(57)【要約】    【構成】  ＬＥＤ１０はＬＥＤ素子１２を含み、ＬＥＤ素子１２は樹脂からなるレンズ２０で覆われる。レンズ２０表面に反射防止用微細構造２２が形成されており、ＬＥＤ素子１２から発せられた光は反射防止用微細構造２２を通過して、外部に放射される。一方、外部からＬＥＤ１０へ照射された外光も反射防止用微細構造２２を通過して、レンズ２０内に入射される。    【効果】  反射防止用微細構造２２によってレンズ２０から空気層へ屈折率が連続的に変化するようにされているため、ＬＥＤ素子１２から発せられる光および外部からＬＥＤ１０へ照射される光に対して反射を防止することができ、ＬＥＤの発光効率を向上させ、かつ発光と反射光とによる干渉を抑えることができる。【選択図】  図１
2005079244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード素子を封止し、かつ樹脂からなるレンズを備えた発光ダイオードにおいて、
前記レンズの表面に反射防止用微細構造を形成したことを特徴とする、発光ダイオード。
【請求項２】
前記微細構造は、前記発光ダイオード素子を中心に前記レンズの頂点における法線に対するなす角が指向角の１．３３〜２．８倍の角度範囲で形成される、請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記微細構造は錐体の集合体である、請求項１または２記載の発光ダイオード。
【請求項４】
レーザダイオード素子を覆うカバーガラスを備えるレーザダイオードユニットにおいて、
前記カバーガラスの表面に反射防止用微細構造を形成したことを特徴とする、レーザダイオードユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」）に関し、特にたとえば、照明および液晶用光源などに使用され、ＬＥＤ素子を封止する樹脂レンズを備えるＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＬＥＤの一例が、特許文献１に開示されている。この特許文献１の半導体発光装置は半導体発光素子を含み、半導体発光素子はコア層、内皮層および外皮層で順番に覆われている。これら発光素子、コア層、内皮層、外皮層および空気層（外部）の屈折率を順番に小さくすることにより、外部から半導体発光装置へ照射される光を発光装置内へ取り込むと同時に、発光素子から発せられた光を外部へ放射する。さらに、外皮層の厚さを５〜１５μｍにすることにより、外部から入射される光の透過率を最大に設定している。
【特許文献１】特開２０００−１５０９６５号公報［Ｈ０１Ｌ  ３３／００］
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１の従来技術では、半導体発光素子をコア層、内皮層および外皮層で順番に覆うため、各層に対応する３種類の材料を用意し、それぞれの層を重ねなければならないので、製造工程および生産コストが増えて、生産性に問題がある。
これら発光素子、コア層、内皮層および外皮層の屈折率を順番に小さくしているが、コア層、内皮層および外皮層は屈折率以外に光透過性など半導体発光装置の部品として別の要件も備えなければならず、コア層、内皮層および外皮層に対応する最適な材料は限られてしまう。また、各層を形成する際に層間の物理的および化学的性質により層を重ねることができない場合があり、さらに材料の選択は限定される。
【０００４】
外皮層の厚さを５〜１５μｍと限定しているが、層の厚さを制御すると、外皮層の生産管理が厳しくなり、半導体発光素子の歩留りが悪くなる。
【０００５】
外皮層の厚さおよび屈折率を制御することにより、各界面で生じる反射光同士をそれぞれ干渉させて界面での光反射全体を弱めている。このため、特定の厚さおよび屈折率を持つ層により反射を防止できる光の波長域は狭く、波長域が広い外光および多種の半導体素子から発せられる光の波長に対応することはできない。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、容易に製造することができ、かつＬＥＤのレンズ表面での反射を抑えながら、高い発光効率のＬＥＤを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、ＬＥＤ素子を封止し、かつ樹脂からなるレンズを備えたＬＥＤにおいて、レンズの表面に反射防止用微細構造を形成したことを特徴とするＬＥＤである。
【０００８】
