JP2006201273A - 偏光光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 拡散光である偏光光を光配向膜に照射する装置において、光が透過したり反射したりする光学素子を、その光路中に配置する場合であっても、偏光軸のばらつきを生じさせることなく、光照射領域の光配向膜に照射できるようにすること。
【解決手段】 光配向膜３１が形成されたワーク３０はワークステージ３２上に載置され、ワークステージ３２全体が試料室１内に収納されている。試料室１には窒素などの不活性ガスが導入されたり減圧される。試料室１の上部には、光透過窓３が設けられ、光照射部２０からの光は光透過膜３を透過し、光透過窓３とワークステージとの間に設けたワイヤーグリッド偏光素子１０により偏光され、ワークステージ３２上の光配向膜３１に照射される。偏光素子１０と光配向膜３１との間に光を透過または反射する光学素子が設けられていないので、偏光軸の回転は生じず、偏光軸のばらつきは生じない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示素子の配向膜や、紫外線硬化型液晶を用いた視野角補償フィルムの配向層などの配向膜に、偏光光を照射して光配向を行なう偏光光照射装置に関する。

近年、液晶パネルを始めとする液晶素子の配向膜や、視野角補償フィルムの配向層などの配向処理に関し、配向膜に所定の波長の偏光光を照射することにより配向を行なう、光配向と呼ばれる技術が採用されるようになってきている。以下、上記光により配向を行う配向膜や配向層を設けたフィルムなど、光により配向特性が生じる膜や層のことを総称して光配向膜と呼ぶ。
光配向膜は、液晶パネルの大型化と共に大型化しており、それと共に光配向膜に偏光光を照射する偏光光照射装置も大型化している。光配向膜において、例えば視野角補償フィルムは、帯状の長いワークであり、配向処理後所望の長さに切断し使用する。最近は、パネルの大きさに合わせて大きくなり、幅１５００ｍｍのものもある。
近年、このような帯状の長い光配向膜に対して光配向を行うために、光配向膜の幅に相当する長さの棒状ランプを光源とする光照射装置を用い、光配向膜を棒状ランプの長手方向に対して直交する方向に搬送しながら光照射を行なうことが提案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
棒状ランプは、従来より比較的長いものが製造されており、光配向膜の幅方向に対応するような、例えば上記した１５００ｍｍといった長さのものを製造することができる。しかし、棒状ランプから放射される光は拡散光なので、拡散光を効率よく偏光する偏光素子を選択する必要があり、上記公報では、そのような偏光素子としてワイヤーグリッド偏光子と呼ばれる偏光素子が使用されている。

ワイヤーグリッド偏光素子については、例えば特許文献３や特許文献４に詳細が示されている。概略の構造は、図５に示すように、長さが幅よりもはるかに長い複数の直線状の電気導体１０ａ（例えばクロムやアルミニウム等の金属線。以下グリッドと呼ぶ）を、同一平面上（例えば石英ガラスなどの基板１０ｂ上）に平行に配置したものである。光路中に該偏光素子を挿入すると、グリッドの長手方向に平行な偏光成分は大部分反射され、直交する偏光成分は通過する。したがって、照射される偏光光の偏光軸の方向は、偏光素子のグリッドの長手方向に直交する方向になる。
ワイヤーグリッド偏光素子の特徴として、偏光光の消光比の入射角度（偏光素子に入射する光の角度）依存性が小さいことが知られている。
図６に、棒状ランプとワイヤーグリッド偏光素子を組み合わせた偏光光照射装置の構成例を示す。
高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等の棒状ランプ２１と、ランプ２１からの光を反射する断面が楕円形の樋状集光鏡２２を備えた光照射部２０を、ランプ２１の長手方向が、ワーク３０上に形成された光配向膜３１の幅方向（搬送方向に対して直交方向）になるように配置する。光照射部２０には、ワイヤーグリッド偏光素子１０が設けられている。ワイヤーグリッド偏光素子１０は、ランプ２１の発光長よりやや長い一辺を持つ長方形状で、その長手方向がランプ２１の長手方向に一致するように設けられている。

