JP2001059963A

JP2001059963A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JP2001059963A
Application number: JP2000222721A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kurematsu; 榑松　　克巳
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-01-01
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】光透過率を向上することのできる液晶表示素
子を実現すること。【解決手段】液晶層の光入射側にガラス若しくは樹脂
の層を介して第１のレンズアレイを有し、前記液晶層の
光出射側に第２のレンズアレイを有する液晶表示素子で
あって、前記第１のレンズアレイの焦点位置又はその近
傍に前記液晶層があり、前記第２のレンズアレイの焦点
位置又はその近傍に前記液晶層があり、前記第１のレン
ズアレイの焦点距離をｆ、前記ガラス若しくは樹脂の屈
折率をｎ、前記液晶層の画素の幅をＷ，前記第１のレン
ズアレイに入射する光の広がり角をθとする時、２ｎ・
ｆ・ｔａｎθ≦Ｗを満たすことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一対の基板で液晶層を狭
持した液晶表示素子に関し、特にマイクロレンズアレイ
を利用して光透過率を向上させた液晶表示素子に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の液晶表示素子について
は、特開昭５７−１５７２１５、特開昭６０−２６２１
３１、特開昭６２−９４８２６等に記載されたものがあ
る。これらのいずれにおいても、液晶層の各画素の配列
に対応するマイクロレンズアレイが形成されたシートを
ガラス基板上に貼付するという構成が取られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例ではガラス
基板の表面にマイクロレンズアレイを設けていたため、
以下に記すような問題点があった。

【０００４】（１）マイクロレンズアレイの付いた側を
外側に形成した場合図９に示す従来例は、液晶層９０４をガラス基板９０１
とＴＦＴ基板９０３によって挟んだものである。ＴＦＴ
基板９０３の液晶層９０４側の面には有効画素部となる
画素電極９０６とＴＦＴ（配線部分を含む）９０７とが
交互に形成され、ガラス基板９０１の液晶層９０４側の
面には対向電極９０５が形成されている。ガラス基板９
０１の外側表面に取り付けられたマイクロレンズアレイ
９０２は、その焦点距離がガラス基板９０１の厚さｄ
（１．１ｍｍが一般的）となるように形成され、また、
照明光Ａ，Ｂが画素電極９０６の部分に集光するように
配置されている。これにより、液晶表示素子の透過率が
向上される。

【０００５】しかしながら、照明光には光軸に対して広
がり角θを有するものが存在する。このものにおいては
画素サイズが小さく（特に１００μｍ以下）なると、図
中ｂ ¹，ｂ²で示すような主光線Ｂからずれた斜入射光束
は所定の有効画素部である画素電極９０６から外れてし
まう。この現象は画素サイズがガラス基板９０１の厚さ
ｄに比べて小さくなればなる程顕著になり、それに応じ
てマイクロレンズアレイ９０２を設けたことによる透過
率の向上作用も減少してしまう。

【０００６】（２）マイクロレンズアレイの付いた側を
液晶層側に構成した場合図１０に示す従来例では、マイクロレンズアレイ９０２
が液晶層９０４側に設けられている。

【０００７】液晶層９０４の厚みｔは通常７〜１０μｍ
と非常に薄いため、図１０に示される画素内の周辺部を
照明する光線Ａ，Ｂに特に注目すると、光線Ａ，Ｂは現
在製造可能な最もパワーの大きなマイクロレンズをもっ
てしてもほとんど集束されず、有効画素部から外れてし
まう。したがって、マイクロレンズアレイ９０２を設け
たことによる透過率向上効果がうまく発揮されない。

【０００８】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、光透過率を向
上することのできる液晶表示素子を実現することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、液晶層の光入射側にガラス若しくは樹脂の層を介し
て第１のレンズアレイを有し、前記液晶層の光出射側に
第２のレンズアレイを有する液晶表示素子であって、前
記第１のレンズアレイの焦点位置又はその近傍に前記液
晶層があり、前記第２のレンズアレイの焦点位置又はそ
の近傍に前記液晶層があり、前記第１のレンズアレイの
焦点距離をｆ、前記ガラス若しくは樹脂の屈折率をｎ、
前記液晶層の画素の幅をＷ，前記第１のレンズアレイに
入射する光の広がり角をθとする時、２ｎ・ｆ・ｔａｎθ≦Ｗを満たすことを特徴とする。

【００１０】この場合、前記光入射側の透明基板の表面
に前記レンズアレイが形成してあることとしてもよく、
さらに、前記レンズアレイの各レンズは凸形状のレンズ
であるとしてもよい。