請求項１の発明では、たとえばＬＥＤはＬＥＤ素子を含み、ＬＥＤ素子は一対の端子の一方上にマウントされ、その上面は他方の端子と金線で接続される。そして、ＬＥＤ素子、金線および一対の端子上部は樹脂で覆われ、レンズが形成される。
【０００９】
このようなＬＥＤを製造する場合、一方の端子上にＬＥＤ素子をマウントした後、銀ペーストなどの導電材料で固定する。このＬＥＤ素子と他方の端子とを金線により接続する。
【００１０】
その後、反射防止用微細構造の型が形成されたレンズ用金型にＬＥＤ素子、金線、端子の上端部を入れて、たとえばエポキシ樹脂を金型内に注入して熱硬化させる。これにより、レンズ表面に反射防止用微細構造が形成されるため、ＬＥＤ素子から発せられた光がレンズ表面を通過する際、レンズと空気層との界面で急激な屈折率の変化がなく、この界面で光の反射が抑制される。このため、ＬＥＤは高い発光効率を得ることができる。
【００１１】
また、外部からＬＥＤへ照射される際も同様に、レンズと空気層との界面で急激な屈折率の変化がないため、この界面で外光は反射せず、外光はレンズ表面を通過する。このため、ＬＥＤ素子から発せられた光と外光によりレンズ表面で生じる反射光とが干渉することがない。
【００１２】
レンズ用金型に予め反射防止用微細構造の型を形成しておけば、この金型に樹脂を注入するだけで、反射防止用微細構造とレンズとを一体成型することができる。また、この構造は多くの樹脂の材料に適応することができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、反射防止用微細構造は、ＬＥＤ素子を中心にレンズの頂点における法線に対するなす角が指向角の１．３３〜２．８倍の角度範囲で形成されるＬＥＤである。
【００１４】
請求項２の発明では、ＬＥＤ素子から発せされる光は指向性を有するため、この光はＬＥＤ素子の真正面であるレンズの頂点を中心に狭い範囲しか通過しない。そこで、発光素子を中心にレンズの頂点における法線に対するなす角が指向角の１．３３〜２．８倍の角度範囲で反射防止用微細構造を形成するだけで、十分にＬＥＤ素子から発せられる光の反射を防止することができる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の発明において、反射防止用微細構造は錐体の集合体であるＬＥＤである。
【００１６】
請求項３の発明では、反射防止用微細構造を錐体にすることにより、ＬＥＤ素子から発せられた光がレンズから外側の空気層へ放射される際、レンズから空気層へ屈折率が連続的に変化するため、広い波長域の入射光に対してレンズと空気層との界面で生じる反射を防止し、ＬＥＤの発光効率を向上させることができる。よって、この反射防止効果は発光素子から発せられる光の波長、つまり発光素子の種類を選ばない。また、外側からレンズへ照射される外光に対しても同様に、広い波長域の光反射を防止できる。
【００１７】
請求項４の発明は、レーザダイオード（以下「ＬＤ」）素子を覆うカバーガラスを備えるＬＤユニットにおいて、カバーガラスの表面に反射防止用反射防止用微細構造を形成したことを特徴とするＬＤユニットである。
【００１８】
請求項４の発明では、カバーガラスの表面に反射防止用微細構造が形成されるため、ＬＤ素子から発せられたレーザ光はカバーガラスを通過する際、カバーガラスと空気層との間で急激な屈折率の変化がなく、この界面でレーザ光は反射しない。このため、ＬＤユニットは高い発光効率を得ることができる。また、外側からカバーガラスへ照射される外光に対しても同様に、光反射を防止できる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、レンズ表面に反射防止用微細構造を形成したため、ＬＥＤ素子から発せられた光および外部からＬＥＤへ照射される光はレンズと空気層との界面で反射せず、または反射が抑制されるため、ＬＥＤは高い発光効率を得ることができ、かつＬＥＤから発せられた光と外光によりレンズ表面で生じる反射光とが干渉しない。
【００２０】
反射防止用微細構造とレンズとを一体成型することができるため、ＬＥＤを容易に製造することができる。
【００２１】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に示すこの発明の一実施例であるＬＥＤ１０はＬＥＤ素子１２を含み、ＬＥＤ素子１２は第１端子１４上にボンディングされ、このＬＥＤ素子１２の下面電極（図示せず）が第１端子１４に接続される。ＬＥＤ素子１２の上面には図示しない上面電極が形成され、この上面電極は別の第２端子１６と金線１８でワイヤボンディングされる。ＬＥＤ素子１２、金線１８および２本の端子１４および１６の上部を樹脂で覆うことによって、中実のレンズ２０が形成される。
