layer 32, and a second high refractive index layer 33.
  • the first high-refractive-index layer 31 is a light-transmitting layer made of, for example, a transparent resin made of an epoxy-based or silicone-based resin or glass, and has a refractive index of 90% or more with respect to the light refractive index of the LED chip 14.
  • This is a light-transmitting layer having a refractive index of light.
  • the LED chip 14 is an LED chip of a sapphire substrate
  • the refractive index n of light of the LED chip is 1.768
  • the refractive index n of light of the first high refractive index layer 31 is 1.591 or more. Is done.
  • the light transmissive resin using the ordinary silicone resin has a light refractive index of about 1.4 to 1.57, but the first high refractive index layer according to the present embodiment has a light refractive index n.
  • a high refractive resin of 1.591 or more.
  • examples of such a high-refractive resin include LPL-1150 (Mitsubishi Gas Chemical) having a light refractive index n of 1.76, MR-174 (Mitsui Chemicals) having a light refractive index n of 1.74, and light refraction.
  • OKP Osaka Gas Chemical having a ratio n of 1.64 can be used.
  • the first high refractive index layer 31 has a phosphor layer 311 containing a phosphor and a non-phosphor layer 312 containing no phosphor.
  • the phosphor layer 311 and the non-phosphor layer 312 together constitute the first high refractive index layer 31 having a light refractive index of 90% or more of the light refractive index of the LED chip 14.
  • the LED chip 14 itself is an LED chip that can emit red light, green light, or blue light, the LED chip 14 emits red light, red light, green light, or blue light.
  • the phosphor layer 311 is not required, and the first high refractive index layer 31 can be constituted only by the non-phosphor layer 312. In the present embodiment, since the LED chip 14 for irradiating blue light is provided, the phosphor layer 311 is provided for irradiating red or green light.
  • the phosphor layer 311 is obtained by mixing a phosphor into a high-refractive resin for forming the first high-refractive-index layer 31 and extends to a position beyond the upper surface of the LED chip 14 so as to be in contact with the LED chip 14 without a gap.
  • the reflector 20 is formed by filling the reflector 20 with a high refractive resin mixed with a phosphor.
  • the phosphor contained in the phosphor layer 311 is not particularly limited, and can be appropriately set according to a desired light color. Note that, in the present embodiment, a configuration in which the phosphor layer 311 is formed by mixing a phosphor with a high refractive resin is exemplified. However, the present invention is not limited to this configuration. For example, the phosphor layer 311 is formed on the upper surface of the LED chip 14. By sticking this sheet, the phosphor layer 311 can be laminated on the upper surface of the LED chip 14.
  • a non-phosphor layer 312 containing no phosphor and made of a high-refractive material is laminated.
  • the upper surface of the non-fluorescent material layer 312 is formed in a lens shape (curved surface).
  • the shape of the lens of the non-fluorescent material layer 312 can be designed by a known method so that almost no total reflection occurs at the interface between the non-fluorescent material layer 312 and the low refractive index layer 32.
  • the upper surface of the non-phosphor layer 312 is formed such that the radius R is 0.576 mm.
  • the non-phosphor layer 312 can be formed by using a mold having a curved surface corresponding to the shape of the upper surface of the non-phosphor layer 312, filling the mold with a high-refractive-index translucent resin, and curing the mold. it can.
  • the non-phosphor layer 312 is separately manufactured in advance using a mold, and the phosphor layer 311 is cured while the manufactured non-phosphor layer 312 is laminated on the phosphor layer 311. May be attached to the upper surface of the phosphor layer 311 (especially, when the non-phosphor layer 312 is made of glass, it is preferable to manufacture separately).
  • the first high refractive index layer 31 including the phosphor layer 311 and the non-phosphor layer 312 can be configured in a state in which the first high refractive index layer 31 is in close contact with the LED chip 14 and has no gap between the LED chip 14 and the LED chip 14.
  • a method of curing the translucent resin a method of curing by heating using a metal mold can also be used, but UV light is irradiated from outside using a mold made of translucent glass or the like. Curing method.
  • the low refractive index layer 32 is stacked on the upper surface of the first high refractive index layer 31 without any gap.
  • the low-refractive-index layer 32 is a light-transmitting resin layer made of, for example, an epoxy-based or silicone-based transparent resin, and is filled with the low-refractive resin up to the height of the upper surface of the reflector 20 in the reflector 20 and cured. It is formed by doing.
  • the low-refractive-index layer 32 is a light-transmitting resin layer having a light refractive index lower than that of the first high-refractive-index layer 31.
  • the refractive index n of the light of the first high refractive index layer 31 is 1.76
  • the refractive index n of the low refractive index layer 32 is less than 1.74.
  • Examples of such a low-refractive resin include OE6351 having a refractive index n of 1.54 (Dow Corning Toray Co., Ltd.) and KER6200 having a refractive index n of 1.51 (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). Can be used.
  • the second high-refractive-index layer 33 is further stacked on the upper surface of the low-refractive-index layer 32 without gaps.
  • the second high-refractive-index layer 33 is a light-transmitting layer made of a light-transmitting material such as an epoxy-based or silicone-based light-transmitting resin or glass. As shown in FIG. It is formed in a shape. For example, a mold having a curved surface corresponding to the shape of the upper surface of the second high-refractive-index layer 33 is placed on the reflector 20, and the mold is filled with a high-refractive-index translucent resin and cured to cure the second high-refractive-index layer 33.
  • the refractive index layer 33 can be formed on the upper surface of the low refractive index layer 32 without gaps.
  • the second high-refractive-index layer 33 can be cured by heating using a metal mold, similarly to the first high-refractive-index layer 31. A method of curing by irradiating UV light from outside may be used.
  • the second high refractive index layer 33 is separately manufactured in advance using a mold, and the manufactured second high refractive index layer 33 is laminated on the low refractive index layer 32.
  • the second high-refractive-index layer 33 may be attached to the upper surface of the low-refractive-index layer 32 (particularly, the second high-refractive-index layer 33 may be formed of glass. , It is preferable to manufacture them separately.)
  • the second high-refractive-index layer 33 is a light-transmitting layer in which the refractive index of light is higher than that of the low-refractive-index layer 32.
  • the second high-refractive-index layer 33 can be formed using the same light-transmitting resin or glass as the first high-refractive-index layer 31.
  • the present invention is not limited to this configuration. If the refractive index of light is higher than that of the low refractive index layer 32, a translucent resin or glass having a lower refractive index or a higher refractive index than the first high refractive index layer 31 may be used.
  • the second high-refractive-index layer 33 can also be formed using this.
  • the second high refractive index layer 33 is in contact with the upper surface 21 of the reflector 20 without any gap, and the opening 22 of the reflector 20 (the portion inside the upper surface 21 when the reflector 20 is viewed from above).
  • the opening is formed so as to cover a wider area than the opening.
  • the first high-refractive-index layer 31 is laminated so as to be in contact with the LED chip 14 without any gap, and further, the low-refractive-index layer 32 and the second high-refractive-index layer 33 also have the first high-refractive-index layer 33.
  • the light-transmitting member 30 is formed in such a manner that the light-transmitting member 30 is in close contact with the LED chip 14 and has no air gap between the LED chip 14 and the low-refractive-index layer 32 by being laminated so as to be in contact therewith. it can.
  • the performance of the LED light source device 1 and the projector device 4 according to the present embodiment will be described.
  • one LED chip 14 having a width W of 1.0 mm is provided, the height H1 of the reflector 20 is set to 0.7 mm, and the second high refractive index is set from the upper surface of the LED chip 14.
  • An LED light source device in which the height H2 to the top of the refractive index layer 33 is 2.5 mm, the width L of the second high refractive index layer 33 is 5 mm, and the radius of the lens of the second high refractive index layer 33 is 2.78 mm 1 was simulated.
  • a simulation was also performed on the projector device 4 in which the collimator lens 42 was attached in the irradiation direction of the LED light source device 1. The results of the simulation are shown below.
  • Table 1 below shows the luminous flux (lm) when the light is received on the light receiving surface 10 mm away from the position where the collimator lens 42 is arranged in the configurations (A) to (E) described below.
  • (A) is a configuration having only the LED chip 14 (a configuration without the reflector 20 and the translucent member 30)
  • (B) is a second high refractive index of the LED light source device 1 shown in FIG.
  • the configuration not having only the layer 33 (the configuration in which the light-transmitting member 30 has only the first high-refractive-index layer 31 and the low-refractive-index layer 32), and (C) are similar to the LED light source device 1 shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a simulation result of an LED light source device having a configuration also including a high refractive index layer 33.
  • 4 (D) shows a configuration in which a collimator lens 42 is arranged in front of the LED light source device 1 as shown in FIG. 4, and
  • FIG. 4 (E) shows a light distribution angle of 12 ° or less in the luminous flux of (D).
  • 4 shows a simulation result of a light beam of the projector device 4.
  • the luminous flux in (B) was about 1.5 times as large as that in (A). This is because the first high-refractive-index layer 31 is stacked on the upper surface of the LED chip 14 so as to be in contact with the upper surface of the LED chip 14 without any gap, so that light generated in the LED chip 14 is transmitted between the LED chip 14 and the first high-refractive index layer 31. This is because total reflection at the boundary surface was suppressed, and it was possible to take out the LED chip 14. Further, by making the upper surface of the first high-refractive-index layer 31 into a lens shape, total reflection at the interface between the first high-refractive-index layer 31 and the low-refractive-index layer 32 is also suppressed.
  • the reflector 20 is formed to have a large inclination angle (a steep inclination) so that the incident angle of the light beam reflected by the light 20 and incident from the low refractive index layer 32 to the outside becomes small, so that the low refractive index layer 32 and the outside are formed. Total reflection at the interface with air was also suppressed, and the light beam could be guided to the outside.
  • the light generated by the LED chip 14 can be used as a boundary surface between the LED chip 14 and the first high refractive index layer 31. Can be removed from the LED chip 14. Further, by making the upper surface of the first high refractive index layer 31 into a lens shape, total reflection at the interface between the first high refractive index layer 31 and the low refractive index layer 32 is suppressed, and the outside of the LED light source device 1 is reduced. Can emit light.
  • the upper surface of the second high-refractive-index layer 33 into a lens shape, total reflection at the interface between the second high-refractive-index layer 33 and the outside air is suppressed, and more light flux is transmitted to the LED light source device 1. Can radiate to the outside.
