JP3912171B2

JP3912171B2 - 光放射装置

Info

Publication number: JP3912171B2
Application number: JP2002125712A
Authority: JP
Inventors: 満池内
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003317675A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視および紫外線の点状の放射源に関し、特に大出力となる紫外線の点状の放射源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体や液晶といった電子産業分野において、半導体基板や液晶基板への微細回路パターンの転写露光のため、紫外線露光が行われ、その光源装置には、点状の光源を有する紫外線光源が使用される。
近年、露光される面積の大型化、生産ラインの高スループット化の市場要求が高まりつつある。現状、大面積露光用の紫外線光源としては、水銀蒸気の発光を利用した水銀ランプが使用されている。これは、石英ガラスバルブ内に一対の高融点金属電極を配置し、バルブ内に数ｍｇ〜数１０ｍｇ／ｃｃ以上の水銀とバッファガスとしてアルゴン等の希ガスを封入した放電ランプである。しかし、電極を有するため、出力としては１０ｋＷが限界とされている。それは陽極側の電極が、加熱され蒸発してしまい、バルブ内の黒化による放射光の減少や電極の融解により放電自体の持続が不可能になるからである。
【０００３】
また、レーザを用いたプラズマ発光が考えられている。しかし、これはレーザのエネルギ変換効率が低く、実用にはなっていない。また、マイクロ波励起の光源が、例えば無電極ランプのように検討されているが、点光源化が困難な状況にある。それは次の理由による。マイクロ波は波長が１ｃｍ以上と長いため、波長程度以下に集中させることができない。
また、点状のプラズマ化ができないのである。
【０００４】
可視光点光源も大出力化が望まれている。耐候試験の目的で、繊維や太陽電池の大面積一様照射の用途に、現在はキセノンランプが使用されている。しかし、大出力化は７ｋＷまでにとどまる。大出力の可視光光源としてはボルテックスアークという発光源があるが、これは電極交換が頻繁に必要であり、メンテナンスが面倒であるという欠点があった。
【０００５】
ところで最近、ミリ波サブミリ波発生装置の、投入電力に対するミリ波、サブミリ波変換効率の向上は目覚しく、例えば、投入電力からの変換効率が５０％に達する装置としてジャイロトロンというミリ波サブミリ波発生装置が注目を集めている。例えば応用物理第７０巻第３号２００１年３２２頁〜３２６頁にその実例が示される。当文献に基本的構成と動作原理が示される。このミリ波サブミリ波はマイクロ波のように導波管は必要とせず、空中で電力を伝播できる。発明者はこのミリ波サブミリ波発生装置の点状の放射源への応用について、鋭意検討を行った結果、本発明に至った。
【０００６】
【発明の解決しようとする課題】
先に述べた大面積の露光のためには出力１５ｋＷ以上、約１０ｍｍ程度にまで点状光源化した紫外線源が望まれる。また、可視光源においても２０ｋＷ以上の大出力のものが耐光試験用途で望まれている。そこで、本発明の目的は、電極の寿命に関係なく、連続的に大出力の光放射を行える点状光源を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ミリ波サブミリ波発生源からの波長０．１ｍｍ〜１０ｍｍの電磁波を電磁波拡大反射鏡または電磁波拡大レンズで一旦拡大させた後に電磁波収束反射鏡または電磁波収束レンズで収束し、その収束点付近に収束電磁波と放射光を透過する気密容器に封入された気体をプラズマ化し、発光させ、その発光を反射鏡を用いて集光させる光放射装置であって、
電磁波の収束点位置に対して、電磁波の導入側と反対側に、電磁波の収束立体角と同程度の大きさの、波長０．１ｍｍ〜１０ｍｍの電磁波を吸収する電磁波の吸収体を設けたことを特徴とする光放射装置とするものである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記発光する気体が希ガスを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の光放射装置とするものである。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、前記発光する気体中に水銀・亜鉛・インジュウムから選ばれた金属か、金属ハロゲン化物か、イオウかの何れかを含有することを特徴とする請求項１に記載の光放射装置とするものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、電磁波を収束し、その焦点位置付近で気体放電させる領域の近傍に始動用補助アンテナを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の光放射装置とするものである。
