(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズと回転曲面状の反射鏡とを具え、前記レンズの後方に配置される光源の出射光を前記レンズと前記反射鏡で集光して前方に出射する光学部品と、前記光源としての発光面に電極パターンを有する発光ダイオードチップと、を有する照明装置であって、
前記レンズは、その焦点にある点光源から発した光を平行光にするコリメートレンズであり、
前記反射鏡は、その焦点にある点光源から発した光を平行光にするものであり、
前記レンズおよび前記反射鏡は、ガラス又は樹脂により一体に形成されており、
前記レンズの焦点は前記発光ダイオードチップから前方にずれており、かつ、前記反射鏡の焦点は前記発光ダイオードチップ上にあることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光学部品は、後方に突出すると共に突端に前記発光ダイオードチップが配置されるべき凹部が形成された突出部を有し、前記レンズは前記凹部の底面に形成され、前記反射鏡は前記突出部の周面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記反射鏡の表面に、反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載
の照明装置。
【請求項４】
前記発光ダイオードチップ上に形成された透光性ドーム部材が形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード等の光源からの発光を集光して前方に照射するためのレンズと反射鏡を具えた光学部品、並びに、その光学部品を用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード等の発光を効率良く集光して前方へ照射するために、適当なコリメートレンズを先端に形成した構造がよく用いられる。例えば、図１６Ａに示す照明装置１’は、金属から成るキャップ５とレンズ７を備えている。リード兼ステム１８ａの上には発光ダイオードチップ２０が固定され、他方のリード１８ｂと接続されている。そして発光ダイオードチップ２０の発光を、ガラス製のレンズ７によって集光し、平行光線にして出射している（特許文献１）。
【０００３】
しかし、図１６Ａに示すような構造の照明装置１’では、平行光線となるように照射される光束の有効利用範囲θが広くないため、発光ダイオードチップ２０から放出される発光のかなりの部分を前面方向に導出できない、という問題があった。そこで、図１６Ｂに示す例では、別の形状の光学部品２’を用いている。この光学部品２’は、前面が平坦で周側面が曲面を呈する略椀形の全体形状を有し、後面中央部に凹部が設けられ、凹部内に発光ダイオードチップ２０が収まるように配設されている。凹部の底面は放物曲面状に盛り上がってレンズ３’を構成しており、光学部品２’の周面は発光ダイオードチップ２０からの放射光線を反射させる反射鏡４’となっている。このような光学部品２’を用いれば発光ダイオードチップ２０から放射される光束のうち、レンズ３’に取り込まれなかった部分も反射鏡４’で反射されて、前面から平行光線として放射される。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−１４７５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図１６Ａ及びＢに示したような照明装置１’では、被照射物に光を照射した際に、光源である発光ダイオードチップ２０の電極パターン等が写る、という問題があった。この問題について、発光ダイオードチップ２０が絶縁性基板上に形成された場合を例に説明する。
【０００６】
例えば、窒化ガリウム系発光ダイオードチップなどの発光素子では、半導体を結晶性良く成長できる導電性基板が少ないため、サファイア等の絶縁性基板上に半導体を結晶成長させる場合が多い。図１７は、そのような発光ダイオードチップ２０の一例を示す平面図である。サファイア等の絶縁性基板（図示せず）の上面にｎ型窒化物半導体層３０が形成され、さらにｐ型窒化物半導体層３１が形成されている。ｐ型窒化物半導体層３１が除去された部分のｎ型窒化物半導体層３０にｎパッド電極３６が形成されている。一方、ｐ型窒化物半導体層３４のほぼ全面に透光性電極３４が形成され、その上にｐパッド電極３２が形成されている。ｎパッド電極３６及びｐパッド電極３２の上には金線などのワイヤ２４がボンディングされており、ボンディングした際にボンディングボール２５が形成される。この発光ダイオードチップは、上面全面から発光するが、発光状態は均一ではない。即ち、透光性電極３４上は電流が多く流れるため発光強度が強い一方で、ｎパッド電極３６、ｐパッド電極３２、ワイヤ２４及びボンディングボール２５は光を透過しないため、これらの部分の発光強度は非常に低くなる。
【０００７】
ところが図１６Ａ及びＢに示すような照明装置１’では、コリメートレンズ７や光学部品２の焦点を発光ダイオードチップ２０に合わせて集光し、平行光線にして前方へ照射するため、上記のような発光ダイオードチップの発光パターンが被照射物にそのまま投影されてしまう。従って、例えば図１８に示すように、図１７に示した発光ダイオードチップ２０を図１６Ａ又はＢに示した照明装置１’に組み込んでスクリーン４４に照射すると、照射によって形成されたスポット４６内に発光ダイオードチップ２０の電極パターン等が投影されてしまう。こうした現象は、照明装置の照射光源としての品質を低下させると共に、使用できる用途も限定してしまう。
【０００８】