  • the amount of luminous flux is lower than that in (C) due to the effect of the collimator lens 42, but is higher than that in (B). I understand.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the distance L from the optical axis O of the LED chip 14 and the luminous flux density (lm / mm 2 ).
  • the light flux density (lm / mm 2 ) is larger in (C) than in (A) and (B) regardless of the distance L from the optical axis O of the LED chip 14. I have. From this, it is understood that the provision of the second high refractive index layer 33 having a lens-shaped upper surface increases the luminous flux density (lm / mm 2 ) of light emitted to the outside of the LED light source device 1.
  • the luminous flux emitted from the LED light source device 1 can be converged by the collimator lens 42, so that (A) to (C)
  • the luminous flux density (lm / mm 2 ) is higher near the optical axis O of the LED chip 14 (in a range of 3 to 4 mm from the optical axis of the LED chip 14), and becomes steeper from the optical axis O of the LED chip 14.
  • the luminous flux density (lm / mm 2 ) was found to be low. That is, it was found that the light distribution angle of the LED chip 14 can be reduced. Further, as shown in FIG.
  • one LED chip 14 having a width W of 1.0 mm is provided, the height H1 of the reflector 20 is set to 0.75 mm, and the height of the second high refractive index layer 33 from the upper surface of the LED chip 14 is increased.
  • the height H2 of the second high refractive index layer 33 is 2.45 mm
  • the width D of the second high refractive index layer 33 is 3.64 mm
  • the radius of curvature R of the lens of the second high refractive index layer 33 is 1.85 mm.
  • Table 2 below shows the luminous flux amount (lm) when light is received on the light receiving surface at a position 10 mm away from the disposition position of the collimator lens 42 in the configurations (F) to (J) described below in Example 2. Is shown.
  • (F) shows a configuration having only the LED chip 14 (a configuration without the reflector 20 and the translucent member 30)
  • (G) shows the second high refractive index of the LED light source device 1 shown in FIG.
  • the configuration not having only the layer 33 (the configuration in which the translucent member 30 has only the first high-refractive-index layer 31 and the low-refractive-index layer 32), and (H) are similar to the LED light source device 1 shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a simulation result of an LED light source device having a configuration also including a high refractive index layer 33.
  • (I) shows a configuration in which a collimator lens 42 is arranged in front of the LED light source device 1 as shown in FIG. 4, and (J) shows a light distribution angle of 15 ° or less in the light flux of (I).
  • 4 shows a simulation result of a light beam of the projector device 4.
  • the luminous flux in (H) was about twice as large as that in (G). This is because, in (H), the second high-refractive-index layer 33 having a lens-shaped upper surface is formed on the low-refractive-index layer 32 from the opening 22 of the reflector 20 (from the upper surface 21 when the reflector 20 is viewed from above). (The opening of the inner portion), so that total reflection at the interface between the second high-refractive-index layer 33 and the outside air is suppressed, and more light flux is transmitted to the outside of the LED light source device 1. This is because radiation could be emitted.
  • the light generated by the LED chip 14 can be used as a boundary surface between the LED chip 14 and the first high refractive index layer 31. Can be removed from the LED chip 14. Further, by making the upper surface of the first high refractive index layer 31 into a lens shape, total reflection at the interface between the first high refractive index layer 31 and the low refractive index layer 32 is suppressed, and the outside of the LED light source device 1 is reduced. Can emit light.
  • the upper surface of the second high refractive index layer 33 into a lens shape, total reflection at the interface between the second high refractive index layer 33 and the outside air is suppressed, and more light flux is transmitted to the LED light source device 1. Can radiate to the outside.
  • the luminous flux is reduced as compared with (H) due to the influence of the transmittance of the collimator lens 42, but is increased as compared with (G). You can see that it is.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the distance L from the optical axis O of the LED chip 14 and the luminous flux density (lm / mm 2 ).
  • the luminous flux density (lm / mm 2 ) is larger in (H) than in (H) regardless of the distance L from the optical axis O of the LED chip 14. I have. From this, it is understood that the provision of the second high refractive index layer 33 having a lens-shaped upper surface increases the luminous flux density (lm / mm 2 ) of light emitted to the outside of the LED light source device 1.
  • the luminous flux density (lm / mm 2 ) is higher near the optical axis O of the LED chip 14 (in a range of 3 to 4 mm from the optical axis of the LED chip 14), and becomes steeper from the optical axis O of the LED chip 14.
  • the luminous flux density (lm / mm 2 ) was found to be low. That is, it was found that the light distribution angle of the LED chip 14 can be reduced. Further, as shown in FIG.
  • the translucent member 30 is stacked in close contact with the LED chip 14 with no gap between the LED light source device 1 and the LED chip 14.
  • the first high refractive index layer 31 having a refractive index of 90% or more with respect to the refractive index of light of the LED chip 14 is in contact with the LED chip 14 without any gap. Formed. Thereby, total reflection at the boundary surface between the LED chip 14 and the first high refractive index layer 31 can be suppressed, and more light generated by the LED chip 14 can be extracted from the LED chip 14, and as a result, The amount of luminous flux emitted from the LED light source device 1 can be increased.
  • the reflector 20 is provided, and the upper surface of the translucent member 30 (the upper surface of the second high refractive index layer 33) is formed in a lens shape (curved surface). Since the light beam extracted from the chip 14 can be converged on the lens surfaces of the reflector 20 and the light transmitting member 30, light with a small radiation angle and uniform intensity can be emitted.
  • the translucent member 30 includes the low refractive index layer 32 having a lower refractive index of light than the first high refractive index layer 31, and the low refractive index layer 32 includes the first high refractive index layer. It is laminated so as to be in contact with the upper surface of the layer 31 without any gap.
  • the high refractive resin is more expensive than the low refractive resin, so that the low refractive index layer 32 is laminated on the upper surface of the first high refractive index layer 31 made of a translucent resin, and the amount of the high refractive resin used. , The manufacturing cost of the LED light source device 1 can be reduced.
  • the low refractive index layer 32 is laminated on the upper surface of the first high refractive index layer 31, since the upper surface of the first high refractive index layer 31 is formed in a lens shape, the first high refractive index layer 31 At the interface with the low refractive index layer 32, total reflection of the light beam can be effectively suppressed. As a result, the amount of luminous flux of the LED light source device 1 is not significantly reduced as compared with the case where the light-transmitting member 30 is formed only of a high-refractive-index light-transmitting resin or a lens.
  • the second high refractive index layer 33 is laminated on the upper surface of the low refractive index layer 32 so as to be in contact with no gap, and the upper surface of the second high refractive index layer 33 also has a lens shape ( (Curved surface). Thereby, total reflection at the interface between the second high refractive index layer 33 and the outside (air) can be suppressed, and the amount of light emitted to the outside of the LED light source device 1 can be increased. it can. Further, in the LED light source device 1 according to the present embodiment, as shown in FIG.
  • the second high refractive index layer 33 is in contact with the upper surface 21 of the reflector 20 without a gap, and is wider than the opening 22 of the reflector 20. It is formed so as to cover the range. As described above, by forming the second high refractive index layer 33 so as to be in contact with the upper surface 21 of the reflector 20 without any gap, the entire opening 22 of the reflector 20 can be covered by the second high refractive index layer 33, and The portion where the refractive index layer 32 contacts the external air can be eliminated. Accordingly, it is possible to effectively prevent the light flux from being reduced due to the total reflection at the interface between the low refractive index layer 32 and the outside air, and to increase the light flux as the LED light source device 1 as a whole. it can.
  • FIG. 7 is a sectional view of an LED light source device 1a according to the second embodiment.
  • the LED light source device 1a according to the second embodiment has the LED light source device 1 according to the first embodiment stacked on the upper surface of a metal substrate 17 made of metal, which will be described below.
  • the configuration and operation are the same as those of the LED light source device 1 according to the first embodiment.
  • the metal substrate 17 is a plate material having a surface having excellent thermal conductivity and electrical properties made of metal, for example, a water-cooled heat spreader having a surface made of copper or aluminum (the upper plate, the middle plate, and the lower plate).
  • a water-cooled heat spreader having a surface made of copper or aluminum (the upper plate, the middle plate, and the lower plate).
  • a material having low thermal conductivity, such as a glass epoxy resin, is not preferred because a donut phenomenon occurs in which the amount of light at the light emission center portion, which is particularly poor in heat dissipation, is particularly reduced.
  • the insulating layer 15 is a layer for electrically insulating the metal substrate 17 and the wiring layer 12, and can be configured using glass epoxy resin or polyimide resin as a main component.
  • a known insulating resin sheet with copper foil (for example, a sheet in which a glass epoxy resin serving as the insulating layer 15 and a copper foil serving as the wiring layer 12a are previously laminated) is placed on the metal substrate 17.
  • the insulating layer 15 and the wiring layer 12a can be laminated on the metal substrate 17. Since the glass epoxy resin has low thermal conductivity (for example, about 1 W / mK), the thermal conductivity can be increased (for example, about 10 to 20 W / mK) by adding a filler.
  • a concave portion 24 is provided below the reflector 20, and the wiring layer 12 on the mounting substrate 11 side and the wiring layer 12 a on the metal substrate 17 side are formed in the concave portion 24.
  • the wires 18 can be provided, the solder resist layer is also provided with a gap between the solder resist layer 13 on the mounting substrate 11 side and the solder resist layer 13a on the metal substrate 17 side. Each is laminated on top.
  • the mounting board 11 having high heat dissipation is laminated on the metal board 17 via the adhesive layer 16.
  • an adhesive having a high thermal conductivity is used as the adhesive layer 16 for bonding the mounting substrate 11 to the metal substrate 17.
  • the adhesive layer 16 is not particularly limited as long as it has high thermal conductivity.
  • CT2700R7S Kelcocera Corporation
  • which is a silver paste having a thermal conductivity of 200 W / mk can be used.
  • the configuration of the substrate part is different from that of the LED light source device 1 according to the first embodiment, but the same as the LED light source device 1 according to the first embodiment.
  • a reflector 20 and a translucent member 30 are configured. Therefore, similarly to the first embodiment, it is possible to irradiate light having a large light flux amount, a small radiation angle, and uniform intensity.
  • FIG. 8 is a sectional view of an LED light source device 1b according to the third embodiment.
