(57)【要約】【課題】発光素子を適切な材料、大きさ又は形状の封止部材で封止することにより、発光素子から出射された光の取出し効率を向上することができる発光装置を提供する。【解決手段】基板２上にＬＥＤチップ１を実装し、ＬＥＤチップ１を封止部材３で封止する。封止部材３は、略半球体状をなす。封止部材３の球体中心にＬＥＤチップ１のＩＴＯ層１１の略中心を整合配置してある。そして、封止部材３の直径をｄ、ＬＥＤチップ１の基板２面に沿った寸法をｓ、封止部材３の屈折率をＮａ、及び封止部材３の外側の媒質の屈折率をＮｘとした場合、Ｎａ≧Ｎｘ、かつ、ｄ≧ｓ・（Ｎａ／Ｎｘ）の関係を満たす。【選択図】図２
2012015414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に実装された発光素子を備え、該発光素子を封止する封止部材を前記基板上に設けた発光装置において、
前記発光素子は、
発光層と、
該発光層の表面に形成された出射面と
を備え、
前記封止部材は、略半球体状をなし、
前記封止部材の球体中心に前記出射面の略中心を整合配置してあり、
前記封止部材の直径をｄ、前記発光素子の外形寸法をｓ、前記封止部材の屈折率をＮａ、及び該封止部材の外側の媒質の屈折率をＮｘとした場合、
Ｎａ≧Ｎｘ、かつ、ｄ≧ｓ・（Ｎａ／Ｎｘ）
の関係を満たすことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記出射面の屈折率をＮｉとした場合、
Ｎｉ≦Ｎａ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
略半球体状をなし、前記封止部材を封止する他の封止部材をさらに備え、
該他の封止部材の球体中心に前記出射面の略中心を整合配置してあり、
前記他の封止部材の直径をＤ、該他の封止部材の屈折率をＮｂ、該他の封止部材の外側の媒質の屈折率をＮｃとした場合、
Ｎｂ≧Ｎｃ、かつ、Ｄ≧ｄ・（Ｎｂ／Ｎｃ）
の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２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、発光素子を備える発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）又は有機ＥＬのような発光素子では、発光効率の向上、小型化、低省電力化、長寿命化等の改善がなされ、このような改善の結果、これらの発光素子が実装された発光装置（例えば、発光ダイオード）が照明装置又は表示装置などの光源として使用されている。
【０００３】
ＬＥＤチップなどの発光素子は、基板上に実装されている。そして、発光素子は、例えば、屈折率が１．５程度の透明のエポキシ樹脂等で封止されている。屈折率が空気の場合よりも大きいエポキシ樹脂で発光素子を封止することにより、発光素子からの光取り出し効率を向上することができる。
【０００４】
発光素子からの光取り出し効率を向上させる例として、例えば、屈折率が２．４の発光層を有する発光素子の出射面に、屈折率が１．７の高屈折率樹脂を設け、外形が半球状であって屈折率が１．９の光学的アタッチメントを設け、光学的アタッチメントの中心部分が高屈折率樹脂を介して発光素子の出射面に接続されている発光ダイオードが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の発光ダイオードのように、屈折率が１．９の光学的アタッチメントを発光素子の出射面に接続したとしても、出射面と光学的アタッチメントとの間には高屈折率樹脂を設けてあるので、発光層から放射された光の一部は出射面と高屈折率樹脂との境界で全反射する場合がある。また、光学的アタッチメントの大きさ又は形状によっては発光素子から出射された光の一部は光学的アタッチメントの内部で全反射するので、光学的アタッチメントに入射した光の一部は利用できる光として外部へ出射されず、光の取出し効率が低くなる。この出射されない光の大部分は熱に変換され、この熱が発光素子に与える影響により、さらに発光効率が低くなるという問題がある。
【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、発光素子を適切な材料、大きさ又は形状の封止部材で封止することにより、発光素子から出射された光の取出し効率を向上することができる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】
【０００８】
本発明に係る発光装置は、基板に実装された発光素子を備え、該発光素子を封止する封止部材を前記基板上に設けた発光装置において、前記発光素子は、発光層と、該発光層の表面に形成された出射面とを備え、前記封止部材は、略半球体状をなし、前記封止部材の球体中心に前記出射面の略中心を整合配置してあり、前記封止部材の直径をｄ、前記発光素子の外形寸法をｓ、前記封止部材の屈折率をＮａ、及び該封止部材の外側の媒質の屈折率をＮｘとした場合、Ｎａ≧Ｎｘ、かつ、ｄ≧ｓ・（Ｎａ／Ｎｘ）の関係を満たすことを特徴とする。
【０００９】
