(57)【要約】  本開示の透明基板は、基体と、光導波路部と、回折レンズ部と、を備えている。基体は、下面と側面とを含む。光導波路部は、前記下面に位置した第１端部と、前記側面に位置した第２端部とを有するとともに、前記基体の内部において前記第２端部から前記第１反部まで延びる。回折レンズ部は、第１端部および第２端部の少なくともいずれか一方に位置している。
2020137979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下面と側面とを含む基体と、
前記下面に位置した第１端部と前記側面に位置した第２端部とを有するとともに、前記基体の内部において前記第２端部から前記第１端部まで延びる光導波路部と、
前記第１端部および前記第２端部の少なくともいずれか一方に位置した回折レンズ部と、を備えた、透明基板。
【請求項２】
前記光導波路部の屈折率は、前記基体の屈折率よりも大きい、請求項１に記載の透明基板。
【請求項３】
前記光導波路部は、前記第１端部と前記第２端部との間に位置する分岐部と、前記下面に位置するとともに前記第１端部と離れて位置した第３端部と、前記第２端部から前記第１端部まで延びる第１領域と、前記分岐部から前記第３端部まで延びる第２領域と、を有している、請求項１または請求項２に記載の透明基板。
【請求項４】
前記回折レンズ部の屈折率は、前記基体の屈折率よりも小さい、請求項１〜３のいずれか１つに記載の透明基板。
【請求項５】
前記光導波路部の前記第１端部は、テーパー形状である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の透明基板。
【請求項６】
上面と該上面に開口した開口部とを有する基板と、
前記開口部に位置した１つ以上の光学素子と、
前記上面に位置するとともに、前記開口部を塞いで前記基板と接合された、請求項１〜５のいずれか１つに記載の透明基板と、を備えている、光学装置。
【請求項７】
上面と該上面に開口した開口部とを有する基板と、
前記開口部に位置した１つ以上の光学素子と、
前記上面に位置するとともに、前記開口部を塞いで前記基板と接合された透明基板と、を備えており、
前記透明基板は、下面と側面とを有する基体と、該基体の内部に位置するとともに平面視において前記下面のうち前記光学素子と重なる位置から前記側面にかけて延びる光導波路部と、を有する、光学装置。
【請求項８】
前記光学素子は受光素子であって、
前記光導波路部は、前記受光素子の上方に位置する第４端部を有しており、
前記透明基板は、前記第４端部に位置する回折レンズ部を有する、請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記第４端部は、テーパー形状である、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記光学素子は発光素子であって、
前記光導波路部は、前記側面に位置する第５端部を有しており、
前記透明基板は、前記第５端部に位置する回折レンズ部を有する、請求項７〜９のいずれか１つに記載の光学装置。
【請求項１１】
前記第５端部は、テーパー形状である、請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記回折レンズ部の屈折率は、前記透明基板の屈折率よりも小さい、請求項８〜１１のいずれか１つに記載の光学装置。
【請求項１３】
前記光導波路部の屈折率は、前記基体の屈折率よりも大きい、請求項７〜１２のいずれか１つに記載の光学装置。
【請求項１４】
前記光導波路部は、前記下面に位置する一方端部と、前記側面に位置する他方端部と、前記一方端部と前記他方端部との間に位置する中間部と、を有しており、
前記一方端部および前記他方端部の屈折率は、前記基体の屈折率よりも大きく、前記中間部の屈折率よりも小さい、請求項７〜１３のいずれか１つに記載の光学装置。
【請求項１５】
前記開口部には、複数の光学素子が位置しており、
