JP6813687B2

JP6813687B2 - 発光ダイオードデジタルマイクロミラーデバイスイルミネータ

Info

Publication number: JP6813687B2
Application number: JP2019536871A
Authority: JP
Inventors: ジョンブルキラッキオ，トーマス
Original assignee: Innovations In Optics Inc
Current assignee: Innovations In Optics Inc
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2037-01-19
Also published as: CA3048412A1; CA3048412C; EP3571539A1; EP3571539B1; JP2020506413A; IL267910A; IL267910B2; WO2018136062A1; IL267910B1; EP3571539A4

Description

本発明は、マスクレスリソグラフィ及び二次元及び三次元デジタル印刷などの用途において光硬化性材料を選択的に露光するための投影システムに結合された高輝度紫外線（ＵＶ）光源に関する。

高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）光源は、ＵＶ硬化における厳しい高強度用途に適した性能レベルで、ごく最近利用できるようになってきている。加熱、接着剤の非光開始化学的相互作用、揮発性物質の蒸発などを含む他の従来の手段による硬化と比較して、材料の非常に速い硬化によって与えられる非常に高い生産スループットにより、製造プロセスにおけるＵＶ硬化性材料の使用及び価値が著しく増加している。このプロセス時間の改善は製造業界にとって大きな価値がある。マスクレスリソグラフィの場合の結像されたＵＶ硬化は、時間を短縮することに加えて、マスク製造の必要性をなくすことで大幅にコストを節減する。三次元（３Ｄ）印刷の場合、より速い硬化時間によって、より速い構築時間が達成され、新しい高性能硬化性ＵＶ樹脂と組み合わせることにより、急速に成長している技術分野である、製造のための真の３Ｄデジタル印刷を可能にする。

従来のＵＶ硬化装置は、典型的には、ショートアーク水銀灯、キセノン灯、レーザ、より最近では、予めパッケージ化された高輝度ＬＥＤを組み込んだシステムを利用している。従来のアーク灯は、著しいアークフリッカーに悩まされており、その結果、典型的な非エテンデュ保存設計において放射輝度（単位立体角当たりの単位面積当たりの光出力［Ｗ／ｃｍ^２／ｓｒ］）が低下する光を均一化する必要がある。また、アーク灯は、寿命が短く、時間の関数として出力が急速に減少し、寿命がせいぜい数百時間から数千時間であるという欠点がある。これは、短期間及び長期間の両方において出力がより安定しておりかつ熱設計に適切な注意を払った場合に数万時間の寿命によって特徴付けられるＬＥＤ光源と比較して、追加のシステムコスト及び保守費用をもたらす。最近の数年間、レーザダイオードはアーク灯に代わるものとして使用されてきたが、レーザダイオードはアーク灯及びＬＥＤの両方と比較して非常に高価であり、ＬＥＤに対する高い時間的及び空間的コヒーレンスによる結像アーチファクトに悩まされている。しかしながら、ＬＥＤを使用する従来の実施は、それらの光学的、機械的及び熱的設計の制約により、比較的低い放射輝度及び寿命という欠点を有する。

予めパッケージ化されたＬＥＤは、１または複数の熱伝導性材料及び電気伝導性材料の上に載置されたＬＥＤダイまたはダイアレイを備えるデバイスとして定義される。これらの複数のインタフェースの熱インピーダンスは、累積的な総熱インピーダンスに繋がり、それが高いＬＥＤ接合部温度をもたらし、それによりＬＥＤ出力と寿命が低下する。予めパッケージ化されたＵＶＬＥＤデバイスの例には、ＳｅｍｉＬｅｄｓ（登録商標）及びＮｉｃｈｉａ（登録商標）製品ラインで提供されているものが含まれる。

本発明の実施形態に係るＵＶＬＥＤデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）イルミネータは、開口絞りで物体及び像空間においてテレセントリックな三方テレセントリック光学結像系を使用して、一体型の平行四辺形の視野絞りと、テレセントリック絞りであって、開口絞りの寸法の外側にある光を再結像し、かつ典型的なＤＭＤデバイスの１２度半角に一致するサイズのテレセントリック絞りとにより、ＬＥＤアレイからテーパ状の非結像集光光学系を介して、さらに台形補正及び傾斜中空光インテグレータを介して結像される強度を向上させる。そうでなければ開口絞りで失われる回収光と、ＤＭＤのアクティブ領域を僅かにオーバーフィルする最適結像との組合せは、他の市販のＵＶＤＭＤ照明システムと比較して、最適効率をもたらし、イルミネータハウジング及びＤＭＤデバイス上の熱負荷を低減し、かつ迷光を減少させて像のコントラストを最適化する。

本発明の実施形態に係るイルミネータは、マスクレスリソグラフィ、印刷インクの選択的硬化及び３Ｄ印刷を含む様々な用途での使用のために、高い信頼性及び出力密度の均一な照明源を提供する。

本願明細書で説明する本発明の実施形態は、高度の空間均一性及び高強度を有する照明平面上での歪みが最小の、十分に補正された投影レンズによって連続的に結像されるように、高放射輝度ＵＶエネルギー源としてＤＭＤ上に投影する高放射輝度ＵＶＬＥＤイルミネータを含む。用途は、マスクレスリソグラフィ及び３Ｄ印刷及び他の関連のＵＶ硬化材料の用途のために設計されたシステムの照明部分として、及び、構築された蛍光励起を提供するシステムの一部として機能することを含む。

一態様では、デジタルマイクロミラーデバイスイルミネータの光学系は、ＬＥＤアレイ、テーパ状の非結像集光光学系、反射開口絞り（reflective aperture stop）及びテレセントリックレンズ系を含む。テーパ状の非結像集光光学系は、入力アパーチャと出力アパーチャとを有する。入力アパーチャは、ＬＥＤアレイによって放射された光エネルギーを受け取るためにＬＥＤアレイと光通信している。テレセントリックレンズ系は、ＬＥＤアレイと反射開口絞りとの間に規定される光軸に沿って、テーパ状の非結像集光光学系と反射開口絞りとの間に配置されている。テレセントリックレンズ系は、光軸上の物体面のための対称な一対一撮像素子（symmetric one to one imager）の第１半部（first half）として、さらに、反射開口絞りから光軸上の像面に向かって反射される光エネルギーのための対称な一対一撮像素子の第２半部（second half）として構成されている。

別の態様では、中空光インテグレータが、中空本体と光学視野絞り（optical field stop）とを含む。中空本体は、第１の端部にある入力アパーチャと、第１の端部と反対側の第２の端部にある出力アパーチャと、入力アパーチャから出力アパーチャまで軸に沿って延びる複数の内壁とを有する。内壁の各々は反射面を含む。第１の端部は軸に対して垂直な入力面を含み、第２の端部は軸に対して傾斜した出力面を含む。光学視野絞りは平行四辺形に形成されている。

本発明の構造、動作及び方法論は、本発明の他の目的及び利点とともに、以下の詳細な説明を、図面を参照しながら読むことによって最も良く理解されるであろう。図面において、各部分には、様々な図面のどこに表示されていても、それを識別する符号またはラベルが割り当てられている。

