JP2014216085A

JP2014216085A - 照明装置

Info

Publication number: JP2014216085A
Application number: JP2013090206A
Authority: JP
Inventors: 久保田　重夫; Shigeo Kubota; 重夫久保田; 森田　昌幸; Masayuki Morita; 昌幸森田
Original assignee: Oxide Corp
Current assignee: Oxide Corp
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2014-11-17

Abstract

【課題】ＬＥＤを用いた線状照明装置として、露光装置、半導体欠陥検査装置、液晶欠陥検査装置、投影プロジェクター、原稿照明装置、画像読み取り装置等で用いる一次元スキャナー用照明装置の照度を上げる手段として高価な光学部品や複雑な光学系を用いる事なしに行う事で、照明装置を安価に提供する。【解決手段】結合効率を上げる為に、低倍率、高開口の色消し円筒光学系を複数用い、色消し球面収差、非点収差を管理する事で、高開口化によって狭くなる焦点深度を実用的なレベルまで拡大し、高速オートフォーカス等を必要としない光学系を提供する事で、課題を解決する事を可能としている。【選択図】図１２

Description

本発明は、一次元方向に整形した照明光を走査して用いる露光装置、半導体欠陥検査装置、液晶欠陥検査装置、投影プロジェクター、原稿照明装置、画像読み取り装置等に用いる照明装置において、線形照明装置を安価に提供する技術に関する。

大面積の半導体ウェハや、液晶パネル等の上の欠陥の高速検出、一次元スキャン大型スクリーン投影プロジェクター、原稿照明装置、画像読み取り装置等の照明手段として、照度の高い線状照明の需要が増している。

従来、線状照明手段としてランプやＬＥＤを光源として、先行技術特許文献、特許第３９２７８７８号記載の例の様に、バンドルファイバーに結合を行い、バンドルしたファイバーを線状に再配置し、集光レンズにて線状照明を行う事が一般的であったが光源像の大きさや放射角分布から集光性が悪く、結果バンドルファイバーへの結合効率が悪いと言う課題があった。この為、所望の照度を得る為にはＬＥＤでは不十分で、光源ランプを用いた高出力化が必須となり、装置の導入コスト及びランプ交換に要するランニングコストを上げる一因となっている。

一方、レーザ光を用いれば、集光性が非常に良好な為、結合効率は比較的容易に上げられるが、レーザ装置自体が高価である事に加え、レーザ光の持つガウス状ビームプロファイルを均一なプロファイルに変換させる為に、高価な非球面レンズを多用するか、複数のレーザを重ね合わせなくてはならず、初期導入コストが高価になる。又、照明パターンにレーザ特有の干渉による周期的濃淡が現れ、均一照明の大きな阻害要因となっている。これらの理由から、レーザ特有の波長単一性や、解像力を上げる為の短波長化が必要な一部の半導体パターン検査用途を除き、本格的な普及は進んでいない。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）の高輝度化が進み、照明用光源として大幅な需要の広がりを見せている。ＬＥＤを用いた線形照明装置も多数提案されているが、ランプや、レーザ光を用いた照度と同等な照度を得られる線形照明装置は実用化に至っていない。先行技術特許文献、特許第４０１３９２８号記載の例の様に、高価な非球面レンズを円筒レンズとして応用する事は可能であるが、低価格要求に対し光学系のコスト普及化の阻害要因となっている。又、特許第４９０９５４６号の様に比較的安価な光学部品構成を用いた照明手段も提案されているが、一度集光した後均一化を図る手段を用い、複数の光学部品を必要とする等、本発明とは本質的に異なる。

特許第３９２７８７８号、特許第４０１３９２８号、特許第４９０９５４６号

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）が照明光源用途として大幅な需要の広がりを示している。本発明では量産効果で低価格化が進んでいるＬＥＤを用い、安価に構成可能な光学系を組合せる事で、所望の照明照度を有する線状照明光学系を安価に提供する事を目的とする。

