JP2023169160A

JP2023169160A - 光収束部材および光学部品

Info

Publication number: JP2023169160A
Application number: JP2023135137A
Authority: JP
Inventors: 芳郎菊池; Yoshiro Kikuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2023-08-23
Publication date: 2023-11-29
Also published as: US11828452B2; US20220299188A1; WO2021117530A1; JPWO2021117530A1

Abstract

【課題】配光角の低減と光源の小型化の両立を図った光収束部材および光学部品を提供する。【解決手段】光収束部材１０は、光を出射する光学素子１４を有する光学部品１００に用いられ、前記光学素子１４に対向し、前記光学素子における発光領域の最大長の０．５倍以上の大きさを有する凹部３２と、前記凹部３２を通過した光を収束するレンズ体３０と、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子からの光を収束する光収束部材および光学部品に関する。

浄化、殺菌、光学的分析等種々の分野において、紫外線光源が用いられている。この紫外線光源として、小型化の容易な光学素子（例えば、ＬＥＤ：発光ダイオード、ＬＤ：半導体レーザー）が開発されている（例えば、特開２０１６－１２１９２６号公報参照）。

ここで、例えば、光学的分析（一例として、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）の濃度分析）のためには、光源から照度センサーの距離の変化に伴う光の強度変化が小さいこと、すなわち、光の配光角が狭いことが好ましい。

しかし、ＬＥＤのような面発光光源において、狭い配光角を得るには、大きなレンズを用いるのが一般的な手法であり、配光角の低減（狭角化）と光源の小型化の両立は容易ではない。

本発明は、配光角の低減と光源の小型化の両立を図った光収束部材および光学部品を提供することを目的とする。

実施態様に係る光収束部材は、光を出射する光学素子を有する光学部品に用いられ、前記光学素子に対向し、前記光学素子における発光領域の最大長の０．５倍以上の大きさを有する凹部と、前記凹部を通過した光を収束するレンズ体と、を具備する。

本発明によれば、配光角の低減と光源の小型化の両立を図った光収束部材および光学部品を提供できる。

実施形態に係る光収束部材を有する光学部品を模式的に表す縦断面図である。実施形態に係る光収束部材を下方から見た状態を模式的に表す底面図である。変形例に係る光収束部材を有する光学部品を模式的に表す縦断面図である。変形例に係る光収束部材を下方から見た状態を模式的に表す底面図である。実施例および比較例について、凹部の状態と光学特性を表す表１である。実施例および比較例において、共通する条件を表す表２である。配光角を表すグラフである。凹部の径と配光角の関係を表すグラフである。凹部の深さと配光角（および照度）の関係を表すグラフである。

以下、図１～図９を参照しながら、実施形態に係る光収束部材および光学部品を説明する。

図１に示すように、光学部品１００は、少なくとも１つの光学素子１４、およびパッケージ１６を有する。光学素子１４は、光（例えば、紫外光）を出射し、パッケージ１６は、光学素子１４を収容する。

光学素子１４は、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ(半導体レーザー)である。図示しないが、光学素子１４は、例えば、サファイヤ基板上に、量子井戸構造を有するＧａＮ系結晶層を積層して構成できる。

光学素子１４には、例えば結晶層構成面１４ａを後述する光収束部材１０に対面させ、光出射面として機能させる、いわゆるフェイスアップ実装を採用できる。すなわち、光学素子１４から導出された端子（図示せず）と、実装基板１８上に形成された回路配線（図示せず）とを例えばボンディングワイヤ（図示せず）にて電気的に接続する。なお、結晶層構成面１４ａを収容空間２６の底面に配置し、サファイヤ基板の裏面を光出射面として機能させる、いわゆるフリップチップ実装も採用できる。

パッケージ１６は、実装基板１８、および光収束部材１０を有する。

実装基板１８は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、アルミニウムから構成され、収容空間２６を有し、その中に光学素子１４を収容する。収容空間２６は、例えば、円柱形状、直方体形状を有し、その底面に光学素子１４が配置される。

