JP4665832B2 - 発光装置ならびにそれを用いる白色光源および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子をドーム状の波長変換部材に内包し、前記発光素子から放射された光を所望の波長に変換して出射するようにした発光装置ならびにそれを用いる白色光源および照明装置に関する。

照明装置などに使用可能なように、上述のように発光素子をドーム状の波長変換部材に内包し、前記発光素子から放射された光を所望の波長に変換して出射するようにした典型的な従来技術の発光装置は、たとえば特許文献１で示されている。その従来技術によれば、砲弾型の発光ダイオードに蛍光物質を含有する透光性被覆材を被せることで、発光ダイオードの発光色を所望の色に変換させている。
特開平１１−８７７８４号公報

上述の従来技術では、発光ダイオードが砲弾型形状であるので、大型であるとともに、側面からの放射分が多くなり（光出射面の法線の多くが側方を向き、正面方向への放射分が少ない）、光の取出し効率が低いという問題がある。また、波長変換部材と発光素子との間隔が遠くなるので、波長変換部材に照射される励起光の密度が低く、その結果、放射される光は、中心輝度の低い色ずれの多い光となる。

本発明の目的は、発光素子をドーム状の波長変換部材に内包し、前記発光素子から放射された光を所望の波長に変換して出射するにあたって、光取出し効率を高めることができるとともに、色ずれの少ない白色光源および照明装置を提供することである。

本発明の発光装置は、発光素子を基板とドーム状の波長変換部材との間に内包し、前記発光素子から放射された光を所望の波長に変換して出射するようにした発光装置において、前記ドーム状となる空気への光出射面を、前記基板に垂直で、かつ前記発光素子から放射された光を配光制御すべき面で切断した場合における断面形状が、前記の切断面と発光素子に外接する円との２交点を焦点とする半楕円であって、該半楕円上の各点における法線と前記各焦点との成す角が、前記光出射面を形成する部材の全反射角未満の角度となる半楕円から半円までの範囲であることを特徴とする。

上記の構成によれば、白色光源などの発光装置を実現するために、発光ダイオードなどの発光素子をドーム状の波長変換部材に内包し、前記発光素子から放射された光を所望の波長に変換して出射するようにした発光装置において、前記波長変換部材の外表面や、発光素子が透明部材で覆われている場合のその透明部材の外表面などのドーム状の空気への光出射面を、基板と垂直な配光制御すべき面で切断した断面形状を、前記の切断面と発光素子に外接する円との２交点を焦点とする半楕円の形状とする。したがって、前記２つの焦点は発光素子の光放射面が正方形や正６角形の場合、対角線上の隅角部となる。ただし、前記半楕円上の各点における法線と前記各焦点との成す角が、前記光出射面を形成する部材の全反射角、たとえば前記屈折率が１．５３の樹脂の場合、４０．８°未満でないと全反射してしまうので、その角度未満の角度となる半楕円、すなわち前記半楕円が発光素子の面方向に大きく潰れた扁平な形状とならないように、半円までの範囲で前記半楕円の形状を規定する。

したがって、光出射面を扁平な半楕円形状〜半円形状としても、該光出射面での前記波長変換部材や透明部材と空気との屈折率の差による全反射を防止しつつ、半円以上の、たとえば砲弾型形状と比較して、小型化することができるとともに、側面からの放射分が少なくなり（前記光出射面の法線の多くを正面方向へ向けることで該正面方向への放射分が多くなり）、光の取出し効率を高めることができる。さらにまた、波長変換部材と発光素子との間隔が近くなるので、波長変換部材に照射される励起光の密度を高くすることが可能となり、その結果、中心輝度の高い色ずれの少ない光を波長変換部材から出射することが可能となる。

また、本発明の発光装置では、前記発光素子は光を透過する性質を有する空気よりも高い屈折率の透明部材に内包され、さらに所定間隔の空隙を隔てて前記ドーム状の波長変換部材に内包されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、発光素子を、光を透過する性質を有するシリコーン等の高屈折率の透明部材で内包することによって、発光素子から発せられる光を効率良く取出すことができるとともに、発光素子を保護することもできる。

さらにまた、本発明の発光装置では、前記発光素子は基板に搭載され、その基板と前記透明部材とによって封止されており、前記透明部材は、周縁部が前記基板から離反するように形成される斜面を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記高屈折率の透明部材の周縁部を斜面にカット（面取り）することで、該斜面は発光素子から側方に出射された光を前方に反射する反射面となり、光の利用効率を向上することができるとともに、ビーム角を小さくすることが可能となる。

