(57)【要約】【課題】高圧ランプの破損、変形による、封入ガスのリークを検知し、ランプ使用時の性能の維持・管理を行うと共に、ランプの安全性を向上させる。【解決手段】高圧ランプに関して、ランプの内圧変化を検知する圧力検知手段を設け、使用中のランプの内圧を外部からモニタして、ランプの内圧が、常に正常な状態であることを確認する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有するガラス製のバルブ内に少なくとも希ガスを封入して放電空間を形成し、前記放電空間内に、一対の相対した電極を配した高圧放電灯であって、前記バルブ内に圧力変動検知手段を設けたことを特徴とした高圧放電灯。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧放電灯内の圧力検知手段から、内圧の変化を読み取り、前記高圧放電灯のバルブ内の圧力をモニタするための、検出手段を有する事を特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光源装置を使用することを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キセノンランプ、水銀ランプ、ハロゲンランプ等、ランプ本体内に高圧ガスを封入したランプ及び、前記「ランプを光源として使用する光源装置に係り、特に、前記ランプから放出された光を、ランプの近傍に配置された集光ミラーよって集光して照明光を形成する光源装置及び、前記光源装置を使用した露光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
画像読取装置や測定装置、検査装置、露光装置等といった工業用装置から、施設用照明装置、オーバーヘッドプロジェクタ、投影型テレビ等の家庭用の装置において、高圧ガスを封入したランプが光源として使用され、前記ランプから発せられた光を回転楕円面ないしは回転方物面形状の反射　面を有する反射ミラーによって一定方向に反射・集光したうえで、所望の形状に照明光の形状を整形し、対象物に照射するという構造が用いられている。光源として用いられている前記高圧ランプには、キセノンランプ、水銀ランプ、ハロゲンランプ等、封入あるいは添加されたガスの種類によって様々な種類のものがあり、光源に要求される輝線の波長や、出力によって使い分けがなされているが、いずれのランプの場合も、ガラスや石英材からなる透明体のバルブ内に複数のガスが封入された構造を有している。
【０００３】
ここで、図２は前記の照明装置におけるランプ周辺の構造を示したものであって、同図において、ランプは透明なガラスからなるバルブ４９内に高圧ガスが封入されており、バルブ内に相対して配置された、陽極４７と陰極４８間に電圧を印加することによって電極間に輝点を発生させ、前記輝点から放射状に発せられる照明光を、回転楕円面の一部を切り取った表面形状を有する集光ミラー２によって、焦点５０に集光するものであるが、最近では、演色性や、高輝度特性を得るために、極めて小さな電極間隔のランプが用いられるようになり、それに伴って、ランプに封入されるガス圧についても、極めて高い水銀蒸気圧となり、たとえば点灯時の蒸気圧が１５Ｍｐａ以上にも達するものがある。
【０００４】
このような高圧ランプを安全かつ安定して使用するため、例えば特開平１０−２８９６９０においては、ランプの形状を図８に示すように形成しており、同図において、バルブ４９の端部には側管部８３が形成され、その側管部８３に、非導電性領域と導電性領域がその長さ方向において異なる比率で形成され傾斜機能材料よりなる閉塞体８６を有し、この閉塞体８６が、その非導電性領域において前記側管８３との接合が行われ、導電性領域において電極４７ないしは電極４８との接合が行われる事によって、電極部とバルブ部との間の密着性を向上させ、内圧の高いランプであっても、封入ガスが漏れ出すこと無く使用することが可能となっている。
【０００５】
また、例えば特開２０００−５８００１の場合はランプの形状を図７に示すように形成しており、同図において、電極棒８８について、密着溶接されている側の形状を細く成形することによって、電極部とガラスとの密着性を向上させて、高圧の封入ガスの漏れを防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような光源装置の場合、下記に挙げるような欠点があった。
【０００７】