棒状ランプ２１は、その長手方向が樋状集光鏡２２の長手方向と一致するように、また、断面が楕円形の樋状集光鏡２２の第１焦点位置に一致するように配置され、ワーク３０上に形成された光配向膜３１は、樋状集光鏡２２の第２焦点位置に配置されている。
ワーク３０は例えば長尺の連続ワークであり、送り出しローラＲ１にロール状に巻かれており、送り出しローラＲ１から引き出されて搬送され、光照射部２０の下を通って巻き取りローラＲ２に巻き取られる。
ワーク３０が光照射部２０の下を搬送されるとき、ワーク３０の光配向膜３１に、ワイヤーグリッド偏光素子１０により偏光された棒状ランプ２１からの光が照射され、光配向処理される。
図６では、ワイヤーグリッド偏光素子１０のグリッドは、棒状ランプ２１の長手方向に対し平行に設けられており、したがって、光配向膜に照射される偏光光の偏光軸は、棒状ランプ２１の長手方向に対し直交方向、即ち光配向膜の搬送方向に平行な方向になる。 棒状ランプ２１の長さを、光配向膜の幅に対応させて設け、光配向膜を偏光光照射装置に対して相対的に一方向に移動させれば、原理的には１本のランプで、帯状の長い光配向膜の配向処理を行うことができる。またランプからの光を平行光にするような光学素子も不要になり装置の小型化が可能である。
特開２００４−１６３８８１号公報 特開２００４−１４４８８４号公報 特開２００２−３２８２３４号公報 特表２００３−５０８８１３号公報 特開２００３−１５６６８７号公報 米国特許第６７９１７４９号明細書

光配向膜に偏光光を照射する際、偏光光照射装置から出射した偏光光を、透過または反射する光学素子を介して光配向膜に照射する場合がある。
例えば、光配向膜に偏光光を照射する時に処理雰囲気を作るために、仕切られた部屋を設ける場合や、工場に偏光光照射装置を設置するにおいて高さや専有床面積の制限により偏光光の光路を折り返さなければならない場合などである。
上記において、まず処理雰囲気を作るために仕切られた部屋を作る場合について説明する。
光配向は光配向膜の化学反応（光架橋、光分解、光二量化など）によるものであるため、配向膜の種類によっては、大気中での光照射により表面酸化といった酸素阻害の影響を受け、反応が進行しにくくなったり、完了しなくなったりするものもある。
このような酸素阻害の影響を受けやすい光配向膜を光配向する場合、光配向膜近傍の雰囲気から酸素を減らせば、酸素阻害の影響が少なくなり、光配向処理に必要な光照度やエネルギーの閾値が低くなるなど、反応が進行しやすい状態になる。
光配向膜近傍の雰囲気から酸素を減らす一般的な手段として、窒素などの不活性なガスをパージして置換したり、減圧するとことが考えられる。
例えば特許文献５には、光配向膜を試料室内に置き、ガスを導入して空気と置換し、偏光光を照射することが示されている。
特許文献５に記載の装置の場合、ガスをパージする試料室に光を透過する窓部材（石英板）を設け、この透過窓を介してコリメータにより平行光にされた偏光光が照射される。

次に偏光光の光路を折り返す場合について説明する。
例えば、偏光光照射装置が設置される工場において、高さ方向に制限がある場合、図７に示すように、偏光光照射装置１００から出射する偏光光を、反射ミラー４により光路を折り返して光配向膜３１に照射する場合がある。例えば、特許文献６のＦｉｇ．５Ｂには、偏光光を折り返して照射する装置構成が示されている。
しかし、棒状ランプからの拡散光を偏光した光を、石英板を透過させたり、図７に示した装置のように、反射ミラーを介して照射したところ、光照射面において、偏光軸のばらつきが発生することがわかった。
偏光軸がばらついた偏光光により光配向処理を行うと、処理された光配向膜を使って作られた液晶表示素子のコントラストが場所により異なり、むらとして目に映るといった問題が生じる。このため、光照射面での偏光軸のばらつきが±０．１°以内であることが要求される場合もある。

