JP2012049226A - Light source device - Google Patents

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Takeo Matsushima
竹夫 松島
Kiyoyuki Kaburagi
清幸 蕪木
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Ushio Denki KK
Ushio Inc
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Ushio Denki KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source device configured to emit radiation light beams from a plurality of LED light sources after synthesizing the radiation light beams, which can emit light beams having a plurality of peak wavelengths over a continuous and wide wavelength range and provide high luminance.SOLUTION: The light source device comprises a first LED light source and a second LED light source having peak wavelengths close to each other, and a dichroic mirror which synthesizes a light beam radiated from the first LED light source and a light beam radiated from the second LED light source. The dichroic mirror is arranged in such a state that each of the incidence angle of the radiation light beam from the first LED light source and the incidence angle of the radiation light beam from the second LED light source becomes 5-40°.

Description

本発明は、例えば、半導体や液晶基板、カラーフィルター等の製造工程における露光処理を行うに際しての露光用光源、あるいは、プロジェクタ装置における光源として用いられる光源装置に関する。   The present invention relates to a light source for exposure when performing an exposure process in a manufacturing process of a semiconductor, a liquid crystal substrate, a color filter, or the like, or a light source device used as a light source in a projector apparatus.

例えば、半導体や液晶基板、カラーフィルター等の製造工程における露光処理を行うに際して用いられる露光用光源として、図５に示すような、紫外線波長域のＬＥＤ素子の複数のものが面状に配置されてなるＬＥＤ発光部８０を有し、当該ＬＥＤ発光部８０から放射される放射光を適宜の集光光学系により集光して露光面Ｓに出射する構成とされた光源装置が知られている（例えば特許文献１参照。）。図５において、符号８１は楕円面反射鏡、８２は球面レンズ、８３は円錐反射鏡、８４は透光性ロッド、８５はコンデンサレンズ、８６はリレーレンズである。   For example, as an exposure light source used when performing an exposure process in a manufacturing process of a semiconductor, a liquid crystal substrate, a color filter or the like, a plurality of LED elements in an ultraviolet wavelength region as shown in FIG. There is known a light source device that has an LED light emitting unit 80, and that is configured to condense radiated light emitted from the LED light emitting unit 80 by an appropriate condensing optical system and emit it to the exposure surface S ( For example, see Patent Document 1.) In FIG. 5, reference numeral 81 is an elliptical reflecting mirror, 82 is a spherical lens, 83 is a conical reflecting mirror, 84 is a translucent rod, 85 is a condenser lens, and 86 is a relay lens.

しかしながら、このような構成の光源装置では、ＬＥＤ素子のピーク波長を中心とした比較的波長範囲の狭い単色の光しか出射することができないので、例えば感光樹脂の個々の露光感度に応じた波長光が必要とされる、カラーフィルター等の製造工程における露光処理を行うための露光用光源として利用することはできない、という問題がある。
また、ＬＥＤ素子から放射された光が集光光学系により集光していく過程において種々のロスが生ずることとなって光の利用効率が低下し、十分に高い輝度の光を得ることができない、という問題がある。 However, since the light source device having such a configuration can emit only monochromatic light having a relatively narrow wavelength range centered on the peak wavelength of the LED element, for example, wavelength light corresponding to the individual exposure sensitivity of the photosensitive resin. Therefore, there is a problem that it cannot be used as an exposure light source for performing an exposure process in a manufacturing process of a color filter or the like.
In addition, various losses occur in the process of condensing the light emitted from the LED element by the condensing optical system, so that the light use efficiency is lowered and it is not possible to obtain sufficiently high luminance light. There is a problem.

一方、可視域の波長範囲において選ばれた互いに異なるピーク波長を有する複数のＬＥＤ光源の各々から放射される光を例えばダイクロイックミラーを用いて合成して出射する構成とされた光源装置が提案されている。
この光源装置は、図６に示すように、可視域の所定の波長範囲内において互いに異なるピーク波長を有する２つのＬＥＤ光源９０Ａ，９０Ｂと、ダイクロイックミラー９１と、第１のＬＥＤ光源９０Ａおよび第２のＬＥＤ光源９０Ｂの各々の光放射方向前方側に配置された、ＬＥＤ光源からの放射光を平行光としてダイクロイックミラーに出射するコリメータレンズ９３とを有する。
この光源装置においては、第１のＬＥＤ光源９０Ａからの放射光がダイクロイックミラー９１を透過した透過光に、第２のＬＥＤ光源９０Ｂからの放射光がダイクロイックミラー９１により反射された反射光が合成される。 On the other hand, there has been proposed a light source device configured to synthesize and emit light emitted from each of a plurality of LED light sources having different peak wavelengths selected in a visible wavelength range using, for example, a dichroic mirror. Yes.
As shown in FIG. 6, the light source device includes two LED light sources 90A and 90B having different peak wavelengths within a predetermined wavelength range in the visible range, a dichroic mirror 91, a first LED light source 90A, and a second LED light source 90A. And a collimator lens 93 which is arranged on the front side in the light emission direction of each of the LED light sources 90B and emits the emitted light from the LED light sources to the dichroic mirror as parallel light.
In this light source device, the light emitted from the first LED light source 90A is transmitted through the dichroic mirror 91 and the light reflected from the dichroic mirror 91 is synthesized from the light emitted from the second LED light source 90B. The

しかしながら、各々、ピーク波長が互いに近接する複数のＬＥＤ光源の各々から放射される放射光をダイクロイックミラーにより合成する場合には、複数個のＬＥＤ光源およびダイクロイックミラーを、単に、上記構成の光学系を構成するよう配置するだけでは、十分に高い輝度の光を出射することができないことが判明した。   However, when the radiated light emitted from each of the plurality of LED light sources whose peak wavelengths are close to each other is synthesized by the dichroic mirror, the plurality of LED light sources and the dichroic mirror are simply combined with the optical system configured as described above. It has been found that it is not possible to emit light having a sufficiently high luminance simply by arranging the components.

