JP6746934B2 - Light source - Google Patents
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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。 The present invention relates to a light source device, and particularly to a light source device including a plurality of LED elements.
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。 Conventionally, optical processing technology utilizing light has been used in various fields. For example, an exposure apparatus is used for fine processing using light. In recent years, the exposure technique has been developed in various fields and is used for producing a relatively large pattern among three-dimensional processing and for three-dimensional fine processing. More specifically, the exposure technique is used, for example, for manufacturing an electrode pattern of an LED, a manufacturing process of a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) represented by an acceleration sensor, and the like.
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。
In these light processing techniques, a discharge lamp having high brightness has been used as a light source. However, as the solid-state light source technology has advanced in recent years, it has been studied to use a light source in which a plurality of LED elements are arranged. As such a technique, for example,
露光装置用の光源として利用される場合、常に所望のドーズ量で露光を行う必要があるため、光源から放射される光の輝度を監視する必要がある。ところで、光源を放電ランプで構成する場合においては、光路上の任意の位置において、例えばピンホールを通じて抽出された光を検知して、検知された光量によって光源からの光出力を監視することが可能である。 When used as a light source for an exposure apparatus, it is necessary to always perform exposure with a desired dose amount, and therefore it is necessary to monitor the brightness of light emitted from the light source. By the way, when the light source is a discharge lamp, it is possible to detect the light extracted through, for example, a pinhole at any position on the optical path, and monitor the light output from the light source based on the detected light amount. Is.
しかしながら、光源を複数のLEDで構成し、光路上の任意の位置でピンホールを通じて光を検知するような態様を実現した場合、この検知箇所においては必ずしも全てのLED素子から射出された光が検知されるとは限らない。各LED素子間で特性のバラ付きが不可避的に存在するため、全てのLED素子が同程度に光度を変更させるとは限らない。つまり、このような構成の場合、検知された光の光量に基づいて光源の出力を制御した場合、所望のドーズ量を実現できない可能性がある。 However, if the light source is composed of multiple LEDs and the light is detected through a pinhole at any position on the optical path, the light emitted from all LED elements is detected at this detection point. It is not always done. Since there is inevitable variation in characteristics among the LED elements, not all LED elements change the luminous intensity to the same extent. That is, in the case of such a configuration, when the output of the light source is controlled based on the detected light amount, there is a possibility that the desired dose amount cannot be realized.
本発明は、上記の課題に鑑み、光源を複数のLEDで構成した場合においても、光源からの出力を高精度に制御可能な光源装置を実現することを目的とする。 In view of the above problems, it is an object of the present invention to realize a light source device capable of controlling the output from the light source with high accuracy even when the light source is composed of a plurality of LEDs.
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た光をそれぞれコリメートする第一光学系と、
前記第一光学系から射出された複数の光を集光する第二光学系と、
前記第二光学系によって集光される位置とは異なる位置であって、前記第一光学系から射出された複数の光が集光される位置に配置された光検出部とを備えたことを特徴とする。
The light source device according to the present invention is
A light source unit including a plurality of LED elements;
A first optical system for collimating the light emitted from the light source unit,
A second optical system that collects a plurality of lights emitted from the first optical system,
And a photodetector arranged at a position different from the position where the second optical system collects light and at which the plurality of lights emitted from the first optical system are collected. Characterize.
上記の構成によれば、光検出部は、第二光学系で集光される位置とは別の集光位置に配置されている。このため、複数のLEDから射出された光が光検出部に導かれる。この結果、光検出部で検出された光は、光源部を構成する複数のLEDから射出された光のデータ全てが反映されたものとなる。この結果、光検出部で検出された光量に応じて光源を制御することで、第二光学系の後段に導かれる光の照度を精度よく制御することができる。また、光検出部は、第二光学系で集光される位置に配置されるわけではないため、光源部から第二光学系の後段に配置された光学系に向かう光路を遮ることがない。 According to the above configuration, the photodetector is arranged at a condensing position different from the position where the second optical system condenses. Therefore, the light emitted from the plurality of LEDs is guided to the photodetector. As a result, the light detected by the light detection unit reflects all the data of the light emitted from the plurality of LEDs forming the light source unit. As a result, by controlling the light source according to the amount of light detected by the light detection unit, the illuminance of the light guided to the subsequent stage of the second optical system can be accurately controlled. Further, since the photodetector is not arranged at the position where it is condensed by the second optical system, it does not block the optical path from the light source to the optical system arranged in the subsequent stage of the second optical system.
