(57)【要約】【課題】光取り出し効率を十分に上げることのできる発光装置を提供する。【解決手段】レンズ３と、レンズ３の内側に配置されたＬＥＤチップ１と、ＬＥＤチップ１からの発光の少なくとも一部を吸収し、波長変換して発光する蛍光体領域４と、を備えた発光装置１００であって、レンズ３は、内側面３０１と外側面３０２とを含み、その少なくとも一部で内側面３０１及び外側面３０２の両方が球面である、蛍光体領域４は、レンズ３の球面部分の少なくとも一部に含まれており、レンズ３の外側面３０２の半径をＲ２とし、レンズ３の外側面３０２の曲率中心から前記外側面３０２に最も近い蛍光体領域４までの距離をＲｐとし、レンズ３の屈折率をｎとすると、下記式（１）を満たす。  Ｒｐ／Ｒ２≦１．１５／ｎ・・・式（１）【選択図】図１
2011134928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出射側の出射面と、光入射側の入射面とを有する光学素子と、
特定の波長の光を出射する発光素子と、
前記発光素子からの発光の少なくとも一部を吸収し、波長変換して発光する蛍光体領域と、を備えた発光装置であって、
前記光学素子は、その少なくとも一部で前記入射面及び出射面の両方が球面であり、
前記蛍光体領域は、前記光学素子の前記球面部分の少なくとも一部に含まれており、
前記光学素子の出射面の半径をＲ２とし、
前記光学素子の出射面の曲率中心から前記光学素子の出射面に最も近い蛍光体領域までの距離をＲｐとし、
前記光学素子の屈折率をｎとすると、下記式（１）を満たすことを特徴とする発光装置。
Ｒｐ／Ｒ２≦１．１５／ｎ・・・式（１）
【請求項２】
下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
Ｒｐ／Ｒ２≦１／ｎ・・・式（２）
【請求項３】
前記光学素子の入射面と出射面とは同心球であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記光学素子の入射面の半径をＲ１とし、下記式（３）を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光装置。
Ｒ１／Ｒ２≧０．４５・・・式（３）
【請求項５】
前記光学素子には光拡散剤を含まないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項６】
前記光学素子はなめらかな表面を持つことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項７】
前記光学素子の入射面に接する面は、前記光学素子の入射面よりも屈折率の低い低屈折率層であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項８】
前記低屈折率層は、前記光学素子に対し同心球形状であることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記低屈折率層は、気体層であることを特徴とする請求項７又は８に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記低屈折率層は、空気層であることを特徴とする請求項７又は８に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系青色ＬＥＤ（Light emitting diode）の発明以来、ＬＥＤ技術の進展が目覚しい。中でも白色ＬＥＤは、高効率、高信頼性の白色照明光源として注目されており、微小電力小型光源として照明を中心に用途が拡大している。
白色光の作り方には大きく分けて３種類ある。１つは、青色ＬＥＤチップの光を蛍光体材料に当てて黄色の光を出力し、青色と黄色の混色で白色光を作り出すものである。もう１つは、近紫外ＬＥＤチップが出す光を励起光として、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の複数の蛍光体材料に当てて出射光を混色するものであり、最後の１つは、それぞれＲ、Ｇ、Ｂの各ＬＥＤを同時に光らせ、混色するものである。
中でも、単一のＬＥＤおよび蛍光体で白色光を作ることができる為、低コストで製造可能な、青色ＬＥＤチップと黄色蛍光体を用いた白色ＬＥＤに注目が集まっている。