特開２００７−０４１４６７号公報JP 2007-041467 A

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、複数個のＬＥＤ光源の放射光を合成して出射する構成のものにおいて、複数のピーク波長を有する連続した広範囲の波長範囲の光を出射することができると共に高い輝度を得ることのできる光源装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made on the basis of the above circumstances, and in a configuration that synthesizes and emits the emitted light of a plurality of LED light sources, a continuous wide wavelength range having a plurality of peak wavelengths. It is an object of the present invention to provide a light source device that can emit light and obtain high luminance.

本発明の光源装置は、ピーク波長が互いに近接する第１のＬＥＤ光源および第２のＬＥＤ光源と、
当該第１のＬＥＤ光源から放射された放射光と、当該第２のＬＥＤ光源から放射された放射光を合成するダイクロイックミラーと
を有し、
前記ダイクロイックミラーは、前記第１のＬＥＤ光源からの放射光の入射角、および、前記第２のＬＥＤ光源からの放射光の入射角が、いずれも、５〜４０°となる状態で、配置されていることを特徴とする。 The light source device of the present invention includes a first LED light source and a second LED light source whose peak wavelengths are close to each other,
A dichroic mirror that combines the emitted light emitted from the first LED light source and the emitted light emitted from the second LED light source;
The dichroic mirror is disposed in a state where the incident angle of the emitted light from the first LED light source and the incident angle of the emitted light from the second LED light source are both 5 to 40 °. It is characterized by.

本発明の光源装置においては、前記第１のＬＥＤ光源のピーク波長と、前記第２のＬＥＤ光源のピーク波長との差が３０ｎｍ以下である構成とされていることが好ましい。   In the light source device of the present invention, the difference between the peak wavelength of the first LED light source and the peak wavelength of the second LED light source is preferably 30 nm or less.

本発明の光源装置によれば、ダイクロイックミラーが、第１のＬＥＤ光源からの放射光の入射角、および、第２のＬＥＤ光源からの放射光の入射角が、いずれも、５〜４０°となる状態で、配置された構成とされていることにより、光の利用効率（合成効率）を高くすることができるので、複数のピーク波長を有する連続した広い波長範囲の光を出射することができ、しかも、放射光量を必要波長域の全体にわたって増加させることができて高い輝度を得ることができる。   According to the light source device of the present invention, the dichroic mirror has an incident angle of the emitted light from the first LED light source and an incident angle of the emitted light from the second LED light source of 5 to 40 °. In such a state, since the arrangement is arranged, the light utilization efficiency (combination efficiency) can be increased, so that light in a continuous wide wavelength range having a plurality of peak wavelengths can be emitted. In addition, the amount of radiated light can be increased over the entire required wavelength range, and high luminance can be obtained.

本発明の光源装置に係る光学系の一例における構成の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of a structure in an example of the optical system which concerns on the light source device of this invention. ダイクロイックミラーの波長選択特性を説明するための図であって、（Ａ）Ｐ偏光成分についての波長選択特性、（Ｂ）Ｓ偏光成分についての波長選択特性である。It is a figure for demonstrating the wavelength selection characteristic of a dichroic mirror, Comprising: It is the wavelength selection characteristic about (A) P polarization component, and (B) The wavelength selection characteristic about S polarization component. 第１のＬＥＤ素子からの放射光と第２のＬＥＤ素子からの放射光との合成光の分光分布曲線を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the spectral distribution curve of the synthetic | combination light of the emitted light from a 1st LED element, and the emitted light from a 2nd LED element. 本発明の光源装置に係る光学系の他の例における構成の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of a structure in the other example of the optical system which concerns on the light source device of this invention. 従来におけるＬＥＤ素子を用いた光源装置の一例における光学系の構成の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of a structure of the optical system in an example of the light source device using the conventional LED element. 従来におけるＬＥＤ素子を用いた光源装置の他の例における光学系の構成の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of a structure of the optical system in the other example of the light source device using the conventional LED element.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の光源装置に係る光学系の一例における構成の概略を示す説明図である。
この光学系は、各々、互いに近接するピーク波長λ1 〔ｎｍ〕およびλ2 〔ｎｍ〕（λ1 ＞λ2 ）を有する光を放射する第１のＬＥＤ光源および第２のＬＥＤ光源の各々の放射光を合成するものであって、第１のＬＥＤ光源を構成する第１のＬＥＤ素子１０と、第１のＬＥＤ光源の光放射方向前方の位置において、第１のＬＥＤ素子１０の光出射面１０Ａに垂直な方向に伸びる当該光出射面１０Ａの中心軸（以下、「基準軸」という。）Ｃ１に対して傾斜した状態で配置された円板状のダイクロイックミラー５０と、光出射面２０Ａの中心軸Ｃ２がダイクロイックミラー５０の他面５０Ｂにおける基準軸Ｃ１上の位置と交わる状態で、ダイクロイックミラー５０の他面５０Ｂに対して傾斜して伸びるよう配置された、第２のＬＥＤ光源を構成する第２のＬＥＤ素子２０とを有する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration in an example of an optical system according to the light source device of the present invention.
The optical system includes a first LED light source and a second LED light source that emit light having peak wavelengths λ 1 [nm] and λ 2 [nm] (λ 1 > λ 2 ) that are close to each other. The first LED element 10 constituting the first LED light source and the light emitting surface of the first LED element 10 at a position in front of the light emission direction of the first LED light source. A disk-shaped dichroic mirror 50 disposed in a state inclined with respect to a central axis (hereinafter referred to as “reference axis”) C1 of the light emitting surface 10A extending in a direction perpendicular to 10A, and a light emitting surface 20A The second LED light source is arranged so as to be inclined and extended with respect to the other surface 50B of the dichroic mirror 50 in a state where the central axis C2 intersects with the position on the reference axis C1 on the other surface 50B of the dichroic mirror 50. And a second LED elements 20.

