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JP2024061876A - Light-emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2024061876A
JP2024061876A JP2024042142A JP2024042142A JP2024061876A JP 2024061876 A JP2024061876 A JP 2024061876A JP 2024042142 A JP2024042142 A JP 2024042142A JP 2024042142 A JP2024042142 A JP 2024042142A JP 2024061876 A JP2024061876 A JP 2024061876A
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JP
Japan
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light
microlens
radiation angle
conversion element
reflected light
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Pending
Application number
JP2024042142A
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Japanese (ja)
Inventor
啓司 常友
Keiji Tsunetomo
哲 日下
Satoru Kusaka
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Publication date
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Abstract

To provide a light-emitting device that can continuously emit light with stable brightness by improving detection accuracy of monitor light.SOLUTION: A light-emitting device 10 includes a light-emitting element 12, a radiation angle conversion element 14 that converts a radiation angle of incident light IL from the light-emitting element 12 and irradiates with incident light IL, a light receiving element 15 that receives reflected light RL of the radiation angle conversion element 14 with respect to the incident light IL, and a control unit 17 that controls light output of the light-emitting element 12 on the basis of the detected value of the light receiving element 15. The radiation angle conversion element 14 includes a substrate 16 and a plurality of microlenses 20 arranged two-dimensionally on the substrate. The microlens 20 is formed such that intensity of the reflected light RL in a predetermined direction increases more specifically than in other directions. The light receiving element 15 is arranged to receive the reflected light RL in a predetermined direction.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、発光装置や照明装置、表示装置、スクリーン等に関し、特にマイクロレンズアレイなどの表面上に凹凸の構造物を備える放射角度変換素子を用いた光学装置に関する。 The present invention relates to light-emitting devices, lighting devices, display devices, screens, etc., and in particular to optical devices that use radiation angle conversion elements with uneven structures on the surface, such as microlens arrays.

入射光を様々な方向に散乱または角度変換させる放射角度変換素子は、ディスプレイの表示装置やスクリーンなどに使用され、さらに均一な照明強度を得る目的で、照明装置などの多種多様な装置に広く利用されている。一般的には、発光素子から出た光の放射角度を拡大する場合が多い。 Radiation angle conversion elements that scatter or change the angle of incident light in various directions are used in display devices and screens, and are also widely used in a wide variety of devices such as lighting devices to obtain uniform lighting intensity. In general, they are often used to expand the radiation angle of light emitted from a light-emitting element.

近年、光放射角度や角度毎の強度分布の均一化、あるいは拡散光を投影した際の面内強度の均一化など、さらに高度な性能が求められるようになってきた。例えば、アレイ状の面発光型レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)から、所定の角度で放射された光を、より広い角度範囲に拡散させ、かつ拡散角度に異方性を持たせたい、といったニーズがある。 In recent years, there has been a demand for more advanced performance, such as uniformity of the light emission angle and intensity distribution per angle, or uniformity of the in-plane intensity when projecting diffused light. For example, there is a need to diffuse light emitted at a specified angle from an array of vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) over a wider angular range and to impart anisotropy to the diffusion angle.

光を拡散させたり、その放射角度を拡大するなどして変換させる素子には、いくつかの種類がある。例えば平板の内部に、微小空間を分散させた構造としたり、微粒子を分散させたりしたようなもの(例えば、半透明樹脂板)、基材の表面に微小な凹凸をランダムにつけたもの(例えば、表面をエッチング等で荒らしたガラス)、基材の表面を加工して設計された凹凸を形成したもの(例えば、回折型素子)、基材の表面にレンズを多数並べたもの(例えば、マイクロレンズアレイ)などが知られている。 There are several types of elements that convert light by diffusing it or expanding its radiation angle. For example, there are elements that have a structure in which minute spaces are dispersed inside a flat plate, or in which fine particles are dispersed (e.g., a translucent resin plate), elements that have minute irregularities randomly applied to the surface of a substrate (e.g., glass whose surface has been roughened by etching, etc.), elements that have designed irregularities formed by processing the surface of a substrate (e.g., a diffraction type element), and elements that have many lenses arranged on the surface of a substrate (e.g., a microlens array).

これらの中で、マイクロレンズアレイを使った放射角度変換素子は、透過率が高く、拡散角度の制御が容易なため、高度な拡散性能を要求される場合に採用される(例えば、特許文献1、2参照)。 Among these, radiation angle conversion elements using microlens arrays have high transmittance and are easy to control the diffusion angle, and are therefore used when a high level of diffusion performance is required (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2009-42772号公報JP 2009-42772 A 特開2017-9669号公報JP 2017-9669 A

ところで、発光素子から出射される光の強度は、発光素子に流す電流を増減することで制御される(定電流制御)が、発光素子の周囲温度によって光出力が変わる、あるいは、使用時間に応じて発光素子が劣化して光出力が変わるなど、一定電流を流す制御方法では、光出力が経時的に変化する現象が現れる。そのため、発光素子の近傍に受光素子(フォトダイオードなど)を設置し、発光素子の光出力をモニタして、そのモニタされた光出力を一定に保つような制御方法が一般的に採用されている(定出力制御)。このとき、受光素子によって検出される光(モニタ光)として、発光素子から周囲に放射される散乱光や、発光素子の外側に設置されたカバーガラス、カバーガラス上に形成された放射角度変換素子、筐体などで散乱される光が利用される。 The intensity of light emitted from a light-emitting element is controlled by increasing or decreasing the current flowing through the light-emitting element (constant current control). However, with a control method that flows a constant current, the light output changes over time, for example, depending on the ambient temperature of the light-emitting element, or the light output changes as the light-emitting element deteriorates depending on the time of use. For this reason, a control method that installs a light-receiving element (such as a photodiode) near the light-emitting element, monitors the light output of the light-emitting element, and keeps the monitored light output constant (constant output control). In this case, the light detected by the light-receiving element (monitor light) is scattered light emitted from the light-emitting element into the surroundings, or light scattered by a cover glass installed on the outside of the light-emitting element, a radiation angle conversion element formed on the cover glass, a housing, etc.

発光素子からの光出力を、受光素子によってその一部を検出し、そのモニタ結果を制御に利用する場合、当然ながら、受光素子で検出される光のパワーの大きい方が、ノイズやバックグラウンドなどの光との区別がつきやすいうえ、SN比(S/N)の高い信号の検出をするうえで有利なため検出精度の向上を図ることができ、検出回路も簡単になるので望ましい。しかしながら、従来技術では、通常、受光素子は利用する光の光路の障害にならない位置、もしくは物理的な構造上、都合のよい位置に配置されることが優先される。その結果、必ずしもSN比の高いとはいえない散乱光などの一部をモニタ光として利用するため、受光素子で検出される光のパワーが小さく、発光素子からの光出力が変動した場合に、その検出感度の向上を図りにくいという事情がある。そうすると、発光素子からの光出力の変動を所定の精度や確度の範囲内で抑制できない場合が生じ、アプリケーションによっては問題となる可能性がある。 When a part of the optical output from a light-emitting element is detected by a light-receiving element and the monitoring result is used for control, it is naturally desirable to have a larger power of light detected by the light-receiving element, because it is easier to distinguish it from noise and background light, and it is advantageous for detecting signals with a high signal-to-noise ratio (S/N), so that the detection accuracy can be improved and the detection circuit can be simplified. However, in conventional technology, the light-receiving element is usually placed in a position that does not obstruct the optical path of the light to be used, or in a position that is convenient in terms of the physical structure. As a result, because a part of scattered light, which does not necessarily have a high S/N ratio, is used as the monitor light, the power of the light detected by the light-receiving element is small, and it is difficult to improve the detection sensitivity when the optical output from the light-emitting element fluctuates. This can cause cases where the fluctuation in the optical output from the light-emitting element cannot be suppressed within a specified range of precision and accuracy, which can be problematic depending on the application.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、放射角度変換素子を用いた発光装置において、モニタ光の検出精度を向上することにより、光出力の変動を抑制し、安定した明るさの光を継続的に照射できる発光装置を提供することにある。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and its purpose is to provide a light-emitting device that uses a radiation angle conversion element and that can continuously irradiate light with a stable brightness by improving the detection accuracy of the monitor light and suppressing fluctuations in the light output.

上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光装置は、発光素子と、発光素子からの入射光の放射角度を変換して照射する放射角度変換素子と、入射光に対する放射角度変換素子の反射光を受光する受光素子と、受光素子の検出値に基づいて、発光素子の光出力を制御する制御部とを備える。放射角度変換素子は、基板と、基板の一方の主面上に二次元配列された複数のマイクロレンズとを備える。マイクロレンズは、所定の方角における反射光の強度が他の方角よりも特異的に増加するように形成されており、受光素子は、所定の方角における反射光を受光するように配置される。 In order to solve the above problems, a light emitting device according to one aspect of the present invention includes a light emitting element, a radiation angle conversion element that converts the radiation angle of incident light from the light emitting element and irradiates the light, a light receiving element that receives the reflected light of the radiation angle conversion element relative to the incident light, and a control unit that controls the light output of the light emitting element based on the detection value of the light receiving element. The radiation angle conversion element includes a substrate and a plurality of microlenses that are two-dimensionally arranged on one main surface of the substrate. The microlenses are formed so that the intensity of the reflected light in a specific direction is specifically increased compared to other directions, and the light receiving element is positioned to receive the reflected light in the specific direction.

マイクロレンズの表面は、接平面角度が45°以上となる曲面を含んでもよい。 The surface of the microlens may include a curved surface with a tangent plane angle of 45° or more.

マイクロレンズは、平面視において略長方形状であってもよい。 The microlenses may be approximately rectangular in plan view.

マイクロレンズの長辺方向に接平面角度が45°以上となる曲面が含まれてもよい。 The microlens may include a curved surface with a tangent plane angle of 45° or more in the direction of the long side.