光収束部材１０は、実装基板１８上に固定され、図１、図２に示されるように、台座２８、レンズ体３０、凹部３２を有する。台座２８、レンズ体３０は、光（例えば、紫外光）を透過する材料（例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、これらの材料の屈折率ｎ＝１．４４～１．５４）で、一体的に構成できる。後述のように、石英ガラスは、例えば、粉末焼結法によって成形できる。また、ホウケイ酸ガラス、シリコーン樹脂、フッ素樹脂は、例えば、プレス成形、射出成形、機械加工によって成形できる。

光収束部材１０は、実装基板１８上に例えば有機系、金属系の接着層２０を介して接合される。有機系の接着層２０としては、例えば、エポキシ系、シリコーン系、ウレタン系の接着剤等を使用できる。金属系の接着層２０としては、例えば、ＡｕＳｎ系の半田を使用できる。

台座２８は、環状の形状を有し、実装基板１８上に固定される。台座２８の外形形状（平面形状）は例えば正方形状である。但し、台座２８の外形形状を円形状、長方形状、三角形状、六角形状等の多角形状にしてもよい。なお、台座２８を用いず、レンズ体３０、凹部３２から光収束部材１０を構成してもよい。

レンズ体３０は、光を収束するものであり、台座２８上に一体に形成され、例えば、上方に向かって凸状の形状を有する。レンズ体３０は、光学素子１４から離間するにつれて、その外周が連続的に縮小する形状とできる。また、レンズ体３０は、中心軸Ｏに対して、対称な曲面形状とできる。なお、レンズ体３０の外面は、その全部が曲面である必要はない。例えば、レンズ体３０の頂部付近（中心軸Ｏと交わる上面の一部）を平面形状とすることも許容される。中心軸Ｏに沿って進む光は、収束の必要性が小さいためである。

レンズ体３０は、その最大径Ｌｍに対する最大高さｈｍの比（アスペクト比Ｒｍ＝ｈｍ／Ｌｍ）が０．５より大きいこと（高背レンズ状：Ｔａｌｌレンズ）が好ましい。アスペクト比Ｒｍを０．５より大きくすることで、配光角θｆの低減が容易となる。

レンズ体３０は、台座２８との境界に、底面３０ａを観念することができる。この底面３０ａの平面形状は、例えば、円形状である。但し、底面３０ａの平面形状を楕円形状、トラック形状等にしてもよい。

凹部３２は、光学素子１４に対向して配置され、後述のように、レンズ体３０の光収束機能を支援し、照度Ｉの向上や配光角θｆの低減に寄与する。ここでは、凹部３２は台座２８に形成されているが、後述のようにレンズ体３０に形成してもよい。

凹部３２は、ドーム状、円柱状、角柱状（例えば、三角柱、四角柱、五角柱以上の角柱形状）、円錐状、角錘状（例えば、三角錘、四角錘、五角錘以上の角錘形状）など種々の形状とすることができる。円錐状、角錘状の場合、その頂部が上方になるように配置することが好ましい。

凹部３２の底面は、例えば、中心軸Ｏに近い平面と、中心軸Ｏから離れた斜面を有することができる。このとき、中心軸Ｏとの距離に応じて、底面の傾きを連続的に変化させると、凹部３２（の底面）は、ドーム形状となる。ドーム形状の一例として、半球ドーム形状、Ｌｏｗドーム形状、Ｔａｌｌドーム形状を挙げることができる。半球ドーム形状は、その深さｈｒと外周の径Ｌｒの比（アスペクト比Ｒｒ＝ｈｒ／Ｌｒ）が０．５の曲面である。Ｌｏｗドーム形状、Ｔａｌｌドーム形状はそれぞれ、アスペクト比Ｒｒが０．５より小さい、０．５より大きい曲面である。

径Ｌｒは、凹部３２底面の最大長を意味する。すなわち、底面の形状が、円形であれば、径Ｌｒはその直径を意味する。底面の形状が三角形状であれば、径Ｌｒはその辺の長さを意味する。底面の形状が四角以上の多角形状であれば、径Ｌｒはその対角線の長さ（頂点を結ぶ最大の長さ）を意味する。

