(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電ランプから放射された光をミラーで集光し、集光した光を、ミラーの光軸上に配置したライトガイドの入射端に入射し、ライトガイドの出射端から出射する上記光を投影光学系により被照射面に集光し、被照射面に配置された被照射物に照射する光照射装置において、
前記投影光学系は、両端に曲率半径が同じ球面を有し、入射端が該ライトガイドの出射端に、１ｍｍ以内の間隔で近接して配置された、外径が該ライトガイドの収束径にほぼ等しいロッドレンズと、該ロッドレンズの出射端に近接して配置された外径が該ライトガイドの収束径にほぼ等しい平凸または両凸レンズからなり、
前記ロッドレンズは、該ロッドレンズに入射した光が、該ロッドレンズの外周面に当たることなくロッドレンズの出射面に広がるように、ｎｓｉｎθ＝ｎ’ｓｉｎθ’（ロッドレンズの材質の屈折率をｎ’、空気の屈折率をｎ、空気中での光の広がり角度をθ）に基づいて求められるロッドレンズ中の光の広がり角度θ’とロッドレンズの径とから計算された長さであり、
前記ロッドレンズおよび平凸または両凸レンズは筒状ホルダーに保持され、該ホルダーは該ライトガイドの出射端を覆う筒状の接合部に接合されていることを特徴とする光照射装置。
【請求項２】
放電ランプから放射された光をミラーで集光し、集光した光を、ミラーの光軸上に配置したライトガイドの入射端に入射し、ライトガイドの出射端から出射する上記光を投影光学系により被照射面に集光し、被照射面に配置された被照射物に照射する光照射装置において、
前記投影光学系は、入射端が該ライトガイドの出射端に、１ｍｍ以内の間隔で近接して配置された、外径が該ライトガイドの収束径にほぼ等しい両端が球面のロッドレンズからなり、該ロッドレンズの出射端の球面の曲率半径が入射端の球面の曲率半径よりも小さく、該ロッドレンズに入射した光が、該ロッドレンズの外周面に当たることなくロッドレンズの出射面に広がるように、ｎｓｉｎθ＝ｎ’ｓｉｎθ’（ロッドレンズの材質の屈折率をｎ’、空気の屈折率をｎ、空気中での光の広がり角度をθ）に基づいて求められるロッドレンズ中の光の広がり角度θ’とロッドレンズの径とから計算された長さであり、
前記ロッドレンズは筒状ホルダーに保持され、該ホルダーは該ライトガイドの出射端を覆う筒状の接合部に接合されていることを特徴とする光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電ランプから放射される光をライトガイドで導いて被照射面に配置された被照射物（ワーク）に照射して光処理を行う光照射装置に関し、更には狭い範囲の領域に紫外線を含む光を照射して紫外線処理を行うのに適した光照射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光照射装置から出射される光をワークに塗布した接着剤、塗料、インキ、レジストなどに照射して硬化させたり乾燥させることが行われる。また、逆に、これらを溶融させたり軟化させるなどのさまざまな処理が行われる。そして、紫外線硬化型接着剤による光ディスク用のピックアップレンズの接着や、電子部品の基板への接着の場合などは、微小域に光を照射する必要があり、放電ランプの光を光ファイバーを多数束ねて構成されるライトガイドで導いて微小域に照射する。
【０００３】
図１は、微小域に照射するための光照射装置の内部構成の一例を示す。ミラー２０が保持部材３０に固定され、放電ランプ１０もミラー２０の貫通孔２１に挿通された状態で保持部材３０に固定されている。放電ランプ１０は、例えばキセノンランプや超高圧水銀ランプなどのショートアーク型の放電ランプであり、発光管内に陰極１１と陽極１２が対向配置されている。ミラー２０は、断面形状が楕円形であり、放電ランプ１０の陰極１１と陽極１２の間の発光部の輝点がミラー２０の第１焦点に位置している。通常、発光部の輝点は陰極先端付近にある。ミラー２０の光軸Ｌ上にライトガイドＦが配置され、ライトガイドＦの入射端Ｆｉｎがミラー２０の第２焦点に位置している。また、ライトガイドＦの入射端Ｆｉｎと放電ランプ１０との間にはシャッターＳｔが配置されており、シャッターＳｔを開くと、ミラー２０で集光された光はライトガイドＦの入射端Ｆｉｎに入射する。そして、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕから出射した光は被照射面における光照射領域に配置された光照射処理を行うワーク、例えば紫外線硬化型接着剤が塗布されたレンズ部品や基板などに照射される。
【０００４】
