(57)【要約】基板５０上に密集して配置された半導体光源５２、例えばＬＥＤ、レーザダイオード、またはＶＣＳＥＬのマイクロアレイによって高強度光源４６が形成され、少なくとも５０ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度の電力出力が実現する。半導体装置は通常、基板上の導電性パターンに対する接合処理によって接着され、マイクロプロセッサ制御電源によって駆動される。光学系要素５８をマイクロアレイを覆うように配置し、出力ビームの指向性、強度、及び／または、スペクトル純度を高めることができる。光モジュールは、例えば、蛍光発光、検査及び測定、光重合、イオン化、殺菌、屑除去及び他の光化学作用による処理に使用できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光モジュールであって、
表面に配置された固体発光装置のアレイに電力を供給する駆動回路を有し、ヒートシンクに熱結合された基板を備え、
前記モジュールが少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ2の光出力濃度を生成することを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記固体発光装置がＬＥＤ、ＶＣＳＥＬまたはレーザダイオードであることを特徴とする発光モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記基板が熱伝導物質を備え、かつ前記駆動回路を支持することを特徴とする発光モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の発光モジュールにおいて、
前記基板がセラミック、半導体、ガラス、またはサーマルビアを有する誘電体のいずれかから生成されることを特徴とする発光モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記基板が、モジュールの光出力効率を高めるための反射コーティングを備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項６】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記モジュールが、少なくとも１００個の固体発光装置を備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項７】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
電気エネルギから光エネルギへの変換効率が１０％以上であることを特徴とする発光モジュール。
【請求項８】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記ヒートシンクが冷却手段に関連づけられていることを特徴とする発光モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載の発光モジュールにおいて、
前記冷却手段が前記ヒートシンクの温度を制御する温度センサを備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項１０】
請求項１に記載の発光モジュールであって、
前記固体発光装置の１つ以上に関連する駆動回路の電圧、電流、パルス幅、及び／または、プロファイリングを制御するコントローラをさらに備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項１１】
請求項１に記載の発光モジュールであって、
ＬＥＤ（発光装置）に結合されて所定波長の光を光学的に透過する光学要素を少なくとも１つさらに備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載の発光モジュールにおいて、
前記少なくとも１つの光学要素が、光出力のスペクトルフィルタリングを行うことを特徴とする発光モジュール。
【請求項１３】
請求項１１に記載の発光モジュールにおいて、
前記少なくとも１つの光学要素が、光出力の強度を１つ以上の軸において集束する、及び／または、光学的に増大させる光学的反射、透過、屈折、及び／または、回折光学要素のレンズマイクロアレイを備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項１４】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記モジュールが、目標表面に関して光出力を制御する手段を備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項１５】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
制御手段が、目標物質に関して光出力の平均化を行うことができることを特徴とする発光モジュール。
【請求項１６】
請求項１１に記載の発光モジュールにおいて、
前記少なくとも１つの光学要素が光学的に透過性であり、光学コーティングを有して光出力を所定の手段で修正することを特徴とする発光モジュール。
【請求項１７】
請求項１１に記載の発光モジュールにおいて、
前記固体発光装置と前記少なくとも１つの光学要素との間に密封状態で配置された透過性気体をさらに備え、
前記気体が前記固体発光装置、前記基板、及び／または、前記少なくとも１つの光学要素に光学的に整合されて透過損失を最小化することを特徴とする発光モジュール。
【請求項１８】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記モジュールが約４２５ｎｍ未満の波長で光を出力することができることを特徴とする発光モジュール。
【請求項１９】
所定の目標物質において所定の物質変換を誘導し、請求項１に記載の発光モジュールを含むシステムにおいて、
前記モジュールが前記目標物質における所望の物質変換を生じさせるのに十分な電力を出力できることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１９に記載の発光モジュールにおいて、
出力波長が約４００ｎｍ未満であって、少なくとも１つの光学要素が、光出力を約５度未満にコリメートする反射、屈折または回折マイクロレンズアレイを備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２１】
請求項１９に記載のシステムにおいて、
フォトリソグラフィー処理を実行することができることを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記アレイの固体発光器は、中心間を３ミリ以下隔てた間隔で配置されていることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２３】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記モジュールが目標物質に対して移動可能に支持体上に配置され、前記目標を照射する光出力の均一性を高めることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２４】
請求項２３に記載の発光モジュールにおいて、
前記モジュールが、目標を照射する光出力が目標領域の少なくとも約９０％をカバーするように目標に対して配置されていることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２５】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記駆動回路が、固体発光装置に対して直列または並列で、レーザトリミングによりアレイの光出力の均一性を高めることができるパッシブコンポーネントを備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２６】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記固体発光装置が、スペクトルの赤、緑、及び青の領域を表す波長を出力することを特徴とする発光モジュール。
【請求項２７】
請求項２６に記載の発光モジュールにおいて、
