JP2020057571A

JP2020057571A - 光学系装置、両凸レンズ

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Publication number: JP2020057571A
Application number: JP2018189003A
Authority: JP
Inventors: 大川　剛史; Takashi Okawa; 剛史大川
Original assignee: Kantum Ushikata Co Ltd
Current assignee: Kantum Ushikata Co Ltd
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2020-04-09

Abstract

【課題】より省スペースで照射光を平行化し、且つ、照射光による照射面における照度を均一化する光学系装置及び両凸レンズを提供する。【解決手段】光学系装置は、入射側に位置する第１面２１と、出射側に位置する第２面２２とを有し、第２面が入射された照射光を平行化する曲率半径に形成され、第１面が第２面により出射される照射光による照射面における照度を均一化する曲率半径に形成される両凸レンズ２０と、光源と両凸レンズとの間に配置され、照射光の一部を通過させるアパーチャ３０と、少なくとも２つ以上の照射部１０ａ、１０ｂと、少なくとも２つ以上の照射部とアパーチャとの間に配置され、照射光が入射する第一開口５１と、第一側開口より入射された照射光を出射する第二開口５２とを有し、第一開口から前記第二開口まで貫通する筒状に形成されて内壁表面において光を全反射する導光部５０とを備える。【選択図】図７

Description

本発明は、光源より照射された照射光を平行化及び均一化する技術に関する。

従来、多数の紫外線ＬＥＤなどの紫外線発光素子を用いた紫外光照射装置は、紫外線硬化型樹脂の硬化などに用いられ、この紫外線硬化型樹脂の硬化には、硬化にムラが生じないようにするため、照射面において均一の照度を持つことが求められている。また、マスクを用いてＬＥＤ光により露光を行う場合には、露光対象とマスクとの間に隙間が生じ、またＬＥＤ光の放射角度が１２０°程度であることから、精度を高めるには照射面に対して照射光が垂直となるように照射光を平行化する必要がある。一般的に、この照射光の平行化には放物面ミラーなどが用いられる。

照射面における照度の均一化には、一般的に、フライアレイレンズなどが用いられ、これに関連する技術として、複数の発光素子を平面上に配列したＬＥＤアレイ光源と、各発光素子から出射された光をそれぞれコリメートする第１照明光学系と、第１照明光学系から出射された光を焦点位置に集光させる第２照明光学系と、平面上に配列した複数のレンズを有し、第２照明光学系から出射された光を各レンズの入射面で入射して照度の均一性を高めるフライアイ・インテグレータとを備え、フライアイ・インテグレータの入射面は、第２照明光学系の焦点位置に配置され、各発光素子の発光面は、フライアイ・インテグレータの入射面と共役関係にあり、各発光素子の像が、フライアイ・インテグレータの入射面に結像されることを特徴とする光照射装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−２００７８７号公報

照射光を平行化し、且つ照射光による照射面における照度を均一化する場合、照度を均一とする装置と照射光を平行化する装置との両方が必要となり、これによって装置が大型化してしまうという問題があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、より省スペースで照射光を平行化し、且つ照射光による照射面における照度を均一化する光学系装置、両凸レンズを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、光源より照射された照射光を平行化し且つ該照射光による照射面における照度を均一化する光学系装置であって、前記照射光の照射方向に設けられた両凸レンズであって、前記照射方向における入射側に位置する第１面と、前記照射方向における出射側に位置する第２面とを有し、前記第２面が入射された照射光を平行化する曲率半径に形成され、前記第１面が第２面により出射される照射光による照射面における照度を均一化する曲率半径に形成される両凸レンズと、前記光源と前記両凸レンズとの間に配置され、前記照射光の一部を通過させるアパーチャと、少なくとも２つ以上の前記光源としての照射部と、前記少なくとも２つ以上の照射部と前記アパーチャとの間に配置され、前記少なくとも２つ以上の照射部により照射された照射光が入射する第一開口と、該第一側開口より入射された照射光を出射する第二開口とを有し、前記第一開口から前記第二開口まで貫通する筒状に形成されて内壁表面において光を全反射する導光部とを備える。

