WO2016190016A1

WO2016190016A1 - 光学部材、光導光部材、及び、光学部材を生産する方法

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Publication number: WO2016190016A1
Application number: PCT/JP2016/062774
Authority: WO
Inventors: 雄司興; 金市森田
Original assignee: Kyushu University NUC; Ushio Denki KK
Current assignee: Kyushu University NUC; Ushio Denki KK
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: US20190011624A1; US10739506B2

Abstract

本発明は、入射光を透過する導光部に隣接して用いられても顔料による迷光の散乱を抑制することが可能となる光学部材等の提供を目的とする。　入射光を透過する導光部に隣接して用いられる、前記入射光を減光する光学部材であって、前記光学部材は、シリコーン樹脂中の特定の領域に炭素粒子を分散させた炭素粒子分散部を備え、前記炭素粒子は、当該炭素粒子に入射して散乱する光の強度を抑制する迷光散乱抑制粒子である、光学部材である。

Description

光学部材、光導光部材、及び、光学部材を生産する方法

　本発明は、光学部材、光導光部材、及び、光学部材を生産する方法に関し、特に、入射光を透過する導光部に隣接して用いられる、前記入射光を減光する光学部材等に関する。

　一般に、物質、分子、原子の発光現象を利用した発光分析の感度は非常に高い。また、試料に光を照射し、当該試料から放出される光を用いた分析も行われている。このような光分析の例として、吸光度法やレーザ有機蛍光法（Laser Induced Fluorescence：ＬＩＦ）がある。

　近年、このような光測定器や光測定装置の携帯可能な程度までの小型化や測定の高性能化が要請されている。

　ここで、光測定装置を小型化すると、装置内において、試料に光を照射するための光源と、試料からの観測光をモニタする検出器との距離が近くなる。光源からの照射光を試料に導く照射光学系を構成する導光路や、試料からの観測光を検出器に導光する観測光収集光学系を構成する導光路には、集光レンズや光学フィルタ等の光学素子が存在する。そのため、装置内の導光路を光が進行する際に発生する反射光や散乱光といった、測定においてノイズとなりうる迷光の影響は、装置が小型化するにつれて顕著になる。このような迷光は、装置筐体の内壁においても発生する。

　発明者らは、迷光の影響をできるだけ抑制し、光学測定装置の小型化を実現するために、顔料を少なくとも一部に含む樹脂を用いて光学系およびモノリシックな筐体を構成した光誘起蛍光測定器（特許文献１）を提案した。これはLIF装置に関するものである。

　具体的には、以下の構成の特徴を有する。（１）照射光学系を構成する導光路、観測光収集光学系を構成する導光路の一部に、照射光及び観測光に対して透明な樹脂が充填されている。（２）これらの導光路を構成する透明樹脂を包囲するようにさらに樹脂を設ける。この樹脂には顔料が含有されている。（３）顔料は、迷光を吸収する特性を有する。顔料の含有量は、少なくとも迷光を全て吸収する量に設定されている。（４）透明樹脂と顔料含有樹脂との樹脂の材質は同じである。

　上記の構成により、例えば、以下の作用・効果を奏する。まず、透明樹脂と顔料含有樹脂との樹脂の材質を同じにすることにより、両樹脂が接触する界面において光の反射や散乱が抑制される。また、顔料含有樹脂に入射した迷光は、顔料により吸収される。そのため、導光路を構成する透明樹脂に戻ることはほとんどない。さらに、顔料含有樹脂から外部へ迷光が漏れることもない。そのため、迷光の複雑な多重反射がほとんど発生しない。結果として、観測光収集光学系は、複雑な多重反射に対応する必要がない。

特開２０１４－０３２０６４号公報

　しかしながら、顔料は粒子であり、迷光の吸収特性を有しているとはいえ、顔料に入射した迷光の一部は散乱される。迷光の波長と顔料粒子との大きさの関係により、迷光の一部の散乱は、Mie散乱になったり、Rayleigh散乱になったり、幾何学的散乱になったりする。

　特許文献１に記載の発明は、顔料の吸収特性について着目したものである。しかし、顔料粒子による迷光の散乱の影響までは十分に考慮されていない。

　そこで、本発明は、入射光を透過する導光部に隣接して用いられても顔料による迷光の散乱を抑制することが可能となる光学部材等の提供を目的とする。

　本発明の第１の観点は、入射光を透過する導光部に隣接して用いられる、前記入射光を減光する光学部材であって、前記光学部材は、シリコーン樹脂中の特定の領域に炭素粒子を分散させた炭素粒子分散部を備え、前記炭素粒子は、当該炭素粒子に入射して散乱する光の強度を抑制する迷光散乱抑制粒子である光学部材である。

　本発明の第２の観点は、第１の観点の光学部材であって、前記炭素粒子分散部の前記炭素粒子には、カーボンブラック粒子が含まれており、前記炭素粒子分散部の前記カーボンブラック粒子は、短径が２μｍ以下のカーボンブラック粒子のみである光学部材である。

　本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点の光学部材であって、前記炭素粒子分散部の前記炭素粒子には、カーボンナノチューブが含まれている光学部材である。

　本発明の第４の観点は、第２又は第３の観点の光学部材であって、前記特定の領域は、当該光学部材を前記導光部に隣接して用いた際に、前記導光部と当該光学部材との境界から特定の光の吸収長の深さまでの領域に相当する領域である光学部材である。

