放射角度变换元件及发光装置的制作方法

1.本发明涉及变换入射光束的放射角度的放射角度变换元件。


背景技术：

2.使入射光向各种方向散射或角度变换的放射角度变换元件被用于显示器的显示装置或屏幕等，进而出于得到均匀的照明强度的目的，被广泛用于照明装置等多种多样的装置。一般而言，使从光源射出的光的放射角度扩大的情况较多。
3.近年来，光放射角度、每个角度的强度分布、或者投射扩散光时的面内强度的均匀化等，被进一步要求高度的性能。例如，具有如下需求：将从阵列状的面发光型激光器(vcsel：vertical cavity surface emitting laser：垂直腔面发射激光器)以规定的发散角放射的光向更宽广的角度范围扩散，并且希望使扩散角度具有各向异性。
4.使光扩散或变换角度的元件有几个种类。例如，已知在平板的内部使微小空间分散，或使微粒子分散的元件(例如，半透明树脂板)，在基材的表面随机地形成微小的凹凸的元件(例如，通过蚀刻等使表面粗糙的玻璃)，对基材的表面进行加工而形成有设计的凹凸的元件(例如，衍射型元件)，在基材的表面排列多个透镜的元件(例如，微透镜阵列)等。
5.在这些中，使用微透镜阵列的放射角度变换元件的透射率高、扩散角度的控制容易，因此在要求高度的扩散性能的情况下被采用(例如，参照专利文献1、2)。
6.在先技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特开2009
‑
42772号公报
9.专利文献2：日本特开2017
‑
9669号公报


技术实现要素：

10.发明要解决的课题
11.图1是表示使用了现有的放射角度变换元件101的发光装置100的一个示例的概略剖视图。该发光装置100包括壳体102、发光元件104以及放射角度变换元件101。
12.壳体102例如由陶瓷形成，具有上表面开放的箱形。在壳体102的底面102a上固定有vcsel等发光元件104。放射角度变换元件101是在玻璃基板106上形成有树脂制的微透镜阵列108的元件。放射角度变换元件101以加盖的方式与壳体102接合，由此，设置发光元件104的空间被密封。放射角度变换元件101通常以形成有微透镜阵列108的面朝向发光元件104侧的方式设置。
13.图2是图1所示的放射角度变换元件101与壳体102的接合部位c的放大图。作为将放射角度变换元件101接合于壳体102的方法，具有使用热固化型粘合剂或uv固化型粘合剂等粘合剂的接合、焊接接合、使低熔点玻璃熔融的接合方法、扩散接合等。在任意情况下，均利用玻璃基板106和微透镜阵列108的侧面与壳体102的相对部分c1、微透镜阵列108与壳体102的相对部分c2，来接合放射角度变换元件101和壳体102。
14.如上述这样的接合，在树脂制的微透镜阵列108与陶瓷制的壳体102接合的部位，由于相互的材料的密合性的问题，接合强度有可能减弱。另外，上述这样的接合由于陶瓷与树脂热膨胀系数不同，因此存在热冲击较弱的侧面。进而，在上述这样的接合中，由于树脂制的微透镜阵列的耐热性并没有那么高，因此存在不能利用焊接接合或基于低熔点玻璃的接合等需要数百度的高温的接合方法的课题。
15.本发明鉴于以上状况而完成，其目的在于提供一种能够牢固地接合于壳体的放射角度变换元件。
16.用于解决课题的技术方案
17.为了解决上述课题，本发明的一个方案的放射角度变换元件是接合于壳体的放射角度变换元件，包括玻璃基板和设于玻璃基板上的具有光学功能部分的树脂层。在与壳体的接合部分，在玻璃基板上未形成所述树脂层。
18.接合部分也可以设于树脂层的外侧。
19.在接合部分，也可以在玻璃基板上形成有金属膜。
20.在接合部分，也可以在树脂层的外侧形成金属膜，在金属膜的更外侧设有玻璃基板的露出部分。
21.光学功能部分也可以是二维排列有多个微透镜的微透镜阵列。
22.本发明的其他方案是发光装置。该装置包括壳体、配置于壳体内的发光元件、以及接合于壳体并对来自发光元件的光的放射角度进行变换的放射角度变换元件。放射角度变换元件包括玻璃基板和设于玻璃基板上的具有光学功能部分的树脂层。在与壳体的接合部分，在玻璃基板上未形成树脂层。
