固体光源（LEDマルチライト, RGBレーザ）

光技術情報誌「ライトエッジ」No.40（2014年3月発行）
分光学会（2013年6月）
固体光源
（LEDマルチライト, RGBレーザ）
松島竹夫小田史彦
照明用固体光源の製品群について
白色光
Laser(RGB)
LED(白色)
LDLS
面照射光源
高輝度光源
LED(単色)
単色光
LEDマルチライト、RGBレーザをご紹介いたします。
〈1〉
UV-LED平行光源
LEDマルチライトについて
松島竹夫
〈2〉
半導体、LED、プリント基板等の配線パターンを作製する手段とし
てフォトリソ技術が利用されている。
その光源としてUV光(436nm以下)が利用される。
ワーク上にマスクパターンを配置し、
そこにUV光を照射すること
により、マスクパターンをワーク上に転写する。その後、現像、エッ
チング、蒸着等の操作を施すことにより、配線パターンが形成され
る。
このUV光は平行光(コリメーション角1∼5°)を用いる。これは
L/S解像度を向上させるためである。
現在、この用途には超高圧ショートアーク水銀ランプが用いら
れている。その理由は平行光を作り出すために必要な高輝度の特
性を持っているためである。
ここで紹介する光源は、LEDである。
LEDはその種類によって波長選択できる。多種のLEDを組み合
わせて、自由な分光分布が得られる。また、
それらの強度も自由(波
長別、時間別)に変更できる。寿命も長い。
一方、
LEDチップは全方向に光を出している。1チップからの放
射光束も大きくない。これらの理由により、平行光にすることが
困難であった。
本報告は、複数のLEDからの光を効率よく集め、平行光をランプ
と同程度以上の強度で得たUV-LED光源についてである。
〈3〉
講演･セミナー
11
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分光学会（2013年6月）
ウシオの露光装置
ー光源から光学、
機械、
電気、ソフトウェア設計までトータルにー
コンタクト
プロキシミティ
UV 光
●定評あるウシオ超高圧水銀ランプ
紫外線波長領域のなかでも、
特に 3 線 ( 3 6 5 n m 、4 0 5 n m 、
436nm)を有効に使用でき、
長寿命で安定した照射強度
をもつ高輝度点光源です。
投影露光
UV 光
マスク
マスク
ワーク (ウェハ)
●ワークへの熱影響を軽減するコールドミラー
長波長の光を透過し、必要な
紫外線だけを反射するコール
ドミラーを2枚使用し、被照
射物の温度上昇をおさえるよ
う統計されています。
レンズ
●高性能インテグレーターレンズ搭載
マルチライトには超高圧水銀ランプと、
ウシオが独自に開発した高性能インテ
グレーターレンズを搭載。高精度な光
を実現しました。
ワーク(ウェハ )
〈4〉
照射面
UV-LED 光源採用マルチライト
外寸：幅 300 奥行き 365 高さ 420
光源モジュール寸法：130×130×130
〈5〉
〈7〉
放射波長比較 Lamp vs. LED
波長別強度可変・照射レシピ
波長毎に強度を変えることができる
Lamp の波長に合わせて LED 波長を選択した
相対分光放射照度 (%)
Lamp
LED i
80
LED h
LED g
60
40
20
0
325
350
375
400
425
波長 (nm)
450
475
500
搭載する LED の波長を変更すれば、Lamp とは異なる
波長にピークをもつものも設計可能
〈6〉
12
講演･セミナー
80
60
40
20
0
325
INTENSITY
相対分光放射照度 (%)
100
100
〈8〉
7
6
5
4
3
2
1
0
350
375
400 425
波長 (nm)
450
475
500
LED i
LED h
LED g
0
1
2
3
4
5
6
STEP
7
8
9
10 11
照射レシピの例
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照度分布の制御
光源
LEDの放射束を部分的に増減させることにより、
照射面照度分布を制御することが可能
全点灯
部分点灯
照度分布
80
右側
60
40
20
中央
0
-20
-40
-60
左側
-80
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
38-40
36-38
34-36
32-34
30-32
28-30
36-28
24-26
22-24
20-22
18-20
16-18
14-16
12-14
10-12
8-10
6-8
4-6
2-4
80
右側
60
40
20
0
中央
-20
-40
-60
-80
左側
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
調整前
38-40
36-38
34-36
32-34
30-32
28-30
36-28
24-26
22-24
20-22
18-20
16-18
14-16
12-14
10-12
8-10
6-8
4-6
2-4
調整後
〈9〉
照度比較 Lamp vs. LED
mW/cm2
ランプ式マルチライト
ML-501C/B
500W
超高圧
水銀ランプ
UV-LEDマルチライト
400W
LED
i線
28
39
h線
14
11
g線
21
16
条件：照射ユニット：PM50C-160A1(有効照射エリア：Ø160mm, コリメーション角:2.8°)
〈10〉
講演･セミナー
13
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分光学会（2013年6月）
まとめ
1 平行光かつランプ同程度以上の照度
2 波長選択可
3 波長別強度可変
4 照射レシピ
5 照射面照度分布制御
LED、光学系、電源の組み合わせにより様々な特性を
もった光源を試作対応いたします。是非ご一報下さい。