【００１５】
【作用】
本発明の構成によれば、入力電力に対して５０％以上の変換効率が実現されているミリ波、サブミリ波を一旦拡大させた後に収束し、その焦点位置でプラズマ化し、発光させ、点状の放射源となる。反射鏡を設けることでプラズマからの光を小さい窓部に集めて入射電磁波の散乱による漏洩を防止できる。
【００１６】
発光する気体として希ガスを主成分とすると、希ガスは低い入射電磁波のエネルギで発光開始できるので始動が容易になる。
【００１７】
また、希ガスの他に別の放射種を加えると、用途に合わせた波長の放射が得られる。気密容器内に気体を収容することで、高気圧での発光が可能となり、放射出力を高めることができる。
【００１９】
電磁波の収束点位置に対して電磁波の吸収体を電磁波の導入側と反対側に設けることにより、発光開始まで電磁波が放射装置の外部に漏れるのを防ぐことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の光放射装置の実施形態を説明する。図１は第一の実施例であり、金属製の筐体１００内にミリ波サブミリ波発生源１から３８４ＧＨｚ、１０ｋＷの出力のビーム状サブミリ波が導入され、導電率の高い金属製の電磁波拡大反射鏡２でサブミリ波は一旦拡大され、電磁波収束反射鏡３でサブミリ波は０．６ステラジアンの立体角（θ１）によって短焦点で収束される。
【００２３】
収束点ｓは、例えば石英ガラス製のガラス容器１０の中心に位置し、肉厚３．５ｍｍ、外径１００ｍｍのガラス容器１０内にはアルゴンＡｒ約１０ｋＰａ、水銀Ｈｇ２０ｍｇ／ｃｃが封入されている。光源サイズは約１０ｍｍである。不図示であるが、ガラス容器１０は強制空冷されて使用される。
【００２４】
ガラス容器１０はガラス支持棒１５によって支持されている。なお、本願の図面においてガラス容器１０以外の部材（例えば電磁波拡大反射鏡２）を支持する支持部材は便宜上、省略している。
【００２５】
電磁波の収束点ｓに対して電磁波吸収体１１を電磁波の導入側と反対側に設けることにより、発光開始まで電磁波が放射装置の外部に漏れるのを防ぐことができる。電磁波吸収体１１は例えばカーボンブラックからなる。収束点ｓでプラズマが生じる段階までサブミリ波を吸収するものである。この電磁波吸収体１１は冷却機構（不図示）を具備する場合がある。
【００２６】
集光反射鏡４で反射され、筐体５の窓部６にいたる。そして例えば純粋な石英ガラスからなる窓部材７を透過し、光放射装置１００から装置外部に放射される。窓部材７は、純粋な石英ガラス以外にも、ミリ波サブミリ波の吸収のために石英ガラスに２０ｐｐｍのＴｉＯ_２をドープした材料でもいい。また、窓部材７は水のセルであってもよい。
【００２７】
発光は、従来の超高圧水銀ランプと同等で短波長域が強い発光となる。
【００３１】
一旦、プラズマが生成すると、キセノン原子が励起されて発光する。その現出する光源サイズは約８ｍｍ程度になる。そして光の波長は紫外域から可視域に亘る連続スペクトルである。
【００３２】
ガラス容器１０内に封入する希ガスとしてはキセノンのほかにもヘリウムＨｅ、ネオンＮｅ、アルゴンＡｒ、クリプトンＫｒを選択でき、さらには水銀Ｈｇ、亜鉛Ｚｎ、インジュウムＩｎなどの金属や金属ハロゲン化物、イオウＳのような発光種を添加することもできる。そうすることで、用途に合わせた波長の放射が得られる。発光スペクトルとしては従来の放電ランプの発光スペクトルと略同じである。
【００３３】
図３は本発明の第二実施例として光放射装置の構成を示したものである。この実施例においては、電磁波拡大反射鏡２、電磁波収束反射鏡３に替えて、それぞれ、電磁波拡大レンズ４１および電磁波収束レンズ４２を使用する。電磁波拡大レンズ４１は電磁波の吸収が少なく屈折率が高い、例えば窒化珪素製や水晶製であり、電磁波収束レンズ４２は例えば水晶製である。
【００３４】
金属製の筐体１００内にミリ波サブミリ波発生源１からは４１ＧＨｚ、２０ｋＷのミリ波が導入され、電磁波拡大レンズ４１でミリ波は一旦拡大され、電磁波収束レンズ４２でミリ波は０．２ステラジアンの立体角（θ３）によって短焦点で収束される。ガラス容器１０内に封入する発光種としては、第一実施例と略同様に水銀Ｈｇ２３ｍｇ／ｃｃと１０ｋＰａのアルゴンＡｒとした。光源サイズは約１０ｍｍ、発光は従来の超高圧水銀ランプと同等で短波長域が強い発光となる。
【００３５】