23.此外，以上构成要素的任意组合、以及将本发明的表现在方法、装置、系统等之间进行转换的方案作为本发明的方案也是有效的。
24.发明效果
25.根据本发明，能够提供一种能够牢固地接合于壳体的放射角度变换元件。
附图说明
26.图1是表示使用现有的放射角度变换元件的发光装置的一个示例的概略剖视图。
27.图2是图1所示的放射角度变换元件与壳体的接合部位的放大图。
28.图3的(a)和(b)是用于说明本发明的第1实施方式的放射角度变换元件的图。
29.图4是表示使用本发明的第1实施方式的放射角度变换元件的发光装置的概略剖视图。
30.图5是图4所示的放射角度变换元件与壳体的接合部位的放大图。
31.图6的(a)和(b)是用于说明本发明的第2实施方式的放射角度变换元件的图。
32.图7是表示使用本发明的第2实施方式的放射角度变换元件的发光装置的概略剖视图。
33.图8是图7所示的放射角度变换元件与壳体的接合部位的放大图。
34.图9的(a)和(b)是用于说明本发明的第3实施方式的放射角度变换元件的图。
35.图10的(a)～(g)是表示放射角度变换元件的制造工艺的一个示例的图。
36.图11的(a)～(g)是表示放射角度变换元件的其他制造工艺的一个示例的图。
37.图12的(a)～(g)是表示放射角度变换元件的另一制造工艺的一个示例的图。
具体实施方式
38.以下，对本发明的实施方式进行说明。对各附图所示的相同或同等的构成要素、构件、处理标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。另外，实施方式不限定发明而是例示，实施方式所记载的所有的特征及其组合未必都是发明的本质性的内容。
39.图3的(a)和(b)是用于说明本发明的第1实施方式的放射角度变换元件10的图。图3的(a)是放射角度变换元件10的俯视图。图3的(b)是图3的(a)所示的放射角度变换元件10的a
‑
a剖视图。
40.放射角度变换元件10包括玻璃基板12。玻璃基板12的材质例如可以是钠钙玻璃或硼硅酸玻璃等，其厚度可以为300μm。玻璃基板12的平面尺寸例如可以为2.5mm
×
3.0mm。
41.放射角度变换元件10还包括具有光学功能部分的树脂层14。树脂层14设于玻璃基板12的至少一个主表面上。在本第1实施方式中，作为光学功能部分，树脂层14具有二维排列了多个微透镜15的微透镜阵列16。树脂层14的材质只要是预定使用的波长下透射率足够高的树脂则没有特别限定，例如可以利用环氧树脂、丙烯酸树脂、硅树脂、环烯烃树脂或它们的复合材料。在本第1实施方式中，微透镜15是凸透镜，但微透镜15的种类没有特别限定，也可以是凹透镜，或者也可以由凸透镜和凹透镜混合构成。多个微透镜15例如可以正方排列，也可以密集排列。微透镜15的外形例如可以在俯视观察时为圆形，也可以在俯视观察时为矩形。在各微透镜15中，从树脂层14与玻璃基板12的界面到微透镜15的顶点位置的高度例如可以为50μm，曲率半径例如可以为30μm，下垂量例如可以为25μm。
42.在本第1实施方式的放射角度变换元件10中，在玻璃基板12的一个主表面上的中央的部分设有树脂层14，在其外侧存在在玻璃基板12的一个主表面上未设有树脂层14的部分18。即，在放射角度变换元件10中，未遍及玻璃基板12的一个主表面整体地形成树脂层14，在树脂层14的周围存在玻璃基板12的表面露出的部分18。在将放射角度变换元件10安装于壳体时，该玻璃基板12的表面露出的部分18成为将放射角度变换元件10与壳体接合的接合部分18。
43.在将玻璃基板12的宽度设为l0、连接部分18的宽度设为l1时，l1与l0的关系为0.01l0≦l1≦0.3l0，优选为0.05l0≦l1≦0.2l0，更优选为0.1l0≦l1≦0.15l0。如果l1比0.01l0小，则不能得到用于得到充分的粘合强度、密封性的连接面积。另一方面，如果l1比0.3l0大，则连接部分的面积过大，对元件的小型化产生障碍。
44.图4是表示使用本发明的第1实施方式的放射角度变换元件10的发光装置20的概略剖视图。该发光装置20包括壳体22、发光元件24以及放射角度变换元件10。
