(57)【要約】【課題】  表面実装型発光ダイオード3用であって、サイドエミッタ配光特性を発現させる２次レンズ5やリフレクター7は今まで実現されていなかった。砲弾型発光ダイオードは放熱性が好ましくないため高出力のサイドエミッタ配光特性が構造上、実現できない。また２次レンズ5ではなく１次レンズでサイドエミッタ配光特性を有する構造は存在するが、製造が困難な上、理想的なサイドエミッタ配光特性は得られていない。 【解決手段】  本発明に係る光学装置は、発光ダイオードチップ1を有する表面実装型発光ダイオード3と、該発光ダイオード3の外周部分を覆い実装面に対して高さ方向の光を集光するレンズ5と、該発光ダイオード3の上方部分を覆い前記発光ダイオードチップ1からの光を実装面方向に反射させるミラーリフレクター7とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードチップを有する表面実装型発光ダイオードと、該発光ダイオードの外周部分を覆い、該発光ダイオードから入射した光を実装面に対して略平行光に変換するレンズと、該発光ダイオードの上方部分を覆い、前記発光ダイオードからの光を実装面に対して略平行光に変換するミラーに表面を覆われたリフレクターと、円筒状の透光性部材を有し、前記レンズと前記リフレクターとが前記透光性部材を介して嵌合されてなる光学装置。
【請求項２】
前記発光ダイオードと前記レンズが空気層を介在して設けられている請求項1に記載の光学装置。
【請求項３】
前記リフレクターが樹脂をベース材として構成され、ミラーが前記発光ダイオード側に形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項４】
前記発光ダイオードの光学特性が略cosθの配光特性を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記発光ダイオードを形成する発光ダイオードチップの周囲が中空である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記発光ダイオードがヒートシンク上に実装されてなる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置、特に発光ダイオードを用いて構成された光学装置に関する。また、チャネルレターやコンピュータ、ワードプロセッサ、テレビジョン等の画像表示に用いる液晶表示素子のバックライト光源などに利用される光学装置に係り、特に高輝度化と均一発光及び高混色性を高度にバランスをとった光学装置に関する。
【０００２】
さらには、ショーウィンドウや陳列ケースなどに用いられ陳列された商品を均一に照射し、輝線や輝点の発生させることなく商品をディスプレイすることが可能となる。
【０００３】
さらには、クリスマスツリー等を装飾するイルミネーション等にも使用可能な光学装置である。また、航空障害灯、壁面照明等の照明装置に転用可能な光学装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
近年、バックライト光源を有する液晶表示装置が携帯電子機器や各種画像表示機器に利用され始めている。液晶表示装置は、導光板と液晶セル、プリズムシート、拡散シート及びバックライト等から構成されている。現在は液晶表示装置を用いた表示機器は大型化の傾向が強まり、大型化に伴い、液晶表示装置に必須の構成要素である導光板が、大型のものの作製困難性、さらに又大型表示装置の軽量化や薄型化のため導光板を有しない、導光板レスの液晶表示装置が開発され始めている。
【０００５】
また従来は面状光源を形成するコアの光源をFL(蛍光ランプ)等の線上光源を利用してきたが、低消費電力と長寿命を考慮して、高輝度化が急速に進んでいる発光ダイオード3をバックライトの光源として利用され始めようとしている。
【０００６】
さらにはコンビニエンスストア等に設置されている飲料水等を陳列するディスプレイ用冷蔵庫にもFL(蛍光ランプ)等の光源から表面実装型発光ダイオード3への置き換えが始まっている。
【０００７】
さらにはクリスマスツリーを装飾するイルミネーション用の表面実装型発光ダイオード3は出射光を集光させるのではなく、発散させることが求められている。
【０００８】
これらの光学装置は光学特性として表面実装型発光ダイオード3の実装面をｘｙ平面とした場合、ｚ軸をｘｙ平面に垂直で表面実装型発光ダイオード3の実装面に対向する側と規定すると、ｚ軸を表面実装型発光ダイオード3の中心に位置させる。この場合、配光特性が左右対称でピークを２つ有する配光特性とは、先ほど定義した中心ではない部分に発光強度のピークを有し、左右どちらに傾くのでなくほぼ左右対称形で発光する発光特性をいう。このような発光特性をバットウィング配光特性（図５）及びサイドエミッタ配光特性（図４）という。
【０００９】
それに対して、ｘｙ方向に対する配光特性はcosθのカーブを有する配光特性とは、円形面状に光を発しているものを言い、光源に対向する位置が最も強く光り、対向する位置を中心とした場合、中心からズレていくにつれ、光が減衰し中心から９０°ズレたところで光を検出できなくなり、ちょうどcosθのカーブに類似するものを言う。レンズ5等を特につけていない発光ダイオード3等がこのような配光特性を有する。このような配光特性をランバーシャン配光特性（図６）とも言う。豆電球のような光は完全無指向であり、球状のものが全面に渡って過不足なく光っているとみなすことが出来る。
