(57)【要約】小型化が可能で、かつ安定した広配光特性が得られる配光制御装置およびそれを用いた発光装置を提供する。発光装置１００ｘの配光制御装置は、ＬＥＤ１０１の上に透光性接着剤１０４を介してＺｎＯからなる第一の光学部材１１３と、第一の光学部材１１３を覆う第二の光学部材１１２とを備えている。第一の光学部材１１３には、徐々に開口面積が拡がる正六角形状に開口した第一の凹部１１３１が設けられている。第一の凹部１１３１は開口形状の六角形の一辺を底辺とした傾斜面の内側壁面１１３２が形成されている。第１の光学部材１１３の外側は台形上の外側壁面１１３４が形成されている。第二の光学部材１１２には、前記第一の光学部材１１３を通過した光の配光特性における環状のピークの光が全反射するように設定された第二の凹部１１２２が設けられている。
2012004975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を覆う第一の光学部材と、
前記第一の光学部材を覆う第二の光学部材と
を有し、
前記第一の光学部材には、前記光源から離れるに従って窄まる形状である円錐台又は角錘台の形状を有すると共に前記円錐台又は角錘台の上面から下方へ該円錐台又は角錘台の中心軸に沿って形成された第一の凹部が形成されており、
前記第一の凹部は前記中心軸に沿って上方に向かうに従って開口面積が拡がっており、
前記光源から発せられる光は、ランバーシアン配光特性を有していて前記中心軸に沿った向きに光の強度が最大となっており、
前記光源からの光を前記第一の光学部材は、前記第二の光学部材に対して出射する際に、前記中心軸を中心とした環状の光強度のピークを有する配光特性の光にしており、
前記第二の光学部材には、前記中心軸に沿って上方に向かうに従って開口面積が拡がる第二の凹部が前記中心軸に沿って形成されており、
前記第一の光学部材から前記第二の光学部材に入射した前記配光特性の光のうち、前記第二の凹部を構成する面に入射する光は、当該面において全反射することを特徴とする配光制御装置。
【請求項２】
前記第一の光学部材は、前記第二の光学部材よりも屈折率の大きい材質から形成されている請求項１記載の配光制御装置。
【請求項３】
前記第一の光学部材は、酸化亜鉛の結晶から形成されている請求項２記載の配光制御装置。
【請求項４】
前記第一の光学部材の前記第一の凹部は、当該第一の凹部を構成する面が｛１０−１１｝結晶面を含む結晶面により形成されていることを特徴とする請求項３記載の配光制御装置。
【請求項５】
前記第一の光学部材は、ナノ粒子を含むポリマーから形成されている請求項２記載の配光制御装置。
【請求項６】
光源としての半導体発光素子と、
前記半導体発光素子上に設置された請求項１から５のいずれかの項に記載の配光制御装置とを有することを特徴とする発光装置。
【請求項７】
前記半導体発光素子と前記第一の光学部材の間に、前記半導体発光素子からの光により、前記半導体発光素子から出射される光の波長よりも長い波長を発光する蛍光体を含有した蛍光層が配置されていることを特徴とする請求項６記載の発光装置。
【請求項８】
光源を覆う第一の光学部材と、前記第一の光学部材を覆う第二の光学部材とを有する配光制御装置の製造方法であって、
酸化亜鉛の単結晶ウエハの上面に、同心且つ同対称軸の大小２つの正六角形に挟まれた領域を占める複数のマスクを、隣り合う前記マスクは相対する辺同士が平行となるように形成する工程と、
前記単結晶ウエハの前記上面に異方性エッチングを行うことにより、前記マスクから露出している部分を堀削し、隣り合う前記マスクの間および前記マスクの内側の小さい正六角形を開口とする窪みを形成する工程と、
前記単結晶ウエハにおいて、隣り合う前記マスクの間を分断して、平面視で正六角形である前記第一の光学部材とする工程と、
前記第一の光学部材の前記上面側を封止樹脂で覆って前記第二の光学部材を形成する工程と
を含み、
前記第二の光学部材を形成する工程では、前記マスクの内側の小さい正六角形を開口とする前記窪みである第一の凹部の上方に、上方に行くに連れて開口面積が大きくなる第二の凹部を形成することを特徴とする配光制御装置の製造方法。
【請求項９】
前記第一の凹部の正六角形の中心を通り上方に伸びる中心軸は、前記第二の凹部の底部の中心を通る、請求項８記載の配光制御装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配光制御装置およびそれを用いた発光装置並びに配光制御装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型で長寿命かつ低消費電力の半導体発光素子（ＬＥＤ）を備えた発光装置が、種々の照明用途に使用されている。さらに、ＬＥＤと、該ＬＥＤの光を吸収し長波長の光に波長変換させることができる蛍光体との組み合わせによって、白色光を得る発光装置が幅広く開発されて製品化されてきている。このような白色光を得ることができる発光装置は、薄型液晶テレビの液晶パネルのバックライト光源として、急速に導入されてきている。【０００３】
このようなバックライト光源としての用途に関しては、発光装置には小型で高輝度という特性だけでなく、より広い範囲に均一な白色光を照射することができる広い配光特性が求められてきている。また、一般照明分野においても同様の要望が高まってきている。【０００４】
従来、例えばバックライト光源として広い配光特性を実現させる技術が、特許文献１から３に開示されている。【０００５】
特許文献１には、ＬＥＤの上に中央が窪んだ光方向変更部材を設置し、窪みの内側壁面でＬＥＤからの光を反射させ横方向へ出射させる構成が開示されている。そのときの配光特性の一例が特許文献１に開示されており、約１４０°と広くなっている。【０００６】