45.壳体22由陶瓷形成，具有上表面开放的箱形。在壳体22的底面22a上固定有发光元件24。作为发光元件24，除了面发光激光器(vcsel)之外，也可以使用fp型的半导体激光器或发光二极管(led)、yag等固体激光器、准分子激光等气体激光器、或者金属卤化物灯等放电灯。
46.放射角度变换元件10以加盖的方式与壳体22接合，由此，设置发光元件24的空间被密封。放射角度变换元件10以形成有微透镜阵列16的面朝向发光元件24侧的方式设置。在这样形成的发光装置20中，从发光元件24发出的光通过微透镜阵列16的各微透镜15扩
散，通过玻璃基板12而向外部放射。玻璃基板12不仅为微透镜阵列16的基材，也具有保护发光元件24的作用，在该意义上也被称为保护玻璃。使用玻璃从机械强度、耐擦伤性的侧面出发是有利的。
47.图5是图4所示的放射角度变换元件10与壳体22的接合部位c的放大图。在壳体22的开口缘部形成有用于接合放射角度变换元件10的阶梯部22b。壳体22的阶梯部22b和放射角度变换元件10的接合部分18通过粘合剂23接合。
48.在此，在本实施方式的放射角度变换元件10中，由于在接合部分18未设有树脂层14，玻璃基板12露出，因此并非如图2所示的树脂与陶瓷的接合，而是玻璃与陶瓷的接合。因此，与树脂与陶瓷的接合的情况相比密合性提高，能够与固定有发光元件24的壳体22牢固地接合。
49.另外，和树脂与陶瓷的接合的情况相比，玻璃与陶瓷的接合的热膨胀系数的差较小，因此能够提高对热冲击的耐性。
50.图6的(a)和(b)是用于说明本发明的第2实施方式的放射角度变换元件30的图。图6的(a)是放射角度变换元件30的俯视图。图6的(b)是图3的(a)所示的放射角度变换元件30的a
‑
a剖视图。
51.第2实施方式的放射角度变换元件30与第1实施方式的放射角度变换元件10的不同点在于，在树脂层14的外侧的接合部分18，在玻璃基板12的一个主表面上形成有金属膜32。
52.金属膜32可以是由一种金属或者多种金属的合金构成的单层膜，也可以是层叠多个由单一的金属构成的金属膜的多层膜。作为构成金属膜32的金属的种类，使用cr、ni、pt、ti、pd、au等，但并不限定于这些。作为形成多层膜的情况的一个示例，可举出从玻璃基板12侧起按cr、ni、au的顺序成膜的多层膜。金属膜32的厚度例如可以为0.5μm。
53.在将玻璃基板12的宽度设为l0、连接部分18的宽度设为l1、金属膜32的宽度设为l2时，l0、l1与l2的关系为l1＝l2、0.01l0≦l2≦0.3l0，优选为0.05l0≦l2≦0.2l0，更优选为0.1l0≦l2≦0.15l0。如果l2比0.01l0小，则不能充分得到基于焊料44的接合面积，有可能难以得到牢固的接合强度。另一方面，如果l2比0.3l0大，则连接部分的面积过大，对元件的小型化产生障碍。
54.图7是表示使用本发明的第2实施方式的放射角度变换元件30的发光装置40的概略剖视图。该发光装置40也包括陶瓷制的壳体22、发光元件24以及放射角度变换元件30。
55.图8是图7所示的放射角度变换元件30与壳体22的接合部位c的放大图。如图8所示，在壳体22的开口缘部形成有用于接合放射角度变换元件30的阶梯部22b，在该阶梯部22b上形成有金属膜42。金属膜42可以通过镀敷或蒸镀等方法形成。
56.如上所述，第2实施方式的放射角度变换元件30在接合部分18，在玻璃基板12上形成有金属膜32。因此，能够通过焊料44将放射角度变换元件30侧的金属膜32与壳体22侧的金属膜42接合，因此能够得到牢固的接合强度。
57.图9的(a)和(b)是用于说明本发明的第3实施方式的放射角度变换元件50的图。图9的(a)是放射角度变换元件50的俯视图。图9的(b)是图9的(a)所示的放射角度变换元件50的a
‑
a剖视图。
58.第3实施方式的放射角度变换元件50与第1实施方式的放射角度变换元件10的不
同点在于，在接合部分18，在树脂层14的外侧形成有金属膜32，在金属膜32的更外侧设有玻璃基板12的露出部分52。换言之，在第3实施方式的放射角度变换元件50中，在接合部分18中，仅在内侧的部分形成有金属膜32，外侧的部分的玻璃基板12的表面露出。在接合部分18中，金属膜32的区域与露出部分52的区域的比可以为5：1～1：5。