近年では、高輝度の青色ＬＥＤの開発に伴い、白色ＬＥＤを自動車のヘッドライト等の用途に用いることも検討されている。
【０００３】
発光装置として、レンズの光出射面側にレンズを覆い、光出射面との間に空気層が形成される形で蛍光体層が設けられた技術（例えば、特許文献１参照）が知られている。また、蛍光体及び樹脂からなりＬＥＤ素子を覆う第１のドーム状キャップ部材と、この第１のドーム状キャップ部材の外側を覆う拡散剤が分散された第２のドーム状キャップ部材から構成された技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９８５２号公報
【特許文献２】特許第３１６７６４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のように、蛍光体が蛍光体層の内部に一様に封止されている場合、蛍光体から放出された光には、蛍光体層の外側面で何度も全反射を繰り返す光と、蛍光体層の内側面と外側面で交互に全反射を繰り返す光とが存在するため、光が全反射により蛍光体層の外部に出られず、光取り出し効率が低いという問題がある。また、蛍光体層は最外面にあるので、外部からの影響を受け易く水分や酸化により劣化が生じるという問題がある。
一方、上記特許文献２の場合は、拡散剤によって蛍光体からの光は拡散され全反射による光閉じ込めの効果が低減される。拡散剤を用いる場合、拡散剤の量を増やすほど光閉じ込め効果が低減される。しかし、拡散剤の量を増やすほど拡散剤での散乱が増え、拡散剤での光吸収が増加して光取り出し効率が低下するという問題が新たに発生する。また、拡散剤を用いると製造過程で生じた拡散剤の密度ムラによって配光分布が変化し配光制御が困難になるといった問題や、拡散剤混入工程により製造コストが増加する問題も存在する。また蛍光体が含まれる光学素子表面を荒らすことでも拡散剤と同様の効果が得られるが、光拡散効果が表面のみであるため拡散剤よりも拡散効果が低く、拡散剤と同様に製造ムラやコスト増の問題が存在する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、拡散剤や表面荒らしの有無によらず光取り出し効率を十分に上げることのできる発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、光出射側の出射面と、光入射側の入射面とを有する光学素子と、
特定の波長の光を出射する発光素子と、
前記発光素子からの発光の少なくとも一部を吸収し、波長変換して発光する蛍光体領域と、を備えた発光装置であって、
前記光学素子は、その少なくとも一部で前記入射面及び出射面の両方が球面であり、
前記蛍光体領域は、前記光学素子の前記球面部分の少なくとも一部に含まれており、
前記光学素子の出射面の半径をＲ２とし、
前記光学素子の出射面の曲率中心から前記光学素子の出射面に最も近い蛍光体領域までの距離をＲｐとし、
前記光学素子の屈折率をｎとすると、下記式（１）を満たすことを特徴とする発光装置が提供される。
Ｒｐ／Ｒ２≦１．１５／ｎ・・・式（１）
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、上記式(１)の条件を満たすことにより、蛍光体から放出された光のうち光学素子の外側面に直接進む光が全反射されるのを抑制することが可能となり、光取り出し効率が上がる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態における発光装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】第２の実施形態における発光装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】(a)〜(c)は、蛍光体領域をレンズの内側面に設けた場合であって、レンズの厚みを変えた際の蛍光体の光取り出し効率を比較した図である。
【図４】(a)〜(b)は、蛍光体領域をレンズの中間層に設けた場合であって、レンズ内における蛍光体領域の位置を変えた際の蛍光体の光取り出し効率を比較した図である。
【図５】(a)〜(c)は、蛍光体領域をレンズの外側面に設けた場合であって、レンズの厚さを変えた際の蛍光体の光取り出し効率を比較した図である。
【図６】本発明の式（１）の理論について説明するための図である。
【図７】光取り出し効率についてシミュレーションをした結果及び理論値を示した図である。
