JPH0794785A - 発光ダイオ−ド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発光素子をリ−ドフレ−ム、ステム基板上な
どにマウントすると共に、ワイヤ−ボンディングし、こ
れらを透明樹脂によってモ−ルドした発光ダイオ−ドの
照度を大幅に向上させることを目的とする。 【構成】 半球以上の球面とした球形部５４ａを有する
光学部材５４を透明樹脂材で形成し、リ−ドフレ−ム５
１、５２にマウントすると共にワイヤ−５３でボンディ
ングした発光素子５０を、球形部５４ａの半径ｒ及び屈
折率ｎに対し球形部５４ａの中心からｒ／ｎ離すと共に
光軸と球形部５４ａとの交点までの距離をｒ（１／ｎ＋
１）とし、かつ、上記光軸と球形部５４ａとの交点が球
形部５４ａの頂点となるようにして上記光学部材５４で
モ−ルドし、さらに、発光素子５０から放射される側面
方向の光の入射領域まで上記光学部材５４を球形部５４
ａによって形成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、信号灯、表示灯、光
通信装置及び各種センサ等の光源として使用される可視
光または赤外線を放射する発光ダイオ−ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来におけるこの種の発光ダイオ−ドの
一例を図４に示す。１、２は共にリ−ドフレ−ムで、リ
−ドフレ−ム１の曲折部先端にはＧａＰ系又はＧａＡｓ
Ｐ系などの発光素子３が装着されている。また、リ−ド
フレ−ム２はワイヤ−４によって発光素子３の上面電極
に電気接続されている。５は上記のように接続された両
リ−ドフレ−ム１、２の先端部分と、発光素子３と、ワ
イヤ−４とを包囲する光透過性の樹脂材で形成した光学
部材で、前面側にいくほど細くなる形状となっている。
図５は円柱形の前方を球面状とした形状の光学部材６を
備えた発光ダイオ−ドの従来例を示す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の発光ダ
イオ−ドは、発光素子３から放射される光のうち発光素
子３の前面部から放射される光と、発光素子３の側面部
から放射される光の一部とが各光学部材５、６によって
前方に投光され発光ダイオ−ドの有効光線となる。

【０００４】したがって、図４に示す発光ダイオ−ド
は、発光素子３の側面部から出る光Ａ、Ｂが有効光線と
ならず、また、図５に示す発光ダイオ−ドは発光素子３
の側面部から出る光Ｃが有効光線とならない。つまり、
光Ａ、Ｃは各光学部材５、６の周面で屈折しないでその
ままで放射し、また、光Ｂは後方向きに屈折するため、
このような光Ａ、Ｂ、Ｃが発光ダイオ−ドの照度アップ
に寄与しないことになる。

【０００５】上記した実情にかんがみ、本発明は、発光
素子の前面部と側面部から放射される光のほぼ全てを有
効光線として利用でき、大幅な照度アップを図ることの
できるこの種の発光ダイオ−ドを開発することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明では、半球以上の球面とした球形部を有す
る透明または半透明の光学部材を設け、上記球形部の半
径ｒ及び屈折率ｎに対し球形部の中心からｒ／ｎ離な
し、球形部の表面と光軸との交点までの距離をｒ（１／
ｎ＋１）とした上記光学部材内の位置に光学素子を設け
て構成したことを特徴とする発光ダイオ−ドを提案す
る。

【０００７】

【作用】この発明の発光ダイオ−ドは、屈折率ｎを有す
る光学部材によって半径ｒの球形状に発光素子をモ−ル
ドし、また、発光素子は球形部の中心からｒ／ｎ離なす
と共に、光軸が上記球形部の中心と球形部の頂点を通る
ようにしてある。また、光学部材の球形部は半球以上の
球面をもっており、発光素子の正面と側面から放射され
る光の入射領域を形成している。

【０００８】したがって、発光素子の前面から放射され
る光は球形部によって屈折し、発光ダイオ−ドの前方に
投光される。また、発光素子の側面から放射される光
は、球形部との間で臨界角をなす光を除きこの球形部に
よって屈折して発光ダイオ−ドの前方に投光される。そ
して、上記臨界角の光は球形部で全反射して発光ダイオ
−ドの前方に投光される。

