特許 7177415 光源装置及び光源システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-15

(45)【発行日】2022-11-24

(54)【発明の名称】光源装置及び光源システム

(51)【国際特許分類】

   F21S 2/00 20160101AFI20221116BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20221116BHJP

   F21V 13/04 20060101ALI20221116BHJP

   G03F 7/20 20060101ALI20221116BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20221116BHJP

   F21Y 113/10 20160101ALN20221116BHJP

【ＦＩ】

F21S2/00 340

F21S2/00 330

F21V5/04 350

F21V5/04 250

F21V13/04

G03F7/20 501

F21Y115:10

F21Y113:10

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2021561486

(86)(22)【出願日】2020-11-26

(86)【国際出願番号】 JP2020044016

(87)【国際公開番号】W WO2021107007

(87)【国際公開日】2021-06-03

【審査請求日】2022-03-23

(31)【優先権主張番号】P 2019214403

(32)【優先日】2019-11-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福田 雄介

(72)【発明者】

【氏名】松島 竹夫

【審査官】安食 泰秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１８６１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００２２１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ５／０４

Ｆ２１Ｖ １３／０４

Ｇ０３Ｆ ７／２０

Ｆ２１Ｙ １１５／１０

Ｆ２１Ｙ １１３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一方向及び前記第一方向に直交する第二方向によって規定される第一平面上に配置された複数のＬＥＤ素子を備えてなる光源部と、
前記光源部のそれぞれの前記ＬＥＤ素子から出射された光が入射するように、複数の要素レンズが平面上に配置されてなるレンズアレイ・インテグレータと、
前記光源部の前記第一方向における一方の端部である第一端部側に、前記第二方向と、前記レンズアレイ・インテグレータの光軸方向によって規定される第二平面上に、前記光源部側から前記レンズアレイ・インテグレータ側に前記光軸方向に向かって突出するように反射面が形成された第一反射部材とを備え、
前記光源部は、それぞれの前記要素レンズが前記光源部のうちの、一部の前記ＬＥＤ素子から出射される光を取り込むよう、それぞれの前記要素レンズの取込角θの範囲内に複数の前記ＬＥＤ素子が配置され、
前記第一方向に向かって配列されたＬＥＤ素子群において隣接するそれぞれの前記ＬＥＤ素子の中心間距離のうち、最大のものを距離Ｘ１とすると、前記第一反射部材の反射面は、前記光源部の前記第一端部に配置された第一端部ＬＥＤ素子の中心から、前記第一方向における前記第一端部側において、前記距離Ｘ１以内の位置に配置され、
前記レンズアレイ・インテグレータにおいて、前記第一端部側に配置されている前記要素レンズの取込角θの範囲に、前記第一反射部材の反射面によって反射された光が含まれることを特徴とする光源装置。

【請求項2】

前記第一反射部材の反射面は、前記第一端部ＬＥＤ素子から前記距離Ｘ１の半分の位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。

【請求項3】

前記ＬＥＤ素子は、前記第一方向及び前記第二方向に沿って等間隔に配置されており、
隣接するＬＥＤ素子間の中心間距離ｄと、前記取込角θと、前記ＬＥＤ素子の光出射面と前記レンズアレイ・インテグレータの入射面との離間距離Ｌ１とが、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。

Ｌ１≧２・ｄ／ｔａｎθ （１）

【請求項4】

前記ＬＥＤ素子は、前記第一方向及び前記第二方向に沿って規則的な配置関係で設けられており、
前記第一反射部材の反射面は、隣接する前記ＬＥＤ素子と、前記第一反射部材の反射面に映し出される前記ＬＥＤ素子の鏡像との配置関係が、前記ＬＥＤ素子の規則的な配置関係と等しくなるよう、前記光源部に前記第一反射部材が配置されていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の光源装置。

【請求項5】

前記光源部は、前記第一平面に平行な平面上に、前記複数のＬＥＤ素子に対応して配置された複数の収束光学部を備えていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の光源装置。

【請求項6】

前記ＬＥＤ素子は、前記第一方向及び前記第二方向に沿って等間隔に配置されており、
隣接するＬＥＤ素子間の中心間距離ｄと、前記取込角θと、前記収束光学部の光出射面と前記レンズアレイ・インテグレータの入射面との離間距離Ｌ２とが、下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。

Ｌ２≧２・ｄ／ｔａｎθ （２）

【請求項7】

前記収束光学部は、前記第一方向及び前記第二方向に沿って規則的な配置関係で設けられており、
前記第一反射部材の反射面は、隣接する前記収束光学部と、前記第一反射部材の反射面に映し出される前記収束光学部の鏡像との配置関係が、前記収束光学部の規則的な配置関係と等しくなるよう、前記光源部に前記第一反射部材が配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の光源装置。

【請求項8】

前記光源部の前記第一方向の長さＬｃ１と、前記レンズアレイ・インテグレータの前記第一方向の長さＬｄ１と、前記取込角θと、前記第一反射部材の反射面の前記光軸方向の長さＬｍ１とが、下記式（３）を満たすことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の光源装置。

Ｌｍ１≧（Ｌｃ１－Ｌｄ１）／（２・ｔａｎθ） （３）

【請求項9】

前記光源部の前記第一反射部材の反射面と対向するように、前記光源部の中心を通過する前記第二平面に対して対称な位置に反射面が形成された第二反射部材を備えることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の光源装置。

【請求項10】

前記光源部の前記第二方向における一方の端部である第二端部側に、前記第一方向と、前記レンズアレイ・インテグレータの前記光軸方向によって規定される第三平面上に、前記光源部側から前記レンズアレイ・インテグレータ側に前記光軸方向に向かって突出するように配置された反射面が形成された第三反射部材を備え、
前記第二方向に向かって配列されたＬＥＤ素子群において隣接するそれぞれの前記ＬＥＤ素子の中心間距離のうち、最大のものを距離Ｘ２とすると、前記第三反射部材の反射面は、前記光源部の前記第二端部に配置された第二端部ＬＥＤ素子の中心から、前記第二方向における前記第二端部側において、前記距離Ｘ２以内の位置に、配置され、
前記レンズアレイ・インテグレータにおいて、前記第二端部側に配置されている前記要素レンズの取込角θの範囲に、前記第三反射部材の反射面によって反射された光が含まれることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の光源装置。

