TW202107123A - 放射角度轉換元件及發光裝置 - Google Patents

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Abstract

一種放射角度轉換元件，接合於殼體，包含玻璃基板及樹脂層，樹脂層具有設於玻璃基板上的微透鏡陣列。在與殼體的接合部分，於玻璃基板上不形成樹脂層。

Description

放射角度轉換元件及發光裝置
本發明係關於一種轉換入射光束之放射角度的放射角度轉換元件。
放射角度轉換元件常被使用在顯示器的顯示裝置或螢幕等，使入射光向不同的方向散射或轉換角度，也被廣泛地用於照明裝置等各種裝置，以獲得更均勻的照明強度。通常被用在擴大從光源發出的光的放射角度的情況較多。
近年來，對於光的放射角度、各角度的強度分佈、或投影擴散光時的面內強度的均勻化等，皆有更高的效能需求。例如，需要從陣列狀的垂直腔表面發射雷射（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）將以規定發散角發射的光，朝更寬的角度範圍擴散，並使其在擴散角度上具有各向異性（anisotropic）。
能使光擴散或轉換角度的元件有幾種類型，例如，已知有在平板內部分散微小空間、分散微粒子（例如半透明樹脂板）、在基材表面隨機地安上微小的凹凸（例如通過蝕刻等使表面粗糙的玻璃）、加工基材表面而形成設計的凹凸（例如繞射型元件）、在基材的表面排列多個透鏡（例如微透鏡陣列）等。
在此之中，使用微透鏡陣列的放射角度轉換元件的透射率高，容易控制擴散角度，因此被採用於有高度擴散性能需求的情況（例如參照專利文獻1、2）。
專利文獻1、2
[專利文獻1]日本專利特開2009-42772號公報
[專利文獻2]日本專利特開2017-9669號公報
圖1為使用習知的放射角度轉換元件101的發光裝置100之一例的概略剖面圖。發光裝置100包括殼體102、發光元件104和放射角度轉換元件101。
殼體102例如由陶瓷形成，為頂面開放的箱型。VCSEL等發光元件104被固定在殼體102的底面102a上。放射角度轉換元件101係由在玻璃基板106上配置樹脂製的微透鏡陣列108形成。放射角度轉換元件101作為蓋子與殼體102接合，由此密封設置有發光元件104的空間。放射角度轉換元件101中，通常將形成微透鏡陣列108的面朝向發光元件104設置。
圖2是圖1所示的放射角度轉換元件101和殼體102的接合處C的放大圖。要將放射角度轉換元件101接合到框體102可使用熱硬化型接著劑、UV硬化型接著劑等接著劑的接合、焊接、熔融低熔點玻璃的接合方法、擴散接合等方式。在任一種情況下，都是利用玻璃基板106及微透鏡陣列108的側面和殼體102的相對部分C1、微透鏡陣列108和殼體102的相對部分C2，使放射角度轉換元件101得以接合殼體102。
上述接合中，樹脂製的微透鏡陣列108與陶瓷製的殼體102的接合處，由於材料彼此的附著性問題，恐有弱化接合強度之虞。另外，上述接合中，由於陶瓷和樹脂的熱膨脹係數不同，有不耐熱衝擊的一面，而且，由於樹脂製的微透鏡陣列的耐熱性不高，不敷使用於需要數百度高溫的接合方法，例如焊接或低熔點玻璃接合等。
鑒於以上狀況，本發明之目的在於提供一種能夠與殼體牢固接合的放射角度轉換元件。
為解決上述課題，本發明之一種態樣的放射角度轉換元件，是一種與殼體接合的放射角度轉換元件，包含玻璃基板以及樹脂層，該樹脂層設於該玻璃基板上，並具有一光學功能部分。在與該殼體的接合部分，於該玻璃基板上不形成該樹脂層。
該接合部分可以設在該樹脂層的外側。
在該接合部分，可於該玻璃基板上形成有金屬膜。