59.在将玻璃基板12的宽度设为l0、连接部分18的宽度设为l1、金属膜32的宽度设为l2、露出部分52的宽度设为l3时，l0、l1、l2与l3的关系为l1＝l2 l3、0.01l0≦l2 l3≦0.3l0，优选为0.05l0≦l2 l3≦0.2l0，更优选为0.1l0≦l2 l3≦0.15l0。如果l2 l3比0.01l0小，则不能得到用于得到充分的粘合强度、密封性的连接面积。另一方面，如果l2 l3比0.3l0大，则连接部分的面积过大，对元件的小型化产生障碍。进而，l2和l3也可以满足以下。0.01l2≦l3≦10l2，优选为0.05l2≦l3≦l2，更优选为0.10l2≦l3≦0.5l2。如果l3比0.01l2小，则有可能在切断时难以取得充分的公差。另一方面，如果l3比10l2大，则不能充分得到基于焊料44的接合面积，有可能难以得到牢固的接合强度。
60.金属膜32可以是由一种金属或者多种金属的合金构成的单层膜，也可以是层叠多个由单一的金属构成的金属膜的多层膜。作为构成金属膜32的金属的种类，使用cr、ni、pt、ti、pd、au等，但并不限定于这些。作为形成多层膜的情况的一个示例，可举出从玻璃基板12侧起按cr、ni、au的顺序成膜的多层膜。金属膜32的厚度例如可以为0.5μm。
61.一般而言，放射角度变换元件通过准备比微透镜阵列的形成区域大的玻璃基板，在至少一个主表面上使微透镜阵列成形后，以成为规定的尺寸的方式切断玻璃基板而制作。是以在一张大的玻璃基板的至少一个面上配置多个放射角度变换元件的方式形成，然后切出各个放射角度变换元件的方法。作为玻璃基板的切断方法，具有使用旋转的磨石的方法、利用激光割断的方法、像玻璃刀那样用金刚石等施加划线后机械地割断的方法等。在使用玻璃基板的旋转的磨石进行切断的方法的情况下，如果在切断部分存在树脂层，则由于树脂层与高速旋转的磨石接触，有时会观察到构成微透镜阵列的树脂层从该部分剥离的现象。在使用激光进行切断的方法的情况下，如果在玻璃基板的切断部分存在树脂层或金属膜，则在激光照射时也对树脂层或金属膜照射激光，存在形成于树脂层的微透镜的一部分熔融或蒸发，该部分成为缺陷的情况。进而，在用金刚石等进行划线后机械地割断的方法的情况下，如果在切断部分存在树脂层或金属膜，则其下的玻璃基板难以附着划线，其结果，容易产生切断不良。
62.在第3实施方式的放射角度变换元件50中，由于在接合部分18的金属膜32的外侧形成有玻璃基板12的露出部分52，因此磨石或激光照射、刀的前端会直接作用于玻璃基板12。其结果，不会对金属膜32或树脂层14造成损伤，由此能够抑制因收率的降低或切断作业时的异物的混入引起的不合格品等的产生。
63.接着，对放射角度变换元件的制造方法进行说明。但是，以下说明并不限定本发明的放射角度变换元件的制造方法。
64.放射角度变换元件可以通过所谓的步进重复法制作。步进重复法是指，使用规定的大小的模具，在基板上局部地形成构造体，通过一边错开成形位置一边重复进行成形，在基板整面上形成构造体的方法。关于该方法的步骤等，作为参考可举出日本特开2014
‑
188869号公报、日本特开2014
‑
13902号公报、日本特开2010
‑
245470号公报、日本特开2010
‑
80632号公报、日本特开2008
‑
168641号公报、日本特开2007
‑
103924号公报、日本特开2007
‑
103924号公报、日本特开2006
‑
245072号公报等。
65.在将微透镜等构造体形成于基板上的方法中，准备比玻璃基板小的模型(模具)，在玻璃基板上将具有光固化型的树脂层的工件与模具(在表面形成有规定的透镜形状)对准，在二者间填充树脂，通过向该部分照射紫外光而使树脂固化。此时，使照射紫外光的场所仅为模具正下方。通过在玻璃基板内依次进行这样的转印，能够在玻璃基板上的整面形成规定的图案。
