JP6215617B2

JP6215617B2 - 光学系装置、ｌｅｄモジュール

Info

Publication number: JP6215617B2
Application number: JP2013168685A
Authority: JP
Inventors: 大川　剛史; 剛史大川; 裕根本
Original assignee: 有限会社牛方商会
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-08-14
Also published as: JP2015037055A

Description

本発明は、光源より照射された照射光を平行化するための光学系装置、ＬＥＤモジュールに関する。

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ＣＰＣ（ＣｏｍｐｏｕｎｄＰａｒａｂｏｌｉｃＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ＝複合放物面集光器）などが用いられる。

また、関連する技術として、均一の照度を持ち、且つ広い面積を持つ紫外線照射領域を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１２３９２４号公報

しかしながら、照射光の平行化において、より照射光を平行化するものほど許容入射角が小さく、許容入射角を超える入射光については損失してしまう。例えば、ＬＥＤ光のように放射角度が大きな光源を平行化する場合、求める平行化の度合いによっては、かなりの損失を生じてしまい、効率が悪くなる。つまり、照射光の平行化において、より平行化すればより損失が生じ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、より効率良く照射光を平行化する光学系装置、ＬＥＤモジュール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、所定の面に配置された複数の光源より照射された照射光を平行化して出射する光学系装置であって、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の出射側に広く開口する複数の第１ＣＰＣが前記複数の光源に合わせて配置された第１ＣＰＣアレイと、該第１ＣＰＣアレイに対して出射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の出射側に広く開口し、且つ前記第１ＣＰＣよりサイズが小さい複数の第２ＣＰＣが配置された第２ＣＰＣアレイと、該第２ＣＰＣアレイに対して入射側に、前記第１ＣＰＣアレイに対して出射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の入射側に広く開口する複数のライトパイプが前記第２ＣＰＣアレイに合わせて配置されたライトパイプアレイとを備える。

本発明によれば、より効率良く照射光を平行化することができる。

本実施の形態に係る光学系装置を示す模式図である。光学系装置の平面及び平面におけるＡ−Ａ線断面を示す簡略図である。ＬＥＤモジュールの構成を示す模式図である。第１ＣＰＣアレイを示す斜視図である。第１ＣＰＣアレイの側面及び正面を示す図である。ライトパイプアレイを示す斜視図である。ライトパイプアレイの側面及び正面を示す図である。第２ＣＰＣアレイを示す斜視図である。第２ＣＰＣアレイの側面及び正面を示す図である。第１ＣＰＣアレイを含むＬＥＤモジュールを示す図である。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軸座標に対する放射輝度を示すグラフである。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。

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。

まず、本実施の形態に係る光学系装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る光学系装置を示す模式図である。また、図２は、光学系装置の平面及び平面におけるＡ−Ａ線断面を示す簡略図である。

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１００は、ＬＥＤモジュール２００により照射された照射光を、照射面のエッジがシャープになるように平行化するとともに、照射面内の照度を均一化するものであり、照射光の入射側から順に、第１ＣＰＣアレイ１１０、第１ライトパイプ１２０、ライトパイプアレイ１３０、第２ＣＰＣアレイ１４０、第２ライトパイプ１５０を有する。

ＬＥＤモジュール２００は、紫外線ＬＥＤ光源であり、１２０度の放射角度を持つ。また、第１ＣＰＣアレイ１１０は、ＬＥＤモジュール２００による照射光を平行化する。また、第１ライトパイプ１２０は、第１ＣＰＣアレイ１１０から出射した照射光の照度を、出射側の端面において均一化する。また、ライトパイプアレイ１３０及び第２ＣＰＣアレイ１４０は、第１ライトパイプから出射した照射光を平行化する。また、第２ライトパイプ１５０は、第２ＣＰＣアレイ１４０から出射した照射光の照度を、自身の出射側の端面において均一化する。第１ライトパイプ１２０及び第２ライトパイプ１５０は、いずれも中空の四角柱形状の内面に反射面を持ち、照射方向の両端部に断面積が互いに等しい開口部を有する。なお、第１ライトパイプ１２０及第２ライトパイプ１５０の開口部の面積は互いに等しいものとする。また、第２ライトパイプ１５０は、第１ライトパイプに対して、照射方向により大きい長さに構成されるものとする。また、本実施の形態において、目標とする照射範囲は３０ｍｍ×３０ｍｍとする。また、以降の説明において、照射方向の出射側から見た光学系装置１００の面を正面とする。

次に、ＬＥＤモジュールについて説明する。図３はＬＥＤモジュールの構成を示す図である。

図３に示すようにＬＥＤモジュール２００は、モジュール基板２１０と、これに９個のＬＥＤ素子２２１が３×３の格子状に並設されたＬＥＤアレイ２２０とで構成される。各ＬＥＤ素子２２１からは３００〜４００ｎｍ、好ましくは、３６０〜３７０ｎｍの波長の紫外線が出射されるとよい。

