WO2018225774A1 - 光源装置 - Google Patents

光源装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2018225774A1
WO2018225774A1 PCT/JP2018/021675 JP2018021675W WO2018225774A1 WO 2018225774 A1 WO2018225774 A1 WO 2018225774A1 JP 2018021675 W JP2018021675 W JP 2018021675W WO 2018225774 A1 WO2018225774 A1 WO 2018225774A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical system
light
light source
led element
fly
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/021675
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
松島　竹夫
Original Assignee
ウシオ電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ウシオ電機株式会社 filed Critical ウシオ電機株式会社
Publication of WO2018225774A1 publication Critical patent/WO2018225774A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/20—Exposure; Apparatus therefor

Definitions

  • the present invention relates to a light source device, and more particularly, to a light source device including a plurality of LED elements.
  • an exposure apparatus is used for fine processing using light.
  • exposure techniques have been developed in various fields, and are used for producing relatively large patterns and for three-dimensional fine processing among fine processing. More specifically, for example, an exposure technique is used for manufacturing an electrode pattern of an LED, a manufacturing process of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) represented by an acceleration sensor, and the like.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Patent Document 1 discloses an optical system in which light emitted from a plurality of LED elements is collimated and then condensed and incident on a rod integrator.
  • Patent Document 2 light emitted from a plurality of LED elements is passed through a lens array to generate an enlarged real image as a secondary light source, and then the light emitted from the enlarged real image is passed through a condenser lens.
  • An optical system that leads to the irradiated surface is disclosed.
  • the LED element is an element that emits light by passing a current through the semiconductor layer.
  • region tends to exist in the light emission surface of an LED element, and the brightness
  • the electrode forming portion is a non-light emitting region. Luminance distribution is inevitably generated at a location where it is not formed.
  • each LED element itself appears as an image on the light incident surface of the rod integrator. For this reason, the above-described luminance unevenness exists on the incident surface.
  • incident light is mixed by repeating reflection, so that it is expected that unevenness in illuminance is suppressed on the light exit surface of the rod integrator compared to the light incident surface.
  • it is necessary to secure a sufficient number of reflections, and it is necessary to arrange a relatively large rod integrator.
  • a secondary light source is substantially generated by arranging an enlarged real image of each LED element by a lens array provided in front of a condenser lens. Since this secondary light source is arranged in a state narrower than the interval between adjacent LED elements, luminance unevenness due to the presence of a non-light-emitting region due to the interval between adjacent LED elements is alleviated. Has been. And since the light inject
  • an object of the present invention is to realize a light source device that achieves both suppression of luminance reduction and suppression of illuminance unevenness by a simple optical system configuration.
  • the light source device includes: A light source unit including a plurality of LED elements; A first optical system that narrows a divergence angle without collimating the light emitted from the light source unit; A second optical system that collects light emitted from the first optical system; And an integrator optical system having an incident surface disposed at a focal position of the second optical system.
  • the plurality of light beams emitted from the plurality of LED elements and incident on the second optical system are non-parallel. For this reason, at the focal position of the second optical system, the plurality of light beams are not condensed at one point, but are condensed in an area having a predetermined size. Since the entrance surface of the integrator optical system is disposed at this focal position, the image of the LED element itself does not appear clearly on the entrance surface of the integrator optical system, but the image appears in a so-called “out-of-focus” state. .
  • the above configuration intentionally guides light to the entrance surface of the integrator optical system in such a defocused state.
  • luminance unevenness caused by the presence of the light emitting region and the non-light emitting region constituted by the electrodes on the light emitting surface of the LED element also appears on the incident surface of the integrator optical system in a blurred state.
  • a part of the low-luminance region corresponding to the location where the light beam emitted from the portion where the electrode was present on the LED element (non-light-emitting region) is guided, and the light beam emitted from the light-emitting region are guided.
  • a part of the high luminance region corresponding to the place overlaps on the entrance surface of the integrator optical system.
  • the “irradiation surface” means a region where light emitted from the light source device of the present invention is expected to be used.
  • the light emitted from the plurality of LED elements can be realized simply by guiding the light to the entrance surface of the integrator optical system in a defocused state, which is extremely simple compared with the configuration of Patent Document 2. It can be realized with a simple optical system. Furthermore, since the incident surface of the integrator optical system is the focal position of the second optical system, the light incident on the incident surface of the integrator optical system has high luminance. Then, this high-intensity light is emitted to the irradiation surface via the integrator optical system. That is, as compared with the configuration of Patent Document 2, light with high luminance can be guided to the irradiation surface.
  • the focus of the image guided to the entrance surface of the integrator optical system can be easily adjusted by adjusting the distance between the first optical system and the second optical system. If the image is adjusted in the in-focus direction, the luminance on the incident surface of the integrator optical system can be increased, while unevenness in luminance on the incident surface is likely to appear. On the contrary, if the image is adjusted in the direction in which the image is out of focus, the luminance unevenness on the incident surface of the integrator optical system can be further eliminated, while the luminance on the incident surface is lowered. In response to a request from an application that uses light emitted from the light source device, it is possible to respond flexibly.
