JP2012037760A - 偏光照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光方向が一定に揃った偏光を照射できるだけでなく、偏光を取り出すための偏光素子を小型化することのできる偏光照明装置を提供する。
【解決手段】偏光照明装置１００は、発光部１０と発光部１０から発せられた光を反射する反射光学系１２からなる複数の光源部１４と、複数の光源部１４から出射された光から偏光を取り出す偏光素子１６と、偏光素子１６によって取り出された偏光が入射するフライアイレンズ１８と、フライアイレンズ１８から出射された光を平行光に変換する平行光変換手段２０と、を含む。反射光学系１２は、断面略放物線形状をなす反射鏡１３によって構成されている。偏光素子１６は、複数の光源部１４から出射された光が直接的に入射することのできる位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば液晶パネルの配向膜の形成に用いることのできる偏光照明装置に関する。

液晶パネルは、２枚の透明な基板の間に液晶分子が挟まれることによって構成されている。液晶分子は特定方向に並んでおり、この液晶分子に電圧をかけることによって、バックライトからの光の透過率の切り替えが行えるようになっている。２枚の基板の内側には、液晶分子を特定方向に配向させるための配向膜が形成されている。この配向膜は、例えば、ポリイミドからなる薄膜によって形成されている。

配向膜に配向能を付与する方法として、ラビング法が知られている。ラビング法とは、回転するローラに巻きつけた布によって配向膜の表面を擦る方法のことである。このラビング法により、配向膜の表面には無数の微細な傷がつけられるために、液晶分子がこの傷に沿って特定方向に並ぶものと考えられている。

しかし、このラビング法は、基板を物理的に布で擦って行う方法であるため、粉塵が発生して液晶パネルの品質に悪影響を及ぼすなどの問題があった。そこで、近年、ラビング法以外によって液晶分子を配向させる技術に関心が集まっており、このような技術の一つとして、光配向法が提案されている。

光配向法とは、光に反応する性質を持ったポリイミドなどの配向膜に偏光を照射することによって、その配向膜に異方性すなわち配向能を付与する方法のことである。配向膜に照射する光としては、紫外光が一般に用いられる。この光配向法では、超高圧水銀ランプなどから発せられる紫外光から偏光を取り出すために、ブリュースター角を利用した偏光板などが用いられる。偏光板を利用した偏光照明装置の一つとして、特許文献１に記載の偏光光照射装置が知られている。

特開平１０−９０６８４号公報

特許文献１で使われる偏光素子は、ブリュースター角だけを利用したもので、偏光のＰ／Ｓ分離比を高めるために８枚以上のガラス板を必要とし、被照射面に至る偏光光量の減衰が大きくなる欠点を持つ。また、偏光素子が被照射面に対して略４５度に配置されるために、偏光素子は大きな面積を必要とする欠点も持つ。

そこで、偏光光量の減衰を軽減するために、図１１に示すような偏光照明装置５００が知られている。この偏光照明装置５００は、紫外光を発するための超高圧水銀ランプなどからなる発光部５０２と、発光部５０２から発せられる光を前方に向けて指向性を持たせて反射する反射鏡５０４と、反射鏡５０４によって反射された光が入射するフライアイレンズ５０６と、フライアイレンズ５０６から出射した光を平行光に変換しつつ反射する凹面ミラー５０８と、凹面ミラー５０８によって反射された光が入射する偏光板５１０とを備えている。

偏光板５１０は、ガラス板に偏光機能を付加するコーティングを施した偏光板で、浅い入射角（例えば７０度）に傾けて配置される。偏光板５１０に入射した光は、特定の偏光方向をもった光（例えばＰ偏光）のみが透過して被照射物Ｗ１に向けて照射される。被照射物Ｗ１としては、例えば、ポリイミドからなる配向膜がその表面に形成されたガラス基板が用いられる。

