光学シミュレーションによるLED照明設計手法の開発

福岡県工業技術センター
研究報告 No.25 (2015)
光学シミュレーションによるLED照明設計手法の開発
－LEDパッケージ詳細モデル作成手法の開発－
田中雅敏 *1
古賀文隆 *1
西村圭一 *1
Development of LED Lighting Equipment Design Method
Using an Optical Engineering Software
- Development of LED Package’s Detail Models Design Method Masatoshi Tanaka, Fumitaka Koga and Keiichi Nishimura
LED照明器具の設計には光学シミュレーションソフトの活用が有効である。しかし，低い精度のLEDパッケージな
どの光源モデルを使用して解析を行い，LED照明器具を設計・製作すると，配光特性などの誤差が設計時と比べて
大きくなるという問題がある。そこで，LED照明器具に使用されるLEDパッケージの高精度モデルを作成するために，
外観や内部断面の寸法測定を行い，指向特性を測定した。本研究では，これらの実測した寸法や形状，波長分布，
指向特性，入手可能な材料光学特性の情報を用いることにより，実測値と解析値の最大誤差が約12%以内に収まる
LEDパッケージモデルを作成した。
1 はじめに
2 実験方法
近年，LED照明器具開発の効率化や高付加価値化の
LED パッケージの外観寸法を測定するためにマイク
ために光学シミュレーションソフトを用いた設計が注
ロスコープ（（株）キーエンス，VH-8000）を用い，内
目されている。しかし，データシートに記載されてい
部断面寸法を測定するために X 線 CT システム（（株）
る指向特性を用いて，光学シミュレーションソフトで
ニコンインステック，MCT225K）を用いた。また，LED
LEDパッケージモデルを作成し，LED照明器具の設計を
パッケージの封止樹脂形状を測定には，微細形状測定
行った場合，配光特性などの解析値と実測値の誤差が
装置（三鷹光器（株），NH-3SP）を用いた。
大きくなるという問題がある。これはLEDパッケージ
LED パッケージの指向特性と発光波長分布を測定す
が点光源と見なせる遠い距離（ファーフィールド）で
るために山口県産業技術センター所有の配光（指向特
測定した指向特性を用いて光学設計を行ったことに原
性）測定装置（（株）スぺクトラ・コープ）を使用し
因がある。LED照明器具の設計には，LEDパッケージが
た。JIS C8152-1 の CIE 平均化 LED 光度測定条件であ
面光源と見なせる近い距離（ニアフィールド）で測定
るコンディション B で，LED パッケージ単体の場合及
した指向特性を用いる必要がある。今回は，ニアフィ
び LED パッケージ近傍にレンズを配置した場合の指向
ールドでの指向特性を測定せず，LEDパッケージ近傍
特性を測定した。レンズはエドモンドの TS 平凸レン
にレンズを配置し，ニアフィールドの影響を含んだフ
ズ 25.4×50.8（コーティングなし）を TS ケージ用レ
ァーフィールドでの指向特性を測定することで，ニア
ンズマウント 25/25.4MM 5MMD に固定したものを使用
フィールドでの指向特性と同等の光線情報を得ること
した。
を試みた。
照明設計解析ソフトウェア LightTools 8.1.0
本研究では，実測した寸法や形状，波長分布，指向
（Synopsys 社）を用いて LED パッケージモデル及び
特性，入手可能な材料光学特性パラメータを基にニア
指向特性測定系モデルを作成し，解析を行った。LED
フィールドに対応したLEDパッケージモデルを作成す
パッケージを構成する部品は微小（0.1～5 mm）であ
る手法を開発した。本稿では，市販されている表面実
り，反射率や透過率等の材料光学特性の実測が困難で
装型LEDパッケージ（LEDチップ+透明樹脂，以下「LED
あったため，LED パッケージモデルの材料光学特性パ
パッケージ」という。）のうち1例を挙げて報告する。
ラメータの一部は指向特性の解析値と実測値を比較検
証することにより探索した。
*1 機械電子研究所