在該接合部分，可於該樹脂層的外側形成有該金屬膜，且於該金屬膜的更外側設置該玻璃基板的露出部分。
該光學功能部分可以是複數個微透鏡二維排列而成的微透鏡陣列。
本發明的另一態樣是一種發光裝置。此裝置包含殼體、發光元件及放射角度轉換元件，該發光元件配置在該殼體內，該放射角度轉換元件與該殼體接合，轉換來自該發光元件的光的放射角度。該放射角度轉換元件包含玻璃基板及樹脂層，該樹脂層設於該玻璃基板上，並具有一光學功能部分。在與該殼體的接合部分，於該玻璃基板上不形成該樹脂層。
另外，以上構成要件的任意組合，或將本發明的表現，在方法、裝置、系統等之間轉換者，均屬於本發明的有效態樣。
因此，本發明可以提供一種能夠與殼體牢固接合的放射角度轉換元件，並且，可以用於轉換入射光束的放射角度的放射角度轉換元件領域。
以下，針對本發明之實施形態進行說明。各圖式所示的相同或同等的構成要件、構件、處理，均賦予相同的符號，並適當省略重複說明。又，實施形態僅為示例，並非限定本發明，實施形態所記載的所有特徵或其組合，不一定為本發明的本質。
圖3(a)及(b)是本發明第一實施型態的放射角度轉換元件10的說明圖。圖3(a)是放射角度轉換元件10的平面圖。圖3(b)是圖3(a)所示的放射角度轉換元件10的A-A剖面圖。
放射角度轉換元件10包括玻璃基板12。玻璃基板12的材質可以是例如鈉鈣玻璃或硼矽酸鹽玻璃等，其厚度可以是300μm。玻璃基板12的平面尺寸可以是例如2.5mm×3.0mm。
放射角度轉換元件10還包括具有光學功能部分的樹脂層14。樹脂層14設置在玻璃基板12的至少一個主表面上。在第一實施型態中，樹脂層14包括微透鏡陣列16，該微透鏡陣列16係由多個微透鏡15二維排列而成的光學功能部分。若樹脂層14的材質為預定使用的波長中透射率足夠高的樹脂，則不特別限定其材質，可以利用例如環氧樹脂、丙烯酸樹脂、矽氧樹脂、環丙烯烴樹脂或其複合材料。在第一實施型態中，儘管微透鏡15為凸透鏡，但本發明並不特別限定微透鏡15的類型，其可為凹透鏡，亦可為凸鏡和凹透鏡混合配置。多個微透鏡15的排列方式可例如為正方形排列或密集排列。微透鏡15的外形可例如俯視為圓形，亦可俯視為矩形。在各微透鏡15中，從樹脂層14與玻璃基板12的介面，到微透鏡15的頂點的高度可例如為50μm，曲率半徑可例如為30μm，弛度(sag)量可例如為25μm。
在第一實施型態的放射角度轉換元件10的玻璃基板12的一個主表面上的中央部分，設置有樹脂層14，並且在其外側存在一個部分（18），是玻璃基板12的一個主表面上未設置有樹脂層14的部分。即，在放射角度轉換元件10中，樹脂層14並沒有全面形成在玻璃基板12的一個主表面上，樹脂層14的周圍仍存在有玻璃基板12的表面露出的部分（18）。該玻璃基板12的表面露出的部分（18）即是放射角度轉換元件10安裝在殼體上時，放射角度轉換元件10與殼體接合的接合部分18。
當玻璃基板12的寬度為L0，接合部分18的寬度為L1時，L0和L1的關係是0.01L0≤L1≤0.3L0，優選為0.05L0≤L1≤0.2L0，更優選為0.1L0≤ L1≤0.15L0。若L1小於0.01L0，則無法獲得足夠的接著強度和足以滿足密閉性的接合面積。另一方面，若L1大於0.3L0，則接合部分的面積過大，有礙元件的小型化。
圖4是使用本發明第一實施型態的放射角度轉換元件10的發光裝置20的概略剖面圖。發光裝置20包括殼體22、發光元件24和放射角度轉換元件10。
殼體22由陶瓷形成，為頂面開放的箱型。發光元件24被固定在殼體22的底面22a上。除了垂直腔表面發射雷射（VCSEL）可作為發光元件24使用之外，亦可使用FP型半導體雷射、發光二極體（LED）、YAG等固體雷射、準分子雷射等氣體雷射、或金屬鹵化物等放電燈。