さらに広配光特性を得るための手段として、特許文献２には特殊な形状の配光レンズの構成が開示されている。このレンズにより１７０°以上の配光特性を実現しうることが開示されている。また、レンズだけでなく光散乱材もあわせて利用することで、広配光特性を実現する手段が、特許文献３に開示されている。この構成は、特許文献１と同様の形状である光学部材をＬＥＤの上に設置し、さらに光学部材の中央部の窪みに光散乱材を含有する光散乱層を形成している。この光散乱層が、ＬＥＤから光学部材の上方へ漏れる光を散乱させ、横方向への光出射成分を増加させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，３９０，１０９号明細書
【特許文献２】特開２００６−２１０３１５号公報
【特許文献３】特開２００６−２６１６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では直上方向の光の強度が高すぎて、配光特性の広さが不十分である。また、ＬＥＤから一定距離にある平面状の調光部材への光照射も、均一性が不十分である。また、特許文献２の構成の場合、広配光特性は実現できるものの、レンズのレンズ形状が複雑、かつ大型化してしまい、バックライト用光源として要求される薄型化の実現は困難である。一般に面発光光源の配光特性であるランバーシアン配光を、広配光にし、かつ中心強度を抑制することは、単純な形状のレンズでは困難である。また、特許文献３の構成は特許文献１に対して、光散乱材を組み合わせることで配光特性を改善させる構成ではあるが、光散乱材自体が光を吸収してしまうため、光取出し効率が低下してしまう。さらにレンズの凹部である微小領域に光散乱材を塗布する際にばらつきが発生し、個々の発光装置の間で光散乱の度合いが変わってしまう。そのため、バックライト用として複数の発光装置を使用した場合には、発光装置間の配光特性をがばらついて、全体として均一な発光が得られないという課題がある。【０００９】
そこで本発明は、小型化が可能で、かつ安定した広配光特性が得られる配光制御装置およびそれを用い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】
【００１０】
本発明の配光制御装置は、光源を覆う第一の光学部材と、前記第一の光学部材を覆う第二の光学部材とを有し、前記第一の光学部材には、前記光源から離れるに従って窄まる形状である円錐台又は角錘台の形状を有すると共に前記円錐台又は角錘台の上面から下方へ該円錐台又は角錘台の中心軸に沿って形成された第一の凹部が形成されており、前記第一の凹部は前記中心軸に沿って上方に向かうに従って開口面積が拡がっており、前記光源から発せられる光は、ランバーシアン配光特性を有していて前記中心軸に沿った向きに光の強度が最大となっており、前記光源からの光を前記第一の光学部材は、前記第二の光学部材に対して出射する際に、前記中心軸を中心とした環状の光強度のピークを有する配光特性の光にしており、前記第二の光学部材には、前記中心軸に沿って上方に向かうに従って開口面積が拡がる第二の凹部が前記中心軸に沿って形成されており、前記第一の光学部材から前記第二の光学部材に入射した前記配光特性の光のうち、前記第二の凹部を構成する面に入射する光は、当該面において全反射することを特徴とする。【００１１】
凹部が中心軸に沿って形成されているというのは、中心軸を含む中心軸の周囲が窪んで凹部が形成されていることである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、ランバーシアン配光特性を有する光源からの光を第一の光学部材によって環状のピークを有する配光特性に変換し、さらに第二の光学部材によって第一の光学部材を通過した光を屈折・反射させることにより、全体の光をロスさせること無く、光源の直上方向への光の強度を抑え、側方へ向かわせる配光特性とすることができる小型の配光制御装置を実現できるため、小型でかつ安定した広配光の発光装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１に係るバックライト装置を示す断面図
【図２】図１に示すバックライト装置の平面図
【図３】実施形態１に係る配光制御装置を有する発光装置を示す斜視図
【図４】図３に示す発光装置を示す平面図
【図５】図４に示す発光装置のＡ−Ａ断面図
【図６】実施形態１の構成における第一の光学部材を通過する光の配光特性計算結果を示すグラフ
【図７】実施形態１の構成における第二の光学部材を通過する光の配光特性計算結果を示すグラフ
【図８】実施形態２に係る配光制御装置を有する発光装置を示す斜視図
【図９】図８に示す発光装置を示す断面図
【図１０】（Ａ）〜（Ｇ）は、実施形態２の第一の光学部材の製造工程を説明するための断面図
【図１１】（Ａ）〜（Ｄ）は、実施形態２の第一の光学部材の製造工程を説明するための平面図
【図１２】実施形態２の構成における第一の光学部材を通過する光の配光特性計算結果を示すグラフ
【図１３】実施形態２の構成における第二の光学部材を通過する光の配光特性計算結果を示すグラフ
【図１４】実施形態３に係る配光制御装置を有する発光装置を示す断面図
【図１５】実施形態３に係る直上への光を増加させる配光制御装置を有する発光装置を示す断面図
【図１６】比較例に係る発光装置を示す断面図
【図１７】別の比較例に係る配光制御装置であるレンズを示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の断面図
【図１８】他の比較例に係る発光装置を示す断面図
【図１９】ＬＥＤの配光特性を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願発明者らは、まず図１６に示す、比較例に係る発光装置を検討した。この発光装置は、中央が窪んだ光学部材５０２をＬＥＤ５０１の上に設置し、光学部材５０２の窪んでいる内側壁面でＬＥＤ５０１からの光を反射させて横方向へ出射させる。そのときの配光特性は、直上方向を０°とした場合、±約７０°（約１４０°の範囲）程度の比較的広い配光特性が得られた。しかし、今後要求される広い配光特性は１７０°以上であるため、これでは不十分である。また中心部分の光の強度が高く、ＬＥＤ５０１から一定距離にある平面状の調光部材への光照射も、均一性が不十分であった。