発光素子は、所定の波長の光を出射し、放射角度変換素子は、基板の他方の主面上に形成された誘電体多層膜をさらに備えてもよい。誘電体多層膜は、入射角度が所定の角度以上である場合の所定の波長における透過率が、入射角度が0°である場合の所定の波長における透過率よりも減少する透過率スペクトルを有してもよい。 The light emitting element may emit light of a predetermined wavelength, and the radiation angle conversion element may further include a dielectric multilayer film formed on the other main surface of the substrate. The dielectric multilayer film may have a transmittance spectrum in which the transmittance at the predetermined wavelength when the incident angle is equal to or greater than the predetermined angle is smaller than the transmittance at the predetermined wavelength when the incident angle is 0°.

誘電体多層膜は、入射角度が0°である場合の所定の波長における透過率が70%以上であり、入射角度が45°である場合の所定の波長における透過率が30%以下であってもよい。 The dielectric multilayer film may have a transmittance of 70% or more at a specified wavelength when the angle of incidence is 0°, and a transmittance of 30% or less at a specified wavelength when the angle of incidence is 45°.

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 In addition, any combination of the above components, and any conversion of the present invention into a method, device, system, etc., are also valid aspects of the present invention.

本発明によれば、放射角度変換素子を用いた発光装置において、モニタ光の検出精度を向上することにより、光出力の変動を抑制し、安定した明るさの光を継続的に照射できる発光装置を提供できる。 According to the present invention, in a light-emitting device using a radiation angle conversion element, by improving the detection accuracy of the monitor light, it is possible to provide a light-emitting device that can suppress fluctuations in light output and continuously irradiate light with a stable brightness.

本発明の実施形態に係る発光装置を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a light-emitting device according to an embodiment of the present invention. 図2(a)~(c)は、放射角度変換素子を示す図である。2A to 2C are diagrams showing a radiation angle conversion element. 図3(a)~(c)は、マイクロレンズを示す図である。3A to 3C are diagrams showing a microlens. 放射角度変換素子の概略拡大断面図である。FIG. 2 is a schematic enlarged cross-sectional view of a radiation angle conversion element. マイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズの数学的な形状の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of the mathematical shape of a microlens in a microlens array. 発光素子および放射角度変換素子の配置と、特定の方角における反射光の強度が増加する部分との関係を示す図である。1 is a diagram showing the relationship between the arrangement of light-emitting elements and radiation angle conversion elements and a portion where the intensity of reflected light increases in a specific direction. 図7(a)~(c)は、発光素子および放射角度変換素子の配置と、特定の方角における反射光の強度が増加する部分との関係を示す図である。7A to 7C are diagrams showing the relationship between the arrangement of light emitting elements and radiation angle conversion elements and the areas where the intensity of reflected light increases in a specific direction. 横軸を経度、縦軸を緯度として、反射光の強度分布を二次元的に表した図である。This is a diagram showing the intensity distribution of reflected light two-dimensionally, with the horizontal axis representing longitude and the vertical axis representing latitude. 図8について経度90°における反射光強度を表した図である。FIG. 9 is a diagram showing the reflected light intensity at longitude 90° in FIG. 8 . 図8について緯度33°における反射光強度を表した図である。FIG. 9 is a diagram showing the reflected light intensity at a latitude of 33° in FIG. 8 . マイクロレンズの長辺方向において反射光強度増加部が現れる機序を説明するための図である。11A and 11B are diagrams for explaining the mechanism by which a portion with increased reflected light intensity appears in the long side direction of a microlens. 図11の一部の拡大図である。FIG. 12 is an enlarged view of a portion of FIG. マイクロレンズの短辺方向において反射光強度増加部が現れない機序を説明するための図である。11A and 11B are diagrams for explaining the mechanism by which a reflected light intensity increase portion does not appear in the short side direction of a microlens. 反射光強度増加部を確認する実験を説明するための図である。13A and 13B are diagrams for explaining an experiment for confirming a reflected light intensity increase portion. マイクロレンズの長辺方向から、参照光を入射させたときの概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing a case where a reference beam is incident from the long side direction of a microlens. 図15に示すように参照光を入射させたときの反射光の観測図である。FIG. 16 is an observation diagram of reflected light when a reference light is incident as shown in FIG. 15 . 放射角度変換素子の条件を変えたときの反射光の観測図である。11A and 11B are diagrams showing the observed reflected light when the conditions of the radiation angle conversion element are changed. マイクロレンズの短辺方向から、参照光を入射させたときの概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing a case where a reference beam is incident from the short side direction of a microlens. 図18に示すように参照光を入射させたときの反射光の観測図である。FIG. 19 is an observation diagram of reflected light when a reference light is incident as shown in FIG. 18. 変形例に係る放射角度変換素子を説明するための図である。13A and 13B are diagrams for explaining a radiation angle conversion element according to a modified example. 変形例に係る放射角度変換素子における誘電体多層膜の透過率スペクトルを示す図である。13 is a diagram showing a transmittance spectrum of a dielectric multilayer film in a radiation angle conversion element according to a modified example. FIG.

以下、本発明の実施形態について説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 Below, an embodiment of the present invention will be described. The same or equivalent components, parts, and processes shown in each drawing will be given the same reference numerals, and duplicated explanations will be omitted as appropriate. Furthermore, the embodiment does not limit the invention but is merely an example, and all of the features and combinations thereof described in the embodiment are not necessarily essential to the invention.

図1は、本発明の実施形態に係る発光装置10を示す概略断面図である。この発光装置10は、発光素子12と、発光素子12からの入射光ILの放射角度を変換して、出射光OLとして照射する放射角度変換素子14と、入射光ILに対する放射角度変換素子14の反射光RLを受光する少なくとも一個の受光素子15と、受光素子15の検出値に基づいて、発光素子12の光出力を制御する制御部17と、を備える。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing a light-emitting device 10 according to an embodiment of the present invention. This light-emitting device 10 includes a light-emitting element 12, a radiation angle conversion element 14 that converts the radiation angle of incident light IL from the light-emitting element 12 and irradiates it as outgoing light OL, at least one light-receiving element 15 that receives reflected light RL of the radiation angle conversion element 14 with respect to the incident light IL, and a control unit 17 that controls the light output of the light-emitting element 12 based on the detection value of the light-receiving element 15.

本実施形態において、発光素子12は、VCSELアレイである。他の実施形態では、発光素子12は、FP型の半導体レーザや発光ダイオード(LED)やそれらのアレイなどであってもよい。 In this embodiment, the light-emitting element 12 is a VCSEL array. In other embodiments, the light-emitting element 12 may be a FP type semiconductor laser, a light-emitting diode (LED), or an array thereof.

図2(a)~(c)は、放射角度変換素子14の概略的な図を示す。図2(a)は、放射角度変換素子14の平面図である。図2(b)は、放射角度変換素子14の長辺方向の側面図である。図2(c)は、放射角度変換素子14の短辺方向の側面図である。 Figures 2(a) to (c) show schematic diagrams of the radiation angle conversion element 14. Figure 2(a) is a plan view of the radiation angle conversion element 14. Figure 2(b) is a side view of the radiation angle conversion element 14 in the long side direction. Figure 2(c) is a side view of the radiation angle conversion element 14 in the short side direction.

放射角度変換素子14は、基板16と、基板16の一方の主面上に形成されるマイクロレンズアレイ18とを備える。 The radiation angle conversion element 14 comprises a substrate 16 and a microlens array 18 formed on one of the main surfaces of the substrate 16.

基板16は、光の利用効率を高めるという観点から、適用される波長範囲内で透明であることが望ましい。基板16の材質は、石英、ガラスや透明樹脂から選択されてよい。ガラスとしては、これらに限られないが、ソーダライムガラス、白板硝子、ホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、リン酸系ガラス、フツリン酸系ガラスなどを使用することができ、機能別では低誘電率ガラスや無アルカリガラス、高屈折率ガラス、光学ガラスなどの多成分系ガラス、強化ガラスなどを使用することができる。透明樹脂としては、これらに限られないが、環状(ポリ)オレフィン樹脂、芳香族ポリエーテル系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテル系樹脂、シリコーン系樹脂などを使用することができる。 From the viewpoint of increasing the efficiency of light utilization, it is desirable that the substrate 16 is transparent within the applicable wavelength range. The material of the substrate 16 may be selected from quartz, glass, and transparent resin. As the glass, but is not limited to these, soda lime glass, white plate glass, borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, phosphate glass, fluorophosphate glass, etc. can be used, and by function, low dielectric constant glass, alkali-free glass, high refractive index glass, multi-component glass such as optical glass, reinforced glass, etc. can be used. As the transparent resin, but is not limited to these, cyclic (poly)olefin resin, aromatic polyether resin, polyimide resin, epoxy resin, acrylic resin, polyester resin, polyamide resin, polycarbonate resin, polyether resin, silicone resin, etc. can be used.

マイクロレンズアレイ18は、図2(a)に示すように、基板16の一方の主面上に、複数のマイクロレンズ20が二次元に配列されたものである。マイクロレンズアレイ18は、基板16の一方の主面上に、基板16と同じもしくは基板16とは異なる材料で層の形態で形成されてよい。なお、図2(a)において区画された略長方形内に複数の同心円が記入されているが、これは等高線的に凸または凹面の態様を平面上で表現したものであり、このような同心円が実際に描かれているわけではないことに留意する。他の図面においても同様である。 As shown in FIG. 2(a), the microlens array 18 is a two-dimensional array of multiple microlenses 20 on one of the main surfaces of the substrate 16. The microlens array 18 may be formed in the form of a layer on one of the main surfaces of the substrate 16, using the same material as the substrate 16 or a different material from the substrate 16. Note that multiple concentric circles are drawn within the roughly defined rectangle in FIG. 2(a), but this is a flat representation of the contour line of a convex or concave surface, and it should be noted that such concentric circles are not actually drawn. The same is true for the other drawings.