前記駆動回路が、赤、緑、及び青色それぞれの発光器が１００ミリ秒未満のあいだ別々にオンされ、パルス駆動されることを可能にすることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２８】
請求項２６に記載の発光モジュールを含む投影システムにおいて、
各色の波長に対する１つ以上の固体発光装置の出力が、８００ルーメンより大きいことを特徴とする投影システム。
【請求項２９】
請求項１に記載の発光モジュールを含み、２次発光を誘導するシステムにおいて、
前記モジュールが約４００ｎｍ未満の波長で光を出力でき、前記モジュールが約１０ｍＷ／ｃｍ2より大きい出力濃度を出力でき、かつ前記モジュールが、検査、測定、または物質分析の用途において、目標物質の蛍光発光または燐光発光を誘導することができることを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項２９に記載のシステムにおいて、
第１の目標物質における蛍光発光または燐光発光を利用して第２の目標物質の特性を照明、殺菌、検査または測定することができることを特徴とするシステム。
【請求項３１】
請求項１に記載の発光モジュールを含む殺菌システムにおいて、
前記モジュールが、目標物質上に配置される望ましくない微生物の再生能力の消滅または損失を生じさせるスペクトル範囲の光を出力できることを特徴とする殺菌システム。
【請求項３２】
請求項１に記載の発光モジュールを含む半導体物質検査システムにおいて、
固体発光装置が、約１０５０ｎｍから約２．５ｕｍの赤外線領域において光を発光できることを特徴とするシステム。
【請求項３３】
請求項１に記載の発光モジュールにおいて、
前記駆動回路がプログラム可能な電力源を備え、固体発光装置を制御して、モジュールに供給する動力の順序づけ、均衡、またはその他の調整を行うことを特徴とする発光モジュール。
【請求項３４】
発光モジュールであって、
基板を有し、前記基板が、基板上に配置されたＬＥＤのアレイに動力を供給する駆動回路を有し、
前記ＬＥＤが中心間を約３ｍｍ以下隔てた間隔で配置されていることを特徴とする発光モジュール。
【請求項３５】
請求項３４に記載の発光モジュールにおいて、
ヒートシンクが前記基板に熱により結合されていることを特徴とする発光モジュール。
【請求項３６】
請求項３５に記載の発光モジュールにおいて、
少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ2の電力を出力可能なことを特徴とする発光モジュール。
【請求項３７】
請求項３６に記載の発光モジュールであって、
前記モジュールを封入し、前記ＬＥＤから発光した光が透過するためのウィンドウを含む、ハウジングをさらに備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項３８】
請求項３７に記載の発光モジュールにおいて、
前記アレイの１つ以上のＬＥＤに関連する駆動回路の電圧、電流、パルス幅、及び／または、プロファイリングを制御するコントローラをさらに備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項３９】
請求項３８に記載の発光モジュールであって、
前記モジュールに関連する温度制御手段をさらに備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項４０】
請求項３９に記載の発光モジュールにおいて、
前記温度制御手段が温度センサを備えることを特徴とする発光モジュール。
【請求項４１】
請求項１または３４に記載の発光モジュールにおいて、
前記駆動回路が、１つ以上の発光器が１００ミリ秒未満のあいだ別々にオンされ、パルス駆動されることを可能にすることを特徴とする発光モジュール。
【請求項４２】
目標物体を照射する方法であって、
ヒートシンクに熱結合された基板であって、前記基板に表面配置された固体発光装置のアレイに動力を供給する駆動回路を有する基板を設け、モジュールが少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ2の光出力濃度を生成し、
モジュールから発光した光が前記目標物体の表面に照射されるようにモジュールを作動させることを特徴とする方法。
【請求項４３】
目標物体を照射する方法であって、
基板を設け、前記基板が、前記基板上に配置されたＬＥＤのアレイに動力を供給する駆動回路を有し、前記ＬＥＤが、中心間を約３ミリ以下隔てた間隔で配置され、
モジュールから発光した光が前記目標物体の表面に照射されるようにモジュールを作動させることを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項４２または４３に記載の方法において、
前記発光した光が、所定の目標物体における物質変換を誘導する所定の波長であることを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項４２または４３に記載の方法において、
前記目標物体が半導体物体、液晶アレイ、ステンシル、ハイブリッド回路、電子部品、または回路基板であることを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項４２または４３に記載の方法において、
前記発光した光が、目標物体の表面を殺菌するための選択された波長であり、前記光が、所望の程度の殺菌を実現するのに十分な時間のあいだ発光されることを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法において、
殺菌される目標物体が食料品、空気またはガス、水または生物学的物質、または生物学的物質に関して機能を処理または実行するための手段であり、前記物質変換が、前記目標物体上に配置される望ましくない微生物の再生能力の消滅または損失を生じさせることを特徴とする方法。
【請求項４８】
請求項４２または４３に記載の方法において、
前記物質変換がイオン化反応であることを特徴とする方法。
【請求項４９】
請求項４２または４３に記載の方法において、
前記物質変換が前記目標物体の光アブレーションを生じさせることを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項４２または４３に記載の方法において、
前記物質変換が所定の化学的または生物学的処理の開始、終了、加速、または減速を生じさせることを特徴とする方法。
【請求項５１】
請求項４２または４３に記載の発光モジュールにおいて、
前記分子変換が前記目標物体における分子の光化学分離または分解であることを特徴とする発光モジュール。
【請求項５２】
請求項４２または４３に記載の方法において、
前記発光した光を使用して目標物体を検査し、前記発光した光が所望の検査を実行するのに十分な波長であることを特徴とする方法。
【請求項５３】
請求項５２に記載の方法において、
半導体ベースの装置または他の電子部品の組み立てまたは検査において実行されることを特徴とする方法。
【請求項５４】
５０ｍＷ／ｃｍ2以上の光出力濃度を要求する処理を実行する方法であって、
ヒートシンクに取り付けられた基板であって、均一の主波長の光出力を生成する密集した形状で前記基板上に配置された固体発光装置のアレイに動力を供給する導電性駆動回路を有する基板を設けることを特徴とする方法。
【請求項５５】
固体発光モジュールにテストを行う方法において、
前記固体発光モジュールが、
ヒートシンクに取り付けられた基板であって、５０ｍＷ／ｃｍ2以上の光出力濃度を要求する処理を実行するための均一の主波長の光出力を生成する密集した形状で前記基板上に表面実装されたパッケージされていない固体発光装置のアレイに動力を供給する導電性駆動回路を有する基板を含み、
マシンビジョン技術を利用して、各固体発光装置の光出力の強度及びモジュール全体の光出力の均一性を測定することを特徴とする方法。
【請求項５６】
発光モジュールの製造方法において、
基板を設け、前記基板をヒートシンクに熱結合し、前記基板が固体発光装置のアレイの表面に動力を供給する駆動回路を有し、
前記基板上に前記発光装置のアレイを配置し、前記発光装置のアレイが少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ2の光出力濃度を生成することを特徴とする方法。
【請求項５７】
発光モジュールの製造方法において、
