JP2024048111A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のＬＥＤ素子を含み、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実現する。
【解決手段】光源装置は、複数のＬＥＤ素子と、複数のＬＥＤ素子からの出射されたそれぞれの光をコリメート光に変換する第一光学系と、第一光学系から出射された複数の前記コリメート光を集光する第二光学系とを備える。第一光学系は、複数のＬＥＤ素子のそれぞれに対応して配置された第一コリメート光学系と、第一コリメート光学系の後段において複数のＬＥＤ素子のそれぞれに対応して配置された光学部品を含む第二コリメート光学系とを含む。第二コリメート光学系は、複数のＬＥＤ素子及び第一コリメート光学系を固定した状態の下で、光軸方向に見たときの複数のＬＥＤ素子及び第一コリメート光学系に対する相対的な光学位置関係を調整可能である。
【選択図】 図２

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。

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。

特開２００４－３３５９５３号公報

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素子からの出射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。

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。

本発明に係る光源装置は、
光軸に直交する面方向に分散して配置された複数のＬＥＤ素子と、
前記複数のＬＥＤ素子からの出射されたそれぞれの光をコリメート光に変換する第一光学系と、
前記第一光学系から出射された複数の前記コリメート光を集光する第二光学系とを備え、
前記第一光学系は、
前記複数のＬＥＤ素子のそれぞれに対応して配置された光学部品を含む第一コリメート光学系と、
前記第一コリメート光学系の後段において、前記複数のＬＥＤ素子のそれぞれに対応して配置された光学部品を含む第二コリメート光学系とを含み、
前記第二コリメート光学系は、前記複数のＬＥＤ素子及び前記第一コリメート光学系を固定した状態の下で、前記光軸方向に見たときの、前記複数のＬＥＤ素子及び前記第一コリメート光学系に対する相対的な光学位置関係を調整可能に配置されていることを特徴とする。

前述したように、一つのＬＥＤ素子から出射される光は、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。

上記構成によれば、複数のＬＥＤ素子から出射された光は、第一光学系においてコリメートされた後に、集光される。これにより、各ＬＥＤ素子からの出射光を、集光位置で結像させることができる。また、コリメート光学系として機能する第一光学系の配置を調整することで、各ＬＥＤ素子からの出射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。

仮に、複数のＬＥＤ素子と第一光学系との間で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。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。

これに対し、本発明に係る光源装置によれば、光軸の方向に見たときの、複数のＬＥＤ素子と第一光学系の相対的な光学位置関係を調整可能に構成されている。このため、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、両者の相対的な光学位置関係を調整することで、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を導くことが可能となる。

更に、本発明に係る光源装置は、第一光学系が、複数のＬＥＤ素子に近い側に配置された第一コリメート光学系と、第一コリメート光学系の後段に配置された第二コリメート光学系とを含んでいる。そして、複数のＬＥＤ素子と第一コリメート光学系とを固定した状態の下で、複数のＬＥＤ素子及び第一コリメート光学系と、第二コリメート光学系との相対的な位置関係の調整が可能に構成されている。かかる構成を採用することで、位置調整に際して、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子に近接した第一コリメート光学系とが相対的に移動することがなく、調整時にＬＥＤ素子の発光面や配線を損傷させるリスクを回避できる。

ここで、第一コリメート光学系と、第一コリメート光学系の後段に配置された第二コリメート光学系との相対的な光学位置関係を調整する場合、光の進行方向に対して光源からの距離が離れている方が微細な調整が可能である。言い換えると、光源に近い側に配置された第一コリメート光学系を使って調整する場合、第一コリメート光学系を少し移動させただけで第二コリメート光学系が結ぶ像の位置が大きく移動することになる。このため、第一コリメート光学系で調整しようとした場合、より繊細な調整が必要となり調整が難しい。このように、上述したＬＥＤ素子の発光面や配線を損傷させるリスク以外にも、複数のＬＥＤ素子と第一コリメート光学系とを固定した状態とする方が、より好ましい調整が実現できることになる 。

より詳細には、前記光源装置は、
前記複数のＬＥＤ素子が実装された基板と、
前記第一コリメート光学系が収容され、前記基板に対して固定的に連結された第一レンズホルダと、
前記第二コリメート光学系が収容され、前記第一レンズホルダに対する相対的な位置を調整可能な第二レンズホルダとを備えるものとしても構わない。

上記構成によれば、ＬＥＤ素子が実装された基板と第一レンズホルダとが固定される。このため、各レンズの配置位置を調整する際に、ＬＥＤ素子が実装された基板の面を基準面とすることができる。

