特許 7185193 光源装置

(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】2022-11-29

(45)【発行日】2022-12-07

(54)【発明の名称】光源装置

(51)【国際特許分類】

   F21S 2/00 20160101AFI20221130BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20221130BHJP

   F21V 14/06 20060101ALI20221130BHJP

   F21V 8/00 20060101ALI20221130BHJP

   F21V 19/02 20060101ALI20221130BHJP

   F21V 17/00 20060101ALI20221130BHJP

   G03F 7/20 20060101ALI20221130BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20221130BHJP

【ＦＩ】

F21S2/00 355

F21S2/00 330

F21V5/04 350

F21V14/06

F21V8/00 300

F21V19/02 200

F21V17/00 200

G03F7/20 501

F21Y115:10

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021004793

(22)【出願日】2021-01-15

(62)【分割の表示】P 2016009241の分割

【原出願日】2016-01-20

(65)【公開番号】P2021073652

(43)【公開日】2021-05-13

【審査請求日】2021-01-18

(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】松島 竹夫

(72)【発明者】

【氏名】尾前 靖

(72)【発明者】

【氏名】多田 元典

【審査官】野木 新治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１７０１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０５１２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１０２３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１１８１２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ５／０４

Ｆ２１Ｖ １４／０６

Ｆ２１Ｖ ８／００

Ｆ２１Ｖ １９／０２

Ｆ２１Ｖ １７／００

Ｇ０３Ｆ ７／２０

Ｆ２１Ｙ １１５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のＬＥＤ素子が所定の平面上に配置された光源部と、
前記複数のＬＥＤ素子のそれぞれに対応して配置された複数のコリメートレンズを含み、前記光源部の前記複数のＬＥＤ素子から射出された光をそれぞれコリメートする第一光学系と、
前記第一光学系から射出された複数の光を集光する第二光学系とを備え、
前記光源部と前記第一光学系の少なくとも一方に、前記光源部と前記第一光学系との相対的な位置関係を調整して前記第二光学系による集光位置を補正するための調整機構が備えられており、
前記調整機構は、前記光源部と前記第一光学系の少なくとも一方を、前記所定の平面に平行な平面を構成する２方向と、前記所定の平面に平行な平面上における回転方向の合計３方向に移動可能に構成されている ことを特徴とする光源装置。

【請求項2】

前記調整機構は、前記所定の平面に直交する方向から見て、前記複数のＬＥＤ素子が配置されている領域よりも外側の位置にのみ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】

前記複数のＬＥＤ素子は、前記所定の平面に直交する方向から見て、最も外側に位置する前記複数のＬＥＤ素子によって囲まれる領域の内側において、実質的に等間隔で配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光源装置。

【請求項4】

前記光源部が収容されたＬＥＤボードと、
前記第一光学系が収容されたレンズホルダと、を備え、
前記ＬＥＤボードと前記レンズホルダの少なくとも一方に、前記光源部と前記第一光学系との相対的な位置関係を調整する調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光源装置。

【請求項5】

入射面が前記第二光学系の焦点位置に配置されたインテグレータ光学系を備え、
前記調整機構は、前記光源部と前記第一光学系との相対的な位置関係を調整することで、前記インテグレータ光学系の前記入射面上における前記第二光学系による集光位置を補正可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。

【請求項6】

前記調整機構が前記ＬＥＤボードに付設されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の光源装置。

【請求項7】

前記調整機構が前記レンズホルダに付設されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の光源装置。

【請求項8】

前記インテグレータ光学系は、前記入射面から入射された光を、内側面で反射を繰り返させながら射出面へと導く導光部材で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。

