(57)【要約】【課題】特定の角度範囲に対して高い出射効率を有する発光装置および照明光学系を提供する。【解決手段】本発明の発光装置は、発光素子と、前記発光素子の上方に設けられる透明板とを備え、前記透明板の出射側表面には、傾斜面を有する構造物が１つ以上形成されており、前記構造物の傾斜面の平均傾斜角度が４０°以上で９０°以下である。また、本発明の照明光学系は、前述の発光装置と、前記発光装置から出射される光束を取り込む光学部材とを備え、前記光学部材の取り込み角が８３．８°より小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子の上方に設けられる透明板とを備え、
前記透明板の出射側表面には、傾斜面を有する構造物が１つ以上形成されており、
前記構造物の傾斜面の平均傾斜角度が４０°以上で９０°以下である
ことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記透明板の表面積に対する前記構造物の面積占有率が、２３％より大きい
請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記構造物の高さまたは深さが、前記透明板上で隣り合う構造物との間隔である配置間隔の１０分の１より大きい
請求項１または請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の発光装置と、前記発光装置から出射される光束を取り込む光学部材とを備え、
前記光学部材の取り込み角が８３．８°より小さい
ことを特徴とする照明光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置および該発光装置を備える照明光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードのような発光装置において、発光装置の出射側に構造物を形成して、発光装置から出射される光の放射強度分布を制御する技術がある（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
特許文献１には、基板上に実装されたＬＥＤチップを略半球体状の封止部材で封止した発光装置が記載されている。封止部材の球体中心にＬＥＤチップのＩＴＯ層の略中心がくるよう整合配置し、封止部材の直径ｄ、基板面に沿った寸法ｓ、封止部材の屈折率Ｎａ、及び封止部材の外側の媒質の屈折率をＮｘとしたとき、Ｎａ≧Ｎｘ、かつ、ｄ≧ｓ・（Ｎａ／Ｎｘ）の関係を満たすことで、発光素子から出射された光の取り出し効率を向上させることができると記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、放射放出半導体チップが収納される反射性内面を有するチップハウジングに、円錐構造や角錐構造、複合放物面を逆にしたような構造の構造要素を備えた角度フィルタ要素を組み込んだ照明装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１５４１４号公報
【特許文献２】特開２０１１−５０５０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載された方法では、発光装置のサイズが大きくなるという問題があった。また、特許文献２に記載された方法では、構造要素を角度フィルタとして用いており、特定の角度範囲に出射される光の利用効率を上げることは考慮されていない。
【０００７】
そこで、本発明は、光学系において利用される光が発光装置から特定の出射角度内で出射された光に限られる場合であっても、光の利用効率を向上できる発光装置および照明光学系の提供を目的とする。より具体的には、特定の角度範囲に対して高い出射効率を有する発光装置および該発光装置を備える照明光学系の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による発光装置は、発光素子と、発光素子の上方に設けられる透明板とを備え、透明板の出射側表面には、傾斜面を有する構造物が１つ以上形成されており、構造物の傾斜面の平均傾斜角度が４０°以上で９０°以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、発光装置は、透明板の表面積に対する構造物の面積占有率が２３％より大きいことがより好ましい。
【００１０】
また、発光装置は、構造物の高さまたは深さが、透明板上で隣り合う構造物との間隔である配置間隔の１０分の１より大きいことがより好ましい。
【００１１】
また、本発明による照明光学系は、上述の発光装置のいずれかと、発光装置から出射される光束を取り込む光学部材とを備え、光学部材の取り込み角が８３．８°より小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、特定の角度範囲に対して出射効率が高い発光装置が得られるので、光学系において利用される光が発光装置から特定の出射角度内で出射された光に限られる場合であっても光の利用効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態の発光装置の例を模式的に示す模式断面図である。
【図２】ウエハーレベルで発光装置を作成する場合のウエハー部材２０の構成例を模式的に示す模式図である。
【図３】ガラス板に対する引っ掻き試験を行った結果をガラス別および荷重別に示す平面図である。
【図４】発光装置１０の他の例を模式的に示す模式断面図である。
【図５】発光装置１０の他の例を模式的に示す模式断面図である。
【図６】発光装置１０の他の例を模式的に示す模式断面図である。
【図７】構造体１５の例を模式的に示す説明図である。
【図８】構造体１５の形成例を模式的に示す説明図である。
【図９】構造体１５の形成例を模式的に示す説明図である。
【図１０】構造体１５の他の例を模式的に示す説明図である。
【図１１】発光装置１０の他の例を模式的に示す模式断面図である。
【図１２】発光装置１０の他の例を模式的に示す模式断面図である。
