JP2004170628A - マイクロレンズ基板の作製方法およびマイクロレンズ露光光学系 - Google Patents
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Abstract
【課題】第１マイクロレンズアレイを利用して第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことで、光軸合わせを簡単化し、作製工程を簡略化することのできるマイクロレンズ基板の作製方法を提供する。
【解決手段】シリンドリカル形状をした第２マイクロレンズアレイ７のレンズ形状のパターニングを、第１マイクロレンズアレイ４に紫外光を照射することにより行う。位置が変えられる線光源から出射された光を、コリメートレンズ３７と第１マイクロレンズ４とによって、マイクロレンズ焦点面に結像し、その面に塗布により形成されたレジスト層２２を露光する。線光源の位置を変化させながら露光を行うことで、所望のシリンドリカル形状のレジストパターンを得ることができる。その後、エッチングを行って、中間ガラス層５にレジストパターンを形状転写し、凹部を高屈折率の紫外線硬化樹脂で埋める。
【選択図】 図５
【解決手段】シリンドリカル形状をした第２マイクロレンズアレイ７のレンズ形状のパターニングを、第１マイクロレンズアレイ４に紫外光を照射することにより行う。位置が変えられる線光源から出射された光を、コリメートレンズ３７と第１マイクロレンズ４とによって、マイクロレンズ焦点面に結像し、その面に塗布により形成されたレジスト層２２を露光する。線光源の位置を変化させながら露光を行うことで、所望のシリンドリカル形状のレジストパターンを得ることができる。その後、エッチングを行って、中間ガラス層５にレジストパターンを形状転写し、凹部を高屈折率の紫外線硬化樹脂で埋める。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロレンズ基板の作製方法およびマイクロレンズ露光光学系に関するものであり、さらに詳しくは、２層構造のマイクロレンズアレイを備えた投影型液晶表示装置用マイクロレンズ基板の作製方法、およびこの作製方法に用いられるマイクロレンズ露光光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投影型液晶表示装置は、投影型ブラウン管表示装置と比較すると、色再現範囲が広い、小型・軽量であるため持ち運びしやすい、地磁気に影響されないのでコンバージェンス調整が不要である、などの優れた特徴を持っており、大画面化も容易であることから、今後、家庭用映像表示装置の主流になると考えられる。
【０００３】
この投影型液晶表示装置に関連して、後に詳しく説明する特許文献１および特許文献２に示すものが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１８１４８７号公報
【特許文献２】
特開平９−９０３３６号公報
【０００５】
液晶表示素子を用いてカラー画像を表示する投影型液晶表示装置には、光の３原色に応じて液晶表示素子を３枚用いる３板式液晶表示装置と、液晶表示素子を１枚だけ用いる単板式液晶表示装置とがある。
【０００６】
前者の３板式液晶表示装置は、白色光をＲ、ＧおよびＢの３原色にそれぞれ分割する光学系と、各色光を制御して合成しカラー画像を形成する３枚の液晶表示素子とをそれぞれ独立に備えており、各色の画像を光学的に重畳してフルカラー表示を行うものである。
【０００７】
この３板式液晶表示装置の構成では、白色光源から放射される光を有効に利用することができ、かつ色の純度も高いという利点があるが、上記のように色分離系と色合成系とが必要であるため、光学系の構成が繁雑で部品点数の多いものになってしまい、低コスト化および小型化が困難である。
【０００８】
これに対して単板式液晶表示装置は、液晶表示素子を１枚のみ用いる構成であって、モザイク状、ストライプ状などの３原色カラーフィルタパターンを備えた液晶表示素子を投影光学系によって投影するものであり、使用する液晶表示素子が１枚ですみ、かつ光学系の構成も３板式に比べて単純になるので、低コストで小型の投影型システムに適している。
【０００９】
しかし、単板式液晶表示装置の場合には、カラーフィルタによる光の吸収または反射が起こるため、入射光の約１／３しか利用することができないという欠点がある。
【００１０】
このような欠点を解決するため、特許文献１において、図１１に示すような２層構成のマイクロレンズアレイを用いたカラーフィルタレスの単板式液晶表示装置が開示されている。
【００１１】
これは、扇形に配置された３つのダイクロイックミラー５４Ｇ・５４Ｒ・５４Ｂによって、白色光源５１からの白色光をＧ、ＲおよびＢの各色に分割し、液晶表示素子２０の光源側に配置されている２つのマイクロレンズアレイ４・７にそれぞれ異なった角度で入射させるものである。
【００１２】
白色光源５１からの光は、曲面ミラー５２、コリメートレンズ５３、ダイクロイックミラー５４Ｇ・５４Ｒ・５４Ｂを経て、液晶表示素子２０に導かれる。
【００１３】
そして、第１のマイクロレンズアレイ４を通過した各光束は、第２のマイクロレンズアレイ７により、ダイクロイックミラー５４Ｇ・５４Ｒ・５４Ｂで分割されたＧ、ＲおよびＢの主光線が互いにほぼ平行になるように屈折された後に、それぞれに対応した色信号が独立して印加される信号電極により駆動される液晶部位へ分配状に照射される。
【００１４】
液晶表示素子２０を通過した光は、フィールドレンズ５５および投影レンズ５６を経てスクリーン５７上に投影される。
【００１５】
この装置では、吸収型のカラーフィルタを用いないので、光の利用効率が向上するだけでなく、マイクロレンズアレイ４・７を通過した後の各色の主光線がほぼ平行になり、従って、投影レンズ５６に達するまでの各色の主光線の拡がりが小さく、投影レンズ５６でのケラレによる光量低下がなく、極めて明るい画像を提供することができる。
【００１６】
図１２（ａ）は、図１１に示す単板式液晶表示装置における画素、第１マイクロレンズ４および第２マイクロレンズ７の配置関係を示す平面図であり、図１２（ｂ）は、第２マイクロレンズ７のレンズ面の形状を示す斜視図である。
【００１７】
図示するように、これらの画素はＢ成分、Ｒ成分およびＧ成分にそれぞれ対応するように一定のピッチで配列されている。そして、Ｂ成分、Ｒ成分およびＧ成分に対応した３個の画素の組ごとに、第１マイクロレンズ４および第２マイクロレンズ７が対応している。
【００１８】
第１マイクロレンズ４は、その外形が破線で示すように六角形状であり、球面もしくは非球面の軸対称レンズである。一方、第２マイクロレンズ７は、その外形が実線で示すように矩形形状であり、Ｘ軸方向に集光機能を持つシリンドリカルレンズである。ブラックマトリクス８は、ハッチングで示すようにパターニングされており、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を分離する。
【００１９】
第１マイクロレンズ４を構成する各レンズの光軸と第２マイクロレンズ７を構成する各レンズの光軸とは互いに平行になっており、第１マイクロレンズ４および第２マイクロレンズ７における対向各レンズどうしの光軸は互いに一致するようになっている。
【００２０】
第１マイクロレンズ４は、あらかじめ所定の角度差を持って互いに分離した３原色の入射光束（Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分）を、対応する３画素の各組へ向けて集光する。一方、第２マイクロレンズ７は、互いに対応する第１マイクロレンズ４と３画素の組との間に介在し、第２マイクロレンズ７の光軸に対して傾斜した入射光束を該光軸に略平行な入射光束に変換する。
【００２１】
第２マイクロレンズ７は、図１２（ｂ）に示されるようなシリンドリカルレンズであるため、元々光軸に平行な第１入射光束（Ｒ成分）をそのまま直進させ、一方へ傾斜した第２入射光束（Ｂ成分）を平行化し、他方へ傾斜した第３入射光束（Ｇ成分）を平行化する。
【００２２】
このような２層構造のマイクロレンズアレイは、１枚のガラス基板の両面にそれぞれマイクロレンズアレイを接合して形成される。あるいは、特許文献２に開示されているように、第１マイクロレンズアレイおよび第２マイクロレンズアレイを別々に作製し、第１マイクロレンズアレイのレンズ形成面と第２マイクロレンズアレイの研磨面とを互いに接合させて作製される。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２層のマイクロレンズアレイを有する従来のマイクロレンズ基板では、上記のように、１枚のガラス基板の両面にそれぞれマイクロレンズアレイを接合して形成するか、あるいは２枚のマイクロレンズ基板どうしを貼り合わせて作製していたので、以下に述べるような理由から、光軸合わせが難しく、作製コストが高くつくという問題があった。
