JP2007139937A - 光学部材およびそれを用いた光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱性に優れ、迷光の除去が容易な光学部材とする。
【解決手段】 本発明の光学部材は、出射面を有する光学制御部ｂと、その光学制御部ｂに接する側面１０１を有する基体部ａと、を備えた紫外線用の光学部材１００であって、上記基体部ａの側面１０１は、研磨されており、且つ金属材料により被覆されていることを特徴とする。上記金属材料は、アルミニウムであることが好ましい。さらに、本発明は、上記光学部材１００と、その光学部材１００に入射させる紫外線を発する発光素子２０３と、光学部材１００の側面で反射された光を遮光する遮光部材２０２と、を備えたことを特徴とする光源装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードなどの発光素子の光を光学制御するための光学部品、およびそれを利用した光源装置に関する。

水銀の発振スペクトルのｉ線に相当する光を利用する露光装置の光源や紫外線硬化性樹脂を硬化させるための紫外線照射光源として、複数の発光ダイオードを密集させてマトリクス状に配置させた光源が近年利用されてきている。このような光源の照射光は、発光ダイオードの発光面から、例えば、ＮＡが０．９以上となるような比較的大きな配光角度を有して出射される。

ところで、このような発光ダイオードを利用した光源装置について、発光装置から出射された光を、レンズなどの光学部材を介していかに効率よく伝播させるかが問題となる。光学部材は、光を有効に伝播させるため、特殊な表面形状を必要とし、かつ、量産性を考慮すれば、成型性に優れた樹脂を材料とすることが好ましい。しかし、発光ダイオードを水銀の発光スペクトルのｉ線に相当する光を発するものとしたとき、発光ダイオードからの波長の短い光により樹脂が劣化してしまう。そのような劣化した部分では光の損失が生じる。そこで、このような波長の短い光のための光学部材の材料は、例えば、合成石英が選択されることが通常である。さらに、このような材料からなるレンズは、入射された光を光学制御して出射するための光学制御部と、その光学制御部に接する側面を有し別の部材（例えば、ホルダなど）との取り付けに利用される基体部とからなる。ここで、レンズの側面は、製造工程と量産性を考慮すると、砂ずり状の粗面とすることが好ましい。

特開２００１−１６６１０３号公報。

複数の発光ダイオードをマトリクス状に密集させて配置させた光源について、それぞれの発光ダイオードから大きな配光角度にて、光は出射されている。そのため、光ケラレなどの光の減衰を抑制し、光を抑制するためには、おのずと光学部材ひいては光源装置全体が大きくなる。しかし、このような多少の光の減衰が生じたとしても、光源装置の用途によっては、光源装置のサイズの縮小が要求される。この要求に応える最も有効な手段は、光源から光学部材までの光学的な距離、すなわち作動距離を短くすることである。

しかしながら、光学部材と発光ダイオードとの作動距離を短くすると、光学部材の入射面から入射された光の一部は、砂ずり状の粗面とされている基体部の側面に照射されることになる。さらに、照射された光は、基体部の側面にて乱反射される。ここで、基体部の側面は、上述したような短波長の光を発する発光ダイオードを備えた光源からの強いエネルギー光を受ける。したがって、基体部の側面において、乱反射された光による発熱量が無視し得なくなる。ここで、光学部材とその光学部材を保持するホルダとの間には、製造上、隙間が必要となり、光学部材からホルダに放熱させることが十分でない。

また、光学部材の側面にて乱反射された反射光は、光学特性上好ましくない迷光成分となるが、乱反射されると、除去が非常に困難となる。なお、上記特許文献１に開示されるレンズは、このような迷光成分を除去すべく、基体部の側面に相当するコバ部に反射防止膜を有する。しかしながら、このようなレンズは、上述したような短波長の光の照射を受けると、コバ部における発熱量が無視し得なくなる。

そこで、本発明は、光学部材の特定の部位における発熱を容易に除去できる光学部材、さらに、光学部材を透過した迷光の除去が容易にできる光源装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために本発明に係る光学部材は、入射面およびその入射面に接する側面を有する基体部と、出射面を有し上記基体部に連続して設けられた光学制御部と、を備えた紫外線用の光学部材であって、上記基体部の側面は、研磨されており、且つ金属材料により被覆されていることを特徴とする。

上記金属材料は、アルミニウムとすることが好ましい。上記アルミニウムは、さらにＭｇＦ_２により被覆されていることが好ましい。

上記目的を達成するために本発明に係る光学装置は、光学部材と、その光学部材に入射させる紫外線を発する発光素子と、上記基体部の側面で反射された光を遮光する遮光部材と、を備えたことを特徴とする。

本発明の光学部材とすることにより、光学部材の側面における反射率を向上させ、側面における乱反射を抑制することにより、光学部材の発熱を回避することができる。

また、本発明の光学装置により、光学部材の側面で正反射された光を遮光部材にて効率よく除去することができ、光学制御された光に含まれる迷光成分を低減させることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための光学部品およびそれを用いた発光装置を例示するものであって、本発明は光学部品およびそれを用いた発光装置を以下に限定するものではない。