　本発明の第５の観点は、第４の観点の光学部材であって、前記特定の光は、前記入射光とは異なるノイズ光である光学部材である。

　本発明の第６の観点は、入射光を導光する光導光部材であって、前記入射光を透過し、前記入射光に対して透明なシリコーン樹脂を少なくとも一部に有する導光部と、前記導光部に隣接し、前記透明なシリコーン樹脂と同じ屈折率のシリコーン樹脂に炭素粒子を分散させた炭素粒子分散シリコーン樹脂を有する迷光吸収部とを備え、前記炭素粒子は、当該炭素粒子に入射して散乱する光の強度を抑制する迷光散乱抑制粒子である光導光部材である。

　本発明の第７の観点は、第６の観点の光導光部材であって、前記炭素粒子分散部の前記炭素粒子には、カーボンブラック粒子が含まれており、前記炭素粒子分散部の前記カーボンブラック粒子は、短径が２μｍ以下のカーボンブラック粒子のみである、請求項６記載の光導光部材である。

　本発明の第８の観点は、第６又は第７の観点の光導光部材であって、前記炭素粒子分散部の前記炭素粒子には、カーボンナノチューブが含まれている、光導光部材である。

　本発明の第９の観点は、入射光を透過する導光部に隣接して用いられる、前記入射光を減光する光学部材を生産する方法であって、硬化前の未硬化未分散シリコーン樹脂にカーボンブラックを分散させて未硬化分散済シリコーン樹脂を形成する分散ステップと、前記未硬化分散済シリコーン樹脂を硬化させて硬化済分散済シリコーン樹脂を形成する硬化ステップとを含み、前記分散ステップにおいて、前記未硬化未分散シリコーン樹脂に分散させる前記カーボンブラックの濃度が、５ｗｔ％以上かつ２０ｗｔ％以下である、光学部材を生産する方法である。

　本発明の各観点によれば、入射光を透過する導光部に隣接して用いられても散乱が起こりにくい減光する光学部材等を提供可能となる。

　本発明の第２の観点によれば、カーボンブラックが分散された樹脂を、入射光を透過する導光部に隣接して用いて、迷光の散乱抑制及び迷光の強度減衰を両立させることが可能となる。

　以下、カーボンブラック等の顔料の粒径は、粒子の短径を指す。顔料の粒径は、透明樹脂へ含有させる含有量（重量％）により、凝集が進み、粒径が大きくなる。光の波長をλとすると、Rayleigh散乱による散乱の強度は（１／λ^４）に比例する。よって、入射光の波長が長いほど散乱強度は小さくなる。他方、Mie散乱の場合、散乱光強度は（１／λ^２）に比例し、Rayleigh散乱に比べて波長依存性が小さい。そのため、どの波長の光も比較的同等に散乱される。そのため、粒子径は、できるだけMie散乱の影響が小さくなるようにすることが好ましい。

　発明者らの研究の結果、透明樹脂に含有させる含有量（重量％）に応じて凝集が進み、実質的に粒径が大きくなることが分かった。本発明は、本発明者らのこの知見に基づき、カーボンブラック顔料のシリコーン樹脂への含有量を適切に設定することにより、迷光が顔料に入射した際の散乱の影響を抑制可能としたものである。

　本発明の第３の観点によれば、カーボンナノチューブが分散された樹脂を、入射光を透過する導光部に隣接して用いて、迷光の散乱抑制及び迷光の強度減衰を両立させることが可能となる。カーボンブラック以外のカーボン系材料については、どのような散乱抑制の効果が期待できるかについて未知である。材料が異なれば、特性も大きく異なることも考えられる。本発明の第３の観点の効果は、発明者らが研究開発により明らかにしたカーボンナノチューブの光学特性に基づくものである。

　また、本発明の第４の観点によれば、導光部から光学部材へ進入する光の散乱を特に抑えることが容易となる。

　さらに、本発明の第５の観点によれば、具体的に光学部材を提供することがさらに容易となる。一般に、光測定で使用する波長はおよそ紫外光～可視光の範囲（２００～７８０ｎｍ）である。光測定において特に散乱を抑制すべきノイズ光の波長に基づいて光学部材を調整することが容易となる。

顔料含有シリコーン樹脂の遮光性の評価（散乱特性の評価）を実施するために作製した試料を示す図である。図１の円板状試料において、カーボンブラックの濃度を（ａ）１ｗｔ％、（ｂ）５ｗｔ％、（ｃ）１０ｗｔ％、（ｄ）２０ｗｔ％としたときの透明半円部と顔料半円部との界面の様子の観測結果を示す図である。今回の測定に用いた散乱光強度の角度特性測定システムである。カーボンブラックの濃度が（ａ）１ｗｔ％、（ｂ）５ｗｔ％、（ｃ）１０ｗｔ％、（ｄ）２０ｗｔ％の試料における散乱光強度の角度特性分布を示す図である。導光部の光出射側の状態の違いにより、望ましい散乱条件が異なることを示す図である。カーボンナノチューブの濃度が０．１７ｗｔ％、０．８３ｗｔ％、１．７ｗｔ％、１０ｗｔ％の試料における散乱光強度の角度特性分布を示す図である。光学部材の迷光吸収特性を比較するための光学系の模式図であり、（ａ）直線、（ｂ）４５度曲げ、（ｃ）９０度曲げの光学系の図である。光学部材の曲げ角度と入射レーザビームの減衰率との関係を示すグラフである。

　以下、図面を参照して、本発明の実施例について述べる。なお、本発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

　顔料含有シリコーン樹脂の遮光性の評価（散乱特性の評価）を実施するために、図１に示すような円板状試料１を作製した。円板状試料１は、円板状の透明なシリコーン樹脂であり、透明なシリコーン樹脂からなる透明半円部３と顔料が含有されたシリコーン樹脂からなる顔料半円部５とを有する。透明なシリコーン樹脂としては、ＰＤＭＳ樹脂（信越シリコーン（登録商標）製：シリコーン印象材ＳＩＭ－３６０）を使用した。