前記光導波路部は、平面視において、前記複数の光学素子と重なるように前記下面に位置する複数の端部を有している、請求項７〜１４のいずれか１つに記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光導波路部を用いた透明基板、および光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の光を合成する光導波路部を用いたプロジェクタ等が知られている。光導波路部をプロジェクタ等に用いる場合には、光導波路部の複数の入力部をそれぞれの発光素子の発光面の上方に位置させて、それぞれの入力部から入力された光を合成していく。特開２００５−７７９７１号公報には、そのような構成を有する光導波路部を用いた透明基板が開示されている光導波路部を用いた光学装置においては、高信頼性のための封止構造が要求されるとともに、高い光伝搬効率が要求されている。
【発明の概要】
【０００３】
本開示の一実施形態に係る透明基板は、下面と側面とを含む基体と、前記下面に位置した第１端部と前記側面に位置した第２端部とを有するとともに、前記基体の内部において前記第２端部から前記第１端部まで延びる光導波路部と、前記第１端部および前記第２端部の少なくともいずれか一方に位置した回折レンズ部と、を備える。
【０００４】
本開示の一実施形態に係る光学装置は、上述した透明基板と、上面と該上面に開口した開口部とを有する基板と、前記開口部に位置した１つ以上の光学素子と、を備えている。前記透明基板は、前記上面に位置するとともに、前記開口部を塞いで前記基板と接合されている。
【０００５】
本開示の一実施形態に係る光学装置は、上面と該上面に開口した開口部とを有する基板と、前記開口部に位置した１つ以上の光学素子と、前記上面に位置するとともに、前記開口部を塞いで前記基板と接合された透明基板と、を備える。前記透明基板は、下面と側面とを有する基体と、該基体の内部に位置するとともに平面視において前記下面のうち前記光学素子と重なる位置から前記側面にかけて延びる光導波路部と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の一実施形態に係る光学装置を示す斜視図である。
【図２】本開示の一実施形態に係る光学装置を示す分解斜視図である。
【図３】図１のＡ―Ａ概略断面図である。
【図４】本開示の一実施形態に係る透明基板を示す断面図である。
【図５】本開示の一実施形態に係る透明基板を示す断面図である。
【図６】本開示の一実施形態に係る光学装置を示す概略断面図である。
【図７】本開示の一実施形態に係る光学装置を示す断面図である。
【図８】本開示の一実施形態に係る光学装置を示す断面図である。
【図９】本開示の一実施形態に係る光学装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本開示の一実施形態に係る光学装置１および透明基板４について、図面を参照しながら説明する。なお、図３、図６、図８および図９においては、後述する光導波路部４１の形状の説明のため、回折レンズ部８を省略している。本実施形態に係る光学装置１は、基板２と、光学素子３と、透明基板４と、を備えている。
【０００８】
＜光学装置および透明基板４の構成＞
前述したように、光学装置１は、基板２と、光学素子３と、透明基板４と、を備えている。基板２が、セラミック材料の配線基板（セラミック配線基板）の場合、セラミック材料から成る誘電体層と該誘電体層に形成された接続パッド、内部配線、信号配線等の各導体とを有する。セラミック配線基板は、複数のセラミック誘電体層を含んでいてもよい。
【０００９】
セラミック配線基板に用いられるセラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス焼結体等が挙げられる。
【００１０】
また、基板２が、有機配線基板の場合、有機材料から成る絶縁層と該絶縁層に形成された後述する信号配線等の配線導体とを有する。有機配線基板は、複数の有機誘電体層を含んでいてもよい。有機配線基板は、例えば、プリント配線基板、ビルドアップ配線基板またはフレキシブル配線基板等の誘電体層が有機材料から成るものであればよい。有機配線基板に用いられる有機材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂またはフッ素系樹脂等が挙げられる。
【００１１】
また、図２および図３に示すように、基板２は、上面２２と開口部２１とを有する。すなわち、基板２には、少なくとも１つの開口部２１となる凹部が設けられており、該開口部２１に光学素子３が実装される。なお、開口部２１は、基板２の主面２２（基板２の上面２２）に開口するように設けられている。
【００１２】