【００１１】また、前記光入射側の透明基板の内部に前
記レンズアレイが形成してあることとしてもよい。

【００１２】また、前記レンズアレイの各レンズは屈折
率分布型レンズであるとしてもよい。

【００１３】また、前記光出射側の透明基板の表面に前
記レンズアレイが形成してあることとしてもよい。

【００１４】また、前記光出射側の透明基板の内部に前
記レンズアレイが形成してあることとしてもよい。

【００１５】本発明の他の形態による液晶表示素子は、
液晶層の光入射側にレンズアレイを有する液晶表示素子
であって、前記レンズアレイの焦点位置又はその近傍に
前記液晶層があり、前記レンズアレイの焦点距離をｆ、
前記レンズアレイと前記液晶層の間の層の屈折率をｎ、
前記液晶層の画素の幅をＷ，前記第１のレンズアレイに
入射する光の広がり角をθとする時、２ｎ・ｆ・ｔａｎθ≦Ｗを満たすことを特徴とする。

【００１６】上記の前記レンズアレイがイオン交換法に
よって形成されていることとしてもよい。

【００１７】また、前記レンズアレイがフライアイレン
ズ又はシリンドリカルレンズアレイより成ることとして
もよい。

【００１８】本発明プロジェクターは、上記のいずれか
に記載の液晶表示素子を有することを特徴とする。

【００１９】「作用」光入射側の基板の内部に液晶層の
画素の配列に対応したレンズアレイが形成され、レンズ
アレイと液晶層との距離が近くなるので、レンズアレイ
を通り、画素以外の部分に照射される光が少なくなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。

【００２１】図１は本発の液晶表示素子の第１の実施例
の構成を示す断面図である。

【００２２】本実施例は、液晶層１０４をガラス基板１
０１とＴＦＴ基板１０３によって挟んだものである。図
中のＴＦＴ基板１０３、液晶層１０４、対向電極１０
５、５０μｍの間隔で設けられた画素電極１０６および
ＴＦＴ１０７は、図９に示したＴＦＴ基板９０３、液晶
層９０４、対向電極９０５、画素電極９０６およびＴＦ
Ｔ９０７と同様のものであるため説明は省略する。

【００２３】本実施例のガラス基板１０１には、画素電
極１０６の配列に対応する屈折率分布型の埋込み型レン
ズアレイ１０８が内部に設けられている。

【００２４】埋込み型レンズアレイ１０８の形成は以下
の各工程により行なった。

【００２５】上下面研磨したＫＦ−３（Ｎａ²Ｏ¹²重
量％含有、ｎｄ＝１．５１、ｖｄ＝５４．７）の１．１
mm厚ガラス基板にスパッタ又は蒸着法にて両面に１〜２
μｍ厚のＴｉ膜を形成する。

【００２６】フォトリソ法により片面側のレンズ形成
位置（５０μｍピッチ）に対応した開口部を設ける（マ
スク形成）。

【００２７】Ｔｌ²ＳＯ⁴：ＺｎＳＯ⁴：Ｋ²ＳＯ⁴＝４
０：４０：２０（mol％）の溶融塩中（５２０℃）でイ
オン交換を所定時間行なう（直径５０μｍレンズ形
成）。

【００２８】溶融塩中よりガラス基板を取り出し、徐
冷後、温湯により洗浄する。

【００２９】エッチング又は研磨によりＴｉ膜（マス
ク）を除去する。

【００３０】Ｔｌを含まないＮａ²ＳＯ⁴：Ｋ²ＳＯ⁴：
ＺｎＳＯ⁴＝２５：２５：５０（mol％）の溶融塩（５２
０℃）中で再び所定時間イオン交換する（レンズ埋め込
み）。

【００３１】洗浄（に同じ）。

【００３２】ここで、工程のプロセスにより行なわれ
るレンズアレイの埋め込みについては、その埋め込み深
さが各レンズの焦点距離に等しくなるようにそのイオン
交換時間を設定している。また、各レンズの大きさおよ
び配置は、液晶層１０４中の各画素電極１０６に対応し
ている。

【００３３】以上のようにして内部に埋込み型レンズア
レイ１０８が形成されたガラス基板１０１は図１に示す
ように液晶表示素子の対向基板として用いられ、ＴＦＴ
基板１０３上の各画素電極１０６の中心位置に埋込み型
レンズアレイ１０８を構成する各レンズの中心が対応す
るように位置合わせされて液晶セル化が行なわれる。