本発明にあっては、発光素子は、発光層と、発光層の表面に形成された出射面とを備え、発光素子を封止する封止部材は、略半球体状をなす。封止部材の球体中心に発光素子の出射面の略中心を整合配置してある。そして、封止部材の直径をｄ、発光素子の外形寸法をｓ、封止部材の屈折率をＮａ、及び封止部材の外側の媒質の屈折率をＮｘとした場合、Ｎａ≧Ｎｘ、かつ、ｄ≧ｓ・（Ｎａ／Ｎｘ）の関係を満たす。発光素子の外形寸法は、例えば、発光素子の基板面上の最大寸法とすることができる。また、外側の媒質は、例えば、空気又は他の部材である。前述の関係を満たすことにより、封止部材の屈折率Ｎａが外側の媒質の屈折率Ｎｘ以上であっても、封止部材と外側の媒質との境界において、封止部材を透過する光の境界面での入射角を臨界角以下にすることができる。これにより、封止部材に入射した光が封止部材の外側へ出射する場合、封止部材と外側の媒質との境界で全反射することなく１度ですべての光が外側の媒質へ出射するため、発光素子の光の取出し効率が向上する。また、発光素子の外形寸法ｓ、封止部材の屈折率Ｎａ、外側の媒質の屈折率Ｎｘは既知の値であるので、封止部材に必要な直径dを容易に求めることができ、封止部材の大きさを特定することができ、封止部材に使用する材料を最小限に抑えることができる。また、直径ｄを特定することができるので、直径を不必要に大きくすることなく、直径ｄを必要最小限の光路とすることができ、光が封止部材を透過する際に封止部材で吸収される割合を小さくすることができ、さらに発光素子の光の取出し効率が向上する。
【００１０】
本発明に係る発光装置は、前記出射面の屈折率をＮｉとした場合、Ｎｉ≦Ｎａの関係を満たすことを特徴とする。
【００１１】
本発明にあっては、出射面の屈折率をＮｉとした場合、Ｎｉ≦Ｎａの関係を満たす。発光素子の出射面の屈折率Ｎｉが出射面と境界をなす封止部材の屈折率Ｎａ以下であるため、発光素子から出射した光が、出射面と封止部材との境界面で全反射することなく１度で封止部材へ入射するので、発光素子の取出し効率がさらに向上する。
【００１２】
本発明に係る発光装置は、略半球体状をなし、前記封止部材を封止する他の封止部材をさらに備え、該他の封止部材の球体中心に前記出射面の略中心を整合配置してあり、前記他の封止部材の直径をＤ、該他の封止部材の屈折率をＮｂ、該他の封止部材の外側の媒質の屈折率をＮｃとした場合、Ｎｂ≧Ｎｃ、かつ、Ｄ≧ｄ・（Ｎｂ／Ｎｃ）の関係を満たすことを特徴とする。
【００１３】
本発明にあっては、略半球体状をなし、前述の封止部材を封止する他の封止部材をさらに備え、他の封止部材の球体中心に発光素子の出射面の略中心を整合配置してある。そして、他の封止部材の直径をＤ、他の封止部材の屈折率をＮｂ、他の封止部材の外側の媒質の屈折率をＮｃとした場合、Ｎｂ≧Ｎｃ、かつ、Ｄ≧ｄ・（Ｎｂ／Ｎｃ）の関係を満たす。なお、この場合、前述の屈折率ＮｘがＮｂに相当する。前述の関係を満たすことにより、他の封止部材の屈折率Ｎｂが外側の媒質の屈折率Ｎｃ以上であっても、他の封止部材と外側の媒質との境界において、他の封止部材を透過する光の境界面での入射角を臨界角以下にすることができる。これにより、他の封止部材に入射した光が他の封止部材の外側へ出射する場合、他の封止部材と外側の媒質との境界で全反射することなく１度ですべての光が外側の媒質へ出射するため、発光素子の光の取出し効率が向上する。また、封止部材の直径ｄ、他の封止部材の屈折率Ｎｂ、外側の媒質の屈折率Ｎｃは既知の値であるので、他の封止部材に必要な直径Ｄを容易に求めることができ、他の封止部材の大きさを特定することができ、他の封止部材に使用する材料を最小限に抑えることができる。また、直径Ｄを特定することができるので、直径を不必要に大きくすることなく、直径Ｄを必要最小限の光路とすることができ、光が他の封止部材を透過する際に他の封止部材で吸収される割合を小さくすることができ、さらに発光素子の光の取出し効率が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、封止部材に入射した光が封止部材の外側へ出射する場合、封止部材と外側の媒質との境界で全反射することなく１度ですべての光が外側の媒質へ出射するため、発光素子の光の取出し効率が向上する。また、封止部材に必要な直径dを容易に求めることができ、封止部材の大きさを特定することができ、封止部材に使用する材料を最小限に抑えることができる。また、封止部材の直径を必要最小限の光路とすることができ、光が封止部材を透過する際に封止部材で吸収される割合を小さくすることができ、さらに発光素子の光の取出し効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１の発光装置の構成の一例を示す要部平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における縦断面図である。
【図３】ＬＥＤチップの構成の一例を示す縦断面図である。
【図４】実施の形態１の発光装置の光の出射経路の一例を示す模式図である。
【図５】実施の形態２の発光装置の構成の一例を示す要部平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線における縦断面図である。
【図７】実施の形態２の発光装置の光の出射経路の一例を示す模式図である。
【図８】実施の形態３の発光装置の構成の一例を示す要部縦断面図である。
