JP2021076787A - Ｌｅｄランプ、およびそれを用いた露光装置用光源 - Google Patents

Ｌｅｄランプ、およびそれを用いた露光装置用光源 Download PDF

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Abstract

【課題】特定の波長の光量を追加するのが容易であり、かつ、追加を行っても開口寸法の増加を最小にすることができるＬＥＤランプを提供する。
【解決手段】ＬＥＤランプ１０を第１ＬＥＤ１４と第２ＬＥＤ１６と第３ＬＥＤ１８と集光レンズ２０とダイクロイックミラー２２とで構成する。集光レンズ２０を第１ＬＥＤ１４の光軸ＬＬ１上に配置する。ダイクロイックミラー２２を同光軸ＬＬ１上で、第１ＬＥＤ１４と集光レンズ２０との間に配置する。第２ＬＥＤ１６をその光軸ＬＬ２が光軸ＬＬ１と交差する位置に配置する。第１ＬＥＤ１４からの光Ｌ１を透過し、第２ＬＥＤ１６からの光Ｌ２を反射させて光軸ＬＬ１と略平行となるようにダイクロイックミラー２２を設定する。第３ＬＥＤ１８を同光軸ＬＬ３が光軸ＬＬ１と略平行となる位置に配置する。第３ＬＥＤ１８からの光Ｌ３を集光レンズ２０に直接的に入れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤランプ、とりわけ波長範囲が広いブロードバンド光を放射するＬＥＤランプおよびそれを用いた露光装置用光源に関する。
従来の白熱灯（例えば、ハロゲンランプ）に比べて、消費電力が低く、かつ、長寿命といった長所を有する発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）は、需要者のエコロジー意識の高まりとともに、省エネ対策のひとつとしてその使用範囲が急速に広まっており、とりわけ白熱灯や放電灯の代替としてＬＥＤを使用したいという要望が高まっている。
これに対し、ＬＥＤは、１個あたりの光量が白熱灯や放電灯と比べて少ないという課題や、ＬＥＤから放射される光の波長範囲が狭い（狭帯域）であるといった課題を有していることから、これを補うために複数のＬＥＤを設けることによって多くの光量を出すことができ、かつ、波長範囲が広いブロードバンド光を放射できる発光ダイオードランプが開発されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に開示されたＬＥＤランプは、水銀ランプ（放電灯）の代替えとして露光装置の光源に使用されるものである。従前は、例えばプリント基板の配線パターン形成やソルダレジスト膜形成に際して使用される感光材の感度特性に合わせて、４３６ｎｍ（ｇ線）、４０５ｎｍ（ｈ線）、および３６５ｎｍ（ｉ線）のスペクトル線を強く発する水銀ランプが使用されていた。ここで、この水銀ランプに代えてＬＥＤランプを使用すると、上述のように光量が少ないという問題、および、光の波長範囲が狭く感光材の感度特性に合わせた光を放射できないという問題があった。
そこで、特許文献１のＬＥＤランプでは、ダイクロイックミラーを用いて複数のＬＥＤから放射された光を合成し、インテグレータの入射面に結像させている。感光材の感度特性に合わせて、各ＬＥＤから放射される光の波長を互いに異なるように設定することにより、水銀ランプに代えてＬＥＤランプを使用することができるようになっている。
特開２０１２−６３３９０号公報
しかしながら、特許文献１に開示されたＬＥＤランプにも問題があった。
例えば、ダイクロイックミラーで光を透過させたり反射させたりすると当該光の何割かが減衰してしまうことから、必要に応じて特定の波長の光量を追加する必要があった。