【請求項9】

前記インテグレータ光学系は、複数のレンズがマトリクス状に配置されたフライアイレンズで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源装置に関し、特に、複数のＬＥＤ素子を備えた光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光を活用した光処理技術が多様な分野で利用されている。例えば、光を用いた微細加工に露光装置が利用されている。近年では、露光技術は種々の分野で展開されており、微細加工の中でも比較的大きなパターンの作製や三次元的な微細加工に利用されている。より具体的には、例えばＬＥＤの電極パターンの作製や、加速度センサーに代表されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の製造工程などに露光技術が利用されている。

【0003】

これらの光処理技術において、光源としては、以前から輝度の高い放電ランプが用いられていた。しかし、近年の固体光源技術の進歩に伴い、複数のＬＥＤ素子が配置されたものを光源として利用することが検討されている。このような技術として、例えば特許文献１には、複数のＬＥＤ素子からなるユニットを光源とし、この光源とマスクの間にフライアイレンズが配置された露光装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－３３５９５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

光源をランプで構成した光源装置と比較して、光源をＬＥＤ素子で構成する場合には放射光束が少ない。このため、高い光出力を実現する光源装置を構成するためには、複数のＬＥＤ素子からの射出光をできる限り集める必要がある。このとき、複数のＬＥＤ素子と、その後の光学系との間に位置ずれが生じると、光を利用する目的とする光学系に対して十分な光量の光を導くことができない。このような位置ずれは、程度の多少こそあれ、不可避的に発生する。

【0006】

本発明は、上記の課題に鑑み、複数のＬＥＤ素子を備えた光源装置であって、位置ずれに伴う照度の低下を抑制することのできる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】

【0007】

本発明に係る光源装置は、
複数のＬＥＤ素子が配置された光源部と、
前記光源部から射出された光をそれぞれコリメートする第一光学系と、
前記第一光学系から射出された複数の光を集光する第二光学系とを備え、
前記光源部と前記第一光学系の少なくとも一方に、前記光源部と前記第一光学系との相対的な位置関係を調整するための調整機構が備えられていることを特徴とする。

【0008】

前述したように、一つのＬＥＤ素子から射出される光は、ランプに比べて輝度が小さい。このため、例えば露光装置など、多くの光を必要とする用途の光源に利用されることを想定した場合には、なるべく輝度を落とすことなく、多くのＬＥＤ素子の光を集めることが重要となる。

【0009】

上記構成によれば、複数のＬＥＤ素子から射出された光を、第一光学系においてコリメートした後に、集光している。これにより、各ＬＥＤ素子からの射出光を、集光位置で結像させることができる。また、各ＬＥＤ素子からの射出光は、コリメートレンズ（第一光学系）の配置を調整することで射出された光束同士の間隔を狭めることができ、非発光領域の少ない光源が構成される。これにより、輝度の高い光源装置が実現される。

【0010】

そして、このような構成において、仮に光源部と第一光学系との間に、位置ずれが生じた場合、第二光学系の後段に導かれる光量が減少することが想定される。具体的には、例えば、各ＬＥＤ素子と、これに対応するコリメートレンズ（第一光学系）との間の位置関係に、個々にずれが生じていると、第二光学系の集光位置がずれてしまい、第二光学系の後段に効率よく光を導くことが難しくなる。この結果、第二光学系の後段に導かれる光量が減少し、例えば露光装置として利用する場合には露光面に対する照度が低下する。

【0011】

上記の構成によれば、光源部と第一光学系との相対的な位置関係を調整する調整機構が備えられている。このため、光源部に含まれる各ＬＥＤ素子と、これに対応するコリメートレンズ（第一光学系）との間に位置ずれが生じた状態で光源装置が設置された場合であっても、調整機構を介して調整することで、第二光学系による集光位置のずれを補正することができ、第二光学系の後段に効率的に光が導かれる。

【0012】

前記複数のＬＥＤ素子は、所定の平面上に配置されており、
前記調整機構は、前記所定の平面に平行な方向に関して、前記光源部と前記第一光学系との相対的な位置関係を調整可能に構成されているものとしても構わない。

