JP2010205577A - 光源装置を点灯する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 放電容器内面の堆積物の影響をなくして、レーザ照射によるエネルギ注入を行い、直ちに高輝度ランプ放電を実現する光源装置の点灯方法を提供すること。
【解決手段】 放電ランプと、この放電ランプから放射された光を反射する反射鏡と、この反射鏡で反射された光を、被照射物に照射する照射光学系と、放電ランプに対してレーザビームを放射する１つ以上のレーザ発振器と、放電を開始する放電開始手段とを有する光源装置を点灯する方法であって、第一のレーザ発振器からのレーザビームを放電容器に照射してその放電容器内面に付着している堆積物を除去する第一段階と、放電開始手段により放電容器内に放電を開始する第二段階と、放電容器内に第二のレーザ発振器からのレーザビームを集光する第三段階とを有することを特徴とする光源装置を点灯する方法とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体や液晶基板、更には、カラーフィルタ等の製造工程で利用される露光装置や、医療関係の内視鏡や装飾照明に使われるファイバ照明装置などに使用される放電ランプ搭載の光源装置の点灯方法に関する。

近年、半導体や液晶基板、更には、カラーフィルタ等の製造工程では、入力電力の大きな紫外線光源を使うことにより、処理時間の短縮化や、大面積の被処理物への一括露光等が進められている。これに伴い、紫外線光源である高圧放電ランプには、より高輝度の光を放射することが求められている。しかし、高圧放電ランプへの入力電力を単純に大きくすれば、放電容器内部に配置された電極への負荷が増大し、電極からの蒸発物が原因となって、高圧放電ランプの黒化、短寿命が発生する、といった問題があった。

ところで、光源装置の技術において、最近、放電容器空間内でイオン化状態にあるガスに対してレーザによってエネルギを供給することで高輝度の光を放出させるレーザドリブンライトソース（ＬＡＳＥＲ−ＤＲＩＶＥＮ ＬＩＧＨＴ ＳＯＵＲＣＥ）という技術が公開された（特許文献１）。図５に特許文献１に記載されているレーザドリブンライトソース技術を説明する光源装置の構成例を示す。概略を図で説明すると、レーザビームはレーザ発振器８０４から出射され、ファイバ８０８を通してコリメータ８１２に到る。コリメータ８１２で平行光に成形されたレーザビーム８１６は光学レンズ８２０で集光し、小径のレーザビーム８２４となり放電ランプの放電容器に相当するチャンバ８２８内のプラズマ８３２の存在する領域８３０に向かう。そして、一対の電極８４０間で起動されイオン化した媒体（ガス）に対してレーザが照射され高輝度な発光となるとされる。

米国特許公開２００７−０２２８３００号公報

このレーザドリブンライトソース技術によれば、レーザの照射により高輝度発光が維持されるとされる。しかしながら、一対の電極を放電容器内で配置させた放電ランプに対して、このレーザドリブンライトソース技術を適用した場合であっても、従来の電極間に放電を持続する電圧を印加する有電極の放電ランプと同様にして点灯時間の経過とともにスパッタされた電極材料を主として放電容器内の封入物元素から構成される堆積物が放電容器の内面に徐々に増えてついには目に見えて黒化してくることが避けられないことがわかった。また、放電容器内に電極を配しない無電極型の放電ランプがあるが、この無電極型の放電ランプにおいては放電容器壁の冷却条件などによって、内容物である例えばイオウや水銀の蒸気の凝集物が放電容器内壁に付着して、有電極放電ランプの黒化に相当する状況、放電容器の不透光化が起こることがある。

このように放電容器が黒化してくることに起因して、あるいはまた、内容物である例えばイオウや水銀の蒸気の凝集物が放電容器内壁に付着することに起因して、放電開始手段がレーザによるものにあっては放電容器内で放電が開始しにくくなったり、放電開始手段が電極によるものにあっては放電容器内に放電が開始した後に放電を持続させるためにレーザを照射した場合であっても安定放電を持続しなくなってしまうことがあることがわかった。
そこで、本発明の目的は、放電容器内面の堆積物の影響をなくして、放電容器内にレーザ照射によるエネルギ注入を行い、直ちに高輝度ランプ放電を実現する光源装置の点灯方法を提供することである。

上記課題を解決するために本願の請求項1に記載の発明は、放電ランプと、この放電ランプから放射された光を反射する反射鏡と、この反射鏡で反射された光を、被照射物に照射する照射光学系と、前記放電ランプに対してレーザビームを放射する１つ以上のレーザ発振器と、放電を開始する放電開始手段とを有する光源装置を点灯する方法であって、第一のレーザ発振器からのレーザビームを前記放電容器に照射してその放電容器内面に付着している堆積物を除去する第一段階と、前記放電開始手段により前記放電容器内に放電を開始する第二段階と、前記放電容器内に第二のレーザ発振器からのレーザビームを集光する第三段階と、を有することを特徴とする光源装置を点灯する方法とするものである。

