(57)【要約】  本発明のガラス被覆発光素子１０は、電極が形成されていない面がガラス１によって被覆されている半導体発光素子２であって、そのガラス１の表面が半球面よりも広い球面の一部を構成し、半導体発光素子２の発光ピーク波長におけるそのガラス１の屈折率が１．７以上であり、前記球面の直径と半導体発光素子２の電極が形成されている面の最大径の比が１．８〜３．５であり、発光素子からの出射光を光制御部に効率よく導入することが可能であり、かつ、従来行われていたようなレンズまたはライトパイプと発光素子との位置合わせが不要となる。
2008041771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が形成されていない面がガラスによって被覆されている半導体発光素子であって、そのガラスの表面が半球面よりも広い球面の一部を構成し、半導体発光素子の発光ピーク波長におけるそのガラスの屈折率が１．７以上であり、前記球面の直径と半導体発光素子の電極が形成されている面の最大径の比が１．８〜３．５であるガラス被覆発光素子。
【請求項２】
電極が形成されていない面がガラスによって被覆されている半導体発光素子であって、半導体発光素子の電極が形成されていない上面にその半導体発光素子の発光ピーク波長における屈折率が１．７以上であるガラスを載せて昇温してそのガラスを軟化させて半導体発光素子を被覆した後冷却してガラスの表面が半球面よりも広い球面の一部を構成するようにされており、前記球面の直径と半導体発光素子の電極が形成されている面の最大径の比が１．８〜３．５であるガラス被覆発光素子。
【請求項３】
半導体発光素子が矩形の発光部を有する請求項１または２のガラス被覆発光素子。
【請求項４】
前記ガラスの回転対称軸と矩形の発光部の回転対称軸との距離が３０μｍ以内である請求項３のガラス被覆発光素子。
【請求項５】
前記屈折率が２．３以下である請求項１〜４のいずれかのガラス被覆発光素子。
【請求項６】
前記屈折率が１．８〜２．２、前記比が２．０〜３．２である請求項１〜５のいずれかのガラス被覆発光素子。
【請求項７】
半導体発光素子が発光ダイオードである請求項１〜６のいずれかのガラス被覆発光素子。
【請求項８】
発光ピーク波長が４５０〜４８０ｎｍである請求項７のガラス被覆発光素子。
【請求項９】
表面に配線パターンが形成された配線基板の当該配線パターンと請求項１〜８のいずれかのガラス被覆発光素子の電極がバンプによって電気的に接続されている発光素子付き配線基板。
【請求項１０】
請求項９の発光素子付き配線基板の製造方法であって、半導体発光素子の電極と前記配線基板の配線パターンとをバンプによって電気的に接続し、半導体発光素子の電極が形成されていない上面に前記屈折率が１．７以上であるガラスを載せて昇温し、そのガラスが前記配線基板またはその配線パターンと接触しないように軟化させて半導体発光素子を被覆した後冷却してガラスの表面が半球面よりも広い球面の一部を構成するようにする発光素子付き配線基板の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれかのガラス被覆発光素子の前方にフィールドレンズが配置されている照明装置。
【請求項１２】
請求項９の発光素子付き配線基板のガラス被覆発光素子の前方にフィールドレンズが配置されている照明装置。
【請求項１３】
光源として請求項１１または１２の照明装置を有するプロジェクタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ガラスによって被覆されている半導体発光素子、照明装置およびプロジェクタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）に代表される半導体発光素子は小型、高効率、長寿命の特徴を持ち、様々な用途に使用されている。
たとえばＬＥＤをプロジェクタ光源に用いるとＬＥＤが小型であるため照明系をコンパクトにできる反面、ＬＥＤからの出射光は無指向性であるので出射光を効率よく液晶パネル、マイクロミラーアレイなどの光制御部に導入する必要がある。
従来、このような出射光を効率よく光制御部に導入するためにレンズ付き発光素子、すなわち目的に応じた放射角や強度分布を有するように、別に製作した種々のレンズを金属等のホルダーを介してＬＥＤなど発光素子の位置に合わせて調整固定したものが使用されている。【０００３】
しかし、このような従来のレンズ付き発光素子は発光素子、レンズおよびそれらの固定ホルダーの３点部品がセットとなっており、かつ、それらの部品の調整固定工程も必要であり、費用の高いものであった。
また、その放射強度分布も通常のレンズ形状では必ずしも効率のよいものとはならない問題もあった。【０００４】
このような問題を解決するべくライトパイプを用いた照明系が提案されている（特許文献１参照）。
このような照明系においては前記レンズ付き発光素子を用いる場合に比べて放射強度分布は効率がよいものになると考えられるが、ライトパイプと発光素子または光制御部との位置合わせはやはり必要であり、前記問題の解決は不十分であった。【０００５】