また、ＬＥＤ素子が実装されている基板の、光軸方向に離間した位置にレンズホルダ（第一レンズホルダ）が配置されることで、ＬＥＤ素子の保護機能が奏される。より具体的には、ＬＥＤ素子の発光面が剥き出された状態で配置されるＣＯＢ（Chip On Board）タイプの場合、第一レンズホルダによって区画される空間内にＬＥＤ素子を位置させることができるため、ＬＥＤ素子の発光面や配線を保護できる。また、ＬＥＤ素子の発光面が、樹脂等で覆われている場合であっても、第一レンズホルダによって区画される空間内にＬＥＤ素子を位置させることができるため、樹脂表面にホコリや結露などが付着することを防止できる。

このように、第一レンズホルダによってＬＥＤ素子が搭載された基板を覆う構成を採用することで、ＬＥＤ素子に対する保護や、異物の付着による発光強度の低下を抑制する効果が期待できる。一方で、このような構成を採用した場合において、光学的な位置調整に際し基板に対する第一レンズホルダの相対的な位置を移動させると、ＬＥＤ素子の発光面や配線を損傷したり、場合によっては漏電するリスクを生む。しかし、上記の構成によれば、光学的な位置調整は、複数のＬＥＤ素子が搭載された基板と第一コリメート光学系とが一体的に固定された状態の下で行われ、複数のＬＥＤ素子から離間した位置に配置されている第二コリメート光学系と、基板及び第一コリメート光学系との相対的な位置関係が調整される。この結果、第一レンズホルダによって、ＬＥＤ素子が搭載された基板を覆う構成を採用した場合であっても、位置調整に際して、ＬＥＤ素子の発光面や配線を損傷させるリスクを大幅に低下できる。

一例として、前記光源装置は、前記第一レンズホルダに対して付設され、前記第二レンズホルダの位置を固定した状態で、前記第一レンズホルダ及び前記基板を、前記光軸方向に直交する面方向に一体的に移動させる調整機構を備えるものとしても構わない。

別の一例として、前記光源装置は、前記第二レンズホルダに対して付設され、前記第一レンズホルダ及び前記基板の位置を固定した状態で、前記第二レンズホルダを前記光軸方向に直交する面方向に移動させる調整機構を備えるものとしても構わない。

より具体的な一例として、前記光源装置は、
前記第二レンズホルダの所定箇所において前記第二レンズホルダを前記光軸に平行な方向に貫通する貫通孔と、
前記貫通孔の内径よりも短い内径を有して、前記第一レンズホルダの前記第二レンズホルダ側の面から、前記光軸に平行な方向に所定の長さ分だけ彫り込まれた溝部と、
前記貫通孔の内径よりも短い外径を有し前記溝部に差込み可能な軸部と、前記貫通孔の内径よりも長い外径を有し、前記軸部に連結された頭部とを含む固定部材とを備え、
前記調整機構は、前記固定部材の前記頭部を前記第二レンズホルダの面に対して非接触の状態の下で、前記第一レンズホルダ及び前記基板を、前記光軸方向に直交する面方向に、前記貫通孔の内径と前記固定部材の前記軸部の外径との差分で規定される余裕度以内の距離だけ移動可能に構成されているものとしても構わない。

固定部材としては、ネジを利用することができる。この場合、溝部にはネジ切りが設けられているものとして構わない。また、調整機構としては、クランピングスクリュー、カム、又はピン等を利用できる。

なお、貫通孔は、第一レンズホルダ側に設けられていてもよい。
すなわち、前記光源装置は、
前記第一レンズホルダの所定箇所において前記第一レンズホルダを前記光軸に平行な方向に貫通する貫通孔と、
前記貫通孔の内径よりも短い内径を有して、前記第二レンズホルダの前記第一レンズホルダ側の面から、前記光軸に平行な方向に所定の長さ分だけ彫り込まれた溝部と、
前記貫通孔の内径よりも短い外径を有し前記溝部に差込み可能な軸部と、前記貫通孔の内径よりも長い外径を有し、前記軸部に連結された頭部とを含む固定部材とを備えるものとしても構わない。

また、調整機構は、第二レンズホルダを移動させるものとしても構わない。
すなわち、前記調整機構は、前記固定部材の前記頭部を前記第二レンズホルダの面に対して非接触の状態の下で、前記第二レンズホルダを、前記光軸方向に直交する面方向に、前記貫通孔の内径と前記固定部材の前記軸部の外径との差分で規定される余裕度以内の距離だけ移動可能に構成されているものとしても構わない。