ＬＥＤのアレイに動力を供給する駆動回路を有する基板を設け、
ＬＥＤのアレイを前記基板上に配置し、前記ＬＥＤが中心間を約３ミリ以下隔てた間隔で配置されることを特徴とする方法。
【請求項５８】
光出力を生成して種々の用途の処理を実行するシステムにおいて、
表面配置された固体発光装置のアレイに動力を供給する駆動回路を有し、ヒートシンクに熱結合された基板を備え、
モジュールが少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ2の光出力濃度を生成することを特徴とするシステム。
【請求項５９】
光出力を生成して種々の用途の処理を実行するシステムにおいて、
基板であって、前記基板上に配置されたＬＥＤのアレイに動力を供給する駆動回路を有する基板を含み、前記ＬＥＤが中心間を約３ミリ以下隔てた間隔で配置されることを特徴とするシステム。
【請求項６０】
光の出力を生成して目標物質に物質変換処理を行う装置において、
ヒートシンクに熱結合された基板であって、前記基板に軸に沿って表面配置された固体発光装置のアレイに動力を供給する駆動回路を有する基板を備え、
モジュールが少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ2の光出力濃度を生成することを特徴とする装置。
【請求項６１】
光の出力を生成して目標物質に物質変換処理を行う装置において、
基板であって、前記基板上に配置されたＬＥＤのアレイに動力を供給する駆動回路を有する基板を備え、前記ＬＥＤが中心間を約３ミリ以下隔てた間隔で配置されることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００２年５月８日出願の、「高効率固体光源及び目標物質における分子変換のための使用」（“High Efficiency Solid-State Light Source And Use For Molecular Transformations In A Target Material”）と称する同時係属中の米国仮出願第６０／３７９，０１９号の優先権を主張する。上記仮出願の全開示を、すべての目的のためにその全体が記載されるかのように、本願の一部としてここに援用する。
【０００２】
本発明は、さまざまな製造及び商業的用途において種々の機能を実行するために十分な放射光濃度を有する固体光源に関する。
【背景技術】
【０００３】
種々の異なる高圧アークランプ（例えば、ハロゲン化金属、水銀、ハロゲン）及びその他の高強度の光源が、例えば、投影、照明及び表示、検査、化学または生物的プロセスの開始、画像再生、蛍光発光、露光、滅菌、感光性ポリマー重合化、照射及びクリーニングなどを含む多くの商業及び産業の応用分野で使用されている。上記の各用途において、高照射バルブが高強度で広いスペクトルの非干渉性光の出力を生成し、この光がフィルタリングされ、複雑な光学系の使用によって空間的に修正されることにより、所望の用途に適した強度及び空間特性を備える、紫外線（ＵＶ）などの狭帯域の光が発する。しかしながら、従来の高強度光源には、以下の例に示すような多くの問題がある。
【０００４】
紫外線（ＵＶ）は、多くの産業における多くの製造用途に使用される効果的な手段である。例えば、ＵＶ光は、感光性ポリマー重合化、種々の処理、例えばプリントに広く使用される処理、リソグラフィ、コーティング、接着剤、半導体及び回路基板の製造に使用される処理、出版及び梱包に使用されている。さらに、ＵＶ光は、その高い光子エネルギのため、検査及び測定タスク、クリーニング処理及び滅菌のための蛍光発光を含む、分子励起、化学的開始及び分離処理においても有用であり、電子工学、医学及び化学産業などの多くの産業分野で使用されている。しかしながら、これらの用途に使用される従来の光源の効率及び寿命は極めて低い。例えば、８０００Ｗの紫外線ランプ光源（フィルタリング後）がポリマーレジストの露光に使用されるが、この光源は、処理に要求されるスペクトルの範囲において７０Ｗのパワーしか供給できない。したがって、より効果的な光源が求められている。
【０００５】
ＬＥＤやレーザダイオードなどの半導体光源のアレイは、高圧光源より効率が良く、ランプ及び他の高強度光源に優る利点がある。例えば、このような半導体光源のアレイは、高強度光源に比べて４倍から５倍の効率を有する。半導体光源アレイの他の利点として、高強度光源に比べてはるかに高いレベルのスペクトル純度が生成できること、このようなダイオードに関連する電圧及び電流が高強度光源に関する電圧及び電流に比べて低いため、高強度光源に比べて安全であること、パッケージの要件がより小さいので、高い出力濃度が実現できることなどがあげられる。
【０００６】
しかしながら、従来技術には、さまざまな応用に適合可能な、及び／または、さまざまな応用に要求される高い出力濃度を提供できる半導体光源を開示しているものはない。
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、種々の用途に適合でき、及び／または、比較的高い出力濃度の出力を有する固体光源を提供することにより、従来技術における問題を解決する。例えば、本発明は、物質変換（material transformation）、投影及び照明の用途に使用できる。本発明の特定の効果は、固体発光器の独自のアレイにより得られる。すなわち、固体発光器は、高強度の出力電力を生成できる、密集した形状に配置されている。本発明以前には、このような高強度の出力生成には、非効率的な高強度ランプ、及び／または、高価で複雑なレーザか固体デバイスが必要であった。
【０００８】
本発明の装置は、約５０ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度を、かかる出力濃度を要求するいかなる用途に対しても生成することができる。本発明の装置を使用して、約５０ｍＷ／ｃｍ2から６０００ｍＷ／ｃｍ2の範囲内の出力濃度を生成することができる。本発明の装置は、それぞれが光学出力濃度、波長、光学系、駆動回路及び熱伝導などの異なる要件を有する可能性がある、さまざまな用途に対して異なる構成にしてもよい。例えば、装置が駆動回路を含み、特定の用途のための出力濃度を得るために必要な電力を供給してもよい。さらに、装置は、特定光波長が要求される用途、例えば、蛍光発光撮像（fluorescent imaging）またはバックサイド半導体ウェーハ検査などに対して異なる光学系を含んでもよい。
【０００９】
好ましい一実施形態では、本発明は、多数のＬＥＤチップが空間的に密集した配置で設けられた熱伝導性基板を有し、物理的処理を実施する、及び／または、投影、及び／または、照明の用途において利用できる十分な強度で照明を行う固体光モジュールを提供する。本発明の固体光源を利用して、例えば、投影、露光、硬化、滅菌、クリーニング及び物質除去（アブレーション）（material ablation）などの領域におけるさまざまな用途の機能を実行することができる。固体光源は、上記の各用途ならびに効率的な光の生成を要求する他の用途に対し、高い効率、スペクトル純度、出力濃度及び空間特性を実現する。
【００１０】
本発明は、独立型の固体光源を提供するため、多くの従来装置に必要であった複雑な光学的結合機構が不要である。さらに、本発明の固体光源は、光出力を最適化し、小型でコスト効率が良いＬＥＤプロジェクタシステムの設計において効果的である。
【００１１】
上記の実施形態及び特性は、例示的な目的でのみ示されたものであり、本発明を限定するものではない。よって、当業者であれば、前記の教示の範囲から他の実施形態が理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、高濃度電力出力を要求する種々の用途における作用を実行することができる固体光源として機能する発光モジュールを提供する。本発明の装置は、高強度電力出力を生成する固体発光器のチップオンボードアレイを含み、さらに、種々の用途に要求される熱伝導、駆動回路、光強度、スペクトル純度、空間均一性、及び指向性を含む。かかる用途は、一般に、約５０ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度を要求する。ほとんどの用途において、一般に、約５０ｍＷ／ｃｍ2から約６０００ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度が要求され、本発明によってこの範囲の電力出力を提供することができる。ただし、本発明の発光モジュールを約６０００ｍＷ／ｃｍ2 以上の出力濃度を要求する用途において使用することもできる。約５０ｍＷ／ｃｍ2から約６０００ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度を要求する用途には、以下を含む：検査処理のため、及び光を投影して制御するディスプレイ及びプロジェクタのための照明を提供する投影の用途；イメージングの用途、例えばリソグラフィ、プリント、フィルム、及び画像再生、及び画像を転送する他の用途；物質変換の用途、例えば、化学的または生物学的処理の開始、光重合（コーティング、接着剤、インクの硬化、及びパターン生成のための感光性ポリマーのリソグラフィック露光を含む）、クリーニング、滅菌、イオン化、及びアブレーション（光を用いた物資の除去）。