【特許文献１】特表２００６−５０５８３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、半導体発光素子からの出射光を前記光制御部に効率よく導入することが可能であり、かつ、先に述べたようなレンズまたはライトパイプと発光素子との位置合わせが不要となるガラス被覆発光素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電極が形成されていない面がガラスによって被覆されている半導体発光素子であって、そのガラスの表面が半球面よりも広い球面の一部を構成し、半導体発光素子の発光ピーク波長におけるそのガラスの屈折率が１．７以上であり、前記球面の直径と半導体発光素子の電極が形成されている面の最大径の比が１．８〜３．５であるガラス被覆発光素子（第１の発光素子）を提供する。【０００８】
また、電極が形成されていない面がガラスによって被覆されている半導体発光素子であって、半導体発光素子の電極が形成されていない上面にその半導体発光素子の発光ピーク波長における屈折率が１．７以上であるガラスを載せて昇温してそのガラスを軟化させ半導体発光素子を被覆した後冷却してガラスの表面が半球面よりも広い球面の一部を構成するようにされており、前記球面の直径と半導体発光素子の電極が形成されている面の最大径の比が１．８〜３．５であるガラス被覆発光素子（第２の発光素子）を提供する。
また、第１または第２の発光素子であって半導体発光素子が矩形の発光部を有するガラス被覆発光素子（第３の発光素子）を提供する。
また、第３の発光素子であって前記ガラスの回転対称軸と矩形の発光部の回転対称軸との距離が３０μｍ以内であるガラス被覆発光素子を提供する。【０００９】
また、表面に配線パターンが形成された配線基板の配線パターンと前記ガラス被覆発光素子の電極がバンプによって電気的に接続されている発光素子付き配線基板を提供する。  また、前記発光素子付き配線基板の製造方法であって、半導体発光素子の電極と前記配線基板の配線パターンとをバンプによって電気的に接続し、半導体発光素子の電極が形成されていない上面に前記屈折率が１．７以上であるガラスを載せて昇温し、そのガラスが前記配線基板またはその配線パターンと接触しないように軟化させて半導体発光素子を被覆した後冷却してガラスの表面が半球面よりも広い球面の一部を構成するようにする発光素子付き配線基板の製造方法を提供する。【００１０】
また、前記ガラス被覆発光素子の前方にフィールドレンズが配置されている照明装置を提供する。
また、前記ガラス被覆発光素子の前方に対物レンズが配置されている照明装置を提供する。
また、前記発光素子付き配線基板のガラス被覆発光素子の前方にフィールドレンズまたは対物レンズが配置されている照明装置を提供する。
また、光源として前記照明装置を有するプロジェクタ装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被覆ガラスが前記レンズまたはライトパイプと同様の作用を有し、そのために先に述べたような位置合わせが不要となる。すなわち、従来はレンズを用いて指向性を高める場合、半導体発光素子（以下、単に発光素子ということがある。）とレンズを別々に配置しなければならなかったのでそれらを位置合わせする必要があったがそのような位置合わせが不要となる。【００１２】
また、発光素子とレンズの間に空間がある場合、出射光は発光素子から空間に出るときとその空間からレンズに入射するときに一定割合が反射する。発光素子の屈折率は高い場合が多く、このような場合にはこれら反射のために利用できる光量が減ってしまう。これに対し、本発明においてはレンズ作用を有するガラスと発光素子の間に空間はないのでこのような問題が起こらなくなる。【００１３】
また、発光素子の被覆物の形状が周知の砲弾型である場合、砲弾の円筒部にあたる部分に発光素子から入射した光の一部は被覆物表面で屈折して外部空間に出射してしまい砲弾の半球面部にあたる部分に到達しない。これに対し、本発明においては発光素子から球状のガラスに直接光が入射するので、砲弾の円筒部に相当する球状のガラスの下半球にあたる部分に入射した光の多くは全反射によって再度電極面に戻り、そこでの散乱により光路を変化させ球状のガラスの上半球にあたる部分に到達し、利用できる光量を増大させることができる。
また、発光素子として矩形の発光部を有するものをＴＶやプロジェクタ等、画像投影装置において用いれば、投影されるべきものの形状と同じ形状を発光部が有するので照明効率が向上し、また、プロジェクタ装置に適用すればＬＣＤ（液晶表示装置）が不要になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のガラス被覆発光素子および発光素子付き配線基板の断面の概念図。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は球状ガラスの屈折率が１．５の場合の計算結果（投光形状）を示す図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は球状ガラスの屈折率が２．０の場合の計算結果（投光形状）を示す図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は球状ガラスの屈折率が１．５の場合の計算結果（光量分布）を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は球状ガラスの屈折率が２．０の場合の計算結果（光量分布）を示す説明図である。
