JP2023070892A - 光学素子用窓材、光学素子パッケージ用リッド、光学素子パッケージ及び光学装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光が透過する主表面が、ＪＩＳ Ｂ ０６８１－２：２０１８で規定される負荷面積率が１０％の輪郭曲面の突出谷部空間体積（Ｖｖｖ）、及び負荷面積率が８０％の輪郭曲面の突出山部実体体積（Ｖｍｐ）の合計値が、１．７×１０4μｍ3以上である粗面である光学素子用窓材。【効果】本発明の光学素子用窓材は、形状加工がしやすく、かつ低コストで製造できる平板形状の、合成石英ガラスで形成されており、また、平板形状であっても、例えば、表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）で封止されるＵＶＣ－ＬＥＤなどのＵＶ－ＬＥＤの窓材として、光学素子から発せられる光、特に、配光角を有する光を、窓材を通過する際に、効率よく集光することができ、従来の凸形状などのレンズ形状の窓材と同等の集光が可能であり、更に、ランバート反射のような、照射ムラのない配光とすることもできる。【選択図】図３
Description
本発明は、光の配光性の制御を要求される光学素子パッケージや光学装置に好適な光学素子用窓材及び光学素子パッケージ用リッドに関する。また、本発明は、紫外線発光ダイオードなどの光学素子を封止した光学素子パッケージ、及び光学装置に関する。
近年、コロナウイルスなどのウィルスの不活性化、水の殺菌用途において、紫外領域の光を発光することができる素子、即ち、紫外線発光ダイオード（ＵＶ－ＬＥＤ：Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ－Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が、水銀ランプなどの環境規制を受けるものの代替として検討されており、なかでも、深紫外（ＵＶ－Ｃ）領域の光を発光することができる素子、即ち、深紫外線発光ダイオード（ＵＶＣ－ＬＥＤ）が注目されている。例えば、ＵＶ－ＬＥＤは、光を、素子を形成する層を積む際の基材となるサファイア基板などから透過させて取り出せないため、フリップチップ方式で実装される。そのため、素子は、配光角をもった光を発光する素子となり、レーザー光のような指向性の高い光とはならないことが多く、光の取り出し効率の向上、光の照度ムラの解消の観点から、光の配光性を制御できる手法が必要とされる。
現状、ＵＶ－ＬＥＤでは、白色ＬＥＤなどで一般的に用いられる、樹脂をモールドしてレンズ形状に封止すると、出力が高いＵＶ－ＬＥＤの場合、素子が発光する短波長の光によって樹脂が劣化する不具合が生じる。そこで、短波長の光の透過率が良い合成石英を窓材として封止された、表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）が、ＵＶ－ＬＥＤのパッケージとして最もよく選択され、ＳＭＤ ＰＫＧをベースにし、配光性を制御することが考えられている。
例えば、特開２０１９－２２０５０７号公報（特許文献１）には、紫外領域の発光ダイオードから発光する光の照度面に対する均一性を得るため、複数のシリンドリカルレンズを備えた発光装置が示されている。また、特開２０２０－０２５０８９号公報（特許文献２）には、結晶性フッ素樹脂とシリコーン樹脂とを組み合わせて用い、短波長の光に対して耐性のある結晶性フッ素樹脂を、光が主に当たる部分に使用して光学部材（レンズ状部材）を形成し、配光を制御しつつ、光の取り出し効率を向上させた、深紫外ＬＥＤ素子を含むＬＥＤデバイスが示されている。
しかし、特開２０１９－２２０５０７号公報（特許文献１）に記載されているシリンドリカルレンズを用いることは、高度な光学計算が必要であり、また、シリンドリカルレンズを用いると、ＳＭＤ ＰＫＧが、Ｚ方向（高さ方向）に大きくなることから、光学素子を光学素子パッケージとすることや、光学素子パッケージを用いて光学装置（光学素子モジュール）とすることを考えたときに、光学素子パッケージや光学装置（光学素子モジュール）が大きくなってしまうため、それらの設計において不利である。更に、紫外領域の光を長期にわたり安定して取り出せる窓材としては合成石英ガラスが挙げられるが、合成石英ガラスをレンズ形状に加工することは、コストが高くなる。
また、特開２０２０－０２５０８９号公報（特許文献２）に記載されている、レンズ状部材に結晶性フッ素樹脂を用いる方法は、紫外領域の光の透過率、及び紫外光による樹脂の劣化、気密性の確保の観点から、ＬＥＤのような長期にわたり使用される物に対しては、耐久性が高いとは言い難い。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、紫外領域の光に対しても耐久性が高い材料である合成石英ガラスにより、形状加工がしやすく、かつ低コストで製造できる平板形状の光学素子用窓材、及び光学素子用窓材を備える光学素子パッケージ用リッドを提供すること、特に、配光角を有する光源から発せられる光を、凸形状のようなレンズ形状でなくても効率よく集光できる平板形状の光学素子用窓材、及び光学素子用窓材を備える光学素子パッケージ用リッドを提供することを目的とする。また、本発明は、光学素子パッケージ用リッドを用いて光学素子を封止した光学素子パッケージ、及び光学素子用窓材を備える光学装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、合成石英ガラスで形成された窓材において、光が透過する主表面のミクロ形状を、幾何特性仕様（ＧＰＳ）に基づく所定の表面性状を有する粗面とすることにより、形状加工がしやすく、かつ低コストで製造できる平板形状の、合成石英ガラスで形成された窓材により、配光角を有する光を、効率よく集光できることを見出し、本発明をなすに至った。