請求項２に記載の発明は、前記光源装置は、前記放電ランプが一対の電極を放電容器の内部に配置するものであって、前記放電開始手段としてランプ電圧印加用電源とを有するものであり、
前記放電開始手段が前記一対の電極間に前記ランプ電圧印加用電源により始動電圧を印加することであることを特徴とする請求項1に記載の光源装置を点灯する方法とするものである。

請求項３に記載の発明は、前記第一のレーザ発振器が前記第二のレーザ発振器を兼ねることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光源装置を点灯する方法とするものである。

請求項４に記載の発明は、前記放電開始手段が第三のレーザ発振器からのレーザビームを前記放電容器内に集光させることであることを特徴とする請求項1に記載の光源装置を点灯する方法とするものである。

請求項５に記載の発明は、前記第一のレーザ発振器と前記第二のレーザ発振器と前記第三のレーザ発振器の内の少なくとも二つのレーザ発振器が兼用されることを特徴とする請求項4に記載の光源装置を点灯する方法とするものである。

本発明により、放電容器内面の堆積物の影響をなくした後に、放電容器内にレーザ照射によるエネルギ注入を行うことで直ちに高輝度ランプ放電を実現する光源装置とする点灯方法を提供することができる。

本発明の実施形態を説明する光源装置の構成例を示す。 図１の光源装置の第３段階における配置例を示す。 本発明の実施形態を説明する光源装置の他の構成例を示す。 本発明の効果を確認するための光源装置の構成例を示す。 本発明の放電開始手段の構成例を示す。 従来技術である光源装置の構成例を示す。

本発明の実施の形態について説明する。
図１、図２、図３には本発明が適用される光源装置１００の構成例を示す。
図１において、一対の電極１、２を放電容器１１の内部に対向配置し、この放電容器１１に封止部１２，１３を備えてなる放電ランプ１０と、この放電ランプ１０から放射された光を反射する凹面反射鏡２０と、この凹面反射鏡２０で反射された光を、被照射物（不図示）に照射する照射光学系４０と、放電ランプ１０に対してレーザビームＬＢ１を放射する第一のレーザ発振器ステージ７０に載置された第一のレーザ発振器３０Ａ、第二のレーザ発振器ステージ７１に載置された第二のレーザ発振器３０Ｂと、ランプ電圧印加用電源５０とを有する光源装置１００である。

本発明においては、光源装置１００の点灯方法としては次の３つの段階を経る。
（１）第一段階は、第一のレーザ発振器３０ＡからのレーザビームＬＢ１を放電容器１１に照射してその放電容器１１内面に付着している堆積物Ｓを除去する段階である。
図１において、放電ランプ１０はランプが載置されたランプステージ６０に組み込まれた駆動機構（不図示）によって、ランプ光軸を中心に所定の角度で、例えば右回り左回りでそれぞれ１８０度で、回転が可能である。

第一のレーザ発振器３０Ａはレーザ出射口３０Ａａが凹面反射鏡２０の入射孔２０Ａを臨む位置に置かれ、レーザビームＬＢ１を放電容器１１に向けて照射する。その際、放電容器１１に当るレーザビームＬＢ１の強度は堆積物Ｓを蒸発飛散させるだけのエネルギ強度がありさえすればよく、必ずしも放電容器１１の内面に焦点を持つように集光させる必要はない。第一のレーザ発振器３０Ａはランプ光軸に平行に上下動し、所定の高さにレーザ出射口を位置決めされる。

放電容器11を通過したレーザビームＬＢ１は例えばビームダンパ２５により吸収される。
堆積物Ｓとしては、例えば、電極１１，１２を構成する金属材料や、発光種である金属蒸気や金属ハロゲン化物の蒸気や放電容器内に存在するその他不純物材料をその起源としている。

（２）第二段階は、第一のレーザ発振器３０Ａからのレーザビームを放電容器内に入れるのをやめ、放電容器内部にある一対の電極１、２間に放電開始手段としてのランプ電圧印加用電源５０により始動電圧を印加する段階となる。この段階で、放電容器１１内にはイオン化した発光物質が生成されている。