【図１３】第２の実施形態の照明光学系の構成例を示す模式図である。
【図１４】照明光学系１００の他の構成例を示す模式図である。
【図１５】第１の実施例の発光装置１０における構造体１５の形成例を模式的に示す説明図である。
【図１６】第１の実施例の各発光装置１０の特定の角度範囲に対する出射光の光量を検出するためのモデルを示す説明図である。
【図１７】図１６に示すモデルを用いて計算される第１の実施例の各発光装置１０の特定の角度範囲（０〜９０°）に対する出射光の光量を示すグラフである。
【図１８】図１６に示すモデルを用いて計算される第１の実施例の各発光装置１０の特定の角度範囲（０°〜７６．３°）に対する出射光の光量を示すグラフである。
【図１９】図１６に示すモデルを用いて計算される第１の実施例の各発光装置１０の特定の角度範囲（０°〜６０°）に対する出射光の光量を示すグラフである。
【図２０】図１６に示すモデルを用いて計算される第１の実施例の発光装置１０の特定の角度範囲に対する出射光の光量を規格化して示すグラフである。
【図２１】図１６に示すモデルを用いて計算される第２の実施例の各発光装置１０の特定の角度範囲（０〜９０°）に対する出射光の光量を示すグラフである。
【図２２】図１６に示すモデルを用いて計算される第２の実施例の各発光装置１０の特定の角度範囲（０〜６０°）に対する出射光の光量を示すグラフである。
【図２３】第３の実施例の発光装置１０における構造体１５の形成例を模式的に示す説明図である。
【図２４】第３の実施例の各発光装置１０の特定の角度範囲に対する出射光の光量を検出するためのモデルを示す説明図である。
【図２５】図２５に示すモデルを用いて計算される第３の実施例の各発光装置１０の特定の角度範囲（０〜９０°）に対する出射光の光量を示すグラフである。
【図２６】図２６に示すモデルを用いて計算される第３の実施例の各発光装置１０の特定の角度範囲（０〜６０°）に対する出射光の光量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施形態１．
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の発光装置の例を模式的に示す模式断面図である。図１に示す発光装置１０は、基材１１の上に発光素子１２、波長変換部材１３、透明板１４がこの順序で積層されている。また、透明板１４の上面すなわち出射側表面には、傾斜面を有する構造物１５（以下、構造物１５ともいう）が１つ以上形成されている。
【００１５】
基材１１は、発光素子１２を設置する土台となる基板であって、その構成材料は特に限定されない。なお、光反射性の高いものが好ましい。低温焼成基板（ＬＴＣＣ）を使う場合は、例えば、アルミニウム等の金属材料、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス材料、ガラスセラミックス材料、樹脂材料等を使用できる。ここで、ガラスセラミックス材料は、ガラス粉末とセラミックスフィラーとを含むガラスセラミックス組成物の焼成物である。また、樹脂材料、セラミックス材料、またはガラスセラミックス材料とする場合、その表面に、銀、アルミニウム、クロム、マグネシウム、白金等の光反射性の高い金属材料からなる高反射性膜を設けることが好ましく、特に、銀またはアルミニウムからなる高反射性膜を設けることが好ましい。高反射性膜の形成方法としては、ＰＶＤまたはＣＶＤあるいは蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、めっき法等が挙げられる。また、高反射性膜を覆うようにガラス層を設けて保護層としてもよい。
【００１６】
ガラスセラミックス組成物におけるガラス粉末は、例えば、酸化物基準のモル％表示で、ＳｉＯ２を５７〜６５％、Ｂ２Ｏ３を１３〜１８％、ＣａＯを９〜２３％、Ａｌ２Ｏ３を３〜８％、Ｋ２ＯおよびＮａ２Ｏから選ばれる少なくとも一方を合計で０．５〜６％含有する。
【００１７】
セラミックスフィラーは、ガラスセラミックスの反射率を向上させる。セラミックスフィラーとしては、従来からガラスセラミックスの製造に用いられるセラミックスフィラーが挙げられ、アルミナフィラー、ジルコニアフィラー、安定化ジルコニアフィラー、チタニアフィラー、これらから選ばれる２種以上の混合物が挙げられる。
【００１８】
ガラス粉末とセラミックスフィラーとは、例えば、質量百分率表示で、ガラス粉末を２５〜５５％、セラミックスフィラーを４５〜７５％含有することが好ましい。ガラス粉末の含有量が２５％未満であると焼成によって緻密な焼成体を得ることが困難になるおそれがあり、好ましくは３５％以上である。また、ガラスの粉末の含有量が５５％超であると強度が不足するおそれがあり、好ましくは５０％以下、より好ましくは４５％以下である。
【００１９】
セラミックスフィラーは基板の強度を高くする成分である。その含有量は、より好ましくは５０％以上、特に好ましくは５５％以上である。セラミックスフィラーの含有量が７５％超であると、焼成によって緻密な焼成体を得ることが困難になる、または基板表面の平滑性が損なわれるおそれがあり、好ましくは６５％以下である。
【００２０】
ガラス粉末とセラミックスフィラーは、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分として無機物粉末、たとえば耐熱顔料などを含有できる。その場合、当該その他の成分の含有量は、典型的には合計で５％以下である。
【００２１】
発光素子１２は、例えば、発光ダイオード素子などの光を発光する素子である。なお、発光素子１２は、図示しない電極を介して基材１１に接合されている。
【００２２】
波長変換部材１３は、蛍光体を含有しており、発光素子１２から出射された光のうち一部を吸収し蛍光を出射する。
【００２３】
透明板１４は、透明性を有し、少なくとも一方の表面が平坦なものであればよい。透明板１４を波長変換部材１３の上に設けることで、波長変換部材１３の厚みを均一にし、発光装置から出射される光の色温度の均一性をあげることができる。また、波長変換部材１３の端部の形状を透明板１４と発光素子１２によって生じる表面張力によって整えることができ出射光の配光パターンを整形できる。