【図９】実施の形態４の発光装置の構成の一例を示す要部縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は実施の形態１の発光装置１０の構成の一例を示す要部平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線における縦断面図である。
【００１７】
図１、図２に示すように、実施の形態１の発光装置１０は、基板２上に発光素子としてのＬＥＤチップ１を実装してある。そして、ＬＥＤチップ１を覆うようにしてＬＥＤチップ１を封止する封止部材３を基板２上に設けてある。
【００１８】
図１、図２の例では、基板２は平面視が矩形状をなし、ＬＥＤチップ１も矩形状をなしている。また、封止部材３は、略半球体状をなしている。封止部材３は、ＬＥＤチップ１の出射面であるＩＴＯ層１１に光結合されている。
【００１９】
図３はＬＥＤチップ１の構成の一例を示す縦断面図である。ＬＥＤチップ１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体発光素子であり、ＬＥＤチップ１は、絶縁基板であるサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板１６上に、バッファ層１５、ＧａＮ層（ｎ型）１４、発光層としてのＧａＮ発光層１３、ＧａＮ層（ｐ型）１２、出射面としてのＩＴＯ層１１を、この順に積層してある。ＩＴＯ層は、インジウム・スズ酸化物からなる電極層である。ＬＥＤチップ１は、不図示のワイヤーによって基板２上の配線（不図示）と電気的に接続されている。ＧａＮ発光層１３から放出された光は、主に出射面としてのＩＴＯ層１１を通って取り出される。
【００２０】
封止部材３は、ＬＥＤチップ１を覆っている。なお、封止部材３は、蛍光物質を含有してもよい。蛍光物質は、例えば、従来使用されているものを用いることができる。
【００２１】
ＧａＮ発光層１３の屈折率Ｎｇは、例えば、Ｎｇ＝２．５であり、ＩＴＯ層１１、すなわち出射面の屈折率Ｎｉは、Ｎｉ＝１．９であり、封止部材３の外側、すなわち出射側の媒質、例えば、空気の屈折率Ｎｃは、Ｎｃ＝１．０である。この場合、封止部材３の屈折率Ｎａを、例えば、Ｎａ≧Ｎｉ、Ｎａ＜Ｎｇ、Ｎａ≧Ｎｃとする。また、封止部材３の光の透過率が高いことが望ましい。封止部材３は、例えば、高屈折率のガラスなどを用いることができる。
【００２２】
実施の形態１では、封止部材３の外側の媒質が空気であるため、封止部材３の外側の媒質の屈折率Ｎｘは、Ｎｘ＝Ｎｃとなる。なお、外側の媒質は水であってもよい。
【００２３】
ＬＥＤチップ１のＩＴＯ層１１の屈折率Ｎｉは、比較的大きいため（例えば、Ｎｉ＝１．９）、ＬＥＤチップ１のＩＴＯ層１１から直接空気中へ光が照射された場合、ＩＴＯ層１１と空気の屈折率の差が大きいため、ＩＴＯ層１１と空気との境界面で当該境界面に入射する光の約６５％が全反射する。つまり、ＩＴＯ層１１から出射された光の約３５％しか取り出すことができない。そこで、ＬＥＤチップ１を封止部材３で封止し、例えば、封止部材３の屈折率ＮａをＮａ＝１．７程度とした場合、ＩＴＯ層１１と封止部材３の屈折率の差を空気の場合よりも小さくすることができ、ＩＴＯ層１１と封止部材３との境界面で約３０％程度の光が全反射し、残りの約７０％の光が封止部材３へ入射するため、光の取出し効率を空気の場合に比べて２倍程度高くすることができる。
【００２４】
また、封止部材３の屈折率Ｎａをさらに大きくし、ＩＴＯ層１１の屈折率Ｎｉ以上にした場合（Ｎａ≧Ｎｉ）、ＬＥＤチップ１から出射した光が、ＩＴＯ層１１（出射面）と封止部材３との境界面で全反射することなく１度で封止部材３へ入射するので、ＬＥＤチップ１の光の取出し効率をさらに向上させることができる。
【００２５】
なお、封止部材３の屈折率ＮａがＩＴＯ層１１の屈折率Ｎｉより小さい場合には、ＧａＮ発光層１３から出射した光の一部がＩＴＯ層１１と封止部材３との境界面で全反射するが、封止部材３の屈折率Ｎａをできるだけ大きくすることにより、境界面での全反射を抑制することができるので、必ずしも、封止部材３の屈折率ＮａをＩＴＯ層１１の屈折率Ｎｉより大きくする必要はない。実施の形態１では、Ｎａ＝Ｎｉ＝１．９とすることができる。
【００２６】
封止部材３は、略半球体状をなす。そして、図２に示すように、封止部材３の球体中心にＬＥＤチップ１の出射面（ＩＴＯ層１１）の略中心を整合配置してある。すなわち、図２に示すように、ＩＴＯ層１１の表面の中心と、封止部材３の球体中心とが略同じ位置になるように、ＬＥＤチップ１及び封止部材３を配置してある。なお、ＩＴＯ層１１の表面の中心と、封止部材３の球体中心とは同じ位置が望ましいが、光の取出し効率が許容範囲内で高ければ、必ずしも同じ位置である必要はなく、多少の誤差を含んでもよい。
【００２７】
そして、封止部材３の直径をｄ、ＬＥＤチップ１の基板２の面に沿った寸法をｓ、封止部材３の屈折率をＮａ、及び封止部材３の外側の媒質（例えば、空気）の屈折率をＮｃとした場合、ｄ≧ｓ・（Ｎａ／Ｎｃ）の関係を満たすようにする。
【００２８】
図４は実施の形態１の発光装置１０の光の出射経路の一例を示す模式図である。図４はＬＥＤチップ１のＩＴＯ層１１から封止部材３へ入射した光の経路を示す。また、封止部材３の屈折率Ｎａは、ＩＴＯ層１１の屈折率Ｎｉと同じ値（Ｎａ＝Ｎｉ＝１．９）であるとする。この場合、ＬＥＤチップ１から出射した光は、ＩＴＯ層１１と封止部材３との境界面で全反射することなく、ほぼすべて封止部材３へ入射する。ＩＴＯ層１１の表面に沿ってｘ軸をとり、ＩＴＯ層１１の表面に垂直な方向にｙ軸をとり、ｘ軸とｙ軸の交点をＯとする。