かかる光照射装置において、上記したようにミラー２０の中央部分には貫通孔２１が形成されているので、この部分には反射光が存在せず、ミラー２０で反射する光は、図１において点線斜線で示した光のみがライトガイドＦの入射端Ｆｉｎに入射する。つまり、入射端Ｆｉｎには、入射角度の大きな光が多く入射し、入射角度の小さな０゜に近い光はほとんど入射しない。
【０００５】
ライトガイドＦの入射端Ｆｉｎに入射した光は、光ファイバーの性質として角度が保持された状態で反射を繰り返してライトガイドＦ内を伝送し、入射角と同じ角度で出射端Ｆｏｕから出射する。上記したようにライトガイドＦには、入射角度の大きな光が多く入射するので、出射端Ｆｏｕから出射する光は、図１において点線斜線で示した出射角度の大きな光が多く出射する。ここで、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕとワークが配置される被照射面との距離ｄが短いと、被照射面の照度分布は、出射角度の小さな０゜に近い光が少なくても、ライトガイドＦの光ファイバの収束径がある程度、例えばφ５ｍｍやφ３．５ｍｍという大きさを有するため、中央の照度が高く、周辺部ほど低い山形になる。
【０００６】
しかし、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕと被照射面との距離ｄが大きくなると、被照射面における照射領域の照度は周辺部に比べて中央部が低くなり、「中抜け」と称する現象が生じる。図２は、光ファイバの収束径がφ３．５ｍｍの場合に、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕと被照射面との距離ｄと「中抜け」の関係を示すが、距離ｄが２０ｍｍ以上になると「中抜け」現象が顕著になる。そして、ワークの大きさや形状、ワークの搬入、搬出機構とのクリアランスの関係などから、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕとワークが配置される被照射面との距離ｄを２０ｍｍ以上にする場合が多い。
【０００７】
光処理時間を短くするためには、高い照度で処理する必要がある。しかし、出射端Ｆｏｕとワークが配置される被照射面との距離が長い場合に、光ディスク用のピックアップレンズなどの小さなワークを照射領域の中央に配置すると、「中抜け」現象のためにワークに照射される光の照度が低くなり、処理時間が長くなる。このため、ワークを照射領域の中央からずらして、照度が高い照射領域の周辺部に配置して照射している。しかし、異なる種類のワークを光処理するときや、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕとワークが配置される被照射面との距離ｄが変更されると、その都度被照射面の照度分布を測定して、照度が最も高くなる場所を求め、ワークがその位置に来るように適宜設定する必要がある。また、照度の高い領域は照射領域の周辺部であり、その範囲は狭いので、精度良くワーク位置を合わせ込む必要があり、段取り変えに手間と時間を要していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この「中抜け」現象を解消するために、ライトガイドの出射端から出射する光を投影光学系にて被照射面に集光して、被照射面に配置されたワークに照射することが考えられる。この場合、ライトガイドの出射端の照度分布を投影光学系にて被照射面に投影するので、被照射面において照射を必要とする領域に対して、効率よく光を照射できるとともに、照度分布の「中抜け」現象を解消することができる。
【０００９】
特開昭６４−７５０６７号公報には、上記投影光学系として複数のレンズを組み合わせたレンズユニットを使用することが開示されている。図３は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２からなるレンズユニットＬＵの一例を示し、ライトガイド出射端にレンズユニットＬＵが取り付けられ、光照射部が構成されている。図３において、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕから出射した光は、ライトガイドＦを形成する光ファイバーの開口数ＮＡに従って一定の広がりを持つ。例えば石英ガラス製の光ファイバーの場合、開口数ＮＡ＝約０．２２であり、その空気中の広がり角は約１２．７゜に相当する。
【００１０】