  • the LED element has a light emitting surface and a linear electrode provided to divide the light emitting surface on the side facing the first optical system,
  • the maximum radiation angle of the light beam emitted from the center point of the LED element is ⁇ 1
  • the light collection angle after the light beam is emitted from the second optical system is ⁇ 2
  • the width of the electrode is d 1
  • the light beam is taken as L 1, so that the value of L 1 satisfies the following formula (1), wherein the The positions of one optical system and the second optical system may be adjusted.
  • the integrator optical system may be a fly-eye lens in which a plurality of lenses are arranged in a matrix.
  • the light source device of the present invention it is possible to achieve both suppression of luminance reduction and suppression of illuminance unevenness by a simple optical system.
  • FIG. 1 is a drawing schematically showing an example of an optical system of a light source device.
  • the light source device 1 includes a light source unit 2, a first optical system 5, a second optical system 7, and an integrator optical system 8.
  • the light source unit 2 includes a plurality of LED elements 3.
  • the plurality of LED elements 3 are arranged on a predetermined plane (here, XY plane).
  • a predetermined plane here, XY plane
  • any arrangement mode of the plurality of LED elements 3 may be used.
  • the direction of the optical axis 11 is the Z direction.
  • the first optical system 5 is an optical system that narrows the divergence angle without collimating the light emitted from the plurality of LED elements 3, and is configured by arranging a plurality of lenses 6 corresponding to each LED element 3. Yes.
  • FIG. 1 a configuration in which one lens 6 is disposed corresponding to each LED element 3 is illustrated, but a plurality of lenses 6 are disposed in the direction of the optical axis 11 corresponding to each LED element 3. It doesn't matter.
  • the second optical system 7 is an optical system that condenses the light emitted from the first optical system 5 at the focal point 7f of the second optical system 7.
  • the integrator optical system 8 is constituted by a fly-eye lens 10.
  • the fly-eye lens 10 is disposed so that the incident surface 10 a is positioned at the focal point 7 f of the second optical system 7.
  • “arranged at the focal position” means that the lens is moved by a distance of ⁇ 10% in a direction parallel to the optical axis 11 with respect to the focal distance, in addition to the case where it completely coincides with the focal position. It is assumed that the concept includes a position.
  • the optical axis 11 in FIG. 1 is an axis orthogonal to the incident surface of the integrator optical system 8, that is, the incident surface 10 a of the fly-eye lens 10.
  • each LED element 3 passes through the first optical system 5 and the second optical system 7 and travels toward the incident surface 10 a of the fly-eye lens 10. Since the second optical system 7 is a condensing optical system, each light beam travels toward the focal point 7 f of the second optical system 7. However, as described above, the light beam emitted from the first optical system 5 is not collimated. For this reason, the light incident on the incident surface 10a of the fly-eye lens 10 is not collected at one point but is collected in a region 13 having a width.
  • the image of the LED element 3 appears in a blurred state on the incident surface 10 a of the fly-eye lens 10. That is, the image is displayed in a state where the focus is not achieved.
  • the position where the image of the LED element 3 is formed when the fly-eye lens 10 is not present is indicated by reference numeral 15.
  • FIG. 2 is a schematic plan view when the LED element 3 is viewed in the Z-axis direction from the light extraction surface side, that is, the first optical system 5 side.
  • the LED element 3 includes a light emitting region 22 from which light generated in the semiconductor layer is extracted, and a linear electrode 21 for supplying a current to the semiconductor layer.
  • a wire 14 for supplying a current from the outside to the electrode 21 is connected.
  • the electrode 21 is made of, for example, Ni / Al / Ni / Ti / Au, Cr / Au, Ti / Pt / Au, Ti / Pt / Cr / Au / Cr / Pt / Au, or the like. That is, the electrode 21 is made of a material that transmits little or no light generated by the LED element 3 and constitutes a non-light emitting region. That is, the light emitting surface of the LED element 3 has a light emitting region 22 and a non-light emitting region composed of the electrodes 21.
  • an image of the LED element 3 in a defocused state appears on the incident surface 10 a of the fly-eye lens 10.
  • a part of the image of the non-light emitting region made of the electrode 21 overlaps with a part of the image of the light emitting region 22.
  • light with reduced luminance unevenness is incident on the incident surface 10a.
  • the entrance surface 10 a of the fly-eye lens 10 is disposed at the focal position of the second optical system 7. For this reason, the light emitted from all the LED elements 3 is collected in the narrow area 13 on the incident surface 10 a, and light with high luminance is incident on the fly-eye lens 10. Thereby, it is possible to provide light with high luminance for an application that uses light emitted from the fly-eye lens 10.
  • 3A to 3D are drawings schematically showing the operation of the present invention.
  • 3A to 3C are diagrams schematically showing images on the light incident surface of the fly-eye lens 10 when the LED element 3 is in focus with respect to the fly-eye lens 10.
  • FIG. The case where the LED element 3 is in focus with respect to the fly-eye lens 10 is, for example, the case where the light emitted from the LED element 3 is collimated and then enters the second optical system 7 in FIG. Corresponds.
  • FIG. 3A is a drawing schematically showing an image on the entrance surface of the fly-eye lens 10
  • FIG. 3B is a drawing in which only each region of the fly-eye lens 10 is extracted from FIG. 3A.
  • 3A and 3B schematically show that the image 21b of the electrode 21 and the image 22b of the light emitting region 22 appear on the entrance surface of each fly-eye lens 10.
  • FIG. 3A and FIG. 3B when the LED element 3 is in focus with respect to the fly-eye lens 10, on the irradiation surface of the light emitted from the fly-eye lens 10, as shown in FIG. 3C.
  • the images 3b of the LED elements 3 are superimposed and displayed.