【請求項11】

前記第三反射部材の反射面は、前記第二端部ＬＥＤ素子から、前記距離Ｘ２の半分の位置に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。

【請求項12】

前記光源部の前記第二方向の長さＬｃ２と、前記レンズアレイ・インテグレータの前記第二方向の長さＬｄ２と、前記取込角θと、前記第三反射部材の反射面の前記光軸方向の長さＬｍ２とが、下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光源装置。

Ｌｍ２≧（Ｌｃ２－Ｌｄ２）／（２・ｔａｎθ） （４）

【請求項13】

前記光源部の前記第三反射部材の反射面と対向するように、前記光源部の中心を通過する第三平面に対して対称な位置に反射面が形成された第四反射部材を備えることを特徴とする請求項１０～１２のいずれか一項に記載の光源装置。

【請求項14】

第一波長の光を発する複数のＬＥＤ素子を含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載の光源装置である第一光源装置と、
前記第一波長とは異なる第二波長の光を発する複数のＬＥＤ素子を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置である第二光源装置と、
前記第一波長の光に対して透過性を有すると共に、前記第二波長の光に対して反射性を有し、前記第一光源装置及び前記第二光源装置の双方から出射された光が入射可能に配置されたダイクロイックミラーとを有することを特徴とする光源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源装置及び光源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、プロキシミティ露光やコンタクト露光、投影露光を行うための光源として、放電ランプに代わりＬＥＤ素子を使用したものが検討されている。

【0003】

例えば、特許文献１（特開２０１２－２２０６１９）には、複数のＬＥＤ素子を用いた光源装置が記載されており、個々のＬＥＤ素子から出射された光を、それぞれレンズアレイの入射面の全域に入射させ、レンズアレイ・インテグレータにより、露光面やレチクル面に対して平行光を均一に照射する構成が記載されている。

【0004】

また特許文献２（特許６１２８３４８）には、露光用の光源として、複数のＬＥＤ素子から出射された光をインテグレータ光学系の入射面に結像させ、より輝度の高い光を照射する構成が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１２－２２０６１９号公報

【文献】特許６１２８３４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、例えば、大型のディスプレイパネルの製造等において、大型露光に適合可能な光源装置が要請されている。そこで、本発明者らは、当該要請に対応すべく、光源装置について検討を行っていたところ、以下のような課題があることを見出した。以下、図面を参照しながら説明する。

【0007】

図８と図９は、従来の光源装置１００の一構成例を示す模式的な側面図である。図８に示すように、光源装置１００は、ＬＥＤ素子１０１から出射された光が、レンズ１０２に入射され、レンズ１０２から出射された光が、複数の要素レンズ１０３ｂがＸＹ平面上に配置されてなるレンズアレイ・インテグレータ１０３の入射面１０３ａに入射する。なお、以下説明においては、レンズ１０２から出射された光の光軸方向と平行な方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する平面をＸＹ平面として説明する。

【0008】

光源装置１００における、ＬＥＤ素子１０１とレンズ１０２は、ＸＹ平面上に配置されている。レンズ１０２から出射された光は、ＸＹ平面に平行な方向に徐々に広がりながらレンズアレイ・インテグレータ１０３に向かって進行する。このレンズアレイ・インテグレータ１０３は、光の均一性を高める光学部材であり、１枚のレンズアレイで構成されたものや、２枚のレンズアレイの組み合わせで構成されるものがある。（フライアイレンズとも称する）

【0009】

ここで、レンズアレイ・インテグレータ１０３の入射面１０３ａに到達した光のうち、レンズアレイ・インテグレータ１０３の構成要素である要素レンズ１０３ｂの形状によって定まる、所定の入射角（以下、「取込角θ」と称する。）の範囲内で入射したもののみが、有効に利用可能な光となる。

【0010】

図１０は、レンズアレイ・インテグレータ１０３の取込角θを説明するための模式的な図面である。ここで、要素レンズの取込角θ［°］とは、図１０に示すように、要素レンズ１０３ｂの入射面１０３ａの任意の点から要素レンズ１０３ｂの出射面１０３ｃへ光が有効に導光される入射角（要素レンズの光軸Ｏに対する角度）を示すものであり、要素レンズ１０３ｂの入射面の大きさ（Ｄ）、要素レンズの長さ（Ｌ）、レンズの材質の屈折率（ｎ’）、要素レンズ１０３ｂに入射する前に光が進行する空間の屈折率（ｎ）との関係で決まる角度である。具体的には下記数１により決定される。なお、要素レンズ１０３ｂの取込角θ［°］の範囲とは、要素レンズ１０３ｂの入射面１０３ａが受光できる入射角以内の範囲全体を示すものである。

【0011】

【数1】

【0012】

なお、レンズアレイ・インテグレータの光軸方向とは、レンズアレイ・インテグレータを構成する要素レンズの光軸に対して平行な方向であって、製造上の差異はあるものの、配置構成や曲率の差異等によらず、いずれの要素レンズの光軸で規定されても構わない。上述の説明では、図１０に示すように、任意に選択した一つの要素レンズの光軸Ｏと平行な方向が、レンズアレイ・インテグレータの光軸方向である。

【0013】

また、従来の光源装置１００は、レンズアレイ・インテグレータ１０３の端に配置される要素レンズ１０３ｂの取込角θの範囲内に、十分にＬＥＤ光が取り込まれるように設計される。例えば、光源装置１００は、図９に示すように、ＬＥＤ素子１０１やレンズ１０２の配置の幅が、レンズアレイ・インテグレータ１０３の幅に対して大きくなるような設計が行われている。

