JP2011049513A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光管内で大きな立体角でビームを集光させることを可能とし、発光管の壁にエネルギー密度の高いビームが当たるのを防ぐこと。
【解決手段】発光管１は凸型のメニスカス構造となっており集光手段３１として機能する。レーザ発振部２から放射されるレーザビームは、集光手段３１により発光管１の内部で立体角が大きくなるように集光される。これにより高温プラズマ状態が形成され、発光管が発光する。発光管１の壁自体を集光手段としているので集光するときの立体角を大きくすることができ、また、発光管１の壁に集光されたビームが照射されず、発光管の加熱や破損を防止することができる。集光手段としては、凸レンズ、ロッドレンズなど光を集光できる形状であればその他のもの用いることができ、また、集光手段を複数設けてもよい。さらに、集光手段を発光管の内面に取り付けても同様の効果を得ることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザ装置から放射されるレーザビームによって点灯される、露光装置等に適用するに好適な光源装置に関する。

レーザ装置からのレーザビームを発光ガスを封入した発光管に照射して、ガスを励起させて発光させるようにした光源装置が知られている（特許文献１参照）
特許文献１に開示されるものは、連続あるいはパルス状のレーザ光を発振するレーザ発振器からのビームを、レンズなどの集光用光学系部品で集光させて発光ガス（発光元素）を封入した発光管に照射し、発光管内の発光ガスを励起させて発光させるものである。

特開昭６１−１９３３５８号公報

特許文献１に示されるように、発光元素を封入した発光管にレーザビームを照射し、発光管の内部に高温プラズマ状態を生じさせることで、発光管を発光させることができる。 発光管の内部に生じる高温プラズマ状態は、ビームのエネルギー密度が発光元素を電離する閾値以上であり、且つ、電離された発光元素が高密度であることで生じる。
このため、集光用光学系部品によってビームを集光することで、ビームのエネルギー密度を高め、発光元素を電離させる閾値以上にすることが必要である。
そこで、図１３に示すように集光用の光学系部品（集光手段）３を用い、発光管１内でレーザビームを集光させるなどして、ビームのエネルギー密度を大きくすることが考えられる。

このとき、ビームの立体角が小さいと、エネルギー密度が閾値以上である領域が、ビームの光路方向に広がってしまい、電離された領域が細長くなり輝度が低くなってしまうことがある。輝度が低いということは、エネルギー密度が低いことを意味し、発光元素が高密度ではなくなってしまって、高温プラズマ状態が生じにくいことがあった。
ビームの立体角を大きくするには、図１３に示すように集光用光学系部品を発光管の外径より大きくし、発光管の近くに配置することが考えられるが、集光用光学系部品を大きく、立体角が大きくなるように集光すると、集光した光路上に存在する発光管の壁にエネルギー密度の高いビームを当ててしまうこととなり、壁が加熱され、白濁や破裂のような破損が生じる問題がある。
また、発光管の近くには、集光鏡等の光学部品等が配置される場合が多く、発光管の近くに径の大きな集光用光学部材を配置することは、難しい場合が多い。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、発光元素を封入した発光管にレーザビームを照射して発光させる光源装置において、発光管の周辺に径の大きな集光手段を配置することなく、大きな立体角でビームを集光させて、発光管を効果的に点灯させることができ、また、発光管の壁にエネルギー密度の高いビームが当たることで発光管が白濁したり破損するのを防ぐことができる光源装置を提供することである。