ところで、上記した従来の偏光照明装置５００において、偏光板５１０は、凹面ミラー５０８と被照射物Ｗ１との間に配置する必要がある。なぜなら、コーティングが施された偏光板５１０の特性として、主光線の入射角に対して±数度の角度までの光束しかＰ／Ｓ分離が出来ないために、凹面ミラー５０８の後に偏光板５１０を配置しなければならないからである。

しかし、凹面ミラー５０８と被照射物Ｗ１との間に偏光板５１０を配置した場合、偏光板５１０の寸法がきわめて大きくなってしまう。例えば、偏光板５１０に入射する光束の横幅をＸ１（ｍ）、光軸に対する偏光板５１０の傾きをθ（度）、偏光板５１０の横幅をＸ２（ｍ）とした場合、図１１を見ればわかるように、以下の式が成立する。
Ｘ２＝Ｘ１／ｃｏｓθ

したがって、例えば、Ｘ１を１．０（ｍ）、θを７０（度）であると仮定した場合には、Ｘ２＝１／ｃｏｓ７０°＝２．９（ｍ）となる。つまり、偏光板５１０の横幅Ｘ２は、偏光板５１０に入射する光束の横幅Ｘ１の３倍近い大きさとなってしまう。

さらに、近年、液晶パネルの大型化が進んでおり、偏光板５１０に入射する光束の横幅Ｘ１も大きくなっている。したがって、必要とされる偏光板５１０の横幅Ｘ２もますます大きくなっている。

このように、従来の偏光照明装置は、きわめて大きな偏光板を用いなければならないという問題があった。そして、大きな偏光板を用いた場合、偏光板の調達コストが増大するだけでなく、偏光を照射する際の偏光板の取り扱いが困難となり、液晶パネルの製造コストの増大につながるという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、偏光方向が一定に揃った偏光を照射できるだけでなく、偏光を取り出すための偏光素子を小型化することのできる偏光照明装置を提供することを目的とする。

本発明の偏光照明装置は、発光部と前記発光部から発せられた光を反射する反射光学系とからなる複数の光源部と、前記複数の光源部から出射された光から偏光を取り出す偏光素子と、前記偏光素子によって取り出された偏光が入射するフライアイレンズと、前記フライアイレンズから出射された光を平行光に変換する平行光変換手段と、を含む偏光照明装置であって、前記反射光学系は、断面略放物線形状をなす反射鏡からなり、前記偏光素子は、前記複数の光源部から出射された光が直接的に入射することのできる位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の光源部から出射された光は、断面略放物線形状をなす反射鏡によって平行光に変換されつつ反射された後に、偏光素子に入射する。したがって、偏光方向が一定に揃った偏光を取り出すことができる。

また、偏光を取り出すための偏光素子は、複数の光源部から出射された光が直接的に入射することのできる位置に配置されている。ここでいう「直接的」とは、複数の光源部から出射された光がミラーやフライアイレンズなどの他の光学部品を介することなく偏光素子に入射することを意味する。
したがって、本発明によれば、偏光素子を複数の光源部の直近の位置に配置することができるために、従来技術のように凹面ミラーの後に偏光素子を配置する場合よりも偏光素子を小型化することが可能である。

本発明の偏光照明装置において、前記偏光素子を回転させることのできる回転手段を備えることが好ましい。
このような回転手段を備えることにより、偏光素子によって取り出される偏光の偏光方向を容易に回転させることが可能となる。これにより、例えば、偏光を照射することによって形成される配向膜の配向方向を容易に９０度回転させることが可能となる。

本発明の偏光照明装置において、前記偏光素子は、複数の偏光ミラーからなり、前記複数の光源部から出射された光が、前記複数の偏光ミラーによって複数回反射されることが好ましい。
このように、複数の光源部から発せられる光を複数の偏光ミラーによって複数回反射させることによって、Ｐ偏光に対するＳ偏光の比率、もしくは、Ｓ偏光に対するＰ偏光の比率を所定値よりも小さくすることが可能である。これにより、複数の光源部から発せられる光からより純粋な偏光を取り出して被照射物に照射することが可能となる。