第１のＬＥＤ素子１０および第２のＬＥＤ素子２０は、第１のＬＥＤ素子１０の放射光の分光分布曲線と第２のＬＥＤ素子２０の放射光の分光分布曲線の少なくとも一部が重なるようなピーク波長λ1 およびピーク波長λ2 を有するものである。
更に、ダイクロイックミラー５０の反射率が５０％、透過率が５０％となる波長が、第１のＬＥＤ素子１０の放射光の分光分布曲線と第２のＬＥＤ素子２０の放射光の分光分布曲線とが重なる波長範囲内にあるように構成されたものである。 The first LED element 10 and the second LED element 20 are such that at least part of the spectral distribution curve of the emitted light of the first LED element 10 and the spectral distribution curve of the emitted light of the second LED element 20 overlap. It has a peak wavelength λ 1 and a peak wavelength λ 2 .
Furthermore, the wavelength at which the reflectance of the dichroic mirror 50 is 50% and the transmittance is 50% is the spectral distribution curve of the emitted light of the first LED element 10 and the spectral distribution curve of the emitted light of the second LED element 20. Are configured to be in the overlapping wavelength range.

例えば、紫外線露光装置用の光源装置を構成する場合には、２５０〜４５０ｎｍの波長範囲内にピーク波長を有するＬＥＤ素子を備えたＬＥＤ光源が用いられ、例えばプロジェクタ装置用の光源装置を構成する場合には、赤領域（４２０〜４７０ｎｍ）、緑領域（５１０〜５５５ｎｍ）および青領域（６０５〜６５０ｎｍ）のそれぞれの波長範囲内にピーク波長を有するＬＥＤ素子を備えたＬＥＤ光源、あるいは、シアン領域、マゼンタ領域およびイエロー領域内のそれぞれの波長範囲内にピーク波長を有するＬＥＤ素子を備えたＬＥＤ光源が用いられる。   For example, when configuring a light source device for an ultraviolet exposure device, an LED light source including an LED element having a peak wavelength within a wavelength range of 250 to 450 nm is used. For example, a light source device for a projector device is configured. Includes an LED light source including an LED element having a peak wavelength in each wavelength range of a red region (420 to 470 nm), a green region (510 to 555 nm), and a blue region (605 to 650 nm), or a cyan region, An LED light source including an LED element having a peak wavelength in each wavelength range in the magenta region and the yellow region is used.

そして、紫外線露光装置用の光源装置を構成する場合には、第１のＬＥＤ素子１０のピーク波長λ1 と第２のＬＥＤ素子２０のピーク波長λ2 の差（ピーク間隔）が、例えば３０ｎｍ以下、例えば１０〜２０ｎｍとされることが好ましい。これにより、一のＬＥＤ素子からの放射光における当該ＬＥＤ素子のピーク波長を含む波長範囲の光の放射強度（発光波長特性）を、他のＬＥＤ素子からの放射光により強調することができて、必要波長域の光の輝度を確実に向上させることができる。 When configuring the light source device of ultraviolet ray exposure apparatus, the difference in the peak wavelength lambda 2 of the peak wavelength lambda 1 of the first LED element 10 and the second LED element 20 (peak interval), for example, 30nm or less For example, the thickness is preferably 10 to 20 nm. Thereby, the radiant intensity (light emission wavelength characteristic) of the light in the wavelength range including the peak wavelength of the LED element in the radiated light from one LED element can be emphasized by the radiated light from the other LED elements, The luminance of light in the necessary wavelength region can be improved reliably.

また、各々のＬＥＤ素子のエタンデュ（放射の面積×立体角）は、互いに同じ大きさとされていることが好ましく、これにより、各々のＬＥＤ素子からの放射光を効率よく合成することができる。   In addition, the etendue (radiation area × solid angle) of each LED element is preferably set to the same size, so that the emitted light from each LED element can be efficiently synthesized.

ダイクロイックミラー５０は、第１のＬＥＤ素子１０のピーク波長λ1 と第２のＬＥＤ素子２０のピーク波長λ2 との間の波長範囲内において反射−透過変換波長（境界波長）λ01（λ2 ＜λ01＜λ1 ）を有し、反射−透過変換波長λ01より長波長の光を透過し、反射−透過変換波長λ01より短波長の光を反射する波長選択特性を有する。 The dichroic mirror 50 is reflected in the wavelength range between the peak wavelength lambda 1 and the peak wavelength lambda 2 of the second LED element 20 of the first LED element 10 - transparent translation Wavelength (boundary wavelength) lambda 01 (lambda 2 <has a lambda 01 <lambda 1), reflection - transmitting light from transmitting the converted wavelength lambda 01 long wavelength, the reflected - a wavelength selective property of reflecting short wavelength light than the transparent translation wavelength lambda 01.