図１は、ＬＥＤボード、熱交換器及びレンズアセンブリを備えた高輝度ＵＶＬＥＤイルミネータの好ましい実施形態の等角図である。照明像の相対位置とサイズが表示されている。図２は、更なる詳細を示す図１のシステムの概略等角図である。図３は、図１のシステムの概略断面図であり、内部の光学的及び機械的構成要素、並びに、非結像集光光学系にインターフェース接続されたＬＥＤアレイを示している。図４Ａ及び図４Ｂは、図１のシステムのＬＥＤボード及び集光光学系の概略等角図及び断面図をそれぞれ示している。図５Ａ及び図５Ｂは、収集光学系を取り外した状態、並びに、ＬＥＤアレイ及びヒートスプレッダを拡大した状態の、図４のシステムの概略等角図をそれぞれ示している。図６Ａ及び図６Ｂは、図３の光学系の上面図及び側面図をそれぞれ示しており、集光光学系のアパーチャからＤＭＤ照明面上に伝えられる光線を示している。図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、反射アパーチャを有する図３の集光光学系の代替的な実施形態の概略等角図、並びに、光線が出力アパーチャを通過して集光光学系の内部ミラー付きのアパーチャを反射して出力アパーチャを通って戻る様子を示す上面図及び側面図である。図８Ａは、高輝度ＵＶＬＥＤイルミネータの別の実施形態の概略図である。図８Ｂは、ＬＥＤアレイから放出される光線を示す図８Ａのシステムの概略等角図である。図８Ｃは、開口絞りのミラー部分に入射する、光学系の開口絞りの外側に結像する光の強度プロファイルの画像である。図９Ａ及び図９Ｂは、全内部反射（ＴＩＲ）要素を実際のＴＩＲ要素で置き換えた図８Ａのシステムの概略図と、図９Ａのテーパ状の集光光学系及び中空光インテグレータの詳細を示す概略等角図とを含むシステムをそれぞれ示している。図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ及び図１０Ｄは、図９Ａの光トンネルの概略等角図、傾斜した物体面を示す側面図、図９Ｂのテーパ状の集光光学系と一致する反射リムを示す上面図、及び出力側の上面図をそれぞれ示している。図１０Ｅ、図１０Ｆ、図１０Ｇ及び図１０Ｈは、それぞれ、図９Ａと同様の光トンネルであるが、出力物体面がその入力面に対して傾斜していない光トンネルを示す概略等角図、傾斜していない物体面を示す側面図、図９Ｂのテーパ状の集光光学系と一致する反射リムを示す上面図、及び出力側の上面図をそれぞれ示している。図１１Ａ、図１１Ｃ及び図１１Ｅは、傾斜無し及び視野絞り無しの中空光インテグレータ、傾斜有り及び視野絞り無しの光インテグレータ、傾斜有り及び平行四辺形の視野絞り有りの光インテグレータの概略的な出力側上面図及び側面図をそれぞれ示している。図１１Ｂ、図１１Ｄ及び図１１Ｆは、図１１Ａ、図１１Ｃ及び図１１Ｅの光インテグレータについてのＤＭＤ面上に生じた像をそれぞれ示している。

本発明は、ＤＭＤのアパーチャ上に、及び、その後に投影レンズを通じて、かつ、所望の照明の表面上に高出力ＵＶＬＥＤアレイの出力を結像することによって提供される制御された空間構造、すなわち結像されたＵＶエネルギーを有する材料の光重合のために使用されるＬＥＤ照明に関する。

本発明の実施形態は、従来技術に対して製造プロセスのコストを削減するより高い硬化生成物のスループットをもたらす照明平面で改善された強度及び空間均一性のためのＬＥＤベースの照明源を含む。本発明は、ＬＥＤダイの下側と関連のヒートシンク要素との間の熱インピーダンスを最小限に抑えることに起因してシステム性能を最適化して大幅に改善された寿命を有する高い空間均一性の高放射輝度プロファイルを備える点において、従来の照明源とは区別される。強度の更なる改善は、そうでなければ結像システムの開口絞りで失われていた光出力のかなりの部分を回収し、それをＤＭＤデバイスに向け直すことから生じる。本発明の更なるシステムレベルの改善は、アクティブ領域の外側のＤＭＤ上の光出力を減少させることによってもたらされ、その結果、熱負荷を低減して、ＤＭＤ素子自体の寿命を延ばすとともに、迷光を減少させ、それにより像のコントラストを改善することができる。

ここで図１を参照すると、全体がシステム１０として示される好適な実施形態のＵＶＬＥＤＤＭＤ照明源の外側の概略的な等角図が示されている。ＵＶＬＥＤ照明源システム１０は、ＬＥＤアセンブリ１２と、レンズハウジング１４と、最も遠位のレンズ要素１６が示されているレンズ系と、を備えている。照明デバイスは、同様のアパーチャの広がりを有するＤＭＤデバイスに一致して位置決めされるＺ軸に沿って像１８を投影し、かつ、１２°の許容入射角内でＤＭＤ上の各位置にテレセントリック照明を備えている。矩形のＤＭＤアパーチャの長軸は、水平Ｘ軸に沿って配向されており、かつ、アパーチャの短軸は垂直Ｙ軸内にある。通常、システム１０からの照明像のサイズは、例えばシステム位置決め公差を考慮するために例えば５％〜１０％だけわずかにＤＭＤを余分に満たす。

ここで図２を参照すると、照明アセンブリの追加の構造を示す図１の照明源１０の概略的な等角図２０が示されている。レンズハウジング１４のフランジと水熱交換器アセンブリ３０との間で３つのボルト３２によってＬＥＤボードアセンブリ１２が挟み込まれており、３つのボルト３２は、１２０度の間隔でフランジの周りに対称に位置決めされ、ＬＥＤボード２２の背面と水熱交換器３０とに均一な圧力を作用させている。例えば銀導電性グリース、酸化アルミニウム放熱グリース、相転移放熱ギャップ充填材料、はんだ、ダイヤモンド放熱ペースト等の高熱伝導性材料の薄い均一な層が、銅のＬＥＤボード２２の背面と熱交換器３０の熱交換器面との間に配置され、デバイス同士の間の熱を最適に結合している。好適な実施形態では、銀充填放熱グリースが使用される。１つの８ピン高電流コネクタ２４が共通のアノード接続のために使用される。追加の８ピンコネクタ２６がカソードのために使用されるが、それは、２チャネルごとに４ピンに分解されて、ＵＶＬＥＤダイの２つの異なるスペクトルビンの使用を可能にする。これは、所望であれば、アレイ内にＬＥＤダイの総数まで容易に拡張され得る。より小さな低電流コネクタ２８によって接続されたＬＥＤボードに光センサ及びサーミスタが取り付けられている。遠位のレンズ１６を取り囲む前方フランジは１対の運動学的インターフェース特徴部３６を有しており、１対の運動学的インターフェース特徴部３６は、照明システムが、レンズハウジング１４の遠位フランジ上で４つの孔３４を貫通する４つのボルトによって、接合するＤＭＤアセンブリ（図示せず）に正確にかつ繰り返し取り付けられ得ることを保証するための孔及びスロットを備えている。