また、特定の波長の光量を追加するために当該波長の光を放射する別のＬＥＤランプを並べると、今度は、１セットのＬＥＤランプの開口寸法が増加してしまい、大光量を実現させるために多数のＬＥＤランプを並べて露光装置用光源として使用する場合等には配置スペースの問題が生じてしまう。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、特定の波長の光量を追加するのが容易であり、かつ、追加を行っても開口寸法の増加を最小にすることができるＬＥＤランプおよびそれを用いた露光装置用光源を提供することにある。
本発明の一局面によれば、
第１ＬＥＤと、第２ＬＥＤと、第３ＬＥＤと、
集光レンズと、
ダイクロイックミラーとを備えており、
前記集光レンズは、前記第１ＬＥＤの光軸上に配置されており、
前記ダイクロイックミラーは、前記第１ＬＥＤの光軸上であって、かつ、前記第１ＬＥＤと前記集光レンズとの間に配置されており、
前記第２ＬＥＤは、前記第２ＬＥＤの光軸が前記第１ＬＥＤの光軸と交差する位置に配置されており、
前記ダイクロイックミラーは、前記第１ＬＥＤからの光を透過するとともに、前記第２ＬＥＤからの光が前記第１ＬＥＤの光軸と略平行となるように反射させるものであり、
前記第３ＬＥＤは、前記第３ＬＥＤの光軸が前記第１ＬＥＤの光軸と略平行となる位置に配置されており、
前記第３ＬＥＤからの光は、前記ダイクロイックミラーを透過したり、前記ダイクロイックミラーで反射したりすることなく、前記集光レンズに直接的に入ることを特徴とする
ＬＥＤランプが提供される。
好適には、
前記第１ＬＥＤ、前記第２ＬＥＤ、および前記第３ＬＥＤは、それぞれ互いに異なるピーク波長の光を放射する。
本発明の他の局面によれば、
複数の上述したＬＥＤランプと、
複数の前記ＬＥＤランプを並べて配置するためのフレームとを備える
露光装置用光源が提供される。
本発明のＬＥＤランプによれば、第１ＬＥＤからの光と第２ＬＥＤからの光とがダイクロイックミラーによって合成されて合成光を構成し、加えて、第３ＬＥＤからの光がこの合成光が入るのと同じ集光レンズに直接的に入ることにより、照射対象において第３ＬＥＤからの光と合成光とがさらに合成される。
このように、集光レンズに直接入る第３ＬＥＤからの光で特定の波長の光量を容易に追加調節でき、かつ、合成光と第３ＬＥＤからの光とが同じ集光レンズを使用するので、合成光用の開口と第３ＬＥＤからの光用の開口とを別々に設ける場合に比べて、ＬＥＤランプとしての開口寸法の増加を最小にすることができる。
本発明が適用された、実施形態に係るＬＥＤランプ１０を示す図である。 実施形態に係る露光装置用光源１００を示す図である。 複数のＬＥＤランプ１０で照射対象Ｓを照らす露光装置用光源１００を示す図である。
（ＬＥＤランプ１０の構成）
以下、図面を用いて、本発明に係るＬＥＤランプ１０の構成について説明する。
図１に示すように、ＬＥＤランプ１０は、大略、ランプ本体１２と、第１ＬＥＤ１４と、第２ＬＥＤ１６と、第３ＬＥＤ１８と、集光レンズ２０と、ダイクロイックミラー２２と、第１平行化レンズ２４と、第２平行化レンズ２６と、フライアイレンズ２８とを備えている。
ランプ本体１２は、内部空間３０、開口３１および底にベース部３２を有する有底円筒状あるいは有底角筒状のメイン部材３４と、このメイン部材３４よりもやや小径に形成されており、同じく内部空間３６、開口３７および底にベース部３８を有する有底円筒状あるいは有底角筒状の付属部材４０とで構成されている。
メイン部材３４の側面中央部には付属部材４０が接続される接続孔４１が形成されており、当該接続孔４１に付属部材４０が接続されることにより、メイン部材３４の内部空間３０と付属部材４０の内部空間３６とが互いに連通するようになっている。