次に、第１ＣＰＣアレイについて説明する。図４は、第１ＣＰＣアレイを示す斜視図である。また、図５は、第１ＣＰＣアレイの側面及び正面を示す図である。

図４及び図５に示すように、第１ＣＰＣアレイ１１０は、ＬＥＤアレイ２２０における各ＬＥＤ素子２２１の配列に合わせて、９個の第１ＣＰＣ１１１が３×３の格子状に並設されて構成される。それぞれの第１ＣＰＣ１１１は、頂点側と底面側にそれぞれ開口し、底面側、即ち出射方向側がより広く開口した部分四角錐形状を持ち、放物線形状の側面により構成され、内面に反射面を有する中空のＣＰＣである。また、それぞれの第１ＣＰＣ１１１のサイズについては、頂点側の開口部から底面側の開口部までの長さを１１．１５ｍｍ、頂点側の開口部を４．３ｍｍ角、底面側の開口部を９．５６ｍｍ角とする。また、第１ＣＰＣアレイ１１０のサイズについては、出射側端面を２９．５６ｍｍ角とする。

次に、ライトパイプアレイについて説明する。図６は、ライトパイプアレイを示す斜視図である。また、図７は、ライトパイプアレイの側面及び正面を示す図である。

図６及び図７に示すように、ライトパイプアレイ１３０は、後述する第２ＣＰＣアレイ１４０における各第２ＣＰＣの配列に合わせて、８１個のライトパイプ１３１が９×９の格子状に並設されて構成される。それぞれのライトパイプ１３１は、頂点側と底面側にそれぞれ開口し、底面側、即ち入射方向側がより広く開口した部分四角錐形状を持ち、内面に反射面を有する中空のライトトンネルである。また、それぞれのライトパイプ１３１のサイズについては、頂点側の開口部から底面側の開口部までの長さを６ｍｍ、頂点側の開口部を０．６８ｍｍ角、底面側の開口部を３．３３ｍｍ角とする。また、ライトパイプアレイ１３０のサイズについては、入射側端面を３０ｍｍ角とする。

次に、第２ＣＰＣアレイについて説明する。図８は、第２ＣＰＣアレイを示す斜視図である。また、図９は、第２ＣＰＣアレイの側面及び正面を示す図である。

図８及び図９に示すように、第２ＣＰＣアレイ１４０は、８１個の第２ＣＰＣ１４１が９×９の格子状に並設されて構成される。それぞれの第２ＣＰＣ１４１は、頂点側と底面側にそれぞれ開口し、底面側、即ち出射方向側がより広く開口した部分四角錐形状を持ち、放物線形状の側面により構成され、内面に反射面を有する中空のＣＰＣである。また、それぞれの第２ＣＰＣ１４１のサイズについては、頂点側の開口部をライトパイプ１３１の頂点側の開口部と同様に０．６８ｍｍ角、底面側の開口部を３．２４ｍｍ角とする。また、第２ＣＰＣ１４０のサイズについては、出射側端面を２９．９１ｍｍ角とする。

このように、本実施の形態に係る光学系装置は、ＬＥＤモジュールなどの光源により照射された照射光を効率良く平行化するために、入射側のＣＰＣに対してよりサイズの小さいＣＰＣを出射側に設ける。また、出射側のＣＰＣに照射光を効率良く入射するために、入射側に広く開口した錐体形状のライトパイプを設ける。また、照射光の照度を効率良く均一化するために、入射側のライトパイプに対して照射方向のサイズがより大きいライトパイプを出射側に設ける。なお、本実施の形態においては、ＣＰＣとライトパイプを二段に構成したが、これらが多段であれば良く、三段や四段に構成しても良い。この場合、後段のライトパイプに二段目よりも更にサイズの小さいライトパイプアレイ及びＣＰＣアレイと、更に長いライトパイプを設ければ良い。また、入射側のＣＰＣ、即ち、本実施の形態における第１ＣＰＣアレイについては、ＬＥＤモジュールのパッケージ内に設けられる構成としても良い。図１０は、第１ＣＰＣアレイを含むＬＥＤモジュールを示す図である。