【００１３】
本発明の発光モジュールは、商業的に入手可能な光源から選ぶことができる、または各使用の用途に必要な波長及び光強度を生成すべく構成することができる、固体発光器のアレイを含む。ここで使用される「固体発光器」という用語は、ホールと電子の再結合によって電気エネルギを放射光に変換する任意の装置を意味する。固体発光器の例には、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザダイオード、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：vertical cavity surface emitting laser）、ポリマー発光ダイオード、及びエレクトロルミネッセンス装置（すなわち、固体蛍光体に交流電界が印加されて、電気エネルギを光に変換する装置）を含む。以下の説明では、固体発光器の例として、ＬＥＤを使用する。
【００１４】
ＬＥＤは、以下に説明するように、基板上に密集したアレイとして配置される。チップアレイの密度、すなわち基板上のチップ同士の間隔は、意図される使用の用途に応じて変わる。意図される使用の各用途は、使用されるチップの出力に応じて、基板上のチップの間隔（密度）に基づき実現可能な異なる出力濃度を要求する。以下の表１は、１２ｍＷ及び１６ｍＷのチップを使用した異なるチップアレイ密度または間隔によって実現可能な出力濃度の例を示す。例えば、基板上に４９４チップ／ｃｍ2（２２チップ／ｃｍ）の密度で形成された１２ｍＷのアレイは、５０３７ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度の出力を生成する。このような出力濃度は、約３００ｎｍから約４００ｎｍの光波長を用いるクリーニングの用途に必要とされる場合がある。より高い出力濃度の出力を要求するクリーニングの用途に対しては、約１６ｍＷのチップを上記と同じ密度で形成したアレイが、６７１６ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度の出力を生成する。ＬＥＤ、ＶＣＳＥＬ、及びレーザダイオードなど、個々にパッケージされた従来技術の半導体は、通常、中心間を４ｍｍ以上隔てたピッチで配置されるが、本発明では、装置を約３ｍｍ以下、より一般的には約１ｍｍから約２ｍｍの中心間のピッチで配置することにより、出力濃度における大幅な増加が予期せず達成される。なお、ここに開示する教示に関し、他の出力濃度、他の波長、及び他の装置間隔が可能であり、装置の将来的な利用可能性によってのみ限定される。ここでは、固体発光器の密集したアレイとは、複数の固体発光器が中心間を約３ｍｍ以下隔てた間隔でアレイに配置されて好ましくは少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度の出力を提供することと定義される。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
図１には、本発明の固体発光モジュール１０の基本構造が示され、複数の固体発光器、例えばＬＥＤチップ１２が基板１４上に密集したアレイとして実装され、あるいは配置されている。種々のＬＥＤチップが、可視光または不可視光のスペクトル範囲で商業的に入手可能であり、当業者は意図する使用に応じてＬＥＤチップを選択できる。物質変換、例えば硬化の用途に適するＬＥＤチップの一例が、米国ノースカロライナ州ダーラム市のクリー社により製造されるＰ／ＮＣ３９５−ＸＢ２９０−Ｅ０４００−Ｘである。モジュール１０は電源１６に接続され、電源１６がＬＥＤチップ１２に電力を供給して所望の処理を行うための波長及び強度の光出力が生成される。基板１４上のＬＥＤチップ１２の間隔または密度は、所望の処理の出力濃度要件によって決定する。例えば、上記の表１より、約２４１２ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度の出力を得るためには、ＬＥＤチップ１２を平方メートル当たり２３７の密度（２３７ＬＥＤチップ／ｃｍ2）を有するアレイに実装または配置しなければならないことがわかる。熱制御のため、基板１４は好ましくはヒートシンク１８上に取り付けられる。基板１４は、以下に説明するように、種々の材料から製造できる。ヒートシンクは、任意の熱伝導材料、例えばアルミニウムで作ることができる。ここで記載される個別ＬＥＤチップは、基板に表面実装してもよいし、基板上に形成してもよい。ただし、多数のＬＥＤアレイを単一の集積回路ダイとして提供してもよい。このようなダイを数個ハイブリッド回路アレイとして配置することにより、より大型のＬＥＤアレイを組み立てることができる。
【００１７】
図２には、物質変換処理に使用可能な出力濃度の出力を生成できる固体発光モジュール２０の可能な一例がさらに示されている。モジュール２０は、基板２４上に密集したアレイ２６上に取り付けられた複数の固体発光器、例えばＬＥＤチップ２２を含み、物質変換処理を行うための高出力濃度の出力を生成する。アレイ上に構成されて物質変換処理を実現可能な波長を生成し、約５０ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度の出力を生成するＬＥＤチップが商業的に入手可能である。当業者は、ＬＥＤチップを、特定の物質変換用途のためのその波長出力に応じて選択できる。上述のように、ＬＥＤチップ２２の間隔または密度は、物質変換処理の出力濃度要件に依存する。基板２４は、電気的絶縁体として機能することもでき、熱伝導性であり、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ダイアモンド、または酸化ベリリウム（ＢｅＯ）などのセラミック材料、ＧａＡｓ、Ｓｉまたは熱伝導のためのサーマルビア（thermal vias）または金属層を用いる積層ベースまたはその他の基板などの半導体材料で製造することができる。以後、熱伝導性の基板とは、これらの材料の任意の１つで製造されたものをいう。導電回路パターン２８が、基板２４の一表面上に形成されている。導電回路パターン２８は、導電性材料、例えば銅、パラジウム、金、銀、アルミニウムまたはこれらの合金または層でできている。ＬＥＤチップ２２は、半田、導電性接着剤または他の既知の金属結合技術によって基板２４に取り付けられ、ワイヤ３０などの適当な導電リードによって回路パターン２８に電気的に接続されている。あるいは、ＬＥＤチップ２２を基板２４に直接形成してもよい。
【００１８】
ワイヤ３０は、ワイヤボンディング、フリップチップ、表面実装または他の結合技術を含む、任意のワイヤボンディングまたは電気接合技術によって、回路パターン２８を介してＬＥＤチップ２２及び基板２４に接続されている。回路パターン２８は、厚膜または薄膜パッシブコンポーネント３２への接続を含んでもよい。厚膜コンポーネント３２をレーザトリミングして、アレイ２６全体で均一な光強度を実現することができる。電源３４が設けられ、回路パターン２８に接続されてＬＥＤチップ２２に電力を供給する。電源３４をコンピュータコントローラ３６に接続し、またはコンピュータコントローラ３６によって制御し、ＬＥＤチップ２２が可変の回数または強度でオンオフまたはパルス駆動できるようにしてもよい。少なくとも１つの温度センサ３７を、回路パターン２８またはモジュールの他の要素（aspect）に既知の任意の方法で接続し、基板２４またはモジュールの他の要素の温度をモニタしてもよい。センサ３７を制御回路を介して電源に接続し、モジュール２０の過熱を防ぐことができる。一般に、温度の閾値は約８０℃である。よって、温度センサ３７からの入力を使用して、リアルタイムの原位置での（in-situ）温度制御が提供できる。基板２４をヒートシンク３８に取り付けるか、あるいは基板をヒートシンクに熱結合させることにより、所望であれば、熱安定性及び熱拡散を実現できる。