  • the LED light source device 1b according to the third embodiment is different from the LED light source according to the first embodiment, as shown in FIG. 8, except that the translucent member 30a is formed only of the first high refractive index layer 31. It is configured and operates similarly to the device 1.
  • the translucent member 30a has only the first high refractive index layer 31.
  • the translucent member 30a can be formed only by filling the upper surface of the phosphor layer 311 with the non-phosphor layer 312 and curing. Therefore, compared to the LED light source device 1 according to the first embodiment, it is possible to easily and easily manufacture the LED light source device.
  • the translucent member 30a is formed only of the first high-refractive-index layer 31, like the LED light source device 1 according to the first embodiment. There is no interface between the first high refractive index layer 31 and the low refractive index layer 32 and no interface between the low refractive index layer 32 and the second high refractive index layer 33, and the LED light source device according to the first embodiment In addition to the effect of 1, more light can be emitted to the outside. Also, it is possible to easily and easily manufacture the LED light source device.
  • FIG. 9 is a sectional view of an LED light source device 1c according to the fourth embodiment.
  • the LED light source device 1c according to the fourth embodiment has the same configuration as the LED light source device 1b according to the third embodiment, except for the points described below.
  • the translucent member 30b is composed of only one high refractive index layer 31a.
  • the high refractive index layer 31a is a transparent resin made of, for example, an epoxy-based or silicone-based resin, or a light-transmitting layer made of glass.
  • the refractive index n of light of the LED chip is 1.768, and thus the refractive index n of light of the high refractive index layer 31a is 1.414 or more.
  • FIG. 10 is a graph showing a simulation result of a light flux amount in the case of using translucent members having different refractive indexes.
  • the luminous flux density (lm / mm 2 ) for each of the distances L (mm) from the optical axis O is simulated for the three LED light source devices (K) to (M) as described below. did.
  • (K) as shown in FIG. 8, the refractive index for the LED chip 14 corresponding to the translucent member 30a according to the third embodiment is 93%, and the refractive index n of the light is It is a simulation result using the translucent member which is 1.65.
  • (L) shows a light-transmitting member that has a refractive index of 89% with respect to the LED chip 14 and a light refractive index n of 1.57, which corresponds to the light-transmitting member 30b according to the fourth embodiment. It is a simulation result used.
  • (M) shows a translucent member having a refractive index of 81% with respect to the LED chip 14 and a refractive index n of light of 1.44, which corresponds to the translucent member 30b according to the fourth embodiment. It is a simulation result used.
  • (L) and (M) using the translucent member 30b according to the fourth embodiment are compared with (K) using the translucent member having a higher refractive index.
  • the integrated value of the amount of luminous flux is 0.81 lumen in (L) using the translucent member 30b according to the fourth embodiment, and the integrated value of the amount of luminous flux is also 0.1 mm in (M). It was 67 lumens, which proved to have sufficient brightness and directivity for use as a projector.
  • a dam portion 23 is formed on a peripheral portion of the upper surface 21 of the reflector 20.
  • the translucent member 30b is formed so as to be in contact with the upper surface 21 of the reflector 20 without any gap, it is necessary to fill the translucent resin, which is a translucent material, up to the upper surface 21 of the reflector 20. In this case, the light-transmitting material may flow out of the reflector 20.
  • the dam portion 23 by forming the dam portion 23 on the upper surface 21 of the reflector 20, even when the translucent material is filled up to the upper surface 21 of the reflector 20, it is possible to prevent the translucent material from flowing out.
  • the translucent member 30b can be formed so as to be in contact with the upper surface 21 of the reflector 20 without a gap. Then, as shown in FIG. 9, the translucent member 30b (the high refractive index layer 31a) fills the space inside the reflector 20 and the space surrounded by the dam portion 23 on the upper surface 21 of the reflector 20. It is formed.
  • the LED chip 14 is arranged on the mounting substrate 11 on which the wiring layer 12 is drawn and connected to the wiring layer 12.
  • a solder resist layer 13 is formed on the wiring layer 12, and a reflector 20 is formed on the solder resist layer 13 so as to surround the LED chip 14.
  • a dam portion 23 is formed on the upper surface 21 of the reflector 20.
  • the translucent member 30b is integrally formed without being divided into two different layers as in the first high refractive index layer 31 and the low refractive index layer 32 of the first embodiment. .
  • the inside of the reflector 20 and the space inside the dam portion 23 of the reflector 20 are filled with a light-transmitting resin, which is a light-transmitting material, as shown in FIG.
  • the translucent member 30b can be integrally formed so as to cover the opening 22 of the reflector 20.
  • the molding method is not limited as long as the translucent member 30b can be integrally molded.
  • it can be molded by a method such as transfer molding, resin injection, or compression molding.
  • the translucent member 30b is formed such that the translucent member 30b contacts the upper surface 21 of the reflector 20 without any gap.
  • the translucent member 30b is in contact with the upper surface 21 of the reflector 20 without any gap, the adhesiveness of the translucent member 30b can be improved. .
  • the translucent member 30b has a refractive index of light of 80% or more with respect to the refractive index of the LED chip 14, the total reflection is suppressed by combining with the reflector 20, and more light flux is emitted by the LED.
  • the LED light source device 1c that can emit light to the outside of the light source device 1c and has sufficient brightness and directivity for use as a projector can be provided.
  • the translucent member 30b according to the fourth embodiment can be formed using a material having a lower refractive index than the translucent member 30a according to the third embodiment.
  • An optical material can be used as a raw material, and cost can be reduced and design can be improved.
  • the translucent member 30b is configured only from a single layer, the first high refraction is achieved. The problem caused by bonding two different layers such as the index layer 31 and the low refractive index layer 32 can be prevented, and the LED light source device 1c can be easily manufactured.
  • a configuration including an LED chip of a sapphire substrate is exemplified as the LED chip 14, but the configuration is not limited thereto.
  • a gallium nitride-based (GaN, AlGaN, InGaN) LED chip An LED chip that emits ultraviolet light, particularly UVA, can also be used.
  • a material having a refractive index of 90% or 80% or more with respect to the refractive index of the light of the LED chips 14 is used as the first high refractive index layer 31 of the translucent member 30.
  • the first high refractive index layer 31 has a refractive index corresponding to the refractive index of these substrate materials. Is done. For example, since the refractive index n of a GaN-based LED chip is 2.6, if the refractive index of light of the LED chip 14 is 90% or more, the first high refractive index layer 31 has a refractive index of 2%. .34 or more resin layers are used.
  • the first high-refractive-index layer 31 is exemplified to be composed of the phosphor layer 311 and the non-phosphor layer 312 or only the non-phosphor layer 312, but is not limited to this constitution.
  • the first high-refractive-index layer 31 may be constituted only by the phosphor layer 311.
  • the refractive index layer 31 be constituted by the phosphor layer 311 and the non-phosphor layer 312, or only the non-phosphor layer 312.
  • the light-transmitting member 30 may be formed of a light-transmitting material containing no sulfur.
  • a translucent material having a high refractive index often contains sulfur, and when used in combination with a silicone resin, may hinder the curing of the silicone resin. Therefore, such a problem can be solved by forming the translucent member 30 from a translucent material that does not contain sulfur and having a configuration that does not contain sulfur, so that a higher quality LED light source device can be obtained. 1 can be provided.
  • OKP Osaka Gas Chemical
  • the bottom surface 313 of the first high refractive index layer 31 is formed in a lens shape as shown in FIG. You can also. This prevents air from remaining at the interface between the second high refractive index layer 33 and the low refractive index layer 32 when the second high refractive index layer 33 is bonded onto the low refractive index layer 32. it can.
  • the configuration in which two or more different layers of the high refractive index layers 31 and 33 and the low refractive index layer 32 are stacked is exemplified.
  • the light-transmitting members 30a and 30b are formed of only the same light-transmitting material as in the LED light source devices 1a and 1b according to the third embodiment or the fourth embodiment, the same light-transmitting material is used.
  • baking is performed to a temperature at which the light-transmitting material becomes liquid (about 50 ° C.), or curing baking is performed after vacuum degassing. preferable.
  • the upper surface 21 of the reflector 20 is provided to prevent the translucent material from flowing out of the reflector 20.
  • the configuration provided with the dam portion 23 (outflow prevention portion) has been exemplified, the present invention is not limited to this configuration.
  • the groove or the concave portion allows the light to pass through. Even when the light-transmissive material is filled up to the upper surface 21 of the reflector 20, it is possible to effectively prevent the light-transmissive material from flowing out of the reflector 20.
  • the light-transmitting member 30b can be integrally formed without providing the outflow preventing portion above the reflector 20.
  • the outflow prevention portion such as the dam portion 23 can be similarly provided.