前記光源装置は、
前記貫通孔の内径をφ_h、前記固定部材の前記軸部の外径をφ_p、前記ＬＥＤ素子の発光面の最大径をＤ、前記第一コリメート光学系が備える各光学部品の最大光取み込み角をθ₁、前記第二コリメート光学系が備える各光学部品の最大光取込み角をθ₂とすると、
0.1Ｄ・（θ₂ / θ₁） ≦ （φ_h－φ_p）/２ ≦ Ｄ・（θ₂ / θ₁）
が成立するものとしても構わない。

貫通孔内に固定部材が位置している状態において、第二コリメート光学系と、第一コリメート光学系及び複数のＬＥＤ素子（基板）との間の相対的な位置関係の調整可能量は、貫通孔の内径と固定部材の軸部の外径との差分値（φ_h－φ_p）に依存する。また、第一コリメート光学系が備える光学部品（典型的にはレンズ）の最大光取み込み角をθ₁、第二コリメート光学系が備える光学部品（典型的にはレンズ）の最大光取込み角をθ₂とすると、光源に対して第二コリメートレンズを距離ｄだけ移動させることは、光学的には、光源をｄ・（θ₂ / θ₁）だけ移動させることと等価である。

0.1Ｄ・（θ₂ / θ₁） ≦ （φ_h－φ_p）/２ が成立するように貫通孔の内径と軸部の外径を設計しておくことで、ＬＥＤ素子と第一光学系（コリメート光学系）との光軸に直交する面方向に関する光学的な位置を、ＬＥＤ素子の発光面の最大径の１０％以内の距離について調整が可能となり、実際の運用に鑑みても十分な調整量が確保できる。

無論、調整可能量を多くすることで、ＬＥＤ素子と第一光学系（コリメート光学系）との光軸に直交する面方向に関する光学的な位置関係を、大幅に調整できるようになる。しかしながら、現実的には、光学的な位置調整をＬＥＤ素子の発光面の最大径以上の距離だけ行うことは想定できず、逆に、調整可能量を大きくし過ぎることは、レンズホルダに設けられた貫通孔の内径を必要以上に大きくすることにつながる。（φ_h－φ_p）/２ ≦ Ｄ・（θ₂ / θ₁）が成立するように貫通孔の内径と軸部の外径を設計しておくことで、光軸に直交する面方向に関するＬＥＤ素子と第一光学系（コリメート光学系）との光学的な位置関係の最大調整量を、ＬＥＤ素子の発光面の最大径に制限できる。

前記光源装置は、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。

ＬＥＤ素子から出射される光は、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素子からの出射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。

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、光を出射しない領域（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素子からの出射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素子から出射された光を単に集光しただけでは、照射面上における照度ムラが発生する場合がある。

これに対し、上記構成によれば、第二光学系の焦点位置にインテグレータ光学系が配置されているため、照射面上における照度ムラの発生が抑制される。前記インテグレータ光学系としては、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出射面へと導くロッドインテグレータ等の導光部材で構成しても構わないし、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しても構わない。

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。

光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。 複数のＬＥＤ素子、第一コリメート光学系、及び第二コリメート光学系の配置態様の一例を示す断面図である。 図２の一部拡大図である。 図３の状態から固定部材を取り除いたときの模式的な図面である 固定部材の構造を模式的に示す断面図である。 複数のＬＥＤ素子と第一光学系とを、光の進行方向とは逆方向に見たときの模式的な平面図である。 図６を更に模式化して表記した図面である。 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。 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。 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。 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。 貫通孔内に固定部材の軸部が位置している状態を模式的に示す図面である。 図９に示す余裕領域８８の好ましい設計基準を説明するための模式的な図面である。 複数のＬＥＤ素子、第一コリメート光学系、及び第二コリメート光学系の配置態様の別の一例を示す断面図である。 複数のＬＥＤ素子、第一コリメート光学系、及び第二コリメート光学系の配置態様の別の一例を示す断面図である。 複数のＬＥＤ素子、第一コリメート光学系、及び第二コリメート光学系の配置態様の別の一例を示す断面図である。 複数のＬＥＤ素子、第一コリメート光学系、及び第二コリメート光学系の配置態様の別の一例を示す断面図である。 複数のＬＥＤ素子、第一コリメート光学系、及び第二コリメート光学系の配置態様の別の一例を示す断面図である。 光源装置の別の実施形態の構成を模式的に示す図面である。

以下、本発明に係る光源装置の実施形態につき、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、光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。図１に示す光源装置１は、複数のＬＥＤ素子３，３，…と、第一光学系８と、第二光学系４０と、インテグレータ光学系５０とを備える。