ここで、レンズユニットＬＵのレンズＬ１，Ｌ２をライトガイドＦの出射端Ｆｏｕに近づけると、レンズユニットＬＵによって被照射面に投影される倍率が大きくなる。つまり被照射面における投影面積が大きくなるので、照射領域全体の照度は低くなる。従って、狭い領域に高い照度で照射するためには、レンズユニットＬＵのレンズＬ１，Ｌ２をライトガイドＦの出射端Ｆｏｕから所定距離だけ離す必要がある。そして、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕから出射した光を有効に利用するために、前記した約１２．７゜の広がり角で広がった光のほとんどをレンズにより集光しなければならないが、そのためには、図３に示すように、レンズユニットＬＵのレンズ径を大きくする必要がある。このため、レンズを保持するホルダＨを含むレンズユニット径がライトガイドＦの径よりもかなり大きくなり、光出射部の形状が大型化する。
なお、レンズと被照射面との距離を長くする場合にも、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕからレンズまでの距離を長くする必要があるので、上記したように、レンズ系は大きくなり、光出射部の形状は大型化する。
【００１１】
実際の光照射処理においては、ワークを固定するための治具がその周りを囲っていたり、光を照射する部分が基板に実装された他の部品に囲まれた中に位置する場合などがあるが、いずれにしても、光出射部の形状が大型であれば、光出射部をワークの光を照射する部分に十分に接近させて照射することができず、所望の放射照度を得られない不具合がある。
【００１２】
そこで本発明は、光出射部の径が大型化することがなく、光出射部をワークに接近させて高い放射照度で光照射することが可能であり、また、光出射部とワークとが離れていても、被照射面に照射される光の「中抜け」がなく、効率よく光照射することが可能な光照射装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項１の発明は、放電ランプから放射された光をミラーで集光し、集光した光を、ミラーの光軸上に配置したライトガイドの入射端に入射し、ライトガイドの出射端から出射する上記光を投影光学系により被照射面に集光し、被照射面に配置された被照射物に照射する光照射装置において、前記投影光学系は、両端に曲率半径が同じ球面を有し、入射端がライトガイドの出射端に、１ｍｍ以内の間隔で近接して配置された、外径がライトガイドの収束径にほぼ等しいロッドレンズと、ロッドレンズの出射端に近接して配置された外径が該ライトガイドの収束径にほぼ等しい平凸または両凸レンズからなり、前記ロッドレンズは、ロッドレンズに入射した光が、ロッドレンズの外周面に当たることなくロッドレンズの出射面に広がるように、ｎｓｉｎθ＝ｎ’ｓｉｎθ’（ロッドレンズの材質の屈折率をｎ’、空気の屈折率をｎ、空気中での光の広がり角度をθ）に基づいて求められるロッドレンズ中の光の広がり角度θ’とロッドレンズの径とから計算された長さであり、ロッドレンズおよび平凸または両凸レンズは筒状ホルダーに保持され、ホルダーはライトガイドの出射端を覆う筒状の接合部に接合されている。
また、請求項２の発明は、この投影光学系は、入射端がライトガイドの出射端に、１ｍｍ以内の間隔で近接して配置された、外径がライトガイドの収束径にほぼ等しい両端が球面のロッドレンズからなり、ロッドレンズの出射端の球面の曲率半径が入射端の球面の曲率半径よりも小さく、ロッドレンズに入射した光が、ロッドレンズの外周面に当たることなくロッドレンズの出射面に広がるように、ｎｓｉｎθ＝ｎ’ｓｉｎθ’（ロッドレンズの材質の屈折率をｎ’、空気の屈折率をｎ、空気中での光の広がり角度をθ）に基づいて求められるロッドレンズ中の光の広がり角度θ’とロッドレンズの径とから計算された長さであり、ロッドレンズは筒状ホルダーに保持され、ホルダーはライトガイドの出射端を覆う筒状の接合部に接合されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づいて本発明の実施の形態を具体的に説明する。図４は、請求項１の発明の光出射部の実施例の断面図である。つまり、本発明の光照射装置の光源部分は図１に示すとおりであり、図１のライトガイドＦの先端部が図４に示す構造になっている。