【００１５】
そこで、図１７に示すような、別の比較例に係る配光制御装置としての特殊形状のレンズを検討した。このレンズ６０１で得られる配光特性は１７０°以上を実現しうることが判明した。しかし、広い配光特性は実現できるものの、レンズ６０１のレンズ形状が複雑、かつ大型化してしまい、バックライト用光源として要求される薄型化を実現することは困難であった。
【００１６】
また、レンズだけでなく光散乱材もあわせて利用することで、広配光特性を実現する手段として、他の比較例として図１８に示す発光装置を検討した。この発光装置は、図１６に示す比較例の発光装置と同様の形状の光学部材７０２をＬＥＤ７０１上に設置し、さらに光学部材７０２の中央の凹部に光散乱材を含有する光散乱層７０３を形成することで、ＬＥＤ７０１から光学部材の上方へ漏れる光を散乱させ、横方向への光出射成分を増加させる構成である。けれども光散乱材自体が光を吸収してしまうため、光取出し効率が低下してしまう。さらに光学部材７０２の凹部に光散乱材を塗布する際にばらつきが発生し、個々の発光装置ごとに光散乱の度合いが変わってしまう。従って、バックライト用として複数の発光装置を一つの基板に搭載した場合には、それぞれの発光装置の配光特性がばらついてしまい、全体としては不均一な配光となってしまう。
【００１７】
以上のような検討を行い、本願発明者らはさらに種々の検討を行った結果、本願発明に至った。以下に本願発明に係る実施形態の構成について説明する。
【００１８】
光源を覆う第一の光学部材と、前記第一の光学部材を覆う第二の光学部材とを有し、前記第一の光学部材には、前記光源から離れるに従って窄まる形状である円錐台又は角錘台の形状を有すると共に前記円錐台又は角錘台の上面から下方へ該円錐台又は角錘台の中心軸に沿って形成された第一の凹部が形成されており、前記第一の凹部は前記中心軸に沿って上方に向かうに従って開口面積が拡がっており、前記光源から発せられる光は、ランバーシアン配光特性を有していて前記中心軸に沿った向きに光の強度が最大となっており、前記光源からの光を前記第一の光学部材は、前記第二の光学部材に対して出射する際に、前記中心軸を中心とした環状の光強度のピークを有する配光特性の光にしており、前記第二の光学部材には、前記中心軸に沿って上方に向かうに従って開口面積が拡がる第二の凹部が前記中心軸に沿って形成されており、前記第一の光学部材から前記第二の光学部材に入射した前記配光特性の光のうち、前記第二の凹部を構成する面に入射する光は、当該面において全反射することを特徴とする配光制御装置が好ましい第１の構成である。
【００１９】
第１の構成によれば、第一の光学部材から第二の光学部材に入射する光は、第一の光学部材の中心軸に対して環状のピークを有する配光特性を有しており、第二の光学部材の第二の凹部により全反射する。従って、全反射した光は、周囲へ向かって広がるので、直上方向の強度が大きくなる光源からの光を、側方へ向かう光とすることができることにより、直上方向の光強度を抑えることができると共に側方の光強度を高めることができる。
【００２０】
第一の光学部材は、第二の光学部材よりも屈折率の大きい材質から形成されている第２の構成であってもよい。
【００２１】
第２の構成によれば、第一の光学部材が、第二の光学部材よりも屈折率が大きい材質により形成されているので、第一の光学部材と第二の光学部材との界面で光を大きく屈折させることができる。
【００２２】
第一の光学部材は、酸化亜鉛の結晶から形成されている第３の構成であってもよい。
【００２３】
第３の構成によれば、第一の光学部材を酸化亜鉛の結晶から形成することで、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂と比較して屈折率の高い第一の光学部材を得ることができる。
【００２４】
第一の光学部材の第一の凹部は、当該第一の凹部を構成する面が｛１０−１１｝結晶面を含む結晶面により形成されている第４の構成であってもよい。
【００２５】
第４の構成によれば、第一の光学部材の第一の凹部の内側壁面となる傾斜面が｛１０−１１｝結晶面を含む結晶面であり、この面はエッチングにより容易に形成することができる。
【００２６】
第一の光学部材は、ナノ粒子を含むポリマーから形成されている第５の構成であってもよい。
【００２７】
第５の構成によれば、ナノ粒子を含むポリマーから第一の光学部材を形成することで、ナノ粒子を含有しないエポキシ樹脂やシリコーン樹脂と比較して屈折率の高い第一の光学部材を得ることができる。
【００２８】
第６の構成に係る発光装置は、光源としての半導体発光素子と、半導体発光素子上に設置された上記の配光制御装置とを有することを特徴とするものである。
【００２９】
第６の構成によれば、直上方向の輝度が高くなる半導体発光素子が光源であっても、直上方向の光の強度を抑制し、側方へ配光することで、広範囲に均一に配光することができる。
【００３０】
さらに、半導体発光素子と第一の光学部材の間に、半導体発光素子からの光により、半導体発光素子から出射される光の波長よりも長い波長を発光する蛍光体を含有した蛍光層が配置されていることを特徴とする発光装置が第７の構成である。
【００３１】
第７の構成によれば、蛍光層が配置されていることで、半導体発光素子からの光と蛍光層の蛍光体が発光する光を混色させて、発光装置の発光色とすることができる。
【００３２】