【００１９】
空間的指向性、均一性及びスペクトルフィルタリングの光学特性が、所望であれば、光学要素４０によって実現可能である。光学要素４０は、屈折または回折部品のマイクロレンズアレイまたは他の光学的再指向技術、ならびにスペクトルフィルタリングを含んでもよい。ＬＥＤチップ２２からの光出力４２を、集束、コリメート、及び／または、均一化することができる。必要条件ではないが、基板２４と光学要素との間に形成される間隙または空間４４に密封された気体、液体、または透明重合体の屈折率を一致させることで光学的効率を実現してもよい。適当な屈折気体は当業者に既知であり、ヘリウム、窒素、アルゴンまたは空気を含んでもよい。気体は熱拡散をさらに向上させることができる。光学的効率は、基板２４に反射表面コーティングを付加することにより、または光学要素４０に既知の薄膜コーティングを付加することによっても向上できる。
【００２０】
図３に、密封された空冷ＬＥＤチップアレイによって、加工物体４８、例えばＣＤ／ＤＶＤ記憶媒体のコーティングを硬化することができる固体光装置４６の可能な一例が示されている。硬化処理を実行するために、装置４６は、約３００ｎｍから約４００ｎｍの間の波長の光を、約３０から約２００ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度で提供することができる。装置４６は、基板５０を含む。基板５０は、上記の任意の材料で製造できるが、セラミックまたはアルミナで製造されるのが好ましい。ＬＥＤチップ５２のアレイが基板５０上に配置され、加工物体４８よりわずかに大きい光パターンを生成する。このように大きい光パターンにより、加工物体４８の端部において、下方に向かう適切なエッジ硬化が保証される。基板５０は、モジュールハウジング５４内に封入または取り付けられてもよい。結合剤５６を用いて、基板５０をハウジング５４に取り付けることができる。結合剤５６は、既知の商業的に入手可能な接着剤から選択できる。結合剤５６は、熱伝導特性を有するものが好ましい。ハウジング５４は、加工の容易な金属から製造でき、熱放散に対して優れた熱伝導体である。ガラスまたはプラスチック製のウィンドウ５８が、モジュールハウジング５４に形成されることにより、ＬＥＤチップ５２によって生成された光が、このウィンドウを通過して加工物体４８まで届く。ウィンドウ５８は、高光透過性環境シール６０によってモジュールハウジング５４に封止されている。シール６０は、任意の商業的に入手可能な接着シールでよい。端子６２が基板５０上に取り付けられまたは形成され、モジュールハウジング５４の絶縁体６８に取り付けられた応力除去電気接続部６６を介して電源６４に接続されている。オプションの温度センサ７０がさらに基板５０に設けられ、端子７２及び絶縁体７４を介して温度センサ読取り回路７６に接続されている。温度センサ読取り回路７６は電源６４に接続され、ＬＥＤチップ５２が過熱するのを防ぐ。モジュールハウジング５４は、任意のコネクタ、例えばネジ（図示せず）により、ヒートシンク８０に取り付けられる。ヒートシンク８０は、任意の熱伝導材料、例えばアルミニウムなどからできた複数のフィンを有することができる。ファン８２をヒートシンク８０に接続し、ファン８２によって周囲空気が取り込まれ、ヒートシンク８０を通過して吹きぬけさせることができる。その後、加熱された空気はモジュール４６の外に搬送される。硬化の多くが、約３９５ｎｍの光波長で行われる。ＬＥＤチップ５２は、好ましくは、意図される使用の硬化用途において硬化剤を活性化させる範囲に対応する範囲で光出力を生成する。ＬＥＤチップ５２をパルス駆動してその出力強度を高め、特定硬化用途のための約４００ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度を実現することができる。ただし、他の硬化用途では、別の光波長及び別の出力濃度の出力が要求される場合がある。
【００２１】
図４から図６には、インライン物質変換の用途、例えばインクまたはコーティングの硬化などの高強度表面修正、またはイメージ露光の用途のために、複数の固体光モジュールを光バー８４に組み込んだ実施形態が示されている。例えば、インターナショナルインク社（International Ink Co.米国ジョージア州ゲインズヴィル）製の低粘度紫外線硬化インク（Low Viscosity Ultraviolet Curing Ink）は、約３５０ｎｍから約４００ｎｍの波長を用いて約２００ｍＷ／ｃｍ2で反応する。光バー８４は直線状またはアレイ状に並んだ複数のモジュールを含み、軸Ｘに沿って延びている。光バー８４は好ましくは軸Ｙに沿って、目標または加工物体に対して移動することにより、光の出力８８が加工物体８６に対して処理を行うことができる。なお、図示されないが、光バー８４をサポート上に取り付け、光バー８４を加工物体上で移動させてもよい。
【００２２】
加工物体８６に対して光バー８４を移動することにより光の均一性が高まる。これは、この移動によって、光出力８８がＹ軸に沿って加工物体８６全体に均一に広がるためである。Ｘ軸に沿った光の均一性を高めるには、光バー８４を同様にＸ軸方向に移動し、Ｘ軸に沿って光出力８８を拡散させればよい。光出力８８は、例えば振動などにより、光バー８４をＸ及びＹの両軸に沿って移動することにより平均化できる。さらに、光平均化光学素子、例えば拡散器（diffuser図示せず）を光バー８４に組み込んでもよい。さらに、複数の固体光モジュールを、これらが接合される境界線が加工物体８６において目立たないように、角度をつけて配置してもよい。光バー８４は種々の形状を有することができ、それが使用される処理の目的を達成するために必要な任意の移動手段によって移動が可能である。
【００２３】
図５及び図６に示されるように、光バー８４は、これに実装または配置された１つ以上の固体光モジュール９０を含む。各モジュール９０は、基板９４上に実装または配置されたＬＥＤチップ９２の密集したアレイを含む。ＬＥＤチップ９２は、処理の出力濃度に応じて、高密度アレイ状で、基板９０に表面実装またはワイヤ接着できる。各基板９４は好ましくは、上述のように、最適な熱移動材料によるプリント回路基板である。基板９４は、好ましくは良好な熱伝導性を有する接着剤９８によって、光バーハウジング９６に取り付けることができる。モジュール９０は、ＬＥＤチップ９２によって生成される光出力がウィンドウ８９を通過して加工物体８６に向けられるように取り付けられている。電源１００（図４）は、第１組のケーブル１０２によって電力を供給し、光バー８４のすべてのモジュール９０を一緒に、あるいは各モジュール９０を別々に駆動する。各基板９４は温度センサ１０４を含んでもよい。電源１００は、第２組のケーブル１０６によって各基板９４の温度を検出する。なお、第１組及び第２組のケーブル１０２、１０６は、簡略化して示されている。好ましくは、各モジュール９０が別々に制御できるように、各モジュール９０が固有の電力ケーブルの組を有する。各温度センサ１０４は、電源１００に接続された温度検出回路１０８に接続されている。パワーインバスバー（power-in bus bar）１１０及びパワーアウトバスバー（power-out bus bar）１１２が、光バー８４の電力入力及び出力接続部として機能する。
【００２４】