放射角度轉換元件10作為蓋子與殼體22接合，藉此密封設置有發光元件24的空間。在殼體22上設置放射角度轉換元件10，使得放射角度轉換元件10中微透鏡陣列16所形成的面朝向發光元件24。在如此構造的發光裝置20中，從發光元件24發射的光，透過微透鏡陣列16的各微透鏡15被擴散，通過玻璃基板12向外部放射。玻璃基板12不僅是微透鏡陣列16的基材，還具有保護發光元件24的作用，在這個意義上也被稱為蓋玻璃。從機械強度和耐擦傷性方面來看，使用玻璃是有利的選擇。
圖5是圖4所示的放射角度轉換元件10和殼體22的接合處C的放大圖。在殼體22的開口邊緣部形成有用於接合放射角度轉換元件10的台階部22b。殼體22的台階部22b透過接著劑23，和放射角度轉換元件10的接合部分18接合。
在此，本實施型態的放射角度轉換元件10中，接合部分18並未設置有樹脂層14，而是直接露出玻璃基板12，因此在本實施型態中是為玻璃和陶瓷的接合，而非如圖2所示的樹脂和陶瓷的接合。如此，相較於樹脂和陶瓷的接合，玻璃和陶瓷的接合的附著性更高，所以放射角度轉換元件10能夠牢固地接合在固定有發光元件24的殼體22上。
另外，比起樹脂和陶瓷間的熱膨脹係數差值，玻璃和陶瓷間的熱膨脹係數差值較小，能夠提高對熱衝擊的耐受性。
圖6(a)及(b)是本發明第二實施型態的放射角度轉換元件30的說明圖。圖6(a)是放射角度轉換元件30的平面圖。圖6(b)是圖3(a)所示的放射角度轉換元件30的A-A剖面圖。
第二實施型態的放射角度轉換元件30與第一實施型態的放射角度轉換元件10的不同之處在於，第二實施型態的放射角度轉換元件30在樹脂層14的外側的接合部分18中，有金屬膜32形成在玻璃基板12的一個主表面上。
金屬膜32可以是由一種金屬或多個金屬合金構成的單層膜，也可以是由層疊多個單一金屬構成的金屬膜而成的多層膜。金屬膜32的金屬種類，可使用Cr、Ni、Pt、Ti、Pd、Au等，但不限於此。以使用多層膜為例，例如可從玻璃基板12側，以Cr、Ni、Au的順序成膜。金屬膜32的厚度可例如為0.5μm。
當玻璃基板12的寬度為L0、接合部分18的寬度為L1、金屬膜32的寬度為L2時，L0、L1與L2的關係為L1＝L2、0.01L0≤L2≤0.3L0，優選為0.05L0≤L2≤0.2L0，更優選為0.1L0≤L2≤0.15L0。若L2小於0.01L0，則有可能無法提供焊料44充足的接合面積，進而難以達到牢固的接合強度。另一方面，若L2大於0.3L0，則接合部分的面積過大，有礙元件的小型化。
圖7是使用本發明第二實施型態的放射角度轉換元件30的發光裝置40的概略剖面圖。發光裝置40亦包括陶瓷製的殼體22、發光元件24和放射角度轉換元件30。
圖8是圖7所示的放射角度轉換元件30和殼體22的接合處C的放大圖。如圖8所示，在殼體22的開口邊緣部形成有用於接合放射角度轉換元件30的台階部22b，在該台階部22b上形成有金屬膜42。金屬膜42可以通過電鍍或蒸鍍等方法形成。
如上所述，第二實施型態的放射角度轉換元件30在接合部分18的玻璃基板12上形成有金屬膜32。如此，放射角度轉換元件30上的金屬膜32可以透過焊料44，和殼體22上的金屬膜42接合，從而達到牢固的接合強度。
圖9(a)及(b)是本發明第三實施型態的放射角度轉換元件50的說明圖。圖9(a)是放射角度轉換元件50的平面圖。圖9(b)是圖9(a)所示的放射角度轉換元件50的A-A剖面圖。