【００２４】
すなわち、２層のマイクロレンズを有するマイクロレンズ基板では、２枚のマイクロレンズアレイを光軸合わせするための工程が必要となり、レンズの光学特性を確保するためには、２枚のレンズアレイの縦方向、横方向および角度（回転方向）をすべて一致させなければならない。しかし、レンズパターンが微細であることから、この光軸合わせには±１μｍ程度の精度が要求されるため、２層構造のマイクロレンズ基板の作製は極めて困難なものになっていた。
【００２５】
また、２層のマイクロレンズアレイの間に中間層が入ることも、光軸合わせが困難になる要因の１つとなっていた。すなわち、２層のレンズパターンの間にギャップがあるため、２層の位置決め用アライメントマークの双方に同時にピントを合わせて観察することができなかった。各層ごとに別個のアライメントマーク観察系を組み、光軸合わせを行うことは可能であるが、その場合、アライメントマーク観察系の光軸合わせも厳密に行う必要があり、位置決め装置のコストアップの原因となっていた。
【００２６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、第１マイクロレンズアレイを利用して第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことで、光軸合わせを簡単化し、作製工程を簡略化することのできるマイクロレンズ基板の作製方法およびマイクロレンズ露光光学系を提供することを目的としている。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの観点によれば、透明基板上に、第１マイクロレンズアレイ、中間層および感光性樹脂層を順に形成する工程と、第１マイクロレンズアレイを介して感光性樹脂層を露光する工程と、この露光工程の後に第２マイクロレンズアレイを形成する工程とを含んでいるマイクロレンズ基板の作製方法であって、前記露光工程は、光強度が均一である光源の像を第１マイクロレンズアレイの焦点面に形成する工程と、第１マイクロレンズアレイの焦点位置によって露光時間を変化させて感光性樹脂層を露光する工程とからなることを特徴とするマイクロレンズ基板の作製方法が提供される。
【００２８】
本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法にあっては、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、また、各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【００２９】
本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法に用いられる、光強度が均一である前記光源としては例えば、線光源、あるいはサイズが可変の矩形状の面光源がある。
【００３０】
このような線光源、あるいはサイズが可変の矩形状の面光源によれば、感光性樹脂層での露光量を制御することが容易になる。
【００３１】
光強度が均一である前記光源が線光源であるときには、感光性樹脂層に線光源の像が形成され、感光性樹脂層は線状に露光される。ここで、感光性樹脂層の露光は、線光源の位置を変化させながら行うか、あるいは、線光源の位置を固定し、マイクロレンズ基板を傾斜させながら行うのが好ましい。このようにすれば、感光性樹脂層での露光量を容易に制御することができる。
【００３２】
光強度が均一である前記光源が、サイズが可変の矩形状の面光源であるときには、感光性樹脂層に面光源の像が形成され、感光性樹脂層は矩形状に露光される。ここで、感光性樹脂層の露光は、前記面光源のサイズを、矩形開口が形成された絞りの開口幅を変化させることにより変化させて行うのが好ましい。このようにすれば、感光性樹脂層での露光量を容易に制御することができる。
【００３３】
本発明の別の観点によれば、光強度が均一である線光源と、この線光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とするマイクロレンズ露光光学系が提供される。
【００３４】
このようなマイクロレンズ露光光学系にあっては、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【００３５】
本発明に係るマイクロレンズ露光光学系における前記線光源は、その位置が可変であるのが好ましい。このような線光源によれば、線光源の像の位置を容易に変化させることができる。
【００３６】
本発明に係るマイクロレンズ露光光学系における前記マイクロレンズ基板は、その法線と光線光軸とで形成される傾斜角が可変であるのが好ましい。このようなマイクロレンズ基板によれば、線光源の像の位置を容易に変化させることができる。
【００３７】
本発明に係るマイクロレンズ露光光学系は、前記線光源から出射された光の光路中に挿入された狭帯域フィルタをさらに備えているのが好ましい。このような狭帯域フィルタを備えている場合には、マイクロレンズの色収差によって線状光の像がぼけるというおそれがなくなるため、より精度の高い構造物を形成することができる。
【００３８】
本発明のさらに別の観点によれば、光強度が均一でサイズが可変である矩形状の面光源と、この面光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とするマイクロレンズ露光光学系が提供される。
【００３９】
このようなマイクロレンズ露光光学系にあっては、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【００４０】
本発明に係るマイクロレンズ露光光学系は、前記面光源から出射された光の光路中に挿入された狭帯域フィルタをさらに備えているのが好ましい。このような狭帯域フィルタを備えている場合には、マイクロレンズの色収差により面状光の像がぼけるというおそれがなくなるため、より精度の高い構造物を形成することができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。
【００４２】
第２マイクロレンズアレイのレンズパターンを形成するための感光性樹脂層としてのレジスト層を露光する方法の原理について、図１を用いて説明する。
【００４３】
本発明の投影型液晶表示装置では、光利用効率を向上させるために、第１マイクロレンズアレイ１０２はレンズの焦点がブラックマトリクスの面にほぼ位置するように設計されている。また、第１マイクロレンズアレイ１０２と第２マイクロレンズアレイ４７とはできるだけ距離をおいて配置され、第２マイクロレンズアレイ４７はブラックマトリクスの近傍に形成されている。
【００４４】
上記の作製工程においては、中間ガラス層貼り付け工程時の中間ガラス層１０４の上面は、第１マイクロレンズアレイ１０２の焦点面にほぼ一致するように位置している。この中間ガラス層１０４の上面に感光性樹脂層としてのレジスト層１０５を塗布により形成しておき、第１マイクロレンズアレイ１０２を通して紫外光平行光を照射させると、その平行光は第１マイクロレンズアレイ１０２によってレジスト層１０５で一点に集光され、この集光スポットによってレジスト層１０５が露光される。
【００４５】
ここで、透明基板１０１に対する紫外光平行光の入射角度をθｉ、第１マイクロレンズアレイ１０２の焦点距離をｆ、レンズ光軸と焦点面とが交わる位置から集光スポットまでの間隔をｒとすると、その間隔ｒは
ｒ＝ｆ×ｔａｎθｉ
で表される。
【００４６】
従って、紫外光平行光の入射角度θｉを変化させることで、集光スポットの位置を変えることができる。
【００４７】
例えば、図１において、入射角度がθｉである紫外光平行光光束４５を入射させると、３個のマイクロレンズ４６ａ・４６ｂ・４６ｃによって、光束４５はそれぞれ４７ａ・４７ｂ・４７ｃの地点に集光され、これらの地点におけるレジスト層１０５が露光される。
【００４８】
次に、入射角度をθｊに変えて平行光光束４８を入射させると、３個のマイクロレンズ４６ａ・４６ｂ・４６ｃによって、光束４８はそれぞれ、４９ａ・４９ｂ・４９ｃの地点に集光され、これらの地点におけるレジスト層１０５が露光される。
【００４９】