【００３４】また、埋込み型レンズアレイ１０８とガラ
ス基板１０１との屈折率差Δｎは、上記の製法によれば
おおよそ０．１とすることができる。画素電極１０６の
配列から画素ピッチは５０μｍであり、これにより埋込
み型レンズアレイ１０８の口径も５０μｍに設定されて
いる。このような条件から本実施例においては埋込み型
レンズアレイ１０８については、焦点距離やその埋め込
み深さを２００μｍに設定している。

【００３５】以上のように構成された液晶表示素子に照
明光を当てると、図１中の光線Ａ，Ｂで示されるよう
に、照明光の主光線は画素電極１０６及びその上の液晶
層（有効画素部）１０４に集光してここを通過する。ま
た、光線ｂ¹・ｂ²で示されるような斜入射光線について
も、埋込み型レンズアレイ１０８の位置が液晶層１０４
に近いため（２００μｍ）、主光線からのずれ角（広が
り角θ）に対する液晶層１０４の面上のずれ量（広がり
量）は比較的小さく抑えられ、ずれ角（広がりθ）の大
きな斜入射光線までも有効画素部を透過する。

【００３６】したがって本実施例によれば、従来のもの
に比べて、総じてより一層光透過率が向上する。

【００３７】なお、埋込み型レンズアレイ１０８をガラ
ス基板１０１の替わりにＴＦＴ基板１０３内に形成して
もよく、この場合においても本実施例と全く同様の作用
・効果が得られる（但し照明光入射方向は逆とする必要
がある）。このとき、埋込み型レンズアレイ１０８の焦
点距離を液晶層１０４の厚さである７〜８μｍ分短くな
るようにイオン交換時間を調整してもよい。

【００３８】図２は本発明の第２の実施例の構成を示す
断面図である。

【００３９】本実施例は図１に示した第１の実施例のＴ
ＦＴ基板１０３を埋込み型レンズアレイ２０２が内部に
形成されてＴＦＴ基板２０１としたものである。この他
の構成は図１に示した第１の実施例と同様であるため、
図１と同じ番号を付して説明は省略する。

【００４０】ＴＦＴ基板内に形成される埋込み型レンズ
アレイ２０２はガラス基板１０１内に形成された埋込み
型レンズアレイ１０８と同様のものである。これら両基
板内の各埋込み型レンズアレイ１０８，２０２のそれぞ
れは液晶層１０４を中心として対称型となり、かつ、各
レンズの中心と有効画素部の中心とが対応するように位
置合わせされて配置されている。

【００４１】照明光は埋込み型レンズアレイ１０８で有
効画素部に集光され、その後マイクロレンズ２０２によ
りテレセントリック化されて出射される。

【００４２】したがって、本実施例は第１の実施例と同
様の透過率向上効果を有すると共に、出射光が広がりの
少ないテレセントリックな出射光（少なくとも照明光と
同じレベル）に補正され、拡大投映（プロジェクショ
ン）等の用途に適合したものとなる。

【００４３】図３は本発明の第３の実施例の構成を示す
断面図である。

【００４４】本実施例は図１に示した第１の実施例中の
ガラス基板１０１を、内部に埋込み型レンズアレイ３０
２が形成され、液晶層１０４側の面にレンズアレイ３０
３が形成されたガラス基板３０１とし、対向電極３０４
を設けたものである。この他の構成は図１に示した第１
の実施例と同様であるため、図１と同じ番号を付して説
明は省略する。

【００４５】ガラス基板３０１内に埋込み型レンズアレ
イを形成させることは第１の実施例と同様にして行っ
た。また、その液晶層１０４側の表面に設けられるレン
ズアレイ３０３は、第１の実施例中の工程〜を行う
ことにより形成させた。

【００４６】このレンズアレイ３０３は工程のイオン
交換時間をより少なく設定することにより、より小型で
パワーの大きなものを形成している。本実施例における
各レンズアレイのパワーはほぼ同じとなるように形成さ
れ、さらに、このレンズアレイ３０３を構成する各マイ
クロレンズは、全て有効画素部に対応するように位置合
わせされている。また埋込み型レンズアレイ３０２の埋
込み深さは、前記の工程のイオン交換時間をより長く
設定することにより、埋込み型レンズアレイ３０２を構
成する各レンズの焦点距離よりも深くしている。

【００４７】本実施例において、照明光は埋込み型レン
ズアレイ３０２により一旦集束した後に広がり、レンズ
アレイ３０３に入射する。これにより出射光束はテレセ
ントリック化されるとともに、各レンズアレイの配置関
係から幅が狭められる。そしてこの光束が有効画素部を
透過する。