集光するレーザビームの立体角を大きくするためには、集光手段をできるだけ集光点の近くに配置するのが望ましい。また、集光したエネルギー密度の高いビームが発光管の管壁に当たらないようにすれば、発光管の白濁、破損などを防ぐことができる。
そこで、本発明では発光管の管壁の一部を集光手段として機能させるか、発光管の内側に発光管の内面から離間させて集光手段を設けた。
これにより、発光管の外部に集光手段を設ける場合に比べ、集光点の近くに集光手段を配置することができ、集光点における立体角を大きくすることができる。また、集光したエネルギー密度の大きなビームが、発光管の管壁に当たることがなく発光管の白濁、破損などを防ぐことができる。
以上に基づき、本発明においては、次のようにして前記課題を解決する。
（１）発光元素を封入した発光管と、該発光管に向かってレーザビームを放射するレーザ発振部とを備え、レーザビームにより発光管の内部に高温プラズマ状態を生じさせることにより発光管を発光させる光源装置において、該発光管の管壁の一部を集光手段として機能させるか、発光管の内側に内面から離間させて集光手段を設ける。
（２）上記（１）において、前記発光管の管壁の一部を集光手段として機能させるため、前記発光管の外面の曲率半径を小さくし、且つその内面の曲率半径を大きくしたメニスカス構造とする。
（３）上記（１）において、前記発光管の管壁の一部を集光手段として機能させるため、前記発光管の外面を曲面とし、且つその内面を平面とした平凸構造とする。
（４）上記（１）において、前記発光管の内面に設けた集光手段を、発光管の内面から離間して設ける。
（５）上記（１）（２）（３）（４）において、集光手段を複数設ける。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）発光管の管壁の一部を集光手段として機能させるか、発光管の内側に内面から離間させて集光手段を設けたので、発光管の周辺に径の大きな集光手段を配置することなく、大きな立体角でビームを集光させることができ、エネルギー密度が閾値以上の領域を小さくすることができ、効果的に高温プラズマ状態を形成することができる。このため、発光管を効果的に点灯させることができる。
特に、発光管の内側に内面から離間させて集光手段を設けることで、集光点と集光手段の距離を発光管の半径より短くすることができ、集光点における立体角を一層大きくすることができる。
また、発光管の壁に、集光手段により集光されたエネルギー密度の高いビームが当たることがないので、発光管が白濁したり、発光管が加熱されることにより破損するのを防ぐことができる。
（２）発光管の外面の曲率半径を小さくし、且つその内面の曲率半径を大きくしたメニスカス構造としたり、発光管の外面を曲面とし、且つその内面を平面とした平凸構造とすることで、発光管の管壁の一部を集光手段として機能させることができる。このため、集光された光が発光管の管壁に照射されることを防ぎ、管が加熱されて破損するのを防止することができる。
（３）集光手段を複数設けることで、発光管に複数のビームを入射させて集光させることができる。このため、例えば、パルス状のレーザビームを発光管に入射して、高温プラズマ状態を形成させるとともに、連続波のレーザビームを発光管に入射させて高温プラズマ状態を維持させる等、複数のレーザビームを入射させて点灯を安定に維持させるなど、効果的に発光管を点灯させることができる。
また、一方の集光手段で発光管に入射するビームを集光させ、発光管を透過して出射するレーザビームを他方の集光手段で集光させることができるので、発光管の透過光を例えばビームダンパーで処理する等、透過光の処理が容易となる。

本発明に係る光源装置を露光装置に適用した場合の構成例を示す図である。 本発明に係る光源装置の第１の実施例を示す図である。 集光手段の位置と立体角の関係を説明する図である。 本発明に係る光源装置の第２の実施例を示す図である。 第２の実施例において、集光手段としてロッドレンズを用いた場合を示す図である。 本発明に係る光源装置の第３の実施例を示す図である。 本発明に係る光源装置の第４の実施例を示す図である。 本発明に係る光源装置の第５の実施例を示す図である。 パルス状のビームと連続波のビームを集光手段を介して発光管に入射させ発光管を点灯させる場合の構成例を示す図である。 本発明に係る光源装置の第６の実施例を示す図である。 第６の実施例において、集光手段としてロッドレンズを用いた場合を示す図である。 本発明に係る光源装置の第７の実施例を示す図である。 発光管内でレーザビームを集光させビームのエネルギー密度を大きくする場合を説明する図である。

図１は本発明に係る光源装置を、その用途の１例である露光装置に適用した場合の構成例を示す図、図２は本発明に係る光源装置の第１の実施例を示す図である。
まず、図１により本発明の光源装置を備えた露光装置について説明する。
露光装置は、光を出射する光源装置１０を備える。この光源装置１０は、図２を用いて詳述するので、ここでは簡単に説明する。
光源装置１０は、レーザ発振部２と、該レーザ発振部２からのビームが入射する発光管１とを備える。
レーザ発振部２から発光管１までのビームの光路上にはメカニカルシャッタ７とミラー８が設けられ、シャッタ７を開閉することでビームの出射・不出射を制御する。
発光管１は、回転楕円の反射面を有するミラー１１ａに略取り囲まれる。ミラー１１ａには、レーザ発振部２からの光を入射する一方の貫通孔１１１と、発光管１を通過した光を出射する他方の貫通孔１１２とを有する。ミラー１１ａと発光管１は、ランプハウス１１に収納される。

本実施例において、発光管１の管壁の一部は、集光手段として機能するように構成され、ミラー１１ａの一方の貫通孔１１１から発光管１に入射するビームは、この集光手段３で集光され、発光管１の略中心付近にエネルギー密度の高い領域を形成する。
ランプハウス１１には、集光ミラー１１ａの他方の貫通孔１１２から出射された光を集光する集光手段１１ｂが設けられ、ランプハウス１１の外部には、集光手段１１ｂからの光が入射し、入射光を減衰させ、ランプハウス内に戻さないようにするビームダンパー１２ａが配置される。
発光管１にレーザ発振部２からのビームが入射されることで、発光管内部の発光ガスが励起されて、励起光が生じる。この励起光は、ミラー１１ａで集光されて、図１においては紙面下方に向かって出射され、ダイクロイックミラー１３に届く。ダイクロイックミラー１３は露光に必要な波長の光を反射し、それ以外の光を透過させる。ダイクロイックミラー１３の背面には、ビームダンパー１２ｂが配置され、ダイクロイックミラー１３を透過した光は、ここで集光され終端する。