【図６】本発明のガラス被覆発光素子の出射光の角度依存性を示す図。
【図７】本発明のガラス被覆発光素子および発光素子付き配線基板の断面の概念図。
【図８】半導体発光素子の構成を示す上面図。
【図９】球状ガラスの回転対称軸と半導体発光素子の発光部の回転対称軸との関係を示す上面図。
【図１０】発光素子の拡散板上での照度の測定方法を示す図。
【図１１】ガラス被覆されていない発光素子の発光状態の顕微鏡像。
【図１２】ガラス被覆発光素子の発光状態の顕微鏡像。
【図１３】ガラス被覆されていない発光素子の輝度の分布を示す図。
【図１４】ガラス被覆発光素子の輝度の分布を示す図。
【図１５】ガラス被覆発光素子の照度分布算出プロセスを説明するための図。
【図１６】（Ａ）は指向性のない発光素子から照射面への照射光路及び照射面での光量分布を示すグラフ、（Ｂ）は本発明のガラス被覆発光素子から照射面への照射光路及び照射面での光量分布を示すグラフである。
【図１７】（Ａ）は発光素子の発光点Ａが球レンズの最後方点のときの球レンズ４を出射後の光路、（Ｂ）は発光点Ａが球レンズの最後方点よりも照射方向の前方側にずれているときの光路を示す説明図である。
【図１８】本発明のガラス被覆発光素子における球面収差による光路の偏移を示す説明図である。
【図１９】本発明の照明装置を示す構成図及び正面図である。
【図２０】本発明のプロジェクタ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  球状ガラス
２  半導体発光素子
３  バンプ
４  配線パターン
５  基板
１０  ガラス被覆発光素子
１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ  ガラス被覆発光装置
１５  ：配線基板
２０  フィールドレンズ（対物レンズ）
３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ  ＬＣＤ（液晶表示装置）
４０  合波素子
５０  プロジェクションレンズ
６０  照明装置
７０  プロジェクタ
Ｚ  光軸
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図１を用いて本発明のガラス被覆発光素子および発光素子付き配線基板を説明するが、本発明は図１に限定されない。
２は発光素子であり、その下面には電極（図示せず）が形成されている。
発光素子２としてはＬＥＤ、レーザーダイオードなどが例示されるが青色ＬＥＤが典型的である。
発光素子２は上から見ると長方形または正方形であることが一般的であり、したがって発光素子１０の電極が形成されている面も長方形または正方形であることが一般的である。
発光素子２が長方形または正方形である場合その最大径Ｌは対角線の長さであり、Ｌは典型的には４００〜１５００μｍである。
発光素子２の発光面である電極は限定されず、たとえばアルファベットのＬ文字のような形状を有するが（図１１参照）、本発明の第３の発光素子においては矩形（長方形または正方形）である。【００１７】
１は発光素子２を被覆するガラス（以下、このガラスを球状ガラスという。）である。  球状ガラス１の表面は半球面よりも広い球面の一部を構成する。そのようなものでないと出射光の指向性と均一性の両者を向上させることが困難になる。球状ガラス１は発光素子２の面によって球が切断された形状であり、その球の切断された部分は球欠と言われるものである。
発光素子２の発光ピーク波長λｐにおける球状ガラス１の屈折率ｎｐは１．７以上である。１．７未満では後述する最大照度または照度分布が小さくなる。好ましくは１．８以上、より好ましくは１．９以上である。また、ｎｐは典型的には２．３以下もしくは２．２以下である。なお、λｐは青色ＬＥＤにおいては４５０〜４８０ｎｍ、特には４５０〜４６０ｎｍが一般的である。
発光素子２が発光ダイオードである場合、球状ガラス１としてたとえば、下記酸化物基準のモル％表示で、ＴｅＯ２  ４０〜５３％、ＧｅＯ２  ０〜１０％、Ｂ２Ｏ３  ５〜３０％、Ｇａ２Ｏ３  ０〜１０％、Ｂｉ２Ｏ３  ０〜１０％、ＺｎＯ  ３〜２０％、Ｙ２Ｏ３  ０〜３％、Ｌａ２Ｏ３  ０〜３％、Ｇｄ２Ｏ３  ０〜７％、Ｔａ２Ｏ５  ０〜５％、から本質的になるガラスが使用される。このガラスは本発明の目的を損なわない範囲で上記成分以外の成分を含有してもよいが、その場合そのような成分の含有量は合計で好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下である。ここで、たとえば「ＧｅＯ２  ０〜１０％」とはＧｅＯ２は必須ではないが１０％まで含有してもよい、の意である。【００１８】