従って、本発明は、以下の光学素子用窓材、光学素子パッケージ用リッド、光学素子パッケージ、及び光学装置を提供する。
１．光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージ用、又は光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージを備える光学装置用の窓材であって、
合成石英ガラスで形成され、
平板形状を有しており、
前記光が透過する主表面の片面又は両面が、粗面であり、
前記粗面である主表面において、
ＪＩＳ Ｂ ０６８１－２：２０１８で規定される負荷面積率が１０％の輪郭曲面の突出谷部空間体積（Ｖｖｖ）、及び負荷面積率が８０％の輪郭曲面の突出山部実体体積（Ｖｍｐ）の合計値が、１．７×１０4μｍ3以上であることを特徴とする光学素子用窓材。
２．厚みが、０．１～３ｍｍであることを特徴とする１に記載の光学素子用窓材。
３．前記粗面である主表面の表面粗さ（Ｒａ）が、０．１～０．５μｍであることを特徴とする１又は２に記載の光学素子用窓材。
４．１～３のいずれかに記載の光学素子用窓材と、該光学素子用窓材の前記主表面の一方の面の一部に積層された接着剤層とを備えることを特徴とする光学素子パッケージ用リッド。
５．前記接着剤層を構成する接着剤が、樹脂系接着剤及び金属系接着剤から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする４に記載の光学素子パッケージ用リッド。
６．前記接着剤層が、半硬化状態（Ｂ－Ｓｔａｇｅ）であることを特徴とする４又は５に記載の光学素子パッケージ用リッド。
７．光学素子と、該光学素子が内部に設置される収容部材と、１～３のいずれかに記載の光学素子用窓材と、接着層とを備え、
前記光が通過する位置に前記光学素子用窓材が設けられており、前記光学素子が、前記収容部材に収容されて、前記収容部材と前記光学素子用窓材とが接着層を介して接合されて封止されていることを特徴とする光学素子パッケージ。
８．前記光学素子が、波長２２０～６００ｎｍの光を発光する発光素子又は受光する受光素子であることを特徴とする７に記載の光学素子パッケージ。
９．前記光学素子が、１５０度以下の配光角を有する光を発光する発光素子であることを特徴とする７又は８記載の光学素子パッケージ。
１０．前記光学素子が発光素子であり、該発光素子と前記光学素子用窓材との最短距離が、０．５～１０ｍｍであることを特徴とする７～９のいずれかに記載の光学素子パッケージ。
１１．発光素子が内部に設置された光学素子パッケージと、１～３のいずれかに記載の光学素子用窓材とを備え、
前記光が通過する位置に、前記光学素子用窓材が設けられていることを特徴とする光学装置。
１２．前記光学素子が、波長２２０～６００ｎｍの光を発光する光学素子又は受光する受光素子であることを特徴とする１１に記載の光学装置。
１３．前記光学素子が、１５０度以下の配光角を有する光を発光する発光素子であることを特徴とする１１又は１２に記載の光学装置。
１４．前記光学素子が発光素子であり、前記光学素子パッケージと前記光学素子用窓材との最短距離が、０．５～１０ｍｍであることを特徴とする１１～１３のいずれかに記載の光学装置。
１．光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージ用、又は光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージを備える光学装置用の窓材であって、
合成石英ガラスで形成され、
平板形状を有しており、
前記光が透過する主表面の片面又は両面が、粗面であり、
前記粗面である主表面において、
ＪＩＳ Ｂ ０６８１－２：２０１８で規定される負荷面積率が１０％の輪郭曲面の突出谷部空間体積（Ｖｖｖ）、及び負荷面積率が８０％の輪郭曲面の突出山部実体体積（Ｖｍｐ）の合計値が、１．７×１０4μｍ3以上であることを特徴とする光学素子用窓材。
２．厚みが、０．１～３ｍｍであることを特徴とする１に記載の光学素子用窓材。
３．前記粗面である主表面の表面粗さ（Ｒａ）が、０．１～０．５μｍであることを特徴とする１又は２に記載の光学素子用窓材。
４．１～３のいずれかに記載の光学素子用窓材と、該光学素子用窓材の前記主表面の一方の面の一部に積層された接着剤層とを備えることを特徴とする光学素子パッケージ用リッド。
５．前記接着剤層を構成する接着剤が、樹脂系接着剤及び金属系接着剤から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする４に記載の光学素子パッケージ用リッド。
６．前記接着剤層が、半硬化状態（Ｂ－Ｓｔａｇｅ）であることを特徴とする４又は５に記載の光学素子パッケージ用リッド。
７．光学素子と、該光学素子が内部に設置される収容部材と、１～３のいずれかに記載の光学素子用窓材と、接着層とを備え、
前記光が通過する位置に前記光学素子用窓材が設けられており、前記光学素子が、前記収容部材に収容されて、前記収容部材と前記光学素子用窓材とが接着層を介して接合されて封止されていることを特徴とする光学素子パッケージ。
８．前記光学素子が、波長２２０～６００ｎｍの光を発光する発光素子又は受光する受光素子であることを特徴とする７に記載の光学素子パッケージ。
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１０．前記光学素子が発光素子であり、該発光素子と前記光学素子用窓材との最短距離が、０．５～１０ｍｍであることを特徴とする７～９のいずれかに記載の光学素子パッケージ。
１１．発光素子が内部に設置された光学素子パッケージと、１～３のいずれかに記載の光学素子用窓材とを備え、
