(57)【要約】【課題】  見かけの輝度を大きくするために複数の発光体からの照明を合成するための高輝度照明システムおよび方法の提供。【解決手段】  複数の固体発光体と、該複数の固体発光体からの光を順次受け取って時間多重化された光出力を提供するためのスキャナとを備える照明システムである。固体発光体は、それぞれパルスモードで動作し、連続モードで動作する同様の発光体の光出力に比べて大きな輝度を有する。時間多重化された光出力は、一般に、連続モードで動作する同様の発光体の出力の輝度よりも高い輝度を有する略連続的な出力である。時間多重化された光出力は、フォトリソグラフィやマシンビジョンへの応用に有用である。
2006517340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固体発光体と、
該複数の固体発光体から光を順次受け取り、時間多重化された光出力を提供するためのスキャナと、を備えることを特徴とする照明システム。
【請求項２】
該固体発光体はパルスモードで動作することを特徴とする請求項１記載の照明システム。
【請求項３】
該固体発光体は光パルスを順次出力することを特徴とする請求項２記載の照明システム。
【請求項４】
各固体発光体からの光が該固体発光体の光出力に対応する時間に該スキャナによって受け取られるように、該パルスモードにおける該固体発光体の動作が該スキャナの動作と同期されることを特徴とする請求項２記載の照明システム。
【請求項５】
該固体発光体は、該パルスモードで光を発するために、定常状態作動定格電流よりも実質的に大きい電流パルスを受け取ることを特徴とする請求項２記載の照明システム。
【請求項６】
パルスモード動作時に該固体発光体により発せられる光パルスの輝度は、定常状態動作時に該固体発光体により発せられる光の輝度よりも高いことを特徴とする請求項５記載の照明システム。
【請求項７】
該発光体はループ状に配列されることを特徴とする請求項２記載の照明システム。
【請求項８】
該スキャナは、該ループの略中心に設けられることを特徴とする請求項７記載の照明システム。
【請求項９】
該スキャナは、該発光体により発せられた光を同じ入射角で受け取り、該光を光学系に投射するような角度に設けられた回転ミラーを備えることを特徴とする請求項８記載の照明システム。
【請求項１０】
該発光体はパルス光を順次発するように構成され、該スキャナは、発光体がパルス駆動される間、該発光体からパルス光を受け取るためにパルス光の該発光と同期して回転することを特徴とする請求項８記載の照明システム。
【請求項１１】
各発光体から発せられる光は実質的に同じ入射角度で該スキャナに入射することを特徴とする請求項１０記載の照明システム。
【請求項１２】
該発光体は固体発光体であることを特徴とする請求項１記載の照明システム。
【請求項１３】
該固体発光体は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１２記載の照明システム。
【請求項１４】
該固体発光体はダイオードレーザであることを特徴とする請求項１２記載の照明システム。
【請求項１５】
パルス光を順次出力するための複数の固体発光体と、
該複数の固体発光体からパルス光を順次受け取り、２つ以上の固体発光体からの光パルスを含む合成光ビームを出力するためのスキャナと、
該合成ビームを変調するための変調器と、
感光面上にパターンを記録するために該変調された合成ビームを走査するイメージスキャナと、を備えることを特徴とする情報記録システム。
【請求項１６】
該合成ビームは、該固体発光体のうちの１つが連続モードで動作する場合の強度特性と比べて大きい強度特性を有することを特徴とする請求項１５記載の情報記録システム。
【請求項１７】
該合成ビームは、該固体発光体のうちの１つが連続モードで動作する場合の輝度特性と比べて大きい輝度特性を有することを特徴とする請求項１５記載の情報記録システム。
【請求項１８】
該スキャナは、該合成ビームを生成するために、該固体発光体からのパルスを時間多重化することを特徴とする請求項１５記載の情報記録システム。
【請求項１９】
該変調器は空間光変調器であることを特徴とする請求項１５記載の情報記録システム。
【請求項２０】