前記球面の直径をｄとして、ｄ／Ｌは１．８〜３．５とされる。この点について以下で説明する。なお、ｄは球状ガラス１の水平方向の幅の最大値に等しい。
本発明者は、発光素子が球状ガラスで被覆されたものを光源として、その出射光の光線追跡による放射強度分布計算を次のようにして実施した。すなわち、光源の前方すなわち出射光側に受光面を配置しその受光面における照度を計算した。発光素子からの出射光線は出射光側空間の全１８０度方向について無指向性、非コヒーレント性とし、出射光線の屈折、反射については、屈折・反射の法則（スネルの法則）にしたがって計算をした。また、光源全強度は１ｍＷに規格化し、出射光線数は全部で１００万本として計算した。なお、光源全強度を１ｍＷに規格化して計算したのは便宜上そのようにしただけであって本発明はこれに限定されず、また、本計算では偏光は考慮せず、多重反射による光線強度低下は０．０００１％まで有効とした。【００１９】
Ｌを１ｍｍ、受光面を１辺が１５ｍｍの正方形、球状ガラスがその一部を構成するところの球面の受光面から最も離れている点と受光面との距離が１９ｍｍとなるようにした場合の受光面における照度を、ｎｐが１．５、１．７５、２．０、２．２５、ｄが１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍすなわちｄ／Ｌが１（球状ガラスが半球の場合）、２、３、４である場合について計算した。
ｎｐが１．５でｄ／Ｌが１、２、３、４の場合における計算結果を図２（Ａ）〜（Ｄ）に、ｎｐが２．０でｄ／Ｌが１、２、３、４の場合における計算結果を図３（Ａ）〜（Ｄ）にそれぞれ示す。これらの図から各場合における受光面の照射領域を知ることができる。なお、各図（Ａ）のＲｏｗ、Ｃｏｌｕｍｎで示す線は縦方向、横方向の中心線である。【００２０】
計算によって得られた照度から最大照度（単位：ｍＷ）および照度分布（単位：％）を読み取った。結果を表１（最大照度）および表２（照度分布）に示す。
なお、前記照度分布は次のようにして読み取った。すなわち、受光面上の実効的に照射されている部分の横方向の長さａと照度が前記最大照度の８０％以上である横方向の長さｂを求め、ｂ／ａを照度分布とした。ｄ＝１ｍｍにおける照度分布は実効的に照射されている部分が受光面よりも広くなったために読み取ることができなかった。
図４（Ａ）〜（Ｄ）は図２（Ａ）〜（Ｄ）の横方向中心線における光量分布を示し、図５（Ａ）〜（Ｄ）は図３（Ａ）〜（Ｄ）の横方向中心線における光量分布を示す。各図中の滑らかに引かれた曲線をもとにｎｐが１．５および２．０でのｄが２ｍｍ、３ｍｍ，４ｍｍすなわちｄ／Ｌが２、３，４の場合における前記照度分布を読み取った。読み取りの補助線もあわせて示す。【００２１】
【表１】
2008041771.tif 000003
【００２２】
【表２】
2008041771.tif 000004
【００２３】
最大照度は３×１０−５以上、照度分布は０．３５以上であることが好ましい。
先にも述べたようにｎｐが１．７未満では最大照度または照度分布が小さい。
ｄ／Ｌが１．８未満では最大照度または照度分布が小さく、３．５超では最大照度または照度分布が小さくなることがある。好ましくは２．０〜３．２である。【００２４】
球状ガラス１は半導体発光素子２の上面だけでなく側面も被覆することが好ましい。側面を被覆するものでないと出射光の利用効率が低下するおそれがある。なお、球状ガラス１は本発明の目的を損なわない限り半導体発光素子２の電極（図示せず）が形成されている面の一部を被覆していてもよい。
球状ガラス１によって被覆された半導体発光素子２は本発明のガラス被覆発光素子１０（第１の発光素子）である。【００２５】
図１においてガラス被覆発光素子１０の電極すなわち半導体発光素子２の電極（図示せず）はバンプ３を介して配線基板１５の配線パターン４と電気的に接続されており、これは本発明の発光素子付き配線基板である。なお、図１中の５は配線基板１５の基板であり、たとえばアルミナ基板である。
図１において球状ガラス１は配線基板１５と接触しないものとされているが、本発明はこれに限定されず、たとえば球状ガラス１は配線基板１５と接触していてもよい。
次に、図７、図８（Ａ）を用いて本発明の第３の発光素子について補足的に説明する。
図７は図１と同様に本発明の発光素子の構造を示す断面図であり、図８（Ａ）は半導体発光素子２の構成を示す上面図である。
半導体発光素子２は、電極が形成される主表面１２１と主表面に対向しガラスに被覆される裏表面１２２とを備える。半導体発光素子２の主表面１２１は、発光する矩形のＰ電極２００と矩形のＮ電極２１０とを備える。
なお、発光するＰ電極２００の形状は、本発明の第３の発光素子が投影する投影面と相似である。たとえば、投影する投影面（ＴＶ画面、デジタルカメラ画面、プロジェクタ）の画面サイズの縦横比が１６：９であれば、矩形の縦横比も１６：９である。