第８の構成に係る配光制御装置の製造方法は、光源を覆う第一の光学部材と、前記第一の光学部材を覆う第二の光学部材とを有する配光制御装置の製造方法であって、酸化亜鉛の単結晶ウエハの上面に、同心且つ同対称軸の大小２つの正六角形に挟まれた領域を占める複数のマスクを、隣り合う前記マスクは相対する辺同士が平行となるように形成する工程と、前記単結晶ウエハの前記上面に異方性エッチングを行うことにより、前記マスクから露出している部分を堀削し、隣り合う前記マスクの間および前記マスクの内側の小さい正六角形を開口とする窪みを形成する工程と、前記単結晶ウエハにおいて、隣り合う前記マスクの間を分断して、平面視で正六角形である前記第一の光学部材とする工程と、前記第一の光学部材の前記上面側を封止樹脂で覆って前記第二の光学部材を形成する工程とを含み、前記第二の光学部材を形成する工程では、前記マスクの内側の小さい正六角形を開口とする前記窪みである第一の凹部の上方に、上方に行くに連れて開口面積が大きくなる第二の凹部を形成することを特徴とする方法である。
【００３３】
第８の構成によれば、光源から入射した光を、酸化亜鉛のウエハをエッチングすることにより形成した第一の光学部材により配光特性が環状のピークとなるように集約し、第二の光学部材により全反射させて側方へ向かう光とすることにより、直上方向の光強度を抑えることができると共に側方の光強度を高めることができる配光制御装置を製造することができる。
【００３４】
第一の凹部の正六角形の中心を通り上方に伸びる中心軸は、第二の凹部の底部の中心を通る第９の構成であってもよい。
【００３５】
（実施形態１）
実施形態１について以下に説明するが、ポイントは、ランバーシアン配光特性を有している半導体発光素子等の面状発光光源の光を、効率良く広配光特性を有する光に変換できる小型の配光制御装置を実現する点にある。
【００３６】
図１に示すバックライト装置１０は、表示面の横と縦の比率が１６：９のワイド画面の液晶テレビに用いられ、液晶表示パネルＤの背面側から照光するものである。バックライト装置１０は、液晶表示パネルＤの背面に貼り付けられた調光部材２０と、調光部材２０から所定の間隔をあけて配置された面光源部３０とを備えている。調光部材２０は、拡散板２１と、拡散シート２２と、第１プリズムシート２３と、第２プリズムシート２４とを備えている。
【００３７】
拡散シート２２は、ポリエステル（ＰＳ）樹脂やポリカーボネート（ＰＣ）樹脂からなり、表面がすりガラスのように粗面に形成されたものである。第１プリズムシート２３，第２プリズムシート２４は、ポリエステル樹脂の表面にアクリル樹脂からなる複数の三角畝（断面が三角形であって真っ直ぐに伸びている凸部）が形成されたプリズム面を有している。このプリズム面は断面視で鋸歯形状に形成されている。第１、第２プリズムシート２３，２４は、畝方向（凸部が伸びている方向）が互いに略直交する向きに重なるように配置されている。
【００３８】
面光源部３０は、図２に示すように、プリント配線基板である搭載基板Ｐと、この搭載基板Ｐに縦列および横列に配列された発光装置１００とを備えている。搭載基板Ｐは、エポキシ系樹脂などの大判の絶縁性基板と、この絶縁性基板上に形成された発光装置１００へ電源を供給するための配線パターン（図２においては図示せず）とを備えている。
【００３９】
次に、本実施形態に係る発光装置１００を、図３から図５に基づいて詳細に説明する。図３は発光装置１００の斜視図、図４は発光装置１００の平面図、図５は図４に示す発光装置１００のＡ−Ａ線断面図である。
【００４０】
発光装置１００は、光源である半導体発光素子（ＬＥＤ）１０１を備えている。ＬＥＤ１０１はパッケージ基板１０２の上面に搭載され、ＬＥＤ１０１の発光面には蛍光層１０３が設けられている。なお、ＬＥＤ１０１と蛍光体層１０３とを合わせて光源と言ってもよい。
【００４１】
この発光装置１００には、ＬＥＤ１０１から発せられる光の配光を調整する配光制御装置１１０が設けられている。
【００４２】
ＬＥＤ１０１は、基板にｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが順次形成され、発光層およびｐ型半導体層とｎ型半導体層の一部とをエッチングすることで露出したｎ型半導体層上に形成されたｎ側電極と、ｐ型半導体層上に接続されたｐ側電極とに電流を印加することで点光源として機能する青色発光ダイオードである。ＬＥＤ１０１の大きさは、一辺が０．１ｍｍから１ｍｍの矩形状、またはそれ以上の大きさの形状を有する。
【００４３】
パッケージ基板１０２は、電極パターンが形成された基板もしくは樹脂モールドされた金属リードフレームからなるものである。
【００４４】
蛍光層１０３は、ＬＥＤ１０１をパッケージ基板１０２上に実装配線後、スクリーン印刷法により青色光から黄色光を発光するＹＡＧ蛍光体を含有したシリコーン樹脂を塗布して、ＬＥＤ１０１全体を覆うことで形成されている。
【００４５】
配光制御装置１１０は、第一の光学部材１１１と第二の光学部材１１２とから形成されている。第一の光学部材１１１は、蛍光層１０３全体を覆うように形成されている。第一の光学部材１１１の光の外方への出射面である外側壁面１１１１は円錐台の側面であり、パッケージ基板１０２側から上方へ向かって窄まっていく円錐面となっている。本実施形態では、外側壁面１１１１がパッケージ基板１０２の上面となす角である傾斜角θ１が６０°に設定されている（図５参照）。第一の光学部材１１１の円錐台形状の上面部からは、頂点が下側にある円錐状の第一の凹部１１１２が設けられている。外側壁面１１１１がなす円錐台の中心軸と第一の凹部がなす円錐の中心軸とは一致している。この第一の凹部１１１２は、円錐台の中心軸に沿って上方に向かうにしたがって開口面積が大きくなっている。第一の凹部１１１２は、内側の傾斜面と中心軸とのなす角θ2が約３０°（開口角度６０°）に設定されており（図５参照）、第一の凹部１１１２をなす面からも光が出射される。
【００４６】