（３）第三段階は、図２に示すが、第一のレーザ発振器３０Ａは下方（あるいは上方）に退避し、替わりに第二のレーザ発振器３０Ｂのレーザ出射口３０Ｂａから放電容器１１の内部にある一対の電極１、２間にレーザビームＬＢ２を集光する段階である。レーザビームＬＢ２を放電容器１１の内部に集光することで集光点Ｆにおいて高輝度の発光が生じる。

なお、本発明において、図３に示したように、第一のレーザ発振器３０Ａが第二のレーザ発振器３０Ｂを兼ねるようにしてもよい。この図３の場合は、第一のレーザ発振器３０Ａのレーザ出射口３０Ａａには不図示だが、レーザ前方の所定の位置に焦点をもつようにレーザビームを拡径するビームエクスパンダーが具備され、放電容器１１内の堆積物Ｓを蒸散させるレーザビームLB1を放射し、放電容器１１内の堆積物Ｓを取り除いた後、レーザビームLB２を放射する。放電容器１１を通過したレーザビームＬＢ１、ＬＢ２は例えばビームダンパ２５により吸収される。この図３においてはランプ電圧印加用電源および配線と照射光学系は省略してある。

本発明に適用される放電ランプについては、ここでは両端封止型のランプについて例示したが、それに限らず、単一の封止部から放電空間に一対の電極を、その電極軸を略平行に突出させて放電空間内でその電極の先端が対向配置される形態の放電ランプであってもよい。

また、本発明においては有電極放電ランプに限らず、放電容器４１内には電極を備えない無電極型の放電ランプ４０であってもよい。その場合は、図５に示すように、放電開始手段としては第三のレーザ発振器ステージ７２に載置された第三のレーザ発振器３０Ｃとしてのパルスレーザ発振器からのレーザビームＬＢ３をランプステージ６０´上に配置された放電ランプ４０の放電容器４１内に集光させることとなる。放電容器４１を通過したレーザビームＬＢ３はビームダンパ２５に到達する。この図においては第一および第二レーザ発振器は省略してある。

なお、放電容器内面に付着している堆積物を除去する第一のレーザ発振器と、放電を維持するための第二のレーザ発振器と、無電極放電ランプの放電開始手段としての第三のレーザ発振器はそれぞれを別々に用意してもよいが、光源装置の小型化・軽量化そして経済的な配慮から全てのレーザ発振器を１つのレーザ発振器で兼ねても良く、あるいは、少なくとも二つのレーザ発振器が兼用されるようにすることが好ましい。

また、本発明が適用される光源装置の凹面反射鏡は、その照射対象によっては、反射光が集光する回転楕円面を有する楕円反射鏡であっても、反射光が平行光となる放物面反射鏡であってもよい。したがって、凹面反射鏡と被照射物の間に配置される光学部材の形状や個数についても要求される光の仕様によって適宜選択されるものである。

次に本発明において、放電ランプの放電容器内の堆積物を除去することを示す実験例を説明する。
図４は一対の電極１、２を有する放電ランプ１０を備えた光源装置１００の概略図である。
ここで放電ランプ１０としてはキセノンランプを使用した。この図において、放電容器１１全体の堆積物Ｓを除去する図を示す。放電ランプ１０は凹面反射鏡２０の中に配置されている。放電ランプ１０の放電容器１１は石英ガラスよりなり、全長１８０mm、放電容器１１部分の最大外径４２mm、封止部１２，１３の長さ６０mm、封止部の外径２２mmである。放電容器１１内にはキセノンガスが２MPaで封入されている。電極１、２はタングステンからなり、その電極間の距離は4mmで、定格電流７５A、定格電圧２７Vで点灯されるものである。この図４においてはランプ電圧印加用電源および配線と照射光学系は省略してある。

凹面反射鏡２０には、第一のレーザ発振器３０Ａの入射孔２０Ａおよび出射孔２０Ｂが設けられている。入射孔２０Ａ、出射孔２０Ｂはφ８０mmで、放電容器１１をすべて見込むことができる開口幅となっている。
放電ランプ１０は、封止部１２，１３を介し、ランプステージ６０に固定される。ランプステージ６０は、ランプ軸方向を中心に回転することができるとともに、放電ランプ１０をランプ軸方向の上下方向に移動させることができる。第一のレーザ発振器３０Ａはファイバーレーザであり、波長１０７０nmのレーザビームが放射される。第一のレーザ発振器３０Ａの出射口３０Ａａには集光レンズ（図示せず）が設けられ、集光したレーザビームＬＢ１が放電ランプ１０に照射される。