【００２３】
レンズ２０はエポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂およびポリメチルメタクリレートなどのアクリル系樹脂など透明な樹脂から形成され、ドーム状である。レンズ２０表面に反射防止用微細構造２２が形成される。
【００２４】
反射防止用微細構造２２の形成範囲Ｗは発光中心であるＬＥＤ素子１２を中心にレンズ２０の頂点２０ａにおける法線２４に対するなす角θが指向角αの１．３３〜２．８倍の角度範囲であり、好適には表１に示す値である。たとえば、指向角αが２０度に対して反射防止用微細構造２２の形成範囲の角度θは２６．６〜５６度であり、その中でも最適は４０〜４５度である。指向角αは相対発光強度が１／２となる角度である。反射防止用微細構造２２は図２に示すように、均一な四角錘の突起２６が横および縦方向に連続的に配列される集合体である。突起２６のピッチｐは入射光の波長λおよび突起２６の屈折率ｎとの関係において数１を満たし、その高さｈはアスペクト比が１以上になるように設定される。
【００２５】
【表１】
2005079244.tif 000003
【００２６】
【数１】
2005079244.tif 000004
【００２７】
たとえば、屈折率ｎが１．５の樹脂２０で覆われるＬＥＤ素子１２が、最短波長λが４００ｎｍの光を発光した場合、突起２６のピッチｐは２６７ｎｍであり、これに加工精度を考慮するとピッチｐは３００ｎｍ以下となり、高さｈは３００ｎｍ以上となる。
【００２８】
ＬＥＤ１０を製造する場合、まず、第１端子１４のリフレクタ２８底面上に、ＬＥＤ素子１２をマウントした後、銀ペーストなどで固定する。このＬＥＤ素子１２と第２端子１６とを金線１８により接続する。次に、図３に示す金型３０にＬＥＤ素子１２、金線１８、第１端子１４及び第２端子１６の上端部を入れた後、エポキシ樹脂を注入して熱硬化させてレンズ２０を形成する。この金型３０の内面はドーム状であり、この内表面には反射防止用微細構造２２をレンズ２０表面上に形成するための型３２（これは図２の反射防止用微細構造に対してネガの構造を有する）が設けられる。形成範囲ＷはＬＥＤ素子１２の配置される点３４を中心にドーム状の頂点３０ａにおける法線２４に対するなす角θが指向角αの１．３３〜２．８倍の角度である。
【００２９】
このようなＬＥＤ１０を使用する場合、１対の端子１４および１６を通じてＬＥＤ素子１２に電力が供給されると、ＬＥＤ素子１２の上面から光が発せられる。ＬＥＤ素子１２から発せられた光は前方にあるレンズ２０に到達し、その光はレンズ効果により集束されてＬＥＤ１０外部へ放射される。ＬＥＤ素子１２から発せられた光は指向性を持つため、特にＬＥＤ素子１２の真正面であるレンズ２０の頂点２０ａを中心とした狭い範囲、つまりレンズ２０表面に反射防止用微細構造２２が形成される範囲Ｗを通過する。光が反射防止用微細構造２２を通過する際、空気に対する樹脂すなわちレンズ２０の体積が徐々に減少するのに伴い、屈折率も連続的に変化する。このため、レンズ２０と空気層との界面で光の反射が生じず、ＬＥＤ素子１２から発せられた光は外部（空気層）へ放射される。
【００３０】
一方、空気層からレンズ２０へ照射される外光は、空気に対するレンズ２０の体積が徐々に増加するのに伴い、屈折率も連続的に変化するため、レンズ２０と空気層との界面で外光の反射が生じず、空気層から照射される外光はレンズ２０内へ入射される。
【００３１】
反射防止用微細構造２２に錐体を用いることにより、レンズ２０表面でレンズ２０から空気層へ空気に対して反射防止用微細構造２２が占める体積は徐々に減少するのに伴い、屈折率が連続的に変化するため、広い波長域の光に対して反射を防止することができる。つまり、ＬＥＤ素子１２から発せられた光がレンズから外側の空気層へ放射される場合、反対に外部からＬＥＤ１０のレンズ２０内へ入射される場合に、レンズ２０表面で光反射を防止できるため、ＬＥＤの発光効率を向上させ、かつ発光と反射光とによる干渉を抑えることができる。
このように、ＬＥＤ素子１２から発せられた光がレンズ２０の表面を通過する範囲Ｗに反射防止用微細構造２２が形成されるため、レンズ２０の屈折率が連続的に変化して、ＬＥＤ素子１２から発せられた光はレンズ２０と空気層との界面で反射しない。このため、レンズ２０の表面における光損失を低減し、ＬＥＤ１０の発光効率を向上させることができる。