複数のＬＥＤ素子３，３，…は、基板５上に実装されており、光軸２に直交する面方向に分散して配置される。

第一光学系８は、複数のＬＥＤ素子３，３，…から出射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３，３，…に対応して配置された複数の光学部品を備える。本実施形態では、第一光学系８は、複数のＬＥＤ素子３，３，…に近い側に配置された第一コリメート光学系１１と、第一コリメート光学系１１の後段に配置された第二コリメート光学系２１とを含む。第一コリメート光学系１１及び第二コリメート光学系２１は、それぞれ、各ＬＥＤ素子３，３，…に対応して配置された複数の光学部品を備えるものとして構わない。ここでいう光学部品としては、典型的にはレンズである。

複数のＬＥＤ素子３，３，…から出射された光は、第一コリメート光学系１１及び第二コリメート光学系２１を通過した後、コリメート光として第二光学系４０に導かれる。第二光学系４０は、このコリメート光を第二光学系４０の焦点４０ｆ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５０の入射面が、第二光学系４０の焦点４０ｆの位置になるように、インテグレータ光学系５０が配置されている。図１では、インテグレータ光学系５０がフライアイレンズ５１で構成されている例が示されている。これにより、フライアイレンズ５１の入射面には高輝度の光が集光され、フライアイレンズ５１からは高輝度の光が出射される。

本実施形態の光源装置１は、複数のＬＥＤ素子３，３，…と、第一コリメート光学系１１との相対的な位置を維持したまま、複数のＬＥＤ素子３，３，…及び第一コリメート光学系１１に対する、第二コリメート光学系２１の相対的な位置の調整が可能である。この点について、図２以下の図面を参照して説明する。

図２は、複数のＬＥＤ素子３，３，…、第一コリメート光学系１１、及び第二コリメート光学系２１の配置態様の一例を示す断面図である。光源装置１は、第一コリメート光学系１１を収容する第一レンズホルダ１０と、第二コリメート光学系２１を収容する第二レンズホルダ２０とを備える。第一レンズホルダ１０は、ＬＥＤ素子３，３，…が実装されている基板５に対して一体化されている。

以下の説明に際して、図２に示すように、複数のＬＥＤ素子３，３，…から出射される光Ｌ３の主光線の方向をＺ方向とし、このＺ方向に直交する平面をＸ-Ｙ平面とする、Ｘ-Ｙ-Ｚ座標系が導入される。この座標系を参照して記載すると、基板５に実装された複数のＬＥＤ素子３，３，…は、Ｘ-Ｙ平面上に分散して配置されている。そして、複数のＬＥＤ素子３，３，…は、＋Ｚ方向、及びＸＹ平面に沿った方向の外周が、第一レンズホルダ１０によって覆われている。より詳細には、＋Ｚ方向に関して、複数のＬＥＤ素子３，３，…から離間した位置に、第一レンズホルダ１０に収容された第一コリメート光学系１１が配置されている。更に、この第一コリメート光学系１１よりも、＋Ｚ側の位置に、第二コリメート光学系２１が配置されている。

本実施形態において、光源装置１は、調整機構３１と固定部材３５とを備える。調整機構３１は、第一コリメート光学系１１と第二コリメート光学系２１との相対的な位置を調整する部材である。図２に示す例では、調整機構３１が操作されると、第二レンズホルダ２０を基準として第一レンズホルダ１０がＸ-Ｙ平面上の所定の方向に移動する。固定部材３５は、第一レンズホルダ１０と第二レンズホルダ２０とがＺ方向に移動することを規制するための部材であると共に、Ｘ-Ｙ平面上における、第一レンズホルダ１０と第二レンズホルダ２０との位置関係が調整された後に両者を固定するための部材である。

図３は、図２の一部拡大図であり、固定部材３５によって第一レンズホルダ１０と第二レンズホルダ２０との位置が固定された状態が示されている。固定部材３５は、頭部３６と、頭部３６よりも外径が短く所定の方向に延伸する軸部３７とを含む部材であり、典型的にはネジ部材である。図３に示す例では、固定部材３５の頭部３６が、第二レンズホルダ２０の、第一レンズホルダ１０から離れた側の面２０ａに当接している。また、固定部材３５の軸部３７が、第二レンズホルダ２０内をＺ方向に貫通し、その先端が第一レンズホルダ１０内の一部箇所に達している。

図４は、図３から固定部材３５を取り除いたときの模式的な図面である。図４に示す例では、第二レンズホルダ２０は、所定箇所において第二レンズホルダ２０をＺ方向に貫通するように形成された貫通孔３８を有する。また、第一レンズホルダ１０は、第二レンズホルダ２０側の面１０ａからＺ方向に所定の長さ分だけ彫り込まれた溝部３９を有する。溝部３９の内径は、貫通孔３８の内径φ_hより短い。図３及び図４によれば、溝部３９は固定部材３５の軸部３７の先端部が挿入される領域であり、貫通孔３８は固定部材３５の軸部３７の中央部が挿入される領域である。