光バー８４の温度を制御するため、流体循環チャネルまたはコンジット１１４を使用して、冷却が必要な光バーの領域に流体を循環させてもよい。光バーハウジング９６は、アルミニウムまたは銅などの上部及び下部金属プレート１１６及び１１８を含み、これらの間に流体循環チャネルまたはコンジット１１４を配置し、光バーハウジング９６から熱が流体に移され、その後、流体が光バーハウジング９６の外に搬送されるようにすることができる。あるいは、光バーハウジング９６に複数のチャネル１２０（図６）を設け、冷却剤を第1のコンジット（図示せず）からこれらのチャネルを通過して供給し、冷却剤が光バーハウジング９６に直接接触し、第２のコンジット（図示せず）を通過して光バーハウジング９６から流出するようにしてもよい。これにより、冷却剤の乱流を発生させることができ、より大幅な熱移動が実現する。電源１０１（図４）は、温度及び許容できる光出力を検出することによって冷却剤を制御する。光バー８４は、好ましくは閉じたアセンブリであり、物理的衝撃または気相または液相のいずれかの汚染物に起因し得る周囲ダメージからモジュール９０を保護する。剛性カバー１２２が構造的な強度を提供しウィンドウ８９を保持する。ウィンドウ８９は、必要であれば、さらなるＵＶ光透過のためにコーティングしてもよい。図６に示すように、ＬＥＤチップ９２に近接して、またはＬＥＤチップ９２に関連づけて、少なくとも１つの光学要素１２４を設け、光出力８８をＺ軸に位置合わせしてもよい。光学要素１２４は、単一要素でも複数要素でもよく、各ＬＥＤチップ９２ごとに分離されていてもよいし、複数または多数のＬＥＤチップ９２に対して作用するように設計してもよい。
【００２５】
本発明の予想範囲である他の物質変換処理には、約３５０ｎｍから約４２５ｎｍの光波長であって、１００ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度の出力では３６５ｎｍがしばしば適当な波長である光に反応する少なくとも１つの物質を含む回路基板のためのレジスト露光を含んでもよい。基板は、流体冷却したヒートシンクを使用する、セラミックまたは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）でもよい。コリメート光学系マイクロアレイを利用して、光出力をコリメートしてもよい。ＬＥＤチップ、例えば上述のようにクリー社（Cree Inc.）製のＬＥＤチップは、パルス駆動しても連続駆動してもよく、約７００ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度の出力を得ることができる。クリーニング処理によっては、約３００ｎｍから約４００ｎｍの光波長範囲によって種々の有機物質が除去できるため、この範囲の光波長を使用してもよい。約３６５ｎｍの波長を使用し、約１００ｎｓｅｃ（ナノ秒）未満のパルスでＬＥＤチップをパルス駆動し、約５，０００ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度の出力を得ることにより、指紋（fingerprint resides）を半導体ウェーハから除去することができる。
【００２６】
図７には、単一波長のより高い強度が要求される用途、例えば半導体ウェーハ検査または蛍光発光審査などに対して、光源強度の光学的倍増（optical multiplication）を実現する、固体光装置１３０が示されている。ＬＥＤチップ１３２の密集アレイが、上述のように良好な熱特性を有する基板１３４に表面実装されている。アレイ状に構成されて検査処理を実行できる波長を生成し、約５０ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度の出力を生成するＬＥＤチップが商業的に入手可能である。当業者であれば、特定の検査用途のための波長出力に応じてＬＥＤチップを選択できる。基板１３４は、接着剤１３８によってヒートシンク１３６に取り付けられている。温度センサ１４０が基板１３４上に設けられ、上記のように、温度センサ回路１４２に接続されるとともに、コンピュータ制御される電源１４４に動作のために接続されている。電源１４４は、熱検出回路を備えるコンピュータコントローラ１４５により制御され、パワーインバスバー１４６及びパワーアウトバスバー１４８を介して基板１３４に接続されている。ヒートシンク１３６は、効率的に熱を除去するための任意の可能な形状にすることができ、熱を放出する複数のフィン１５４を備えて図示されている。周囲空気またはファン（図示せず）によって供給される空気流がヒートシンクフィン１５４の上方を流れ、装置１３０を冷却する。なお、エアヒートシンクが示されているが、図４から図６に示し、説明したように、装置１３０が流体管を有してヒートシンク１３６に冷却剤を搬入するとともに、加熱された流体をヒートシンクから排出することも可能である。さらに、ヒートシンク１３６は、ヒートパイプまたは熱電クーラ（thermal electric cooler）であってもよい。光学要素１５０及び１５２を、ＬＥＤチップ１３２と加工物体１５６との間に設け、光１５８を集束させて用途に必要な所望の強度を得るようにしてもよい。例えば、光学要素１５０及び１５２が光強度を５倍から１０倍まで高めることができる。光学要素１５０及び１５２は、既知の任意の集束レンズまたは増強光学系（intensifying optic）であってもよい。
【００２７】
電源１４４は、上述の他の電源のように、異なる用途に対して図８に示されるようなさまざまな出力波形を提供することができる。例えば、電源１４４は、回路基板のバックサイドウェーハ検査及びレジスト露光などの用途に対し、１．１及び１．２の符号で示した図に見られるように、異なる電流レベル（アンペア：ａｍｐｓ）で連続的に一定電圧を供給してもよい。さらに、電源１４４は、蛍光発光検査、ＣＤＲＯＭの硬化またはコーティング、及びクリーニングなどの用途に対し、図においてＣ，Ｄ，Ｅ及びＦで示される異なる時間オンオフ期間のパルス電力波形、及び／または、符号２．１及び２．２で示された図に見られるような電流レベル（ａｍｐｓ）を供給することもできる。図９に示されるように、リソグラフィシステム及びクリーニングなどの用途に対して、３．１，３．２、及び３．３の符号で示される図のような、異なる傾斜電流パルスが供給される。特定の機能を実現するために、ＬＥＤチップ１３２を、５０ｎｓｅｃ（ナノ秒）という低いパルス時間のあいだ、異なる周波数でパルス駆動してもよい。最大強度が要求される物質処理用途では、ＬＥＤなどの固体光装置を、例えば、その通常電流の３倍から５倍の電流で、短時間スーパーパルス駆動し（super pulsed）、より高い強度を得ることができる。傾斜パルス形状は、その用途に要求される以上に過度に固体光装置に応力を与えることがないため、より高い信頼性を得られる。さらに、物理的処理に一定時間を要する物質変換では、パルスの存続時間を処理要求に一致させることができる。
【００２８】
図１０には、５０ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度の出力を要求する検査用途のための、反射／透過光学素子を利用する高強度光源の別の実施形態が示されている。モジュール１６０からの光は、第１の光学素子１６２、例えば融合型の（fused）テーパ入れ子式レンズペアまたは他の光学素子によって集光される。モジュール１６０は、基板１６３に表面実装されたＬＥＤチップ１６１の密集したアレイを含む。光はさらに、第２光学素子１６６、例えば反射表面などを介して加工物体１６４に向けられる。蛍光発光検査の場合、モジュール１６０は、好ましくは、約３００ｎｍから約４００ｎｍの波長を有する光を生成する。第２光学素子１６６は、好ましくは、約３８０ｎｍの光波長において９５％以上を反射する高度反射ミラーであるとともに、４５０ｎｍから６００ｎｍの蛍光波長において高度に透過性である。加工物体１６４からの蛍光波長は第２光学素子１６６を透過してカメラ１６８に供給され、カメラ１６８が蛍光波長を検出する。本実施形態の簡素化された光学系及びより高濃度の光出力により、従来技術の検査装置では、その複雑なデザイン及び限定された均一性及び出力濃度のために不可能であった用途が実現できる。図１０及び図１１の実施形態は、より高い光出力を供給し、例えば、クリーニング、殺菌及び他の高出力濃度の用途を実行する。例えば、１Ｗ／ｃｍ2のコヒーレントパワーを１つ以上の光学装置１６２に供給して１ｍｍ2から４ｍｍ2のビームを形成することにより、光学的損失を無視して出力濃度を１００倍増加させることができる。出力濃度をさらに増加させるには、アレイ状のダイオードレーザ装置を代わりに使用することができる。
【００２９】
シリコンウェーハのバックサイド検査または電子機械システム（ＭＥＭｓ）のシール検査（seal inspections）の場合、モジュール１６０は、好ましくは、約１０５０ｎｍから約２５００ｎｍの光を出力し、５０ｍＷ／ｃｍ2以上の合成出力電力を有するＬＥＤチップまたはレーザダイオードを含む。第２光学素子１６６は、好ましくは、通常１１００から１３００ｎｍの間である、モジュール１６０からの光出力と同じ波長での、５０％ビームスプリッタである。この構造は、１１００から１３００ｎｍで透過性である加工物体１６４に対して効果的であり、加工物体１６４から透過した波長が第２光学素子１６６を通過して、ソース波長にて近赤外線を受感するカメラ１６８に伝播される。