たとえば、図４に示すように、反射防止膜を蒸着したガラス（蒸着ＡＲ）では反射率は波長依存性を有し、波長５００ｎｍ付近では低い反射率を示すが、４００ｎｍ以下および６００ｎｍ以上の波長域では急激に反射率が増加している。これに対して、ガラスの表面に反射防止用微細構造２２（微細ＡＲ）を設けると、全波長領域で低い反射率を示す。このため、反射防止用微細構造２２を設けたガラスの表面では波長に影響されず、高い反射防止効果を得ることができる。
【００３２】
また、空気層からＬＥＤ１０へ照射された外光がレンズ２０表面の反射防止用微細構造２２が形成される範囲Ｗを通過する際、レンズ２０と空気層との界面で外光は反射しないため、この範囲ＷでＬＥＤから発せられた光と外光によりレンズ表面で生じる反射光とが干渉しないため、ＬＥＤの点滅を見分けることができる。
【００３３】
反射防止用微細構造２２の型が形成されるレンズ２０の金型３０に樹脂を注入するだけで、反射防止用微細構造２２とレンズ２０とを一体成型することができるため、新たな製造工程や材料を必要としなく、迅速かつ容易に発光効率を向上させたＬＥＤ１０を製造することができる。また、この構成は多くの樹脂の材料に適応することができるため、容易に製造することができる。
【００３４】
なお、反射防止用微細構造２２を四角錘の突起２６としたが、円錐形などを用いてもよい。
【００３５】
図５に示すこの発明の他の一実施例であるＬＤユニット１００はＬＤ素子１０２を含む。ＬＤ素子１０２はステム１０４の一方面上にマウントされたヒートシンク１０６に接合され、キャップ１０８で覆われて不活性ガス雰囲気内に密封される。ステム１０４の他方面にリード線１１０が取り付けられる。キャップ１０８は円柱状で、円形の底面は空いており、側面の底面側の端部はステム１０４と結合する。キャップ１０８の上面の中心に上面と同心円の穴１１２が空いており、その裏側にカバーガラス１１４が設けられる。
【００３６】
カバーガラス１１４は円板であり、その両面には図２に示す反射防止用微細構造２２が形成される。カバーガラス１１４は高い透光性を有する樹脂であり、たとえばポリカーボネート、アクリル樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）などの樹脂から形成される。反射防止用微細構造２２は図１に示すＬＥＤ１０の場合と同様であるため、説明は省略する。
【００３７】
このように、カバーガラス１１４の両面に反射防止用微細構造２２を設けると、カバーガラス１１４の表面でＬＤ素子１０２から発せられる光を反射しないため、ＬＤユニット１００の発光効率が良い。つまり、ＬＤ素子１０２から外部へ放射される光がカバーガラス１１４を通過する際、ＬＤ素子１０２側からカバーガラス１１４に向かって空気に対して反射防止用微細構造２２が占める体積は徐々に増加するに伴い、屈折率も徐々に変化するため、光は急激な屈折率の変化を受けず、カバーガラス１１４の表面でＬＤ素子１０２側へ反射しない。また、カバーガラス１１４内から外部に向かって空気に対して反射防止用微細構造２２が占める体積は徐々に減少するに伴い、屈折率も徐々に変化するため、光はカバーガラス１１４内へ反射しない。このため、ＬＤ素子１０２から発せられた光はカバーガラス１１４表面で光量を損失することなく、高い発光効率を得ることができる。
【００３８】
なお、反射防止用微細構造２２はカバーガラス１１４全体またはＬＤ素子１０２から発せられる光が通る部分など一部だけに設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の一実施例のＬＥＤを示す断面図である。
【図２】図１実施例のＬＥＤのレンズ表面に形成した反射防止用微細構造を示す斜視図である。
【図３】図１実施例のＬＥＤのレンズを形成する金型を示す断面図である。
【図４】ガラスの表面状態の違いにおける、光の波長に対する光反射率を示すグラフである。
【図５】この発明の他の実施例のＬＤユニットを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…ＬＥＤ
１２…ＬＥＤ素子
２０…レンズ
２２…反射防止用微細構造
１００…ＬＤユニット
１０２…ＬＤ素子
１１４…カバーガラス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005079244.tif 000008
【図５】
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