該固体発光体は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１５記載の情報記録システム。
【請求項２１】
該固体発光体はダイオードレーザであることを特徴とする請求項１５記載の情報記録システム。
【請求項２２】
該発光ダイオードは４００ｎｍ未満のスペクトル波長を有する光を出力することを特徴とする請求項２０記載の情報記録システム。
【請求項２３】
複数の固体発光体から光を発する発光工程と、
光を順次受け取り、時間多重化された光出力を提供するように該発光体を走査する走査工程と、を備えることを特徴とする光ビーム生成方法。
【請求項２４】
該発光工程は、該固体発光体をパルスモードで動作させる工程を備えることを特徴とする請求項２３記載の光ビーム生成方法。
【請求項２５】
該発光工程は、光パルスを順次出力する工程を備えることを特徴とする請求項２４記載の光ビーム生成方法。
【請求項２６】
該固体発光体をパルスモードで動作させる工程は、各固体発光体からの光が該固体発光体の光出力に対応する時間に該スキャナによって受け取られるように、該スキャナの動作と同期して光を発光する工程を備えることを特徴とする請求項２４記載の光ビーム生成方法。
【請求項２７】
該発光工程は、固体発光体に電流パルスを間欠的に供給する工程を備え、該電流パルスは定常状態作動定格電流よりも実質的に大きい電力を有し、もって該固体発光体に該パルスモードで発光させる工程を備えることを特徴とする請求項２４記載の光ビーム生成方法。
【請求項２８】
パルスモード動作時に該固体発光体により発せられる光パルスの輝度は、定常状態動作時に該固体発光体により発せられる光の輝度よりも大きいことを特徴とする請求項２７記載の光ビーム生成方法。
【請求項２９】
該固体発光体をループ状に配列する工程を更に備えることを特徴とする請求項２４記載の光ビーム生成方法。
【請求項３０】
該スキャナを該ループの略中心に設ける工程を更に備えることを特徴とする請求項２９記載の光ビーム生成方法。
【請求項３１】
該発光工程は、パルス光を順次発する工程を備え、
該走査工程は、発光体がパルス駆動される間、該発光体からパルス光を受け取るために、パルス光の該発光と同期して該スキャナを回転させる工程を備えることを特徴とする請求項３０記載の光ビーム生成方法。
【請求項３２】
各発光体からの光が実質的に同じ入射角度で該スキャナに入射するように、該発光体と該スキャナとを配列する工程を更に備えることを特徴とする請求項３１記載の光ビーム生成方法。
【請求項３３】
該発光工程は、固体発光体から発光する工程であることを特徴とする請求項２３記載の光ビーム生成方法。
【請求項３４】
該固体発光体から発光する工程は、発光ダイオードから発光する工程であることを特徴とする請求項３３記載の光ビーム生成方法。
【請求項３５】
該固体発光体から発光する工程は、ダイオードレーザから発光する工程であることを特徴とする請求項３３記載の光ビーム生成方法。
【請求項３６】
複数の固体発光体からパルス光を順次出力する工程と、
該複数の固体発光体からパルス光を順次受け取り、２つ以上の固体発光体からの光パルスを含む合成光ビームを出力する工程と、
該合成ビームを変調する工程と、
感光面にパターンを記録するために該変調された合成ビームを走査する工程と、を備えることを特徴とする情報記録方法。
【請求項３７】
該合成ビームを出力する工程は、該固体発光体のうちの１つが連続モードで動作する場合の強度特性と比べて大きい強度特性を有するビームを出力する工程を備えることを特徴とする請求項３６記載のシステム。
【請求項３８】
該合成ビームを出力する工程は、該固体発光体のうちの１つが連続モードで動作する場合の輝度特性と比べて大きい輝度特性を有するビームを出力する工程を備えることを特徴とする請求項３６記載のシステム。
【請求項３９】
該合成ビームを生成するために、該固体発光体からのパルスを時間多重化する工程を更に備えることを特徴とする請求項３６記載のシステム。
【請求項４０】
該変調工程は、空間光変調器により該合成ビームを変調する工程を備えることを特徴とする請求項３６記載のシステム。
【請求項４１】
該パルス光を出力する工程は、発光ダイオードからパルス光を出力する工程を備えることを特徴とする請求項３６記載のシステム。
【請求項４２】
該パルス光を出力する工程は、ダイオードレーザからパルス光を出力する工程を備えることを特徴とする請求項３６記載のシステム。
