(57)【要約】【課題】紫外光に対して透過率及び耐光性が高く、変形し難く、耐熱衝撃性及び生産性に優れた光学部品、及び該光学部品を備えた光源装置の提供。【解決手段】球面ガラスレンズ１１１と、球面ガラスレンズ１１１の表面に形成されたシリコーンエラストマーからなる非球面樹脂層１１２とを備えた光学部品１１；光源１２と、光源１２からの光１２０を集光する光学部品１１とを備えた光源装置１。【選択図】図１
2012003186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基材と、該ガラス基材の表面に形成されたシリコーンエラストマーからなる樹脂層とを備えたことを特徴とする光学部品。
【請求項２】
前記シリコーンエラストマーが、ジメチルシリコーン又はフェニルシリコーンの構造を含むことを特徴とする請求項１記載の光学部品。
【請求項３】
前記樹脂層が非球面状であり、前記ガラス基材及び樹脂層が非球面レンズを構成することを特徴とする請求項１又は２記載の光学部品。
【請求項４】
前記ガラス基材が球面レンズであり、前記ガラス基材及び樹脂層が非球面レンズを構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学部品。
【請求項５】
光源と、該光源からの光束を制御する光学部品とを備え、
前記光学部品が請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学部品であることを特徴とする光源装置。
【請求項６】
前記光源が、紫外線発光ダイオード又は紫外線半導体レーザダイオードであることを特徴とする請求項５記載の光源装置。
【請求項７】
前記光源が、紫発光ダイオード又は紫半導体レーザダイオードであることを特徴とする請求項５記載の光源装置。
【請求項８】
前記光源が、少なくとも紫もしくは紫外線域の波長を有する光を発する発光ダイオード又は半導体レーザダイオードであることを特徴とする請求項５記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂層がガラス基材の表面に形成されてなる光学部品、及び該光学部品を備えた光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の窒化ガリウム系ワイドギャップ半導体の技術革新により、紫外線域の光源として、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザダイオード（ＬＤ）の小型光源が製造できるようになった。
これらＬＥＤやＬＤを備えた光源装置では、集光性能を高めるために、あるいは所望の照明領域を得るために、光源の上面にレンズや拡散板などの光学部品を設けることがある。
【０００３】
一方、ＬＥＤを備えた光学部品としては、ＬＥＤチップを封止する封止材料の一部の面をレンズ形状にしたものが例示できる。この時の封止材料としては、エポキシ樹脂が最も汎用されており、シリコーン樹脂が用いられる場合もある。このレンズ形状は、成形技術により形成されるので、球面のみならず非球面レンズなどの複雑な形状とすることもできる。また、表面を散乱面にすることもできる。また、単に平面形状にして封止する場合もある。
【０００４】
ＬＥＤを備えた光学部品としては、その他にも、ＬＥＤと所定の空間を隔てて、レンズや拡散板を配置したものが例示できる。
従来のこれら光学部品におけるレンズは、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、シリコーンなどの各種樹脂や、ガラスを材質とするものである。そして、そのレンズ形状も、材質が樹脂である場合には、成形技術により非球面レンズなどの複雑な形状とすることができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の光学部品は、紫外光を利用する場合には以下の問題点があった。