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3 結果と考察
フィールドでの指向特性を測定した。図 5 に指向特性
3-1 LEDパッケージ詳細モデリング手法
の測定結果を示す。LED パッケージ近傍にレンズを配
3-1-1 LEDパッケージの形状・寸法測定
置した場合，LED パッケージから放射された光がレン
市販されている LED パッケージ A の外観を図 1 に示
ズで屈折された直接的な光とレンズで反射された光が
す。図内に表示したスケールを基に寸法を測定した。
LED パッケージや台座で反射して再びレンズへ向かう
内部断面を図 2 に示す。X 線 CT システム測定時に出
間接的な光が生じる。したがって，LED パッケージ近
力されるボクセルサイズ値を基に画像処理ソフトウェ
傍にレンズを配置した場合は，ニアフィールドの影響
ア ImageJ（オープンソース）を用いて測定した。LED
を含んだファーフィールドでの指向特性測定である。
パッケージの封止樹脂形状は一般に全反射損失を軽減
指向特性の測定と同時に測定した発光波長分布は波長
するために凹形状である
1)
。図 3 に封止樹脂形状を示
660 nm 付近をピークに半値幅約 10 nm となる赤色の
す。封止樹脂の凹形状は滑らかな曲線であり，中心は
光であった。
約 50 μm 凹んでいた。測定時に三次元データを得た。
図4
図1
図2
レンズ配置
マイクロスコープによる外観撮影
X 線 CT システムによる内部断面撮影
図5
指向特性（実測値）
3-1-3 LEDパッケージモデルの作成
LED パッケージの形状・寸法測定及び光学特性測定
結果を基に LightTools 8.1.0 を用いて， LED パッケ
ージモデル及び指向特性測定系モデルを作成した。ま
ず，LED パッケージのケースや LED チップ，金ワイヤ
ー，電極等のモデルを作成し，配置することで，図 6
に示す LED パッケージモデルを作成した。LED チップ
の放射パターンをランバート分布とし
図3
封止樹脂形状
2)-7)
，発光波長
分布には実測値を設定した。LED パッケージのケース
や電極等の材料光学特性パラメータの設定は表 1 に示
3-1-2 LEDパッケージの光学特性測定
す代表値
8)-11)
や事前にパラメータ探索した結果を使
LED パッケージ単体の場合及び図 4 に示すように
用した。また，カップの側面やリードフレームの表面
LED パッケージ近傍にレンズを配置した場合のファー
は図 7 のように梨地加工が施されており，光は散乱す
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ると推測できる。次に，配光測定装置の台座及び電極，
3-2 LEDパッケージ詳細モデリング手法の検証
測定時に使用したレンズのモデルを作成し，図 8 に示
3-2-1 LEDパッケージ単体の場合の解析結果
す指向特性測定系モデルを作成した。
本手法の有効性を検証するためにLEDパッケージの
指向特性の解析値を図 2 の実測値に一致させれば，
指向特性の実測値と解析値を比較し，LEDパッケージ
ニアフィールドに対応した LED パッケージモデルが作
モデルの精度及びパラメータを検証した。図9にLEDパ
成できたと考えられる。
ッケージ単体の場合の指向特性の比較を示す。角度60deg～60degでは最大誤差が約4%以内に収まっている
が，角度80degでは最大誤差が約11.5%となった。角度
80deg付近では放射強度が低いため，LED照明器具設計
に適用可能であると考えられる。しかし，このLEDパ
ッケージモデルを複数個使用する場合には誤差が累積
することが考えられる。したがって，より精度の高い
解析を行うためには更なるパラメータの検証を行い，
図6
表1
LEDパッケージモデル
LEDパッケージモデルを高精度化する必要がある。
材料光学特性（代表値：斜体表示）
リード
ワイヤー
部品
ケース
フレーム
封止樹脂
，電極
，電極
Ag
材質
PPA
シリコー
Au
メッキ
屈折率
1.53
透過/
0.8/
ン樹脂
-
-
-
-
1.50
1.0/
図9
1.0
LEDパッケージ単体の場合の指向特性の比較
長さ[mm]
0.5
反射率[%]