また、本発明の発光装置では、前記透明部材は、ドーム状の外殻と、その外殻と発光素子との間に充填される内部材とによって構成され、前記内部材は外殻に比べて、相対的に屈折率の低い材料から成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記透明部材として、ドーム形状を有する外殻と、その外殻と発光素子との間に充填される内部材との２層構造を用い、さらに前記内部材を外殻に比べて相対的に屈折率の低い材料から形成する。

したがって、前記の屈折率の差によって、発光素子から側方（前記ドーム状の透明部材の周縁部方向）に出射された光も、内部材と外殻との界面で正面方向（前記ドームの天井方向）に屈折され、ドーム状の波長変換部材の天井部分に垂直に近い角度に入射するようになり、より色ずれを少なくすることができるとともに、前記空隙における空気層から波長変換部材への界面での全反射を防止することができ、前記の光取出し効率をより高めることができる。また、前記内部材に弾性を有する、ゲルやゴムを採用することによって、発光素子の保護も可能となる。

さらにまた、本発明の発光装置は、前記外殻の厚みが均一であることを特徴とする。

上記の構成によれば、発光素子から出射された光が外殻を透過する際の光路長が略等しくなるので、前記透明部材の光出射面での輝度むらを低減することができる。

また、本発明の発光装置では、前記波長変換部材は、少なくとも発光素子と重なる領域が光の出射する方向に突出した凸部を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記配光制御すべき面で見たときに、波長変換部材の光取出し面に凸レンズを形成する。前記凸レンズは、発光素子と重なる中心部のみに形成しても、或いは全体に形成してもよい。

したがって、前記凸レンズの集光効果によって、より中心輝度の高い光を出射することができる。

さらにまた、本発明の発光装置では、前記波長変換部材において入射光の波長を変換する蛍光体は、その濃度が、相対的に、発光素子側で濃く、該波長変換部材の出射面側で薄くなるように、連続的または段階的に分散されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、上述のように波長変換部材に凸レンズが形成されていても、その凸レンズ部分での波長変換は僅かであり、波長変換の殆どは、前記ドーム状の波長変換部材の内側（発光素子側）の全面に亘って行われる。

したがって、前記凸レンズ部分を設けても、ドーム状の波長変換部材の周縁部から出射される光と、天井部分（凸レンズ部分）から出射される光との色のずれを小さくすることができる。

また、本発明の発光装置では、前記波長変換部材は、前記透明部材と対向する内面に、発光素子からの光を透過し、該波長変換部材で波長変換されて発生した光を反射する波長フィルタを備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、たとえばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とを交互に積層して成る波長フィルタは、発光素子から波長変換部材に入射する光はそのまま透過させ、波長変換部材で波長変換されて発光素子側へ返って来た光は波長変換部材内に反射するので、前記光取出し効率を一層高くすることができる。また、波長フィルタによって、蛍光体で効率良く変換される波長帯の光のみを選択的に透過させることができ、変換後の光の色の均一性を高めることができる。さらにまた、一般に発光素子から放射される光は短波長帯であり、前記波長フィルタがその成分を透過させる場合、温度上昇の要因となる長波長帯の光が発光装置の外部から侵入し、発光素子へ到達するのを阻止することができ、発光素子の劣化を防ぐこともできる。

さらにまた、本発明の発光装置は、前記波長変換部材と透明部材との少なくとも一方の光入出射面に反射防止構造を備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記波長変換部材と透明部材との少なくとも一方の光入出射面に、たとえばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とを交互に積層して成る反射防止膜や、前記所望の波長よりも短い間隔の凹凸構造を設けることで、たとえば４％程度生じる反射ロスを１％程度以下にまで抑えることができ、光取出し効率をさらに向上することができる。

また、本発明の白色光源は、前記の発光装置を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、上記の発光装置を用いることで、光取出し効率を向上することができるとともに、色むらが生じ難い白色光源を実現することができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、前記の白色光源に、前記波長変換部材の光出射面側に、該光出射面から出射された光を配光制御するための光学部材が配置されて成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記白色光源が発する光は拡散光であるので、レンズやプリズムなどの光学部材と組合わせて狭角の配光に制御することで、照明装置の用途を広げることができる。

本発明の発光装置は、以上のように、白色光源などの発光装置を実現するために、発光ダイオードなどの発光素子をドーム状の波長変換部材に内包し、前記発光素子から放射された光を所望の波長に変換して出射するようにした発光装置において、前記波長変換部材の外表面や、発光素子が透明部材で覆われている場合のその透明部材の外表面などの空気への光出射面を、配光制御すべき面で切断した断面形状を、前記面と発光素子に外接する円との２交点を焦点とする半楕円の形状とし、さらに前記半楕円上の各点における法線と前記各焦点との成す角が、前記光出射面を形成する部材の全反射角未満の角度となる半楕円から半円までの範囲とする。