各々のＬＥＤ素子１０，２０の光放射方向前方の位置には、それぞれ、ＬＥＤ素子１０（２０）からの放射光を平行光として出射するコリメータレンズ６１（６２）がその光軸がＬＥＤ素子１０（２０）の光出射面１０Ａ（２０Ａ）の中心軸Ｃ１（Ｃ２）上に位置されるよう配置されており、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光は、第１のコリメータレンズ６１によって略平行光とされてダイクロイックミラー５０の一面５０Ａに照射される。また、第２のＬＥＤ素子２０からの放射光は、第２のコリメータレンズ６２によって略平行光とされて第１のダイクロイックミラー５０の他面５０Ｂに、その照射領域が第１のＬＥＤ素子１０の放射光が第１のダイクロイックミラー５０を透過した透過光の出射領域に重なるよう、照射される。
また、ダイクロイックミラー５０の前方の位置には、ダイクロイックミラー５０からの出射光を集光して露光装置の光導入部６８に照射するコンデンサレンズ６５が、その光軸が基準軸Ｃ１上に位置されるよう、配置されている。 A collimator lens 61 (62) that emits radiated light from the LED element 10 (20) as parallel light is positioned at a position in front of the light emitting direction of each of the LED elements 10 and 20, respectively. 20) is arranged so as to be positioned on the central axis C1 (C2) of the light exit surface 10A (20A), and the emitted light from the first LED element 10 is substantially collimated by the first collimator lens 61. And is irradiated onto one surface 50A of the dichroic mirror 50. Further, the emitted light from the second LED element 20 is made substantially parallel light by the second collimator lens 62, and the irradiation area of the first LED element 10 is irradiated on the other surface 50 </ b> B of the first dichroic mirror 50. The emitted light is irradiated so as to overlap with the outgoing region of the transmitted light that has passed through the first dichroic mirror 50.
Further, a condenser lens 65 that condenses the light emitted from the dichroic mirror 50 and irradiates it to the light introducing section 68 of the exposure apparatus is positioned on the reference axis C1 at a position in front of the dichroic mirror 50. It is arranged so that.

而して、この光学系においては、ダイクロイックミラー５０は、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光の入射角（第１のダイクロイックミラー５０の一面５０Ａの法線に対してなす角）θ1 、および、第２のＬＥＤ素子２０からの放射光の入射角（第１のダイクロイックミラー５０の他面５０Ｂの法線に対してなす角）θ2 が、５〜４０°となる状態で、配置されている。
入射角θ1 および入射角θ2 が４０°より大きい場合には、後述する実験例の結果に示されるように、十分な発光強度を得ることができない。また、入射角θ1 および入射角θ2 の下限値を５°としたのは、実際上、５°より小さい入射角θ1 および入射角θ2 で光源装置（光学系）を構成することが困難であるためである。 Thus, in this optical system, the dichroic mirror 50 is configured such that the incident angle of the radiated light from the first LED element 10 (angle formed with respect to the normal of the one surface 50A of the first dichroic mirror 50) θ 1 , The incident angle of the emitted light from the second LED element 20 (angle formed with respect to the normal of the other surface 50B of the first dichroic mirror 50) θ 2 is 5 to 40 °. ing.
When the incident angle θ 1 and the incident angle θ 2 are larger than 40 °, sufficient light emission intensity cannot be obtained as shown in the result of an experimental example described later. In addition, the reason why the lower limit of the incident angle θ 1 and the incident angle θ 2 is set to 5 ° is that the light source device (optical system) is actually configured with the incident angle θ 1 and the incident angle θ 2 smaller than 5 °. This is because it is difficult.

上記構成の光学系においては、第１のコリメータレンズ６１により略平行光とされてダイクロイックミラー５０の一面５０Ａに入射角θ1 で入射される第１のＬＥＤ素子１０から放射された放射光が、ダイクロイックミラー５０を透過すると共に、第２のコリメータレンズ６２により略平行光とされてダイクロイックミラー５０の他面５０Ｂに入射角θ2 で照射される、第２のＬＥＤ素子２０から放射された放射光が、ダイクロイックミラー５０の他面５０Ｂによって反射され、これにより、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光がダイクロイックミラー５０を透過した透過光と、第２のＬＥＤ素子２０からの放射光がダイクロイックミラー５０によって反射された反射光とが合成され、第１のダイクロイックミラー５０から出射された合成光が、コンデンサレンズ６５により集光されて紫外線露光装置の光導入部（例えばフライアイ）６８の一端面６８Ａに入射される。 In the optical system configured as described above, the radiated light emitted from the first LED element 10 that is made substantially parallel light by the first collimator lens 61 and is incident on the one surface 50A of the dichroic mirror 50 at the incident angle θ 1 is Radiated light emitted from the second LED element 20 that passes through the dichroic mirror 50 and is made substantially parallel light by the second collimator lens 62 and is irradiated onto the other surface 50B of the dichroic mirror 50 at an incident angle θ 2. Is reflected by the other surface 50B of the dichroic mirror 50, so that the radiated light from the first LED element 10 is transmitted through the dichroic mirror 50 and the radiated light from the second LED element 20 is dichroic mirror. 50 is combined with the reflected light reflected by the first dichroic mirror 50, and the combined light emitted from the first dichroic mirror 50 is It is incident on one end surface 68A of the condensed light introducing portion of the ultraviolet exposure device (e.g., a fly-eye) 68 by the condenser lens 65.

而して、上記構成の光学系を備えた光源装置によれば、ダイクロイックミラー５０が、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光の入射角θ1 、および、第２のＬＥＤ素子２０からの放射光の入射角θ2 が、いずれも、５〜４０°となる状態で、配置された構成とされていることにより、光の利用効率（合成効率）を高くすることができるので、波長λ1 〔ｎｍ〕およびλ2 〔ｎｍ〕にピーク波長を有する連続した広い波長範囲の光を出射することができ、しかも、放射光量を必要波長域の全体にわたって増加させることができて高い輝度を得ることができる。 Thus, according to the light source device including the optical system configured as described above, the dichroic mirror 50 has the incident angle θ 1 of the radiation emitted from the first LED element 10 and the radiation from the second LED element 20. Since the light incident angle θ 2 is arranged in a state where all of the light incident angles θ 2 are 5 to 40 °, the light use efficiency (combination efficiency) can be increased, so that the wavelength λ 1 It is possible to emit light in a continuous wide wavelength range having peak wavelengths at [nm] and λ 2 [nm], and to increase the amount of radiated light over the entire required wavelength range to obtain high luminance. Can do.