レジスト層１０５の材料にネガレジストを用いた場合、強く露光された地点ではレジスト層１０５が厚く残り、弱く露光された地点ではレジスト層１０５は薄くなる。従って、紫外光平行光光束の入射角度θｉ（θｊ）と露光時間（あるいは照射光強度）とを制御することで、所望の地点で所望の露光量の露光を行うことができ、この工程の繰り返しでレジスト層１０５に所望のパターンを露光することができる。
【００５０】
また、露光光として、第１マイクロレンズアレイ１０２全体を均一な光強度で照射することのできる紫外光平行光を用いると、その照射領域内において、第１マイクロレンズアレイ１０２におけるそれぞれのレンズ４６ａ・４６ｂ・４６ｃの直下で上記の露光が行われるため、形状の揃った第２マイクロレンズアレイを形成することができる。
【００５１】
次に、上記の露光工程を行うための露光光学系について、その構成を示す図２を参照しながら説明する。
【００５２】
図２において、５１は露光光の光源となる超高圧水銀ランプを示す。超高圧水銀ランプ５１から出射されたｉ線（波長３６５ｎｍ）の紫外光は、球面ミラー５２とコリメートレンズ５３とによって平行光に変換され、さらに強度補正フィルタ５４を介して、マイクロレンズ基板２０に導かれる。
【００５３】
強度補正フィルタ５４は、透過率分布を持たせたフィルタであり、透過後の光束が均一な光強度分布を持つように、その透過率分布が設計されている。従って、均一な光強度分布を持った紫外光平行光がマイクロレンズ基板２０を照射するようになる。
【００５４】
マイクロレンズ基板２０は２軸回転の回転ステージ（図示しない）に搭載されており、この回転ステージの回転角の制御によって、マイクロレンズ基板２０の法線と紫外光平行光光軸とで形成される傾斜角（傾き）を自在に変化させることができる。
【００５５】
この実施例では、紫外光平行光光軸を固定しておき、マイクロレンズ基板２０側をＸ軸およびＹ軸について回転させることにより、第１マイクロレンズアレイ１０２に対する紫外光平行光の入射角度を変化させ、その入射角度と、各入射角度における露光時間とを制御しながら露光を行うことで、レジスト層１０５に所望の３次元パターン形状を形成することができる。
【００５６】
なお、上記説明では、入射角度を変えることで焦点位置を変更するようにしたが、焦点位置の変更はこれに限られず、どのような方法によるものでもよい。
【００５７】
また、上記説明では、焦点位置によって露光時間を制御することで、所望の３次元パターン形状を得たが、露光時間を制御することなく露光強度を制御する方法もある。
【００５８】
しかしながら、超高圧水銀ランプのような光源では光強度の制御を行うことができず、外部に光変調器が必要となる。また光変調器を用いても、露光領域全域にわたって、正確に露光強度を制御することが難しく、所望の３次元形状が得られない。すなわち、所望の３次元形状を得るために露光強度を制御するよりも露光時間を制御する方が、形状特性がよく、制御が容易であり、装置構成も簡単である。
【００５９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００６０】
図３は、本発明の作製方法を用いて形成されるマイクロレンズ基板および液晶表示素子の構成を示す断面図である。
【００６１】
液晶表示素子２０は、マイクロレンズ基板１０とガラス基板１１とを有しており、マイクロレンズ基板１０とガラス基板１１との間に液晶層１３が封入されている。そして、光出射側に位置するガラス基板１１の内面には、液晶層１３を相変化させるための信号電極１２が形成されており、光入射側に位置するマイクロレンズ基板１０の内面には、信号電極１２と直交する走査電極（図示しない）が設けられている。信号電極１２および走査電極は、透明電極（ＩＴＯ）によって形成されている。
【００６２】
マイクロレンズ基板１０は、透明基板１上に２層のマイクロレンズアレイ４・７を形成することで構成されている。屈折率が異なる２つの透明樹脂層２・３の界面はレンズパターン形状に成形されており、この界面によって第１マイクロレンズアレイ４が形成されている。ここで、樹脂層３には、樹脂層２よりも屈折率の高いものが選ばれている。
【００６３】
樹脂層３の上には、第２マイクロレンズアレイ７が形成されている。すなわち、屈折率の相異なる中間ガラス層５と透明樹脂層６との界面がレンズパターン形状に刻まれており、この界面によって第２マイクロレンズアレイ７が形成されている。ここで、樹脂層６には、中間ガラス層５よりも屈折率の高いものが選ばれている。また、樹脂層６の上には、各色成分の画素を分離するブラックマトリクス８が形成されている。
【００６４】
このマイクロレンズ基板１０とガラス基板１１とをスペーサ層１４を介して貼り合わせ、両者の間に液晶層１３を封入することで、液晶表示素子２０が完成する。
【００６５】
本発明は、第１マイクロレンズアレイ４を利用して、第２マイクロレンズアレイ７のレンズ形状のパターニングを行うことで、２層構造のマイクロレンズアレイを形成するものである。
【００６６】
このマイクロレンズ基板１０の作製方法を図４（ａ）〜図４（ｆ）に基づいて説明する。図４（ａ）〜図４（ｆ）はマイクロレンズ基板１０の各作製工程における断面図である。
【００６７】
第１マイクロレンズアレイ４については、紫外線照射により硬化する紫外線硬化樹脂を用いた、いわゆる２Ｐ（Ｐｈｏｔｏ−Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）法により成形する。
【００６８】
まず、図４（ａ）に示すように、石英透明基板１の上に低屈折率紫外線硬化樹脂２を塗布し、その上にスタンパ２１を降下させる。スタンパ２１の下面には第１マイクロレンズパターンに合致する反転パターンが形成されている。
【００６９】
このスタンパ２１を石英透明基板１に充分に押し付けて、スタンパ２１と石英透明基板１との間に紫外線硬化樹脂２を押し広げ、そのままの状態に保持し、紫外線ランプなどによって、石英透明基板１を通して紫外線硬化樹脂２に紫外線を照射する。
【００７０】
紫外線が照射された紫外線硬化樹脂２は、硬化反応を起こして硬化するので、紫外線硬化樹脂２にスタンパ２１の反転パターンが転写成形される。紫外線硬化樹脂２の硬化後、スタンパ２１を上昇させて、紫外線硬化樹脂２とスタンパ２１とを分離する。
【００７１】
次に、図４（ｂ）に示すように、硬化した低屈折率紫外線硬化樹脂２の上に、高屈折率紫外線硬化樹脂３を塗布し、低屈折率紫外線硬化樹脂２の凹部を埋める。そして、高屈折率紫外線硬化樹脂３の上に、第１マイクロレンズアレイ４と第２マイクロレンズアレイ７との中間層になる石英薄板ガラス（中間ガラス層）５を貼り付ける。
【００７２】
中間ガラス層５を石英透明基板１に充分に押し付け、中間ガラス層５を通して紫外線を照射し、高屈折率紫外線硬化樹脂３を硬化させる。この樹脂３は中間ガラス層５の接着層の役割も果たす。その後、中間ガラス層５の厚みが所望の厚みよりも厚い場合は、研磨を行うことにより必要な厚みにまで削る。
【００７３】
次に、図４（ｃ）に示すように、中間ガラス層５の上に塗布により感光性樹脂層としてのネガレジスト層２２を形成する。このネガレジスト層２２に対して、第１マイクロレンズアレイ４を通して紫外線を照射し、その露光を行う。
【００７４】
マイクロレンズ基板１０は、第１マイクロレンズアレイ４の焦点位置がレジスト層２２の内部に来るように設計されている。
【００７５】
ここで、レジスト層２２はネガレジストであるため、強く露光された地点ではレジスト層２２が厚く残り、弱く露光された地点ではレジスト層２２が薄く残る。従って、各地点での露光量を制御することで、現像後の残膜量を制御することができ、レジストを用いて３次元的な構造物を形成することができる。この露光工程の詳細については後述する。
【００７６】
この露光工程の後に現像処理を行うと、図４（ｄ）に示すように、レジスト層２２に第２マイクロレンズアレイ７のレンズパターンが形成される。その後、ポストベーク処理を行う。
【００７７】
次に、図４（ｅ）に示すように、ドライエッチングを行って、レジスト層２２に刻まれたレンズパターンの形状を中間ガラス層５に転写する。ドライエッチングの方法としては、反応性イオンエッチングやイオンミリングなどの方法がある。
【００７８】
この時、エッチング条件の選択によって、レジスト層２２に刻まれたレンズパターンの厚みを拡大することができる。例えば、レジストと石英ガラスとのエッチング選択比が１：２となるようなエッチング条件を選択すると、レジスト層２２において厚み１０μｍのレンズパターンは、中間ガラス層５においては厚み２０μｍのレンズパターンに拡大される。レジスト層２２に刻むレンズパターンの形状は、このエッチング選択比も考慮して決定される。
【００７９】
次に、図４（ｆ）に示すように、高屈折率の紫外線硬化樹脂６を塗布し、中間ガラス層５の凹部を埋める。その後、紫外光を照射し、高屈折率紫外線硬化樹脂６を硬化させる。