本発明の偏光照明装置において、偏光が照射される被照射物は、液晶パネル用の要処理配向膜基板であることが好ましい。本発明の偏光照明装置によって偏光方向が一定に揃った偏光を照射することによって、配向膜の配向方向が一定に揃った液晶パネル用の基板を製造することができる。これにより、大型で高品質の液晶パネル用の基板を安価に製造することが可能となる。

本発明によれば、偏光方向が一定に揃った偏光を照射できるとともに、偏光を取り出すための偏光素子を小型化することのできる偏光照明装置を提供することができる。

第１実施形態に係る偏光照明装置の平面図である。 偏光照明装置の拡大平面図である。 偏光素子を入射光の光軸に対して６６．５度傾けて設置したときの分光特性を示すグラフである。 偏光素子を入射光の光軸に対して７０．０度傾けて設置したときの分光特性を示すグラフである。 偏光素子を入射光の光軸に対して７３．５度傾けて設置したときの分光特性を示すグラフである。 第２実施形態に係る偏光照明装置の平面図である。 第２実施形態に係る偏光照明装置の正面図である。 第２実施形態に係る偏光照明装置の平面図であり、偏光板を９０度回転させた後の状態を示している。 第２実施形態に係る偏光照明装置の正面図であり、偏光板を９０度回転させた後の状態を示している。 第３実施形態に係る偏光照明装置の部分的な平面図である。 従来の偏光照明装置の平面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、第１実施形態に係る偏光照明装置１００の平面図である。図２は、偏光照明装置１００を部分的に拡大した平面図である。図１、図２に示すように、偏光照明装置１００は、発光部１０と発光部１０から発せられた光を反射する反射光学系１２とからなる複数の光源部１４と、複数の光源部１４から出射された光から偏光を取り出す偏光素子１６と、偏光素子１６によって取り出された偏光が入射するフライアイレンズ１８と、フライアイレンズ１８から出射された光を平行光に変換する平行光変換手段２０と、を備えている。

発光部１０は、紫外光を発することのできる超高圧水銀ランプによって構成されている。発光部１０を構成する超高圧水銀ランプの内部には、陰極及び陽極からなる図示しない２つの電極が設けられている。また、この超高圧水銀ランプの内部には、所定の水銀蒸気圧、例えば３０気圧以上の水銀が封入されている。

反射光学系１２は、断面略放物線形状をなす反射鏡１３によって構成されている。この反射鏡１３は、放物面を有する椀形状のガラスの成形体によって構成されている。この反射鏡１３の内面には、反射コーティング膜が形成されており、この反射コーティング膜によって発光部１０から発せられた紫外光を前方に向かって反射することができるようになっている。

発光部１０は、反射鏡１３の焦点もしくはその近傍に配置されている。具体的には、発光部１０を構成する超高圧水銀ランプの陰極と陽極との中点が、反射鏡１３の焦点もしくはその近傍に位置するように発光部１０が配置されている。したがって、発光部１０から発せられた紫外光は、反射鏡１３によって平行光に変換されつつ前方に向かって反射されるようになっている。

光源部１４は、発光部１０及び反射光学系１２によって構成されている。光源部１４は、横方向に５個、縦方向にも５個並んでおり、合計で２５個が同一平面に並ぶように配置されている。なお、このような複数の光源部とフライアイレンズとを利用した紫外光照明装置は本発明者らによってすでに提案されており、例えば特開２００４−３６１７４６号公報に開示されている。

偏光素子１６は、Ｐ偏光を透過してＳ偏光を反射する偏光ミラー１７によって構成されている。この偏光ミラー１７は、複数の光源部１４から出射される光の前方側にそれぞれ設置されている。また、この偏光ミラー１７は、複数の光源部１４から出射された光が直接的に入射することのできる位置に配置されている。ここでいう「直接的」とは、複数の光源部１４から出射された光がミラーやフライアイレンズなどの他の光学部品を介することなく偏光素子１６に入射することを意味する。