【0014】

このように構成することで、レンズアレイ・インテグレータ１０３の各要素レンズ１０３ｂの取込角θの範囲内に同等数のＬＥＤ光が取り込まれ、レンズアレイ・インテグレータ１０３から出射される光が、均一な強度分布を示すようになる。

【0015】

ところが、上記のように構成すると、端部のＬＥＤ素子１０１やレンズ１０２からの光の大部分は、レンズアレイ・インテグレータ１０３の要素レンズ１０３ｂの取込角θの範囲外に進行し、光源として利用できない。

【0016】

そうすると、上述したように、大型のディスプレイパネルの製造等において、大型露光に適合可能な光源装置が要請に対応しようとする場合、光源装置が大型化し、多数のＬＥＤ素子１０１が必要となり、さらに、レンズアレイ・インテグレータ１０３の要素レンズ１０３ｂに取り込まれない光も増えてしまうという問題が発生する。

【0017】

なお、ＬＥＤ素子から出射された光の利用効率を向上させるための構成として、上記特許文献１に記載の光源装置のように、凹レンズ等の光学系を挿入するような構成が考えられる。しかし、当該構成では、ＬＥＤ素子から出射される光の利用効率は向上するものの、光源装置を構成する部材が増えてしまうため、装置がさらに大型化してしまうという問題がある。

【0018】

本発明は、上記課題に鑑み、照射面の光の均一性を確保しつつ、コンパクトで、かつ、光源からの光をレンズアレイ・インテグレータに効率よく入射することができることが可能な光源装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明の光源装置は、
第一方向及び前記第一方向に直交する第二方向によって規定される第一平面上に配置された複数のＬＥＤ素子を備えてなる光源部と、
前記光源部のそれぞれの前記ＬＥＤ素子から出射された光が入射するように、複数の要素レンズが平面上に配置されてなるレンズアレイ・インテグレータと、
前記光源部の前記第一方向における一方の端部である第一端部側に、前記第二方向と、前記レンズアレイ・インテグレータの光軸方向によって規定される第二平面上に、前記光源部側から前記レンズアレイ・インテグレータ側に前記光軸方向に向かって突出するように反射面が形成された第一反射部材とを備え、
前記光源部は、それぞれの前記要素レンズが前記光源部のうちの、一部の前記ＬＥＤ素子から出射される光を取り込むよう、それぞれの前記要素レンズの取込角θの範囲内に複数の前記ＬＥＤ素子が配置され、
前記第一方向に向かって配列されたＬＥＤ素子群において隣接するそれぞれの前記ＬＥＤ素子の中心間距離のうち、最大のものを距離Ｘ１とすると、前記第一反射部材の反射面は、前記光源部の前記第一端部に配置された第一端部ＬＥＤ素子の中心から、前記第一方向における前記第一端部側において、前記距離Ｘ１以内の位置に配置され、
前記レンズアレイ・インテグレータにおいて、前記第一端部側に配置されている前記要素レンズの取込角θの範囲に、前記第一反射部材の反射面によって反射された光が含まれることを特徴とする。

【0020】

上記光源装置において、
前記第一反射部材の反射面は、前記第一端部ＬＥＤ素子から前記距離Ｘ１の半分の位置に配置されていても構わない。

【0021】

上記構成とすることで、第一方向において、レンズアレイ・インテグレータを構成する各要素レンズは、取込角θの範囲に同等数のＬＥＤ光を取り込む構成とすることができ、必要とされるＬＥＤの配置個数を大幅に削減でき、照射面の光均一性を確保しつつ、コンパクトで、かつ、光源部から出射された光をレンズアレイ・インテグレータに効率よく入射することが可能となる。

【0022】

特に、面光源として数千～数万個ものＬＥＤ素子を用いて構成される大型のディスプレイパネルの製造等に用いられる光源装置の場合、上記構成を採用することで数百～数千個ものＬＥＤ素子を削減することができ、光源装置全体をコンパクトに設計することができる。

【0023】

上記光源装置において、
前記ＬＥＤ素子は、前記第一方向及び前記第二方向に沿って等間隔に配置されており、
隣接するＬＥＤ素子間の中心間距離ｄと、前記取込角θ［°］と、前記ＬＥＤ素子の光出射面と前記レンズアレイ・インテグレータの入射面との離間距離Ｌ１とが、下記式（１）を満たすものであっても構わない。

Ｌ１≧２・ｄ／ｔａｎθ （１）

【0024】

上記構成とすることで、それぞれの要素レンズの入射面に対して、取込角θの範囲内で複数のＬＥＤ素子から出射された光が入射することになり、極端に光強度分布が低い部分がなくなるため、より均一性が向上された光源装置を構成することができる。

【0025】

上記光源装置において、
前記ＬＥＤ素子は、前記第一方向及び前記第二方向に沿って規則的な配置関係で設けられており、
前記第一反射部材の反射面は、隣接する前記ＬＥＤ素子と、前記第一反射部材の反射面に映し込まれる前記ＬＥＤ素子の鏡像との配置関係が、前記ＬＥＤ素子の規則的な配置関係と等しくなるよう、前記光源部に前記第一反射部材が配置されていても構わない。

【0026】

上記構成とすることで、レンズアレイ・インテグレータの入射面に対して、規則的に配置されたＬＥＤ素子から出射された光が入射することになり、さらに均一性が向上された光源装置を構成することができる。

【0027】

上記光源装置において、
前記光源部は、前記第一平面に平行な平面上に、前記複数のＬＥＤ素子に対応して配置された複数の収束光学部を備えていても構わない。

【0028】

ＬＥＤ素子の光出射面から出射される光は、発散角が大きく、レンズアレイ・インテグレータの各要素レンズの取込角θの範囲外の光が多くなってしまう。そこで、上記構成とすることで、ＬＥＤ素子から出射された光をレンズアレイ・インテグレータの入射面に入射させる前に、収束光学部によって、ＬＥＤ素子から出射された光がレンズアレイ・インテグレータの各要素レンズの取込角θの範囲内に収まるように発散角を小さくすることができる。したがって、無駄な光が少なくなるため、高効率な光源装置を構成することができる。