上記構成において、一部の光を透過し、一部の光を反射する反射光学系を備え、
前記反射光学系によって透過された光が集光されて前記光検出部に入射されるものとしても構わない。この場合、反射光学系によって反射された光が、第二光学系の後段に配置された、利用用途に応じた光学系に導かれるものとして構わない。
In the above configuration, a reflection optical system that transmits a part of the light and reflects a part of the light is provided.
The light transmitted by the reflective optical system may be collected and incident on the photodetector. In this case, the light reflected by the reflective optical system may be guided to an optical system, which is arranged in the subsequent stage of the second optical system and is suitable for the intended use.
また、別の構成として、一部の光を透過し、一部の光を反射する反射光学系を備え、
前記反射光学系によって反射された光が集光されて前記光検出部に入射されるものとしても構わない。この場合、反射光学系によって透過された光が、第二光学系の後段に配置された、利用用途に応じた光学系に導かれるものとして構わない。
In addition, as another configuration, a reflection optical system that transmits a part of light and reflects a part of light is provided.
The light reflected by the reflective optical system may be collected and incident on the photodetector. In this case, the light transmitted by the reflective optical system may be guided to an optical system arranged in the subsequent stage of the second optical system according to the intended use.
上記の構成において、前記反射光学系が前記第二光学系の後段に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、前記光検出部が、前記第二光学系の焦点と光学的に等価な位置に配置されているものとしても構わない。すなわち、反射光学系から第二光学系の焦点に向かう光の収束角と、反射光学系から光検出部の受光面に向かう光の収束角がほぼ同一であるものとしても構わない。 In the above configuration, the reflective optical system may be arranged in the subsequent stage of the second optical system. In this case, the photodetector may be arranged at a position optically equivalent to the focal point of the second optical system. That is, the convergence angle of the light traveling from the reflective optical system to the focal point of the second optical system and the convergence angle of the light traveling from the reflective optical system to the light receiving surface of the photodetector may be substantially the same.
また、上記の構成において、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。 Further, in the above configuration, the incident surface may include an integrator optical system arranged at the focal position of the second optical system.
LED素子から射出される光は、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素子からの射出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。 The light emitted from the LED element has less radiant luminous flux than that of the lamp. Therefore, for use as a light source device for exposure, for example, it is necessary to collect light emitted from a plurality of LED elements as much as possible. For this purpose, it is necessary to increase the number of LED elements arranged as a light source.
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、光を射出しない領域(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素子からの射出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素子から射出された光を単に集光しただけでは、照射面での輝度の低下を招いてしまう。 By the way, since the wiring pattern for power supply is indispensable for the LED element, it is not possible to arrange the LED element itself in close contact with each other. That is, when arranging a plurality of LED elements, there is no choice but to leave a constant space between adjacent LED elements. The region forming this interval constitutes a region that does not emit light (non-light emitting region). Therefore, even if a plurality of LED elements are simply arranged and the light emitted from each LED element is condensed, a non-light emitting region is inevitably generated. Therefore, simply condensing the light emitted from the plurality of LED elements causes a decrease in the brightness on the irradiation surface.