RGBレーザについて
〈11〉
小田史彦
放射照度(μW/cm2/nm)
強度比率変更
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
1A
0.7A
0.5A
0.2A
325
350
375
400
425
波長(nm)
450
475
500
〈14〉
ピーク波長(nm)
入力
(A)
LED
0.2
0.5
0.7
1.0(gh線)
0.94(i線)
i線
366
366
367
368
h線
405
407
408
410
g線
432
432
433
434
1. RGBレーザ製品
異なる波長のLEDの提供も可能です。
2. アプリケーション
〈12〉
3. ラボ用RGBレーザ製品(RGB-box)
UV-LEDマルチライト+PM50C-160A1 での評価
照射ユニット
照射径
照度均一度(%)
視角
PM50C-160A1
φ160
±5
±2.8°
〈15〉
〈13〉
14
講演･セミナー
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Ushio / Necsel Relationship
Ushio Group
Company
History and Achievements to Date
First Laser Neon
Necsel/Ushio partnership
Control of visible laser components
Necsel meets market specs
Ships first Cinema Rack
First Laser TV demonstrated
First major OEM contract
First high power visible array (1W)
Met Telcordia reliability specs
First high power VCSEL (Telecom)
First new laser design in 20 years
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
〈16〉
Necsel方式のグリーンレーザ
RGB レーザ製品
Key Projects
‒ Present RGB Laser Products (R 5W : G 3W B 3W) : Start
massproduction by 2011 for Digital Cinema / High
Lumen projectors
‒ Technology Improvement : Higher Lumen / Higher
Efficiency /
Lower Speckle
Specification
Red
Green
Blue
Laser Power
5W
3W
3W
Wavelength
639nm
532nm
465nm
赤外面発光レーザ + 倍波結晶で Green,Blue を発生
シンプルでコンパクトな構成と高効率を両立する独自パッケージ
PPLN
VBG
VCSEL
( 基本波 )
1064nm
930nm
波長変換
( 倍波 )
532nm
465nm
VCSEL(vertical cavity surface emitting laser) 赤外面発光レーザ
PPLN(periodically poled lithium niobate)
倍波結晶
VBG (volume Bragg grating)
出力カプラ
〈17〉
34×18×30 (mm)
(パッケージサイズ)
〈18〉
講演･セミナー
15
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長時間点灯試験データ
レーザモジュール製品
SHG Power,normallzed
Diamond Submount Laser Package(Gen.1)
1.4
2.1
■Optical Fiber Coupled, Laser Light Source for Projector
Controller PC
Blue on Diamond SM124 (3W@Tn=42℃)
1.0
0.8
0.6
Red Laser Rack
Failure Definition ≦0.5
0.4
Green Laser Rack
0.2
0.0
24.000 26.000 28.000 30.000 32.000 34.000 36.000
Blue Laser Rack
SHG Power,normallzed
Time(hours)
1.4
2.1
Optical Fiber
Bundle
(27 lines)
Chiller
Green on Diamond SN630(3W@Tn=42℃)
1.0
0.8
0.6
Failure Definition ≦0.5
0.4
0.2
0.0
24.000 26.000 28.000 30.000 32.000 34.000 36.000
Time(hours)
End-view of
Optical Fiber Bundle
All lasers have completed life test without reaching failure point
̶ Green:>37,800 hrs,Blue:>35,900 hrs
̶ >>10years at operation condition with little degradation
・ Assuming 10 hrs/day,7days/week,50weeks/year(3,500 hrs/year)
Laser Output: 16,000 lm (62W) @ Fiber Output
(design) 21,000 lm (81W) @ LD Output
R,G,B(3W/pc.) × 9pcs. each
・For optical components, good reliability.