そこで本件発明は、高い光利用率を維持しながら、発光ダイオード等の光源のパターンが照射像に現れることを防止し、ほぼ等方的で明るい照射像が得られる光学部品及び照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の光学部品は、レンズと回転曲面状の反射鏡とを具え、前記レンズの後方に配置される光源の出射光を前記レンズと前記反射鏡で集光して前方に出射する光学部品であって、前記レンズの焦点は前記反射鏡の焦点から前方にずれていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の照明装置は、本発明の光学部品と光源とを備えた照明装置であって、前記反射鏡の焦点は前記光源上にあるのに対し、前記レンズの焦点は前記光源から前方に位置することを特徴とする。
【００１１】
本件発明の光学部品及び照明装置の特徴は、反射鏡の焦点が光源の上にあるのに対し、レンズの焦点は反射鏡の焦点よりも前方に位置する点にある。これによって、光源の発光を高効率に取り込みながら、光源の発光パターンが被照射物にそのまま投影されることを防止できる。これは、レンズと反射鏡の光学特性の違いを利用するものである。即ち、レンズは焦点位置にある光源の像を反転してスクリーン上に投影する性質を有する一方、回転曲面状の反射鏡は焦点位置にある光源の像を無限分割して回転しながらスクリーン上に投影する性質を有する。従って、光源の発光パターンが被照射物にそのまま投影されることを防止するには、レンズの焦点位置を光源からずらせば良く、反射鏡の焦点は光源に一致させても構わない。そして、反射鏡の焦点を光源に一致させることによって、反射鏡による集光率を高め、光源の光利用率の低下を抑制することができる。従って、本件発明の光学部品及び照明装置によれば、光源の発光を高効率に取り込みながら、光源のパターンが被照射物に投影されることを防止でき、ほぼ等方的で明るい照射像が得られる。
【００１２】
本件発明に用いる光学部品は、種々の形態を取り得るが、例えば、後方に突出すると共に突端に光源が配置されるべき凹部が形成された突出部を有し、レンズは凹部の底面に形成され、反射鏡は突出部の周面に形成されていることが好ましい。このような形態であることにより、光学部品を一体に成形することが可能となる。光学部品を一体に成形できれば、光学部品の取り付けや調整が容易となる。また、光学部品は、ガラス又は樹脂により一体に形成されていることが好ましい。
【００１３】
また、このような構成の光学部品では、突出部の周面にＡｌ（アルミ）、Ａｇ（銀)等の反射率の高い材料から成る反射膜を形成することが好ましい。これによって、反射鏡の反射率を高め、一層明るい照射像を得ることができる。
【００１４】
また、本件発明における光源は、発光ダイオード、電球、蛍光灯ランプ、ＨＩＤランプ等の種々の光源とすることができる。中でも、発光ダイオードであることが好ましい。発光ダイオードは、小型で高輝度の発光が可能であり、しかも長寿命であるため、小型、高輝度、長寿命の優れた照明装置とすることができる。尚、本件明細書において、単に発光ダイオードと称したときは、発光ダイオードチップと発光ダイオードチップが搭載された発光装置の両方を含む。発光ダイオードチップとは、半導体チップ形状の発光ダイオードを指し、発光装置とは、発光ダイオードチップをリード付パッケージに組み込んだものを指す。光源が発光装置の場合、光学部品内のレンズや反射鏡の焦点と光源との位置関係は、発光装置内の発光ダイオードチップを基準に考える。また、発光装置などのパッケージには、レンズなどの適当な光学系が形成されていても良い。
【００１５】
また、本件発明の光源は、発光素子と、その発光素子上に形成された透光性のドーム状部材と、を備えることが好ましい。発光素子とは、光源中で発光機能を担う素子であり、上記発光装置中では発光ダイオードチップが発光素子に該当する。透光性のドーム状部材を形成することにより、光源の光取り出し効率を高め、レンズの焦点を光源からずらすことによる集光率の低下を補うことができる。即ち、ドーム状部材を形成すれば、光源内の発光素子から出射した光がドーム状部材と空気の界面に入射する入射角が小さくなるため、反射によって光源内部に戻る光の割合が減少する。このため光源の光取り出し率を向上することができる。
【００１６】
尚、本件明細書において、反射鏡の焦点が光源上に位置するとは、焦点と光源が厳密に一致している場合だけでなく、焦点と光源のずれが集光率の低下が実用上問題にならない程度である場合も含む。一方、レンズの焦点が反射鏡の焦点に対して前方に位置するとは、レンズ自身の集光率が有意に変化する程度にずれていることを指す。
【００１７】
また、本件明細書において、「前方」又は「前面」といった場合、光の出射側に向かう方向又は出射側の面を指し、「後方」又は「後面」といった場合、光の入射側に向かう方向又は入射側の面を指す。
【００１８】
本件明細書において、ある部材が「透光性」であるとは、少なくともその部材を通じて光源の発光が観測可能な程度に光を透過可能であることを指し、必ずしも無色透明である必要はない。例えば、拡散材などを含んで不透明であっても、光源の発光を透過可能であれば「透光性」となる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本件発明の光学部品及び照明装置によれば、高い光利用率を維持しながら、発光ダイオード等の光源のパターンが照射像に現れることを防止し、ほぼ等方的で明るい照射像が得られる光学部品及び照明装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
実施の形態１．
