JP4815995B2 - 光配向用偏光光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、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膜の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。
上記光配向膜において、例えば視野角補償フィルムは、帯状で長尺のワークであり、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以上のものもある。
このような大型の光配向膜に対して光配向を行うために、配向膜の幅に合せた線状の光源（棒状ランプ）を使った装置（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献６）や、配向膜の幅に合せて照射ヘッドを多連化した装置が提案されている（例えば特許文献３）。

図７に、棒状ランプを使っ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光配向を行うための波長の光を放射する棒状ランプ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５０上に形成された光配向膜５１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。棒状ランプ２１の長さは、棒状ランプ２１からの光が、光配向膜５１の全幅を照射できるように、光配向膜５１の幅よりも広くなるものを選択する。
光照射部２０には、ワイヤーグリッド偏光素子を組み合わせた偏光素子ユニット１０が設けられている。偏光素子ユニット１０の構造については、後述する。
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５０上に形成された光配向膜５１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５０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５０が光照射部の下を搬送されるとき、ワーク５０の光配向５１に、偏光素子ユニット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。
ワイヤーグリッド偏光素子については、例えば特許文献４や特許文献５に詳細が示されている。
ワイヤーグリッド偏光子は、長さが幅よりもはるかに長い複数の直線状の電気導体（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、石英ガラスなどの基板上に平行に配置形成したものである。電気導体のピッチＰは、入射する光の波長以下、望ましくは１／３以下がよい。
電磁波中に上記偏光素子を挿入すると、グリッドの長手方向に平行な偏波（偏光）成分は大部分反射され、直交する偏波（偏光）成分は通過する。
したがって、図７に示す装置においては、光配向膜５１に対して、ワーク５０の幅方向（ランプ２１の長手方向）に沿った偏光光が照射される。
現在、光配向には波長２８０ｎｍ〜３２０ｎｍの紫外線が用いられる。したがって、光配向用偏光光照射装置に用いるワイヤーグリッド偏光素子は、１００ｎｍ程度のグリッドを形成する、微細な加工技術が必要である。
そのため、半導体製造に使われる技術を利用して、ガラス基板（ガラスウエハ）上にグリッドを形成し、適度な大きさに切断して用いる。

しかし、半導体製造に使われる装置は、処理することができる基板の大きさが、現状ではφ３００ｍｍ程度までであり、１枚で大面積のワークに対応できるような大型の偏光素子は製作できない。
そこで、発光長の長い棒状の光源、例えば長さ１５００ｍｍの棒状の高圧水銀ランプやメタルハライドランプに応じた、大きな偏光素子が必要な場合、前記特許文献２においてはガラス基板から切り出したワイヤーグリッド偏光素子を１個の偏光子とし、この偏光子を複数、グリッドの方向をそろえ、ランプの長手方向に沿って並べ、一つの偏光素子として使用することが提案されている。
しかし、単にワイヤーグリッド偏光素子を並べだけでは、個々のワイヤーグリッド偏光素子の基板である石英ガラスのエッジは微小な欠けや凹凸が生じており、その隙間から、光源からの直射光、即ち無偏光光が漏れ、消光比が悪くなる。また、上記したエッジ付近の欠けが、グリッドの欠損を引き起こし、偏光素子の周辺部においては消光比が悪くなる。
この問題を防ぐために、われわれは偏光素子の突き合わせ部分から無偏光光が漏れないように偏光素子の配列方向の端部に遮光部分を設けることを、特願２００４−３１４０５６号において提案した。

図８は上述した出願の第１の実施例の偏光素子ユニットの構成を示す図であり、図８（ａ）は、上記偏光素子ユニット１０を照射光の光軸方向から見た図、図８（ｂ）は偏光素子ユニット１０の側面図、図８（ｃ）は遮光板の取り付け例を示す図である。
図８（ａ）（ｂ）に示すように、上フレーム２ａ、下フレーム２ｂからなるフレーム２内にガラス基板から切り出されたワイヤーグリッド偏光素子１が複数並べて配置されている。
偏光素子１の配列方向端部（境界部分）には、遮光板３が設けられる。
遮光板３は、例えば図８（ｃ）に示すように取り付けられる。すなわち、フレーム２を上フレーム２ａ、下フレーム２ｂから構成し、下フレーム２ｂの上に複数のワイヤーグリッド偏光素子１を並べ、その上から遮光板と一体となった上フレーム２ａをかぶせ固定する。
同図においては、偏光素子に形成されたワイヤーグリッドの方向は、ワーク５０の搬送方向（ランプ２１の長手方向に対して直交する方向）であり、したがって、光配向膜５１には、ワーク５０の幅方向（ランプ２１の長手方向に沿った方向）の偏光光が照射される。