〈19〉
Projection Demonstration
Dimensions: W 584.2×D 800.1×H 1254.2 mm
〈20〉
RGBレーザ照明の特徴
レーザ照明は多くの優れた特性を持っています。
1. RGBレーザ製品
2. アプリケーション
3. ラボ用RGBレーザ製品(RGB-box)
超高輝度
ランプより遥かに大光量を、細径ファイバに入
光可能です。
長寿命
数万時間に及ぶ寿命。ランニングコスト低域は
もちろん、光量・カラーバランスを安定に保ち
ます。
柔軟な調光性
パルスドライブ
pure RGB
〈21〉
他光源との組み合わせ
〈22〉
16
講演･セミナー
0-100％で自由に調光可能。滅光機能の省略・
消費電力低域に寄与します。
任意のパルスドライブが可能。様々な照射
モードを最小の消費電力で実現できます。
ランプより遥かに高いカラーコントラストで。
また、UV,IR をふくまないので、カット
フィルタ不要です。
細径ファイバでの伝送、自由なパルスドライブ
性能が可能なため、他波長光源 (LD、LED) との
組合せも高い自由度で実現可能です。光技術情報誌「ライトエッジ」No.40（2014年3月発行）
分光学会（2013年6月）
RGBレーザ照明の特徴(ランプ・LEDとの比較)
* All values are only for discussion
レーザ
ランプ
LED
レーザのメリット
偏光光
Yes
No
No
3Dシネマ等への適用
光源輝度
(W/mm2Sr)
∼105
∼1
∼0.5
細径ファイバへの結合
高輝度照射の実現
光学系の効率
∼90％
∼15％
∼30％
光学部品の低域
寿命(h)
(50％光量寿命)
∼104
∼103
∼104
ランニングコスト低域
IR・UV
No
Yes
No
光学素子の低域
IR/UV照射危険性回避
色域
(可視域比％)
90％
∼40％
∼60％
シネマ・シミュレーション
への応用
自由な
調光・パルス駆動
Yes
No
Yes
自由な照射モード
消費電力低域
破裂の危険性
No
Yes
No
破裂対策の省略
安全性の向上
〈23〉
アプリケーション例① (レーザネオン)
• Laser lighting is perfect for long length of neon replacement
• Cheaper to install for exteriors of buildings
• Lower cost of ownership to maintain
• Infinite, changing color range
〈24〉
講演・セミナー
17
光技術情報誌「ライトエッジ」No.40（2014年3月発行）
分光学会（2013年6月）
アプリケーション例② (ファイバスコープ・内視鏡)
• Lasers are perfect for delivering very bright light efficiently down a fiber forilluminating a camera system
‒ Boroscopes are used for inspection work
‒ Endoscopes are used inside the human body, including small fibers
〈25〉
内視鏡への適用例(他波長レーザとの組合せ)
RGB レーザ + 他波長レーザの組合せの例
〈26〉
18
講演･セミナー
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分光学会（2013年6月）
アプリケーション例③ Distributed lighting(テーマパーク)
• Laser lighting is perfect for areas where you don t want
electricity and wet areas such as:
‒ Rides with water features
‒ Architectural displays
‒ Outdoors on buildings
〈27〉
アプリケーション例④ Distributed lighting(ラジオアンテナ)
• Laser lighting is perfect for areas where you don t want
to change lamps and LEDS lifetime is reduced due to
high intensity radio waves
• Located laser box at bottom of tower, run the light up to
luminaries via fiber optic cable
• Much lower service costs
〈28〉
RGBレーザ照明のまとめ
超高輝度照明。特に細径ファイバへの大光量伝送可能。
1. RGBレーザ製品
調光・パルスが自由自在
他レーザ等との組合せ、消費電力低域
2. アプリケーション
長寿命
3. ラボ用RGBレーザ製品(RGB-box)
CoO 低域、カラーバランスが崩れない
pure RGB
色域が非常に広い、不要な UV,IR 放射が無い
他波長への可能性
〈29〉
〈30〉
講演・セミナー
19
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ラボユース製品：RGB-box
min.
最大出力＊1
3
出力安定性
出力ファイバ
Red
Green
Blue
〈31〉
20
講演･セミナー
中心波長
出力調整範囲
中心波長
出力調整範囲
中心波長
出力調整範囲
typ.
9.1
max.
単位
10.0
W
5
％p-p
コア径 1.0mm,NA=0.39
636
638
528
0
nm
W
532
536
nm
2.5
W
465
469
nm
2.5
W
0
462
642
5.0
0

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