【図８】本発明のシミュレーションの条件について説明するための図である。
【図９】光取り出し効率についてシミュレーションをした結果及び理論値を示した図である。
【図１０】本発明のシミュレーションの条件について説明するための図である。
【図１１】(a)〜(c)はレンズ中心に位置する蛍光体から角度φでレンズ外側面に放出された光線を示下図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。
[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態における発光装置の概略構成を示す断面図である。
発光装置１００は、レンズ（光学素子）３と、レンズ３の内側に配置されたＬＥＤチップ（発光素子）１と、ＬＥＤチップ１が固定されたマウント部材２と、ＬＥＤチップ１からの発光の少なくとも一部を吸収し、波長変換して発光する蛍光体領域４と、を備えている。
【００１０】
ＬＥＤチップ１は、第１の所定波長の光を出射するものであり、本実施の形態においては青色光を出射するようになっている。但し、本発明のＬＥＤチップ１の波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、ＬＥＤチップ１による出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。
なお、このようなＬＥＤチップ１としては、公知の青色ＬＥＤチップを用いることができる。青色ＬＥＤチップとしては、ＩｎxＧａ1-xＮ系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。また、ＬＥＤチップの形態としては、基板上にＬＥＤチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色ＬＥＤチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のＬＥＤチップでも適用することが可能だが、高輝度タイプやレンズ使用タイプの製造方法により適するフリップチップタイプがより好ましい。
【００１１】
マウント部材２は、略平板状の部材であり、その上面中央には下向きに窪む凹部２１が形成されている。凹部２１を形成する底面２１１は、略平坦な面とされ、内周側面は凹部の底面２１１からマウント部材２の上端縁に向けて拡径する傾斜面２１２となっている。傾斜面２１２には、例えばＡｌ、Ａｇ等のミラー部材が設けられていることが好ましい。マウント部材２としては、特に限定はされないが、光反射性に優れ、ＬＥＤチップ１からの光に対して劣化しにくい材料を用いるのが好ましい。このようなマウント部材２の凹部２１を形成する底面２１１の略中央部にＬＥＤチップ１が固定されている。
【００１２】
レンズ３は、ＬＥＤチップ１の上方に設けられ、内側面３０１と外側面３０２とを含み、その少なくとも一部で内側面３０１及び外側面３０２の両方が球面である。本実施形態においては、レンズ３のＬＥＤチップ１からの光の入射面は出射面側に向けて窪み、出射面は略半球形状をなしている。
レンズ３は、低融点ガラスや金属ガラス、樹脂等からなる。
なお、レンズ３の出射面の形状と入射面の形状は、その少なくとも一部で入射面及び出射面の両方が球面となっていれば良く、その他、ドーム状、非球面状、シリンドリカル形状など、集光特性や配光特性等を考慮して所望に設計された形状を任意に用いることができる。
【００１３】
レンズ３の底面３０３は、マウント部材２の上面に密着した状態で封止材等により接合されている。そして、レンズ３の入射面とマウント部材２の上面との間に空間７が形成され、ＬＥＤチップ１は空間７内部に密閉されることとなり、外気の酸素や湿度による劣化を抑制することができる。また、上記空間７には、レンズ３の内側面３０１の屈折率よりも低い低屈折率層７１とされている。低屈折率層７１としては、例えば、気体が充填された気体層や空気層、樹脂層とすることが好ましい。気体層としては、例えば窒素等の気体がパージされることが好ましい。
上記低屈折率層７１を気体層とすることによって、蛍光体からレンズ３側へ放射した光が傾斜面２１２により全反射されやすく、蛍光体からの出射光の利用効率が高い配置となる。
【００１４】
このようなレンズ３の内側面（入射面）３０１に、蛍光体領域４が設けられている。本実施形態では、蛍光体領域４は層状に形成され、レンズ３と同心球形状となっている。