上記の中心軸はパッケージ基板１０２の上面に対して略垂直となっている。また、後述する第二の光学部材１１２の第二の凹部１１２２の円錐形状の中心軸とも一致している。
【００４７】
第一の光学部材１１１は、シリコーン樹脂（屈折率：１．４２）が使用され、高屈折率材料であるＢａＴｉＯ3（屈折率：２．４）からなるナノ粒子が含有されている。それにより第一の光学部材１１１は全体として屈折率が１．７〜１．８の部材となっている。
【００４８】
第二の光学部材１１２は、第一の光学部材１１１全体を覆うように形成されている。第二の光学部材１１２の外側壁面１１２１は、第一の光学部材１１１の外側壁面１１１１と同様に、円錐台の側面であり、パッケージ基板１０２側から上方へ向かって窄まっていく円錐面となっている。本実施形態１では、外側出射面となる外側壁面１１２１とパッケージ基板１０２の上面とがなす角である傾斜角θ３が８５°に設定されている（図５参照）。第二の光学部材１１２の円錐台形状の上面部からは、頂点が下側にある円錐状の第二の凹部１１２２が設けられている。この第二の凹部１１２２では、内側壁面１１２３と中心軸とのなす角θ４が約６０°（開口角度１２０°）に設定されている（図５参照）。本実施形態では、第二の光学部材１１２としてシリコーン樹脂（屈折率：１．４２）が使用されている。第二の光学部材１１２は、第二の凹部１１２２の内側の傾斜面と中心軸とのなす角θ４が約６０°に設定されている。これにより第一の光学部材１１１から第二の光学部材１１２に入射する光が全反射する臨界角（光の入射方向と内側壁面１１２３の垂直線とのなす角）は、５２．１°となる。
【００４９】
この発光装置１００は、以下のようにして製造することができる。
【００５０】
まず、パッケージ基板１０２上にＬＥＤ１０１を実装配線後、蛍光層１０３を形成する。それから、金型を使用した樹脂成形を行うことにより、頂点をＬＥＤ１０１側に向けた円錐形状の第一の凹部１１１２を有する樹脂製の第一の光学部材１１１を成形する。第一の光学部材１１１によって蛍光層１０３を覆うことにより、第一の光学部材１１１と蛍光層１０３との界面が光入射面となる。成形工法としては、圧縮成形や注入成形等がある。
【００５１】
次に、第一の光学部材１１１を成形した後、別の金型にパッケージ基板１０２をセットしてシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂からなる第二の光学部材１１２を成形する。
【００５２】
このようにして、第一の光学部材１１１と第二の光学部材１１２からなる配光制御装置１１０が形成される。この形成の際には、第一の光学部材１１１の中心及び第二の光学部材１１２の中心を、ＬＥＤ１０１の中心Ｍに合致させて製造している。
【００５３】
以上の構成により、青色光を発光するＬＥＤ１０１からの光の一部が蛍光層１０３で励起して波長変換され黄色の発光を得ることができる。青色光と蛍光体からの黄色光が蛍光層１０３で混合され、さらに第一の光学部材１１１の中でも混合されて、第二の光学部材１１２で広い範囲に分散されることにより、広配光で色ムラの少ない白色を発光色とする発光装置１００を実現することができる。
【００５４】
ここで、蛍光体としては、青色の補色となる黄色に発光する蛍光体にすれば、蛍光層１０３として青色と黄色とが混色して白色に発光させることができるので、ＹＡＧ蛍光体以外でも珪酸塩蛍光体を使用してもよい。また白色光の演色性を高めるため、赤色蛍光体と緑色蛍光体の組合せ、あるいは赤色蛍光体と黄色蛍光体の組合せを使用することも可能である。
【００５５】
なお、蛍光層１０３は形成しなくてもよいが、形成しない場合は青色の発光装置となる。図１９はＬＥＤ１０１の配光特性を示した図である。この配光特性はランバーシアン（Lambertian）配光特性と呼ばれている。図１９においてＬＥＤ１０１から出射される光の強度は、矢印の長さで表され、出射方向がＬＥＤ１０１の直上方向に近いほど光の強度が大きく、直上方向から離れるほど強度は小さくなる。蛍光層１０３をＬＥＤ１０１の上に形成した場合も、蛍光層１０３からの発光は、図１９に示す配光特性となる。
【００５６】
ここで図６および図７に基づいて配光特性のシミュレーション結果について説明する。図６は、第一の光学部材１１１の周囲全体（雰囲気）を、第二の光学部材１１２を形成するシリコーン樹脂と同じ屈折率と仮定した場合の配光特性の計算結果を示す。図６からわかるように配光特性のピーク角度は約４０°にあり、中心軸を中心として、その周囲に環状のピークが現れる。この配光特性は、ピーク角度から、中心軸（０°方向）に近づくに従って徐々に強度が低下し、また、水平方向（９０°方向）に近づくに従って急激に強度が低下する光分布になっていることが確認できる。これは、直上方向へ向かう光は第一の凹部１１１２から出射する際に中心軸から外側へ屈折すると共に、斜め上方へ向かう光は外側壁面１１１１から出射する際に中心軸に向かうように屈折するためである。第二の光学部材１１２の屈折率１．４２に対し、第一の光学部材１１１の屈折率が１．７〜１．８と大きいため、第一の光学部材１１１と第二の光学部材１１２との界面で光を大きく屈折させることができる。
【００５７】
本実施形態においては、第一の光学部材１１１が、ＬＥＤ１０１から中心軸に沿って上方に離れるに従って開口面積が拡がる第一の凹部１１１２を有しているため、光が第一の光学部材１１１から第二の光学部材１１２に入射する際に、中心軸を中心として環状のピークを有する配光特性が現れる。
【００５８】
従って、第一の光学部材１１１から第二の光学部材１１２に入射した光は、第二の光学部材１１２に入射する際に屈折し、光のピークは中心軸に対して約４０°の傾きを持って第二の光学部材１１２内を進行する。すなわち、第二の凹部１１２２の内側壁面１１２３へのピーク光の入射角が約２０°（内側壁面１１２３の垂直線とのなす角は約７０°）となり臨界角（５２．１°）以上の角度となるため、第一の光学部材１１１を通過したピーク付近の光は第二の光学部材１１２の内側壁面１１２３にて全反射される。
