TWI547212B - Discharge lamp lighting device and lighting method - Google Patents

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Nobuo Kanai
Akiyoshi Fujimori
Izumi Serizawa
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Description

放電燈點燈裝置及點燈方法
本發明係有關於使用於曝光裝置的放電燈的點燈裝置，且特別有關於使用於高壓放電燈的低頻矩形波點燈方法。
高壓放電燈的點燈方法有供給低頻(數十~百Hz)的交流燈電流，切換點燈極性進行交流動作的低頻率矩形波點燈方法。在這個點燈方式中，每當極性切換至陰極時若電弧放電的起點(arc spot)不固定，就會產生波動。為了抑制此波動，會在燈電流的極性切換前重疊電流脈衝(參照專 利文獻1)。
藉由重疊電流脈衝，極性就要被切換前的電流量增加，電極的溫度會瞬間顯著上升。其結果，在陰極相位中，電弧放電的起點始終會產生在電極前端部的同一位置，防止產生波動。
另一方面，也有一種將高頻矩形波電流施加於低頻矩形波電流的點燈方式(參照專利文獻2)，可取代重疊電流脈衝。在這個方法中，在低頻矩形波電流的極性變化後，立刻施加由相反極性開始的高頻矩形波電流一個週期。藉此防止波動的產生。
而在投影機等投影裝置中，電流脈衝增加所造成的光輸出的急劇變化會使畫面發生閃爍。為了抑制此亮度的變化，也有一種點燈方法，係在極性反轉結束前不增加電流量，而在極性反轉後立刻供給具有最大值的低頻矩形波電流(參照專利文獻3)。
[先行技術文獻]
專利文獻1：專利第3741727號公報
專利文獻2：專利第3844046號公報
專利文獻3：專利第4426132號公報
投影機等使用高壓放電燈的裝置中，一般會採取定電力點燈，因此供給放電燈的電力為一定值。然而在曝光裝置等中，會進行定期的照度檢測，調整輸入電力以進行定照度點燈。
在上述的點燈方法的情況下，無法持續將點燈中的電 極溫度維持在適當的範圍內。因此，在電極溫度不在適當範圍的狀況下，容易產生以雜訊為主要原因的照度變動。例如，放電燈發出包含g線(436nm)、h線(405nm)、i線(365nm)的亮線的頻譜光的情況下，僅亮線附近的放射頻譜會產生變動。
由於上述以雜訊為主要原因的照度變動的影響，在曝光裝置等中，會產生根據錯誤的照度測量而調整輸入電力的情況。結果，會頻繁發生不必要的電力變動，致使生產力下降的同時也會影響燈泡的壽命。
另一方面，為了防止電極溫度偏離適當範圍，若縮小輸入電力的單位時間變動量，則電力調整費時使產能降低。
因此，必須要有一種點燈方法，能夠在對高壓放電燈等的放電燈進行定照度點燈的期間，相對於電力變動仍將電極溫度維持在適當的範圍內。
本發明的放電燈點燈方法係供給交流燈電流至放電燈的放電燈點燈方法，能夠適用於對放電燈點燈的放電燈點燈裝置、或具備高壓放電燈的曝光裝置等。
本發明的放電燈點燈方法根據1週期比該交流燈電流的1週期短的反轉型修正用信號，來修正根據低頻矩形波電流產生的該交流燈電流的波形。在此波形的修正中，形成該交流燈電流，使其波形在半週期就要結束之前具有最大電流值的波形部分，就要達到此最大電流值之前具有最 小電流值的波形部分，該半週期開始後立刻具有比該最大電流值小的極大電流值的波形部分。例如，修正用信號可以採用矩形波信號。