【0013】

また、前記調整機構は、前記所定の平面に平行な平面上において、前記光源部又は前記第一光学系の少なくとも一方を回転可能に構成されているものとしても構わない。

【0014】

また、具体的な態様として、前記光源部が収容されたＬＥＤボードを有し、前記調整機構が前記ＬＥＤボードに付設されているものとしても構わないし、前記第一光学系が収容されたレンズホルダを有し、前記調整機構が前記レンズホルダに付設されているものとしても構わない。

【0015】

また、上記の構成において、入射面が前記第二光学系の焦点位置に配置されたインテグレータ光学系を備えるものとしても構わない。

【0016】

ＬＥＤ素子から射出される光は、ランプと比べると放射光束が少ない。このため、例えば露光用の光源装置として使用するためには、複数のＬＥＤ素子からの射出光をできる限り集める必要がある。このためには、光源として配置されるＬＥＤ素子の個数を増やす必要がある。

【0017】

ところで、ＬＥＤ素子は、電源供給のための配線パターンが不可欠であるため、ＬＥＤ素子自体を完全に密接して配置することができない。つまり、複数のＬＥＤ素子を配置するに際しては、隣接するＬＥＤ素子同士に一定の間隔を空けざるを得ない。この間隔を形成する領域は、光を射出しない領域（非発光領域）を構成する。このため、単に複数のＬＥＤ素子を配置し、各ＬＥＤ素子からの射出光を集光したとしても、非発光領域が不可避的に生じてしまう。よって、複数のＬＥＤ素子から射出された光を単に集光しただけでは、照射面での輝度の低下を招いてしまう。

【0018】

上記構成によれば、複数のＬＥＤ素子から射出された光を、第一光学系においてコリメートした後に、集光している。これにより、各ＬＥＤ素子からの射出光を、集光位置で結像させることができる。また、各ＬＥＤ素子からの射出光は、コリメートレンズ（第一光学系）の配置を調整することで、射出された光束同士の間隔を狭めることができ、非発光領域の少ない光源が構成される。これにより、輝度の高い光源装置が実現される。

【0019】

また、前記インテグレータ光学系は、前記入射面から入射された光を、内側面で反射を繰り返させながら射出面へと導く導光部材で構成されるものとしても構わない。

【0020】

この構成によれば、導光部材の入射面に対して、放射強度の高い光が集光されるため、導光部材の射出面から、輝度が高く照度分布が均一化された光を射出することができる。なお、導光部材としては、例えばロッドインテグレータやライトトンネルで構成することができる。

【0021】

また、前記インテグレータ光学系は、複数のレンズがマトリクス状に配置されたフライアイレンズで構成されるものとしても構わない。

【0022】

フライアイレンズによって、照射面における照度分布を均一化させることができる。これにより、輝度が高く照度分布が均一化された光源装置が実現できる。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、複数のＬＥＤ素子を備えた光源装置において、光学系とＬＥＤ素子との間の位置ずれが生じた場合であっても、位置ずれに伴う輝度や照度の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】光源装置の光学系の一例を模式的に示す図面である。

【図2】光源部と第一光学系との配置関係の一例を模式的に示す図面である。

【図3】光源部と第一光学系との配置関係の一例を模式的に示す図面である。

【図4】光源部と第一光学系との配置関係の一例を模式的に示す図面である。

【図5A】位置調整前における、ロッドインテグレータの入射面における像を模式的に示す図面である。

【図5B】第一段階の調整を行った後の、ロッドインテグレータの入射面における像を模式的に示す図面である。

【図5C】第二段階の調整を行った後の、ロッドインテグレータの入射面における像を模式的に示す図面である。

【図5D】第三段階の調整を行った後の、ロッドインテグレータの入射面における像を模式的に示す図面である。

【図6A】光源部と第一光学系との配置関係の一例を模式的に示す図面である。

【図6B】光源部と第一光学系との配置関係の一例を模式的に示す図面である。

【図7】光源装置の光学系の一例を模式的に示す図面である。

【図8】露光装置の構成の一例を模式的に示す図面である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の光源装置につき、図面を参照して説明する。なお、各図における寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。