すなわち、樹脂は、紫外光の透過率が低いか、紫外光に対して耐光性を有していないものが多く、紫外光の利用を目的とした光学部品のレンズの材質として、このような樹脂を適用した場合には、不具合が生じてしまう。例えば、シリコーン樹脂を例に挙げると、その一種であるジメチルシリコーンやフェニルシリコーンは、紫外光の透過率が高いものの、紫外光の照射により劣化を生じる。また、シリコーン樹脂の中には、硬度が低くて変形し易いゲル状又はエラストマー状のものがあり、具体的にはジメチルシリコーンエラストマーが例示できるが、このような樹脂は変形し易いことに加え、成形が困難であるため、精密光学部品への適用には不向きである。また、耐熱衝撃性については、硬度が低いシリコーンエラストマーでは優れているが、硬度が高いシリコーンレジンでは、内部応力が生じ易いので劣っており、異種材料と接合する場合には、クラック、剥離等が生じ易い。そして、これらの問題点は、シリコーン樹脂以外の樹脂の場合にも同様に見られる。
これに対して、レンズの材質としてガラスを適用した場合には、樹脂よりも高い耐光性及び機械的強度が得られる。しかし、非球面状の形状とするためには、樹脂の場合よりも成形が難しく、成形時間が長くなり、生産性が悪いという問題点があった。
このように従来は、紫外光に対して透過率及び耐光性が高く、変形し難く、耐熱衝撃性及び生産性に優れるというすべての条件を備えた光学部品がないのが実状である。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、紫外光に対して透過率及び耐光性が高く、変形し難く、耐熱衝撃性及び生産性に優れた光学部品、及び該光学部品を備えた光源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、
本発明の第一の態様は、ガラス基材と、該ガラス基材の表面に形成されたシリコーンエラストマーからなる樹脂層とを備えたことを特徴とする光学部品である。
本発明の第二の態様は、光源と、該光源からの光束を制御する光学部品とを備え、前記光学部品が前記第一の態様の光学部品であることを特徴とする光源装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の態様によれば、紫外光に対して透過率及び耐光性が高く、変形し難く、耐熱衝撃性及び生産性に優れた光学部品、及び該光学部品を備えた光源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】光源装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】光源装置の他の実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本実施形態に係る光源装置を示す模式図である。
ここに示す光源装置１は、光学部品１１と光源１２とを備える。
光学部品１１は、ガラス基材である球面ガラスレンズ１１１と、その表面に形成された非球面樹脂層１１２とを備える。光学部品１１においては、球面ガラスレンズ１１１及び非球面樹脂層１１２が非球面レンズを構成している。
【００１２】
光源１２は、少なくとも紫又は紫外線域の波長を有する光を発するものであれば、特に限定されない。好ましいものとして具体的には、半導体発光ダイオード等の発光ダイオード、半導体レーザダイオード等の小型光源が例示でき、より具体的には、紫発光ダイオード、紫外線発光ダイオード、紫半導体レーザダイオード、紫外線半導体レーザダイオード等が例示できる。例えば、半導体発光ダイオードであれば、波長３６５ｎｍの紫外光を発するものが好適である。
光源１２は、ベアチップ品でも良いし、パッケージ品でも良い。
【００１３】
光学部品１１は、光源１２からの光１２０を集光するものである。
そのうち、球面ガラスレンズ１１１は、両面が凸状である。球面ガラスレンズ１１１の材質は、ガラスであれば特に限定されず、有機ガラス及び無機ガラスのいずれでも良い。
前記有機ガラスとしては、アクリル樹脂であるポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネートであるポリジエチレングリコールビスアリルカーボネート（ＰＥＤＣ）が例示できる。また、無機ガラスとしては、石英ガラス、光学用多成分系ガラスが例示できる。
【００１４】