第三實施型態的放射角度轉換元件50與第一實施型態的放射角度轉換元件10的不同之處在於，第三實施型態的放射角度轉換元件50的接合部分18中，樹脂層14的外側形成有金屬膜32，並且金屬膜32的更外側設置有玻璃基板12的露出部分52。換言之，在第三實施型態的放射角度轉換元件50中，金屬膜32僅形成在接合部分18的內側部分，接合部分18的外側部分則露出玻璃基板12的表面。在接合部分18中，金屬膜32的區域與露出部分52的區域的比例可以是5:1～1:5。
當玻璃基板12的寬度為L0、接合部分18的寬度為L1、金屬膜32的寬度為L2、露出部分52的寬度為L3時，L0、L1、L2與L3的關係是為L1＝L2+L3、0.01L0≤L2+L3≤0.3L0，優選為0.05L0≤L2+L3≤0.2L0，更優選為0.1L0≤L2+L3≤0.15L0。若L2+L3小於0.01L0，則無法達到充分的接著強度和足以滿足密閉性的接合面積。另一方面，若L2+L3大於0.3L0，則接合部分的面積過大，有礙元件的小型化。另外，L2和L3亦可滿足以下要求：0.01L2≤L3≤10L2，優選為0.05L2≤L3≤L2，更優選為0.10L2≤L3≤0.5L2。若L3小於0.01L2，則切割時，可能難以取得充分的公差。另一方面，若L3大於10L2，則無法提供焊料44充分的接合面積，恐難達到牢固的接合強度。
金屬膜32可以是由一種金屬或多個金屬合金構成的單層膜，也可以是層疊多個由單一金屬構成的金屬膜而成的多層膜。金屬膜32的金屬種類，可使用Cr、Ni、Pt、Ti、Pd、Au等，但不限於此。以使用多層膜為例，例如可從玻璃基板12側，以Cr、Ni、Au的順序成膜。金屬膜32的厚度可例如為0.5μm。
通常，放射角度轉換元件的製作，係事先準備面積大於微透鏡陣列的形成區域的玻璃基板，在其至少一個主表面上形成微透鏡陣列之後，切割玻璃基板成為規定的尺寸。即，在一個大玻璃基板的至少一個表面上放置多個放射角度轉換元件，並以此切割出各個獨立的放射角度轉換元件。玻璃基板的切割方法，可以為使用旋轉的砂輪的方法、利用雷射切割的方法、如同玻璃切割器般，先用鑽石等劃上切割線之後再機械地進行切割的方法等。在玻璃基板使用旋轉的砂輪進行切割方法時，若切割部分存在有樹脂層，因樹脂層與高速旋轉的砂輪接觸，有時會看到構成微透鏡陣列的樹脂層從該切割部分剝離的現象。在使用雷射進行切割方法時，若切割部分存在有樹脂層或金屬膜，因雷射照射時也會一併照射到樹脂層或金屬膜，使得形成在樹脂層上的一部分微透鏡被熔化或蒸發，此部分恐成缺點。並且，在用鑽石等劃上切割線之後再機械地進行切割方法時，若切割部分存在有樹脂層和金屬膜，則難以在其下方的玻璃基板上形成切割線，導致容易發生切割不良的結果。
在第三實施型態的放射角度轉換元件50中，在接合部分18上的金屬膜32的外側，形成有玻璃基板12的露出部分52，因此，砂輪、雷射照射、刀具的前端都將直接作用於玻璃基板12，是以不會對金屬膜32或樹脂層14造成損壞，從而能夠抑制產量降低或切割作業時混入異物而導致不良品等狀況的發生。
接著，闡述放射角度轉換元件的製造方法。但是，以下說明並非用於限定本發明的放射角度轉換元件的製造方法。
放射角度轉換元件可以透過所謂的步進重複(step and repeat)方法來製造。步進重複方法是指使用規定大小的模型，在基板上部分形成結構體，一邊錯開成型位置一邊重複成形，從而在基板的整個面上形成結構體的方法。該方法的步驟等可以參考日本特開2014-188869號公報、日本特開2014-13902號公報、日本特開2010-245470號公報、日本特開2010-80632號公報、日本特開2008-168641號公報、日本特開2007-103924號公報、日本特開2007-103924號公報、日本特開2006-245072號公報等。