図１０に示すように、ＬＥＤモジュール３００は、モジュール基板３０１と、これに４個のＬＥＤ素子が２×２の格子状に並設されたＬＥＤアレイ３０２と、それぞれの入射側の端面がＬＥＤアレイ３０２のそれぞれのＬＥＤ素子に近接して並設されたＣＰＣアレイ３０３と、ＣＰＣアレイ３０３の出射側の端面に近接して設けられたカバーガラス３０４とを備える。それぞれのＬＥＤ素子のサイズについては、ＣＰＣアレイ３０３のそれぞれのＣＰＣの入射側の端面に近接する面を１ｍｍ角とする。または、ＣＰＣアレイ３０３のそれぞれのＣＰＣは、第１ＣＰＣと同様の形状を持ち、そのサイズについては、頂点側の開口部から底面側の開口部までの長さを２．６ｍｍ、頂点側の開口部を１ｍｍ角、底面側の開口部を２ｍｍ角とする。また、ＣＰＣアレイ３０３のサイズについては、出射側端面を４ｍｍ角とする。このように、ＣＰＣアレイ３０３をＬＥＤモジュール３００のパッケージ内に含めることにより、ＣＰＣアレイ３０３の入射側端面をＬＥＤアレイ３０２と近接させることができ、光密度を３倍以上に上げることができる。また、光密度を上げることにより、ＣＰＣアレイ３０３の各ＣＰＣのサイズを低減することができ、結果として、全体のサイズを低減することができる。また、ＣＰＣアレイ３０３の入射側端面をＬＥＤアレイ３０２と近接させることにより、ＣＰＣアレイ３０３の入射する入射角度を低減することにより損失を減らすことができ、より効率良く照射光を平行化することができる。

次に、本実施の形態に係る光学系装置の効果について説明する。図１１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１２は、照射面のＸ軸座標に対する放射輝度を示すグラフである。また、図１３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。

図１１に示す、光学系装置１００に入射された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、ＬＥＤモジュール２００により照射された照射光は、第１ＣＰＣアレイ１１０及び第２ＣＰＣアレイ１４０によって多段に平行化され、第１ライトパイプ１２０及び第２ライトパイプ１５０によって多段に均一化される。

また、図１２及び図１３に示すように、光学系装置１００によれば、放射角度範囲を±１３度以下に抑えることができ、３０ｍｍ角の照射面内の照度を均一にすることができる。また、ＣＰＣアレイを照射方向に多段に構成し、後段に前段よりも小さなＣＰＣを用いることにより、予め平行化した照射光を後段に入射することができる。したがって、後段のＣＰＣの許容入射角より大きな入射角を持つ照射光を低減することができ、平行化に係る損失を低減して効率良く照射光を平行化することができる。また、ライトパイプを照射方向に多段に構成し、より照射光が平行化された後段に前段よりも照射方向のサイズが大きいライトパイプを用いることにより、平行化の度合いに応じて照射光を均一化することができ、均一化に係る損失を低減して効率良く照射光を均一化することができる。

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。

１００光学系装置、１１０第１ＣＰＣアレイ、１２０第１ライトパイプ、１３０ライトパイプアレイ、１４０第２ＣＰＣアレイ、１５０第２ライトパイプ、２００ＬＥＤモジュール。

Claims

所定の面に配置された複数の光源より照射された照射光を平行化して出射する光学系装置であって、
前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の出射側に広く開口する複数の第１ＣＰＣが前記複数の光源に合わせて配置された第１ＣＰＣアレイと、
該第１ＣＰＣアレイに対して出射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の出射側に広く開口し、且つ前記第１ＣＰＣよりサイズが小さい複数の第２ＣＰＣが配置された第２ＣＰＣアレイと、
該第２ＣＰＣアレイに対して入射側に、前記第１ＣＰＣアレイに対して出射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の入射側に広く開口する複数のライトパイプが前記第２ＣＰＣアレイに合わせて配置されたライトパイプアレイと
を備える光学系装置。
前記第１ＣＰＣアレイに対して出射側に、前記ライトパイプアレイに対して入射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の照射方向に所定の長さを有する柱状のライトパイプである第１ライトパイプと、
前記第２ＣＰＣアレイに対して出射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の照射方向に前記所定の長さ以上の長さを有する柱状のライトパイプである第２ライトパイプと
を更に備えることを特徴とする、請求項１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て出射する光学系装置であって、
前記光源として所定の面に配置された複数のＬＥＤ素子と、照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の出射側に広く開口する複数の第１ＣＰＣが前記複数の光源に合わせて配置された第１ＣＰＣアレイとを同一パッケージ内に備えるＬＥＤモジュールと、
該ＬＥＤモジュールに対して出射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の出射側に広く開口し、且つ前記第１ＣＰＣよりサイズが小さい複数の第２ＣＰＣが配置された第２ＣＰＣアレイと、
該第２ＣＰＣアレイに対して入射側に、前記ＬＥＤモジュールに対して出射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の入射側に広く開口する複数のライトパイプが前記第２ＣＰＣアレイに合わせて配置されたライトパイプアレイと
を備える光学系装置。
前記ＬＥＤモジュールに対して出射側に、前記ライトパイプアレイに対して入射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の照射方向に所定の長さを有する柱状のライトパイプである第１ライトパイプと、
前記第２ＣＰＣアレイに対して出射側に位置し、前記照射光の入射側と出射側とに開口し、前記照射光の照射方向に前記所定の長さ以上の長さを有する柱状のライトパイプである第２ライトパイプと
を更に備えることを特徴とする、請求項３に記載の光学系装置。