偏光ミラー１７は、複数の光源部１４から出射される光の光軸に対して浅い入射角（例えば７０度）に傾けて設置される。例えば、偏光ミラー１７がガラス板で構成されている場合には、６０度以上８０度以下が好ましい。

図３〜図５は、偏光ミラー１７に入射する光の入射角を変化させたときの分光特性（Ｐ偏光及びＳ偏光の透過率特性）を示すグラフである。以下、これらのグラフの意味について説明する。

被照射面に対して垂直に当る光線は、主光線と呼ばれる。例えば７０度の角度で偏光ミラー１７を配置した場合、主光線の入射角は７０度となる。ここで、図１を参照すると、被照射面の各部位に至るコーン状の光束の外縁光線は、主光線に対して±数度の角度をなしている。したがって、外縁光線の入射角は、７０度±数度となる。

図４は、入射角が７０度の場合のＳ偏光とＰ偏光の分光特性を示すグラフであり、図３及び図５は、入射角が７０±３．５度（６６．５度と７３．５度）の場合のＳ偏光とＰ偏光の分光特性をそれぞれ示すグラフである。７０度というのは、主光線の入射角に対応しており、７０±３．５度というのは、外縁光線の入射角に対応している。

紫外光を発光する水銀ランプのスペクトルの中で、３１３ｎｍは配向膜の形成に寄与する波長である。水銀蒸気圧７０〜８０気圧でのスペクトル半値幅は±３nm程度になる。図３〜図５中の２点鎖線は、波長幅３１３±３ｎｍ、３点鎖線は、波長幅３１３±１０ｎｍをそれぞれ示している。図３〜図５を見ればわかるように、波長幅３１３±３ｎｍであれば、ほぼ１００％光エネルギーのＰ／Ｓ分離を実現することができる。波長幅３１３±１０ｎｍまで広げると、光束外縁光で分離が悪くなる。

水銀蒸気圧を上げると、光エネルギーは大きくなるがスペクトル幅は広くなり、Ｐ／Ｓ分離が悪くなる。逆に水銀蒸気圧を下げると、Ｐ／Ｓ分離は良くなるが、光エネルギーは小さくなる。本発明の偏光照明装置１００を具現設計するに当り、光源選択と偏光板に施されるコーティング膜選択は、装置性能を大きく変えるファクターとなる。

なお、上記の実施形態では、偏光素子１６として、偏光を反射させる偏光ミラー１７を用いた例を示したが、後述するように、偏光を透過させる偏光板を用いてもよい。

偏光ミラー１７によって反射された光の前方側には、フライアイレンズ１８が配置されている。フライアイレンズ１８は、長尺な略直方体の形状を有する同一の単レンズを縦横に複数配列したレンズ集合体からなり、複数の光源部１４から出射された光を被照射物Ｗに対して均一に照射するためのインテグレーター光学系の１つである。

フライアイレンズ１８は、入射面１８ａとこの入射面１８ａに略平行な出射面１８ｂとを有する。複数の光源部１４から出射された紫外光は、偏光ミラー１７によってＰ偏光あるいはＳ偏光のみが取り出された後、フライアイレンズ１８の入射面１８ａの略中心に入射する。フライアイレンズ１８の入射面１８ａに入射した光は、フライアイレンズ１８の内部を通って、フライアイレンズ１８の出射面１８ｂから出射される。

平行光変換手段２０は、コリメータ光学系の１つであり、入射する光を平行光に変換しつつ被照射物Ｗに向かって反射することのできる凹面ミラーによって構成されている。フライアイレンズ１８の出射面１８ｂから出射された光は、平行光変換手段２０によって平行光に変換された後に、被照射物Ｗの表面に略垂直に照射される。