【００１０】
ここで上述の光学器具は光学特性としてサイドエミッタ配光特性が最も好まれる。冷蔵用光源はサイドエミッタ配光特性が直接利用される。また、他の光学機器は最終的には実装面たるｚ軸方向に光を出射するのであるが、表面実装型発光ダイオード3の周囲にリフレクター7が形成されており、このリフレクター7により光学特性が調整されているため、直接ｚ軸方向に出射するのではなく、一度ｘｙ平面方向に光を広げ、リフレクター7によって光学調整した後、ｚ軸方向に出射する技術が存在する。
【００１１】
【特許文献１】実開平７−３１５４号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
表面実装型発光ダイオード3用であって、サイドエミッタ配光特性を発現させる２次レンズ5やリフレクター7は今まで実現されていなかった。砲弾型発光ダイオードは放熱性が好ましくないため高出力のサイドエミッタ配光特性が構造上、実現できない。また２次レンズ5ではなく１次レンズ5サイドエミッタ配光特性を有する構造は存在するが、製造が困難な上、理想的なサイドエミッタ配光特性は得られていない。理由は、発光ダイオードチップが点光源でないためミラー等のミラーを設けなければ、全て屈折率差を利用して全反射を行なうことは不可能で、発光ダイオードチップ直上に制御し切れなかった光が漏れてしまう。また１次レンズを使用した場合等は当然レンズ5とリフレクター7とが一体であるためリフレクター7にミラーのミラーを形成する場合、ミラーへの機械的ダメージが無視できなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上の課題を解決するために、本発明に係る光学装置は、発光ダイオードチップ1を有する表面実装型発光ダイオード3と、該発光ダイオード3の外周部分を覆い、該発光ダイオードから入射した光を実装面に対して略平行光に変換するレンズ5と、該発光ダイオード3の上方部分を覆い、前記発光ダイオード3からの光を実装面に対して略平行光に変換するミラーに表面を覆われたリフレクター7と、円筒状の透光性部材を有し、前記レンズと前記リフレクターとが前記透光性部材を介して嵌合されてなる。
【００１４】
表面実装型発光ダイオード3を採用するため、高い放熱性が確保することができる。表面実装型発光ダイオード3の上方部分を覆い前記発光ダイオードチップ1からの光を実装面方向に反射させるミラーに表面を覆われたリフレクター7とを有することにより屈折率差を利用した全反射のみでなく、全反射し切れなかった光もミラーが有するミラー効果によりサイドエミッタ配光特性に寄与することが可能となる。
【００１５】
本発明に係る光学装置は、前記発光ダイオード3と前記レンズ5が空気層9を介在して設けられている。空気層9を介在させる構造、すなわち物理的に熱源たる表面実装型発光ダイオード3とレンズ5を接することなく配置することにより、レンズ5の熱によるダメージを回避することができる構造となる。また、密封系のレンズ5であればレンズ5効果を発現させることができるのが外側の面の１面のみであるが、中空13構造を採用することにより、レンズ5の外側の面だけでなく、内側の面もレンズ5効果を発現させることが可能となり、レンズ5効果の向上が可能となる。
【００１６】
本発明に係る前記リフレクター7が樹脂をベース材として構成され、ミラーが前記発光ダイオード3側に形成されている。この構成を採用することにより外部からのミラーへのダメージを防止することが可能となる。よって外側にミラーを形成する場合よりも薄く形成することが可能である。
【００１７】
本発明に係る前記発光ダイオード3の光学特性が略cosθの配光特性を有する。発光ダイオードの光学特性は特別なレンズ等を使用しない状態では原則略cosθの配光特性を示すものであり、この配光特性を変化させて使用するのが、本発明の目的だからである。
【００１８】
本発明に係る前記円筒状の透光性部材が円筒高さ方向の光を集光する方向にフレネル加工がなされている。円筒形状の透光性部材にもレンズ5効果を発現させることにより側方への光出射を強めることが可能である。
【００１９】
本発明に係る前記発光ダイオード3を形成する発光ダイオードチップ1の周囲が中空13である。発光ダイオードチップ1の周囲を中空13構造にすることにより、表面実装型発光ダイオード3内部でのレンズ5効果を抑制でき、理想的な点光源が実現できる。光源を点と仮定してそもそも設計しているため、光源を点光源化することにより実験値と設計値のズレを最小限にすることができる。
【００２０】
本発明に係る前記発光ダイオード3がヒートシンク15上に実装されてなる。ヒートシンク15上に表面実装型発光ダイオード3を実装することにより高出力表面実装型発光ダイオードにも適用可能である。
【発明の効果】
【００２１】
以上の構成により、本発明に係る上記光学装置によれば、一般的に流通している表面実装型発光ダイオードの配光特性をサイドエミッタ配光特性に変換して使用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための光学装置を例示するものであって、本発明は光学装置を以下に限定するものではない。また、各図面に示す部材の大きさや位置関係などは説明を明確にするために誇張しているところがある。
