JP2006184747A - 偏光光照射装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光照射部20の光出射口には、両端が開放された内面が反射面の筒型ミラー23が設けられ、光照射部20から出射する拡散光は、直接もしくは筒型ミラー23で反射してワイヤーグリッド偏光素子10に入射する。ワイヤーグリッド偏光素子10に入射した光は偏光され、光配向膜41に照射される。筒型ミラー23を設けているので、ワイヤーグリッド偏光素子10には全方位からバランスよく光が入射する。このため、偏光軸のずれが相殺され、光配向膜41に照射される偏光光の偏光軸のばらつきを少なくすることができる。また、上記光照射部20の光出射口に光拡散板を設ければ、輝度を均一化することができ、出射する偏光光の軸ずれが一層少なくすることができる。
【選択図】 図1
Description
光配向膜は、それが使用される液晶パネルの大型化と共に大型化している。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されるものであるが、最近の物の中には、その幅が1500mmと幅広化してきている。
上記のような幅の広い帯状の光配向膜用の光配向用装置として、例えば特許文献1や特許文献2に記載のものが提案されている。
上記特許文献1,2においては、光配向膜の幅に相当する長さの、線状の光源である棒状のランプからの光を、偏光素子により偏光し、棒状ランプの長手方向に対して直交する方向に搬送される配向膜に対して照射することが提案されている。
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12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40上に形成された光配向膜41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。
ワーク40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40が光照射部20の下を搬送されるとき、ワーク40の光配向膜41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12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。
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、光照射領域での偏光軸のばらつきが士0.1°以内であることが要求される場合もある。
図13に、ワイヤーグリッド偏光子に入射する光の角度と、偏光素子から出射する偏光光の偏光軸の方向との関係を示す。
横軸はワイヤーグリッド偏光子に入射する光の角度(入射角度)であり、縦軸は出射する偏光光の偏光軸のずれ量である。
偏光子に対し垂直に(入射角度0°で)入射する光が偏光されて出射したときの偏光軸の方向を0°とすると、同図に示すように、入射角度が大きくなるにつれ、偏光軸は回転し、そのずれ量(回転量)は大きくなる。
例えば入射角度が50°の光による偏光光の偏光軸は、入射角度が0°の光による偏光光の偏光軸の方向に対して、6°以上ずれる(回転する)。
棒状ランプのような拡散光を放射する光源を用いる場合、偏光素子にはさまざまな入射角で光が入射するので、偏光素子から出射する偏光光の偏光軸はばらつく。したがって、偏光光が照射される領域での偏光軸のばらつきが大きくなる。
同図に示されるように、棒状ランプ21の発光長端の直下である偏光素子10上の点Aにおいては、垂直に入射する光の成分よりも、斜めに入射する光の成分のほうが多くなる。
図13に示したように、偏光素子10への入射角度が大きくなるほど、偏光軸のずれ量(回転量)は大きくなるので、斜めに入射する光の成分が多くなると、偏光素子の点Aから出射する偏光光の軸ずれは大きくなり、光照射領域における偏光軸のばらつきが大きくなる。なお、図14においては、点Aを偏光素子上に置いて説明したが、光照射面上に置いても同様に説明できる。
図14では棒状ランプの場合について説明したが、同様の問題は棒状ランプのように線状光源を用いた場合だけでなく、拡散光を放射するLEDやLDなどの点状の光源を用いた場合、あるいは、面状の光源を用いた場合にも同様に生ずる。
偏光素子に入射する光を平行光とすれば、偏光素子に入射する光の角度がそろうので、入射角度の違いによる偏光光の軸ずれはなくなる。しかし、棒状ランプのような線状光源や、点状、線状の光源を複数並べた面状の光源から放射される拡散光を平行光とすることは困難である。
