JP3817970B2 - 偏光ビームスプリッタおよびそれを用いた液晶表示素子の配向膜光配向用偏光光照射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、短い波長の紫外光の偏光光を得るための偏光素子および該偏光素子を用いた液晶表示素子の配向膜光配向用偏光光照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子は通常２枚の基板から構成される。一方の基板には、液晶を駆動するための駆動素子（例えば薄膜トランジスタ）、透明導電膜で形成された液晶駆動用電極、液晶を特定の方向に配向させる配向膜等を形成する。他方の基板には、ブラックマトリックスと呼ばれる遮光膜、また、カラー液晶表示素子の場合にはカラーフィルタ、および上記した配向膜を形成する。
通常、配向膜は、ポリイミド樹脂等の薄膜の表面に、ラビングと呼ばれる処理を施して、特定方向に微細な溝をつけたものである。液晶分子が、この微細な溝にそって特定方向に配列する。即ち、液晶の配向がそろった状態になる。
ラビング処理は、回転するローラに巻き付けた布で上記薄膜の表面を擦る、という方法が広く用いられている。しかし、ゴミ、静電気、スクラッチ等の刺激が発生するので、歩留まりの低下が避けられない。
【０００３】
上記問題の解決のために、近年、上記ラビングをせずに液晶の配向をそろえるという技術が提案されている（ラビングを行わずに液晶の配向をそろえる技術を「ノンラビング」という）。
ノンラビング技術の中に、以下のような方法がある。
ポリイミド樹脂等の薄膜に偏光光を照射して、薄膜の特定方向のポリマーのみを光化学反応や構造変化を生じさせる。このことにより、ラビング処理と同様に液晶分子が特定方向に配列する（液晶の配向がそろう）。このように、光を用いて配向する技術を「光配向技術」という。
光により配向する光配向膜材料は、２００ｎｍ〜３４０ｎｍの短い波長の紫外光により、光化学反応や構造変化を起こすものが多い。
【０００４】
上記光配向技術に用いる偏光光を照射する装置おいては、光源からの光を、偏光素子を介して配向膜材料に照射する。
偏光素子にはいろいろな種類があるが、最も一般的なものに、偏光機能を有する樹脂フィルムをガラス板に貼り付けたものがある。しかし、樹脂フィルムは耐熱性が低く、強い光を当てると温度上昇により性能が劣化する。また、樹脂フィルムは２００ｎｍ〜３４０ｎｍの紫外光で化学変化を起こして偏光特性が劣化する。したがって、光配向用の光照射装置に用いるための偏光素子としては実用的ではない。
熱や強い光に耐性がある偏光素子として、偏光ビームスプリッタがある。図７（ａ）に示すように、偏光ビームスプリッタ１０は、直角プリズム１の斜面に、偏光分離膜として無機誘電体多層膜２を蒸着し、２個の直角プリズム１の斜面どうしを全面に塗布した接着剤Ｓによって貼り合せたものである。
【０００５】
接着剤Ｓは屈折率がプリズム１の材料の屈折率とほぼ同じものが選ばれ、接着剤Ｓとプリズム１とは光学的に一体となるように設けられる。例えばプリズム１の材料が石英の場合、石英の屈折率は約１．５であるので、それに近い屈折率、一般に１．５±０．２程度の屈折率を有する接着剤が選ばれる（図７（ａ）の接着剤Ｓの厚さは誇張されて示されている）。
上記偏光ビームスプリッタ１０に入射した無偏光光は、図７（ｂ）に示すように無機誘電体多層膜２によりＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｐ偏光は直進して偏光ビームスプリッタ１０を透過し、Ｓ偏光は反射される。プリズム１は石英ガラス製であるので、熱や強い光に耐性がある。また、偏光分離膜である無機誘電体多層膜２も無機物質により構成されているので、熱や強い光に耐性がある。また、無機誘電体多層膜２は、あらかじめ決められた波長において偏光分離特性が良い（消光比、例えば透過するＰ偏光中のＳ偏光の割合が小さい）ものを作ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