藉由產生具有極大電流值、最小電流值、最大電流值的波形的交流燈電流，能夠實現再點火的容易性、電弧放電位置的起點矯正、以及以電極同一位置為起點的電弧放電。如此一來可維持電弧放電起點位置在適當的電極溫度。
若考慮有效地產生極大電流值的波形部分與最大電流值的波形部分，利用該修正用信號的1週期後半部分的信號，可形成具有該最大電流值及該極大電流值的波形部分的該交流燈電流。而利用該修正用信號的1週期前半部分的信號，可形成具有該最小電流值的波形部分的該交流燈電流。
還可利用下衝效果(under shoot)，使該交流燈電流在緊接著該極大電流值具有比該最小電流值大的極小電流值。
若考慮確實進行電弧放電起點位置的溫度上升與起點周圍的冷卻，該修正用信號的1週期前半部分的信號部分，也就是，具有該最小電流值的波形部分的期間(寬度)最佳為比該修正用信號的1週期後半部分的具有該最大電流值的波形部分的期間短。
本發明的另一局面的放電燈點燈裝置，包括：直流電壓變換部，將直流電壓轉換為既定的電壓值；直流/交流轉換部，根據低頻矩形波電流，將直流電壓的直流電流轉換 為交流燈電流；以及交流燈電流修正部，將該直流電壓轉換部要傳送至該直流/交流轉換部的直流電壓的直流電流以PWM控制來調整，修正交流燈電流的波形，其中該交流燈電流修正部，根據1週期比該交流燈電流的1週期短的反轉型修正用信號定下工作週期，使該交流燈電流在半週期就要結束之前具有最大電流值，就要達到該最大電流值之前具有最小電流值，該半週期開始後立刻具有比該最大電流值小的極大電流值。
根據本發明，能夠根據適當的照度測量對放電燈進行穩定的定照度點燈。
以下參照圖式說明本發明的實施例。
第1圖係本實施例的曝光裝置的概略方塊圖。
曝光裝置10為在表面形成光阻等感光體的基板SW上直接圖樣化的無光罩式曝光裝置，具備放電燈20及數位微鏡裝置(Digital Micro-mirror Device，簡稱DMD)22。將來自放電燈20的照明光作為圖樣化光照射基板SW。
放電燈20在此係以高壓/超高壓水銀燈等的高壓放電燈構成，被點燈部21所驅動而點燈。放電燈20所放射的光被照明光學鏡組(未圖示)修正為平行光後，被導引至DMD 22。DMD 22為將數μm~數十μm的微小矩形狀微鏡配列成2維矩陣狀的光調變元件陣列(例如1024×1280)，被DMD驅動電路24所驅動。
未圖示的工作台所送出的CAD/CAM資料等向量資料係在網格轉換電路26中被轉換為2維的點圖樣式的網格資料。而DMD驅動電路24應網格資料將曝光資料傳送至DMD 22。
在DMD 22中，根據DMD驅動電路24送出的曝光資料，使各微鏡分別被選擇性地控制在ON/OFF狀態。ON狀態的微鏡下反射的光經過投影光學鏡組(未圖示)作為圖樣化光照射基板SW。
搭載於桌面12的基板SW藉由平台驅動機構14而移動於掃描方向上。伴隨著基板SW的移動使曝光對象區域相對移動的期間，曝光動作會以既定的曝光間隔被實行。係藉由曝光對象區域移動基板SW全體，而將圖樣形成於基板全體。基板SW的位置由位置感測器15檢測出來。
控制器30輸出控制信號等至點燈部21，控制全體的曝光動作。曝光動作的控制程式儲存於控制器30的ROM(未圖示)當中。
曝光裝置10會進行定期的照度量測，因此具備量測放電燈20的照度的測光裝置34。測光裝置34被測光驅動部35控制位置。照度量測期間，測光驅動部35將測光裝置34配置於光路上，當量測結束時則移動測光裝置34至退出光路的位置。
控制器30係根據量測的照度調整照射基板SW的光量。具體來說，係藉由調整輸入放電燈20的輸入電力來進行定照度點燈控制。
第2圖係點燈部的概略方塊圖。
