JP2019056914A - 照明装置および照明方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、しかも広い照射面を適切なコリメーション半角で照明可能な照明装置および照明方法を提供する。【解決手段】複数の発光素子と、発光素子に対向する入射面を有するロッドレンズが発光素子毎に設けられたロッドレンズユニットと、ロッドレンズの出射面に対向して配置されるレンズエレメントがロッドレンズ毎に設けられたレンズアレイと、各レンズエレメントから出射された光をコリメートするコリメート光学系と、各発光素子の点灯および消灯を制御して前記コリメート光学系によりコリメートされた光のコリメーション半角を変更させる制御部とを備えている。【選択図】図４

Description

この発明は、複数のＬＥＤ（light emitting diode）などの発光素子を用いて照射面を照明する照明装置および照明方法に関するものである。

半導体素子や液晶基板等を製造するために露光装置が使用されている。この露光装置では、大面積の露光エリアを均一に照明するために、水銀ランプ、集光鏡、フライアイレンズおよび凹面鏡を基本構成とする照明装置が広く用いられている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載された装置では、水銀ランプより発せられた露光光が集光鏡および平面鏡を介してフライアイレンズに入射する。そして、当該フライアイレンズを通過した光が凹面鏡を介して露光照射面に照射される。

特開２０１４−１３３０３号公報

上記照明装置では、光源として水銀ランプが用いられており、照明装置の大型化は避けられず、このことが当該照明装置を装備する露光装置の大型化の主要因の一つとなっていた。そこで、照明装置の小型化が要望されている。

また、照明装置の主要な光学特性のひとつとしてコリメーション半角があり、露光装置による加工精度に応じてコリメーション半角の調整が重要な技術事項となっている。例えばマスクを用いた露光装置では、露光面でのマスクパターンのぼけ量を小さくするためには、コリメーション半角を小さくする必要がある。その一方で、コリメーション半角が小さすぎると、マスクパターンによる回折の影響が大きくなる。したがって、露光対象に応じて適切なコリメーション半角が得られるように調整する技術が望まれている。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、小型で、しかも広い照射面を適切なコリメーション半角で照明可能な照明装置および照明方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、複数の発光素子と、発光素子に対向する入射面を有するロッドレンズが発光素子毎に設けられたロッドレンズユニットと、ロッドレンズの出射面に対向して配置されるレンズエレメントがロッドレンズ毎に設けられたレンズアレイと、各レンズエレメントから出射された光をコリメートするコリメート光学系と、各発光素子の点灯および消灯を制御してコリメート光学系によりコリメートされた光のコリメーション半角を変更させる制御部とを備えることを特徴としている。
また、本発明の他の態様は、複数の発光素子と、発光素子に対向する入射面を有するロッドレンズが発光素子毎に設けられたロッドレンズユニットと、ロッドレンズの出射面に対向して配置されるレンズエレメントがロッドレンズ毎に設けられたレンズアレイと、各レンズエレメントから出射された光をコリメートするコリメート光学系とを有する照明装置において、コリメート光学系によりコリメートされた光で照射面に照明する照明方法であって、各発光素子の点灯および消灯を制御して照射面に照射される光のコリメーション半角を変更させることを特徴としている。

このように構成された発明では、複数の発光素子と、複数のロッドレンズと、複数のレンズエレメントが１対１対１の対応関係で配置されている。ここで、１つの発光素子に着目すると、当該発光素子、当該発光素子に対応するロッドレンズ、および当該ロッドレンズに対応するレンズエレメントによって、当該発光素子から発光された発光光をコリメート光学系に向けて照射する光学要素（以下「単位照射部」という）が構成されている。そして、単位照射部毎に光をコリメート光学系に入射し、単位照射部の個数に相当する数の光がコリメート光学系によりコリメートされる。このように複数の発光素子を光源として用いて広い範囲にわたって照射面を照明することが可能となっており、単一光源（水銀ランプ）を用いた従来装置に比べて装置を小型化することができる。また、単位照射部の配置によってコリメーション半角を変更可能となっており、多様なニーズに応じた照明装置を提供することが可能となる。

ここで、各発光素子の点灯を互いに独立して制御する制御部を備えるように構成してもよく、点灯させる発光素子を選択的に変更することによって単位照射部の配置を実質的に変化させることができる。後で詳述するが、例えば複数の発光素子を二次元マトリックス状に配置するのに対し、中央部に位置する発光素子のみを点灯させることでコリメート光学系に向けて照射する単位照射部は中央部に限定され、コリメーション半角を小さくすることができる。つまり、発光素子の配置を変更することなく、発光素子の点灯／消灯制御によってコリメーション半角を変更可能となっている。