図４は本発明の第三実施例として光放射装置の構成を示したものである。この実施例においては、電磁波拡大反射鏡２と電磁波収束反射鏡３および電磁波収束レンズ４２を組合わせている。第一の実施例との違いは電磁波収束反射鏡３が第一の実施例においては、アルミニウムであるのに対し、第三の実施例においては、金メッキアルミニウムである点である。
【００３６】
ミリ波サブミリ波発生源１からは４１ＧＨｚ、２０ｋＷのミリ波が導入され、電磁波拡大反射鏡２でミリ波は一旦拡大され、電磁波収束レンズ４２でミリ波は短焦点で収束される。ガラス容器１０内に封入する発光種としては、第一実施例と略同様に水銀Ｈｇ２３ｍｇ／ｃｃと１０ｋＰａのアルゴンＡｒとした。光源サイズは約１０ｍｍ、発光は従来の超高圧水銀ランプと同等で短波長域が強い発光となる。
【００３７】
そして、光を取り出す窓部６にはロッドインテグレータ８を具える。ロッドインテグレータを使用することで、利用光の収束と電磁波が光放射装置１００の外部に漏れないように遮蔽ができる。
【００４０】
図７は、始動用補助アンテナ３０を具備した第四の実施例である。始動用補助アンテナ３０は、その先端部３０Ａを除き、絶縁体５０に覆われている。始動用補助アンテナ３０は高電圧部６０と接続されている。始動用補助アンテナの無い場合と比較して、約２０％の低い電力からプラズマが発生するため放電開始が容易であり、放電開始電力範囲を低電力側へ広げることができる。
【００４１】
ミリ波サブミリ波発生源１からは３８４ＧＨｚ、３０ｋＷのサブミリ波が導入され、電磁波拡大反射鏡２でサブミリ波は一旦拡大され、電磁波収束反射鏡３でサブミリ波は短焦点で収束される。ガラス容器１０内に封入する発光種としては、キセノンＸｅ１ＭＰａとした。現出する光源サイズは約８ｍｍ程度になる。そして光の波長は紫外域から可視域に亘る連続スペクトルである。
【００４２】
以上、本発明の説明においてはミリ波サブミリ波発生源としてジャイロトロンを使用する例で説明してきたが、ジャイロトロンのほかにもクライストロン、バーカトールなどがある。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の請求項１の発明によれば、ミリ波、サブミリ波を収束し、その焦点位置でプラズマ化し、発光させ、点状の放射源とする技術により、大出力のＵＶ、可視の点状光源を実現することができる。反射鏡を設けることでプラズマからの光を小さい窓部に集めて入射電磁波の散乱による漏洩を防止できる。そして、気密容器内に気体を収容することで、高気圧での発光が可能となり、放射出力を高めることができる。そして、電磁波の収束点位置に対して電磁波の吸収体を電磁波の導入側と反対側に設けることにより、発光開始まで電磁波が放射装置の外部に漏れるのを防ぐことができる。
【００４４】
特に請求項２の発明によれば、発光する気体として希ガスを主成分とすると、希ガスは低い入射電磁波のエネルギで発光開始できるので始動が容易になる。
【００４７】
請求項３の発明によれば、希ガスの他に別の放射種を加え、用途に合わせた波長の放射が得られる。
【００５０】
請求項４の発明によれば、始動補助手段を設けることで、放電開始電力を広く取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光放射装置の第一実施例を示す。
【図２】光放射装置の例を示す。
【図３】本発明の光放射装置の第二実施例を示す。
【図４】本発明の光放射装置の第三実施例を示す。
【図５】光放射装置の例を示す。
【図６】光放射装置の例を示す。
【図７】本発明の光放射装置の第四実施例を示す。

Claims

ミリ波サブミリ波発生源からの波長０．１ｍｍ〜１０ｍｍの電磁波を電磁波拡大反射鏡または電磁波拡大レンズで一旦拡大させた後に電磁波収束反射鏡または電磁波収束レンズで収束し、その収束点付近に収束電磁波と放射光を透過する気密容器に封入された気体をプラズマ化し、発光させ、その発光を反射鏡を用いて集光させる光放射装置であって、
電磁波の収束点位置に対して、電磁波の導入側と反対側に、電磁波の収束立体角と同程度の大きさの、波長０．１ｍｍ〜１０ｍｍの電磁波を吸収する電磁波の吸収体を設けたことを特徴とする光放射装置。
前記発光する気体が希ガスを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の光放射装置。
前記発光する気体中に水銀・亜鉛・インジュウムから選ばれた金属か、金属ハロゲン化物か、イオウかの何れかを含有することを特徴とする請求項１に記載の光放射装置。
電磁波を収束し、その焦点位置付近で気体放電させる領域の近傍に始動用補助アンテナを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の光放射装置。