また、レンズ３の外側面３０２の半径をＲ２とし、レンズ３の外側面３０２の曲率中心からレンズ３の外側面３０２に最も近い蛍光体領域４までの距離をＲｐとし、レンズ３の屈折率をｎとすると、下記式（１）を満たす。
Ｒｐ／Ｒ２≦１．１５／ｎ・・・式（１）
【００１５】
より好ましくは下記式（２）、（３）を満たす。
Ｒｐ／Ｒ２≦１／ｎ・・・式（２）
Ｒ１／Ｒ２≧０．４５・・・式（３）
【００１６】
蛍光体領域４は、ＬＥＤチップ１から出射される第１の所定波長の光を第２の所定波長に変換する蛍光体を有している。本実施形態では、ＬＥＤチップ１から出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。
【００１７】
このような蛍光体領域４に用いられる蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０°Ｃの温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。
【００１８】
また、このようにして得られた蛍光体を、光透過性樹脂等の樹脂材料をバインダーとして用い、当該バインダーと蛍光体との混合材料をレンズ３の内側面３０１の少なくとも一部に塗布、硬化する。これによって蛍光体粒子が分散された蛍光体領域４とすることができる。
なお、蛍光体領域４のバインダーとして熱可塑性樹脂を用いると十分な耐熱性が得るのが困難である為、バインダーとしては、耐熱性の高い材料、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の硬化性樹脂やガラス等を用いることが可能であるが、溶融時の熱による蛍光体の失活の問題を考慮すると、光透過性の良好な硬化性樹脂を用いることが好ましい。
蛍光体を分散する際には樹脂やガラスの代わりに無機酸化物を用いても良い。具体的には、無機酸化物と溶媒を含む分散液中に蛍光粒子を混合、塗布した後に焼成することで、蛍光粒子含有無機酸化物膜を作成しても良い。このような方法によればガラスをバインダーとして用いる場合と比較すると比較的低温で、無機物のみからなる蛍光体領域４を形成することが可能であり、高い耐熱性が得られる。
また、蛍光体領域４を作成する場合には、レンズ３の内側面３０１に、蛍光体の微粒子を基材に衝突させて成膜する、エアロゾル・デポジション法等を用いることも可能である。
エアロゾル・デポジション法による成膜装置としては、「応用物理」誌６８巻１号４４ページ、特開２００３−２１５２５６号公報等に開示されている構成などを利用することができる。
【００１９】
続いて、発光装置１００の動作について説明する。
まず、ＬＥＤチップ１が集光レンズ３に向かって青色光を出射すると、この青色光は低屈折率層７１を介して蛍光体領域４に入射する。すると、この青色光によって励起された蛍光体領域４の蛍光体から黄色光が出射する。
これにより、蛍光体領域４を透過した青色光と、蛍光体で生じた黄色光とが重ね合わされて、白色光としてレンズ３の外側へ出射される。
なお、以上の発光装置１００は、自動車用のヘッドライトなどとして好適に使用することができる。
【００２０】
[第２の実施形態]
図２は、第２の実施形態における発光装置の概略を示す断面図である。
図２に示すように、第２の実施形態の発光装置１００aは、第１の実施形態とは異なり、レンズ３aの内部に蛍光体領域４aが介在している。
具体的には、レンズ３aは、内側面３０１aと外側面３０２aとを含み、その少なくとも一部で前記内側面３０１a及び外側面３０２aの両方が球面である。本実施形態においては、レンズ３aのＬＥＤチップ１からの光の入射面（内側面３０１a）は出射面側に向けて窪み、出射面（外側面３０２a）は略半球形状をなしている。
第２の実施形態のレンズ３aは、最外に位置する第１レンズ部３１aと、ＬＥＤチップ１側に位置する第２レンズ部３２aとを備え、第１レンズ部３１aと第２レンズ部３２aとの間に蛍光体領域４aが介在し、蛍光体領域４aがレンズ３aにおける中間層となっている。また、蛍光体領域４aは層状に形成されており、第１レンズ部３１a、第２レンズ部３２a及び蛍光体領域４aが同心球となっている。第１レンズ部３１a及び第２レンズ部３２aは、低融点ガラスや金属ガラス、樹脂等からなる。