マイクロレンズアレイ18を形成する材料としては、光の利用効率の観点から透明性が高いものがよく、成形性も加味すると透明樹脂もしくは透明な有機-無機ハイブリッド材料でもよい。マイクロレンズアレイ18を構成する材料としては、これらに限られるものではないが、硬化性樹脂としては、加熱もしくは紫外線などの光を照射することで硬化が可能な樹脂や硬化剤や触媒などの作用により硬化が可能な樹脂を含み、エポキシ系樹脂、(不飽和)ポリエステル系樹脂、シリコーン系樹脂、アルキド系樹脂、アクリル系樹脂などを使用することができる。さらに、熱可塑性樹脂としては、ポリアセタール系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、(環状)ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂などを使用することができる。また、有機-無機ハイブリッド材料としては、Si(シリコン)のアルコキシドを加水分解及び縮重合して得られるゾルゲル硬化物などを使用することができる。 The material forming the microlens array 18 is preferably one with high transparency from the viewpoint of light utilization efficiency, and may be a transparent resin or a transparent organic-inorganic hybrid material when moldability is also taken into consideration. The material constituting the microlens array 18 is not limited to these, but includes curable resins that can be cured by heating or irradiation with light such as ultraviolet light, and resins that can be cured by the action of a curing agent or catalyst, and may include epoxy resins, (unsaturated) polyester resins, silicone resins, alkyd resins, and acrylic resins. Furthermore, thermoplastic resins may include polyacetal resins, polycarbonate resins, polyester resins, (cyclic) polyolefin resins, and polyamide resins. Furthermore, organic-inorganic hybrid materials may include sol-gel cured materials obtained by hydrolyzing and condensation-polymerizing alkoxides of Si (silicon).

上記の材料のうち、基板16の一方の主面上に未硬化の樹脂によって塗膜を形成したのちに、金型によって所望の形状を転写して作製する方法である2P(ツーピース)成形方法においては、これらに限られないがエポキシ系やアクリル系などの硬化性樹脂を使用することが望ましい。一方で、マイクロレンズアレイ18を射出成型方法によって作製する場合においては、熱可塑性樹脂を使用することもありうる。 Of the above materials, in the 2P (two-piece) molding method, which involves forming a coating of uncured resin on one main surface of the substrate 16 and then transferring the desired shape using a mold, it is desirable to use curable resins such as, but not limited to, epoxy and acrylic resins. On the other hand, when the microlens array 18 is manufactured by an injection molding method, a thermoplastic resin may also be used.

図3(a)~(c)は、マイクロレンズ20を示す。図3(a)は、マイクロレンズ20の平面図である。図3(b)は、マイクロレンズ20の長辺方向の側面図である。図3(c)は、マイクロレンズ20の短辺方向の側面図である。 Figures 3(a) to (c) show the microlens 20. Figure 3(a) is a plan view of the microlens 20. Figure 3(b) is a side view of the microlens 20 in the long side direction. Figure 3(c) is a side view of the microlens 20 in the short side direction.

本実施形態において、マイクロレンズ20は、凸性の曲面であり中心軸Axに対称な形状である。他の実施形態では、マイクロレンズは、本発明の作用効果を奏する限り凹性の曲面であってもよい。具体的な形状としては、球面の一部からなる球面形状や、それ以外の非球面形状であってもよい。非球面形状は、中心軸Axに近い範囲においては球面に近似された近軸曲率半径を備える場合もあり、さらに、求められる光学的仕様と、形成のしやすさなどから、適宜高次係数を有する一定の数式で表される。非球面形状は中心軸Axからの距離に従ってその曲率が変動するものであり、設計の自由度が非常に高いが、反面複雑性が高くなる。他の実施形態では、マイクロレンズは本発明の作用効果を奏する限り球面形状であってもよい。設計や仕様選択の自由度が低くなるが、曲率が一定のため金型なども含めて作製しやすいメリットがある。また、本発明の作用効果を奏する限り、中心軸に対称でない曲面やレンズであってもよい。 In this embodiment, the microlens 20 has a convex curved surface and a shape symmetrical with respect to the central axis Ax. In other embodiments, the microlens may have a concave curved surface as long as the effects of the present invention are achieved. Specific shapes may be a spherical shape consisting of a part of a sphere, or other aspheric shapes. The aspheric shape may have a paraxial radius of curvature that is approximated to a sphere in a range close to the central axis Ax, and is expressed by a certain mathematical formula having an appropriate high-order coefficient based on the required optical specifications and ease of formation. The aspheric shape has a curvature that varies according to the distance from the central axis Ax, and has a very high degree of freedom in design, but on the other hand, it is highly complex. In other embodiments, the microlens may have a spherical shape as long as the effects of the present invention are achieved. Although the degree of freedom in design and specification selection is low, there is an advantage in that the curvature is constant and therefore it is easy to manufacture, including using a mold. In addition, as long as the effects of the present invention are achieved, the microlens may have a curved surface or lens that is not symmetrical with respect to the central axis.

マイクロレンズ20は、配列する面内の直交する二方向について有効範囲が異なり、長辺方向における有効範囲は、短辺方向における有効範囲より大きく、さらに対角方向における有効範囲は、長辺方向における有効範囲より大きい。本実施形態で用いたマイクロレンズアレイ18の個々のマイクロレンズ20は、平面視において略長方形状である。 The microlenses 20 have different effective ranges in two orthogonal directions within the plane on which they are arranged, with the effective range in the long side direction being larger than the effective range in the short side direction, and the effective range in the diagonal direction being larger than the effective range in the long side direction. Each microlens 20 of the microlens array 18 used in this embodiment is approximately rectangular in plan view.

図3(a)~(c)に示すマイクロレンズ20において、凸性の曲面を「レンズ面20a」とし、マイクロレンズ20の中心軸Axとレンズ面20aとの交点を「マイクロレンズ頂点20b」とし、略長方形であるマイクロレンズ20の周囲を「マイクロレンズ周端部20c」とし、マイクロレンズ頂点20bからレンズ面20aに沿ってマイクロレンズ周端部20cに達し、レンズ面20aの等高線の直角となるレンズ面20a上の仮想線を「マイクロレンズ母線20d」とし、中心軸Axからレンズ面20aまでの距離(変数)を「r」とする。 In the microlens 20 shown in Figures 3(a) to (c), the convex curved surface is the "lens surface 20a", the intersection of the central axis Ax of the microlens 20 and the lens surface 20a is the "microlens apex 20b", the periphery of the approximately rectangular microlens 20 is the "microlens peripheral edge 20c", the imaginary line on the lens surface 20a that runs from the microlens apex 20b along the lens surface 20a to the microlens peripheral edge 20c and is perpendicular to the contour line of the lens surface 20a is the "microlens generatrix 20d", and the distance (variable) from the central axis Ax to the lens surface 20a is "r".

図4は、放射角度変換素子14の概略拡大断面図である。図4に示すように、軸対称の面を有するマイクロレンズ20の中心軸Axに垂直な面VPと、レンズ面20a上の一点における接平面TPとのなす角θを「接平面角度θ」とする。本実施形態では、平行平板状の基板16の一方の主面上にマイクロレンズアレイ18が形成され、もう一方の主面がフラットな面となっている。マイクロレンズアレイ18が、その中心軸Axが発光素子12から出射される光ILの進行方向と平行になるように配置されるとき、マイクロレンズアレイ18の形成されていないフラットな主面は、マイクロレンズ20の中心軸Axに垂直な面VPに対応する。 Figure 4 is a schematic enlarged cross-sectional view of the radiation angle conversion element 14. As shown in Figure 4, the angle θ between a plane VP perpendicular to the central axis Ax of the microlens 20 having an axially symmetric surface and a tangent plane TP at a point on the lens surface 20a is defined as the "tangent plane angle θ". In this embodiment, the microlens array 18 is formed on one main surface of the parallel plate-shaped substrate 16, and the other main surface is a flat surface. When the microlens array 18 is arranged so that its central axis Ax is parallel to the traveling direction of the light IL emitted from the light emitting element 12, the flat main surface on which the microlens array 18 is not formed corresponds to the plane VP perpendicular to the central axis Ax of the microlens 20.

図5は、マイクロレンズアレイ18におけるマイクロレンズ20の数学的な形状の一例を示す。図5において、実線は、距離r[mm]に対するレンズ面の座標(Z[mm])を表す。破線は、距離rに対する接平面角度θ[°]を表す。r=0は、マイクロレンズ20の中心軸Axに対応する。図5から分かるように、接平面角度θは、中心軸Axから離れるに従って大きくなる。中心軸Axに対称な凸面形状を備え、平面視で略長方形状のマイクロレンズ20においては、長辺方向、さらに対角方向に、より大きな接平面角度θを有する曲面が現れる。図5には、短辺方向、長辺方向および対角方向におけるマイクロレンズ20の範囲が図示されている。 Figure 5 shows an example of the mathematical shape of a microlens 20 in the microlens array 18. In Figure 5, the solid line represents the coordinate (Z [mm]) of the lens surface with respect to the distance r [mm]. The dashed line represents the tangent angle θ [°] with respect to the distance r. r = 0 corresponds to the central axis Ax of the microlens 20. As can be seen from Figure 5, the tangent angle θ increases with distance from the central axis Ax. In the microlens 20 having a convex shape symmetrical with respect to the central axis Ax and having a substantially rectangular shape in a plan view, a curved surface with a larger tangent angle θ appears in the long side direction and further in the diagonal direction. Figure 5 shows the range of the microlens 20 in the short side direction, long side direction, and diagonal direction.

本実施形態においては、マイクロレンズ20は、距離rが大きくなるに従い、レンズ面の座標Zが小さくなる凸性の非球面形状のレンズであり、マイクロレンズを構成する材料は十分に透明であり、短辺方向のエリアは0.0081mm×2=0.0162mmであり、長辺方向のエリアは0.0125mm×2=0.025mmであり、対角線方向のエリアは0.0149mm×2=0.0298mmである。 In this embodiment, the microlens 20 is a convex aspheric lens in which the coordinate Z of the lens surface decreases as the distance r increases, the material constituting the microlens is sufficiently transparent, the area in the short side direction is 0.0081 mm x 2 = 0.0162 mm, the area in the long side direction is 0.0125 mm x 2 = 0.025 mm, and the area in the diagonal direction is 0.0149 mm x 2 = 0.0298 mm.