ダイクロイックミラー１３で反射された光は、集光ミラー１１ａでの集光により焦点を結び、この焦点位置に配置されたフィルタ１４のアパーチャ部１４ａを通過する。このとき、光はアパーチャ部１４ａの形状に成形される。
アパーチャ部１４ａを通過した光は、広がりながら進み途中に配置された集光手段１５ａによって集光され、略平行な光となる。
この光がインテグレータレンズ１６に入射され、出射側に配置された集光手段１５ｂによって集光される。インテグレータレンズ１６の各セルレンズから出射された光が、集光手段１５ｂによって集光されることで、短い距離で重畳されて、照度の均一化が図られる。
集光手段１５ｂから出射された光は、重畳しつつ、ミラー１７で反射されてコリメータレンズ１８に入射される。コリメータレンズ１８から出射された光は、平行光にされて、マスク１９を通り、シリコンウエハなどの被照射物Ｗを照射する。このように、光源装置からの光は、被照射物Ｗを照射し処理する。

次に、図２を用いて、本発明の第１の実施例に係る光源装置について説明する。
図２の光源装置は、支持体１ａに支持された発光管１と、該発光管１に向かってビームを出射するレーザ発振部２とを備える。
発光管１は、レーザ発振部２からのビームを透過し、且つ、発光ガスの励起光を透過する部材（例えば石英ガラス）で構成される。
発光管１は、その外面形状は楕円形状であり、その内面形状は例えば球状である。
これにより、発光管１の壁は、発光管１の外面の曲率半径は小さく、その内面の曲率半径は大きくなった凸型のメニスカス構造となっており、これが集光手段３１として機能する。
この凸型のメニスカス構造（集光手段３１）に向かって、レーザ発振部２からビームが出力され、このビームは凸型のメニスカス構造によって、集光される。

図３に示すように、発光管１の壁の外に、発光管１の外径と同等程度の集光手段３がある場合は、この集光手段３を発光管１の壁に近づけるにつれて、発光管の内部での立体角が大きくなる。
本実施例では、発光管１の壁自体を集光手段にすることで、発光管１の内部での立体角を、発光管１の外部に集光手段３があるときより大きくしている。
なお、発光管１の外部に発光管１より外径の大きな集光手段を設ければ、発光管１の壁自体を集光手段にする場合より、立体角を大きくすることは可能である。しかし、前述したように、発光管の近くには集光鏡等の光学部品等が配置される場合が多く、発光管の近くに大きな径の集光手段を配置するのは困難な場合が多い。
本実施例では、発光管の壁自体を凸型のメニスカス構造にすることで、この凸型のメニスカス構造が集光手段３１として機能し、発光管の内部での立体角を大きくすることができる。

図２において、レーザ発振部２から放射されるレーザビームは、発光管１の内部の中心部付近において、立体角が大きくなるように集光され、これによりそのエネルギー密度が向上する。
ビームのエネルギー密度が閾値以上になった領域では、発光管１の内部に封入された発光元素が電離される。これにより発光管の内部に高温プラズマ状態を生じさせ、発光管を発光させる。
本実施例では、発光管１の外部にある集光手段の立体角に比べて相対的に大きな立体角で集光させており、発光元素を電離できる閾値以上のエネルギー密度のビーム領域を小さくすることができる。このため、電離された発光元素を高密度にすることができ、高温プラズマ状態が形成され、点灯が開始される。
ここで、本発明において発光管内での集光位置は、発光管の中心部付近とすることが望ましい。これは以下の理由による。
発光管１（石英管）の内部でプラズマが発光している場合には、発光しているプラズマの温度が数千度になっており、発光管１の管壁までの距離によって石英がプラズマによって加熱される。加熱された石英の温度が高くなると、石英が溶融して白濁などがおこり、加圧された気体により破壊に到る。
プラズマから石英までの距離が同じようにしてあれば、発光管の内面は一様に加熱されるが、プラズマが発光管の内部で偏芯しているとプラズマからの距離が近い部分ができ、白濁などが起こって破壊に到ることが考えられる。
なお、白濁の起こらない距離は、実験などにより決められるが、プラズマが発光管の中心付近にあれば、発光管の内面は一様に加熱されるので、管の内径を白濁が起こらない程度の大きさとすることにより、白濁などによる管の破壊を防ぐことができる。

