JP6746934B2 - 光源装置 - Google Patents

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。

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。

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。

特開２００４−３３５９５３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 露光装置の構成の一例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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

［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。

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。

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

〈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。

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。

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。

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。

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。

〈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。

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

Claims (6)

1. 複数のＬＥＤ素子が平面上に配置された光源部と、
   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。
2. 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ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 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ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
4. 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ことを特徴とする請求項２又は３に記載の光源装置。
5. 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ていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 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１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
   

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