【００８０】
この時、高屈折率紫外線硬化樹脂６の上面の平坦化処理も行う。平坦化処理の方法は２つある。
【００８１】
第１の方法は、高屈折率紫外線硬化樹脂層６が未硬化の状態で、上面から、あらかじめ離型処理を施した石英平面板を押し付け、紫外線を照射して高屈折率紫外線硬化樹脂６を硬化させるものである。硬化後、石英平面板を分離すると、上面が平滑な高屈折率紫外線硬化樹脂層６が得られる。第２の方法は、高屈折率紫外線硬化樹脂６を硬化させた後に研磨処理を行って、高屈折率紫外線硬化樹脂６の表面を平坦化するものである。
【００８２】
以上の工程によって、第１マイクロレンズアレイ４の上面に第２マイクロレンズアレイ７の形成されたマイクロレンズ基板１０が完成する。
【００８３】
次に、第２マイクロレンズアレイ７のレンズパターンを形成するためのレジスト層２２における露光光学系の各実施例について説明する。
【００８４】
〔第１実施例〕
図５（ａ）は、本発明に係る露光光学系の構成の第１実施例を示す図である。３１は露光光の光源となる超高圧水銀ランプを示している。超高圧水銀ランプ３１からは、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）などの紫外光が放射される。
【００８５】
これらの紫外光は、曲面ミラー３２によって反射、集光され、第１コリメートレンズ３３によって平行光に変換された後に、狭帯域フィルタとしてのｉ線パスフィルタ３４と、絞りとしての可動スリット板３５とを通過する。
【００８６】
可動スリット板３５は、図５（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向の開口長さ（スリット長）が一定長ＬＹを有し、Ｘ軸方向の開口幅（スリット幅）がより狭くなるように設定されており、Ｘ軸に沿って移動することができる。
【００８７】
可動スリット板３５を通過した光は散乱板３６に導かれて散乱される。散乱板３６は、可動スリット板３５を透過した光線をあらゆる方向に散乱させる役割を果たし、可動スリット板３５と散乱板３６とによってＹ方向の長さがＬＹである線光源が形成されることになる。
【００８８】
この後、長さＬＹの線光源の光は第２コリメートレンズ３７に導かれる。ここで、第２コリメートレンズ３７は、散乱板３６と第２コリメートレンズ３７との間隔が第２コリメートレンズ３７の焦点距離に一致するように配置されている。第２コリメートレンズ３７を通過した光は、感光性樹脂層としてのネガレジスト層２２が塗布により形成されたマイクロレンズ基板１０に導かれる。
【００８９】
可動スリット板３５と散乱板３６とで形成された線光源は、第２コリメートレンズ３７と第１マイクロレンズアレイ４の各レンズとによって、第１マイクロレンズアレイ４の焦点面にＭ倍のサイズで結像し、その面に塗布により形成されているネガレジスト層２２を露光する。すなわち、線状光の像が第１マイクロレンズアレイ４の各レンズの焦点面に形成され、レジスト層２２が線状に露光される。
【００９０】
この線状露光エリアの長さＬＲは、スリット長ＬＹを用いて、
ＬＲ＝ＬＹ／Ｍ
Ｍ＝ｆＣ／ｆＭ
で定義される。ここで、ｆＣは第２コリメートレンズ３７の焦点距離、ｆＭは第１マイクロレンズ４の焦点距離、Ｍは光学系の倍率である。
【００９１】
可動スリット板３５をＸ軸に沿って移動させると、可動スリット板３５と散乱板３６とで構成される線光源の位置がＸ軸に沿って変化するため、各マイクロレンズの焦点面に形成される線状光の位置もそれに応じて変化する。
【００９２】
可動スリット板３５の位置と露光時間（あるいは照射光強度）とを制御しながら露光を行うと、各位置で露光量を制御することができるので、３次元的な構造物を形成することができる。
【００９３】
例えば、可動スリット板３５の位置Ｘを図６のように制御すると、図１２（ｂ）に示すようなシリンドリカル形状のレジストパターンを形成することができる。
【００９４】
この露光光学系の途中に設けられたｉ線パスフィルタ３４は、ｇ線およびｈ線をカットするためのものである。レジストの感光帯域が広く、ｇ線（波長）およびｈ線（波長）のいずれにも感光する場合は、平行光光束中にｉ線パスフィルタ３４を挿入してｉ線だけを取り出す。このようにすれば、マイクロレンズの色収差によって線状光の像がぼけるというおそれがなくなるため、より精度の高い構造物を形成することができる。
【００９５】
この露光光学系においては、スリット板３５と散乱板３６とで構成される線光源の光強度均一性が重要である。第１コリメートレンズ３３を出射した後の平行光の光強度均一性を向上させるには、曲面ミラー３２と第１コリメートレンズ３３との間に、光強度均一性を改善するためのインテグレータなどを挿入すればよい。
【００９６】
また、この露光光学系においては、線光源上の各点における放射特性も一様である必要がある。散乱板３６の代わりにフライアイレンズを置くと、線状光はフライアイレンズによって複数の点光源に分割される。形状が均一なフライアイレンズを用いれば、各点光源の放射特性を均一にすることができ、露光面全体におけるレジストパターンの形状バラツキを小さく抑えることができる。
【００９７】
本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法では、第１マイクロレンズアレイ４を介して第２マイクロレンズアレイ７のパターニングを行うため、第１マイクロレンズアレイ４と第２マイクロレンズアレイ７との各レンズの位置ずれを大幅に抑制することができる。
【００９８】
第１マイクロレンズアレイ４と第２マイクロレンズアレイ７との各レンズの光軸ずれは、マイクロレンズアレイ基板１０面の法線と露光光光軸とで形成される傾斜角（光軸傾き）により引き起こされるが、第１マイクロレンズアレイの焦点距離が１００μｍである場合には、レンズ間光軸ずれは、光軸傾き０．５°以内で０．９μｍ以下と小さく抑えられる。
【００９９】
光軸傾き０．５°以下は容易に実現することのできる数字であるので、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法によれば、レンズ間の光軸ずれを小さく抑えることができる。
【０１００】
また、第１マイクロレンズアレイ４と第２マイクロレンズアレイ７とを別々に作製する方法では、各マイクロレンズアレイ４・７作製時の作製条件の変動により、第１マイクロレンズアレイ４の面内のレンズ間隔と第２マイクロレンズアレイ７の面内のレンズ間隔とがずれてしまう場合があるが、本発明の作製方法では、第１マイクロレンズアレイ４を基準にして第２マイクロレンズアレイ７が形成されるため、各層のレンズ間隔がずれるというおそれが生じないという効果もある。
【０１０１】
上記のようなマイクロレンズ基板１０の作製方法では、作製条件の変動により、第１マイクロレンズアレイ４の焦点距離が設計値に対し全体的にずれた場合、第２マイクロレンズアレイ７の形状もそれに応じて変化する。この場合、焦点距離のずれ量に合わせて、スリット板３５の変位速度を制御することにより、所望形状の第２マイクロレンズアレイ７を形成することができる。
【０１０２】
〔第２実施例〕
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、本発明に係る露光光学系の構成の第２実施例を示す図である。光源３１から第１コリメートレンズ３３までの構成は、第１実施例と同じである。
【０１０３】
第１コリメートレンズ３３から出射された平行光光束がシリンドリカルレンズ４１によってＸ方向に集光される結果、線光源が形成される。この線光源は、長さＬＹのスリットのあるスリット板４２によって、ある一定長に制限され、散乱板３６によって散乱される。すなわち、散乱板３６の面において、長さＬＹの線光源が形成されることになる。
【０１０４】
この後、第１実施例と同様に、第２コリメートレンズ３７とマイクロレンズ基板１０とが配置されるが、マイクロレンズ基板１０は、Ｙ軸を回転軸とする回転ステージに搭載されている点で第１実施例と異なっている。第２コリメートレンズ３７は、散乱板３６と第２コリメートレンズ３７との間隔が、第２コリメートレンズ３７の焦点距離に一致するように配置される。
【０１０５】
第２コリメートレンズ３７を通過した光は、ネガレジスト層２２が塗布により形成されたマイクロレンズ基板１０に導かれる。ネガレジスト層２２は第１マイクロレンズ４の焦点面に形成されている。第２コリメートレンズ３７と第１マイクロレンズアレイ４との各レンズによって、ネガレジスト層２２に線光源の像が形成され、ネガレジスト層２２は各レンズの直下において線状に露光される。
【０１０６】
