(57)【要約】【課題】アイセーフ対策が万全で且つ光空間伝送用通信素子としての機能或いは照明・表示用素子としての機能を十分発揮する半導体発光装置を実現する。【解決手段】基台のステム１には半導体発光素子２が搭載されたマウント台３が固定され、開口部を有する円筒形状のケース４が同じくステム１に固定されて前記マウント台３を包囲してパッケージ６が形成されている。そして、上記パッケージ６の円筒形状のケース４の上部（発光素子の放射方向）には、内周面が反射面７である擂鉢形状の凹部８を有する反射枠１０が設けられ、半導体発光素子２の放射方向の上方に位置する反射枠１０の貫通孔９を塞ぐように透明部材から成る導光体１２が配置されている。さらに反射枠１０の擂鉢形状の凹部８内に透光性樹脂１３が充填され、導光体１２の光出射面１６に形成された光拡散部１１を埋設すると共に凸状のレンズ１４を形成している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子と、透光性部材からなり表面の一部もしくは内部の一部に光拡散部を設けた導光体と、内周面が反射面の擂鉢形状の凹部を有して該凹部の底部略中央部に貫通孔を設けた反射枠とを備えた半導体発光装置であって、前記内周面が基台に搭載された前記半導体発光素子の光軸に対して該半導体発光素子の発光方向に向かって開いた方向で且つ前記貫通孔が前記半導体発光素子の光軸上の位置になるように前記反射枠を前記半導体発光素子の発光方向の上方に配置し、前記光拡散部が前記凹部内にあって前記半導体発光素子の発光方向に位置するように前記導光体を前記凹部内の前記貫通孔上方に配置し、前記凹部内に透光性樹脂を充填したことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記基台と前記反射枠とが一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記光拡散部はシリコーン樹脂およびエポキシ樹脂のうちの１つにＡｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２のうちの何れか一方または両方を分散したものであることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体発光素子は、ピーク発光波長が２００〜２０００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子を発光源とする半導体発光装置に関するものであり、詳しくは半導体発光素子から発せられた光を人体（目や皮膚等）に障害を与えない光に変えて放出する手段を有するアイセーフ対策を施した半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザの出現によってレーザが身近なものになってきており、例えば、ポインタなど一般の人の目に触れる機会が急激に増えてきている。またスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）においては、発光波長領域の短波長化が進み、紫外〜可視〜赤外の波長領域に亘る光を発光するようになってきたと同時に、発光効率が向上して高輝度化が進み、鮮明な表示器の発光源やワイヤレスデータ転送の一方式としての光空間伝送の情報伝送媒体として利用されるようになってきた。
【０００３】
一方、このような状況のなかで、光が人体（皮膚及び目）に及ぼす影響についての関心が高まっており、様々な安全確認試験に基づく「世界に共通の安全基準」として、レーザとＬＥＤを包含する形で国際標準ＩＥＣ６０８２５−１  ＡＭＥＮＤＭＥＮＴ２（２００１）規格が制定されている。本規格では安全性評価の指標として製品のクラス分けが行われており、最も安全性の高いクラス１（どのような光学系（レンズや望遠鏡）で集光しても、目や皮膚に障害を与えない）に規定されれば、合理的に予知可能な運転条件下で安全であるレーザと認められる。従って、レーザ、ＳＬＤ及びＬＥＤの光を人体に触れる可能性のある用途に自由に使用するためにはこのクラス１に分類される必要がある。
【０００４】
ここで、光と目（眼球）との関係について概略を説明する。発光源から発せられて人間の目に至った光は目の角膜と水晶体から構成されるレンズ系を通して発光源の像が網膜上に結像する。この像の大きさは発光源の大きさに依存し、発光源の発光面積が小さい場合はレンズ系で集光されて網膜に至った光は網膜上に微小スポットとして結像され、発光源の発光面積が大きい場合は網膜上に大きなスポットとして結像される。
【０００５】
アイセーフ波長領域（１４００ｎｍ〜２６００ｎｍ）の光は、光が眼内に入射した場合でも、光のエネルギーの大部分が眼球表面の水分（角膜）で吸収されて網膜まで達することがないため、目に対する安全性が高い。それに対し、アイセーフ波長領域以外の紫外領域の波長の光は途中で吸収されて網膜には達しないが角膜や結膜等への障害を引き起こす可能性がある。同様に、皮膚に対しても障害を与える可能性がある。また可視〜赤外領域に亘る波長の光は、網膜を損傷（具体的には生化学反応や熱損傷など）する可能性が高く、何れの場合においても単位面積あたりに吸収される光エネルギー（エネルギー密度）が大きいほど障害あるいは損傷を引き起こす可能性が高くなる。