非球面樹脂層１１２は、シリコーンエラストマーからなる。代表的なシリコーンエラストマーとしては、シリコーンゴムが例示できる。
前記シリコーンエラストマーは、紫外光に対して透過率及び耐光性が高いものである。
例えば、非球面樹脂層１１２において、紫外光の透過率は９０％以上であることが好ましい。
また、非球面樹脂層１１２の紫外光に対する耐光性は、目的に応じて異なり一概には言えないが、実用性の観点から通常は、照度０．４〜３Ｗ／ｃｍ２で１００００時間照射後の紫外光の透過率で規定した場合、紫外光照射後の前記透過率が初めて紫外光を照射した時の透過率に対して７０％以上であることが好ましい。
非球面樹脂層１１２に求められる耐光性は、例えば、球面ガラスレンズ１１１のレンズ径、光源１２の光出力値、球面ガラスレンズ１１１の光源１２からの距離等に応じて変化する。具体例を挙げると、以下のようになる。市販の高出力紫外線ＬＥＤである日亜化学社製ＮＣＳＵ０３３Ｂ（波長３６５ｎｍ）の光出力のティピカル値は３２５ｍＷである。そして、ＬＥＤ直上に設置する小径レンズは、通常直径４ｍｍ程度であることが好ましく、このようなレンズに平均的に光が照射されたとすると、その照度は約３Ｗ／ｃｍ２となる。一方、ＬＥＤは、水銀ランプや他の光源よりも長寿命であることが期待され、未使用の状態から１００００時間以上光を照射した後の照射光強度が、使用開始時の照射光強度の７０％以上であることが求められる。したがって、このような耐久性に鑑み、照度３Ｗ／ｃｍ２で１００００時間照射後の紫外光の透過率は、初めて紫外光を照射した時の透過率に対して７０％以上であることが好ましい。また、別の実施形態の光源装置１では、球面ガラスレンズ１１１が、光源１２であるＬＥＤから数ミリメートルの距離を置いて設置されることがある。この場合の小径レンズは、通常直径１０ｍｍ程度であることが好ましく、上記と同様に、このようなレンズに平均的に光が照射されたとすると、その照度は約０．４Ｗ／ｃｍ２となる。したがって、ＬＥＤが期待される前記耐久性に鑑み、照度０．４Ｗ／ｃｍ２で１００００時間照射後の紫外光の透過率は、初めて紫外光を照射した時の透過率に対して７０％以上であることが好ましい。
前記シリコーンエラストマーは、その組成を調節することで、必要とされる耐光性を付与できる。
【００１５】
前記シリコーンエラストマーは、ジメチルシリコーン又はフェニルシリコーンの構造を含むものが好ましい。ここで、ジメチルシリコーンとは、式「−Ｓｉ（−ＣＨ３）２−Ｏ−」で表される構成単位が繰り返された構造を有するものである。また、フェニルシリコーンとは、シリコーンの少なくとも一部のケイ素原子にフェニル基（−Ｃ６Ｈ５）が結合しているものであり、好ましいものとしては、式「−Ｓｉ（−ＣＨ３）（−Ｃ６Ｈ５）−Ｏ−」で表される構成単位が繰り返された構造を有するメチルフェニルシリコーンが例示できる。そして、シリコーンエラストマーがジメチルシリコーン又はフェニルシリコーンの構造を含むとは、シリコーンエラストマーが、ジメチルシリコーン又はフェニルシリコーンの前記繰り返し単位のみからなるか、又は前記繰り返し単位とそれ以外の構成単位を含むことを指す。ジメチルシリコーン又はフェニルシリコーンの前記繰り返し単位とそれ以外の構成単位を含むシリコーンエラストマーとしては、ジメチルシリコーン又はフェニルシリコーンとその他の構成単位もしくは樹脂との共重合体が例示できる。
【００１６】
前記シリコーンエラストマーは、いずれもその分子構造において直鎖部が長いので、柔軟性に富み、非球面樹脂層１１２は硬度が低い。ここで、「硬度が低い」とは、より具体的には、弾性率が低いことを示す。
非球面樹脂層１１２の弾性率（ヤング率）は、１〜１００ＭＰａであることが好ましい。
一方、シリコーンエラストマーに該当しないシリコーン樹脂は、分子構造において直鎖部が短く、多数の分岐部を有するので、柔軟性に乏しく、樹脂層として本発明の効果を奏するものではない。
【００１７】