本実施形態で用いたマイクロレンズアレイ18においては、短辺方向、長辺方向および対角方向におけるマイクロレンズ20のエリアにおいて、いずれの方向においても、接平面角度θが、45°以上となる曲面とその範囲が現れる。本実施形態においては、接平面角度θが45°となるような中心軸Axからの距離は0.0048mmであるので、短辺方向、長辺方向および対角方向の各方向について、角度θが45°以上となる範囲をそれぞれrth (S)、rth (L)、rth (D)とすると、それらの値は、rth (S)=0.0033mm、rth (L)=0.0077mm、rth (D)=0.0101mmである。 In the microlens array 18 used in this embodiment, in the area of the microlenses 20 in the short side direction, long side direction, and diagonal direction, a curved surface and its range where the tangential plane angle θ is 45° or more appears in all directions. In this embodiment, the distance from the central axis Ax where the tangential plane angle θ is 45° is 0.0048 mm, so if the ranges where the angle θ is 45° or more in the short side direction, long side direction, and diagonal direction are r th (S) , r th (L) , and r th (D) , respectively, the values are r th (S) = 0.0033 mm, r th (L) = 0.0077 mm, and r th (D) = 0.0101 mm.

マイクロレンズアレイ18の製造方法として、2P(ツーピース)成形法を用いることができる。2P成形法では、マイクロレンズアレイ18の形状が反転された金型を、基板16の一方の主面上に展開した未硬化の樹脂などに押し当てて、その金型の形状を樹脂に転写しながら加熱もしくは紫外線などの光の照射によって硬化させる。その後、金型を離形することで基板16と一体化したマイクロレンズアレイ18を得ることができる。さらに、加熱してポストキュアを行ってもよい。この場合、硬化がさらに促進し、その剛性や機械的強度、耐候性などの向上が期待できる。このような転写による成形法においては、一定の大きさの基板16上に、一気にすべてのマイクロレンズ20を形成するような金型を用いることもできる。 The 2P (two-piece) molding method can be used as a manufacturing method for the microlens array 18. In the 2P molding method, a mold with an inverted shape of the microlens array 18 is pressed against uncured resin spread on one main surface of the substrate 16, and the shape of the mold is transferred to the resin while curing by heating or irradiating with light such as ultraviolet light. The mold is then released to obtain the microlens array 18 integrated with the substrate 16. Furthermore, post-curing may be performed by heating. In this case, the curing is further promoted, and it is expected that the rigidity, mechanical strength, weather resistance, etc. of the microlens array 18 will be improved. In such a molding method by transfer, a mold that forms all the microlenses 20 at once on a substrate 16 of a certain size can also be used.

別の製造方法としては、ステップアンドリピート法を用いることができる。ステップアンドリピート法では、求められる基板より小さいサイズに対応した金型を用いて、数回~数十回の転写を繰り返して、求められるより大きなサイズの基板上にマイクロレンズ20を形成する。また、金型を用いてマイクロレンズアレイ18を製造する方法としては射出成型方法などがある。しかしながら、マイクロレンズアレイ18の製造方法はこれらの方法に限定されない。 As another manufacturing method, a step-and-repeat method can be used. In the step-and-repeat method, a mold corresponding to a size smaller than the desired substrate is used, and transfer is repeated several to several tens of times to form microlenses 20 on a substrate of a larger size than the desired size. In addition, a method for manufacturing the microlens array 18 using a mold includes an injection molding method. However, the manufacturing method of the microlens array 18 is not limited to these methods.

上記のような放射角度変換素子14と、発光素子12(VCSELアレイ)とを組み合わせて、図1に示すような発光素子12から出射された光ILを所定の放射角度または拡散角度を有する光OLに変換し、前方に照射する発光装置10を構成した。光の放射角度を変換するとは、マイクロレンズ20を出射した光が、屈折や散乱等により、所定の角度にわたって拡大や拡散する作用であり、その方角や場所によらず光強度の大きな偏りや分布が小さいものは、均一照明などの用途に有効である。 By combining the above-mentioned radiation angle conversion element 14 with a light emitting element 12 (VCSEL array), a light emitting device 10 is constructed that converts light IL emitted from the light emitting element 12 as shown in FIG. 1 into light OL having a predetermined radiation angle or diffusion angle and irradiates it forward. Converting the radiation angle of light means that the light emitted from the microlens 20 is expanded or diffused over a predetermined angle due to refraction, scattering, etc., and light with little large deviation or distribution of light intensity regardless of the direction or location is effective for applications such as uniform lighting.

本発明者は、このように放射角度変換素子14と、発光素子12とを組み合わせて発光装置10を構成した場合に、発光素子12と、放射角度変換素子14との配置に対して、所定の方角における反射光RLが、特異的にその強度を増すことを見出した。さらに発明者は、その反射光RLをモニタ光として受光するようにPD(Photo Diode)やAPD(Avalanche Photo diode)などの受光素子15を配置することにより、モニタ光の検出精度を向上できるという思想に至った。 The inventor has found that when the light emitting device 10 is constructed by combining the radiation angle conversion element 14 and the light emitting element 12 in this way, the intensity of the reflected light RL in a specific direction increases specifically with respect to the arrangement of the light emitting element 12 and the radiation angle conversion element 14. The inventor has further come up with the idea that the detection accuracy of the monitor light can be improved by arranging a light receiving element 15 such as a PD (Photo Diode) or APD (Avalanche Photo Diode) to receive the reflected light RL as monitor light.

図1に示すように、制御部17は、発光素子12および受光素子15に接続されている。制御部17は、受光素子15の検出値を発光素子12の駆動電流にフィードバックして発光素子12の光出力を一定に保つ制御(定出力制御)を行う。本実施形態においては、受光素子15でモニタされる反射光RLは強度が高く、SN比が高いので、安定した明るさの光を継続的に照射できる発光装置10を実現できる。 As shown in FIG. 1, the control unit 17 is connected to the light-emitting element 12 and the light-receiving element 15. The control unit 17 performs control (constant output control) to keep the light output of the light-emitting element 12 constant by feeding back the detection value of the light-receiving element 15 to the drive current of the light-emitting element 12. In this embodiment, the reflected light RL monitored by the light-receiving element 15 has a high intensity and a high signal-to-noise ratio, so that a light-emitting device 10 can be realized that can continuously irradiate light with a stable brightness.

図6および図7(a)~(c)は、発光素子12および放射角度変換素子14の配置と、特定の方角における反射光RLの強度が増加する部分との関係を示す図である。反射光RLの強度が特異的に増加する部分を「反射光強度増加部60」とする。ここでは、各要素の配置と反射光強度増加部60の位置を表すために、極座標(球座標)と、一部、経度と緯度の考え方によって球Sの表面の位置を表すことにする。 Figures 6 and 7 (a) to (c) are diagrams showing the relationship between the arrangement of the light emitting element 12 and the radiation angle conversion element 14 and the part where the intensity of the reflected light RL increases in a specific direction. The part where the intensity of the reflected light RL increases specifically is called the "reflected light intensity increasing part 60". In this case, to represent the arrangement of each element and the position of the reflected light intensity increasing part 60, the position on the surface of the sphere S is represented using polar coordinates (spherical coordinates) and, in part, the concept of longitude and latitude.

発光素子の中心Osと、放射角度変換素子14の中心Mと、それらを結ぶ線分OsMは、球Sの軸A上にある。軸Aは球Sの中心Oを通過する。発光素子12や放射角度変換素子14の中心とは、発光素子12や放射角度変換素子14の平面視における対角線の交点近傍でもよいし、適宜定めた発光素子12や放射角度変換素子14の中央部分における点でもよいし、そのほか光学的あるいは幾何学的に定められる中心でもよい。ここでは、発光素子12や放射角度変換素子14の中心は、発光素子12の光出射面や放射角度変換素子14の表面にあり、平面視における光出射面や放射角度変換素子14の表面の対角線の交点とした。 The center Os of the light-emitting element, the center M of the radiation angle conversion element 14, and the line segment OsM connecting them are on the axis A of the sphere S. The axis A passes through the center O of the sphere S. The center of the light-emitting element 12 or the radiation angle conversion element 14 may be near the intersection of the diagonals of the light-emitting element 12 or the radiation angle conversion element 14 in a planar view, or may be an appropriately determined point in the central part of the light-emitting element 12 or the radiation angle conversion element 14, or may be another optically or geometrically determined center. Here, the center of the light-emitting element 12 or the radiation angle conversion element 14 is on the light emission surface of the light-emitting element 12 or the surface of the radiation angle conversion element 14, and is the intersection of the diagonals of the light emission surface or the surface of the radiation angle conversion element 14 in a planar view.

発光素子12は、その中心Osが球Sの表面上にあるように配置される。放射角度変換素子14は、中心Mが球Sの中心Oと一致するように配置される。放射角度変換素子14は、上述のように、平行な主面を有する基板16の少なくともいずれか一方の主面上に複数のマイクロレンズ20を配列させて形成したものであり、マイクロレンズ20は発光素子12に相対しており、マイクロレンズ20の光軸Axは軸Aに平行である。発光素子12から出射した光は、軸Aに略対称に進み、放射角度変換素子14におけるマイクロレンズアレイ18が形成された面である面ML1から入射する。放射角度変換素子14におけるもう一方の面ML2は平面であり、面ML2から光は出射する(図1参照)。面ML2は後述の赤道面Eqと平行であり、軸Aに垂直である。また、軸A上にあって、点Oに対して点Osの対称な点を点Rとする。 The light emitting element 12 is arranged so that its center Os is on the surface of the sphere S. The radiation angle conversion element 14 is arranged so that its center M coincides with the center O of the sphere S. As described above, the radiation angle conversion element 14 is formed by arranging a plurality of microlenses 20 on at least one of the main surfaces of the substrate 16 having parallel main surfaces, and the microlenses 20 face the light emitting element 12, and the optical axis Ax of the microlenses 20 is parallel to the axis A. The light emitted from the light emitting element 12 proceeds approximately symmetrically with respect to the axis A and is incident on the surface ML1, which is the surface on which the microlens array 18 of the radiation angle conversion element 14 is formed. The other surface ML2 of the radiation angle conversion element 14 is a plane, and the light is emitted from the surface ML2 (see FIG. 1). The surface ML2 is parallel to the equatorial plane Eq described later and perpendicular to the axis A. Also, the point on the axis A that is symmetrical to the point Os with respect to the point O is defined as point R.