偏光ビームスプリッタは、プリズム同士を貼り合せたものであり、その貼り合せに接着剤を使用している。しかし、上記したように光配向膜は２００ｎｍ〜３４０ｎｍの波長の紫外光によって配向するものが多く、上記偏光ビームスプリッタ１０を液晶表示素子の配向膜光配向に適用する場合には、偏光ビームスプリッタにも２００ｎｍ〜３４０ｎｍの波長の紫外光が入射することになる。
【０００７】
ところが、偏光ビームスプリッタのプリズム１を貼り合せる接着剤Ｓは、２００ｎｍ〜３４０ｎｍの波長の紫外光が照射されると、通常、紫外光を吸収して経時劣化し、紫外光の透過率が低下する。
したがって、配向膜材料に所望の偏光光の光量を与えることができなくなる。現在、２００ｎｍ〜３４０ｎｍの波長の紫外光を照射しても透過率が劣化しない接着剤は、市販されていない。このため、光配向用の光照射装置に用いるための偏光素子として、偏光ビームスプリッタを用いることができない。
【０００８】
なお、偏光ビームスプリッタを製作するのに接着剤を用いなければ、上記の問題は生じない。しかし、接着剤を用いないと次のような問題が生じる。
２個のプリズムの斜面を合せて固定しただけでは、接触する面と面との間に必ず空気層が生じる。空気の屈折率は１．０であり、プリズムの材料として石英ガラスを用いた場合、石英ガラスの屈折率（約１．５）に対して小さい。したがって、入射する光が、ガラスと空気層との界面で反射され、所望の光量が偏光ビームスプリッタを透過しなくなる。
すなわち、接着剤は２個のプリズムを固定するためだけでなく、石英ガラスの屈折率に近いものが選ばれ、また、２個のプリズムの間に、空気層が生じないようにして、界面での光の反射が生じない働きをしているのである。
【０００９】
本発明は上記した事情に鑑みなされたものであって、本発明の第１の目的は、２００ｎｍ〜３４０ｎｍの波長の光によっても透過率が経時劣化しない偏光ビームスプリッタを提供することである。
また、本発明の第２の目的は、上記偏光ビームスプリッタを偏光素子として用いた液晶表示素子の光配向用偏光光照射装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記課題を次のように解決する。
（１）２つ以上のプリズムで形成した偏光ビームスプリッタにおいて、プリズムの接合面に無機誘電体多層膜を形成し、液体を介して上記プリズムを接合し、液体の導入口、排出口を設け、偏光ビームスプリッタ内に上記液体を流し冷却する。
（２）配向膜が形成された基板に偏光光を照射して光配向を行う液晶表示素子の配向膜光配向用偏光光照射装置において、上記（１）の偏光ビームスプリッタを介して偏光光を配向膜が形成された基板に照射することにより液晶の光配向を行う。
【００１１】
本発明の請求項１の発明においては、上記（１）のように、プリズムの接合面に無機誘電体多層膜を形成し、プリズムの貼り合せ面での反射を防止するための物質（空気層を作らないための物質）として波長２００ｎｍ〜３４０ｎｍの光を透過し、かつ透過率が上記波長の光により経時劣化しない液体を使用したので、液晶表示素子の配向膜の光配向処理に適用するに好適な偏光ビームスプリッタを得ることができる。
上記液体としては、プリズム材料の屈折率とほぼ同一の屈折率（好ましくはプリズム材料の屈折率に対して±０．２の範囲内）を持つものが望ましく、具体的には純水、フツ素を含有する液状化合物等を使用することができる。
また、液体の導入口、排出口を設け、偏光ビームスプリッタ内に上記液体を流し冷却するようにしたので、偏光ビームスプリッタの過熱を防ぐことができる。また、汚れ、純水であればカビの発生、オイルであれば特性の劣化等も防ぐことができる。