【００２４】
透明板１４を設けると、透明板１４の表面に対して大きい入射角で入射する光は、透明板１４の表面において全反射し発光装置１０の側面などに到達することになる。したがって発光装置１０において透明板１４の厚みが大きくなると発光装置１０の上面から出射される光の光量が減るため透明板１４の厚みは薄い方が好ましい。
【００２５】
透明板１４が薄いと加工も難しくなるため透明板１４の上面から出射される光量とのバランスをとる必要があるが、透明板１４の厚さとして０．３ｍｍ以下が好ましく、０．２ｍｍ以下であればより好ましい。０．１ｍｍ以下であればさらに好ましい。なお、ここでの透明板１４の厚さには、当該透明板１４の上面に形成される構造物１５の厚さ（高さ）を含む。
【００２６】
透明板１４の材料は特に限定されないが、ガラスなどの耐熱性を有する材料であることが好ましい。特にガラスのヤケや波長変換層への不純物混入を防ぐため無アルカリガラスまたは低アルカリガラスであることが好ましい。
【００２７】
透明板１４としてガラスを用いる場合、破壊靭性の値が大きいものを用いるのが好ましい。これは下記に示すように、ガラスの破壊が生じることによって発光装置１０の光の出射特性に変化が生じる場合があるためである。ガラスの破壊の一つの例として、ガラスが有する脆性によって透明板の外周部に発生したクラックなどが経時変化や振動によって進行する場合がある。また他の例として、図２に示すようなウエハーレベルで発光装置を製作する場合に、破壊靭性の値が小さいガラスを用いると切断の際にチッピングが起こりやすくなり端面形状の劣化が生じる場合がある。
【００２８】
図２では、切断後に発光素子１２となる発光素子層２２と、切断後に波長変換部材１３となる波長変換部材層２３と、切断後に透明板１４となる透明板層２４を積層したウエハー形状のウエハー部材２０の例を模式的に示している。なお、図２（ａ）はウエハー部材２０の模式断面図であり、図２（ｂ）はウエハー部材２０の模式平面図である。図２では図示省略しているが、透明板層２４の上面には、切断後に各個片において各構造物１５として機能する構造物群が形成されている。ウエハー部材２０は発光素子層２２、波長変換部材層２３、透明板層２４以外にも基材となるような部材を含んでいてもよい。例えば、透明板１４の上面（より具体的には、透明板１４の上面に設けられている各構造物１５の上層）に反射防止膜などの光に対する機能を有する層を付加してもよい。また、透明板の熱伝導性を上げるために透明導電層を透明板の表面に付加してもよい。
【００２９】
ウエハー部材２０は、例えば点線Ａで示した線で切断される。切断された各チップを、基材１１に電極を介して接合することで発光装置１０を得ることができる。一般に発光素子１２のサイズは数ミリメートルと小さいためチッピングのサイズの影響は大きい。
【００３０】
次に、破壊靭性とガラスの破壊の関係について述べる。破壊靭性とは、材料に荷重を加えた場合に亀裂の伝播に対する耐性を示している。文献『ガラス工学ハンドブック』（朝倉書店）にはガラスの破壊靭性の参考値として表１のような値が示されている。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
図３は、先端の曲率半径が３０μｍのダイアモンドスタイラスに荷重をかけて２種類のガラスについて引っ掻き試験を行った結果を、ガラス別および荷重別の平面図で示している。用いられたガラスは、ソーダ石灰ガラスと、アルミノホウケイ酸ガラス（具体的にはＣｏｒｎｉｎｇ社のＥＡＧＬＥ−ＸＧ（登録商標））とである。ここで、ＥＡＧＬＥ−ＸＧの破壊靭性値は、文献『Ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｆｒａｃｔｕｒｅ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｏｎ  Ｌａｓｅｒ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｂｒｉｔｔｌｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ』（国立中山大学、１９９９年）を参照すると０．８３である。
【００３３】
図３に示すように、ソーダ石灰ガラスでは、３００ｇの荷重で引っ掻き試験を行った場合に大きなチッピングが発生しているが、ＥＡＧＬＥ−ＸＧでは、５５０ｇの荷重まで大きなチッピングは発生していない。したがって、同一の荷重がかかった場合に破壊靭性値が大きいとチッピングが生じにくいといえる。
【００３４】
ガラスの破壊靭性の値としては、０．７６ＭＰａ・ｍ０．５より大きいことが好ましく、より好ましくは０．８ＭＰａ・ｍ０．５より大きいことが好ましく、０．８５ＭＰａ・ｍ０．５より大きいとさらに好ましい。
【００３５】
また、透明板１４の初期のチッピングが大きい場合にクラックの進行が起こりやすいため、透明板１４の外周部のチッピングの大きさとして、１００μｍ以下であることが好ましく、７５μｍ以下であるとより好ましい。また、透明板１４の外周部が、面取りまたは、レーザなどによって生じる熱や酸によるエッチングなどよって端面が滑らかになるように熱処理されていてもよい。
【００３６】
また、図４に示すように、積層されている発光素子１２，波長変換部材１３，透明板１４の側面から漏れる光を前方に出射させるために、光出射層となるこれらの部材の側面に反射機能を有する層（以下、反射機能層という。）１６を設けてもよい。なお、反射機能層１６は、光出射層の側面に接していなくてもよく、例えば、図５に示すように、光出射層を囲うように設けられた側壁部１７の内側に設けられていてもよい。また、図６に示すように、光出射層の側面を散乱体で覆って、その散乱体で覆われた層を反射機能層１６としてもよい。
【００３７】