即ち、図８に示すようにランプの封止部８９においは電極８８とバルブ４９との間を確実に密着させなければならないが、バルブ４９の材料として一般的に使用される石英ガラスは熱線膨張係数が約５．５×１０−７であるのに対し、電極８８の材料として用いられる金属材料では、モリブデンで５．２×１０−６、タングステンでは４．４×１０−６の熱線膨張係数となっている。
【０００８】
ランプは消灯状態では、バルブ４９、電極８８ともに室温であるが、点灯状態で数百℃まで温度が上昇し、更に、封入ガスの圧力も、室温状態では０．１〜０．４ＭＰａ程度の圧力であったものが、点灯状態の蒸気圧は、前述したように１５ＭＰａ以上にも達するものがある。従って、前記従来例のように封止部の密着性能を上げたとしても、ランプの繰り返し使用によって、封止部にガラスにクラックを生じて、封入ガスの漏れを生じる場合が発生する。
【０００９】
更に、図７及び図８に示すように、ランプの形状は一般的に封止部が細く形成されており、図２の例に示した照明装置のように、ランプの片側を固定したまま使用する場合は、前記照明装置の振動や、ランプ自体の着脱作業時の取扱いによって、ランプのクビレ部分に集中的に荷重がかかり、バルブを形成しているガラスにクラックを生じる場合が残っていて、このように発生してしまったランプの破損事故に関しては、何ら対策が取られていない。
【００１０】
本出願に係る第１の発明の目的はバルブから封入ガスが漏れ出したことを早急に検知することに有り、第２及び第３の発明の目的は、前記のランプ異常を、照明装置側で検知可能とすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による高圧放電灯では、バルブ４９の内部に、例えば金属ベローズのように圧力によって変形する圧力変動検知手段あるいは圧力センサのように、直接圧力を計測する圧力変動検知手段を設置することによって、ランプの使用時であっても、内部の圧力に変動が有った事を、検出することが可能となる。一方、照明装置側では、検出手段によってランプの内部圧力の変動をモニタして、ランプの異常を検知し、装置の異常停止を行うことが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は本発明の特徴を最も良く表す図面であって、同図のおいて４７は放電用の陽極電極、４８は放電用の陰極電極、４９は石英材料からなる透明な封入バルブ、４１はランプ全体を固定するための固定口金、７１はバルブ４９内部の圧力によって変形するベローズを示している。
【００１４】
ここでバルブ４９の内部には、室温での封入圧力が０．１〜０．８ＭＰａ程度のハロゲン希ガスと、少量の水銀が封入されている。内部のハロゲン希ガスの種類や水銀についての詳細は、特開平２−１４８５６１号公報や、特開平１０−１１２２８９号公報等、ランプの特性に従って、種々の例が開示されているのでここでは省略するが、ランプが点灯状態になると、内部の温度が上昇して、圧力は１５ＭＰａ以上にも達する。
【００１５】
バルブ４９内の電極４８の周囲には、圧力変動検知手段としての金属のベローズ７１が設置されていて、バルブ内部の圧力に対して外形の変形によって平衡状態を保っているが、ランプの点灯状態であっても、ランプの温度が平衡状態に達すると、内部の封入ガス圧力も一定となり、封入ガスの漏れが無い場合にはベローズ７１の変形がやはり平衡状態となる。ここで、ランプの使用状態における封入ガスの圧力はランプの発行特性を左右する重要な要素であって、ランプの寿命期間内において一定に保たれていることから、点灯状態におけるベローズ７１の形状も、ランプの寿命期間内において一定に保たれることとなる。
【００１６】
しかし、例えば、前記ランプを光源として使用している照明装置の振動や、ランプ自体の着脱作業時の取扱いによって、ランプのクビレ部分に集中的に荷重がかかり、バルブ４９を形成しているガラスにクラックを生じた場合、当然のことながら、内部の封入ガスは外部に漏れ出すため、バルブ４９内部の圧力は低下して、ベローズ７１との平衡状態も崩れ、ベローズ７１の変形形状に変化が生じる。もちろん、封入ガスの漏れ量が大きい場合は、ランプの点灯状態を維持ですることが不可能となって消灯状態に陥ってしまうが、バルブ４９に生じるクラックの状態によっては、リーク速度が遅く、消灯までの時間がかかる場合がある。また、内部の圧力が低下した場合には、ランプの発する輝度特性や輝線分布に変化が現れるため、照明光の光学特性をモニタすることによっても、ランプの以上を推定することは可能であるが、輝線等の検知のための光学系の検出誤差変動を分離する手段を必要とするため、ランプの圧力を直接検知する方法の方が、より的確に、ランプの変動を検知することができる。
【００１７】