【００４８】したがって、本実施例によれば第２の実施
例と同様の効果を得ることができ、同様の用途にマッチ
したものとなる。

【００４９】図４は本発明の第４の実施例の構成を示す
断面図である。

【００５０】本実施例は図１に示した第１の実施例中の
ガラス基板１０１を、液晶層１０４側の表面にレンズア
レイ４０２が形成されたガラス基板４０２とし、さらに
透明ガラスシート４０３および対向電極４０４を設けた
ものである。この他の構成は図１に示した第１の実施例
と同様であるため、図１と同じ番号を付して説明は省略
する。

【００５１】本実施例においては、ガラス基板の表面に
上記の各工程〜によりレンズアレイ４０２を形成
し、続いて、レンズアレイ４０２の焦点距離に相当する
厚さの透明ガラスシート（ポリマーシート等でも可）を
貼付し、さらに対向電極４０４を形成している。このよ
うに構成されたものとＴＦＴ基板１０３とを対向させて
液晶層１０４を挟ませて液晶表示素子としている。レン
ズアレイ４０２を構成する各レンズは、有効画素部に対
応するように位置合わせされている。

【００５２】照明光はレンズアレイ４０２により有効画
素部に集光されてこの部分を透過するため、第１の実施
例と全く同様の作用・効果を有する。本実施例において
は工程を省略することができるため製造を簡略化する
ことができた。

【００５３】なお、レンズアレイの形成及び透明ガラス
シートの貼付をＴＦＴ基板側に同様に行っても同様の作
用・効果が得られる。

【００５４】図５は本発明の第５の実施例の構成を示す
断面図である。

【００５５】本実施例は、ＴＦＴ基板５０３上に図４に
示した第４の実施例と全く同様の方法にて、レンズアレ
イ５０２の形成と透明ガラスシート５０１の貼付を行っ
たものである。この他の構成は図４に示した第４の実施
例と同様であるため、図４と同じ番号を付して説明は省
略する。

【００５６】本実施例においては、対向配置されるガラ
ス基板４０１とＴＦＴ基板５０３のそれぞれが図２に示
した第２の実施例と同様に液晶層１０４に対して対称型
となる構成が取られている。

【００５７】このため、本実施例は、第２の実施例と同
様の作用・効果が得られるとともに、同様の用途にマッ
チするものとなる。

【００５８】また、ＴＦＴ基板内にイオン交換によって
埋込み型レンズアレイを形成すると、ＴＦＴとしての素
子特性が悪くなることがあるが、本実施例においては、
レンズアレイとＴＦＴとの間に透明ガラスシートが設け
られるためにこのことを防ぐことができる。また、この
効果は透明ガラスシートとしてイオンを含まない無アル
カリガラスを用いることにより、さらに向上することが
できる。

【００５９】図６は本発明の第６の実施例の構成をを示
す断面図である。

【００６０】本実施例は図１に示した第１の実施例中の
ガラス基板１０１を、液晶層１０４側の表面に特公昭６
０−５９７５２に開示されている製法による樹脂マイク
ロレンズアレイ６０２を形成し、これをより屈折率の低
い樹脂層６０３で埋めて平坦化し、さらに対向電極６０
４を設けてガラス基板６０１としたものである。この他
の構成は図１に示した第１の実施例と同様であるため、
図１と同じ番号を付して説明は省略する。

【００６１】本実施例における樹脂層５０３の厚さは樹
脂マイクロレンズアレイ６０２の焦点距離に等しく設定
されているため、作用・効果は図４に示した第４の実施
例と全く同様となる。

【００６２】次に、本発明の各構成部材の好ましい配置
について図４に示した第４の実施例を代表として説明す
る。

【００６３】図７は、図４に示した第４の実施例の部分
拡大図である。

【００６４】レンズアレイ４０２と液晶層１０４との距
離をＬ、液晶層１０４に形成される有効画素の幅をＷ、
入射光の広がり角度をθとすると、各素子を２Ｌ・ｔａｎθ≦Ｗの関係を満たすように配置することにより液晶表示素子
に入射する広がりを持った光を効率よく有効画素に入射
させることができる。

【００６５】このとき、レンズアレイ４０２と液晶層１
０４との間の透明ガラスシート４０３（実施例１でのガ
ラス基板１０１にあたるもの）の媒質の屈折率をｎと
し、レンズアレイ４０２の焦点距離をｆとすると、Ｌ≒ｎ・ｆとなる。