光配向膜５１に、ワーク５０の搬送方向（ランプ２１の長手方向に対して直交する方向）に沿った偏光光を照射したい場合は、同図において全てのワイヤーグリッド偏光素子１を９０°回転させてフレーム２に配置し、ワイヤーグリッドの方向が、ワーク５０の搬送方向（ランプ２１の長手方向に対して直交する方向）になるようにすれば良い。
このように、図８に対してワイヤーグリッド偏光素子１を９０°回転させて配置した場合においても、上記と同様に、偏光素子の周辺部においては、石英ガラスのエッジの微小な欠けや凹凸や、グリッドの欠損により消光比が悪くなるという問題が生じるため、遮光板３を設ける必要がある。

図８に示すように、遮光板３を設けることにより、遮光板３を設けた部分の照度は低下するが、並べて配置した偏光素子１の隙間から無偏光光が漏れることはなくなるので、消光比は低下しない。ただし遮光板３の存在により、遮光板３の直下の照度が低くなり、照度分布が悪化する。
照度分布が悪化すると、配向膜において他よりも低いエネルギーの偏光光で照射される部分が生じる場合がある。配向膜に照射される偏光光のエネルギーが低いと、その配向膜が使用された製品において、液晶の配向を十分に行うことができない場合があり、ディスプレイとして使用される場合は、画面のむらやコントラストの低下といった製品不良の原因となる。
遮光板がないと、照度の低下はないが、ワイヤーグリッド偏光子の周辺部や境界部から無偏光光が透過するので、光配向膜に照射される消光比が悪化する。
消光比が悪化すると、照度が低下した場合と同様に、その配向膜が使用された製品において、液晶の配向を十分に行うことができない場合がある。

一方、特許文献３に示される照射ヘッドを多連化して配置した装置においては、光配向膜の幅方向（搬送方向に対して直交方向）に対して、光照射領域が途切れないように、各照射ヘッドからの光照射領域が重なり合うように照射している。
しかし、このような光照射領域が重なり合う部分においては、照度が二つの照射ヘッドからの光の合算になるため、一つの照射ヘッドからの光により照射されている他の領域比べて照度の制御が難しい。そのため他の領域に比べて照度が高くなったり低くなったりして照度分布が悪化する場合があり、上記と同様の問題が生じる。
特開２００４−１６３８８１号公報 特開２００４−１４４８８４号公報 特開２００２−３５０８５８号公報 特開２００２−３２８２３４号公報 特表２００３−５０８８１３号公報 特開２００４−１７７９０４号公報

上述したように１枚で大面積のワークに対応できるような大型のワイヤグリッド偏光素子は製作できず、大面積のワークに光を照射する場合は、複数の偏光素子を並べて使用せざるを得ない。そこで、前記したように境界部分に遮光板を設けて消光比の低下を防いでいるが、偏光素子間に境界部が生じ、この境界部の照度が低下し、照度分布が悪化するといった問題が生ずる。
同様に、蒸着膜を蒸着させた偏光素子や、ガラス板をブリュースタ角で傾けた偏光素子の場合も、製作できる大きさには限界があり、一枚の偏光素子で大面積のワークに対応できる大型のものは製作できない。
そこで、例えば前記特許文献３に示すように、照射ヘッドを多連化して複数の偏光素子を並べて使用することになるが、この場合も各照射ヘッドに設けれられた偏光素子による偏光光の間には境界部が生じており、この部分の照度が他の領域に比べて照度が高くなったり低くなったりして照度分布が悪化するため照射エネルギー分布が悪化するといった問題がある。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、大型の配向膜に対して偏光光を照射し光配向を行なう偏光光照射装置において、配向膜に対し均一なエネルギー分布で偏光光を照射できる光配向用偏光光照射装置を提供することを目的とする。