元光源に白色ＬＥＤを複数個用いて、線状照明するには、一般に円筒レンズが使用されるが、全光束が高く、チップサイズの大きい高輝度ＬＥＤの放射角分布は１／ｅ^２で１２０°に達するから、この広い放射角分布を有効に使い、高効率に円筒レンズで一次元に結像しようとすると、必然的に結像倍率が高くなり、その結果像の線幅が拡大することによって、円筒レンズ焦線上の照度がむしろ下がるという欠点があった。

そこで、まず、円筒レンズを用いて、白色ＬＥＤを一次元に結像する際に、線幅の拡大を防止しながら、比較的高い効率で、円筒レンズ焦線上の照度を従来以上にすることが第１の課題である。

この課題を解決するには高開口数の色消し円筒レンズを設計することが必要である。そのとき、高開口数がもたらす焦点深度の浅さの問題を解決し、焦線近傍で実用的な焦点深度を実現することが第２の課題である。

本発明の請求項の１から４は、上記の課題をすべて解決するための必須条件である。

本発明の実施例である照明装置では、前述の様に非球面レンズ等の高価な光学部品を用いる事なく均一な線状照明を実現し、合わせて高開口化に伴う焦点深度の浅さを、球面収差を制御する事で、実用的な焦点深度を得る事を可能としている。この事により、装置の初期導入コスト削減、ＬＥＤの高寿命の特徴を生かした低ランニングコスト、高速、高精度なオートフォーカスを不要とする事で装置構成の単純化により本発明の実施例である照明装置を用いた、露光装置、半導体欠陥検査装置、液晶欠陥検査装置、投影プロジェクター、原稿照明装置、画像読み取り装置照明装置等の低コスト化を可能とした。

チップサイズ１ｍｍ角の代表的なＬＥＤの放射角分布を表す図である。倍率Ｍでの結像関係を表す図である。レンズ開口数に対する結合効率を表す図である。モンテカルロ光線追跡のモデルを表す図である。本発明の実施例であるレンズデータ及び、プロット図である。図５のレンズデータを基に計算された諸収差を表す図である。図５のレンズデータを基に行ったモンテカルロ光線追跡結果図である。図５のレンズデータを基に行ったモンテカルロ光線追跡の相対光強度分布を表す図である。図５のレンズデータを用い、ＬＥＤを円筒レンズの母線方向に配置した場合の焦線上のピーク強度を表す図である。図４の焦点付近の拡大図である・図５に用いるレンズ対を完全対象配置に置いた際の収差を表す図である。本発明の実施例である照明装置の構成図である。

(実施の形態１)
はじめにＬＥＤの光パワーの円筒レンズへの結合効率を、解析的に、つぎにモンテカルロ光線追跡法を用いて数値計算する。

チップサイズ１ｍｍ角ＬＥＤの放射角分布は図１のようであるから１／ｅ^２で１２０°で近似されるガウス関数型放射角分布をもつと仮定した。

このＬＥＤを図２の軸対称光学系にて倍率ｍで結像するものとする。

図１の放射角分布より計算される軸対称レンズ開口数に対する結合効率τは、図３に示すように、開口数ＮＡ（＝ｓｉｎα）の関数になる。

この関数を
式（１）
τ＝ｆ（ｓｉｎ α)
の様に表す。つぎに像の高さｘ´はＬＥＤ光源の高さｘのｍ倍であるから
式（２）
ｘ´＝ｍｘ

今、ＬＥＤの全光束をΦとするとき、その照度Ｅは
式（３）
Ｅ＝Φ／ｘ^２
で表され、式(1)から像上の全光束Φ´は
式（４）
Φ’＝τΦ

であるから、結局像の照度Ｅ´は
式（５）Ｅ´＝Φ´／ｘ´^２＝τΦ／（ｍｘ）^２
＝τ／ｍ^２Ｅ
の様に計算することができ、光源側開口数ｓｉｎαと倍率ｍの関数になる。

ところで、ＬＥＤの全光束を３００ｌｍとすると、ｘ＝１ｍｍのとき、式（３）よりその照度Ｅは３００×１０^６
ｌｘになる。以上は軸対称レンズの場合であるが、円筒レンズについては式（５）を変形して
式（６）Ｅ´＝τ／ｍ_ｘｍ_ｙＥ但しｍ_ｙ＞＞ｍ_ｘ
として考えることにする。式（６）より、円筒レンズ系の倍率ｍ_ｘは小さい方がＥ´を高くする上で有利であることが明らかである。