また、本発明の一態様は、光源より照射された照射光を平行化し且つ該照射光による照射面における照度を均一化する光学系装置であって、前記照射光の照射方向に設けられた凹凸レンズであって、前記照射方向における入射側に位置して凹面に形成された第１面と、前記照射方向における出射側に位置して凸面に形成された第２面とを有し、前記第２面が入射された照射光を平行化する曲率半径に形成され、前記第１面が第２面により出射される照射光による照射面における照度を均一化する曲率半径に形成される凹凸レンズと、少なくとも１つ以上の前記光源としての照射部と、前記照射部と前記両凸レンズとの間に配置され、前記照射光の一部を通過させるアパーチャと、前記照射部と前記アパーチャとの間に配置され、前記照射部により照射される照射光の配光角を狭める配光角変換部とを備える。

本発明によれば、より省スペースで照射光を平行化し、且つ照射光による照射面における照度を均一化することができる。

第１の実施形態に係る光学系装置の構成を示す概略斜視図である。第１の実施形態に係る光学系装置の構成を示す概略側面図である。光線追跡のシミュレーション結果を示す図である。照射面のＸ軸座標に対するインコヒーレント放射照度を示すグラフである。第１面における入射側の曲率半径とレンズ直径との関係を示すグラフである。第１面におけるレンズ直径に対応する入射側の曲率半径を示す図である。第２の実施形態に係る光学系装置の構成を示す概略側面図である。第３の実施形態に係る光学系装置の構成を示す概略側面図である。第４の実施形態に係る光学系装置の構成を示す概略側面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態に係る光学系装置について説明する。図１は、本実施形態に係る光学系装置を示す概略斜視図である。また、図２は、光学系装置の構成を示す概略側面図である。なお、図２においては、アパーチャ及び光吸収部については光軸を通り、且つ光軸に平行する平面により切断した断面が示される。

図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る光学系装置１は、紫外線光を照射する紫外線ＬＥＤ光源である照射部１０、照射部１０による照射光が入射可能に配される両凸レンズ２０、照射部１０と両凸レンズ２０との間において照射部１０側に配されるアパーチャ３０、照射部１０と両凸レンズ２０との間において両凸レンズ２０側に配される光吸収部４０を備える。この光学系装置１によれば、照射部１０による照射光によって、両凸レンズ２０の光軸方向に直交する照射面が形成される。

アパーチャ３０は、両凸レンズ２０の光軸方向と直交する平面を有する板状の部材であり、光軸方向に貫通する孔部３１が形成されている。この孔部３１は円状に形成されこの円の中心が両凸レンズ２０の光軸に一致するようになっている。このようなアパーチャ３０によれば、照射部１０による照射光の一部が孔部３１から出射されるようになり、結果として両凸レンズ２０に対する入射光の光源のサイズが規定される。

光吸収部４０は、中空となった角筒状に形成されてその内壁面に光吸収面が形成された部材であり、入射側即ち照射部１０及びアパーチャ３０側、出射側即ち両凸レンズ２０側にそれぞれ開口が形成され、これらの開口が入射側開口部４１、出射側開口部４２として形成されている。入射側開口部４１に対しては、光吸収部４０内に孔部３１を通過した照射光のみが入射されるようアパーチャ３０が配置されている。また、出射側開口部４２より出射される照射光は両凸レンズ２０に入射されるようになっている。また、光吸収部４０の内壁表面、即ち光吸収面は、反射率が著しく低く、望ましくは４％以下となっており、これによって、光吸収部４０に入射した照射光のうち、内壁に照射される照射光のほとんどが内壁表面で吸収され、出射側開口部４２から出射されないようになっている。なお、光吸収部４０は、中空の角筒状に限らず、入射側及び出射側において開口した筒状の部材として、両凸レンズ２０により平行化可能な角度で入射する照射光のみが出射側開口部４２より出射可能に形成されていれば良い。なお、光吸収部４０の光軸方向長さ、即ち、入射側開口部４１から出射側開口部４２までの距離は両凸レンズ２０の焦点距離に基づく長さとなっている。