【0026】

図１は、光源装置の光学系の一例を模式的に示す図面である。光源装置１は、光源部２と、第一光学系５と、第二光学系７と、インテグレータ光学系８とを備える。なお、本実施形態における光源装置１では、光源部２がＬＥＤボード２２に収容されており、第一光学系５がレンズホルダ２３に収容されている。図１には図示されていないが、このＬＥＤボード２２とレンズホルダ２３とは、相互間の相対的な位置関係を調整することができるように構成されている。具体的な構成の一例は後述される。

【0027】

光源部２は、複数のＬＥＤ素子３を含む。本実施形態では、一例として複数のＬＥＤ素子３は、所定の平面上に配置されている。ただし、本発明において、複数のＬＥＤ素子３の配置態様は、どのようなものであっても構わない。

【0028】

第一光学系５は、複数のＬＥＤ素子３から射出された光をそれぞれコリメートする光学系であり、各ＬＥＤ素子３に対応して複数のコリメートレンズ６が配置されて構成されている。

【0029】

第二光学系７は、第一光学系５から射出された光を、第二光学系７の焦点７ｆに集光する光学系である。

【0030】

本実施形態では、インテグレータ光学系８がロッドインテグレータ９によって構成されている。ロッドインテグレータ９は、その入射面９ａが、第二光学系７の焦点７ｆの位置になるように配置されている。ただし、本明細書では、「焦点位置に配置する」とは、完全に焦点の位置に一致する場合の他、焦点距離に対して光軸１１に平行な方向に±１０％の距離だけ移動した位置を含む概念であるものとする。なお、図１における光軸１１とは、インテグレータ光学系８の入射面、すなわちロッドインテグレータ９の入射面９ａに対して直交する軸としている。

【0031】

ロッドインテグレータ９は、入射面９ａに入射された光を、側面で全反射を繰り返させながら射出面９ｂへと導くことで、射出面９ｂにおける光の照度分布を均一化する機能を有する導光部材（光ガイド）の一例である。このような導光部材は、例えば、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる柱状部材、内面が反射鏡で構成された中空部材等で構成される。後者の構成のものは、特にライトトンネルと称されることがある。なお、導光部材は、その内部において、光軸に平行な方向に複数の光路が分割されて構成されていても構わない。

【0032】

図２、図３、及び図４は、それぞれ光源部２と第一光学系５との配置関係の一例を示す図面である。図２に示す例では、光源部２が収容されたＬＥＤボード２２と、第一光学系５が収容されたレンズホルダ２３とが、ネジ等で一体的に保持されている。なお、図２では、ネジとは別に設けられたクランピングスクリュー４１が図示されている。このクランピングスクリュー４１が、調整機構の一例である。

【0033】

図３は、図２の内部をＬＥＤボード２２側から見たときの模式的な平面図の一例である。また、図４は、図２の内部を模式的に示した斜視図である。この例では、ＬＥＤボード２２とレンズホルダ２３とが、３本のクランピングスクリュー４１と、２本のボールプランジャ４２とで位置関係の調整が可能に構成されている。なお、図４では、図示の都合上、クランピングスクリュー４１の一部と、ボールプランジャ４２とが図示されていない。

【0034】

ボールプランジャ４２には、バネが内蔵されている。ＬＥＤボード２２とレンズホルダ２３との間のネジ止めを少し緩めた状態で、３箇所のクランピングスクリュー４１を押し引きすると、ボールプランジャ４２の先端の剛球が移動する。この移動により、ＬＥＤボード２２とレンズホルダ２３の相対的な位置関係を調整することができる。具体的には、図３に示すような、Ｘ方向の移動、Ｙ方向の移動、及びθ方向の回転移動が可能である。なお、ここでいうＸ方向とＹ方向とで構成される平面（ＸＹ平面）上に、複数のＬＥＤ素子３が配置されている。