ジメチルシリコーンエラストマー、フェニルシリコーンエラストマー及びエポキシ樹脂について、例えば、初期状態と、波長３６５ｎｍの紫外光を１９ｍＷ／ｃｍ２の照度で４時間照射後とで、分光透過率を比較した場合、初期状態では、ジメチルシリコーンエラストマー及びフェニルシリコーンエラストマーは、３００ｎｍ以下に吸収端があり、３００〜４００ｎｍの紫外光を透過させる。一方、エポキシ樹脂は、３００ｎｍと４００ｎｍとの間に吸収端がある。そして、ジメチルシリコーンエラストマー及びフェニルシリコーンエラストマーは、エポキシ樹脂よりも、紫外線域での透過率が高い。
また、紫外光照射後では、エポキシ樹脂は紫外光をほとんど透過させないのに対し、ジメチルシリコーンエラストマー及びフェニルシリコーンエラストマーは、いずれも透過率の減少が僅かであり、紫外光に対する耐光性が高い。
【００１８】
非球面樹脂層１１２の厚さは、球面ガラスレンズ１１１の大きさを考慮し、目的に応じて適宜設定すれば良く、特に限定されない。光学部品１１では、ガラス基材として球面ガラスレンズ１１１を使用しており、この場合、例えば、非球面樹脂層１１２の厚さは、光学部品１１を非球面レンズとするのに必要な値であれば良く、薄いほど好ましい。そして、製造時や使用時の適性を考慮すると、通常は、１０〜１００μｍであることが好ましい。この時、球面ガラスレンズ１１１の厚さは、１〜１０ｍｍであることが好ましい。
【００１９】
光学部品１１は、例えば、以下に示す公知の方法で製造できる。すなわち、組み立て時に、球面ガラスレンズ１１１よりも僅かに大きいキャビティを形成すると共に、球面ガラスレンズ１１１の非球面樹脂層１１２の形成面とは内表面が非接触となるような割り型（図示略）を用意する。そして、球面ガラスレンズ１１１の非球面樹脂層１１２の形成面に該樹脂層１１２を形成するための組成物が接触するようにして、球面ガラスレンズ１１１を前記割り型内にセットし、割り型の内表面で前記組成物を押圧することにより、前記組成物で前記非球面樹脂層１１２の形成面全面を被覆する。そして、該組成物を硬化させて、非球面樹脂層１１２を形成することで、光学部品１１が得られる。割り型の内表面と、球面ガラスレンズ１１１の非球面樹脂層１１２の形成面との隙間の形状及び距離は、所望の形状及び厚さの非球面樹脂層１１２を形成できるように、適宜調節すれば良い。
【００２０】
本実施形態に係る光源装置は、ここに示す光源装置１に限定されず、本発明の効果を妨げない範囲内において、一部構成が変更されていても良い。
ここでは、球面ガラスレンズとして両面が凸状であるものを示しているが、これに限定されず、例えば、片面が凸状であるものでも良い。また、ガラス基材として球面ガラスレンズ１１１を示しているが、非球面ガラスレンズであっても良い。ただし、成形が容易で簡便に作製できる観点から、ガラス基材をレンズとする場合には、球面ガラスレンズであることが好ましい。
【００２１】
また、ここでは、シリコーンエラストマーからなる樹脂層として、非球面樹脂層１１２を示しているが、これに限定されず、球面状の樹脂層であっても良い。
そして、ここでは、光学部品１１として、ガラス基材及び樹脂層が非球面レンズを構成するものを示しているが、球面レンズを構成するものであっても良い。
さらに、ここでは、光学部品としてガラス基材の片面に樹脂層が形成されたものを示しているが、ガラス基材の両面に樹脂層が形成されていても良い。
【００２２】
本実施形態においては、ガラス基材及びシリコーンエラストマーからなる樹脂層の厚さは、目的に応じて適宜設定することができ、例えば、ガラス基材及び前記樹脂層の形状によらず、上述の非球面樹脂層１１２及び球面ガラスレンズ１１１と同様の厚さとすることができる。なかでも、前記樹脂層の厚さは、例えば、光学部品を所望の形状とするのに必要な値であれば良く、薄いほど好ましい。
【００２３】
また、ここでは、光源１２として、少なくとも紫又は紫外線域の波長を有する光を発するものを示しているが、その他の波長域の光を発するものでも良く、目的に応じて適宜選択すれば良い。例えば、単色光源だけでなく、短波長の可視光線を含む白色光源でも良い。
【００２４】
光学部品１１は、ガラス基材である球面ガラスレンズ１１１と、シリコーンエラストマーからなる非球面樹脂層１１２とから構成されているので、紫外光の透過率が高い。