上記構成の光学系による各々のＬＥＤ素子からの放射光の合成において、上記効果が得られる理由は、次のように考えられる。
例えば、ピーク波長λ1 が４０５ｎｍである第１のＬＥＤ素子１０からの放射光と、ピーク波長λ2 が３８５ｎｍである第２のＬＥＤ素子２０からの放射光とを、反射−透過変換波長λ01が３９５ｎｍであるダイクロイックミラー５０により合成する場合を例に挙げて説明すると、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光および第２のＬＥＤ素子２０からの放射光は、いずれも、偏光されたものではないが、便宜上、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分を同程度含むものとして考えると、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光および第２のＬＥＤ素子２０からの放射光が、それぞれ、ダイクロイックミラー５０に対して例えば４０°より大きい入射角θ1 ，θ2 で入射される場合には、ダイクロイックミラー５０は、Ｐ偏光成分については、図２（Ａ）において破線で示すように、反射−透過変換波長λ01（３９５ｎｍ）が短波長側にシフト（この例ではシフト量Δλが−４ｎｍ）し、Ｓ偏光成分については、図２（Ｂ）において破線で示すように、反射−透過変換波長λ01（３９５ｎｍ）が長波長側にシフト（この例ではシフト量Δλが＋４ｎｍ）し、反射−透過変換波長λ01のシフト量は、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光のダイクロイックミラー５０に対する入射角θ1 、および、第２のＬＥＤ素子２０からの放射光のダイクロイックミラー５０に対する入射角θ2 が大きくなるに従って大きくなる。 The reason why the above-described effect is obtained in the synthesis of the radiated light from each LED element by the optical system having the above-described configuration is considered as follows.
For example, the light emitted from the first LED element 10 having a peak wavelength λ 1 of 405 nm and the light emitted from the second LED element 20 having a peak wavelength λ 2 of 385 nm are converted into a reflection-transmission conversion wavelength λ 01. In the case where the light is synthesized by the dichroic mirror 50 having a wavelength of 395 nm, the emitted light from the first LED element 10 and the emitted light from the second LED element 20 are both polarized. However, for the sake of convenience, assuming that the P-polarized component and the S-polarized component are included to the same extent, the emitted light from the first LED element 10 and the emitted light from the second LED element 20 are respectively transmitted to the dichroic mirror 50. for example for 40 ° incident angle larger than theta 1, when it is incident at theta 2, the dichroic mirror 50, for P-polarized light component, in FIG. 2 (a) As shown by line, reflection - transmission conversion wavelength lambda 01 (395 nm) is shifted to the short wavelength side (shift amount Δλ in this example -4 nm), the S-polarized light component, indicated by the broken line in FIG. 2 (B) As described above, the reflection-transmission conversion wavelength λ 01 (395 nm) is shifted to the longer wavelength side (in this example, the shift amount Δλ is +4 nm), and the shift amount of the reflection-transmission conversion wavelength λ 01 is from the first LED element 10. The incident angle θ 1 of the emitted light with respect to the dichroic mirror 50 and the incident angle θ 2 of the emitted light from the second LED element 20 with respect to the dichroic mirror 50 become larger.

従って、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光は、Ｐ偏光成分については、実質的にすべての波長範囲の光がダイクロイックミラー５０を透過することになるが、Ｓ偏光成分については、図２（Ｂ）において破線で示すように、反射−透過変換波長λ01（３９５ｎｍ）が長波長側にシフトすること（λ01´´＝３９９ｎｍ）によって、当該長波長側にシフトされた反射−透過変換波長より短波長側の光が反射されることとなり放射強度が減少する。また、第２のＬＥＤ素子２０からの放射光は、Ｓ偏光成分については、実質的にすべての波長範囲の光がダイクロイックミラー５０によって反射されることになるが、Ｐ偏光成分については、図２（Ａ）において破線で示すように、反射−透過変換波長λ01（３９５ｎｍ）が短波長側にシフトすること（λ01´＝３９１ｎｍ）によって、当該短波長側にシフトされた反射−透過変換波長より長波長側の光がダイクロイックミラー５０を透過することとなり、放射強度が減少する。
そして、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光における、ダイクロイックミラー５０の反射−透過変換波長λ01より短波長の光の放射強度の減少を第２のＬＥＤ素子２０からの放射光によって補償することはできず、また、第２のＬＥＤ素子２０からの放射光における、ダイクロイックミラー５０の反射−透過変換波長λ01より長波長の光の放射強度の減少を第１のＬＥＤ素子２０からの放射光によって補償することはできないことから、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光がダイクロイックミラー５０を透過した透過光と、第２のＬＥＤ素子２０からの放射光がダイクロイックミラー５０によって反射される反射光との合成光は、図３において破線で示すように、ダイクロイックミラー５０の本来の反射−透過変換波長λ01（３９５ｎｍ）を中心とする、ダイクロイックミラー５０の反射−透過変換波長λ01のシフト量Δλに応じた波長範囲（非有効発光領域）Ｘ１（この例では８ｎｍ）において、図３において斜線が付された部分により示されるロスが生じ、十分な発光強度を得ることができない。 Therefore, in the radiated light from the first LED element 10, for the P-polarized component, light in substantially the entire wavelength range is transmitted through the dichroic mirror 50, but for the S-polarized component, FIG. As indicated by the broken line in B), the reflection-transmission conversion wavelength λ 01 (395 nm) is shifted to the long wavelength side (λ 01 ″ = 399 nm), and the reflection-transmission conversion wavelength is shifted to the long wavelength side. The light on the shorter wavelength side is reflected, and the radiation intensity decreases. In addition, regarding the radiated light from the second LED element 20, for the S-polarized component, light in substantially the entire wavelength range is reflected by the dichroic mirror 50, but for the P-polarized component, FIG. As shown by the broken line in (A), the reflection-transmission conversion wavelength λ 01 (395 nm) is shifted to the short wavelength side (λ 01 ′ = 391 nm), and thus the reflection-transmission conversion wavelength is shifted to the short wavelength side. Longer-wavelength light passes through the dichroic mirror 50, and the radiation intensity decreases.
Then, in the radiated light from the first LED element 10, the decrease in the radiant intensity of light having a wavelength shorter than the reflection-transmission conversion wavelength λ 01 of the dichroic mirror 50 is compensated by the radiated light from the second LED element 20. In addition, in the radiation light from the second LED element 20, the radiation intensity of the light having a wavelength longer than the reflection-transmission conversion wavelength λ 01 of the dichroic mirror 50 is reduced by the radiation light from the first LED element 20. Therefore, the radiated light from the first LED element 10 is transmitted through the dichroic mirror 50, and the radiated light from the second LED element 20 is reflected by the dichroic mirror 50. , The original reflection-transmission conversion wavelength λ 01 (395 nm) of the dichroic mirror 50, as shown by a broken line in FIG. In the wavelength range (non-effective light emission region) X1 (8 nm in this example) corresponding to the shift amount Δλ of the reflection-transmission conversion wavelength λ 01 of the dichroic mirror 50 as the heart, it is indicated by the hatched portion in FIG. Loss occurs, and sufficient light emission intensity cannot be obtained.