本発明の請求項２の発明においては、配向膜が形成された基板に偏光光を照射して光配向を行う液晶表示素子の配向膜光配向用偏光光照射装置において、請求項１に記載される偏光素子を用いたので、偏光素子を平面状に薄いものとして構成することができ、偏光素子が大型化することを防ぐことができ、また、偏光素子の経時劣化を防ぐことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例の偏光ビームスプリッタの断面構造を示す図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）をＡ方向から見た断面図である。
同図に示すように本実施例の偏光ビームスプリッタ１０は、フレーム３と光透過窓４で形成される密閉された容器内に直角プリズム１を配置し、直角プリズム１をフレーム３により固定した構造である。
一方の直角プリズム１の接合面には前記図７に示したものと同様、無機誘電体多層膜２が蒸着されており、直角プリズム１同士は間隙に後述する液体が充填されるように配置されている。フレーム３と窓４の間はＯリング６によりシールし、フレーム３には窓４を押さえるための窓押さえ５を固定する。また、光が入射する面と、出射する面に形成された窓４の材料としては紫外光を透過させる石英板等を用いる。
【００１３】
上記容器内には、プリズム材料の屈折率とほぼ同一の屈折率を持ち、波長２００ｎｍ〜３４０ｎｍの光を透過し、かつ透過率が経時劣化しない液体を充填する。
直角プリズム１の材料が石英（屈折率＝約１．５）の場合、上記液体は、例えば純水（屈折率＝１．３）、フツ素系化合物であり紫外光により透過特性が劣化しないフォンブリンオイル（屈折率＝約１．２９）等を用いることができる。
液体の屈折率は、直角プリズム１のガラス材料の屈折率に近ければよく、例えば上記偏光ビームスプリッタ１０を液晶表示素子の光配向用偏光光照射装置の偏光素子として用いる場合には、直角プリズム１のガラス材料の屈折率に対し±０．２の範囲であれば充分実用可能であることが確認されている。
【００１４】
なお、直角プリズム１のガラス材料の屈折率に対して上記液体の屈折率が大きく異なると、接着剤の界面での反射が大きくなり、偏光素子からの出射光に含まれるＰ偏光の割合が小さくなる。また、偏光素子内で屈折角度が変化し、偏光素子に入射する光の角度と出射する光の角度が変わる。このため、照射領域が所望の位置からややずれてしまう等の不都合が生じる。
したがって、上記液体としては、屈折率が直角プリズム１のガラス材料の屈折率に近いものを使用するのが望ましい。
ここで、上記液体に適さない例としては、水道水、鉱物油が上げられる。水道水は、含まれるイオンが紫外光を吸収するため適さないし、また、鉱物油は、屈折率の点で望ましくないものもあり、また紫外光により透過特性が劣化する。
【００１５】
図１の偏光ビームスプリッタ１０において、同図（ｂ）に示すようにフレーム３に上記液体の入口７ａと出口７ｂとを設け、直角プリズム１を収納した容器内を液体が流れるようにしてもよい。これにより次のような利点が得られる。
▲１▼ 入射する光によって偏光ビームスプリッタが加熱されるが、これを冷却することができる。これにより装置部品、装置全体の温度が高くなることを防ぐことができる。
▲２▼ 容器内に汚れが生じた場合であっても、その汚れを排出することができる。
▲３▼ 常に新しいオイルまたは純水を供給することができるので、オイルの劣化や、水に含まれる微生物によるカビの発生といった心配がない。これら汚れが原因となる偏光素子の光透過率の低下を防ぐことができる。
【００１６】
図１の実施例の変形例としては、図２に示すように、直角プリズム１の接合面周辺部に接着剤Ｓを塗布し、その中に上記液体を封じるように構成しても良い。石英ガラスの周辺部にはほとんど紫外光が照射されないし、仮に紫外光の透過率が劣化したとしても、周辺部であるので、照射領域の紫外光の透過率への影響はほとんどない。
【００１７】
ところで、液晶基板は年々大面積化している。それに対応するためには、広い面積に対して偏光光を照射できるようにする必要がある。そのためには大きな偏光ビームスプリッタが必要となるが、大きな石英プリズムは製作が難しく、非常に高価であり装置全体が高価になる。
上記問題を解決するため、例えば特開平５−１９２０８号公報に記載されるようにプリズムロッドを配列し、これを上記第１の実施例に示したような液体を介して接合する。