【００２９】
封止部材３に入射した光が、封止部材３と外側の媒質（空気）との境界面で外側の媒質に入射する入射角をθとする。封止部材３に入射した光が外側の媒質へ出射する際、封止部材３の屈折率Ｎａ≧外側の媒質の屈折率Ｎｃの場合、入射角θが、式（１）の関係を満たすときは、封止部材３の媒質との境界面で全反射することなく、封止部材３を透過した光は、ほぼすべて外側の媒質へ出射する。
【００３０】
【数１】
2012015414.tif 000003
【００３１】
入射角θは、ＩＴＯ層１１の表面のｘ軸上の任意の点Ｐ（ａ、０）からｘ軸と角度β（ｒａｄ）をなす方向へ出射した光が、封止部材３の球面内側に入射する角度である。光が入射する封止部材３の球面内側の点Ｑの座標を（ｘ０、ｙ０）とすると（ｙ０≧０）、点Ｑのｘ座標ｘ０、ｙ座標ｙ０は、式（２）の連立方程式の解である。
【００３２】
式（２）を解くことにより、入射角θは、式（３）で表わすことができる。
【００３３】
式（３）により、ＩＴＯ層１１上の任意の点Ｐのｘ座標ａが、−ｓ／２≦ａ≦ｓ／２の範囲、及び角度βが、０≦β≦πの範囲において、入射角θが最大となるのは、ａ＝±ｓ／２、β＝π／２のときである。入射角θの最大値をθｍａxとすると、最大角θｍａxは、式（４）で表わすことができる。
【００３４】
【数２】
2012015414.tif 000004
【００３５】
最大角θｍａxが、全反射が発生する臨界角以下であれば、封止部材３を透過する光が、封止部材３と外側の媒質との境界面で全反射することなく、外側の媒質へ入射する。最大角θｍａxが臨界角以下である条件は、式（５）で表わすことができる。式（５）を解くことにより、式（６）を得ることができる。
【００３６】
すなわち、封止部材３の直径をｄ、ＬＥＤチップ１の基板２の面に沿った寸法をｓ、封止部材３の屈折率をＮａ、封止部材３の外側の媒質の屈折率をＮｃとした場合、ｄ≧ｓ・（Ｎａ／Ｎｃ）の関係を満たすことにより、封止部材３の屈折率Ｎａが外側の媒質の屈折率Ｎｃ以上であっても、封止部材３と外側の媒質との境界において、封止部材３を透過する光の境界面での入射角を臨界角以下にすることができる。これにより、封止部材３に入射した光が封止部材３の外側へ出射する場合、封止部材３と外側の媒質との境界で全反射することなく１度ですべての光が外側の媒質へ出射するため、ＬＥＤチップ１の光の取出し効率が向上する。
【００３７】
また、ＬＥＤチップ１の基板２の面に沿った寸法ｓ、封止部材３の屈折率Ｎａ、外側の媒質の屈折率Ｎｃは既知の値であるので、封止部材３に必要な直径dを容易に求めることができ、封止部材３の大きさを特定することができ、封止部材３に使用する材料を最小限に抑えることができる。また、直径ｄを特定することができるので、直径を不必要に大きくすることなく、直径ｄを必要最小限の光路とすることができ、光が封止部材３を透過する際に封止部材３で吸収される割合を小さくすることができ、さらにＬＥＤチップ１の光の取出し効率が向上する。
【００３８】
本実施の形態では、封止部材３の外側（出射側）の媒質は空気であるので、屈折率Ｎｃは、Ｎｃ＝１．０となる。封止部材３の屈折率Ｎａは、Ｎａ＝１．９であるから、ｄ≧ｓ×１．９を満たすように封止部材３の直径ｄを決定することができる。また、ＬＥＤチップ１の寸法ｓが、ｓ＝０．４ｍｍとすると、ｄ≧０．７６ｍｍを満たせばよい。例えば、封止部材３の直径ｄを、必要最小限の光路となるようにｄ＝０．８０ｍｍとすることができる。
【００３９】
本実施の形態では、封止部材３の球体中心にＬＥＤチップ１の出射面としてのＩＴＯ層１１の略中心を整合配置するとともに、式（６）を充足しているので、ＬＥＤチップ１から出射され、封止部材３へ入射した光は、封止部材３と外側の媒質との境界面で全反射することなく１度ですべて外側の媒質へ出射する。このため、ＬＥＤチップ１からの光の取出し効率を向上させることができる。また、取出し効率を向上させることにより、封止部材３の内部等で熱に変換される光の量を低減することができ、発熱量を抑制してさらにＬＥＤチップ１の発光効率を向上させることができる。
【００４０】
また、ＬＥＤチップ１の寸法ｓ、封止部材３の屈折率Ｎａ、外側の媒質の屈折率Ｎｃは既知の値であるので、封止部材３に必要な直径dを容易に求めることができ、封止部材３の大きさを特定することができ、封止部材３に使用する材料を最小限に抑えることができる。また、直径ｄを特定することができるので、直径を不必要に大きくすることなく、直径ｄを必要最小限の光路とすることができ、光が封止部材３を透過する際に封止部材３で吸収される割合を小さくすることができ、さらに発光素子の光の取出し効率が向上する。
【００４１】
（実施の形態２）
図５は実施の形態２の発光装置２０の構成の一例を示す要部平面図であり、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線における縦断面図である。実施の形態１との違いは、他の封止部材としての封止部材４をさらに備える点である。
【００４２】