ここで図３を参照すると、図２のシステム２０の等角図の概略断面図が示されている。右から左に参照すると、水熱交換器３０は、それが形成される銅材料と、所定の流速で熱交換器の入口及び出口の間を流れる水との間で最適に熱交換しつつ水が流れることを可能にするためのマイクロチャネル特徴部を有することができる。銅のシート２２を備えるＬＥＤボード１２の背面は、銀充填サーマルペーストによって熱交換器３０と熱的に結合される。ＬＥＤダイアレイ４２は、その矩形アパーチャ内で、テーパ形状で真っ直ぐの側面を有する非結像集光光学系５２に近位で結合されるように示されており、その詳細を以下で明確にする。共通してテーパとして参照される集光光学系５２は、第１レンズ要素５４に接触してテーパを押すバネ４８を有するホルダ４４及び５０によって中心に配置されてＬＥＤアレイ４２に対して所定の位置に保持される。スペーサ５６は、第３レンズ要素６４のためのスペーサとしても機能するレンズ系アパーチャストップ６０に接触して第２レンズ要素５８を位置決めする。レンズ要素６４は、遠位のレンズ要素１６とともにその外縁の近くに直接接触し、それによってスペーサを必要としない。レンズ保持部６６は、レンズ５４のハウジング１４内のシートに接触して４つのレンズ要素と２つのスペーサとを確実に保持する。これは、レンズ系の出力に向かってレンズ５４を押すことによってバネ４８に抗い、かつ、テーパ５２が、ＬＥＤアレイ４２から１００〜２００ミクロンのオーダの距離で確実に位置決めされることを保証する。ＬＥＤボードアセンブリ１２とレンズハウジング１４の近位フランジとの間には、製造公差を考慮してＬＥＤアレイ４２とテーパの集光光学系５２への入力との間の距離を設定するためのシムが用いられる。

好適な実施形態では、ガラス要素５２、５４、５８、６４及び１６は、溶融石英等の低ＵＶ吸収ガラスタイプから形成されるが、ＢＫ７又はＢ２７０等の他の低分散ＵＶ透過ガラス材料、水晶材料、塩、ダイヤモンド、サファイア又はＵＶ透過シリコーン又はゾルゲルから形成されることも可能である。最適には、材料は、フレネル反射損失を最小限に抑えるため、かつ、照明平面でのゴーストの発生を最小限に抑えるために、反射防止コーティングされる。ハウジング１４は、その低質量、高熱伝導性かつかなりの低熱膨張率及び低コストに起因して、好適な実施形態では黒色アルマイトから形成される。高フラックスＵＶエネルギーは標準的な黒色陽極酸化を劣化させ得るので、例えばウィスコンシン州グリーンベイのＰｉｏｎｅｅｒＭｅｔａｌＦｉｎｉｓｈｉｎｇが製造するＯｐｔｉｃＢｌａｃｋ（商標）等のより頑丈なコーティングが用いられることが好ましい。標準的な陽極酸化は、色を変化させ、かつ、光強度の損失を生じさせ得る、レンズ要素上の堆積物を生じさせる。さらに、光学材料とハウジング及びスペーサとの間の熱膨張係数の差は、焦点における温度依存変化を最小限に抑えるように選択される。

ここで図４Ａを参照すると、集光光学系５２とのインターフェース接続の際の図３のＬＥＤボードアセンブリ１２の概略的な等角図７０が示されている。図４Ａでは、光センサ及びサーミスタコネクタ２８とともにアノードコネクタ２４及びカソードコネクタ２６をさらに良く見ることができる。サーミスタ７４及び光センサ７６はＬＥＤアレイ４２の左上側に示されている。サーミスタは、冷却システムがオフにされるか又は故障した場合に制御システムが温度を連続的にモニタすることを可能にする。こうした制御システムは、突発的な故障を回避するために温度の突然のスパイクの場合にＬＥＤダイアレイを素早く遮断する。サーミスタのさらなる使用は、電流及び温度の関数としてＬＥＤアレイの出力を較正することによって出力の温度感知補正を可能にするためのものである。例えば、大気温度が上昇した場合、その後、ＬＥＤアレイの温度依存出力は減少する。閉ループシステムは、一定のＬＥＤ出力パワーを維持するために出力電流を調整するためにアナログ又はデジタル制御ループによって制御され得る。

しかしながら、サーミスタによる出力のモニタのこのアプローチは、時間とともに長期間にわたるＬＥＤ出力の減少を考慮していない。従って、例えばトランスインピーダンス増幅器に結合されたシリコンフォトダイオード等のＵＶ感知検出器から構成された光センサ７６が、出力の変化をモニタし、かつ、時間及び温度の両方に対する一定の出力パワーを維持するために閉ループ制御を通じてより高い電流を駆動することができる。ハウジング１４の底部キャビティは、ＬＥＤアレイによって放出される少量のＵＶエネルギーをサンプリングすることを可能にする特徴部を有している。代替的に、ＬＥＤボードの別個の光センサは、システムによって伝達されるある量のＵＶエネルギーをサンプリングするために集光光学系５２の中間でＺ軸に横方向に見るために用いられる。シリコン光センサは、時間と適用可能な温度範囲とに関して非常に安定しており、及び従って、光強度を正確に測定する。

テーパ５２は、ＬＥＤアレイ４２の５００ミクロン未満で接合するとともにＤＭＤのものと同様のアスペクト比を有する矩形の入力側７８から形成されるが、厳密に言うと、長辺８２及び短辺８４を備える出力アパーチャ８０のアスペクト比は、ＤＭＤ照明上に結像されるものであり、かつ、ＤＭＤ照明のサイズを決定する。入力及び出力アパーチャの２つの直交する方向におけるアスペクト比が同一ではない場合、非近接場が対称ではないが、照明システムのアパーチャストップが円形であると想定すると、テーパの入力及び出力のアスペクト比が同一であることを要件としないので、結果として生じた非近接場は円形である。従って、テーパ状の集光光学系５２の出力面８０のアスペクト比は、図１の照明平面１８に位置決めされたＤＭＤマイクロミラーアレイのものと実質的に同様であることが好ましい。テーパの側面は、２つの両側面上で対称のより大きな面８６とより小さな面８８とに対して実質的に平坦である。テーパの目的は、ＬＥＤアレイ４２によって放出されたＵＶエネルギーを捕獲するためのものであり、ＬＥＤアレイ４２は、角度空間において半球上に延在し（２πステラジアン）、かつ、光学Ｚ軸に対してそれをより小さな角度θに変換し、光学Ｚ軸は、図３のレンズ系の入力で必要とされる１２°半角以上であり、図３のレンズ系アパーチャストップ６０が完全に充填されるか、又はそうでなければ、出力が低減されることを保証する。以下でより詳細に説明するように、好適な実施形態のテーパの出力は、それに入射する出力の約２２％を遮蔽する量だけアパーチャストップ６０を余分に満たす。さらに、ＤＭＤマイクロミラーが１平面に沿ってディザリングされるので、必要とされる１２°半角にミラー平面内での光線の角度許容を制限することが可能であるが、システムの平均開口数を効率的に増大させることによって照明平面上の強度をさらに増大させるために直交軸における角度を増大させる。このアプローチは、投影レンズ系が、同等に形成された楕円形（又は矩形）のアパーチャストップを有して、ＤＭＤから出るすべての出力を通過させることを必要とする。