【０００６】
従って、アイセーブ波長領域以外の発光源から発せられる光のトータルエネルギーが同一であると仮定すると、光源径の大きさ（光放出面の面積）が小さくなるに伴って網膜上に結像されるスポットの大きさも小さくなり、その結果、局部的にエネルギー密度が大きくなって網膜の損傷につながる可能性が高い。
【０００７】
特に、光学系の設計において点光源とみなされるようなレーザ、ＳＬＤ及びＬＥＤの場合は、網膜上に結像されるスポットが著しく小さくなることによってエネルギー密度が極めて大きくなり、目に対する危険度が増大することになる。
【０００８】
このような問題点を解決するための一般的な方法として、光源径を大きくすることによって網膜上に結像されるスポットを大きくしてエネルギー密度を小さくし、高ネルギーを放射する光源であってもクラス１として安全性を確保できるような施策が講じられている。
【０００９】
具体的には、半導体レーザなどの点光源を封入するパッケージにおいて、発光源から発せられた光が外部に放出される部分を拡散板で構成して半導体レーザから発せられた光を拡散板内を導光させることによって拡散光として外部に放出させ、点光源を分散化光源として光源径の大きさを拡大させることによって網膜上に結像するスポットを大きくし、人に対する安全性を確保するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
また、ステムに搭載されたスーパールミネッセント光を発する点光源の略光軸上の放射方向に光拡散シートを配置し、発光源及び光拡散シートを透光性エポキシ樹脂で一体封止して光拡散シートの光出射方向に凸形状のレンズを形成したものがある。この場合、発光源から発せられて光拡散シートで拡散された拡散光をレンズによって所望する配光パターンで放出させ、光源径の大きさを拡大させてアイセーフに対する対策を講じると共に、必要な光エネルギーを確保できるように光学系を構成している（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平９−３０７１７４号公報
【特許文献２】特開２００２−７６４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前者の従来の構造では、発光源から発せられて拡散板で拡散された拡散光はそのまま大気中に放出されて様々な方向に向かうことになり、設計及び製造において配光制御が困難であるばかりでなく略光軸上のエネルギー密度が極端に低下するために光空間伝送の情報伝送媒体としての利用に支障をきたすことになる。
【００１２】
また、後者の構造では、発光源から発せられて光拡散シートで拡散された拡散光をレンズによって集光しているため、配光パターン及び略光軸上のエネルギー密度は利用に支障をきたさない程度には確保することができる。但し、前者同様に光拡散シートで拡散された拡散光のうちレンズの集光に寄与しない光も存在するため、大気中への光取り出し効率が不十分なものとなっている。
【００１３】
さらに、発光源から発せられた光によって光拡散シートに形成された発光スポットが大きくなるに伴なってアイセーフに対する安全性の確保は確実な方向に向かうが、レンズによる集光効果を堅持するためにはレンズの曲率半径を大きくしていく必要があり、その結果半導体発光装置も大型化せざるを得なくなる。
【００１４】
一方、発光スポットが小さいとレンズの曲率半径が小さくてもレンズの集光効果は得られるが光源径が小さいためにアイセーフの規定を満足しない可能性が高くなる。従って、光源径を極力小さくして小型化を図り、しかもアイセーフの規定を満足させながらレンズ効果を有効に機能させて所望する半導体発光装置を実現することが課題となる。
【００１５】
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、アイセーフ対策が万全で、光取りだし効率が良く、所望する配光特性が得られる小型化された半導体発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、半導体発光素子と、透光性部材からなり表面の一部もしくは内部の一部に光拡散部を設けた導光体と、内周面が反射面の擂鉢形状の凹部を有して該凹部の底部略中央部に貫通孔を設けた反射枠とを備えた半導体発光装置であって、前記内周面が基台に搭載された前記半導体発光素子の光軸に対して該半導体発光素子の発光方向に向かって開いた方向で且つ前記貫通孔が前記半導体発光素子の光軸上の位置になるように前記反射枠を前記半導体発光素子の発光方向の上方に配置し、前記光拡散部が前記凹部内にあって前記半導体発光素子の発光方向に位置するように前記導光体を前記凹部内の前記貫通孔上方に配置し、前記凹部内に透光性樹脂を充填したことを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記基台と前記反射枠とが一体に形成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２の何れか１項において、前記光拡散部はシリコーン樹脂およびエポキシ樹脂のうちの１つにＡｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２のうちの何れか一方または両方を分散したものであることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３の何れか１項において、前記半導体発光素子は、ピーク発光波長が２００〜２０００ｎｍの範囲にあることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