  • LED device 41 Dichroic prism 42: Collimator lens 43: Liquid crystal light valve 44: Projection optical system 1-1b: LED light source device 11: Mounting substrate 12, 12a: Wiring layer 13, 13a: Solder resist layer 14: LED Chip 15: Insulating layer 16: Adhesive layer 17: Metal substrate 18: Wire 20: Reflector 21: Upper surface 22: Opening 23: Dam 24: Concave 30, 30a, 30b: Transparent member 31: First high refractive index Layer 311: Phosphor layer 312: Non-phosphor layer 313: Bottom surface 32: Low refractive index layer 33: Second high refractive index layer 31a: High refractive index layer

Abstract

課題：光束量がより多く、かつ、配光角が小さく強度が均一な光を照射可能なＬＥＤ光源装置およびプロジェクターを提供する。 解決手段：ＬＥＤチップ１４と、ＬＥＤチップ１４の周囲を囲うリフレクター２０と、透光性材料により構成され上面がレンズ状に形成された透光性部材３０とを有し、透光性部材３０は、ＬＥＤチップ１４と空隙なく接する層であり、かつ、ＬＥＤチップ１４の光の屈折率に対して９０％以上の光の屈折率を有する層である、第１高屈折率層３１を有する、ＬＥＤ光源装置。

Description

指向性を有するＬＥＤ光源装置、ＬＥＤ光源装置の製造方法およびプロジェクター
　本発明は、指向性を有するＬＥＤ光源装置、ＬＥＤ光源装置の製造方法およびプロジェクターに関する。
　従来、内周面が反射面として機能するリフレクターを有するＬＥＤ光源装置が知られている（たとえば特許文献１参照）。
国際公開第２０１６／１９９８０４号
　従来技術では、リフレクターを有するため、ＬＥＤ光源装置から照射される光の光束量をある程度多くすることができ、また、光の放射角をある程度小さくすることができたが、近年においては、光束量がより多く、かつ、放射角がより小さい光を照射可能なＬＥＤ光源装置およびプロジェクターが求められていた。また、リフレクターを有する構成の場合、光の強度分布が均一になるようにリフレクターを作成することが比較的困難であり、強度が均一な光を照射可能なＬＥＤ光源装置およびプロジェクターが求められていた。
　本発明は、光束量がより多く、かつ、放射角が小さくて強度が均一な光を照射可能なＬＥＤ光源装置、ＬＥＤ光源装置の製造方法およびプロジェクターを提供することを目的とする。
　本発明の第１の観点に係るＬＥＤ光源装置は、ＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップの周囲を囲うリフレクターと、透光性材料により構成され上面がレンズ状に形成された透光性部材とを有し、前記透光性部材は、前記ＬＥＤチップと空隙なく接する層であり、かつ、前記ＬＥＤチップの光の屈折率に対して９０％以上の光の屈折率を有する層である、第１高屈折率層を有する。
　上記ＬＥＤ光源装置において、前記透光性部材は、前記第１高屈折率層よりも光の屈折率が低い低屈折率層をさらに有し、前記低屈折率層は、前記第１高屈折率層の上面に空隙なく積層される構成とすることができる。
　上記ＬＥＤ光源装置において、前記透光性部材は、前記低屈折率層よりも光の屈折率が高い第２高屈折率層をさらに有し、前記第２高屈折率層は、前記低屈折率層の上面に空隙なく積層されるとともに、上面がレンズ状に形成されている構成とすることができる。
　上記ＬＥＤ光源装置において、前記第１高屈折率層は、透光性樹脂またはガラスから構成されており、前記低屈折率層は、透光性樹脂から構成されており、前記第２高屈折率層は、透光性樹脂またはガラスから構成されているように構成することができる。
　上記ＬＥＤ光源装置において、前記第２高屈折率層は、上面および底面がレンズ状に形成されているように構成することができる。
　上記ＬＥＤ光源装置において、前記第１高屈折率層は、上面がレンズ状に形成されている構成とすることができる。
　上記ＬＥＤ光源装置において、前記第１高屈折率層は、蛍光体を含む蛍光体層を有する構成とすることができる。
　上記ＬＥＤ光源装置において、前記透光性部材に硫黄が含まれていない構成とすることができる。
　本発明の第２の観点に係るＬＥＤ光源装置は、ＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップの周囲を囲うリフレクターと、透光性材料により構成され上面がレンズ状に形成された透光性部材とを有し、前記透光性部材は、前記ＬＥＤチップと空隙なく接しており、かつ、前記リフレクターの上面とも空隙なく接している。
　上記ＬＥＤ装置において、前記透光性部材は、前記ＬＥＤチップの光の屈折率に対して８０％以上の光の屈折率を有する構成とすることができる。
　上記ＬＥＤ装置において、前記透光性部材は、一体的に成形されている構成とすることができる。
　上記ＬＥＤ装置において、前記透光性材料を前記リフレクター内部に充填して前記透光性部材を一体的に成形する場合に、前記透光性材料の外部への流出を防止するための流出防止部をさらに備える構成とすることができる。
　上記ＬＥＤ装置において、前記透光性部材には、硫黄が含まれている構成とすることができる。
　本発明に係るプロジェクターは、赤色光用ＬＥＤ光源装置と、前記赤色光用ＬＥＤ光源装置から放射される光を変調する赤色光用透過型液晶パネルと、緑色光用ＬＥＤ光源装置と、前記緑色光用ＬＥＤ光源装置から放射される光を変調する緑色光用透過型液晶パネルと、青色光用ＬＥＤ光源装置と、前記赤色光用ＬＥＤ光源装置から放射される光を変調する赤色光用透過型液晶パネルと、赤色光、緑色光および青色光を合成するダイクロイックプリズムと、ダイクロイックプリズムからの合成光を投写する投写光学系と、を備えたプロジェクターにおいて、前記赤色光用ＬＥＤ光源装置、前記緑色光用ＬＥＤ光源装置および前記青色光用ＬＥＤ光源装置が、上記ＬＥＤ光源装置により構成される。
　本発明によれば、光束量が多く、かつ、放射角が小さくて均一な光を照射可能なＬＥＤ光源装置、ＬＥＤ光源装置の製造方法およびプロジェクターを提供することができる。
本実施形態に係るプロジェクターの概要図である。 第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置の平面図である。 図２に示すＬＥＤ光源装置のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。 シミュレーションに用いたＬＥＤ光源装置およびプロジェクターを説明するための図である。 実施例１におけるＬＥＤチップの光軸からの距離と光束密度との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例２におけるＬＥＤチップの光軸からの距離と光束密度との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 第２実施形態に係るＬＥＤ光源装置の断面図である。 第３実施形態に係るＬＥＤ光源装置の断面図である。 第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置の断面図である。 屈折率の異なる透光性部材を用いた場合の光束量のシミュレーション結果を示すグラフである。 他の実施形態に係るＬＥＤ光源装置の断面図である。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。
　《第１実施形態》
　（プロジェクター装置）
　図１は、本実施形態に係るプロジェクター装置４の構成図である。本実施形態のプロジェクター装置４は、３つのＬＥＤ光源装置１と、３つのコリメーターレンズ４２と、３つの液晶ライトバルブ４３と、ダイクロイックプリズム４１と、投射光学系４４とを備えて構成される。
　ＬＥＤ光源装置１、コリメーターレンズ４２および液晶ライトバルブ４３は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の光をダイクロイックプリズム４１へ放射するためのものである。ＬＥＤ光源装置１Ｒからの赤色光（Ｒ光）は、コリメーターレンズ４２Ｒで平行化され、液晶ライトバルブ４３Ｒで光変調される。液晶ライトバルブ４３Ｒは、マトリクス状に配置された透過型の液晶パネル（ＨＴＰＳ液晶パネル）であって、Ｒ光を映像信号に応じて画素毎に変調する公知の光変調器である。ＬＥＤ光源装置１Ｇからの緑色光（Ｇ光）およびＬＥＤ光源装置１Ｂからの青色光（Ｂ光）も同様であり、コリメーターレンズ４２Ｇ，４２Ｂで平行化され、公知の液晶ライトバルブ４３Ｇ，４３Ｂで光変調される。
　ダイクロイックプリズム４１は、互いに直交するように配置された２つのダイクロイック膜を有して、一方のダイクロイック膜はＲ光を反射するが、Ｒ光以外のＧ光およびＢ光を透過し、他方のダイクロイック膜はＢ光を反射するが、Ｂ光以外のＲ光およびＧ光を透過させる。投射光学系４４は、ダイクロイックプリズム４１で合成された光が入射する複数の投写レンズと、複数の投写レンズを収容する投写レンズ筐体とを備え、投射光Ｌを放射してカラー画像をスクリーンに拡大投写する。
　（ＬＥＤ光源装置）
　次に、図１に示すプロジェクター装置４を構成する、第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置１について説明する。
　図２は、本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１の平面図であり、図３は、図２に示すＬＥＤ光源装置１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１は、図２，３に示すように、実装基板１１と、実装基板１１の上面に形成された配線層１２と、配線層１２を保護するソルダーレジスト層１３と、複数のＬＥＤチップ１４と、リフレクター２０と、透光性部材３０とを備えている。なお、図２，３に示す例では、ＬＥＤ光源装置１が、３直列×３並列の９個のＬＥＤチップ１４を備える構成を例示しているが、ＬＥＤチップ１４の数は限定されず、１つでもよいし、２～８個でもよいし、１０個以上でもよい。
　ＬＥＤチップ１４は、表面実装型ベアＬＥＤチップである。本実施形態では、ＬＥＤチップ１４として、青色の光を放射するサファイア基板を有するＬＥＤチップを用いるが、ＬＥＤチップ１４は特に限定されず、たとえば、窒化ガリウム系（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ）のＬＥＤチップや、紫外線、特にＵＶＡを照射するＬＥＤチップを用いることもできる。本実施形態では、ＬＥＤチップ１４をフリップチップ実装により配線層１２にボンディングしているが、この構成に限定されず、たとえばワイヤーボンディングによりＬＥＤチップ１４をボンディングすることもできる。
　本実施形態では、多数個のＬＥＤチップ１４がｎ直列×ｍ並列（たとえば本実施形態では３直列×３並列）に二次元状に配置され、所謂ＣＯＢ（Chip On Board）実装されている。高輝度を実現するために、ＬＥＤチップ１４は、例えば最大定格電流３００ｍＡ以上、好ましくは最大定格電流４００ｍＡ以上、さらに好ましくは最大定格電流５００ｍＡ以上のＬＥＤチップを使用する。たとえばライトバルブ４３が０．５～０．７“である場合には、エテンデュの観点から、ＬＥＤチップ１４の大きさは、３～４ｍｍ四方以下であることが好ましく、１．５ｍｍ四方以下であることが好ましい。