図３、図４は、上記のようにプリズムロッドを配列した本発明の第２、第３の実施例の偏光ビームスプリッタの断面構造を示す図である。
前記図１に示したものと同一のものには同一の符号が付されており、本発明の第２、第３の実施例においては、フレーム３と窓４で密封された容器内に複数のプリズムロッド８が配置されている。
【００１８】
図３は、複数対のプリズムロッド８を上記容器内に配置した例を示しており、第１の実施例と同様、対となるプリズムロッド８の一方の接合面には無機誘電体多層膜２を蒸着されており、プリズムロッド８同士は間隙に液体が充填されるように配置されている。フレーム３と窓４の間はＯリング６によりシールし、フレーム３には窓４を押さえるための窓押さえ５を固定する。また、光が入射する面と、出射する面に形成された窓４の材料としては紫外光を透過させる石英板等を用いる。上記容器内には、第１の実施例と同様プリズム材料の屈折率とほぼ同一であり、波長２００ｎｍ〜３４０ｎｍの光を透過し、かつ透過率が経時劣化しない液体を充填する。
【００１９】
図４は、プリズムロッドの他の配置例を示す図であり、図３と同様、プリズムロッド８の接合面の一方には無機誘電体多層膜２を蒸着されており、プリズムロッド８同士は間隙に液体が充填されるように配置されている。上記容器内には、第１の実施例と同様プリズム材料の屈折率とほぼ同一であり、波長２００ｎｍ〜３４０ｎｍの光を透過し、かつ透過率が経時劣化しない液体を充填する。
上記のように構成した偏光ビームスプリッタ１０において、光入射面から入射する無偏光光は、同図に示すように無機誘電体多層膜２によりＰ偏光とＳ偏光とに分離され、Ｐ偏光は直進して偏光ビームスプリッタ１０を透過し、また、Ｓ偏光は同図に示すように光源側に反射される。
第２、第３の実施例の偏光ビームスプリッタ１０においても、第１の実施例と同様、同図に示すようにフレーム３に上記液体の入口７ａと出口７ｂとを設け、直角プリズム１を収納した容器内を液体が流れるようにしてもよい。これにより前記した利点が得られる。
【００２０】
次に、本発明の偏光ビームスプリッタを液晶表示素子の配向膜光配向用偏光光照射装置の偏光素子として用いた実施例について説明する。
図５は、前記第２の実施例に示した偏光ビームスプリッタ（以下偏光素子という）を配向膜光配向用偏光光照射装置に適用した本発明の第４の実施例を示す図である。
図５において、１１は紫外光を含む光を放出する超高圧水銀ランプ等の放電ランプ（以下、ランプという）であり、ランプ１１が放出する紫外光を含む光は楕円集光鏡１２で集光され、第１平面鏡１３で反射し、シャッタ１４が開のとき、シャッタ１４を介してインテグレータ１５に入射する。
インテグレータ１５から出射する光は、第２平面鏡１６で反射しコリメータレンズ１７で平行光にされ前記第２の実施例に示した偏光素子２０に入射する。
偏光素子２０は前記したように、無偏光光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離しＰ偏光光を透過させる。
【００２１】
一方、ワークステージＷＳ上には配向膜が形成されたワークＷが載置されており、ワークＷ上にはマスクＭとアライメント顕微鏡１８が配置されている。
ワークＷ上の所定の領域に偏光光を照射して光配向を行う場合には、前記シャッタ１４を閉じた状態で、予めアライメント顕微鏡１８によりマスクＭ上に記されたマスクアライメントマーク（不図示）と、ワークＷ上に記されたワークアライメントマーク（不図示）を観察し、マスクＭとワークＷの位置合わせを行っておく。
上記位置合わせ後、前記シャッタ１４を開くと、偏光素子２０から出射したＰ偏光光がマスクＭを介してワークＷ上の所定の領域に照射され、マスクパターンに応じてワークＷの配向膜が光配向処理される。
なお、ワークＷの配向膜を全面に渡って光配向処理する場合は、上記マスクＭ、アライメント顕微鏡１８は不要であり、偏光素子２０が出射する偏光光をそのままワークＷの配向膜に照射し、光配向処理を行えばよい。