一方、図５は本出願に係る光源装置を用いた投影露光装置の構成を示した図であってショートアーク型水銀ランプ１から放射状に拡散する照明光（露光光）は集光ミラー２へと照射されているが、集光ミラー２の内表面は放物楕円面の一部を切り取った形状の反射面を有しており、集光ミラー２の第１焦点から放射状に出射した光は、楕円の内面で反射すると第２焦点に集光する特性を有しているために、光源であるランプ１の輝点を集光ミラー２の第１焦点に一致させて配置すると、ランプ１から放射状に拡散した照明光は第２焦点に集光する。
【００１８】
集光ミラー２の反射面には熱線透過膜がコーティングされていて、ランプ１から拡散した照明光の内、熱線の成分は集光ミラー２を透過してその他の波長成分だけが反射される。更に、波長選択フィルタ５によって露光に不必要な波長成分を更に排除して前記第２焦点側へ照明光を集光させている。
【００１９】
なお、ランプ１は図示しないランプステージ上に固定されていて集光ミラー２に対して、相対的に移動することが可能となっているが、ランプステージ内に設置された図示しないランプ識別手段によってランプの種類が特定され、特定された種類に応じて主制御系１３は図示しないランプ用電源からランプ１に供給する電力の調整を行っている。
【００２０】
更に、図２ランプ周辺の構造をより詳しく説明した図であって、集光ミラー２の一部には観察用の窓６４が設けてあって、この観察窓６４を通してバルブ４９内意部を観察可能な観察光学系６２及びセンサ６３が設置させており、この観察光学系６２はランプのバルブ内部の像をセンサ６３上に結像するためのものであって、図４はセンサ６３によって得られた像を示したものである。同図において、圧力検知手段であるベローズ７１の端面は通常の点灯状態において、規定の位置に達するように、センサ６３の位置が調整されると共に、目盛線７２が配置されていて、ベローズ７１に変形が生じると端面の位置の変動として、検知し、変化の状態をモニタできるように構成されている。
【００２１】
前記のように、バルブ４９を形成しているガラスにクラックを生じた場合、この検出手段によってランプの異常が主制御装置１３へと伝えられ、ランプの点灯を即座に中止すると共に、ランプ周辺の強制排気を行う様、制御されている。
【００２２】
図３は図５に示した投影露光装置の照明装置部分を詳細に説明するための図であるが、ランプ１メンテナンス扉５１の内部のランプ固定台３４上に固定されていて、ランプの温度を一定に保つために、ランプハウス５０の内部を強制空冷しているが、ランプの異常を主制御装置１３が検知した場合には、ランプハウス５０内部の強制排気と連動して、図示しないロック機構によって、メンテナンス扉５１の開閉が制限される。これは、ランプ内部に封入された水銀灯の重金属の拡散を防止することを目的としており、ランプハウス内部の換気が十分に行なわれない限りは、作業者のアクセスを禁止するための安全機能である。
【００２３】
もちろん、ランプハウス５１内の強制排気に関しても、ランプ異常の場合は、重金属の蒸気が含まれた排気であるものとして、通常の排気経路とは異なる危険物質のろ過機能を有する排気経路に切り替えることが望ましい。
【００２４】
なお、本発明に係る光源装置ではランプの着脱時の安全対策も考慮されており、図６においてランプは前記のようにランプ固定部３４上に固定されており、ランプの固定側口金部にはランプの品種コードが表示されている識別プレート５１が取り付けられている。前記品種コードはランプの輝点位置高さや、ランプの出力を記号化して表示したものであって、固定台３４上に取り付けられた読取装置５２によって読み取られた情報は主制御部１３に転送されて、ランプの出力に合わせて、ランプに投入する電力の調整を行ったり、ランプに対する冷却条件の変更を行ったりするために用いられるとともに、ランプの品種に従って、ベローズ７１の基準高さ情報を書き換え、センサ６３での基準検出位置を変更行って、ランプの変更に対応している。
【００２５】
ここで、図６はランプ１の交換作業を行う際の、ランプ１周辺の配置を示したものであるが、まず、交換するべきランプには破損の危険性の高いバルブ部４９を保護するために保護カバー２７が取り付けられる。
【００２６】
この保護カバー２７は図に示すようにランプ１のバルブ部４９全体を包み込めるように２分割に開放可能となっており、ランプ１に装着された後は、ランプの取り付け部４１とランプケーブル４５が両端から露出した形状となる。
【００２７】
