(57)【要約】【課題】半導体発光素子を備えた光源を備えた発光装置において、半導体発光素子の光軸近傍の光束を大きく屈折させることにより、被照射面における照度分布のバラつきを抑えながら広い角度範囲に配光させることができる、発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光素子と半導体発光素子を封止する半球状の透明封止体とを備えた光源と、半導体発光素子から発光される光の配光特性を制御するための光学部材とを備え、光学部材の形状は、半球状の透明封止体を収容するための凹状の内側輪郭と、内側輪郭の周囲に連なる底面輪郭と、底面輪郭に連なる外側輪郭とを備え、半導体発光素子の発光中心における発光面に対する垂直軸を光軸とした場合、光軸方向の半球状の透明封止体の表面と凹状の内側輪郭との間隔が最も長く、発光中心から光軸に対して４５度以上の角度を成す領域に間隔が最も短い部分を有する発光装置である。【選択図】図１
2014022489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子及び前記半導体発光素子を封止する半球状の透明封止体を備えた発光装置と、前記半導体発光素子から発光される光の配光特性を制御するための光学部材とを備え、
前記透明封止体の表面と前記光学部材との間には前記透明封止体及び前記光学部材よりも屈折率が小さい層がさらに存在し、
前記光学部材の形状は、
前記半球状の透明封止体を収容するための凹状の内側輪郭と、光の出射面の輪郭を規定する外側輪郭とを備え、
前記半導体発光素子の発光中心における発光面に対する垂直軸を光軸とし、前記光軸を含む面で切断した任意の縦断面において
前記発光中心から引いた該光軸に対して角度θを成す仮想直線を基準線とし、前記光軸と、前記基準線と前記内側輪郭の表面との交点における法線との成す角度をψとし、前記基準線と前記外側輪郭の表面との交点における法線との成す角度をδとした場合、
０°≦θ≦４５°の範囲で０≦δ≦３０°であり、
０°＜θ≦１５°の範囲にψ/θが最大値（ψ/θ）maxになる角度θxを有し、
θx＞θの範囲ではθが大きくなるにつれてψ/θが増加し、θ＞θxの範囲では少なくともθ＝７０°の範囲まではθが大きくなるにつれてψ/θが減少し、
前記半球状透明封止体の表面と前記凹状の内側輪郭の表面との前記基準線上の距離は、θ＝０°のとき最大になり、４５°＜θ≦７０°の範囲の領域に前記距離が最小になる角度θｙを有することを特徴とする光学部材付発光装置。
【請求項２】
角度θにおける、前記半球状の透明封止体の表面と凹状の内側輪郭の表面との基準線上における距離をＤ（θ）とした場合、
Ｄ（θ）＝Ａcos(Ｂθ)+Ｃ（式中、０≦θ≦７０°、０≦Ａ≦１、０≦Ｂ≦５、-１≦Ｃ≦１）で表され、
前記θに対してＤ（θ）をプロットしたグラフにおいて、２０＜θ＜４５°の範囲に存在する変化点を境として、前記θが大きい側のＡ，Ｂ，Ｃそれぞれが、前記θが小さい側のＡ，Ｂ，Ｃそれぞれよりも小さい請求項１に記載の光学部材付発光装置。
【請求項３】
前記外側輪郭は、少なくとも０°≦θ≦４５°の範囲において、平面を含む、上に凸状の滑らかな曲面であり、角度θの微小変化量Δθに対する角度δの微小変化量Δδの比をΔδ／Δθとした場合、０°≦θ≦２０°の範囲で０≦Δδ／Δθ≦０．２であり、２０°＜θ≦４５°の範囲で０．０５≦Δδ／Δθ≦１．２である請求項１または２に記載の光学部材付発光装置。
【請求項４】
前記半導体発光素子の発光中心の表面を基準とし、前記半球状透明封止体の最大高さをＨ１、前記光学部材の最大高さをＨ２とした場合、Ｈ２/Ｈ１≦３である請求項１〜３の何れか１項に記載の光学部材付発光装置。
【請求項５】
角度θｙ±１５°の範囲に最大相対光量を有する請求項１〜４の何れか１項に記載の光学部材付発光装置。
【請求項６】
前記屈折率が小さい層は、空気層である請求項１〜５の何れか１項に記載の光学部材付発光装置。
【請求項７】
前記屈折率が小さい層の屈折率は、前記半球状透明封止体の屈折率よりも０．３以上小さい請求項１〜５の何れか１項に記載の光学部材付発光装置。
【請求項８】
５°≦θ≦１５°の範囲にψ/θが最大値（ψ/θ）maxになる角度θxを有する請求項１〜７の何れか１項に記載の光学部材付発光装置。
【請求項９】
前記光軸との交点付近において、前記凹状の内側輪郭の曲率が、前記半球状の透明封止体の曲率よりも大きい請求項１〜８の何れか１項に記載の光学部材付発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射面における照度分布のバラつきを抑えながら広い配光角度で配光する、光学部材を備えた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた半導体発光装置（以下、ＬＥＤパッケージとも呼ぶ）の用途が広がっている。具体的には、例えば、一般室内照明器具、車内灯のようなスポットライト、薄型テレビや情報端末機器に用いられるバックライト、広告パネルやサインパネル、自動車のテールランプ、街灯、交通信号機等で採用されている。
【０００３】