前記光が通過する位置に、前記光学素子用窓材が設けられていることを特徴とする光学装置。
１２．前記光学素子が、波長２２０～６００ｎｍの光を発光する光学素子又は受光する受光素子であることを特徴とする１１に記載の光学装置。
１３．前記光学素子が、１５０度以下の配光角を有する光を発光する発光素子であることを特徴とする１１又は１２に記載の光学装置。
１４．前記光学素子が発光素子であり、前記光学素子パッケージと前記光学素子用窓材との最短距離が、０．５～１０ｍｍであることを特徴とする１１～１３のいずれかに記載の光学装置。
本発明の光学素子用窓材は、形状加工がしやすく、かつ低コストで製造できる平板形状の、合成石英ガラスで形成されており、また、平板形状であっても、例えば、表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）で封止されるＵＶＣ－ＬＥＤなどのＵＶ－ＬＥＤの窓材として、光学素子から発せられる光、特に、配光角を有する光を、窓材を通過する際に、効率よく集光することができ、従来の凸形状などのレンズ形状の窓材と同等の集光が可能であり、更に、ランバート反射のような、照射ムラのない配光とすることもできる。
また、本発明の光学素子用窓材を用いた光学素子パッケージや光学装置であれば、従来の凸形状などのレンズ形状の窓材を用いた光学素子パッケージや光学装置よりも、体積を小さくすることができることから、ＵＶ－ＬＥＤなどを使用した光学素子パッケージや、光学装置（光学素子モジュール）のコンパクト化、コストダウンが期待でき、光学装置（光学素子モジュール）の設計の自由度も高い。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の光学素子用窓材は、光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージに好適に用いられ、光学素子パッケージの内部と外部との間を光が出入りする部分に設けられる窓材である。光学素子パッケージでは、光学素子が、収容部材に収容され、光学素子用窓材で封止されている。また、本発明の光学素子用窓材は、光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージを備える光学装置に好適に用いられ、光学装置の内部と外部との間を光が出入りする部分に設けられる窓材である。
本発明の光学素子用窓材は、光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージに好適に用いられ、光学素子パッケージの内部と外部との間を光が出入りする部分に設けられる窓材である。光学素子パッケージでは、光学素子が、収容部材に収容され、光学素子用窓材で封止されている。また、本発明の光学素子用窓材は、光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージを備える光学装置に好適に用いられ、光学装置の内部と外部との間を光が出入りする部分に設けられる窓材である。
本発明の光学素子用窓材は、合成石英ガラスで形成される。また、本発明の光学素子用窓材は、平板形状を有している。本発明において、平板形状は、凸面によって集光する凸レンズのような形状ではなく、例えば、光学素子用窓材の光が透過する主表面の両面が、共に略平面であることが好ましく、特に、光学素子用窓材の光が透過する主表面の両面が、略平行であるものが好ましい。本発明の光学素子用窓材は、平板形状であれば、大きさ、厚みは、収容部材の大きさ、光学素子用窓材の機械的強度、光学素子パッケージや光学装置としたときの機械的強度などを考慮して、適宜選択することができる。更に、本発明の光学素子用窓材の厚みは、光学素子に対する、光の波長の減衰、窓材の内側と外側、即ち、光学素子用パッケージの内部と外部との圧力差（例えば、光学素子用パッケージの内外の気圧の差）を考慮することにより、適宜選択することができる。窓材の厚みとして具体的には、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．２ｍｍ以上であり、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下である。
本発明において、光学素子用窓材の光が透過する主表面は、光を主表面で散乱させるために、それらの片面又は両面が粗面となっている。この粗面は、幾何特性仕様（ＧＰＳ）に基づく所定の表面性状を有する粗面となっている。そして、本発明は、この所定の表面性状が、ＪＩＳ Ｂ ０６８１－２：２０１８で規定される負荷面積率が１０％の輪郭曲面の突出谷部空間体積（Ｖｖｖ）、及び負荷面積率が８０％の輪郭曲面の突出山部実体体積（Ｖｍｐ）の合計値が１．７×１０4μｍ3以上であることを特徴としている。光学素子用窓材がこのような表面性状を有していることにより、平面であっても、高い集光特性を有する配光特性が得られる。ＶｖｖとＶｍｐの合計値が１．７×１０4μｍ3より小さい場合、光学素子用窓材の光が透過する主表面の凹凸が大きいため、主表面において散乱する光が少なく、直線光として窓材を通過する光が多くなり、配光角を有する光を十分に集光することができず、配光角を有する光から、ランバート反射のような集光型の放射束を得ることが難しい。光学素子用窓材の表面性状は、３次元表面形状測定機などにより測定することができる。
本発明において、光学素子用窓材の粗面である主表面は、その表面粗さ（Ｒａ）が、０．１μｍ以上であることが好ましく、また、０．５μｍ以下であることが好ましく、０．４μｍ以下であることがより好ましい。粗面である主表面の表面粗さ（Ｒａ）が、このような範囲内にあれば、光学素子用窓材の主表面における反射損が大きくなることにより迷光となる光が生じる不具合や、主表面において反射する光が少なくなり、窓材をそのまま透過する平行光の割合が高くなって、光を十分に集光できない可能性を低減することができる。