図５は、固定部材３５の構造を模式的に示す断面図である。軸部３７の外径φ_pは、溝部３９の内径とほぼ同等であり、図４に示す貫通孔３８の内径φ_hよりも短い。また、頭部３６の外径φ_aは、貫通孔３８の内径φ_hよりも長い。このように構成されることで、固定部材３５が貫通孔３８及び溝部３９にまたがって挿入されると、図３に示すように、頭部３６が第二レンズホルダ２０の面２０ａに当接し、軸部３７の先端が、溝部３９の底面近くに達する。溝部３９の内壁及び軸部３７の先端にそれぞれネジ切りを施しておくことで、固定部材３５によって、第一レンズホルダ１０と第二レンズホルダ２０とをネジ留めすることができる。

次に、調整機構３１について図６を参照して説明する。図６は、複数のＬＥＤ素子３，３，…及び第一光学系８を、＋Ｚ側から、すなわち光Ｌ３の進行方向とは逆方向に見たときの模式的な平面図である。図６には、光源装置１が、４箇所に設けられた固定部材３５と、５箇所に設けられた調整機構３１とを備える例が示されている。ただし、図６では、固定部材３５については、図示の都合上、頭部３６のみが示されている。以下では、説明の便宜上、５箇所に設けられた調整機構３１を、それぞれ、調整機構３１ａ，３１ｂ，…，３１ｅと称する。図７は、図６を更に模式的に図示した図面である。ここでは、調整機構３１ａ，３１ｂ，３１ｃがクランピングスクリューであり、調整機構３１ｄ，３１ｅがボールプランジャである場合を例に挙げて説明する。調整機構３１としては、クランピングスクリュー、ボールプランジャ、ピン、カム等の公知の機構を採用することができる。

ボールプランジャで構成されている調整機構３１ｄ，３１ｅには、バネが内蔵されている。溝部３９内における固定部材３５の軸部３７の移動規制を解除した状態で、より具体的には、ネジ留めを緩めた状態で、３箇所に設けられたクランピングスクリューからなる調整機構３１ａ，３１ｂ，３１ｃを押し引きすると、調整機構３１ｄ，３１ｅの先端の剛球が移動する。この移動により、第一レンズホルダ１０と第二レンズホルダ２０との、Ｘ-Ｙ平面上における相対的な位置関係を調整できる。具体的には、図７中に両矢印で示すような、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。

上述したように、複数のＬＥＤ素子３，３，…が実装されている基板５は、第一レンズホルダ１０に固定されている。このため、第一レンズホルダ１０と第二レンズホルダ２０との、Ｘ-Ｙ平面上における相対的な位置関係を調整することは、複数のＬＥＤ素子３，３，…と、第二レンズホルダ２０との、Ｘ-Ｙ平面上における相対的な位置関係を調整することを意味する。つまり、このことは、複数のＬＥＤ素子３，３，…と、第一光学系８との、Ｘ-Ｙ平面上における光学的な位置関係を調整することを意味する。

実際に、複数のＬＥＤ素子３，３，…を点灯させた状態で、調整機構３１を操作して、第一レンズホルダ１０と第二レンズホルダ２０との相対的な位置関係を調整しながら、像を測定した。この検証では、インテグレータ光学系５０として、ロッドインテグレータが採用されており（後述する図１２参照）、このロッドインテグレータの入射面における像が測定された。光源としては、８０ｍｍ×８０ｍｍの領域内に８５個のＬＥＤ素子３，３，…が配置されていた。

図８Ａ～図８Ｄ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、基準となる領域が符号６１で示されており、像として現れている領域が符号６０で示されており、像６０の中心となる位置が符号６２で示されている。

一例として、クランピングスクリューで構成されている、調整機構３１ａ，３１ｂ，３１ｃ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７に示したように、同一の辺（ここではＹ方向に沿った辺）に設けられている２つの調整機構３１ａ，３１ｂの移動量に変化を持たせることで、第二レンズホルダ２０に対して、複数のＬＥＤ素子３，３，…が固定されている第一レンズホルダ１０をθ方向に回転移動させることができる。

一例として、上記２つの調整機構３１ａ，３１ｂの間隔を６０ｍｍとすると、８０ｍｍ×８０ｍｍの領域内に配置されたＬＥＤ素子３，３，…を１°回転させるためには、上記２つの調整機構３１ａ，３１ｂ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つの調整機構３１ａ，３１ｂのうちの、一方のみを前進又は後退させるものとしても構わないし、一方を前進させて他方を後退させるものとしても構わない。