図４Ａには、ＬＥＤボード銅基板２２を貫通する１対の対向孔７２が示されており、この１対の対向孔７２は、テーパ入力アパーチャ７８の位置がＬＥＤアレイ４２に対して正確かつ確実に位置決めされることを可能にする、１つは丸くて１つは楕円の２つの運動学的なピンにインターフェースで接続される。これらの２つの孔７２は、ＬＥＤダイアレイが整列させられるデータム記号として機能する。

ここで図４Ｂを参照すると、図４ＡのＬＥＤアレイの近くのエリアの拡大した概略的な断面図９０が示されている。合成多結晶ダイヤモンドヒートスプレッダ９２が、高熱伝導率のはんだを用いることによってＬＥＤボード銅基板２２に取り付けられている。ＬＥＤダイアレイ４２は、同様に高熱伝導率の実質的にボイドフリーのはんだの使用によってダイヤモンドヒートスプレッダの上部の金めっきトレースに取り付けられる。ＬＥＤダイは、５ボルトのオーダの電圧で５アンペア／平方センチメートルのオーダまでの電流で動作可能である。それは、２，０００Ｗ／ｃｍ^２のオーダで熱流束を生じさせる。ダイヤモンドヒートスプレッダの横方向の熱伝導率は、バルク銅のもののおよそ５倍である２０００Ｗ／ｍ−Ｋのオーダである。ダイヤモンドヒートスプレッダは異方性を有しているので、薄い寸法（ヒートスプレッダのＺ軸内への）熱伝導率は、より小さいが、バルク銅よりも依然として良好な６００Ｗ／ｍ−Ｋのオーダである。従って、ヒートスプレッダはＸ−Ｙ平面に熱を拡散するように機能し、それによって、銅基板２２内への熱流束を低減し、銅基板２２は、図４Ａの水熱交換器３０に入る前に熱をさらに拡散する。ダイヤモンドヒートスプレッダ２２は、ワイヤボンド９６がＬＥＤダイの上部から取り付けられる金トレース９４を有しており、それらのトレースは、ＣＯＢの上部の銅トレースへの一連のワイヤボンドによって取り付けられる。

ここで図５Ａを参照すると、テーパ状の集光光学系５２を省略した図４Ａのシステムの概略的な等角図が示されている。この図に示されたボード上の追加の特徴は、図２の水熱交換器３０の取り付けの前にハウジング１４にＬＥＤボードが取り付けられることを可能にする４つの対称の両側の孔１０２を備えている。図５Ｂは、ＬＥＤダイアレイ４２及びヒートスプレッダ９２の概略的な等角拡大図を示している。ともに密封してパッケージされる６つ各々のＵＶＬＥＤダイの３列があり、１０８０ｐで０．９５インチの対角線のテキサスインスツルメンツ（登録商標）のＤＭＤデバイスとともに使用されるための１８個のダイアレイを形成する。システムの別の実施形態は、同一のレンズ系、ハウジング及びＬＥＤボードを使用するが、１０２４×７６８で０．７０インチの対角線のテキサスインスツルメンツ（登録商標）のＤＭＤデバイスのために設計され、かつ、比例して小さくなるテーパ及び３×４のＵＶＬＥＤのダイアレイから構成される。通常のＬＥＤダイは、約１，０００ミクロン平方であり、ダイごとに２つの各ワイヤボンドパッドを有する約１００ミクロンの厚さである。ＬＥＤダイがダイヤモンド基板９２上に取り付けられる中央トレースの上部及び下部に２組のワイヤボンドトレースがある。２組は、２つの異なるＬＥＤ波長ビンが、より広いスペクトルを提供するために使用されることを可能にする。これは、光重合プロセスを通じてそれらの吸収スペクトルを変化させ得るあるタイプの光開始剤にとって有用である。あるフォトポリマーは、良好な表面硬化を阻止する酸素による表面硬化抑制を有することが知られている。２５０ｎｍ〜２８０ｎｍのオーダのＵＶエネルギーの使用はこれを防止することが示されてきた。こうしたシステムは、現在では市販されている近年リリースされた２８０ｎｍＬＥＤダイを使用する上述のアプローチによって対応可能である。異なる数のスペクトルビンが、所望の場合にダイヤモンドヒートスプレッダ及びＬＥＤボード上の適切な特徴とともに個々のＬＥＤダイの数まで拡張されることが可能であることは当業者に明白である。

図５Ｂのダイヤモンドヒートスプレッダ９２は高価であるので、ヒートスプレッダがどの程度の大きさであるべきかを決定することは総コスト及び性能にとって重要である。ヒートスプレッダのサイズが増大するにつれて、増分利益は減少していく。図５Ｂの好適な実施形態で示されたＬＥＤアレイの相対的なサイズは３．３ｍｍ×６．６ｍｍのオーダであり、ダイヤモンドヒートスプレッダのサイズは８．０ｍｍ×１０．０ｍｍであり、このサイズは、ヒートスプレッダのサイズの間の最適なトレードオフ、ＬＥＤボードの背面及びＬＥＤ接合部温度及びコストの間のΔＴの減少であることが分かっており、その結果、２５℃の室温に対して２０℃〜２５℃のオーダまで室温が降下する。この顕著な温度降下は、ＬＥＤダイが、５アンペア／平方センチメートルのオーダの電流密度で連続的に動作させられることを可能にし、かつ、それらは所定の強度に対してより低温であるので、それらはより長く継続する。ＬＥＤダイの寿命は、ダイオード接合部内の温度依存拡散プロセスに起因して接合部温度を増大させることによって指数関数的に減少することが知られている。最適なヒートスプレッダのサイズを決定するためのシミュレーションを実行するために、例えばＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ（登録商標）Ｆｌｏｗ（登録商標）などの数値流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェアパッケージを使用することが可能である。代替的に、データは経験的に決定されることが可能である。

図５Ｂに示すＬＥＤダイアレイは、共通のアノード構成の下側に取り付けられており、ダイがともに接合されて放射輝度を最大化することを可能にする。共通アノードの１つのマイナス面は、すべてのカソードが同じ電流源にともに結合された場合、ＬＥＤダイの間の順電圧における差異が、各ダイを通じた電流の差異につながり得ることである。そしてこれは温度依存劣化における差異につながる。共通アノードは、各ダイが同じ電流を得ることを保証するために、ＬＥＤダイが直列に配線されることを防止する。本発明の別の実施形態では、各ＬＥＤダイは、独立した電流源にワイヤ接合される。このようにして、各ＬＥＤダイの精密な制御とともに熱及び密封包装の利点を得ることが可能である。さらに、１つのＬＥＤダイの故障が、直列接続である場合の他のダイに影響を与えないので、こうした電流駆動スキームは、直列接続よりも良好である。各ＬＥＤダイを駆動することのさらなる利点は、各々の順電圧が時間とともにモニタされることが可能であり、及び、システムが、寿命を予測するために時間とともに各ＬＥＤダイの出力をモニタするために開始時に較正を経ることができ、かつ、必要とされ得る将来の保守のオペレータに知らせることができることである。