【００３０】
図１１に示されるように、モジュール１６０を直列または光学的に並列に積層することにより、光出力がさらに拡張できる。例えば、モジュール１６２（ａ）において、基板１６３に１．８ｍＷのＬＥＤチップを１０００個、１２００ｎｍに表面実装し、同様のＬＥＤチップをモジュール１６２（ｂ）及び１６２（ｃ）の基板１６３に８００個表面実装することにより、８０％の効率を達成できる。この結果、１つのモジュールで１．４４ｗの電位、２つのモジュールで２．５９Ｗの、３つのモジュールで３．７Ｗの電位を供給することできる。図１２には、本発明のパルシング及び制御要件を実現できる電源が示されている。図示されるプログラム可能な電源は、出力電圧及び出力電流が遠隔プログラムでき、コンピュータからモニタできる、ＧＰＩＢインタフェース回路基板から制御される。また、電源をプログラムして、任意の出力電圧及び出力電流波形を、実施形態において詳説される機能を達成するために十分な異なるパルス繰り返し速度（pulse repetition rates）及び衝撃係数（duty cycles）で提供することができる。
【００３１】
図１３ａ及び図１３ｂは、個々にアドレス可能な所定の色の発光器を備えることによって、スペクトル合成（spectral mixing）が可能な本発明の実施形態を示す。例えば、発光器は、赤、緑、及び／または、青にすることができる。これらの発光器は、三原色（color triad）で配置できる。色特定燐光体または蛍光発光コーティングまたはフィラーを使用することで、通常のＬＥＤカラーに加え、他の色を生成すべくＬＥＤチップを適合させることができる。このようなフィラーの例が、その記載内容を本願の開示の一部としてここに引用する米国特許第６，４５９，９１９号に記載されている。例えば、上記の実施形態における各ＬＥＤを、３つのＬＥＤに置き換えてもよい。すなわち、１つの白色ＬＥＤを異なる色、Ｒ，Ｇ，Ｂ（赤、緑、青）の３つのＬＥＤに置き換えることができる。各個別のＬＥＤには別々に電力が供給されるので、駆動回路は個別の色としてこれらのＬＥＤをパルス駆動できる。燐光体コーティングを用いた白色光ＬＥＤは商業的に入手可能である。
【００３２】
三原色のＬＥＤに対する接地は、個別でもよいし、単一の共通接地でもどちらでもよい。固体光モジュール１７０が図１３に部分的に示されている。基板１７２には、Ｒ，Ｇ，ＢのＬＥＤチップ１７４のアレイが設けられ、これらのチップは高い空間出力濃度を有するため、得られる照明は、要求される投影輝度を実現するために十分強くかつ均一である。本発明によって考慮される投影用途は、通常、非常に密集したＬＥＤチップの構成、例えば平方センチメートル当たり約２３７個のＬＥＤチップを要求する。このような高密度は、基板１７２ａをＲ，Ｇ，Ｂの相互接続を生じさせる多層プリント回路基板にすることで実現できる。基板１７２は、上述のように温度を制御すべく動作する温度センサ１７６を少なくとも１つ含んでもよい。モジュール１７０は図２に示されたモジュール２０と同様であるが、主な相違点は、固体発光器がＲ，Ｇ，Ｂ発光器であることである。モジュール１７０は、好ましくは図３に記載されたものと同様の空冷ヒートシンク（ここでは図示せず）に取り付けられ、投影用途、例えばデスクトッププロジェクタに要求される光強度及び空間的光分散を生成する駆動回路を含む。さらに、Ｒ，Ｇ，ＢのＬＥＤチップ１７４、及び／または、任意の光学系を制御して、単一装置制御を実現してもよい。
【００３３】
図１３ｂでは、光学要素１７８がＬＥＤチップ１７４に近接して追加的に設けられ、カラースルー密度（color through intensity）を実現している。光学要素１７８は、異なる色の燐光体を含んでもよい。各燐光体が特定の光強度または光強度範囲に反応するので、ＬＥＤアレイの光強度を変えることで異なる色を提供することができる。したがって、ＬＥＤアレイによって生成された単一波長の光が、ＬＥＤ光出力１７９の強度に応じて多数の光波長を生成し、その結果、２つ、３つまたはそれ以上の異なる波長または色を光学素子１７８から得ることができる。所望であれば、各ＬＥＤチップ１７４は個別強度制御できるが、各ＬＥＤチップ１７４の個別制御は要求されていない。光出力は、Ｒ，Ｇ，Ｂであってもよく、光変換は、光学素子１７８上の燐光体層によるものでも、よるものでなくてもよい。
【００３４】
図１４には、ＬＥＤアレイ全体の光強度のばらつきを均衡化して制御する方法が示される。この特性は、ここに記載されるすべての実施形態に、（必要であれば）追加することができる。ＬＥＤまたは一連のＬＥＤからの光出力は、ＤＣ電流の流れの線抵抗（line resistance）を変化させることにより制御される。電流の流れを制御することにより、ＬＥＤ光出力強度を制御する。強度を変化させることでＬＥＤアレイ全体で光強度を均一に均衡化することができる。第１の例示された方法においては、ＬＥＤ１８０は、連続における任意の場所でレーザトリム抵抗１８２（laser trim resistor）と直列に配置されている。第２の例示された方法においては、ＬＥＤアレイ内部の回路電流搬送能力が異なっている。これは、基板に対するＬＥＤ１８０のワイヤボンディングのサイズを変えることで実現できる。ワイヤは、異なる直径（例えば、０．００１インチ、０．００２インチ及び０．００３インチの金ワイヤなど）のものが入手可能である。動力回路の抵抗は、プリント回路基板トレース幅、及び／または、メッキ厚さを変えることにより制御できる。さらに、異なるＬＥＤは、必要に応じて、電流の流れを制御するための異なるトレースを有することができる。あるいは、トランジスタベースの回路として実施されるプログラム可能な電流源を使用してＬＥＤを制御し、直列に接続された、及び／または、行列に配置されたＬＥＤアレイにおいて電流を均衡化することができる。電流源は、プログラム可能な電流出力電源としても実施できる。
【００３５】
図１５は、投影リソグラフィ（projection lithography）のための、本発明の１つの可能な実施形態を示し、モジュール１９０が、マスクまたは液晶ディスプレイ１９２上の像をフォトポリマー加工物体１９４に投影し、マスクのポジティブまたはネガティブイメージを硬化されたフォトポリマーに形成する。液晶ディスプレイ１９２は、図４から図６に関して示され、記載されたように、電源（図示せず）に接続することができる。投影リソグラフィは、極めて均一性の高い光源を必要とする。モジュール１９０は、上述のように、ＬＥＤチップ１９８の密集したアレイを備える基板１９６と、空冷ヒートシンク２００とを含む。５０ｍＷ／ｃｍ2以上の出力濃度の出力で投影処理を行うことのできる波長を生成するＬＥＤチップが商業的に入手可能である。当業者であれば、特定の投影用途に対し、その波長出力に応じてＬＥＤチップを選択できる。コリメーション光学素子２０２を設けて、ＬＥＤアレイからの光出力をコリメートすることができ、投影される像のサイズに応じて、縮小光学系２０４または拡大光学系２０６のいずれかが設けられる。
【００３６】
図１６は、クリーニングまたは表面修正のための、本発明の１つの可能な実施形態を示し、光学的拡大及びパルス技術の両方によって最大半導体光強度がさらに拡大されて、アブレーション、物質または分子の分離、及び他の効果に十分な出力濃度を達成する。モジュール２０８は、図４から図６に関して記載されたのと同様の電源を有するＬＥＤチップ２１２の密集したアレイを備えた基板２１０を含む。単一または複数のレンズ２１４を設け、モジュール２０８からの光出力２１２の線形拡大を実現し、加工物体２１６に対して作用を実行する。
【００３７】