なお、図２に示すマウント部材２aは、略平板状の部材で、その上面略中央部に第１の実施形態と同様のＬＥＤチップ１が固定されている。
また、第１レンズ部３１aや第２レンズ部３２aの形状は、第１レンズ部３１aの出射面（外側面３０２a）の形状と、第２レンズ部３２aの入射面（内側面３０１a）の形状がその少なくとも一部で入射面及び出射面の両方が球面となっていれば良く、その他、ドーム状、非球面状、シリンドリカル形状など、集光特性や配光特性等を考慮して所望に設計された形状を任意に用いることができる。
【００２１】
レンズ３aの底面３０３aは、マウント部材２aの上面に密着した状態で封止材等により接合され、レンズ３a（第２レンズ部３２a）の内側面３０１aとマウント部材２の上面との間に、第１の実施形態と同様に空間７が形成されている。空間７には、レンズ３aの内側面３０１aの屈折率よりも低い低屈折率層７１とされている。低屈折率層７１としては、例えば、気体が充填された気体層や空気層とすることが好ましい。気体層としては、例えば窒素等の気体がパージされることが好ましい。
上記低屈折率層７１を気体層とすることによって、蛍光体からレンズ３a側へ放射した光がマウント部材２aの上面により全反射されやすく、蛍光体からの出射光の利用効率が高い配置となる。
【００２２】
また、第２の実施形態のレンズ３aにおいても、下記式（１）を満たしており、より好ましくは下記式（２）、（３）を満たす。Ｒｐ、Ｒ２、ｎは上述と同様である。
Ｒｐ／Ｒ２≦１．１５／ｎ・・・式（１）
Ｒｐ／Ｒ２≦１／ｎ・・・式（２）
Ｒ１／Ｒ２≧０．４５・・・式（３）
【００２３】
蛍光体領域４aに用いられる蛍光体は、第１の実施形態と同様である。このようなレンズ３aは、第１レンズ部３１aの内側面の少なくとも一部に塗布法やＡＤ法によって蛍光体領域４aを形成し、その後、蛍光体領域４aに第２レンズ部３２aを形成することによって作製することができる。
【００２４】
まず、蛍光体領域をレンズの内側面に設けた場合について、光取り出し効率を検討する。
図１１(a)〜(c)にレンズ中心に位置する蛍光体から角度φでレンズ外側面に放出された光線を示す。蛍光体層は十分薄いとする（すなわち、ここでは蛍光体層の厚みは考慮していない）。ここでθｃは臨界角、φは蛍光体（発光点Ｐ）から出た光が外側面で全反射されずにレンズ外に出る角度を示している。ここでレンズ３の内側面３０１の半径をＲ１と
するとθｃ、φは下記式（４）、（５）を満たす。
Ｓiｎθｃ＝１／ｎ・・・式（４）
Ｓiｎφ＝Ｒ１／Ｒ２×Ｓｉｎθｃ・・・式（５）
図１１(a)〜(c)に示すように、臨界角θｃを一定とした場合、レンズ３の厚みを厚くするほど、蛍光体層の発光点から出射された光のうち、レンズ３とレンズ３の外側の空気との界面に臨界角以内で入射する範囲が大きくなる、すなわちφが大きくなり、光取り出し効率に優れることがわかる。φが９０度を越えると外側面での全反射がなくなり、全反射による光閉じ込めが起きなくなる。このときＲｐ／Ｒ２≦１／ｎであり式（２）が満たされる。
【００２５】
以上のことから、本発明の上記式（２）の条件を満たしている場合に、蛍光体から放出された光のうちレンズの外側面に直接進む光が全反射しにくくなるため、光取り出し効率が上がる。なお、蛍光体からレンズ内側面に進む光はレンズ内側面で反射光と透過光に分かれ、レンズ内側面で反射された光はレンズ外側面に向かうが、この時この光はレンズ内側面から放出された光とみなせるため、上記式（２）の条件が満足されていればＲ１＜Ｒｐより内側面での反射した光も外側面で全反射せずに外に取り出すことができる。そのため、上記式（２）を満たしていれば、レンズ内側で反射した光の光取り出し効率が上がる。また、レンズ内側面で反射せずに透過した光は、マウント部材のレンズとの対向面をリフレクタとしておけばレンズ方向に反射されるため、上記式（２）を満たしていれば外側面で全反射せずに外に取り出すことができる。また段落００２８で示すように、上記式（２）を満たさずとも上記式（１）を満たしていれば十分な効果が得られる。
さらに、レンズの内側をレンズの内側面よりも低屈折率層とした場合、蛍光体の位置に関わらずレンズの内側面で全反射が起こり、内側面での反射が増える。内側面を透過した光はリフレクタや発光素子に入射する際に損失となる可能性があるが、内側面で反射された光はリフレクタやレンズに入射することなしに直接、外側面から外に出る。そのため、レンズの内側を低屈折率層にすると、さらに光取り出し効率を高めることができる。