半導体発光素子から発せられた光が導光体内に入射してから大気中に放出されるまでの導光損失を少なくし、且つ導光体内に入射して光拡散部で散乱されて反射面に向かう光を反射面で反射させて透光性樹脂の光出射面に向けることによって光取り出し効率を向上させ、また導光体の光拡散部を小さくすることによって配光制御が容易な小型でアイセーフ対策が施された半導体発光装置を実現した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図６を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
【００２２】
本発明を構成する基本要素は発光素子と導光体と反射枠である。発光素子はレーザ、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）及び発光ダイオード（ＬＥＤ）の半導体発光素子からなる群の中の１つの半導体発光素子を使用する。導光体はエポキシ樹脂、シリコーン樹脂及びガラスの透光性部材からなる群の中の１つの透光性部材からなり、光入射面及び光出射面を有して光出射面には光散乱手段が施されている。反射枠は内周面が反射面である擂鉢形状の凹部を有して凹部の底部中央部には貫通孔が設けられている。
【００２３】
そこで、本発明の実施形態を図１を参照して説明する。図１は本発明の半導体発光装置に係わる実施形態の概略断面図であり、基台であるステム１の一方の面には半導体発光素子２が搭載されたマウント台３が固定され、開口部を有する円筒形状のケース４が同じくステム１に固定されて前記マウント台３を包囲している。また、ステム１の他方の面には外部から半導体発光素子２に電力を供給するための複数のリード線５が導出されてパッケージ６が形成されている。
【００２４】
そして、上記パッケージ６の円筒形状のケース４の上部（半導体発光素子が発する光の放射方向）には、内周面が反射面７の擂鉢形状の凹部８を有して該凹部の底部略中央部に貫通孔９を設けた反射枠１０が配置され、凹部８内には透明部材からなる球形状の導光体１２が光拡散部１１を上方に向けて貫通孔９を塞ぐように配置されている。
【００２５】
更に、反射枠１０の擂鉢形状の凹部８内に透光性樹脂１３が充填され、導光体１２を埋設させると共に凸形状のレンズ１４を形成している。
【００２６】
なお、実際はリード線５と半導体発光素子２に設けられた電極とは何らかの接続手段によって電気的な導通が図られるが、本図中では省略している。
【００２７】
ここで上記構成の半導体発光装置２０の光学系について説明する。半導体発光素子２の点灯時の放熱機能を兼ねたマウント台３に搭載された半導体発光素子２から発せられた光は反射枠１０の凹部８の底部中央部に設けられた貫通孔９を通って導光体１２の光入射面１５に至り、導光体１２内に入射する。導光体１２内に入射した光は導光体１２内を導光されて導光体１２の光出射面１６に至る。
【００２８】
導光体１２の光出射面１６は光拡散部１１が形成されており、光出射面１６に至った光は光拡散部１１で散乱光となって光拡散部１１と界面を形成する透光性樹脂１３内に入射する。透光性樹脂１３内に入射した散乱光の一部は透光性樹脂１３内を導光されて透光性樹脂１３のレンズ１４内面に至り、レンズ１４で集光されてレンズ１４の光出射面１７から大気１８中に放出される。
【００２９】
一方、透光性樹脂１３内に入射して透光性樹脂１３内を導光されて反射枠１０に設けられた擂鉢形状の反射面７に向かった散乱光は反射面７で反射されて透光性樹脂１３のレンズ１４方向に向かい、さらに透光性樹脂１３内を導光されて透光性樹脂１３のレンズ１４内面に至り、レンズ１４で集光されてレンズ１４の光出射面１７から大気１８中に放出される。
【００３０】
従って、半導体発光素子２から発せられて透光性樹脂１３のレンズ１４の光出射面１７から大気１８中に放出される光は、半導体発光素子２から発せられて透光性樹脂１３内を導光されて直接大気１８中に放出される光路を辿る光と、半導体発光素子２から発せられて透光性樹脂１３内の反射面７で反射されてさらに透光性樹脂１３内を導光されて大気１８中に放出される光路を辿る光とが混合されたものである。
【００３１】