それゆえ、光出射面を扁平な半楕円形状〜半円形状としても、該光出射面での前記波長変換部材や透明部材と空気との屈折率の差による全反射を防止しつつ、半円以上の、たとえば砲弾型形状と比較して、小型化することができるとともに、側面からの放射分が少なくなり（前記光出射面の法線の多くを正面方向へ向けることで該正面方向への放射分が多くなり）、光の取出し効率を高めることができる。さらにまた、波長変換部材と発光素子との間隔が近くなるので、波長変換部材に照射される励起光の密度を高くすることが可能となり、その結果、中心輝度の高い色ずれの少ない光を波長変換部材から出射することが可能となる。

また、本発明の発光装置は、以上のように、前記発光素子を光を透過する性質を有する高屈折率の透明部材に内包し、さらに所定間隔の空隙を隔ててドーム状の波長変換部材に内包する。

それゆえ、高屈折率の透明部材で内包することによって、発光素子から発せられる光を効率良く取出すことができるとともに、発光素子を保護することもできる。

さらにまた、本発明の発光装置は、以上のように、前記発光素子を基板に搭載して、その基板と前記透明部材とによって封止し、さらに前記高屈折率の透明部材の周縁部を斜面にカット（面取り）する。

それゆえ、該斜面は発光素子から側方に出射された光を前方に反射する反射面となり、光の利用効率を向上することができるとともに、ビーム角を小さくすることが可能となる。

また、本発明の発光装置は、以上のように、前記透明部材を、ドーム状の外殻と、その外殻と発光素子との間に充填される内部材との２層構造とし、前記内部材を外殻に比べて相対的に屈折率の低い材料から形成する。

それゆえ、前記の屈折率の差によって、発光素子から側方（前記ドーム状の透明部材の周縁部方向）に出射された光も、内部材と外殻との界面で正面方向（前記ドームの天井方向）に屈折され、ドーム状の波長変換部材の天井部分に垂直に近い角度に入射するようになり、より色ずれを少なくすることができるとともに、前記空隙における空気層から波長変換部材への界面での全反射を防止することができ、前記光の取出し効率をより高めることができる。また、前記内部材に弾性を有する、ゲルやゴムを採用することによって、発光素子の保護も可能となる。

さらにまた、本発明の発光装置は、以上のように、前記外殻の厚みを均一とする。

それゆえ、発光素子から出射された光が外殻を透過する際の光路長が略等しくなるので、前記透明部材の光出射面での輝度むらを低減することができる。

また、本発明の発光装置は、以上のように、前記配光制御すべき面で見たときに、波長変換部材の光取出し面に凸レンズを形成する。

それゆえ、前記凸レンズの集光効果によって、より中心輝度の高い光を出射することができる。

さらにまた、本発明の発光装置は、以上のように、前記波長変換部材における蛍光体の濃度を、相対的に、発光素子側で濃く、該波長変換部材の出射面側で薄くなるようにする。

それゆえ、上述のように波長変換部材に凸レンズが形成されていても、その凸レンズ部分での波長変換は僅かであり、波長変換の殆どは、前記ドーム状の波長変換部材の内側（発光素子側）の全面に亘って行われることになり、前記凸レンズ部分を設けても、ドーム状の波長変換部材の周縁部から出射される光と、天井部分（凸レンズ部分）から出射される光との色のずれを小さくすることができる。

また、本発明の発光装置は、以上のように、前記波長変換部材の透明部材と対向する内面に、発光素子からの光を透過し、該波長変換部材で波長変換されて発生した光を反射する波長フィルタを備える。

それゆえ、光取出し効率を一層高くすることができる。また、波長フィルタによって、蛍光体で効率良く変換される波長帯の光のみを選択的に透過させることができ、変換後の光の色の均一性を高めることができる。さらにまた、一般に発光素子から放射される光は短波長帯であり、前記波長フィルタがその成分を透過させる場合、温度上昇の要因となる長波長帯の光が発光装置の外部から侵入し、発光素子へ到達するのを阻止することができ、発光素子の劣化を防ぐこともできる。

さらにまた、本発明の発光装置は、以上のように、前記波長変換部材と透明部材との少なくとも一方の光入出射面に、反射防止膜や、前記所望の波長よりも短い間隔の凹凸構造を設ける。

それゆえ、光取出し効率をさらに向上することができる。

また、本発明の白色光源は、以上のように、前記の発光装置を用いる。

それゆえ、光取出し効率を向上することができるとともに、色むらが生じ難い白色光源を実現することができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記白色光源が発する光は拡散光であるので、前記波長変換部材の光出射面側に、該光出射面から出射された光を配光制御するための光学部材を設ける。

