JP2018205635A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な光学系の構成によって、輝度の低下の抑制と照度ムラの抑制を両立した光源装置を実現する。
【解決手段】 光源装置は、複数のＬＥＤ素子を含む光源部と、光源部から射出される光を、コリメートすることなく発散角を狭める第一光学系と、第一光学系から射出された光を集光する第二光学系と、入射面が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とを備える。
【選択図】 図１

Description

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。

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おり、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。

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。

下記特許文献１には、複数のＬＥＤ素子から射出された光を平行光にした後、集光し、ロッドインテグレータに入射させた光学系が開示されている。下記特許文献２には、複数のＬＥＤ素子から射出された光をレンズアレイを通すことで、二次光源としての拡大実像を生成した後、当該拡大実像から射出される光を集光レンズを介して被照射面に導く光学系が開示されている。

特開２０１４−２０７３００号公報 特開２００６−１３３６３５号公報

ＬＥＤ素子は、半導体層に電流を流すことで光を発する素子であるそして、ＬＥＤ素子の発光面には、輝度の高い領域と輝度の低い領域が存在しやすく、場所に応じた輝度ムラが生じやすい。例えば、ＬＥＤ素子の発光面側に、半導体層に対して電流を供給するための電極を配置する構成の場合、電極形成箇所は非発光領域となるため、電極が形成されている箇所と電極が形成されていない箇所とで輝度の分布が不可避的に発生する。また、ＬＥＤ素子の発光面とは反対側の面に、半導体層に対して電流を供給するための電極を配置する構成の場合であっても、電極が配置されている近傍の領域と、前記領域から離れた領域とで電流密度の差が生じ、これに基づいて輝度の分布が生じる場合がある。更に、ＬＥＤ素子の発光面とは反対側の面に、半導体層に対して電流を供給するための電極を配置する構成の場合において、裏面側の電極がそのまま発光面側に映り込むことで、発光面上に輝度の低い領域を形成することも考えられる。

特許文献１の技術は、各ＬＥＤ素子からの射出光をコリメートした後、集光レンズによって集光し、集光レンズの焦点位置にロッドインテグレータを配置している。このため、ロッドインテグレータの光入射面には、各ＬＥＤ素子からの射出光がほぼ一点に集まるため、高い輝度が実現される。

しかしながら、ロッドインテグレータの光入射面には、各ＬＥＤ素子の発光面そのものが像として現れる。このため、当該入射面上には、上述した輝度ムラが存在する。ロッドインテグレータ内では、入射された光が反射を繰り返すことで混ぜ合わされるため、ロッドインテグレータの光射出面では、光入射面と比較して照度ムラが抑制されることが期待される。しかし、この効果を十分に実現するためには、反射回数を十分に確保する必要があるところ、比較的大型のロッドインテグレータを配置する必要がある。

特許文献２の技術は、集光レンズの手前に設けられたレンズアレイによって、各ＬＥＤ素子の拡大実像が配置されることで、実質的に二次光源が生成される。この二次光源は、隣接するＬＥＤ素子同士の間隔よりも狭められた状態で配置されることとなるため、隣接するＬＥＤ素子同士の間隔に起因した非発光領域が存在することによる輝度ムラが緩和されている。そして、集光レンズから射出された光は、発散角に応じて異なる位置に集光されるように形成されるため、照射面上において滑らかな照度分布が実現される。これにより、各ＬＥＤ素子の発光面上に存在していた輝度ムラに起因する照度ムラが緩和されている。

しかしながら、照射面上の異なる位置に光が集光される光学系であるため、不可避的に、有効照射領域内での平均輝度が当該照射領域内での最高輝度よりも低下する。特許文献２の方法では、この輝度の低下に対する対策を、複数段のレンズアレイを配置することで講じていると考えられるが、光学系が複雑化し、装置規模の拡大と煩雑な光軸調整を招くという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑み、簡易な光学系の構成によって、輝度の低下の抑制と照度ムラの抑制を両立した光源装置を実現することを目的とする。

本発明に係る光源装置は、
複数のＬＥＤ素子を含む光源部と、
前記光源部から射出される光を、コリメートすることなく発散角を狭める第一光学系と、
前記第一光学系から射出された光を集光する第二光学系と、
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とを備えたことを特徴とする。