上記課題を本発明においては、次のように解決する。
連続または間歇的に直線状に搬送される光配向膜に対し、光配向膜の搬送方向に沿って光照射部を多段に配置する。
多段に配置された各光照射部に、光配向膜の搬送方向に対して直交する方向に伸びる線状の光源と、複数のワイヤーグリッド偏光素子を上記線状の光源の伸びる方向に沿って並べた偏光素子ユニットを設ける。
そして、各段の光照射部の偏光素子間の境界部が、他の段の光照射部の偏光素子の境界部と光配向膜の搬送方向に対して互い重ならないように、各段に配置された各光照射部を、光配向膜の搬送方向に直交する方向に位置をずらして配置する。

本発明においては、光照射部を光配向膜の搬送方向に対して多段に配置し、各段に配置された光照射部のワイヤーグリッド偏光素子の境界部が、他の段の光照射部の偏光素子の境界部と光配向膜の搬送方向に対して互いに重ならないように、各段に配置された光照射部を光配向膜の搬送方向に直交する方向に位置をずらして配置したので、光配向膜全体に均一なエネルギー分布で偏光光を照射することができる。
すなわち、偏光素子の境界部に対応した光配向膜上の照度は低く（あるいは高く）なるが、各段の光照射部の偏光素子の境界部は、光配向膜の搬送方向に直交する方向に位置をずらして配置されており、多段の光照射部から光配向膜上に順次光を照射することにより、光配向膜上の照度分布は積算され、結果として光配向膜全体は均一なＵＶエネルギー分布で偏光光が照射されることになる。
したがって、光配向膜において、照射される偏光光のエネルギーが不足する部分が生じるのを防ぐことができる。

図１に本発明の実施例の偏光光照射装置の構成を示す。
光照射部２０Ａ，２０Ｂには、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断面が楕円形の樋状集光鏡２２が内蔵されている。
光照射部２０Ａ，２０Ｂは、ランプ２１の長手方向が、ワーク５０上に形成された光配向膜５１の幅方向（搬送方向に対して直交方向）になるように配置されている。
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、断面のほぼ中心部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５０上に形成された光配向膜５１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５０は例えば長尺の連続ワークであり、不図示の送り出しローラにロール状に巻かれており、送り出しローラから引き出されて搬送され、光照射部２０Ａ，２０Ｂの下を通って不図示の巻き取りローラに巻き取られる。
光照射部２０Ａ，２０Ｂの光出射側には、図８に示したワイヤーグリッド偏光素子ユニット１０，１０’が設けられている。前述したように、ワイヤーグリッド偏光素子ユニット１０，１０’には、偏光素子１の配列方向端部（境界部分）には、遮光板３が設けられている。

なお、以下では、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。なおその場合は、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。
また、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、光源の種類は必要せされる波長に応じて適宜選択する。

光照射部２０Ａ，２０Ｂのランプ２１の長手方向の両側には、ブロック２３が取り付けられ、このブロック２３を介して支柱２４が取り付けられている。光配向膜５１が形成されたワーク５０は、上記２本の支柱の２４間を搬送される。
このような偏光光を出射する光照射部２０Ａ，２０Ｂを、複数、ワーク５０の搬送方向に沿って多段に設ける。図１は光照射部２０Ａ，２０Ｂを２段に並べた場合を示し、以下２段の場合を例にして説明するが、３段以上設けても良い。
ここで、各段に配置された各光照射部２０Ａ，２０Ｂは、各段の光照射部２０Ａ，２０Ｂの偏光素子１の間の境界部（遮光板３の設けられている部分）が、他の段の光照射部の偏光素子１の境界部と、光配向膜５１の搬送方向に対して互い重ならないように、搬送方向に直交する方向に位置をずらして配置されている。
すなわち、図２に示すように、２段に設けた光照射部２０Ａと２０Ｂのワイヤーグリッド偏光素子ユニット１０，１０’の遮光板３が、ワークの搬送方向に対して重ならないように（一直線状に並ばないように）ずらして配置される。光照射部を３段以上設ける場合も同様に、遮光板３が、ワークの搬送方向に対して重ならないように（一直線状に並ばないように）ずらして配置される。
なお、図１では光照射部２０Ａ，２０Ｂにそれぞれ５枚と６枚のワイヤーグリッド偏光素子を設けた場合を示しているが、図２では８枚のワイヤーグリッド偏光素子からなるワイヤーグリッド偏光素子ユニットを用いた場合を示している。