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。
【００２４】
本実施形態の光学装置は、図1に示すのような構成に設けられている。図２には図１におけるＩ−Ｉ’線断面図が記載されている。内部構造の略図を図示している。図３には図１の展開図を示している。
【００２５】
以下に各部材について個別に説明する。
【００２６】
（表面実装型発光ダイオード3）
表面実装型発光ダイオード3とは、発光ダイオードチップ1が実装されたものを言う。
【００２７】
発光ダイオードチップ1は、基板上にＧａＡｌＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させたものが用いられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から赤外光まで種々選択することができる。発光層は、量子効果が生ずる薄膜とした単一量子井戸構造や多重量子井戸構造としても良い。
【００２８】
高輝度な発光ダイオードチップ1を形成可能な半導体材料として窒化ガリウム系化合物半導体を用いることが好ましく、また、赤色ではガリウム・アルミニウム・砒素系の半導体やアルミニウム・インジュウム・ガリウム・燐系の半導体を用いることが好ましいが、用途によって種々利用することもできる。発光色は上述のごとく適宜選択され、自動車等に使用される場合、その自動車会社のカンパニーカラーが選択される場合が多い。
【００２９】
窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯやＧａＮ単結晶等の材料が用いられる。結晶性の良い窒化ガリウムを量産性良く形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。窒化物系化合物半導体を用いた発光ダイオードチップ1例を示す。サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファー層を形成する。その上にＮ型或いはＰ型のＧａＮである第１のコンタクト層、量子効果を有するＩｎＧａＮ薄膜である活性層、Ｐ或いはＮ型のＡｌＧａＮであるクラッド層、Ｐ或いはＮ型のＧａＮである第２のコンタクト層を順に形成した構成とすることができる。窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でＮ型導電性を示す。なお、発光効率を向上させる等所望のＮ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。
【００３０】
一方、Ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化ガリウム系半導体は、Ｐ型ドーパントをドープしただけではＰ型化しにくいためＰ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低電子線照射やプラズマ照射等によりアニールすることでＰ型化させる必要がある。こうして形成された半導体ウエハーを部分的にエッチングなどさせ正負の各電極を形成させる。その後半導体ウエハーを所望の大きさに切断することによって発光ダイオードチップ1を形成することができる。
【００３１】
こうした発光ダイオードチップ1は、適宜複数個用いることができ、その組み合わせによって白色表示における混色性を向上させることもできる。例えば、緑色系が発光可能な発光ダイオードチップ1と青色系及び赤色色系が発光可能な発光ダイオードチップ1をそれぞれ１個ずつとすることが出来る。表面実装型発光ダイオード3において蛍光物質を用いて白色系の混色光を発光させる場合は、蛍光物質からの発光波長との補色関係や透光性樹脂の劣化等を考慮して発光ダイオードチップ1の発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。発光ダイオードチップ1と蛍光物質との励起、発光効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。なお、比較的紫外線により劣化されにくい部材との組み合わせにより４００ｎｍより短い紫外線領域或いは可視光の短波長領域を主発光波長とする発光ダイオードチップ1を用いることもできる。
【００３２】
（レンズ5）
レンズ5の材料としては、近紫外から可視光、近赤外までの間の波長の光に対して、一定以上の透光性を有する材料であれば良く、具体的には、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ノルボルネン系樹脂、シクロオレフィン系ポリマー（COP）、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、サファイア、石英、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、シリカガラス、オキシナイトライドガラス、希土類ガラス等が挙げられる。屈折率としては、１．３〜２．０のものが好適に使用される。
【００３３】
（リフレクター7）