次に、構造物１５について説明する。構造物１５は、透明基板１４の出射側表面に光学的に傾斜をつけられるものであればよく、透明板１４と同一部材であるか否かは問わない。例えば、透明板１４の表面を直接加工して表面形状に凹凸構造を付与することによって構造物１５を形成してもよいし、透明板１４と略同一の屈折率を有する材料を用いて、透明板１４の上に構造物１５または構造物１５を含む層を形成してもよい。なお、構造物１５は、透明基板１４の表面に傾斜をつけられる形状であれば凹型であっても凸型であってもよい。
【００３８】
図７は、構造体１５の例を示す説明図である。なお、図７では、構造体１５の形状例として、例ごとに構造体１５が形成されている透明基板１４上の領域を切り出して模式断面図と模式平面図の組にして示している。図７（ａ）〜（ｆ）に示すように、構造物１５は、透明板１４上に構造物１５が形成されていないときの平らな表面を基準面１４１とした場合に、その基準面１４１に対する角度が９０°未満となる斜面（以下、斜面部１５１という。）を有している。なお、図７は構造体１５の一例を示すもので、これに限られるものではない。
【００３９】
また、構造物１５は、その斜面部１５１の傾斜角度の平均値が６５°±２５°の範囲内すなわち４０°以上９０°以下、好ましくは９０°未満となっている。構造物１５は、透明板１４の上面に傾斜をつける構造となるため、構造物１５がない場合に透明板１４の内部で全反射される光の一部を取りだす効果が得られる。構造物１５の斜面部１５１の角度を上記の範囲とすることで、発光装置１０から前方方向に出射される光の利用効率をあげることができる。なお、傾斜角度の平均値は、６５°±１５°の範囲内すなわち５０°以上８０°以下であればより好ましく、６５°±１０°の範囲内すなわち５５°以上７５°以下であればさらに好ましい。
【００４０】
図７（ａ）に示す構造物１５ａは、凸型の構造物１５の例であって、全体が円錐台状となっている。すなわち、斜面部１５１ａの他に、平坦な上面部１５２ａを有する構造となっている。
【００４１】
また、図７（ｂ）に示す構造物１５ｂは、凸型の構造物１５の例であって、上部に平坦な上面部１５２ｂを有し、曲面からなる斜面部１５１ｂを有する構造となっている。なお、この場合でも１つの構造体１５における斜面部１５１ｂ全体の傾斜角度の平均値は６５°±２５°の範囲内になっている。
【００４２】
また、図７（ｃ）に示す構造物１５ｃは、上部も曲面で形成された凸型の構造物１５の例である。すなわち、全て斜面部１５１ｃで構成されている。なお、この場合でも１つの構造体１５における斜面部１５１ｃ全体の傾斜角度の平均値は６５°±２５°の範囲内になっている。
【００４３】
また、図７（ｄ）に示す構造物１５ｄは、凹型の構造物１５の例であって、底部に平坦な底面部１５３ｄを有し、斜面部１５１ｄが基準面１４１に対して沈下しながら傾斜する構造となっている。なお、この場合でも１つの構造体１５における斜面部１５１ｄ全体の傾斜角度の平均値は６５°±２５°の範囲内になっている。
【００４４】
また、図７（ｄ）に示す構造物１５ｄは、凹型の構造物１５の例であって、底部に平坦な底面部１５３ｄを有し、斜面部１５１ｄが基準面１４１に対して沈下しながら傾斜する構造となっている。なお、この場合でも１つの構造体１５における斜面部１５１ｄ全体の傾斜角度の平均値は６５°±２５°の範囲内になっている。
【００４５】
また、図７（ｅ）に示す構造物１５ｅは、凹型の構造物１５の例であって、底部に平坦な底面部１５３ｅを有し、曲面で形成された斜面部１５１ｅが基準面１４１に対して沈下しながら傾斜する構造となっている。なお、この場合でも１つの構造体１５における斜面部１５１ｅ全体の傾斜角度の平均値は６５°±２５°の範囲内になっている。
【００４６】
また、図７（ｆ）に示す構造物１５ｆは、底部も曲面で形成された凹型の構造物１５の例である。すなわち、全て斜面部１５１ｅで構成されている。なお、この場合でも１つの構造体１５における斜面部１５１ｅ全体の傾斜角度の平均値は６５°±２５°の範囲内になっている。
【００４７】
なお、図８に示すように、透明板１４とは異なる部材を用いて構造物１５を形成する場合、透明板１４の表面全体に構造物１５の部材を形成することも可能であるが、このような場合には、構造物１５の部材で形成される構造物部材層１８の出射側の表面のうち最も低い位置で基準面１４１と略平行な面をなす部位（例えば、図中の底面部１５３）を透明基板１４の上面とみなし、それよりも隆起している部分を各々凸型の構造物１５とみなせばよい。
【００４８】
また、凹型の構造物１５を形成する場合は、図９に示すように、構造物１５の部材で形成される構造物部材層１８の出射側の表面のうち最も高い位置で基準面１４１と略平行な面をなす部位（例えば、図中の上面部１５２）を透明基板１４の上面とみなし、それよりも沈下している部分を各々凹型の構造物１５とみなせばよい。
【００４９】
また、構造物１５の平面形状を楕円など軸対称でない形状や線対称でない形状にすることで出射光束に対して異方的な特性を付加できる。構造物１５の平面形状が楕円である場合、平均傾斜角度が６５°±２５°の範囲内にある斜面の数が楕円の短軸方向で増えることによってこの方向における光取出し効率が向上するためである。一方向のみの効率を向上させたい場合は回折格子のように凹凸構造をある方向にのみ形成してもよい。このような異方的な配光を有する発光装置はたとえば自動車のヘッドライトなどに使用できる。
【００５０】
また、構造物１５の配置は、透明板１４の表面上に正方配列やハニカム配置などのように規則的であってもよいし、ランダムであってもよい。また、異なる大きさの構造物１５を配置することも可能である。また、構造物１５が透明板１４の有効領域面内に占める割合は、２５％以上であることが好ましく、５０％以上であるとより好ましく、７０％以上であるとさらに好ましい。ここで透明板１４の有効領域面内とは、発光素子１２の出射光が入射する面をいう。また、構造物１５が透明板１４の有効領域面内に占める割合は、構造物１５の面積占有率または単に面積占有率ともいう。
【００５１】
なお、構造物１５は、斜面部１５１の傾斜角度の平均値が６５°±２５°の範囲内であれば、図７に示す形状に限らず、各種形状が可能である。また、図７に示す例では、構造物１５の平面形状すなわち加工領域形状がすべて丸型であったが、角錐台のように多角形であってもよい。また、例えば、図１０に示すように、平均傾斜角度が６５°±２５°の範囲内にある斜面部１５１を有する輪帯状の構造物としてもよい。