上記の構成によれば、複数のＬＥＤ素子から射出されて、第二光学系に入射される複数の光線は、非平行である。このため、第二光学系の焦点位置において、これらの複数の光線は一点に集光されず、所定の大きさを有した領域内に集光される。この焦点位置にインテグレータ光学系の入射面が配置されているため、インテグレータ光学系の入射面上には、ＬＥＤ素子の像そのものが明確に現れるのではなく、いわゆる「ピンぼけ」の状態で像が現れる。

上記の構成は、このように意図的にピンぼけの状態でインテグレータ光学系の入射面に光を導いている。このとき、発光領域と電極などで構成される非発光領域とがＬＥＤ素子の発光面上に存在することに伴って生じる輝度ムラについても、ぼやけた状態でインテグレータ光学系の入射面に現れる。これにより、ＬＥＤ素子上で電極が存在していた箇所（非発光領域）から射出された光線が導かれる場所に対応する輝度の低い領域の一部と、発光領域から射出された光線が導かれる場所に対応する輝度の高い領域の一部が、インテグレータ光学系の入射面上で重なり合う。この結果、特許文献１の構成と比較して、インテグレータ光学系の入射面上での輝度ムラが低下し、インテグレータ光学系から射出された光の照射面上での照度ムラが低下する。ここでいう「照射面」とは本発明の光源装置から射出される光を利用することが予定されている領域を意味する。

また、上記の構成によれば、複数のＬＥＤ素子から射出された光を、単にピンぼけの状態でインテグレータ光学系の入射面に導くのみで実現できるため、特許文献２の構成と比較して極めて簡易な光学系で実現できる。更に、インテグレータ光学系の入射面は、第二光学系の焦点位置であるため、インテグレータ光学系の入射面上に入射される光は高い輝度が担保される。そして、この高い輝度の光が、インテグレータ光学系を介して照射面に射出される。つまり、特許文献２の構成と比較して、高い輝度の光を照射面に導くことができる。

更に、上記の構成によれば、例えば、第一光学系と第二光学系の距離を調整することで、インテグレータ光学系の入射面に導かれる像のピントを容易に調整することができる。像のピントが合う方向に調整すれば、インテグレータ光学系の入射面上での輝度を高めることができる一方で、前記入射面上での輝度のムラが現れやすくなる。逆に、像のピントがずれる方向に調整すれば、インテグレータ光学系の入射面上での輝度ムラを更に解消させることができる一方で、前記入射面上での輝度が低下する。光源装置から射出される光を利用するアプリケーションの要請に応じて、臨機応変の対応が可能となる。

前記ＬＥＤ素子は、前記第一光学系に対向する側に、発光面と前記発光面を区切るように設けられた線状の電極とを有し、
前記ＬＥＤ素子の中心点から射出された光線の最大放射角をθ₁、前記光線が前記第二光学系を射出された後の集光角をθ₂、前記電極の幅をｄ₁、前記光線が前記第二光学系を射出された後に前記焦点位置を横切るときの光軸に直交する長さをＬ₁としたときに、Ｌ₁の値が下記（１）式を満たすように、前記第一光学系及び前記第二光学系の位置が調整されているものとしても構わない。
２ｄ_１・（θ₁／θ₂）≦ Ｌ₁ ≦５０ｄ₁・（θ₁／θ₂） ‥‥‥（１）

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ものとしても構わない。

本発明の光源装置によれば、簡易な光学系によって、輝度の低下の抑制と照度ムラの抑制を両立させることができる。

光源装置の光学系の一例を模式的に示す図面である。 ＬＥＤ素子の模式的な平面図である。 フライアイレンズに対してＬＥＤ素子のピントが合っている場合の、フライアイレンズの光入射面上の像を模式的に示す図面である。 図３Ａからフライアイレンズの各領域のみを抜き出して示した図面である。 フライアイレンズに対してＬＥＤ素子のピントが合っている場合の、照射面上での像を模式的に示す図面である。 フライアイレンズに対してＬＥＤ素子のピントがずれている場合の、照射面上での像を模式的に示す図面である。 一つのＬＥＤ素子から射出された光線を模式的に示す図面である。 別実施形態の光源装置の光学系を模式的に示す図面である。 別実施形態の光源装置の光学系を模式的に示す図面である。