従来、ＬＥＤパッケージとして、例えば、図１０に示したような平面型のパッケージであるＬＥＤパッケージ３００が広く知られていた。このようなＬＥＤパッケージ３００は、ＬＥＤ素子３０１を収容する上面が開口した凹状の発光体収容部材３０２を有する。そして、ＬＥＤ素子３０１を収容する凹部は、表面が平面または中央部分がやや窪んだ輪郭を形成する透明封止体３０３で封止されている。このようにＬＥＤ素子をパッケージにすることにより、回路基板への実装が容易になった。
【０００４】
図１０に示したような、ＬＥＤパッケージ３００においては、図１０中の矢印で示すように、ＬＥＤ素子３０１から発せられた光は、透明封止体３０３の内部及び界面で反射または屈折されることによりその光路が曲げられ、それにより、外部に出射する光の照射範囲が広くなる。このような平面型のパッケージは、図１１に示すように、ＬＥＤ素子３０１の中心を通る光出射面に対して垂直な光軸を中心として、発光面の輝度が全方向でほぼ一定になるランバート配光を示す。ランバート配光においては、光軸とのなす角をαとした場合、光度分布はcos αに比例する。しかし、このような平面型のパッケージにおいては、透明封止体の内部で全反射を繰り返して乱反射される光が存在するために、光量を大幅にロスしてしまうという問題があった。
【０００５】
このような平面型のパッケージの光量のロスの問題を解決した、光の取出効率が高いＬＥＤパッケージとして、図１２に示すような、サブマウント基板１ｂにマウントされたＬＥＤ素子１ａを半球状の透明封止体１ｃで封止してなるＬＥＤパッケージ１が知られている。
【０００６】
半球状の透明封止体１ｃを備えたＬＥＤパッケージ１は、ＬＥＤ素子１ａからの発光を透明封止体１ｃの内部に放射する。そして、放射された光は透明封止体１ｃの半球状の界面にほぼ直角に入射し、全反射されることなく透明封止体１ｃから出射する。このようなＬＥＤパッケージ１によれば、平面型のパッケージで生じるような光量のロスが抑制される。
【０００７】
半球状の透明封止体を備えたＬＥＤパッケージは、上述のように光量のロスは抑制されるが、次のような問題があった。図１２の矢印に示すように、半球状の透明封止体１ｃから出射される光は、透明封止体１ｃから空気層である外部に出射するときに半球状の透明封止体１ｃの凸レンズ効果により、平面型のパッケージに比べて光軸方向に集光される傾向があった。具体的には、平面型のパッケージを備えたＬＥＤパッケージは、図１１に示すように、完全拡散するランバート配光になるように発光する。一方、半球状の透明封止体を備えたＬＥＤパッケージは、図１３に示すように、ランバート配光が崩れて光軸方向に集光し、相対的に光軸近傍の光量が多くなり、その周囲の光量が相対的に少なくなる。その結果、被照射面における照度のバラつきが大きくなるという問題があった。
【０００８】
例えば、下記特許文献１は、図１４に示すような、半球状透明封止体１９８を備えたＬＥＤ装置に空気層２０４を介して広角放射角レンズ２０２を組み合わせて配置することにより、広い角度範囲の配光を実現する発光装置１８８を開示する。
【０００９】
また、例えば、下記特許文献２は、図１５に示すように、基板上に配設されたＬＥＤ素子２０１を、所定の形状の光入射面２０２ａ及び光出射面２０２ｂを有し、光出射面２０２ｂの光軸の中央部分に窪み２０２ｃを有するようなレンズ２０２で覆うことにより、ＬＥＤ素子２０１の発光をレンズ２０２の光入射面２０２ａ及び光出射面２０２ｂで屈折させることにより広い角度範囲の配光を実現することを提案している。なお、特許文献２はＬＥＤ素子自身からの配光を制御したＬＥＤ装置に関する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２０１０−５１９７５７号公報
【特許文献２】特開２００９−４４０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に開示されたような、従来の半球状の透明封止体を備えたＬＥＤパッケージに光を大きく屈折させるためのレンズを配置する場合、図１４に示したように、レンズ２０２の凹部の表面の輪郭を主たる屈折面として用い、凹部の表面に光束が入射するときの入射角を大きくするために、垂直に近いように立ち上がるような内壁を形成する必要があった。そして、立ち上がる内壁面を形成するために、レンズの高さを充分に確保する必要があった。このような場合、高さ方向の空間が少ない領域に設置しにくくなるという問題があった。すなわち、図１４に示したようなレンズを備えた発光装置の場合、実装する領域に高さ方向に充分な空間が必要であった。
【００１２】
本発明は、半球状の透明封止体を備えた半導体発光装置において、半導体発光素子の光軸近傍の光束を大きく屈折させることにより、被照射面における照度分布のバラつきを抑えながら広い角度範囲に配光させることができる、厚みを抑えた光学部材を備えた発光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】
【００１３】