上記構成によれば、複数のLED素子から射出された光を、第一光学系においてコリメートした後に、集光している。これにより、各LED素子からの射出光を集光位置で結像させることができ、光の利用効率を高めることができる。また、第一光学系(コリメートレンズ)の配置を調整することで、各LED素子から射出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、光源部をLED素子で構成した場合であっても、輝度の高い光源装置が実現される。 According to the above configuration, the light emitted from the plurality of LED elements is condensed after being collimated in the first optical system. Thereby, the light emitted from each LED element can be imaged at the condensing position, and the light utilization efficiency can be improved. Further, by adjusting the arrangement of the first optical system (collimator lens), it is possible to narrow the interval between the light beams emitted from the LED elements, and thus a light source with a small non-light emitting region is configured. As a result, a light source device with high brightness is realized even when the light source unit is composed of LED elements.
また、前記インテグレータ光学系は、前記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射出面へと導く導光部材で構成されるものとしても構わない。 Further, the integrator optical system may be configured by a light guide member that guides the light incident from the incident surface to the emission surface while repeating the reflection on the inner surface.
この構成によれば、導光部材の入射面に対して、放射強度の高い光が集光されるため、導光部材の射出面から、輝度が高く照度分布が均一化された光を射出することができる。なお、導光部材としては、例えばロッドインテグレータやライトトンネルで構成することができる。 According to this configuration, since light having high radiation intensity is condensed on the incident surface of the light guide member, light with high brightness and uniform illuminance distribution is emitted from the exit surface of the light guide member. be able to. In addition, the light guide member can be configured by, for example, a rod integrator or a light tunnel.
また、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るものとしても構わない。 Further, the integrator optical system may be configured by a fly-eye lens in which a plurality of lenses are arranged in a matrix.
フライアイレンズによって、照射面における照度分布を均一化させることができる。これにより、輝度が高く照度分布が均一化された光源装置が実現できる。 With the fly-eye lens, the illuminance distribution on the irradiation surface can be made uniform. As a result, a light source device with high brightness and uniform illuminance distribution can be realized.
本発明によれば、複数のLED素子を備える構成において、光源からの出力を高精度に制御可能な光源装置が実現される。 According to the present invention, a light source device capable of controlling output from a light source with high accuracy is realized in a configuration including a plurality of LED elements.
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。 Hereinafter, the light source device of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the dimensional ratio in each drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.
[第一実施形態]
図1は、第一実施形態の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、反射光学系31と、光検出部33とを備える。
[First embodiment]
FIG. 1 is a drawing schematically showing an example of an optical system of the light source device of the first embodiment. The
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。
The
第一光学系5は、複数のLED素子3から射出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に対応して複数のコリメートレンズ6が配置されて構成されている。
The first
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。
The second
本実施形態では、インテグレータ光学系8がロッドインテグレータ9によって構成されている。ロッドインテグレータ9は、その入射面9a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、すなわちロッドインテグレータ9の入射面9aに対して直交する軸としている。