マイクロレンズアレイ18のマイクロレンズ20がその平面視(点Oから垂直にみた視点)で略長方形状であって、二次元に密に配列されている場合を考える。ここで、点Mを通りマイクロレンズ20の長辺と平行な直線が球Sと交わる点を点As、点Bsとし、点Mを通りマイクロレンズ20の短辺と平行な直線が球Sと交わる点を点Cs、点Dsとする。 Let us consider a case where the microlenses 20 of the microlens array 18 are roughly rectangular in plan view (perspective viewed vertically from point O) and are densely arranged two-dimensionally. Here, let points As and Bs be the points where a straight line passing through point M and parallel to the long side of the microlens 20 intersects with the sphere S, and points Cs and Ds be the points where a straight line passing through point M and parallel to the short side of the microlens 20 intersects with the sphere S.

経度0°は、Os-Ds-Rを結ぶ子午線であり、経度90°はOs-As-Rを結ぶ子午線であり、経度180°はOs-Cs-Rを結ぶ子午線であり、経度270°はOs-Bs-Rを結ぶ子午線である。 Longitude 0° is the meridian connecting Os-Ds-R, longitude 90° is the meridian connecting Os-As-R, longitude 180° is the meridian connecting Os-Cs-R, and longitude 270° is the meridian connecting Os-Bs-R.

緯度0°は、球Sの周りをAs-Cs-Bs-Dsを結ぶ線で表される。これは観念上赤道に対応する。緯度90°は、点Osに対応する。これは観念上、極の一つに対応する。放射角度変換素子14の中心Mは、As-Cs-Bs-Dsで囲まれた赤道面Eq上にある。 Latitude 0° is represented by a line that connects As-Cs-Bs-Ds around the sphere S. This notionally corresponds to the equator. Latitude 90° corresponds to point Os. This notionally corresponds to one of the poles. The center M of the radiation angle conversion element 14 is on the equatorial plane Eq that is bounded by As-Cs-Bs-Ds.

中心Osを含む発光素子12から所定の角度で放射された光は、理想的には軸Aに対称に進み、赤道面Eq上に配置された放射角度変換素子14の面ML1に入射する。放射角度変換素子14に入射した光は、表面のマイクロレンズ20の作用により、その放射角が変換(拡大)されて放射角度変換素子14の面ML2から出射する。放射角度変換素子14から出射した光は所定の放射角度で、点Rの方向に向かって進む。 Light emitted at a predetermined angle from the light-emitting element 12 with center Os ideally travels symmetrically about axis A and is incident on surface ML1 of radiation angle conversion element 14 arranged on the equatorial plane Eq. The radiation angle of the light incident on radiation angle conversion element 14 is converted (enlarged) by the action of microlenses 20 on the surface, and the light is emitted from surface ML2 of radiation angle conversion element 14. The light emitted from radiation angle conversion element 14 travels in the direction of point R at a predetermined radiation angle.

一実施例に係る放射角度変換素子14では、2.8mm×2.3mm×厚さ0.3mmのガラス基板(D263 T eco)上に、紫外線硬化性アクリル系樹脂を用いて、2P成形法によって、マイクロレンズ20を形成した。マイクロレンズ20は、その曲面形状が、中心軸からの距離をr[mm]とすると、Z[mm]=0.0231-104.43×r+7735.5×rで表される軸対称性の凸性の非球面形状である。 In the radiation angle conversion element 14 according to one embodiment, the microlens 20 is formed by 2P molding using ultraviolet-curable acrylic resin on a glass substrate (D263 T eco) of 2.8 mm × 2.3 mm × thickness 0.3 mm. The microlens 20 has an axially symmetric convex aspheric shape whose curved shape is expressed by Z [mm] = 0.0231 - 104.43 × r 2 + 7735.5 × r 4 , where r [mm] is the distance from the central axis.

マイクロレンズアレイ18の各マイクロレンズ20は、長辺の長さが0.025mmであり、短辺の長さが0.0162mmであり、対角線の長さは0.0298mmである平面視で長方形状であり、Sagの最大値は長辺方向が0.0161mmであり、短辺方向が0.0068mmであり、対角方向が0.0231mmである。マイクロレンズアレイ18においては、マイクロレンズ20がガラス基板上に12000個(長辺方向に100個、短辺方向に120個)隙間なく配列されている。 Each microlens 20 of the microlens array 18 is rectangular in plan view with a long side length of 0.025 mm, a short side length of 0.0162 mm, and a diagonal length of 0.0298 mm, and the maximum value of Sag is 0.0161 mm in the long side direction, 0.0068 mm in the short side direction, and 0.0231 mm in the diagonal direction. In the microlens array 18, 12,000 microlenses 20 (100 in the long side direction and 120 in the short side direction) are arranged without gaps on the glass substrate.

このようなマイクロレンズアレイ18について、BRDF(双方向反射率分布関数)を測定した。BRDFの測定は装置としてRadiant Zemax社製IS-SAを用いた。BRDFは、マイクロレンズアレイ18に対して、基板16の主面(例えば面ML2)と垂直な方向から、平行光を照射し、マイクロレンズアレイ18のまわりに配された半球ドームに投影された反射光の強度を測定した。BRDFの測定は、445nm、555nmおよび595nmの各波長を含む三種類の光源について行った。上記の球座標の観念と、測定結果とをリンクさせて説明する。 The BRDF (bidirectional reflectance distribution function) was measured for such a microlens array 18. The BRDF was measured using an IS-SA manufactured by Radiant Zemax. BRDF was measured by irradiating the microlens array 18 with parallel light from a direction perpendicular to the main surface (e.g., surface ML2) of the substrate 16, and measuring the intensity of the reflected light projected onto a hemispherical dome arranged around the microlens array 18. BRDF measurements were performed for three types of light source including wavelengths of 445 nm, 555 nm, and 595 nm. The above concept of spherical coordinates will be linked to the measurement results for explanation.

図8、図9および図10は、BRDFによる測定結果を示す。図8、図9および図10は、特に555nmの波長を含む光を照射したときの測定結果であるが、445nmおよび595nmの波長の光を照射したときであっても測定結果は殆ど変らなかった。 Figures 8, 9, and 10 show the measurement results using BRDF. Figures 8, 9, and 10 show the measurement results when light containing a wavelength of 555 nm was irradiated in particular, but the measurement results were almost the same even when light with wavelengths of 445 nm and 595 nm was irradiated.

図8は、横軸を経度、縦軸を緯度として、反射光の強度分布を二次元的に表した図である。図8では0°~180°にわたる経度の範囲において、光強度を求めたが、180°~360°の経度範囲(Cs-Bs-Ds)においてもほぼ対称な強度分布が現れる。 Figure 8 is a two-dimensional diagram showing the intensity distribution of reflected light, with the horizontal axis representing longitude and the vertical axis representing latitude. In Figure 8, the light intensity was measured in a longitude range of 0° to 180°, but an almost symmetrical intensity distribution also appears in the longitude range of 180° to 360° (Cs-Bs-Ds).

図9は、図8について経度90°における反射光強度を表した図であり、横軸は緯度、縦軸は光の強度(任意単位)を表している。 Figure 9 shows the reflected light intensity at longitude 90° for Figure 8, with the horizontal axis representing latitude and the vertical axis representing light intensity (arbitrary units).

図10は、図8について緯度33°における反射光強度を表した図であり、横軸は経度、縦軸は光の強度を表している。 Figure 10 shows the reflected light intensity at latitude 33° for Figure 8, with the horizontal axis representing longitude and the vertical axis representing light intensity.

図8~図10から、発光素子12からの光を、所定の形状パラメータを備える放射角度変換素子14によって拡散等させる場合に、それぞれの要素の配置に対して、所定の方角に反射光強度が大きくなる特異点(すなわち、反射光強度増加部60)が存在しうることがわかる。この実施例においては、経度90°および270°(この方角は、放射角度変換素子14の中心Mからみて、放射角度変換素子14の長辺方向と一致することに注意する)近傍であり、且つ緯度が33°近傍に反射光強度増加部60が現れる。 From Figures 8 to 10, it can be seen that when light from the light-emitting element 12 is diffused or the like by a radiation angle conversion element 14 having predetermined shape parameters, there may be a singular point (i.e., a reflected light intensity increasing section 60) where the reflected light intensity is increased in a predetermined direction for the arrangement of each element. In this embodiment, the reflected light intensity increasing section 60 appears near longitudes of 90° and 270° (note that this direction coincides with the long side direction of the radiation angle conversion element 14 when viewed from the center M of the radiation angle conversion element 14) and near latitudes of 33°.

したがって、本実施形態に係る発光装置10のように、反射光強度増加部60にPDやAPDなどの受光素子15を配置することによって、余分な部品や要素を加えることなく、SN比の良好なモニタ光を得ることが可能となり、安定した明るさを継続的に発揮できる発光装置10を実現できる。 Therefore, by arranging a light receiving element 15 such as a PD or APD in the reflected light intensity increasing section 60 as in the light emitting device 10 of this embodiment, it is possible to obtain monitor light with a good signal-to-noise ratio without adding extra parts or elements, and it is possible to realize a light emitting device 10 that can continuously provide stable brightness.