両凸レンズ２０は、両凸レンズであり、照射光の入射側を向く第１面２１と出射側を向く第２面２２との曲面を有し、第１面２１と第２面２２との形状は異なっている。これら第１面２１及び第２面２２は、本実施形態においては、精度を向上させるためにいずれも非球面に形成されているが、球面に形成されていても良い。第１面２１は両凸レンズ２０より出射された照射光による照射面における照度を均一化する機能を主に有し、第２面２２は両凸レンズ２０に入射される照射光を平行化する機能を主に有する。

第２面２２の曲率半径ｒ_２は、光角度をθ、光源の大きさ（孔部３１の直径）をＸ、両凸レンズ２０の焦点距離をｆとした場合、第１面２１を平面と仮定してｆ＝ｒ_２／２とし、また、Ｘ＝２となるように孔部３１を形成した上で、Ｘ×ｆ×ｔａｎθの式、即ち、ｒ_２×ｔａｎθの式から、光角度θを規定するように決定される。ここで、光角度θは、照射面に直交する垂線と、両凸レンズ２０から出射された照射光とが成す角度であり、θ＝０の場合に理想の平行光となるが、実際的には、例えば１°など可能な限り０に近い値に設定される。

第１面２１の曲率半径ｒ_１は、上述のように決定された曲率半径ｒ_２に形成された第２面２２からの出射光について、光軸に直交する平面上における照度部分布が均一となるように決定される。つまり、第１面２１の曲率半径ｒ_１は、第２面の曲率半径ｒ_２に基づくものとなっている。

ここで、第１面における曲率半径とレンズ直径との関係について説明する。図５は、第１面における入射側の曲率半径とレンズ直径との関係を示すグラフである。図６は、第１面におけるレンズ直径に対応する入射側の曲率半径を示す図である。

図５に示すように、両凸レンズ２０より出射された照射光による照射面における照度を均一化する第１面２１においては、その入射側の曲率半径ｒ１とレンズ直径ｄとの間にはｒ１＝５．６４×ｄという式が成り立ち、これを具体的な値とすると図６に示すようになる。なお、実際的には、あるレンズ直径ｄを有する第１面２１において、上式における一次係数５．６４が±１５％の範囲内に収まるような曲率半径ｒ１とすると良い。

次に、光学系装置の効果について説明する。図３は、光線追跡のシミュレーション結果を示す図である。また、図４は、照射面のＸ軸座標に対するインコヒーレント放射照度を示すグラフである。なお、図４におけるＸ座標値は平面としての照射面における一方の軸の値である。

図３に示すように、光学系装置１における照射光についての光線追跡のシミュレーション結果によれば、照射部により照射された照射光において、光吸収部４０の内壁へ向かわない照射光のみが両凸レンズ２０へ入射して平行化されることがわかる。

また、図４に示すように、光学系装置１によれば、両凸レンズ２０における第１面２１によって、照射面における照度が均一化されることがわかる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係る光学系装置について説明する。図７は、本実施形態に係る光学系装置の構成を示す概略側面図である。なお、図７においては、図２と同様に、アパーチャ及び光吸収部については光軸を通り、且つ光軸に平行する平面により切断した断面が示される。

本実施形態に係る光学系装置１ａは、図７に示すように、照射部１０に代えて２つの照射部１０ａ，１０ｂを備えるとともに、導光部５０を更に備える点が第１の実施形態とは異なる。

２つの照射部１０ａ，１０ｂは、それぞれ、互いに波長が異なる光を照射するＬＥＤ光源であり、照射部１０と同様に、アパーチャ３０の孔部３１を介して光吸収部４０の入射側開口部４１に照射光を入射させるように配される。