本発明の光学素子用窓材は、合成石英ガラスにより形成されているが、合成石英ガラス製の光学素子用窓材は、例えば、以下のような方法で製造することができる。まず、合成石英ガラスインゴットを成型、アニール、スライス加工、面取り、ラッピングなどの機械加工を実施することにより、機械加工面が粗面である基板を得る。両面が粗面の光学素子用窓材を製造する場合は、洗浄工程を経て、後述するケミカルエッチング（表面処理）工程に進むことができる。一方、片面が粗面の窓材を製造する場合は、片面を更に研磨し、鏡面化して、洗浄工程を経て、後述するケミカルエッチング（表面処理）工程に進む。なお、この粗面は、一旦、片面又は両面を鏡面化した後、片面又は両面を、サンドブラスト加工などで、再び粗面化したものであってもよい。
次に、機械加工により得られた基板に、ケミカルエッチング（表面処理）を施す。具体的には、機械加工により得られた粗面を有する基板の主表面を、ケミカルエッチングすることにより粗面の表面性状を調整する。表面性状は、エッチング液の種類、エッチング液への浸漬時間を適宜選択することにより調整することができる。エッチング液は、フッ酸や、バッファードフッ酸が好適に用いられる。エッチング液は、好ましくは１質量％以上、より好ましくは３質量％以上、更に好ましくは５質量％以上で、好ましくは２０質量％以下、より好ましくは１５質量％以下の濃度のものが好適に用いられる。濃度が上記範囲より低い場合、エッチング速度が遅いため、所定の表面性状を得るまでに長い時間を要し、生産性が低くなる可能性がある。一方、濃度が上記範囲より高い場合、エッチング速度が速いため、所定の表面性状を得るための精密な制御がし難くなる可能性がある。
ケミカルエッチングは、処理する基板をエッチング液に浸漬させる方法でも、処理する基板に、エッチング液をかけ流す方法でもよい。処理は、複数枚を一度に処理するバッチ処理でも、一枚ずつ処理する枚葉処理でもよい。エッチング液による処理時間は、好ましくは１５分間以上で、好ましくは１００分間以下、より好ましくは８０分間以下の範囲で、適宜設定される。処理時間が上記範囲より短い場合、所定の表面性状を得るためには、高濃度のエッチング液を使用することになり、所定の表面性状を得るための精密な制御がし難くなる可能性がある。一方、処理時間が上記範囲より長い場合、溶解したガラス成分が再付着して不具合を起こす可能性がある。この不具合は、特に、処理する基板をエッチング液に浸漬させる方法において顕著となるおそれがある。また、生産性も低下するおそれがある。ケミカルエッチング後は、基板をリンス（水洗）し、乾燥させることにより光学素子用窓材を得ることができる。得られた光学素子用窓材の配光特性は、例えば、ＬＥＤモジュールゴニオフォトメーター（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ製、 ＬＥＤＧＯＮ）などを用いて評価することができる。
本発明の光学素子パッケージ用リッドは、光学素子用窓材と、光学素子用窓材の主表面の一方の面の一部、例えば、窓材が収容部材と接する部分である窓材の主表面の外周縁部に積層された接着剤層を備える。光学素子パッケージ用リッドは、ＵＶ－ＬＥＤのような気密性を求められる光学素子を収容する光学素子パッケージの封止に好適に用いられる。光学素子パッケージ用リッドを用いれば、光学素子と、光学素子を内部に収容した収容部材とを備え、光学素子パッケージ用リッドの接着剤により窓材と収容部材とが接着されて、光学素子が収容部材の内部に気密封止された光学素子パッケージを構成することができる。
接着剤層は、特に制限されるものではないが、樹脂系接着剤及び金属系接着剤から選ばれる少なくとも１種の接着剤で形成されていることが好ましい。樹脂系接着剤は、樹脂を含むペーストで構成されており、特に、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などを含む接着剤は、接着後（硬化後）に形成される接着層に三次元構造のネットワークが形成されるため、合成石英ガラスを接着することが可能であり、また、セラミックスや金属板などの多くの材質を接着することが可能である。樹脂系接着剤の例としては、紫外線硬化型、シリコーン型などの接着剤などが挙げられ、これら接着剤としては、例えば、ＴＢ３１１４（（株）スリーボンド製）、ＫＥＲ－３０００－Ｍ２（信越化学工業（株）製）などが挙げられる。樹脂系接着剤は、公知の方法で光学素子用窓材上に塗布して、接着剤層を形成することができる。
一方、金属系接着剤の例としては、Ａｕ－Ｓｎ、Ｚｎ－Ｓｎなどの低温ハンダ材、ナノ銀粒子などの金属ナノ粒子を用いた焼結材料やそれらの融合体などが挙げられる。低温ハンダ材や金属ナノ粒子を用いた焼結材料の接着剤は、市販品を用いることができる。低温ハンダ材と金属ナノ粒子との融合体の場合は、例えば、主成分である平均一次粒子径が１００ｎｍ以下のナノ銀粒子に対し、低温ハンダ材として知られているＳｎ－Ｂｉハンダ、Ｓｎ－Ｚｎ－Ｂｉハンダ及びＳｎ－Ｚｎハンダからなる群から選ばれる少なくとも１種を混合し、更に、亜鉛、ジルコニウム、テルル、アンチモン及びインジウムからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の金属元素を添加した接着剤が挙げられる。金属系接着剤は、接着前（硬化前）にはペースト状態となっている接着剤を、ディスペンサー、スクリーン印刷、インクジェット印刷などの公知の塗布方法によって、光学素子用窓材上に塗布して、接着剤層を形成することができる。接着剤層は、必要に応じて、予備加熱して、半硬化状態（Ｂ－Ｓｔａｇｅ）とすることができる。