図８Ａは、例えば初期時（調整機構による調整を実施する前の状態）に対応する。図８Ａによれば、像の中心６２が基準領域６１（破線で囲まれた四角の領域）の中心Ｏ（Ｘ-Ｙ座標軸系の原点）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３，３，…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、ＬＥＤ素子３，３，…と第一光学系８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。

図８Ｂは、図８Ａの状態から調整機構３１が操作されることで、第二レンズホルダ２０に対して、複数のＬＥＤ素子３，３，…が固定されている第一レンズホルダ１０を１°回転移動させた後に、測定された結果である。図８Ｂに示される像６０は、ＬＥＤ素子３，３，…によって形成される光源の形状に対応した形状を示しており、図８Ａ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、対応する第一光学系８の光軸とが、図８Ａの状態よりも接近したことが分かる。

図８Ｃは、図８Ｂの状態から、更に調整機構３１が操作されることで、第二レンズホルダ２０に対して第一レンズホルダ１０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８Ｄは、図８Ｃの状態から、更に調整機構３１が操作されることで、第二レンズホルダ２０に対して第一レンズホルダ１０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８Ｂの状態と比較して、図８Ｃ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８Ｄの状態では、この像６０の中心６２が更に基準領域６１の中心Ｏに近づいていることが確認される。

このように、調整機構３１が操作されることで、複数のＬＥＤ素子３，３，…から出射された光をほぼ一点に集めることができると共に、その集光位置を調整することが可能となる。特に、インテグレータ光学系５０の光入射面に、前記集光位置を移動させることで、インテグレータ光学系５０の光出射面に照度の高い光を導くことができる。

上述したように、複数のＬＥＤ素子３，３，…が実装された基板５は、第一コリメート光学系１１を収容する第一レンズホルダ１０に固定されており、第一レンズホルダ１０よりも＋Ｚ側、すなわち複数のＬＥＤ素子３，３，…から遠ざかる側には、第二コリメート光学系２１を収容する第二レンズホルダ２０が配置されている。そして、調整機構３１が操作されると、第二レンズホルダ２０と第一レンズホルダ１０との相対的な光学位置関係が調整される。つまり、本実施形態の光源装置１によれば、複数のＬＥＤ素子３，３，…と、複数のＬＥＤ素子３，３，…に近い位置に配置された第一コリメート光学系１１を収容する第一レンズホルダ１０との相対的な位置関係を保持したまま、複数のＬＥＤ素子３，３，…と第一光学系８との光学位置関係の調整が行える。これにより、位置調整の際に、ＬＥＤ素子３，３，…の発光面や配線への損傷を抑制できる。

図９は、貫通孔３８内に固定部材３５の軸部３７が位置している状態を模式的に示す図面である。上述したように、軸部３７の外径φ_pは貫通孔３８の内径φ_hよりも短い。このため、固定部材３５が貫通孔３８内に挿入されている状態においても、貫通孔３８内には固定部材３５が位置していない余裕領域８８が存在する。つまり、Ｘ-Ｙ平面上において、固定部材３５は、余裕領域８８の幅に相当する長さだけ移動が可能である。言い換えれば、この余裕領域８８の幅は、Ｘ-Ｙ平面上における、第一レンズホルダ１０と第二レンズホルダ２０との相対位置の最大調整可能量を決定づける。

図１０は、この余裕領域８８の好ましい設計基準を説明するための模式的な図面である。図１０では、ＬＥＤ素子３の発光面における最大径をＤ、第一コリメート光学系１１が備える各光学部品の最大光取み込み角をθ₁、第二コリメート光学系２１が備える各光学部品の最大光取込み角をθ₂と表記されている。

図１０に示す光学系において、第二コリメート光学系２１から出射される光は、光学的に仮想的なＬＥＤ素子３ａから出射された光と等価である。ここで、仮想的なＬＥＤ素子３ａの発光面における最大径をＤａとすると、幾何学的な関係から、
Ｄａ＝Ｄ・（θ₂ / θ₁）
が導出される。

逆にいえば、X-Ｙ平面上の方向に関して、ＬＥＤ素子３，３，…に対して第二コリメート光学系２１をある距離ｄだけ移動させることは、光学的には、ＬＥＤ素子３，３，…をｄ・（θ₂ / θ₁）だけ移動させることと等価である。

0.1Ｄ・（θ₂ / θ₁） ≦ （φ_h－φ_p）/ 2 が成立するよう、貫通孔３８の内径φ_hと軸部３７の外径φ_pとを設計しておけば、X-Ｙ平面上の方向に関して、ＬＥＤ素子３，３，…と第一光学系８との位置関係の調整可能最大量を、ＬＥＤ素子３，３，…の発光面の最大径の１０％以上とすることができる。