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。

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。

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（ここではＸ−Ｙ平面とする。）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。なお、図１において、光軸１１の方向をＺ方向とする。

第一光学系５は、複数のＬＥＤ素子３から射出された光をコリメートすることなく発散角を狭める光学系であり、各ＬＥＤ素子３に対応して複数のレンズ６が配置されて構成されている。図１では、各ＬＥＤ素子３に対応して一つのレンズ６が配置される構成が図示されているが、各ＬＥＤ素子３に対応して光軸１１の方向に複数のレンズ６が配置されていても構わない。

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。

本実施形態では、インテグレータ光学系８がフライアイレンズ１０によって構成されている。フライアイレンズ１０は、その入射面１０ａ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、すなわちフライアイレンズ１０の入射面１０ａに対して直交する軸としている。

各ＬＥＤ素子３から射出された光は、第一光学系５、及び第二光学系７を通過して、フライアイレンズ１０の入射面１０ａに向かって進行する。第二光学系７は集光光学系であるため、各光線は第二光学系７の焦点７ｆに向かって進行する。しかし、上述したように、第一光学系５から射出された光線はコリメートされていない。このため、フライアイレンズ１０の入射面１０ａに入射された光は、一点には集光されず、幅を有した領域１３内に集められる。

このとき、フライアイレンズ１０の入射面１０ａ上には、ＬＥＤ素子３の像がぼやけた状態で現れる。すなわち、ピントが合っていない状態で像が表示される。なお、図１において、フライアイレンズ１０が存在しない場合にＬＥＤ素子３の像が結像する位置を符号１５で表示している。

図２は、ＬＥＤ素子３を、光取り出し面側、すなわち第一光学系５側からＺ軸方向に見たときの模式的な平面図である。ＬＥＤ素子３は、半導体層で発生した光が取り出される発光領域２２と、半導体層に対して電流を供給するための線状の電極２１とを有する。なお、図２では、電極２１に対して外側から電流を供給するためのワイヤ１４が連結されている。

電極２１は、例えば、Ｎｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ｃｒ／Ａｕ／Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕなどで構成される。すなわち、電極２１は、ＬＥＤ素子３で生成された光を全く又はほとんど透過しない材料で構成されており、非発光領域を構成する。つまり、ＬＥＤ素子３の発光面は、発光領域２２と、電極２１からなる非発光領域を有している。

上述したように、本実施形態の構成によれば、フライアイレンズ１０の入射面１０ａ上には、ピンぼけした状態のＬＥＤ素子３の像が現れる。これにより、電極２１からなる非発光領域の像の一部は、発光領域２２の像の一部と重なり合う。この結果、入射面１０ａ上には輝度ムラが緩和された光が入射される。

また、フライアイレンズ１０の入射面１０ａは、第二光学系７の焦点位置に配置されている。このため、入射面１０ａには、全てのＬＥＤ素子３から射出された光が、狭い領域１３内に集光され、フライアイレンズ１０に対して高い輝度の光が入射される。これにより、フライアイレンズ１０から射出された光を利用するアプリケーションに対して、高い輝度の光を提供することができる。

図３Ａ〜図３Ｄは、本発明の作用を模式的に示す図面である。図３Ａ〜図３Ｃは、フライアイレンズ１０に対してＬＥＤ素子３のピントが合っている場合の、フライアイレンズ１０の光入射面上の像を模式的に示す図面である。フライアイレンズ１０に対してＬＥＤ素子３のピントが合っている場合とは、例えば、図１において、ＬＥＤ素子３から射出された光がコリメートされた後、第二光学系７に入射される場合が対応する。