図４において、ライトガイドＦは、石英ガラスからなる多数の光ファイバーを、個々の光ファイバーの入射端Ｆｉｎにおける位置と出射端Ｆｏｕにおける位置がランダムになるように配列して束ねたものである。このライトガイドＦの出射端Ｆｏｕの側面は筒状の金物である接合部ＦＪで覆われており、接合部ＦＪに筒状のホルダーＨが接合されている。そして、ホルダーＨ内には、投影光学系として働く石英ガラス製のロッドレンズ４０および平凸レンズ５０が保持されている。ここで、ロッドレンズ４０および平凸レンズ５０の外径は光ファイバーの収束径にほぼ等しいか、少し大きめである。光ファイバーの収束径の具体例は、例えばφ３．５ｍｍであり、接合部ＦＪの外径はφ９ｍｍである。ロッドレンズ４０および平凸レンズ５０の外径は、φ３．５ｍｍと同じか、幾分大きい程度である。従って、ホルダーＨの外径を接合部ＦＪの外径よりも大きくすることなく、投影光学系を設ることができるので、光出射部の外径は拡大しない。
【００１５】
ロッドレンズ４０の両端は球面であり、一方の端はライトガイドＦからの光を入射する入射面、もう一方の端は入射した光を出射する出射面である。ロッドレンズ４０の入射面をライトガイドＦの出射端Ｆｏｕに近接して設ける。つまり、ロッドレンズ４０の入射面はライトガイドＦの出射端Ｆｏｕに接触するか、もしくは１ｍｍ以内の短い間隔で保持されている。ロッドレンズ４０の入射面の曲率半径Ｒ1 と出射面の曲率半径Ｒ2 とは等しくなっている。また、ロッドレンズ４０の出射面側に設けられた平凸レンズ５０の曲率半径はＲ3 であり、この曲率半径Ｒ3 、およびロッドレンズ４０の曲率半径Ｒ1 （＝Ｒ2 ）とロッドレンズ４０の光軸方向の長さは、平凸レンズ５０を出射した光を集光させる被照射面までの距離ｄに応じて設計される。
なお、平凸レンズ５０は両凸レンズであってもよい。
【００１６】
図５は請求項２の発明の光出射部の実施例を示すが、ホルダーＨ内には、外径が光ファイバーの収束径にほぼ等しいか、少し大きめのロッドレンズ４０のみが保持されている。ロッドレンズ４０の両端は上記第１の実施例の場合と同様に球面であるが、出射面の曲率半径Ｒ2 を入射面の曲率半径Ｒ1 よりも小さくすることにより、ロッドレンズ４０の出射側に凸レンズを設けることを不要とすることができる。そして、曲率半径Ｒ1 およびＲ2 とロッドレンズ４０の光軸方向の長さは、ロッドレンズ４０を出射した光を集光させる被照射面までの距離ｄに応じて設計される。
【００１７】
しかして、図１に示す放電ランプ１０を点灯し、シャッターＳｔを開くと、ミラー２０で集光された光はライトガイドＦの入射端Ｆｉｎに入射し、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕから出射するが、請求項１の発明の場合は、図６に示すように、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕのほぼ中央部の光ファイバーから出射した光は、最大出射角度を１２．７゜（ファイバーのＮＡの約０．２２に相当）とすると、ロッドレンズ４０の入射面で屈折し、約８．６゜の角度で広がりながらロッドレンズ４０の出射面に達する。そして、ロッドレンズ４０の出射面から光軸にほぼ平行な光として出射する。
一方、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕの周辺部の光ファイバーから出射した光は、ロッドレンズ４０の入射面が球面形状であるので、ライトガイドＦの光軸方向に屈折してロッドレンズ４０に入射し、その後は、約８．６゜の角度で広がりながら、ロッドレンズ４０の出射面に達する。そして、ロッドレンズ４０の出射面でライトガイドＦの中央部から出射した光と重なり、光軸に対して１２．７゜に近い角度でロッドレンズ４０の出射面から出射する。
なお、ロッドレンズ４０中での広がり角度θ´（約８．６゜）は、ロッドレンズ４０の材質である石英ガラスの屈折率ｎ´（＝１．４７）、空気の屈折率ｎ（＝１）、空気中での広がり角度θ（１２．７゜）から、スネルの法則（ｎｓｉｎθ＝ｎ´ｓｉｎθ´）に基づいて求めることができる。
【００１８】
光を最も効率よく利用するために、ロッドレンズ４０に入射した光は、図６に示すように、ロッドレンズ４０の外周面に当たることなく、ロッドレンズ４０の出射面一杯に広がるようにする。そこで、ロッドレンズ４０の長さは、材質が石英ガラスであり、径がφ３．５ｍｍの場合、広がり角度が約８．６゜であるので、約１２ｍｍまたは１２ｍｍよりやや短かめにする。
【００１９】
ロッドレンズ４０の出射面から出射した光は、平凸レンズ５０に入射し、平凸レンズ５０から出射した光は、平凸レンズ５０の曲率半径Ｒ3 に基づいて屈折し、設定された位置の光照射面に集光する。ここで、平凸レンズ５０から被照射面までの距離ｄは平凸レンズ５０の焦点距離に相当する。すなわち、ロッドレンズ４０と平凸レンズ５０が、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕの照度分布を被照射面に投影する投影レンズの働きをする。また、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕの照度分布は、光ファイバーのランダム配列の効果により均一化されている。従って、ロッドレンズ４０の働きにより、出射部から被照射面までの距離ｄを長くしても被照射面における照射領域の照度分布に「中抜け」が生じない。