本発明者は、このような反射光強度増加部60が生じる機序について検討した。本発明者は、様々な実験から以下の知見を得た。
1)反射光強度増加部60は、球座標でいうところの発光素子12を含む半球に現れる。
2)放射角度変換素子14の面ML1からの直接の反射光は寄与しない。透明誘電体から成るマイクロレンズアレイ18の表面からの正反射の強度はわずかである。
3)マイクロレンズアレイ18のマイクロレンズ20間のギャップなどの散乱によっても、直接的に反射光強度増加部60が形成されているのではない。これは、ギャップを黒く染めて光学的な反射光の寄与をなくしても、同様の結果が得られたからである。
4)マイクロレンズ20の接平面角度θの大きさが大きくなるほど反射光強度増加部60が顕著に表れる。これは勾配の強い面をマイクロレンズ20が含むときである。
5)反射光強度増加部60は、子午線Os-As-Rと子午線Os-Bs-R上の点を中心に分布的に生じる。逆に、反射光強度増加部60は、子午線Os-Ds-Rと子午線Os-Cs-Rと重なって形成されない。
The present inventor has studied the mechanism by which such a reflected light intensity increased portion 60 occurs, and has obtained the following findings from various experiments.
1) The reflected light intensity increase portion 60 appears in the hemisphere including the light emitting element 12 in spherical coordinates.
2) There is no contribution from the light directly reflected from the surface ML1 of the radiation angle conversion element 14. The intensity of the regular reflection from the surface of the microlens array 18 made of a transparent dielectric material is small.
3) The reflected light intensity increased portion 60 is not directly formed by scattering from the gaps between the microlenses 20 of the microlens array 18. This is because the same result was obtained even if the gaps were dyed black to eliminate the optical contribution of reflected light.
4) As the tangent plane angle θ of the microlens 20 increases, the reflected light intensity increase portion 60 becomes more prominent. This occurs when the microlens 20 includes a surface with a steep gradient.
5) The reflected light intensity increase portion 60 occurs in a distributed manner centered on the points on the meridians Os-As-R and Os-Bs-R. Conversely, the reflected light intensity increase portion 60 does not overlap with the meridians Os-Ds-R and Os-Cs-R.

マイクロレンズ20は、その形状が非球面形状で、数学的には中心近傍の曲率半径rと高次項を有し、中心軸Axの周りに対称である。接平面角度θは中心軸Axから離れるにつれて大きくなる。先述のように、マイクロレンズ20は、平面視で長方形状であるので、マイクロレンズ20の中心軸Axから短辺方向のエッジまでの距離は、中心軸Axから長辺方向のエッジまでの距離より短い。従って、接平面角度θはマイクロレンズの長辺方向、さらに対角方向のほうが大きくなる。 The microlens 20 has an aspheric shape, has a radius of curvature r near the center and higher-order terms, and is mathematically symmetric about the central axis Ax. The tangent plane angle θ increases with distance from the central axis Ax. As described above, the microlens 20 is rectangular in plan view, so the distance from the central axis Ax of the microlens 20 to the edge in the short side direction is shorter than the distance from the central axis Ax to the edge in the long side direction. Therefore, the tangent plane angle θ is larger in the long side direction of the microlens and also in the diagonal direction.

図11は、マイクロレンズ20の長辺方向において反射光強度増加部60が現れる機序を説明するための図である。図11は、マイクロレンズ20の中心軸を通り、マイクロレンズ20の長辺方向に平行な断面を示したものである。図12は、図11の一部の拡大図である。 Figure 11 is a diagram for explaining the mechanism by which a reflected light intensity increase portion 60 appears in the long side direction of the microlens 20. Figure 11 shows a cross section passing through the central axis of the microlens 20 and parallel to the long side direction of the microlens 20. Figure 12 is an enlarged view of a portion of Figure 11.

マイクロレンズアレイ18に入射した光のうち、第1マイクロレンズ20(1)の裾(中心軸から比較的離れた部分)の近傍に入射した光IL1は、接平面TP(1)に対する入射角度が大きい場合は、全反射に近い強度で反射され、隣接する第2マイクロレンズ20(2)に入射する。このときは第2マイクロレンズ20(2)の接平面TP(2)に対する入射角度は小さいので、わずかな反射損失でマイクロレンズアレイ18の内部に入射し伝搬する。光IL1は、面ML2によって反射しマイクロレンズ側に向かう。次いでマイクロレンズの曲面に達した光IL1は、第3マイクロレンズ20(3)を透過してマイクロレンズアレイ18から再び出射し、発光素子12を含む半球側のエリアに進む。 When the light IL1 incident on the microlens array 18 is near the base of the first microlens 20(1) (a portion relatively far from the central axis), it is reflected with an intensity close to total reflection and enters the adjacent second microlens 20(2) if the angle of incidence with respect to the tangent plane TP(1) is large. In this case, the angle of incidence with respect to the tangent plane TP(2) of the second microlens 20(2) is small, so it enters and propagates inside the microlens array 18 with only slight reflection loss. The light IL1 is reflected by the surface ML2 and heads toward the microlens. The light IL1 then reaches the curved surface of the microlens, passes through the third microlens 20(3), and exits the microlens array 18 again, proceeding to the hemispherical area including the light emitting element 12.

上記の機序を想定した場合、マイクロレンズ20の表面は、接平面角度θが45°以上となる曲面を含む必要がある。接平面角度θが45°以上となる曲面を含まないマイクロレンズの場合、第1マイクロレンズ20(1)の表面で反射された光が直接的に、図6で示した発光素子12を含む上半球のエリアに進むが、その光強度は小さいために反射光強度の高い特異なエリアは形成されにくい。 Assuming the above mechanism, the surface of the microlens 20 must include a curved surface with a tangential angle θ of 45° or more. In the case of a microlens that does not include a curved surface with a tangential angle θ of 45° or more, the light reflected on the surface of the first microlens 20(1) travels directly to the area of the upper hemisphere including the light-emitting element 12 shown in FIG. 6, but because the light intensity is small, it is difficult to form a unique area with high reflected light intensity.

マイクロレンズ20の表面は、接平面角度θが50°以上となる曲面を含むことが望ましく、接平面角度θが55°以上となる曲面を含むことが望ましく、接平面角度θが60°以上となる曲面を含むことがさらに望ましい。マイクロレンズ20の表面がこのような曲面を含む場合、第1マイクロレンズ20(1)の表面で反射される強度が大きくなるとともに、第2マイクロレンズ20(2)から入射して、マイクロレンズアレイ18の内部を伝搬、反射して、第3マイクロレンズ20(3)から出射する反射光の強度も大きくなる。したがって、反射光強度増加部60が形成される。 The surface of the microlens 20 preferably includes a curved surface with a tangential plane angle θ of 50° or more, more preferably includes a curved surface with a tangential plane angle θ of 55° or more, and even more preferably includes a curved surface with a tangential plane angle θ of 60° or more. When the surface of the microlens 20 includes such a curved surface, the intensity of the light reflected by the surface of the first microlens 20(1) increases, and the intensity of the reflected light that enters from the second microlens 20(2), propagates inside the microlens array 18, is reflected, and is emitted from the third microlens 20(3) also increases. Thus, a reflected light intensity increasing portion 60 is formed.

反射光強度増加部60の形成に、放射角度変換素子14の面ML2が寄与していることは、面ML2に直接につやなし黒色で塗装、すなわち面ML2への入射を実質的にゼロとすることによって、反射光強度増加部60が形成されないという事情から分かった。 The contribution of surface ML2 of radiation angle conversion element 14 to the formation of reflected light intensity increasing section 60 was found by the fact that by directly painting surface ML2 with a matte black color, i.e., by making the incidence on surface ML2 essentially zero, the reflected light intensity increasing section 60 was not formed.

また、面などの界面からの反射光の強度(反射率)は、入射角度がゼロ(垂直入射)の場合は4%程度であるが、フレネル反射の原理から、入射角度が大きく、特に50°を超えるあたりから10%を超える反射率を呈することは周知である。このことから、反射光強度増加部60の形成の元となる光の、面ML2への入射角度も大きいほうが、反射光強度が大きくなる傾向がある。従って、面ML2への入射角度は45°以上であり、50°以上が好ましく、55°以上がさらに好ましい。 In addition, the intensity (reflectance) of reflected light from an interface such as a surface is approximately 4% when the angle of incidence is zero (perpendicular incidence), but due to the principle of Fresnel reflection, it is well known that as the angle of incidence increases, particularly when the angle exceeds 50°, the reflectance exceeds 10%. For this reason, the reflected light intensity tends to increase when the angle of incidence of the light that is the source of the formation of the reflected light intensity increasing portion 60 on surface ML2 is larger. Therefore, the angle of incidence on surface ML2 is 45° or more, preferably 50° or more, and more preferably 55° or more.

反射光強度増加部60がいずれの方角に形成されるかは、マイクロレンズ20の形状や実質的な密度、マイクロレンズアレイ18の厚み、基板16の厚みなどによって変動し得る。 The direction in which the reflected light intensity increasing portion 60 is formed can vary depending on the shape and actual density of the microlenses 20, the thickness of the microlens array 18, the thickness of the substrate 16, etc.

以上は、接平面角度θが45°以上となる曲面を有するマイクロレンズ20の長辺方向の事情である。このような曲面を有するエリアが小さいまたは備えることがないマイクロレンズ20の短辺方向では、このような反射光強度増加部60が形成されない。図13は、マイクロレンズ20の短辺方向において反射光強度増加部60が現れない機序を説明するための図である。図13は、マイクロレンズ20の中心軸を通り、マイクロレンズ20の短辺方向に平行な断面を示したものである。 The above is the situation in the long side direction of a microlens 20 having a curved surface with a tangent plane angle θ of 45° or more. In the short side direction of a microlens 20 where the area having such a curved surface is small or not provided, such a reflected light intensity increased portion 60 is not formed. Figure 13 is a diagram for explaining the mechanism by which the reflected light intensity increased portion 60 does not appear in the short side direction of the microlens 20. Figure 13 shows a cross section passing through the central axis of the microlens 20 and parallel to the short side direction of the microlens 20.