本発明の光学素子パッケージは、発光素子又は受光素子である光学素子と、光学素子が内部に設置される収容部材と、光学素子用窓材と、接着層とを備える。本発明の光学素子パッケージにおいて、光学素子用窓材は、光が通過する位置に設けられている。また、光学素子パッケージでは、光学素子が、収容部材に収容されて、収容部材と光学素子用窓材とが接着層を介して接合されて封止されている。光学素子パッケージにおいて、光学素子用窓材と接着層は、光学素子パッケージ用リッドの光学素子用窓材と、光学素子パッケージ用リッドの接着剤層が硬化して形成された接着層とすることができる。
本発明の光学素子パッケージにおいて、収容部材は、一部が開口しており、光学素子が収容された後、収容部材と光学素子用窓材とが接合され、収容部材の開口部が、接着層を介して光学素子用窓材で封止されている。本発明の光学素子パッケージとして、具体的には、例えば、図１に示されるような、光学素子用窓材１と、光学素子４が収容された収容部材３との間で、接着層２を介して気密封止した光学素子パッケージ１０を挙げることができる。なお、図１中、５は反射板である。
収容部材内部に設置される光学素子は、発光素子であっても、受光素子であってもよい。発光素子が発光する光の波長、受光素子が受光する光の波長は、いずれも、２２０ｎｍ以上であることが好ましく、また６００ｎｍ以下であることが好ましい。発光素子の例としては、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いたＵＶ－ＬＥＤ（中心波長が２６０～３００ｎｍ）、青色発光素子（波長４４０～４９０ｎｍ）、緑色発光素子（波長４９０～５８０ｎｍ）、黄色発光素子（波長５５０～６００ｎｍ）などが挙げられ、特に、面発光する素子が好適である。
収容部材は、光学素子用パッケージにおいて、光学素子を収容する部材として公知のものを用いることができ、金属、セラミックスなどの無機材料、又はゴム、エラストマー、樹脂などの有機材料で形成された、光学素子の収容部としての凹陥部を有するものが好適に用いられる。収容部材のサイズは、光学素子の用途、収容される光学素子、窓材のサイズなどにより適宜設定される。また、特にＬＥＤにおいて顕著であるが、光学素子が発する熱により、光学素子が高温状態になると、光学素子の発光効率が低下するため、収容部材は、放熱性の良いアルミナ系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックスなどで形成されたものや、それらに金や銅などの金属のメッキなどを放熱部材として形成したものが好適である。
発光素子から発せられる光は、照射距離が離れるほど照度が低下する。また、光学装置（光学素子モジュール）の設計においてのコンパクト化が求められることからも光学素子、特に発光素子と、光学素子用窓材との最短距離は、好ましくは０．５ｍｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上であり、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは８ｍｍ以下である。
光学素子用パッケージの内部（収容部材と窓材とで囲まれた部分）には、光学素子の他に、光学素子と光学素子パッケージの外部との電気的な導通のためのリードや光の取出し効率を上げるためのリフレクタ（反射板）などの他の部材を設けることができる。光学素子用パッケージの内部において、光学素子及び他の部材以外の部分は、真空状態、空気や、不活性ガス（例えば、窒素ガス）などの気体が充填された状態、透明なゴム、エラストマー、樹脂などの固体が充填された状態のいずれであってもよいが、光学素子が発する熱の放熱性の観点からは、真空状態又は気体が充填された状態であることが好ましい。
本発明の光学装置は、発光素子又は受光素子である光学素子が内部に設置された光学素子パッケージと、光学素子用窓材とを備える。本発明の光学装置において、光学素子用窓材は、光が通過する位置に設けられている。これにより、光学装置の配光性を制御することが可能である。光学装置としては、表面実装パッケージなどの光学素子パッケージを１個以上備えるもの、光学素子パッケージを２個以上備え、それらがアレイ化されているもの（一般に、光学素子モジュールと呼ばれるもの）などが挙げられる。光学装置としては、発光装置でも、受光装置でもよいが、特に、光照射装置などの発光装置が好適である。発光装置としては、深紫外ＬＥＤなどの紫外ＬＥＤ（ＵＶ－ＬＥＤ）の表面実装パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）が好適である。
リフレクタなどを使用しているＳＭＤ ＰＫＧでは、発光の光源がＳＭＤ ＰＫＧ内に１つであったとしても、発光している光は、点発光ではなく疑似的に面発光となっており、配光角を有する光である。また、例えば、ＵＶ－ＬＥＤにおいて常用されている、発光素子がフリップチップ方式でダイボンドされている場合、配光角を有する光となっている点に加えて、しばしば、照度ムラが生じている。光樹脂硬化など、光を均一に照射することが求められる場合においては、このような配光特性を有する光学素子パッケージを並べ、大面積を均一照射するように光学装置を設計することは難しく、また、出力の弱い光学素子パッケージの場合は、被照射体までの距離を短くしなければならない。
本発明の光学装置のように、光学素子パッケージに対して、光が通過する位置に、主表面が所定の表面性状を有する粗面となっている本発明の光学素子用窓材を設けることで、小さな出力でも照度ムラを解消して効率よく光を照射することが可能となる。本発明の光学装置においては、光学素子用窓材は、接着されていてもよいが、接着されていなくてもよく、光学素子用窓材を固定する場合は、フランジなどを用いて、着脱可能に固定することもできる。なお、本発明の光学装置における光学素子パッケージに用いられている光学素子用窓材は、主表面が所定の表面性状を有する粗面となっている本発明の光学素子用窓材であっても、それ以外の窓材であってもよい。