【００５９】
本実施形態では、第二の光学部材１１２の内側壁面１１２３と中心軸とがなす角度は、内側壁面１１２３に対する、第一の光学部材１１１により生じた環状のピーク付近の光の入射角度が、内側壁面１１２３における臨界角以上の角度となるように設定されている。例えば、本実施形態の構成においては、環状のピークの中心軸に対する角度をθAとし、内側壁面１１２３での臨界角をθBとすると、θB≦９０−（θ4−θA）となるように設定されている。
【００６０】
なお、必ずしも内側壁面１１２３の全面においてこのような角度である必要はなく、少なくとも、第一の光学部材１１１により生じる環状の光のピーク付近において、臨界角以上の角度であればよい。
【００６１】
次に、第二の光学部材１１２から出射される配光特性を図７に基づいて説明する。
【００６２】
図７に、本実施形態において第二の光学部材１１２の外表面から出射する光の配光特性の計算結果を示す。図７より、中心強度を抑制した広配光特性が得られていることがわかる。これは、第一の光学部材１１１によって環状となった光分布が、第二の光学部材１１２の第二の凹部１１２２の内側壁面１１２３により全反射して第二の光学部材１１２の外側壁面１１２１へ向かう光となることによって得られた結果である。
【００６３】
本実施形態では、ＬＥＤ１０１から発せられたランバーシアン配光特性を有する光を、第一の光学部材１１１によって鋭い環状のピークを有する配光特性の光にできることにより、第二の光学部材１１２は第一の光学部材１１１で絞られた光（鋭い環状のピークを有する配光特性の光）を反射させる構造にすればよいため、形状も簡素でかつ小型化が可能となる。
【００６４】
以上のように、第一の光学部材１１１と第二の光学部材１１２とからなる配光制御装置１１０をＬＥＤ１０１上に設置することにより、直上方向の光の強度が大きくなるＬＥＤ１０１からの光を、側方へ向かう光とすることができることにより、直上方向の光強度を抑えることができると共に側方の光強度を高めることができる。従って、小型でかつチップ直上の光強度を抑制しつつ広配光特性を実現する発光装置を得ることができる。
【００６５】
なお、本実施形態の第一の光学部材１１１には高屈折率のナノ粒子を含有する樹脂を提示したが、使用されるナノ粒子として高屈折率で同じ効果が得られる材料、例えば、ＺｎＯ（屈折率：２．１）、ＺｒＯ（屈折率：２．４）、ＳｒＴｉＯ3（屈折率：２．３７）等であってもよいし、高屈折率のナノ粒子を含有しなくても同等の機能を有する成形可能な材料であってもよい。
【００６６】
また、本実施形態では、第一の光学部材１１１により生じる環状のピーク付近の光が、第二の光学部材１１２の内側壁面１１２３で全反射される構成について説明したが、必ずしも全反射する必要はなく、第二の光学部材１１２の内側壁面１１２３と中心軸とがなす角度が、環状のピークの中心軸に対する角度よりも大きければ、屈折により、環状ピーク付近の光をさらに外側へ拡げる効果は生じる。
【００６７】
例えば、第一の凹部１１１２の内側壁面と中心軸とがなす角度よりも、第二の凹部１１２２の内側壁面１１２３と中心軸とがなす角度の方が大きければよい。
【００６８】
（実施形態２）
実施形態１では第一の光学部材を樹脂成形で形成したが、実施形態２では材料として安定で、かつ形状も均一に形成できる酸化亜鉛（ＺｎＯ）の結晶を用いた構成について説明する。図８に構造の斜視図、図９に図８に示す発光装置の断面図を示す。なお、図８および図９において、図３から図５と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
【００６９】
実施形態２に係る発光装置１００ｘは、実施形態１と同様に、ＬＥＤ１０１がパッケージ基板１０２上に実装され、その上に透光性接着剤１０４を介してＺｎＯからなる第一の光学部材１１３が設置されている。ここで使用した透光性接着剤１０４の屈折率は１．４〜１．５５であるがこの範囲に限定するものではない。
【００７０】
なお、透光性接着剤１０４は、屈折率が比較的高い、フェニール系シリコーン樹脂であることが好ましく、屈折率はＬＥＤ１０１、ＺｎＯ、透光性接着剤１０４の順で高いことが望ましい。これにより屈折率が約２．４と高いＬＥＤ１０１からの光を効率よく透光性接着剤１０４、そしてＺｎＯからなる第一の光学部材１１３に入射させることができる。さらにシリコーン樹脂からなる第二の光学部材１１２を金型成形によって形成する。
【００７１】
ここで、ＺｎＯにより形成された第一の光学部材１１３について説明する。第一の光学部材１１３は六角錐台であり、高さは約０．５ｍｍである。第一の光学部材１１３には、その上面部１１３３から内部へと正六角形状に開口した第一の凹部１１３１が設けられている。この凹部１１３１は、開口形状である正六角形の一辺を底辺とした二等辺三角形が、隣接した二等辺三角形と隙間無く斜辺を共通させた６つの傾斜面により形成された六角錐形状を有している。この傾斜面は、ＺｎＯを異方性エッチングにより堀削することにより現れる｛１０−１１｝結晶面により形成されている。このように傾斜面を｛１０−１１｝結晶面とすることで開口角度θ5が６０°の内側壁面１１３２となる。なお、この第一の凹部１１３１の傾斜面はこの形状に限定されるものではなく、｛１０−１１｝結晶面およびその他の面を含む多面で構成されてもよいし｛１０−１１｝結晶面を含まない面で構成されてもよい。
【００７２】
第一の光学部材１１３の上面部１１３３は、平面視において帯状の六角形の形状を有している。上面部１１３３の六角形の帯状の内側の輪郭は、正六角形状の第一の凹部１１３１の開口縁である。この上面部１１３３には、ＳｉＯ2膜による厚みが約０．１μｍ〜約１μｍに設定された薄膜（図示せず）が設けられている。
【００７３】