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

〈１〉図２に示した調整機構３１及び固定部材３５の設置態様は、あくまで一例である。図１１Ａ～図１１Ｅは、光源装置１の別態様の構成を図２にならって示した図面である。

図１１Ａ及び図１１Ｂに示す光源装置１は、図２に示す光源装置１と比較して、調整機構３１の設置位置が異なっている。この構造の下では、調整機構３１が操作されることで、第一レンズホルダ１０を基準として第二レンズホルダ２０がＸ-Ｙ平面上の方向に位置調整される。なお、図１１Ｂに示すように、調整機構３１が第一レンズホルダ１０とは別に設けられた支持体７１に固定されていても構わない。この支持体７１は、第一レンズホルダ１０及び調整機構３１を支持する基台である。

図１１Ｃに示す光源装置１は、図２に示す光源装置１と比較して、固定部材３５の差し込み方向が異なっている。図１１Ｃに示すように、固定部材３５が、第一レンズホルダ１０側から第二レンズホルダ２０に向かって挿入されるものとしても構わない。この構成の場合、図４とは異なり、貫通孔３８は第一レンズホルダ１０に設けられ、溝部３９は第二レンズホルダ２０に設けられる（貫通孔３８及び溝部３９については図４を参照）。

図１１Ｄ及び図１１Ｅに示す光源装置１は、図１１Ｃに示す光源装置１と比較して、調整機構３１の設置位置が異なっている。この構造の下では、調整機構３１が操作されることで、第一レンズホルダ１０を基準として第二レンズホルダ２０がＸ-Ｙ平面上の方向に位置調整される。なお、図１１Ｅに示すように、調整機構３１が、第二レンズホルダ２０とは別に設けられた支持体７１に固定されていても構わない。この支持体７１は、第二レンズホルダ２０を支持する基台である。

〈２〉図１２に示すように、インテグレータ光学系５０としてロッドインテグレータ５２を採用しても構わない。

〈３〉第二光学系４０によって集光された光は、インテグレータ光学系５０以外の光学系に入射されるものとしても構わない。つまり、インテグレータ光学系５０を備えない光源装置１についても、本発明の射程範囲である。

〈４〉上述した実施形態では、第一レンズホルダ１０と第二レンズホルダ２０との相対的な位置関係について、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＸ-Ｙ平面上の回転方向に関して調整可能であるものとして説明した。しかし、これらのうちの少なくとも一の方向について調整可能に構成されていても構わない。また、Ｘ-Ｙ平面上の方向に加えて、Ｘ-Ｙ平面に交差する方向（例えばＺ方向）についても調整可能であっても構わない。

〈５〉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。

また、第一コリメート光学系１１及び第二コリメート光学系２１のうちの少なくとも一方が、光軸２の方向に配列された複数枚のレンズを備えていても構わない。

１ ：光源装置
２ ：光軸
３ ：ＬＥＤ素子
５ ：基板
８ ：第一光学系
１０ ：第一レンズホルダ
１１ ：第一コリメート光学系
２０ ：第二レンズホルダ
２１ ：第二コリメート光学系
３１ ：調整機構
３５ ：固定部材
３６ ：頭部
３７ ：軸部
３８ ：貫通孔
３９ ：溝部
４０ ：第二光学系
４０ｆ ：焦点
５０ ：インテグレータ光学系
５１ ：フライアイレンズ
５２ ：ロッドインテグレータ
７１ ：支持体
８８ ：余裕領域
Ｌ３ ：光

Claims (9)