光学装置（光学素子モジュール）の設計においてのコンパクト化が求められることから、光学素子パッケージ、特に、光学素子が発光素子である光学素子パッケージと、光学素子用窓材との最短距離は、好ましくは０．５ｍｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上であり、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは８ｍｍ以下である。
本発明の光学素子用窓材、光学素子パッケージ用リッド、光学素子パッケージ及び光学装置は、いずれも、波長４００ｎｍ以下の紫外光、特に２８０ｎｍ以下の深紫外光を発光する発光素子又は受光する受光素子などの光学素子に対して特に効果的である。また、本発明の光学素子用窓材、光学素子パッケージ用リッド、光学素子パッケージ及び光学装置は、いずれも、１５０度以下の配光角を有する光を発光する発光素子に対して特に効果的である。
以下、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
スライスされた合成石英ガラス基板を、遊星運度を行う両面ラップ機でラップして、主表面の両面が粗面である厚み０．５ｍｍの合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、８質量％のバッファードフッ酸に６０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
スライスされた合成石英ガラス基板を、遊星運度を行う両面ラップ機でラップして、主表面の両面が粗面である厚み０．５ｍｍの合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、８質量％のバッファードフッ酸に６０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
得られた光学素子用窓材の粗面である主表面の表面性状を評価した。ＪＩＳ Ｂ ０６８１－２：２０１８で規定される負荷面積率が１０％の輪郭曲面の突出谷部空間体積（Ｖｖｖ）、及び負荷面積率が８０％の輪郭曲面の突出山部実体体積（Ｖｍｐ）を、白色干渉計（Ｚｙｇｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、Ｎｅｘｖｉｅｗ）を用いて測定した。その結果、それらの合計値（Ｖｖｖ＋Ｖｍｐ）は、両主表面（粗面）で１．９１×１０4μｍ3であった。また、得られた光学素子用窓材の粗面である主表面の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、両主表面で０．４１μｍであった。
次に、得られた光学素子用窓材の収容部材と接合する部分である主表面の外周縁部に、線幅が０．２５ｍｍとなるように、金属系接着剤を、スクリーン印刷によって塗布して接着剤層を形成して、光学素子パッケージ用リッドを得た。金属系接着剤には、銀核の平均一次粒子径が５０ｎｍのナノ銀粒子を主成分とし、ビスマスと、スズと、インジウムとを含む金属系接着剤を使用した。
次に、初期配光角が１２０度である、波長２６５ｎｍの５０ｍＷ級ＵＶＣ－ＬＥＤ素子（光学素子）が内部に設置された、窒化アルミニウムを基材とした３．５ｍｍ角の表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）キャリア（収容部材）の上部を、上記で得られた光学素子パッケージ用リッドで封止して、表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）を得た。ＳＭＤ ＰＫＧキャリアは、合成石英ガラスリッドと接合する部分（接着剤層と接する面）に金メッキを施したものを使用した。得られたＳＭＤ ＰＫＧ（光学素子パッケージ）内のＬＥＤを点灯させ、ＬＥＤモジュールゴニオフォトメーター（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ製、ＬＥＤＧＯＮ）を用いて配光角を測定したところ、配光角は７０度となった。配光特性（配光の３次元マップ）を図２に示す。この場合、配光は、ＬＥＤのオリジナル配光であったバットウィング配光から、照射ムラのないランバート反射に近づいており、配光特性が変化していた。
［実施例２］
実施例１と同様の方法で、合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、１０質量％のバッファードフッ酸に１５分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
実施例１と同様の方法で、合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、１０質量％のバッファードフッ酸に１５分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
得られた光学素子用窓材の粗面である主表面の表面性状を実施例１と同様に評価した。その結果、それらの合計値（Ｖｖｖ＋Ｖｍｐ）は、両主表面（粗面）で７．０２×１０4μｍ3であった。また、得られた光学素子用窓材の粗面である主表面の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、両主表面で１．０２μｍであった。