図13に示すように、第1マイクロレンズ20(1)の裾の近傍に入射した光IL2は、上述のマイクロレンズ20長辺方向の場合とは異なり、第1マイクロレンズ20(1)の面ML1からマイクロレンズアレイ18内に入射し、面ML2から出射する。従って、マイクロレンズ20の短辺方向では、長辺方向で発生したような発光素子12を含む半球側のエリアに進む光は生じない、または生じたとしても非常に少ないので、反射光強度増加部60が形成されない。 As shown in FIG. 13, unlike the case of the long side direction of the microlens 20 described above, the light IL2 incident near the bottom of the first microlens 20(1) enters the microlens array 18 from the surface ML1 of the first microlens 20(1) and exits from the surface ML2. Therefore, in the short side direction of the microlens 20, no light travels to the hemispherical area including the light-emitting element 12 as occurs in the long side direction, or even if it does, it is very little, so the reflected light intensity increase portion 60 is not formed.

本発明者は、以上の事情について実験的に確認した。図14は、反射光強度増加部を確認する実験を説明するための図である。上記のBRDFによる測定に供した放射角度変換素子14について、図14で示したように、面ML1の側から、基板16の主面(面ML2)に対して60°の入射角で光を入射させたうえで、マイクロレンズアレイ18から垂直上方に出射される光を金属顕微鏡で観測した。これは強度が特異的に大きくなる反射光が形成されるときと、逆の光路で光を入射させた場合の光学特性を理解することによって、光の逆進性から、反射光強度が特異的に増大する部分が存在するということを説明するものである。 The inventor confirmed the above circumstances experimentally. Figure 14 is a diagram for explaining an experiment to confirm the reflected light intensity increased portion. For the radiation angle conversion element 14 used in the above BRDF measurement, as shown in Figure 14, light was incident from the surface ML1 side at an incident angle of 60° with respect to the main surface (surface ML2) of the substrate 16, and the light emitted vertically upward from the microlens array 18 was observed with a metallurgical microscope. This explains the existence of a portion where the reflected light intensity increases specifically due to the reversibility of light, by understanding the optical characteristics when reflected light with a specifically increased intensity is formed and when light is incident on the reverse optical path.

図15は、マイクロレンズ20の長辺方向から、参照光を入射させたときの概略図である。図16は、図15に示すように参照光を入射させたときの反射光の観測図である。図16では、同心円状の「影72」が配列しているのが確認できるが、これはマイクロレンズ20から垂直な方向に反射された参照光の分布である。図16においては、平面視略長方形状のマイクロレンズ20の長辺方向であって、中心軸から離れた部分に、新月状の光強度の大きい部位70が観測できる。光の逆進性の観点から、マイクロレンズ20の長辺方向であって、中心軸から離れた部分に入射する光が原因となって、反射光強度増加部が形成されることが理解できる。 Figure 15 is a schematic diagram of when reference light is incident from the long side direction of the microlens 20. Figure 16 is an observation diagram of reflected light when reference light is incident as shown in Figure 15. In Figure 16, an arrangement of concentric "shadows 72" can be confirmed, which is the distribution of reference light reflected in a vertical direction from the microlens 20. In Figure 16, a crescent-shaped area 70 of high light intensity can be observed in the long side direction of the microlens 20, which is approximately rectangular in plan view, and away from the central axis. From the perspective of the reversibility of light, it can be understood that the reflected light intensity increase area is formed due to light incident on the long side direction of the microlens 20 and away from the central axis.

図17は、放射角度変換素子14の条件を変えたときの反射光の観測図である。ここでは、放射角度変換素子14の面ML2をつやなし黒色で塗装したのちに、図15と同じ観測方法で、反射光を観測した。その結果、図16に示す観測図と異なり、マイクロレンズ20の長辺方向であって、中心軸から離れた部分に、新月状の光強度の大きい部位は観測されなかった。このことから、特異的な方角に形成される反射光強度増加部の形成は、放射角度変換素子14の平面状の面ML2からの反射が寄与していることが裏付けられる。 Figure 17 shows the observed reflected light when the conditions of the radiation angle conversion element 14 are changed. Here, the surface ML2 of the radiation angle conversion element 14 was painted matte black, and the reflected light was observed using the same observation method as in Figure 15. As a result, unlike the observation diagram shown in Figure 16, no crescent-moon-shaped areas of high light intensity were observed in the long side direction of the microlens 20, away from the central axis. This confirms that the reflection from the planar surface ML2 of the radiation angle conversion element 14 contributes to the formation of the reflected light intensity increase area formed in a specific direction.

図18は、マイクロレンズ20の短辺方向から、参照光を入射させたときの概略図である。図19は、図18に示すように参照光を入射させたときの反射光の観測図である。図19から分かるように、マイクロレンズ20から垂直な方向に反射された反射光の分布(影72)は見られるが、反射光の強度の大きい部分は観測されない。この実験結果から、マイクロレンズ20の短辺方向では、反射光強度増加部が形成されないことが確認された。 Figure 18 is a schematic diagram of when reference light is incident from the short side direction of the microlens 20. Figure 19 is an observation diagram of reflected light when reference light is incident as shown in Figure 18. As can be seen from Figure 19, a distribution (shadow 72) of reflected light reflected in a vertical direction from the microlens 20 can be seen, but no areas of high intensity of reflected light are observed. From these experimental results, it was confirmed that no areas of increased reflected light intensity are formed in the short side direction of the microlens 20.

以上説明したように、本実施形態に係る発光装置10では、所定の方角における反射光RLの強度が他の方角よりも特異的に増加するようにマイクロレンズ20を形成した。そして、その所定の方角における反射光RLをモニタ光として受光するように受光素子15を配置した。これにより、モニタ光の検出精度を向上することができるので、安定した明るさを継続的に発揮できる発光装置10を実現できる。 As described above, in the light emitting device 10 according to this embodiment, the microlens 20 is formed so that the intensity of the reflected light RL in a specific direction is specifically increased compared to other directions. The light receiving element 15 is then positioned so as to receive the reflected light RL in the specific direction as monitor light. This improves the detection accuracy of the monitor light, thereby realizing a light emitting device 10 that can continuously provide stable brightness.

また、本実施形態に係る発光装置10では、モニタ光を受光素子に効率よく導くための部品(たとえばハーフミラーのような分光素子)を取りつける必要がない。したがって、余分な部品や要素を加える必要がないので、安価な発光装置10を実現できる。 In addition, the light emitting device 10 according to this embodiment does not require the installation of a component (for example, a dispersing element such as a half mirror) for efficiently directing the monitor light to the light receiving element. Therefore, since there is no need to add extra components or elements, an inexpensive light emitting device 10 can be realized.

図20は、変形例に係る放射角度変換素子114を説明するための図である。図20に示す放射角度変換素子114は、基板16と、基板16の一方の主面上に形成されるマイクロレンズアレイ18と、基板16の他方の主面ML2上に形成される誘電体多層膜19と、を備える。 Figure 20 is a diagram for explaining a radiation angle conversion element 114 according to a modified example. The radiation angle conversion element 114 shown in Figure 20 includes a substrate 16, a microlens array 18 formed on one main surface of the substrate 16, and a dielectric multilayer film 19 formed on the other main surface ML2 of the substrate 16.

図21は、変形例に係る放射角度変換素子114における誘電体多層膜19の透過率スペクトルを示す。図21において、実線は、誘電体多層膜19への入射角度が0°のときの透過率スペクトルを表し、破線は、誘電体多層膜19への入射角度が所定の角度(0°より大きい)のときの透過率スペクトルを表す。本変形例において、誘電体多層膜19は、入射角度が所定の角度以上である場合の所定の波長λoにおける透過率が、入射角度が0°である場合の所定の波長λoにおける透過率よりも減少する(反射率が増加することと同義)透過率スペクトルを有する。例えば、誘電体多層膜19は、入射角度が0°である場合の所定の波長λoにおける透過率が70%以上であり、入射角度が45°である場合の所定の波長λoにおける透過率が30%以下である。 Figure 21 shows the transmittance spectrum of the dielectric multilayer film 19 in the radiation angle conversion element 114 according to the modified example. In Figure 21, the solid line represents the transmittance spectrum when the incident angle to the dielectric multilayer film 19 is 0°, and the dashed line represents the transmittance spectrum when the incident angle to the dielectric multilayer film 19 is a predetermined angle (greater than 0°). In this modified example, the dielectric multilayer film 19 has a transmittance spectrum in which the transmittance at a predetermined wavelength λo when the incident angle is equal to or greater than the predetermined angle is smaller than the transmittance at the predetermined wavelength λo when the incident angle is 0° (synonymous with an increase in reflectance). For example, the dielectric multilayer film 19 has a transmittance of 70% or more at a predetermined wavelength λo when the incident angle is 0°, and a transmittance of 30% or less at a predetermined wavelength λo when the incident angle is 45°.

上述した反射光強度増加部60を構成する光線は、面ML2への入射角度が所定の角度(上記実施例では45°)以上である光線である。一方、誘電体多層膜19は、入射角度が増加するとともに、透過率スペクトル全体が短波長方向にシフトする特性を備える。従って、所定の角度以上における透過率スペクトルにおいて、用いる光の波長λoにおける透過率が小さい(反射率が大きい)誘電体多層膜19を面ML2上に備えることにより、特定の方角に形成される反射光強度増加部60における光強度をさらに増加することができる。波長λoにおいて反射率の増加を期待する入射角度と反射率は、求められる光学特性に応じて適宜決定すればよい。 The light beams constituting the reflected light intensity increasing section 60 described above are light beams whose angle of incidence on the surface ML2 is equal to or greater than a predetermined angle (45° in the above embodiment). On the other hand, the dielectric multilayer film 19 has a characteristic that the entire transmittance spectrum shifts toward shorter wavelengths as the angle of incidence increases. Therefore, by providing a dielectric multilayer film 19 on the surface ML2 that has a small transmittance (large reflectance) at the wavelength λo of the light used in the transmittance spectrum at angles equal to or greater than a predetermined angle, the light intensity in the reflected light intensity increasing section 60 formed in a specific direction can be further increased. The angle of incidence and reflectance at which an increase in reflectance at wavelength λo is expected may be appropriately determined according to the desired optical characteristics.