　たとえば、本実施形態においては、ＬＥＤチップ１４として、最大定格電流が２～４ＡのＬＥＤチップが用いられる。この場合、ＬＥＤチップ１４で発生する熱量も多く、ＬＥＤチップ１４の熱を効率的に放熱する必要がある。そこで、本実施形態では、実装基板１１として、たとえば窒化アルミニウムや窒化珪素などの高放熱性の絶縁体を用いている。これにより、ＬＥＤチップ１４の熱を効率的に実装基板１１へと伝達することで放熱を行い、ＬＥＤ光源装置１の耐久性を向上することが可能となる。たとえば、銅板で構成した実装基板に、絶縁性確保のためにガラスエポキシ樹脂で構成した絶縁層を積層した場合、銅板で構成した実装基板の熱抵抗（θｊｃ）はチップｍｍ２当たり１０～１２℃／Ｗとなるが、窒化アルミニウムで構成した実装基板１１は熱抵抗（θｊｃ）が２～４℃／Ｗとなる。このように、窒化アルミニウムを実装基板１１に用いた場合には、ＬＥＤチップ１４で生じた熱を効率的に放熱することが可能となる。
　実装基板１１の上には、図３に示すように、配線層１２が形成される。配線層１２は、銅箔などの金属膜である。なお、配線層１２は、図示しない電源および制御装置と電気的に接続されている。配線層１２は、銅箔を、フォトエッチングすることにより不要な部分を取り除くことで、配線層１２として形成することができる。なお、図２においては、配線層１２の図示は省略している。また、配線層１２に用いる素材は、銅箔膜に限定されず、たとえば、銀ペースト、銅ペーストなどの金属を用いることもできる。この配線層１２はＮｉＣｒＡｕやＮｉＰｄＡｕなどのメッキで表面処理される。
　また、一部の配線層１２の上には、ソルダーレジスト層１３が積層される。ソルダーレジスト層１３は、シリコーン樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂を主要な成分とし、配線層１２を保護する機能を有する。また、ソルダーレジスト層１３に、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛、アルミナなどの白色無機顔料を含ませ、反射材としての機能を与えることもできる。
　ＬＥＤ光源装置１には、図２，３に示すように、ＬＥＤチップ１４の周囲を囲うように、リフレクター２０が設けられる。リフレクター２０は、少なくとも内部表面に、正反射を起こすアルミニウムなどの光反射金属膜を備える構成とすることができる。また、リフレクター全体をアルミニウムなどから形成する構成とすることもできる。本実施形態では、ＬＥＤチップ１４にボンディング処理を施した後に、リフレクター２０がソルダーレジスト層１３の上に形成される。また、本実施形態では、複数のＬＥＤチップ１４を１つのリフレクター２０で囲っているが、各ＬＥＤチップ１４をリフレクター２０でそれぞれ囲う構成としてもよい。
　次に、本実施形態に係る透光性部材３０について説明する。透光性部材３０は、ガラスや透光性樹脂材料などの透光性材料により構成され、上面がレンズ状に形成されている。透光性部材３０は、図３に示すように、第１高屈折率層３１と、低屈折率層３２と、第２高屈折率層３３とを有する。
　第１高屈折率層３１は、たとえばエポキシ系やシリコーン系樹脂からなる透明の樹脂や、ガラスから構成される透光性の層であり、ＬＥＤチップ１４の光の屈折率に対して９０％以上の光の屈折率を有する透光性の層である。たとえば、ＬＥＤチップ１４がサファイア基板のＬＥＤチップである場合、ＬＥＤチップの光の屈折率ｎは１．７６８となるため、第１高屈折率層３１の光の屈折率ｎは１．５９１以上とされる。すなわち、通常のシリコーン樹脂を用いた透光性樹脂では、光の屈折率が１．４～１．５７程度であるが、本実施形態に係る第１高屈折率層では、光の屈折率ｎが１．５９１以上の高屈折樹脂を用いる。このような高屈折樹脂として、たとえば光の屈折率ｎが１．７６であるＬＰＬ－１１５０（三菱ガス化学）、光の屈折率ｎが１．７４のＭＲ－１７４（三井化学）、光の屈折率ｎが１．６４のＯＫＰ（大阪ガスケミカル）などを用いることができる。
　また、第１高屈折率層３１は、図３に示すように、蛍光体を含む蛍光体層３１１と、蛍光体を含まない非蛍光体層３１２とを有する。言い換えると、蛍光体層３１１および非蛍光体層３１２はともに、ＬＥＤチップ１４の光の屈折率に対して９０％以上の光の屈折率を有する第１高屈折率層３１を構成する。なお、ＬＥＤチップ１４自身が、赤色の光、緑色の光、または青色の光を照射可能なＬＥＤチップである場合には、赤色の光、赤色の光、緑色の光、または青色の光を照射するための蛍光体層３１１は不要となり、非蛍光体層３１２のみから第１高屈折率層３１を構成することができる。本実施形態では、青色の光を照射するＬＥＤチップ１４を備えているため、赤色または緑色の光を照射するために蛍光体層３１１を設けている。
　蛍光体層３１１は、第１高屈折率層３１を構成するための高屈折樹脂に蛍光体を混入したものであり、ＬＥＤチップ１４と空隙なく接するように、ＬＥＤチップ１４の上面を超える位置まで蛍光体を混入した高屈折樹脂をリフレクター２０内に充填し形成される。なお、蛍光体層３１１に含まれる蛍光体は、特に限定されず、所望する光の色に応じて適宜設定することができる。なお、本実施形態では、高屈折樹脂に蛍光体を混ぜて蛍光体層３１１を形成する構成を例示しているが、この構成に限定されず、たとえば、ＬＥＤチップ１４の上面に蛍光体層３１１のシートを貼付することで、ＬＥＤチップ１４の上面に蛍光体層３１１を積層する構成とすることもできる。
　蛍光体層３１１の上面には、蛍光体を含まず、かつ、高屈折材料から構成される非蛍光体層３１２が積層される。非蛍光体層３１２は、上面がレンズ状（曲面）に形成されている。非蛍光体層３１２のレンズの形状は、公知の方法により、非蛍光体層３１２と低屈折率層３２との境界面において全反射がほぼ生じない形状に設計することができる。たとえば、本実施形態では、非蛍光体層３１２の上面を半径Ｒが０．５７６ｍｍとなるように形成している。非蛍光体層３１２は、非蛍光体層３１２の上面の形状に対応する曲面を有する金型を用い、高屈折率の透光性樹脂を金型に充填して硬化することで成形することができる。また、非蛍光体層３１２を予め金型を用いて別に製造し、製造した非蛍光体層３１２を蛍光体層３１１に積層した状態で蛍光体層３１１を硬化させることで、非蛍光体層３１２を蛍光体層３１１の上面に貼り付けて形成してもよい（特に、非蛍光体層３１２をガラスで構成する場合には別に製造することが好ましい）。これにより、ＬＥＤチップ１４に密着し、ＬＥＤチップ１４との間に空隙のない状態で、蛍光体層３１１および非蛍光体層３１２からなる第１高屈折率層３１を構成することができる。なお、透光性樹脂を硬化する方法としては、金属の金型を用いて加熱により硬化させる方法もできるが、透光性のガラスなどからなる金型を用いて外からＵＶ光を照射することで硬化させる方法とすることもできる。
　また、本実施形態では、第１高屈折率層３１の上面に、低屈折率層３２が空隙なく積層される。低屈折率層３２は、たとえばエポキシ系やシリコーン系の透明樹脂により構成される透光性樹脂層であり、リフレクター２０内において、リフレクター２０の上面の高さ位置まで低屈折樹脂を充填して硬化することで形成される。また、低屈折率層３２は、第１高屈折率層３１の光の屈折率よりも低い光の屈折率を有する透光性樹脂層とされる。たとえば、第１高屈折率層３１の光の屈折率ｎが１．７６である場合に、低屈折率層３２の屈折率ｎは１．７４未満とされる。このような低屈折樹脂として、たとえば光の屈折率ｎが１．５４のＯＥ６３５１（東レ・ダウコーニング株式会社）や、光の屈折率ｎが１．５１のＫＥＲ６２００（信越化学工業株式会社）などを用いることができる。
　さらに、本実施形態では、低屈折率層３２の上面に、第２高屈折率層３３が空隙なく積層される。第２高屈折率層３３は、たとえばエポキシ系やシリコーン系の透光性樹脂やガラスなどの透光性材料により構成される透光性の層であり、図３に示すように、上面がレンズ状に形成されている。たとえば、第２高屈折率層３３の上面の形状に対応する曲面を有する金型をリフレクター２０に被せ、当該金型に高屈折率の透光性樹脂を充填して硬化することで第２高屈折率層３３を、低屈折率層３２の上面に空隙なく形成することができる。なお、第２高屈折率層３３についても、第１高屈折率層３１と同様に、金属の金型を用いて加熱により硬化させることもできるが、透光性のガラスなどからなる金型を用いて外からＵＶ光を照射することで硬化させる方法を用いてもよい。また、第１高屈折率層３１と同様に、第２高屈折率層３３を予め金型を用いて別に製造し、製造した第２高屈折率層３３を低屈折率層３２に積層した状態で第２高屈折率層３３を硬化させることで、第２高屈折率層３３を低屈折率層３２の上面に貼り付けて形成してもよい（特に、第２高屈折率層３３をガラスで構成する場合には別に製造することが好ましい）。
　第２高屈折率層３３は、低屈折率層３２の光の屈折率よりも光の屈折率が高い透光性の層とされる。たとえば、第１高屈折率層３１と同じ透光性樹脂やガラスを用いて第２高屈折率層３３を形成することができる。ただし、この構成に限定されず、低屈折率層３２よりも光の屈折率が高ければ、第１高屈折率層３１よりも低い屈折率、あるいは、高い屈折率の透光性樹脂またはガラスを用いて第２高屈折率層３３を形成することもできる。さらに、本実施形態において、第２高屈折率層３３は、リフレクター２０の上面２１と隙間なく接しており、リフレクター２０の開口部２２（リフレクター２０を上から見た場合に上面２１より内側の部分の開口）よりも広い範囲を覆うように形成されている。
　以上のように、本実施形態では、第１高屈折率層３１をＬＥＤチップ１４と空隙なく接するように積層し、さらに、低屈折率層３２および第２高屈折率層３３も第１高屈折率層３１および低屈折率層３２と空隙なく接するようにそれぞれ積層することで、ＬＥＤチップ１４に密着しＬＥＤチップ１４との間に空隙のない状態で、透光性部材３０を構成することができる。
　次に、本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１およびプロジェクター装置４の性能について説明する。実施例１では、図４に示すように、幅Ｗが１．０ｍｍのＬＥＤチップ１４を１つ有し、リフレクター２０の高さＨ１を０．７ｍｍとし、ＬＥＤチップ１４の上面から第２高屈折率層３３の頂点までの高さＨ２を２．５ｍｍとし、第２高屈折率層３３の幅Ｌを５ｍｍとし、第２高屈折率層３３のレンズの半径を２．７８ｍｍとして、ＬＥＤ光源装置１の性能をシミュレーションした。また、実施例１では、図４に示すように、ＬＥＤ光源装置１の照射方向にコリメーターレンズ４２を取り付けたプロジェクター装置４についてもシミュレーションを行った。以下に、シミュレーションの結果を示す。
　下記表１は、以下に説明する（Ａ）～（Ｅ）の構成において、コリメーターレンズ４２の配置位置から１０ｍｍ離れた位置の受光面で受光した場合の光束量（ｌｍ）を示している。ここで、（Ａ）は、ＬＥＤチップ１４のみを有する構成（リフレクター２０および透光性部材３０を有しない構成）、（Ｂ）は、図４に示すＬＥＤ光源装置１のうち第２高屈折率層３３のみを有しない構成（透光性部材３０が第１高屈折率層３１と低屈折率層３２のみを有する構成）、（Ｃ）は、図３に示すＬＥＤ光源装置１と同じく、第２高屈折率層３３も有する構成の、ＬＥＤ光源装置のシミュレーション結果を示す。また、（Ｄ）は、図４に示すように、ＬＥＤ光源装置１の前にコリメーターレンズ４２を配置した構成、（Ｅ）は、（Ｄ）の光束のうち配光角が１２°以下の光束の、プロジェクター装置４のシミュレーション結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記表１に示すように、（Ａ）と比べて、（Ｂ）では、光束量が約１．５倍となった。これは、第１高屈折率層３１をＬＥＤチップ１４の上面に空隙なく接するように積層することで、ＬＥＤチップ１４内で発生した光を、ＬＥＤチップ１４と第１高屈折率層３１との境界面で全反射してしまうことを抑制し、ＬＥＤチップ１４の外に取り出すことができたためである。また、第１高屈折率層３１の上面をレンズ状とすることで、第１高屈折率層３１と低屈折率層３２との境界面における全反射も抑制するとともに、実施例１では、リフレクター２０で反射され低屈折率層３２から外部に入射される光束の入射角が小さくなるように、リフレクター２０を傾斜角を大きく（傾斜を急に）形成することで、低屈折率層３２と外部空気との境界面における全反射も抑制し、光束を外部へと導くことができた。