　また、顔料含有シリコーン樹脂は、上記ＰＤＭＳに顔料を分散させて形成した。具体的には、まず上記ＳＩＭ－３６０の主剤にカーボンブラック（信越シリコーン（登録商標）製：ＫＥ－ＣＯＬＯＲ－ＢＬ）を投入し、公転自動ミキサー（ＫＵＲＡＢＯ（登録商標）製：ＫＫ－５０５）にて撹拌した。撹拌作業は、公転数１４４０ｒｐｍ、自転数１００８ｒｐｍ、撹拌時間２００ｓｅｃの撹拌条件にて２回実施した。

　円板状試料１として、ＰＤＭＳに分散させるカーボンブラックの濃度を変えて、４種類作製した。具体的には、上記ＰＤＭＳに分散させるカーボンブラックの濃度を１ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％、２０ｗｔ％とした。また、ＰＤＭＳの硬化時間は１時間とした。

　なお、上記カーボンブラックの濃度を２０ｗｔ％より大きくした場合、上記ＳＩＭ－３６０の主剤に投入されたカーボンブラックは、上記ＳＩＭ－３６０の主剤内にての凝集が顕著となり、上記主剤とカーボンブラックが複数箇所で分離するようになった。この分離した状態で公転自動ミキサーで撹拌しても、上記主剤とカーボンブラックとの分離は解消されず、上記主剤にカーボンブラックを分散させることは不可能であった。よって、主剤とカーボンブラックとの分離が起こらないようにするには、カーボンブラック濃度を２０ｗｔ％以下とすればよいことが分かった。

　図２に、上記円板状試料において、カーボンブラックの濃度を（ａ）１ｗｔ％、（ｂ）５ｗｔ％、（ｃ）１０ｗｔ％、（ｄ）２０ｗｔ％としたときの透明半円部と顔料半円部との界面の様子の観測結果を示す。観測倍率は４００倍である。この観測図は、上記界面及び界面近傍における波長５３２ｎｍの光の透過光の強度をモニタしたものを示す。

　観測の結果、カーボンブラックの粒径は、ほぼ約０．５～２．０μｍであった。ここで、カーボンブラック濃度１ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％の場合、カーボンブラックの粒径は、上記範囲内にほぼ全て収まり、粒径のバラつきは比較的小さいことが分かった。

　他方、カーボンブラックの濃度が２０ｗｔ％の場合、ほとんどのカーボンブラックの粒径は、カーボンブラック濃度１ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％のときと同様、ほぼ約０．５～２．０μｍの範囲に収まった。しかし、ところどころ、カーボンブラックの凝集が発生していた。他の実験にて確認したところ、このカーボンブラックの凝集は、カーボンブラックの濃度が１０ｗｔ％を超えたところで発生することが分かった。

　すなわち、カーボンブラック濃度が１ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％のときは凝集が発生せず、カーボンブラックを分散させたシリコーン樹脂（ゴム）としての特性が維持できた。

　カーボンブラック濃度が１０ｗｔ％を超えると、カーボンブラックの凝集が始まった。しかしながら、２０ｗｔ％まではカーボンブラックの粒径は、２μｍ以下であった。

　カーボンブラック濃度が１０ｗｔ％を超えると、カーボンブラックの凝集に起因し、カーボンブラックの粒径で２μｍを超えるものがでてきた。さらに、上記したように、濃度が２０ｗｔ％を超えると、濃度によってはＰＤＭＳの主剤とカーボンブラックがところどころ分離するようになった。

　なお、シリコーン樹脂であるＰＤＭＳ樹脂の硬化時間が、現状のもの（ここでは１時間）よりも短縮可能となるＰＤＭＳが開発されれば、カーボンブラック濃度が２０ｗｔ％を超えてもカーボンブラックの粒径が２μｍ以下で、上記主剤とカーボンブラックの分離が発生しないようにすることも可能となりうる。

　しかしながら、現状のＰＤＭＳ樹脂の性能では、実用的なカーボンブラック濃度は、２０ｗｔ％以下となる。

　また、透明半円部３と顔料半円部５との界面は、カーボンブラックの濃度が１０ｗｔ％、２０ｗｔ％のとき、ある程度明確に画定されるようになっている。すなわち、カーボンブラック粒子が界面に沿って密集していることが確認された。

　次に、カーボンブラック濃度１ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％、２０ｗｔ％の試料における散乱光強度の角度特性を測定した。

　図３は、今回の測定に用いた散乱光強度の角度特性測定システム１１である。図３に示すように、円板状試料１は、回転軸１３を有する回転ステージ１５に設置される。

　回転軸１３は、回転軸１３から回転軸１３の軸方向と直交する方向に延びる分岐部１７を有する。分岐部１７は、光源支持部１９の支柱２１に連結されている。光源支持部１９は、支柱２１と、支柱２１から分岐された光源固定部２３とからなる。光源固定部２３には、波長５３２ｎｍのレーザビームを放出するＤＰＳＳレーザ光源２５が固定されている。

　ＤＰＳＳレーザ光源２５から放出されるレーザビーム２７は、図３に示すように、下方向に進行し、回転ステージ１５の回転軸１３に設けられた反射ミラー支持部２９に支持された反射ミラー３１により折り返され、円板状試料１に入射する。ここで、反射ミラー３１は、円板状試料１の透明半円部３と顔料半円部５との境界面７に対してレーザビーム２７が４５度の入射角で入射するように調整されている。