本発明の一局面は、半導体発光素子及び半導体発光素子を封止する半球状の透明封止体を備えた発光装置と、半導体発光素子から発光される光の配光特性を制御するための光学部材とを備え、透明封止体の表面と光学部材との間には透明封止体及び光学部材よりも屈折率が小さい層がさらに存在し、光学部材の形状は、透明封止体を収容するための凹状の内側輪郭と、光の出射面の輪郭を規定する外側輪郭とを備え、半導体発光素子の発光中心における発光面に対する垂直軸を光軸とし、光軸を含む面で切断した任意の縦断面において、発光中心から引いた該光軸に対して角度θを成す仮想直線を基準線とし、光軸と、基準線と内側輪郭の表面との交点における法線との成す角度をψとし、基準線と外側輪郭の表面との交点における法線との成す角度をδとした場合、０°≦θ≦４５°の範囲で０≦δ≦３０°であり、０°＜θ≦１５°好ましくは５°≦θ≦１５°の範囲にψ/θが最大値（ψ/θ）maxになる角度θxを有し、θx＞θの範囲ではθが大きくなるにつれてψ/θが増加し、θ＞θxの範囲では少なくともθ＝７０°の範囲まではθが大きくなるにつれてψ/θが減少し、半球状透明封止体の表面と凹状の内側輪郭の表面との基準線上の距離は、θ＝０°のとき最大になり、４５°＜θ≦７０°の範囲の領域にその距離が最小になる角度θｙを有する光学部材付発光装置である。０°＜θ≦１５°の範囲にψ/θが最大値（ψ/θ）maxになる角度θxを有し、また、光学部材の出射面の形状を０°≦θ≦４５°の範囲で０≦δ≦３０°になるように規定することにより、光軸近傍の光束を大きく屈折させることができる。また、距離がθ＝０°のとき最大になり、４５°＜θ≦７０°の範囲の領域に距離が最小になる角度θｙを有することにより、相対的に光量が少ない半球状の透明封止体から出射する４５°＜θ≦７０°の範囲の光束の配光角を広げることができる。その結果、広い配光範囲において被照射面における照度分布のバラつきを抑制することが出来る。
【００１４】
また、光学部材付発光装置においては、角度θにおける半球状の透明封止体の表面と凹状の内側輪郭の表面との基準線上における距離をＤ（θ）とした場合、Ｄ（θ）＝Ａcos(Ｂθ)+Ｃ（式中、０≦θ≦７０°、０≦Ａ≦１、０≦Ｂ≦５、-１≦Ｃ≦１）で表され、θに対してＤ（θ）をプロットしたグラフにおいて、２０＜θ＜４５°の範囲に存在する変化点を境として、θが大きい側のＡ，Ｂ，Ｃそれぞれが、θが小さい側のＡ，Ｂ，Ｃそれぞれよりも小さくなることが好ましい。このような場合には、変化点よりも小さい範囲の角度範囲における凹状の内側輪郭の傾きが、変化点よりも大きい範囲の角度範囲における凹状の内側輪郭の傾きよりも大きくなる。その結果、光束を大きく曲げることができる。
【００１５】
また、外側輪郭は少なくとも０°≦θ≦４５°の範囲において、光軸近傍に平面を含む、上に凸状の滑らかな曲面で構成されており、角度θの微小変化量Δθに対する角度δの微小変化量Δδの比をΔδ／Δθとした場合、０°≦θ≦２０°の範囲で０≦Δδ／Δθ≦０．２であり、２０°＜θ≦４５°の範囲で０．０５≦Δδ／Δθ≦１．２であり、さらには、４５°≦θ≦６０°の範囲で０．５≦Δδ／Δθ≦１．８であることが好ましい。このような場合には、光軸近傍から発光する光束を光学部材の外側輪郭で屈折させ、照度のバラつきをより最適に抑制することができる点から好ましい。
【００１６】
また、半導体発光素子の発光中心の表面を基準とし、半球状透明封止体の最大高さをＨ１、光学部材の最大高さをＨ２とした場合、Ｈ２/Ｈ１≦３である場合には、厚みを充分に薄くしながら、広い角度範囲の配光を維持することができる点から好ましい。
【００１７】
また、角度θｙ±１５°の範囲に最大相対光量を有する場合には、配光バラつきを充分に低減することができる点から好ましい。
【００１８】
さらに、光軸との交点付近において、凹状の内側輪郭の曲率が、半球状の透明封止体の曲率よりも大きい場合には、半球状透明封止体により光軸付近に多く集光された光をより拡散させることができる点から好ましい。
【００１９】
本発明の目的、特徴、局面、及び利点は、以下の詳細な説明及び添付する図面により、明白となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、光軸中心付近の集光傾向が高い半球状透明封止体を備えたＬＥＤ装置を用いて、被照射面における発光バラつきを抑えながら広い角度範囲の配光を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（ａ）は本実施形態の光学部材付発光装置１０の上面模式図、図１（ｂ）は、図1（ａ）のＡ−Ａ’断面の断面模式図である
【図２】図２は、光学部材付発光装置１０の形状の詳細を説明するための説明図である。
【図３】図３は、光学部材付発光装置１０の光の伝播方向の一例を説明する説明図である。
【図４】図４は、光学部材付発光装置１０のθに対するψ/θをプロットしたグラフを示す。
【図５】図５は、光学部材付発光装置１０のθに対するδをプロットしたグラフを示す。
【図６】図６は、光学部材付発光装置１０のθに対する半球状の透明封止体１ｃの表面と光学部材５の凹状の内側輪郭５ａとの間の基準線上の距離Ｄをプロットしたグラフを示す。
【図７】図７は光学部材付発光装置１０の照射パターンの光強度分布図の一例を示す。