【0029】

上記光源装置において、
前記ＬＥＤ素子は、前記第一方向及び前記第二方向に沿って等間隔に配置されており、
隣接するＬＥＤ素子間の中心間距離ｄと、前記取込角θ［°］と、前記収束光学部の光出射面と前記レンズアレイ・インテグレータの入射面との離間距離Ｌ２とが、下記式（２）を満たすものであっても構わない。

Ｌ２≧２・ｄ／ｔａｎθ （２）

【0030】

上記構成とすることで、それぞれの要素レンズの入射面に対して、取込角θの範囲内で複数の収束光学部から出射された光が入射することになり、極端に光強度分布が低い部分がなくなるため、より均一性が向上された光源装置を構成することができる。

【0031】

上記光源装置において、
前記収束光学部は、前記第一方向及び前記第二方向に沿って規則的な配置関係で設けられており、
前記第一反射部材の反射面は、隣接する前記収束光学部と、前記第一反射部材の反射面に映し込まれる前記収束光学部の鏡像との配置関係が、前記収束光学部の規則的な配置関係と等しくなるよう、前記光源部に前記第一反射部材が配置されていても構わない。

【0032】

上記構成とすることで、レンズアレイ・インテグレータの入射面に対して、規則的に配置された収束光学部から出射された光が入射することになり、さらに均一性が向上された光源装置を構成することができる。

【0033】

上記光源装置は、
前記光源部の前記第一方向の長さＬｃ１と、前記レンズアレイ・インテグレータの前記第一方向の長さＬｄ１と、前記取込角θ［°］と、前記第一反射部材の反射面の前記光軸方向の長さＬｍ１とが、下記式（３）を満たすものであっても構わない。

Ｌｍ１≧（Ｌｃ１－Ｌｄ１）／（２・ｔａｎθ） （３）

【0034】

上記構成とすることで、第一方向において、レンズアレイ・インテグレータに向かって進行する光と、第一反射部材によって反射されてレンズアレイ・インテグレータに向かう光によって、余分な光源を配置することなく、それぞれの要素レンズの取込角θの範囲内に、ＬＥＤ素子から出射された光を入射させることができる。

【0035】

上記光源装置は、
前記光源部の前記第一反射部材の反射面と対向するように、前記光源部の中心を通過する前記第二平面に対して対称な位置に反射面が形成された第二反射部材を備えていても構わない。

【0036】

上記構成とすることで、第一方向において、光源部の両端において余分なＬＥＤ素子や収束光学部を配置する必要がなくなるため、必要とされるＬＥＤの配置個数を大幅に削減でき、照射面の光均一性を確保しつつ、コンパクトで、かつ、光源部から出射された光をレンズアレイ・インテグレータに効率よく入射することが可能となる。

【0037】

上記光源装置は、
前記光源部の前記第二方向における一方の端部である第二端部側に、前記第一方向と、前記レンズアレイ・インテグレータの前記光軸方向によって規定される第三平面上に、前記光源部側から前記レンズアレイ・インテグレータ側に前記光軸方向に向かって突出するように配置された反射面が形成された第三反射部材を備え、
前記第二方向に向かって配列されたＬＥＤ素子１０群において隣接するそれぞれの前記ＬＥＤ素子の中心間距離のうち、最大のものを距離Ｘ２とすると、前記第三反射部材の反射面は、前記光源部の前記第二端部に配置された第二端部ＬＥＤ素子の中心から、前記第二方向における前記第二端部側において、前記距離Ｘ２以内の位置に、配置され、
前記レンズアレイ・インテグレータにおいて、前記第二端部側に配置されている前記要素レンズの取込角θの範囲に、前記第三反射部材の反射面によって反射された光が含まれていても構わない。

【0038】

上記光源装置において、
前記第三反射部材の反射面は、前記第二端部ＬＥＤ素子から、前記距離Ｘ２の半分の位置に配置されていても構わない。

【0039】

上記構成とすることで、第二方向においても、レンズアレイ・インテグレータを構成する各要素レンズは、取込角θの範囲に同等数のＬＥＤ光を取り込む構成とすることができ、必要とされるＬＥＤの配置個数を大幅に削減でき、照射面の光均一性を確保しつつ、コンパクトで、かつ、光源部から出射された光をレンズアレイ・インテグレータに効率よく入射することが可能となる。

【0040】

特に、面光源として数千～数万個ものＬＥＤ素子を用いて構成される大型のディスプレイパネルの製造等に用いられる光源装置の場合、上記構成を採用することで、さらに、数百～数千個ものＬＥＤ素子を削減することができ、光源装置全体を、さらに、コンパクトに設計することができる。

【0041】

上記光源装置は、
前記光源部の前記第二方向の長さＬｃ２と、前記レンズアレイ・インテグレータの前記第二方向の長さＬｄ２と、前記取込角θ［°］と、前記第三反射部材の反射面の前記光軸方向の長さＬｍ２とが、下記式（２）を満たすものであっても構わない。

Ｌｍ２≧（Ｌｃ２－Ｌｄ２）／（２・ｔａｎθ） （４）

【0042】

上記構成とすることで、第一方向において、レンズアレイ・インテグレータに向かって進行する光と、第三反射部材によって反射されてレンズアレイ・インテグレータに向かう光によって、余分な光源を配置することなく、それぞれの要素レンズの取込角θの範囲内に、ＬＥＤ素子から出射された光を入射させることができる。

【0043】

上記光源装置は、
前記光源部の前記第三反射部材の反射面と対向するように、前記光源部の中心を通過する前記第三平面に対して対称な位置に反射面が形成された第四反射部材を備えていても構わない。