　円板状試料１は、上記したように、透明半円部３と顔料半円部５とからなる。ここで、両半円部を構成するシリコーン樹脂は同種の樹脂であるので、屈折率も同じである。よって、円板状試料１に入射したレーザビーム２７の境界面７における界面反射は、基本的に生じない。

　上記したように、レーザビーム２７は境界面７にて界面反射されることなく顔料半円部５に入射する。カーボンブラックとシリコーン樹脂とは材質が異なり、屈折率が互いに異なる。そのため、このカーボンブラックに到達したレーザビーム２７は、カーボンブラックにより吸収されたり、散乱されたりする。

　カーボンブラックの吸収係数は、波長５３２ｎｍのレーザビーム２７に対して７．２×１０^２／ｃｍである。そのため、カーボンブラックに到達したレーザビーム２７は、カーボンブラックに強く吸収される。カーボンブラックにて吸収されなかったレーザビーム２７は、当該カーボンブラックにより様々な方向に散乱される。上記散乱光のうち、顔料半円部５から透明半円部３へ進行したものは、透明半円部３から外部へと放出される。

　透明半円部３から外部へとレーザビーム２７が放出される側には、図３に示すように、幅２ｍｍ×上下方向の長さ３０ｍｍの開口部分を有するスリット３３と、スリット３３を透過する光を集光する集光レンズ３５と、集光レンズ３５で集光されるレーザビーム２７の強度を計測するためのフォトダイオードからなるディテクタ３７とを有する散乱光測定部３９が設けられる。散乱光測定部３９は、ディテクタ３７へ入射する光をスリット３３により限定している。

　他方、上記したように、円板状試料１とＤＰＳＳレーザ光源２５と反射ミラー３１は、回転軸１３と分岐部１７で連結されている光源支持部１９及び反射ミラー支持部２９により、一体となって保持されている。よって、回転軸１３を回転させても、円板状試料１へ入射するＤＰＳＳレーザ光源２５らの光の入射角は維持される。

　この状態で回転ステージ１５の回転軸１３を回転させることにより、上記入射角を維持したまま、透明半円部３から外部へと放出されるレーザビーム２７の散乱光の一部が散乱光測定部３９のスリット３３へ導光されるように調整することが可能となる。

　上記したように、スリット３３は、図３に示すように、入射光の入射角を固定している。そのため、回転ステージ１５の回転軸１３を回転させることにより、特定の角度方向に散乱された光の強度のみ散乱光測定部３９で測定することができる。すなわち、円板状試料１から放出される散乱光強度の角度特性を測定することが可能となる。

　図４は、カーボンブラックの濃度が（ａ）１ｗｔ％、（ｂ）５ｗｔ％、（ｃ）１０ｗｔ％、（ｄ）２０ｗｔ％の試料における散乱光強度の角度特性分布を示す図である。

　図４に示す角度特性分布において、各角度方向の線分の長さは、散乱光強度を示す。よって、各線分の先端を結ぶ曲線がなす面積は、試料に入射したレーザビームの積分反射強度（散乱強度）を示す。

　図４（ａ）～（ｄ）から明らかなように、カーボンブラックの濃度が１ｗｔ％のときは、積分反射強度（散乱強度）が大きい。よって、透明なシリコーン樹脂からなる導光路における迷光を吸収するために、顔料（カーボンブラック）を分散させたシリコーン樹脂にてこの導光路を包囲して、導光路からの迷光を当該顔料分散シリコーン樹脂で吸収させる場合、カーボンブラックの濃度が１ｗｔ％のときは、顔料分散シリコーン樹脂からの散乱光の影響を無視できなくなるときがあると考えられる。

　他方、カーボンブラックの濃度が５ｗｔ％、１０ｗｔ％、２０ｗｔ％の場合、積分反射強度（散乱強度）が小さい。そのため、上記迷光吸収用の顔料分散シリコーン樹脂は、十分な機能を果たせると考えられる。

　カーボンブラックの濃度が１ｗｔ％のときの積分反射強度（散乱強度）が大きい理由は必ずしも明らかではないが、以下のように考えられる。カーボンブラックの濃度が１ｗｔ％の場合、各カーボンブラック粒子間の距離が大きく、多重散乱の影響が大きいものと考えられる。すなわち、１個のカーボンブラックからの散乱光が他のカーボンブラックに衝突しさらに散乱する場合、各カーボンブラック粒子間の距離が大きいので、各カーボンブラック間の空間を通過して、透明半円部３へ進行する確率が高いものと考えられる。

　ここで、透明なシリコーン樹脂からなる導光路と、上記透明なシリコーン樹脂と同じ材質からなり、上記導光路からの迷光に対して吸収特性を有する顔料（カーボンブラック）が分散されたシリコーン樹脂である顔料分散シリコーン樹脂とを準備し、上記導光路を上記顔料分散シリコーン樹脂により包囲した２層構造のシリコーン樹脂からなる光学系を考える。

　上記構造の光学系において、導光路を構成する透明なシリコーン樹脂と顔料分散シリコーン樹脂とが同質の材料であるので、両樹脂間の界面における光の界面反射は発生しない。よって、導光路から顔料分散シリコーン樹脂に入射する迷光は、そのまま上記顔料分散シリコーン樹脂に入射し、その大部分はカーボンブラックにより吸収される。

　なお、カーボンブラックに到達したが吸収されなかった迷光は、カーボンブラック表面において散乱することとなる。その散乱光（反射光）の一部は、場合によっては、導光路に再び入射することもある。

　よって、導光路からの迷光の影響を小さくするための上記２層構造のシリコーン樹脂からなる光学系は、（１）できるだけカーボンブラックにおける積分反射強度（散乱強度）が小さく、（２）できるだけカーボンブラックにおける後方散乱強度が小さい方が望ましい。