1. 光軸に直交する面方向に分散して配置された複数のＬＥＤ素子と、
   前記複数のＬＥＤ素子からの出射されたそれぞれの光をコリメート光に変換する第一光学系と、
   前記第一光学系から出射された複数の前記コリメート光を集光する第二光学系とを備え、
   前記第一光学系は、
   前記複数のＬＥＤ素子のそれぞれに対応して配置された光学部品を含む第一コリメート光学系と、
   前記第一コリメート光学系の後段において、前記複数のＬＥＤ素子のそれぞれに対応して配置された光学部品を含む第二コリメート光学系とを含み、
   前記第二コリメート光学系は、前記複数のＬＥＤ素子及び前記第一コリメート光学系を固定した状態の下で、前記光軸方向に見たときの、前記複数のＬＥＤ素子及び前記第一コリメート光学系に対する相対的な光学位置関係を調整可能に配置されていることを特徴とする、光源装置。
2. 前記複数のＬＥＤ素子が実装された基板と、
   前記第一コリメート光学系が収容され、前記基板に対して固定的に連結された第一レンズホルダと、
   前記第二コリメート光学系が収容され、前記第一レンズホルダに対する相対的な位置を調整可能な第二レンズホルダとを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第一レンズホルダに対して付設され、前記第二レンズホルダの位置を固定した状態で、前記第一レンズホルダ及び前記基板を、前記光軸方向に直交する面方向に一体的に移動させる調整機構を備えたことを特徴とする、請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第二レンズホルダに対して付設され、前記第一レンズホルダ及び前記基板の位置を固定した状態で、前記第二レンズホルダを前記光軸方向に直交する面方向に移動させる調整機構を備えたことを特徴とする、請求項２に記載の光源装置。
5. 前記第二レンズホルダの所定箇所において前記第二レンズホルダを前記光軸に平行な方向に貫通する貫通孔と、
   前記貫通孔の内径よりも短い内径を有して、前記第一レンズホルダの前記第二レンズホルダ側の面から、前記光軸に平行な方向に所定の長さ分だけ彫り込まれた溝部と、
   前記貫通孔の内径よりも短い外径を有し前記溝部に差込み可能な軸部と、前記貫通孔の内径よりも長い外径を有し、前記軸部に連結された頭部とを含む固定部材とを備え、
   前記調整機構は、前記固定部材の前記頭部を前記第二レンズホルダの面に対して非接触の状態の下で、前記第一レンズホルダ及び前記基板を、前記光軸方向に直交する面方向に、前記貫通孔の内径と前記固定部材の前記軸部の外径との差分で規定される余裕度以内の距離だけ移動可能に構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の光源装置。
6. 前記第一レンズホルダの所定箇所において前記第一レンズホルダを前記光軸に平行な方向に貫通する貫通孔と、
   前記貫通孔の内径よりも短い内径を有して、前記第二レンズホルダの前記第一レンズホルダ側の面から、前記光軸に平行な方向に所定の長さ分だけ彫り込まれた溝部と、
   前記貫通孔の内径よりも短い外径を有し前記溝部に差込み可能な軸部と、前記貫通孔の内径よりも長い外径を有し、前記軸部に連結された頭部とを含む固定部材とを備え、
   前記調整機構は、前記固定部材の前記頭部を前記第一レンズホルダの面に対して非接触の状態の下で、前記第一レンズホルダ及び前記基板を、前記光軸方向に直交する面方向に、前記貫通孔の内径と前記固定部材の前記軸部の外径との差分で規定される余裕度以内の距離だけ移動可能に構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の光源装置。
7. 前記第二レンズホルダの所定箇所において前記第二レンズホルダを前記光軸に平行な方向に貫通する貫通孔と、
   前記貫通孔の内径よりも短い内径を有して、前記第一レンズホルダの前記第二レンズホルダ側の面から、前記光軸に平行な方向に所定の長さ分だけ彫り込まれた溝部と、
   前記貫通孔の内径よりも短い外径を有し前記溝部に差込み可能な軸部と、前記貫通孔の内径よりも長い外径を有し、前記軸部に連結された頭部とを含む固定部材とを備え、
   前記調整機構は、前記固定部材の前記頭部を前記第二レンズホルダの面に対して非接触の状態の下で、前記第二レンズホルダを、前記光軸方向に直交する面方向に、前記貫通孔の内径と前記固定部材の前記軸部の外径との差分で規定される余裕度以内の距離だけ移動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。
8. 前記第一レンズホルダの所定箇所において前記第一レンズホルダを前記光軸に平行な方向に貫通する貫通孔と、
   前記貫通孔の内径よりも短い内径を有して、前記第二レンズホルダの前記第一レンズホルダ側の面から、前記光軸に平行な方向に所定の長さ分だけ彫り込まれた溝部と、
   前記貫通孔の内径よりも短い外径を有し前記溝部に差込み可能な軸部と、前記貫通孔の内径よりも長い外径を有し、前記軸部に連結された頭部とを含む固定部材とを備え、
   前記調整機構は、前記固定部材の前記頭部を前記第一レンズホルダの面に対して非接触の状態の下で、前記第二レンズホルダを、前記光軸方向に直交する面方向に、前記貫通孔の内径と前記固定部材の前記軸部の外径との差分で規定される余裕度以内の距離だけ移動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。
9. 前記貫通孔の内径をφ_h、前記固定部材の前記軸部の外径をφ_p、前記ＬＥＤ素子の発光面の最大径をＤ、前記第一コリメート光学系が備える各光学部品の最大光取み込み角をθ₁、前記第二コリメート光学系が備える各光学部品の最大光取込み角をθ₂とすると、
   0.1Ｄ・（θ₂ / θ₁） ≦ （φ_h－φ_p）/２ ≦ Ｄ・（θ₂ / θ₁）
   が成立することを特徴とする、請求項５～８のいずれか１項に記載の光源装置。

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