  • a difference in luminance is likely to appear on the irradiated surface between the region where the image 21b of the electrode 21 overlaps and the region where the image 22b of the light emitting region 22 overlaps.
  • an image of the outer peripheral portion of the fly-eye lens 10 is denoted by 10b.
  • FIG. 4 is a drawing schematically showing light rays emitted from one LED element 3.
  • ⁇ 1 is the maximum radiation angle of the light beam emitted from the center point of the LED element 3
  • ⁇ 2 is the light beam emitted from the center point of the LED element 3 emitted from the second optical system 7. This is the later light collection angle.
  • L 1 is a length orthogonal to the optical axis 11 when the light beam exits the second optical system 7 and then crosses the focal position 7 f of the second optical system 7.
  • the positions of the first optical system 5 and the second optical system 7 are adjusted so as to satisfy the following expression (1), where d 1 is the width of the electrode 21 included in the LED element 3. . 2d 1 ⁇ ( ⁇ 1 / ⁇ 2 ) ⁇ L 1 ⁇ 50d 1 ⁇ ( ⁇ 1 / ⁇ 2 ) (1)
  • the value of L 1 is too small, the luminance on the incident surface 10a of the fly-eye lens 10 increases, but the light emitting region 22 on the LED element 3 and the electrode 21 constituting the non-light emitting region appear clearly. . As a result, the brightness variation on the incident surface 10a becomes obvious.
  • the value of L 1 is increased too much, the boundary between the light emitting region 22 and the electrode 21 on the LED element 3 is blurred, thereby eliminating the luminance variation on the incident surface 10a of the fly-eye lens 10, but the incident surface 10a. The brightness at the top is reduced.
  • the size of the non-light emitting region depends on the width of the electrode 21. For this reason, in the LED element 3 in which the width of the electrode 21 is large, luminance variation on the incident surface 10a tends to appear. In such a case, the brightness variation reduction performance is enhanced by increasing the degree of defocusing on the incident surface 10a. On the contrary, in the LED element 3 having a small width of the electrode 21, the degree of defocusing is reduced and the luminance on the incident surface 10a is increased. Thereby, it is possible to provide light in which both a decrease in luminance and uneven illuminance are suppressed for an application using light.
  • ⁇ 1 120 °
  • ⁇ 2 3 °
  • d 1 15 ⁇ m
  • ⁇ 1 60 ° to 150 °
  • ⁇ 2 1 ° to 50 °
  • d 1 5 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • each optical system is arranged such that the position 15 where the image of the LED element 3 is formed is located at a stage subsequent to the incident surface 10a of the fly-eye lens 10. did.
  • each optical system may be arranged such that the position 15 where the image of the LED element 3 is formed is a position before the incident surface 10 a of the fly-eye lens 10. I do not care. Even in this case, the image of each LED element 3 appears in a defocused state in the region 13 on the incident surface 10 a of the fly-eye lens 10.
  • the integrator optical system 8 includes the fly-eye lens 10 has been described.
  • the integrator optical system 8 may be composed of a rod integrator 30.
  • the rod integrator 30 has a function of equalizing the illuminance distribution of light on the exit surface 30b by guiding the light incident on the entrance surface 30a to the exit surface 30b while repeating total reflection on the side surface.
  • a light guide member includes, for example, a columnar member made of a light-transmitting material such as glass or resin, a hollow member whose inner surface is formed of a reflecting mirror, and the like. The latter configuration is sometimes called a light tunnel.
  • the light guide member may be configured by dividing a plurality of optical paths in a direction parallel to the optical axis.
  • the fly-eye lens 10 is an optical member that makes the illuminance uniform by superimposing the divided lens images on the irradiation surface, whereas the rod integrator 30 emits light from the light emitting surface.
  • This is an optical member that makes light illuminance uniform by repeatedly reflecting light inside the rod integrator 30.
  • the fly-eye lens 10 is more susceptible to the luminance difference on the light emitting surface of the LED element 3 than the rod integrator 30.
  • the integrator optical system 8 is configured by the fly-eye lens 10, an effect of eliminating luminance unevenness can be further ensured.
  • the present invention does not exclude a mode in which a reflection optical system is appropriately disposed between the light source unit 2 and the first optical system 5 to change the traveling direction of light. Moreover, this invention excludes the aspect in which each LED element 3 contained in the light source part 2 is arrange
  • the LED element 3 is described as having the electrode 21 formed on the same surface as the light emitting region 22, but the electrode is formed on the surface opposite to the light emitting region 22. It does not matter as long as it is. Even in this case, luminance distribution may occur in the surface of the light emitting region 22 according to the position of the electrode and the distance from the electrode. Such a luminance distribution is similarly generated for each LED element 3 as long as the LED elements 3 are manufactured with the same design. For this reason, a similar problem occurs when the light emitted from each LED element 3 is collimated and then condensed.
  • the light source unit 2 includes a plurality of LED elements 3 in which electrodes are formed on the surface opposite to the light emitting region 22, the light emitted from the light source unit 2 is converted into the first optical system 5.
  • the light After narrowing the divergence angle without collimating, the light is condensed by the second optical system and incident on the integrator optical system 8 disposed at the focal point 7 f of the second optical system 7. Since the image of the LED element 3 appears on the incident surface in the “out-of-focus” state, an effect of reducing luminance unevenness on the incident surface of the integrator optical system 8 can be obtained.
  • Light source device 2 Light source unit 3: LED element 3a, 3b: Image of LED element 5: First optical system 6: Lens 7: Second optical system 7f: Focus of second optical system 8: Integrator optical system 10: Fly-eye lens 10a: Fly-eye lens entrance surface 10b: Fly-eye lens outer peripheral surface image 11: Optical axis 13: Light incident region 14: Wire 15: Position where LED image is formed 21: Electrode (non-light emitting) region) 21b: Image of electrode (non-light emitting region) 22: Light emitting region 22b: Image of light emitting region 30: Rod integrator 30a: Incident surface 30d of rod integrator 30b: Emitting surface of rod integrator