【００２２】
図５においては、偏光素子２０がコリメータレンズ１７とワークＷの間に配置されているが、偏光素子２０の設置位置は図５に示した位置に限られるものではなく、図６に示すようにａ，ｂのいずれかの位置に配置してもよい。インテグレータ１５の近傍ａ，ｂの位置に設けた方が、集光されていて光束が小さいので、偏光素子を小さくできるという利点がある。
なお、インテグレータ１５近傍に偏光素子２０を配置する場合には、偏光素子２０の入射側にレンズを設けて、平行光が偏光素子２０に入射するようにすれば、出射する光に含まれるＰ偏光光の割合を大きくすることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）２つ以上のプリズムで形成した偏光ビームスプリッタにおいて、接合面に無機誘電体多層膜を形成し、該プリズムの材料の屈折率とほぼ同じ屈折率を持つ液体、例えば純水またはフツ素を含有する液状化合物等を介してプリズムを接合したので、波長２００ｎｍ〜３４０ｎｍの光を透過し、かつ透過率が経時劣化しない偏光素子を実現することができる。
（２）上記液体を介してプリズムが接合されているので、光学的にはプリズムと液体は一体であり、また接合界面に空気が残存しない。このため、接合界面で入射する光が反射されることがない。
（３）上記純水または液体が偏光ビームスプリッタの容器内を循環するようにすれば、偏光ビームスプリッタの過熱を防ぐことができるとともに、汚れ、純水であればカビの発生、オイルであれば特性の劣化等による紫外線透過率の低下を防ぐことができる。
（４）大面積を照射する偏光光照射装置においても、複数のプリズムを組合せたものを用いることにより、偏光素子を平面状に薄いものとして構成することができ、偏光素子が大型化することを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の偏光ビームスプリッタの構成を示す図である。
【図２】第１の実施例の変形例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例の偏光ビームスプリッタの構成を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例の偏光ビームスプリッタの構成を示す図である。
【図５】本発明の偏光ビームスプリッタを配向膜光配向用偏光光照射装置に適用した第４の実施例を示す図である。
【図６】第４の実施例の変形例を示す図である。
【図７】従来の偏光ビームスプリッタの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 直角プリズム
２ 無機誘電体多層膜
３ フレーム
４ 窓
５ 窓押さえ
６ Ｏリング
７ａ 液体の入口
７ｂ 液体の出口
８ プリズムロッド
１０ 偏光ビームスプリッタ
１１ ランプ
１２ 楕円集光鏡
１３ 第１平面鏡
１４ シャッタ
１５ インテグレータ
１６ 第２平面鏡
１７ コリメータレンズ
２０ 偏光素子
１８ アライメント顕微鏡
Ｓ 接着剤
Ｗ ワーク
Ｍ マスク
ＷＳ ワークステージ

Claims (2)

1. ２つ以上のプリズムで形成した偏光ビームスプリッタであって、プリズムの接合面に無機誘電体多層膜を形成し、液体を介して上記プリズムを接合した偏光ビームスプリッタにおいて、
   偏光ビームスプリッタに液体の導入口、排出口を設け、偏光ビームスプリッタ内に上記液体を流し冷却する
   ことを特徴とする請求項１の偏光ビームスプリッタ。
2. 配向膜が形成された基板に偏光光を照射して光配向を行う液晶表示素子の配向膜光配向用偏光光照射装置であって、
   請求項１に記載された偏光ビームスプリッタを介して偏光光を配向膜が形成された基板に照射することにより液晶の光配向を行う
   ことを特徴とする液晶表示素子の配向膜光配向用偏光光照射装置。

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