JP2014216085A - 照明装置 - Google Patents
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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。
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/e2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。
(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。
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/e2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
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/x2
で表され、式(1)から像上の全光束Φ´は
式(4)
Φ’=τΦ
式(3)
E=Φ/x2
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/m2E
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。
式(5)E´=Φ´/x´2=τΦ/(mx)2
=τ/m2E
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300×106
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/mxmyE 但しmy>>mx
として考えることにする。式(6)より、円筒レンズ系の倍率mx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。
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/mxmyE 但しmy>>mx
として考えることにする。式(6)より、円筒レンズ系の倍率mx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mx=1に選ぶ。このとき円筒レンズを焦点距離fxの薄肉レンズで近似すると、光源距離は2fx、像面距離(焦線位置)も2fx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fx=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fx=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fx=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my=1,100と計算される。
これより、式(6)でy方向の倍率my=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。
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。
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。
1 LEDマウント
2 LED
3 LED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
2 LED
3 LED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 (5)
- 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
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013090206A JP2014216085A (ja) | 2013-04-23 | 2013-04-23 | 照明装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013090206A JP2014216085A (ja) | 2013-04-23 | 2013-04-23 | 照明装置 |
Publications (1)
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Family
ID=51941695
Family Applications (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016158886A1 (ja) * | 2015-03-30 | 2016-10-06 | コニカミノルタ株式会社 | 照明用光学ユニット及び照明装置 |
-
2013
- 2013-04-23 JP JP2013090206A patent/JP2014216085A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2016158886A1 (ja) * | 2015-03-30 | 2016-10-06 | コニカミノルタ株式会社 | 照明用光学ユニット及び照明装置 |
JPWO2016158886A1 (ja) * | 2015-03-30 | 2018-03-15 | コニカミノルタ株式会社 | 照明用光学ユニット及び照明装置 |
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