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

簡易な光学系の構成によって、輝度の低下の抑制と照度ムラの抑制を両立した光源装置を実現する。 光源装置（１）は、複数のＬＥＤ素子（３）を含む光源部（２）と、光源部（２）から射出される光を、コリメートすることなく発散角を狭める第一光学系（５）と、第一光学系（５）から射出された光を集光する第二光学系（７）と、入射面が第二光学系（７）の焦点位置（７ｆ）に配置されたインテグレータ光学系（８）とを備える。

Description

光源装置
　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おり、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。
　下記特許文献１には、複数のＬＥＤ素子から射出された光を平行光にした後、集光し、ロッドインテグレータに入射させた光学系が開示されている。下記特許文献２には、複数のＬＥＤ素子から射出された光をレンズアレイを通すことで、二次光源としての拡大実像を生成した後、当該拡大実像から射出される光を集光レンズを介して被照射面に導く光学系が開示されている。
特開２０１４－２０７３００号公報 特開２００６－１３３６３５号公報
　ＬＥＤ素子は、半導体層に電流を流すことで光を発する素子である。そして、ＬＥＤ素子の発光面には、輝度の高い領域と輝度の低い領域が存在しやすく、場所に応じた輝度ムラが生じやすい。例えば、ＬＥＤ素子の発光面側に、半導体層に対して電流を供給するための電極を配置する構成の場合、電極形成箇所は非発光領域となるため、電極が形成されている箇所と電極が形成されていない箇所とで輝度の分布が不可避的に発生する。また、ＬＥＤ素子の発光面とは反対側の面に、半導体層に対して電流を供給するための電極を配置する構成の場合であっても、電極が配置されている近傍の領域と、前記領域から離れた領域とで電流密度の差が生じ、これに基づいて輝度の分布が生じる場合がある。更に、ＬＥＤ素子の発光面とは反対側の面に、半導体層に対して電流を供給するための電極を配置する構成の場合において、裏面側の電極がそのまま発光面側に映り込むことで、発光面上に輝度の低い領域を形成することも考えられる。
　特許文献１の技術は、各ＬＥＤ素子からの射出光をコリメートした後、集光レンズによって集光し、集光レンズの焦点位置にロッドインテグレータを配置している。このため、ロッドインテグレータの光入射面には、各ＬＥＤ素子からの射出光がほぼ一点に集まるため、高い輝度が実現される。
　しかしながら、ロッドインテグレータの光入射面には、各ＬＥＤ素子の発光面そのものが像として現れる。このため、当該入射面上には、上述した輝度ムラが存在する。ロッドインテグレータ内では、入射された光が反射を繰り返すことで混ぜ合わされるため、ロッドインテグレータの光射出面では、光入射面と比較して照度ムラが抑制されることが期待される。しかし、この効果を十分に実現するためには、反射回数を十分に確保する必要があるところ、比較的大型のロッドインテグレータを配置する必要がある。
　特許文献２の技術は、集光レンズの手前に設けられたレンズアレイによって、各ＬＥＤ素子の拡大実像が配置されることで、実質的に二次光源が生成される。この二次光源は、隣接するＬＥＤ素子同士の間隔よりも狭められた状態で配置されることとなるため、隣接するＬＥＤ素子同士の間隔に起因した非発光領域が存在することによる輝度ムラが緩和されている。そして、集光レンズから射出された光は、発散角に応じて異なる位置に集光されるように形成されるため、照射面上において滑らかな照度分布が実現される。これにより、各ＬＥＤ素子の発光面上に存在していた輝度ムラに起因する照度ムラが緩和されている。
　しかしながら、照射面上の異なる位置に光が集光される光学系であるため、不可避的に、有効照射領域内での平均輝度が当該照射領域内での最高輝度よりも低下する。特許文献２の方法では、この輝度の低下に対する対策を、複数段のレンズアレイを配置することで講じていると考えられるが、光学系が複雑化し、装置規模の拡大と煩雑な光軸調整を招くという課題がある。
　本発明は、上記の課題に鑑み、簡易な光学系の構成によって、輝度の低下の抑制と照度ムラの抑制を両立した光源装置を実現することを目的とする。
　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る光を、コリメートすることなく発散角を狭める第一光学系と、
　前記第一光学系から射出された光を集光する第二光学系と、
　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を備えたことを特徴とする。
　上記の構成によれば、複数のＬＥＤ素子から射出されて、第二光学系に入射される複数の光線は、非平行である。このため、第二光学系の焦点位置において、これらの複数の光線は一点に集光されず、所定の大きさを有した領域内に集光される。この焦点位置にインテグレータ光学系の入射面が配置されているため、インテグレータ光学系の入射面上には、ＬＥＤ素子の像そのものが明確に現れるのではなく、いわゆる「ピンぼけ」の状態で像が現れる。
　上記の構成は、このように意図的にピンぼけの状態でインテグレータ光学系の入射面に光を導いている。このとき、発光領域と電極などで構成される非発光領域とがＬＥＤ素子の発光面上に存在することに伴って生じる輝度ムラについても、ぼやけた状態でインテグレータ光学系の入射面に現れる。これにより、ＬＥＤ素子上で電極が存在していた箇所（非発光領域）から射出された光線が導かれる場所に対応する輝度の低い領域の一部と、発光領域から射出された光線が導かれる場所に対応する輝度の高い領域の一部が、インテグレータ光学系の入射面上で重なり合う。この結果、特許文献１の構成と比較して、インテグレータ光学系の入射面上での輝度ムラが低下し、インテグレータ光学系から射出された光の照射面上での照度ムラが低下する。ここでいう「照射面」とは本発明の光源装置から射出される光を利用することが予定されている領域を意味する。
　また、上記の構成によれば、複数のＬＥＤ素子から射出された光を、単にピンぼけの状態でインテグレータ光学系の入射面に導くのみで実現できるため、特許文献２の構成と比較して極めて簡易な光学系で実現できる。更に、インテグレータ光学系の入射面は、第二光学系の焦点位置であるため、インテグレータ光学系の入射面上に入射される光は高い輝度が担保される。そして、この高い輝度の光が、インテグレータ光学系を介して照射面に射出される。つまり、特許文献２の構成と比較して、高い輝度の光を照射面に導くことができる。