一方、マイクロレンズ基板１０は、Ｙ軸を回転中心とする回転ステージに搭載されており、この回転ステージの回転角の制御によって、マイクロレンズ基板１０の法線と光線光軸とで形成される傾斜角θを自在に変化させることができる。そして、この回転ステージの回転によって線光源の像の位置を変化させることができる。
【０１０７】
例えば、図８のように時間に対し回転角θを制御することで、図１２（ｂ）に示すようなシリンドリカル形状のレジスト構造物を形成することができる。
【０１０８】
この露光光学系では、線光源の長さＬＹの分だけ第２コリメートレンズ３７の軸外特性を確保することができればよい。シリンドリカル形状の第２マイクロレンズにおける外形の短辺長さ対長辺長さの比は１：３であるため、例えば第１実施例において±１５°の軸外特性が要求される場合でも、第２実施例においては±５°の軸外特性を満足できればよく、第２コリメートレンズ３７への要求条件が緩和される。その結果、より安価なコリメートレンズを使用することが可能になる。
【０１０９】
〔第３実施例〕
図９（ａ）は、本発明に係る露光光学系の構成の第３実施例を示す図である。光源３１から第１コリメートレンズ３３までの構成は、第１実施例と同じである。
【０１１０】
第１コリメートレンズ３３から出射された平行光光束は、開口サイズが可変の矩形開口（スリット）を持つ絞りとしてのスリット板４４を通過し、散乱板３６で散乱される。すなわち、スリット板４４と散乱板３６とによって、矩形状の面光源が形成される。
【０１１１】
この矩形開口のＸ方向の開口幅は変化させることのできる構造になっており、面光源のサイズもＸ軸方向について変化させることができる。
【０１１２】
すなわち、この開口サイズ可変のスリット板４４は、図９（ｂ）に示すように、遮光板４４ａと遮光板４４ｂとの組み合わせにより構成されている。遮光板４４ａと遮光板４４ｂとは、それぞれＸ軸に沿って移動することのできる構造となっており、この可動構造により矩形開口のＸ軸方向の開口幅ＷＸを変化させることができる。
【０１１３】
この後、面光源の光は第２コリメートレンズ３７に導かれる。第２コリメートレンズ３７は、散乱板３６と第２コリメートレンズ３７との間隔が第２コリメートレンズ３７の焦点距離と一致するように配置されている。
【０１１４】
第２コリメートレンズ３７を通過した光は、ネガレジスト層２２が塗布により形成されたマイクロレンズ基板１０に導かれる。矩形状の面光源から出射された光は、第２コリメートレンズ３７および第１マイクロレンズ４を経て、第１マイクロレンズ４の焦点面に結像する。この焦点面にはレジスト層２２が形成されているため、レジスト層２２は矩形状に露光される。
【０１１５】
例えば、図１０（ａ）に示すように、スリット板４４の矩形開口の開口幅ＷＸを徐々に小さくしていきながら露光を行うと、レジスト層２２上における矩形状の像のサイズも徐々に小さくなっていくため、レジスト層２２上において、中央部の露光量が多く、縁の領域の露光量が少なくなる。すなわち、図１０（ｂ）に示すように中央部が盛り上がったシリンドリカル形状の構造物を形成することができる。
【０１１６】
なお、本発明に係る上記の各実施例では、ネガレジスト層２２の感光について述べたが、可視光硬化樹脂あるいは紫外線硬化樹脂の硬化にこの露光光学系を用いて、３次元構造を形成してもよい。
【０１１７】
【発明の効果】
本発明の１つの観点に係るマイクロレンズ基板の作製方法は、第１マイクロレンズアレイを介して感光性樹脂層を露光する工程が、光強度が均一である光源の像を第１マイクロレンズアレイの焦点面に形成する工程と、第１マイクロレンズアレイの焦点位置によって露光時間を変化させて感光性樹脂層を露光する工程とからなることを特徴とする。そして、このようなマイクロレンズ基板の作製方法によれば、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【０１１８】
また、本発明の１つの観点に係るマイクロレンズ基板の作製方法によれば、線光源の位置、ワークの回転角、あるいは面光源のサイズを変えることにより、さまざまな曲率のシリンドリカル形状の第２マイクロレンズを作製することができる。さらに、作製条件の変動により、第１マイクロレンズの焦点距離が設計値に対して全体的にずれた場合でも、そのずれに応じて制御を変更することで容易に対応することができる。しかも、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法によれば、マイクロレンズの設計変更にも対応しやすい。
【０１１９】
本発明の別の観点に係るマイクロレンズ露光光学系は、光強度が均一である線光源と、この線光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とする。そして、このようなマイクロレンズ露光光学系によれば、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【０１２０】
本発明のさらに別の観点に係るマイクロレンズ露光光学系は、光強度が均一でサイズが可変である矩形状の面光源と、この面光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とする。そして、このようなマイクロレンズ露光光学系によれば、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の作成方法を用いて形成されるマイクロレンズ基板におけるレジスト層を露光する方法の原理を説明する断面図である。
【図２】図２は、図１のマイクロレンズ基板を作製するのに用いられる露光光学系の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の作成方法を用いて形成されるマイクロレンズ基板および液晶表示素子の構成を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｆ）は、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法を示す各工程における断面図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法の第１実施例を示す図である。
【図６】図６は、同第１実施例における制御条件を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法の第２実施例を示す図である。
【図８】図８は、同第２実施例における制御条件を示す図である。
【図９】図９（ａ）および図９（ｂ）は、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法の第３実施例を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、同第３実施例における制御条件を示す図である。
【図１１】図１１は、マイクロレンズ基板を備えた液晶表示素子を用いた従来の投影型液晶表示装置の概略構成を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、図１１におけるマイクロレンズ基板を構成するマイクロレンズアレイの配置および形状を示す図である。
【符号の説明】
１ 透明基板
４ 第１マイクロレンズアレイ
５ 中間ガラス層（中間層）
７ 第２マイクロレンズアレイ
１０ マイクロレンズ基板
２０ 液晶表示素子
２２ レジスト層（感光性樹脂層）
３１ 超高圧水銀ランプ（光源）
３２ 曲面ミラー
３３ 第１コリメートレンズ
３４ ｉ線パスフィルタ（狭帯域フィルタ）
３５ 可動スリット板（絞り）
３６ 散乱板
３７ 第２コリメートレンズ
４１ シリンドリカルレンズ
４２ 固定スリット板
４４ 開口幅可変スリット板（絞り）
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロレンズ基板の作製方法およびマイクロレンズ露光光学系に関するものであり、さらに詳しくは、２層構造のマイクロレンズアレイを備えた投影型液晶表示装置用マイクロレンズ基板の作製方法、およびこの作製方法に用いられるマイクロレンズ露光光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投影型液晶表示装置は、投影型ブラウン管表示装置と比較すると、色再現範囲が広い、小型・軽量であるため持ち運びしやすい、地磁気に影響されないのでコンバージェンス調整が不要である、などの優れた特徴を持っており、大画面化も容易であることから、今後、家庭用映像表示装置の主流になると考えられる。
【０００３】