ここで、反射枠の効果について図２及び図３で説明する。図２及び図３は半導体発光素子２から発せられた光が導光体１２内に入射し、導光体１２の光出射面１６に形成された光拡散部１１から出射して透光性樹脂１３内に入射した散乱光の光路を示したものであり、図２は反射枠を設けない場合、図３は反射枠を設けた場合である。どちらの場合も光線Ｌ０〜Ｌ２の辿る光路は同一であるが、光線Ｌ３については図２の反射枠のない場合は透光性樹脂１３内を導光されて半導体発光素子２の放射方向に対して垂直に近い方向に放出され、半導体発光装置として寄与しない無駄な光となる。一方、図３の反射枠１０のある場合は光線Ｌ３は反射枠１０の反射面７で反射されて半導体発光素子２のほぼ放射方向に向けられ、レンズ１４の光出射面１７から大気１８中に放出されて有効な光として利用される。従って、反射枠１０を設けることによって光の利用効率が高まり、集光性の良好な半導体発光素子を実現することができる。
【００３２】
なお、導光体の光出射面に形成する光拡散部は、シリコーン樹脂およびエポキシ樹脂のうちの１つに粒径が０．５〜１０μｍの範囲のＡｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２のうちの何れか一方または両方を分散した部材で光拡散膜を形成することで実現できる。また、化学エッチングやサンドブラスト等の手法によるシボ加工によって光出射面を凸凹模様の表面性状に形成することでも可能である。また、成形金型にシボ模様をつけて成形品の光出射面を凸凹模様の表面性状に形成する方法も考えられる。
【００３３】
図４は本発明の半導体発光装置に係わる別の実施形態の概略断面図である。本実施形態の半導体発光装置は上述した実施形態と同様の構成を成しており、反射枠が半導体発光素子が搭載されるマウント台と一体に形成されていることだけが異なるのみで光学系は同一である。よって、詳細な説明は上述した実施形態と重複するのでここでは省略する。
【００３４】
但し、本実施形態の場合は反射枠とマウント台とを一体に形成しているために部品点数が少なく、部品製造に係わる金型費や材料費の低減及び製品組み立てに係わる工数の低減によって製造コストを削減することができると同時に、反射枠に設けられた貫通孔の上方に配置する導光体と半導体発光素子との位置精度が高められるために所望する配光特性が容易に且つ高精度で得られることになり、光取り出し効率が高くて光学特性のばらつきが少ない製品に仕上げることができる。
【００３５】
図５は本発明の半導体発光装置に使用する導光体の別の形状を示したものである。（ａ）は光入射面１５を略球形状にして半導体発光素子から発せられた光を導光体１２内に取り込み、光出射面に形成された光拡散部１１も略球形状にして立体的な光拡散部１１から散乱光が出射するような形状になっており、光入射面１５と光拡散部１１を形成する両球形状の面は円錐形状の面で繋がっている。
【００３６】
（ｂ）は（ａ）と同様に光入射面１５を略球形状にして半導体発光素子から発せられた光を導光体１２内に取り込み、光出射面に形成された光拡散部１１を略平面にして平面的な光拡散部１１から散乱光が出射するような形状になっており、光入射面１５を形成する球形状の面と光拡散部１１を形成する平面は円錐形状の面で繋がっている。
【００３７】
（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）と同様に光入射面１５を略球形状にして半導体発光素子から発せられた光を導光体１２内に取り込み、光出射面に形成された光拡散部１１も略球形状にして立体的な光拡散部１１から散乱光が出射するような形状になっており、光入射面１５と光拡散部１１を形成する両球形状の面は円筒形状の面で繋がっている。
【００３８】
なお、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の導光体１２は導光体１２の光拡散部１１から出射する散乱光の配光を重視した形状となっている。
【００３９】
（ｄ）は光入射面１５を外部の一点を中心とする凹状の略球形状に形成されており、中心近傍に半導体発光素子を配置することによって半導体発光素子から発せられた光が導光体１２の光入射面１５で屈折されることなく効率的に導光体１２内部に取り込まれ、略球形状の光拡散部１１に到達して立体的な光拡散部１１から散乱光が出射するような形状になっている。この導光体１２は光取り出し効率の向上を狙った形状となっている。
【００４０】
（ｅ）は導光体１２を略平板に形成し、一方の面を光入射面１５とし他方の面を光拡散部１１としたもので形状が単純で製造コストが最も安価なものである。この導光体１２は簡単な構造で低コスト化を目論んだ形状となっている。
【００４１】
上記の（ａ）〜（ｅ）の導光体の中のどれを採用するかは、所望する配光特性、反射枠及び導光体の製造コスト等の諸々の条件を加味して決定されるものである。なお、ここにあげた導光体は採用可能な形状の一部を示したものであって、必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００４２】
次に、本実施形態の半導体発光装置で得られた配光特性を図６で示す。これは透光性樹脂のレンズの形状を変えることによって得られた２つの例を示したもので（ａ）はレンズを狭角タイプにして集光度を強めたもの、（ｂ）はレンズを広角タイプにして集光度を弱めたものである。測定方法は、半導体発光装置の放射方向の前方正面にホトセンサを配置し、半導体発光装置を少しずつ回転させながらホトセンサによって検出するものである。図中の横軸は半導体発光装置を回転したときの回転角度θｘ、縦軸はそのときの光度を最高光度を１として相対的に表した相対光度である。