また、上記ロッドレンズユニットでは、複数のロッドレンズが複数の発光素子と複数のレンズエレメントとの間に配設されるが、複数のロッドレンズを複数のグループに区分けしたロッドレンズグループ毎または複数のロッドレンズを一体的に保持するレンズ保持部を設けるのが望ましい。このようにレンズ保持部によりロッドレンズが保持されることで、各単位照射部において発光素子およびレンズエレメントに対するロッドレンズの位置ずれは発生せず、発光素子とロッドレンズの入射面との間、ならびにロッドレンズの出射面とレンズエレメントとの間での光損失を抑えることができる。

さらに、ロッドレンズが、入射面から出射面に向けて断面積が拡大するテーパー形状を有するように構成してもよい。これによって入射面を介してロッドレンズに入ってきた発光光はロッドレンズの内部で複数回反射されながら進行し、輝度ムラの少ない光が出射面から出射されてレンズエレメントに効率的に入射する。その結果、照度および照度分布の向上を図ることができる。

以上のように、本発明によれば、照明装置の小型化を図ることができるとともに、広い照射面を適切なコリメーション半角で照明することが可能となる。

本発明にかかる照明装置の第１実施形態を示す図である。 図１の照明装置で用いる照射ユニットの構成を示す図である。 図２の照射ユニットの一部構成（テーパーロッドレンズユニット）を示す図である。 図１の照明装置におけるコリメーション半角の調整動作を示す図である。 本発明にかかる照明装置の第２実施形態を示す図である。 本発明にかかる照明装置の第３実施形態を示す図である。 本発明にかかる照明装置の第４実施形態を示す図である。 本発明にかかる照明装置の第５実施形態を示す図である。

図１は本発明にかかる照明装置の第１実施形態を示す図である。また、図２は図１の照明装置で用いる照射ユニットの構成を示す図である。さらに、図３は図２の照射ユニットで採用しているテーパーロッドレンズユニットの構成を示す斜視図である。この照明装置１００は、複数の光を照射するＬＥＤ照射ユニット１と、コリメーションミラー２と、ＬＥＤ照射ユニット１でのＬＥＤ点灯を制御するコントローラ３とを備えており、コントローラ３によるＬＥＤ点灯により照射面（露光面）Ｓを均一に照明する機能を有している。

ＬＥＤ照射ユニット１は、複数（本実施形態では４９個）の紫外線ＬＥＤ１１（以下単に「ＬＥＤ１１」という）と、複数（本実施形態では４９本）のテーパーロッドレンズ１２１で構成されるテーパーロッドレンズユニット１２と、入射側フライアイレンズ１３と、出射側フライアイレンズ１４とを備えている。図示を省略しているが、ＬＥＤ１１は７×７の二次元マトリックス状に配置されている（なお、図２では、１つのＬＥＤ列（またはＬＥＤ行）が図示されている）。各ＬＥＤ１１はコントローラ３と電気的に接続されており、コントローラ３のＬＥＤ点灯制御部３１からの指令に応じて独立して点灯および消灯可能となっている。なお、いずれのＬＥＤ１１を点灯させるかについては、後述するようにコリメーション半角や照射面Ｓでの照度などの照明条件に応じてコントローラ３の照明条件設定部３２からＬＥＤ点灯制御部３１に与えられる情報によって決定される。

また、テーパーロッドレンズユニット１２では、４９本のテーパーロッドレンズ１２１が、図３に示すように、ＬＥＤ１１と同様に７×７の二次元マトリックス状で、しかも、それぞれＬＥＤ１１と１対１で対応して配置されている。より詳しくは、各テーパーロッドレンズ１２１は入射面１２１ａから出射面１２１ｂに向けて断面積が拡大するテーパー形状を有している。そして、テーパーロッドレンズ１２１は、図２に示すように、ＬＥＤ１１毎にテーパーロッドレンズ１２１の入射面１２１ａがＬＥＤ１１の発光面１１ａと対向するように配置されるとともに、ＬＥＤ１１の出射面とコンタクトされている。このため、各ＬＥＤ１１において、ＬＥＤ１１の発光光が効率良く入射面１２１ａを介してテーパーロッドレンズ１２１に入射される。また、入射された光はテーパーロッドレンズ１２１の内部で複数回繰り返して反射されながら出射面１２１ｂに進行する。このため、輝度ムラの少ない光が出射面１２１ｂから入射側フライアイレンズ１３に向けて照射される。

