(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-30
(45)【発行日】2024-08-07
(54)【発明の名称】発光装置
(51)【国際特許分類】
H01S 5/0683 20060101AFI20240731BHJP
G02B 3/00 20060101ALI20240731BHJP
H01L 31/12 20060101ALI20240731BHJP
H01S 5/022 20210101ALI20240731BHJP
H01L 33/58 20100101ALI20240731BHJP
H01L 33/60 20100101ALI20240731BHJP
【ＦＩ】
H01S5/0683
G02B3/00 A
H01L31/12 H
H01L31/12 E
H01S5/022
H01L33/58
H01L33/60
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019215255
(22)【出願日】2019-11-28
(65)【公開番号】P2021086939
(43)【公開日】2021-06-03
【審査請求日】2022-05-23
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000004008
【氏名又は名称】日本板硝子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(72)【発明者】
【氏名】常友 啓司
(72)【発明者】
【氏名】日下 哲
【審査官】東松 修太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２００３－０６０２９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１６３９０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３４２８５３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００ー ５／５０
Ｈ０１Ｌ ３３／００ー３３／６４
Ｇ０２Ｂ ３／００ー ３／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、
前記受光素子は、前記所定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。
【請求項2】
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むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項3】
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または２に記載の発光装置。
【請求項4】
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３に記載の発光装置。
【請求項5】
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４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項6】
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５に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光装置や照明装置、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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００９－４２７７２号公報
【文献】特開２０１７－９６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【発明の効果】
【0017】
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。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】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。
【図4】放射角度変換素子の概略拡大断面図である。
【図5】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。
【図6】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。
【図8】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11】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。
【図13】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。
【図14】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。
【図15】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。
【図17】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。
【図18】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。
【図20】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。
【図21】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。
【発明を実施するための形態】
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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×ｒ２＋７７３５．５×ｒ４で表される軸対称性の凸性の非球面形状である。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
【0054】
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【符号の説明】
【0081】
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。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】