　発明者らが計算したところ、カーボンブラックの粒径が２．０μｍより大きくなると散乱が大きくなり、例えば２層構造のシリコーン樹脂からなる光学系における散乱条件（１）及び（２）についても実用的でなくなることが分かった。

　そのため、顔料分散シリコーン樹脂におけるカーボンブラックの粒径を０．５～２．０μｍとすることが好ましい。また、カーボンブラックの濃度を５～２０ｗｔ％とすることが好ましい。

　また、上記（１）及び（２）は、導光路を構成する透明なシリコーン樹脂と顔料分散シリコーン樹脂との界面形状により、その重要性に順列がつく。

　図５は、導光部の光出射側の状態の違いにより、望ましい散乱条件が異なることを示す図である。図５（ａ）に示すように、信号である光５１が通過する導光部５３の出射端５５が顔料分散シリコーン樹脂５７で閉じておらず開放されているとする。また、出射端５５が光信号を受信するセンサ５９（例えば、光強度を測定する光センサ）である場合を考える。この場合、迷光６０が顔料分散シリコーン樹脂５７に入射したときの顔料分散シリコーン樹脂５７からの散乱光６１（ノイズ光）は、できるだけ小さく、特にセンサ５９に届かないことが望まれる。すなわち、（１）積分反射強度（散乱強度）が小さい方がより重要となる。

　他方、図５（ｂ）に示すように、信号である光６３が通過する導光部６５の出射端６７が顔料分散シリコーン樹脂６９により閉塞されていて、信号である光６３を顔料分散シリコーン樹脂６９に全て吸収させたい場合を考える。この場合、顔料分散シリコーン樹脂６９からの散乱光７１（ノイズ光）は、できるだけ小さく、後方に進行しないことが望まれる。すなわち、（２）後方散乱強度が小さい方がより重要となる。

　なお、発明者らが先に提案した顔料を少なくとも一部に含む樹脂を用いて光学系およびモノリシックな筐体を構成した光誘起蛍光測定器（特許文献１）のように、透明なシリコーン樹脂からなる光導光部は、必ずしも透明なシリコーン樹脂で全て充填されている状態である必要はなく、空間を有していてもよい。

　ここで、顔料分散シリコーン樹脂について、光学濃度（ＯＤ値）が６となるときのシリコーン樹脂の厚みを調査した。ここで光の波長は５３２ｎｍとした。

　カーボンブラック濃度が１ｗｔ％のとき、ＯＤ＝０．３（透過率５０％）となるときのシリコーン樹脂の厚みは約０．１ｍｍであった。すなわち、透明なシリコーン樹脂からなる導光路を顔料分散シリコーン樹脂で包囲した構造の光学系を有するマイクロチップを構成する場合、カーボンブラック濃度が１ｗｔ％のときにＯＤ＝６を実現するためには、顔料分散シリコーン樹脂の厚みが１．９ｍｍ（約２ｍｍ）となる。さらに、透明シリコーン樹脂からなる導光路も導光路として機能するためにある程度の厚みが必要となる。

　よって、上記マイクロチップを作製する場合、マイクロチップの上下方向の厚みを考えるとカーボンブラック濃度が１ｗｔ％のときには、透明導光路の厚み＋透明導光路の上部を包囲する顔料分散シリコーン樹脂の厚み約２ｍｍ＋透明導光路の下部を包囲する顔料分散シリコーン樹脂の厚み約２ｍｍとなる。すなわち上記マイクロチップの厚みは、少なくとも透明導光路の厚み＋約４ｍｍとなり、マイクロチップとしては厚膜化してしまう。そのため、顔料分散シリコーン樹脂を作製する際、カーボンブラック濃度を１ｗｔ％以下とするのは好ましくない。

　他方、カーボンブラック濃度が５ｗｔ％のとき、ＯＤ＝６を実現するための顔料分散シリコーン樹脂の厚みは０．４ｍｍとなる。よって、上記マイクロチップの上下方向の厚みは、透明導光路の厚み＋０．８ｍｍとなり、マイクロチップのサイズを実用的な大きさとすることが可能となる。よって、顔料分散シリコーン樹脂を作製する際、カーボンブラック濃度は、少なくとも５ｗｔ％以上とすることが好ましい。

　以上をまとめると、シリコーン樹脂にカーボンブラックを分散させて遮光機能を有する光学部材を製造する場合、カーボンブラック濃度をＣ_ｃｂとすると、製造された光学部材は、Ｃ_ｃｂに応じて以下のような特性となった。
　（１）Ｃ_ｃｂ≦５ｗｔ％・・・積分反射強度（散乱強度）が大きくなり、遮光機能が乏しい。また、上記２層構造のマイクロチップを製造する場合、ＯＤ＝６を実現するためには、マイクロチップの厚みが厚くなりすぎる。
　（２）５ｗｔ％≦Ｃ_ｃｂ≦１０ｗｔ％・・・カーボンブラックの凝集が発生せず、シリコーン樹脂（ゴム）としての特性の維持が可能。また、カーボンブラックの粒径は、０．５～２．０μｍとなる。
　（３）１０ｗｔ％≦Ｃ_ｃｂ≦２０ｗｔ％・・・カーボンブラックの凝集が発生する場合がある。また、凝集が起きてない領域のカーボンブラックの粒径は、０．５～２．０μｍとなる。
　（４）２０ｗｔ％＜Ｃ_ｃｂ・・・カーボンブラックの凝集に起因し、カーボンブラックの粒径で２μｍを超えるものが出てくる。また、ある程度カーボンブラックの濃度が大きくなると、濃度によってはＰＤＭＳの主剤ＳＩＭ－３６０とカーボンブラックが完全に分離するようになり、シリコーン樹脂にカーボンブラックを分散させることが不可能となる。