また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本形態の光学部材は、入射面およびその入射面に接する側面を有する基体部と、出射面を有し基体部に連続して設けられた光学制御部と、を備えた紫外線用の光学部材である。さらに、基体部の側面は、研磨されており、且つ金属材料により被覆されていることを特徴とする。

光学制御部の出射面は、凹面、凸面あるいはそれらを組み合わせた曲面であり、光学部材から出射する光の進行方向を所望の方向に制御する。また、基体部は、光学制御部に連続して設けられる部位であり、その基体部の側面は、光学制御部の出射面および入射面のそれぞれに連続して設けられている。

本形態における光学部材の形成方法について説明する。光学部材の材料として、合成石英が選択される。まず、光学部材の側面における光の乱反射を低減させるため、その光学部材の側面を光学研磨する。これにより、側面での光の乱反射が抑制され、側面に照射された光を高い反射率で正反射させることができる。なお、本形態における側面の光学研磨とは、一般的なレンズの光入出射面を形成する通常の研磨方法により、砂ずり状の粗面から出射面の光沢に近づけることをいう。

光学研磨された光学部材の側面に、さらに、金属材料を配置させる。この金属材料は、紫外線などの短波長の光に対しても反射率が高いことが好ましい。金属材料として、例えば、アルミニウムを挙げることができる。さらに、アルミニウムとともに、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）にて側面を被覆することにより、紫外線などの短波長の光によるアルミニウムの劣化を抑制することができる。これらの金属材料は、所定のマスクを施した後、蒸着やスパッタリングなど一般的に利用される薄膜の形成方法により、数μｍの膜厚で形成することができる。

本形態の光学部材とすることにより、光学部材の側面における正反射の反射率を向上させ、乱反射を抑制する。これにより、光学部材の発熱を抑えることができる。そのため、本発明の光学部材を紫外線など短波長の光の光学制御に利用したとしても、光学部材の表面に付着した有機物や不純物に光が照射されることによる光学特性の劣化を抑制することができる。

本形態における光源装置は、複数の半導体発光素子をマトリックス状に配列させたものを光源として、その光源からの光が照射される方向に光学部材と、任意の方向に配置させた遮光部材と、を備えた光源装置である。ここで、遮光部材とは、本形態の光学部材における基体部の側面により正反射された光が集光する位置において、光学装置の主な照射方向へ光が伝播するのを遮る部材である。遮光部材として、例えば、通常の遮光板を利用することができる。また、光学部材の側面は、その側面により反射された光が遮光部材の方向に照射されるような角度に傾斜させることもできる。

本形態における半導体発光素子は、発光ダイオードとすることができる。ここでは、半導体発光素子の一例として、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤチップ」と呼ぶ。）について説明する。ＬＥＤチップを構成する半導体発光素子としては、ＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を使用したものを挙げることができる。本形態においては、特に、紫外線など短波長の高出力な光が発光可能な窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。窒化物半導体を成長させる基板として、例えば、サファイア、スピネルのような絶縁性基板や、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯのような導電性基板を好適に挙げることができる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるため、サファイアを基板とすることが好ましい。このサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。

また、別の形態に係る半導体発光素子は、窒化物半導体層のみからなるものであって、半導体層の上面と下面に対向電極が形成されている。このような対向電極を有する発光素子は、一方の電極が支持体の導体配線に対向するように、導電性接着剤を介して支持体に固定される。導電性接着剤の材料として、例えば、銀ペースト、Ａｕ−ＳｎやＡｇ−Ｓｎのような共晶材が挙げられる。これにより、発光素子の一方の電極は、支持体の導体配線と電気的に接続される。なお、他方の電極は、上記導体配線とは極性の異なる導体配線に対し導電性ワイヤを介して電気的に接続される。

以下、このような別の形態に係る半導体発光素子の形成方法を説明する。まず、ｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層を上述の半導体素子と同様にして積層後、第１の電極であるｐ電極とｐ電極以外のｐ型窒化物半導体層上に絶縁膜を形成する。他方、この半導体層に貼り合わせる支持基板を準備する。支持基板の具体的な材料としては、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＣなどである。貼り合わせ面には密着層、バリア層、共晶層を備えた構造が好ましい。例えば、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ、又はＴｉ−Ｐｔ−ＡｕＳｎ等の金属膜を形成する。このような金属膜は、共晶により合金化され、後工程で導通層となる。次に、支持基板の金属膜を形成した面と窒化物半導体層の表面とを向かい合わせて、プレスをしながら熱を加え合金化した後、異種基板側からエキシマレーザを照射するか、又は研削により異種基板を取り除く。その後、窒化物半導体素子を形成するためＲＩＥ等で外周エッチングを行い、外周の窒化物半導体層を除去した状態の窒化物半導体素子とする。次に、第２の電極であるｎ電極を窒化物半導体層の露出面に形成する。電極材料としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｗ／Ａｌ／ＷＰｔ／Ａｕなどが挙げられる。