本発明では倍率をｍ_ｘ＝１に選ぶ。このとき円筒レンズを焦点距離ｆ_ｘの薄肉レンズで近似すると、光源距離は２ｆ_ｘ、像面距離（焦線位置）も２ｆ_ｘである。

薄肉レンズでは像面距離は作動距離を近似するから、これを１００ｍｍとすると円筒レンズの焦点距離はｆ_ｘ＝５０ｍｍである。

式（６）で円筒レンズを精密に扱うには、限界があるので、図４に示すモンテカルロ光線追跡を用いて、結合効率を導く。図４で、ＬＥＤの直上にある半球レンズでの屈折、反射は無視し、ＬＥＤから９４ｍｍの位置にある短半径２４ｍｍ、長半径４０ｍｍの楕円開口に到達する光線の割合を求めたところ、１５．５％であった。

この楕円開口の直後に楕円の短軸方向に焦点距離ｆ_ｘ＝５０ｍｍの円筒レンズを配置すれば、概ね９４ｍｍ後方に焦線が形成される。この短軸を含む面内で、開口数はｓｉｎ（ｔａｎ^−１（２４／９４））＝０．２５である。

色収差の補正のため、実際の円筒レンズは安価な光学レンズ用材料として代表的なＢＫ７とＳＦ５の接合レンズとし、焦点距離をｆ_ｘ＝１００ｍｍのものを、２個、わずかな空気間隔をもって連続配置し、合成焦点距離を５０ｍｍにする。

各焦点距離１００ｍｍの円筒レンズは無限共役で、球面収差を極小にするように設計するため、接合レンズタイプはクラウン・イン・フロントで、等しい曲率半径の絶対値をもつタイプとする。像側の接合レンズは球面収差が極小になるようにクラウン・イン・フロントに配置するが、光源側の接合レンズは、像側の接合レンズを同じ向きに配置するため、全体としての球面収差は極小ではない。

このレンズデータ及びプロットを図５に示す。

図６はレンズデータをもとに計算された収差図で、球面収差と非点収差をのぞき、収差は良好に補正されている。

図７は３００万本のモンテカルロ光線追跡結果で、焦線上にＬＥＤの等倍結像が実現できていることを示す。

焦線方向とこれに直交する方向の相対光強度分布を図８に示す。これよりＬＥＤの全光束３００ｌｍと結合効率１５．４％を知って、焦線上のピーク照度を計算すると、４０万ｌｘになる。
これより、式（６）でｙ方向の倍率ｍ_ｙ＝１，１００と計算される。

これを元に、ＬＥＤ７個を２７ｍｍピッチで、円筒レンズの母線方向に配置したときの焦線上のピーク照度を計算したものが図９で、焦線上のピーク照度は１２０万ｌｘになり、焦線の長さは１００ｍｍ程度になっている。

(実施の形態２)
高開口数円筒レンズがもたらす焦点深度が減少する問題を解決し、焦線近傍で実用的な焦点深度を実現する方法について、図５の収差図にもとづき説明する。

前述の通り、本発明の円筒レンズの配置により、球面収差と非点収差をのぞき、収差は良好に補正されている。図４の光路図の焦点付近を拡大したものが図１０で、補正不足の球面収差の影響で、火線が発生し、焦線よりレンズよりに、中心に光密度の高い部分でき、−９ｍｍから０ｍｍの範囲でそのコア径は直径１ｍｍを超えない。よって、球面収差によって、高開口数にもかかわらず、実質焦点深度を９ｍｍまで拡張した。

図１１に示す完全対称配置は球面収差が縦収差で−２ｍｍともっとも少ないが、火線が十分形成されないので、焦点深度はもっとも浅くなる。図１１を接合面に関してフリップした完全対称配置は球面収差が縦収差で−５０ｍｍともっとも大きく、火線の形成が過剰なので、焦点深度は浅くなる。