前記のようにランプ１は保護カバー２７を装着しても。固定部４１とランプケーブル４５が露出しているために、交換作業は支障なく続行することが可能であって、作業中に工具等がランプ１のバルブ４９にあたって破損するような事故の危険性も無く、また、バルブ４９に触れてバルブ表面を汚す恐れも無くなっている。
【００２８】
集光ミラー２は図６に示されるように２分割されたミラー台３７の上に、同様に２分割された集光ミラー２７が搭載された形状となっていて、ランプ１の交換作業を行う場合は、ミラー台３７が開放位置へ移動可能となっているため、ランプに対して集光ミラー２が回避した形となって、ランプ１の着脱作業を行うための作業スペースを広く取ることが可能となると同時に、前記保護カバー２７をランプに装着あるいは剥離するためのスペースも確保できるようになっている。
【００２９】
さらに、図３に示したように、ランプ固定台は集光ミラー２の下部に位置しており、ランプを固定するためのツマミ３６は集光ミラー２の影に位置して作業性が悪くなっていたが、集光ミラー２およびミラー台３７が回避位置へ移動することによってツマミ３６へのアクセスも容易になっていて、ランプステージ３５によってランプの位置をさらに集光ミラー２から離れた位置に駆動することによって作業スペースはさらに拡大することが可能である。
【００３０】
一方、集光ミラー２によって当該ミラーの第２焦点位置に集光された照明光に対して、前記集光点近傍には、シャッタ用のモータ５によって開閉されるシャッタ羽根４が照明光の光軸に対して概ね４５度の角度で挿入され、照明光の通過を制御していて、シャッタ羽根４が開放状態にある場合は、照明光は光路変更ミラー３及びコリメータレンズ６を介しておおむね平行な光束に変換された後、視野絞り８を通過し、オプティカル・インテグレータであるフライアイ・レンズ９に入射する。オプティカル・インテグレータは矩形柱ないしは六角柱形状の単レンズを複数本組み合わせて使用したものや、複数のシリンドリカル・レンズ光軸に垂直な面内で縦・横に組み合わせて配置したもの等があるが、いずれの場合も照明光の光量分布の均一性を高めるために用いられている。
【００３１】
続いて、フライアイ・レンズ１４から出射した照明光は、ハーフミラー１９によって光路が分岐されている。
【００３２】
ハーフミラー１９には９５％以上の透過率を有する半透過膜がコーティングされており、照明光のほとんどは透過するが、一部は反射されて投光量検知センサ１０上に集光し、光源であるランプ１の出力状態が測定されるようになっていて、ここで検出された光源の出力は主制御系１３に送信され、ランプ１に電力を供給している電源の出力を調整することによって、照明光の強度が目的の値で安定するように調整が為されている。
【００３３】
ハーフミラー１９を透過した照明光は、リレーレンズ１４、コリメータレンズ１６を介して露光対象である基盤１７照射されて、投影露光が完了する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、本発明による高圧放電灯では、バルブ４９の内部に、圧力によって変形する圧力変動検知手段を設置することによって、ランプの使用時であっても、内部の圧力に変動が有った事を、検出することが可能となる。一方、照明装置側では、検出手段によってランプの内部圧力の変動をモニタして、ランプの異常を検知し、装置の異常停止の処置を実施することが可能となって、常に安全かつ安定した状態で、ランプを使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高圧ランプの構造を説明する図
【図２】本発明による照明装置の構造を説明する図
【図３】ランプハウスの構造を説明する図
【図４】ランプの内圧検知の状態を説明する図
【図５】露光装置内の光学素子の配置を説明する図
【図６】ランプ交換の手順を説明する図
【図７】従来の高圧ランプの構造を説明する図
【図８】従来の高圧ランプの構造を説明する図
【符号の説明】
１　ランプ
２　集光ミラー
４　シャッタ羽根
３４　ランプ固定台
３５　駆動ステージ
３６　クランプネジ
３７　ミラー台
４１　固定口金
４５　ランプケーブル
４６　固定端子
４７　陽極
４８　陰極
４９　バルブ
５１　メンテナンス扉
５３　識別ラベル
５４　ランプ識別装置
６２　観察光学系
６３　センサ
６４　観察窓
７１　ベローズ
７２　目盛線
８２　封止部
８３　側管
８４　金属箔
８６　閉塞体
８７　外部引き出しリード
８８　放電電極
８９　バルブの絞り部分
【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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