點燈部21具備DC/DC轉換器54、全橋電路56，對放電燈20供給根據交流燈電流的燈輸入電壓。DC/DC轉換器54係具有開關元件、電容、二極體、抗流線圈、驅動電路等的直流電壓轉換電路，將直流電源電壓52所輸入的直流電壓值轉換為供給放電燈20的電壓值。另外，也可以設置截波電路來取代DC/DC轉換器。
全橋電路56係將DC/DC轉換器54供給的直流電流轉換為交流電流的直流-交流轉換電路，具備啟動用的點火器電路、及2組電晶體對。在穩定的點燈下，根據由低頻矩形波產生電路60送出的低頻矩形波信號，使2組的電晶體對交互地導通，以交互反轉直流電流的極性。藉此，產生極性每半個週期反轉的矩形波交流燈電流。
點燈部21更具備電流設定用直流信號輸出電路62、波形合成電路64、波形修正信號輸出電路66、以及PWM控制電路58。PWM控制電路58可調整DC/DC轉換器54傳送給全橋電路56的直流電流量，在調整供給放電燈20的電壓位準的同時，藉由改變電流量來修正、變更交流燈電流的波形。以下說明交流燈電流的波形修正。
第3圖係顯示點燈部的各電路的信號波形。第4圖係顯示供給放電燈的交流燈電流的概略波形圖。
低頻矩形波信號L1係與交流燈電流相同頻率數的矩形波信號，以數十~數百Hz的低頻率由低頻矩形波產生電路60輸出。全橋電路56根據此矩形波信號輸出極性每半 個週期交互切換的交流燈電流。
另一方面，波形修正信號C1係從具有低頻矩形波信號的數倍~數十倍的頻率的高頻矩形波信號中間斷地抽出其1週期的量的信號。波形修正信號C1的產生間隔對應低頻矩形波信號L1的頻率，也就是對應交流燈電流的頻率。
波形修正信號C1的1週期的極性切換會反轉，1週期中最初的半週期(前半部分)為由下降開始的波形，後面的半週期(後半部分)為由上升開始的波形(在此將這種波形稱為反轉型)。而波形修正信號C1的前半部分的波形期間(寬度)比後半部分的波形期間短。
而將電流設定用直流信號輸出電路62輸出的一定值的直流信號B1加上波形修正信號C1，就可獲得與波形修正信號C1同樣的反轉型的合成波形信號D1(修正用信號)。產生的合成波形信號D1會傳送至PWM控制電路58。
PWM脈衝信號E1係控制DC/DC轉換器54的直流電流量的脈衝信號，根據工作週期調整DC/DC轉換器54的開關元件的ON/OFF時間。第3圖中PWM脈衝信號雖以相同脈衝寬度的脈衝信號表示，但如放大PWM脈衝信號E1的一部分波形所示，實際上會隨著合成波形信號D1來調變脈衝寬度。
更詳細地說，合成波形信號D1的輸出期間以外為固定脈衝寬度的波形，對應於合成波形信號D1的最初半週期(前半部分DN)的脈衝寬度EN會比固定脈衝寬度短，對應於合成波形信號D1的後半週期(後半部分DM)的脈衝寬度 EM會比固定脈衝寬度長。也就是說，配合前半部分DN工作週期變小，配合後半部分DM工作週期變長。
結果，在工作週期小的期間中，DC/DC轉換器54供給全橋電路56的直流電流的電流量減小，在工作週期大的期間中，電流量增加。藉此產生具有對應合成波形信號D1(波形修正信號C1)的波形部分的交流燈電流。
第4圖所示的交流燈電流P在其半週期後半部分具有最大值KM與最小值KN。合成波形信號D1的1週期結束的時間點會對應低頻矩形波信號L1的下降。
因此，藉由產生對應合成波形信號D1波形的波形部分，交流燈電流P的半週期就要結束之前會獲得絕對值為最大值的電流值KM，而就要達到最大電流值KM之前會獲得絕對值為最小值的電流值KN。獲得最小電流值KN的期間比獲得最大電流值KM的期間短。
另一方面，合成波形信號D1的週期與低頻矩形波信號L1的週期相同，但相對於低頻矩形波信號L1的相位有些許延遲。結果，合成波形信號D1的1週期結束的時間點會偏離低頻矩形波信號L1的下降時間點。