【0044】

上記構成とすることで、第二方向においても、光源部の両端において余分なＬＥＤ素子や収束光学部を配置する必要がなくなるため、必要とされるＬＥＤの配置個数を大幅に削減でき、照射面の光均一性を確保しつつ、コンパクトで、かつ、光源部から出射された光をレンズアレイ・インテグレータに効率よく入射することが可能となる。

【0045】

本発明の光源システムは、
第一波長の光を発する複数のＬＥＤ素子を含む、上記の光源装置である第一光源装置と、
前記第一波長とは異なる第二波長の光を発する複数のＬＥＤ素子を含む、上記の光源装置である第二光源装置と、
前記第一波長の光に対して透過性を有すると共に、前記第二波長の光に対して反射性を有し、前記第一光源装置及び前記第二光源装置の双方から出射された光が入射可能に配置されたダイクロイックミラーとを有することを特徴とする。

【0046】

上記構成とすることで、異なる波長の光を出射するように構成された複数の本発明の光源装置を組み合わせ、各光源装置の点灯を制御することで、用途に応じて所望の波長の均一な光を照射できるシステムを構築することができる。

【発明の効果】

【0047】

本発明によれば、照射面の光の均一性を確保しつつ、コンパクトで、かつ、光源からの光をレンズアレイ・インテグレータに効率よく入射することができることが可能な光源装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0048】

【図1A】光源装置の一実施形態をＹ方向から見たときの模式的な側面図である。

【図1B】図１Ａの光源装置をＸ方向から見たときの模式的な側面図である。

【図2】図１Ａの光源装置１を収束光学部の出射面をＺ方向から見たときの模式的な図面である。

【図3】第一反射部材の機能を説明するための模式的な図面である。

【図4】光源システムの一実施形態の構成を示す模式的な側面図である。

【図5】光源装置の別実施形態をＹ方向から見たときの模式的な側面図である。

【図6】光源部をＺ方向から見たときのＬＥＤ素子と収束光学部の配置例を示す図面である。

【図7】光源部をＺ方向から見たときのＬＥＤ素子と収束光学部の配置例を示す図面である。

【図8】従来の光源装置の一構成例を示す模式的な側面図である。

【図9】従来の光源装置の一構成例を示す模式的な側面図である。

【図10】レンズアレイ・インテグレータの取込角を説明するための模式的な図面である。

【発明を実施するための形態】

【0049】

以下、本発明の光源装置及び光源システムについて、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。

【0050】

図１Ａは、光源装置１の一実施形態の構成をＹ方向から見たときの模式的に示す側面図である。図１Ｂは、図１Ａの光源装置１を、Ｙ方向に直交するＸ方向から見たときの模式的な側面図である。図２は、図１Ａの光源装置１を収束光学部１１の出射面を、Ｘ方向及びＹ方向に直交するＺ方向から見たときの模式的な図面である。図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示すように、光源装置１は、ＸＹ平面上に配置された複数のＬＥＤ素子１０及びＸＹ平面上に、ＬＥＤ素子１０に対応して配置された複数の収束光学部１１からなる光源部２と、複数の収束光学部１１から出射された光が入射するように、複数の要素レンズ１２ｂが平面上に配置されてなるレンズアレイ・インテグレータ１２を備える。以下の図面では、破線によって一部の光線の進行が、一点鎖線によって要素レンズの端部における取込角θの範囲が模式的に図示されている。

【0051】

さらに、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、光源装置１は、Ｘ方向において対をなす第一反射部材１３及び第二反射部材１４と、Ｙ方向において対をなす第三反射部材１５及び第四反射部材１６とを備える。

【0052】

以下説明において、収束光学部１１から出射された光の光軸方向と平行な方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する平面をＸＹ平面として説明する。

【0053】

第一反射部材１３及び第二反射部材１４は、ＹＺ平面を反射面とし、相互にＸ方向に離間して配置される。本実施形態では、第一反射部材１３は、Ｘ方向に関して最も外側に位置する収束光学部１１に接触し、且つ、レンズアレイ・インテグレータ１２に向かってＺ方向に突出するように配置されており、第二反射部材１４と対向するよう配置されている。

【0054】

第三反射部材１５及び第四反射部材１６は、ＸＺ平面を反射面とし、相互にＹ方向に離間して配置される。本実施形態では、第三反射部材１５及び第四反射部材１６は、Ｙ方向に関して最も外側に位置する収束光学部１１に接触し、かつ、レンズアレイ・インテグレータ１２に向かってＺ方向に突出するように配置されている。

【0055】

図２に示すように、光源部２は、ＬＥＤ素子１０がＸ方向及びＹ方向の双方に沿って規則的に、等間隔で配列されて構成されている。複数のＬＥＤ素子１０から出射された光は、それぞれ対応する収束光学部１１の入射面に入射される。なお、所望の光強度分布を有する光を得ることができれば、ＬＥＤ素子１０は、Ｘ方向及びＹ方向のいずれの方向においても、等間隔に配置されていなくてもよく、さらには不規則な配置としても構わない。

【0056】

さらに、本実施形態における光源部２は、ＬＥＤ素子１０から出射されて入射面に入射した光の発散角を小さくするように変換して、Ｚ方向に向かって出射面から光を出射する収束光学部１１を備える。なお、光源部２は、収束光学部１１を備えず、ＬＥＤ素子１０のみで構成されていても構わない。

【0057】

本実施形態における収束光学部１１は、ＬＥＤ素子１０に対応するようにＸ方向及びＹ方向の双方に沿って等間隔に配列され、それぞれのＬＥＤ素子１０に対応するように、かつ、隣接する収束光学部１１同士が当接するように配置されているが、隣接する収束光学部１１同士は離間して配置されていても構わない。