図３Ａは、フライアイレンズ１０の入射面上の像を模式的に示す図面であり、図３Ｂは、図３Ａからフライアイレンズ１０の各領域のみを抜き出した図面である。図３Ａ及び図３Ｂには、電極２１の像２１ｂと発光領域２２の像２２ｂが各フライアイレンズ１０の入射面上に現れている様子が模式的に示されている。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、フライアイレンズ１０に対してＬＥＤ素子３のピントが合っている場合、フライアイレンズ１０から射出された光の照射面上には、図３Ｃに示すように、各ＬＥＤ素子３の像３ｂが重ね合わされて表示される。この結果、照射面上には、電極２１の像２１ｂが重なり合った領域と、発光領域２２の像２２ｂが重なり合った領域とで、輝度の差が現れやすい。図３Ｃにおいて、フライアイレンズ１０の外周部の像を１０ｂで表記している。

これに対し、本実施形態のように、フライアイレンズ１０に対してＬＥＤ素子３のピントがずれている場合、図３Ｄに示すように、フライアイレンズ１０の外周部の像１０ｂがずれるため、電極２１の像２１ｂ、及び発光領域２２の像２２ｂが、それぞれずれて重ね合わせられる。この結果、図３Ｃの状態と比較して、照射面上における輝度の差が緩和される。

図４は、一つのＬＥＤ素子３から射出された光線を模式的に示す図面である。図４において、θ₁はＬＥＤ素子３の中心点から射出された光線の最大放射角であり、θ₂はＬＥＤ素子３の中心点から射出された光線が、第二光学系７から射出された後の集光角である。また、Ｌ₁は前記光線が第二光学系７を射出された後、第二光学系７の焦点位置７ｆを横切るときの光軸１１に直交する長さである。

図２において、ＬＥＤ素子３が備える電極２１の幅をｄ₁とすると、下記（１）式を満たすように、第一光学系５及び第二光学系７の位置が調整されているのが好ましい。
２ｄ_１・（θ₁／θ₂）≦ Ｌ₁ ≦５０ｄ₁・（θ₁／θ₂） ‥‥‥（１）

Ｌ₁の大きさを小さくし過ぎると、フライアイレンズ１０の入射面１０ａ上における輝度は高くなるものの、ＬＥＤ素子３上の発光領域２２と非発光領域を構成する電極２１とが明確に現れてしまう。この結果、入射面１０ａ上での輝度バラツキが顕在化してしまう。他方、Ｌ₁の大きさを大きくし過ぎると、ＬＥＤ素子上３の発光領域２２と電極２１との境界がぼやけることでフライアイレンズ１０の入射面１０ａ上における輝度バラツキが解消するものの、入射面１０ａ上での輝度が低下してしまう。

非発光領域の大きさは、電極２１の幅に依存する。このため、電極２１の幅が大きいＬＥＤ素子３においては、入射面１０ａ上における輝度バラツキが現れやすい。このような場合には、入射面１０ａ上でのピンボケの程度を高めることで、輝度バラツキの低下性能を高める。逆に、電極２１の幅が小さいＬＥＤ素子３においては、ピンぼけの程度を低下させ、入射面１０ａ上での輝度を高める。これにより、光を利用するアプリケーションに対して、輝度の低下と照度ムラの双方が抑制された光を提供することができる。

一例として、θ₁＝１２０°、θ₂＝３°、ｄ₁＝１５μｍとすると、１．２ｍｍ≦Ｌ₁≦３０ｍｍとなる。取り得る値として、θ₁は６０°以上１５０°以下であり、θ₂は１°以上５０°以下であり、ｄ₁は５μｍ以上１００μｍ以下である。

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

〈１〉上述の実施形態では、ＬＥＤ素子３の像が結像する位置１５が、フライアイレンズ１０の入射面１０ａよりも後段の位置になるように各光学系が配置されているものとして説明した。しかし、図５に示すように、ＬＥＤ素子３の像が結像する位置１５が、フライアイレンズ１０の入射面１０ａよりも前段の位置になるように各光学系が配置されているものとしても構わない。この場合においても、フライアイレンズ１０の入射面１０ａ上の領域１３には、各ＬＥＤ素子３の像がピンぼけの状態で現れる。

〈２〉上述の実施形態では、インテグレータ光学系８がフライアイレンズ１０で構成されている場合について説明した。しかし、図６に示すように、インテグレータ光学系８がロッドインテグレータ３０で構成されているものとすることもできる。

ロッドインテグレータ３０は、入射面３０ａ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３０ｂへと導くことで、射出面３０ｂ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。