ここで、本発明では、Ｐ電極２００が発光する電極であるが、Ｐ電極とＮ電極とを入れ替え、Ｎ電極が発光する電極として良いことは言うまでもない。
バンプ３は、基板５上に形成される配線パターン４と半導体発光素子２とを電気的に接続する。
ここで、図７および図８（Ａ）に記載の記号Ｐは、発光する矩形のＰ電極２００の２つの対角線の交点を示している。図７に記載の直線Ｘは、交点Ｐを通り、かつ、主表面１２１と垂直な第１の仮想垂線である。ここで、第１の仮想垂線Ｘを、矩形発光部の回転対称軸とも言う。なお、実際の製品において、交点Ｐおよび第１の仮想垂線Ｘが物理的に存在していないことは言うまでもない。
図７に記載の記号Ｑは、球状ガラス１の重心を示している。なお、ガラスが完全な球形状である場合は、ガラスの重心は２つの直径の交点であるが、本発明のガラスのように一部欠けている場合の重心は、球形状であるガラスの重心より若干上方に位置する。図７に記載の直線Ｙは、重心Ｑを通り、主表面１２１と垂直であり、第１の仮想垂線Ｘと平行な第２の仮想垂線である。ここで、第２の仮想垂線Ｙを、球状ガラスの回転軸とも言う。なお、実際の製品において、重心Ｑ及び第２の仮想垂線Ｙが物理的に存在していないことは言うまでもない。
なお、図８（Ａ）において、半導体発光素子２として、一つの矩形のＰ電極２００と一つの矩形のＮ電極２１０を開示した。しかしながら、図８（Ｂ）に示すように、半導体発光素子２を、複数の矩形のＰ電極２００と複数の矩形のＮ電極２１０とにより構成してもよい。このように構成することで、複数の矩形のＰ電極２００からそれぞれ異なる画像が出力することができる。それにより、これによりマトリックス表示ができる。
図９は球状ガラス１の回転対称軸（第２の仮想垂線Ｙ）と半導体発光素子２の発光部の回転対称軸（第１の仮想垂線Ｘ）との関係を示す上面図である。先に述べた放射強度分布計算は半導体発光素子の発光部が矩形である場合について行ったものであるが、矩形発光部の回転対称軸（第１の仮想垂線）Ｘと球ガラスの回転対称軸（第２の仮想垂線）Ｙは重なっているものとした（図９（Ａ））。つまり、球状ガラス１の真上方向からみて、交点Ｐと重心Ｑは同じ仮想直線上に存在しているものであると想定した。しかしながら、矩形発光部の回転対称軸（第１の仮想垂線）Ｘと球状ガラス１の回転軸（第２の仮想垂線）Ｙがずれている場合も考えられる（図９（Ｂ））。シュミレーション結果によると、上記ずれ量（距離の差）が３０μｍ以内であれば、照度分布に影響が無いことが確認された。【００２６】
次に本発明の第２の発光素子、第１の発光素子および発光素子付き配線基板の製造方法を具体例を用いて説明する。
＜配線基板の作製＞
基板として、純度９９．６％、厚さ１ｍｍのアルミナ基板を用意した。
また、配線基板の電極を形成するための金ペーストを次のようにして調合した。すなわち、金粉末（８０質量％）および有機質ワニス（２０質量％）を混合し、磁器乳鉢中で１時間混練した後、三本ロールを用いて３回分散を行って金ペーストとした。金粉末としては平均粒径２μｍの球状の微粉末を用いた。また、有機質ワニスとしては、重合度７のエチルセルロース樹脂をαーテレピネオールに質量比が９：１となる割合で混合したものを用いた。【００２７】
次に、前記アルミナ基板の表面に前記金ペーストを所望の配線パターンが得られるようにスクリーン印刷し、１２０℃で１０分間の加熱処理を行った後、８００℃で３０分間焼成して、アルミナ基板上に金配線パターンが形成された配線基板を得た。【００２８】
＜ＬＥＤの配線基板へのボンディング＞
豊田合成社製青色ＬＥＤ（商品名：Ｅ１Ｃ６０−０Ｂ０１１−０３）を用意した。なお、このＬＥＤのλｐは４６０ｎｍであり、電極が形成されている面すなわち電極面は一辺が３２０μｍの正方形すなわちＬは４５３μｍである。【００２９】
まず、ＬＥＤの電極上にバンプを全部で２個形成した。具体的には、ウェストボンド社製のマニュアルワイヤボンダ（製品名７７００Ｄ）を用いて、直径２５μｍの金ワイヤ（住友金属鉱山社製ＳＧＨ−２５（商品名））によって金バンプを形成した。形成された金バンプの直径は１００μｍ、高さは２５μｍであった。【００３０】
次に、これら２個の金バンプを介して、ＬＥＤ電極面上の電極と金配線をボンディングした。このとき、アルミナ基板に対してＬＥＤが平行となるように圧力をかけながら実装した。具体的には、ハイソル社製のフリップチップボンダ（商品名：ＭＯＡ−５００）を用いて、ＬＥＤをアルミナ基板上にフリップチップ実装した。実装後の金バンプの直径は１００μｍ程度であり、高さは２０〜３０μｍ程度であった。【００３１】
＜ガラスによるＬＥＤ被覆＞
モル％表示の組成が、ＴｅＯ２  ４５．０％、ＴｉＯ２  １．０％、ＧｅＯ２  ５．０％、Ｂ２Ｏ３  １８．０％、Ｇａ２Ｏ３  ６．０％、Ｂｉ２Ｏ３  ３．０％、ＺｎＯ  １５％、Ｙ２Ｏ３  ０．５％、Ｌａ２Ｏ３  ０．５％、Ｇｄ２Ｏ３  ３．０％およびＴａ２Ｏ５  ３．０％であるガラスを用意した。このガラスの屈折率は波長４０５ｎｍで２．０１、波長４６０ｎｍで１．９８であった。【００３２】