本実施例のメニスカス構造の発光管は、例えば、次のように製造することができる。
（１）メニスカス構造の製造方法１
最初にパイプ状の石英管の中心を加熱しながら、両側から押して中心に石英を集めてから、パイプの内部を加圧しつつ加熱して膨らませる。このとき、パイプ内部では均一に膨らもうとするので球状の内面が形成される。
この「加熱」、「中心に石英を集める」、「加圧」を何回か繰り返しながら中心が球状のものを作り、球状に膨らんだ外面に、プレス成形用の型を押圧して、球状の内面より曲率半径の小さな外面形状を形成する。最後に、両端を加熱、溶融して閉じて球状の中空の石英管、すなわちメニスカス構造を備える発光管が形成される。
（２）メニスカス構造の製造方法２
棒状の石英の内部と外部を半球状に削り取り、外面の曲率半径が内面よりも小さくなるメニスカス構造を備えるようにし、同じものを２個作って球状の部分を張り合わせて加熱溶融して一体にする。

以上のように、本実施例では、発光管１の壁自体を集光手段として機能させ、発光管１の内部でビームを集光させているので、発光管１の壁に集光されたビームが照射されず、加熱・破損することを防止できる。
さらに、発光管１の内部でビームを集光し、且つ、そのビーム立体角を大きくすることで、ビームは、発光管の内部で発光元素を電離できる閾値以上にでき、且つ、その閾値以上の領域を小さくすることができる。これにより、発光管の内部で高温プラズマ状態を形成でき、点灯開始を良好に行なうことができる。
上述のように、本実施例の光源装置は、発光管の破損を防止でき、且つ、点灯開始を良好に行なうことができるので、この光源装置を備える装置（例えば、図１に示す露光装置）においては、継続的に、且つ、点灯開始を良好に行なうことができるので速やかに、被照射物を照射することができる。
また、本実施例の発光管は、凸型のメニスカス構造であり、紙面の左右の両側が集光手段を形成している。このため、前記図１における集光手段１１ｂの代わりに、発光管１に形成されている集光手段を用いて、発光管１から出る光をビームダンパ１２ａに向けて集光させることができる（このことについては後述する）。

なお、本実施例に係る光源装置は、図１で示した露光装置の光源としての用途に用いることもできるし、発光管内の発光元素を変更すれば、発光管からの出射光を様々な波長の光に変更することができ、例えば可視光光源である映写機（プロジェクタ）用の光源としても用いることができる。これは、従来知られている発光管の内部に一対の電極を対向配置させた、いわゆるランプと呼ばれる光源が、様々な用途で使用されているが、本発明に係る光源装置は、このランプの代替手段として用いることができ、ランプと同様の様々な用途に用いることができる。
なお、発光管の内面形状は球状としたが、発光管の外面に凸型のメニスカス構造が形成できればよいので、その内面形状が楕円体であってもかまわない。

以下に、上記第１の実施例における数値例及び部材例を示す。
・発光管の部材：石英ガラス
・発光管の外径：２０ｍｍ
・発光管の内径：１６ｍｍ
・発光管内に封入した発光元素：Ｘｅ，水銀
・キセノンガスの封入圧又は封入量：１０気圧、１ｍｇ
・レーザ発振部のレーザ結晶：ＹＡＧ結晶
・ビームの波長：１０６４ｎｍ

第２の実施例について、図４を用いて説明する。
図４の光源装置は、発光管１と、該発光管１に向かってビームを出射するレーザ発振部２とを備える。
本実施例の発光管１は、凸型のメニスカス構造の壁に換えて、平凸レンズを用いている。発光管１は、レーザ発振部２からのビームを透過し、且つ、発光ガスの励起光を透過する部材（例えば石英ガラス）で構成される。
図４（ａ）は、一部を切り取った球状部材に集光手段として機能させる平凸レンズ３２を加熱・溶着させることで接合させた場合を示す。
図４（ｂ）は円筒状の発光管を形成し、その端部を切り取って、その切り取った部分に集光手段として平凸レンズを加熱・溶着させることで接合させた場合を示す。
（ａ）（ｂ）のいずれも、接合された平凸レンズは、その平面部分が発光管１の内面となり、その凸面が発光管の外面となる。