ここで図６Ａを参照すると、明確化のためにハウジング、スペーサ及びテーパホルダ構成部品を省略した状態の図１のシステムの概略的な上面図１２０が示されている。テーパ状の集光光学系５２の出力アパーチャ８０から出るライン１２４と、レンズ１６から収束するライン１３０とはそれぞれ、テーパ出力アパーチャとＤＭＤマイクロミラー表面１３６との間で結像される際に光学光線経路を示すように示されている。テーパ表面８０の出力上の所定のポイントから出る光線は、ＤＭＤの適当な使用に必要とされる際にテレセントリック状態にＤＭＤ表面に対して直角な主光線とともにＤＭＤ上に光線１３４のポイントに向かって収束する。ガラスのブロック１２８は、照明システムの最終レンズ要素１６とＤＭＤのガラスカバープレート１３２との間に位置決めされて、全内部反射（ＴＩＲ）結合プリズムの光学効果（折り畳まれていない経路）を表す。このタイプのプリズムは、２４°のオーダの入射角でＤＭＤ内への照明を結合するためにたいてい使用される。ＴＩＲプリズムを組み込んでおらず、従って、ＤＭＤへのより大きな入射角を有するシステムに関して、その表面の垂線に対してより大きな角度でＤＭＤに入る及び／又はＤＭＤから出ることに起因するより顕著なキーストーン効果があり得る。こうしたＴＩＲプリズムは、本願明細書に示される０．９５インチ対角線のＵＶイルミネータの好適な実施形態で使用されるが、当業者であれば、本発明がＴＩＲプリズムなしで使用され得ることを理解するであろう。最適な設計は、収差を適切に考慮して収差を補正するためにプリズムを示すガラス片によって最適化されるが、プリズムは、照明ハウジングの一部として含まれていない。アパーチャ８０から放出されるがレンズ系アパーチャストップ１２６の角度空間の外側の光線は、ストップによって吸収され、かつ、ＤＭＤ１３６に向かって伝達することを妨げられる。レンズ系５４、５８、６４及び１６は、オブジェクト（テーパ出力アパーチャ）及び像（ＤＭＤマイクロミラー平面）空間の両方においてテレセントリックであるように設計される。オブジェクト側では、テレセントリシティは、テーパ長さの関数でもあるテーパの仮想非近接場に近似する。

ＤＭＤにＵＶエネルギーを結合するためにＴＩＲプリズムが使用されない場合、テーパへの延長部として矩形断面の中空エンドピースを追加することによって、増加したキーストーンを補正することが可能である。この中空エンドピースは、近位側にテーパを直接接合し、かつ、図１の照明系の光学Ｚ軸に対してＤＭＤの傾斜の反対側に傾斜平面を有している。傾斜平面を結像するこの方法は、ＴＩＲプリズムなしでＤＭＤ上に直接結像することから生じる増大したキーストーンを補償して実質的に補正するために使用されることが可能である。そのようにすることが屈折を生じさせ、及び従って、主光線のステアリングを生じさせるので、短い中空の内部反射壁のデバイスが、テーパの出力面をわずかに傾斜させることに代えてテーパの端部に使用されることが重要である。

図６Ａのテーパ５２は、放射輝度を増大させるためにＵＶ照明レンズ系のアパーチャストップ１２６を余分に満たす非近接場分布によって設計される。これは、周知のコサインθ効果である増大する角度によって投影エリアにおける減少に起因してランバートソースから放出される際に、ＬＥＤ表面からのより小さな放射角度の光線がより小さな出力を有することを認識することによって効率をトレードオフすることによって達成される。従って、サイズを増大させることによって、及びそれによって、ＬＥＤアレイ４２のエテンデュを増大させ、かつ、レンズ系の光学ストップ１２６によってそれらが吸収される際にＬＥＤアレイ４２によって放出された高角度範囲の光線を意図的に拒絶することによって、ＤＭＤ１３６上の放射輝度は、純粋なエテンデュ保存設計によって限定されるものから増大させられ得る。しかしながら、このシステムは、より小さなテーパと、エテンデュを保存して高い空間均一性を達成するように設計されたＬＥＤアレイと、ともに作動することができるが、低放射輝度では、エテンデュ保存設計に必要とされるより小さなＬＥＤダイは、比例してより小さくなり、及び従って、より大きなアレイを駆動することに対してより高い電流密度及びより小さな効率で動作する。増大した放射輝度のためのトレードオフ効率のこのコンセプトは極めて有益である。水熱交換器３０は、１２２上のホースバーブ（hose barb）にクランプされたチューブの使用によって水空気熱交換器に取り付け可能な入力及び出力ポート（リバーシブル）１２２を有している。

図６Ｂは、テーパ５２及びＤＭＤ１３６の狭い出力寸法を示す図６Ａのシステムの概略的な側面図１２０を示している。アパーチャストップ１２６より大きな角度で放出された同様に集光された光線１３８は、それによって吸収され、ＤＭＤに伝送されることを妨げられる。図６Ａ及び図６Ｂでは、アパーチャストップ１２６を通過するそれらの光線のみが示されていることに留意すべきである。テーパ５２によって放射されてアパーチャストップ１２６を余分に満たすより大きな角度の光線は示されていない。

ここで図７Ａを参照すると、テーパ状の集光光学系の代替の実施形態１４０が概略的な等角図で示されている。入力アパーチャ１４２は、実質的に矩形のアパーチャを有する長辺１４４及び短辺１４６を有している。それぞれ短出力エッジ１５８及び長出力エッジ１６０に対応する短辺１５０及び長辺１４８が示されている。上述したテーパの場合にそうであったように、テーパの６側面のすべてが研磨されて表面散乱を低減又は最小限に抑え、かつ、例えば溶融石英、ＵＶグレード低蛍光ショットＢＫ７又はＢ２７０ガラス又は均等物などのガラスから概して形成されている。ＵＶ光線は、全内部反射によってテーパを後退させるように複数回反射する。これは、反射中空テーパと比較してはるかに効率的な反射手段であり、反射中空テーパは、高反射コーティングを達成することがより困難な場合であるＵＶにおいて特に顕著に累積する反射損失を受ける。テーパ１４０の入力アパーチャ寸法は、同一のＬＥＤアレイ４２とインターフェースで接続するように両方が設計される際にテーパ５２のものと同一であるが、出力寸法は比例してより大きくなる。テーパ１４０の出力寸法は、テーパの出力の角度範囲が、図１、図２、図３及び図６のシステムのアパーチャストップを満たすために必要なものと一致するように選択される。これは、レンズアパーチャストップを余分に満たし、かつ、強度のトレードオフ効率に関して上述したようなコサインθ効果の利点を有するように特に設計されたテーパ５２とは対照的である。一致した非近接場を有するテーパシステム１４０の構成に変更することによって、かつ、反射し戻して高反射ミラーコーティング１６２のテーパをオフにするＵＶエネルギーを回復することによって、そうでなければアパーチャストップ１２６によって吸収されるＵＶエネルギーが部分的に回復される。