合成波形信號D1的後半部分DM的一部分會藉由工作週期大的脈衝寬度EM來影響極性反轉後的交流燈電流的波形。因此，極性剛剛反轉後的電流量增加。此時以絕對值而言，電流值PM比最大電流值KM小(在此，稱為極大電流值)。
另一方面，若交流燈電流P在極性剛剛反轉後具有極 大電流值PM，之後的電流值就減小。這是起因於下衝效果(under shoot)帶來的影響。以絕對值而言，電流值PN比最小電流值KN大(在此，稱為極小電流值)。
利用這樣的交流燈電流波形P來進行點燈，電極溫度會持續維持在適當的範圍。首先，藉由切換陰極相位來設置電弧放電的起點時，因為極大電流值PM的流過，電極會瞬間加熱使得再點火變得容易。
然後在電極的瞬間加熱後立刻產生極小電流值PN，藉此電極前端部(電弧放電的起點)以外的部分會被冷卻，因此電弧放電的起點位置被矯正至適當的位置，在陰極相位期間穩定。
而由陰極相位切換至陽極相位的交流燈電流P的半週期結束前，接著獲得最小電流值KN與最大電流值KM，在獲得最大電流值KM後交流燈電流P的極性立刻反轉。
因電極前端部(電弧放電的起點)以外的部分被一時冷卻，所以電弧放電的起點的位置矯正到適當的位置後，只有電極前端部會瞬間高溫化。藉此，在下一個陰極相位中電弧放電的起點會發生在電極前端部的相同位置。特別是，因為最大電流值KM的期間比最小電流值KN的期間長，所以電弧放電起點周圍的冷卻與起點部分的溫度上升會確實地實現。
因此，即使在為了定照度點燈而變動電力的情況下，電極全體的溫度會在電弧放電穩定化的適當範圍內，短時間快速地移動至穩定的點燈狀態使放電穩定。特別是，發 出包含g線(436nm)、h線(405nm)、i線(365nm)的亮線的頻譜光的放電燈中，僅亮線附近的放射頻譜會產生變動的情況下效果特別顯著。
這樣的電極溫度維持會橫跨交流燈電流P的全體期間。因此進行定照度點燈控制的情況下，抑制雜訊影響的照度變動，會依照輸入電力的調整正確地檢測出放射照度。結果不需進行不必要的電力調整就能實現穩定的定照度點燈。
而利用合成波形信號D1形成具有最大電流值KM、極大電流值PM的波形部分，藉此有效地同時修正、變更交流燈電流P的半週期開始、結束時的波形部分。
要在定照度點燈中增加電力時，可將最小電流值KN減小至比定電力時要低，或設定較長的期間。反之，要在定照度點燈中減少電力時，可將最小電流值KN增大至比定電力時要高，或設定較短的期間。
實際上，使用放電管內封入水銀0.2mg/mm3以上的高壓放電燈來進行定照度點燈控制時，供給上述交流燈電流時的電力調整頻率及當時的調整電力振幅都比起習知供給脈衝放電燈電流時的電力調整頻率及調整電力振幅顯著地減小，也能夠縮短電力調整所需的時間。
如此一來，根據本實施例，點燈部21會依照低頻矩形波點燈方法，供給交流燈電流至放電燈20，使放電燈20交流動作。而根據反轉型的合成波形信號D1(波形修正信號C1)，以PWM控制來調整DC/DC轉換器54送出至全橋電 路56的直流電流量。結果，產生在半週期開始後立刻具有極大電流值PM，以及緊接著其具有極小電流值PN，半週期就要結束之前具有最小電流值KN，以及緊接著其具有最大電流值KM的交流燈電流P。
另外，在小電流等時，因為下衝效果並沒有發揮作用，因此不會產生極小電流值的波形部分，或者是即使意圖地不讓交流燈電流具有極小電流值，因為電弧放電的再點火產生於電極的同一位置，電極溫度會充分地維持在適當的範圍內。而具有極大電流值的波形部分也可以用合成波形信號以外的信號來形成。
此外，修正信號也可採用矩形波以外的波形的信號。
10‧‧‧曝光裝置
12‧‧‧桌面
14‧‧‧平台驅動機構