【００５２】
このような構造物１５は、たとえばサンドブラストなどのように基板に粒子を衝突させるような方法によって形成できる。サンドブラストを用いる場合、粒子の粒径や衝突条件を調節することで表面の粗さを調節できる。また、基板をエッチングすることによっても構造物を形成できる。ウェットエッチングを用いる場合は等方的な加工方法になるため曲面部の場合はある曲率半径を有する形状となる。ドライエッチングを用いる場合は、レジスト材料をフォトリソグラフィやインプリントなどによってパターニングした後、エッチングガスによってエッチングを行う。この際、ガス種やガス流量などのガス条件、加工基板へのバイアス条件などを調整することでテーパーのついた構造物に加工できる。ドライエッチングを用いる場合、一般的に斜面部の断面形状はある角度を有する直線形状となる。また、エッチングに限らず切削や研削などを用いてもよい。また、ドライエッチングとウェットエッチングを組み合わせるなど複数の方法を用いて構造物の加工を行ってもよい。
【００５３】
また、構造物１５はモールドを用いた成型方法を用いても形成できる。この場合、構造物１５は透明板１４とは別の材料であってもよい。構造物１５の材料として樹脂を用いる場合、シリコーンやシルセスキオキサン構造を含む耐熱性のある材料を用いるのが好ましい。樹脂をモールドと透明板１４の間に充填することで成形できるが、このとき樹脂として熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂を使用できる。
【００５４】
本願発明者は、構造物１５の設計に際して、パラメータの様々な組み合わせによる構造物１５を有する透明板１４から出射される光の光量について、前方方向の特定の角度範囲に仮想の光検出器を並べたモデルを用いて繰り返し計算を行った。その結果、構造物１５の傾斜部１５１の傾斜角度が６５°±２５°の範囲にあるときに、各光検出器の積算光量の値が高くなることを発見した。さらに、構造物１５の面積占有率が２３％より大きく、構造物１５の高さがピッチの１０分の１より大きい場合には、特に積算光量の値が高くなることを発見した。この傾向は、光量の積算範囲すなわち光検出器を配置する角度範囲を小さくすると顕著になることも発見した。詳細は後述の実施例で説明するが、例えば、光軸方向における素子中心線から０°〜９０°、０°〜８３．８°、０°〜７６．３°、０°〜６８．８°、０°〜６０°、０°〜４６．３°、０°〜３１．３°の各出射角度範囲で積算光量を計算した結果、各角度範囲において最も積算光量の大きい値を有する構成は、構造物１５の傾斜角が６５°付近のものであった。特に、積算の出射角度範囲が８３．８°より小さい場合は、傾斜角度が６５°±１０°の範囲で積算光量のピークが出ていた。
【００５５】
以上のように、本実施形態によれば、構造物１５がない場合に透明板１４の界面で全反射される光の一部を取り出す効果が得られるだけでなく、前方方向に対して高い出射効率を有する発光装置を提供できる。特に、８３．８°より小さい出射角度範囲に対する出射効率を高くできるので、光学系において利用される光が発光装置から特定の出射角度内で出射された光に限られる場合であっても光の利用効率を向上できる。
【００５６】
図１１および図１２は、本実施形態の発光装置の他の例を示す模式断面図である。図１１に示す発光装置１０は、基材１１の上に発光素子１２を備え、その発光素子１２の上に透明板１４を備えている。また、透明板１４の上面には斜面の平均傾斜角が６５°±２５°の範囲内にある構造物１５が１つ以上設けられている。図１に示す発光装置１０と比べて、波長変換部材１３が省略されている点が異なる。このような構成であっても、発光素子１２から出射される光の取り出し効率を向上できる。なお、図１１に示す構成において、透明板１４が、蛍光体を含有していてもよい。
【００５７】
また、図１１に示す構成においても、積層されている発光素子１２，透明板１４の側面から漏れる光を前方に出射させるために、光出射層となるこれらの部材の側面に反射機能層１６を設けてもよい。なお、図１２の場合は、パッケージ１１の側壁部の内側または波長変換部材１３とパッケージ１１との界面が、光出射層の側面に相当する。また、光出射層の側面の内側を散乱体で覆うなどして反射機能層１６を設けてもよい。
【００５８】
図１２に示す発光装置１０は、基材１１が側壁部を有する形状にパッケージ化されており（以下、パッケージ１１という）、そのパッケージ１１の上に発光素子１２を備えている。なお、発光素子１２は、図示しない電極を介してパッケージ１１に接合されている。また、発光素子１２が搭載されたパッケージ１１の内部には波長変換部材１３が充填されており、波長変換部材１３が充填されたパッケージ１１の開口部を蓋するように、透明板１４が設けられている。なお、透明板１４の上面には斜面の平均傾斜角が６５°±２５°の範囲内にある構造物１５が１つ以上設けられている。このような構成であっても、発光素子１２から出射される光の取り出し効率を向上できる。
【００５９】
また、図１２に示す構成においても、波長変換部材１３の側面から漏れる光を前方に出射させるために、光出射層となる波長変換部材１３の側面に反射機能層１６を設けてもよい。なお、図１２の場合は、光出射層の側面は、パッケージ１１の側壁部の内側または波長変換部材１３とパッケージ１１との界面となる。なお、パッケージ１１が反射機能を有している部材で構成されていてもよい。また、光出射層の側面を散乱体で覆うなどして反射機能層１６を設けてもよい。
【００６０】
実施形態２．
次に、本発明の第２の実施形態として、第１の実施形態の発光装置１０を備える照明光学系について説明する。図１３は、第２の実施形態の照明光学系の構成例を示す模式図である。図１３に示す照明光学系１００は、発光装置１０と、発光装置１０から出射される光束を取り込むためのレンズ１０１とを含む。
【００６１】
発光装置１０は、第１の実施形態の発光装置１０である。
【００６２】