【００４３】
測定結果は、光度が最大光度の１／２になるような光の広がり角を半値全幅角とすると、（ａ）は配光特性が最高光度に対して急峻に立ち上がっており半値全幅角が約５°とレンズによる強い集光効果を示している。（ｂ）は配光特性が最高光度に対してなだらかに立ち上がっており半値全幅角が約２２°とレンズによる弱い集光効果を示している。なお、レンズ、導光体及び擂鉢形状の反射面の各形状を単独で変えることによって所望する配光特性を得ることができるが、複数の組み合わせの形状を変えることによっても配光制御をすることができる。
【００４４】
ここで、本発明の効果について説明する。まず、光半導体素子と導光体の光入射面を接近させて配置できる構成になっているために導光体の光入射面の開口を小さくでき、そのために導光体全体を小さくすることができる。よって、導光体の光出射面に形成された光拡散部を反射枠に設けられた内周面が反射面の擂鉢形状の凹部内に位置させることができる。これにより、半導体発光素子から発せられた光を導光体内に導入して反射枠に設けられた凹部内に位置する導光体の光出射面まで導光し、光出射面に形成された光拡散部から光拡散部と界面を形成する透光性樹脂内に散乱光として放出するようにしている。
【００４５】
従って、半導体発光素子から発せられた光が導光体に入射してから導光体の光出射面に形成された光拡散部から出射するまでは導光体内を導光されるためにこの間の導光損失がほとんどなく光伝達効率が非常に良好である。また、透光性樹脂内に入射した散乱光のうち直接透光性樹脂の出射面方向に向かわない光も反射面で反射されて透光性樹脂の光出射面に向かうようになるために導光体の光拡散面から散乱光として出射した光を効率良く透光性樹脂の光出射面に導くことができる。さらに、導光体の光拡散部で散乱光となって透光性樹脂の光出射面に向かう光は透光性樹脂内を導光されるためにこの間の導光損失もほとんどなく光伝達効率が非常に良好である。このように、導光体、擂鉢形状の反射面及び透光性樹脂の組み合わせによって半導体発光素子から発せられた光の取り出し効率の高い半導体発光装置を実現することができる。
【００４６】
同時に、半導体発光素子から発せられた光を導光体に形成された光拡散部で散乱光に変えているため、光源径を大きくしている。よって、アイセーフを十分に確保できると同時に光空間伝送等の光媒体を担う通信用素子としての機能を十分に果すものである。
【００４７】
また、導光体の光出射面の拡散面を小さくすることにより、点光源に近似する光学設計が可能となるため透光性樹脂レンズでの配光制御の精度を比較的容易に高めることができ、配光ばらつきの少ない製品が得られることによって照明装置や表示装置の光源としての実用性を確保することが可能である。
【００４８】
更に、製造工程において特別に複雑な工程を設ける必要がないために製造コストを上昇させるような要因がなく、逆に部品点数を減らせる要素もあるために製造コストが安価で小型の半導体発光装置に仕上げることも可能である。といった多くの優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の半導体発光装置の実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明の半導体発光装置の実施形態の反射枠の有効性を示すもので反射枠がない場合の光路を模式的に示したものである。
【図３】同じく、本発明の半導体発光装置の実施形態の反射枠の有効性を示すもので反射枠がある場合の光路を模式的に示したものである。
【図４】本発明の半導体発光装置の別の実施形態を示す概略断面図である。
【図５】本発明の半導体発光装置の実施形態で使用される導光体の断面図であり、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ個別に表したものである。
【図６】本発明の半導体発光装置の実施形態による配光特性であり、（ａ）は狭角タイプ、（ｂ）は広角タイプのものである。
【符号の説明】
【００５０】
１        ステム
２        半導体発光素子
３        マウント台
４        ケース
５        リード線
６        パッケージ
７        反射面
８        凹部
９        貫通孔
１０        反射枠
１１        光拡散部
１２        導光体
１３        透光性樹脂
１４        レンズ
１５        光入射面
１６        光出射面
１７        光出射面
１８        大気
２０        半導体発光装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005251959.tif 000005
【図４】
2005251959.tif 000006
【図５】
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【図６】
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