【図８】図８は、光学部材付発光装置１０の寸法の具体例を説明する説明図である。
【図９】図９は、光学部材付発光装置１０の裏面の形状例を説明する模式図である。
【図１０】図１０は、平面型のＬＥＤパッケージの配光を説明する説明図である。
【図１１】図１１は、平面型のＬＥＤパッケージの照射パターンの光強度分布図の一例を示す。
【図１２】図１２は、半球状のＬＥＤパッケージの配光を説明する説明図である。
【図１３】図１３は、半球状のＬＥＤパッケージの照射パターンの光強度分布図の一例を示す。
【図１４】図１４は、従来の発光装置の配光を説明する説明図である。
【図１５】図１５は、従来の発光装置の配光を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る光学部材付発光装置の一実施形態を図面を参照して説明する。図１は本実施形態の光学部材付発光装置１０の模式図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は、図1（ａ）のＡ−Ａ’断面における断面図である。光学部材付発光装置１０は、半導体発光素子であるＬＥＤ素子１ａ及びＬＥＤ素子１ａを封止する半球状の透明封止体１ｃを備えたＬＥＤ装置１と、ＬＥＤ素子１ａから発光された光の配光を制御する光学部材５とを備える。
【００２３】
ＬＥＤ装置１は、サブマウント基板１ｂと、サブマウント基板１ｂ上に実装されたＬＥＤ素子１ａと、ＬＥＤ素子１ａを封止する半球状の透明封止体１ｃと、を備える。サブマウント基板１ｂは、その底面に、図略のリード端子を備える。ＬＥＤ素子１ａとしては、従来から知られた紫外光、近紫外光、青色から赤色の領域の波長を示す可視光、近赤外光、赤外光等の波長領域の光を発するＬＥＤ素子が特に限定なく用いられる。また、ＬＥＤ素子１ａの表面やその近傍等には、ＬＥＤ素子１ａから発光された光の波長を波長変換するための蛍光体層が設けられていてもよい。
【００２４】
透明封止体１ｃは、半球状の形状を有し、その外表面からＬＥＤ素子１ａの発光を出射する。このような半球状の透明封止体を備えるＬＥＤ装置の具体例としては、例えば、直径２〜３ｍｍの半球面の透明封止体を有する、日亜化学（株）製のＮＶＳＷ１１９Ｂ、ＮＶＳＬ１１９Ｂや、直径３〜５ｍｍの半球面の透明封止体を有する、日亜化学（株）製のＮＳ９Ｗ３８３等が挙げられる。
【００２５】
なお、本実施形態ではＬＥＤ装置１として、サブマウント基板上に発光素子をマウントして、半球状の透明封止体で封止した発光装置を用いた例について代表例として説明する。このようなＬＥＤ装置１の代わりに、一枚の基板上に、複数の発光素子を並べ、各発光素子をオーバーレイ成形によりそれぞれ半球状に封止して得られたＬＥＤアレイに対して、上述したような光学部材を装着してもよい。この場合、光学部材としては、それぞれ独立した光学部材を装着しても、上述した光学部材を複数個一体化して形成されたレンズアレイとして装着してもよい。
【００２６】
光学部材は、例えば、注型成形、圧縮成形、射出成形等により成形される。透明封止体及び光学部材を形成するための透明材料としては、光透過性に優れた材料であれば、特に限定なく用いられる。具体的には、例えば、シリコーンゲル，シリコーンエラストマー，シリコーンゴム，硬質のシリコーン樹脂，シリコーン変性エポキシ樹脂，エポキシ樹脂，シリコーン変性アクリル樹脂，アクリル樹脂等の透明樹脂の他、有機ガラスや無機ガラス等が挙げられる。これらの中では、光透過性に優れ、また、鉛フリー半田を用いた高温リフロー実装の際のヒートショック等による応力を緩和し、耐変形性や耐変色性に優れたレンズが得られる点から、シリコーンエラストマーやシリコーンゴムやシリコーン樹脂が特に好ましい。また、透明樹脂は、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、ＬＥＤ素子から発光される光の波長を変換することにより、発光色を変換するための蛍光体や、光を拡散させるための光拡散剤等を含んでもよい。
【００２７】
光学部材は、半導体発光素子から発光される光の光軸に対して光学的に軸対称になるような形状に形成されている場合には、半導体発光素子からの発光を光軸中心からその周囲に均質に配光させることができる点から好ましい。なお、用途に応じて、平面方向の特定の方向に配光させたい場合には、楕円形や光軸に非対称なまたは左右非対称な形状としてもよい。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、光学部材５は、半球状の透明封止体１ｃを収容するための凹状の内側輪郭５ａと、内側輪郭５ａの周囲に連なる底面輪郭５ｂと、底面輪郭５ｂに連なる外側輪郭５ｃとを備える。また内側輪郭５ａの開口部および底面輪郭５ｂには、必要に応じて、後述するようにＬＥＤ装置１を固定するための嵌合形状を設けてもよい。
【００２９】
図２は、光学部材付発光装置１０の形状を説明するための、半球状の透明封止体１ｃの輪郭形状及び光学部材５の輪郭形状を説明する説明図である。また、図３は、光学部材付発光装置１０の、ＬＥＤ素子１ａから発光された光の伝播方向の一例を示す説明図である。