この入射側フライアイレンズ１３は４９個のレンズエレメント１３１を有している。これらのレンズエレメント１３１は、ＬＥＤ１１やテーパーロッドレンズ１２１と同様に７×７の二次元マトリックス状で、しかも、それぞれテーパーロッドレンズ１２１と１対１で対応して配置されている。より詳しくは、図２に示すように、テーパーロッドレンズ１２１毎にレンズエレメント１３１がテーパーロッドレンズ１２１の出射面１２１ｂとコンタクトするように配置されている。このようにレンズエレメント１３１とテーパーロッドレンズ１２１の出射面１２１ｂとをコンタクトさせることでテーパーロッドレンズ１２１からレンズエレメント１３１に光を効率的に入射させることができる。

また、本実施形態では、このように構成された入射側フライアイレンズ１３から反ＬＥＤ側（図２の左手側）に離れた位置に出射側フライアイレンズ１４が配置されている。この出射側フライアイレンズ１４も入射側フライアイレンズ１３と同様に４９個のレンズエレメント１４１を有している。そして、図２に示すように、レンズエレメント１４１はレンズエレメント１３１と１対１で対応して設けられている。

このように本実施形態では、１つのＬＥＤ１１からの発光光は、当該ＬＥＤ１１と対応するテーパーロッドレンズ１２１、レンズエレメント１３１、１４１を介してコリメーションミラー２に照射される。これらのＬＥＤ１１、テーパーロッドレンズ１２１、レンズエレメント１３１、１４１によってＬＥＤ１１からの発光光をコリメーションミラー２に向けて照射する光学要素、つまり単位照射部１５（図２参照）が構成されている。すなわち、本実施形態のＬＥＤ照射ユニット１では、４９個の単位照射部１５が７×７の二次元マトリックス状に設けられている。そして、ＬＥＤ１１の点灯により各単位照射部１５から光がコリメーションミラー２に照射され、当該コリメーションミラー２によりコリメートされて照射面Ｓに照射される。

さらに、本実施形態では、上記したようにコントローラ３により点灯させるＬＥＤ１１を選択することでコリメーションミラー２に向けて光を照射する単位照射部１５の個数および配置を変更させることが可能となっており、これによってコリメーション半角を変更可能となっている。この点について、図４を参照しつつ詳述する。

図４は、図１の照明装置におけるコリメーション半角の調整動作を示す図である。同図の右欄に示す図はコリメーションミラー２側からＬＥＤ照射ユニット１を見たときの模式図であり、レンズエレメント１４１のうちハッチングが付されたものは当該レンズエレメント１４１に対応するＬＥＤ１１を消灯していることを示し、それ以外は対応するＬＥＤ１１が点灯されていることを示している。つまり、同図（ａ）は全ＬＥＤ１１を点灯させたときを示し、同図（ｂ）は中央５×５のＬＥＤ１１を点灯させたときを示している。

図４の左欄には、照射面Ｓに照射される光線の一部を２点鎖線で示しているが、これらから明らかなように、ＬＥＤ１１を全部点灯（７×７）から部分点灯（５×５）に変更することでコリメーション半角はコリメーション半角（θａ／２）からコリメーション半角（θｂ／２）への小さくなる。また、図４への図示を省略しているが、中央３×３のＬＥＤ１１のみを点灯させると、コリメーション半角をさらに小さくすることができる。このように点灯しているＬＥＤ１１（単位照射部１５）の配置によってコリメーション半角を変更することができる。また、図４ではコリメーション半角のみを図示しているが、照射面Ｓにおける照度や照度分布についても、ＬＥＤ１１の点灯／消灯制御によって変化させることが可能となっている。

以上のように、本実施形態では、複数の単位照射部１５を二次元配置して照射面Ｓを照明するように構成している。したがって、単一光源（水銀ランプ）を用いた従来装置に比べて照明装置１００の小型化が可能となる。また、ＬＥＤ１１を独立して点灯／消灯制御することでコリメーション半角、照度および照度分布を変更制御することができ、多様なニーズに応じた照明が可能となっている。