また、光学部品１１では、紫外光に対する非球面樹脂層１１２の耐光性が高いことに加え、劣化によって非球面樹脂層１１２の光の透過率が低下しても、球面ガラスレンズ１１１を併用しているので、樹脂層だけで構成した場合よりも透過率の低下幅が顕著に抑制され、光学部品１１全体としての耐光性が極めて高い。
また、非球面樹脂層１１２は、硬度が低くて変形し易くても、基材である球面ガラスレンズ１１１で支持され、球面ガラスレンズ１１１は機械的強度が大きいので、光学部品１１は全体として変形し難く、強度に優れる。さらに成形も容易なので生産性にも優れる。
また、非球面樹脂層１１２が、硬度が低いシリコーンエラストマーからなるので、光学部品１１は、クラック、剥離等の発生が抑制されたものであり、耐熱衝撃性にも優れる。
【００２５】
図２は、他の実施形態に係る光源装置を示す模式図である。ただし、図２では、光学部品以外の構成要素を断面表示している。なお、図２に示す各構成要素のうち、図１に示すものと同様のものには同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
ここに示す光源装置２は、本発明の光学部品が光源と一体化されたものであり、光学部品２１と光源１２とを備え、これらが一体化されているものである。
【００２６】
光学部品２１は、ガラス基材である球面ガラスレンズ２１１と、その表面に形成された非球面樹脂層２１２とを備える。光学部品２１においては、球面ガラスレンズ２１１及び非球面樹脂層２１２が非球面レンズを構成している。
光学部品２１は、光源１２からの光１２０を集光するものである。
【００２７】
球面ガラスレンズ２１１は、片面が凸状であり、パッケージ２２に固定され、これにより光学部品２１が、パッケージ２２に保持されている。パッケージ２２は容器状で、その底面部の中心を通る中心軸に対して略平行な方向の断面形状が略コ字状であり、その開口部の内表面２２ｂ上で球面ガラスレンズ２１１の周縁部を固定している。球面ガラスレンズ２１１は、その凸状面が、パッケージ２２の底面部とは反対側の方向を向くように配置されている。
【００２８】
また、パッケージ２２の底面部の内表面２２ａ上には、光源１２が配置されている。これにより、光源１２と光学部品２１との間には、所定体積の空隙部が設けられており、この空隙部には樹脂が充填され、充填樹脂層２３が形成されている。
【００２９】
球面ガラスレンズ２１１は、片面が凸状である点以外は、図１における球面ガラスレンズ１１１と同様である。
非球面樹脂層２１２は、球面ガラスレンズ２１１の表面に形成されている点以外は、図１における非球面樹脂層１１２と同様である。
パッケージ２２の材質としては、アルミナ等が例示できる。
充填樹脂層２３は、非球面樹脂層２１２と同様の材質である。
光源１２は、ベアチップ品及びパッケージ品のいずれでも良いが、光源装置２を簡便な構成にできることから、ここではベアチップ品が好ましい。
【００３０】
図１及び２に示す光源装置は、いずれもガラス基材の曲面上にシリコーンエラストマーからなる樹脂層が形成され、光源からの光を集光する光学部品を備えたものであるが、本発明の光源装置において、光学部品はこれに限定されず、光源からの光束を制御するものであれば良い。
例えば、ガラス基材はプレート状であっても良く、この場合の具体的な光学部品として、ガラス基材の平面上に凸状のシリコーンエラストマーからなる樹脂層が複数個形成されたフライアレンズが例示できる。また、同様の手法により、回折光学素子とすることもできる。
【００３１】
本発明の光学部品及び光源装置は、紫又は紫外線域の波長を有する光、特に紫外光の利用に好適なものであり、高パワー光を扱う各種光学機器への使用に特に好適なものである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、レンズ等の各種光学部品を備えた光学機器全般に利用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１，２・・・光源装置１、１１，２１・・・光学部品、１１１，２１１・・・球面ガラスレンズ、１１２，２１２・・・非球面樹脂層、１２・・・光源、１２０・・・光
【図１】
2012003186.tif 000003
【図２】
2012003186.tif 000004