発光装置１０からレンズ１０１に向かう光束の取り込み角θが大きい方が発光装置１０から出射される光をより多く使えるので好ましいが、レンズ形状が大きくなるなどの問題点が生じる。本実施形態の照明光学系１００では、レンズ１０１の取り込み角θは８３．８°より小さくてもよい。なお、７５°より小さくてもよく、さらに、６５°より小さくてもよい。
【００６３】
発光装置１０が、前方方向、特に素子の中心線から８３．８°以内の方向に対して高い出射効率を有するので、レンズの取り込み角θを小さくしても発光装置１０から出射される光を十分に取り込むことができる。
【００６４】
また、図１４は、照明光学系１００の他の構成例を示す模式図である。図１４に示すように、照明光学系１００は、レンズ１０１に代わって、反射ミラー１０２を備えていてもよい。この場合、反射ミラー１０２の取り込み角θは８３．８°より小さくてもよい。なお、７５°より小さくてもよく、さらに、６５°より小さくてもよい。
【００６５】
また、照明光学系１００は、レンズ１０１、反射ミラー１０２以外の光学部材を有していてもよい。
【実施例】
【００６６】
以下、上述した第１の実施形態の発光装置１０について具体的な数値等を用いて説明する。
【００６７】
実施例１．
まず、第１の実施例について説明する。本実施例の発光装置１０は、図１に示す発光装置１０の実施例である。まず、２ｍｍ角の発光素子１２を基材１１の上に設置し、電極によって接合する。その上に波長変換部材１３を塗布し、その後、厚さ０．２ｍｍｔの透明板１４を上から接着する。波長変換層の厚みは０．１ｍｍｔとする。透明板１４には、破壊靭性の値が０．８３ＭＰａ・ｍ０．５、屈折率が１．５２のガラスを用いる。
【００６８】
なお、透明板１４の一方の表面には、図１５に示すような円錐台形状の凸型の構造物１５（以下、本例では凸部１５と呼ぶ。）が一定の周期構造で形成されている。より具体的には、ハニカム形状の角部に相当する位置にそれぞれ配置されるような周期構造で形成されている。なお、図１５（ａ）は本実施例における構造物１５の形状および配置を模式的に示す要部断面図であり、図１５（ｂ）は本実施例における構造物１５の形状および配置を模式的に示す要部平面図である。
【００６９】
本例では、凸部１５の底面の径をａ、凸部１５の上面の径をｂ、凸部１５の高さをｈ、隣り合う凸部１５との間隔である配置間隔をｃとすると、配置間隔ｃを１００μｍとして、底面の径ａ、上面の径ｂ、高さｈについては以下の値の組み合わせとする。
【００７０】
底面の径ａ［μｍ］：２５、５０、７５、９０、９８
【００７１】
上面の径ｂ［μｍ］：ａ＞ｂを満たす範囲で５、１０、２０、３０、４０（ａ≦５０の場合）または４５（ａ＞５０の場合）、６０、７０、８０、９０
【００７２】
高さｈ［μｍ］：１０、４０、６０、８０、１００
【００７３】
ここで、ａが２５μｍの場合、透明板１４の表面積に対する凸部１５の面積占有率は６％である。また、ａが５０μｍの場合、凸部１５の面積占有率は２３％である。また、ａが７５μｍの場合、凸部１５の面積占有率は５１％である。また、ａが９０μｍの場合、凸部１５の面積占有率は７３％である。また、ａが９８μｍの場合、凸部１５の面積占有率は８７％である。
【００７４】
以下、本実施例の発光装置１０の出射光について、図１６に示すモデルを用いて行った計算結果を説明する。図１６に示すモデルの発光装置５０は、波長変換部材５１から光があらゆる方向に出射されるものとし、その波長変換部材５１の上に透明板５２が積層された構造とする。なお、透明板５２の上面には、本実施例の凸部１５と同様の、上述したパラメータの組み合わせで規定される凸型の構造物（凸部）５３が形成されているものとする。また、発光装置５０の側面５５は反射面であり、底面５６は吸収面であるとしている。
【００７５】
また、発光装置５０を中心とする半径１０００ｍｍの円周６０上に光検出器が隙間無く並んで設置されているものとして、その仮想的な光検出器で透明板５２から出射される光線を検出する。なお、波長変換部材５１からは１Ｗの光が出射されるものとする。
【００７６】
図１６に示すモデルでは、上述した構造物１５に関するパラメータの各組み合わせについて、前方方向に出射される光の出射効率を調べるために、同じ組み合わせによる構造物５３を有する発光装置５０から出射する光を、該発光装置５０の中心線５４に対して最大で０〜９０°の範囲に設置した各光検出器で検出してその光量を積算する。
【００７７】
まず、上述のパラメータの各組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０からの出射光について、該発光装置５０の中心線５４から０°〜９０°の範囲に設置した各光検出器に照射される光量の積算結果を図１７に示す。なお、同じ積算範囲において、構造物５３がない場合の積算光量は０．１１１Ｗであった。
【００７８】
図１７（ａ）は、図１６に示すモデルにおいて底面の径ａを９８μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図１７（ｂ）は、底面の径ａを９０μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図１７（ｃ）は、底面の径ａを７５μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図１７（ｄ）は、底面の径ａを５０μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図１７（ｅ）は、底面の径ａを２５μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。いずれのグラフにおいても、縦軸は積算光量を示し、横軸は構造物５３の傾斜角度を示している。また、構造物５３の高さｈをプロットの印によって区別している。
【００７９】
次に、同モデルにおいて、発光装置５０の中心線５４から０°〜７６．３°の範囲に設置した各光検出器に照射される光量の積算結果を図１８に示す。なお、同じ積算範囲において、構造物５３がない場合の積算光量は０．１０６Ｗであった。なお、図１８（ａ）〜（ｅ）のグラフの書式は、図１７（ａ）〜（ｅ）と同様である。