【請求項４３】
該発光ダイオードからパルス光を出力する工程は、４００ｎｍ未満のスペクトル波長を有するパルス光を出力する工程を備えることを特徴とする請求項４１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年１月２３日に出願された米国仮特許出願第６０／４４１，７５８号（発明の名称「Ｄｉｒｅｃｔ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｎｏｎ−Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ」）の利益を主張し、その開示の全体が参照により援用される。
【０００２】
本発明は、高輝度照明を提供するためのシステムおよび方法に関する。高輝度照明は、感光面上に情報を記録するためのイメージングシステムおよび光学検査システムにて用いられる。
【背景技術】
【０００３】
例えばイメージ記録およびイメージ取得など種々の光学応用製品は、高輝度照明を必要とする。発光源の輝度は、単位立体角当たりの単位面積当たりの光度（電力）として定義される。
【０００４】
輝度保存則によれば、発光源の輝度は、ある表面に提供可能な照明の理論的な最大輝度を決定することがよく知られている。表面上のある位置が、所与の照明源から得られる光の全てを使用して所与の光学的開口数（ＮＡ）を有する照明によって照明される場合、付加的な発光体からの照明を非常に単純に組み合わせることによるのみでは、もはやその位置に光を提供できない可能性がある。
【０００５】
しかしながら、見かけの輝度を増加するために、数個の発光体からの光を組み合わせることができる特別な場合が幾つかある。これらは、例えば、狭いスペクトル源の波長多重および偏光合成である。かかる方法は、発光体が狭いスペクトル成分を有する光を発するか、または、偏光した光を発することを必要とする。このような多重化から得られる光は、スペクトル成分を増加させてしまったり、無偏光となったりする。
【０００６】
感光面上に情報を記録する典型的な適用形態は、フォトレジストを被覆したプリント回路基板上に電気回路パターンを直接イメージングすることである。一般に使用されている市販のフォトレジスト製品はＵＶ光（約３７０ｎｍ）に対して感度を有し、従来の直接イメージング露光システムは、変調ＵＶレーザを採用する。安価な高輝度半導体レーザの開発に相当な研究開発努力が注がれているが、これらのレーザは一般に使用される市販のフォトレジスト製品を露光することができるスペクトル帯域幅で光を発しない。逆に、市販のフォトレジスト製品を露光可能なスペクトル帯域幅を有する発光ダイオードが、現在市場に導入されつつある。しかしながら、これらの新しい発光ダイオードは、通常、商業的に実現可能な露光システムで使用するのに十分な輝度を有する光を提供しない。
【０００７】
レーザアレイによって大電力非コヒーレント光を提供する光源は、例えば特許文献１に記載されている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／１２６４７９  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、見かけの輝度を大きくするために複数の発光体からの照明を合成するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また本発明は、表面に提供される輝度が、所与の時間間隔にわたって、任意の個々の発光体によって発せられる照明の輝度より明るくなるように、複数の発光体によって表面上の位置を照明するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また本発明は、発光体のスペクトル帯域幅特性を変えることなく、複数の発光体からの光を合成するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【００１１】