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明装置を示す斜視図であり、図１Ｂは、そのＢ−Ｂ’断面における断面図である。また、図２は、図１Ａに示す照明装置１の分解斜視図である。図２に示すように、照明装置１は、光学部品２、ホルダ５及び発光ユニット８の３つの部分から成る。
【００２１】
発光ユニット８は、図２に示すように、アルミニウム等の熱伝導率の良好な金属から成る基板９の上に発光装置６（光源）を備えている。基板９の内部には配線パターンが形成されており（図示せず）、この配線パターンは、発光装置６の底面に露出した正極及び負極と、外部リード線１４ａ及び１４ｂとを電気的に接続している。また、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、発光ユニット８は、ビス１２などの適当な固定部材を用いて放熱板（ヒートシンク）１０に固定することができる。発光装置６から発生した熱は、基板９を通じて放熱板１０に伝わり、外部に放出される。
【００２２】
発光ユニット８に実装された発光装置６は、例えば、図３に示すような構造を有する。即ち、発光素子としての発光ダイオードチップ２０がパッケージ１６の凹状開口部１６ａ内に載置されており、パッケージ１６に埋め込まれた正及び負のリード電極１８ａ及び１８ｂと金線などのワイヤ２４によって接続されている。この発光ダイオードチップ２０は、例えば、図１７に示したような構造の窒化ガリウム系発光ダイオードチップとすることができる。また、発光ダイオードチップ２０は、エポキシやシリコーン等の透光性の封止樹脂２２によって封止されている。
【００２３】
ホルダ５は、図１Ａ及びＢに示すように、発光ユニット８の上面に光学部品２を固定する役割を果たす。本実施の形態のホルダ５は、プラスチックや樹脂などの可撓性のある材料から成り、上面及び下面に形成された爪部によって光学部品２を発光ユニット８に対して着脱自在に固定できる。
【００２４】
光学部品２は、図４に示すように、全体が略椀系の全体形状を有しており、前面２ａが平坦である一方、後面には山型の突出部２ｂが形成されている。この山型突出部２ｂの先端には発光装置６を配置するために凹部２ｃが形成されている。凹部２ｃの底面は、適当なレンズ効果を発揮可能な曲面、好ましくは凸状の非球面形状、より好ましくは自由曲面やコーニック面（たとえば放物面）を有しており、レンズ３を構成している。また、山型突出部２ｂの周面は適当な回転曲面、好ましくは回転放物面から成り、反射鏡４を構成している。
【００２５】
この光学部品２は、図１Ｂに示すように、後面の凹部２ｃ内に発光装置６が位置するように、ホルダ５によって固定される。このとき凹部２ｃの底面に形成されたレンズ３の光軸が発光装置６の発光面に対して垂直となり、発光面の中心を通過することが好ましい。発光装置６から出射された光は、図１Ｂに示すように、一部はレンズ３によって集光され、平行光線となって光学部品の前面２ａから出射される。レンズ３によって集光されなかった残りの光の大部分は、凹部２ｃの側壁を通過する際に若干屈折した後、山型突出部２ｂの周面４（＝反射鏡４）で反射され、やはり平行光線となって光学部品２の前面２ａから出射される。
【００２６】
本件発明の光学部品２の特徴は、山型突出部２ｂの周面に形成された反射鏡４の焦点が発光装置６の上、より詳細には、発光装置６内の発光ダイオードチップ２０の上にあるのに対し、凹部２ｃの底面に形成されたレンズ３の焦点は反射鏡４の焦点よりも前方にずれている点にある。これによって、発光ダイオードチップ２０の発光を高効率に取り込みながら、発光ダイオードチップ２０の発光パターンが被照射物にそのまま投影されることを防止できる。
【００２７】
この技術的効果は、レンズ３と反射鏡４の光学特性の違いを利用するものである。即ち、レンズ３は焦点位置にある光源の像を反転してスクリーン上に投影する性質を有する一方、回転曲面状の反射鏡４は焦点位置にある光源の像を無限分割して回転しながらスクリーン上に投影する性質を有する。このような回転曲面状の反射鏡４の性質は、例えば４枚の反射鏡を正方形に配列して投影したときに、光源の像が９０度ずつ回転しながら重なって形成されることと原理的に同様である。従って、光源の発光強度分布が被照射物に投影されることを防止するには、レンズ３の焦点位置を光源からずらせば良く、反射鏡４の焦点は光源に一致させても構わない。そして、反射鏡４の焦点を光源に一致させることによって、反射鏡４による集光率を高め、光源の光利用率の低下を抑制することができる。従って、本件発明の光学部品２によれば、光源の発光を高効率に取り込みながら、光源のパターンが被照射物に投影されることを防止できる、という優れた効果が得られる。
【００２８】
以下、この点について、図５乃至１０を参照しながらさらに詳細に説明する。
図５は、本実施の形態における光学部品２の焦点と発光ダイオードチップ２０の位置関係を示す模式図である。まず、凹部２ｃの底面に形成されたレンズ３の焦点は、発光ダイオードチップ２０から前方にずれており、凹部２ｃの内部にある。一方、光学部品２の山型突出部２ｂの周面に形成された反射鏡４の焦点は、発光ダイオードチップ２０の上にある。これに対して図８は、本発明の実施形態ではなく、比較形態における光学部品２’の焦点と発光ダイオードチップ２０の関係を示している。図８に示す光学部品２’では、レンズ３’及び反射鏡４’の焦点は、いずれも発光ダイオードチップ２０の上にある。
【００２９】
本実施の形態の光学部品２を用いて、１ｍ離れたスクリーンを照射した場合のスクリーン上に形成されるスポット像を図６Ａ〜Ｃに、比較形態の光学部品２’を用いて照射したときのスポット像を図９Ａ〜Ｃに示す。図６Ａ及び図９Ａは、反射鏡４及び４’がつくる像を示し、図６Ｂ及び図９Ｂは、レンズ３及び３’がつくる像を示し、図６Ｃ及び図９Ｃは、それらが合成された像を示す。従って、現実のスクリーン上には図６Ｃ及び図９Ｃに示されたような像が現れることになる。