　更に、上記の構成によれば、例えば、第一光学系と第二光学系の距離を調整することで、インテグレータ光学系の入射面に導かれる像のピントを容易に調整することができる。像のピントが合う方向に調整すれば、インテグレータ光学系の入射面上での輝度を高めることができる一方で、前記入射面上での輝度のムラが現れやすくなる。逆に、像のピントがずれる方向に調整すれば、インテグレータ光学系の入射面上での輝度ムラを更に解消させることができる一方で、前記入射面上での輝度が低下する。光源装置から射出される光を利用するアプリケーションの要請に応じて、臨機応変の対応が可能となる。
　前記ＬＥＤ素子は、前記第一光学系に対向する側に、発光面と前記発光面を区切るように設けられた線状の電極とを有し、
　前記ＬＥＤ素子の中心点から射出された光線の最大放射角をθ1、前記光線が前記第二光学系を射出された後の集光角をθ2、前記電極の幅をｄ1、前記光線が前記第二光学系を射出された後に前記焦点位置を横切るときの光軸に直交する長さをＬ1としたときに、Ｌ1の値が下記（１）式を満たすように、前記第一光学系及び前記第二光学系の位置が調整されているものとしても構わない。
　２ｄ１・（θ1／θ2）≦ Ｌ1 ≦５０ｄ1・（θ1／θ2）　　　　‥‥‥（１）
　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ているものとしても構わない。
　本発明の光源装置によれば、簡易な光学系によって、輝度の低下の抑制と照度ムラの抑制を両立させることができる。
光源装置の光学系の一例を模式的に示す図面である。 ＬＥＤ素子の模式的な平面図である。 フライアイレンズに対してＬＥＤ素子のピントが合っている場合の、フライアイレンズの光入射面上の像を模式的に示す図面である。 図３Ａからフライアイレンズの各領域のみを抜き出して示した図面である。 フライアイレンズに対してＬＥＤ素子のピントが合っている場合の、照射面上での像を模式的に示す図面である。 フライアイレンズに対してＬＥＤ素子のピントがずれている場合の、照射面上での像を模式的に示す図面である。 一つのＬＥＤ素子から射出された光線を模式的に示す図面である。 別実施形態の光源装置の光学系を模式的に示す図面である。 別実施形態の光源装置の光学系を模式的に示す図面である。
　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。
　図１は、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とを備える。
　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（ここではＸ－Ｙ平面とする。）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。なお、図１において、光軸１１の方向をＺ方向とする。
　第一光学系５は、複数のＬＥＤ素子３から射出された光をコリメートすることなく発散角を狭める光学系であり、各ＬＥＤ素子３に対応して複数のレンズ６が配置されて構成されている。図１では、各ＬＥＤ素子３に対応して一つのレンズ６が配置される構成が図示されているが、各ＬＥＤ素子３に対応して光軸１１の方向に複数のレンズ６が配置されていても構わない。
　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。
　本実施形態では、インテグレータ光学系８がフライアイレンズ１０によって構成されている。フライアイレンズ１０は、その入射面１０ａ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、すなわちフライアイレンズ１０の入射面１０ａに対して直交する軸としている。
　各ＬＥＤ素子３から射出された光は、第一光学系５、及び第二光学系７を通過して、フライアイレンズ１０の入射面１０ａに向かって進行する。第二光学系７は集光光学系であるため、各光線は第二光学系７の焦点７ｆに向かって進行する。しかし、上述したように、第一光学系５から射出された光線はコリメートされていない。このため、フライアイレンズ１０の入射面１０ａに入射された光は、一点には集光されず、幅を有した領域１３内に集められる。
　このとき、フライアイレンズ１０の入射面１０ａ上には、ＬＥＤ素子３の像がぼやけた状態で現れる。すなわち、ピントが合っていない状態で像が表示される。なお、図１において、フライアイレンズ１０が存在しない場合にＬＥＤ素子３の像が結像する位置を符号１５で表示している。
　図２は、ＬＥＤ素子３を、光取り出し面側、すなわち第一光学系５側からＺ軸方向に見たときの模式的な平面図である。ＬＥＤ素子３は、半導体層で発生した光が取り出される発光領域２２と、半導体層に対して電流を供給するための線状の電極２１とを有する。なお、図２では、電極２１に対して外側から電流を供給するためのワイヤ１４が連結されている。
　電極２１は、例えば、Ｎｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ｃｒ／Ａｕ／Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕなどで構成される。すなわち、電極２１は、ＬＥＤ素子３で生成された光を全く又はほとんど透過しない材料で構成されており、非発光領域を構成する。つまり、ＬＥＤ素子３の発光面は、発光領域２２と、電極２１からなる非発光領域とを有している。
　上述したように、本実施形態の構成によれば、フライアイレンズ１０の入射面１０ａ上には、ピンぼけした状態のＬＥＤ素子３の像が現れる。これにより、電極２１からなる非発光領域の像の一部は、発光領域２２の像の一部と重なり合う。この結果、入射面１０ａ上には輝度ムラが緩和された光が入射される。
　また、フライアイレンズ１０の入射面１０ａは、第二光学系７の焦点位置に配置されている。このため、入射面１０ａには、全てのＬＥＤ素子３から射出された光が、狭い領域１３内に集光され、フライアイレンズ１０に対して高い輝度の光が入射される。これにより、フライアイレンズ１０から射出された光を利用するアプリケーションに対して、高い輝度の光を提供することができる。
　図３Ａ～図３Ｄは、本発明の作用を模式的に示す図面である。図３Ａ～図３Ｃは、フライアイレンズ１０に対してＬＥＤ素子３のピントが合っている場合の、フライアイレンズ１０の光入射面上の像を模式的に示す図面である。フライアイレンズ１０に対してＬＥＤ素子３のピントが合っている場合とは、例えば、図１において、ＬＥＤ素子３から射出された光がコリメートされた後、第二光学系７に入射される場合が対応する。
　図３Ａは、フライアイレンズ１０の入射面上の像を模式的に示す図面であり、図３Ｂは、図３Ａからフライアイレンズ１０の各領域のみを抜き出した図面である。図３Ａ及び図３Ｂには、電極２１の像２１ｂと発光領域２２の像２２ｂが各フライアイレンズ１０の入射面上に現れている様子が模式的に示されている。
　図３Ａ及び図３Ｂに示すように、フライアイレンズ１０に対してＬＥＤ素子３のピントが合っている場合、フライアイレンズ１０から射出された光の照射面上には、図３Ｃに示すように、各ＬＥＤ素子３の像３ｂが重ね合わされて表示される。この結果、照射面上には、電極２１の像２１ｂが重なり合った領域と、発光領域２２の像２２ｂが重なり合った領域とで、輝度の差が現れやすい。図３Ｃにおいて、フライアイレンズ１０の外周部の像を１０ｂで表記している。