このように、種々の形状の凹部３２を用いて、レンズ体３０の光収束機能を支援し、照度Ｉの向上や配光角θｆの低減に寄与することができる。

このような形状の光収束部材１０は、粉末焼結法、プレス成形、射出成形、機械加工によって作製できる。粉末焼結法の場合、例えば、石英ガラスの粉体（シリカ粉体）と有機化合物とを含む成形スラリーが成形型に鋳込まれる。このスラリーを有機化合物相互の化学反応、例えば分散媒と硬化剤若しくは硬化剤相互の化学反応により固化させて、成形体とする。成形体を成形型から離型して、焼成する。このようにして、光収束部材１０を作製することができる。

光収束部材１０の寸法としては、光収束部材１０の高さｈｃが、例えば、０．７～３０［ｍｍ］である。台座２８の外径Ｄａ、高さｈｌが、例えば、３．０～１００［ｍｍ］、０．２～１［ｍｍ］である。レンズ体３０は、最大径Ｌｍ、最大高さｈｍ、アスペクト比Ｒｍが、例えば、１～２０［ｍｍ］、０．５～３０．０［ｍｍ］、０．３～１．５である。

凹部３２は、径Ｌｒ、深さｈｒ、アスペクト比Ｒｒが、例えば、０．１～５．０［ｍｍ］、０．１～５．０［ｍｍ］、０．１～１．０である。

レンズ体３０の底面３０ａと凹部３２の外周（ここでは、台座２８の底面）との距離ｄｒは、例えば、０～１．０［ｍｍ］である。

光学素子１４は、略直方体形状（例えば、直方体形状、直方体の辺を面取りした形状）、略角柱形状（例えば、角柱形状（三角柱、六角柱等）、角柱の辺を面取りした形状）を有し、上面視での形状は、矩形（正方形、長方形）、矩形を面取りした形状、三角形、六角形である。

光学素子１４は、高さ（厚み）ｈｔ、サイズＤｔが、例えば、０．００５～０．５［ｍｍ］、０．５～２．０［ｍｍ］である。

サイズＤｔは、光学素子１４を上面視したときの発光領域の最大長を意味する。光学素子１４全体が発光している場合、例えば、上面視での光学素子１４の形状が四角以上の多角形状（例えば、四角形状、六角形状）であれば、サイズＤｔはその対角線の長さ（頂点を結ぶ最大の長さ）を意味する。また、光学素子１４の一部が発光している場合には、上面視した際の発光領域の最大長をサイズＤｔとする。

光学素子１４の上面（光出射面、結晶層構成面１４ａ）と凹部３２の外周（ここでは、台座２８の底面）との距離ｄｔは、例えば、０．０５～１．０［ｍｍ］である。

（変形例）
図３および図４に示すように、変形例に係る光学部品１００では、実装基板１８は、収容空間２６を有しない。光収束部材１０が収容空間２６を有し、収容空間２６の上面に凹部３２が配置される。このため、凹部３２の外周は、レンズ体３０の底面３０ａと高さが一致している（距離ｄｒ＝０）。

このように、実装基板１８が収容空間２６を有しない変形例においても、実施形態と同様、凹部３２を用いて、レンズ体３０の光収束機能を支援し、照度Ｉの向上や配光角θｆの低減に寄与することができる。

実施例１～１８並びに比較例１～５について、配光角θｆを（一部では、光取出効率Ｅ並びに照度Ｉも）確認した。

実施例、比較例とも基本的には図１で表すことができる。これらの実施例、比較例において、凹部３２の形状、径Ｌｒ、深さｈｒを次のように変化させた（表１参照）。

実施例１～１１、比較例２～４を半球ドーム、実施例１２、１３をＬｏｗドーム、実施例１４～１７、比較例５をＴａｌｌドーム、実施例１８を円柱形状とした。比較例１は凹部３２を有しない。