【０００９】このように、発光素子から放射される光の
ほぼ全てが発光ダイオ−ドの前方に投光されるので、発
光ダイオ−ドの照度が大きく向上する。

【００１０】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面に沿って
説明する。図１は本発明の発光ダイオ−ドの簡略的な断
面図であり、ＧａＰ系またはＧａＡｓＰ系などの発光素
子５０は従来例同様にＬ字形に折曲した一方のリ−ドフ
レ−ム５１の頂部にマウントされ、他方のリ−ドフレ−
ム５２との間においてワイヤ−５３がボンディングされ
電気的に接続されている。

【００１１】また、発光素子５０、各リ−ドフレ−ム５
１、５２の上端部分及びワイヤ−５３は透明樹脂材で形
成した光学部材５４でモ−ルドされている。

【００１２】この光学部材５４は、半球以上の球面を有
する球形部５４ａを備え、この球形部５４ａの端部には
支持部５４ｂが一体形成されている。球形部５４ａは、
Ｏ点を球心とした半径ｒの球状体で、Ｔ点を頂点とし、
屈折率がｎとなっている。

【００１３】このような光学部材５４に内包された光学
素子５０は次のようにして配置されている。光学素子５
０の光軸Ｘが球形部５４ａの球心Ｏと頂点Ｔを通るよう
にし、球形部５４ａの球心Ｏから支持部５４ｂ方向に距
離ｒ／ｎだけ離して発光素子５０を配置する。したがっ
て、発光素子５０から球形部５４ａの頂点Ｔまでの距離
はｒ（１／ｎ＋１）となる。

【００１４】また、上記球形部５４ａは、このように配
置した発光素子５０から放射される側面方向の光が入射
する領域まで球面形成されている。つまり、球形部５４
ａは、球形の立体角をωとしたとき、発光素子５０より
ｒ（１／ｎ＋１）の位置を頂点とするω＞２πである立
体角ωをもつようになっている。

【００１５】この発光ダイオ−ドは、発光素子５０が図
２に示す発光指向特性を示しており、この図よりわかる
如く発光素子５０は光軸方向Ｘだけでなく、光軸Ｘと直
交する方向、つまりＹ軸方向にも多くの光量を発光して
いる。

【００１６】発光素子５０からＹ軸方向に放射される
光、つまり、発光素子５０の側面部５０ａから放射され
る光５５、５６を一例にとると、これら光５５、５６は
球形部５４ａで屈折して光５５′、５６′となって放射
していく。なお、この光は球形部５４ａに対し臨界角で
あり、実際には存在しない。これらの屈折光線５５′、
５６′は延長の交りによって生ずる点、つまり、虚光源
５７から発した光線のように進んでいく。同様に、発光
素子５０の前面部５０ｂから放射される光５８のその屈
折光線５８′も虚光源５７から発した光線のように進ん
でいく。

【００１７】この関係を図３をもって説明すると、光源
としての発光素子５０をＬ、虚光源５７をＬ′とし、辺
Ｌ′Ｏをｘとすると、光５５の球形部５４ａにおける屈
折点Ｐと球心Ｏを結ぶ仮想的直線辺ＯＯ′は点Ｐにおけ
る法線であるから、∠ＬＰＯは光５５の入射角θとな
り、∠Ｏ′ＰＬ″は屈折角θ′となる。また、∠Ｏ′Ｐ
Ｌ″＝∠Ｌ′ＰＯであるから、∠Ｌ′ＰＯ＝θ′とな
る。

【００１８】ここで、辺ＬＯ＝ｒ／ｎであるから、∠Ｐ
ＬＯ＝Ｒ、∠ＰＬ′Ｏ＝Ｒ′とすると、正弦法則によ
り、△ＬＰＯにおいて、ｓｉｎθ／（ｒ／ｎ）＝ｓｉｎ
Ｒ／ｒ、これより、 ｎｓｉｎθ＝ｓｉｎＲ ・・・・・・・・・（１） △Ｌ′ＰＯにおいて、ｓｉｎθ′／ｘ＝ｓｉｎＲ′／
ｒ、これより、 ｒｓｉｎθ′＝ｘｓｉｎＲ′・・・・・・（２） となる。

