JP4135557B2 - 光配向用偏光光照射装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子の配向膜や、液晶パネルに取り付ける視野角補償フィルムに偏光光を照射して、光配向を行なうための偏光光照射装置に関し、特に、上記偏光光照射装置に用いられる、インテグレータレンズの構成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示素子は、透明基板の表面に形成した配向膜に、液晶を所望の方向に配向させる処理(配向処理)を施し、該透明基板を2枚、配向膜を内側にして、間に液晶をはさみこんで貼り合せたものである。
上記液晶表示素子の配向膜の配向処理に関し、配向膜に所定の波長の偏光光を照射し露光処理することにより配向を行なう、光配向と呼ばれる技術がある。光配向用の偏光光照射装置としては、例えば特許文献1や特許文献2に記載のものがある。
最近は、上記液晶表示素子の製作以外に、視野角補償フィルムの製作にも、上記偏光光照射装置が使用されるようになってきた。視野角補償フィルムは、べ一スフィルム上に、紫外線硬化液晶を塗布し、一定方向に液晶分子を配列(配向)させた後、紫外線を照射して液晶を硬化させ、液晶分子の方向を固定させたものである。視野角補償フィルムを液晶パネルに貼ることで、画質の低下を補償する。
以下、ここでは視野角補償フィルムも含めて、光配向を生じさせる膜を光配向膜と呼ぶことにする。
【0003】
図7に、光配向用偏光光照射装置の構成を示す。
ランプ1が放射する紫外線を含む光は、集光鏡2で集光され、第1の平面鏡3で反射され、インプットレンズ5によって平行光にされ偏光素子6に入射する。偏光素子6は、例えば、複数のガラス板を光軸に対してブリュースタ角だけ傾けて設けたものである。
偏光素子6に入射した光は偏光分離され、上記の偏光素子の場合はP偏光光のみが出射する。出射したP偏光光はインテグレータレンズ4に入射する。
インテグレータレンズ4は、光照射面11での照度分布を均一にする光学素子である。本例では、光入射側のレンズ群と、光出射側のレンズ群とを離間して配置したものを使用する。このような構造のインテグレータについては、例えば特許文献3に記載されている。
インテグレータレンズ4から出射したP偏光光は、シャッタ7を介して、第2の平面鏡8で反射され、ワークステージWS上に載置された、光配向膜が塗布された基板や視野角補償フィルム等であるワークWに照射される。
ワークWに照射する光に平行光が必要であれば、第2の平面鏡6とワークステージWSの間に、コリメータレンズ9またはコリメータミラーを設ける。図7は、コリメータレンズ9が設けられている場合を示している。
【0004】
【特許文献1】
特許2928226号
【特許文献2】
特許2960392号
【特許文献3】
特開昭58−50510
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
光配向膜を光配向させるためには、所定の波長(例えば280〜320nm紫外線)であって、所定の値以上の消光比(例えばP偏光光に対しS偏光光の含まれる割合が1/10〜1/100)を有する偏光光が必要である。これは上記光配向膜の物性により決まる。消光比とは光に含まれるP偏光成分とS偏光成分の割合である。
最近、光配向を行なうためのパラメータとして、上記の波長と消光比に加えて、照射面内における偏光光の方向(以下偏光軸と呼ぶ)のばらつきが問題にされるようになってきた。
例えば、上記従来例の偏光光照射装置を用いると、照射面における偏光軸の面内ばらつきは±0. 5°程度になる。しかし、最近は偏光軸の面内ばらつきが±0.1°以内を要求するユーザもあり、さらなる改善が求められている。
図8に、光照射面における偏光軸の面内ばらつきのイメージ図を示す。例えば、上記従来例の場合、照射されるP偏光光の方向が、光照射面において約±0.5°ばらついているということである。
偏光軸の面内ばらつきが大きい光で光配向を行なうと、製品である液晶表示素子のコントラストが、場所によって異なってしまうという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明は、偏光光を、光入射側のレンズ群と光出射側のレンズ群とを離間して配置したインテグレータに入射し、照度分布を均一にして光配向膜に照射する偏光光照射装置において、光照射面における偏光軸のばらつきを少なくすることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、偏光軸がばらつく原因について調べた。その結果、以下の理由により偏光軸がばらつくことを見いだした。
インテグレータを構成するレンズとして、球面形状のレンズを使用すると、レンズの中心に入射する光の入射角度に対して、レンズの四隅に入射する光の入射角度は、レンズの曲面に沿ってX方向、Y方向(X方向、Y方向は入射光に垂直な平面上の直交する2軸)ともに変化する。
そのため、光が入射する面の法線方向と入射する光の方向とがなす面と、入射する光の偏光軸の方向とが、0°もしくは90°の関係ではなくなり、入射する光の偏光軸が、互いに直交する2成分に分かれる。その結果、レンズから出射する偏光光の偏光軸が回転する。