更に本発明は、複数の非コヒーレント光源からの高輝度非コヒーレント光を送出するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また本発明は、発光体の偏光特性を変えることなく、複数の発光体からの光を合成するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また本発明は、任意の個々の発光体によって発せられる光に比べて、所定期間にわたって見かけの輝度を増加させるために、複数の非レーザ発光体からの光を合成するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【００１４】
また本発明は、時間多重化を用いて複数の照明源からの光を合成するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また本発明は、複数の発光体によって提供される高輝度照明源を使用して感光面上にイメージを記録するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。所与の時間間隔にわたる光源の連続輝度は、同じ時間間隔にわたって任意の個々の発光体によって提供される照明の輝度より大きい。
【００１６】
更に本発明は、少なくとも２つのパルス非コヒーレント発光体を用いて合成光出力を提供することにより、感光面上にイメージを記録するシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の高輝度照明システムおよび方法によれば、パルス光を発する複数の発光体を有する照明源が提供される。各発光体からのパルス光は、時間多重化された光出力を提供するために、例えば、走査によって合成される。ある時間間隔にわたって時間多重化された光出力は、同じ時間間隔にわたって個々の発光体の任意の出力光によって提供される光よりも高い輝度を有する。
【００１８】
また、本発明の高輝度照明システムおよび方法によれば、第１の輝度特性を有する光を発するために連続モードで動作可能で、かつ、第１の輝度特性よりも大きな第２の（実質的に瞬間的な）輝度特性を有する光を発するためにパルスモードで動作可能な複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える照明源が提供される。ＬＥＤによって発せられるパルス光は、時間多重化によって合成される。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、ＬＥＤがドラムの周囲に配列されることにより、各ＬＥＤから発せられる光はドラムから半径方向に離れた位置を照明する。ＬＥＤはドラムが回転する間に次々にパルス駆動され、よって各ＬＥＤが光パルスを発し、光パルスは光学系に渡される。各ＬＥＤからのパルス光は、実質的に同じ入射角で光学系に達する。
【００２０】
本発明の別の実施形態によれば、ＬＥＤはループ状に配列され、各ＬＥＤはループの中心位置を照明する方向に光を発する。ＬＥＤが次々にパルス光を発するように、各ＬＥＤを駆動するためのシーケンサが設けられる。ミラーなどの回転スキャナが、ループの中心に設けられており、ＬＥＤによって発せられた光が表面を照明すべくループ外のある位置に向けられている。ミラーは、ＬＥＤのパルス動作のシーケンスと略同期して回転して、ＬＥＤから発せられるパルスを受け取る。各ＬＥＤからの光パルスは、実質的に同じ入射角で回転ミラーによって受け取られて、ＬＥＤによって発せられた光の輝度が保存される。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、照明装置および空間光変調器を含む直接イメージング装置が提供される。照明装置は、空間光変調器の表面を照明する高輝度照明源を備える。空間光変調器は、光を空間的に変調し、感光面上にパターンを記録するような方向に変調光を向ける。本発明の一実施形態によれば、照明源は、パルスモードで動作する少なくとも２つのＬＥＤを備える。ＬＥＤの各光出力は合成されて、高輝度光ビームが提供される。
【００２２】
また、本発明の一実施形態によれば、それぞれが連続動作照明特性を有する光を出力するように連続モードで動作可能な複数の発光ダイオードと、該複数の発光ダイオードの各々が該連続動作照明特性より大きな照明特性を有する光を出力するように順次該複数の発光ダイオードを間欠的に動作させるシーケンサと、該複数の発光ダイオードからの光を集光して集光器から表面へ光を向ける集光器と、を備える照明システムが提供される。
【００２３】