【００８０】
次に、同モデルにおいて、発光装置５０の中心線５４から０°〜６０°の範囲に設置した各光検出器に照射される光量の積算結果を図１９に示す。なお、同じ積算範囲において、構造物５３がない場合の積算光量は０．０８４Ｗであった。なお、図１９（ａ）〜（ｅ）のグラフの書式も、図１７（ａ）〜（ｅ）と同様である。
【００８１】
図１７〜図１９に示すように、構造物５３の傾斜角度が６５°±２５°の範囲で積算光量の値が高くなっている。また、構造物５３の面積占有率が２３％より大きい場合（具体的には構造物５３の底面ａが５０μｍより大きい場合）や、構造物の高さがピッチの１０分の１より大きい場合（具体的には構造物５３の高さｈが１０μｍより大きい場合）には、特に積算光量の値が高くなっている。この傾向は、特に光量の積算範囲を小さくすると顕著になっている。
【００８２】
図２０は、構造物５３の底面の径ａを９８μｍ、高さｈを６０μｍまたは４０μｍとするパラメータの各組み合わせによる構造物５３の各傾斜角度と積算光量との関係を、０°〜９０°、０°〜８３．８°、０°〜７６．３°、０°〜６８．８°、０°〜６０°、０°〜４６．３°、０°〜３１．３°の積算範囲別に示すグラフである。なお、図２０（ａ）は構造物５３の高さｈを６０μｍとしたときのグラフであり、図２０（ｂ）は構造物５３の高さｈを４０μｍとしたときのグラフである。なお、図２０において、縦軸は、計算で求めた積算光量を、構造物５３がない場合の積算光量で規格化した値を示している。すなわち、上述のパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０について計算で求めた積算光量を、構造物５３がない場合の積算光量で除算した値を示している。
【００８３】
図２０に示すように、各積算範囲で最も積算光量の大きい値となる発光装置５０は、構造物５３の傾斜角が６５°付近のものになっている。特に、図２０（ａ）に示すように、積算の角度範囲が８３．８°より小さい場合、６５°付近に積算光量のピークが出ている。したがって、発光装置を取り込み角が８３．８°より小さい光学系中に用いる場合には、構造物１５の形状として傾斜角度が略６５°となるものを用いることが好ましいといえる。
【００８４】
実施例２．
次に、第２の実施例について説明する。本実施例の発光装置１０は、図１に示す発光装置１０の実施例である。第１の実施例と同様、まず、２ｍｍ角の発光素子１２を基材１１の上に設置し、電極によって接合する。その上に波長変換部材１３を塗布し、その後、厚さ０．２ｍｍｔの透明板１４を上から接着する。波長変換層の厚みは０．１ｍｍｔとする。透明板１４には、破壊靭性の値が０．８３ＭＰａ・ｍ０．５、屈折率が１．５２のガラスを用いる。
【００８５】
なお、透明板１４の一方の表面には、第１の実施例と同様、図１５に示すような円錐台形状の凸型の構造物１５（凸部１５）が一定の周期構造で形成されている。より具体的には、ハニカム形状の角部に相当する位置にそれぞれ配置されるような周期構造で形成されている。
【００８６】
本例では、凸部１５の底面の径をａ、凸部１５の上面の径をｂ、凸部１５の高さをｈ、隣り合う凸部１５との間隔をｃとすると、配置間隔ｃを２０μｍとして、底面の径ａ、上面の径ｂ、高さｈについては以下の値の組み合わせとする。
【００８７】
底面の径ａ［μｍ］：５、１０、１５、１８、１９．６
【００８８】
上面の径ｂ［μｍ］：ａ＞ｂを満たす範囲で１、２、４、６、８（ａ≦１０の場合）または９（ａ＞１０の場合）、１２、１４、１６、１８
【００８９】
高さｈ［μｍ］：２、４、８、１２、１６、２０
【００９０】
ここで、ａが５μｍの場合、透明板１４の表面積に対する構造物１５の面積占有率は６％である。また、ａが１０μｍの場合、凸部１５の面積占有率は２３％である。また、、ａが１５μｍの場合、凸部１５の面積占有率は５１％である。また、ａが１８μｍの場合、凸部１５の面積占有率は７３％である。また、ａが１９．６μｍの場合、凸部１５の面積占有率は８７％である。
【００９１】
以下、本実施例の発光装置１０の出射光について、図１６に示すモデルを用いて行った計算結果を説明する。なお、図１６にモデルの詳細は第１の実施例と同様である。
【００９２】
まず、上述のパラメータの各組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０からの出射光について、該発光装置５０の中心線５４から０°〜９０°の範囲に設置した各光検出器に照射される光量の積算結果を図２１に示す。なお、同じ積算範囲において、構造物５３がない場合の積算光量は０．１１１Ｗであった。
【００９３】
図２１（ａ）は、図１６に示すモデルにおいて底面の径ａを１９．６μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図２１（ｂ）は、底面の径ａを１８μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図２１（ｃ）は、底面の径ａを１５μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図２１（ｄ）は、底面の径ａを１０μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図２１（ｅ）は、底面の径ａを５μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。いずれのグラフにおいても、縦軸は積算光量を示し、横軸は構造物５３の傾斜角度を示している。また、構造物５３の高さｈをプロットの印によって区別している。
【００９４】
次に、同モデルにおいて、発光装置５０の中心線５４から０°〜６０°の範囲に設置した各光検出器に照射される光量の積算結果を図２２に示す。なお、同じ積算範囲において、構造物５３がない場合の積算光量は０．０８４Ｗであった。なお、図２２（ａ）〜（ｅ）のグラフの書式は、図２１（ａ）〜（ｅ）と同様である。
【００９５】