In this embodiment, the integrator
ロッドインテグレータ9は、入射面9a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9bへと導くことで、射出面9b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。
The
本実施形態における反射光学系31は、大半の光(一例として入射光量の90%以上99.9%以下)を透過させ、ごく一部の光(一例として入射光量の0.01%以上10%以下)を反射させる光学系であり、例えばビームスプリッタ等で構成される。複数のLED素子3から射出され、第一光学系5でコリメートされた光は、第二光学系7を通過することで発散角度が小さくなる。そして、この光のうち、大半の光は反射光学系31を透過してロッドインテグレータ9の入射面9aに導かれる。また、第二光学系7を通過した後、一部の光は、反射光学系31で反射されて光検出部33の受光面に導かれる。
The reflective
光検出部33は、受光した光量に応じて電気信号を発生させる装置であり、例えばフォトダイオード等で構成されたフォトディテクタを用いることができる。本実施形態の構成では、この光検出部33の受光面が、第二光学系7の焦点7fに対して等価な位置7f’に配置されている。
The
上記の構成によれば、光検出部33には、全てのLED素子3から射出された光の一部が入射される。このため、光検出部33で検出される光量は、全てのLED素子3から射出された光量のデータが反映されたものとなる。よって、光検出部33で検出された光量に応じて光源部2の出力制御を行うことで、インテグレータ光学系8の後段に導かれる光の照度を精度よく調整することができる。図1には図示していないが、光源装置1は、光源部2の出力制御を行うための制御部を備える構成としても構わない。この場合、制御部は、例えば光源部2に供給される電流量を制御することで、光源部2から射出される光量を制御するものとすることができる。
According to the above configuration, a part of the light emitted from all the
なお、図1では、光検出部33の受光面を第二光学系7の焦点7fに対して等価な位置7f’に配置するものとしたが、図2に示すように、位置7f’からずれた位置に配置しても構わない(図2では、図示の都合上、位置7f’の表記はしていない)。この場合、光検出部33の受光面において、各LED素子3から射出された光が面積を有した状態で入射されることになる。しかし、この構成においても、光検出部33で検出される光量は、全てのLED素子3から射出された光量のデータが反映されたものとなる。ただし、図1に示すように、焦点7fに対して等価な位置7f’に光検出部33の受光面を配置することで、角度による光量のバラツキが抑制されるため、より高精度に光源部2の光出力に関する情報を検出することができる。
In FIG. 1, the light receiving surface of the
また、図3に示すように、反射光学系31で反射された光がロッドインテグレータ9の入射面9aに導かれる一方、反射光学系31を透過した光が光検出部33の受光面に導かれる構成としても構わない。
Further, as shown in FIG. 3, the light reflected by the reflective
[第二実施形態]
図4は、第二実施形態の光源装置の光学系の一例を模式的に示す図面である。図示の都合上、第一実施形態とは異なる態様で図示されている。なお、第一実施形態と同一の構成要素に対しては同一の符号を付している。
[Second embodiment]
FIG. 4 is a drawing schematically showing an example of the optical system of the light source device of the second embodiment. For convenience of illustration, it is illustrated in a manner different from that of the first embodiment. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals.
図4に示す光源装置1は、第二光学系7とは別の集光光学系35を備えている。複数のLED素子3から射出された光は、第一光学系5によってコリメートされる。そして、この光の大半は、反射光学系31を透過した後、第二光学系7によってインテグレータ光学系8としての一例であるロッドインテグレータ9の入射面9aに集光される。また、第一光学系5によってコリメートされた後の一部の光は、反射光学系31によって反射された後、集光光学系35によって光検出部33の受光面に集光される。図4の構成では、集光光学系35の焦点35fに光検出部33の受光面が配置されている。
The
このような構成においても、光検出部33には、全てのLED素子3から射出された光の一部が入射されるため、光検出部33で検出される光量は、全てのLED素子3から射出された光量のデータが反映されたものとなる。よって、光検出部33で検出された光量に応じて光源部2の出力制御を行うことで、インテグレータ光学系8の後段に導かれる光の照度を精度よく調整することができる。
Even in such a configuration, since a part of the light emitted from all the
なお、図4の構成において、第二光学系7と集光光学系35とは、必ずしも同一の焦点距離を有する光学系である必要はない。また、第一実施形態で上述したのと同様に、光検出部33の受光面を、集光光学系35の焦点35fからずれた位置に配置しても構わない。更に、反射光学系31で反射された光がロッドインテグレータ9の入射面9aに導かれる一方、反射光学系31を透過した光が光検出部33の受光面に導かれる構成としても構わない。
In the configuration of FIG. 4, the second
[第三実施形態]
図5は、第三実施形態の光源装置の光学系の一例を模式的に示す図面である。本実施形態の光源装置1は、インテグレータ光学系8がフライアイレンズ10で構成されている点が第一実施形態と異なる。
[Third embodiment]
FIG. 5 is a drawing schematically showing an example of the optical system of the light source device of the third embodiment. The
本実施形態のように、インテグレータ光学系8をフライアイレンズ10で構成した場合であっても、フライアイレンズ10の入射面には高輝度の光が集光される。これにより、フライアイレンズ10からは、高輝度の光が射出される。なお、上述した別の構成において、インテグレータ光学系8をフライアイレンズ10で構成しても構わない。
Even when the integrator
[別実施形態]
以下、別実施形態について説明する。
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment will be described.