図５、図６に示すように、実施の形態２の発光装置２０は、基板２上に発光素子としてのＬＥＤチップ１を実装してある。そして、ＬＥＤチップ１を覆うようにしてＬＥＤチップ１を封止する封止部材３を基板２上に設けてある。さらに、封止部材３を封止する他の封止部材としての封止部材４をさらに備える。
【００４３】
図５、図６の例では、基板２は平面視が矩形状をなし、ＬＥＤチップ１も矩形状をなしている。また、封止部材３は、略半球体状をなしている。封止部材３は、ＬＥＤチップ１の出射面であるＩＴＯ層１１に光結合されている。また、封止部材４も、球体の略上半体をなしている。なお、ＬＥＤチップ１、封止部材３は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。
【００４４】
ＧａＮ発光層１３の屈折率Ｎｇは、例えば、Ｎｇ＝２．５であり、ＩＴＯ層１１、すなわち出射面の屈折率Ｎｉは、Ｎｉ＝１．９であり、封止部材４の外側、すなわち出射側の媒質、例えば、空気の屈折率Ｎｃは、Ｎｃ＝１．０である。この場合、封止部材４の屈折率Ｎｂを、Ｎｂ≧Ｎｃとする。また、封止部材４の光の透過率が高いことが望ましい。封止部材４は、例えば、封止部材３と同様に高屈折率のガラスなどを用いることができる。
【００４５】
実施の形態２では、封止部材３の外側の媒質が封止部材４であるため、封止部材３の外側の媒質の屈折率Ｎｘは、Ｎｘ＝Ｎｂとなる。
【００４６】
封止部材４は、略半球体状をなす。そして、図６に示すように、封止部材４の球体中心にＬＥＤチップ１の出射面（ＩＴＯ層１１）の略中心を整合配置してある。すなわち、図６に示すように、ＩＴＯ層１１の表面の中心と、封止部材４の球体中心とが略同じ位置になるように、ＬＥＤチップ１及び封止部材４を配置してある。封止部材３の球体中心についても実施の形態１と同様、ＬＥＤチップ１の出射面（ＩＴＯ層１１）の略中心を整合配置してある。なお、ＩＴＯ層１１の表面の中心と、封止部材４の球体中心とは同じ位置が望ましいが、光の取出し効率が許容範囲内で高ければ、必ずしも同じ位置である必要はなく、多少の誤差を含んでもよい。
【００４７】
そして、封止部材４の直径をＤ、封止部材３の直径をｄ、封止部材４の屈折率をＮｂ、及び封止部材４の外側の媒質（例えば、空気）の屈折率をＮｃとした場合、Ｄ≧ｄ・（Ｎｂ／Ｎｃ）の関係を満たすようにする。なお、封止部材４の外側の媒質は水であってもよい。
【００４８】
図７は実施の形態２の発光装置２０の光の出射経路の一例を示す模式図である。図７はＬＥＤチップ１のＩＴＯ層１１から封止部材３へ入射した光が、さらに封止部材４へ入射した場合の経路を示す。なお、封止部材３に入射した光の経路は実施の形態１と同様である。実施の形態１と土曜に、ＩＴＯ層１１の表面に沿ってｘ軸をとり、ＩＴＯ層１１の表面に垂直な方向にｙ軸をとり、ｘ軸とｙ軸の交点をＯとする。
【００４９】
封止部材４に入射した光が、封止部材４と外側の媒質（空気）との境界面で外側の媒質に入射する入射角をｆとする。封止部材４に入射した光が外側の媒質へ出射する際、封止部材４の屈折率Ｎｂ≧外側の媒質の屈折率Ｎｃの場合、入射角ｆが、式（７）の関係を満たすときは、封止部材４の媒質との境界面で全反射することなく、封止部材４を透過した光は、ほぼすべて外側の媒質へ出射する。
【００５０】
【数３】
2012015414.tif 000005
【００５１】
入射角ｆは、封止部材３の球面（出射面）上の任意の点Ｑ（ｘ０、ｙ０）から、出射面と点Ｑ（ｘ０、ｙ０）における接線に対し角度γ（ｒａd）をなす方向へ出射した光が、封止部材４の球面内側に入射する角度である。封止部材３、４の縦断面が同心円状をなすため、点Ｑの座標が、例えば、Ｑ（０、ｄ／２）の場合について考慮すれば入射角ｆの最大値がわかる。光が入射する封止部材４の球面内側の点Ｒの座標を（ｘ１、ｙ１）とすると（ｙ１≧０）、点Ｒのｘ座標ｘ１、ｙ座標ｙ１は、式（８）の連立方程式の解である。
【００５２】
式（８）を解くことにより、入射角ｆは、式（９）で表わすことができる。
【００５３】
式（９）により、角度γが、０≦γ≦πの範囲において、入射角ｆが最大となるのは、γ＝０、もしくはπ／２のときである。入射角ｆの最大値をｆｍａxとすると、最大角ｆｍａxは、式（１０）で表わすことができる。
【００５４】
【数４】
2012015414.tif 000006
【００５５】
最大角ｆｍａxが、全反射が発生する臨界角以下であれば、封止部材４を透過する光が、封止部材４と外側の媒質との境界面で全反射することなく、外側の媒質へ入射する。最大角ｆｍａxが臨界角以下である条件は、式（１１）で表わすことができる。式（１１）を解くことにより、式（１２）を得ることができる。
【００５６】
すなわち、略半球体状をなし、封止部材３を封止する他の封止部材４をさらに備え、封止部材４の球体中心にＬＥＤチップ１の出射面の略中心を整合配置してある。そして、封止部材４の直径をＤ、屈折率をＮｂ、封止部材４の外側の媒質の屈折率をＮｃとした場合、Ｄ≧ｄ・（Ｎｂ／Ｎｃ）の関係を満たすことにより、封止部材４の屈折率Ｎｂが外側の媒質の屈折率Ｎｃ以上であっても、封止部材４と外側の媒質との境界において、封止部材４を透過する光の境界面での入射角を臨界角以下にすることができる。これにより、封止部材４に入射した光が封止部材４の外側へ出射する場合、封止部材４と外側の媒質との境界で全反射することなく１度ですべての光が外側の媒質へ出射するため、ＬＥＤチップ１の光の取出し効率が向上する。