【００３０】
また、本実施の形態の光学部品２を用いて、スクリーンを照射した場合のスクリーン上の照度分布グラフを図７に、比較形態の光学部品２’を用いて照射したときのスクリーン上の照度分布グラフを図１０に示す。図７及び１０において、符号３８及び３８’は反射鏡４及び４’のつくる像、符号４０及び４０’はレンズ３及び３’のつくる像、符号４２及び４２’はそれらの合成された像の照度分布グラフを示す。尚、図６〜７及び図９〜１０では、図面の簡単のために発光ダイオードチップ２０の表面の発光分布は均一である前提で分布を表している。
【００３１】
まず、反射鏡４及び４’がスクリーン上につくる像に着目する。反射鏡４及び４’の焦点位置は、いずれの形態でも同様に、発光ダイオードチップ２０の上にある。従って、本実施の形態の反射鏡４のつくる像と比較形態の反射鏡４’のつくる像は同一である。前述の通り、回転曲面状の反射鏡４及び４’は焦点位置にある光源の像を無限分割して回転しながらスクリーン上に投影する性質を有する。従って、図６Ａ及び図９Ａに示すように、反射鏡４及び４’によってスクリーン上につくられた像には、同心円状の強度分布が形成されるだけで、発光ダイオードチップ２０のパターンは現れない。また、図７のグラフ３８及び図１０のグラフ３８’に示すように、反射鏡４及び４’のつくる像は、ややブロードな照度分布をもつ。
【００３２】
次に、レンズ３及び３’がスクリーン上につくる像に着目する。図８に示す比較形態では、レンズ３’の焦点が発光ダイオードチップ２０の上に位置している。このためレンズ３’は、図９Ａに示すように発光ダイオードチップ２０の矩形形状をそのままスクリーン上に投影する。また図１０に示すように、反射鏡４’のつくる像（グラフ３８’）に比べて、レンズ３’の作る像（グラフ４０’）は中心に強く分布しており、中心付近の照度もかなり強い。このため、図９Ｃに示すように、レンズ３’の像と反射鏡４’の像を合成した像にも、発光ダイオードチップ２０の矩形形状が強く現れている。前述の通り、現実の発光ダイオードチップ２’には図１７に示したような電極パターンがあり、その電極パターンに従った発光強度分布を有する。従って、比較形態のような光学部品２’では、スクリーン上に図１８に模式的に示したような電極パターンが現れてしまう。
【００３３】
これに対し、図５に示す本実施の形態の光学部品２では、レンズ３の焦点が発光ダイオードチップ２０の手前に位置している。このため図７に示すように、反射鏡４のつくる像（グラフ３８）と異なり、レンズ３の作る像（グラフ４０）はほぼ矩形の照度分布を有し、全範囲に渡ってほぼ均一である。また、図６Ａに示すように、レンズ３がスクリーン上に作る像には発光ダイオードチップ２０のパターンは殆ど現れない。このため図６Ｃに示すように、反射鏡４の像との合成後の像にも、発光ダイオードチップ２０のパターンが殆ど投影されない。従って、図１７に示したような電極パターンを有する発光ダイオードチップ２０であっても、電極パターンに従った発光強度分布はスクリーン上に現れず、等方的な高品質の照射像を得ることができる。
【００３４】
次に、本実施の形態に係る照明装置の各構成について詳細に説明する。
（１）光学部品２
本件発明における光学部品２は、後面に配置される光源の出射光をレンズと反射鏡で集光して前面から出射する光学部品であって、反射鏡の焦点が光源を配置可能な位置にあり、レンズの焦点が反射鏡の焦点から前方にずれているものであれば良い。従って、図４に示した形態のものに限らず、種々の形態が可能である。例えば、反射鏡とレンズが分離可能なものであっても良い。但し、製造コスト、組み立ての容易などの観点からは、光学部品２の全体が一体に成形されたものであることが好ましい。光学部品２は、例えば、ガラス、ＰＭＭＡ（ポリメタクレート）樹脂やＰＣ（ポリカーボネート）樹脂等の、光源の発光に対して透光性を有する材料を用いて製造することが好ましい。
【００３５】
（レンズ３）
図４に示した例では、凹部２ｃ内に自由曲面状の凸レンズ３を形成し、光学部品２の前面２ａは平坦にしている。これによって、レンズ３は平行光を出射するコリメートレンズとして機能する。しかしながら、レンズ３は、光源よりも手前に焦点を持つものであれば良く、図４に示したような自由曲面状の凸レンズ３には限定されない。例えば、光学部品の前面２ａを曲面にし、凹部２ｃの底面に形成した曲面との組合せによって所望のレンズ効果を発揮しても良い。また、レンズ３は、平行光をつくるコリメートレンズに限られず、目的に応じて所望の光学特性を持つレンズにすることができる。
【００３６】
レンズ３の焦点位置は、反射鏡４の焦点位置よりも前方に置くが、レンズ３の焦点位置と反射鏡４の焦点位置とのずれ量は、用いる光源の種類により、調整することができる。
【００３７】
（反射鏡４）
図４に示した例では、山型突出部の周面を回転放物面とし、その周面を反射鏡４として機能させている。これによって、反射鏡４の焦点にある光源から発した光は平行光となって光学部品の前面２ａから出射する。尚、反射鏡４は、回転曲面状であって、焦点が光源上にあれば良く、種々の形状とすることができる。例えば、目的に応じて、平行光以外の光線をつくるような曲面であっても良い。また、反射鏡４の焦点位置は、凹部２ｃの開口近傍、より好ましは凹部２ｃの開口からやや内側に配置ことが好ましい。これによって光源の出射光が漏れなく反射鏡４に入射できるようになり、取り込み効率が向上する。
【００３８】