上述した各形態の発光素子について、光の取りだし効果を向上させるため、窒化物半導体の露出面をＲＩＥ等で凹凸（ディンプル）加工を施してもよい。凹凸の断面形状はメサ型あるいは逆メサ型があり、平面形状は、島状、格子状、矩形状、円状、多角形状あるいはそれらを組み合わせた形状などがある。

本形態の光源は、上述した半導体素子を、リード電極を備えたパッケージや導体配線を有する基板などの支持体に搭載し、電気的に接続させて発光装置としたものである。ここで、パッケージや基板の材料は、耐光性に優れたセラミックスや放熱性に優れた金属材料とすることができる。

本形態の光学部材は、上記支持体の半導体素子が搭載された側に配置される。このとき、金属材料にて被覆された光学部材の側面と、支持体の金属材料や支持体に施された放熱手段とは熱的に接続されていることが好ましい。これにより、光学部材からの放熱性を更に向上させることができる。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

図１は、本実施例におけるレンズの光軸を含む断面を示す模式図である。本実施例の光学部材１００は、出射面１０２を有する光学制御部ｂと、その光学制御部ｂに接する側面１０１を有する基体部ａと、を備えた紫外線用のレンズである。

具体的に説明すると、本実施例におけるレンズは、入射面１０３が平面であり、出射面１０２が非球面形状の凸面である平凸レンズである。本実施例におけるレンズは、材料の合成石英を切削加工することにより形成される。本実施例における合成石英の屈折率は、波長３６５ｎｍの光において、１．４７である。入射面、出射面および基体部の側面は、光学研磨される。さらに、光学研磨された基体部ａの側面１０１は、アルミニウムをスパッタリングすることにより形成される薄膜により被覆されている。

レンズの具体的な大きさは、円柱状の基体部に設けられた入射面１０３の内径が１０ｍｍ、入射面１０３から出射面１０２の頂点までの距離が５．１５ｍｍ、基体部ａの側面１０１の幅が１．４ｍｍである。また、出射面１０２を形成する凸面の曲率半径は、４．１７ｍｍで、その他に、コーニック定数および４，６，８，１０，１２次の非球面多項式係数による球面収差補正を行っている。

レンズは、発光ダイオードチップの発光面上を作動点として、入射面１０３が１．８ｍｍの距離となるような位置に配置される。

本実施例のレンズとすることにより、レンズの側面における反射率を向上させ、側面における乱反射を抑制することにより、レンズの放熱性を向上させる。

図２は、本実施例における光源装置の模式図を示す。本光源装置のレンズは、実施例１のレンズとする。なお、図２において、各ＬＥＤチップの発光点から照射される光線の軌跡を細線で例示してある。

本実施例における光源装置は、光源の側に、基体部の側面１０１により乱反射されることなく正反射された光を受ける遮光部材２０２を配置させる。本実施例における光学系２０１とは、凸レンズなどの他の光学部材を組み合わせることにより、本実施例のレンズを出射した光の進行方向を制御するものである。

本実施例における光源は、主波長が３６５ｎｍの光を発するＬＥＤチップ２０３をマトリクス状に配列させたものである。具体的には、セラミックスを主な材料とするパッケージの凹部の底面において、内径が６．７５ｍｍの円内に、外形の大きさが１ｍｍ四方のＬＥＤチップを、１．２ｍｍの間隔で、マトリックス状に２１個配置させたものである。なお、本実施例における光学部材の側面で反射された光の一部は、ＬＥＤチップの発光面で正反射されることにより、光源装置の照射光として利用することができる。

本実施例の光学装置とすることにより、レンズの側面で正反射された光を遮光部材にて効率よく除去することができ、光学制御された光に含まれる迷光成分を低減させることができる。

本発明にかかる光学部材を有する光源装置は、露光装置の光源や紫外線硬化樹脂を硬化させるための照射光源として、水銀ランプに代えて利用することができる。

図１は、本発明の光学部材の一実施例を示す模式的な断面図である。 図２は、本発明の光源装置の一実施例を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１００・・・光学部材
１０１・・・基体部の側面
１０２・・・出射面
１０３・・・入射面
２０１・・・光学系
２０２・・・遮光部材
２０３・・・発光素子
ａ・・・基体部
ｂ・・・光学制御部

Claims (4)

1. 入射面およびその入射面に接する側面を有する基体部と、出射面を有し前記基体部に連続して設けられた光学制御部と、を備えた紫外線用の光学部材であって、
   前記基体部の側面は、研磨されており、且つ金属材料により被覆されていることを特徴とする光学部材。
2. 前記金属材料は、アルミニウムである請求項１に記載の光学部材。
3. 前記アルミニウムは、さらにＭｇＦ_２により被覆されている請求項２に記載の光学部材。
4. 前記請求項１から３のいずれか一項に記載の光学部材と、その光学部材に入射させる紫外線を発する発光素子と、前記基体部の側面で反射された光を遮光する遮光部材と、を備えたことを特徴とする光源装置。
   
   

Images