それゆえ、レンズやプリズムなどの光学部材と組合わせて狭角の配光に制御することで、照明装置の用途を広げることができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の第１の形態に係る発光装置である白色光源１の断面図であり、図２はその透視斜視図である。この白色光源１は、大略的に、発光ダイオードなどから成り、青色や紫外などの短波長の光を放出する発光素子２と、その発光素子２を搭載する基板３と、前記発光素子２からの電極パターンの引回しや基板３へのボンディング方法などに応じて前記発光素子２と基板３との間に適宜介在されるサブ基板４と、前記発光素子２を内包し、前記基板３との間で気密に封止する透明部材５と、前記透明部材５の外側に所定の空隙６を開けて被せられ、前記発光素子２から放射された光を所望とする白色の各成分となる波長に変換して放射するドーム状の波長変換部材７とを備えて構成される。

そして、注目すべきは、本実施の形態では、図１で示すような前記発光素子２から放射された光を配光制御すべき面での切断面において、空気への光出射面となる透明部材５の外表面の断面形状が、図２で示すように、発光素子２に外接する円Ｌ１と、前記配光制御すべき面との２交点を焦点Ｆ１，Ｆ２とする半楕円Ｒに形成され、さらに該半楕円Ｒ上の各点Ｐにおける法線Ｖと前記各焦点Ｆ１，Ｆ２との成す角θが、図１で示すように、前記光出射面を形成する透明部材５の全反射角未満の角度となる半楕円Ｒ１から半円Ｒ２までの範囲に設定されることである。なお、前記空隙６が設けられていない（透明部材５と波長変換部材７とが密着している）場合には、前記波長変換部材７の外表面が空気への光出射面となり、同様の形状に形成されればよい。

ここで、前記２つの焦点Ｆ１，Ｆ２は、発光素子２の光放射面２ａが図３（ａ）で示すような正方形の場合や、図３（ｂ）で示すような正６角形の場合、対角線Ｌ２上の隅角部となる。これに対して、前記発光素子２が、図３（ｃ）で示すような円形の場合、前記２つの焦点Ｆ１，Ｆ２は一直径線Ｌ３上となり、図３（ｄ）で示すような三角形や、いびつな形状である場合は、前記配光制御すべき面での切断線Ｌ４上となる。

前記透明部材５は、前記発光素子２から放射された光の波長に対して透光性を有する高屈折率の材料、たとえばシリコーンから成る。そして、前記角θは、透明部材５の屈折率ｎが、たとえば１．５３とすると、ｓｉｎθ＝１／ｎから、θ＝４０．８°となる。したがって、透明部材５の外表面の断面形状が、θ≧４０．８°とならない範囲の扁平な半楕円Ｒ１から、半円Ｒ２までの範囲に前記半楕円Ｒの形状を規定する。

図４は、前記半楕円Ｒ１の軌跡の求め方を説明するための図である。先ず、前記図３で示すように、発光素子２に対する前記外接円Ｌ１の半径Ｘを求める。次に、配光制御すべき面を設定し、その面での切断面において、発光素子２の光放射面（図１や図２の上面）の延長線（たとえば前記対角線Ｌ２の延長線）と半楕円Ｒ１との交点Ｐ２までの距離、すなわち半楕円Ｒ１の長径を２Ａとすると、Ａ＝Ｘ／ｓｉｎθから、その長径２Ａを求める。続いて、前記角θが最も大きくなる前記外接円Ｌ１の中心Ｐ０に対する法線Ｖと半楕円Ｒ１との交点Ｐまでの距離、すなわち半楕円Ｒ１の短径を２Ｂとすると、Ｂ＝Ｘ／ｔａｎθから、その短径２Ｂを求める。たとえば、Ｘ＝０．７６７（ｍｍ）とすると、２Ａ＝２．１６４（ｍｍ）、２Ｂ＝１．６７４（ｍｍ）となる。

したがって、前記長径２Ａおよび短径２Ｂから成る半楕円Ｒ１の外側に前記透明部材５の外表面（半楕円Ｒ）があれば全反射が起こらないことになり、前記サブ基板４やボンディングワイヤ８に対するクリアランスを満足できるように、前記半楕円Ｒ１から半円Ｒ２の範囲で半楕円Ｒの軌跡を設定すればよい。たとえば図２では、発光素子２の対向電極をサブ基板４上に引出しており、前記長径２Ａは基板３側のボンディングパッド３ａの外周まで内包するように設定され、前記短径２Ｂはボンディングワイヤ８の最高点よりも高く設定される。

なお、こうして決定された透明部材５の半楕円Ｒの形状に該当するのは、発光素子２の光放射面（図１や図２の上面）の延長線よりも光放射方向１ａ（図１で示す）側であり、それよりも基板３方向１ｂ側については、前記半楕円Ｒの先端が基板３に対して垂直に垂下していたり、図１で示すように拡径していてもよく、少なくとも縮径していないことが好ましい。