したがって図５の配置は縦収差で−２０ｍｍと火線の形成に適した適度な球面収差をもつため焦点深度がもっとも深い。次善はこれを全体としてフリップした配置で、球面収差が適性値よりやや増加して縦収差で−２５ｍｍとなっているので、焦点深度はやや短くなる。

４つの配置で開口数は一定で０．２５であるから、この開口数に適した実質的焦点深度を与える最適球面収差値があることが説明できた。

以下に本発明の実施例を、図１２を用いて詳細に示す。

図１１は本発明の実施例の代表的な事例である。ヒートシンク機能を有するＬＥＤマウント１に一次元方向に並べて取り付けられたＬＥＤ２より発した照明光３は、開口絞り４により制限される。

この際、ＬＥＤ２の実装ピッチは本発明の実施例では２７ｍｍとしているが、より高い照度が求められる照明系が必要な際は、より短い間隔で多数のＬＥＤを実装しても構わない。照明用途により、求められる照明光の平坦性は事なるので、それぞれの場合において、光線追跡によりシミュレーションを行い実装ピッチの最適化を行えば良い。

ＬＥＤ２と開口絞り４、開口絞り４と円筒レンズ５の間隔は機構部材によって最適な間隔に固定される。

開口絞り４を透過した照明光３は間隔調整スペーサ６によって好適なレンズ間隔を維持された1対の円筒型色消しレンズ５によって、円筒面内方向に等倍結像され、線状照明光７を得る。

ＬＥＤ２の実装位置精度に関し、一次元スキャナー用途として本発明の実施例である照明装置を用いる際は、線状照明光７の直線性に影響を及ぼすので、実装の際精密な位置決が必要である。本発明の実施例図１２では、特に図示していないが、実装機の画像処理による位置合わせを用いて精密実装を行っている。ＬＥＤを実際に点灯させ、その結像位置をアクティブに制御をおこなう様、ＬＥＤ２近傍に補正光学系を設置しても構わない。

円筒面と垂直方向の光線に関しては、ＬＥＤ２の放射角分布を有したまま放射される。
図１に示す通り、一般にＬＥＤの放射角分布は広く、放射距離が遠くなればその中心部付近の均一性は比較的高い。本発明の実施例では、ＬＥＤ２の有する図１の放射角分布を知り、±１２°のフラットな放射角分布の範囲内でＬＥＤ２のピッチを決定している。

一対の色消し円筒レンズ４は夫々、クラウンガラスを光源側に配置し、球面収差を前述の通り意図的に発生させている。本発明の実施例である図１２では有効開口数がＮＡ０．２５（Ｆ＝２）である。無収差時の幾何光学的な焦点深度は２Ｆδで表される事から、光源サイズが１ｍｍ角であるので等倍結像時のδ＝１ｍｍとすると焦点深度は上式より４ｍｍとなる。図５の光学系を用いた本発明の実施例図１２では、前述の通り球面収差を有効に用いる事で、線状照明光７の実質焦点深度を９ｍｍまで拡げる事を可能としている。

１ＬＥＤマウント
２ＬＥＤ
３ＬＥＤより照射された照明光
４開口絞り
５円筒レンズ
６間隔調整スペーサ
７線状照明光

Claims

白色ＬＥＤのような高輝度インコヒーレント光源ないしはレーザのようなコヒーレント光源を用いて高照度の線状照明を行うために、円筒レンズの一次元等倍結像を用いた照明装置
請求項１に記載の円筒レンズで、とくに白色ＬＥＤ光源に好適な色消し接合円筒レンズで、クラウン・フリント接合レンズのクラウン側レンズの曲率半径が対称型になっている照明装置
請求項２に記載の円筒レンズを高開口数化するため、請求項２に記載の色消し円筒レンズを複数個用いたことを特徴とする照明装置
請求項３に記載の複数個の色消し円筒レンズの向きを、いずれもクラウンレンズを一方向に揃えることによって、球面収差を制御し、その火線によって、照明系の実質的焦点深度を深くしたことを特徴とする照明装置
請求項１〜５に記載の照明装置を搭載した、露光装置、半導体欠陥検査装置、液晶欠陥検査装置、投影プロジェクター、原稿照明装置、画像読み取り装置