次に、初期配光角が１３０度である、波長２８０ｎｍの５０ｍＷ級ＵＶＣ－ＬＥＤ素子（光学素子）が内部に設置された、実施例１と同様の表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）キャリア（収容部材）の上部を、実施例１と同様の方法で得た光学素子パッケージ用リッドで封止して、表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）を得た。得られたＳＭＤ ＰＫＧ（光学素子パッケージ）内のＬＥＤを点灯させ、実施例１と同様の方法で、配光角を測定したところ、配光角は４８度となった。配光特性（配光の３次元マップ）を図３に示す。この場合、配光は、ＬＥＤオリジナルのバットウィング配光から、照射ムラのないランバート反射に実施例１の場合よりもより近づいており、配光特性が変化していた。
［実施例３］
スライスされた合成石英ガラス基板を、遊星運度を行う両面ラップ機でラップし、更に、遊星運動を行う片面ポリッシュ機にて鏡面化加工をして、主表面の一方の面が粗面、他方の面が鏡面である厚み０．８ｍｍの合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、５質量％のバッファードフッ酸に３０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
スライスされた合成石英ガラス基板を、遊星運度を行う両面ラップ機でラップし、更に、遊星運動を行う片面ポリッシュ機にて鏡面化加工をして、主表面の一方の面が粗面、他方の面が鏡面である厚み０．８ｍｍの合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、５質量％のバッファードフッ酸に３０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
得られた光学素子用窓材の粗面である主表面の表面性状を実施例１と同様に評価した。その結果、それらの合計値（Ｖｖｖ＋Ｖｍｐ）は、一方の主表面（粗面）で２．０５×１０4μｍ3であった。また、得られた光学素子用窓材の粗面である主表面の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、一方の主表面（粗面）で０．３９μｍであった。
次に、実施例１と同様のＵＶＣ－ＬＥＤ素子（光学素子）が内部に設置された、実施例１と同様の表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）キャリア（収容部材）の上部を、実施例１と同様の方法で得た光学素子パッケージ用リッドで封止して、表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）を得た。得られたＳＭＤ ＰＫＧ（光学素子パッケージ）内のＬＥＤを点灯させ、実施例１と同様の方法で、配光角を測定したところ、配光角は６０度となった。配光特性（配光の３次元マップ）を図４に示す。この場合、配光は、ＬＥＤのオリジナル配光であったバットウィング配光から、照射ムラのないランバート反射に近づいており、配光特性が変化していた。
［比較例１］
実施例１と同様の方法で、合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、１０質量％のバッファードフッ酸に１８０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
実施例１と同様の方法で、合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、１０質量％のバッファードフッ酸に１８０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
得られた光学素子用窓材の粗面である主表面の表面性状を実施例１と同様に評価した。その結果、それらの合計値（Ｖｖｖ＋Ｖｍｐ）は、両主表面（粗面）で１．３８×１０4μｍ3であった。また、得られた光学素子用窓材の粗面である主表面の表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、両主表面で０．３６μｍであった。
次に、実施例１と同様のＵＶＣ－ＬＥＤ素子（光学素子）が内部に設置された、実施例１と同様の表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）キャリア（収容部材）の上部を、実施例１と同様の方法で得た光学素子パッケージ用リッドで封止して、表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）を得た。得られたＳＭＤ ＰＫＧ（光学素子パッケージ）内のＬＥＤを点灯させ、実施例１と同様の方法で、配光角を測定したところ、配光角は１２０度のままであった。配光特性（配光の３次元マップ）を図５に示す。この場合、配光は、フリップチップ方式のＵＶＣ－ＬＥＤ ＳＭＤ ＰＫＧ特有のバットウィング配光に近い形のままで、配光特性に変化は見られなかった。
［実施例４］
初期配光角が１３０度である、波長２８５ｎｍの３０ｍＷ級ＵＶＣ－ＬＥＤ素子を収容した３．５ｍｍ角の表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）（日機装（株）製、ＶＰＳ－１７１）が、３×３列に配列された深紫外線ＬＥＤモジュールに対し、ＳＭＤ ＰＫＧの窓材から４ｍｍの位置に、実施例２と同様の方法で得た光学素子用窓材を設置して、光学装置（発光装置）を構成した。
初期配光角が１３０度である、波長２８５ｎｍの３０ｍＷ級ＵＶＣ－ＬＥＤ素子を収容した３．５ｍｍ角の表面実装型パッケージ（ＳＭＤ ＰＫＧ）（日機装（株）製、ＶＰＳ－１７１）が、３×３列に配列された深紫外線ＬＥＤモジュールに対し、ＳＭＤ ＰＫＧの窓材から４ｍｍの位置に、実施例２と同様の方法で得た光学素子用窓材を設置して、光学装置（発光装置）を構成した。