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであって、拡散光をワイヤーグリッド偏光素子に入射させて、ワイヤーグリッド偏光素子から出射される偏光光を配向膜に照射して光配向を行う偏光光照射装置において、ワイヤーグリッド偏光素子から出射される偏光光の偏光軸ばらつきを少なくし、光照射領域での偏光軸のばらつきを少なくすることを目的とする。
ワイヤーグリッド偏光子に、ある照度と角度で入射する光の成分に対し、それと同じ照度であり、かつ対称な角度で入射する光の成分を加えると、偏光軸のずれが相殺され、垂直入射と同じ偏光軸の偏光光が出射することを見出した。
即ち、図13の例で説明すると、例えば、偏光素子に入射角度50°の光が入射すると約6.5°偏光軸がずれる(回転する)が、これに対して、同じ照度で入射角度−50°の光を加えると、偏光素子から出射する偏光光は、偏光軸のずれ量(回転量)が0°となる。
これは、偏光素子に入射角度−50°の光のみを入射させると、出射する偏光光の偏光軸は約−6.5°ずれる(回転する)ので、入射角度が50°の光と−50°の光を同時に入射させると、両者が相殺されて偏光軸の軸ずれがなくなるためであると考えられる。 したがって、偏光素子に対し斜めに入射する光があったとしても、それと同照度かつ対称な入射角度を有する光を入射させれば、即ち、偏光素子に、全方位からバランスよく光が入射すれば、出射する偏光光は軸ずれを生じず、したがって、光照射領域における偏光軸のばらつきを少なくすることができることがわかった。
理論的には、全方位に対して、偏光素子に入射する光のベクトルを積算したときのベクトル方向が偏光素子の面に対して垂直になるようにすれば、偏光軸のばらつきをなくすことができると考えられ、これは、偏光素子から見た光源を均一な輝度で無限に大きくするか、無限に数を増やすということになる。
光源を無限に大きくすることや無限に数を増やすことはできないが、光源を反射ミラーで囲んで光を反射させ光源の像を擬似的に増やせば、偏光素子から見た光源を、均一な輝度の大きな光源とみなすことができるようになる。
したがって、上記補助光学手段として、光源からの光を反射させる反射ミラーを用いることが考えられる。補助光学手段として、反射ミラーを用いる場合、反射ミラーの辺が多いほど反射する光源の像が増えるので、多くの反射面で光源を囲めば、結果として全方位からバランスよく光が照射されているような状態を作り出すことができる。
すなわち、拡散光を出射する光照射部の光出射口を、筒状の反射ミラーにより取り囲み、該筒状の反射ミラーから出射する光をワイヤーグリッド偏光素子に入射させる。
(a)光照射面側から見た形状、即ち光照射部から照射される光の中心光線に対して直交方向の断面形状は、多角形であればよいが、角部に丸みが設けられていた方が角部での光のロスが少なく望ましいと考えられる。
(b)光照射部から照射される光の中心光線に沿って切断した場合の断面形状は、光入射側(光照射都側)と光出射側(偏光素子側)の幅が等しいことが望ましい。すなわち、反射ミラーの各反射面は、上記中心光線に平行であることが望ましい。
しかし、光照射領域の照度を上げたり、照度分布を均一にしたりするために、光出射側の幅を光入射側の幅よりも多少狭くしたり、あるいは、光源の面積より大きい光照射領域に光を照射できるようにするため、光出射側の幅を多少広くしても良い。
(c)また、光照射部と上記筒型ミラーとの間に光拡散板を設ければ、光源の輝度を均一にして、偏光素子に入射する光の照度のバランスがより良くなる。
(1)補助光学手段として筒状反射ミラーを用い、光照射部から出射する拡散光が、光照射部の出射口を取り囲むミラーにより反射するようにしたので、偏光素子に光を、全方位からバランスよく入射させることができる。したがって、偏光素子から出射する偏光光の軸ずれを少なくすることができる。
(2)筒型ミラーの光入射側に拡散板を設けることにより、偏光素子に入射する光の照度のバランスを良くして、軸ずれをさらに少なくすることができる。
光照射部20には、前記図11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が内蔵されている。なお、本図を含め以下の図において、棒状ランプ21は発光長を示している。
また、光照射部20には、光配向膜が配置される側には光出射口である開口20aが設けられ、上記ランプ21からの直射光と集光鏡からの反射光が、拡散光として出射する。 ここでは、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すれば、棒状ランプと同等の線状の光源として使用できる。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。