図７Ｂは、図７Ａのテーパ１４０の概略的な平面図である。ＬＥＤアレイによって放射されて入力アパーチャ１４２を通過する光線１５９は、全内部反射によってテーパ１４０の側面で反射し、かつ、光線１６８によって示されるように内部ミラー表面１６２上に突き当たる。光線１６８がＬＥＤアレイに突き当たる時、アパーチャ１５２から出るエネルギーの大部分とともにテーパに向かって広がって散乱させられ、かつ、それによって回復させられ、かつ、照明平面で強度の１５％以上増加させる。ちょうど説明したそれらの回復された光線と同様の光線１５７の大部分がアパーチャ１５２から直接外側に通過する。強度のさらなる増大は、ＬＥＤアレイサイズ、テーパの入力及び出力アパーチャを増加させることによって達成可能であるが、同一の出力アパーチャのサイズ１５２を維持することは当業者には明らかである。しかしながら、アレイからの増大した熱負荷が、ＬＥＤごとの出力を低下させ、それによって有用性を減少させるので、収穫逓減がある。さらに、出力アパーチャ１５２に対するミラー表面１６２の面積が増大するにつれて、ミラー表面及びＬＥＤ表面の無限反射損失に起因する効率が低下するとともに、テーパの入力アパーチャ１４２とＬＥＤアレイ４２との間のギャップを損なう。

図７Ｃは、図７Ａのテーパ１４０の狭い寸法の概略的な側面図である。同一の効果は、鏡面１６２に突き当たってテーパの長さを下に戻る光線であって、ＬＥＤアレイで反射してアパーチャ１５２から外に出る光線のこの図にも当てはまる。ＬＥＤアレイに反射し戻される光の一部はミラー１６２上に再び入射させられる。これがさらに起きると、そうした光線に関してさらなる損失が生じ、そのことは、ミラーのエリアのサイズが放射アパーチャエリアのものに近似する際にどうして収穫逓減があるかである。

非結像集光光学系に使用され得る他の形状は複合放物面型集光器（ＣＰＣ）を含む。システムは、集光光学系の出力において高い近接場の均一性を有するための条件によって特徴付けられる。偶数の側面を有する非結像系直線壁の集光光学系は、それらの出力における非常に高い近接場の均一性を生成することに優れている。ＣＰＣは，集光器（又は逆にコレクタ）としてうまく機能するが、ＣＰＣのみが、入力アパーチャが均一に満たされた場合にその出力アパーチャで均一な近接場出力を生じさせる。それは、上述した実施形態によって収容される際にＬＥＤダイの２以上のスペクトルビンの使用を排除する。さらに、成形プロセスが使用されなければ、ガラスＣＰＣは、従来研磨され得るテーパを形成するよりもさらに困難である。単一の波長ビンのみが使用された場合を想定するとテーパに代えてこのシステムにおける矩形の４側面のＣＰＣを代用することが可能であるが、単一の波長ビンのＬＥＤダイアレイを有する場合でさえ、テーパによって達成された均一性は、均等な長さのＣＰＣによって達成されるものよりも概して良好である。

図８Ａは、全体がシステム１６０として示されるＵＶＬＥＤＤＭＤ照明源システムの別の実施形態の概略断面図である。ＵＶＬＥＤ照明源システム１６０は、ＬＥＤアレイ１６１と、入力面１６３及び出力面１６４を有するテーパ状の非結像集光光学系１６２と、ＤＭＤ上の結像キーストンを補正するための傾斜出力面１６６を有する中空反射光インテグレータ１６５と、開口絞り１７０とともにレンズ要素１６７、１６８、１６９、１７１、１７２、１７３及び結像光線１７７を含み、物体空間及び像空間の両方でテレセントリックであるレンズ系と、非平行の入力面及び出力面を有する厚いウィンドウを示す全内部反射（ＴＩＲ）プリズム要素１７４と、ウィンドウ１７５及びアクティブ領域１７６を有するＤＭＤ素子とを備える。

別の実施形態は、単一要素１７４として図８Ａに示すＴＩＲプリズム対を使用するもので、照明システムの主光線が２４度の角度でＤＭＤ表面１７６に入射する。これにより、ＤＭＤ１７６の傾斜したマイクロミラーからの反射ビームが、任意の像点について主光線とともにＤＭＤアクティブ領域１７６に対して垂直になるように出射することが可能になり、それにより投影レンズから生じる像の像歪みが最小となる。主光線について照明が２４度の入射角でＤＭＤ上に結像される結果として、照明像が歪むことになる。この歪みが補正されない場合には、ＤＭＤアクティブ領域１７６上で非常に均一な強度を達成するために、この像ボケを補償すべく物体サイズを大きくしなければならない。ＤＭＤのアクティブ領域の外側でＤＭＤに当たる光出力はＤＭＤによって部分的に吸収され、その結果、ＤＭＤの加熱が増加して、温度依存寿命が短くなる。さらに、吸収されないＤＭＤのアクティブ領域の外側にある光出力は、像のコントラストを低下させる散乱光出力をもたらし、システム全体の性能を低下させる。照明像は、有限のシステムアライメント公差に対処するために僅かに過大なものとされるが、オーバーフィル領域が小さければ小さいほど良くなる。

図８Ｂは、結像光線１７７を省略した図８Ａのシステムの概略断面図である。反射開口絞り１７８は、その第１の面がシステム開口絞り１７０の平面内にあり、かつその中心にあるように示されている。光学系は、開口絞り１７０の寸法の外側、すなわち透過中央領域の外側にある光線が周囲反射領域からそれらの光源に向かって戻るように反射される構成となっている。さらに、レンズ１６７、１６８、１６９は、開口絞り１７０の外側の反射光が環状ミラー１７８で反射されて中空光インテグレータ１６５の出力面１６６で出力アパーチャ内に戻るように構成されている。その後、この反射光は、ＴＩＲによってテーパ状の非結像集光光学系１６２の壁で反射された後、ＬＥＤアレイ１６１に入射する。これは、対称な一対一結像レンズ系の半分を構成するように、中空光インテグレータ１６５の出力面と反射開口絞りとの間のレンズを制約し、そうでなければ、光線は実質的に中空光インテグレータのアパーチャには戻らずに、吸収されることになる。

ＵＶＬＥＤダイの拡散反射率は、５０％から７０％のオーダの範囲であるため、反射開口絞りから戻ってきたＬＥＤダイに到達するＵＶ光の少なくとも一部は、テーパ状の非結像集光光学系及び開口絞りを通って戻るように伝播して、ＤＭＤアクティブ領域に向けられる機会を有する。この効果は光線１７９によって示され、この光線は、ＬＥＤダイアレイ１６１を出て、テーパ状の非結像集光光学系１６２を通って進み、中空光インテグレータ１６５から出て、レンズ１６７、１６８、１６９を通り、反射開口絞り１７８で反射し、この光線は、光線１８０として、中空光インテグレータ１６５及びテーパ状の非結像集光光学系１６２を通ってＬＥＤダイに戻り、そこで、光線は拡散的に散乱され、開口絞り１７８を通ってＤＭＤ１７６のアクティブ領域上に光線１８１として戻る。