次に、上記ガラスを適当な大きさのブロック状に加工した後、前記フリップチップ実装されたＬＥＤの上、すなわちＬＥＤの電極が形成されていない上面に載せた。
ブロック状ガラスをＬＥＤの上に載せた後、大和科学社製電気炉（商品名：ＦＰ４１）を用いて２５℃から６１０℃まで５℃／分の速度で昇温してそのガラスを軟化させＬＥＤを被覆後２５℃まで冷却し、ｄが１．０２ｍｍ、ＬＥＤ下面からの高さが０．９６ｍｍである球状ガラス（ｄ／Ｌ＝２．２５）によってＬＥＤの上面および側面が被覆されているガラス被覆発光素子（発光素子Ａ）を得た。
このようにして得られたガラス被覆発光素子の球状ガラスの形状はガラスの表面張力によって形成される。なお、軟化したガラスはＬＥＤの側面を被覆するようにされるので軟化ガラスはその側面によって位置決めされ、その結果球状ガラスの中心軸はＬＥＤの軸と一致するようになる（セルフアラインメント）。【００３３】
同様にしてｄが０．５５ｍｍ（ｄ／Ｌ＝１．２１）、０．７２ｍｍ（ｄ／Ｌ＝１．５９）であるガラス被覆発光素子を作製した。
これら３個のガラス被覆発光素子およびベアチップ（ガラス被覆されていない前記ＬＥＤ）について出射光の角度依存性をトプコン社製輝度計（商品名：ＢＭ７）を用いて取り込み角１°の条件で測定した。結果を図６に示す（図６の横軸は出射角度、縦軸は輝度であり、図中右側の各線の説明におけるたとえば１．０２ｍｍはｄである）。ｄ／Ｌが１．８を超えると正面輝度が高くなることがわかる。【００３４】
ｄ／Ｌが２．３程度までのものは先に述べたような方法で作製することができるが、ｄ／Ｌがそれより大きいものはたとえば次のようにして作製することが好ましい。すなわち、ガラスの自重を受けるための型をガラスに対して濡れ性の悪い窒化ホウ素あるいはカーボンで作製し、それをＬＥＤ周辺に配置すればよい。このとき型のガラスと接触する面はガラスが球状になった場合と同じ曲率を持った球面形状にしておけばよい。【００３５】
また、前記発光素子Ａおよびガラスで被覆していない実装ＬＥＤ（発光素子Ｂ）について次のようにして、発光状態、発光投射像、輝度（照度）を測定し、輝度の分布から前記照度分布を算出した。
図１０に示すような光学系を組んで発光素子Ａの拡散板上での輝度の分布を測定した。
この測定系では、拡散板に投射されたＬＥＤ像の一辺がおよそ５０ｍｍ程度となった。  ガラスで被覆していない実装ＬＥＤの輝度の分布を顕微鏡で発光画像をＣＣＤで取り込んで、輝度データを取得した。ガラスで被覆していない実装ＬＥＤの発光状態の顕微鏡像を図１１に示す。
図１２にはガラスで被覆されたＬＥＤ（発光素子Ａ）の発光投射像を示す。このように球ガラスで被覆されたＬＥＤから出射した光は、後掲の図１６で示すように球ガラスでコリメートされるため、散乱板上で像を形成することができる。
次に、図１１、１２の各ＡＡ’線における輝度（照度）の分布を、図１３、１４に示す。
ガラスで被覆していない実装ＬＥＤの輝度分布は、図１３で分かるとおり、左半分は平坦であるが、右半分は相対的に輝度の均一性が悪くかつ暗くなっている。この傾向は図１４においても確認される。
ガラスで被覆されたＬＥＤの照度分布を求めるために、図１４において左半分で照度をスムージングし、最大照度の８０％以上の照度がある部分を算出した。その時の様子を図１５に示す。
このようにして算出した照度分布は６２％となった。この６２％という値は、ｄ／Ｌ＝２の場合について先に述べたような方法によって計算で算出した６８％に近く、前記計算が信頼できるものであることが確認された。
また、ガラスで被覆していない実装ＬＥＤから出射した光を同様にして拡散板に照射したが、像は得られず、照度分布は算出できなかった。【００３６】
図１６（Ａ）に示すように、通常のＬＥＤなど指向性のない発光素子１００では、光量分布の均一化のための光学素子（インテグラルレンズなど）がない限り、コリメータ１０１で平行光となった光束の光強度Ｉは、コサイン４乗則（ＣＯＳ４θＺ）によって中央部が最大分布を呈する正規分布（ガウス分布）となってしまう（図６のｄ＝１．０２ｍｍのデータ参照）。θＺはコリメータ１０１に入射する前の光線の光軸となす角度、Ｉｚは光源のある１点から出射してレンズを通過後、被照明面内に達する全光線の強度分布、ΣＩｚは光源の全点から出射して被照明面内に達する全光線の強度分布である。
一方、本発明では、従来と同じ正規分布の発光特性を有する通常のＬＥＤを発光素子２として使用しても、同図（Ｂ）に示すように、その発光素子２を球状ガラス１で被覆したガラス被覆発光素子１０で構成することにより、コリメータ１０１で平行光となった光束の光強度Ｉは、光量分布がほぼ平均化される（図６のＢａｒｅｃｈｉｐ、ｄ＝０．５５ｍｍ、ｄ＝０．７２ｍｍのデータ参照）。これは、指向性のある光源の場合、球状ガラス１内を通過するθｚは大きくとも、球状ガラス１を通過後、指向性のある細い光束
に変換されるのでコリメータ１０１を通過する光束の角度差は小さくなり、それぞれの射出方向のコリメータ１０１の一部しか通過しないので、コサイン４乗則で低下するθｚは小さくなるからである。【００３７】
球欠形状の球状ガラス１のレンズ作用について以下で説明する。