　また、（Ｂ）と比べて、（Ｃ）では、光束量がさらに約１．５倍となった。これは、（Ｂ）では、低屈折率層３２と外部空気との境界面で全反射が発生してしまい一部の光束がＬＥＤ光源装置１の外部へと放射されないのに対して、（Ｃ）では、低屈折率層３２の上に、上面がレンズ状の第２高屈折率層３３が形成されるため、第２高屈折率層３３と外部空気との境界面での全反射を抑制し、より多くの光束をＬＥＤ光源装置１の外部へと放射することができたためである。
　このように、第１高屈折率層３１をＬＥＤチップ１４に空隙なく接するように積層することで、ＬＥＤチップ１４で発生した光について、ＬＥＤチップ１４と第１高屈折率層３１との境界面における全反射を抑制し、ＬＥＤチップ１４から取り出すことができる。また、第１高屈折率層３１の上面をレンズ状とすることで、第１高屈折率層３１と低屈折率層３２との境界面での全反射を抑制し、ＬＥＤ光源装置１の外部に光束を放射することができる。また、第２高屈折率層３３の上面をレンズ状とすることで、第２高屈折率層３３と外部空気との境界面での全反射を抑制し、より多くの光束をＬＥＤ光源装置１の外部へと放射することができる。なお、（Ｄ），（Ｅ）では、コリメーターレンズ４２の影響により、（Ｃ）と比べて、光束量が低下しているが、（Ｂ）と比べて、光束量は増加していることが分かる。
　また、図５では、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏからの距離Ｌと光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）との関係を示すグラフである。図５に示すように、（Ａ）および（Ｂ）に比べて、（Ｃ）では、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏからの距離Ｌに関わらず、光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）が大きくなっている。このことから、上面をレンズ状とした第２高屈折率層３３を設けることで、ＬＥＤ光源装置１の外部に射出される光の光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）が大きくなることが分かる。また、コリメーターレンズ４２を設けたプロジェクターである（Ｄ），（Ｅ）では、ＬＥＤ光源装置１から照射された光束をコリメーターレンズ４２で収束することができるため、（Ａ）～（Ｃ）と比べて、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏ付近（ＬＥＤチップ１４の光軸から３～４ｍｍの範囲）において光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）が高く、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏから離れると急峻に光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）が低くなることが分かった。すなわち、ＬＥＤチップ１４の配光角を小さくできることが分かった。また、図５に示すように、（Ｄ），（Ｅ）では、コリメーターレンズ４２で収束した場合でも、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏ付近における光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）は比較的一定であり、ムラのない均一な強度の光を放射できることがわかった。
　また、実施例２では、幅Ｗが１．０ｍｍのＬＥＤチップ１４を１つ有し、リフレクター２０の高さＨ１を０．７５ｍｍとし、ＬＥＤチップ１４の上面から第２高屈折率層３３の頂点までの高さＨ２を２．４５ｍｍとし、第２高屈折率層３３の幅Ｄを３．６４ｍｍとし、第２高屈折率層３３のレンズの曲率半径Ｒを１．８５ｍｍとして、ＬＥＤ光源装置１の性能をシミュレーションした。また、実施例２でも、図４に示すように、ＬＥＤ光源装置１の照射方向にコリメーターレンズ４２を取り付けたプロジェクター装置４についてもシミュレーションを行った。以下に、シミュレーションの結果を示す。
　下記表２は、実施例２において、以下に説明する（Ｆ）～（Ｊ）の構成において、コリメーターレンズ４２の配置位置から１０ｍｍ離れた位置の受光面で受光した場合の光束量（ｌｍ）を示している。ここで、（Ｆ）は、ＬＥＤチップ１４のみを有する構成（リフレクター２０および透光性部材３０を有しない構成）、（Ｇ）は、図４に示すＬＥＤ光源装置１のうち第２高屈折率層３３のみを有しない構成（透光性部材３０が第１高屈折率層３１と低屈折率層３２のみを有する構成）、（Ｈ）は、図３に示すＬＥＤ光源装置１と同じく、第２高屈折率層３３も有する構成の、ＬＥＤ光源装置のシミュレーション結果を示す。また、（Ｉ）は、図４に示すように、ＬＥＤ光源装置１の前にコリメーターレンズ４２を配置した構成、（Ｊ）は、（Ｉ）の光束のうち配光角が１５°以下の光束の、プロジェクター装置４のシミュレーション結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　上記表２に示すように、第２高屈折率層３３を有しない構成（Ｇ）では、ＬＥＤチップ１４だけを有する（Ｆ）とほぼ同程度の光束量となった。これは、（Ｇ）では、第１高屈折率層３１をＬＥＤチップ１４の上面に空隙なく接するように積層することで、ＬＥＤチップ１４内で発生した光をＬＥＤチップ１４の外に取り出すことはできるが、実施例２ではリフレクター２０の傾斜角を小さく形成したため（傾斜が緩やかなため）、リフレクター２０で反射され低屈折率層３２から外部空気へと入射される光束の入射角が臨界角よりも大きくなり、低屈折率層３２と外部空気との境界面で全反射が生じてしまい、光束がＬＥＤ光源装置１の外部へと放射されなかったためと考えられる。
　一方、（Ｇ）と比べて、（Ｈ）では、光束量が約２倍となった。これは、（Ｈ）では、低屈折率層３２の上に、上面がレンズ状の第２高屈折率層３３が、リフレクター２０の開口部２２（リフレクター２０を上から見た場合に上面２１より内側の部分の開口）を覆うように形成されるため、第２高屈折率層３３と外部空気との境界面での全反射を抑制し、より多くの光束をＬＥＤ光源装置１の外部へと放射することができたためである。
　このように、第１高屈折率層３１をＬＥＤチップ１４に空隙なく接するように積層することで、ＬＥＤチップ１４で発生した光について、ＬＥＤチップ１４と第１高屈折率層３１との境界面における全反射を抑制し、ＬＥＤチップ１４から取り出すことができる。また、第１高屈折率層３１の上面をレンズ状とすることで、第１高屈折率層３１と低屈折率層３２との境界面での全反射を抑制し、ＬＥＤ光源装置１の外部に光束を放射することができる。さらに、第２高屈折率層３３の上面をレンズ状とすることで、第２高屈折率層３３と外部空気との境界面での全反射を抑制し、より多くの光束をＬＥＤ光源装置１の外部へと放射することができる。なお、（Ｉ），（Ｊ）では、コリメーターレンズ４２の透過率の影響により、（Ｈ）と比べて、光束量が低下しているが、（Ｇ）と比べて、光束量は増加していることが分かる。
　また、図６では、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏからの距離Ｌと光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）との関係を示すグラフである。図６に示すように、（Ｆ）および（Ｇ）に比べて、（Ｈ）では、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏからの距離Ｌに関わらず、光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）が大きくなっている。このことから、上面をレンズ状とした第２高屈折率層３３を設けることで、ＬＥＤ光源装置１の外部に射出される光の光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）が大きくなることが分かる。また、コリメーターレンズ４２を設けたプロジェクターである（Ｉ），（Ｊ）では、ＬＥＤ光源装置１から照射された光束をコリメーターレンズ４２で収束することができるため、（Ｆ）～（Ｈ）と比べて、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏ付近（ＬＥＤチップ１４の光軸から３～４ｍｍの範囲）において光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）が高く、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏから離れると急峻に光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）が低くなることが分かった。すなわち、ＬＥＤチップ１４の配光角を小さくできることが分かった。また、図６に示すように、（Ｉ），（Ｊ）では、コリメーターレンズ４２で収束した場合でも、ＬＥＤチップ１４の光軸Ｏ付近における光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）は比較的一定であり、ムラのない均一な強度の光を放射できることがわかった。
　以上のように、本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１では、透光性部材３０が、ＬＥＤチップ１４との間に空隙なくＬＥＤチップ１４に密着して積層される。特に、本実施形態に係る透光性部材３０では、ＬＥＤチップ１４の光の屈折率に対して９０％以上の屈折率を有する第１高屈折率層３１が、ＬＥＤチップ１４と空隙なく接するように形成される。これにより、ＬＥＤチップ１４と第１高屈折率層３１との境界面における全反射を抑制することができ、ＬＥＤチップ１４で生じた光をＬＥＤチップ１４からより多く取り出すことができ、その結果、ＬＥＤ光源装置１から放射される光束量をより多くすることができる。さらに、本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１では、リフレクター２０を備えるとともに、透光性部材３０の上面（第２高屈折率層３３の上面）がレンズ状（曲面）に形成されるため、ＬＥＤチップ１４から取り出された光束を、リフレクター２０および透光性部材３０のレンズ面において収束することができるため、放射角が小さくて均一な強度の光を照射することができる。
　また、本実施形態に係る透光性部材３０では、第１高屈折率層３１よりも光の屈折率が低い低屈折率層３２を有し、低屈折率層３２は、第１高屈折率層３１の上面に空隙なく接するように積層される。一般に、高屈折樹脂は、低屈折樹脂と比べて高価であるため、透光性樹脂で構成した第１高屈折率層３１の上面に低屈折率層３２を積層して高屈折樹脂の使用量を減らすことで、ＬＥＤ光源装置１の製造コストを低減することができる。なお、第１高屈折率層３１の上面に低屈折率層３２を積層した場合も、第１高屈折率層３１の上面がレンズ状に形成されているため、第１高屈折率層３１と低屈折率層３２との境界面において、光束が全反射されることを有効に抑制することができる。その結果、透光性部材３０を高屈折率の透光性樹脂やレンズのみで構成する場合と比べても、ＬＥＤ光源装置１の光束量を大きく低下させることはない。