　すなわち、マイクロチップに使用するために、シリコーン樹脂にカーボンブラックを分散させて遮光機能を有する光学部材（本願請求項における「光学部材」及び「迷光吸収部」の一例）を製造する場合には、５ｗｔ％≦Ｃ_ｃｂ≦２０ｗｔ％が好ましく、５ｗｔ％≦Ｃ_ｃｂ≦１０ｗｔ％がさらに好ましい。このような光学部材を入射光を透過（導光）する導光部（本願請求項における「導光部」の一例）に隣接して用いることにより、迷光やノイズ光がセンサに入ることを抑制することが可能な光導光
部材（本願請求項における「光導光部材」の一例）を製造可能となる。

　他方、上記製造方法に基づき製造される光学部材に分散されるカーボンブラックの大きさＤ_ｃｂは、Ｄ_ｃｂ≦２．０μｍのとき、積分反射強度（散乱強度）が小さくなり、良好な遮光性能を有することが分かった。また、Ｄ_ｃｂ＞２．０μｍのとき、積分反射強度が大きくなり、良好な遮光性能を実現することが難しくなることが分かった。

　上記光学部材を製造するためには、硬化前のシリコーン印象材ＳＩＭ－３６０の主剤（本願請求項における「未硬化未分散シリコーン樹脂」の一例）に所望の濃度のカーボンブラックを投入して撹拌により分散させる（本願請求項における「分散ステップ」の一例）。続いて、分散後のシリコーン樹脂（本願請求項における「未硬化分散済シリコーン樹脂」の一例）を１時間かけて硬化させて顔料分散シリコーン樹脂（本願請求項における「硬化済分散済シリコーン樹脂」の一例）を得る（本願請求項における「硬化ステップ」の一例）。

　なお、ノイズ光（本願請求項における「ノイズ光」の一例）が届かない領域においては、カーボンブラックの大きさに起因して積分反射強度が大きくなっても問題ない。そのため、ノイズ光の吸収長の深さまでの領域（本願請求項における「特定の領域」及び「特定の光の吸収長の深さまでの領域」の一例）でＤ_ｃｂ≦２．０μｍであれば、好ましいマイクロチップを製造可能であるといえる。

　続いて、カーボン系顔料としてカーボンナノチューブ（米国ＣＮａｎｏ社製：Ｆｌｏｔｕｂｅ９０００）を用い、実施例１と同様に、図１に示す円板状試料１、及び、図３の散乱光強度の角度特性測定システム１１において迷光の散乱抑制性能の試験を行った。なお、性能を比較するために、カーボン系顔料としてカーボンブラック（信越シリコーン（登録商標）製：ＫＥ－ＣＯＬＯＲ－ＢＬ）も用いた。

　円板状試料１として、まず、ＰＤＭＳに分散させるカーボンナノチューブの濃度を変えて、３種類作製した。また、比較例としてカーボン系材料をカーボンブラックとしたものを１種類作製した。具体的には、カーボンナノチューブを用いたものについては、上記ＰＤＭＳに分散させるカーボンナノチューブの濃度を０．１７ｗｔ％、０．８３ｗｔ％、１．７ｗｔ％とした。また、カーボンブラックを用いたものについては、上記ＰＤＭＳに分散させるカーボンブラックの濃度を１０ｗｔ％とした。また、ＰＤＭＳの硬化時間は１時間とした。

　なお、カーボンナノチューブの形状は全体的にほぼ均一であり、平均直径は１０～１５ｎｍであり、平均長さは１０μｍであった。

　一方、カーボンブラックの形状はばらつきが存在する。このカーボンブラックが分散されたＰＤＭＳ樹脂を観察したところ、カーボンブラックの粒径は、ほぼ約０．５～２．０μｍの範囲内にほぼ全て収まり、粒径のバラつきは比較的小さかった。

　まず、カーボンナノチューブ濃度０．１７ｗｔ％、０．８３ｗｔ％、１．７ｗｔ％、カーボンブラック濃度１０ｗｔ％の試料における散乱光強度の角度特性を測定した。

　図６は、カーボンナノチューブの濃度が０．１７ｗｔ％、０．８３ｗｔ％、１．７ｗｔ％、カーボンブラックの濃度が１０ｗｔ％の試料における散乱光強度の角度特性分布を示す図である。

　図６に示す角度特性分布において、原点０から各曲線までの長さ（距離）は、散乱光強度を示す。よって、各曲線がなす面積は、試料に入射したレーザビームの積分反射強度（散乱強度）を示す。

　図６から明らかなように、３種類の濃度のカーボンナノチューブを顔料として使用した場合はいずれも、カーボンブラックを顔料として使用した場合と比較すると積分反射強度（散乱強度）が小さい。

　実施例１で提案しているように、透明なシリコーン樹脂からなる導光路における迷光を吸収するために、顔料（カーボンブラック）を分散させたシリコーン樹脂にてこの導光路を包囲して、導光路からの迷光を当該顔料分散シリコーン樹脂で吸収させる場合、カーボンブラックの濃度が１０ｗｔ％のときは積分反射強度（散乱強度）が小さく、上記迷光吸収用の顔料分散シリコーン樹脂は、十分な機能を果たせる。

　カーボンナノチューブを顔料とする場合、上記したように１０ｗｔ％の濃度のカーボンブラックを用いる場合より更に散乱光強度が小さいので、カーボンナノチューブを分散した迷光吸収用のシリコーン樹脂は、カーボンブラックを使用する場合より更に良好で、十分な機能を果たせると考えられる。