本発明の発光モジュールは、高強度の紫外線光を要求する種々の用途において使用できる。例えば、少なくとも約４０ミリ秒のあいだ印加された約４００ｎｍ未満の波長の光の約１０から２０ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度を使用することで、無機質（mineral）、ポリマーの蛍光発光用途及び医療の検査及び測定に発光モジュールを使用することができる。水の殺菌には、約２５４ｎｍの波長の光を、約２から４２ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度で提供でき、血液または他の生物学的物質の殺菌には、約３２５ｎｍから約３９０ｎｍの波長の光を約８０ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度で提供できる。例えば、接着剤、塗料、インク、シール、絶縁保護コーティング、及びマスクのポリマー硬化においては、約３００ｎｍから約４００ｎｍの波長の光を、約３０から３００ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度で提供できる。例えば、回路及びプリンティングのためのイメージング露光には、約２４６ｎｍ，３６５ｎｍ，４０５ｎｍ及び４３６ｎｍの波長の光を約２５から３００ｍＷ／ｃｍ2の出力濃度で約６秒から３０秒のあいだ供給する。高速プロトタイピング（rapid prototyping）のためのステレオリソグラフィの用途では、約３２５ｎｍから約３５５ｎｍの波長の光の約１０ｍＪ／ｃｍ2以上の出力濃度を約２０ナノ秒のあいだ提供する。例えばエポキシ樹脂や指紋などの屑除去のための有機クリーニングの用途では、約１７２ｎｍ及び約２４８ｎｍの波長の光を、約６０−５００ｍＪ／ｃｍ2の出力濃度で約２０ナノ秒のあいだ提供する。物質除去のためのフォトアブレーションでは、約４００ｎｍ未満の波長の光を、約１Ｅ７Ｗ／ｃｍ2の出力濃度で出力を約２０ナノ秒のあいだ利用する。光は駆動回路によってパルス駆動することができ、光学素子は、おそらくは屈折率分布型平面レンズ物質によって、指向性及び均一性を高めることができる。
【００３８】
モジュールが投影に使用される用途では、モジュールを蛍光発光物質の駆動に使用して要求されるＲ，Ｇ，Ｂ出力を生成することができる。例えば、３つの燐光体をターゲットとして使用することができ、光出力の強度によって１つ以上の燐光体を作動させてもよい。これを用いて視覚的な興味を創作でき、またはこれを小型テレビに使用することもできる。本発明は、さらに、変形可能反射鏡デバイス（ＤＭＤ）及びＬＣＤに基づく投影装置のための実施形態を予想し、これにより、Ｒ，Ｇ，ＢのＬＥＤからの光出力バランスの問題を解決する。
【００３９】
さらに、その他の用途には、スプリッティング（分解）、消毒、イオン化、及び汚染物の低減を含む水処理、医療用コーティング、導電インク、除放剤（controlled release drug）及び家具用コーティングの重合化、医療器具、血液製剤、薬剤、及び浮遊微小粒子の殺菌、種々の疾患のための歯科及び皮膚治療、精神障害、及び分光写真またはクロマトグラフィー方法による特定物質の識別に用いる診断及び治療のための光の使用、植物成長の刺激または人工日光から自然日光への植物移行の準備などを含む農業的使用、生物学的分解促進のための物質の分解を含む環境的用途などを含む。
【００４０】
露光の用途では、各ＬＥＤまたはダイオードに反射防止被膜した側方囲い（enclosure）を含み、側方反射及び干渉作用を防ぐことにより、光のより高いコヒーレンス、スペクトル純度、及び／または、指向性を実現できる。これにより、間近（up-close）からの建設的（creative）、及び／または、相殺的干渉（destructive interferences）を効果的に回避できる。あるいは、モジュールを一連の反射器に封入して加工表面までの距離を劇的に増大し、より高いスペクトル純度を保証することができる。あるいは、マイクロレンズをＬＥＤピッチ間隔に組み付け、コリメーションを高めることができる。このようなレンズは、例えば、屈折率分布回折レンズまたはフレネルレンズでもよい。さらに、誘電コーティングによって形成される分散したブラグ反射器によって共振空洞を形成し、これによって光の指向性を高める。さらに、平面コリメータ、例えば、屈折率の異なる透明物質を１つ以上任意に組み合わせて積層形成したアセンブリ、または、おそらくはＬＥＤピッチ間隔に組みつけられた屈折率分布修正ガラスである。
【００４１】
ここに記載される実施形態において、電源は、図１７に示されるように構成及び配置することができる。アレイにおける各列のＬＥＤが別々のプログラミングソースから順次電力を供給されるか、または各列に対する電力を変える。
【００４２】
モジュールの出力濃度は、図１８及び図１９に示されるようなマシンビジョン検査技術によってテストすることができる。すなわち、各光モジュールの個々の強度を測定する。これは、２００１年１０月２日出願の米国特許出願公開ＵＳ２００２／００５３５８９（その開示内容が本願の記載の一部としてここに援用される）に示され記載されるような検査カメラ２２０の下方にモジュール２１８を配置することによって行われる。カメラのアパーチャＡ（図１９）は、モジュールの光出力の画素グレイスケール値が２５５未満になるように設定される。各個々の固体発光器の関心位置及び領域が定められ、各固体発光器の強度が測定される。固体発光器すべての出力強度がディジタルイメージングされ、アルゴリズムを用いて各モジュールの全体的な出力性能を測定し、作用していない素子を識別する。カメラ２２０は、各モジュールの光バランス、光分散及び全体強度を測定する。上記のように、ここで使用される出力濃度はｍＷ／ｃｍ2で表される。出力濃度は加工表面または光源の出口において測定でき、通常、光学素子によって測定される。光源の波長における適当な受感検出器を備える平均電力メータ２２２がカメラアパーチャ開口に設定され、光源からの光出力の面積がアパーチャの直径より大きくなるようにする。アパーチャ開口内のメータ２２２への総平均電力はメータ２２２に記録される。よって、ＬＥＤアレイの任意の領域に対する光学出力濃度は、メータの測定された電力ｍＷと検出器の面積ｃｍ2との比である。アレイにおける各光源の強度を測定でき、アレイの総照明が同時に測定され、アレイの全体強度に対する各光源の相対強度が実証される。
【００４３】
当業者であれば、本発明の本質を説明するために説明した部品及び動作の詳細、物質及び構成において多くの修正及び変更が可能であること、及びかかる修正及び変更がここに示される教示及び請求項の範囲を逸脱しないことが理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の基本的固体光モジュールの概略図である。
【図２】固体光装置の１実施形態の分解図である。
【図３】固体光装置の別の実施形態の断面図である。
【図４】固体光バーの斜視図である。
【図５】図４の固体光バーの部分断面図である。
【図６】図４の固体光バーの断面端部図である。
【図７】本発明の固体光装置の別の実施形態の断面端部図である。
【図８】種々の用途に対する異なる光波形を示す図である。
【図９】種々の用途に対する異なる光波形を示す図である。
【図１０】固体光モジュールからの光出力の強度を高める実施形態の概略図である。
【図１１】複数の光学素子を利用して光出力の強度を高める図１０の別の実施形態の概略図である。
【図１２】図７の実施形態を駆動するための電源の概略図である。
【図１３ａ】個別にアドレス可能な赤、緑、青または他の色の発光器を有することにより、カラーイメージのフルカラー表示または投影が可能な本発明の実施形態を示す図である。
【図１３ｂ】個別にアドレス可能な赤、緑、青または他の色の発光器を有することにより、カラーイメージのフルカラー表示または投影が可能な本発明の実施形態を示す図である。
【図１４】ＬＥＤアレイ全体の光強度のばらつきを平衡化して制御する方法を示す図である。
【図１５】マスク上のイメージが感光性ポリマーに投影され、ポジティブまたはネガティブイメージを硬化された感光性ポリマーに形成する投影リソグラフィのための本発明の実施形態を示す図である。
【図１６】クリーニング及び表面修正のための本発明の実施形態を示す図であり、光学的拡大及びパルス技術の両方により最大半導体光強度をさらに拡大し、除去（アブレーション）、分離及びその他の作用を実現する。
【図１７】アレイの個々のラインが制御可能な出力制御の概略図である。
【図１８】本発明の固体光装置の光出力強度の測定及びテストのためのマシンビジョン検査装置を示す図である。
【図１９】本発明の固体光装置の光出力強度の測定及びテストのためのマシンビジョン検査装置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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