15‧‧‧位置感測器
20‧‧‧放電燈
21‧‧‧點燈部
22‧‧‧數位微鏡裝置(DMD)
24‧‧‧DMD驅動電路
26‧‧‧網格轉換電路
30‧‧‧控制器
34‧‧‧測光裝置
35‧‧‧測光驅動器
52‧‧‧直流電源電壓
54‧‧‧DC/DC轉換器(直流電壓轉換部)
56‧‧‧全橋電路(直流/交流轉換部)
58‧‧‧PWM控制電路
60‧‧‧低頻矩形波產生電路
62‧‧‧電流設定用直流信號輸出電路
64‧‧‧波形合成電路
66‧‧‧波形修正信號輸出電路
B1‧‧‧電流設定用直流信號
C1‧‧‧波形修正信號
D1‧‧‧合成波形信號
DM‧‧‧合成波形信號的後半部分
DN‧‧‧合成波形信號的前半部分
E1‧‧‧PWM脈衝信號
EM‧‧‧合成波形信號的後半部分對應的脈衝寬度
EN‧‧‧合成波形信號的前半部分對應的脈衝寬度
L1‧‧‧低頻矩形波信號
KM‧‧‧最大電流值
KN‧‧‧最小電流值
PM‧‧‧極大電流值
PN‧‧‧極小電流值
P‧‧‧交流燈信號
SW‧‧‧基板
第1圖係本實施例的曝光裝置的概略方塊圖。
第2圖係點燈部的概略方塊圖。
第3圖係顯示點燈部的各電路的信號波形。
第4圖係顯示供給放電燈的交流燈電流的概略波形圖。
KM‧‧‧最大電流值
KN‧‧‧最小電流值
PM‧‧‧極大電流值
PN‧‧‧極小電流值
P‧‧‧交流燈信號

Claims (6)

  1. 一種放電燈點燈方法，係供給交流燈電流至放電燈，包括：根據1週期比該交流燈電流的1週期短的反轉型修正用信號，來修正根據低頻矩形波電流產生的該交流燈電流的波形，形成該交流燈電流，使其具有，在半週期就要結束之前具有最大電流值的波形部分，與就要達到該最大電流值之前具有最小電流值的波形部分，及該半週期開始後立刻具有比該最大電流值小的極大電流值的波形部分，其中該交流燈電流緊接著該極大電流值具有比該最小電流值大的極小電流值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之放電燈點燈方法，其中藉由該修正用信號的1週期後半部分的信號，形成具有該最大電流值與該極大電流值的波形部分於該交流燈電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之放電燈點燈方法，其中藉由該修正用信號的1週期前半部分的信號，形成具有該最小電流值的波形部分於該交流燈電流。
  4. 如申請專利範圍第2至3項任一項所述之放電燈點燈方法，其中藉由該修正用信號的1週期前半部分的信號來形成的具有該最小電流值的波形部分的期間，比起藉由該修正用信號的1週期後半部分的信號來形成的具有該最大電流值的波形部分的期間短。
  5. 一種放電燈點燈裝置，包括：直流電壓變換部，將直流電壓轉換為既定的電壓值；直流/交流轉換部，根據低頻矩形波電流，將直流電壓的直流電流轉換為交流燈電流；以及交流燈電流修正部，將該直流電壓轉換部要傳送至該直流/交流轉換部的直流電壓的直流電流以PWM控制來調整，修正交流燈電流的波形，其中該交流燈電流修正部，根據1週期比該交流燈電流的1週期短的反轉型修正用信號定下工作週期，使該交流燈電流在半週期就要結束之前具有最大電流值，就要達到該最大電流值之前具有最小電流值，該半週期開始後立刻具有比該最大電流值小的極大電流值，其中該交流燈電流緊接著該極大電流值具有比該最小電流值大的極小電流值。
  6. 一種曝光裝置，包括：高壓放電燈；以及如申請專利範圍第5項所述之放電燈點燈裝置，對該高壓放電燈點燈。
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