然るに、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光および第２のＬＥＤ素子２０からの放射光が、それぞれ、ダイクロイックミラー５０に対して５〜４０°の範囲内で設定された大きさの入射角θ1 ，θ2 で入射される構成とされていることにより、ダイクロイックミラー５０に対する光の入射角の大きさに起因するダイクロイックミラー５０の反射−透過変換波長がシフトすることを回避することができ、ダイクロイックミラー５０は、図２において実線で示すように、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分のいずれについても、反射−透過変換波長λ01（３９５ｎｍ）より短波長の光を反射し、反射−透過変換波長λ01（３９５ｎｍ）より長波長の光を透過する、所期の波長選択特性を有するものとなる。
従って、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光におけるＰ偏光成分およびＳ偏光成分は、いずれも、実質的にすべての波長範囲の光がダイクロイックミラー５０を透過すると共に、第２のＬＥＤ素子２０からの放射光におけるＰ偏光成分およびＳ偏光成分は、いずれも、実質的にすべての波長範囲の光がダイクロイックミラー５０の他面５０Ｂによって反射され、これにより得られる合成光においては、十分な放射強度を得ることのできない波長範囲（非有効発光領域）が形成されることがなく、図３において実線で示すような分光分布特性を有するものとなり、光の利用効率（合成効率）を高くすることができるものと考えられる。 However, the incident angle θ of the magnitude that the radiated light from the first LED element 10 and the radiated light from the second LED element 20 are set within the range of 5 to 40 ° with respect to the dichroic mirror 50, respectively. By being configured to be incident at 1 and θ 2 , it is possible to avoid a shift of the reflection-transmission conversion wavelength of the dichroic mirror 50 due to the magnitude of the incident angle of light with respect to the dichroic mirror 50. The dichroic mirror 50 reflects light having a wavelength shorter than the reflection-transmission conversion wavelength λ 01 (395 nm) for both the P-polarized component and the S-polarized component, as indicated by the solid line in FIG. It has the desired wavelength selection characteristic that transmits light having a wavelength longer than λ 01 (395 nm).
Therefore, the P-polarized component and the S-polarized component in the emitted light from the first LED element 10 both have light in substantially the entire wavelength range transmitted through the dichroic mirror 50 and from the second LED element 20. In both the P-polarized component and the S-polarized component of the radiated light, substantially all of the wavelength range is reflected by the other surface 50B of the dichroic mirror 50, and the resultant light thus obtained has a sufficient radiant intensity. A wavelength range (ineffective light emission region) that cannot be obtained is not formed, and has spectral distribution characteristics as shown by a solid line in FIG. 3, so that the light use efficiency (synthesis efficiency) can be increased. It is considered possible.

以上、本発明の光源装置の一実施形態について説明したが、本発明は、上記構成のものに限定されるものではない。   As mentioned above, although one Embodiment of the light source device of this invention was described, this invention is not limited to the thing of the said structure.

図４は、本発明の光源装置に係る光学系の他の例における構成の概略を示す説明図である。
この光学系は、各々、互いに近接するピーク波長λ1 〔ｎｍ〕およびλ2 〔ｎｍ〕（λ1 ＞λ2 ）を有する光を放射する第１のＬＥＤ光源１０１からの放射光、および、第２のＬＥＤ光源２０１からの放射光を合成するものであって、円板状のダイクロイックミラー５１と、ダイクロイックミラー５１の一面側における、ダイクロイックミラー５１の面方向に離間して並んだ位置に配置された第１のＬＥＤ光源１０１および第２のＬＥＤ光源２０１と、ダイクロイックミラー５１の他面側において、反射面７０Ａがダイクロイックミラー５１に対向するよう配置された反射ミラー７０とを備えている。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration in another example of the optical system according to the light source device of the present invention.
The optical system includes light emitted from the first LED light source 101 that emits light having peak wavelengths λ 1 [nm] and λ 2 [nm] (λ 1 > λ 2 ) close to each other, and 2, which synthesizes radiated light from the two LED light sources 201, and is arranged at a position where the disk-shaped dichroic mirror 51 and the dichroic mirror 51 are spaced apart and arranged on one surface side of the dichroic mirror 51. In addition, the first LED light source 101 and the second LED light source 201, and the reflection mirror 70 disposed on the other surface side of the dichroic mirror 51 so that the reflection surface 70A faces the dichroic mirror 51 are provided.