この反射テレセントリック再結像開口絞り及びレンズ系による利点の一つは、そうでなければ開口絞りによって阻止される光出力を回収することができ、それによってＤＭＤアクティブ領域１７６上の強度を１０％以上のオーダで増加させることである。よって、システム全体の効率が向上する。この追加的な強度は、より速い硬化時間を実現するために使用することができ、またはより低い電流で、すなわちより低いＬＥＤアレイ接合部温度で、同じ強度を達成するために、またはＬＥＤ寿命を延ばすために、またはその両方のために使用することができる。更なる利点は、開口絞りが反射性ではない場合、吸収された光出力が熱負荷を増大させ、その熱を除去するための冷却システムをおそらく必要とし、それによりシステムコスト及び複雑性を増大させることである。

図８Ｃは、図８Ａ及び図８Ｂのシステム１６０の光学開口絞りの外側に入射する強度を示す画像である。この開口絞りの外側の光出力は、非結像集光光学系１６２を使用した結果であり、その有限の長さにより開口絞りの遠画角の外側にいくらかの光が生じる。無限に長いテーパ状の集光光学系の場合、開口絞りの外側の光量は最小であるが、有限で実用的な長さのテーパ状の集光光学系の場合、より大きい角度の遠視野光が生じる。図８Ａ及び図８Ｂのシステムはこの光出力を回収する。

図９Ａは、図８Ａ及び図８Ｂのシステム１６０と同様のシステム１９０の概略断面図であるが、ＤＭＤ表面１７６上に適正に結像させるために、テーパが４５度回転されている。それは、ＤＭＤをミラー傾斜軸の平面内で４５度に向ける必要があるためである。さらに、図８Ａの要素１７４の代わりにＴＩＲプリズム要素１９１及び１９２が設けられており、どのようにして光が要素１９２の横断面から投影レンズ１９４に向かって全反射するのかを良く示している。ＤＭＤで反射した光エネルギーは、ＴＩＲプリズム要素１９１及び１９２の界面に戻り、図中上方に反射されて投影レンズ要素１９４を通り、像面１９５に像を形成する。ＤＭＤに垂直でかつＤＭＤで反射され、要素１９２の横断面で全内部反射され、投影レンズ要素１９４を通過する主光線は、光線１９３によって表されており、この光線は、ＤＭＤから投影像面１９５に結像される。中空光インテグレータ１６５の傾斜は、光がＤＭＤ１７６に２４度の角度で入射することによって生じる像ボケを減少させる。好ましい実施形態では、この角度が、光軸の垂線に対して６度であり、つまり、テーパ状の集光光学系１６２の出力面の角度に対して６度である。この出力面は、中空光インテグレータ１６５の入力面と接触している。中空光インテグレータ１６５は、ＵＶ硬化材料を用いた３Ｄデジタル印刷を含むＤＭＤ照明システムのための新しい用途に対処する。マスクレスリソグラフィなどの用途では、回路基板上の各点が走査方向に沿ってすべてのピクセルにより照明されるように、照明システムが印刷回路基板上で走査される。しかしながら、３Ｄデジタル印刷の用途は、通常、走査が行われないため、像内の各点はＤＭＤ上の所与のピクセルによってのみ照明される。このため、典型的にはテーパ状の集光光学系の出力面や、その出力面に接触またはほぼ接触するウィンドウまたはレンズ上の、塵埃や、コーティングまたはガラスの不完全性など、物体面の近傍の光学部品に欠陥がある場合、それらの欠陥が画像アーチファクトを引き起こす可能性がある。結果として、照明領域のいくつかの部分のための硬化が損なわれる可能性がある。内側反射壁を有する中空光インテグレータ１６５を使用する場合、ＤＭＤ平面上に結像される物体面（すなわち、出力面１６６）は、塵埃に関連する欠陥またはコーティング欠陥が物体面に存在しないように、空気中及び閉鎖照明システム内にある。同様の状況が、中空光インテグレータが同様に使用される顕微鏡を含む他の固定照明面の用途にも生じる。中空光インテグレータは、より最適なテーパ状のガラス非結像集光光学系を使用しない、性能の低い光学構成に通常使用される。そのような構成は、テーパ状の非結像集光光学系を使用するより高性能の構成について生じ得る物体面の欠陥に関する問題を本質的に有していない。

図９Ｂは、テーパ状の非結像集光光学系１６２及び中空光インテグレータ１６５の等角投影図である。図８Ａ、図８Ｂ及び図９Ａの光学システム１６０及び１９０に入射してそれらを通過する光出力密度は高く、そのため、高フラックスのＵＶＡ光に長時間曝されても露出の影響のない溶融シリカのような材料が使用される。Ｎ−ＢＫ７のような標準的な高性能ガラスは当初は十分に低い吸収を有するが、その吸収帯はＵＶＡ光への暴露によってより長い波長にシフトし、そのようなガラスはＵＶ光吸収によって過熱して強度が低下することがあるため、適したものとはならない。テーパ状の集光光学系１６２は、ＤＭＤアクティブ領域の短辺と長辺の比にほぼ対応する、入力短辺２０１と入力長辺２０２の比を有する。この比率からの多少のずれは、現実的なＬＥＤダイアレイのサイズに対応するために許容される。テーパ１６２の出力面は、中空光インテグレータ１６５の中空アパーチャと一致し、かつそれより僅かに大きい。中空アパーチャの長辺２０５及び短辺２０４は、ＤＭＤのアクティブ領域上に適切に結像するとともに、ＤＭＤのアクティブ領域を僅かに、典型的には５％程度オーバーフィルするような物体サイズに対応する。このオーバーフィルは、投影レンズ要素１９４によって硬化面１９５上に後で結像されるＤＭＤの全アクティブ領域にわたって強度の高い均一性を保証するために有限の機械的公差を許容する。中空光インテグレータ１６５は、テーパ出力面上の如何なる欠陥も、ＤＭＤ上に結像される物体面である出力面１６６に到達するときまでに十分にぼやけるように、長さ２０３が十分に大きい。好ましい実施形態では、中空光インテグレータ１６５の長さ２０３が、機械的保持要件によって主に駆動される１０ｍｍ程度である。中空光インテグレータ１６５の長さ２０３は、システム全体の長さを最小にし、かつ内壁の有限の反射率による損失を減らすために、一般に制限されている。好ましい実施形態では、内壁の反射率が９６パーセントより大きい。

図１０Ａは、図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂの中空光インテグレータ１６５の概略等角図である。中空光インテグレータ１６５は、中空本体を規定するように互いに固定された内面上に反射コーティングを有する４個の溶融石英ガラスから作製することができる。高フラックスＵＶ露光によって劣化しないＧＥ３１４５シリコーンＲＴＶなどの接着材料を使用することができる。代替的には、中空本体の４つの反射壁の各々を反射性の鏡面金属シートから作ることができる。例えば、鏡面金属シートとしては、ＵＶＡスペクトルにおいて９５％を超える反射率を有する厚さ０．０２０インチのＡｎｏｌｕｘＭＩＲＯＩＶ金属シート（カナダのオンタリオ州ブランプトン所在のＡｎｏｍｅｔ，Ｉｎｃ．から入手可能）を用いることができる。また、図９Ｂのテーパ状の集光光学系１６２の矩形出力面が中空光インテグレータ１６５の入力面２１１と接触するオーバーラップ領域にわたって入射ＵＶ光を反射する反射コーティング２１２もある。長い出力面２１３及び短い出力面２１４は、ＤＭＤ上に結像される出力面１６６の平面内にある。好ましい実施形態では、入力面２１１と出力面１６６との間の角度傾斜が、図１０Ｂに示すように、６度程度である。図１０Ｃ及び図１０Ｄは、反射領域２１２を有する入力面２１１及び出力面１６６をそれぞれ示している。