次に図１に示した装置の動作について説明する。
ワーク５０が搬送されると、光配向膜５１は、まず、光照射部２０Ｂからの偏光光が照射され、次に光照射部２０Ａからの偏光光が照射される。
光照射部２０Ｂの偏光素子ユニット１０’に並べられた複数のワイヤーグリッド偏光子１の境界には、遮光板３が設けられており、したがって、遮光板３の直下を搬送される光配向膜５１の部分には、図２の（ａ）に示すように照度の低い偏光光が照射される。
光照射部２０Ａの偏光素子ユニット１０に並べられた複数のワイヤーグリッド偏光子１の境界にも、遮光板３が設けられており、したがって、遮光板３の直下を搬送される光配向膜５１の部分には、図２（ｂ）に示すように照度の低い偏光光が照射される。
しかし、偏光素子ユニット１０’と１０の遮光板３の位置が、ワークの搬送方向に対して重ならないように（一直線状に並ばないように）ずらして配置されているので、光照射部２０Ｂによる偏光光照射において低い照度で照射された部分は、次の光照射部２０Ａによる偏光光照射において高い照度で照射され、また、光照射部２０Ａによる偏光光照射において低い照度で照射される部分は、先に光照射部２０Ｂによる偏光光照射において高い照度で照射されている。
したがって、光照射部２０Ａと２０Ｂの両方の下を通過して偏光光が照射された光配向膜５１は、図２（ｃ）に示すように両者の照度分布が積算され、結果として均一なエネルギー分布で偏光光が照射されることになる。このことにより、光配向膜５１において、照射される偏光光のエネルギーが不足する部分が生じるのを防ぐことができる。

ワーク５０は、ロールに巻かれた長尺帯状のワークであってもよいし、また、光配向膜５１が形成された例えば液晶パネルの大きさに整形された矩形状のワークであってもよい。
ワーク５０が矩形状の場合、ワーク５０は図示しないワークステージ上に載置され、光照射部２０Ａ、２０Ｂから偏光光を照射しながらワークステージを直線移動させて、光配向膜の光配向処理をする。
なお、ワーク５０の光配向膜５１に偏光光を照射し、光配向処理を行なう際、偏光光を照射しながらワーク５０を連続的に移動させてもよいし、ワークを間歇的に移動させながら偏光光を照射してもよい。
ワーク５０を間歇的に移動させる場合には、例えば、ワーク５０を一定量移動させた後、ワーク５０を停止させて偏光光を照射し、ついで偏光光の照射を停止してワークを一定量移動させた後、ワークを停止させて偏光光を照射する動作を繰り返す。
また、一方向だけでなくワーク５０を往復移動させて、例えば光照射部２０Ｂ→２０Ａ→２０Ａ→２０Ｂのように偏光光を照射するようにしても良い。
さらに、ワークステージを移動させる代わりに、ワーク５０上で光照射部２０Ａ，２０Ｂを移動させてワーク５０の光配向処理を行ってもよい。