【００５７】
また、封止部材３の直径ｄ、封止部材４の屈折率Ｎｂ、外側の媒質の屈折率Ｎｃは既知の値であるので、封止部材４に必要な直径Ｄを容易に求めることができ、封止部材４の大きさを特定することができ、封止部材４に使用する材料を最小限に抑えることができる。また、直径Ｄを特定することができるので、直径を不必要に大きくすることなく、直径Ｄを必要最小限の光路とすることができ、光が封止部材４を透過する際に封止部材４で吸収される割合を小さくすることができ、さらにＬＥＤチップ１からの光の取出し効率が向上する。
【００５８】
実施の形態２では、封止部材３が封止部材４で封止されているので、封止部材３の外側（出射側）の媒質は封止部材４である。式（６）において、Ｎａを封止部材３の屈折率Ｎａ（Ｎａ＝１．９）とし、Ｎｃを封止部材４の屈折率Ｎｂ（Ｎｂ＝１．７）で置き換えると、式（６）は、ｄ≧１．１１８×ｓとなる。すなわち、ｄ≧１．１１８×ｓを充足するように封止部材３の直径ｄを決定する。ＬＥＤチップ１の寸法ｓが、ｓ＝０．４０ｍｍであるので、ｄ≧０．４４７ｍｍを満たすように直径ｄを決定することができる。例えば、封止部材３の直径ｄをｄ＝０．４５ｍｍとすることができる。
【００５９】
さらに、封止部材４の外側（出射側）の媒質は空気であり、空気の屈折率Ｎｃ＝１．０であるから、式（１２）からＤ≧１．７×ｄを満たすように封止部材４の直径Ｄを決定する。封止部材３の直径ｄがｄ＝０．４５ｍであるので、Ｄ≧０．７６５ｍｍを満たすように直径Ｄを決定することができる。例えば、封止部材４の直径ＤをＤ＝０．８０ｍｍとすることができる。
【００６０】
実施の形態２では、封止部材３の球体中心のみならず封止部材４の球体中心に、ＬＥＤチップ１の出射面であるＩＴＯ層１１の略中心を整合配置してある。そして、封止部材４の直径をＤ、封止部材４の屈折率をＮｂ、封止部材４の外側の媒質の屈折率をＮｃとした場合、Ｄ≧ｄ・（Ｎｂ／Ｎｃ）の関係を満たすことにより、封止部材４と外側の媒質との境界において、封止部材４を透過する光の境界面での入射角を臨界角以下にすることができる。これにより、封止部材４に入射した光が封止部材４の外側へ出射する場合、封止部材４と外側の媒質との境界で全反射することなく１度ですべての光が外側の媒質へ出射するため、ＬＥＤチップ１の光の取出し効率が向上する。
【００６１】
また、封止部材３の直径ｄ、封止部材４の屈折率Ｎｂ、外側の媒質の屈折率Ｎｃは既知の値であるので、封止部材４に必要な直径Ｄを容易に求めることができ、封止部材４の大きさを特定することができ、封止部材４に使用する材料を最小限に抑えることができる。また、直径Ｄを特定することができるので、直径を不必要に大きくすることなく、直径Ｄを必要最小限の光路とすることができ、光が封止部材４を透過する際に封止部材４で吸収される割合を小さくすることができ、さらにＬＥＤチップ１の光の取出し効率が向上する。
【００６２】
（実施の形態３）
図８は実施の形態３の発光装置３０の構成の一例を示す要部縦断面図である。図８は図２に対応するものである。実施の形態１では、ＩＴＯ層１１が出射面であったが、実施の形態３では出射面がサファイア基板１６である点が相違する。他の個所は実施の形態１と同様である。
【００６３】
図８に示すように、実施の形態３の発光装置３０は、基板２上に発光素子としてのＬＥＤチップ１を実装してある。そして、ＬＥＤチップ１を覆うようにしてＬＥＤチップ１を封止する封止部材３を基板２上に設けてある。
【００６４】
実施の形態１と同様に、基板２は平面視が矩形状をなし、ＬＥＤチップ１も矩形状をなしている。また、封止部材３は、略半球体状をなしている。封止部材３は、ＬＥＤチップ１の出射面であるサファイア基板１６に光結合されている。
【００６５】
ＬＥＤチップ１は、絶縁基板であるサファイア基板１６を上にして窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体発光層を下に積層してあり、ＩＴＯ層は下面に形成されている。ＬＥＤチップ1は、フリップチップ状態で基板２に実装されている。基板２には図示していないが、配線が施されてあり、ＬＥＤチップ１は、基板２上の配線と電気的に接続されている。ＬＥＤチップ１から放出した光は、主にサファイア基板１６を介して取り出される。
【００６６】
封止部材３は、ＬＥＤチップ１を覆っている。なお、封止部材３は、蛍光物質を含有してもよい。蛍光物質は、例えば、従来使用されているものを用いることができる。
【００６７】
ＧａＮ発光層１３の屈折率Ｎｇは、例えば、Ｎｇ＝２．５であり、出射面としてのサファイア基板１６の屈折率Ｎｓは、Ｎｓ＝１．７であり、封止部材３の外側、すなわち出射側の媒質、例えば、空気の屈折率Ｎｃは、Ｎｃ＝１．０である。この場合、封止部材３の屈折率Ｎａを、例えば、Ｎａ≧Ｎｓ、Ｎａ＜Ｎｇ、Ｎａ≧Ｎｃとする。また、封止部材３の光の透過率が高いことが望ましい。封止部材３は、例えば、高屈折率のガラスなどを用いることができる。
【００６８】
実施の形態３では、封止部材３の外側の媒質が空気であるため、封止部材３の外側の媒質の屈折率Ｎｘは、Ｎｘ＝Ｎｃとなる。
【００６９】