このように上記第１実施形態では、ＬＥＤ１１が本発明の「発光素子」の一例に相当している。また、フライアイレンズ１３、１４が本発明の「レンズアレイ」の一例に相当している。また、コリメーションミラー２が本発明の「コリメート光学系」の一例に相当している。また、コントローラ３が本発明の「制御部」として機能している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記第１実施形態では、コリメート光学系としてコリメーションミラー２を用いているが、例えば図５に示すようにコリメーションレンズ４を用いてもよく（第２実施形態）、当該コリメーションレンズ４を用いた照明装置２００においても、第１実施形態にかかる照明装置１００と同様の作用効果が得られる。

また、第１実施形態では、本発明の「レンズアレイ」としてフライアイレンズを用いているが、図６に示すように、ドラムレンズアレイ１６を本発明の「レンズアレイ」として用いてもよい（第３実施形態）。すなわち、この第３実施形態では、ＬＥＤ照射ユニット１は、５×５の合計２５個のＬＥＤ１１と、５×５の合計２５個のテーパーロッドレンズ１２１で構成されるテーパーロッドレンズユニット１２と、５×５の合計２５個のドラムレンズ１６１で構成されるドラムレンズアレイ１６とを備えている。ＬＥＤ１１、テーパーロッドレンズ１２１およびドラムレンズ１６１はいずれも５×５の二次元マトリックス状に配置されており、１つのＬＥＤ１１からの発光光は、当該ＬＥＤ１１と対応するテーパーロッドレンズ１２１、ドラムレンズ１６１を介してコリメーションミラー２やコリメーションレンズ４などのコリメート光学系に照射される。このように第３実施形態では、２５個の単位照射部１５（＝ＬＥＤ１１＋テーパーロッドレンズ１２１＋ドラムレンズ１６１）が５×５の二次元マトリックス状に設けられている。そして、ＬＥＤ１１の点灯により各単位照射部１５から光がコリメート光学系に照射され、当該コリメート光学系によりコリメートされて照射面Ｓに照射される。なお、第３実施形態では、ドラムレンズ１６１が本発明の「レンズエレメント」に相当している。

また、第１実施形態のテーパーロッドレンズユニット１２では、図２に示すように、複数のテーパーロッドレンズ１２１が複数のＬＥＤ１１と複数のレンズエレメント１３１との間に配設される。ここで、テーパーロッドレンズ１２１が設計位置からずれると、ＬＥＤ１１とテーパーロッドレンズ１２１の入射面１２１ａとの間、ならびにテーパーロッドレンズ１２１の出射面１２１ｂとレンズエレメント１３１との間で光損失が発生する。したがって、例えば図７に示すように、７本のテーパーロッドレンズ１２１を１つのロッドレンズグループ１２２とし、ロッドレンズグループ１２２毎にテーパーロッドレンズ１２１をレンズ保持部１２３により一体的に保持してもよい。

図７は本発明にかかる照明装置の第４実施形態を示す図である。同図の左手側はロッドレンズグループ１２２へのレンズ保持部１２３の適用前の状態を模式的に示し、同図の右手側は組立体（＝ロッドレンズグループ１２２にレンズ保持部１２３を適用して組み立てた構造体）を並べて構成したテーパーロッドレンズユニット１２を示している。なお、同図における符号１１１はＬＥＤ１１を７×７の二次元マトリックス状に搭載した光源部を示している。

この第４実施形態では、レンズ保持部１２３に７個の矩形開口１２３ａを設け、各矩形開口１２３ａにテーパーロッドレンズ１２１のＬＥＤ側端部（図７の右手側端部）を挿通し、テーパーロッドレンズ１２１の反ＬＥＤ側端部（図７の左手側端部）をレンズ保持部１２３で保持している。したがって、テーパーロッドレンズユニット１２の組立精度の向上ならびに振動や温度変化などの外乱による位置ずれの防止効果によって上記光損失の発生を効果的に抑制することができる。また、上記実施形態ではテーパーロッドレンズ１２１の入射面１２１ａおよび出射面１２１ｂをそれぞれＬＥＤ１１およびレンズエレメント１３１とコンタクトさせているため、外乱による位置ずれによりコンタクト面に傷が付いてしまう可能性がある。しかしながら、本実施形態では、上記したようにレンズ保持部１２３による位置ずれ防止効果によってコンタクト面が傷付くのを効果的に防止することができる。このようにレンズ保持部１２３を設ける点については、第１実施形態以外の実施形態においても同様である。