また、光学部品２に形成した山型突出部２ｂの周面を反射鏡４とする場合、山型突出部２ｂの周面と空気の界面をそのまま反射鏡４としても良いし、山型突出部２ｂの周面に光源の光に対して反射率の高い材料から成る反射膜を製膜しても良い。この反射膜は、例えば、Ａｌ（アルミ）、Ａｇ（銀）などであることが好ましい。
【００３９】
（２）ホルダ５
ホルダ５は、発光ユニット８の上に光学部品２を固定できるものであれば良く、図１Ａや図２に示したものには限定されない。材料も、金属、プラスチック、ゴム、樹脂などの種々の材料とすることが可能である。中でも、プラスチックやゴムなどの可撓性のある材料から形成することが好ましい。また、図２に示すように、上面及び／又は下面に爪部を形成すれば、ネジ等を用いなくても、光学部品２や発光ユニット８に対して着脱自在とすることができ好ましい。
【００４０】
（３）発光ユニット８
（基板９）
光源としての発光装置６を固定する基板９は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）等の熱伝導率の高い材料で形成することが好ましい。これによって、基板９の下側に固定するヒートシンクへの熱伝導を良好にして、発光装置６の放熱効率を高めることができる。また、基板９は、発光装置６に外部電力を供給するリードの機能を兼用しても良い。その場合には適当な絶縁層を介した多層構造にする等して、配線パターンを形成することが好ましい。
【００４１】
（光源：発光装置６）
本実施の形態では、光源６が図３に示すような発光装置である場合を例に説明したが、光源はこれに限られず、電球、蛍光灯ランプ、ＨＩＤランプ等の種々のものを用いることができる。発光面がある程度の面積を有し、発光強度の面内分布がある光源に対して、本件発明は特に有効である。
【００４２】
尚、光源としては図３に示したような発光装置６が小型、高輝度の照明装置とできるため好ましい。発光装置６は、発光素子を支持する支持体（図３ではパッケージ１６）、発光素子（図３では発光ダイオードチップ２０）、透光性部材（図３では封止樹脂２２）、接続用導体（図３ではワイヤ２４）などを備えることが好ましい。さらに、発光素子２０の発光の一部を波長変換する波長変換部材（図示せず）を備えることが好ましい。また、支持体１６には、発光素子２０とともに、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子（例えば、ツェナーダイオードやコンデンサー）、あるいはそれらを組み合わせたものを搭載することができる。
【００４３】
−支持板１６
支持板１６は、発光素子２０を搭載する凹部を有する支持板であり、光反射壁や導体配線としての金属層を配置することができる部材である。図３に示すように、支持板１６は、アルミ、鉄入り銅を主な材料とするリードフレームを樹脂にインサート成型させたパッケージ１６とすることができる。また、このようなパッケージ１６に代えて、ガラスエポキシ樹脂、セラミックスあるいはガラスなどから成る支持板１６を用いることもできる。特に、支持体１６の材料をセラミックスとすることにより、耐熱性の高い支持体とすることができる。
【００４４】
セラミックスとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素などが好ましい。セラミックスの粉体と、バインダー樹脂を混合して得られる材料をシート状に成型して得られるセラミックスグリーンシートを積層させて焼成することにより、板状の支持体１６とすることができる。あるいは、セラミックスグリーンシートに種々の大きさのスルーホールを形成して積層することにより、凹部を有する支持体とすることができる。このような支持体に配される第一の金属の下地層は、未焼成のセラミックスグリーンシートの段階で、タングステン、モリブデンのような高融点金属の微粒子を含む導体ペーストを所定のパターンに塗布したものを焼成することにより得ることができる。さらに、セラミックスグリーンシートを焼成した後、予め形成させておいた下地層に、ニッケル、金あるいは銀を順に鍍金して凹部の側面に配される金属層や導体配線とすることができる。
【００４５】
なお、セラミックスを材料とする支持体は、上述のように、導体配線と絶縁部を一体的に形成する他、予め焼成されたセラミックスの板材に、導体配線を配置することにより形成することもできる。また、セラミックスから成る支持体１６の場合、凹部の側壁面に露出されるセラミックス素地面は、銀、アルミニウム、ロジウムから選択された少なくとも一種の金属を含む金属層により被覆されていることが好ましい。このような反射率の高い金属を含有する金属層とすることにより、多孔質なセラミックスを透過する光を抑制して発光装置からの光取り出し効率を向上させ、さらに高輝度な発光装置とすることができる。特に本件発明においては、反射鏡４によって支持板１６の表面で反射した光も前方に照射可能であるため、上記のような金属層の形成が効果的である。
【００４６】
−発光素子２０
発光素子２０は、発光ダイオードチップやレーザダイオードチップなど、発光装置の光源となり得るものである。発光ダイオードチップを構成する半導体発光素子としては、ＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を使用したものを挙げることができるが、蛍光物質を有する発光装置とする場合には、その蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。例えば、ＬＥＤチップは、可視光領域の光だけでなく、紫外線や赤外線を出力する発光素子とすることができる。
【００４７】
−接続用導体２４