図８は、拡散光である偏光光が、石英板を透過した場合の偏光軸のばらつきを説明する図である。同図は、厚さ１．１ｍｍの平行平板（石英ガラス）に、偏光光を様々な角度で入射した場合の、光照射面における偏光軸の回転角度を測定したものである。
図８（ａ）は、偏光方向（偏光軸の方向）が、図面手前奥方向の場合である。また、図８（ｂ）は、偏光方向が、図面手左右方向の場合である。
いずれの場合も、平行平板への偏光光の入射角が大きくなると、偏光軸（偏光光の方向）が回転し、光照射領域での偏光軸のばらつきは大きくなる。
図８（ｃ）は、偏光方向が、上記（ａ）と（ｂ）の中間である４５°の場合である。この場合は、入射角度が大きくなると偏光軸の回転角度が、上記（ａ）と（ｂ）と比べても大きくなり、光照射領域での偏光軸のばらつきも大きくなる。
本実験では、平行平板を透過した偏光光の回転を測定したが、偏光光を反射ミラーによって反射した場合も、反射ミラーへの入射角が大きくなると、同様の偏光軸の回転が生じた。

図９に、拡散光である偏光光が、反射ミラーで反射された場合の偏光軸のばらつきを示す。
図９（ａ）は、偏光方向（偏光軸の方向）が、図面手前奥方向の場合である。また、図５（ｂ）は、偏光方向が、図面手左右方向の場合である。
図９（ｃ）は、偏光方向が、上記（ａ）と（ｂ）の中間である４５°の場合である。 偏光軸がずれる（回転する）方向は、透過の場合と反対になるが、基本的には透過の場合と同様の傾向を示し、即ち入射角度が大きくなるほど偏光軸のずれ量（回転量）が大きくなった。
上記の実験より、偏光光が、透過または反射する光学素子に、入射角度の大きい状態で入射すると、その光学素子から出射される偏光光の偏光軸に、回転が生じることがわかった。棒状ランプのような拡散光を放射する光源の場合、その光を偏光した偏光光も拡散光となる。拡散光が光学素子に入射するとき、入射する光には入射角度が大きい成分が含まれるので、偏光軸が回転し、光照射領域においては、偏光軸のばらつきが発生する。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、拡散光である偏光光を光配向膜に照射する装置において、光が透過したり反射したりする光学素子を、その光路中に配置する場合であっても、偏光軸のばらつきを生じさせることなく、光照射領域の光配向膜に照射できるようにすることである。

拡散光である偏光光と光配向膜の間に光学素子があると、前記したように偏光軸のばらつきが生じる。そこで、本発明では、ワイヤーグリッド偏光素子と光配向膜との間には光学素子を設けない構造とした。言い換えれば、光配向膜に最も近い光学素子と光配向膜の間に、ワイヤーグリッド偏光素子を設ける。
例えば、前記したように不活性ガスをパージして酸素と置換したり減圧するために仕切り部材を設ける場合は、試料室の光透過窓が、光配向膜に最も近い光学素子となる。そこで、ワイヤーグリッド偏光素子は、この光透過窓と光配向膜の間に設ける。また、光透過窓自体を偏光素子としても良い。
また、例えば、光路を折り返すために反射ミラーを用いる場合は、反射ミラーが光配向膜に最も近い光学素子となる。そこで、ワイヤーグリッド偏光素子は、この反射ミラーと光配向膜との間に設ける。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）拡散光である偏光光と光配向膜との間に光学素子を設けないようにしたので、偏光軸のばらつきが生じない。したがって、偏光軸のばらつきが少ない偏光光を光配向膜に照射することができる。
（２）ワイヤーグリッド偏光子を使用することにより、拡散光を効率よく偏光することができるとともに、平面形状であるので、試料室の光透過窓や反射ミラーと光配向膜の間のスペースが広くなるのを防ぐことができる。