テーパーロッドレンズ１２１のＬＥＤ側端部を挿通させるための開口１２３ａの形状は矩形に限定されるものではなく、テーパーロッドレンズ１２１の反ＬＥＤ側端部を保持できる形状であれば任意であり、例えば図８に示すように丸形状であってもよい（第５実施形態）。また、第４実施形態や第５実施形態では、複数のロッドレンズグループ１２２に区分けし、ロッドレンズグループ１２２毎にテーパーロッドレンズ１２１をレンズ保持部１２３で一体的に保持しているが、全テーパーロッドレンズ１２１を１つのレンズ保持部で一体的に保持するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、コントローラ３によって各ＬＥＤ１１を独立して点灯／消灯制御することでコリメーション半角を変更可能としているが、複数のＬＥＤ１１を独立して制御することは本発明の必須要件ではなく、任意要件である。例えば照明装置１００、２００の仕様（コリメーション半角を含む）が予め決まっている場合には、上記コリメーション半角に応じて単位照射部１５の数や配置を設定すればよく、本発明によれば、種々のニーズに対応した照明装置を提供することが可能である。

また、上記実施形態では、紫外線ＬＥＤ１１を発光素子として用いているが、発光素子の種類はこれに限定されるものではなく、例えば紫外線以外のＬＥＤを発光素子として用いてもよい。

また、上記実施形態では、本発明の「ロッドレンズ」としてテーパーロッドレンズ１２１を用いているが、その他の形状のロッドレンズを用いてもよい。また、テーパーロッドレンズ１２１の入射面１２１ａおよび出射面１２１ｂをそれぞれＬＥＤ１１およびレンズエレメント１３１とコンタクトさせているが、コンタクトさせることは必須事項ではなく、任意である。つまり、テーパーロッドレンズ１２１の入射面１２１ａとＬＥＤ１１との間、および／またはテーパーロッドレンズ１２１の出射面１２１ｂとレンズエレメント１３１との間に隙間を設けて傷が付くのを防止してもよい。ただし、光損失を抑制するためには、上記隙間のサイズを可能な限り小さくするのが望ましく、第４実施形態や第５実施形態と同様にレンズ保持部１２３を用いてテーパーロッドレンズ１２１をＬＥＤ１１およびレンズエレメント１３１に対して精密に位置決めするのが好適である。

また、上記実施形態では、ＬＥＤ１１などの発光素子を二次元マトリックス状に配置しているが、発光素子の配置パターンはこれに限定されるものではなく、任意である。

さらに、本発明にかかる照明装置および照明方法の適用対象は、露光装置に限定されるものではなく、光学検査用の照明装置や照明方法などが含まれる。

この発明は、複数の発光素子を用いて照射面を照明する照明技術全般に適用することができる。

１…ＬＥＤ照射ユニット
２…コリメーションミラー（コリメート光学系）
３…コントローラ（制御部）
４…コリメーションレンズ（コリメート光学系）
１１…ＬＥＤ（発光素子）
１２…テーパーロッドレンズユニット
１３、１４…フライアイレンズ（レンズアレイ）
１６…ドラムレンズアレイ（レンズアレイ）
１２１…テーパーロッドレンズ
１２１ａ…（テーパーロッドレンズの）入射面
１２１ｂ…（テーパーロッドレンズの）出射面
１２３…レンズ保持部
１３１、１４１…レンズエレメント
１６１…ドラムレンズ（レンズエレメント）

Claims (2)

1. 複数の発光素子と、
   前記発光素子に対向する入射面を有するロッドレンズが前記発光素子毎に設けられたロッドレンズユニットと、
   前記ロッドレンズの出射面に対向して配置されるレンズエレメントが前記ロッドレンズ毎に設けられたレンズアレイと、
   各レンズエレメントから出射された光をコリメートするコリメート光学系と、
   各発光素子の点灯および消灯を制御して前記コリメート光学系によりコリメートされた光のコリメーション半角を変更させる制御部と
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 複数の発光素子と、前記発光素子に対向する入射面を有するロッドレンズが前記発光素子毎に設けられたロッドレンズユニットと、前記ロッドレンズの出射面に対向して配置されるレンズエレメントが前記ロッドレンズ毎に設けられたレンズアレイと、各レンズエレメントから出射された光をコリメートするコリメート光学系とを有する照明装置において、前記コリメート光学系によりコリメートされた光で照射面に照明する照明方法であって、
   各発光素子の点灯および消灯を制御して前記照射面に照射される光のコリメーション半角を変更させることを特徴とする照明方法。

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