（イ）発光素子２からの出射光の一部を球状ガラス１の側面で全反射させることについて：
発光素子２から出射する発光ピーク波長λｐの光、たとえば４６０ｎｍの青色光は発光素子２の後方を除く出射光側空間の略全周３６０度にわたる領域に面発光するが、その出射直後（球状ガラス１入射時）の照射パターンは、図６のｄ＝１．０２ｍｍの線として示すように、ほぼ正規分布に対応する中央が最大ピークの山型である。この発光素子２からの出射光は、出射後、空気中を透過することなく直ちに球状ガラス１の内部を進行し、その後、球状ガラス１を透過する際に、空気との界面に対して全反射角以上で入射する光線のみが球状ガラス１の外部へ出射していく。一方、空気との界面に対して全反射角以下で入射する光線は、全反射を繰り返し、電極面で散乱され、そのうち全反射角を越える角度でガラス−空気界面に到達した光が外部へ出射される。【００３８】
（ロ）光源である発光素子２の発光点Ａ’を球状ガラス１を真球とした場合の仮想最後方点Ａよりも照射方向の前方側にずらすことで、球状ガラス１を透過する際に光束が拡散する方向に広がることについて：
たとえば、かりに、図１７（Ａ）に示すように球欠部のない球レンズ１’の球面収差を無視できるような無収差の近軸条件が成り立つとすれば、発光素子２の発光点Ａが球レンズ１’の最後方点Ａにあれば、球レンズ１’を出射後の光束は平行光束で進行する。なお、実際には、発光点Ａから出て球レンズ１’から出射する光線は、球レンズ１’から出射する位置が光軸から離れれば離れるほど球面収差が大きくなるため、無収差の場合の光線の進行方向に比べて光軸に近い方向に向かって収斂する。一方、本発明の発光素子２は、同図（Ｂ）に示すように、発光点Ａ’を球状ガラス１の最後方点Ａよりも照射方向の前方側（Ｚ軸方向）にずらしているので、光束が拡散する方向に広がる効果（以下、第１効果という）を付与することができる。【００３９】
（ハ）球状ガラス１を透過する際に、屈折率ｎをたとえば１．７以上とすることで光束を拡散方向に広がらせることができること、あるいはｎをたとえば２．２以下とすることで光束を収斂方向に狭めることができることについて：
一般に、両面球レンズの中心を通る光軸を含む断面内で、レンズ面半径をそれぞれｒ１、ｒ２、球面レンズの屈折率をｎ、光軸方向のレンズ厚をｔとすると、屈折力（１／ｆ；ただしｆは焦点距離。）は（１）式で表される。
１／ｆ＝［（ｎ−１）／ｒ１］＋［（１−ｎ）／ｒ２］
＋［｛（ｎ−１）２ｄ｝／（ｎ・ｒ１・ｒ２）］      ・・・（１）
球面レンズでは、ｒ１＝−ｒ２＝ｄ／２である。
球状ガラス１のように球の一部を平面で切取った形状すなわち球欠形状であるものについては、球の一部が切取られた側の半球の半径、ここでは便宜的にこれをｒ１とすると、ｒ１が∞となり１／ｒ１→０となるので、（１）式は次の（２）式になる。
ｒ２＝（１−ｎ）・ｆ                                    ・・・（２）
そして、近軸条件を十分満足する理想的な場合において、ｎが２のときにｒ２＝−ｆとなり、すなわち焦点距離がｒ２に等しくなり、レンズの中心からｒ２の位置に物点が置かれた場合に出射光が平行光となる。
したがって、このような理想的な場合においては球状ガラス１の屈折率が２未満であれば光束が拡散し、２超であれば光束が収斂する効果（以下、第２効果という）を付与することができる。【００４０】
（ニ）球状ガラス１の球面収差により、球状ガラス１を透過する際に、前述した（ロ）、（ハ）における効果を相殺（調整）するような、収束する方向の作用が発生することについて：
周知のように、近軸条件が十分に満足するほど理想的な場合を除き、図１８に示すように、光軸（Ｚ）上の物点から平行に進行する光は、一般に、光軸（Ｚ）に垂直な方向（Ｘ）に関して、光軸（Ｚ）からより離れた物点での光ほど、理想的な焦点位置よりも近くに像を結ぶ作用が発生する（球面収差）。【００４１】
そこで、本発明では、前述した第１、第２の効果の合算値を、この作用でキャンセルさせるべく、球状ガラス１のｄ／Ｌと屈折率ｎｐとを適正な値に設定するようにしている。
すなわち、本発明ではこれを具体的に実現するべく、
ａ）発光素子２の発光点Ａ’が球状ガラス１の最後方点Ａよりも照射方向の前方側にずらすことと、
ｂ）球状ガラス１としてｎｐが１．７以上、好ましくは１．８〜２．２、典型的には１．９〜２．２であるものを使用すること、
としている。【００４２】
次に、本発明の照明装置について、図１９を参照しながら説明する。
本発明の照明装置６０は本発明のガラス被覆発光素子１０とフィールドレンズ（対物レンズ）２０とを備えている。ガラス被覆発光素子１０は通常その電極がバンプによって配線基板の配線パターンに電気的に接続されている。
本発明の照明装置６０によれば、ガラス被覆発光素子１０を出射した各光線は、ＬＥＤの発光点位置とガラス被覆発光素子１０の中心点とで決まる主光線に沿った方向に、あるまとまった指向性のある光束となって進行し、フィールドレンズ２０に達する。そして、フィールドレンズ２０に達したそれぞれの光束は、さらにフィールドレンズ２０の到達点の高さにおいて、その屈折力によってレンズの光軸に平行に近くなる方向に偏向されて被照明体（図示せず）に達する。