66.模具的制法有各种方法。例如，可以使用在通过机械加工ni等金属上形成透镜形状的模具，通过光刻在玻璃或者半导体基板上形成由感光性树脂构成的透镜形状的模具，或者，通过电镀从这些铸模进行复制的模具，以及使用这些铸模使感光型树脂成形而得到模具等。在以下制造方法的示例中，使用通过激光描绘制作微透镜阵列的抗蚀剂图案，并对其进行电铸处理而得到的金属制的模具。
67.图10的(a)～(g)表示放射角度变换元件的制造工艺的一个示例。首先，如图10的(a)所示，在准备的玻璃基板12的一个主表面上的规定场所滴下规定量的紫外线固化树脂60。接着，如图10的(b)所示，在与玻璃基板12的主表面平行的面进行铸模(模具)62的位置对准。接着，如图10的(c)所示，以在玻璃基板12与模具62之间填充紫外线固化树脂60的方式按压模具62。并且，一边按压模具62一边以与模具62的尺寸对应的照射尺寸向规定的区域照射紫外线。接着，如图10的(d)所示，使模具62脱模。接着，如图10的(e)所示，在玻璃基板12上改变场所，重复图10的(a)～图10的(d)的工序。通过重复这些工序，如图10的(f)所示，在玻璃基板12的整面形成有多个放射角度变换元件。根据需要，其后也可以进行热处理。另外，有时在模具62中进行脱模处理。最后，如图10的(g)所示，通过切断玻璃基板12，得到如图3的(a)和(b)所示的放射角度变换元件10。
68.图11的(a)～(g)表示放射角度变换元件的其他制造工艺的一个示例。与图10的(a)～(g)所示的制造工艺的不同点在于，在成形放射角度变换元件前的玻璃基板12的一部分预先形成金属膜32的图案。在这种情况下，由于金属膜32的图案也具有照射紫外线时的遮光膜的功能，因此具有渗出到模具62之外的紫外线固化树脂60不固化的优点。如果将模具62设为透光性的材料，则能够从模具背面侧照射紫外线，也能够将金属膜32与紫外线固化树脂60的一部分重叠。如图11的(g)所示，通过切断玻璃基板12，得到如图6的(a)和(b)所示的放射角度变换元件30。
69.图12的(a)～(g)表示放射角度变换元件的另一制造工艺的一个示例。在成形放射角度变换元件前的玻璃基板12的一部分预先形成金属膜32的图案，这一点与图11的(a)～(g)所示的制造工艺相同，但本制作工艺的在金属膜32的外侧预先制作不形成金属膜32的部分(玻璃基板12的表面露出的部分)，这一点与图11的(a)～(g)所示的制造工艺不同。如图12的(g)所示，通过切断金属膜32的外侧的玻璃基板12的露出部分，得到如图9的(a)和(b)所示的放射角度变换元件50。
70.在上述制造工艺中，示出了在玻璃基板12上滴下适量的紫外线固化树脂60，将其与模具62对准的示例，但相反地，也可以将未固化的紫外线固化树脂60滴下到模具62，将其与玻璃基板12对准。
71.进而，也可以是，在切断玻璃基板12前，在微透镜阵列16的表面或者玻璃基板12的背面(未形成微透镜阵列16的面)、或者在这二者上进行减反射涂层(ar涂层)。
72.作为金属膜32向玻璃基板12上的图案化方法，具有利用镀敷法、溅射法或蒸镀法等使金属膜成膜，在其上通过光刻法成形抗蚀剂图案，将该抗蚀剂图案作为掩模，通过蚀刻除去不需要的金属膜的方法。或者，具有在形成金属膜前，预先在玻璃基板12上形成抗蚀剂图案，在其上形成金属膜后，除去抗蚀剂和在其上成膜的金属膜的方法(剥离法)。
73.金属膜32的种类考虑与玻璃的附着力及密封性、或者与密封材料的密合性等适当选择。有时也由单一的金属构成，也存在考虑各部的密合性而设为多层膜的情况。例如，使用从玻璃基板12侧起按cr、ni、au的顺序成膜的3层膜.当然，金属的组合不限于此，可以从各种金属膜及将它们组合而成的金属膜中选择。
74.以上，基于实施方式对本发明进行了说明。本领域技术人员应该理解，这些实施方式是例示，其各构成要素及各处理工艺的组合可以有各种变形例，并且这样的变形例也在本发明的范围内。
75.工业可利用性
76.本发明能够用于变换入射光束的放射角度的放射角度变换元件。
77.附图标记说明
78.10、30、50：放射角度变换元件，12：玻璃基板，14：树脂层，15：微透镜，16：微透镜阵列，18：接合部分，20、40：发光装置，22：壳体，24：发光元件，32、42：金属膜，52：露出部分，60：紫外线固化树脂，62：模具。