　さらに、本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１では、低屈折率層３２の上面に第２高屈折率層３３が空隙なく接するように積層され、第２高屈折率層３３の上面もレンズ状（曲面）に形成される。これにより、第２高屈折率層３３と外部（空気）との間の境界面における全反射を抑制することができ、ＬＥＤ光源装置１の外部に照射される光束の光束量を多くすることもできる。また、本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１では、図３に示すように、第２高屈折率層３３が、リフレクター２０の上面２１と隙間なく接しており、リフレクター２０の開口部２２よりも広い範囲を覆うように形成されている。このように、第２高屈折率層３３をリフレクター２０の上面２１と隙間なく接するように形成することで、第２高屈折率層３３でリフレクター２０の開口部２２全体を覆うことができ、低屈折率層３２が外部空気と接触する部分をなくすことができる。これにより、低屈折率層３２と外部空気との間の境界面における全反射により光束量が低下してしまうことを有効に防止することができ、ＬＥＤ光源装置１全体として光束量を高めることができる。
　《第２実施形態》
　次に、第２実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ａについて説明する。図７は、第２実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ａの断面図である。第２実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ａは、図７に示すように、第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置１が、金属製の金属基板１７の上面に積層されており、以下に説明すること以外は、第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置１と同様に構成され動作する。
　第２実施形態において、金属基板１７は、熱伝導性および電気特性に優れる表面が金属からなる板材であり、例えば表面が銅やアルミニウムからなる水冷構造のヒートスプレッダ（上板、中板、下板の３種類の銅板からなる積層構造体）や銅やアルミニウムから構成される金属板（例えば、０．５～２．００ｍｍ厚）により構成される。ガラスエポキシ樹脂のような熱伝導性が低い材料は、特に放熱性の悪くなる発光中心部の光量が特に低下するドーナツ化現象が生じることとなるので好ましくない。
　金属基板１７の上には、絶縁層１５が形成されている。絶縁層１５は、金属基板１７と配線層１２とを電気絶縁するための層であり、ガラスエポキシ樹脂やポリイミド樹脂を主要な成分として構成することができる。
　第２実施形態では、公知の銅箔付き絶縁樹脂シート（たとえば、絶縁層１５となるガラスエポキシ樹脂と、配線層１２ａとなる銅箔とが予め積層されたシート）を、金属基板１７の上にラミネートすることで、金属基板１７上に絶縁層１５および配線層１２ａを積層することができる。なお、ガラスエポキシ樹脂は熱伝導性が低い（たとえば１Ｗ／ｍＫ程度）ため、フィラーを加えることで、熱伝導性を高める（たとえば１０～２０Ｗ／ｍＫ程度）ことができる。
　また、第２実施形態においては、図７に示すように、リフレクター２０の下側に凹部２４を設け、当該凹部２４において、実装基板１１側の配線層１２と、金属基板１７側の配線層１２ａとの間をワイヤー１８で電気的に接続している。また、ワイヤー１８を配設できるように、ソルダーレジスト層も、実装基板１１側のソルダーレジスト層１３と、金属基板１７側のソルダーレジスト層１３ａとで隙間を開けて、各配線層１２，１２ａの上にそれぞれ積層される。
　また、第２実施形態では、接着層１６を介して、金属基板１７の上に高放熱性の実装基板１１が積層される。実装基板１１を金属基板１７に接着するための接着層１６も、熱伝導率が高い接着剤が使用される。接着層１６は熱伝導率が高いものであれば、特に限定されないが、たとえば熱伝導率が２００Ｗ／ｍｋの銀ペーストであるＣＴ２７００Ｒ７Ｓ（京セラ株式会社）を用いることができる。
　以上のように、第２実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ａでは、第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置１と比べて基板部の構成が異なるが、第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置１と同様に、リフレクター２０および透光性部材３０が構成されている。そのため、第１実施形態と同様に、光束量が多く、かつ、放射角が小さくて均一な強度の光を照射することができる。
　《第３実施形態》
　次に、第３実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｂについて説明する。図８は、第３実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｂの断面図である。第３実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｂは、図８に示すように、透光性部材３０ａが、第１高屈折率層３１のみから構成されること以外は、第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置１と同様に構成され動作する。
　第３実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｂにおいて、透光性部材３０ａは、第１高屈折率層３１のみを有する。この場合、蛍光体層３１１の上面に非蛍光体層３１２を充填して硬化させるだけで、透光性部材３０ａを形成することができる。そのため、第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置１と比べて、容易かつ簡単にＬＥＤ光源装置を製造することが可能となる。
　以上のように、第３実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｂは、透光性部材３０ａが第１高屈折率層３１のみから構成されるため、第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置１のように、第１高屈折率層３１と低屈折率層３２との境界面、および、低屈折率層３２と第２高屈折率層３３との境界面がなく、第１実施形態に係るＬＥＤ光源装置１の効果に加えて、より多くの光を外部へと照射することが可能となる。また、容易かつ簡単にＬＥＤ光源装置を製造することも可能となる。
　≪第４実施形態≫
　次に、第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｃについて説明する。図９は、第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｃの断面図である。第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｃは、以下に説明する点以外は、第３実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｂと同様に構成される。
　すなわち、第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｃにおいて、透光性部材３０ｂは高屈折率層３１ａの一層のみから構成される。高屈折率層３１ａは、たとえばエポキシ系やシリコーン系樹脂からなる透明の樹脂や、ガラスから構成される透光性の層であるが、第１～第３実施形態に係る第１高屈折率層３１とは異なり、ＬＥＤチップ１４の光の屈折率に対して８０％以上の光の屈折率を有すればよい。たとえば、ＬＥＤチップ１４がサファイア基板のＬＥＤチップである場合、ＬＥＤチップの光の屈折率ｎは１．７６８となるため、高屈折率層３１ａの光の屈折率ｎは１．４１４以上となる。
　ここで、図１０は、屈折率の異なる透光性部材を用いた場合の光束量のシミュレーション結果を示すグラフである。図１０に示す例では、下記に示すように、（Ｋ）～（Ｍ）の３つのＬＥＤ光源装置について、光軸Ｏからの距離Ｌ（ｍｍ）ごとの光束密度（ｌｍ／ｍｍ２）をシミュレーションした。具体的には、（Ｋ）は、図８に示すように、第３実施形態に係る透光性部材３０ａに該当する、ＬＥＤチップ１４に対する屈折率が９３％であり、光の屈折率ｎが１．６５である透光性部材を用いたシミュレーション結果である。また、（Ｌ）は、第４実施形態に係る透光性部材３０ｂに該当する、ＬＥＤチップ１４に対する屈折率が８９％であり、光の屈折率ｎが１．５７である透光性部材を用いたシミュレーション結果である。さらに、（Ｍ）は、第４実施形態に係る透光性部材３０ｂに該当する、ＬＥＤチップ１４に対する屈折率が８１％であり、光の屈折率ｎが１．４４である透光性部材を用いたシミュレーション結果である。
　図１０に示すように、第４実施形態に係る透光性部材３０ｂを用いた（Ｌ）、（Ｍ）では、それよりも屈折率が高い透光性部材を用いた（Ｋ）と比べて光束量は低くなるが、第４実施形態に係る透光性部材３０ｂを用いた（Ｌ）では光束量の積算値は０．８１ルーメンとなり、また（Ｍ）でも光束量の積算値は０．６７ルーメンとなり、プロジェクターとして使用するには十分な明るさと、指向性とを有することが分かった。
　また、第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｃでは、図９に示すように、リフレクター２０の上面２１の周縁部にダム部２３が形成されている。ここで、透光性部材３０ｂをリフレクター２０の上面２１と空隙なく接するように形成する場合、透光性材料である透光性の樹脂をリフレクター２０の上面２１まで充填する必要があるが、この場合、透光性材料がリフレクター２０の外側へと流出してしまうおそれがある。本実施形態では、リフレクター２０の上面２１にダム部２３を形成することで、リフレクター２０の上面２１まで透光性材料を充填した場合でも、透光性材料の外部への流出を防止しながら、透光性部材３０ｂをリフレクター２０の上面２１と空隙なく接するように形成することができる。そして、図９に示すように、リフレクター２０の内側の空間と、リフレクター２０の上面２１のダム部２３で囲われた空間とを埋めるように、透光性部材３０ｂ（高屈折率層３１ａ）が形成される。
　次いで、第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｃの製造方法について説明する。ＬＥＤ光源装置１ｃは、まず、配線層１２が描画された実装基板１１の上にＬＥＤチップ１４を配置して配線層１２と接続する。また、配線層１２の上にはソルダーレジスト層１３が形成されており、ＬＥＤチップ１４の周りを囲うように、当該ソルダーレジスト層１３の上にリフレクター２０が形成される。また、第４実施形態では、リフレクター２０の上面２１にダム部２３が形成される。
　さらに、第４実施形態では、透光性部材３０ｂを、第１実施形態の第１高屈折率層３１および低屈折率層３２のように異なる二層に分けず、一体的に成形している。そのため、第４実施形態では、たとえば、リフレクター２０の内側、および、リフレクター２０のダム部２３の内側の空間内に透光性材料である透光性の樹脂を充填することで、図９に示すように、リフレクター２０の開口部２２を覆うように、透光性部材３０ｂを一体成形することができる。なお、透光性部材３０ｂは一体的に成形することができれば成形方法は限定されず、たとえば、トランスファーモールド、樹脂注入、圧縮成型などの方法により成形することができる。また、第４実施形態でも、リフレクター２０の上面２１に透光性部材３０ｂが隙間なく接するように、透光性部材３０ｂが形成される。