なお、現在光配向膜の材料としては、波長260nm土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。
筒型ミラー23は、光照射部20から出射するすべての光が入射するように、光照射部の光出射口20aを、筒型ミラー23の開放された一方の端により囲って設けられる。
筒型ミラー23に入射した光は、直接、または内面の反射面で反射されて、もう一方の開放された端から出射する。
ワイヤーグリッド偏光素子10は、この筒型ミラー23の光が出射される側に設ける。筒型ミラー23から出射した光は、上記偏光素子10により偏光され、光配向膜41に照射される。
同図に示すように、筒型ミラー23の内側反射面には、光照射部20の棒状ランプ21光源像が映り、同図点線で示す位置に光源の虚像が生じる。
ここで、前記図14と同様に、棒状ランプ21の端に当たる偏光素子面Aに入射する光の成分を考える。従来であれば、部分Aには、光源からの直射光が、例えば入射角+δ(実線b)や+θ(実線a)で入射するのみであった。
しかし、筒型ミラー23を設けることにより、部分Aには、反射面に映る光源の虚像からの光が、入射角−δ(点線d)や−θ(点線e)で入射する。
この虚像からの光は、従来であれば偏光素子の光入射面外に向かうため使用されない光(実線e、実線f)であったものが、筒型ミラーの内側反射面により反射されて偏光素子に入射するものである。
これにより、部分Aには全方位からバランスよく光が入射することになり、偏光素子から出射する偏光光の軸ずれが相殺される。したがって、光照射領域での偏光軸のばらつきが少なくなる。
測定実験においては、発光長125mmの1本の棒状ランプとワイヤーグリッド偏光素子を用い、100mm×60mmの光照射領域における偏光軸のばらつきを測定した。
なお、光照射部から出射する偏光光の偏光軸は、ランプの長手方向に対し直交する方向である。
図3(b)は、棒状ランプ21と偏光素子10との間に、85mm×145mm×150mmの直方体形状の筒型ミラー23を設けた場合であり、図3(a)は、この筒型ミラー23を取り除いた場合である。
両者ともに、棒状ランプの長手方向の中心直下(光照射領域の中央部)での偏光軸の方向を基準にすると、光照射領域の周辺部に向かうにつれて偏光軸が回転する。
しかし、筒型ミラーのない図3(a)の場合は、光照射領域の偏光軸のばらつきの幅は+0.92°〜−0.92°で、1.84°であるのに比べ、図3(b)のように筒型ミラー23を設けると、ばらつきの幅は、+0.52°〜−0.52°で、1.05°となり、ばらつきの幅が0.8°近く少なくなった。
以上のように、筒型ミラー23を用いることにより、偏光軸のばらつきを少なくすることが確認できた。
光拡散板24は、例えば石英ガラスをフロスト(砂ずり)加工したものや、フッ素樹脂の薄板などが使用できる。
光拡散板24は、光源からの光を拡散し輝度を均一にする。したがって、例えば棒状ランプ21の長手方向に輝度分布が生じていても、拡散板24の作用により、輝度が均一化され、拡散板24自体が均一な輝度を有する面光源になる。
筒型ミラー23の内側反射面は、光拡散板24による均一な輝度の面光源の虚像を作ることになり、偏光素子10には全方位から、均一な照度の光が入射することになる。
したがって、偏光素子10に入射する光は、入射角だけでなく照度についてもバランスがよくなり、出射する偏光光の軸ずれが一層少なくなる。このため、光照射領域における偏光軸のばらつきを一層少なくすることができる。
光入射側と出射側の幅とが異なると、同図に示すように、光照射部20から照射される光の光軸方向に沿って切断した場合の断面形状が台形になる。
図5は筒型ミラー23の光入射側より光出射側が広い場合である。この場合も筒型ミラー23の内側反射面により光源の虚像が生じるが、偏光素子10から見て、虚像の光源L’までの距離r’は、実像の光源Lまでの距離rに対して遠くなる。
例えば、偏光素子10の部分Bには実像の光源から入射角+θで光が入射し、虚像の光源からは入射角−θで光が入射する。したがって、入射角度のバランスは取れるが、入射角−θで入射する光の光源は、入射角+θで入射する光の光源に比べて遠くなり、その分照度が低下する。
すなわち、部分Bに入射する入射角−θの光と、入射角+θの光の照度が異なり、光入射側と出射側の幅が同じ筒型ミラーを用いた場合に比べ、偏光素子10に入射する光の成分のバランスは悪くなる。
しかし、図5に示すような構成とすることにより、筒型ミラー23を設けない場合に比べて偏光素子10に入射する光の成分のバランスは改善され、軸ずれを小さくすることができる。したがって、光源の面積より光照射領域が大きい場合等には、このような形状の筒型ミラーを用いることも考えられる。