このようにして空気への光出射面となる透明部材５の外表面を扁平な半楕円Ｒ１の形状から半円Ｒ２の形状の範囲で設定し、さらに波長変換部材７の断面形状も透明部材５に沿った形状とすることで、前記外表面での透明部材５と空気との屈折率の差による全反射を防止しつつ、半円Ｒ２以上の、たとえば砲弾型形状と比較して、白色光源１を小型化することができるとともに、側面からの放射分が少なくなり（前記光出射面の法線の多くを正面方向へ向けることで該正面方向への放射分が多くなり）、光の取出し効率を高め、配光制御を行うことができる。さらにまた、波長変換部材７と発光素子２との間隔が近くなるので、波長変換部材７に照射される励起光の密度を高くすることが可能となり、その結果、中心輝度の高い色ずれの少ない光を波長変換部材７から出射することが可能となる。

また、発光素子２を、光を透過する性質を持つ高屈折率の透明部材５で内包することによって、発光素子２から発せられる光を効率良く取出すことができるとともに、発光素子２を保護することもできる。

［実施の形態２］
図５は本発明の実施の第２の形態に係る発光装置である白色光源１１の断面図である。この白色光源１１は、前述の白色光源１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この白色光源１１では、透明部材１５が、ドーム状の外殻１５ａと、その外殻１５ａと発光素子２との間に充填される内部材１５ｂとによって構成され、前記内部材１５ｂは外殻１５ａに比べて、相対的に屈折率の低い材料で、かつ弾性を有する材料、たとえばゲルやゴムから成ることである。

この白色光源１１では、予め成形された外殻１５ａのドーム内に前記内部材１５ｂが充填され、また発光素子２が搭載された基板３にも前記内部材１５ｂが塗布されて発光素子２上にも被膜が形成された状態でそれらが組合わせられ、外殻１５ａの周縁部と基板３とが接着されるとともに、前記内部材１５ｂが固化することで、外殻１５ａ内に発光素子２が気密に封止されることになる。

このように透明部材１５を、ドーム形状を有する外殻１５ａと、その外殻１５ａと発光素子２との間に充填される内部材１５ｂとの２層構造とし、両部材間の屈折率に差を設けることによって、図５で示すように、発光素子２から側方（前記ドーム状の透明部材１５の周縁部方向）に出射された光も、内部材１５ｂと外殻１５ａとの界面で正面方向（前記ドームの天井方向）に屈折され、ドーム状の波長変換部材７の天井部分に垂直に近い角度に入射するようになり、より色ずれを少なくすることができるとともに、空隙６における空気層から波長変換部材７への界面での全反射を防止することができ、光の取出し効率をより高めることができる。また、前記内部材１５ｂに弾性を有する前記ゲルやゴムを採用することによって、点灯による熱膨張と消灯による縮小とを繰返す際に、発光素子２と透明部材１５との線膨張係数の違いによるストレスから、発光素子２やボンディングワイヤ８などを保護することもできる。

［実施の形態３］
図６は、本発明の実施の第３の形態に係る発光装置である白色光源２１の断面図である。この白色光源２１は、前述の白色光源１１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この白色光源２１では、透明部材２５の外殻２５ａの厚みが均一に形成されていることである。外殻２５ａおよび内部材２５ｂの材料は、たとえば前記の透明部材１５の外殻１５ａおよび内部材１５ｂとそれぞれ同一である。

したがって、発光素子２から出射された光が、高屈折率の外殻２５ａを透過する際の光路長が略等しくなるので、透明部材２５の光出射面での輝度むらを低減することができる。

［実施の形態４］
図７は本発明の実施の第４の形態に係る発光装置である白色光源３１の断面図である。この白色光源３１は、前述の白色光源１１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この白色光源３１では、透明部材３５の外殻３５ａは、周縁部が前記基板３から離反するように形成される斜面３５ｃを有することである。さらにこの白色光源３１では、前記斜面３５ｃには、反射増加膜３８が形成されている。前記斜面３５ｃの傾斜角度は、透明部材３５の前記周縁部に入射した光を全反射させる角度に設定される。この外殻３５ａは、たとえば図８で示すような金型３９ａ，３９ｂによって成形することができ、成形されたドーム内に内部材３５ｂが充填され、発光素子２を搭載した基板３と一体化される。

このように高屈折率の外殻３５ａの周縁部を斜面にカット（面取り）することで、図７で示すように、前記周縁部方向に出射され、有効に活用できなかった光を前記斜面３５ｃおよび反射増加膜３８が前方へ反射して、光の利用効率を向上することができるとともに、ビーム角を小さくすることが可能となる。