半球ドーム形状は、アスペクト比Ｒｒ（ｈｒ／Ｌｒ）が０．５、ｌｏｗドームでは０．５より小さく、Ｔａｌｌドームでは０．５より大きい。

比較例２～４、実施例１～１１それぞれの径Ｌｒを０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．６、２．０、２．４、２．６［ｍｍ］と変化させた（このときの、光学素子１４のサイズＤｔとの比（Ｌｒ／Ｄｔ）は、０．２７、０．３５、０．４４、０．５３、０．６２、０．７１、０．８０、０．８８、０．９７、１．０６、１．４１、１．７７、２．１２、２．３０）。

実施例１２～１８、比較例５の径Ｌｒを１．１［ｍｍ］とした（比（Ｌｒ／Ｄｔ）は、０．９７）。実施例１２～１７、比較例５の深さｈｒをそれぞれ０．２７５、０．４、０．７、０．８２５、０．９、０．９５、１［ｍｍ］とした（アスペクト比Ｒｒは、０．２５、０．３６、０．６４、０．７５、０．８２、０．８６、０．９１）。

凹部３２（その形状、径Ｌｒ、深さｈｒ）以外は、実施例、比較例とも表２に示す形状を有し、材質は石英ガラスからなる。すなわち、光収束部材１０は、２．４７［ｍｍ］の高さｈｃを有する。レンズ体３０は、Ｔａｌｌレンズ形状、最大径Ｌｍが、３．２［ｍｍ］、最大高さｈｍが１．９７［ｍｍ］、アスペクト比Ｒｍ（ｈｍ／Ｌｍ）を０．６２とした。

凹部３２は、外周の曲率半径Ｒａを０．１［ｍｍ］、距離ｄｒを０．５［ｍｍ］、距離ｄｔを０．４［ｍｍ］とした。

台座２８は、高さｈｌを０．５［ｍｍ］、外径Ｄａを３．５［ｍｍ］とした。収容空間２６は、実装基板１８に配置し、形状は円柱、外径Ｄｋは２．５［ｍｍ］、高さｈｋを０．５［ｍｍ］とした。

光学素子１４は、ＬＥＤチップであり、直方体形状（上面視で四角形状）、サイズＤｔを１．１［ｍｍ］（四角形の一辺の長さ：０．８［ｍｍ］）、高さｈｔを０．１［ｍｍ］とした。

実施例、比較例に係る光学部品の配光分布、配光角θｆ、光取出効率Ｅ並びにレンズ接合部での照度Ｉをシミュレーション（光線追跡法）で確認した。

［シミュレーション結果］
実施例および比較例に係る光学部品の配光角θｆ、光取出効率Ｅ並びに照度Ｉを表１に示す。

配光角θｆは、光度の角度分布において、最大光度の１／２となる角度幅をいう（図７参照）。光取出効率Ｅは、ＬＥＤチップから出射される光出力に対する光学部品外へ出射される光出力の割合をいう。照度Ｉは、中心軸Ｏに平行（角度θ＝０）な方向での照度の相対値を示す。

図８は、凹部３２の径Ｌｒと配光角θｆの関係を表すグラフであり、比較例１～４、実施例１～１１の結果を纏めたものである。

このグラフに示されるように、凹部３２の径Ｌｒ（光学素子１４とのサイズ比（Ｌｒ／Ｄｔ））は、配光角θｆに大きな影響を与える。配光角θｆが小さい観点からすると、径Ｌｒが、０．５５～１．６［ｍｍ］（サイズ比（Ｌｒ／Ｄｔ）が０．５～１．５）が好ましく、０．６～１．０［ｍｍ］（サイズ比（Ｌｒ／Ｄｔ）が０．５～０．９）がより好ましい。

図９は、凹部３２の深さｈｒと配光角θｆ（および照度Ｉ）の関係を表すグラフであり、比較例１、５、実施例６、１２～１７の結果を纏めたものである。

このグラフに示されるように、凹部３２の深さｈｒ（アスペクト比Ｒｒ（＝ｈｒ／Ｌｒ））は、配光角θｆおよび照度Ｉに大きな影響を与える。深さｈｒが、０．２７５～０．９５［ｍｍ］（アスペクト比Ｒｒが０．２５～０．８６）が好ましく、０．２７５～０．７［ｍｍ］（アスペクト比Ｒｒが０．２５～０．６４）がより好ましい。前者の範囲を越えると配光角θｆが大きくなり、後者の範囲内であると照度・配光角比（Ｉ／θｆ）を大きくできる（配光角θｆが小さく、かつ照度Ｉが大きい）。