【0035】

実際に、光源部２を構成する複数のＬＥＤ素子３を点灯させた状態で、調整機構（この例ではクランピングスクリュー４１）を操作して、ＬＥＤボード２２とレンズホルダ２３の相対的な位置関係を調整しながら、ロッドインテグレータの入射面９ａにおける像を測定した。図５Ａ～図５Ｄの各図は、各時点における像の写真を、模式的に図示したものである。各図において、基準となる領域を符号６１で示し、像として現れている領域を符号６０で示している。また、像６０の中心となる位置を符号６２で示している。ここでは、光源部２が、８０ｍｍ□の領域内に８５個のＬＥＤ素子３が配置されて構成されているものとした。

【0036】

一例として、クランピングスクリュー４１は、１周させることで０．４ｍｍ前後方向に移動し、１／４周させることで０．１ｍｍ移動させることができる。また、図３に示したように、同一の辺上に設けられている２つのクランピングスクリュー４１を相対的に移動させることで、ＬＥＤボード２２に対してレンズホルダ２３を回転させることができる。一例として、上記２つのクランピングスクリュー４１の間隔を６０ｎｍとすると、８０ｍｍ□の光源部２を１°回転させるためには、上記２つのクランピングスクリュー４１の相対的な位置関係を約１ｍｍ、（２周半）ずらすことで実現できる。このとき、上記２つのクランピングスクリュー４１のうちの、一方のクランピングスクリュー４１のみを前進又は後退させることで、相対的な位置関係をずらすものとしても構わないし、一方を前進させ、他方を後退させることで、相対的な位置関係をずらすものとしても構わない。

【0037】

図５Ａは例えば初期時に対応する。図５Ａによれば、像の中心６２が基準領域６１の中心Ｏからずれていることが分かる。また、像６０が円形状を示しており、像６０がぼやけていることから、各ＬＥＤ素子３からの光がほぼ同一の箇所に集光されている状態とまではいえないことが分かる。このような状況は、光源部２と第一光学系３との間で位置ずれが生じていることを示唆するものである。

【0038】

図５Ｂは、図５Ａの状態から、調整機構を操作することで、ＬＥＤボード２２に対してレンズホルダ２３を１°回転移動させた後に、測定された結果である。図５Ｂに示される像６０は、光源部２の形状に対応した矩形形状を示しており、図５Ａの状態と比較して像がはっきりと映し出されていることが分かる。これにより、ＬＥＤ素子３の中心と、対応するコリメートレンズ６の光軸とが、図５Ａの状態よりも接近したことが分かる。

【0039】

図５Ｃは、図５Ｂの状態から、更に調整機構を操作することで、ＬＥＤボード２２に対してレンズホルダ２３をＸ方向に０．２ｍｍ移動させた後に、測定された結果である。また、図５Ｄは、図５Ｃの状態から、更に調整機構を操作することで、ＬＥＤボード２２に対してレンズホルダ２３をＹ方向に０．２ｍｍ移動させた後に、測定された結果である。。図５Ｂの状態と比較して、図５Ｃの状態では像６０の中心６２の位置が基準領域６１の中心Ｏに近づいており、図５Ｄの状態では、この像６０の中心６０が、更に基準領域６１の中心Ｏに近づいている。

【0040】

このように、調整機構を操作することで、複数のＬＥＤ素子３から射出された光をほぼ一点に集めることができるようになると共に、その集光位置を調整することが可能となる。特に、ロッドインテグレータ９の光入射面９ａの中心箇所に、集光位置を移動させることで、ロッドインテグレータ９の光射出面９ｂ上に照度の高い光を導くことができる。