発光素子２０の電極は、ワイヤなどの接続用導体２４により支持体１６の凹部１６ａに形成されたリード電極１８ａおよび１８ｂと接続されていることが好ましい。また、凹部１６ａの外側にリード電極を形成しても良い。ワイヤは実装が容易である反面、発光面の一部を遮って照射像に暗部を形成するという問題がある。しかし本件発明では、ワイヤなどの影が照射像に現れること防止できるため、ワイヤを用いることによる照射像品質の低下という問題を解消できる。尚、接続用導体２４は、ワイヤの代わりに、ハンダバンプや共晶層であっても良いことは言うまでもない。
【００４８】
−透光性部材２２
また発光装置６は、発光素子２０を被覆する透光性部材２２をさらに備えていることが好ましい。透光性部材２２の材料は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透光性樹脂やガラスのような透光性無機部材から選択することができる。また、透光性部材２２は、それらを材料として、圧縮成型、射出成型あるいはトランスファーモールドなどの種々の成型方法により形成することができる。透光性部材２２を設けることにより、凹部の外側に露出された導電性ワイヤを、透光性部材により外部環境から保護して、信頼性の高い発光装置とすることができる。また、上記透光性部材を、発光観測方向に凸な形状を有することにより、凹部からの出射光を集光させ、高輝度な発光装置とすることができる。また、後述するように透光性部材２２をドーム状にすれば、光取り出し効率を一層高めることができる。
【００４９】
−波長変換部材
波長変換部材は、発光素子２０からの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質を含有する部材である。このような波長変換部材は、蛍光物質と、その蛍光物質を固着させるための結着剤となるエポキシ樹脂やシリコーン樹脂のような透光性樹脂、ガラスなどの透光性無機部材とともに支持体の凹部内に充填され成型されて波長変換部材とすることが好ましい。
【００５０】
蛍光物質は、発光素子の光を変換させるものであり、発光素子２０からの光をより長波長に変換させるものの方が効率がよい。発光素子からの光がエネルギーの高い短波長の可視光の場合、アルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるセリウム付活アルミニウム・ガーネット（例えばＹＡＧ：Ｃｅ）が好適に用いられる。特に、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、その含有量によってＬＥＤチップからの青色系の光を一部吸収して補色となる黄色系の光を発するため、白色系の混色光を発する高出力な発光ダイオードを、比較的簡単に形成することができる。なお、蛍光物質は、波長変換部材に含有されるものの他、導電性ワイヤを被覆する透光性部材に含有させることもできる。
【００５１】
実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２に係る照明装置を示す断面図である。本実施の形態では、光源である発光装置６の光出射面に透光性のドーム状部材２３を形成している。その他の点は実施の形態１と同様である。
【００５２】
図１２は、本実施の形態で用いる発光装置６を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、発光ダイオードチップ２０を封止する封止樹脂２２の表面が略半球面状に加工されて透光性のドーム状部材２３を構成している。尚、透光性のドーム状部材２３は、発光ダイオードチップ２０を封止する封止樹脂２２自身をドーム状に加工したものであっても良いし、封止樹脂２２の上に別の透光性材料から成るドームを固定したものであっても良い。透光性のドーム状部材２３を構成する材料は、発光ダイオード２０の発光を透過する材料であれば特に限定されないが、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などであることが好ましい。
【００５３】
本実施に形態においても、光学部品２内のレンズ３と反射鏡４の焦点位置は、実施の形態１と同様に設定する。即ち、図１３に示すように、凹部２ｃの底面に形成されたレンズ３の焦点は、発光ダイオードチップ２０から前方にずれており、一方、光学部品２の山型突出部２ｂの周面に形成された反射鏡４の焦点は、発光ダイオードチップ２０の上にある。尚、この例ではレンズ３の焦点は、透光性のドーム状部材２３の内部にある。ドーム状部材２３の内側に焦点位置を置く事で、ケーラー光学系の形状に近づけることができ、リング状のムラを抑制できる。
【００５４】
透光性のドーム状部材２３を形成することにより、発光ダイオードチップ２０の光取り出し効率を高め、レンズ３の焦点を発光ダイオードチップ２０からずらすことによる集光率の低下を補うことができる。即ち、ドーム状部材２３が形成されていない図３のような発光装置６の場合、発光ダイオードチップ２０から出射した光は封止樹脂２２の表面を通過して外部に取り出される。封止樹脂２２の表面は平らであるため、発光ダイオードチップ２０から封止樹脂２２と空気の界面に斜めに入射した光の一部は反射してランプ６の内部に戻る。特に、入射角（界面法線と入射光線のなす角）が臨界角を越えた部分については全反射してランプ６内に戻ってしまう。そしてランプ６内に戻った光は、ランプ６内で反射を繰り返す間にチップ２０や封止樹脂２２で吸収されて減衰する。これに対して、図１２に示すように、ドーム状部材２３をランプ６の表面に形成した場合、発光ダイオードチップ２０から出射した光がドーム状部材２３と空気の界面に入射する入射角が小さくなるため、反射によってランプ６内部に戻る割合が減少する。このため発光ダイオードチップ２０の光取り出し率を向上することができる。実施の形態１で説明したように、レンズ３の焦点位置を光源から手前にずらすと、レンズ３自身による集光率は低下するが、光源の発光面にドーム状部材を形成することによって、レンズ３による集光率の低下を補い、発光強度と均一性に優れた照射像を得ることができる。