　顔料としてカーボンナノチューブを用いた場合の積分反射強度（散乱強度）が、カーボンブラックを用いた場合の積分反射強度（散乱強度）より顕著に小さくなる理由は必ずしも明らかではないが、以下のように考えられる。

　カーボンブラックは一般的に粒子構造であるが、カーボンナノチューブは線状構造である。よって、シリコーン樹脂中に分散したカーボンナノチューブの向き（配光）と散乱光の進行方向との相対関係が、散乱の抑制効果の向上に適した関係となっているものと考えられる。

　また、カーボンナノチューブの濃度が０．１７ｗｔ％、０．８３ｗｔ％、１．７ｗｔ％の場合について比較すると、図６から明らかなように、積分反射強度（散乱強度）は、濃度が０．８３ｗｔ％のときが一番小さい。よって、カーボンナノチューブを使用した場合、積分反射強度（散乱強度）をできるだけ小さくすることが可能な最適なカーボンナノチューブ濃度は、０．１７～１．７ｗｔ％の濃度範囲内に存在するものと考えられる。

　上記したように、カーボンナノチューブを顔料として使用した場合はいずれも、カーボンブラックを顔料として使用した場合と比較すると積分反射強度（散乱強度）が小さいのでカーボンナノチューブを分散した迷光吸収用のシリコーン樹脂は、カーボンブラックを使用する場合より更に良好で、十分な機能を果たせると考えられる。

　これを確認するために、図７に示すような光学系を構築し、カーボンナノチューブを分散した迷光吸収用のシリコーン樹脂とカーボンブラックを分散した迷光吸収用のシリコーン樹脂の迷光吸収特性を比較した。

　図７に示すように、入射面の面積が２ｍｍ×１ｍｍ、長さ５０ｍｍの透明なＰＤＭＳ樹脂からなる導光路と、この導光路を包囲するカーボン系顔料が分散された顔料分散シリコーン樹脂とからなる２層構造の光学部材を準備する。図７では、理解を容易にするために、透明なＰＤＭＳ樹脂からなる導光路の上面側が剥き出しとなっているが、実際は、透明導光路の両端部以外は顔料分散シリコーン樹脂により包囲されている。

　上記構造の光学系において、導光路を構成する透明なシリコーン樹脂と顔料分散シリコーン樹脂とが同質の材料であるので、両樹脂間の界面における光の界面反射は発生しない。よって、導光路から顔料分散シリコーン樹脂に入射する迷光は、そのまま上記顔料分散シリコーン樹脂に入射し、その大部分はカーボン系顔料により吸収される。

　図７（ａ）のような光学部材において、当該光学部材のＡ端から、例えばビーム径が１ｍｍである波長５３２ｎｍのレーザ光を入射する。導光路の部分が透明なＰＤＭＳ樹脂が充填されている構造ではなく単なる空洞であっても、レーザ光の広がりや導光路自体による吸収を無視すれば、レーザ光の一部が顔料分散ＰＤＭＳ樹脂にすることもないので、導光路のＡ端からＢ端までレーザビームが進行する際、レーザビームは減衰しない。

　一方、図７（ｂ）、（ｃ）のように、４５度、９０度と光学部材を曲げた場合、導光路のＡ端から入射したレーザビームは顔料分散ＰＤＭＳ樹脂に衝突し、衝突したレーザビームの殆どは顔料分散ＰＤＭＳに吸収されるので、レーザビームは減衰する。光学部材の曲げ角度が大きくなるほど、導光路のＡ端から入射したレーザビームが導光路を包囲する顔料ＰＤＭＳ樹脂に衝突する割合が高くなる。すなわち、Ｂ端へ到達するレーザビームの強度は小さくなる。

　そこで、３つの光学部材（光学部材１、光学部材２、光学部材３）を用意し、当該光学部材の曲げ角度と入射レーザビームの減衰率との関係を調べた。３つの光学部材の構成は以下の通りである。
　光学部材１は、導光路が空洞であって、顔料分散ＰＤＭＳには濃度１０ｗｔ％のカーボンブラックが分散している構造である。
　光学部材２は、導光路が透明なＰＤＭＳ樹脂が充填されている構造であって、顔料分散ＰＤＭＳには濃度１０ｗｔ％のカーボンブラックが分散している構造である。
　光学部材３は、導光路が透明なＰＤＭＳ樹脂が充填されている構造であって、顔料分散ＰＤＭＳには濃度０．８３ｗｔ％のカーボンナノチューブが分散している構造である。

　図８に、光学部材１、光学部材２、光学部材３について、光学部材の曲げ角度と入射レーザビームの減衰率との関係を示す。なお、光学部材１（空洞導光路／カーボンブラック分散樹脂）において、曲げ角度０度のときのＢ端におけるレーザビーム強度を１００％とした。

　図８に示すように、導光路が空洞であって、カーボンブラックが分散した顔料分散樹脂により上記空洞が包囲されている光学部材１の場合、曲げ角度が３０度のときＢ端でのレーザビーム強度が１０％まで減衰するが、曲げ角度が９０度となってもレーザビーム強度は１０％前後である。すなわち、減衰率は１／１０（ＯＤ＝１）のままあまり変わらない。これは、Ａ端から入射するレーザビームにおいて、フレネル反射が大きなｓ偏光成分が、空洞導光路を包囲する顔料分散ＰＤＭＳ樹脂表面での反射によりＢ端まで導光されてしまうためと考えられる。