定格５００WのレーザビームＬＢ１を照射したところ、放電容器１１に照射されるレーザ照射の部位はφ２mm程度の大きさとなり、レーザ照射部位でのエネルギ密度は約１．５×10⁴W/cm²であった。
放電容器１１を透過したレーザビームＬＢ１の強度を、凹面反射鏡２０の出射孔２０Ｂの前方に配置したパワーメータ８０にて測定した。放電容器１１の内面が堆積物Ｓで黒化したランプの場合、レーザビーム照射直後には、パワーメータ８０には約２０Wのエネルギのレーザビームしか到達しなかった。その後、レーザビームを照射し続けると、次第にパワーメータ８０の指示値は上昇し、約１０秒後には４００Wに到達し、その後は一定となった。

一方、放電容器１１の内面が堆積物による黒化のない未使用の放電ランプの場合で図４の配置にて同様のことを行いレーザビーム強度を評価すると、パワーメータの指示値は４００Wで一定となった。このことから放電容器１１を透過するときにレーザビームの一部（１００Ｗ相当分）が反射しているものと考えられた。
すなわち、黒化した放電ランプを透過するレーザビームは、約１０秒後には、堆積物である黒化物を除去し、完全に透過していたものと考えられた。そして、レーザビームを照射させつつ放電ランプ１０をゆっくり回転させながら、上下方向に移動させることにより、黒化した放電ランプ内面の堆積物はほぼ完全に除去されたことを確認した。

本実施例では、放電ランプ１０を上下させたが、第一のレーザ発振器３０Ａを上下させても同様の効果があることは言うまでもない。放電容器１１を透過するレーザビーム強度をパワーメータにて測定したが、実際の装置においては図１、図２、図３で示したビームダンパ２５といったレーザエネルギの吸収体であれば良い。

本発明において、光源装置に使用される放電ランプの種類はキセノンランプに限定されず、例えば、水銀ランプやメタルハライドランプ、低圧水銀ランプであっても同様である。本発明において、第一および第二および第三のレーザ発振器のレーザの種類は、YAGレーザ、ファイバーレーザ・半導体レーザなど、放電容器を透過する波長のものであれば良い。そして、レーザの発振方式も、第三のレーザ発振器はパルス発振とする必要があるが、第一および第二のレーザ発振器は連続波（CW）発振でもパルス発振でもどちらでも良い。

１ 電極
２ 電極
１０ 放電ランプ
１１ 放電容器
１２ 封止部
１３ 封止部
２０ 凹面反射鏡
２０Ａ 入射孔
２０Ｂ 出射孔
２５ ビームダンパ
３０Ａ 第一のレーザ発振器
３０Ａａ 出射口
３０Ｂ 第二のレーザ発振器
３０Ｂａ 出射口
３０Ｃ 第三のレーザ発振器
４０ 放電ランプ
４１ 放電容器
４５ 照明光学系
５０ ランプ電圧印加用電源
６０ ランプステージ
６０´ ランプステージ
７０ 第一のレーザ発振器ステージ
７１ 第ニのレーザ発振器ステージ
７２ 第三のレーザ発振器ステージ
８０ パワーメータ
１００ 光源装置
Ｓ 堆積物
Ｆ 集光点
ＬＢ１ レーザビーム
ＬＢ２ レーザビーム
ＬＢ３ レーザビーム

Claims (5)

1. 放電ランプと、この放電ランプから放射された光を反射する反射鏡と、この反射鏡で反射された光を、被照射物に照射する照射光学系と、前記放電ランプに対してレーザビームを放射する１つ以上のレーザ発振器と、放電を開始する放電開始手段とを有する光源装置を点灯する方法であって、
   第一のレーザ発振器からのレーザビームを前記放電容器に照射してその放電容器内面に付着している堆積物を除去する第一段階と、
   前記放電開始手段により前記放電容器内に放電を開始する第二段階と、
   前記放電容器内に第二のレーザ発振器からのレーザビームを集光する第三段階とを有することを特徴とする光源装置を点灯する方法。
2. 前記光源装置は、前記放電ランプが一対の電極を放電容器の内部に配置するものであって、前記放電開始手段としてランプ電圧印加用電源とを有するものであり、
   前記放電開始手段が前記一対の電極間に前記ランプ電圧印加用電源により始動電圧を印加することであることを特徴とする請求項1に記載の光源装置を点灯する方法。
3. 前記第一のレーザ発振器が前記第二のレーザ発振器を兼ねることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光源装置を点灯する方法。
4. 前記放電開始手段が第三のレーザ発振器からのレーザビームを前記放電容器内に集光させることであることを特徴とする請求項1に記載の光源装置を点灯する方法。
5. 前記第一のレーザ発振器と前記第二のレーザ発振器と前記第三のレーザ発振器の内の少なくとも二つのレーザ発振器が兼用されることを特徴とする請求項4に記載の光源装置を点灯する方法。

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