【0041】

なお、本実施形態では、調整機構としてクランピングスクリュー４１を用いる場合について説明したが、調整機構はこの構成に限られない。例えば、図６Ａに示すようにカム４４を用いるものとしても構わないし、ピン４５を用いるものとしても構わない。図６Ａの構成においては、カム４４の回転軸をレンズホルダ２３又はＬＥＤボード２２に取り付けるものとして構わない。また、図６Ｂの構成においては、ピン４５のベース部をレンズホルダ２３又はＬＥＤボード２２に取り付けるものとして構わない。

【0042】

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

【0043】

〈１〉図７に示すように、インテグレータ光学系８がフライアイレンズ１０で構成されていても構わない。この場合においても、フライアイレンズ１０の入射面には高輝度の光が集光され、フライアイレンズ１０からは高輝度の光が射出される。なお、上述した別の構成において、インテグレータ光学系８をフライアイレンズ１０で構成しても構わない。

【0044】

〈２〉上述した光源装置１は、露光装置やプロジェクタ用の光源として利用することができる。図８は、光源装置１を含む露光装置の構成を模式的に示す図面である。

【0045】

露光装置１９は、インテグレータ光学系８の後段に投影光学系１５及びマスク１６を備え、必要に応じて投影レンズ１７を備える。投影光学系１５によって投影される位置にマスク１６を設置し、マスク１６の後段にマスク１６のパターン像を焼き付ける対象となる感光性基板１８を設置する。この状態で、光源部２から光が射出されると、この光が第二光学系７によって集光された後、ロッドインテグレータ９で照度分布が均一化された光として、投影光学系１５に照射される。投影光学系１５は、この光を、マスク１６のパターン像を直接又は投影レンズ１７を介して感光性基板１８上に投影する。

【0046】

光源装置１が露光装置１９に用いられる場合、ＬＥＤ素子３として紫外光発光素子が用いられることが多い。このように、ＬＥＤ素子３から射出される光が紫外光の場合、像を視認することができない。このような場合には、インテグレータ光学系８の光入射面（ロッドインテグレータ９の光入射面９ａ）に蛍光体を塗布したプレートを配置させて、前記蛍光体を紫外光で励起させることで像を可視化させた状態とした上で、調整機構（クランピングスクリュー４１等）を操作することで、ＬＥＤボード２２及びレンズホルダ２３の相対的な位置関係を調整するものとしても構わない。

【0047】

〈３〉上述した実施形態では、ＬＥＤボード２２に対してレンズホルダ２３を、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＸＹ平面上の回転方向にそれぞれ移動させることができるものとした。しかし、これらのうちの少なくとも一の方向に移動可能に構成されていても構わないし、更に別の方向（例えばＸＹ平面に直交する方向など）に移動可能に構成されていても構わない。また、レンズホルダ２３に対してＬＥＤボード２２が移動可能に構成されていても構わない。

【0048】

〈４〉上述した各実施形態において、光源装置１が、光路を変更する目的で、反射光学系等の光学系を適宜追加して備えるものとしても構わない。

【符号の説明】

【0049】

１ ： 光源装置
２ ： 光源部
３ ： ＬＥＤ素子
５ ： 第一光学系
６ ： コリメートレンズ
７ ： 第二光学系
７ｆ ： 第二光学系の焦点
８ ： インテグレータ光学系
９ ： ロッドインテグレータ
９ａ ： ロッドインテグレータの入射面
９ｂ ： ロッドインテグレータの射出面
１０ ： フライアイレンズ
１１ ： 光軸
１５ ： 投影光学系
１６ ： マスク
１７ ： 投影レンズ
１８ ： 感光性基板
１９ ： 露光装置
２２ ： ＬＥＤボード
２３ ： レンズホルダ
４１ ： クランピングスクリュー
４２ ： ボールプランジャ
４４ ： カム
４５ ： ピン
６０ ： 像
６１ ： 基準領域
６２ ： 像の中心

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】