したがって、上記の場合と同様、入射角−θの光と、入射角+θの光の照度が異なり照度のバランスが悪くなる。
しかし、光出射側を狭くすると、光照射領域の照度が高くなり、また照度分布の均一度も良くなるので、その目的で出射側を狭めることは考えられる。
図7は本発明の第2の実施例の偏光光照射装置の構成を示す図であり、同図(a)はワーク搬送方向に対して直交する方向から見た図、(b)はワーク搬送方向から見た図である。本実施例は光源として、超高圧水銀ランプやキセノン水銀ランプ等の拡散光を放射する点光源を用いた場合を示している。なお、上記光源としては、前記したように、紫外光を放射するLEDやLDであってもよい。
光照射部20には、超高圧水銀ランプやキセノン水銀ランプ等のランプ31と、ランプ31からの光を反射する楕円集光鏡32が内蔵されている。
また、光照射部20には、光配向膜が配置される側には光出射口である開口20aが設けられ、上記ランプ31からの直射光と集光鏡32からの反射光が、拡散光として出射する。
光照射部20の光出射口20a側には、前記したように両端が開放された内面が反射面の円筒型の筒型ミラー23が設けられる。筒型ミラー23に入射した光は、直接、または内面の反射面で反射されて、もう一方の開放された端から出射し、ワイヤーグリッド偏光素子10に入射し、該偏光素子10により偏光され光配向膜41に照射される。
同図(a)に示すように、筒型ミラー23の内側反射面には、光照射部20のランプ31の光源像が映り、同図に示す位置に光源の虚像が生じる。
このため、偏光素子10(光照射面)から見た光源の像は同図(b)に示すように見かけ上大きくなり、偏光素子10(光照射面)に、全方位からバランスよく光を入射させることができる。このため、前記したように偏光素子から出射する偏光光の軸ずれが相殺され、光照射領域での偏光軸のばらつきも少なくなる。
図9に示すように、光拡散板24を設けることにより、筒型ミラー23の内側反射面は、光拡散板24による均一な輝度の面光源の虚像を作ることになり、偏光素子10に全方位から、均一な照度の光が入射させることができる。したがって、出射する偏光光の軸ずれが一層少なくなり、光照射領域における偏光軸のばらつきも一層少なくすることができる。なお、上記第2の実施例においても、前記図5、図6に示したように筒型ミラー23の光入射側と出射側の幅を異ならせてもよい。
なお、上記第1、第2の実施例では、光配向膜であるワークが帯状ワークであり、帯状ワークを搬送しながら光配向膜に偏光光を照射する場合について説明したが、ワークが例えば矩形状、あるいは円形であり、ワークを移動させることなく、所定時間ワークに偏光光を照射して光配向を行なう装置にも本発明を同様に適用することができる。
図10(a)は光源として線状光源を用い、断面形状が長方形の筒型ミラーを用いた場合を示す。また、図10(b)は光源として線状光源を用い、長方形の角部を曲面とした場合を示す。
また、図10(c)は光源として点光源を用い、断面形状が正方形の筒型ミラーを用いた場合を示し、図10(d)は光源として点光源を用い、断面形状が円形の筒型ミラーを用いた場合を示す。
図10(a)(c)のように長方形状の場合、ほとんどの光はミラーの作用により反射して偏光素子に到達するが、角に向かう光は反射しない。したがって、偏光素子10に照射される光のバランスがやや悪くなる。なお、図3の実験結果より、長方形状であっても偏光軸のばらつきを少なくする効果は充分得られ実用上はあまり問題は生じない。
しかし、偏光素子に照射される光のバランスをさらに良くするためには、光が反射せず消滅してしまうような角をなくすることが考えられる。反射ミラーの辺が多いほど反射する光源の像が増えるので、筒型ミラー30の断面形状は、角のない、また無限の辺を有する構造にすることが考えられ、例えば図10(b)(d)に示すように、角部を曲面としてもよい。
20 光照射部
21 棒状ランプ
22 集光鏡
23 筒型ミラー
24 光拡散板
31 ランプ
32 集光鏡
Claims (2)
- 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において、
拡散光を放射する光源を有し、該光源からの光が出射する開口を設けた光照射部と、
光出射部から出射した光を偏光するワイヤーグリッド偏光素子と、
上記光照射部と上記偏光素子との間に設けられ、上記光照射部の開口を取り囲む内面が反射面である筒型ミラーを備えた
ことを特徴とする偏光光照射装置。 - 上記光照射部と上記筒型ミラーとの間に光拡散板を設けた
ことを特徴とする請求項1記載の偏光光照射装置。
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