ＬＥＤチップ１のサファイア基板１６の屈折率Ｎｓは、比較的大きいため（例えば、Ｎｓ＝１．７）、ＬＥＤチップ１のサファイア基板１６から直接空気中へ光が照射された場合、サファイア基板１６と空気の屈折率の差が大きいため、サファイア基板１６と空気との境界面で当該境界面に入射する光の約６０％が全反射する。つまり、サファイア基板１６から出射された光の約４０％しか取り出すことができない。そこで、ＬＥＤチップ１を封止部材３で封止し、例えば、封止部材３の屈折率ＮａをＮａ＝１．５程度とした場合には、サファイア基板１６と封止部材３の屈折率の差を空気の場合よりも小さくすることができ、サファイア基板１６と封止部材３との境界面で約３１％程度の光が全反射し、残りの約６９％の光が封止部材３へ入射するため、光の取出し効率を空気の場合に比べて約１．７倍程度高くすることができる。
【００７０】
また、封止部材３の屈折率Ｎａをさらに大きくし、サファイア基板１６の屈折率Ｎｓ以上にした場合（Ｎａ≧Ｎｓ）、ＬＥＤチップ１から出射した光が、サファイア基板１６と封止部材３との境界面で全反射することなく１度で封止部材３へ入射するので、ＬＥＤチップ１の光の取出し効率をさらに向上させることができる。
【００７１】
なお、封止部材３の屈折率Ｎａがサファイア基板１６の屈折率Ｎｓより小さい場合には、ＧａＮ発光層１３から出射した光の一部がサファイア基板１６と封止部材３との境界面で全反射するが、封止部材３の屈折率Ｎａをできるだけ大きくすることにより、境界面での全反射を抑制することができるので、必ずしも、封止部材３の屈折率Ｎａをサファイア基板１６の屈折率Ｎｓより大きくする必要はない。実施の形態３では、Ｎａ＝Ｎｓ＝１．７とすることができる。
【００７２】
封止部材３は、略半球体状をなす。そして、図８に示すように、封止部材３の球体中心にＬＥＤチップ１の出射面（サファイア基板１６）の略中心を整合配置してある。すなわち、図８に示すように、サファイア基板１６の表面の中心と、封止部材３の球体中心とが略同じ位置になるように、ＬＥＤチップ１及び封止部材３を配置してある。なお、サファイア基板１６の表面の中心と、封止部材３の球体中心とは同じ位置が望ましいが、光の取出し効率が許容範囲内で高ければ、必ずしも同じ位置である必要はなく、多少の誤差を含んでもよい。
【００７３】
そして、封止部材３の直径をｄ、ＬＥＤチップ１の基板２の面に沿った寸法をｓ、封止部材３の屈折率をＮａ、及び封止部材３の外側の媒質（例えば、空気）の屈折率をＮｃとした場合、実施の形態１と同様に、ｄ≧ｓ・（Ｎａ／Ｎｃ）の関係を満たすようにする。
【００７４】
図４で説明した光の経路については、実施の形態３の場合にも同様に当てはまる。
【００７５】
実施の形態３では、封止部材３の外側（出射側）の媒質は空気であるので、屈折率Ｎｃは、Ｎｃ＝１．０となる。封止部材３の屈折率Ｎａは、Ｎａ＝１．７であるから、ｄ≧ｓ×１．７を満たすように封止部材３の直径ｄを決定することができる。また、ＬＥＤチップ１の寸法ｓが、ｓ＝０．４ｍｍとすると、ｄ≧０．６８ｍｍを満たせばよい。例えば、封止部材３の直径ｄを、必要最小限の光路となるようにｄ＝０．７０ｍｍとすることができる。
【００７６】
本実施の形態では、封止部材３の球体中心にＬＥＤチップ１の出射面としてのサファイア基板１６の略中心を整合配置するとともに、実施の形態１と同様に式（６）を充足しているので、ＬＥＤチップ１から出射され、封止部材３へ入射した光は、封止部材３と外側の媒質との境界面で全反射することなく１度ですべて外側の媒質へ出射する。このため、ＬＥＤチップ１からの光の取出し効率を向上させることができる。また、取出し効率を向上させることにより、封止部材３の内部等で熱に変換される光の量を低減することができ、発熱量を抑制してさらにＬＥＤチップ１の発光効率を向上させることができる。
【００７７】
また、ＬＥＤチップ１の寸法ｓ、封止部材３の屈折率Ｎａ、外側の媒質の屈折率Ｎｃは既知の値であるので、封止部材３に必要な直径dを容易に求めることができ、封止部材３の大きさを特定することができ、封止部材３に使用する材料を最小限に抑えることができる。また、直径ｄを特定することができるので、直径を不必要に大きくすることなく、直径ｄを必要最小限の光路とすることができ、光が封止部材３を透過する際に封止部材３で吸収される割合を小さくすることができ、さらに発光素子の光の取出し効率が向上する。
【００７８】
（実施の形態４）
図９は実施の形態４の発光装置４０の構成の一例を示す要部縦断面図である。図９は図６に対応するものである。実施の形態２では、ＩＴＯ層１１が出射面であったが、実施の形態４では出射面がサファイア基板１６である点が相違する。他の個所は実施の形態２と同様である。
【００７９】
図９に示すように、実施の形態４の発光装置４０は、基板２上に発光素子としてのＬＥＤチップ１を実装してある。そして、ＬＥＤチップ１を覆うようにしてＬＥＤチップ１を封止する封止部材３を基板２上に設けてある。さらに、封止部材３を封止する他の封止部材としての封止部材４をさらに備える。
【００８０】
基板２は平面視が矩形状をなし、ＬＥＤチップ１も矩形状をなしている。また、封止部材３は、略半球体状をなしている。封止部材３は、ＬＥＤチップ１の出射面であるサファイア基板１６に光結合されている。また、封止部材４も、球体の略上半体をなしている。
【００８１】