［実施の形態５］
図９は本発明の実施の第５の形態に係る発光装置である白色光源４１ａ，４１ｂ，４１ｃの断面図である。これらの白色光源４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、前述の白色光源１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、これらの白色光源４１ａ，４１ｂ，４１ｃでは、前記配光制御すべき面で見たときに、波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃの光取出し面に、少なくとも発光素子２と重なる領域が光の出射する方向に突出した凸部４８ａ，４８ｂ，４８ｃを有することである。

図９（ａ）の白色光源４１ａでは、発光素子２と重なる中心部のみに、凸レンズとなる前記凸部４８ａが形成されている。また、図９（ｂ）の白色光源４１ｂでは、波長変換部材４７ｂの全体が凸レンズとなる前記凸部４８ｂに形成されている。一方、図９（ｃ）の白色光源４１ｃでは、前記中心部に凸レンズとなる凸部４８ｃが形成され、周縁部にはフレネル反射を低減する凹凸４８ｄが形成されている。

さらに、前記波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃにおいて、入射光の波長を変換する蛍光体は、その濃度が、図１０で示すように、相対的に、発光素子２側で濃く、該波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃの出射面側で薄くなるように、連続的または段階的に分散されている。図１０（ａ）では連続的に、図１０（ｂ）では複数の段階的に、図１０（ｃ）では単一の段階的に、前記蛍光体の濃度が変化されていることを示している。たとえば、図１０（ｃ）の波長変換部材では２色成型で、図１０（ｂ）の波長変換部材では多段成型で、それぞれ形成することができる。

このように構成することで、発光素子２からの光や波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃで生成された変換光を集光し、中心の光強度を周縁部の光強度に比べて特に強くすることが可能となる。また、前記の集光を、このように波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃの外表面で行うと、前記透明部材１５の外殻１５ａで行う場合に比べて、配光を制御する面が光源である発光素子２から遠くなり、前記配光を制御する面から見て光源が点光源に近くなり、制御が容易である。また、図９（ｃ）のような形状を用いることで、波長変換部材４７ｃ全体の厚みを薄くすることができる。

さらにまた、波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃにおける蛍光体の濃度を、発光素子２側で濃く、出射面側で薄くなるように変化することで、上述のように波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃに凸レンズが形成されていても、その凸レンズ部分での波長変換は僅かであり、波長変換の殆どは、前記ドーム状の波長変換部材の内側（発光素子２側）の全面に亘って均等に行われることになる。したがって、前記凸レンズ部分を設けても、ドーム状の波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃにおいて、凸レンズが設けられていない薄肉の周縁部から出射される光と、凸レンズが設けられている厚肉の天井部分から出射される光との色ずれを小さくすることができる。詳しくは、たとえば青色の発光素子で励起し、均一に分散させた緑色＋赤色の蛍光体や黄色蛍光体で波長変換する場合には、厚みの厚い部分では黄色に近くなるのに対して、上述のように厚み方向に濃度分布を持たせることで、厚みの異なる部分においても同様の変換光割合を得ることが可能となる。最も極端な例であれば、蛍光体が均一に分散された厚み一定の層が発光素子側に形成され、光取り出し面側には蛍光体を含まない凸レンズ層から成る波長変換部材を用いれば、色むらを解消し、かつ、変換された光および発光素子２からの光を波長変換部材の光取り出し面の凸レンズで効率よく集光することが可能となり、中心の輝度が高い白色光源を得ることが可能となる。

また、蛍光体で変換された光は、その蛍光体の全周囲方向に発せられるので、光取り出し面側に位置する蛍光体からの光は光取り出し面に対して急な角度で入射し、全反射する光の成分が多くなるのに対して、上述のように発光素子２側の光取り出し面から離れたところに多くの蛍光体を分散させておくことで、該蛍光体で発せられた光は光取り出し面に対して垂直方向に入射する光の成分が増加し、波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃに閉じ込められる光の成分を低減して、該波長変換部材４７ａ，４７ｂ，４７ｃの光取出し効率を向上することも可能となる。

［実施の形態６］
図１１は、本発明の実施の第６の形態に係る発光装置である白色光源５１の断面図である。この白色光源５１は、前述の白色光源１１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この白色光源５１では、前記波長変換部材７の前記透明部材１５と対向する内面に、図１２で示すように、発光素子２から該波長変換部材７に入射する光はそのまま透過させ、該波長変換部材７で波長変換されて発光素子２側へ返って来た光は反射する波長フィルタ５８が形成されていることである。

前記波長フィルタ５８は、たとえばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とを交互に積層して成り、図１３において参照符号α１で示すように前記発光ダイオードなどの発光素子２が或る一定の幅の波長帯の光を発生するものであり、かつ波長変換部材７で波長変換された光が参照符号α２で示すように前記の波長帯から離間している場合には、参照符号α３で示すように、それらの波長帯の間に前記波長フィルタ５８の透過特性を設定しておくことで、上述のように発光素子２からの光はそのまま透過させ、発光素子２側へ返って来た光は反射させることができる。