【００２６】
次に、蛍光体領域をレンズの内側面、中間層、外側面に設けた場合について、それぞれの光取り出し効率を比較する。
図３(a)〜(c)は、第１の実施形態と同様で、蛍光体領域４をレンズ３の内側面３０１に設けた場合であって、レンズ３の厚みを変えた際（上記Ｒｐの値を変えた際）にレンズ中心に位置する蛍光体から放射した光の取り出し効率を比較した図である。蛍光体層は十分薄いとしており、レンズ内側面に接する層は空気としている。
図３において、θｃは臨界角、φは蛍光体（発光点Ｐ）から出た光が外側面で全反射されずにレンズ外に出る角度を示している。
Ａの範囲は光が外に出る範囲であり、Ｂの範囲は全反射する範囲、Ｃの範囲は内側面で１回全反射した後に外に出る範囲、Ｄの範囲は蛍光体領域の内側の空間内に入る範囲である。
したがって、図３(a)〜(c)に示すように、臨界角θｃを一定とした場合、レンズ３の厚みを厚くするほど、蛍光体層の発光点から出射された光のうち、レンズ３とレンズ３の外側の空気との界面に臨界角以内で入射する範囲が大きくなる、すなわち、φが大きくなり、光取り出し効率に優れることがわかる。φが９０度の時に外側面での全反射がなくなるため光取り出し効率が最大となる。
【００２７】
図４(a)〜(b)は、第２の実施形態と同様で、蛍光体領域４aをレンズ３aの中間層に設けた場合であって、レンズ３a内における蛍光体領域４aの位置を変えた際の蛍光体の光取り出し効率を比較した図である。
図４において、θｃは臨界角、φは蛍光体（発光点Ｐ）から出た光が外側面で全反射されずにレンズ外に出る角度、φ’は蛍光体（発光点Ｐ）から出た光が内側面を透過する角度を示している。また、Ａの範囲は光が外に出る範囲であり、Ｂの範囲は全反射する範囲、Ｃの範囲は内側面で１回全反射した後に外に出る範囲、Ｄの範囲は蛍光体領域の内側の空間内に入る範囲である。
したがって、図４(a)〜(b)に示すように、蛍光体領域４aがレンズ３aの内側に近いほど、φが大きくなり、光取り出し効率に優れることがわかる。
【００２８】
図５(a)〜(c)は、蛍光体領域４cをレンズ３cの外側面３０２cに設けた場合であって、レンズ３cの厚さを変えた際の蛍光体の光取り出し効率を比較した図である。
図５において、θｃは臨界角、φ１は蛍光体から出た光が全反射されずにレンズの内側に入る角度である。また、Ａの範囲は光が外に出る範囲であり、Ｂの範囲は全反射する範囲、Ｃの範囲は内側面で１回全反射した後に外に出る範囲、Ｄの範囲は蛍光体領域の内側の空間内に入る範囲、Ｅの範囲はマウント部材の上面で反射した後に外に出る範囲である。
したがって、図５(a)〜(c)に示すように、レンズ３cの厚さによらず、光取り出し効率はθｃで決まることがわかる。つまり、屈折率で決まる。
【００２９】
次に、上記式（１）、（２）の理論について説明する。
図６では、レンズ３の外側及び内側の屈折率を１とし、レンズ３の屈折率をｎ、レンズ３の外側面３０２の半径をＲ２、レンズ３の外側面３０２の曲率中心からレンズ３の外側面３０２に最も近い蛍光体領域４までの距離をＲｐ、レンズ３の内側面３０１の半径をＲ１とする。
蛍光体層の厚さが非常に薄く無視できる場合、フレネル損失を無視し、レンズの内側面からＬＥＤチップ方向に進んだ光もリフレクタで反射され外に出るとすると下記の式となる。
【数１】
2011134928.tif 000003
したがって、蛍光の光取り出し効率はＲ２とＲｐの比によって決まる。光取り出し効率が５０％を超えれば光取り出し効率が高いといえるが、この条件を満たすには数１よりＲｐ／Ｒ２≦１．１５／ｎであることが必要である。また、数１よりＲｐ／Ｒ２＝１／ｎのときに光取り出し効率は１００％となり、さらにＲｐ／Ｒ２≦１／ｎであれば外側面での全反射がなくなるため光取り出し効率は１００％となる。
【００３０】
なお、本実施形態では蛍光体領域は、層状形状であるとしたが、これに限らず、蛍光体領域は上記式（１）を満たしていれば、特定の場所に密集した形状など、いかなる形状であっても良い。レンズの内側面に蛍光体領域が形成される形状では塗布法やＡＤ法などによる作成が容易となる。また、レンズの内部に中間層として蛍光体領域を設ける構造の場合は、蛍光体を空気表面から分離できるため、蛍光体の劣化を抑制することができる。
【００３１】