【００３０】
図３に示すように、光学部材付発光装置１０においては、透明封止体１ｃの輪郭により形成される界面（I）、空間Ｓと光学部材５との界面（II）、光学部材５と外部との界面（III）、の合計３つの界面が形成されている。各界面においては、スネルの法則に従って光が屈折される。ＬＥＤ素子１ａから発光された光は透明封止体１ｃに入射した後、透明封止体１ｃの半球状の出射面である界面（I）から出射する。このとき、光束は界面（I）で光軸方向に集光するように屈折される。そして、屈折された光束は、透明封止体１ｃと凹状の内側輪郭５ａとの間の空間Ｓ内を直進し、凹状の内側輪郭５ａに到達し、空間Ｓと凹状の内側輪郭５ａとの界面（II）で屈折されて、光学部材５に入射する。そして、光学部材５に入射した光束は光学部材５の外側輪郭５ｃにまで直進し、外側輪郭５ｃが形成する界面（III）で光軸との成す角が大きくなるように屈折されて、出射され、被照射面６を照射する。
【００３１】
光学部材付発光装置１０は、図２に示すように、光軸Ｌに対して角度θを成す、発光中心１ａ’から引いた仮想直線を基準線ＳＤとし、光軸Ｌと、基準線ＳＤと半球状透明封止体の表面輪郭との交点Ａにおける法線との成す角度をφ、基準線ＳＤと内側輪郭の表面との交点Ｂにおける法線との成す角度をψ、基準線ＳＤと外側輪郭の表面との交点Ｃにおける法線との成す角度をδとした場合、次のような形状の特徴を有する。
【００３２】
図４に示すように、光学部材５の凹状の内側輪郭５ａは、０°＜θ≦１５°、好ましくは５°≦θ≦１５°の範囲にψ/θが最大値（ψ/θ）maxになる角度θxを有し、θx＞θの範囲ではθが大きくなるにつれてψ/θが増加し、θ＞θxの範囲ではθ＝７０°、好ましくは８０°、さらに好ましくは９０°の範囲まではθが大きくなるにつれてψ/θが減少している。ここで、ψ/θは、仮想的にＬＥＤ素子１ａから角度θで出射した光が、凹状の内側輪郭５ａに入射するときの入射角を規定するパラメータであり、ψ/θが大きければ大きいほど、凹状の内側輪郭５ａの界面における屈折角が大きくなることを示す。光学部材付発光装置１０においては、０°＜θ≦１５°の範囲にψ/θが最大値（ψ/θ）maxになる角度θxを有することにより、図３のＥに示すように、凹状の内側輪郭５ａの界面は、光軸近傍に集光した光を光軸からのなす角が大きくなるように屈折させることができる。
【００３３】
（ψ/θ）maxの値は、１．２〜８、さらには２〜５、とくには、２．５〜４、最も好ましくは３〜３．５程度であることが被照射面において均一度の高い照度分布を実現できる点から好ましい。なお、（ψ/θ）maxの値が、小さすぎる場合には、光軸近傍に集光した光が屈折される角度が小さくなり、その結果、拡散効果が小さくなり光軸近傍での照度が上昇することにより照度分布のバラつきが増加する傾向がある。また、大きすぎる場合には光軸近傍の光束が少なくなりすぎて過剰な拡散効果が得られて光軸近傍での照度が低下し照度分布のバラつきが増加する傾向がある。また、光軸近傍の０＜θ＜５°におけるψ/θの値は、１〜５、さらには２〜３、とくには２．５〜３程度であることが被照射面において光軸直上付近の配光を適度に残すことができる点から好ましい。
【００３４】
図５に光学部材付発光装置１０のθに対するδをプロットしたグラフを示す。図５のグラフに示すように、光学部材５の外側輪郭５ｃは、０°≦θ≦４５°の範囲で０≦δ≦３０°を満たすように規定される。図３のＥに示すように、凹状の内側輪郭５ａが、０°＜θ≦１５°の範囲にψ/θが最大値（ψ/θ）maxになる角度θxを有する場合、凹状の内側輪郭５ａの界面により、光軸近傍の光束は光軸に対する角度が大きくなるように屈折される。この場合において、光学部材５の外側輪郭５ｃの形状を、０°≦θ≦４５°の範囲で０≦δ≦３０°、さらには０≦δ≦２０°を満たすように規定することにより、凹状の内側輪郭５ａで屈折された光軸近傍の光束の外側輪郭５ｃの界面への入射角を大きくすることができ、その結果、光軸に対する角度が大きくなるように屈折される。
【００３５】
光学部材５の外側輪郭５ｃは、光軸近傍が平面であり、少なくとも０°≦θ≦４５°の範囲、さらには０°≦θ≦６０°の範囲において、その平面に連続した、上に凸状の滑らかな曲面で構成されており、０°≦θ≦５°の範囲で０°≦δ≦５°であり、５°＜θ≦３０°の範囲で０°≦δ≦１０°であり、３０°＜θ≦４５°の範囲で２≦δ≦３０°になり、とくには、４５°＜θ≦６０°の範囲で５≦δ≦４５°になるように形成されていることが好ましい。光学部材５の出射面である外側輪郭５ｃの形状をこのように規定することにより、光軸近傍の光束の光学部材５の出射面に対する入射角を充分に大きくすることができ、その結果、拡散方向に大きく屈折させることができる。
【００３６】
とくに、光学部材５の外側輪郭５ｃは、０°≦θ＜１０°の範囲においてδ＝０°となるθの範囲を有することが好ましい。また、１０°≦θ≦４５°の範囲においては、θの増加に対してδが、連続的に増加していることが好ましい。さらに、０°≦θ≦４５°の範囲においては、θが増加するときにδは減少しないことが好ましい。このような場合には、光軸近傍での照度を低下させすぎずに、効果的に、照度分布のバラつきを抑制することができる点から好ましい。