本開示の実施形態に係る光学装置１は、光のドップラー効果を利用した、血流等の流体の流れを計測する計測センサであったり、プロジェクタ、ディスプレイ等の表示装置であったりしてもよい。また、光学装置１は、ＬＥＤ（light emitting diode）、ＰＤ（photo diode）、ＬＤ（laser diode）等の光のコントロールに用いられる。
【００１３】
開口部２１の大きさは、収容しようとする光学素子３（発光素子または受光素子）の大きさに応じて適宜設定すればよい。例えば、発光素子として、垂直共振器面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を用いる場合、開口部２１の開口形状が、例えば矩形であっても正方形であってもよい。このとき、開口部２１の大きさは、例えば、縦方向の長さが０．３ｍｍ〜２．０ｍｍ、横方向の長さが０．３ｍｍ〜２．０ｍｍであり、深さが、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍであってもよい。また、受光素子として、面入射フォトダイオードを用いる場合、開口部２１の開口形状が、例えば矩形であっても正方形であってもよい。このとき、開口部２１の大きさは、例えば、縦方向の長さが０．３ｍｍ〜２．０ｍｍ、横方向の長さが０．３ｍｍ〜２．０ｍｍであり、深さが、０．４ｍｍ〜１．５ｍｍであってもよい。また、開口部２１に複数の光学素子３が実装される場合には、開口部２１は、複数の光学素子３の大きさの合計を考慮した大きさの分だけ開口していればよい。
【００１４】
なお、開口部２１の開口形状は、例えば、円形状、正方形状、矩形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。また、開口部２１は、基板２の主面（上面２２）に平行な断面における断面形状が深さ方向に一様な形状であってもよい。さらに、開口部２１は、前記断面形状が所定の深さまでは開口形状と同じであり、所定の深さ以降は、前記断面形状が開口形状よりも小さい、段差付きの凹部であってもよい。
【００１５】
透明基板４は、基板２の上面２２に位置している。透明基板４は、上面視において、例えば矩形状である。また、透明基板４は、例えば、大きさが、２ｍｍ×４ｍｍ〜３ｍｍ×６ｍｍであって、厚みは、０．２ｍｍ〜１ｍｍであってもよい。
【００１６】
透明基板４の材料は、例えば、ガラス、有機材料、樹脂材料等であってもよい。この他にも、透明基板４の材料として透光性を有するものを使用することができる。透明基板４は、基板２に接合材を介して接合される。このとき、基板２の開口部２１を塞ぐように透明基板４が配置される。接合材として遮光性の優れたものを用いた場合、放射光および入射光を外部に逃げにくくすることができる。また、入射光以外の外部の光を内部に届きにくくすることもできる。
【００１７】
透明基板４は、基体４２と、光導波路部４１と、回折レンズ部８と、を有している。基体４２は、透明基板４のベースになる部分であり、基体４２の材料としては、例えば、ガラス、有機材料、樹脂材料等であってもよい。特に、基体４２は、後述する屈折率を満たすもの、あるいは、光導波路部４１において光が届けられるものであれば、必ずしも透明である必要はない。つまり、透明基板４は、少なくとも光導波路部４１が透明で光を通すものであればよい。基体４２は、透明基板４のベースになる部分であるため、基本的には基体４２の外縁の大きさが透明基板４の外縁の大きさと同じである。
【００１８】
光導波路部４１は、透明基板４の内部、つまり、基体４２の内部に位置し、基体４２と一体的になっていてもよい。光導波路部４１は、基体４２と異なる材料を含んでいる。また、光導波路部４１は、少なくとも２つの端部９（第１端部９１および第２端部９２）を有している。第１端部９１は、基体４２（透明基板４）の下面４３に位置しており、光学素子３の上方に位置している。特に、平面視において、光学素子３と重なる位置にあるのがよい。また、第２端部９２は、基体４２（透明基板４）の側面４４に位置している。そして、光導波路部４１は、第２端部９２から第１端部９１まで延びている。なお、光導波路部４１は、例えば、基体４２の中に屈折率が異なる材料を導線の形に作ることで作製することができる。
【００１９】