第１のＬＥＤ光源１０１は、第１のＬＥＤ素子１０と、光軸が第１のＬＥＤ素子１０の光出射面の中心軸に一致する状態で配置された、第１のＬＥＤ素子１０からの放射光を略平行光として照射する例えばパラボラミラー１０２とにより構成されている。また、第２のＬＥＤ光源２０１も、第１のＬＥＤ光源１０１と同様の構成を有し、ＬＥＤ素子２０とパラボラミラー２０２とにより構成されている。   The first LED light source 101 is radiated from the first LED element 10 and the first LED element 10 arranged in a state where the optical axis coincides with the central axis of the light emitting surface of the first LED element 10. For example, it is configured by a parabolic mirror 102 that emits light as substantially parallel light. The second LED light source 201 has the same configuration as that of the first LED light source 101, and includes the LED element 20 and the parabolic mirror 202.

ダイクロイックミラー５１は、第１のＬＥＤ素子１０のピーク波長λ1 と第２のＬＥＤ素子２０のピーク波長λ2 との間の波長範囲内において反射−透過変換波長（境界波長）λ01（λ2 ＜λ01＜λ1 ）を有し、反射−透過変換波長λ01より長波長の光を反射し、反射−透過変換波長λ01より短波長の光を透過する波長選択特性を有する。 The dichroic mirror 51 is reflected in the wavelength range between the peak wavelength lambda 1 and the peak wavelength lambda 2 of the second LED element 20 of the first LED element 10 - transparent translation Wavelength (boundary wavelength) lambda 01 (lambda 2 <has a lambda 01 <lambda 1), reflection - from transparent translation wavelength lambda 01 reflects light of a long wavelength, the reflected - a wavelength selection characteristics for transmitting light having a shorter wavelength than the transmission conversion wavelength lambda 01.

この光学系においては、ダイクロイックミラー５１の他面５１Ｂに、５〜４０°の範囲内で設定された大きさの入射角θ1 で入射される、第１のＬＥＤ光源１０１からの放射光が反射ミラー７０によって反射された反射光が、ダイクロイックミラー５１の他面５１Ｂによって反射されると共に、ダイクロイックミラー５１の一面５１Ａに、５〜４０°の範囲内で設定された大きさの入射角θ2 で入射される第２のＬＥＤ光源２０１からの放射光がダイクロイックミラー５１を透過し、これにより、第１のＬＥＤ光源１０１からの放射光および第２のＬＥＤ光源２０１からの放射光が合成される。 In this optical system, the radiated light from the first LED light source 101 that is incident on the other surface 51B of the dichroic mirror 51 at an incident angle θ 1 having a size set in the range of 5 to 40 ° is reflected. The reflected light reflected by the mirror 70 is reflected by the other surface 51B of the dichroic mirror 51 and is incident on the one surface 51A of the dichroic mirror 51 at an incident angle θ 2 having a size set within a range of 5 to 40 °. The incident radiated light from the second LED light source 201 is transmitted through the dichroic mirror 51, whereby the radiated light from the first LED light source 101 and the radiated light from the second LED light source 201 are combined.

このような構成の光学系を有する光源装置においても、図１に示す構成の光学系を有するものと同様の効果、すなわち、ダイクロイックミラー５０に対する光の入射角の大きさに起因するダイクロイックミラー５０の反射−透過変換波長がシフトすることを回避することができて十分な放射強度を得ることのできない波長範囲（非有効発光領域）が形成されることがなく、従って、光の利用効率（合成効率）を高くすることができるので、波長λ1 〔ｎｍ〕およびλ2 〔ｎｍ〕にピーク波長を有する連続した広い波長範囲の光を出射することができ、しかも、放射光量を必要波長域の全体にわたって増加させることができて高い輝度を得ることができる。 Also in the light source device having the optical system having such a configuration, the same effect as that having the optical system having the configuration shown in FIG. 1, that is, the incident angle of the light with respect to the dichroic mirror 50 is caused. It is possible to avoid the shift of the reflection-transmission conversion wavelength, and there is no formation of a wavelength range (ineffective emission region) in which sufficient radiation intensity cannot be obtained. ) Can be increased, so that light in a continuous wide wavelength range having peak wavelengths at wavelengths λ 1 [nm] and λ 2 [nm] can be emitted, and the amount of radiated light can be reduced over the entire required wavelength range. The luminance can be increased over a wide range, and high luminance can be obtained.