　これに対し、本実施形態のように、フライアイレンズ１０に対してＬＥＤ素子３のピントがずれている場合、図３Ｄに示すように、フライアイレンズ１０の外周部の像１０ｂがずれるため、電極２１の像２１ｂ、及び発光領域２２の像２２ｂが、それぞれずれて重ね合わせられる。この結果、図３Ｃの状態と比較して、照射面上における輝度の差が緩和される。
　図４は、一つのＬＥＤ素子３から射出された光線を模式的に示す図面である。図４において、θ1はＬＥＤ素子３の中心点から射出された光線の最大放射角であり、θ2はＬＥＤ素子３の中心点から射出された光線が、第二光学系７から射出された後の集光角である。また、Ｌ1は前記光線が第二光学系７を射出された後、第二光学系７の焦点位置７ｆを横切るときの光軸１１に直交する長さである。
　図２において、ＬＥＤ素子３が備える電極２１の幅をｄ1とすると、下記（１）式を満たすように、第一光学系５及び第二光学系７の位置が調整されているのが好ましい。
　２ｄ１・（θ1／θ2）≦ Ｌ1 ≦５０ｄ1・（θ1／θ2）　　　　‥‥‥（１）
　Ｌ1の値を小さくし過ぎると、フライアイレンズ１０の入射面１０ａ上における輝度は高くなるものの、ＬＥＤ素子３上の発光領域２２と非発光領域を構成する電極２１とが明確に現れてしまう。この結果、入射面１０ａ上での輝度バラツキが顕在化してしまう。他方、Ｌ1の値を大きくし過ぎると、ＬＥＤ素子上３の発光領域２２と電極２１との境界がぼやけることでフライアイレンズ１０の入射面１０ａ上における輝度バラツキが解消するものの、入射面１０ａ上での輝度が低下してしまう。
　非発光領域の大きさは、電極２１の幅に依存する。このため、電極２１の幅が大きいＬＥＤ素子３においては、入射面１０ａ上における輝度バラツキが現れやすい。このような場合には、入射面１０ａ上でのピンぼけの程度を高めることで、輝度バラツキの低下性能を高める。逆に、電極２１の幅が小さいＬＥＤ素子３においては、ピンぼけの程度を低下させ、入射面１０ａ上での輝度を高める。これにより、光を利用するアプリケーションに対して、輝度の低下と照度ムラの双方が抑制された光を提供することができる。
　一例として、θ1＝１２０°、θ2＝３°、ｄ1＝１５μｍとすると、１．２ｍｍ≦Ｌ1≦３０ｍｍとなる。取り得る値として、θ1は６０°以上１５０°以下であり、θ2は１°以上５０°以下であり、ｄ1は５μｍ以上１００μｍ以下である。
　［別実施形態］
　以下、別実施形態について説明する。
　〈１〉上述の実施形態では、ＬＥＤ素子３の像が結像する位置１５が、フライアイレンズ１０の入射面１０ａよりも後段の位置になるように各光学系が配置されているものとして説明した。しかし、図５に示すように、ＬＥＤ素子３の像が結像する位置１５が、フライアイレンズ１０の入射面１０ａよりも前段の位置になるように各光学系が配置されているものとしても構わない。この場合においても、フライアイレンズ１０の入射面１０ａ上の領域１３には、各ＬＥＤ素子３の像がピンぼけの状態で現れる。
　〈２〉上述の実施形態では、インテグレータ光学系８がフライアイレンズ１０で構成されている場合について説明した。しかし、図６に示すように、インテグレータ光学系８がロッドインテグレータ３０で構成されているものとすることもできる。
　ロッドインテグレータ３０は、入射面３０ａ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３０ｂへと導くことで、射出面３０ｂ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。
　ただし、フライアイレンズ１０は、分割された各レンズの像が照射面上で重ね合わせられることで、照度の均一化を図る光学部材であるのに対し、ロッドインテグレータ３０は、発光面からの射出光が、ロッドインテグレータ３０の内部で反射を繰り返すことで照度の均一化を図る光学部材である。このため、ロッドインテグレータ３０と比較してフライアイレンズ１０の方が、ＬＥＤ素子３の発光面上における輝度差の影響を受けやすい。このため、上記実施形態で説明したように、インテグレータ光学系８がフライアイレンズ１０で構成される場合に、輝度ムラを解消する効果をより確保することができる。
　〈３〉本発明は、光源部２と第一光学系５の間に反射光学系を適宜配置して光の進行方向を変更する態様を排除するものではない。また、本発明は、光源部２に含まれる各ＬＥＤ素子３が概ねＸＹ平面上に配置されており、いくつかのＬＥＤ素子３が、Ｚ方向に変位して配置されている態様を排除するものではない。光源部２と第一光学系５の間に反射光学系を適宜配置されており、各ＬＥＤ素子３が概ね配置されている平面がＸＹ平面とは異なる平面である場合についても同様である。
　〈４〉上述の実施形態では、ＬＥＤ素子３は、発光領域２２と同じ側の面に電極２１が形成されているものとして説明したが、発光領域２２とは反対側の面に電極が形成されているものとしても構わない。この場合であっても、電極の位置や、電極からの距離に応じて、発光領域２２の面内に輝度の分布が生じ得る。このような輝度の分布は、ＬＥＤ素子３が同一の設計で製造されている限り、各ＬＥＤ素子３に対して同様に発生する。このため、各ＬＥＤ素子３から射出された光をコリメートした後に集光する場合には、同様の課題が発生する。
　従って、光源部２が、発光領域２２とは反対側の面に電極が形成されているようなＬＥＤ素子３を複数有する場合においても、光源部２から射出された光を、第一光学系５によってコリメートすることなく発散角を狭めた後に、第二光学系によって集光し、第二光学系７の焦点７ｆの位置に配置されたインテグレータ光学系８に入射させることで、インテグレータ光学系８の入射面上に、ＬＥＤ素子３の像が「ピンぼけ」の状態で像が現れるため、インテグレータ光学系８の入射面上での輝度ムラを緩和する効果が得られる。
　　　　１　　　：　　光源装置
　　　　２　　　：　　光源部
　　　　３　　　：　　ＬＥＤ素子
　　　　３ａ，３ｂ　　：　　ＬＥＤ素子の像
　　　　５　　　：　　第一光学系
　　　　６　　　：　　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
　　　１０　　　：　　フライアイレンズ
　　　１０ａ　　：　　フライアイレンズの入射面
　　　１０ｂ　　：　　フライアイレンズの外周面の像
　　　１１　　　：　　光軸
　　　１３　　　：　　光の入射領域
　　　１４　　　：　　ワイヤ
　　　１５　　　：　　ＬＥＤの像が結像する位置
　　　２１　　　：　　電極（非発光領域）
　　　２１ｂ　　：　　電極（非発光領域）の像
　　　２２　　　：　　発光領域
　　　２２ｂ　　：　　発光領域の像
　　　３０　　　：　　ロッドインテグレータ
　　　３０ａ　　：　　ロッドインテグレータの入射面
　　　３０ｂ　　：　　ロッドインテグレータの射出面