得られた光学装置内のＬＥＤを点灯させ、実施例１と同様の方法で、配光角を測定したところ、配光角は４８度となった。
１ 光学素子用窓材
２ 接着層
３ 収容部材
４ 光学素子
５ 反射板
１０ 光学素子パッケージ
２ 接着層
３ 収容部材
４ 光学素子
５ 反射板
１０ 光学素子パッケージ
［実施例１］
スライスされた合成石英ガラス基板を、遊星運動を行う両面ラップ機でラップして、主表面の両面が粗面である厚み０．５ｍｍの合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、８質量％のバッファードフッ酸に６０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
スライスされた合成石英ガラス基板を、遊星運動を行う両面ラップ機でラップして、主表面の両面が粗面である厚み０．５ｍｍの合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、８質量％のバッファードフッ酸に６０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
［実施例３］
スライスされた合成石英ガラス基板を、遊星運動を行う両面ラップ機でラップし、更に、遊星運動を行う片面ポリッシュ機にて鏡面化加工をして、主表面の一方の面が粗面、他方の面が鏡面である厚み０．８ｍｍの合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、５質量％のバッファードフッ酸に３０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
スライスされた合成石英ガラス基板を、遊星運動を行う両面ラップ機でラップし、更に、遊星運動を行う片面ポリッシュ機にて鏡面化加工をして、主表面の一方の面が粗面、他方の面が鏡面である厚み０．８ｍｍの合成石英ガラスウェーハ基板を得た。次に、得られた合成石英ガラス基板を、５質量％のバッファードフッ酸に３０分間浸漬させて、水洗、乾燥して、平板形状の光学素子用窓材を得た。
Claims (14)
- 光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージ用、又は光を発光又は受光する光学素子を収容する光学素子パッケージを備える光学装置用の窓材であって、
合成石英ガラスで形成され、
平板形状を有しており、
前記光が透過する主表面の片面又は両面が、粗面であり、
前記粗面である主表面において、
ＪＩＳ Ｂ ０６８１－２：２０１８で規定される負荷面積率が１０％の輪郭曲面の突出谷部空間体積（Ｖｖｖ）、及び負荷面積率が８０％の輪郭曲面の突出山部実体体積（Ｖｍｐ）の合計値が、１．７×１０4μｍ3以上であることを特徴とする光学素子用窓材。 - 厚みが、０．１～３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の光学素子用窓材。
- 前記粗面である主表面の表面粗さ（Ｒａ）が、０．１～０．５μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子用窓材。
- 請求項１～３のいずれか１項に記載の光学素子用窓材と、該光学素子用窓材の前記主表面の一方の面の一部に積層された接着剤層とを備えることを特徴とする光学素子パッケージ用リッド。
- 前記接着剤層を構成する接着剤が、樹脂系接着剤及び金属系接着剤から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子パッケージ用リッド。
- 前記接着剤層が、半硬化状態（Ｂ－Ｓｔａｇｅ）であることを特徴とする請求項４又は５に記載の光学素子パッケージ用リッド。
- 光学素子と、該光学素子が内部に設置される収容部材と、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学素子用窓材と、接着層とを備え、
前記光が通過する位置に前記光学素子用窓材が設けられており、前記光学素子が、前記収容部材に収容されて、前記収容部材と前記光学素子用窓材とが接着層を介して接合されて封止されていることを特徴とする光学素子パッケージ。 - 前記光学素子が、波長２２０～６００ｎｍの光を発光する発光素子又は受光する受光素子であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子パッケージ。
- 前記光学素子が、１５０度以下の配光角を有する光を発光する発光素子であることを特徴とする請求項７又は８記載の光学素子パッケージ。
- 前記光学素子が発光素子であり、該発光素子と前記光学素子用窓材との最短距離が、０．５～１０ｍｍであることを特徴とする請求項７～９のいずれか１項に記載の光学素子パッケージ。
- 発光素子が内部に設置された光学素子パッケージと、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学素子用窓材とを備え、
前記光が通過する位置に、前記光学素子用窓材が設けられていることを特徴とする光学装置。 - 前記光学素子が、波長２２０～６００ｎｍの光を発光する光学素子又は受光する受光素子であることを特徴とする請求項１１に記載の光学装置。
- 前記光学素子が、１５０度以下の配光角を有する光を発光する発光素子であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光学装置。
- 前記光学素子が発光素子であり、前記光学素子パッケージと前記光学素子用窓材との最短距離が、０．５～１０ｍｍであることを特徴とする請求項１１～１３のいずれか１項に記載の光学装置。
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