〈1〉 各実施形態で上述した光源装置1は、露光装置やプロジェクタ用の光源として利用することができる。
<1> The
図6は、第一実施形態の光源装置1を含む露光装置の構成を模式的に示す図面である。露光装置19は、インテグレータ光学系8の後段に投影光学系15及びマスク16を備え、必要に応じて投影レンズ17を備える。投影光学系15によって投影される位置にマスク16を設置し、マスク16の後段にマスク16のパターン像を焼き付ける対象となる感光性基板18を設置する。この状態で、光源部2から光が射出されると、この光が第二光学系7によって集光された後、ロッドインテグレータ9で照度分布が均一化された光として、投影光学系15に照射される。投影光学系15は、この光を、マスク16のパターン像を直接又は投影レンズ17を介して感光性基板18上に投影する。
FIG. 6 is a drawing schematically showing the configuration of an exposure apparatus including the
特に、露光装置19のように、光源部2を複数のLED素子3で構成する場合、光源をランプで構成した場合とは異なり、立ち上がり時間が非常に短い。また、LED素子3は、温度が上昇すると光出力が低下するという原理的な課題を有する。このため、連続して露光処理を行う場合においては、温度が下がりきる前に次の露光処理が開始されることがあり、この場合、各処理においてドーズ量が変化する可能性がある。
In particular, when the
しかし、上述したように、光検出部33は、複数のLED素子3から射出された光のデータが反映された光量を検出する。よって、光検出部33による検出結果に応じて光源部2の出力を制御することで、感光性基板18に照射されるドーズ量を精度良く調整することができる。
However, as described above, the
なお、露光装置19は、第二実施形態以後の各実施形態の光源装置1を備えるものとしても構わない。プロジェクタにおいても同様である。
The
〈2〉 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。
<2> In each of the above-described embodiments, the
1 : 光源装置
2 : 光源部
3 : LED素子
5 : 第一光学系
6 : コリメートレンズ
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
9 : ロッドインテグレータ
9a : ロッドインテグレータの入射面
9b : ロッドインテグレータの射出面
10 : フライアイレンズ
11 : 光軸
15 : 投影光学系
16 : マスク
17 : 投影レンズ
18 : 感光性基板
19 : 露光装置
31 : 反射光学系
33 : 光検出部
35 : 集光光学系
1: Light source device 2: Light source part 3: LED element 5: First optical system 6: Collimating lens 7: Second
Claims (6)
各前記LED素子に対応して複数のコリメートレンズが配置され、複数のLED素子から射出された光をそれぞれコリメートする第一光学系と、
前記第一光学系から射出された複数の光を集光する第二光学系と、
一部の光を透過し、一部の光を反射する反射光学系と、
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、
前記第二光学系によって集光される位置とは異なり、前記第二光学系の焦点と光学的に等価な位置であって、前記第一光学系から射出された複数の光が集光される位置に配置された光検出部とを備えたことを特徴とする光源装置。 A light source section in which a plurality of LED elements are arranged on a plane;
A first optical system in which a plurality of collimating lenses is arranged corresponding to each of the LED elements, and collimates the lights emitted from the plurality of LED elements;
A second optical system that collects a plurality of lights emitted from the first optical system,
A reflective optical system that transmits some light and reflects some light,
An integrator optical system in which the incident surface is arranged at the focal position of the second optical system,
Unlike positions condensed by the second optical system, a focus and a position optically equivalent to said second optical system, a plurality of the light emitted from said first optical system is focused A light source device, comprising: a light detection unit disposed at a predetermined position.
The integrator optical system, a light source device according to claim 1, wherein a plurality of lenses is configured in a fly-eye lenses arranged in a matrix form.
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