【００５５】
また、透光性ドーム２３中に適当な拡散材を分散させることも好ましい。これによって発光ダイオードチップ２０の輝度分布が照射像に現れる問題を一層効果的に抑制できる。拡散材としては、例えば、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、二酸化珪素、炭酸カルシウム、およびそれらの混合物などを用いることができる。
【００５６】
発光ダイオードチップ２０の発光の取り出し効率の観点からは、透光性ドーム２３が半球面であり、その球中心に発光ダイオードチップ２０が位置している場合に最も取り出し効率が高くなる。即ち、発光ダイオードチップ２０から出射した光がドーム状部材２３と空気の界面に入射する角度が常に０°になるため、理論上、反射によってランプ６内部に戻る成分はなくなる。
【００５７】
一方、透光性のドーム状部材２３に所望のレンズ効果を持たせても良い。例えば、透光性ドーム状部材２３の表面が略球面である場合、球中心（或いはドーム状部材２３の表面を球面近似したときの球中心）からずらした位置、例えば、透光性ドーム２３が構成する球面レンズの近軸焦点に該当する位置やその前後に発光ダイオードチップ２０を配置すれば、透光性のドーム状部材２３によるレンズ効果が得られる。また、透光性のドーム状部材２３の表面形状を、所望のレンズ効果が得られるような非球面としても良い。尚、透光性ドーム２３に何らかのレンズ効果を持たせた場合であっても、封止樹脂２２の表面が平坦である場合に比べて、発光の取り出し効率が高まるという効果は失われない。
【００５８】
また、透光性のドーム状部材２３がレンズ効果を有することによって、発光ダイオードチップ２０の像が被照射物にさらに投影されにくくなる。即ち、ドーム状部材２３にレンズ効果を持たせ、レンズ３への取り込み光量を減らすことにより、レンズ３によるスポット像を緩和する事ができる。また、反射鏡４への光量を増やすことにより、集光率を良くすることもでき、Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎの配光特性から±６０°付近にピーク特性をもつ配光特性にすることも可能である。例えば、図１５は、半球状のドーム状部材２３の球中心と近軸焦点の間に発光ダイオードチップ２０を配置した場合におけるスクリーン上の照度分布を示すグラフである。図１５中の符号の意味は、図７と同様である。
【００５９】
また、図１４Ａ〜Ｃは、図１５と同じ条件のドーム状部材２３を用いたときの、スクリーン上での各照射像を示す。本実施の形態における図１４Ａ〜Ｃを実施形態１における図６Ａ〜Ｃと対比すると、反射鏡４のつくる像（図６Ａ、図１４Ａ）に大きな変化はないが、レンズ３のつくる像（図６Ｂ、図１４Ｂ）の等方性が改善されていることがわかる。即ち、図６Ｂに示した実施の形態１のレンズ３のスポット像では回転方向に９０°毎に繰り返す照度分布が存在していたが、図１４Ｂに示すレンズ３のスポット像ではそのような周期パターンは見られず、ほぼ等方的なスポット像となっている。
【００６０】
このように透光性のドーム状部材２３にレンズ効果を持たせれば、光源のパターンが被照射物にさらに投影されにくくなる、という効果が得られる。
【実施例１】
【００６１】
図５に示す光学部品２について、光学部品２から１ｍ離れたスクリーン上においてレンズ３のつくる像、反射鏡４のつくる像、及びそれらの合成像についてシミュレーションを行った。より具体的には、以下の条件でシミュレーションを行った。
【００６２】
まず、光学部品２の屈折率は１．４９とした。レンズ３は、φ５ｍｍで焦点距離約３ｍｍの自由曲面（非球面）レンズとして、焦点をチップの前方約１ｍｍの位置とした。一方、反射鏡４は、有効レンズ径１５ｍｍで焦点が発光ダイオードチップ２０上にある自由曲面（非球面形状）とした。凹部２ｃは、深さ（レンズ３の先端までの深さ）を２ｍｍとした。発光装置６は、上面が一辺が約６００μｍの正方形からなる青色発光ダイオードチップ２０と、前記青色発光ダイオードチップ２０からの光の少なくとも一部を吸収して黄色光を発光する蛍光物質が含有された波長変換部材と、を有し、白色光を発光する。また、計算の簡単のため、発光ダイオードチップ２０の上面内の輝度分布は均一とした。
【００６３】
その結果、図６Ａ〜Ｃ、図７に示すような照度分布となった。図６Ｃに示すように、発光ダイオードチップ２０の形状が投影されていない、等方的な照射像が得られた。
【００６４】
[比較例１]
図８に示す光学部品２’について、光学部品２’から１ｍ離れたスクリーン上においてレンズ３’のつくる像、反射鏡４’のつくる像、及びそれらの合成像についてシミュレーションを行った。尚、レンズ３’の焦点位置を発光ダイオードチップ２０の表面に一致させる他は実施例１と同様にしてシミュレーションを行った。
【００６５】
その結果、図９Ａ〜Ｃ、図１０に示すような照度分布が得られた。図９Ｃに示すように、スクリーン上の照射像には発光ダイオードチップ２０の矩形形状が強く現れた。
【実施例２】
【００６６】
図１３に示す光学部品２について、光学部品２から１ｍ離れたスクリーン上においてレンズ３のつくる像、反射鏡４のつくる像、及びそれらの合成像についてシミュレーションを行った。尚、発光ダイオードチップ２０の発光面に透光性ドーム２３を配置した他は実施例１と同様にしてシミュレーションを行った。
【００６７】