關於將微透鏡等結構體形成在基板上的方法，可先準備尺寸小於玻璃基板的模具（模型），將模型（表面形成有規定的透鏡形狀）壓合在玻璃基板上具有光硬化型樹脂層的工件上，使樹脂填充在兩者之間，並以紫外線照射該部分，使樹脂硬化。此時，紫外線照射的地方僅在模型正下方。透過在玻璃基板內依次進行上述轉印，便能夠在玻璃基板上的整個面上形成規定的圖案。
模型有各式各樣的製法。例如，可在Ni等金屬上以機械加工形成透鏡形狀的物體、在玻璃或半導體基板上以光刻形成由感光性樹脂構成的透鏡形狀的物體、從該些金屬模具中以電鑄複製而成的物體，甚至是使用該些金屬模具使感光性樹脂成形的物體等。在以下的製造方法的示例中，使用了金屬製模型，該金屬製模型是透過雷射描繪製作出微透鏡陣列的抗蝕劑圖案後，再經電鑄處理而得。
圖10(a)～(g)例示了放射角度轉換元件的一種製造過程。首先，如圖10(a)所示，在準備好的玻璃基板12的一個主表面上的規定處，滴下規定量的紫外線硬化樹脂60。接著，如圖10(b)所示，在與玻璃基板12的主表面平行的方向上對準模具（模型）62。接下來，如圖10(c)所示，按壓模型62使得紫外線硬化樹脂60填充在玻璃基板12和模型62之間。然後，持續按壓模型62，並以紫外線照射規定區域，該規定區域是由對應於模型62的尺寸的照射尺寸所定。接著，如圖10(d)所示，將模型62脫模。再如圖10(e)所示，在玻璃基板12上改變位置，重複圖10(a)～圖10(d)的工序。藉由重複這些工序，如圖10(f)所示，即可在玻璃基板12的整個面上形成多個放射角度轉換元件。依據需求，之後也可以再進行熱處理。另外，有時需對模型62進行脫模處理。最後，如圖10(g)所示，透過切割玻璃基板12，獲得圖3(a)和(b)中所示的放射角度轉換元件10。
圖11(a)～(g)例示了放射角度轉換元件的另一種製造過程。與圖10(a)～(g)所示的製造過程不同的是，圖11(a)～(g)中，在放射角度轉換元件成形之前，預先在玻璃基板12的一部分上形成有金屬膜32的圖案。由於照射紫外線時，金屬膜32的圖案也具有遮光膜的功能，因此有防止滲出到模型62外面的紫外線硬化樹脂60硬化的優點。若模型62採用透光性材料，則可以從模型的背面照射紫外線，也可將金屬膜32和紫外線硬化樹脂60的一部分重疊。最後，如圖11(g)所示，透過切割玻璃基板12，獲得圖6(a)和圖6(b)中所示的放射角度轉換元件30。
圖12(a)～(g)例示了放射角度轉換元件的又一種製造過程。在放射角度轉換元件成形之前，預先在玻璃基板12的一部分上形成有金屬膜32的圖案，這點與圖11(a)～(g)所示的製造過程相同，但本製造過程中，預先在金屬膜32的外側製作不形成金屬膜32的部分（即玻璃基板12的表面露出的部分）這點與圖11(a)～(g)所示的製造過程不同。如圖12(g)所示，透過切割金屬膜32外側的玻璃基板12的露出部分，獲得圖9(a)和圖9(b)中所示的放射角度轉換元件50。
在上述製造過程中，示出了在玻璃基板12上滴下適量的紫外線硬化樹脂60並使其與模型62配合的例子，相反地，也可以將未硬化的紫外線硬化樹脂60滴到模型62上，並將其與玻璃基板12配合。
此外，可以在切割玻璃基板12之前，塗佈抗反射塗層（AR塗層）在微透鏡陣列16的表面、或玻璃基板12的背面（即，未形成微透鏡陣列16的面），或同時塗佈於該兩者之上。