図４（ａ）（ｂ）に示した平凸レンズ３２には、レーザ発振部２からのビームが照射され、このビームは、発光管１の内部において、立体角が大きくなるように集光され、これによりそのエネルギー密度が向上する。
ビームのエネルギー密度が閾値以上になった領域では、発光管１の内部に封入された発光元素が電離され、高温プラズマ状態が形成され、点灯が開始される。
本実施例においても、前記したように、発光管１の壁自体を集光手段として機能させ、発光管１の内部でビームを集光させているので、発光管１の壁に集光されたビームが照射されず、加熱・破損することを防止できる。
また、発光管１の内部でビームを集光し、且つ、そのビームの立体角を大きくしているので、発光管の内部で高温プラズマ状態を形成でき、点灯開始を良好に行なうことができる。
上記実施例において、発光管の壁に形成する集光手段は、平凸レンズに限定されるものではなく、例えば図５（ａ）及び（ｂ）に示すようにロッドレンズ３３を用いることもできる。
ビームは集光手段に入射される場合、一部（例えばビームエネルギーの数％）が集光手段に反射されることがある。図５（ａ）に示すように、ロッドレンズ３３の平面が発光管１の外方側に位置する場合、発光管１内の高温プラズマ状態から放射される熱が伝熱されにくい位置に、ロッドレンズ３３の平面を配置することができる。これにより、ロッドレンズ３３には、平面にＡＲコート（いわゆるＡｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｃａｏｔのこと）を設けても、ＡＲコートが高温プラズマ状態の熱で蒸発することを防止でき、このＡＲコートによって、平面に入射されるビームが反射されることを抑制できる。

第３の実施例について、図６を用いて説明する。
支持体１ａにより支持された発光管１と、該発光管１に向かってビームを出射するレーザ発振部２とを備える。
本実施例の発光管１は、外面も内面も略球状である。その内面には、棒状の固定部６によって固定された集光手段３４が設けられる。この集光手段３４は、発光管１の中心に向かって集光させる機能を有する集光手段を用いることができ、例えば同図に示すように凸レンズを用いることができる。
図６において、集光手段３４が設けられた発光管１の壁の外面に、レーザ発振部２からのビームが入射され、発光管１の壁を透過したビームが集光手段３４に入射する。
このビームは、集光手段３４により立体角が大きくなるように集光され、エネルギー密度が向上する。

ビームのエネルギー密度が閾値以上になった領域では、発光管１の内部に封入された発光元素が電離され、高温プラズマ状態が形成され、点灯が開始される。
本実施例においては、集光手段を発光管１の内部に設け、内部でビームを集光させているので、発光管１の壁に集光されたビームが照射されず、加熱・破損することを防止できる。
また、発光管１の内部でビームを集光し、且つ、そのビーム立体角を大きくしているので、発光管の内部で高温プラズマ状態を形成でき、点灯開始を良好に行なうことができる。特に、集光手段３４を発光管１の内部に設けているので、前記した実施例１，２のように発光管１の壁を集光手段として機能させる場合より、さらに立体角を大きくすることができる。
上記内面に集光手段を有する発光管は、例えば、棒状の石英の内部と外部を半球状に削り取ったもの２個用意し、一方の内部に集光レンズを加熱・溶着させ、この２つの半球状の部材を張り合わせて球状として、加熱溶融することで作成することができる。

以上説明した実施例では、集光手段を一つ設けた場合について説明したが、集光手段を複数設けることにより、さらに大きな立体角でビームを集光させることができる。具体的には、発光管に集光手段を設けた上で、発光管の外部又は内部に集光レンズを設ける。
図７は上記のように集光手段を複数設けた本発明の第４の実施例を示す図である。
図７（ａ）は前記図４（ａ）に示したように発光管１に集光手段３２を設けた上で、さらに発光管の外方に集光レンズ３７を設けた場合の構成例を示し、図７（ｂ）は、前記図４（ａ）に示したように発光管１に集光手段３２を設けた上で、発光管１の内部に前記図６に示したように、集光レンズ３８を設けた場合の構成例を示す。
図７（ａ）の場合、発光管１に設けた集光手段３２に向かって集光する発光管１の外方に設けられた集光レンズ３７を備えており、この集光レンズ３７は、集光位置が集光手段３２より紙面右側の位置（集光手段３２より発光管１の内部側）になるような焦点距離を有している。
従って、レーザ発振部２からのビームは、集光レンズ３７によって集光されて集光手段３２に入射されるものの、焦点を結ぶ前に集光手段３２に入射することになり、集光手段３２よってさらに集光されて発光管１の内部で焦点を結ぶ。