具体的には、透光性ドーム２３の屈折率は１．４１、径は約φ３ｍｍ、表面の形状は半径約１．３ｍｍの球面、発光ダイオード２０の位置は光学部品２の最下端にあわせた。
【００６８】
その結果、図１４Ａ〜Ｃ、図１５に示すような照度分布となった。図１４Ｃに示すように、実施例１よりも一層等方的な照射像が得られた。また、実施例１と比較すると、中心照度が１．１３倍に向上し、総合的な発光の取り出し効率も１．８５倍に向上していた。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の照明装置の一例を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示す照明装置のＢ―Ｂ’断面を示す模式断面図である。
【図２】図２は、図１Ａに示す照明装置の分解斜視図である。
【図３】図３は、発光装置の一例を示す模式断面図である。
【図４】図４は、光学部品の一例を示す断面図である。
【図５】図５は、実施の形態１における光学部品と発光ダイオードチップの関係を示す模式図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５に示す光学部品の反射鏡がつくる像を示す模式図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５に示す光学部品のレンズがつくる像を示す模式図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図５に示す光学部品がつくる像を示す模式図である。
【図７】図７は、図５に示す光学部品の反射鏡、レンズ、光学部品がつくる像の照度分布を示すグラフである。
【図８】図８は、比較形態における光学部品と発光ダイオードチップの関係を示す模式図である。
【図９Ａ】図９Ａは、図８に示す光学部品の反射鏡がつくる像を示す模式図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図８に示す光学部品のレンズがつくる像を示す模式図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図８に示す光学部品がつくる像を示す模式図である。
【図１０】図１０は、図８に示す光学部品の反射鏡、レンズ、光学部品がつくる像の照度分布を示すグラフである。
【図１１】図１１は、実施の形態２のおける照明装置を示す模式断面図である。
【図１２】図１２は、発光装置の別の一例を示す模式断面図である。
【図１３】図１３は、実施の形態２における光学部品と発光ダイオードチップの関係を示す模式図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１３に示す光学部品の反射鏡がつくる像を示す模式図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１３に示す光学部品のレンズがつくる像を示す模式図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、図１３に示す光学部品がつくる像を示す模式図である。
【図１５】図１５は、図１３に示す光学部品の反射鏡、レンズ、光学部品がつくる像の照度分布を示すグラフである。
【図１６Ａ】図１６Ａは、従来の照明装置の一例を示す模式断面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、従来の照明装置の別の一例を示す模式断面図である。
【図１７】図１７は、発光ダイオードチップの一例を示す平面図である。
【図１８】図１８は、従来の照明装置でスクリーンを投影したときのスポット像を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  照明装置、
２  光学部品、
３  レンズ、
４  反射鏡、
５  ホルダ、
６  発光装置、
７  コリメートレンズ、
８  発光ユニット、
９  基板、
１０  放熱版、
１２  固定部材（ビス）、
２０  発光ダイオードチップ
【図１Ａ】
0005586119.tif 000002
【図１Ｂ】
0005586119.tif 000003
【図２】
0005586119.tif 000004
【図３】
0005586119.tif 000005
【図４】
0005586119.tif 000006
【図５】
0005586119.tif 000007
【図６Ａ】
0005586119.tif 000008
【図６Ｂ】
0005586119.tif 000009
【図６Ｃ】
0005586119.tif 000010
【図７】
0005586119.tif 000011
【図８】
0005586119.tif 000012
【図９Ａ】
0005586119.tif 000013
【図９Ｂ】
0005586119.tif 000014
【図９Ｃ】
0005586119.tif 000015
【図１０】
0005586119.tif 000016
【図１１】
0005586119.tif 000017
【図１２】
0005586119.tif 000018
【図１３】
0005586119.tif 000019
【図１４Ａ】
0005586119.tif 000020
【図１４Ｂ】
0005586119.tif 000021
【図１４Ｃ】
0005586119.tif 000022
【図１５】
0005586119.tif 000023
【図１６Ａ】
0005586119.tif 000024
【図１６Ｂ】
0005586119.tif 000025
【図１７】
0005586119.tif 000026
【図１８】
0005586119.tif 000027