図７は、蛍光の光取り出し効率についてシミュレーションをした結果及び理論値を示した図である。ここで光取り出し効率は、LEDの光により励起された蛍光体が放出する光子のうち、レンズ外側面から外に出る光子の数の割合である。シミュレーションでは図８に示すように、LEDチップは１mm角でランバーシャン分布、Ｒ２＝４ｍｍ、蛍光体領域（蛍光体層）の厚さ０．１ｍｍ、レンズの屈折率ｎ＝１．５８、蛍光体の屈折率n=1.58、マウント部材２の上面をアルミニウム、レンズとマウント部材の境界面に到達する光を損失とし、フレネル損失無しとし、蛍光体層がレンズ外側に接する場合(Ｒｐ／Ｒ２＝１)からレンズ内側に接するまでの範囲で蛍光体層位置Ｒｐを動かしてシミュレーションを行った。図７に示すように、シミュレーションの光取り出し効率は、レンズとマウント部材の境界の吸収領域５に到達した光が吸収される効果により数１よりも落ちるが、数１と同様の傾向を示している。
【００３２】
図９に蛍光体層がレンズ内側面に接している場合と蛍光体がレンズ全体に分散している場合のシミュレーション結果を示す。２つの場合にＲ１を変化させて光取り出し効率を求めた。蛍光体がレンズ全体に分散している場合、全励起光パワーに対する吸収される励起光パワーの割合が一定になるように蛍光体の密度を調整している。それ以外のシミュレーション条件は以前の場合と同様である。図９により蛍光体層がレンズ内側面にある場合の方が、レンズ全体に分散している場合よりも光取り出し効率が高いことが分かる。  
【００３３】
上記式（２）を満たしている場合にレンズが厚くなると、レンズ内部の、レンズ内側面と外側面の両方が球形である領域の境界（実施例では底面３０３）の面積が大きくなるため、蛍光がその領域に到達しやすくなる。そのためレンズが厚い場合には無視できない量の蛍光がレンズの端部方面に進むか、あるいはレンズと基板の接点に進み、迷光となって配光制御や放熱の面で好ましくない。上記の迷光の光子数は全蛍光光子数の２０％以下になるのが望ましく、その条件を満たすためＲ１／Ｒ２はある一定以上の値を持つことが望ましい。
以下に蛍光がレンズ内部の、レンズ内側面と外側面の両方が球形である領域の境界に到達しにくい場合に上記の迷光の割合が２０％以下になる条件を示す。これにより上記の迷光を２０％以下に抑えるために満たす必要がある条件が求まる。
蛍光がレンズ内部の、レンズ内側面と外側面の両方が球形である範囲から外れた位置に到達しにくい条件は、レンズの球面部分の範囲が大きく、蛍光体がレンズ内側面に近く、レンズが薄く、レンズの屈折率が高く、できるだけレンズ中心部の蛍光体よりもレンズ周辺部の蛍光体の発光が強いことである。この条件を十分に満たすためには、レンズの球形部分は半球ドーム形状であり、蛍光体層はレンズの内側面に薄く存在し、上記蛍光体は位置によらず一様に発光する必要がある（励起光源が十分に離れている必要がある）。その条件を満たすため、段落００３１のシミュレーション条件からレンズの屈折率と光源部分のみを変更し、レンズの屈折率を１．４から２．１まで変化させ光源から出た光が蛍光体層を一様な強度で照射する条件でシミュレーションを行い、図１０の吸収領域５に到達した蛍光の割合を求めた。結果を以下に示す。
上記式（２）を満たす場合、Ｒ１／Ｒ２が小さくなる程、図１０の吸収領域に到達する蛍光の割合は上昇する。蛍光が図１０の吸収領域に到達する割合が２０％以下のときＲ１／Ｒ２の最小値は、
レンズの屈折率が１．４のとき０．４７５
レンズの屈折率が１．５のとき０．４７２
レンズの屈折率が１．６のとき０．４６９
レンズの屈折率が１．７のとき０．４６５
レンズの屈折率が１．８のとき０．４６１
レンズの屈折率が１．９のとき０．４５７
レンズの屈折率が２．０のとき０．４５４
レンズの屈折率が２．１のとき０．４５１
である。これにより上記の迷光を２０％以下に抑えるために必要な条件はＲ１／Ｒ２≧０．４５である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ＬＥＤチップ（発光素子）
３，３a  レンズ（光学素子）
４，４a  蛍光体領域
３１a  第１レンズ部
３２a  第２レンズ部
７１  低屈折率層
１００  発光装置
３０１，３０１a  内側面
３０２，３０２a  外側面
【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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