ここで、ガラス被覆発光素子１０の球状レンズとフィールドレンズ２０とが理想的な無収差レンズであれば、全方向の光線が被照明体に垂直に入射することも可能となるが、実際にはいずれのレンズも大きな球面収差を有するため、被照明体にある程度斜めに入射する光線が存在することは避けられない。
しかし、球状レンズとフィールドレンズ２０の光線のばらつき状態を見ながら、図１９のように中心と周辺付近の光束がほぼ被照明体面内に入射するようにフィールドレンズ２０の屈折力と位置とを最適化することにより、ガラス被覆発光素子１０から出射する光線をほとんど被照明体面内にその収差の範囲内でできるだけ垂直に近い状態で入射させることができる。そして、その被照明体に入射する光線位置はガラス被覆発光素子１０の発光点位置に対応して決まるので、ガラス被覆発光素子１０の光線強度が一様であれば、被照明体の各点に到達する光線強度も一様に近い状態になるため、たとえば一般の建築照明部材や液晶テレビ、プロジェクタ画面等のディスプレイ等の分野において、従来のインテグレータレンズ系のような高価な均一化光学系等の高価な追加光学系を用いることなく、必要な場合でも薄い拡散板のような安価な均一化素子を追加する程度で比較的均一な光線強度の照射面やスクリーンを実現できる。【００４３】
次に、本発明のプロジェクタ装置（以下、単にプロジェクタという。）について図１７、図２０を参照しながら説明するが、本発明は図２０に示すようなものに限定されない。
本発明のプロジェクタ７０は、本発明のガラス被覆発光素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂと、フィールドレンズ２０と、ＬＣＤ（液晶表示装置）３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂと、合波素子４０と、プロジェクションレンズ５０とを備えている。なお、ガラス被覆発光素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは通常それらの電極がバンプによって配線基板の配線パターンに電気的に接続されている。【００４４】
このような構成のプロジェクタ７０によれば、ＲＧＢの各光源として設けたガラス被覆発光素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂからの光は、それぞれフィールドレンズ２０を透過したのち、ＬＣＤ（液晶表示装置）３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂに背面から入射してバックライトを構成する。そして、このＬＣＤ（液晶表示装置）３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂにおいて、ＲＧＢのそれぞれの光成分に対応する画像が形成された後、それらの画像成分が合波素子４０で合波されてから、投影レンズに入射する。【００４５】
本発明のプロジェクタ７０によれば、発光素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂと１枚のフィールドレンズ２０という構成だけで三原色のそれぞれのＬＣＤを、従来の複雑で、ある大きさを持ったインテグレータ光学系等の均一化光学系を用いることなく、均一に照明する光学エンジン部を構成できる。したがって、従来の３枚のＬＣＤプロジェクタ光学系を、その部品点数を大幅に減らし、かつ、小さく、安価に製作できるようになる。
なお、ガラス被覆発光素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが本発明の第３の発光素子である場合には、ＬＣＤ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂを使用しないことが可能となる。【００４６】
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００６年１０月５日出願の日本特許出願（特願２００６−２７４０１７）、２００６年１１月７日出願の日本特許出願（特願２００６−３０１５５８）、２００７年４月１９日出願の日本特許出願（特願２００７−１１０３３１）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のガラス被覆発光素子は、照射効率が良好であるとともに出射光を所望の方向に効率よく導光することが可能であり、かつ、レンズまたはライトパイプとの位置合わせが不要となる効果を有し、ガラス被覆発光素子の前方にフィールドレンズ（対物レンズ）が配置されている照明光源やこの照明光源を有するプロジェクタ装置等に有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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