図７（ｃ）に示すように、集光手段３２だけで集光した場合では、その立体角がθ１になるが、図７（ｄ）に示すように、集光手段３２が同図（ａ）で示した集光手段と同じ焦点距離を有していても、集光手段３２に入射される前に集光レンズ３７によって集光されることでθ１より立体角が大きいθ２で集光させることができる。
すなわち、従って、図７（ａ）に示すように、集光手段３２の外方に集光レンズ３７を配置することで、集光手段３２だけの場合に比べて立体角を大きくすることができる。
また、図７（ａ）の例では、集光レンズ３７と集光手段３２によって集光しており、集光レンズ３７で集光された光が発光管１の集光手段に入射するが、図１３に示したように、集光レンズだけで集光して発光管に入射しているわけではないので、発光管１は、図１３の場合のように加熱されることがなく、発光管１が集光光によって破損するということが抑制される。さらに、図１３に示したように径の大きな集光レンズを発光管１の外部に設ける必要もない。

図７（ｂ）の場合、集光手段３２を設けた発光管１と、発光管１の内部に設けられ、且つ、集光手段３２からの光を集光する集光レンズ３８を備えている。
この例でも図７（ａ）の場合と同様に、レーザ発振部２からのビームが、集光手段３２と集光レンズ３８によって集光されるので、立体角を大きくすることができる。
さらに、図７（ｂ）の例では、図７（ａ）とは異なり、発光管１の外部に設けられた集光レンズにより集光された集光光が集光手段３２に入射する訳ではないので、集光レンズ３８に集光光が入射するものの、発光管が直接加熱されるわけではなく、破損するといった問題を小さくすることができる。
また、第３の実施例と同様、集光レンズ３８を発光管１の内部に設けているので、集光レンズ３８と集光点との距離は小さくなり、さらに立体角を大きくすることができる。
なお、集光レンズ３８は集光手段３２に固定部６を介して固定されているが、集光レンズ３８は、集光手段３２からの集光光を受ける位置であれば良いので、この固定部６は、集光手段３２以外の部分に設けてもよい。
以上のように、本実施例によれば、集光手段を複数設けたので、前記した実施例より、さらに大きな立体角で集光することができる。また、集光手段を複数設けているので、集光手段による集光程度は、図１３に示した集光手段に比べて小さい。このため、２番目に配置された集光手段３２（図７（ａ））、あるいは集光レンズ３８（図７（ｂ））の加熱は抑制される。

次に第５の実施例について、図８を用いて説明する。
図８の光源装置は、支持体１ａにより支持された発光管１と、ライトガイド５と、発光管１に向かってビームを出射するレーザ発振部２とを備える。
本実施例の発光管１は、その外面にライトガイド５が設けられ、このライトガイド５が設けられた発光管１の内面側にコリメータレンズ４が配置され、このコリメータレンズ４に続いて発光管の内方に集光手段３４（凸レンズ）が配置される。
図８において、レーザ発振部２からのビームは、ライトガイド５に沿って発光管１の内面に向かって導光され、発光管１の内面から発光管１の内部に出射されるときに、発光管１の屈折率と発光管１の内部空間の屈折率の差によって、ビームが広がる。この広がったビームをコリメータレンズ４によって略平行な光とし、集光手段３４によって集光され、エネルギー密度が向上する。

ビームのエネルギー密度が閾値以上になった領域では、発光管１の内部に封入された発光元素が電離され、高温プラズマ状態が形成され、点灯が開始される。
本実施例においては、集光手段を発光管１の内部に設け、内部でビームを集光させているので、前記第３の実施例同様、発光管１の壁に集光されたビームが照射されず、加熱・破損することを防止できる。
また、発光管１の内部でビームを集光し、且つ、そのビーム立体角を大きくしているので、発光管の内部で高温プラズマ状態を形成でき、点灯開始を良好に行なうことができる。特に、集光手段３４を発光管１の内部に設けているので、前記した実施例１，２のように発光管１の壁を集光手段として機能させる場合より、さらに立体角を大きくすることができる。
なお、図８のコリメータレンズと集光レンズとに換えて、コリメータレンズの機能と集光レンズの機能とを兼ねた回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）を用いることもできる。

以上説明した第１〜５の実施例は、基本的に発光管に設ける集光手段が一つの場合であったが、発光管に入射するビームの数が複数の場合、あるいは、発光管にビームを集光させて入射させるとともに発光管から出射するビームを集光させたい場合があり、このような場合には、発光管に複数の集光手段を設けることが考えられる。以下、発光管に複数の集光手段を設ける場合について説明する。