60
80
95
4
透過率[%]
30
0
0
95
3-2-2 LEDパッケージ近傍にレンズを配置した場合の解
吸収率[%]
10
20
5
1
析結果
面特性[%]
散乱
散乱
-
-
図10にLEDパッケージ近傍にレンズを配置した場合
の指向特性の比較を示す。角度-40～40degで誤差が3
～18%と非常に大きくなった。この原因として，配光
測定装置の台座と電極の反射の影響が考えられること
から，これらの材料光学特性パラメータの反射率及び
図7
面特性を変化させて指向特性を解析した。表2及び図
カップの側面及びリードフレーム拡大
11にその一例を示す。配光測定装置の台座と電極の反
射率及び面特性を変化させると，指向特性が変化した。
したがって，図10の誤差が大きい原因は配光測定装置
の台座と電極の反射率及び面特性の精度が低いことが
考えられる。
以上から，測定系モデルの精度が低いと，レンズを
図8
用いた解析が行えないということが判明した。今後，
指向特性測定系モデル
測定系モデルの材料光学特性パラメータの検証を行う。
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パッケージ単体の場合の指向特性（ファーフィールド
での指向特性）及びLEDパッケージ近傍にレンズを配
置した指向特性（ニアフィールドの影響を含んだファ
ーフィールドでの指向特性）を基に材料光学特性パラ
メータの特定を行った。現時点では，LEDパッケージ
モデルの材料光学特性パラメータの精度及び測定系モ
デルの精度は不十分である。
今後，LEDパッケージモデルの高精度化のため，LED
図10
レンズを配置した場合の指向特性の比較
パッケージモデル及び測定系モデルの材料光学特性パ
ラメータの検証を引き続き行う。
表2
台座と電極の材料光学特性
台座
パタ
電極
5 参考文献
ーン
反射率[%]
面特性
反射率[%]
面特性
①
60
鏡面
97
鏡面
②
80
鏡面
97
鏡面
③
60
散乱
97
鏡面
④
80
散乱
97
鏡面
⑤
80
散乱
97
散乱
1) 出向井幸弘，田嶌博幸：豊田合成技報，Vol.53，
pp.22-29(2011)
2) E ・フレッド・シューベルト：発光ダイオード
pp.118-157，朝倉書店(2012)
3) 秋元克弥，飯塚和幸，渡邊優洋，横山康祐，藤生
真二郎：工業技術研究誌
日立電線，No.29，pp.1-
4(2010)
4) 飯塚和幸，新井優洋，北野延明，秋元克弥，藤生
真二郎：工業技術研究誌
日立電線，No.28，pp.9-
12(2009)
5) 横山康祐，新井優洋，飯塚和幸，秋元克弥，国武
栄一：工業技術研究誌
日立電線，No.27，pp.23-
26(2008)
6) 一ノ瀬昇，中西洋一郎：次世代のための白色LED材
料，pp.22-27，日刊工業新聞社(2010)
図11
7) 一ノ瀬昇，田中裕，島村清史：高輝度LED材料のは
測定系モデルの精度が指向特性に与える影響
なし，pp.39-43，日刊工業新聞社(2005)
8) LED照明推進協議会：LED照明ハンドブック，
4 まとめ
pp.52-56，62-66，オーム社(2011)
本研究所で測定したLEDパッケージ内外の形状・寸
9) LED照明推進協議会：LED照明信頼性ハンドブック，
法及び山口県産業技術センターで測定した指向特性，
pp.75-108，日刊工業新聞社(2010)
入手可能な材料光学特性の情報を基にLEDパッケージ
10) 浦崎直人，小谷勇人，水谷真人，湯浅加奈子：日
詳細モデル作成手法の開発を行った。本稿では，開発
立化成テクニカルレポート，No.50，pp.7-10(2008)
手法の検証として，市販されているLEDパッケージを1
11) 横田省二：シャープ技報，第99号，pp.17-
例にして，モデル作成手順や実測値と解析値の比較，
19(2009)
材料光学特性について述べた。本稿の検証において，
実測値と解析値の最大誤差が約12%以内に収まるLEDパ
ッケージ詳細モデルを作成した。
本手法では，LEDパッケージ部品が微小であり，材
料光学特性の測定が非常に困難であることから，LED
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