【００３７】
さらに、角度θの微小変化量Δθに対する角度δの微小変化量Δδの比をΔδ／Δθとした場合、０°≦θ≦２０°の範囲で０≦Δδ／Δθ≦０．２であり、２０°＜θ≦４５°の範囲で０．０５≦Δδ／Δθ≦１．２であり、４５°≦θ≦６０°の範囲で０．５≦Δδ／Δθ≦１．８であるように規定されていることが好ましい。このような場合には集光方向の光を外側輪郭により屈折させて、照度のバラつきをより抑えることができる。
【００３８】
図６は、本実施形態の光学部材付発光装置１０の、角度θに対する、半球状の透明封止体１ｃの表面と凹状の内側輪郭５ａの表面との基準線上における距離Ｄをプロットした一例である。図６に示すように、半球状の透明封止体１ｃの表面と凹状の内側輪郭５ａの表面との距離Ｄは、θ＝０°のとき最大になり、４５°＜θ≦７０°の範囲、好ましくは５０°＜θ≦６５°の範囲の領域にその距離が最小になる角度θｙを有する。なお、図６は、θｙ＝５５°のときの例である。なお、距離Ｄはθ＞θｙの範囲では、少なくともθ＜７０°の範囲において、θの増加に伴ってＤが徐々に大きくなるよう変化する。
【００３９】
図１３に示したように、半球状の透明封止体を備えたＬＥＤパッケージにおいては、光軸方向に集光する傾向があるために、４５°＜θ≦７０°の範囲においては光量が相対的に少なくなる。このような範囲の光束はできるだけ光軸方向に集光しないように配光制御することが好ましい。半球状の透明封止体１ｃから出射した光は、透明封止体１ｃよりも屈折率の小さい空間Ｓに入射した場合、透明封止体１ｃと空間Ｓとの界面で光軸方向に屈折する。この場合、空間Ｓを直進する距離が長ければ長いほど、光軸方向に集光しやすくなる。従って、図３のＦに示すように、４５°＜θ≦７０°の範囲で出射した光束が空間Ｓを短い距離で通過して光学部材５に入射することにより、この領域の光束の配光を広くすることができる。
【００４０】
半球状の透明封止体の表面と凹状の内側輪郭の表面との距離は、さらに具体的には、例えば、角度θにおける半球状の透明封止体の表面と凹状の内側輪郭の表面との基準線ＳＤ上における距離をＤ（θ）とした場合、Ｄ（θ）＝Ａcos(Ｂθ)+Ｃ（式中、０≦θ≦７０°、０≦Ａ≦１、０≦Ｂ≦５、-１≦Ｃ≦１）で表され、θに対してＤ（θ）をプロットしたグラフにおいて、２０＜θ＜４５°の範囲に存在する変化点を境として、θが大きい側のＡ，Ｂ，Ｃそれぞれが、θが小さい側のＡ，Ｂ，Ｃそれぞれよりも小さくなることが好ましい。なお、図６のグラフにおいては、変化点Ｘはθ＝２８．９°に存在し、０＜θ＜２８．９°において、Ｄ（θ）＝０．３cos(３．８θ)+０．４５、２８．９°≦θ≦８５°において、Ｄ（θ）＝０．２３cos(３．３θ)+０．３７で表される。このような場合には、凹状の内側輪郭の傾きを表すθの微小変化量Δθに対するＤ（θ）の微小変化量ΔＤ（θ）の比をΔＤ（θ）/Δθとした場合、変化点Ｘよりも小さい範囲の角度範囲におけるΔＤ（θ）/Δθの最大値が、変化点Ｘよりも大きい範囲の角度範囲におけるΔＤ（θ）/Δθの最大値よりも大きくなる。
【００４１】
このような変化点Ｘの存在により、θ＞４５°の角度θｙでその距離が最も短くなる。このような形状によれば、θ＞４５°の角度θｙで半球状の透明封止体１ｃの表面と光学部材５の凹状の内側輪郭５ａの表面とが最近接する。この領域においては、図３のFに示すように、半球状の透明封止体１ｃから出射した光が光軸方向に屈折されて空間Ｓを進行するが、空間Ｓにおける光路が短いまま、凹状の内側輪郭５ａの表面に入射して光軸に対して成す角度が大きくなる方向に光路が曲げられる。これにより角度θｙ近傍の角度で透明封止体１ｃから出射された光は、光軸に平行な方向への直進距離を最小限にして光学部材内に屈折により入射し、光学部材内を直進して外側輪郭５ｃの光軸からの距離が離れた位置に到達し、さらに光学部材５の出射面における屈折により光軸とのなす角をさらに大きくして出射する。すなわち、θ＞４５°で出射した集光方向に屈折された光を、集光方向にほとんど進行させないうちに、凹状の内側輪郭５ａの界面で拡散方向に屈折させることができる。
【００４２】
凹状の内側輪郭５ａと透明封止体１ｃの外表面との間の距離は、透明封止体１ｃの大きさによって適宜調整されるが、具体的には、例えば、半球状封止体の底面の直径が２〜３ｍｍ程度であるとき、半球状の透明封止体１ｃの表面と凹状の内側輪郭５ａとの間隔の最も短くなる角度θｙでの距離が、５〜１０００μｍ、さらには１０〜５００μｍ、とくには、５０〜３００μｍ程度であることが好ましい。間隔の最も短くなる角度θｙでの距離が長すぎる場合には、光学部材５の全体形状も大きくなる傾向がある。
【００４３】
また、半球状の透明封止体１ｃの表面と凹状の内側輪郭５ａとの距離の最も長い部分であるθ＝０°における距離Ｄも透明封止体１ｃの大きさによって適宜調整されるが、具体的には、例えば、半球状封止体の底面の直径が２〜３ｍｍ程度であるときは、４００〜５０００μｍ、さらには、４００〜２０００μｍさらには、５００〜１０００μｍ程度であることが好ましい。θ＝０°における距離が長すぎる場合には、光学部材５の高さが高くなる傾向がある。また、θ＝０°における距離が短すぎる場合には、光軸に対して発光中心から４５°以内の角度を成す領域の界面（II）の傾きが緩やかになり、その結果、界面（II）に対する光の入射角が小さくなる傾向がある。