このように構成することで、前記光取出し効率を一層高くすることができる。また、波長フィルタ５８によって、蛍光体で効率良く変換される波長帯の光のみを選択的に透過させることができ、変換後の光の色の均一性を高めることができる。さらにまた、一般に発光素子２から放射される光は短波長帯であり、前記波長フィルタ５８がその成分を透過させる場合、温度上昇の要因となる長波長帯の光が白色光源５１の外部から侵入し、発光素子２へ到達するのを阻止することができ、発光素子２の劣化を防ぐこともできる。

［実施の形態７］
図１４は、本発明の実施の第７の形態に係る発光装置である白色光源６１の断面図である。この白色光源６１は、前述の白色光源５１，３１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この白色光源６１では、前記波長変換部材７と透明部材１５との少なくとも一方（図１４の例では波長変換部材７）の光入出射面（図１４では光出射面）に、反射防止構造６８が設けられていることである。

前記反射防止構造６８としては、たとえばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とを交互に積層して成る図１４で示す反射防止膜や、波長変換部材７での変換波長よりも短い間隔の凹凸構造などである。前記反射防止構造６８が設けられていない場合、波長変換部材７から空気の界面で、４％程度の反射ロスが生じる。これに対して、たとえば反射防止膜の場合で、適切に膜設計を行うことによって、可視域で１％以下の内部反射率に抑えることが可能となる。また、そのような反射防止膜を透明部材１５の外表面および波長変換部材７の内表面も含めて３ヶ所の界面に形成することで、合わせて１０％程度の光取り出し効率のアップが見込めることになる。

一方、前記反射防止構造６８として、透過する光の波長よりも短い間隔の凹凸構造を用いた場合には、透過する光の表面におけるフレネル反射を低減することで、透過率（光取り出し効率）を向上させることが可能となる。たとえば、所望の取出し光として、青色、緑色、赤色の可視光とした場合、これらの波長は４００〜７００ｎｍの可視光成分を含むので、凹凸の間隔としては、１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度となる。このときの凹凸深さはできる限り深い方が望ましいが、最低、１００ｎｍ以上が望ましい。

これによって、表面に向かう光子にとって、その表面側で徐々に屈折率が低下してゆくことと等価となり、前記表面で反射し難くなり、光の取出し効率を向上することができるようになる。たとえば、前記凹凸を、その周期構造間隔が波長に比べて充分小さくなるように、図１５で示すような三角テーパ溝で形成した場合、屈折率ｎ_２の部材から屈折率ｎ_１の部材に透過するとすれば、その有効屈折率は、ＴＥ波に対して、

となり、ＴＭ波に対して、

となる。ただし、ａ，ｂは、図１５で示すように、前記凹凸の山から谷までの範囲Ｗ１での任意の切断面における屈折率ｎ_１の部材と屈折率ｎ_２の部材との幅である。

このようにして徐々に有効屈折率を変化させることで、表面におのおのの屈折率の中間の屈折率の薄膜層が存在することと等価となり、反射を低減させることが可能となる。

［実施の形態８］
図１６は、本発明の実施の第８の形態に係る照明装置７１の断面図である。この照明装置７１には、前述の各白色光源１，１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５１，６１を採用することができる（図１６では白色光源１で例示している）。注目すべきは、この照明装置７１では、各白色光源１，１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５１，６１の光出射面側に、該光出射面から出射された光を配光制御するための光学部材７２が配置されていることである。各白色光源１，１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５１，６１は、この図１６で示すような光学部材７２が被せられ、１または複数個が組合わせて使用されることで、照明装置７１として使用される。

前記光学部材７２は、たとえばアクリルやポリカーボネードなどの透光性を有する材料を用いたレンズやプリズムなどから成り、またこの光学部材７２に代えて、図１７で示すような反射板７３などでも同様の配光制御を行うことができる。前記各白色光源１，１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５１，６１から放射される光は拡散光であり、そのままでは利用範囲が限られてくるので、多くの場合、前記各白色光源１，１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５１，６１はこれらの光学部材７１や反射板７３と組合わせられて、狭角の配光に制御されて利用される。

ここで、基本的に光源が小さい程、また光源の輝度の集中度が高い程、より小さな光学部材で狭角の配光を実現することができる。一方、広角の配光は、光学部材の形状を適切に設定することで比較的容易に実現可能な場合が多い。したがって、上述のように光源が小さい程、また光源の輝度の集中度が高い程、配光制御の観点からは良い光源ということができる。ところで、上述の各実施の形態の場合、たとえば特開２００５−５７２６６号公報の従来技術などと比較して、各白色光源１，１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５１，６１が扁平に形成されるので、頂点部Ｐ１１の光出射面と発光素子２との距離が小さく、前記のような光源の輝度の集中度が高くなっており、同程度の大きさのレンズより狭角に配光を制御することができ、照明装置７１の用途を広げることができる。