　一方、導光路が透明なＰＤＭＳ樹脂からなり、カーボンブラックが分散した顔料分散樹脂により上記空洞が包囲されている光学部材２の場合、曲げ角度が３０度のときのレーザビーム強度は６％程度で減衰率は１／６程度（ＯＤ＝１．２程度）であり、曲げ角度が６０度のときのレーザビーム強度は０．００５％程度で減衰率は５／１０００程度（ＯＤ＝２．３程度）となった。

　光学部材１と比べて光学部材２のときの減衰率が良好であるのは、光学部材２においては、導光路を構成する透明なＰＤＭＳ樹脂とカーボンブラック顔料分散ＰＤＭＳ樹脂とが同質の材料であるので、両樹脂間の界面における光の界面反射は発生しないためであると考えられる。すなわち、光学部材１のときのようなＳ偏光成分のフレネル反射が、光学部材２では発生しないためであると考えられる。

　さらに、導光路が透明なＰＤＭＳ樹脂からなり、カーボンナノチューブが分散した顔料分散樹脂により上記空洞が包囲されている光学部材３の場合、曲げ角度が３０度のときに既にレーザビーム強度が０．００５％程度で減衰率が１／２００００程度（ＯＤ＝４．３程度）となり、曲げ角度が４５度のときはレーザビームを観測することができなかった。測定器の観測限界がＯＤ＝５．５程度であったので、曲げ角度が４５度のときはＯＤ＝６を達成できている可能性がある。

　このように、曲げ角度３０度以上では、顔料分散ＰＤＭＳをカーボンナノチューブとしたとき、当該顔料をカーボンブラックとしたときと比較すると飛躍的な迷光の消光効果が得られることが分かった。これは、上記したようにカーボンナノチューブの方がカーボンブラックより積分反射強度（散乱強度）が小さいので、光学部材のＢ端にまで到達する散乱光の強度が著しく小さいためと考えられる。

　すなわち、カーボン系顔料としてカーボンナノチューブを採用し当該カーボンナノチューブが分散した樹脂部分が入射光を透過する導光部に隣接して用いた場合の迷光の散乱の抑制は、顔料がカーボンブラックのときよりも更に効果的であり、迷光の強度を更に良好に減衰させることが可能となる。

１・・・円板状試料、３・・・透明半円部、５・・・顔料半円部、７・・・境界面、１１・・・角度特性測定システム、１３・・・回転軸、１５・・・回転ステージ、１７・・・分岐部、１９・・・光源支持部、２１・・・支柱、２３・・・光源固定部、２５・・・ＤＰＳＳレーザ光源、２７・・・レーザビーム、２９・・・反射ミラー支持部、３１・・・反射ミラー、３３・・・スリット、３５・・・集光レンズ、３７・・・ディテクタ、３９・・・散乱光測定部、５１・・・光、５３・・・導光部、５５・・・出射端、５７・・・顔料分散シリコーン樹脂、５９・・・センサ、６０・・・迷光、６１・・・散乱光、６３・・・光、６５・・・導光部、６７・・・出射端、６９・・・顔料分散シリコーン樹脂、７１・・・散乱光

Claims

　入射光を透過する導光部に隣接して用いられる、前記入射光を減光する光学部材であって、
　前記光学部材は、シリコーン樹脂中の特定の領域に炭素粒子を分散させた炭素粒子分散部を備え、
　前記炭素粒子は、当該炭素粒子に入射して散乱する光の強度を抑制する迷光散乱抑制粒子である、光学部材。
　前記炭素粒子分散部の前記炭素粒子には、カーボンブラック粒子が含まれており、
　前記炭素粒子分散部の前記カーボンブラック粒子は、短径が２μｍ以下のカーボンブラック粒子のみである、請求項１記載の光学部材。
　前記炭素粒子分散部の前記炭素粒子には、カーボンナノチューブが含まれている、請求項１又は２記載の光学部材。
　前記特定の領域は、当該光学部材を前記導光部に隣接して用いた際に、前記導光部と当該光学部材との境界から特定の光の吸収長の深さまでの領域に相当する領域である、請求項２又は３記載の光学部材。
　前記特定の光は、前記入射光とは異なるノイズ光である、請求項４記載の光学部材。
　入射光を導光する光導光部材であって、
　前記入射光を透過し、前記入射光に対して透明なシリコーン樹脂を少なくとも一部に有する導光部と、
　前記導光部に隣接し、前記透明なシリコーン樹脂と同じ屈折率のシリコーン樹脂に炭素粒子を分散させた炭素粒子分散シリコーン樹脂を有する迷光吸収部とを備え、
　前記炭素粒子は、当該炭素粒子に入射して散乱する光の強度を抑制する迷光散乱抑制粒子である、光導光部材。
　前記炭素粒子分散部の前記炭素粒子には、カーボンブラック粒子が含まれており、
　前記炭素粒子分散部の前記カーボンブラック粒子は、短径が２μｍ以下のカーボンブラック粒子のみである、請求項６記載の光導光部材。
　前記炭素粒子分散部の前記炭素粒子には、カーボンナノチューブが含まれている、請求項６又は７記載の光導光部材。
　入射光を透過する導光部に隣接して用いられる、前記入射光を減光する光学部材を生産する方法であって、
　硬化前の未硬化未分散シリコーン樹脂にカーボンブラックを分散させて未硬化分散済シリコーン樹脂を形成する分散ステップと、
　前記未硬化分散済シリコーン樹脂を硬化させて硬化済分散済シリコーン樹脂を形成する硬化ステップとを含み、
　前記分散ステップにおいて、前記未硬化未分散シリコーン樹脂に分散させる前記カーボンブラックの濃度が、５ｗｔ％以上かつ２０ｗｔ％以下である、光学部材を生産する方法。