【００４４】
また、θ＝０°における距離とθ＝θｙにおける距離の比率も透明封止体１ｃの大きさによって適宜調整されるが、具体的には、例えば、半球状封止体の底面の直径が２〜３ｍｍ程度であるとき、Ｄ（０°）／Ｄ（θｙ）＝１．１〜５００、さらには、１．３〜２０、さらには、２〜１０程度であることが、光軸に対して４５°以上の角度を成す領域における界面（II）の傾きを充分に大きくすることができるために、界面（II）に対する光の入射角が大きくできる点から好ましい。
【００４５】
上述のように光学部材付発光装置１０においては、透明封止体１ｃの輪郭により形成される界面（I）、空間Ｓと光学部材５との界面（II）、光学部材５と外部との界面（III）、の合計３つの界面を相互に関連付けて配光調整されている。従って、光学部材５の高さが高くなることを抑制しながら、照射面における照度分布のバラつきを抑えて広い配光角度で配光することができる。具体的には、例えば、図２を参照して、ＬＥＤ素子１ａの表面から透明封止体１ｃの最大高さをＨ１、ＬＥＤ素子１ａの表面から光学部材５の最大高さをＨ２とした場合、Ｈ２/Ｈ１≦３、さらにはＨ２/Ｈ１≦２．５、のような透明封止体１ｃの高さに比べて光学部材５の高さがそれほど高くなくても、透明封止体１ｃから出射されるほぼすべての光が充分に制御される。
【００４６】
また、光学部材５の高さが高くなることを抑制するために、光学部材５の光軸上における凹状の内側輪郭５ａと外側輪郭５ｃとの距離、すなわち、光軸における光学部材の厚みをｔとし、ＬＥＤ装置１の半球状透明封止体の底面の直径をＷとしたとき、ｔ/Ｗ≦０．１３が成り立つよう調整することが好ましい。ｔ/Ｗを０．１３以下とすることで所望の外側輪郭形状を維持し、かつ、光学部材内を伝播する光の通過距離を最小限に抑えることができる。このため光学部材全体の厚みおよび直径の小型化を行なうことができる。
【００４７】
なお、光学部材付発光装置１０は、図１（ｂ）に示すように、光軸近傍において、凹状の内側輪郭５ａの曲率が半球状の透明封止体１ｃの曲率よりも大きくなるように形成されている。このように形成することにより、光軸近傍の光量をより光軸とのなす角が大きい方向へ拡散させることができる。
【００４８】
透明封止体１ｃ、凹状の内側輪郭５ａと透明封止体１ｃの外表面との間の空間Ｓ、及び光学部材５の各屈折率は、要求される配光特性により適宜設定されるが、空間Ｓの屈折率が最も小さい。このような観点から空間Ｓとしては、空気層か低屈折率の透明材料層が選ばれる。さらに具体的には、空間Ｓの屈折率は、透明封止体１ｃ及び光学部材５の屈折率に対して、０．２以上、さらには０．３以上小さいことが好ましい。
【００４９】
図７に、光学部材付発光装置１０の照射パターンの光強度分布図の一例を示す。なお、図７に示した照射パターンは、図８に示したような寸法の光学部材付発光装置１０により得られた。
【００５０】
すなわち、図８を参照して、光学部材５は上面視したときに略円状のレンズ形状であり、その直径は８．０ｍｍ、ＬＥＤ素子１ａの上面を基準とした最大高さは２．４ｍｍ、底面の内径は３．５ｍｍである。また、その外形は図４〜図６のグラフで特定され、（ψ/θ）maxになる角度θxは１０°、変化点Ｘは２８．９°に存在し、半球状の透明封止体の表面と凹状の内側輪郭との距離が最も短くなる角度θは５５°であり、そのときの距離は０．１４ｍｍであった。また、凹状の内側輪郭の天面の曲率半径Ｒ１は０．６５４ｍｍであった。さらに、光学部材５の屈折率は１．４１であった。
【００５１】
一方、ＬＥＤ装置１は、一辺１ｍｍの正方形のＬＥＤ素子を備え、半球状の透明封止体は高さ１．４４ｍｍ、底面の直径は２．５４ｍｍであり、半球の曲率半径Ｒ２は１．２５ｍｍであり、光軸方向において、半球状の透明封止体の天面から凹状の内側輪郭までの距離は０．７５ｍｍであり、透明封止体の屈折率は１．５２であった。
【００５２】
図７に示すように、光学部材付発光装置１０においては、光軸に対して、＋６５°及び−６５°付近に最大相対光量が存在するように配光制御されている。そして、θ＝０°における相対強度は、−６５°付近の最大ピーク強度１に対して０．２２程度になっている。また、±３０°付近における相対強度は、０．３程度になっている。また、±８０°付近で０．４程度、±５０°付近で０．６程度になっており、広い範囲で比較的バラつきが小さい配光であることが示されている。これは、図１３に示した半球状封止体を備えたＬＥＤパッケージの配光と比べると、光学部材付発光装置１０においては、明らかに光軸方向の集光が抑制され、広い配光域で照度が均一化されていることがわかる。
【００５３】