光導波路部４１の端部９（第１端部９１および第２端部９２の少なくとも一方）には、回折レンズ部８が位置している。回折レンズ部８は、基体４２と一体的になっていてもよい。回折レンズ部８は、基体４２と異なる材料を含んでいる。回折レンズ部８は、受光素子へ光を放射する場合には、光導波路部４１からの光を集光させることができ、受光素子で受光する光の信号強度のロスを低減させることができる。また、回折レンズ部８は、発光素子からの光を光導波路部４１に通す場合には、発光素子の上方で光を集光することで、外部への散乱等を減らすことができ、効率よく外部に光を放射することができる。
【００２０】
なお、回折レンズ部８は、後述するように、図４に示すように、第１端部９１に位置していてもよく、図５に示すように、第２端部９２に位置していてもよい。また、回折レンズ部８は端部９のすべてに位置していてもよい（不図示）。
【００２１】
なお、開口部２１に１つ以上の発光素子が位置している場合には、基体４２（透明基板４）の下面４３に位置した回折レンズ部８は、発光素子からの光の外部への散乱を低減して集光することができる。そして、集光した光は、光導波路部４１を通り、基体４２（透明基板４）の側面４２に位置した回折レンズ部８から、指向性をもって放射させることができる。また、開口部２１に１つ以上の受光素子が位置している場合には、外部からの光を基体４２（透明基板４）の側面４４に位置した、回折レンズ部８から、光導波路部４１を通り、基体４２（透明基板４）の下面４３に位置した回折レンズ部８で集光した状態で、指向性をもって受光素子に放射させることができる。
【００２２】
以上のことから、本発明の実施形態に係る透明基板４は、透明基板４内に光導波路部４１を有するとともに、回折レンズ部８を有することによって、大型化させることなく、光の分波または合波を効率よく光を放射または受光させることができる。
【００２３】
また、本開示の実施形態に係る光学装置１は、透明基板４内に光導波路部４１を有するとともに、回折レンズ部８を有している。この透明基板４によって、蓋と光導波路部４１とを一体とすることができるため、光学装置１を大型化させることなく、光の分波または合波を効率よく光を放射または受光させることができる。その結果、光学装置１は、封止の境界等で光の反射ロスが起こる可能性を低減しつつ、光伝搬効率が低下する可能性も低減することができる。そのため、高信頼性の封止構造をもつとともに高い光伝搬効率を示すことができる。
【００２４】
なお、本実施形態において、透明基板４の光導波路部４１の端部９（第１端部９１、第２端部９２）の形状は、図３に示すように、幅が一定である。より具体的には、本実施形態においては、断面視における第１端部９１の外縁は、下面４３に対して略垂直であり、断面視における第２端部９２の外縁は、側面４４に対して略垂直である。
【００２５】
＜光学装置の製造方法＞
次に、光学装置１の製造方法について説明する。まず、基板２を種々の多層配線基板の製造方法と同様にして作製する。基板２が、セラミック配線基板であり、セラミック材料がアルミナである場合は、次のように作製することができる。すなわち、まずアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）やシリカ（ＳｉＯ2）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状とし、これを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工する。そして、タングステン（Ｗ）とガラス材料等の原料粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して金属ペーストとし、これを打ち抜き加工したグリーンシートの表面にスクリーン印刷等の印刷法でパターン印刷する。また、ビア導体は、グリーンシートに貫通孔を設け、スクリーン印刷等によって金属ペーストを貫通孔に充填させることで作製できる。また、接地導体層となるメタライズ層は、金属ペーストによってグリーンシートの最表面に形成される。こうして得られたグリーンシートを複数枚積層し、これを約１６００℃の温度で同時焼成することによって基板２が作製される。
【００２６】
一方、透明基板４を準備する。例えば、透明基板４としてガラス基板を用いる場合、ガラス材料を、切削、切断等により所定の形状に切り出して透明基板４を得ることができる。このとき、透明基板４の下面に、蒸着、スパッタ、焼付け等によって遮光膜等を形成してもよい。
【００２７】