Claims (3)

  1. 　複数のＬＥＤ素子を含む光源部と、
    　前記光源部から射出される光を、コリメートすることなく発散角を狭める第一光学系と、
    　前記第一光学系から射出された光を集光する第二光学系と、
    　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を備えたことを特徴とする光源装置。
  2. 　前記ＬＥＤ素子は、前記第一光学系に対向する側に、発光面と前記発光面を区切るように設けられた線状の電極とを有し、
    　前記ＬＥＤ素子の中心点から射出された光線の最大放射角をθ1、前記光線が前記第二光学系を射出された後の集光角をθ2、前記電極の幅をｄ1、前記光線が前記第二光学系を射出された後に前記焦点位置を横切るときの光軸に直交する長さをＬ1としたときに、Ｌ1の値が下記（１）式を満たすように、前記第一光学系及び前記第二光学系の位置が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
    　２ｄ１・（θ1／θ2）≦ Ｌ1 ≦５０ｄ1・（θ1／θ2）　　　　‥‥‥（１）
  3. 　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ていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
PCT/JP2018/021675 2017-06-08 2018-06-06 光源装置 WO2018225774A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017113552A JP7025683B2 (ja) 2017-06-08 2017-06-08 光源装置
JP2017-113552 2017-06-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018225774A1 true WO2018225774A1 (ja) 2018-12-13