導光部５０は、照射部１０ａ、１０ｂとアパーチャ３０との間に位置するように配される。この導光部５０は、中空となった筒状に形成されてその内壁表面が照射光を全反射する光反射面として形成され、入射側即ち照射部１０ａ、１０ｂ側に第１開口部５１が形成されるとともに、出射側即ちアパーチャ３０側に第２開口部５２が形成される。この導光部５０によれば、照射部１０ａ、１０ｂのそれぞれから第１開口部５１へ入射された光が導光部５０内で混合されて第２開口部５２からアパーチャ３０の孔部３１へ入射される。

このような導光部５０としては、例えば、集光やＮＡ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）変換を行うＣＰＣ（ＣｏｍｐｏｕｎｄＰａｒａｂｏｌｉｃＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ：複合放物面集光器）や導光、均一化を行うライトパイプが挙げられる。

本実施形態に係る光学系装置１ａによれば、互いに波長が異なる光を混合した出射光を平行化しつつ照射面における照度を均一化することができる。なお、本実施形態においては、光学系装置１ｂが２つの照射部１０ａ，１０ｂを備えるものとしたが、少なくとも２つ以上の照射部を備えるものであれば良い。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係る光学系装置について説明する。図８は、本実施形態に係る光学系装置の構成を示す概略側面図である。なお、図８においては、図２と同様に、アパーチャ及び光吸収部については光軸を通り、且つ光軸に平行する平面により切断した断面が示される。

本実施形態に係る光学系装置１ｂは、図８に示すように、２つの配光角変換部６０ａ，６０ｂを更に備える点が第２の実施形態とは異なる。

配光角変換部６０ａは照射部１０ａに対応して設けられ、配光角変換部６０ｂは照射部１０ｂに対応して設けられ、配光角変換部６０ａ，６０ｂはいずれも、照射部１０ａ，１０ｂの配光角度を狭める平凸レンズであり、その平面部が入射側を向き、その凸面部が出射側を向くように、照射部１０ａ，１０ｂに設けられる。ここで、配光角変換部６０ａ，６０ｂは、それぞれ、その平面部が照射部１０ａ，１０ｂの発光面に密着するように設けられる。

本実施形態に係る光学系装置１ｂによれば、照射部１０ａ、１０ｂのそれぞれに対応して配光角変換部６０ａ，６０ｂを設けて照射部１０ａ、１０ｂの配光角度を狭めることによって、照射面における照度を向上させることができる。

なお、光学系装置１ｂは、両凸レンズ２０に代えて、入射側を凹面として形成した凹凸レンズ（不図示）を備えるようにしても良い。この凹凸レンズは、入射側を向く第１面が凹面として形成される点が両凸レンズ２０とは異なる。また、第１面は、両凸レンズ２０の第１面２１と同様に、凹凸レンズより出射された照射光による照射面における照度を均一化する機能を主に有する。第１面の曲率半径についても、両凸レンズ２０の第１面２１と同様に、第２面からの出射光について、光軸に直交する平面上における照度部分布が均一となるように決定される。このような凹凸レンズを備えた光学系装置１ｂによれば、配光角変換部６０ａにより配光角が狭められた照射光を拡散して、出射側の第２面にバランス良く配光することができる。

＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態に係る光学系装置について説明する。図９は、本実施形態に係る光学系装置の構成を示す概略側面図である。なお、図９においては、図９と同様に、アパーチャ及び光吸収部については光軸を通り、且つ光軸に平行する平面により切断した断面が示される。

本実施形態に係る光学系装置１ｃは、図９に示すように、導光部５０に代えて導光部５０ａを備え、また、回転駆動部７０を更に備える点が第３の実施形態とは異なる。

導光部５０ａは、軸方向が光軸方向を向く回転軸周りに回転可能に光学系装置１ｃに設けられ、その外周壁にギヤが形成されている点が導光部５０とは異なる。導光部５０ａの回転軸は、光学系装置１ｃによる照射方向と直行する平面上において、その軸心位置が光軸と略一致した位置とすることが望ましい。