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
ダイクロイックミラー（５０）として、光学系（１）〜（５）の５種類を準備した。光学系（１）に使用したダイクロイックミラーは、入射角４５°で光を入射させたとき（以下、「設定入射角」と称す。）、３９５ｎｍの波長光についての反射率が５０％、透過率が５０％となるように作られている。光学系（２）の場合は、設定入射角４０°において３９５ｎｍの波長光についての反射率が５０％、透過率が５０％となるように作られている。以下、光学系（３）から光学系（５）までも各設定入射角について同様である。
また、第１のＬＥＤ素子（１０）として、ピーク波長（λ1 ）が４０５ｎｍ、半値半幅が１０ｎｍであるもの、第２のＬＥＤ素子（２０）として、ピーク波長（λ2 ）が３８５ｎｍ、半値半幅が１０ｎｍであるものを用い、各々の光学系において、ダイクロイックミラー（５０）に対する入射角θ1 ，θ2 を、ダイクロイックミラー（５０）の設定入射角と同一の大きさとした。各々の光学系（１）〜（５）について、ダイクロイックミラー（５０）から出射される、３７５ｎｍ〜４１５ｎｍの波長光の総エネルギー量を測定した。結果を下記表１に示す。表１において、各光学系における総エネルギー量は、光学系（２）における総エネルギーを「１．００」としたときの相対値である。 Hereinafter, experimental examples performed for confirming the effects of the present invention will be described.
<Experimental example 1>
As the dichroic mirror (50), five types of optical systems (1) to (5) were prepared. The dichroic mirror used in the optical system (1) has a reflectance of 50% and a transmittance of 395 nm wavelength light when light is incident at an incident angle of 45 ° (hereinafter referred to as “set incident angle”). Is made to be 50%. In the case of the optical system (2), the reflectance is 50% and the transmittance is 50% for light having a wavelength of 395 nm at a set incident angle of 40 °. The same applies to each of the set incident angles from the optical system (3) to the optical system (5).
In addition, the first LED element (10) has a peak wavelength (λ 1 ) of 405 nm and a half width at 10 nm, and the second LED element (20) has a peak wavelength (λ 2 ) of 385 nm and a half width at half maximum. In each optical system, the incident angles θ 1 and θ 2 with respect to the dichroic mirror (50) are set to the same magnitude as the set incident angle of the dichroic mirror (50). About each optical system (1)-(5), the total energy amount of the 375 nm-415 nm wavelength light radiate | emitted from a dichroic mirror (50) was measured. The results are shown in Table 1 below. In Table 1, the total energy amount in each optical system is a relative value when the total energy in the optical system (2) is “1.00”.

Figure 2012049226
Figure 2012049226

以上の結果より、本発明に係る光学系（２）〜（４）によれば、ダイクロイックミラーが、第１のＬＥＤ光源からの放射光の入射角θ1 、および、第２のＬＥＤ光源からの放射光の入射角θ2 が、いずれも、５〜４０°となる状態で、配置された構成とされていることにより、放射光量を必要波長域の全体にわたって増加させることができて高い輝度を得ることができることが確認された。 From the above results, according to the optical systems (2) to (4) according to the present invention, the dichroic mirror has the incident angle θ 1 of the radiated light from the first LED light source and the second LED light source. The arrangement is such that the incident angle θ 2 of the radiated light is 5 to 40 ° in all cases, so that the amount of radiated light can be increased over the entire required wavelength range and high brightness can be achieved. It was confirmed that it can be obtained.

１０ 第１のＬＥＤ素子
１０Ａ 光出射面
２０ 第２のＬＥＤ素子
２０Ａ 光出射面
Ｃ１ 基準軸（第１のＬＥＤ素子の光出射面の中心軸）
Ｃ２ 第２のＬＥＤ素子の光出射面の中心軸
５０，５１ ダイクロイックミラー
５０Ａ，５１Ａ 一面
５０Ｂ，５１Ｂ 他面
６１ 第１のコリメータレンズ
６２ 第２のコリメータレンズ
６５ コンデンサレンズ
６８ 光導入部
６８Ａ 一端面
７０ 反射ミラー
７０Ａ 反射面
８０ ＬＥＤ発光部
８１ 楕円面反射鏡
８２ 球面レンズ
８３ 円錐反射鏡
８４ 透光性ロッド
８５ コンデンサレンズ
８６ リレーレンズ
９０Ａ 第１のＬＥＤ光源
９０Ｂ 第２のＬＥＤ光源
９１ ダイクロイックミラー
９３ コリメータレンズ
Ｓ 露光面
１０１ 第１のＬＥＤ光源
２０１ 第２のＬＥＤ光源
１０２，２０２ パラボラミラー DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st LED element 10A Light-emitting surface 20 2nd LED element 20A Light-emitting surface C1 Reference | standard axis | shaft (central axis of the light-emitting surface of a 1st LED element)
C2 Central axis of light emitting surface of second LED element 50, 51 Dichroic mirror 50A, 51A One surface 50B, 51B Other surface 61 First collimator lens 62 Second collimator lens 65 Condenser lens 68 Light introducing portion 68A One end surface 70 Reflective mirror 70A Reflective surface 80 LED light emitting unit 81 Ellipsoidal reflective mirror 82 Spherical lens 83 Conical reflective mirror 84 Translucent rod 85 Condenser lens 86 Relay lens 90A First LED light source 90B Second LED light source 91 Dichroic mirror 93 Collimator lens S Exposure surface 101 First LED light source 201 Second LED light source 102, 202 Parabolic mirror

Claims (2)

ピーク波長が互いに近接する第１のＬＥＤ光源および第２のＬＥＤ光源と、
当該第１のＬＥＤ光源から放射された放射光と、当該第２のＬＥＤ光源から放射された放射光を合成するダイクロイックミラーと
を有し、
前記ダイクロイックミラーは、前記第１のＬＥＤ光源からの放射光の入射角、および、前記第２のＬＥＤ光源からの放射光の入射角が、いずれも、５〜４０°となる状態で、配置されていることを特徴とする光源装置。 A first LED light source and a second LED light source whose peak wavelengths are close to each other;
A dichroic mirror that combines the emitted light emitted from the first LED light source and the emitted light emitted from the second LED light source;
The dichroic mirror is disposed in a state where the incident angle of the emitted light from the first LED light source and the incident angle of the emitted light from the second LED light source are both 5 to 40 °. A light source device. 前記第１のＬＥＤ光源のピーク波長と、前記第２のＬＥＤ光源のピーク波長との差が３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。   The light source device according to claim 1, wherein a difference between a peak wavelength of the first LED light source and a peak wavelength of the second LED light source is 30 nm or less.
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