なお、第一の光学部材１１３に設置されたＳｉＯ2膜は、後述する安定なマスク材として働き、かつＴｉなどの薄膜メタルと比較して透光性に優れており、光吸収損失なく第二の光学部材１１２に光を伝播させることができる。
【００７４】
また、第一の光学部材１１３には、上面部１１３３の外縁から斜め下方に向かって拡がる輪郭を有する外側壁面１１３４が設けられている。この外側壁面１１３４は、それぞれが台形状に形成されている。
【００７５】
第二の光学部材１１２は、実施形態１と同様にシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂による透明樹脂からなり、略円錐台状に形成されている。第二の光学部材１１２においては、第一の光学部材１１３の内側壁面１１３２、平坦面である上面部１１３３および外側壁面１１３４との界面が入射面である。
【００７６】
ここで、本実施形態の特徴であるＺｎＯからなる第一の光学部材１１３の製造方法ならびに形状について、図１０および図１１に基づいて説明する。
【００７７】
まず、厚みが０．５ｍｍのＺｎＯの単結晶のウエハ（ＺｎＯウエハ）２０１を準備する（図１０（Ａ）参照）。次に、ＺｎＯウエハ２０１の上面に、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相堆積法）により、厚みが０．８μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜２０２を積層する（図１０（Ｂ）参照）。
【００７８】
このＳｉＯ2膜２０２全体に、フォトレジスト２０３を塗布して、図１０（Ｃ）および図１１（Ａ）に示すようにパターニングを行う。パターニングにより、同心かつ各辺が平行な大小２つの六角形に挟まれた帯状の六角形のフォトレジスト２０３からなるパターンが複数、ＳｉＯ2膜２０２の上に形成される。隣り合うパターン同士は、相対する辺同士が平行となっている。
【００７９】
次に、ケミカルエッチングによりフォトレジスト２０３から露出しているＳｉＯ2膜２０２を除去する。従って、フォトレジスト２０３のマスクパターンが設けられたところのＳｉＯ2膜２０２は残るが、他の部分についてＺｎＯウエハ２０１が露出する（図１０（Ｄ）および図１１（Ｂ）参照）。残ったＳｉＯ2膜２０２は、フォトレジスト２０３と同じ形状の帯状六角形の複数のマスクとなっている。
【００８０】
次に、ケミカルエッチングによりＺｎＯウエハ２０１を異方性エッチングして、凹部１１３１（内側壁面１１３２）と外側壁面１１３４を形成する（図１０（Ｅ）および図１１（Ｃ）参照）。
【００８１】
次に、アセトンなどの有機溶剤によりＳｉＯ2膜２０２上のフォトレジスト２０３を除去することで平坦面である上面部１１３３が形成される（図１０（Ｆ）参照）。
【００８２】
最後に、隣り合うマスクの間を分断することによって、それぞれのマスクを個片とすることで第一の光学部材１１３を得ることができる（図１０（Ｇ）および図１１（Ｄ）参照）。分断は、例えば、スクライビング法（劈開法）によって隣り合うマスク間の大麻の最深部を劈開させることにより行うことができる。また、ダイサーによる分割でもよい。
【００８３】
ここで、第一の光学部材１１３から第二の光学部材１１２への入射による配光特性を図１２に示す。図１２に示すグラフでは、直上方向（０°）から約３０°外側に向いた方向が最も輝度が高く配光されていることがわかる。つまり、第一の光学部材１１３上では、ＬＥＤ１０１の直上方向を中心として、半径が約３０°の位置にある環（リング）状の光が、拡がりながら第二の光学部材１１２内を進行していることがわかる。
【００８４】
そして、第二の光学部材１１２内を進行したリング状の光は、第一の光学部材１１３の第一の凹部１１３１の開口角度より広い角度を有する第二の凹部１１２２の内側壁面１１２３に到達する。
【００８５】
第一の光学部材１１３から出射して、第一の光学部材１１３と第二の光学部材１１２との界面で屈折した光の強度ピークは、中心軸に対して約３０°の傾きを持っている。従って、第二の凹部１１２２の内側壁面１１２３への入射角が約６０°（内側壁面１１２３の垂直線とのなす角は約６０°）となり臨界角（５２．１°）以上の角度となるため、第一の光学部材１１３を通過した、強度がピーク付近の光は内側壁面１１２３にて全反射される。
【００８６】
従って、第一の光学部材１１３からの光は、内側壁面１１２３にて反射して、リングが大きく拡がりながら側方へ出射する。第二の光学部材１１２の第二の凹部１１２２は円錐状に形成されているため、より直上方向の光を抑えることができる。従って、より強く側方へ配光させることができる。側方へ配光された光は、外側壁面１１２１が上面部１１３３からパッケージ基板へ向かうに従って徐々に拡径しているので、更に斜め下方に向かって屈折させることができる。
【００８７】
この第二の光学部材１１２から出射される光の配光特性を図１３に示す。図１３に示すグラフでは、直上方向（０°）から約９０°外側に向いた方向、つまり真横が最も輝度が高く配光されていることがわかる。また、直上方向には殆ど出射されないことがわかる。
【００８８】
このように発光装置１００ｘでは、第一の光学部材１１３をＺｎＯにより形成することにより、シリコーン樹脂により形成された第二の光学部材１１２より大きな屈折率を得ることができるので、第一の光学部材１１３と第二の光学部材１１２との界面で大きく屈折させることができる。従って、第一の光学部材１１３から出射した光の分布が実施形態１に係る第一の光学部材１１１より鋭い環状のピークとすることができるので、第二の光学部材１１２からの出射角度を大きく、より側方へ出射させることができる。
【００８９】
（実施形態３）
