WO2000073824A1 - Diviseur de faisceau lumineux polarise et iiluminateur a lumiere polarisee le contenant - Google Patents

Description

明 細 書

偏光ビームスプリ ッタおよびそれを用いた偏光光照射装置 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 素子を用いた偏光光照射装置に関する。 技術背景

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力ラーフ 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。 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 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、 2 0 0 n m〜 3 4 0 n m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。 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 イ ルムは 2 0 0 n m〜 3 4 0 n m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 1 0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 _c 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 1 0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 1 0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、 熟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。 偏光ビ一ムスプリ 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 2 0 0 n m〜 3 4 0 n mの波長の紫外光によつて配向するものが多く、 上記偏光ビ —ムスプリ ッ タ 1 0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 2 0 0 n m〜 3 4 0 n mの波長の紫外光が入射する ことになる。 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、 2 0 0 n m〜 3 4 0 n m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、 2 0 0 n m〜 3 4 0 n m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。 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。 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、 2 0 0 n m〜 3 4 0 n mの波長の光によっても透過率が経時劣化しない 偏光ビ一ムスプリ 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 て用いた偏光光照射装置を提供することである。 発明の開示

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 合する。 （2 ) 上記 （ 1 ) において、 上記液体の導入口、 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。

( 3 ) 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偏光光照射 装置において、 接合面に無機誘電体多層膜を形成し、 液体を介して 2つ以上 のプリズムを接合した偏光ビームスプリ ッタから構成される偏光素子を露光 光の光路中に設け、 上記偏光ビームスプリ 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。 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 2 0 0 n m〜 3 4 0 n m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 光ビ一ムスプリ 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、 フッ素を含有する液状化合物等を使用することができる。 本発明の請求項 2の発明においては、 上記 （ 1 ) において、 上記液体の導 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 3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偏光光照射装置において、 接合面に無機誘電体多層膜 を形成し、 液体を介して 2つ以上のプリズムを接合した偏光ビームスプリ ッ タから構成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。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明の第 1 の実施例の偏光ビ一ムスプリ ッ夕の構成を示す図で ある。

図 2は、 第 1 の実施例の変形例を示す図である。

図 3は、 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は、 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は、 本発明の偏光ビームスプリ ッタを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は、 第 4の実施例の変形例を示す図である。

図 7は、 従来の偏光ビームスプリ ッタの構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

図 1 は本発明の第 1 の実施例の偏光ビームスプリ ッ夕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 1 0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

L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 0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、 プリズム材料の屈折率とほぼ同一の屈折率を持ち、 波長 2 0 0 n m〜3 4 0 n mの光を透過し、 かつ透過率が経時劣化しない液体 L 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 Lは、 例えば純水 （屈折率 = 1 . 3 )、 フッ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 . 2 9 ) 等を用いること ができる。

液体 L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 1 0を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土 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。 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 L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 L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 L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。 図 1 の偏光ビームスプリ ッタ 1 0において、 同図 （b ) に示すようにフ レ —ム 3に上記液体 Lの入口 7 a と出口 7 bとを設け、 直角プリズム 1 を収納 した容器内を液体 L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 ツ夕が加熱されるが、 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 ぎる。

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。 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 L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。 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 ッ夕が必要となるが、 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— 1 9 2 0 8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 L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 ツ ド 8が配置されている。 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 L が充填されるように配置されている。 フ レーム 3 と窓 4の間は〇リ 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 2 0 0 n m〜3 4 0 n mの光を 透過し、 かつ透過率が経時劣化しない液体 Lを充填する。 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 ツ 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 リズムロツ ド 8同士は間隙に液体 L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 2 0 0 n m〜3 4 0 n mの光を透過し、 かつ透過率が経時劣化しない液 体 L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 1 0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一ムスプリ ッタ 1 0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 1 0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 Lの入口 7 aと出口 7 b とを設け、 直角プリズム 1 を収納した容器内を液体 L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。 次に、 本発明の偏光ビームスプリ ッタを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一ムスプリ ッタ （以下偏光素子 という）を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、 1 1 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 1 1 が放出する紫外光を含 む光は楕円集光鏡 1 2で集光され、 第 1平面鏡 1 3で反射し、 シャ ツタ 1 4 が開のとき、 シャ ツタ 1 4を介してイ ンテグレータ 1 5に入射する。 イ ンテグレータ 1 5から出射する光は、 第 2平面鏡 1 6で反射しコ リメ一 タ レンズ 1 7で平行光にされ前記第 2の実施例に示した偏光素子 2 0に入射 する。

偏光素子 2 0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。 一方、 ワークステージ W S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とァライメ ン ト顕微鏡 1 8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 ツ タ 1 4を閉じた状態で、 予めァライ メ ン ト顕微鏡 1 8によりマスク M 上に記されたマスクァライメン トマーク （不図示） と、 ワーク W上に記され たワークァライメ 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 1 4を開く と、 偏光素子 2 0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、 ァライメ ン ト顕微鏡 1 8は不要であり、 偏光素子 2 0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。 図 5においては、 偏光素子 2 0がコ リメータ レンズ 1 7とワーク Wの間に 配置されているが、 偏光素子 2 0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 E置してもよい。 イ ンテグレ一タ 1 5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 ンテグレー夕 1 5近傍に偏光素子 2 0を配置する場合には、 偏光 素子 2 0の入射側にレンズを設けて、 平行光が偏光素子 2 0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。 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ッ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 2 0 0 n m〜 3 4 0 n m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 ッ夕の過熱を防ぐことができるとともに、 汚れ、 純水であれば力ビの発生、 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。 産業上の利用分野

本発明の偏光光照射装置は、 液晶を特定の方向に配向させる配向膜の形成 に利用できる。

Claims

請 求 の 範 囲

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 ムを接合したことを特徴とする偏光ビームスプリ ッタ。

2 . 偏光ビームスプリ ッタに上記液体の導入口、 排出口を設け、

偏光ビームスプリ ツ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 ツタ。

3 . 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偏光光照射 装置であって、

接合面に無機誘電体多層膜を形成し、 液体を介して 2つ以上のプリズムを 接合した偏光ビームスプリ ッ夕から構成される偏光素子を露光光の光路中に 設け、

上記偏光ビームスプリ 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偏光光照射装置。