また、本発明の別の実施形態によれば、連続モードで動作する時のダイオードの連続動作光特性を超える光特性を有する光を間欠的に発する少なくとも１つの発光ダイオードと、該少なくとも１つの発光ダイオードから光を受け取って感光面上にある空間パターンで入射するような方向に光を向ける空間光変調器と、を備えるイメージ直接記録システムが提供される。
【００２４】
また、以下のような特徴を備えるのが好ましい。時間多重化によって向上される光特性は輝度である。少なくとも１つの発光ダイオードは次々に間欠的に動作する複数の発光ダイオードを備える。空間光変調器は、ＬＣＤパネル、ＧＬＶ、またはデジタル微小ミラーデバイスなどのライトバルブである。発光ダイオードは４００ｎｍ以下のスペクトル特性を有する光を出力する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、低コスト、高効率、かつ信頼性の高い光源であることが知られている。ほぼ任意のスペクトルカラーの光を発するＬＥＤが現在入手可能であり、非常に費用効果的な光源である。以下、光源（例えばＬＥＤなどの固体発光素子）によって発せられる光の有効輝度を増加させるための種々のシステムおよび方法について説明する。こうして増加した輝度は、様々な適用形態の照明に非常に有用である。例えば、高輝度光は、感光面上にパターンを記録するのに、また、マシンビジョンで必要とされる場合があるように画像取得中に表面を照明するのに有用である。
【００２６】
一般に、ＬＥＤなどの固体発光体によって発せられる光は、熱効果によって定まる限界までは入力電流の関数として増加する。ＬＥＤを駆動する電流が公称値を超えて増加すると、光放出の漸進的な増加は比較的小さくなる。さらに、使用可能なＬＥＤの寿命が短くなる。したがって、ＬＥＤは通常、公称動作電流を使用して連続モードで駆動されるように定格が定められる。
【００２７】
ＬＥＤの発光の瞬間的な増加は、比較的短い継続時間の比較的大電力の電流パルスを使用してＬＥＤをストローブすることによって達成される。よって、ＬＥＤは各電流パルスに応答して大きな強度の光を発する。ＬＥＤは、輝度および劣化に影響を与える熱的影響を和らげるため、パルスの合間に冷却される。パルスモードでは、パルスの短い継続時間の間では、各パルスは連続モード時の強度を超える強度を有するけれども、パルスモードでの動作結果は平均すると連続モード動作時の強度と同等の強度である。
【００２８】
例えば、ＬＥＤを駆動する公称平均電流が約２０ｍＡであると仮定する。パルス継続時間１．０ｍｓｅｃ未満のパルス電流であれば、ＬＥＤの通常の寿命に影響を与えることなく、最大１Ａの電流を流すことが可能である。ただし、平均電流（すなわち、所定時間にわたって各パルスの電流を平均したもの）が、通常動作電流条件内であることが条件である。この例では、平均電流が２０ｍＡの公称平均電流より小さくなるように、１Ａパルスのデューティサイクルは約２％未満である必要がある。固体発光体を、このようなパルスデューティサイクルのパルスモードで動作させると、ＬＥＤによって発せられる光パルスの瞬間的な強度が、２０ｍＡの連続電流に応答して発せられる光の公称値と比較して約５０倍大きいことを出願人は見出した。連続モードまたはパルスモードの何れにおいてもＬＥＤの放出表面の面積と放出角度は一定である。よって、本例では、パルスモードで動作するＬＥＤの輝度は、連続モードで動作するＬＥＤと比較して、そのパルス継続時間において５０倍向上する。
【００２９】
本発明の実施の形態によれば、パルスモードで動作する、ＬＥＤなどの複数の固体発光体によって提供される比較的大きな強度の光パルスは、時間多重化によって合成されて、略連続する光源が提供される。結果として得られる光源は、所定時間にわたって、個々のＬＥＤの定格平均発光より大きい平均発光および輝度を有する。実際に、いくつかの発光体のパルスは時間的にインターリーブされ、スキャナによって集められる。スキャナは、各発光体から光を受け取り、略連続した流れの高ピーク電力光パルスとなるようにパルスを合成する。
【００３０】