比較例１、実施例１、６、１８を比較すれば判るように、凹部３２の形状は、半球ドームに限られない。円柱形状であっても、凹部３２が無い場合（比較例１）に対して、配光角θｆ、光取出効率Ｅのいずれとも良好な結果が得られた。すなわち、凹部３２は半球ドーム、Ｌｏｗドーム、Ｔａｌｌドーム、円柱のいずれの形状も用いることができる。また、角柱、円錐、角錐でも、凹部３２が無い場合（比較例１）に比して、良好であると推認できる。

これらの結果に示すように、光収束部材１０は、配光角θｆの縮小、並びに高い照度Ｉの向上に有用である。

［本実施形態から得られる発明］
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。

［１］本実施形態に係る光収束部材（１０）は、光を出射する光学素子（１４）を有する光学部品（１００）に用いられ、前記光学素子（１４）に対向し、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長の０．５倍以上の大きさを有する凹部（３２）と、前記凹部（３２）を通過した光を収束するレンズ体（３０）と、を具備する。これにより、配光角（θｆ）の低減と光源の小型化の両立を図ることができ、例えば、１７°以下の配光角（θｆ）を得ることができる。

［２］本実施形態において、前記凹部（３２）が、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長の１．５倍以下の大きさであることが好ましく、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長の０．９倍以下の大きさであることがより好ましい。これにより、配光角（θｆ）のさらなる低減を図ることができる。

［３］本実施形態において、前記凹部（３２）の径（Ｌｒ）に対する深さ（ｈｒ）の比率（アスペクト比Ｒｒ）が０．２５～０．８６である。この範囲から外れると、配光角（θｆ）が大きくなる可能性がある。

［４］本実施形態において、前記凹部（３２）の径（Ｌｒ）に対する深さ（ｈｒ）の比率（アスペクト比Ｒｒ）が０．２５～０．６４である。これにより、配光角（θｆ）に対する照度（Ｉ）の比（Ｉ／θｆ）を大きくできる（狭い配光角θｆに強い光（照度Ｉ）の収束）。アスペクト比（Ｒｒ）が０．２５より小さくなると、配光角（θｆ）が大きくなり、アスペクト比（Ｒｒ）が０．６４より大きくなると、照度（Ｉ）が小さくなる可能性がある。

［５］本実施形態において、凹部（３２）が、ドーム状、円柱、角柱、円錐、角錘のいずれかの形状を有する。いずれの形状であっても、配光角（θｆ）の低減を図ることができる。このうち、凹部（３２）がドーム状であることが好ましい。

［６］本実施形態において、前記光収束部材（１０）は、前記実装基板（１８）上に固定され、前記レンズ体（３０）と一体的に形成される環状の台座（２８）、を具備する。これにより、前記実装基板（１８）への固定が容易になる。

［７］本実施形態において、前記光収束部材（１０）が、前記光学素子（１４）を収容する、収容空間（２６）を有し、前記凹部（３２）は、前記収容空間（２６）の底面に形成される。これにより、前記実装基板（１８）に安価な平板基板を用いることができる。

［８］本実施形態に係る光学部品（１００）は、光を出射する少なくとも１つの光学素子（１４）と、前記光学素子（１４）に対向し、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長の０．５倍以上の大きさを有する凹部（３２）および前記凹部（３２）を通過した光を収束するレンズ体（３０）を有する、光収束部材（１０）と、を具備する。これにより、配光角（θｆ）の低減を図ることができる。