第１ＬＥＤ１４は、例えばピーク波長が４０５ｎｍである第１光Ｌ１を放射するＬＥＤであり、メイン部材３４におけるベース部３２の表面に実装されている。
第１ＬＥＤ１４の光軸ＬＬ１は、メイン部材３４の開口３１に向けて当該メイン部材３４の長手方向と略平行に設定されている。
なお、図１では、３つの第１ＬＥＤ１４が描かれているが、第１ＬＥＤ１４の数はこれに限定されるものではなく、２つ以下でもよいし、４つ以上であってもよい。
第２ＬＥＤ１６は、例えばピーク波長が３６５ｎｍである第２光Ｌ２を放射するＬＥＤであり、付属部材４０におけるベース部３８の表面に実装されている。
第２ＬＥＤ１６の光軸ＬＬ２は、付属部材４０の開口３７に向けて当該付属部材４０の長手方向と略平行に設定されている。本実施形態の場合、第２ＬＥＤ１６の光軸ＬＬ２は第１ＬＥＤ１４の光軸ＬＬ１に対して略直交する。これにより、開口３７から付属部材４０を出た第２光Ｌ２は、第１ＬＥＤ１４の光軸ＬＬ１に対して略直交する向きでメイン部材３４の内部空間３０に入る。もちろん、光軸ＬＬ１と光軸ＬＬ２とが成す角度は直角に限定されるものではなく、必要に応じて他の角度が選択される。
なお、図１では、４つの第２ＬＥＤ１６が描かれているが、第１ＬＥＤ１４の数はこれに限定されるものではなく、３つ以下でもよいし、５つ以上であってもよい。
第３ＬＥＤ１８は、例えばピーク波長が３８５ｎｍである第３光Ｌ３を放射するＬＥＤであり、メイン部材３４におけるベース部３２の表面であって、第１ＬＥＤ１４とは異なる位置に実装されている。
第３ＬＥＤ１８の光軸ＬＬ３は、メイン部材３４の開口３１に向けて当該メイン部材３４の長手方向と略平行に設定されている。換言すれば、第３ＬＥＤ１８の光軸ＬＬ３は、第１ＬＥＤ１４の光軸ＬＬ１とも略平行になっている。
なお、図１では、２つの第３ＬＥＤ１８が描かれているが、第３ＬＥＤ１８の数はこれに限定されるものではなく、１つでもよいし、３つ以上であってもよい。
集光レンズ２０は、第１ＬＥＤ１４の光軸ＬＬ１上であって、メイン部材３４の開口３１に配置された凸レンズである。後述するように、各ＬＥＤ１４，１６，１８から放射された光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、平行光として集光レンズ２０に入るようになっている。このため、集光レンズ２０を透過して屈折した各光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、当該集光レンズ２０の焦点位置Ｆに配置された照射対象Ｓに向けて集光される。
ダイクロイックミラー２２は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する性質を有する部材である。本実施形態において、ダイクロイックミラー２２は、メイン部材３４の内部空間３０における第１ＬＥＤ１４の光軸ＬＬ１上であって、かつ、第１ＬＥＤ１４と集光レンズ２０との間に配置されている。加えて、ダイクロイックミラー２２が配置された位置は、第２ＬＥＤ１６の光軸ＬＬ２と第１ＬＥＤ１４の光軸ＬＬ１とが交差する位置である。さらに、本実施形態におけるダイクロイックミラー２２は、第２ＬＥＤ１６からの光Ｌ２を反射させ、その他の波長の光を透過するように設定されている。
ダイクロイックミラー２２の角度は、当該ダイクロイックミラー２２で反射した後の光Ｌ２が当該ダイクロイックミラー２２を透過してきた光Ｌ１と略平行な向きになるように設定されており、第２ＬＥＤ１６からの光Ｌ２と第１ＬＥＤ１４からの光Ｌ１とが合成されて合成光ＬＧとなる。
なお、図１では、２つのダイクロイックミラー２２が描かれているが、ダイクロイックミラー２２の数はこれに限定されるものではなく、１つでもよいし、３つ以上であってもよい。