本発明の実施の形態による高輝度照明システムおよび方法について図１に基づき説明する。図１は、高輝度照明装置２０を用いて基板上にパターンを記録するためのシステム１０の説明図（一部簡略図、一部ブロック図）である。高輝度照明装置２０は、ループないしリング状に配列されるＬＥＤまたはレーザダイオードなどの複数の固体発光素子２２を備える。各ＬＥＤは、電流シーケンスグラフ２６に示されるように、大電力電流パルス２４によって駆動される。本実施の形態によれば、各電流パルスの電力は、ＬＥＤを連続モードすなわち定常状態動作に用いられる電流の電力よりも実質的に大きい。図１では、便宜上、複数のＬＥＤ２２のうち数個のみが電流パルス２４によって駆動される様子が示されているが、実際のシステムでは、ＬＥＤ２２の各々が電源に接続されている。
【００３１】
光パルスグラフ３２に示されるように、パルス動作モードでは、ＬＥＤ２２の各ＬＥＤが電流パルス２４によって駆動され、順次光パルス３０を出力する。電流パルスは、公知のシーケンサ（図示せず）によって提供され、ＬＥＤ２２をパルス駆動する。光パルスグラフ３２は、ＬＥＤ２２の光出力のシーケンスの一部のみを示す。各ＬＥＤ２２は、所定のシーケンスに従って高輝度光のパルスを発し、図１の例では、各ＬＥＤ２２はループ上で所定の順序に従って一度に１個の光パルスを発する。ＬＥＤ２２が発するパルス光の瞬間的な強度および輝度は、連続出力の場合と比較して大きい。そのため、グラフ３２に示されるように、各光パルス３０は、線３４で指示される連続出力定格輝度に比べて輝度レベルが大きい。
【００３２】
図１に示される実施の形態では、ＬＥＤ２２が一度に１個の光パルスを出力しながらループ上を進むように、パルスのタイミングがとられる。本実施の形態によれば、好ましくは、シーケンサは、パルス３０がほぼ重ならない時間間隔で発せられるように、各ＬＥＤ２２を作動させる。しかしながら、適用形態によっては、隣接するＬＥＤが部分的に重なるような時間間隔でパルスを発したり、または、隣接しないＬＥＤが次々と光パルスを発するべく駆動されるように、ＬＥＤ２２をシーケンス制御してもよい。図１に示されるように、任意の瞬間で平均すると、少なくとも１つのＬＥＤが光を発しており、少なくとも１つのＬＥＤが光を発していない。ＬＥＤ２２の熱的影響を防止するため、照明装置２０は、それぞれデューティサイクルを有するＬＥＤ２２を十分な数だけ備えるように設計される。このとき、熱的劣化を回避しつつ各パルス３０の光強度すなわち輝度を最適化して、ＬＥＤ２２がパルスの合間の時間に冷却されるようにすることが必要である。
【００３３】
図１に示される実施の形態において、コリメーティングレンズなどのレンズ４２は、ＬＥＤによって発せられた光を平行にし、各ＬＥＤ２２と連携して光をループの略中心位置に向けるように設けられる。例えば、矢印４８で指示される方向に回転するミラー４６を備えるスキャナ４４は、ＬＥＤ２２のループの中心に位置する。ミラー４６は、約４５°傾斜をつけて設けられ、ＬＥＤ２２のパルス動作と同期して回転して、パルスの発光に対応する時間に各ＬＥＤ２２の発光を受け取る。このため、ＬＥＤが高強度光パルスを順次出力しながらスキャナ４４がＬＥＤ２２を走査する間に、各ＬＥＤによって発せられた光は、略同じ入射角でミラー４６上に入射し、光学系の入射口４９に向けられる。その結果、各ＬＥＤ２２からの光は回転しながらも、同じ角度で入射口４９に達する。
【００３４】
図１に示されるように、時間的にずれて発せられた一連のパルス５０は、実質的に連続した光出力５２を形成する。そして光出力５２は、電気光学システムの方向に向けられる。パルス５０は、破線５４で指示される連続モード動作時のＬＥＤの強度（すなわち輝度）を超える強度（すなわち輝度）を有する。パルスを時間多重化することにより、連続光出力５２は、連続モード動作時のＬＥＤの強度を超える連続強度（すなわち輝度）を有する。
【００３５】
本実施の形態によれば、電気光学システムは、例えば、光出力５２のパターンを変調して変調光出力６２を形成するための変調器６０と、電気回路基板上に堆積したフォトレジストなどの感光面６６上で変調光出力６２を走査するためのイメージスキャナ６４とを備える。本実施の形態によれば、露光された電気回路基板は適切に現像され、その後処理されて、プリント回路基板（電気回路基板）などが形成される。
【００３６】