また、狭角の配光を実現するためには、設計基準点を最大輝度の位置（たとえば前記頂点部Ｐ１１）に設けて設計する必要がある。各実施の形態では、白色光源１，１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５１，６１の高さＨ１が前記特開２００５−５７２６６号公報などでの高さＨ２と比較して低いので、光学系全体の高さＨ３を低くすることができ、光学系、したがって照明装置７１の薄型化を実現することができる。

本発明の実施の第１の形態に係る発光装置である白色光源の断面図である。 図１の透視斜視図である。 発光素子の形状を説明するための図である。 本発明における光出射面の設計方法を説明するための図である。 本発明の実施の第２の形態に係る発光装置である白色光源の断面図である。 本発明の実施の第３の形態に係る発光装置である白色光源の断面図である。 本発明の実施の第４の形態に係る発光装置である白色光源の断面図である。 図７で示す白色光源において、発光素子を内包する透明部材の成型方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の第５の形態に係る発光装置である白色光源の断面図である。 図９で示す白色光源において、波長変換部材の構造例を説明するための断面図である。 本発明の実施の第６の形態に係る発光装置である白色光源の断面図である。 図９で示す白色光源において、波長フィルタの機能を説明するための図である。 図９で示す白色光源において、波長フィルタの特性を説明するためのグラフである。 本発明の実施の第７の形態に係る発光装置である白色光源の断面図である。 図１４で示す白色光源において、反射防止構造である微細凹凸の機能を説明するための図である。 本発明の実施の第８の形態に係る照明装置の断面図である。 本発明の実施の第８の形態に係る照明装置の断面図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５１，６１ 白色光源
２ 発光素子
３ 基板
４ サブ基板
５，１５，２５，３５ 透明部材
６ 空隙
７，４７ａ，４７ｂ，４７ｃ 波長変換部材
１５ａ，２５ａ，３５ａ 外殻
１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ 内部材
３５ｃ 斜面
３８ 反射増加膜
３９ａ，３９ｂ 金型
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ 凸部
５８ フィルタ
６８ 反射防止構造
７１ 照明装置
７２ 光学部材
７３ 反射板

Claims (11)

1. 発光素子を基板とドーム状の波長変換部材との間に内包し、前記発光素子から放射された光を所望の波長に変換して出射するようにした発光装置において、
   前記ドーム状となる空気への光出射面を、前記基板に垂直で、かつ前記発光素子から放射された光を配光制御すべき面で切断した場合における断面形状が、前記の切断面と発光素子に外接する円との２交点を焦点とする半楕円であって、該半楕円上の各点における法線と前記各焦点との成す角が、前記光出射面を形成する部材の全反射角未満の角度となる半楕円から半円までの範囲であることを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子は光を透過する性質を有する空気よりも高い屈折率の透明部材に内包され、さらに所定間隔の空隙を隔てて前記ドーム状の波長変換部材に内包されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記発光素子は基板に搭載され、その基板と前記透明部材とによって封止されており、前記透明部材は、周縁部が前記基板から離反するように形成される斜面を有することを特徴とする請求項２記載の発光装置。
4. 前記透明部材は、ドーム状の外殻と、その外殻と発光素子との間に充填される内部材とによって構成され、前記内部材は外殻に比べて、相対的に屈折率の低い材料から成ることを特徴とする請求項２または３記載の発光装置。
5. 前記外殻の厚みが均一であることを特徴とする請求項４記載の発光装置。
6. 前記波長変換部材は、少なくとも発光素子と重なる領域が光の出射する方向に突出した凸部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置。
7. 前記波長変換部材において入射光の波長を変換する蛍光体は、その濃度が、相対的に、発光素子側で濃く、該波長変換部材の出射面側で薄くなるように、連続的または段階的に分散されていることを特徴とする請求項６記載の発光装置。
8. 前記波長変換部材は、前記透明部材と対向する内面に、発光素子からの光を透過し、該波長変換部材で波長変換されて発生した光を反射する波長フィルタを備えることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の発光装置。
9. 前記波長変換部材と透明部材との少なくとも一方の光入出射面に反射防止構造を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光装置。
10. 前記請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光装置を用いることを特徴とする白色光源。
11. 前記請求項１０記載の白色光源に、前記波長変換部材の光出射面側に、該光出射面から出射された光を配光制御するための光学部材が配置されて成ることを特徴とする照明装置。