例えば以下のような場合に、発光管に複数の集光手段を設けることが考えられる。
（１）発光管に複数のビームを入射させる場合
前記特許文献１に記載されるように、発光管を点灯させるには、封入ガスの放電励起に十分な強度の連続またはパルス状のレーザ光を入射させる必要があると考えられるが、連続のレーザ光、あるいはパルス状のレーザ光のいずれか一方のみを発光管に入射させると、以下のイ）及びロ）の問題が生ずる可能性がある。
（イ）パルス状のレーザ光の場合、「封入ガスの放電励起に十分な強度のパルス状のレーザ光を入射させることで点灯は開始されるが、封入ガスに断続的にレーザ光が入射されるので、高温プラズマ状態が断ち切れ、定常点灯時に、高温プラズマ状態を維持することが困難となることが考えられる。すなわち放電維持が不安定となる可能性がある。
（ロ）連続のレーザ光の場合、封入ガスの放電励起に十分な強度の連続のレーザ光を入射させることで点灯は開始されるが、放電開始に必要なレーザ光のパワーは数十ｋＷから数百ｋＷとなり、このような大出力のレーザ光を連続して出力するレーザ装置は大型でコストも高い。また、高温プラズマ状態を維持するときも点灯開始時と同じエネルギーを入力すると、本発明のように管壁に集光手段を設けた場合でも、管球が加熱されてしまい、管球にひずみが生じ破損する可能性がある。

以上のような問題を解決するため、図９（ａ）に示すように、パルス状のビームを出射するパルスレーザ発振部２１と、連続波のビームを出射する連続波レーザ発振部２２を設けて、各レーザ発振部２１，２２から出射するレーザビームを集光手段３ａ，３ｂで集光させて発光管１の内部で重ね合わされるように構成することが考えられる。
これにより、図９（ｂ）に示すように、発光管１内でパルス状のビームと連続のビームとが重なり合う。
発光管の内部に封入された発光元素は、高温プラズマ状態を形成するために、大きなエネルギーが必要である。パルス状のビームは、断続的であるが高エネルギーを形成することが可能であるので、このビームによって発光元素が高温プラズマ状態に形成されると推測される。
一方、高温プラズマ状態を形成後、この状態を維持するのに必要なエネルギーは、高温プラズマ状態を形成するときよりも小さくてかまわなく、また連続的に供給されることが必要である。連続のビームは、発光管１の内部において、パルス状ビームが入射された位置に重ね合わされ、且つ、パルス状のビームに対して小さなエネルギー（図９（ｂ）の縦軸はエネルギーの相対値を示す）であると共に連続的であるので、高温プラズマ状態を維持することができる。
なお、発光管に複数のビームを入射させる場合は上記に限られるわけではなく、例えば、連続波レーザ発振部を２台設け、放電開始時には、両方のレーザ発振部からビームを発光管に入射し、点灯開始後は、一方のレーザ発振部のみからビームを発光管に入射させて、点灯を維持させることなども考えられる。

（２）発光管にビームを集光させて入射させるとともに発光管から出射するビームを集光させたい場合。
発光管１に入射するビームのエネルギーは、発光管の内部に封入された発光元素で高温プラズマ状態を形成するのに一部使用されるが、残ったビームも存在し、この残ったビームが発光管におけるビームの入射が側とは反対側に出射される。
すなわち、前述した図１に示したように、レーザ発振部２からのビームが発光管１の紙面右側から入射され、その一部が高温プラズマ状態を形成している。残ったビームは紙面左側へ出射されて、集光手段１１ｂで集光されてビームダンパー１２ａに入射している。 このビームダンパー１２ａに入射させるための集光手段は、必ずしも発光管１と別体である必要はない。このため、ビームダンパーへ集光させる集光手段を、発光管に設けることが考えられる。
すなわち、この場合は、発光管１に入射するビームを集光させる集光手段と、発光管から出射するビームを集光させる集光手段をそれぞれ設けることが考えられる。

発光管に複数の集光手段を設けた第６の実施例について図１０を用いて説明する。
図１０の光源装置は、支持体１ａにより支持された発光管１と、該発光管１に向かって例えばパルス状のビームを出射するレーザ発振部２１と、例えば連続波のレーザビームを出射するレーザ発振部２２を備える。
本実施例の発光管１は、外面も内面も略球状であり、その内面には、棒状の固定部６によって固定された集光手段３５ａ，３５ｂが設けられる。この集光手段３５ａ，３５ｂは、前述したように発光管１の中心に向かって集光させる機能を有する集光手段を用いることができ、例えば同図に示すように凸レンズを用いることができる。
このように、第６の実施例では、発光管１の内面に設けた集光手段３４ａ，３４ｂにより、２つのレーザ発振部２１，２２から出射するビームを集光させて、発光管１の中心部にエネルギーの大きな領域を形成している。
このように、パルス状のビームによって、高温プラズマ状態を形成し、この高温プラズマ状態が形成された位置に、パルス状のビームより輝度の小さな連続のビームを重ね合わされることで、高温プラズマ状態が断ち切れることを抑制し、高温プラズマ状態を維持することが可能となる。