本実施の形態によれば、入射口４９は、ＬＥＤ２２のループの軸上に設けられる。そのため、所与のＮＡを有する光学系は、パルスモードで動作するＬＥＤ２２による高輝度照明が可能である。つまり、非常に高い強度の（すなわち高輝度の）擬似ＣＷ（連続波）光を形成する。したがって、所定時間にわたって平均化されたＬＥＤ２２全体の平均輝度は、単一ＬＥＤの平均連続出力に比べて実質的に大きい。スキャナ４４とパルスシーケンスとの同期によって、パルス駆動される各ＬＥＤからの光パルスが時間多重化される。これにより、光学系の入射口４９へ入射する光出力５２の総輝度出力が増加する。
【００３７】
本発明の別の実施の形態による高輝度照明システムおよび方法について図２に基づき説明する。図２は、時間多重化した光出力を生成するためのシステムを示す平面図である。複数のＬＥＤ１２２が、例えば、回転ドラムの外周に取り付けられている。ＬＥＤ１２２は、ドラムから離れる方向に光を発するように構成されている。例えば、一または複数のコリメーティングレンズ１４２を含む光学部品が、ドラムが回転する間、一度に１つのＬＥＤからの光を受け取るように配列されている。ＬＥＤ１２２は、ドラムが回転する間、各ＬＥＤが光学系１６９の入射口１４９と少なくとも光学的につながっている時間の間に、短時間かつ高強度（高輝度）の光パルスを発するように間欠的に駆動される。
【００３８】
ＬＥＤが開口１４９を通過するとそのパルス出力は終了し、電流は隣接するＬＥＤ１４９に送られ、隣接するＬＥＤ１４９が高輝度光パルスを発する。次のＬＥＤ１４９がパルスオンされる時、そのＬＥＤ１４９は、そのパルス光が受け取られて光学系１６０に送られるように、開口１４９と光学的につながった位置にある。以前にパルスオンされたＬＥＤは、もはや光学系とはつながっておらず、再び開口１４９とつながるように回転するまでオフされる。
【００３９】
このシーケンスは、ドラムの回転によって円状に継続する。ドラムの回転速度は、ＬＥＤのパルスおよび光学系に対するＬＥＤの位置と同期している。
【００４０】
例えば、１００個のＬＥＤが回転ドラムの周囲に取り付けられていると仮定する。各ＬＥＤは、約１ｍｍ直径の領域から光を発し、１０ｍｍ直径の領域を占める。ドラム直径は約３２０ｍｍである。例えば、ＬＥＤは順次約１ｍｓｅｃの間パルス駆動され、ドラムは約６００ＲＰＭの速度で回転すると、擬似ＣＷ照明が達成される。この例では、ＬＥＤのデューティサイクルは１％である。したがって、各ＬＥＤが熱的劣化を最小にしつつパルス光出力を最適化するために、パルスの合間に十分な冷却時間が確保される。本実施の形態によれば、例えば、ＤＣ電気モータに用いられるものと同様のブラシ機構を使用することにより回転ＬＥＤに電気が供給される。
【００４１】
一般に、回転ミラーを採用する実施の形態は回転ドラムを採用する実施の形態に比べて機械的に実施し易く、また、回転ＬＥＤよりも固定ＬＥＤの方が電流供給がより容易である。しかしながら、回転ドラムを用いる実施の形態の１つの利点は、光学系に対してＬＥＤを比較的近接して設置することができることである。
【００４２】
上述した照明システムは、高輝度光を必要とする種々の適用形態に使用され得る。例えば、１つの典型的な例は、フォトリソグラフィで使用される露光装置用の照明源としてである。フォトリソグラフィは、電子産業において、プリント回路基板および集積化チップの製作に用いられる。また、グラフィック工芸産業においても、印刷板を製作するために用いられる。
【００４３】
日本の日亜化学工業株式会社から販売されているＬＥＤは、約１ｍｍ２の発光領域および約１０ｍｍ２の総領域を有するチップから約１００ｍＷのＵＶ光（約４００ｎｍ未満）を発する。ＬＥＤからの光は、コンデンサレンズによってライトバルブまたは他の変調器に結合される。本実施の形態によれば、ライトバルブは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、回折格子型ライトバルブ（ＧＬＶ）、または、選択的に位置決め可能な微小ミラー（米国テキサス州のＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔより入手可能）のデジタル微小ミラーデバイス（ＤＭＤ）タイプアレイである。ＤＭＤデバイスは、投射ディスプレイ用に設計され、通常、約１０００×１０００のアドレス指定可能な個々の画素またはミラーを備える。先に述べた光源は、任意の適当な変調器、例えば、上記の変調器のうちの１つを使用してフォトリソグラフィデバイスで使用するのに適合させてもよい。本発明の照明装置が適合し得る適当なフォトリソグラフィシステムは、その開示の全体が参照により援用される以下の米国特許、すなわち、米国特許第６，４７３，２３７号、米国特許第６，４２５，６６９号、米国特許第６，３７９，８６７号、米国特許第６，１３３，９８６号のうちの一または複数に記載されている。