図２０、図２１に示すように、構造物５３の傾斜角度が６５°±２５°の範囲で積算光量の値が高くなっている。また、構造物５３の面積占有率が２３％より大きい場合（具体的には構造物５３の底面ａが１０μｍより大きい場合）や、構造物の高さがピッチの１０分の１より大きい場合（具体的には構造物５３の高さｈが２μｍより大きい場合）には、特に積算光量の値が高くなっている。この傾向は、特に光量の積算範囲を小さくすると顕著になっている。
【００９６】
実施例３．
次に、第３の実施例について説明する。本実施例の発光装置１０は、図１に示す発光装置１０の実施例である。第１の実施例と同様、まず、２ｍｍ角の発光素子１２を基材１１の上に設置し、電極によって接合する。その上に波長変換部材１３を塗布し、その後、厚さ０．２ｍｍｔの透明板１４を接着する。波長変換層の厚みは０．１ｍｍｔとする。透明板１４には、破壊靭性の値が０．８３ＭＰａ・ｍ０．５、屈折率が１．５２のガラスを用いる。
【００９７】
本実施例では、透明板１４の一方の表面に、図２３に示すような円錐台形状の凹型の構造物１５（以下、本例では凹部１５と呼ぶ。）が一定の周期構造で形成されている。より具体的には、ハニカム形状の角部に相当する位置にそれぞれ配置されるような周期構造で形成されている。ここで、凹部１５の開口部の径をａ、凹部１５の底面の径をｂ、凹部１５の深さをｈ、隣り合う凹部１５との間隔をｃとすると、本例では、配置間隔ｃを１００μｍとして、開口部の径ａ、底面の径ｂ、深さｈについては以下の値の組み合わせとする。
【００９８】
開口部の径ａ［μｍ］：２５、５０、７５、９０、９８
【００９９】
上面の径ｂ［μｍ］：ａ＞ｂを満たす範囲で５、１０、２０、３０、４０（ａ≦５０の場合）または４５（ａ＞５０の場合）、６０、７０、８０、９０
【０１００】
深さｈ［μｍ］：１０、２０、４０、６０、８０、１００
【０１０１】
ここで、ａが２５μｍの場合、透明板１４の表面積に対する凹部１５の面積占有率は６％である。また、ａが５０μｍの場合、凹部１５の面積占有率は２３％である。また、ａが７５μｍの場合、凹部１５の面積占有率は５１％である。また、ａが９０μｍの場合、凹部１５の面積占有率は７３％である。また、ａが９８μｍの場合、凹部１５の面積占有率は８７％である。
【０１０２】
以下、本実施例の発光装置１０の出射光について、図２４に示すモデルを用いて行った計算結果を説明する。図２４に示すモデルは、発光装置５０が備える構造物５３が、本例の構造物１５（凹部１５）と同様の凹型である点を除けば、図１６に示すモデルと同様である。
【０１０３】
まず、上述のパラメータの各組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０からの出射光について、該発光装置５０の中心線５４から０°〜９０°の範囲に設置した各光検出器に照射される光量の積算結果を図２５に示す。なお、同じ積算範囲において、構造物５３がない場合の積算光量は０．１１１Ｗであった。
【０１０４】
図２５（ａ）は、図２４に示すモデルにおいて底面の径ａを９８μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図２５（ｂ）は、底面の径ａを９０μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図２５（ｃ）は、底面の径ａを７５μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図２５（ｄ）は、底面の径ａを５０μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。また、図２５（ｅ）は、底面の径ａを２５μｍとするパラメータの組み合わせによる構造物５３を有する各発光装置５０から出射される光の積算光量を示すグラフである。いずれのグラフにおいても、縦軸は積算光量を示し、横軸は構造物５３の傾斜角度を示している。また、構造物５３の高さｈをプロットの印によって区別している。
【０１０５】
次に、同モデルにおいて、発光装置５０の中心線５４から０°〜６０°の範囲に設置した各光検出器に照射される光量の積算結果を図２６に示す。なお、同じ積算範囲において、構造物５３がない場合の積算光量は０．０８４Ｗであった。なお、図２６（ａ）〜（ｅ）のグラフの書式は、図２５（ａ）〜（ｅ）と同様である。
【０１０６】
図２５、図２６に示すように、構造物５３の傾斜角度が６５°±２５°の範囲で積算光量の値が高くなっている。また、構造物５３の面積占有率が２３％より大きい場合（具体的には構造物５３の底面ａが５０μｍより大きい場合）や、構造物の高さがピッチの１０分の１より大きい場合（具体的には構造物５３の深さｈが１０μｍより大きい場合）には、特に積算光量の値が高くなっている。この傾向は、特に光量の積算範囲を小さくすると顕著になっている。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明は、照明装置に限らず、発光装置から特定の角度範囲に対して高い光量の光を得たい装置に好適に適用可能である。特に、大きさの制限のある機器に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０  発光装置
１１  基材
１２  発光素子
１３  波長変換部材
１４  透明板
１４１  基準面
１５  構造物
１５１  斜面部
１５２  上面部
１５３  底面部
１６  反射機能層
１７  側壁部
１８  構造物部材層
５０  仮想の発光装置
６０  仮想の光検出器の配置位置
１００  照明光学系
１０１  レンズ
１０２  反射ミラー
【図１】
2014036118.tif 000004
【図２】
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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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図３】
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