なお、上記では、ビア導体は、基板２内で上下方向に一直線状に形成される構成としているが、これに限らない。すなわち、ビア導体は、基板２の上面から下面の外部接続端子まで電気的に接続されていればよい。例えば、ビア導体は、一直線状でなく、基板２内で、内層配線や内部接地導体層等によって上下方向にずれて形成されていてもよい。
【００２８】
透明基板４における光導波路部４１は、透明基板４をレーザ光で屈折率を変化させる等の微細加工にて加工したり、透明基板４に屈折率の異なる透明体を接着し、目的の方位に切り出したりする方法等にて作製することができる。
【００２９】
＜光学装置１および透明基板４の他の実施形態に係る構成＞
光導波路部４１の屈折率は、基体４２（透明基板４の光導波路部４１を除く箇所）の屈折率よりも大きくてもよい。このことによって、光導波路部４１内を通る光が、光導波路部４１と基体４２との境界で反射されやすくなり、外部に光が逃げにくくすることができる。
【００３０】
なお、光導波路部４１の屈折率は、例えば、１．３〜３．５、基体４２の屈折率は、例えば、１．２〜１．６とすることができる。
【００３１】
また、上述したように、開口部２１に複数の光学素子３が位置している場合には、図８に示すように、光導波路部４１は途中で分岐していてもよい。この場合には、透明基板４の下面４３に第３端部９３が位置している。すなわち、光導波路部４１は、第１端部９１と第２端部９２との間に位置する分岐部Ｂを有しており、第２端部９２から第１端部９１まで延びる第１領域４１Ｘと、分岐部Ｂから第３端部９３まで延びる第２領域４２Ｙとに分けられる。そして、一方の光学素子３に第１端部９１が対応して位置し、他方の光学素子３に第３端部９３が対応して位置している。このとき、上述した分岐は、第１領域と第２領域とを互いに異なる材料の導線として作製可能である。このように光導波路部４１が分岐を有しており複数の光学素子３に対応する複数の端部９が配置されていることによって、様々な色の光をそれぞれの発光素子から受けることができる。また、様々な色の光をそれぞれの受光素子に色ごとに分けて放射することができる。
【００３２】
なお、図８に示すように、複数の光学素子３が位置している場合には、平面視において、複数の端部９のそれぞれが、対応する光学素子３と重なるように位置しているのがよい。これによって、上述した色ごとに分けての放射や受光を効率的におこなうことができる。
【００３３】
また、端部９は、テーパー状に広がっていてもよい。すなわち、端部９は、テーパー形状であってもよい。より具体的には、例えば、図６に示すように、第１端部９１は、下面４３に向かうにつれて拡径した形状であって、断面視における第１端部９１の外縁が、下面４３に対して傾斜していてもよい。このとき、端部９から光が放射される場合には、面積がある対象物にある程度均一に光を放射させることができる、あるいは広がりをもって光を放射させることができる。また、端部９に発光素子または外部から光が入射される場合には、発光素子または外部からの光を、漏らすことなく光導波路部４１に通しやすくすることができる。なお、図示しないが、側面４４に位置する第２端部９２が上述したテーパー形状であってもよく、この場合も上述した効果を奏すことができる。
【００３４】
このとき、端部９の屈折率は、回折レンズ部８の屈折率よりも大きく、透明基板４（基体４２）の屈折率よりも大きくてもよい。このことによって、回折レンズ部８に光を届けやすくしつつも、外部への光を放射させやすくすることができる。
【００３５】
さらに、回折レンズ部８の屈折率は、透明基板４（基体４２）の屈折率よりも小さくてもよい。この場合、反射や光漏れによるロスが少なく集光しやすくなる。
【００３６】
またさらに、光導波路部４１のうち、下面４３に位置する一方端部９（第１端部９１）と、側面に位置する他方端部（第２端部９２）との間に位置する部分を中間部とした場合、端部９の屈折率は、基体４２の屈折率よりも大きく、中間部の屈折率よりも小さくてもよい。この場合、反射や光漏れによるロスが少なく集光しやすくなる。
【００３７】
ここで、回折レンズ部８の屈折率は、例えば、１．１〜１．５５、透明基板４（基体４２）の屈折率は、例えば、１．２〜１．６とすることができる。ここで、端部９の屈折率は、例えば、１．２〜３．０、中間部の屈折率は、例えば、１．３〜３．５とすることができる。なお、第１端部９１の屈折率と第２端部９２の屈折率とは同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