なお、本発明に係る光収束部材および光学部品は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

Claims

光を出射する光学素子（１４）を有する光学部品（１００）に用いられる光収束部材（１０）であって、
前記光学素子（１４）に対向し、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長（Ｄｔ）の０．５倍以上の径（Ｌｒ）を有する凹部（３２）と、
前記凹部（３２）を通過した光を収束するレンズ体（３０）と、
を具備し、
配光角（θｆ）の相対値（前記凹部（３２）が具備されている場合の配光角（θｆ）／前記凹部（３２）が具備されていない場合の配光角（θｆ））は、９３％以下である、光収束部材。
光を出射する光学素子（１４）を有する光学部品（１００）に用いられる光収束部材（１０）であって、
前記光学素子（１４）に対向し、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長（Ｄｔ）の０．５倍以上の径（Ｌｒ）を有する凹部（３２）と、
前記凹部（３２）を通過した光を収束するレンズ体（３０）と、
を具備し、
配光角（θｆ）は、１７°以下である、光収束部材。
請求項１記載の光収束部材において、
前記配光角（θｆ）（前記凹部（３２）が具備されている場合の配光角（θｆ））は、１７°以下である、光収束部材。
請求項１又は３に記載の光収束部材において、
前記配光角（θｆ）の前記相対値は、５９～９３％である、光収束部材。
請求項４記載の光収束部材において、
前記配光角（θｆ）の前記相対値は、５９～７０％である、光収束部材。
請求項１～５のいずれか１項に記載の光収束部材において、
前記配光角（θｆ）は、１０．４°以上、１６．４°以下である、光収束部材。
請求項６記載の光収束部材において、
前記配光角（θｆ）は、１０．４°以上、１２．２°以下である、光収束部材。
請求項１～７のいずれか１項に記載の光収束部材において、
前記レンズ体（３０）の最大径（Ｌｍ）に対する最大高さ（ｈｍ）の比（アスペクト比Ｒｍ＝ｈｍ／Ｌｍ）が０．５より大きい、光収束部材。
請求項１～８のいずれか１項に記載の光収束部材において、
前記凹部（３２）が、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長（Ｄｔ）の１．５倍以下の大きさを有する、光収束部材。
請求項９記載の光収束部材において、
前記凹部（３２）が、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長（Ｄｔ）の０．９倍以下の大きさを有する、光収束部材。
請求項１～１０のいずれか１項に記載の光収束部材において、
前記凹部（３２）の径（Ｌｒ）に対する深さ（ｈｒ）の比率（アスペクト比Ｒｒ）が０．２５～０．８６である、光収束部材。
請求項１１記載の光収束部材において、
前記凹部（３２）の径（Ｌｒ）に対する深さ（ｈｒ）の比率（アスペクト比Ｒｒ）が０．２５～０．６４である、光収束部材。
請求項１～１２のいずれか１項に記載の光収束部材において、
前記凹部（３２）が、ドーム状、円柱、角柱、円錐、および角錘のいずれかの形状を有する、光収束部材。
請求項１３記載の光収束部材において、
前記凹部（３２）がドーム状である、光収束部材。
請求項１～１４のいずれか１項に記載の光収束部材において、
前記光学素子（１４）を収容する収容空間（２６）を有し、
前記凹部（３２）は、前記収容空間の底面に形成される、光収束部材。
光を出射する少なくとも１つの光学素子（１４）と、
前記光学素子（１４）に対向し、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長（Ｄｔ）の０．５倍以上の径（Ｌｒ）を有する凹部（３２）および前記凹部（３２）を通過した光を収束するレンズ体（３０）を有する、光収束部材（１０）と、
を具備し、
配光角（θｆ）の相対値（前記凹部（３２）が具備されている場合の配光角（θｆ）／前記凹部（３２）が具備されていない場合の配光角（θｆ））は、９３％以下である、光学部品（１００）。
光を出射する少なくとも１つの光学素子（１４）と、
前記光学素子（１４）に対向し、前記光学素子（１４）における発光領域の最大長（Ｄｔ）の０．５倍以上の径（Ｌｒ）を有する凹部（３２）および前記凹部（３２）を通過した光を収束するレンズ体（３０）を有する、光収束部材（１０）と、
を具備し、
配光角（θｆ）は、１７°以下である、光学部品（１００）。