ただし、フライアイレンズ１０は、分割された各レンズの像が照射面上で重ね合わせられることで、照度の均一化を図る光学部材であるのに対し、ロッドインテグレータ３０は、発光面からの射出光が、ロッドインテグレータ３０の内部で反射を繰り返すことで照度の均一化を図る光学部材である。このため、ロッドインテグレータ３０と比較してフライアイレンズ１０の方が、ＬＥＤ素子３の発光面上における輝度差の影響を受けやすい。このため、上記実施形態で説明したように、インテグレータ光学系８がフライアイレンズ１０で構成される場合に、輝度ムラを解消する効果をより確保することができる。

〈３〉本発明は、光源部２と第一光学系５の間に反射光学系を適宜配置して光の進行方向を変更する態様を排除するものではない。また、本発明は、光源部２に含まれる各ＬＥＤ素子３が概ねＸＹ平面上に配置されており、いくつかのＬＥＤ素子３が、Ｚ方向に変位して配置されている態様を排除するものではない。光源部２と第一光学系５の間に反射光学系を適宜配置されており、各ＬＥＤ素子３が概ね配置されている平面がＸＹ平面とは異なる平面である場合についても同様である。

〈４〉上述の実施形態では、ＬＥＤ素子３は、発光領域２２と同じ側の面に電極２１が形成されているものとして説明したが、発光領域２２とは反対側の面に電極が形成されているものとしても構わない。この場合であっても、電極の位置や、電極からの距離に応じて、発光領域２２の面内に輝度の分布が生じ得る。このような輝度の分布は、ＬＥＤ素子３が同一の設計で製造されている限り、各ＬＥＤ素子３に対して同様に発生する。このため、各ＬＥＤ素子３から射出された光をコリメートした後に集光する場合には、同様の課題が発生する。

従って、光源部２が、発光領域２２とは反対側の面に電極が形成されているようなＬＥＤ素子３を複数有する場合においても、光源部２から射出された光を、第一光学系５によってコリメートすることなく発散角を狭めた後に、第二光学系によって集光し、第二光学系７の焦点７ｆの位置に配置されたインテグレータ光学系８に入射させることで、インテグレータ光学系８の入射面上に、ＬＥＤ素子３の像が「ピンぼけ」の状態で像が現れるため、インテグレータ光学系８の入射面上での輝度ムラを緩和する効果が得られる。

１ ： 光源装置
２ ： 光源部
３ ： ＬＥＤ素子
３ａ，３ｂ ： ＬＥＤ素子の像
５ ： 第一光学系
６ ： 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
１０ ： フライアイレンズ
１０ａ ： フライアイレンズの入射面
１０ｂ ： フライアイレンズの外周面の像
１１ ： 光軸
１３ ： 光の入射領域
１４ ： ワイヤ
１５ ： ＬＥＤの像が結像する位置
２１ ： 電極（非発光領域）
２１ｂ ： 電極（非発光領域）の像
２２ ： 発光領域
２２ｂ ： 発光領域の像
３０ ： ロッドインテグレータ
３０ａ ： ロッドインテグレータの入射面
３０ｂ ： ロッドインテグレータの射出面

Claims (3)

1. 複数のＬＥＤ素子を含む光源部と、
   前記光源部から射出される光を、コリメートすることなく発散角を狭める第一光学系と、
   前記第一光学系から射出された光を集光する第二光学系と、
   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とを備えたことを特徴とする光源装置。
2. 前記ＬＥＤ素子は、前記第一光学系に対向する側に、発光面と前記発光面を区切るように設けられた線状の電極とを有し、
   前記ＬＥＤ素子の中心点から射出された光線の最大放射角をθ₁、前記光線が前記第二光学系を射出された後の集光角をθ₂、前記電極の幅をｄ₁、前記光線が前記第二光学系を射出された後に前記焦点位置を横切るときの光軸に直交する長さをＬ₁としたときに、Ｌ₁の値が下記（１）式を満たすように、前記第一光学系及び前記第二光学系の位置が調整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。
   ２ｄ_１・（θ₁／θ₂）≦ Ｌ₁ ≦５０ｄ₁・（θ₁／θ₂） ‥‥‥（１）
3. 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１又は２に記載の光源装置。
   
   

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