この投影型液晶表示装置に関連して、後に詳しく説明する特許文献１および特許文献２に示すものが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１８１４８７号公報
【特許文献２】
特開平９−９０３３６号公報
【０００５】
液晶表示素子を用いてカラー画像を表示する投影型液晶表示装置には、光の３原色に応じて液晶表示素子を３枚用いる３板式液晶表示装置と、液晶表示素子を１枚だけ用いる単板式液晶表示装置とがある。
【０００６】
前者の３板式液晶表示装置は、白色光をＲ、ＧおよびＢの３原色にそれぞれ分割する光学系と、各色光を制御して合成しカラー画像を形成する３枚の液晶表示素子とをそれぞれ独立に備えており、各色の画像を光学的に重畳してフルカラー表示を行うものである。
【０００７】
この３板式液晶表示装置の構成では、白色光源から放射される光を有効に利用することができ、かつ色の純度も高いという利点があるが、上記のように色分離系と色合成系とが必要であるため、光学系の構成が繁雑で部品点数の多いものになってしまい、低コスト化および小型化が困難である。
【０００８】
これに対して単板式液晶表示装置は、液晶表示素子を１枚のみ用いる構成であって、モザイク状、ストライプ状などの３原色カラーフィルタパターンを備えた液晶表示素子を投影光学系によって投影するものであり、使用する液晶表示素子が１枚ですみ、かつ光学系の構成も３板式に比べて単純になるので、低コストで小型の投影型システムに適している。
【０００９】
しかし、単板式液晶表示装置の場合には、カラーフィルタによる光の吸収または反射が起こるため、入射光の約１／３しか利用することができないという欠点がある。
【００１０】
このような欠点を解決するため、特許文献１において、図１１に示すような２層構成のマイクロレンズアレイを用いたカラーフィルタレスの単板式液晶表示装置が開示されている。
【００１１】
これは、扇形に配置された３つのダイクロイックミラー５４Ｇ・５４Ｒ・５４Ｂによって、白色光源５１からの白色光をＧ、ＲおよびＢの各色に分割し、液晶表示素子２０の光源側に配置されている２つのマイクロレンズアレイ４・７にそれぞれ異なった角度で入射させるものである。
【００１２】
白色光源５１からの光は、曲面ミラー５２、コリメートレンズ５３、ダイクロイックミラー５４Ｇ・５４Ｒ・５４Ｂを経て、液晶表示素子２０に導かれる。
【００１３】
そして、第１のマイクロレンズアレイ４を通過した各光束は、第２のマイクロレンズアレイ７により、ダイクロイックミラー５４Ｇ・５４Ｒ・５４Ｂで分割されたＧ、ＲおよびＢの主光線が互いにほぼ平行になるように屈折された後に、それぞれに対応した色信号が独立して印加される信号電極により駆動される液晶部位へ分配状に照射される。
【００１４】
液晶表示素子２０を通過した光は、フィールドレンズ５５および投影レンズ５６を経てスクリーン５７上に投影される。
【００１５】
この装置では、吸収型のカラーフィルタを用いないので、光の利用効率が向上するだけでなく、マイクロレンズアレイ４・７を通過した後の各色の主光線がほぼ平行になり、従って、投影レンズ５６に達するまでの各色の主光線の拡がりが小さく、投影レンズ５６でのケラレによる光量低下がなく、極めて明るい画像を提供することができる。
【００１６】
図１２（ａ）は、図１１に示す単板式液晶表示装置における画素、第１マイクロレンズ４および第２マイクロレンズ７の配置関係を示す平面図であり、図１２（ｂ）は、第２マイクロレンズ７のレンズ面の形状を示す斜視図である。
【００１７】
図示するように、これらの画素はＢ成分、Ｒ成分およびＧ成分にそれぞれ対応するように一定のピッチで配列されている。そして、Ｂ成分、Ｒ成分およびＧ成分に対応した３個の画素の組ごとに、第１マイクロレンズ４および第２マイクロレンズ７が対応している。
【００１８】
第１マイクロレンズ４は、その外形が破線で示すように六角形状であり、球面もしくは非球面の軸対称レンズである。一方、第２マイクロレンズ７は、その外形が実線で示すように矩形形状であり、Ｘ軸方向に集光機能を持つシリンドリカルレンズである。ブラックマトリクス８は、ハッチングで示すようにパターニングされており、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を分離する。
【００１９】
第１マイクロレンズ４を構成する各レンズの光軸と第２マイクロレンズ７を構成する各レンズの光軸とは互いに平行になっており、第１マイクロレンズ４および第２マイクロレンズ７における対向各レンズどうしの光軸は互いに一致するようになっている。
【００２０】
第１マイクロレンズ４は、あらかじめ所定の角度差を持って互いに分離した３原色の入射光束（Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分）を、対応する３画素の各組へ向けて集光する。一方、第２マイクロレンズ７は、互いに対応する第１マイクロレンズ４と３画素の組との間に介在し、第２マイクロレンズ７の光軸に対して傾斜した入射光束を該光軸に略平行な入射光束に変換する。
【００２１】
第２マイクロレンズ７は、図１２（ｂ）に示されるようなシリンドリカルレンズであるため、元々光軸に平行な第１入射光束（Ｒ成分）をそのまま直進させ、一方へ傾斜した第２入射光束（Ｂ成分）を平行化し、他方へ傾斜した第３入射光束（Ｇ成分）を平行化する。
【００２２】
このような２層構造のマイクロレンズアレイは、１枚のガラス基板の両面にそれぞれマイクロレンズアレイを接合して形成される。あるいは、特許文献２に開示されているように、第１マイクロレンズアレイおよび第２マイクロレンズアレイを別々に作製し、第１マイクロレンズアレイのレンズ形成面と第２マイクロレンズアレイの研磨面とを互いに接合させて作製される。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２層のマイクロレンズアレイを有する従来のマイクロレンズ基板では、上記のように、１枚のガラス基板の両面にそれぞれマイクロレンズアレイを接合して形成するか、あるいは２枚のマイクロレンズ基板どうしを貼り合わせて作製していたので、以下に述べるような理由から、光軸合わせが難しく、作製コストが高くつくという問題があった。
【００２４】
すなわち、２層のマイクロレンズを有するマイクロレンズ基板では、２枚のマイクロレンズアレイを光軸合わせするための工程が必要となり、レンズの光学特性を確保するためには、２枚のレンズアレイの縦方向、横方向および角度（回転方向）をすべて一致させなければならない。しかし、レンズパターンが微細であることから、この光軸合わせには±１μｍ程度の精度が要求されるため、２層構造のマイクロレンズ基板の作製は極めて困難なものになっていた。
【００２５】
また、２層のマイクロレンズアレイの間に中間層が入ることも、光軸合わせが困難になる要因の１つとなっていた。すなわち、２層のレンズパターンの間にギャップがあるため、２層の位置決め用アライメントマークの双方に同時にピントを合わせて観察することができなかった。各層ごとに別個のアライメントマーク観察系を組み、光軸合わせを行うことは可能であるが、その場合、アライメントマーク観察系の光軸合わせも厳密に行う必要があり、位置決め装置のコストアップの原因となっていた。
【００２６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、第１マイクロレンズアレイを利用して第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことで、光軸合わせを簡単化し、作製工程を簡略化することのできるマイクロレンズ基板の作製方法およびマイクロレンズ露光光学系を提供することを目的としている。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの観点によれば、透明基板上に、第１マイクロレンズアレイ、中間層および感光性樹脂層を順に形成する工程と、第１マイクロレンズアレイを介して感光性樹脂層を露光する工程と、この露光工程の後に第２マイクロレンズアレイを形成する工程とを含んでいるマイクロレンズ基板の作製方法であって、前記露光工程は、光強度が均一である光源の像を第１マイクロレンズアレイの焦点面に形成する工程と、第１マイクロレンズアレイの焦点位置によって露光時間を変化させて感光性樹脂層を露光する工程とからなることを特徴とするマイクロレンズ基板の作製方法が提供される。
【００２８】