ＧａＮ発光層１３の屈折率Ｎｇは、例えば、Ｎｇ＝２．５であり、出射面としてのサファイア基板１６の屈折率Ｎｓは、Ｎｓ＝１．７であり、封止部材４の外側、すなわち出射側の媒質、例えば、空気の屈折率Ｎｃは、Ｎｃ＝１．０である。この場合、封止部材４の屈折率Ｎｂを、Ｎｂ≧Ｎｃとする。また、封止部材４の光の透過率が高いことが望ましい。封止部材４は、例えば、封止部材３と同様に高屈折率のガラスなどを用いることができる。
【００８２】
実施の形態４では、封止部材３の外側の媒質が封止部材４であるため、封止部材３の外側の媒質の屈折率Ｎｘは、Ｎｘ＝Ｎｂとなる。
【００８３】
封止部材４は、略半球体状をなす。そして、図９に示すように、封止部材４の球体中心にＬＥＤチップ１の出射面（サファイア基板１６）の略中心を整合配置してある。すなわち、図９に示すように、サファイア基板１６の表面の中心と、封止部材４の球体中心とが略同じ位置になるように、ＬＥＤチップ１及び封止部材４を配置してある。封止部材３の球体中心についても実施の形態３と同様、ＬＥＤチップ１の出射面（サファイア基板１６）の略中心を整合配置してある。なお、サファイア基板１６の表面の中心と、封止部材４の球体中心とは同じ位置が望ましいが、光の取出し効率が許容範囲内で高ければ、必ずしも同じ位置である必要はなく、多少の誤差を含んでもよい。
【００８４】
そして、封止部材４の直径をＤ、封止部材３の直径をｄ、封止部材４の屈折率をＮｂ、及び封止部材４の外側の媒質（例えば、空気）の屈折率をＮｃとした場合、Ｄ≧ｄ・（Ｎｂ／Ｎｃ）の関係を満たすようにする。
【００８５】
図７で説明した光の経路については、実施の形態４の場合にも同様に当てはまる。
【００８６】
実施の形態４では、封止部材３が封止部材４で封止されているので、封止部材３の外側（出射側）の媒質は封止部材４である。式（６）において、Ｎａを封止部材３の屈折率Ｎａ（Ｎａ＝１．７）とし、Ｎｃを封止部材４の屈折率Ｎｂ（Ｎｂ＝１．７）で置き換えると、式（６）は、ｄ≧ｓとなる。すなわち、ｄ≧ｓを充足するように封止部材３の直径ｄを決定する。ＬＥＤチップ１の寸法ｓが、ｓ＝０．４０ｍｍであるので、ｄ≧０．４０ｍｍを満たすように直径ｄを決定することができる。例えば、封止部材３の直径ｄをｄ＝０．４２ｍｍとすることができる。
【００８７】
さらに、封止部材４の外側（出射側）の媒質は空気であり、空気の屈折率Ｎｃ＝１．０であるから、式（１２）からＤ≧１．７×ｄを満たすように封止部材４の直径Ｄを決定する。封止部材３の直径ｄがｄ＝０．４２ｍであるので、Ｄ≧０．７１４ｍｍを満たすように直径Ｄを決定することができる。例えば、封止部材４の直径ＤをＤ＝０．７２０ｍｍとすることができる。
【００８８】
実施の形態４では、封止部材３の球体中心のみならず封止部材４の球体中心に、ＬＥＤチップ１の出射面であるサファイア基板１６の略中心を整合配置してある。そして、封止部材４の直径をＤ、封止部材４の屈折率をＮｂ、封止部材４の外側の媒質の屈折率をＮｃとした場合、Ｄ≧ｄ・（Ｎｂ／Ｎｃ）の関係を満たすことにより、封止部材４と外側の媒質との境界において、封止部材４を透過する光の境界面での入射角を臨界角以下にすることができる。これにより、封止部材４に入射した光が封止部材４の外側へ出射する場合、封止部材４と外側の媒質との境界で全反射することなく１度ですべての光が外側の媒質へ出射するため、ＬＥＤチップ１の光の取出し効率が向上する。
【００８９】
また、封止部材３の直径ｄ、封止部材４の屈折率Ｎｂ、外側の媒質の屈折率Ｎｃは既知の値であるので、封止部材４に必要な直径Ｄを容易に求めることができ、封止部材４の大きさを特定することができ、封止部材４に使用する材料を最小限に抑えることができる。また、直径Ｄを特定することができるので、直径を不必要に大きくすることなく、直径Ｄを必要最小限の光路とすることができ、光が封止部材４を透過する際に封止部材４で吸収される割合を小さくすることができ、さらにＬＥＤチップ１の光の取出し効率が向上する。
【００９０】
上述の実施の形態では、ＬＥＤチップ１は、窒化ガリウムからなる半導体発光層を備えるものであったが、これに限定されるものではなく、他の化合物半導体発光層を備えるものでも本実施の形態を適用することができる。
【００９１】
上述の実施の形態２、４では、封止部材４が１つの封止部材３を封止する構成であったが、これに限定されるものではなく、基板２上に複数のＬＥＤチップを実装し、それぞれのＬＥＤチップを封止する封止部材３を複数設け、これら複数の封止部材３をまとめて封止するように封止部材４を設けることもできる。
【符号の説明】
【００９２】
１  ＬＥＤチップ（発光素子）
２  基板
３  封止部材
４  封止部材（他の封止部材）
１１  ＩＴＯ層（出射面）
１３  ＧａＮ発光層（発光層）
１６  サファイア基板（出射面）
【図１】
2012015414.tif 000007
【図２】
2012015414.tif 000008
【図３】
2012015414.tif 000009
【図４】
2012015414.tif 000010
【図５】
2012015414.tif 000011
【図６】
2012015414.tif 000012
【図７】
2012015414.tif 000013
【図８】
2012015414.tif 000014
【図９】
2012015414.tif 000015