【００１９】ここで、球形部５４ａの外側は空気である
から絶対屈折率１とみなし、入射角θと反射角θ′の間
には、屈折の法則により、 ｎｓｉｎθ＝ｓｉｎθ′ ・・・・・・・（３） の関係が成立する。（１）式及び（３）式よりｓｉｎＲ
＝ｓｉｎθ′となり、 Ｒ＝θ′ ・・・・・・・・・・・（４） となる。

【００２０】また、△ＬＰＯと△Ｌ′ＰＯにおいて、θ
＋Ｒ＝θ′＋Ｒ′であるから、（４）式を代入すると、 θ＝Ｒ′ ・・・・・・・・・・・（５） を得る。そして、（２）式に（５）式を代入すると、 ｒｓｉｎθ′＝ｘｓｉｎθ ・・・・・・・・（６） となり、この（６）式と（３）式より、ｘ＝ｎｒが得ら
れる。すなわち、虚光源Ｌ′が球心Ｏからｎｒの距離に
あるとき、球形部５４ａでの屈折光は虚光源Ｌ′から発
した光線のように進む。

【００２１】一方、入射角θが大きくなれば屈折角θ′
も大きくなるが、屈折角θ′はπ／２よりは大きくなり
得ず、このため屈折角θ′をπ／２とすると入射角θは
臨界角となり、屈折現象は全反射に変わる。これは図３
におけるθ′＝π／２の場合、（４）式よりθ′＝Ｒで
あるから、Ｒ＝π／２となり、光５５は球形部５４ａで
全反射する。したがって、空気中への光の放射はＲ＜π
／２の条件が成り立つ。なお、Ｒは発光素子５０から出
る光の方向角である。図１における光５６も同様であ
る。

【００２２】この結果、発光素子５０の側面部５０ａと
前面部５０ｂとから放射される光のほぼ全てを光学部材
５４の球形部５４ａによって前方に放射することができ
る。

【００２３】上記実施例においては、発光素子５０をリ
−ドフレ−ムに取付けた場合について述べたが、ステム
又は基板上にマウントした場合も同様に構成することが
できる。また、光学部材５４全体を透明樹脂によって形
成したが、半透明樹脂で形成したり、球形部５４ａのみ
を透明樹脂によって形成するようなことは任意である。

【００２４】

【発明の効果】上記した通り、本発明に係る発光ダイオ
−ドは、発光素子から放射される光のほぼ全てを光学部
材の球形部で前方へ投光することができるので、発光ダ
イオ−ドの輝度を大幅にアップさせることができる。

【００２５】また、球形部によって屈折した光は発光素
子の虚光源からの光とみなすことができるので、他の光
学素子を組合せて用いる場合、光学素子の配置が容易と
なる利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る発光ダイオ−ドの簡略的な断面図
である。

【図２】この発光ダイオ−ドに備えた発光素子の発光指
向特性を示す図である。

【図３】本発明の発光ダイオ−ドの原理説明図である。

【図４】従来例を示し、発光ダイオ−ドの簡略的な断面
図である。

【図５】従来例を示し、他の発光ダイオ−ドの簡略的な
断面図である。

【符号の説明】

５０ 発光素子 ５１、５２ リ−ドフレ−ム ５３ ワイヤ− ５４ 光学部材 ５４ａ 球形部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半球以上の球面とした球形部を有する透
   明または半透明の光学部材を設け、上記球形部の半径ｒ
   及び屈折率ｎに対し球形部の中心からｒ／ｎ離なし、球
   形部の表面と光軸との交点までの距離をｒ（１／ｎ＋
   １）とした上記光学部材内の位置に光学素子を設けて構
   成したことを特徴とする発光ダイオ−ド。