本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法にあっては、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、また、各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【００２９】
本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法に用いられる、光強度が均一である前記光源としては例えば、線光源、あるいはサイズが可変の矩形状の面光源がある。
【００３０】
このような線光源、あるいはサイズが可変の矩形状の面光源によれば、感光性樹脂層での露光量を制御することが容易になる。
【００３１】
光強度が均一である前記光源が線光源であるときには、感光性樹脂層に線光源の像が形成され、感光性樹脂層は線状に露光される。ここで、感光性樹脂層の露光は、線光源の位置を変化させながら行うか、あるいは、線光源の位置を固定し、マイクロレンズ基板を傾斜させながら行うのが好ましい。このようにすれば、感光性樹脂層での露光量を容易に制御することができる。
【００３２】
光強度が均一である前記光源が、サイズが可変の矩形状の面光源であるときには、感光性樹脂層に面光源の像が形成され、感光性樹脂層は矩形状に露光される。ここで、感光性樹脂層の露光は、前記面光源のサイズを、矩形開口が形成された絞りの開口幅を変化させることにより変化させて行うのが好ましい。このようにすれば、感光性樹脂層での露光量を容易に制御することができる。
【００３３】
本発明の別の観点によれば、光強度が均一である線光源と、この線光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とするマイクロレンズ露光光学系が提供される。
【００３４】
このようなマイクロレンズ露光光学系にあっては、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【００３５】
本発明に係るマイクロレンズ露光光学系における前記線光源は、その位置が可変であるのが好ましい。このような線光源によれば、線光源の像の位置を容易に変化させることができる。
【００３６】
本発明に係るマイクロレンズ露光光学系における前記マイクロレンズ基板は、その法線と光線光軸とで形成される傾斜角が可変であるのが好ましい。このようなマイクロレンズ基板によれば、線光源の像の位置を容易に変化させることができる。
【００３７】
本発明に係るマイクロレンズ露光光学系は、前記線光源から出射された光の光路中に挿入された狭帯域フィルタをさらに備えているのが好ましい。このような狭帯域フィルタを備えている場合には、マイクロレンズの色収差によって線状光の像がぼけるというおそれがなくなるため、より精度の高い構造物を形成することができる。
【００３８】
本発明のさらに別の観点によれば、光強度が均一でサイズが可変である矩形状の面光源と、この面光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とするマイクロレンズ露光光学系が提供される。
【００３９】
このようなマイクロレンズ露光光学系にあっては、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【００４０】
本発明に係るマイクロレンズ露光光学系は、前記面光源から出射された光の光路中に挿入された狭帯域フィルタをさらに備えているのが好ましい。このような狭帯域フィルタを備えている場合には、マイクロレンズの色収差により面状光の像がぼけるというおそれがなくなるため、より精度の高い構造物を形成することができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。
【００４２】
第２マイクロレンズアレイのレンズパターンを形成するための感光性樹脂層としてのレジスト層を露光する方法の原理について、図１を用いて説明する。
【００４３】
本発明の投影型液晶表示装置では、光利用効率を向上させるために、第１マイクロレンズアレイ１０２はレンズの焦点がブラックマトリクスの面にほぼ位置するように設計されている。また、第１マイクロレンズアレイ１０２と第２マイクロレンズアレイ４７とはできるだけ距離をおいて配置され、第２マイクロレンズアレイ４７はブラックマトリクスの近傍に形成されている。
【００４４】
上記の作製工程においては、中間ガラス層貼り付け工程時の中間ガラス層１０４の上面は、第１マイクロレンズアレイ１０２の焦点面にほぼ一致するように位置している。この中間ガラス層１０４の上面に感光性樹脂層としてのレジスト層１０５を塗布により形成しておき、第１マイクロレンズアレイ１０２を通して紫外光平行光を照射させると、その平行光は第１マイクロレンズアレイ１０２によってレジスト層１０５で一点に集光され、この集光スポットによってレジスト層１０５が露光される。
【００４５】
ここで、透明基板１０１に対する紫外光平行光の入射角度をθｉ、第１マイクロレンズアレイ１０２の焦点距離をｆ、レンズ光軸と焦点面とが交わる位置から集光スポットまでの間隔をｒとすると、その間隔ｒは
ｒ＝ｆ×ｔａｎθｉ
で表される。
【００４６】
従って、紫外光平行光の入射角度θｉを変化させることで、集光スポットの位置を変えることができる。
【００４７】
例えば、図１において、入射角度がθｉである紫外光平行光光束４５を入射させると、３個のマイクロレンズ４６ａ・４６ｂ・４６ｃによって、光束４５はそれぞれ４７ａ・４７ｂ・４７ｃの地点に集光され、これらの地点におけるレジスト層１０５が露光される。
【００４８】
次に、入射角度をθｊに変えて平行光光束４８を入射させると、３個のマイクロレンズ４６ａ・４６ｂ・４６ｃによって、光束４８はそれぞれ、４９ａ・４９ｂ・４９ｃの地点に集光され、これらの地点におけるレジスト層１０５が露光される。
【００４９】
レジスト層１０５の材料にネガレジストを用いた場合、強く露光された地点ではレジスト層１０５が厚く残り、弱く露光された地点ではレジスト層１０５は薄くなる。従って、紫外光平行光光束の入射角度θｉ（θｊ）と露光時間（あるいは照射光強度）とを制御することで、所望の地点で所望の露光量の露光を行うことができ、この工程の繰り返しでレジスト層１０５に所望のパターンを露光することができる。
【００５０】
また、露光光として、第１マイクロレンズアレイ１０２全体を均一な光強度で照射することのできる紫外光平行光を用いると、その照射領域内において、第１マイクロレンズアレイ１０２におけるそれぞれのレンズ４６ａ・４６ｂ・４６ｃの直下で上記の露光が行われるため、形状の揃った第２マイクロレンズアレイを形成することができる。
【００５１】
次に、上記の露光工程を行うための露光光学系について、その構成を示す図２を参照しながら説明する。
【００５２】
図２において、５１は露光光の光源となる超高圧水銀ランプを示す。超高圧水銀ランプ５１から出射されたｉ線（波長３６５ｎｍ）の紫外光は、球面ミラー５２とコリメートレンズ５３とによって平行光に変換され、さらに強度補正フィルタ５４を介して、マイクロレンズ基板２０に導かれる。
【００５３】
強度補正フィルタ５４は、透過率分布を持たせたフィルタであり、透過後の光束が均一な光強度分布を持つように、その透過率分布が設計されている。従って、均一な光強度分布を持った紫外光平行光がマイクロレンズ基板２０を照射するようになる。
【００５４】
マイクロレンズ基板２０は２軸回転の回転ステージ（図示しない）に搭載されており、この回転ステージの回転角の制御によって、マイクロレンズ基板２０の法線と紫外光平行光光軸とで形成される傾斜角（傾き）を自在に変化させることができる。
【００５５】
この実施例では、紫外光平行光光軸を固定しておき、マイクロレンズ基板２０側をＸ軸およびＹ軸について回転させることにより、第１マイクロレンズアレイ１０２に対する紫外光平行光の入射角度を変化させ、その入射角度と、各入射角度における露光時間とを制御しながら露光を行うことで、レジスト層１０５に所望の３次元パターン形状を形成することができる。
【００５６】
なお、上記説明では、入射角度を変えることで焦点位置を変更するようにしたが、焦点位置の変更はこれに限られず、どのような方法によるものでもよい。
【００５７】
また、上記説明では、焦点位置によって露光時間を制御することで、所望の３次元パターン形状を得たが、露光時間を制御することなく露光強度を制御する方法もある。
【００５８】
しかしながら、超高圧水銀ランプのような光源では光強度の制御を行うことができず、外部に光変調器が必要となる。また光変調器を用いても、露光領域全域にわたって、正確に露光強度を制御することが難しく、所望の３次元形状が得られない。すなわち、所望の３次元形状を得るために露光強度を制御するよりも露光時間を制御する方が、形状特性がよく、制御が容易であり、装置構成も簡単である。