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described above based on an embodiment. This embodiment is merely an example, and those skilled in the art will understand that various modifications are possible in the combination of each component and each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present invention.

上述の実施形態では、長辺方向にのみに接平面角度θが45°以上となる曲面を備える、平面視で略長方形状のマイクロレンズについて説明したが、本発明のマイクロレンズに求められるのは、発光素子と放射角度変換素子と配置に対して、反射光強度の増大する特異的な方角が存在することである。したがって、平面視で略長方形状のマイクロレンズは、長辺方向に加えて短辺方向についても接平面角度θが45°以上となる曲面を有していてもよい。 In the above embodiment, a microlens that is approximately rectangular in plan view and has a curved surface only in the long side direction with a tangential plane angle θ of 45° or more has been described. However, what is required of the microlens of the present invention is that there is a specific direction in which the reflected light intensity increases with respect to the arrangement of the light emitting element and the radiation angle conversion element. Therefore, a microlens that is approximately rectangular in plan view may have a curved surface with a tangential plane angle θ of 45° or more in the short side direction in addition to the long side direction.

また、マイクロレンズの形状は平面視で略長方形状に限られず、平面視で略正方形状、台形状、平行四辺形状、ひし形状などであってもよい。また、マイクロレンズアレイに含まれるマイクロレンズは、すべて同一形状である必要はない。 The shape of the microlenses is not limited to being approximately rectangular in plan view, but may be approximately square, trapezoidal, parallelogrammatic, diamond-shaped, etc. in plan view. Also, all of the microlenses included in the microlens array do not need to be the same shape.

上述したように、反射光強度の増大する方角は、マイクロレンズの光学的または幾何学的な特性に依存する。マイクロレンズアレイは、これらの特性が異なる複数のマイクロレンズを含んでもよい。この場合、反射光強度の増大する方角が複数現れる放射角度変換素子を構成できる。 As described above, the direction in which the reflected light intensity increases depends on the optical or geometric characteristics of the microlens. A microlens array may include multiple microlenses with different characteristics. In this case, a radiation angle conversion element can be configured in which multiple directions in which the reflected light intensity increases appear.

10 発光装置、 12 発光素子、 14 放射角度変換素子、 15 受光素子、 16 基板、 17 制御部、 18 マイクロレンズアレイ、 19 誘電体多層膜、 20 マイクロレンズ、 20(1) 第1マイクロレンズ、 20(2) 第2マイクロレンズ、 20(3) 第3マイクロレンズ、 60 反射光強度増加部、 114 放射角度変換素子。 10 Light emitting device, 12 Light emitting element, 14 Radiation angle conversion element, 15 Light receiving element, 16 Substrate, 17 Control unit, 18 Microlens array, 19 Dielectric multilayer film, 20 Microlens, 20(1) First microlens, 20(2) Second microlens, 20(3) Third microlens, 60 Reflected light intensity increasing unit, 114 Radiation angle conversion element.

Claims (6)

発光素子と、
前記発光素子からの入射光の放射角度を拡大して照射する放射角度変換素子と、
前記入射光に対する前記放射角度変換素子の反射光を受光する受光素子と、
前記受光素子の検出値に基づいて、前記発光素子の光出力を制御する制御部と、
を備える発光装置であって、
前記放射角度変換素子は、基板と、前記基板の一方の主面上に二次元配列された複数のマイクロレンズとを備え、
前記マイクロレンズは、所定の方角における前記反射光の強度が極大値を有するように形成されており、
前記マイクロレンズの表面は、接平面角度が45°以上となる曲面を含み、
前記放射角度変換素子の平面視における中心Mをとおり、前記マイクロレンズの曲面における接平面の傾きが45°以上となる方向に平行な直線Lの一部と、前記発光素子の中心Osと、を含み、線分OsMを半径とする仮想円Cにおいて、前記中心Mを通り、前記線分OsMに直角な直線をLsとし、前記直線Lsと前記仮想円Cとの交点をAsとし、線分MAsと、Mと弧OsAs上の点とを結ぶ線分とのなす角をα[°]とし、前記反射光の強度と角度αとの関係において、前記反射光の強度がα=αM(αM=30°~40°)において、前記極大値を有し、
前記受光素子は、α=αMの方角における前記反射光を受光するように配置されることを特徴とする発光装置。
A light-emitting element;
a radiation angle conversion element that expands the radiation angle of the incident light from the light emitting element and irradiates the light;
a light receiving element that receives reflected light of the radiation angle conversion element with respect to the incident light;
a control unit that controls the optical output of the light emitting element based on a detection value of the light receiving element;
A light emitting device comprising:
the radiation angle conversion element includes a substrate and a plurality of microlenses two-dimensionally arranged on one main surface of the substrate;
the microlens is formed so that the intensity of the reflected light in a predetermined direction has a maximum value;
the surface of the microlens includes a curved surface having a tangent plane angle of 45° or more;
a line segment OsM is a radius of a virtual circle C including a part of a straight line L that passes through a center M of the radiation angle conversion element in a planar view and is parallel to a direction in which the inclination of a tangent plane on the curved surface of the microlens is 45° or more, and a center Os of the light-emitting element, and a line segment OsM is a radius of the virtual circle C, a straight line Ls that passes through the center M and is perpendicular to the line segment OsM is an intersection point of the line Ls and the virtual circle C is an intersection point of the line segment MAs with a line segment connecting M and a point on the arc OsAs is an angle α [°], and in the relationship between the intensity of the reflected light and the angle α, the intensity of the reflected light has the maximum value when α=αM (αM=30° to 40°),
A light emitting device, characterized in that the light receiving element is disposed so as to receive the reflected light in a direction of α=αM.
前記マイクロレンズは、平面視において略長方形状であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。 The light-emitting device according to claim 1, characterized in that the microlens is substantially rectangular in plan view. 前記マイクロレンズの長辺方向に接平面角度が45°以上となる曲面が含まれることを特徴とする請求項2に記載の発光装置。 The light-emitting device according to claim 2, characterized in that the microlens includes a curved surface with a tangent plane angle of 45° or more in the long side direction. 前記発光素子は、所定の波長の光を出射し、
前記放射角度変換素子は、前記基板の他方の主面上に形成された誘電体多層膜をさらに備え、
前記誘電体多層膜は、入射角度が所定の角度以上である場合の前記所定の波長における透過率が、入射角度が0°である場合の前記所定の波長における透過率よりも減少する透過率スペクトルを有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の発光装置。
The light emitting element emits light of a predetermined wavelength,
the radiation angle conversion element further includes a dielectric multilayer film formed on the other main surface of the substrate,
4. The light-emitting device according to claim 1, wherein the dielectric multilayer film has a transmittance spectrum in which the transmittance at the specified wavelength when the incident angle is equal to or greater than a specified angle is smaller than the transmittance at the specified wavelength when the incident angle is 0°.
前記誘電体多層膜は、入射角度が0°である場合の前記所定の波長における透過率が70%以上であり、入射角度が45°である場合の前記所定の波長における透過率が30%以下であることを特徴とする請求項4に記載の発光装置。 The light-emitting device according to claim 4, characterized in that the dielectric multilayer film has a transmittance of 70% or more at the specified wavelength when the incident angle is 0°, and a transmittance of 30% or less at the specified wavelength when the incident angle is 45°. 発光素子と、
前記発光素子からの入射光の放射角度を拡大して照射する放射角度変換素子であって、基板と、前記基板の一方の主面上に二次元配列された複数のマイクロレンズとを備える放射角度変換素子と、
前記入射光に対する前記放射角度変換素子の反射光を受光する受光素子と、
前記受光素子の検出値に基づいて、前記発光素子の光出力を制御する制御部と、
を備える発光装置の製造方法であって、
所定の方角における前記反射光の強度が極大値を有するように前記マイクロレンズを形成するステップであって、前記マイクロレンズの表面は、接平面角度が45°以上となる曲面を含み、前記放射角度変換素子の平面視における中心Mをとおり、前記マイクロレンズの曲面における接平面の傾きが45°以上となる方向に平行な直線Lの一部と、前記発光素子の中心Osと、を含み、線分OsMを半径とする仮想円Cにおいて、前記中心Mを通り、前記線分OsMに直角な直線をLsとし、前記直線Lsと前記仮想円Cとの交点をAsとし、線分MAsと、Mと弧OsAs上の点とを結ぶ線分とのなす角をα[°]とし、前記反射光の強度と角度αとの関係において、前記反射光の強度がα=αM(αM=30°~40°)において、前記極大値を有する、ステップと、
α=αMの方角における前記反射光を受光するように前記受光素子を配置するステップと、
を含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
A light-emitting element;
a radiation angle conversion element for expanding a radiation angle of incident light from the light emitting element and irradiating the light, the radiation angle conversion element including a substrate and a plurality of microlenses two-dimensionally arranged on one main surface of the substrate;
a light receiving element that receives reflected light of the radiation angle conversion element with respect to the incident light;
a control unit that controls the optical output of the light emitting element based on a detection value of the light receiving element;
A method for manufacturing a light emitting device comprising:
a step of forming the microlens such that the intensity of the reflected light in a predetermined direction has a maximum value, the surface of the microlens includes a curved surface with a tangent plane angle of 45° or more, the surface of the microlens includes a part of a straight line L that passes through a center M of the radiation angle conversion element in a planar view and is parallel to a direction in which the inclination of the tangent plane on the curved surface of the microlens is 45° or more, and the center Os of the light-emitting element is included; in a virtual circle C having a radius of a line segment OsM, a straight line that passes through the center M and is perpendicular to the line segment OsM is defined as Ls, an intersection point between the line segment Ls and the virtual circle C is defined as As, an angle between the line segment MAs and a line segment connecting M and a point on the arc OsAs is defined as α [°], and in a relationship between the intensity of the reflected light and the angle α, the intensity of the reflected light has the maximum value when α = αM (αM = 30° to 40°);
positioning the light receiving element so as to receive the reflected light in a direction of α=αM;
A method for manufacturing a light emitting device, comprising:
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