【0058】

レンズアレイ・インテグレータ１２は、複数の要素レンズ１２ｂがＸ方向及びＹ方向にアレイ状に配置されて構成されているものとした。レンズアレイ・インテグレータ１２は、要素レンズ１２ｂの数だけ多重像を生じさせ、その後段にて、必要に応じ整理された光照射面に照射されることで、照射面上における照度分布を均一化させる機能を有する。本実施形態におけるレンズアレイ・インテグレータ１２は、複数の要素レンズ１２ｂがＸ方向及びＹ方向にアレイ状に配置されて構成されているものとしたが、例えば、六角形状等の他の形状を呈するレンズアレイ・インテグレータを採用しても構わない。

【0059】

なお、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、レンズアレイ・インテグレータ１２は、構成要素である各要素レンズ１２ｂの光軸Ｏが、Ｚ方向と平行になるように配置されている。

【0060】

ここで、光源部２の出射面、より詳細には、収束光学部１１の出射面とレンズアレイ・インテグレータ１２の入射面１２ａとの配置間隔について説明する。光源装置１から出射される光が均一な光とするためには、それぞれの要素レンズ１２ｂの入射面１２ａ全体にわたって、同じように均一な光が入射されることが好ましい。

【0061】

つまり、各要素レンズ１２ｂには、一つのＬＥＤ素子１０のみから出射された光が出射されるよりも、Ｘ方向及びＹ方向において、複数のＬＥＤ素子１０から出射され重なり合った光が入射されることが好ましい。したがって、それぞれの要素レンズ１２ｂの入射面１２ａに、複数のＬＥＤ素子１０から出射された光が入射するように光源装置１を設計する必要がある。

【0062】

上述の構成とするために、光源装置１は、Ｘ方向及びＹ方向において、収束光学部１１の出射面とレンズアレイ・インテグレータ１２の入射面１２ａとの離間距離Ｌ２が、隣接するＬＥＤ素子１０間の中心間距離ｄと、取込角θ［°］について、「課題を解決するための手段」の項目で記載した式（２）を満たすように設計される。なお、参照のため、同式（２）を下記する。

Ｌ２≧２・ｄ／ｔａｎθ （２）

【0063】

なお、光源部２が、ＬＥＤ素子１０のみで構成されている場合、図示はしないが、光源装置１は、Ｘ方向及びＹ方向において、ＬＥＤ素子１０の出射面とレンズアレイ・インテグレータ１２の入射面１２ａとの離間距離Ｌ１が、隣接するＬＥＤ素子１０間の中心間距離ｄと、取込角θ［°］について、「課題を解決するための手段」の項目で記載した式（１）を満たすように設計される。なお、参照のため、同式（１）を下記する。

Ｌ１≧２・ｄ／ｔａｎθ （１）

【0064】

図３は、反射部材の機能を説明するための模式的な図面である。説明の便宜上、図３では、図１Ａの光源装置１をＹ方向から見たときの構成に、仮想的なＬＥＤ素子（第一仮想ＬＥＤ素子１０ｂ）と、この第一仮想ＬＥＤ素子１０ｂに対応する仮想的な収束光学部（第一仮想収束光学部１１ｂ）とが併せて図示されている。第一仮想収束光学部１１ｂは、第一端部収束光学部１１ａに対してＸ方向に隣接する収束光学部１１を、第一端部収束光学部１１ａを基準としてＸ方向に仮想的に線対称移動させた収束光学部に対応する。

【0065】

第一反射部材１３と第二反射部材１４は、図３に示すように、Ｘ方向に配列されている収束光学部１１群において、端部に配置されている第一端部収束光学部１１ａの側面に反射面が当接して配置されている。ここで、Ｘ方向に配列されている収束光学部１１群において、第一端部収束光学部１１ａよりもさらに外側に隣接するように配置された、第一仮想収束光学部１１ｂを想定する。

【0066】

このとき、第一反射部材１３及び第二反射部材１４は、第一仮想収束光学部１１ｂと、第一端部収束光学部１１ａとのＸ方向に係る中間の位置、すなわち、第一端部収束光学部１１ａからＸ方向に向かって配列された収束光学部１１の中心間距離の半分の位置に反射面が配置される。なお、第一反射部材１３及び第二反射部材１４は、第一端部ＬＥＤ素子１０ａからＸ方向に向かって配列されたＬＥＤ素子１０の中心間距離ｄの半分の位置に、第一反射部材１３及び第二反射部材１４反射面が配置される構成としても構わない。

【0067】

第三反射部材１５及び第四反射部材１６は、上述の第一反射部材１３及び第二反射部材１４の説明と同様に、Ｙ方向に配列されている収束光学部１１群において、端部に配置されている第二端部収束光学部の側面に反射面が当接して配置されている。ここで、同様に、Ｙ方向に配列されている収束光学部１１群において、第二端部収束光学部よりもさらに外側に隣接するように配置された、第二仮想収束光学部を想定する。

【0068】

このとき、第三反射部材１５及び第四反射部材１６は、第二仮想収束光学部と、第二端部収束光学部とのＹ方向に係る中間の位置、すなわち、Ｙ方向に向かって配列されたＬＥＤ素子１０群において隣接するそれぞれのＬＥＤ素子１０の中心間距離ｄの半分の位置に反射面が配置される。そして、同様に、それぞれのＬＥＤ素子１０に対応するように収束光学部１１が配置されているため、第三反射部材１５及び第四反射部材１６は、第二端部ＬＥＤ素子からＹ方向に向かって配列されたＬＥＤ素子１０の中心間距離ｄの半分の位置に、第三反射部材１５及び第四反射部材１６の反射面が配置されることにもなる。

【0069】

なお、上述したように、ＬＥＤ素子１０と収束光学部１１は、Ｘ方向及びＹ方向において、等間隔に配置されていなくても構わない。この場合は、第一反射部材１３及び第二反射部材１４の反射面は、第一端部収束光学部１１ａとのＸ方向に係る距離が、Ｘ方向に向かって配置されたＬＥＤ素子１０群のそれぞれの中心間距離の内の、最大の距離である距離Ｘ１以内の位置に配置されていればよい。そして、第三反射部材１５及び第四反射部材１６の反射面は、第二端部収束光学部とのＹ方向に係る距離が、Ｙ方向に向かって配置されたＬＥＤ素子１０群のそれぞれの中心間距離の内の、最大の距離である距離Ｙ１以内の位置に配置されていればよい。