図１０Ｅは、図１０Ａの中空光インテグレータ１６５と同様であるが、入力面２２１と平行な出力面２２５を有する中空光インテグレータ２２０の概略等角図を示している。反射入力アパーチャ２２２は、図１０Ａの反射領域２１２と同様に作用する。同様に、反射入力アパーチャ２２２は、図８Ａ、図８Ｂ及び図９ＡのＤＭＤアクティブ領域１７６上のこの平面の像の長辺及び短辺に対応する長辺２２３及び短辺２２４を含む。図１０Ｆは、出力面２２５が入力面２２１に対して平行である様子を示している。入力面２２１及び出力面２２５は、図１０Ｇ及び図１０Ｈの底面図及び上面図にそれぞれ示されている。

図１１Ａは、中空光インテグレータ２２０を上面図及び側面図で示しており、ＤＭＤ平面上に結果として生じる像が図１１Ｂに示されている。中空光インテグレータ２２０は傾斜しておらず、すなわち入力面と出力面が平行であり、図１１Ｂに示される結果として得られる像が２つの対向するコーナに沿って像ボケを示している。それは、像面がＤＭＤミラーの傾斜面に従って像の両側に対して４５度傾斜しているためである。このぼやけた像は、全ＤＭＤアクティブ領域の強度が均一であることを保証するために（図１０Ｅの辺２２３及び辺２２４の寸法に対応する）物体サイズを大きくする必要があることを意味している。対照的に、図１１Ｃに示される中空光インテグレータ１６５の傾斜面は、図１１Ｄに示されるように台形補正された像をもたらし、像全体にわたって実質的に焦点が合っている。像の長辺の中間部における小さい像ボケは、照明レンズ系の像面湾曲によるものであり、これは、テレセントリック条件を満たしながらも、要素の数を最小にしてシステムコストを低く保つためになされるトレードオフの一つである。図１１Ｄの像は平行四辺形であり、すなわち、左右の短辺は垂直であるが、上辺及び下辺は水平ではない。そのため、ＤＭＤのアクティブ領域の外側に光出力が生じる。アクティブ領域の外側の光出力は、加熱の増加、ひいてはＤＭＤの寿命の短縮や、迷光の増加をもたらし、それにより、像のコントラストが損なわれる。その結果、暗いはずの領域で部分的な硬化が起こって、ＵＶ硬化システムの性能が低下する。このため、好ましい実施形態では、視野絞り２３１が、図１１Ｅに示す中空光インテグレータ２３０の傾斜出力面に配置される。垂直短辺２３２及び隣接傾斜辺２３３を有する平行四辺形の視野絞り２３１の非垂直な隣接辺は、ＤＭＤ表面で平行四辺形を生成する光を遮断するように作用し、それにより、図１１Ｆに示すように、鋭く集束された矩形照明領域像をもたらす。視野絞り２３１は、ＤＭＤ上の熱負荷を低減することによってシステム性能を最適化し、それによりＤＭＤの動作寿命を延ばし、迷光を低減して像のコントラストを向上させる。

Claims

デジタルマイクロミラーデバイスイルミネータの光学系であって、
発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイと、
前記ＬＥＤアレイにより放射された光エネルギーを受け取るために前記ＬＥＤアレイと光通信する入力アパーチャと、出力アパーチャとを有するテーパ状の非結像集光光学系と、
反射開口絞りと、
前記ＬＥＤアレイと前記反射開口絞りとの間に規定される光軸に沿って、前記テーパ状の非結像集光光学系と前記反射開口絞りとの間に配置されるテレセントリックレンズ系であって、光軸上の物体面のための対称な一対一撮像素子の第１半部として構成されるとともに、前記反射開口絞りから光軸上の像面に向けて反射される光エネルギーのための対称な一対一撮像素子の第２半部として構成されるテレセントリックレンズ系とを備えることを特徴とする光学系。
請求項１に記載の光学系において、
前記物体面及び前記像面が、前記光軸上で一致していることを特徴とする光学系。
請求項２に記載の光学系において、
前記物体面及び前記像面が、前記テーパ状の非結像集光光学系の出力アパーチャに配置されていることを特徴とする光学系。
請求項１に記載の光学系において、
前記反射開口絞りが、前記テーパ状の非結像集光光学系の出力アパーチャから前記テーパ状の非結像集光光学系の入力アパーチャを通って伝播して前記ＬＥＤアレイに入射する反射光エネルギーを与えることを特徴とする光学系。
請求項４に記載の光学系において、
前記ＬＥＤアレイに入射する反射光エネルギーが拡散反射され、拡散反射された光エネルギーの少なくとも一部が、前記テーパ状の非結像集光光学系の入力アパーチャから前記テーパ状の非結像集光光学系の出力アパーチャに伝播することを特徴とする光学系。
請求項１に記載の光学系において、
入力アパーチャを有する入力面と、出力アパーチャを有する出力面とを有する中空光インテグレータをさらに含み、前記中空光インテグレータの入力アパーチャが、前記テーパ状の非結像集光光学系の出力アパーチャに隣接することを特徴とする光学系。
請求項６に記載の光学系において、
前記中空光インテグレータの入力面と出力面が、互いに対して傾斜していることを特徴とする光学系。
請求項６に記載の光学系において、
前記物体面及び前記像面が、前記光軸上で一致し、かつ前記中空光インテグレータの出力アパーチャに配置されていることを特徴とする光学系。
請求項１に記載の光学系において、
前記ＬＥＤアレイが紫外線ＬＥＤアレイであることを特徴とする光学系。
請求項１に記載の光学系において、
前記反射開口絞りが、反射性の外側領域によって囲まれた透過性の中央領域を含むことを特徴とする光学系。
請求項６に記載の光学系において、
前記テーパ状の非結像集光光学系が、前記テーパ状の非結像集光光学系の出力アパーチャを有する出力面を含み、前記テーパ状の非結像集光光学系の出力面が、前記中空光インテグレータの入力アパーチャよりも大きいことを特徴とする光学系。
中空光インテグレータであって、
中空本体であって、第１の端部にある入力アパーチャと、前記第１の端部と反対側の第２の端部にある出力アパーチャと、前記入力アパーチャから前記出力アパーチャまで軸に沿って延びる複数の内壁とを有し、前記内壁の各々が反射面を有し、前記第１の端部が前記軸に垂直な入力面を含み、前記第２の端部が前記軸に対して傾斜した出力面を含む、中空本体と、
平行四辺形の形状を有し、前記第２の端部の出力面に配置された光学視野絞りとを備え、
前記中空本体の第１の端部が、前記入力アパーチャを囲む反射領域を含むことを特徴とする中空光インテグレータ。
請求項１２に記載の中空光インテグレータにおいて、
前記平行四辺形の形状は、前記中空光インテグレータと光通信する撮像システムによって形成された像の台形歪みを補償するように、前記光軸に対して方向付けられていることを特徴とする中空光インテグレータ。