なお、図７においては、＋６５°及び−６５°付近に最大相対光量が存在するように配光制御されている。一例として、図６に示すように、光学部材付発光装置１０においては、半球状透明封止体１ｃの表面と凹状の内側輪郭の表面５ａとの距離が最も短くなるθｙは５５°である。このように、本実施形態の光学部材付発光装置１０においては、最大相対光量を示す角度は、θｙ±１５°、さらにはθｙ±１０°の絶対値の角度付近に位置することが好ましい。このような場合には、配光バラつきを充分に低減することができる点からとくに好ましい。
【００５４】
なお、光学部材５の底面輪郭５ｂを含む底面には反射膜を形成してもよい。このような反射膜を形成することにより、発光素子から生じた光軸に対して成す角度の大きいわずかな光や、光学部材５の内部で生じた迷光を出射面側に反射させて、光取り出し効率を向上させることができる。このような反射膜としては、白色フィラーを含有する樹脂組成物からなる白色反射膜や、金属反射膜が挙げられる。
【００５５】
以上、本実施形態に係る光学部材付発光装置の基本構成及びその効果について説明した。本実施形態の光学部材付発光装置においては、ＬＥＤ装置等の半導体発光装置に光学部材を装着する方法は、特に限定されず、例えば、下記に説明するように、光学部材にサブマウント基板を固定するような嵌合形状を設けたり、接着剤で接着したり、スナップフィット形状等の係合部を設けるなど特に限定されない。また、半球状の透明封止体１ｃの表面と光学部材５との間の層が低屈折率の透明樹脂層である場合には、光学部材と低屈折率樹脂層を同時成形もしくはそれぞれ個別に成形したのち嵌合させ、更にその後ＬＥＤパッケージと接着剤を使用した接着を行なってもよく、また光学部材５とＬＥＤパッケージ間を低屈折率かつ透明の接着剤で満たしても良い。
【００５６】
光学部材にサブマウント基板を固定するような嵌合形状を設ける場合について、図９を参照してその一例を説明する。図９（ａ）は、本実施形態の光学部材の一例である光学部材２５にＬＥＤ装置１を装着する前の状態であり、図９（ｂ）は装着後の状態である。本実施形態はサブマウント基板に発光素子が１つの場合を示すが、同一基板上に複数の発光素子が実装されている光源にも同様に適用できる。
【００５７】
光学部材２５は、その底面にＬＥＤ装置１を支持するためのフランジ部分２６を備える。図９（ａ）に示すように、フランジ部分２６は、光学部材２５の凹部にＬＥＤ装置１の半球状の透明封止体１ｃを侵入させるように、該凹部に連接するような掘り込み溝２６ａが形成されている。掘り込み溝２６ａは、例えば、サブマウント基板１ｂが四角形の場合、サブマウント基板の４辺で基板を固定するような嵌合形状２６ｂを有する。また、サブマウント基板１ｂに端子極性の方向を示すようなアノードマークやカソードマークの形状が形成されている場合、フランジ部分２６の角部分に判別用の切り欠き形状を付与しても良い。このような形状によれば、ＬＥＤ装置１の端子極性の方向を容易に合わせることができる。
【００５８】
また、半球状の透明封止体１ｃの表面と光学部材５との間の層が空気層である場合には、図９に示すように、掘り込み溝２６ａの一部として、光学部材２５の凹部の内部を密閉せず、外部に連通するような通気孔２６ｃを設けてもよい。半球状の透明封止体１ｃの表面と光学部材５との間の層が空気層である場合、光学部材付発光装置を回路基板に実装するときにリフロー工程を通過させる場合、リフロー時に掛かる熱により、空気が膨張する。空気層が密閉されている場合、膨張した空気により、ＬＥＤ装置１の半球状の透明封止体１ｃに対する光学部材２の位置が所定の位置からずれたり、また、光学部材２５をＬＥＤ装置１のサブマウント基板１ｂに接着している場合には、空気層の膨張により光学部材が剥離したりするおそれがある。上述したような通気孔２６ｃを設けた場合には、膨張した空気を外部に逃がすことができるために、上述したような光学部材５の位置ズレや、剥離を抑制することができる。
【００５９】
また、上記のような嵌合形状により、光学部材にサブマウント基板を固定する場合においては接着剤で固定してもよい。接着剤の種類は低屈折率の接着剤であれば特に限定されないが、例えば、シリコーン系接着剤等の耐熱性及び耐変色性を有するような透明接着剤であることが好ましい。なお、接着剤で固定する場合には、サブマウント基板の表面に接着部から溢れ出した接着剤が付着することを防ぐために、図９（ａ）に示すように掘り込み溝２６ａの一部として、溢れた接着剤を収容するための窪み２６ｄを設けてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１  ＬＥＤ装置
１ａ  ＬＥＤ素子
１ｂ  サブマウント基板
１ｃ  半球状透明封止体
５，２５  光学部材
５ａ  内側輪郭
５ｂ  底面輪郭
５ｃ  外側輪郭
６  被照射面
１０  光学部材付発光装置
２６  フランジ部分
２６ａ  掘り込み溝
２６ｂ  嵌合形状
２６ｃ  通気孔
２６ｄ  接着剤を収容するための窪み
Ａ、Ｂ、Ｃ  交点
Ｌ  光軸
Ｓ  空間
ＳＤ  基準線
Ｘ  変化点
【図１】
2014022489.tif 000003
【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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