被照射物Ｗは、その表面にポリイミドからなる配向膜が形成された液晶パネル用のガラス基板で構成されている。

上記のように構成された偏光照明装置１００の作用効果について説明する。
本実施形態の偏光照明装置１００によれば、複数の光源部１４から出射された光は、断面略放物線形状をなす反射鏡１３によって平行光に変換されつつ反射された後に、偏光素子１６に入射する。したがって、偏光素子１６に平行光を入射させることができるために、偏光方向が一定に揃った偏光を被照射物Ｗに対して均一に照射することが可能である。

本実施形態の偏光照明装置１００によれば、偏光を取り出すための偏光素子１６は、複数の光源部１４から出射された光が直接的に入射することのできる位置に配置されている。したがって、偏光素子１６を複数の光源部１４の直近の位置に配置することが可能であり、従来技術のように凹面ミラーの後に偏光素子１６を配置する場合よりも偏光素子１６を小型化することが可能である。

また、本実施形態の偏光照明装置１００によれば、紫外光の強度を確保するために複数の光源部１４を用いているために、１つの大型の光源部を用いる場合よりも１枚あたりの偏光ミラー１７の大きさを小型化することが可能である。

また、本実施形態の偏光照明装置１００によれば、偏光素子１６として偏光ミラー１７を用いているために、例えば紫外光によって一部が分解されてしまう有機化合物からなる偏光フィルムなどを用いる場合よりも安定的に偏光を取り出すことが可能である。

＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る偏光照明装置２００の平面図である。図７は、偏光照明装置２００の正面図である。
第２実施形態に係る偏光照明装置２００は、第１実施形態に係る反射偏光を用いる偏光照明装置１００と異なり、偏光素子として偏光板２０２による透過偏光を用いている。また、偏光板２０２を回転させるためのモーター２０４を備えている。その他の構成は第１実施形態と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

図６、図７に示すように、第２実施形態に係る偏光照明装置２００は、複数の光源部１４と、複数の光源部１４から発せられた光から偏光を取り出すための偏光板２０２を備えている。

光源部１４は、横方向に５個、縦方向に５個並んでおり、合計で２５個が同一平面に並ぶように配置されている。縦方向に配列した５個の光源部１４の前方側には、縦方向に細長い形状を有するルーバー型の偏光板２０２が一枚ずつ設置されている。つまり、合計で２５個の光源部１４の前方側には、合計で５枚の偏光板２０２が縦方向に略平行に並ぶようにして設置されている。

５枚の偏光板２０２は、例えばアルミ合金によって形成された箱型形状の枠体２０６の内部に図示しない回動軸を介して取り付けられている。

枠体２０６にはモーター２０４が連結されており、このモーター２０４によって枠体２０６を回転させることが可能となっている。このモーター２０４が、本発明の「回転手段」に対応している。

図８、図９は、モーター２０４によって偏光板２０２を９０度回転させた後の状態における偏光照明装置２００の平面図及び正面図である。図８、図９に示すように、偏光板２０２を９０度回転させることによって、偏光板２０２を透過する光の偏光方向を９０度回転させることができる。これにより、被照射物Ｗに照射する光の偏光方向を９０度回転させることができる。

第２実施形態の偏光照明装置２００によれば、モーター２０４によって偏光板２０２を回転させることが可能であり、被照射物Ｗに照射する光の偏光方向を９０度回転させることが可能である。これにより、例えば、液晶パネルディスプレイの視野角を広げるために画素のサブ画素内を分割して配向膜の配向方向を部分的に変化させる「配向分割」を容易に行うことができるようになる。

＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３実施形態に係る偏光照明装置３００の部分的な平面図である。
図１０に示すように、第３実施形態に係る偏光照明装置３００は、複数の光源部１４と、複数の光源部１４のそれぞれから発せられた光から偏光を取り出すための２枚の偏光ミラー３０２、３０４とを備えている。１枚目の偏光ミラー３０２は、複数の光源部１４から出射された光の前方側に配置されている。２枚目の偏光ミラー３０４は、１枚目の偏光ミラー３０２によって反射された光の前方側に配置されている。つまり、複数の光源部１４から出射された光は、１枚目の偏光ミラー３０２及び２枚目の偏光ミラー３０４によって２回反射された後に、フライアイレンズ１８の入射面１８ａに入射するようになっている。