關於金屬膜32在玻璃基板12上的圖案化方法，可為藉由電鍍法、飛濺法或蒸鍍法等形成金屬膜，再透過光刻法，在其上形成抗蝕劑圖案，將其抗蝕劑圖案作為遮罩，以蝕刻去除不需要的金屬膜的方法。或者，亦可為在形成金屬膜之前，預先在玻璃基板12上形成抗蝕劑圖案，於其上形成金屬膜之後，再去除形成在抗蝕劑及其上的金屬膜的方法（剝離法）。
關於金屬膜32的種類，應考慮其與玻璃的附著力、密封性或其與密封材料的附著性等，進而適當選擇。金屬膜32有時由單一金屬構成，有時則考慮與各部分的附著性而採用多層膜，例如，使用從玻璃基板12側，按Cr、Ni、Au的順序成膜的三層膜。當然，金屬的組合並不限於此，可以從各種金屬膜及其組合中選擇。
以上，是以本發明的實施形態為準的說明。本發明之實施形態僅為示例，此等各構成要件或各處理程序的組合可以有各種變化例，且該些變化例亦涵蓋於本發明範圍內，此係本領域的技術人員可輕易思及。
10,30,50,101:放射角度轉換元件 12,106:玻璃基板 14:樹脂層 15:微透鏡 16,108:微透鏡陣列 18:接合部分 20,40,100:發光裝置 22,102:殼體 22a,102a:底面 22b:台階部 23:接著劑 24,104:發光元件 32,42:金屬膜 44:焊料 52:露出部分 60:紫外線硬化樹脂 62:模型 A-A:剖面 C:接合處 C1,C2:相對部分 L0,L1,L2,L3:寬度
[圖1]係使用習知的放射角度轉換元件的發光裝置之一例的概略剖面圖。 [圖2]係圖1所示的放射角度轉換元件和殼體的接合處的放大圖。 [圖3](a)及(b)係本發明第一實施型態的放射角度轉換元件的說明圖。 [圖4]係使用本發明第一實施型態的放射角度轉換元件的發光裝置的概略剖面圖。 [圖5]係圖4所示的放射角度轉換元件和殼體的接合處的放大圖。 [圖6](a)及(b)係本發明第二實施型態的放射角度轉換元件的說明圖。 [圖7]係使用本發明第二實施型態的放射角度轉換元件的發光裝置的概略剖面圖。 [圖8]係圖7所示的放射角度轉換元件和殼體的接合處的放大圖。 [圖9](a)及(b)係本發明第三實施型態的放射角度轉換元件的說明圖。 [圖10](a)至(g)係放射角度轉換元件的製造過程之一例的示意圖。 [圖11](a)至(g)係放射角度轉換元件的另一製造過程之一例的示意圖。 [圖12](a)至(g)係放射角度轉換元件的又一製造過程之一例的示意圖。
10:放射角度轉換元件
12:玻璃基板
14:樹脂層
15:微透鏡
16:微透鏡陣列
18:接合部分
A-A:剖面
L0,L1:寬度

Claims (6)

  1. 一種與殼體接合的放射角度轉換元件，包含： 玻璃基板；以及 樹脂層，其係設於該玻璃基板上，並具有一光學功能部分， 其中，在與該殼體的接合部分，於該玻璃基板上不形成該樹脂層。
  2. 如請求項1所述的放射角度轉換元件，其中，該接合部分設置在該樹脂層的外側。
  3. 如請求項1或2所述的放射角度轉換元件，其中，在該接合部分，於該玻璃基板上形成有金屬膜。
  4. 如請求項3所述的放射角度轉換元件，其中，在該接合部分，於該樹脂層的外側形成有該金屬膜，且於該金屬膜的更外側設置有該玻璃基板的露出部分。
  5. 如請求項1至3中任一項所述的放射角度轉換元件，其中，該光學功能部分是複數個微透鏡二維排列而成的微透鏡陣列。
  6. 一種發光裝置，包含： 殼體； 發光元件，配置在該殼體內；以及 放射角度轉換元件，與該殼體接合，轉換來自該發光元件的光的放射角度，其中，該放射角度轉換元件包含： 玻璃基板；以及 樹脂層，其係設於該玻璃基板上，並具有一光學功能部分， 其中，在與該殼體的接合部分，於該玻璃基板上不形成該樹脂層。
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