次に偏光素子ユニットの遮光板３の位置が、ワークの搬送方向に対して重ならないようにずらして配置した光照射装置を用いて、エネルギー分布均一化の効果を調べた実験結果を示す。
図３は、ワークの搬送方向に多段に並べて配置した光照射部の、ワイヤーグリッド偏光素子ユニットの並べ方を示す図である。
図３に示すように光照射部は、光照射部１〜４の４台あり、ワークの搬送方向に沿って並べられている。同図に示されるように、各光照射部のワイヤーグリッド偏光素子ユニットの遮光板３は、ワークの搬送方向に対して重ならないように（一直線状に並ばないように）ずらして配置されている。
このようなワイヤーグリッド偏光素子ユニットの配置において、光照射部（ワイヤーグリッド偏光素子ユニット）が１段のみ、光照射部（ワイヤーグリッド偏光素子ユニット）が２段、光照射部（ワイヤーグリッド偏光素子ユニット）が４段の、各場合に関するＵＶエネルギー（平均照度）分布を測定した。ここで平均照度とは、ワークを搬送方向に移動させたときの平均的な照度のことをいう。

図４〜図６にその結果を示す。図４は、光照射部として図３の光照射部１のみを使用した場合である。
縦軸は光配向膜に照射されるＵＶエネルギー（単位ｍＪ／ｃｍ²）であり、横軸はワークの中心から幅方向の距離（単位ｍｍ）であり、図５，６も同様である。
図４に示すように、光照射部１のみでは、遮光部により照度分布が生じ、下記式で光照射領域のエネルギー分布を計算すると、±８．５％であった。
エネルギー分布（±％）＝｛（エネルギー最大値−エネルギー最小値）／（エネルギー最大値＋エネルギー最小値）｝×１００
図５は、光照射部として図３の光照射部１と光照射部２の２段を使用した場合である。同図下のほうのグラフは、光照射部１と光照射部２のそれぞれでのエネルギー分布であり、エネルギー分布は上式より±８％〜１０％程度であるが、両方が重ね合わされて照射されると、照射されるＵＶエネルギーが倍になるとともに、一方の光照射部の照度の低い部分が他方の光照射部の照度の高い部分で打ち消され、上のほうに示されるグラフのように、エネルギー分布は±２．８％に改善された。
図６は、光照射部として図３の光照射部１から光照射部４までの４段を全て使用した場合である。同図下のほうのグラフは、光照射部１から光照射部４のそれぞれのエネルギー分布であり、エネルギー分布は上式より±８％〜１０％程度であるが、すべてが重ね合わされて照射されると、照射されるＵＶエネルギーが４倍になるとともに、各光照射部の照度分布の凹凸が相殺され、上のほうに示されるグラフのように、エネルギー分布は±１．５％に改善された。

本発明の実施例の偏光光照射装置の構成を示す図である。 偏光素子ユニットの配置とエネルギー分布を示す図である。 ワークの搬送方向に多段に並べて配置した光照射部の、ワイヤーグリッド偏光素子ユニットの並べ方を示す図である。 光照射部が一段の場合のエネルギー分布を示す図である。 光照射部が二段の場合のエネルギー分布を示す図である。 光照射部が四段の場合のエネルギー分布を示す図である。 棒状ランプを使った偏光光照射装置の構成例を示す図である。 偏光素子ユニットの構成を示す図である。

１ ワイヤーグリッド偏光素子
３ 遮光板
１０，１０’ 偏光素子ユニット
１１ 偏光素子
２０Ａ，２０Ｂ 光照射部
２１ 棒状のランプ
２２ 樋状集光鏡
２３ ブロック
２４ 支柱
５０ ワーク
５１ 光配向膜

Claims (1)

1. 連続または間歇的に直線状に搬送される光配向膜に対し、光配向膜の搬送方向に沿って光照射部が多段に配置され、多段に配置された各光照射部から上記光配向膜に偏光光を照射して光配向を行う偏光光照射装置であって、
   上記多段に配置された各光照射部は、
   光配向膜の搬送方向に対して直交する方向に伸びる線状の光源と、
   上記線状の光源の伸びる方向に沿って複数のワイヤーグリッド偏光素子が並べられ、該並べられたワイヤーグリッド偏光素子の間に境界部が生じている偏光素子ユニットを有しており、
   各段に配置された各光照射部は、各段の光照射部の上記偏光素子の間の境界部が、他の段の光照射部の偏光素子の境界部と光配向膜の搬送方向に対して互い重ならないように、光配向膜の搬送方向に直交する方向に位置をずらして配置されている
   ことを特徴とする光配向用偏光光照射装置。

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