第３実施形態の偏光照明装置３００によれば、複数の光源部１４から発せられる光を２枚の偏光ミラー３０２、３０４によって２回反射させることができる。これにより、Ｐ偏光に対するＳ偏光の比率、もしくは、Ｓ偏光に対するＰ偏光の比率を所定値よりも小さくすることが可能である。この結果、複数の光源部１４から発せられる光からより純粋な偏光を取り出して被照射物Ｗに照射することが可能となる。

なお、偏光ミラーを向かい合わせに２枚配置した例を示したが、偏光ミラーを３枚以上配置した場合であっても同様の効果を得ることができる。また、２枚以上の偏光板をほぼ平行に配置した場合であっても同様の効果を得ることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、発光部１０として超高圧水銀ランプを用いた例を示したが、紫外線を照射できるのであればこれ以外のランプを用いることもできる。
（２）上記実施形態では、超高圧水銀ランプの波長が３１３ｎｍの場合における偏光特性を例に説明したが、他の強いスペクトルである２５４ｎｍ、３６５ｎｍなどの波長を選んでも、偏光板に施されるコーティング膜設計を変更する事により、同様の効果を持つ偏光照明装置を実現できる。
（３）上記実施形態では、平行光変換手段２０として凹面ミラーを用いた例を示したが、他のコリメータ系レンズなどを用いることもできる。
（４）上記実施形態では、回転手段としてモーター２０４を用いた例を示したが、例えば手動によって偏光板２０２を回転させることもできる。
（５）上記実施形態では、被照射物Ｗが液晶パネル用の基板である例を示したが、これ以外の被照射物に対して偏光を照射する場合であっても本発明を適用することができる。
（６）上記実施形態では、縦方向に５個、横方向に５個（合計２５個）の光源部１４を配列する例を示したが、これ以外の個数の光源部１４を配列してもよい。例えば、縦方向に５個、横方向に３個（合計１５個）の光源部１４を配列してもよい。
（７）上記実施形態では、縦方向に並ぶ５個の光源部１４の前方側に、縦方向に細長い形状を有するルーバー型の偏光ミラー１７あるいは偏光板２０２を一枚ずつ設置した例を示したが、本発明はこのような態様に限定されるものではない。例えば、複数の光源部１４のそれぞれの前方側に、略正方形の形状を有する偏光ミラーあるいは偏光板を一枚ずつ設置してもよい。

１０…発光部
１２…反射光学系
１３…反射鏡
１４…光源部
１６…偏光素子
１７、３０２、３０４…偏光ミラー
１８…フライアイレンズ
２０…平行光変換手段
１００、２００、３００…偏光照明装置
２０２…偏光板
２０４…モーター（回転手段）
Ｗ…被照射物

Claims (5)

1. 発光部と前記発光部から発せられた光を反射する反射光学系とからなる複数の光源部と、前記複数の光源部から出射された光から偏光を取り出す偏光素子と、前記偏光素子によって取り出された偏光が入射するフライアイレンズと、前記フライアイレンズから出射された光を平行光に変換する平行光変換手段と、を含む偏光照明装置であって、
   前記反射光学系は、断面略放物線形状をなす反射鏡からなり、
   前記偏光素子は、前記複数の光源部から出射された光が直接的に入射することのできる位置に配置されていることを特徴とする偏光照明装置。
2. 前記偏光素子は、偏光を透過させる偏光板、あるいは、偏光を反射する偏光ミラーであることを特徴とする偏光照明装置。
3. 前記偏光素子を回転させることのできる回転手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏光照明装置。
4. 前記偏光素子は、複数の偏光ミラーからなり、
   前記複数の光源部から出射された光が、前記複数の偏光ミラーによって複数回反射されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の偏光照明装置。
5. 偏光が照射される被照射物が、液晶パネル用の要処理配向膜基板であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の偏光照明装置。

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