【００３８】
なお、基板２の下面には、複数の外部接続導体が設けられていてもよい。そして、基板２の複数の外部接続導体が、外部基板等に半田等の接合材により電気的に接続される。
【００３９】
ここで、発光部を有する発光素子は、例えば赤外線、電磁波または超音波等の物理的エネルギーを放射する放射用の素子からなってもよい。受光部を有する受光素子は、これらの物理的エネルギーを検知する検知用の素子からなってもよい。そして、発光素子と受光素子とが対になって用いられる。
【００４０】
発光素子としては、より具体的には、ガリウム−ヒ素（Ｇａ−Ａｓ）発光ダイオード、超音波発振子（超音波）およびマイクロ波発振子（電磁波）等が挙げられる。また、受光素子としては、より具体的には、フォトダイオード、超音波発振子（超音波）、およびマイクロ波検知素子（電磁波）等が挙げられる。
【００４１】
なお、例えば、開口部２１の内壁に段差部を設けていてもよい。このとき、この段差部上にボンディング用接続端子を設けて、光学素子３の端子と段差部上のボンディング用接続端子とをワイヤーボンディングで接続してもよい。このような接続方法により、基板２に設けられたボンディング用接続端子と光学素子３の端子とを良好に接続することができる。さらに、この段差部に照度センサを搭載してもよい。この場合、近接センサ機能とともに、照度を検知して省電力のために液晶画面のバックライトを制御する照度センサ機能を有する近接照度一体型センサ装置とすることもできる。
【００４２】
なお、本開示の光学装置１は、以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えても何ら差し支えない。また、各実施形態に関して、矛盾をきたさない程度に種々の組合せが可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態においては、光導波路部４１が１つの分岐部Ｂを有した形状を示したが、光導波路部４１は、図９に示すように、２つの分岐部Ｂ１、Ｂ２を有していてもよい。この場合、光導波路部４１は、下面４３に位置する端部９（９１、９３１、９３２）は３つ有しており、それぞれが対応する光学素子３の上方に位置している。このように、光導波路部４１の端部９の数は適宜選択可能であり、例えば、光学装置１に配置される光学素子３の数に応じて、選択しても良い。また、複数の端部９の形状も、互いに異なっていてもよいし、全て同じであってもよい。
【００４４】
また、本開示の実施形態に係る光学装置１は、照明器具、ディスプレイ、プロジェクタ等に応用可能であるが、その他にも発光素子および受光素子等の光学素子により動作するその他の装置であってもよい。例えば、光学装置１は、測距センサ近接照度一体型センサ装置、近接センサ装置、脈波血流センサ装置等に応用が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  光学装置
２  基板
３  光学素子
４  透明基板
５  遮光部材
６  回路基板
７  遮光膜
８  回折レンズ部
９  端部
２１  開口部
４１  光導波路部
４１Ｘ  第１領域
４１Ｙ  第２領域
４２  基体
４３  下面
４４  側面
９１  第１端部（第４端部）
９２  第２端部（第５端部）
９３、９３１、９３２  第３端部
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２  分岐部
【図１】
2020137979.tif 000003
【図２】
2020137979.tif 000004
【図３】
2020137979.tif 000005
【図４】
2020137979.tif 000006
【図５】
2020137979.tif 000007
【図６】
2020137979.tif 000008
【図７】
2020137979.tif 000009
【図８】
2020137979.tif 000010
【図９】
2020137979.tif 000011
【国際調査報告】
2020137979.tif 000012
2020137979.tif 000013
2020137979.tif 000014
2020137979.tif 000015
2020137979.tif 000016
2020137979.tif 000017