インテグレータの光入射側のレンズと光照射面は結像関係にある。したがって、光入射側のレンズにおいて生じた偏光軸の回転は、そのまま光照射面に投影され、光照射面では偏光軸にばらつきが生じることとなる。
そこで、本発明においては、前記構成の偏光光照射装置において、インテグレータレンズの光入射側のレンズ群を、シリンドリカルレンズの組み合わせで構成した。シリンドリカルレンズの場合、レンズの中心に入射する光の入射角度に対して、レンズの場所による入射角度は1方向しか変化せず、光が入射する面の法線方向と入射する光の方向とがなす面と、入射する光の偏光軸の方向とが、0°もしくは90°の関係が保たれる。したがって、入射する光の偏光軸が、互いに直交する2成分に分かれることがなく、偏光軸の回転が生じない。このため、光照射面における偏光軸のばらつきを防ぐことができる。
【0007】
従来のレンズ群は、図2(a)に示すように複数の凸レンズを2次元的に並べた光入射側レンズ群41、光出射側レンズ群42を離間して配置したものであるが、本発明においては、上記光入射側レンズ群41を、図2(b)に示すように、複数のシリンドリカルレンズを配列した第1のレンズ群41a(以下第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41aという)と、第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41aのシリンドリカルレンズの配列方向と直交する方向に、複数のシリンドリカルレンズを配列した、第2レンズ群41b(以下第2のシリンドリカルレンズ・アレイ41bという)とで構成する。
上記第2のシリンドリカルレンズ・アレイ41bのシリンドリカルレンズは、凸面が第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41aに向かって凸になるようにして、接近して配置する。第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41aと第2のシリンドリカルレンズ・アレイ41bの距離は、出来るだけ接近して配置されていることが望ましく、熱膨張によりが両者が接触しない程度の距離(例えば0.5mm程度)に設定する。
このように配置することにより、光照射面での偏光軸のばらつきを小さくすることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施例の光配向用偏光光照射装置の構成を示す図である。前記図7に示したものと同一のものには同一の符号が付されている。
図1において、ランプ1が放射する紫外線を含む光は、集光鏡2で集光され、第1の平面鏡3で反射され、インプットレンズ5によって平行光にされ偏光素子6に入射する。
偏光素子6に入射した光は偏光分離され、上記の偏光素子の場合はP偏光光のみが出射する。出射したP偏光光は光入射側レンズ群41と光出射側レンズ群42から構成されるインテグレータレンズ4に入射する。
本実施例の光入射側レンズ群41は、前記図2(b)に示したように、複数のシリンドリカルレンズを配列した第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41aと、第1のシリンドリカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズの配列方向と直交する方向に、複数のシリンドリカルレンズを配列した第2のシリンドリカルレンズ・アレイ41bとから構成されている。
インテグレータレンズ4の光入射側レンズ群41を上記構成とすることにより、光照射面における偏光軸のばらつきを、従来の±0. 5°から±0.17°に小さくすることができた。なお、インテグレータレンズ4の出射側のレンズ42は前記図2(a)に示した複数の凸レンズを2次元的に並べたレンズ群を用いることができる。
インテグレータレンズ4から出射したP偏光光は、前記したようにシャッタ7を介して、第2の平面鏡8で反射され、コリメータレンズ9で平行光にされ、ワークステージWS上に載置された、光配向膜が塗布された基板や視野角補償フィルム等であるワークWに照射される。
なお、コリメータレンズ9も、球面形状のレンズであるため前記した理由で偏光方向は変わるが、曲率が小さいので偏光軸のずれは少なく、光照射面における偏光軸のばらつきに与える影響は少ない。
【0009】
以下、上記構成のインテグレータレンズを用いることにより、偏光軸のばらつきを小さくできる理由について詳述する。
まず、偏光軸がばらつく原因について調べた。
図8に示したように、従来は光照射面の四隅の部分で、偏光軸のばらつきが大きくなった。その原因について本発明者らは次のことを見出した。
インテグレータを構成するレンズとして、球面形状のレンズを使用していたが、球面形状レンズの場合、レンズの中心に入射する光の入射角度に対して、レンズの四隅に入射する光の入射角度は、図3(a)に示すように、レンズの曲面に沿ってX方向、Y方向ともに変化する。
入射する光の角度がX方向、Y方向ともに変化すると、前記したように光が入射する面の法線方向と入射する光の方向とがなす面と、入射する光の偏光軸の方向とが、0°もしくは90°の関係ではなくなる。