【００２０】
図８は、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕにロッドレンズ４０および平凸レンズ５０からなる投影光学系を設けた前述の実施例、およびライトガイドＦの出射端Ｆｏｕに投影光学系を設けない図１に示す従来例の放射照度分布曲線を示す。平凸レンズ５０ないしライトガイドＦの出射端Ｆｏｕから被照射面までの距離ｄが１５ｍｍおよび２０ｍｍの場合の放射照度分布曲線を求めたが、ロッドレンズ４０および平凸レンズ５０は、前記の距離ｄ＝１５ｍｍとして設計した。また、光ファイバーの収束径はφ３．５ｍｍである。
【００２１】
図８から分かるように、本実施例は、ｄ＝１５ｍｍおよびｄ＝２０ｍｍのいずれの場合も「中抜け」現象は認められなかった。そして、本実施例は、光がｄ＝１５ｍｍの被照射面に集光されるので、照射領域中央部の照度が従来例よりもずっと大きく、シャープな分布曲線が得られた。一方、従来例では、照射領域中央部の照度が本実施例より低いばかりでなく、ｄ＝２０ｍｍの場合に「中抜け」現象が見られた。
【００２２】
図７は、平凸レンズ５０を使用しない請求項２の発明の光路図の１例を示すが、ロッドレンズ４０に入射した光が出射面に到達するまでは、請求項１の発明の光路図を示す図６と同じである。しかし、ロッドレンズ４０の出射面の曲率半径Ｒ2 が入射面の曲率半径Ｒ1 よりも小さいので、光は入射時より大きく屈折してロッドレンズ４０から出射し、設定された位置の光照射面に集光する。すなわち、ロッドレンズ４０が、ライトガイドＦの出射端Ｆｏｕの照度分布を被照射面に投影する投影レンズの働きをするので、平凸レンズ５０を使用したのと同じ効果があり、被照射面における照射領域の照度分布に「中抜け」が生じない。そして、平凸レンズ５０を使用しないので、部品点数を少なくでき、反射や吸収による光の損失が減るので照度が高くなる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、ライトガイドから出射する光を、ロッドレンズ、またはロッドレンズと平凸または両凸レンズからなる投影光学系により被照射面に集光するので、被照射面までの距離が大きい場合にも、照度分布に「中抜け」現象が発生せず、照射領域中央部の放射照度を高くすることができる。
また、従来、ライトガイドとレンズとの間、レンズとレンズとの間の空気層の占める割合が多く、その分レンズ径が大きくなっていたが、該空気層を屈折率の大きいロッドレンズと置き換えることにより、ロッドレンズおよび平凸または両凸レンズの径をライトガイドの径とほぼ同等にすることがてきる。従って、ライトガイドの出射端に投影光学系を設けたにもかかわらず光出射部の径は拡大しない。このため、被照射物であるワークとその搬入機構などとのクリアランスが小さい場合にも、光出射部をワークに接近させることが可能になる。また、出射部からワークまでの距離が大きくなっても「中抜け」のない光を照射することができる。従って、出射端から被照射面までの距離の長短にかかわらず、照射条件の調整を容易に行うことができ、ワークの材質や種類が変化しても、その照射条件に対して自在に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光照射装置の説明図である。
【図２】照度分布の「中抜け」の説明図である。
【図３】光出射部の従来例の説明図である。
【図４】請求項１の発明の光出射部の断面図である。
【図５】請求項２の発明の光出射部の断面図である。
【図６】請求項１の発明の光路図である。
【図７】請求項２の発明の光路図である。
【図８】放射照度分布曲線図である。
【符号の説明】
１０    放電ランプ
１１    陰極
１２    陽極
２０    ミラー
３０    保持部材
４０    ロッドレンズ
５０    平凸レンズ
Ｆ    ライトガイド
Ｆｉｎ    ライトガイドの入射端
Ｆｏｕ    ライトガイドの出射端
ＦＪ    接合部
Ｈ    ホルダー
Ｓｔ    シャッター
【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】
0003900781.tif 000008
【図８】
0003900781.tif 000009