Family

ID=64565878

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/021675 WO2018225774A1 (ja) 2017-06-08 2018-06-06 光源装置

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP7025683B2 (ja)
TW (1) TWI718376B (ja)
WO (1) WO2018225774A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4394499A1 (en) * 2022-12-28 2024-07-03 Ushio Denki Kabushiki Kaisha Light source device

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6709405B1 (ja) * 2019-07-03 2020-06-17 フェニックス電機株式会社 光源装置、およびそれを備える照明装置
WO2024038533A1 (ja) * 2022-08-18 2024-02-22 株式会社ニコン 光源ユニット、照明ユニット、露光装置、及び露光方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004039871A (ja) * 2002-07-03 2004-02-05 Hitachi Ltd 照明方法並びに露光方法及びその装置
JP2006332077A (ja) * 2005-05-23 2006-12-07 Nikon Corp 光源ユニット、照明光学装置、露光装置、および露光方法
JP2013191507A (ja) * 2012-03-15 2013-09-26 Iwasaki Electric Co Ltd 光照射装置
JP2014002212A (ja) * 2012-06-15 2014-01-09 Ushio Inc 光照射装置、露光装置
JP2014003086A (ja) * 2012-06-15 2014-01-09 Ushio Inc 光照射装置、露光装置
JP2014186146A (ja) * 2013-03-22 2014-10-02 Ushio Inc 光源装置、露光装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4389543B2 (ja) * 2003-10-08 2009-12-24 セイコーエプソン株式会社 プロジェクタ
JP2006133635A (ja) 2004-11-09 2006-05-25 Olympus Corp 照明光学装置及び光学装置
JP2008524662A (ja) * 2004-12-22 2008-07-10 カール・ツアイス・レーザー・オプティクス・ゲーエムベーハー 線ビームを生成するための光学照射系
US7683300B2 (en) * 2006-10-17 2010-03-23 Asml Netherlands B.V. Using an interferometer as a high speed variable attenuator
JP5429475B2 (ja) * 2009-11-17 2014-02-26 セイコーエプソン株式会社 照明装置およびプロジェクター
JP6199591B2 (ja) * 2013-04-12 2017-09-20 株式会社オーク製作所 光源装置および露光装置
TWI620889B (zh) * 2013-04-15 2018-04-11 Hoya Candeo Optronics Corp Light irradiation device
JP2016075799A (ja) 2014-10-07 2016-05-12 株式会社リコー 光源装置及びこれを備えた画像投射装置
JP6464865B2 (ja) * 2015-03-25 2019-02-06 富士通株式会社 センサシステム、センサ装置、及び情報処理方法
JP6471900B2 (ja) 2015-03-26 2019-02-20 ウシオ電機株式会社 光源装置、露光装置
TWI592609B (zh) * 2015-12-30 2017-07-21 中強光電股份有限公司 照明系統以及投影裝置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004039871A (ja) * 2002-07-03 2004-02-05 Hitachi Ltd 照明方法並びに露光方法及びその装置
JP2006332077A (ja) * 2005-05-23 2006-12-07 Nikon Corp 光源ユニット、照明光学装置、露光装置、および露光方法
JP2013191507A (ja) * 2012-03-15 2013-09-26 Iwasaki Electric Co Ltd 光照射装置
JP2014002212A (ja) * 2012-06-15 2014-01-09 Ushio Inc 光照射装置、露光装置
JP2014003086A (ja) * 2012-06-15 2014-01-09 Ushio Inc 光照射装置、露光装置
JP2014186146A (ja) * 2013-03-22 2014-10-02 Ushio Inc 光源装置、露光装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4394499A1 (en) * 2022-12-28 2024-07-03 Ushio Denki Kabushiki Kaisha Light source device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018205635A (ja) 2018-12-27
TW201903318A (zh) 2019-01-16
JP7025683B2 (ja) 2022-02-25
TWI718376B (zh) 2021-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018225774A1 (ja) 光源装置
US9766442B2 (en) Confocal scanner and confocal microscope
JP6383166B2 (ja) 光照射装置および描画装置
CN111033357A (zh) 平视显示器
US10795250B2 (en) Lighting apparatus and lighting tool for vehicle
JP2020009843A (ja) 光源装置、プロジェクタ
KR101267098B1 (ko) 광원 장치
JP6611019B2 (ja) 光源装置、プロジェクタ
KR20110092215A (ko) 광 조사 장치
JP6172540B2 (ja) 光源装置
JP2006208682A (ja) 照明光学装置及び光学装置
JP6128348B2 (ja) 光源装置、露光装置
JP2010091846A (ja) 投写型表示装置
JP6471900B2 (ja) 光源装置、露光装置
JP6315720B2 (ja) 露光照明装置
WO2017138523A1 (ja) 光源装置
JP2018055875A (ja) 蛍光光源装置
JP7068659B2 (ja) 露光用光源装置
JP2013228725A (ja) 照明装置
JP2023045924A (ja) 光源装置及び投影装置
JP5843905B2 (ja) 照明光学系、露光装置及びデバイス製造方法
KR20240010018A (ko) 조명 광학계 및 노광 장치
TW202032279A (zh) 曝光用光源裝置
JP2018006401A (ja) 蛍光光源装置
JP2006234954A (ja) 照明装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18813656

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18813656

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1