図１に、本発明の第１の実施例の構成を示す。
光照射部２０には、前記図５と同様に、線状の光源である、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等の棒状のランプ２１と、ランプ２１からの光を反射する樋状の集光鏡２２が内蔵されている。
以下、線状の光源として棒状ランプを例にして説明するが、近年は、紫外光を放射するＬＥＤやＬＤも実用化されており、このようなＬＥＤまたはＬＤを直線状に並べて配置し線状光源としても良い。その場合は、ＬＥＤまたはＬＤを並べる方向がランプの長手方向に相当する。
なお、現在光配向膜の材料としては、波長２６０ｎｍ±２０ｎｍの光で配向されるもの、２８０ｎｍ〜３３０ｎｍの光で配向されるもの、３６５ｎｍの光で配向されるものなどが知られており、光源の種類は必要とされる波長に応じて適宜選択する。
また、以下の説明では線状光源を用いる場合について説明するが、光源としては、超高圧水銀ランプやキセノン水銀ランプ等の点光源や、上記線状光源や点光源を平面上に複数並べた面状の光源に適用することもできる。

図１に示すように、光配向膜３１が形成されたワーク３０はワークステージ３２上に載置され、ワークステージ３２全体は、試料室１内に収納されている。試料室１には窒素などの不活性ガスを導入するガス導入口２ａと、不活性ガスにより置換されたガス等を排気するガス排出口２ｂとが設けられている。
また、試料室１の上部には、石英ガラスによる光透過窓３が設けられ、光照射部２０からの光が透過する。透過した光は、石英窓とワークステージとの間に設けた、ワイヤーグリッド偏光素子１０により偏光され、ワークステージ３２上の光配向膜３１に照射される。
光配向膜３１に照射される偏光光は拡散光であるが、偏光素子１０と光配向膜３１との間に光を透過または反射する光学素子がないので、前記図８、図９に示したような偏光軸の回転は生じず、したがって偏光軸のばらつきは生じない。

図２は、本発明の第２の実施例の構成を示す図であり、試料室１の光透過窓３を、例えばワイヤーグリッド偏光素子で構成したものである。
その他の構成は、図１に示したものと同様であり、試料室１には窒素などの不活性ガスを導入するガス導入口２ａと、不活性ガスにより置換されたガス等を排気するガス排出口２ｂとが設けられている。
また、試料室１の上部には、ワイヤーグリッド偏光素子から構成される光透過窓３が設けられ、光照射部２０からの光が偏光される。偏光素子から構成される光透過窓３により偏光された偏光光は、ワークステージ３２上の光配向膜３１に照射される。
この場合も、第１の実施例と同様に、偏光素子１０と光配向膜３１との間に光を透過または反射する光学素子がないので、偏光軸の回転は生じず、したがって偏光軸のばらつきは生じない。
なお、上記第１および第２の実施例では、不活性ガスを置換する構造を示しているが、試料室内を排気して減圧にする構造でもよい。