　以上のように、第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｃでは、透光性部材３０ｂが、リフレクター２０の上面２１とも空隙なく接しているため、透光性部材３０ｂの接着性を高めることができる。また、透光性部材３０ｂは、ＬＥＤチップ１４の光の屈折率に対して８０％以上の光の屈折率を有するため、リフレクター２０との組み合わせにより全反射を抑制してより多くの光束をＬＥＤ光源装置１ｃの外部へと放射することができ、プロジェクターとして使用するには十分な明るさと、指向性とを有するＬＥＤ光源装置１ｃを提供することができる。
　また、第４実施形態に係る透光性部材３０ｂは、第３実施形態に係る透光性部材３０ａと比べて屈折率の低い原料を使用して形成することができるため、比較的広範囲の透光性材料を原料として使用することができ、コストの低減や設計性の向上を図ることもできる。さらに、第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｃでは、第３実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ｂと同様に、透光性部材３０ｂが単一の層からのみ構成されているため、第１高屈折率層３１と低屈折率層３２などのように異なる二層を接着することに起因して生じる問題を防止することができるとともに、ＬＥＤ光源装置１ｃを容易に製造することもできる。
　以上、本開示にて幾つかの実施形態を単に例示として詳細に説明したが、本発明の新規な教示及び有利な効果から実質的に逸脱せずに、その実施の形態には多くの改変例が可能である。
　たとえば、上述した実施形態では、ＬＥＤチップ１４として、サファイア基板のＬＥＤチップを備える構成を例示したが、この構成に限定されず、たとえば、窒化ガリウム系（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ）のＬＥＤチップや、紫外線、特にＵＶＡを照射するＬＥＤチップを用いることもできる。この場合、透光性部材３０のうち第１高屈折率層３１としては、これらＬＥＤチップ１４の光の屈折率に対して９０％または８０％以上の屈折率を有するものが使用される。なお、８０％以上の屈折率を有する透光性部材を用いる場合には、多くの光束量を得られるように、リフレクター２０やレンズの形状を適宜設定することが好ましい。また、ＬＥＤチップ１４はサファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ基板などにエピタキシャル層を成長させて製造されるため、第１高屈折率層３１は、これら基板材料の屈折率に応じた屈折率を有するものが使用される。たとえば、ＧａＮ系のＬＥＤチップの屈折率ｎは２．６であるため、ＬＥＤチップ１４の光の屈折率に対して９０％以上とする場合には、第１高屈折率層３１として屈折率２．３４以上の樹脂層が使用される。
　また、上述した実施形態では、第１高屈折率層３１を、蛍光体層３１１と非蛍光体層３１２、または非蛍光体層３１２のみで構成することを例示したが、この構成に限定されず、たとえば、第１高屈折率層３１を、蛍光体層３１１のみで構成することもできる。ただし第１高屈折率層３１を蛍光体層３１１のみで構成した場合、蛍光体が励起されて全方向に再発光してしまったり、再発光で生じた熱が放熱しにくいため、第１高屈折率層３１は、蛍光体層３１１と非蛍光体層３１２、または非蛍光体層３１２のみで構成する方が好ましい。
　さらに、上述した第１実施形態において、透光性部材３０を、硫黄を含まない透光性材料から形成する構成とすることができる。高い屈折率を有する透光性材料は、硫黄を含有することが多く、シリコーン樹脂と併用した場合には、シリコーン樹脂の硬化を阻害してしまう場合がある。そのため、透光性部材３０を、硫黄を含まない透光性材料から形成して、硫黄を含まない構成とすることで、このような問題を解決することができ、より品質の高いＬＥＤ光源装置１を提供することができる。なお、硫黄を含まない透光性部材３０として、たとえばＯＫＰ（大阪ガスケミカル）を用いることができる。また、第１高屈折率層３１と低屈折率層３２との接着性を高めるために、図１１に示すように、第１高屈折率層３１の底面３１３をレンズ状に形成する構成とすることもできる。これにより、第２高屈折率層３３を低屈折率層３２の上に接着する際に、第２高屈折率層３３と低屈折率層３２との界面に空気が残らないようにすることができる。
　加えて、上述した第１実施形態および第２実施形態では、高屈折率層３１，３３と低屈折率層３２という異なる２以上の層を積層する構成を例示したが、このように異なる層を積層する際には、透光性材料（透光性の樹脂材料）が液状になる温度（５０℃程度）までベーク、または、真空脱泡してから硬化ベークを行うことが好ましい。これにより、樹脂内部に気泡が生じてしまうことを抑制することができる。また、第３実施形態または第４実施形態に係るＬＥＤ光源装置１ａ，１ｂのように、透光性部材３０ａ，３０ｂを同一の透光性材料のみから形成する場合も、同一の透光性材料からなる層を二層重ねる構成とすることができる。この場合も、樹脂内部に気泡が生じてしまうことを抑制するために、透光性材料が液状になる温度（５０℃程度）までベーク、または、真空脱泡してから硬化ベークを行うことが好ましい。
　また、上述した第４実施形態では、透光性材料をリフレクター２０の上面２１まで充填した場合に透光性材料がリフレクター２０の外部に流出しないように防止するために、リフレクター２０の上面２１にダム部２３（流出防止部）を備える構成を例示したが、この構成に限定されず、たとえば、リフレクター２０の上面２１に溝または凹部を流出防止部として設けることで、この溝または凹部により、透光性材料をリフレクター２０の上面２１まで充填した場合でも透光性材料がリフレクター２０の外部に流出してしまうことを有効に防止することができる。また、金型を用いることで、リフレクター２０の上部に流出防止部を設けることなく、透光性部材３０ｂを一体成形する構成とすることもできる。なお、第１～３実施形態に係るＬＥＤ光源装置１～１ｂにおいても、同様に、ダム部２３などの流出防止部を設けることができる。
　４：プロジェクター装置
　　４１：ダイクロイックプリズム
　　４２：コリメーターレンズ
　　４３：液晶ライトバルブ
　　４４：投射光学系
　　１～１ｂ：ＬＥＤ光源装置
　　　１１：実装基板
　　　１２，１２ａ：配線層
　　　１３，１３ａ：ソルダーレジスト層
　　　１４：ＬＥＤチップ
　　　１５：絶縁層
　　　１６：接着層
　　　１７：金属基板
　　　１８：ワイヤー
　　　２０：リフレクター
　　　　２１：上面
　　　　２２：開口部
　　　　２３：ダム部
　　　　２４：凹部
　　　３０，３０ａ，３０ｂ：透光性部材
　　　　３１：第１高屈折率層
　　　　　３１１：蛍光体層
　　　　　３１２：非蛍光体層
　　　　　３１３：底面
　　　　３２：低屈折率層
　　　　３３：第２高屈折率層
　　　　３１ａ：高屈折率層


 

Claims (14)

  1. 　ＬＥＤチップと、
    　前記ＬＥＤチップの周囲を囲うリフレクターと、
    　透光性材料により構成され上面がレンズ状に形成された透光性部材とを有し、
    　前記透光性部材は、前記ＬＥＤチップと空隙なく接する層であり、かつ、前記ＬＥＤチップの光の屈折率に対して９０％以上の光の屈折率を有する層である、第１高屈折率層を有する、ＬＥＤ光源装置。
  2. 　請求項１に記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記透光性部材は、前記第１高屈折率層よりも光の屈折率が低い低屈折率層をさらに有し、
    　前記低屈折率層は、前記第１高屈折率層の上面に空隙なく積層される、ＬＥＤ光源装置。
  3. 　請求項２に記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記透光性部材は、前記低屈折率層よりも光の屈折率が高い第２高屈折率層をさらに有し、
    　前記第２高屈折率層は、前記低屈折率層の上面に空隙なく積層されるとともに、上面がレンズ状に形成されている、ＬＥＤ光源装置。
  4. 　請求項３に記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記第１高屈折率層は、透光性樹脂またはガラスから構成されており、
    　前記低屈折率層は、透光性樹脂から構成されており、
    　前記第２高屈折率層は、透光性樹脂またはガラスから構成されている、ＬＥＤ光源装置。
  5. 　請求項３または４に記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記第２高屈折率層は、上面および底面がレンズ状に形成されている、ＬＥＤ光源装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記第１高屈折率層は、上面がレンズ状に形成されている、ＬＥＤ光源装置。
  7. 　請求項１ないし６のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記第１高屈折率層は、蛍光体を含む蛍光体層を有する、ＬＥＤ光源装置。
  8. 　請求項１ないし７のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記透光性部材には、硫黄が含まれていない、ＬＥＤ光源装置。
  9. 　ＬＥＤチップと、
    　前記ＬＥＤチップの周囲を囲うリフレクターと、
    　透光性材料により構成され上面がレンズ状に形成された透光性部材とを有し、
    　前記透光性部材は、前記ＬＥＤチップと空隙なく接しており、かつ、前記リフレクターの上面とも空隙なく接している、ＬＥＤ光源装置。
  10. 　請求項９に記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記透光性部材は、前記ＬＥＤチップの光の屈折率に対して８０％以上の光の屈折率を有する、ＬＥＤ光源装置。
  11. 　請求項９または１０に記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記透光性部材は、一体的に成形されている、ＬＥＤ光源装置。
  12. 　請求項１１に記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記透光性材料を前記リフレクター内部に充填して前記透光性部材を一体的に成形する場合に、前記透光性材料の外部への流出を防止するための流出防止部をさらに備える、ＬＥＤ光源装置。
  13. 　請求項９ないし１２のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置であって、
    　前記透光性部材には、硫黄が含まれている、ＬＥＤ光源装置。
  14. 　赤色光用ＬＥＤ光源装置と、前記赤色光用ＬＥＤ光源装置から放射される光を変調する赤色光用透過型液晶パネルと、
    　緑色光用ＬＥＤ光源装置と、前記緑色光用ＬＥＤ光源装置から放射される光を変調する緑色光用透過型液晶パネルと、
    　青色光用ＬＥＤ光源装置と、前記赤色光用ＬＥＤ光源装置から放射される光を変調する赤色光用透過型液晶パネルと、
    　赤色光、緑色光および青色光を合成するダイクロイックプリズムと、ダイクロイックプリズムからの合成光を投写する投写光学系と、を備えたプロジェクターにおいて、前記赤色光用ＬＥＤ光源装置、前記緑色光用ＬＥＤ光源装置および前記青色光用ＬＥＤ光源装置が、請求項１ないし１３のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置により構成されるプロジェクター。
     
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