【0070】

本実施形態の光源装置１は、レンズアレイ・インテグレータ１２から収束光学部１１の出射面を見たときに、レンズアレイ・インテグレータ１２が光を取り込める領域内において、収束光学部１１が等間隔に配列されている。

【0071】

さらに、第一反射部材１３、第二反射部材１４、第三反射部材１５及び第四反射部材１６によって、Ｘ方向及びＹ方向に対して同じ間隔で同じ配列のＬＥＤ素子１０と収束光学部１１の像が映し出される。これにより、等間隔に配置された第一端部収束光学部１１ａ及び第二端部収束光学部の外側に補完用のＬＥＤ素子や収束光学部が配置されているのと同じ効果を得ることができる。

【0072】

例えば、図３に示す＋Ｘ側に位置する第一端部収束光学部１１ａに着目すると、この第一端部収束光学部１１ａから出射された光は、±Ｘ方向に拡がりながら進行する。このとき、＋Ｘ方向に拡がりながら進行した光の一部は第一反射部材１３によって反射された後、－Ｘ方向に進行方向を変化させ、レンズアレイ・インテグレータ１２の入射面に入射される。すなわち、収束光学部１１から出射された光のうち、第一反射部材１３が存在しなければレンズアレイ・インテグレータ１２に入射されなかった光を、レンズアレイ・インテグレータ１２に取込角θの範囲で入射させることができる。

【0073】

一方で、第一反射部材１３が存在しなければ、レンズアレイ・インテグレータ１２の各要素レンズ１２ｂの入射面に対して同等の強度で光を入射させるためには、図３に図示した第一仮想ＬＥＤ素子１０ｂ及び第一仮想収束光学部１１ｂの位置に、実際のＬＥＤ素子１０及び収束光学部１１を設ける必要がある。すなわち、本実施形態の光源装置１によれば、ＬＥＤ素子１０及び収束光学部１１の配置数を減らすことができる。

【0074】

以上より、レンズアレイ・インテグレータ１２の入射面の全体に、Ｘ方向及びＹ方向の双方に沿って等間隔に整列した光が入射されることとなり、均質な光を入射させることができる。光源装置１は、必要最小限のＬＥＤ素子１０と収束光学部１１で構成され、小型で、かつ、広範囲にわたって均質性が向上された光を照射することができる。

【0075】

なお、本実施形態においては、第一反射部材１３及び第二反射部材１４によって反射されてレンズアレイ・インテグレータ１２の入射面に到達する光は、第一反射部材１３及び第二反射部材１４によって一回のみの反射で到達するように構成されているが、複数回の反射を繰り返して、レンズアレイ・インテグレータ１２の入射面に到達するように構成されていても構わない。

【0076】

より具体的には、例えば－Ｘ側に位置する第一端部収束光学部１１ａから出射した光が、この第一端部収束光学部１１ａに－Ｘ方向に近接して配置された一方の第一反射部材１３で反射して＋Ｘ方向に進行方向を変化させた後、＋Ｘ方向に離間して配置された他方の第一反射部材１３で反射して再び－Ｘ方向に進行方向を変化させた後に、レンズアレイ・インテグレータ１２の入射面に入射されるものとしても構わない。Ｙ方向についても同様である。

【0077】

光源部２から出射される光の利用効率を向上させつつ、光源装置１全体を大型化させないために、それぞれの反射部材（１３，１４）は、必要最小限の大きさで構成することが好ましい。その一例として、光源装置１は、第一反射部材１３及び第二反射部材１４の反射面のＺ方向の長さＬｍ１が、光源部２のＸ方向の長さＬｃ１と、レンズアレイ・インテグレータ１２のＸ方向の長さＬｄ１と、取込角θ［°］について、「課題を解決するための手段」の項目で記載した式（３）を満たすように設計される。なお、参照のため、式（３）を下記する。

Ｌｍ１≧（Ｌｃ１－Ｌｄ１）／（２・ｔａｎθ） （３）

【0078】

なお、第三反射部材１５及び第四反射部材１６に関しては、図示はしないが、光源装置１は、同様に、第三反射部材１５及び第四反射部材１６の反射面のＺ方向の長さＬｍ２が、光源部２のＹ方向の長さＬｃ２と、レンズアレイ・インテグレータ１２のＹ方向の長さＬｄ２と、取込角θ［°］について、「課題を解決するための手段」の項目で記載した式（４）を満たすように設計される。なお、参照のため、式（４）を下記する。

Ｌｍ２≧（Ｌｃ２－Ｌｄ２）／（２・ｔａｎθ） （４）

【0079】

光源部２の長さ（Ｌｃ１，Ｌｃ２）は、Ｚ方向から光源部２を見たときに光を出射して見える、発光領域全体におけるＸ方向及びＹ方向についての一端部から他端部までの距離である。本実施形態においては、光源部２が収束光学部１１を備える構成であるため、Ｚ方向から光源部を見たときは、収束光学部１１の光出射面全体が発光領域となる。この場合、光源部２の長さ（Ｌｃ１，Ｌｃ２）は、図３に示すように、光源部２を構成する複数の収束光学部１１の光出射面における、Ｘ方向及びＹ方向の一端部から他端部までの距離となる。

【0080】

そして、光源部２がＬＥＤ素子１０のみを備える構成の場合、光源部２の長さ（Ｌｃ１，Ｌｃ２）は、複数のＬＥＤ素子１０の発光面で構成される光源部２の発光領域全体における、Ｘ方向及びＹ方向の一端部から他端部までの距離となる。

【0081】

また、以上の説明では、それぞれの反射部材（１３，１４，１５，１６）が独立して構成された光源装置１で説明をしたが、それぞれの反射部材（１３，１４，１５，１６）は、一部、又は全部が結合されて構成されていても構わない。