図３は、本発明の第３の実施例の構成を示す図であり、光配向膜が長尺帯状のワークに形成されている場合を示す。
同図に示すように光配向膜３１が長尺帯状のワーク３０上に形成されている場合、帯状のワーク３０全体を一つの試料室に入れてしまうことは装置が大型化して困難である。
しかし、同図に示すように、光が照射される部分を覆うカバー状の試料室１を設け、ガス導入口２ａから不活性ガス（窒素ガス）を流すようにすれば光配向膜近傍の酸素を減らすことができる。
試料室１の上部には、図１と同様に、光照射部２０からの光を透過する光透過窓３（石英窓）を設け、該光透過窓３と光配向膜３１との間に、ワイヤーグリッド偏光子１０を設ける。光透過窓３を透過した光が偏光素子１０によって偏光され、光配向膜３１に照射される。
酸素と置換される窒素などの不活性ガスは、偏光素子１０と光配向膜３１との間を流れるように、試料室内に導入される。
本実施例においても、偏光素子１０と光配向膜３１との間には、偏光光を透過したり反射したりする光学素子がないので、偏光軸の回転が生じず、したがって偏光軸のばらつきのない光が光配向膜に照射される。

図４は、本発明の第４の実施例の構成を示す図である。本実施例は、反射ミラーにより光路を折り返し、帯状ワーク３０上に形成された光配向膜３１に偏光光を照射する場合を示しており、同図は棒状ランプ２２の長手方向に対して直交方向の断面図である。
光照射部２０の構成は図１と基本的に同じであり、前記したように棒状ランプ２１から拡散光が出射し反射ミラー４で光路が折り返され、偏光素子１０で偏光され光配向膜３１に照射される。ワーク３０は例えば長尺の連続ワークであり、送り出しローラＲ１にロール状に巻かれており、送り出しローラＲ１から引き出されて搬送され、光照射部２０の下を通って巻き取りローラＲ２に巻き取られる。
本実施例においては、反射ミラー４が光配向膜３１に最も近い光学素子になる。したがって、同図に示すように、反射ミラー４と光配向膜３１との間に偏光素子１０を設けている。
偏光素子１０は、反射ミラー４により反射された光を偏光することになる。光配向膜３１に照射される偏光光は拡散光であるが、偏光素子１０と光配向膜３１との間に光を透過または反射する光学素子がないので、前記したように、偏光軸の回転は生じず、したがって偏光軸のばらつきは生じない。
なお、光透過部材に遮光部を形成したマスクやレチクルを介して、光配向膜の所望の部分のみに偏光光を照射するような場合においては、該マスクやレチクルが光配向膜に最も近い光学素子となる。したがって、ワイヤーグリッド偏光素子は、マスクやレチクルと光配向膜との間に設ける。

本発明第１の実施例の構成を示す図である。 本発明第２の実施例の構成を示す図である。 本発明第３の実施例の構成を示す図である。 本発明第４の実施例の構成を示す図である。 ワイヤーグリッド偏光素子の概略構成を示す図である。 棒状ランプとワイヤーグリッド偏光素子を組み合わせた偏光光照射装置の構成例を示す図である。 反射ミラーを用いて光路を折り返し光配向膜に照射する偏光光照射装置の概略構成を示す図である。 拡散光である偏光光が、石英板を透過した場合の偏光軸のばらつきを説明する図である。 拡散光である偏光光が、反射ミラーで反射された場合の偏光軸のばらつきを示す図である。

符号の説明

１ 試料室
２ａ ガス導入口
２ｂ ガス排気口
３ 光透過窓
４ 反射ミラー
１０ ワイヤーグリッド偏光素子
２０ 光照射部
２１ ランプ
２２ 集光鏡
３０ ワーク
３１ 光配向膜
３２ ワークステージ

Claims (2)

1. 光を偏光し光配向膜に照射する偏光光照射装置において、
   光を放射する光源と光配向膜との間に、上記光源からの光を透過または反射する、単数もしくは複数の光学素子を有し、
   上記光学素子のうち、光配向膜に最も近い光学素子と光配向膜との間に、光源からの光を偏光するワイヤーグリッド偏光素子を設けた
   ことを特徴とする偏光光照射装置。
2. 上記光配向膜に最も近い光学素子は、
   偏光光が照射される光配向膜の近傍の雰囲気を、周囲の雰囲気と仕切る光透過部材であることを特徴とする請求項１の偏光光照射装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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