【００４４】
例として、上記特許に記載されるフォトリソグラフィデバイスは、イメージが記録される画素位置へ光を向けたりその位置から光を逸らしたりするための空間光変調器としてＤＭＤを用いる。これらのフォトリソグラフィシステムでは、変調器上の各アドレス指定可能な画素がオンまたはオフのいずれかの状態を取るため、変調器に入射する光は選択的に出射して表面に達し、記録パターンを形成する。
【００４５】
フォトリソグラフィへの適用では、変調器によって変調された光は、フォトレジストを被覆した基板上に選択されたパターンで投射される。ライトバルブの表面は、所定のパターンに従ってパターン化される。バルブパターンの表面に入射する光は、例えば、投射レンズによってフォトレジスト上に走査されるか、その他の方法で表面上にイメージングされる。フォトレジスト内で化学反応が起こることにより、イメージが記録されてその後処理がなされる。
【００４６】
フォトレジスト内の化学反応を促進するためには、最小閾値エネルギー量がフォトレジストに供給される必要がある。光エネルギーは時間と電力の関数であるから、光電力が増加すると、露光に必要な時間は減少する。露光時間は、装置の費用効果性を左右するシステム処理能力に関連する。例えば、露光システムの露光時間を半分に減らすことができると、２倍の数の基板上にパターンを出力することができるから、製造業者にとっては競争上かなり有利である。フォトレジストのエネルギー必要量は使用される化学薬品に関連して定まるため、露光装置を駆動する光源の輝度を増加させることはシステム処理能力を向上させる効果的な方法である。したがって、本実施の形態によって、ＬＥＤなど比較的低コストかつ比較的低輝度の固体発光体を使用する場合においても、フォトリソグラフィで使用される露光機器の光輝度をかなり改善することができる。
【００４７】
高輝度光源が必要とされる他の適用形態として、マシンビジョン産業が挙げられる。マシンビジョンへの適用では、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラなどの光センサを使用して、検査される製品の画像が取得される。取得された画像の質に影響を与えるパラメータの１つは、光学信号の強さ、すなわち、撮像される表面の各部分から受光される光量である。この信号は、信号源の輝度および受光時間に関連する。所与の必要とされる信号について、画像取得速度は光源の輝度に大きく依存する。そのため、上述した実施の形態によれば、照明システムの輝度を向上させることにより、検査処理能力の高いマシンビジョンシステムを実現することができる。
【００４８】
本発明による高輝度照明システムおよび方法は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態によるパルス駆動式固体発光体からの光を時間多重化するためのシステムを示す説明図。
【図２】本発明の別の実施の形態によるパルス駆動式固体発光体からの光を時間多重化するためのシステムを示す平面図。
【符号の説明】
【００５０】
１０・・・システム、    ２０・・・高輝度照明装置、    ２２・・・固体発光素子、  ２４・・・電流パルス、    ２６・・・電流シーケンスグラフ、    ３０・・・パルス、    ３２・・・光パルスグラフ、    ４２・・・レンズ、    ４４・・・スキャナ、    ４６・・・ミラー、    ４９・・・入射口、    ５０・・・パルス、    ５２・・・光出力、    ６０・・・変調器、    ６２・・・変調光出力、    ６４・・・イメージスキャナ、    ６６・・・感光面、    １４２・・・コリメーティングレンズ、    １４９・・・入射口、    １６０・・・光学系。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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