第１平行化レンズ２４は、各ＬＥＤ１４，１６，１８の出光面の近傍にそれぞれ配置された凸レンズであり、各ＬＥＤ１４，１６，１８から所定の開き角で放射された各光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を所定の角度に集光するための部材である。なお、第１平行化レンズ２４は本発明の必須の構成要素ではない。このため、第１平行化レンズ２４を省略してＬＥＤランプ１０を構成してもよい。
第２平行化レンズ２６は、第１平行化レンズ２４を透過した後の各光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３さらに集光するための部材であり、各ＬＥＤ１４，１６，１８の光軸ＬＬ１，ＬＬ２，ＬＬ３上に配設されている。なお、第１平行化レンズ２４と同様、第２平行化レンズ２６も本発明の必須の構成要素ではない。このため、第２平行化レンズ２６を省略してＬＥＤランプ１０を構成してもよい。
フライアイレンズ２８は、その入射面４２から入った光を均一化させて出射面４４から出す機能を有するレンズである。
本実施形態では、メイン部材３４の内部空間３０において、２つのフライアイレンズ２８が集光レンズ２０よりも第１ＬＥＤ１４および第３ＬＥＤ１８側に互いに平行に配置されており、各ＬＥＤ１４，１６，１８からの各光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３がこれらフライアイレンズ２８を通過するようになっている。
なお、フライアイレンズ２８は本発明の必須の構成要素ではない。このため、フライアイレンズ２８を省略してＬＥＤランプ１０を構成してもよい。また、フライアイレンズ２８の数は１つでもよいし、３つ以上であってもよい。
（露光装置用光源１００の構成）
次に、上述したＬＥＤランプ１０を複数使用して構成された露光装置用光源１００について簡単に説明する。
図２に示すように、この露光装置用光源１００は、複数のＬＥＤランプ１０と、これら複数のＬＥＤランプ１０を並べて配置するためのフレーム１０２とを備えており、例えば、露光装置に設けられたＤＭＤ(Digital Micromirror Device)を照射するようになっている。
フレーム１０２には、各ＬＥＤランプ１０におけるランプ本体１２の先端部（メイン部材３４の開口３１側端部）を嵌め込むことのできる凹所１０４が形成されている。これら凹所１０４に各ＬＥＤランプ１０を嵌め込んで取り付けることにより、露光装置用光源１００が構成される。
（ＬＥＤランプ１０の特徴）
上述した実施形態に係るＬＥＤランプ１０によれば、第１ＬＥＤ１４からの光Ｌ１と第２ＬＥＤ１６からの光Ｌ２とがダイクロイックミラー２２によって合成されて合成光ＬＧを構成し、加えて、第３ＬＥＤ１８からの光Ｌ３がこの合成光ＬＧが入るのと同じ集光レンズ２０に直接的に入ることにより、照射対象Ｓにおいて第３ＬＥＤ１８からの光Ｌ３と合成光ＬＧとがさらに合成される。
このように、集光レンズ２０に直接入る第３ＬＥＤ１８からの光Ｌ３で特定の波長の光量を容易に追加調節でき、かつ、合成光ＬＧと第３ＬＥＤ１８からの光Ｌ３とが同じ集光レンズ２０を使用するので、合成光ＬＧ用の開口と第３ＬＥＤ１８からの光Ｌ３用の開口とを別々に設ける場合に比べて、ＬＥＤランプ１０としての開口３１寸法の増加を最小にすることができる。
さらに言えば、開口３１寸法の増加を最小にできることで、露光装置用光源１００のように複数のＬＥＤランプ１０を狭い角度範囲に並べて配置できる。これにより、図３に示すように照射対象Ｓに対する照射角度θを直角寄りにすることができるので、各ＬＥＤランプ１０からの光で照射対象Ｓを照らす効率を向上させることができる。
（変形例１）