上記のように0°もしくは90°の関係ではないとき、入射する光の偏光軸が、互いに直交する2成分に分かれる。その結果、レンズから出射する偏光光の偏光軸が回転する。
インテグレータの入射側のレンズと光照射面は結像関係にある。したがって、光入射側のレンズにおいて生じた偏光軸の回転は、そのまま光照射面に投影され、光照射面では偏光軸にばらつきが生じることとなる。
【0010】
以上のことから、偏光軸の回転を防ぐためには、インテグレータの光入射側のレンズ群において、レンズの四隅に入射する光の入射角度が、少なくともX方向、Y方向のいずれか1方向しか変化しないような形状のレンズを用いればよい。そのようなレンズとして、具体的には、シリンドリカルレンズがあげられる。
シリンドリカルレンズの場合、レンズの中心に入射する光の入射角度に対して、レンズの場所による入射角度は、図3(b)に示すように1方向しか変化しない。
入射角度が1方向にしか変化しなけば、光が入射する面の法線方向と入射する光の方向とがなす面と、入射する光の偏光軸の方向とが、0°もしくは90°の関係が保たれる。
このため、入射する光の偏光軸が、互いに直交する2成分に分かれることがなく、偏光軸の回転が生じない。したがって、光照射面における偏光軸のばらつきを防ぐことができる。
【0011】
これを図4(a)(b)により説明する。図4(a)は、球面の凸レンズに偏光光が入射している場合、図4(b)は、シリンドリカルレンズに偏光光が入射している場合を示す。なお、ここでは、入射する偏光光の偏光方向は同図のY方向であるとする。
球面の凸レンズであっても、図4(a)のハッチングの部分は、入射角度がほぼXまたはYの1方向のみの変化なので、偏光軸はほとんど回転しない。しかし、それ以外の部分、特に四隅の部分はX,Y両方向に変化するので、偏光軸が回転する。
一方、シリンドリカルレンズの場合、いずれの部分でも、図4(b)に示すように入射角度はXまたはYの1方向のみの変化となり、偏光軸は回転しない。
ここで、シリンドリカルレンズを、2組の直交する方向に配列すると、凸レンズと同じ働きをすることは良く知られている。
したがって、従来用いてきた凸レンズの代わりに、2組のシリンドリカルレンズ群を用いることにより、偏光軸の回転を防ぐインテグレータ4の光入射側のレンズ群41を形成することができる。
なお、インテグレータレンズ4の光出射側のレンズ群42については、光照射面で偏光方向のずれが相殺され偏光軸のばらつきに影響を与えないので、シリンドリカルレンズとする必要はない。
【0012】
次にシリンドリカルレンズの向きについて検討した。
図5は、インテグレータレンズ4の光入射側のレンズ群41の第1のシリンドリカルレンズ・アレイ、第2のシリンドリカルレンズ・アレイの凸の向きを変えて、偏光軸のばらつきを調べた実験結果を示す図である。
インテグレータレンズ4の光入射側のレンズ群41は、複数のシリンドリカルレンズを配列させた第1シリンドリカルレンズ・アレイ41aと、第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41aの光出射側に近接して配置され、第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41aのシリンドリカルレンズの配列方向と直交する方向に複数のシリンドリカルレンズが配列された第2のシリンドリカルレンズ・アレイ41bとからなる。
インテグレータレンズ4の光出射側のレンズは、従来と同じ球面形状の凸レンズ群を使用している。
図5において、ランプ1と集光鏡2から構成される光源10からのからの光は、4. 42°の集光角で、インテグレータレンズ4の光入射側の第1のレンズ群41に入射し、第1のレンズ群41を出射した光が第2のレンズ群42に入射する。第2のレンズ群42から出射した光は、インテグレータレンズ4の光出射側のレンズ42、アウトプットレンズ12を介して、光照射面11に照射される。アウトプットレンズ12は、インテグレータレンズ4から出射された光を照射面に集める働きをする。なお、アウトプットレンズ12は不要な場合もあるが、本実施例においては、要求される照射の条件によって必要であったので、追加した。
【0013】
図5(a)(b)(c)(d)は、第1のレンズ群および第2のレンズ群のシリンドリカルレンズの凸の向きを変えて組み合わせた場合の、光照射面11における偏光軸のばらつきを示したものである。
同図(a)は、第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41aが光入射方向に凸で、第2のシリンドリカルレンズ・アレイ41bが光出射方向に凸の場合を示し、同図(b)は、第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41a、第2のシリンドリカルレンズ・アレイ42bともに光出射方向に凸の場合を示す。
また、同図(c)は、第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41aが光出射方向に凸で、第2のシリンドリカルレンズ・アレイ41bが光入射方向に凸の場合を示し、同図(d)は、第1のシリンドリカルレンズ・アレイ41a、第2のシリンドリカルレンズ・アレイ41bともに光入射方向に凸の場合を示す。