実施形態２では、ＬＥＤそのものの光を広配光に変換させる構成について説明したが、照明用途で広く使用されている青色ＬＥＤと蛍光体との組合せの構成について説明する。本実施形態の構成により、ＬＥＤの光と蛍光体の光の混合光に対しても、効率よく広配光特性の実現が可能である。図１４に本実施形態に係る発光装置の断面図を示す。なお、図１４においては、図９と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
【００９０】
本実施形態の発光装置１００ｙは、ＬＥＤ１０１の上に蛍光層１０３が設けられている光源を有している。この蛍光層１０３は、ＬＥＤ１０１をパッケージ基板１０２上に実装配線後、スクリーン印刷法により青色光から黄色光を発光するＹＡＧ蛍光体を含有したシリコーン樹脂を塗布して、ＬＥＤ１０１全体を覆うことで形成する。更に、スクリーン印刷法により透光性接着剤１０４を塗布して、実施形態２で説明したＺｎＯからなる第一の光学部材１１３を透光性接着剤１０４を介して蛍光層１０３上に固定する。さらに、金型成形によりシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂からなる第二の光学部材１１２をＬＥＤ１０１や第一の光学部材１１３を覆うように形成する。
【００９１】
以上の構成により、青色光を発光するＬＥＤ１０１からの光の一部が蛍光層１０３で励起して波長変換され黄色の発光を得ることができる。青色と蛍光体からの黄色が蛍光層１０３で混合され、さらに第一の光学部材１１３の中でも混合されて、第二の光学部材１１２で広い範囲に分散されることにより、広配光で色ムラの少ない白色を発光色とする発光装置を実現することができる。
【００９２】
ここで、蛍光体としては、青色の補色となる黄色に発光するものとすれば、蛍光層１０３として青色と黄色とが混色して白色に発光させることができ、ＹＡＧ蛍光体以外でも珪酸塩蛍光体を使用しても良い。また白色光の演色性を高めるため、赤色蛍光体と緑色蛍光体の組合せ、あるいは赤色蛍光体と黄色蛍光体の組合せを使用することも可能である。
【００９３】
また、本実施形態では、第一の光学部材として、実施形態２に係る第一の光学部材１１３を採用しているが、実施形態１に係る第一の光学部材１１１としてもよい。
【００９４】
以上の構成で、広配光の白色発光装置を実現できるが、一般照明用途として中心強度が必要な場合は、図１５のように第二の光学部材１１２の凹部１１２２のＬＥＤ側（底部）に平坦部１１２４を形成することで、直上への光を増やすことも可能である。このような構造によれば、小型化が可能で、かつ安定した広配光特性が得られる配光制御装置および発光装置が得られることに加え、必要に応じて所望の中心強度を得ることができる。
【００９５】
（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、当業者が技術常識の範囲内で思いつく改変形態も本願発明に含まれる。例えば、実施形態２あるいは３に係る第一の光学部材１１３は、ＺｎＯの結晶面を利用した異方性エッチングにより外形と凹部１１３１が六角形状に形成されているが、直上方向に向かうに従って徐々に開口面積が広くなるような凹部であれば、実施例１のように円錐状であったり、四角錐、五角錐、八角錐、それ以上の多角錐であったりしてもよい。また、外形についても同様である。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、配光制御装置によって、液晶テレビ用バックライトパネルの薄型化やコスト抑制に寄与することができる。また、本発明の発光装置は、一般照明用途としても、広範囲な配光特性を得ることができ、実装個数を減らせることができるため、部品点数の低減が可能となる。
【符号の説明】
【００９７】
１０  バックライト装置
２０  調光部材
２１  拡散板
２２  拡散シート
２３  第１プリズムシート
２４  第２プリズムシート
３０  面光源部
１００，１００ｘ，１００ｙ  発光装置
１０１  半導体発光素子（ＬＥＤ）
１０２  パッケージ基板
１０３  蛍光層
１０４  透光性接着剤
１１０  配光制御装置
１１１  第一の光学部材
１１２  第二の光学部材
１１３  第一の光学部材
２０１  ＺｎＯウェハ
２０２  ＳｉＯ2膜
２０３  フォトレジスト
１１１１  外側壁面
１１１２  第一の凹部
１１２１  外側壁面
１１２２  第二の凹部
１１２３  内側壁面
１１２４  平坦部
１１３１  第一の凹部
１１３２  内側壁面
１１３３  上面部
１１３４  外側壁面
Ｄ  液晶表示バネル
Ｍ  ＬＥＤの中心
Ｐ  搭載基板
【図１】
2012004975.tif 000003
【図２】
2012004975.tif 000004
【図３】
2012004975.tif 000005
【図４】
2012004975.tif 000006
【図５】
2012004975.tif 000007
【図６】
2012004975.tif 000008
【図７】
2012004975.tif 000009
【図８】
2012004975.tif 000010
【図９】
2012004975.tif 000011
【図１０】
2012004975.tif 000012
【図１１】
2012004975.tif 000013
【図１２】
2012004975.tif 000014
【図１３】
2012004975.tif 000015
【図１４】
2012004975.tif 000016
【図１５】
2012004975.tif 000017
【図１６】
2012004975.tif 000018
【図１７】
2012004975.tif 000019
【図１８】
2012004975.tif 000020
【図１９】
2012004975.tif 000021
【国際調査報告】
2012004975.tif 000022
2012004975.tif 000023
2012004975.tif 000024
2012004975.tif 000025