【0082】

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

【0083】

〈１〉 図４は、光源システム４の一実施形態の構成を示す模式的な側面図である。図４に示すように、光源システム４は、三つの光源装置（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）とダイクロイックミラー（４０Ｂ，４０Ｃ）を備えていても構わない。ここで、光源装置１Ａが備えるＬＥＤ素子１０の発光波長λ_a（第一波長）、光源装置１Ｂが備えるＬＥＤ素子１０の発光波長λ_b（第二波長）、及び光源装置１Ｃが備えるＬＥＤ素子１０の発光波長λ_c（第三波長）は、それぞれ異なる値である。

【0084】

それぞれの光源装置（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）は、全てダイクロイックミラー（４０Ｂ，４０Ｃ）に向けて光を全出射するように配置されている。ダイクロイックミラー４０Ｂは、光源装置１Ｂから出射される波長λ_bの光に対して反射性を有し、光源装置１Ａから出射される波長λ_aの光及び光源装置１Ｃから出射される波長λ_cに光に対し透過性を有する。ダイクロイックミラー４０Ｃは、波長λ_cの光に対して反射性を有し、波長λ_aの光及び波長λ_bの光に対し透過性を有するダイクロイックミラー４０Ｃの組み合わせからなる。

【0085】

上記構成とすることで、光源装置１Ａから出射された光は、ダイクロイックミラー（４０Ｂ、４０Ｃ）を透過して、そのまま出射される。光源装置１Ｂから出射された光は、ダイクロイックミラー４０Ｂによって反射されて、光源装置１Ａの光出射方向と同じ方向に導光されて出射される。光源装置１Ｃから出射された光は、ダイクロイックミラー４０Ｃによって反射されて、光源装置１Ａの光出射方向と同じ方向に導光されて出射される。

【0086】

したがって、光源システム４は、照射対象物に応じて、照射する光を選択して出射させることができ、また、各光源装置（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）から出射された光を重畳させて出射させることもできる。

【0087】

〈２〉 収束光学部１１は隣接する他の収束光学部１１と離間して配置されていても構わない。また、第一反射部材１３及び第二反射部材１４の反射面は、第一端部収束光学部１１ａ及び第二端部収束光学部と離間して配置されていても構わない。図５は、この別実施形態の光源装置１を図３に倣って図示したものである。

【0088】

この場合は、図５に示すように、第一端部ＬＥＤ素子１０ａと第一反射部材１３及び第二反射部材１４の反射面との間隔が、隣接するＬＥＤ素子１０同士の中心間距離ｄの半分に位置、又は第一端部収束光学部１１ａと第一反射部材１３及び第二反射部材１４の反射面との間隔が、収束光学部１１同士の中心間距離の半分に位置に設定されるのが好ましい。

【0089】

これにより、図３を参照して説明したのと同様の理由により、等間隔に配置された第一端部ＬＥＤ素子１０ａ、又は第一端部収束光学部１１ａの外側に、補完用のＬＥＤ素子１０１やレンズ１０２が配置されているのと同じ効果を得ることができる。このことは、Ｙ方向についても同様である。

【0090】

〈３〉 図６及び図７は、光源部２をＺ方向に見からときのＬＥＤ素子１０と収束光学部１１の配置例を示す図面である。図６に示すように、それぞれの反射部材（１３，１４，１５，１６）がＺ方向から見たときに、ＬＥＤ素子１０、又は収束光学部１１と重複するように配置されていてもよい。

【0091】

さらに、Ｘ方向において、それぞれの反射部材（１３，１４）の反射面は、第一端部ＬＥＤ素子の中心から、Ｘ方向にむかって配列されているＬＥＤ素子１０群において、それぞれの第一端部ＬＥＤ素子１０ａ、又は第一端部収束光学部１１ａから、隣接するそれぞれのＬＥＤ素子１０の中心間距離ｄのうち、最大の距離以内の位置に配置されていればよい。したがって、図６に示すように、光源部２をＺ方向から見たときに、第一端部ＬＥＤ素子１０ａ、又は第一端部収束光学部１１ａの中心と一致するように、それぞれの反射部材（１３，１４）の反射面が配置されていても構わない。このことは、Ｙ方向についても同様である。なお、このような配置をする場合は、図６及び図７にも示すように、端部に配置される収束光学部１１は、それぞれの反射部材（１３，１４，１５，１６）と当接して配置するために、半分や１／４にカットしたものを用いても構わない。

【0092】

また、光源部２のＬＥＤ素子１０と収束光学部１１は、図７に示すような配置をしていても構わない。図７からもわかるように、当該配置においても、ＬＥＤ素子１０及び収束光学部１１は、Ｘ方向及びＹ方向に向かってＬＥＤ素子１０群及び収束光学部が整列している。

【0093】

〈４〉 上述した光源装置１が備える構成は、あくまで一例であり、本発明は、図示された各構成に限定されない。

【符号の説明】

【0094】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ ： 光源装置
２ ： 光源部
４ ： 光源システム
１０ ： ＬＥＤ素子
１０ａ ： 第一端部ＬＥＤ素子
１０ｂ ： 第一仮想ＬＥＤ素子
１１ ： 収束光学部
１１ａ ： 第一端部収束光学部
１１ｂ ： 第一仮想収束光学部
１２ ： レンズアレイ・インテグレータ
１２ａ ： 入射面
１２ｂ ： 要素レンズ
１３ ： 第一反射部材
１４ ： 第二反射部材
１５ ： 第三反射部材
１６ ： 第四反射部材
４０Ｂ，４０Ｃ ： ダイクロイックミラー
１００ ： 光源装置
１０１ ： ＬＥＤ素子
１０２ ： レンズ
１０３ ： レンズアレイ・インテグレータ
１０３ａ ： 入射面
１０３ｂ ： 要素レンズ
１０３ｃ ： 出射面
θ ： 取込角

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】