リフレクター7のミラーにはAg,Al,Ni,Au,Cu等の金属、又は、SiO2/ZrO2、若しくは、SiO2/TiO2等の金属酸化膜層が使用される。表面実装型発光ダイオード3からの出射光が複数の波長帯からなる混色光の場合には反射が波長に依存しない金属が好適に用いられ、金属の場合には反射率の高いAg若しくは耐久性の高いAlが好適に使用される。表面実装型発光ダイオード3からの出射光が単色光である場合は、金属より反射率の高い金属酸化膜層が用いられる。金属酸化膜層は波長依存性があり、波長によってその膜厚が最適化される。また逆に出射光が複数の波長帯からなる混色光の場合に、あえて金属酸化膜層を用いて分光させスペクトル化させることによりイルミネーション性を向上させ使用することもありうる。
【００３４】
（円筒状の透明部材）
円筒形状の材料としては、レンズ5の材料と同一群から選択され、レンズ5材料と同一でも異ならさせても良い。具体的には、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ノルボルネン系樹脂、シクロオレフィン系ポリマー（COP）、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、サファイア、石英、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、シリカガラス、オキシナイトライドガラス、希土類ガラス等が挙げられる。屈折率としては、１．３〜２．０のものが好適に使用される。
本発明に係る光学装置は、前記レンズ5と前記リフレクター7とが円筒状の透光性部材を介して機械的に接合している。リフレクター7とレンズ5は別部品であるが、１つの光学特性を共に発現させるために一体不可分の関係にあるため、機械的に結合されていることが好ましい。単なる金属棒等で部分的に固定することが考えられるが、その金属棒等自身の影ができてしまうため、サイドエミッタ配光特性にとって好ましくない。また、透光性樹脂等の棒で固定することも考えられるが、樹脂と空気の界面で屈折や反射が起こるのは避けられず、サイドエミッタ配光特性への悪影響は当然に想定される。そこで円筒状の透光性部材を使用することによりサイドエミッタ配光特性に悪影響を与えることなく実現できる。さらにこの円筒状の透光性部材に光学設計を施すことによりベースの配光特性はサイドエミッタ配光特性でありながら任意の光学特性を持たせることが可能となる。例えば、透光性部材を色付き透光性部材にすることも可能であるし、複数の色付き透光性部材をｚ軸上にライン状に配列させれば見る位置・角度により異なる色を発光するイルミネーションとして使用できる。さらにこれを回転可能にするに設計するとイルミネーション性がさらに高まる。
【００３５】
またイルミネーションとして使用する場合、通常の光学装置では嫌われるギラツキ、すなわちｘｙ平面内で強い不均一な発光が返って好まれる場合がある。そのような場合、透光性部材に蛍光体を模様状に形成すれば、その模様の部分だけ発光色が変化してイルミネーション性が向上する。また熱源となる光源から物理的に離れているため耐熱性が良い無機物蛍光体だけでなく、耐熱性が良くない有機物蛍光体の使用も可能となる。
さらに透光性部材に金属球や金属板（ラメ）を封入させることにより、金属表面で乱反射を起こし、更なるイルミネーション性が向上する。屈折率の異なる透光性部材を部分的に使用したり、透光性部材の厚みを部分的に変更したり、ボイドを含有させたり、表面を宝石カット、フレネルレンズ、イボイボレンズのような処理を施すことによりイルミネーション性は飛躍的に向上する。
【００３６】
（蛍光体）
本発明に係る光学装置に使用可能な蛍光体としては、耐熱性の高い無機物蛍光体として、アルミニウム酸化物系蛍光体、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体、窒化物系蛍光体、アルカリ土類金属珪酸塩系蛍光体等が用いられ、若しくは高い変換効率を有する有機物蛍光体が使用可能である。例えば、表面実装型発光ダイオード3内に封入する場合は耐熱性の高い無機物蛍光体が好適に用いられ、また円筒状の透明部材内に封入等される場合は熱があまりかからない為、耐熱性は低いが変換効率が高い有機物蛍光体が好適に用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、薄型・軽量化の要請が著しい液晶用バックライトや単なる看板用等のバックライト、ディスプレイ用冷蔵庫、一般照明、イルミネーション用光源に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る実施形態の光学装置の斜視図である。
【図２】本発明に係る実施形態の光学装置の断面斜視図である。
【図３】本発明に係る実施形態の光学装置の分解斜視図である。
【図４】サイドエミッタ配光特性を表す図である。
【図５】バットウィング配光特性を表す図である。
【図６】ランバーシャン配光特性を表す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・発光ダイオードチップ
３・・・表面実装型発光ダイオード
５・・・レンズ
７・・・リフレクター
９・・・空気層
１１・・・円筒形状の透明部材
１３・・・中空
１５・・・ヒートシンク
【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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