本実施例においては、２つの集光手段を発光管１の内部に設け、内部でビームを集光させているので、前記第３、第５の実施例同様、発光管１の壁に集光されたビームが照射されず、加熱・破損することを防止できる。
また、発光管１の内部でビームを集光し、且つ、そのビーム立体角を大きくしているので、発光管の内部で高温プラズマ状態を形成でき、点灯開始を良好に行なうことができる。特に、集光手段３５ａ，３５ｂを発光管１の内部に設けているので、前記した実施例１，２のように発光管１の壁を集光手段として機能させる場合より、さらに立体角を大きくすることができる。
また、上述したように、２つのビームを発光管１に入射させているので、発光管内でプラズマ状態を形成させ、このプラズマ状態を安定に維持することができる。
上記実施例において、発光管の内面に凸レンズの集光手段を設けた例を示したが、例えば図１１に示すように２つのロッドレンズ３６ａ，３６ｂを用いることもできる。また、第１、第２の実施例のように発光管１の壁を集光手段として機能させるようにしてもよい。

発光管に複数の集光手段を設けた第７の実施例について図１２を用いて説明する。
本実施例は、前記したように、発光管に入射するビームと、発光管から出射するビームを集光させるための２つの集光手段を設けた例であり、ここでは、前記第１の実施例で示したメニスカス構造の発光管を用いた場合について説明する。
図１２において、発光管１の紙面左側の壁を集光手段３１ａ（凸型のメニスカス構造）で構成し、且つ、発光管１の紙面右側の壁も集光手段３１ｂ（凸型のメニスカス構造）で構成している。これにより、ビームの光路上には、発光管の２つの壁に２つの集光手段が存在する。
本実施例では、紙面左側の集光手段３１ａが、レーザ発振部２から出射するビームを、発光管の内部で集光させるために用いられ、紙面右側の集光手段３１ｂが、発光管１から出射するビームをビームダンパー１２ａに向かって集光させるために用いられる。
これにより、前記図１に示したようにランプハウスには、ビームダンパー用の集光手段１１ｂを設ける必要がなく、装置全体の小型化を図ることができる。
なお、上記ビームダンパー用の集光手段は、前記第２〜第５の実施例に示した光源装置に具備させてもよい。

ところで、前記第２、４の実施例等では、発光管の管壁の一部を集光手段として機能させているが、この場合、上記発光管と上記集光手段とを同一材料で構成することが好ましい。これは以下の理由による。
発光管は、集光手段の部分はビームを透過できる必要があり、それ以外の部分は発光管内からの励起光を透過できる必要がある。従って、発光管は、集光手段の部分とそれ以外の部分とが異なる部材で構成することができる。
しかしながら、発光管は、ランプ点灯時には、発光管内での放射熱などを受けて加熱されるので、集光手段とそれ以外の部分とが異なる部材で構成した場合、両者の熱膨張率が違いすぎると、集光手段とそれ以外の部分との界面近傍で破損するという問題が起きる恐れがある。従って、発光管は、集光手段とそれ以外の部分とを、同一の材料で構成することが好ましい。

１ 発光管
１ａ 支持体
２ レーザ発振部
２１ パルスレーザ発振部
２２ 連続波レーザ発振部
３ 集光手段
３１，３２，３３，３４，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ 集光手段
３７，３８ 集光レンズ
４ コリメータレンズ
５ ライトガイド
６ 固定部
７ メカニカルシャッタ
８ ミラー
１０ 光源装置
１１ ランプハウス
１１ａ ミラー（回転楕円の反射面）
１１ｂ 集光手段
１１１，１１２ 貫通孔
１２ａ，１２ｂ ビームダンパー
１３ ダイクロイックミラー
１４ フィルタ
１４ａ アパーチャ部
１５ａ，１５ｂ 集光手段
１６ インテグレータレンズ
１７ ミラー
１８ コリメータレンズ
１９ マスク
Ｗ 被照射物

Claims (5)

1. 発光元素を封入した発光管と、該発光管に向かってレーザビームを放射するレーザ発振部とを備えた光源装置であって、
   該発光管の管壁の一部を集光手段として機能させるか、発光管の内面に集光手段を設けた
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記発光管の管壁の一部を集光手段として機能させるため、前記発光管の外面の曲率半径を小さくし、且つその内面の曲率半径を大きくしたメニスカス構造とした
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記発光管の管壁の一部を集光手段として機能させるため、前記発光管の外面を曲面とし、且つその内面を平面とした平凸構造とした
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
4. 前記発光管の内面に設けた集光手段は、発光管の内面から離間して設けた集光手段である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
5. 前記集光手段が複数設けられた
   ことを特徴とする請求項１，２，３または請求項４のいずれかに記載の光源装置。

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