上述した実施形態では、ＬＥＤランプ１０を露光装置用光源１００に用いていたが、ＬＥＤランプ１０の用途はこれに限定されるものではなく、他の用途にも使用できる。また、複数のＬＥＤランプ１０をまとめて使用することに限定されることもなく、１つのＬＥＤランプ１０を単体で使用してもよい。
（変形例２）
上述した実施形態では、３種類のＬＥＤ１４，１６，１８を使用していたが、ＬＥＤの種類は３つに限定されるものではなく、４つ以上の種類のＬＥＤを使用してもよい。例えば、４種類目のＬＥＤを第２ＬＥＤ１６に隣接配置し、この４種類目のＬＥＤからの光を反射させるダイクロイックミラー２２をさらに設けることが考えられる。もちろん、第１ＬＥＤ１４や第３ＬＥＤ１８に並べて別の種類のＬＥＤを配置してもよい。
（変形例３）
上述した実施形態では、各ＬＥＤ１４，１６，１８からの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を均一化させるためにフライアイレンズ２８を用いていたが、これに代えてロッドレンズを使用して光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を均一化させてもよい。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０…ＬＥＤランプ、１２…ランプ本体、１４…第１ＬＥＤ、１６…第２ＬＥＤ、１８…第３ＬＥＤ、２０…集光レンズ、２２…ダイクロイックミラー、２４…第１平行化レンズ、２６…第２平行化レンズ、２８…フライアイレンズ、３０…（メイン部材３４の）内部空間、３１…（メイン部材３４の）開口、３２…（メイン部材３４の）ベース部、３４…メイン部材、３６…（付属部材４０の）内部空間、３７…（付属部材４０の）開口、３８…（付属部材４０の）ベース部、４０…付属部材、４１…接続孔、４２…（フライアイレンズ２８の）入射面、４４…（フライアイレンズ２８の）出射面
１００…露光装置用光源、１０２…フレーム、１０４…凹所
Ｌ１…（第１ＬＥＤ１４からの）第１光、ＬＬ１…（第１ＬＥＤ１４の）光軸、Ｌ２…第２光、ＬＬ２…（第２ＬＥＤ１６の）光軸、Ｌ３…第３光、ＬＬ３…（第３ＬＥＤ１８の）光軸
Ｓ…照射対象、ＬＧ…合成光

Claims (3)

  1. 第１ＬＥＤと、第２ＬＥＤと、第３ＬＥＤと、
    集光レンズと、
    ダイクロイックミラーとを備えており、
    前記集光レンズは、前記第１ＬＥＤの光軸上に配置されており、
    前記ダイクロイックミラーは、前記第１ＬＥＤの光軸上であって、かつ、前記第１ＬＥＤと前記集光レンズとの間に配置されており、
    前記第２ＬＥＤは、前記第２ＬＥＤの光軸が前記第１ＬＥＤの光軸と交差する位置に配置されており、
    前記ダイクロイックミラーは、前記第１ＬＥＤからの光を透過するとともに、前記第２ＬＥＤからの光が前記第１ＬＥＤの光軸と略平行となるように反射させるものであり、
    前記第３ＬＥＤは、前記第３ＬＥＤの光軸が前記第１ＬＥＤの光軸と略平行となる位置に配置されており、
    前記第３ＬＥＤからの光は、前記ダイクロイックミラーを透過したり、前記ダイクロイックミラーで反射したりすることなく、前記集光レンズに直接的に入ることを特徴とする
    ＬＥＤランプ。
  2. 前記第１ＬＥＤ、前記第２ＬＥＤ、および前記第３ＬＥＤは、それぞれ互いに異なるピーク波長の光を放射することを特徴とする
    請求項１に記載のＬＥＤランプ。
  3. 請求項１または２に記載の複数のＬＥＤランプと、
    複数の前記ＬＥＤランプを並べて配置するためのフレームとを備える
    露光装置用光源。
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