回転駆動部７０は、導光部５０ａに形成されたギヤを介して導光部５０ａをその回転軸周りに回転駆動する駆動装置であり、例えば、超音波モータ、直流モータとして構成される。

本実施形態に係る光学系装置１ｃによれば、導光部５０ａが回転されることにより、所定の期間における照射面の照度を均一化することができる。

なお、上述した４つの実施形態のそれぞれは、他の実施形態と組み合わせることができる。例えば、第３の実施形態に係る光学系装置１ｂにおける導光部５０を第４の実施形態に係る光学系装置１ｃにおける導光部５０ａに代えるように構成しても良い。

本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ光学系装置
１０照射部
２０両凸レンズ
３０アパーチャ
４０光吸収部

Claims

光源より照射された照射光を平行化し且つ該照射光による照射面における照度を均一化する光学系装置であって、
前記照射光の照射方向に設けられた両凸レンズであって、前記照射方向における入射側に位置する第１面と、前記照射方向における出射側に位置する第２面とを有し、前記第２面が入射された照射光を平行化する曲率半径に形成され、前記第１面が第２面により出射される照射光による照射面における照度を均一化する曲率半径に形成される両凸レンズと、
前記光源と前記両凸レンズとの間に配置され、前記照射光の一部を通過させるアパーチャと、
少なくとも２つ以上の前記光源としての照射部と、
前記少なくとも２つ以上の照射部と前記アパーチャとの間に配置され、前記少なくとも２つ以上の照射部により照射された照射光が入射する第一開口と、該第一側開口より入射された照射光を出射する第二開口とを有し、前記第一開口から前記第二開口まで貫通する筒状に形成されて内壁表面において光を全反射する導光部と
を備える光学系装置。
前記アパーチャは孔部より前記照射光の一部を通過させ、
両凸レンズにおける前記第２面の曲率半径は、前記第１面を平面と仮定した場合の焦点距離と、前記孔部の大きさとに基づくことを特徴とする請求項１に記載の光学系装置。
前記アパーチャと前記両凸レンズとの間に配置され、前記アパーチャを通過した照射光が入射する入射側開口と、該入射側開口より入射された照射光を出射する出射側開口とを有し、前記入射側開口から出射側開口まで貫通する筒状に形成されて内壁表面において光を吸収する光吸収体を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学系装置。
前記少なくとも２つ以上の照射部は、互いに波長が異なる照射光を出射することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光学系装置。
前記少なくとも２つ以上の照射部のそれぞれに対して設けられた少なくとも２つ以上の配光角変換部であって、前記少なくとも２つ以上の照射部と前記導光部との間に配置され、前記少なくとも２つ以上の照射部のそれぞれにより照射される照射光の配光角度を狭める少なくとも２つ以上の配光変換部を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の光学系装置。
前記導光部は、前記光学系装置の光軸を向く回転軸周りに回転可能に設けられ、
前記導光部を回転駆動する回転駆動部を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の光学系装置。
光源より照射された照射光を平行化し且つ該照射光による照射面における照度を均一化する光学系装置であって、
前記照射光の照射方向に設けられた凹凸レンズであって、前記照射方向における入射側に位置して凹面に形成された第１面と、前記照射方向における出射側に位置して凸面に形成された第２面とを有し、前記第２面が入射された照射光を平行化する曲率半径に形成され、前記第１面が第２面により出射される照射光による照射面における照度を均一化する曲率半径に形成される凹凸レンズと、
少なくとも１つ以上の前記光源としての照射部と、
前記照射部と前記両凸レンズとの間に配置され、前記照射光の一部を通過させるアパーチャと、
前記照射部と前記アパーチャとの間に配置され、前記照射部により照射される照射光の配光角を狭める配光角変換部と
を備える光学系装置。