【００６６】以上述べた各実施例に示される液晶表示素
子は、図８（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ示されるようなプ
ロジェクターに応用することができる。

【００６７】図８（Ａ）は透過型プロジジェクターの構
成を示す図である。

【００６８】ランプ、リフレクター、コンデンサーレン
ズ等を備えた照明系８０１の出射光束は、本発明による
透過型液晶表示パネル８０２および投影レンズ系８０３
を順に通ってスクリーン８０４に投影される。

【００６９】図８（Ｂ）は反射型プロジジェクターの構
成を示す図である。

【００７０】照明系８０５の出射光束は、ビームスプリ
ッタ８０６によって折り返されて本発明による反射型液
晶表示パネル８０７に入射して反射される、この後ビー
ムスプリッタ８０６および投影レンズ系８０３を順に通
ってスクリーン８０９に投影される。

【００７１】これらのいずれにおいても本発明の特徴と
する光透過率が向上したものとなっているので極めて鮮
明な画像とすることができた。

【００７２】

【発明の効果】本発明は以上説明したように、照明光の
光透過率をより一層向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図２】本発明の第２の実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図３】本発明の第３の実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図４】本発明の第４の実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図５】本発明の第５の実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図６】本発明の第６の実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図７】本発明の好ましい配置を説明するための図であ
る。

【図８】本発明を用いたプロジェクターの構成を示す図
であり、（Ａ）は透過型プロジジェクターの構成を示す
図、（Ｂ）は反射型プロジジェクターの構成を示す図で
ある。

【図９】従来例の構成を示す断面図である。

【図１０】従来例の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１０１，３０１，４０１，６０１ガラス基板１０３，２０１，５０３ＴＦＴ基板１０４液晶層１０５，３０４，４０４，６０４対向電極６０２樹脂マイクロレンズアレイ６０３樹脂層８０１，８０７照明系８０２透過型液晶表示パネル８０３，８０８投影レンズ系８０４，８０９スクリーン８０６ビームスプリッタ８０７反射型液晶表示パネル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶層の光入射側にガラス若しくは樹脂
の層を介して第１のレンズアレイを有し、前記液晶層の
光出射側に第２のレンズアレイを有する液晶表示素子で
あって、前記第１のレンズアレイの焦点位置又はその近傍に前記
液晶層があり、前記第２のレンズアレイの焦点位置又はその近傍に前記
液晶層があり、前記第１のレンズアレイの焦点距離をｆ、前記ガラス若
しくは樹脂の屈折率をｎ、前記液晶層の画素の幅をＷ，
前記第１のレンズアレイに入射する光の広がり角をθと
する時、２ｎ・ｆ・ｔａｎθ≦Ｗを満たすことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】前記光入射側の透明基板の表面に前記レ
ンズアレイが形成してあることを特徴とする請求項１記
載の液晶表示素子。
【請求項３】前記レンズアレイの各レンズは凸形状の
レンズであることを特徴とする請求項２に記載の液晶表
示素子。
【請求項４】前記光入射側の透明基板の内部に前記レ
ンズアレイが形成してあることを特徴とする請求項１に
記載の液晶表示素子。
【請求項５】前記レンズアレイの各レンズは屈折率分
布型レンズであることを特徴とする請求項１に記載の液
晶表示素子。
【請求項６】前記光出射側の透明基板の表面に前記レ
ンズアレイが形成してあることを特徴とする請求項１に
記載の液晶表示素子。
【請求項７】前記光出射側の透明基板の内部に前記レ
ンズアレイが形成してあることを特徴とする請求項１に
記載の液晶表示素子。
【請求項８】液晶層の光入射側にレンズアレイを有す
る液晶表示素子であって、前記レンズアレイの焦点位置又はその近傍に前記液晶層
があり、前記レンズアレイの焦点距離をｆ、前記レンズアレイと
前記液晶層の間の層の屈折率をｎ、前記液晶層の画素の
幅をＷ，前記第１のレンズアレイに入射する光の広がり
角をθとする時、２ｎ・ｆ・ｔａｎθ≦Ｗを満たすことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項９】前記レンズアレイがイオン交換法によっ
て形成されていることを特徴とする請求項１または請求
項８に記載の液晶表示素子。
【請求項１０】前記レンズアレイがフライアイレンズ
又はシリンドリカルレンズアレイより成ることを特徴と
する請求項１または請求項８に記載の液晶表示素子。
【請求項１１】請求項１乃至請求項１０のいずれかに
記載の液晶表示素子を有することを特徴とするプロジェ
クター。