前記したように、インテグレータ4の光入射側レンズ41が、従来の球面状の凸レンズである場合の、偏光軸のばらつきは±0.5°であった。
これに対し、インテグレータレンズ4の入射側のレンズ群41をシリンドリカルレンズの組み合わせにすることで、図5に示すように光照射面での偏光軸のばらつきを、±0.26°〜0.17°と小さくすることができた。
【0014】
ここで、第2のシリンドリカルレンズ・アレイ41bが光入射方向に凸である図5(c)(d)の場合の方が、偏光軸のばらつきが±0.17°と、光出射方向に凸である図5(a)(b)の場合の±0.2°に比べて小さく、良好な結果になった。
これは、次のように説明できる。
偏光軸の回転は、上記したようにレンズ表面が曲面であるため、入射角度が場所により異なることが原因で生じる。入射角度の違いが大きいと、偏光軸のばらつきも大きくなる。
第1のシリンドリカルレンズAから出射した光は、広がりながら第2のシリンドリカルレンズBに入射する。ここで、図6(a)に示すように、第2のシリンドリカルレンズBの凸方向が、光入射側(第1のシリンドリカルレンズA)に向いている場合のほうが、図6(b)に示すように光出射側に向いている場合に比べて、第1のシリンドリカルレンズAの出射面から、第2のシリンドリカルレンズBの曲面までの距離が近くなる。
したがって、図6(a)のほうが、第1のシリンドリカルレンズAから出射した光の広がりの幅が狭い状態で、第2のシリンドリカルレンズBの曲面に光が入射する。その結果、レンズ曲面に入射する光の角度の違いが小さくなる。
このため、第2のシリンドリカルレンズBから出射する偏光光の偏光軸の回転が小さくなり、光照射面での偏光軸のばらつきも小さくなると考えられる。
【0015】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、光配向用偏光光照射装置に使用される、インテグレータレンズの入射側のレンズを、第1、第2のシリンドリカルレンズ・アレイで構成し、第1、第2のシリンドリカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズの配列方向を互いに直交させ、第2のシリンドリカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズを、第1のシリンドリカルレンズ・アレイに向かって凸になるように配置したので、光照射面での偏光軸のばらつきを小さくすることができる。このため、光配向膜の配向方向を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の光配向用偏光光照射装置の構成を示す図である。
【図2】従来のインテグレータレンズと、本発明で使用されるインテグレータレンズを示す図である。
【図3】球面形状のレンズを使用した場合とシリンドリカルレンズを使用した場合におけるレンズ面への光の入射角度を示す図である。
【図4】球面形状のレンズを使用した場合とシリンドリカルレンズを使用した場合における偏光軸の回転を説明する図である。
【図5】第1、第2のシリンドリカルレンズ・アレイの凸の向きを変えて、偏光軸のばらつきを調べた実験結果を示す図である。
【図6】第2のシリンドリカルレンズ・アレイを光入射方向に凸とした場合に偏光軸のばらつきが小さくなる理由を説明する図である。
【図7】従来の光配向用偏光光照射装置の構成を示す図である。
【図8】光照射面における偏光軸の面内ばらつきのイメージを示す図である。
【符号の説明】
1 ランプ
2 集光鏡
3 第1の平面鏡
4 インテグレータレンズ
41 光入射側レンズ群
41a 第1のシリンドリカルレンズ・アレイ
41b 第2のシリンドリカルレンズ・アレイ
42 光出射側レンズ群
5 インプットレンズ
6 偏光素子
7 シャッタ
8 第2の平面鏡
9 コリメータレンズ
10 光源
11 光照射面
12 アウトプットレンズ
WS ワークステージ
W ワーク
Claims (1)
- 偏光素子により偏光した光を、光入射側のレンズ群と、光出射側のレンズ群とを離間して配置したインテグレータレンズに入射し、照度分布を均一にして照射する光配向用偏光光照射装置において、
上記インテグレータレンズの光入射側のレンズ群は、複数のシリンドリカルレンズを配列させた第1のシリンドリカルレンズ・アレイと、
上記第1のシリンドリカルレンズ・アレイの光出射側に近接して配置され、第1のシリンドリカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズの配列方向と直交する方向に複数のシリンドリカルレンズが配列された第2のシリンドリカルレンズ・アレイとからなり、
上記第2のシリンドリカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズは、第1のシリンドリカルレンズ・アレイに向かって凸になるように配置されている
ことを特徴とする光配向用偏光光照射装置。
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