【００５９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００６０】
図３は、本発明の作製方法を用いて形成されるマイクロレンズ基板および液晶表示素子の構成を示す断面図である。
【００６１】
液晶表示素子２０は、マイクロレンズ基板１０とガラス基板１１とを有しており、マイクロレンズ基板１０とガラス基板１１との間に液晶層１３が封入されている。そして、光出射側に位置するガラス基板１１の内面には、液晶層１３を相変化させるための信号電極１２が形成されており、光入射側に位置するマイクロレンズ基板１０の内面には、信号電極１２と直交する走査電極（図示しない）が設けられている。信号電極１２および走査電極は、透明電極（ＩＴＯ）によって形成されている。
【００６２】
マイクロレンズ基板１０は、透明基板１上に２層のマイクロレンズアレイ４・７を形成することで構成されている。屈折率が異なる２つの透明樹脂層２・３の界面はレンズパターン形状に成形されており、この界面によって第１マイクロレンズアレイ４が形成されている。ここで、樹脂層３には、樹脂層２よりも屈折率の高いものが選ばれている。
【００６３】
樹脂層３の上には、第２マイクロレンズアレイ７が形成されている。すなわち、屈折率の相異なる中間ガラス層５と透明樹脂層６との界面がレンズパターン形状に刻まれており、この界面によって第２マイクロレンズアレイ７が形成されている。ここで、樹脂層６には、中間ガラス層５よりも屈折率の高いものが選ばれている。また、樹脂層６の上には、各色成分の画素を分離するブラックマトリクス８が形成されている。
【００６４】
このマイクロレンズ基板１０とガラス基板１１とをスペーサ層１４を介して貼り合わせ、両者の間に液晶層１３を封入することで、液晶表示素子２０が完成する。
【００６５】
本発明は、第１マイクロレンズアレイ４を利用して、第２マイクロレンズアレイ７のレンズ形状のパターニングを行うことで、２層構造のマイクロレンズアレイを形成するものである。
【００６６】
このマイクロレンズ基板１０の作製方法を図４（ａ）〜図４（ｆ）に基づいて説明する。図４（ａ）〜図４（ｆ）はマイクロレンズ基板１０の各作製工程における断面図である。
【００６７】
第１マイクロレンズアレイ４については、紫外線照射により硬化する紫外線硬化樹脂を用いた、いわゆる２Ｐ（Ｐｈｏｔｏ−Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）法により成形する。
【００６８】
まず、図４（ａ）に示すように、石英透明基板１の上に低屈折率紫外線硬化樹脂２を塗布し、その上にスタンパ２１を降下させる。スタンパ２１の下面には第１マイクロレンズパターンに合致する反転パターンが形成されている。
【００６９】
このスタンパ２１を石英透明基板１に充分に押し付けて、スタンパ２１と石英透明基板１との間に紫外線硬化樹脂２を押し広げ、そのままの状態に保持し、紫外線ランプなどによって、石英透明基板１を通して紫外線硬化樹脂２に紫外線を照射する。
【００７０】
紫外線が照射された紫外線硬化樹脂２は、硬化反応を起こして硬化するので、紫外線硬化樹脂２にスタンパ２１の反転パターンが転写成形される。紫外線硬化樹脂２の硬化後、スタンパ２１を上昇させて、紫外線硬化樹脂２とスタンパ２１とを分離する。
【００７１】
次に、図４（ｂ）に示すように、硬化した低屈折率紫外線硬化樹脂２の上に、高屈折率紫外線硬化樹脂３を塗布し、低屈折率紫外線硬化樹脂２の凹部を埋める。そして、高屈折率紫外線硬化樹脂３の上に、第１マイクロレンズアレイ４と第２マイクロレンズアレイ７との中間層になる石英薄板ガラス（中間ガラス層）５を貼り付ける。
【００７２】
中間ガラス層５を石英透明基板１に充分に押し付け、中間ガラス層５を通して紫外線を照射し、高屈折率紫外線硬化樹脂３を硬化させる。この樹脂３は中間ガラス層５の接着層の役割も果たす。その後、中間ガラス層５の厚みが所望の厚みよりも厚い場合は、研磨を行うことにより必要な厚みにまで削る。
【００７３】
次に、図４（ｃ）に示すように、中間ガラス層５の上に塗布により感光性樹脂層としてのネガレジスト層２２を形成する。このネガレジスト層２２に対して、第１マイクロレンズアレイ４を通して紫外線を照射し、その露光を行う。
【００７４】
マイクロレンズ基板１０は、第１マイクロレンズアレイ４の焦点位置がレジスト層２２の内部に来るように設計されている。
【００７５】
ここで、レジスト層２２はネガレジストであるため、強く露光された地点ではレジスト層２２が厚く残り、弱く露光された地点ではレジスト層２２が薄く残る。従って、各地点での露光量を制御することで、現像後の残膜量を制御することができ、レジストを用いて３次元的な構造物を形成することができる。この露光工程の詳細については後述する。
【００７６】
この露光工程の後に現像処理を行うと、図４（ｄ）に示すように、レジスト層２２に第２マイクロレンズアレイ７のレンズパターンが形成される。その後、ポストベーク処理を行う。
【００７７】
次に、図４（ｅ）に示すように、ドライエッチングを行って、レジスト層２２に刻まれたレンズパターンの形状を中間ガラス層５に転写する。ドライエッチングの方法としては、反応性イオンエッチングやイオンミリングなどの方法がある。
【００７８】
この時、エッチング条件の選択によって、レジスト層２２に刻まれたレンズパターンの厚みを拡大することができる。例えば、レジストと石英ガラスとのエッチング選択比が１：２となるようなエッチング条件を選択すると、レジスト層２２において厚み１０μｍのレンズパターンは、中間ガラス層５においては厚み２０μｍのレンズパターンに拡大される。レジスト層２２に刻むレンズパターンの形状は、このエッチング選択比も考慮して決定される。
【００７９】
次に、図４（ｆ）に示すように、高屈折率の紫外線硬化樹脂６を塗布し、中間ガラス層５の凹部を埋める。その後、紫外光を照射し、高屈折率紫外線硬化樹脂６を硬化させる。
【００８０】
この時、高屈折率紫外線硬化樹脂６の上面の平坦化処理も行う。平坦化処理の方法は２つある。
【００８１】
第１の方法は、高屈折率紫外線硬化樹脂層６が未硬化の状態で、上面から、あらかじめ離型処理を施した石英平面板を押し付け、紫外線を照射して高屈折率紫外線硬化樹脂６を硬化させるものである。硬化後、石英平面板を分離すると、上面が平滑な高屈折率紫外線硬化樹脂層６が得られる。第２の方法は、高屈折率紫外線硬化樹脂６を硬化させた後に研磨処理を行って、高屈折率紫外線硬化樹脂６の表面を平坦化するものである。
【００８２】
以上の工程によって、第１マイクロレンズアレイ４の上面に第２マイクロレンズアレイ７の形成されたマイクロレンズ基板１０が完成する。
【００８３】
次に、第２マイクロレンズアレイ７のレンズパターンを形成するためのレジスト層２２における露光光学系の各実施例について説明する。
【００８４】
〔第１実施例〕
図５（ａ）は、本発明に係る露光光学系の構成の第１実施例を示す図である。３１は露光光の光源となる超高圧水銀ランプを示している。超高圧水銀ランプ３１からは、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）などの紫外光が放射される。
【００８５】
これらの紫外光は、曲面ミラー３２によって反射、集光され、第１コリメートレンズ３３によって平行光に変換された後に、狭帯域フィルタとしてのｉ線パスフィルタ３４と、絞りとしての可動スリット板３５とを通過する。
【００８６】
可動スリット板３５は、図５（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向の開口長さ（スリット長）が一定長ＬＹを有し、Ｘ軸方向の開口幅（スリット幅）がより狭くなるように設定されており、Ｘ軸に沿って移動することができる。
【００８７】
可動スリット板３５を通過した光は散乱板３６に導かれて散乱される。散乱板３６は、可動スリット板３５を透過した光線をあらゆる方向に散乱させる役割を果たし、可動スリット板３５と散乱板３６とによってＹ方向の長さがＬＹである線光源が形成されることになる。
【００８８】
この後、長さＬＹの線光源の光は第２コリメートレンズ３７に導かれる。ここで、第２コリメートレンズ３７は、散乱板３６と第２コリメートレンズ３７との間隔が第２コリメートレンズ３７の焦点距離に一致するように配置されている。第２コリメートレンズ３７を通過した光は、感光性樹脂層としてのネガレジスト層２２が塗布により形成されたマイクロレンズ基板１０に導かれる。
【００８９】
可動スリット板３５と散乱板３６とで形成された線光源は、第２コリメートレンズ３７と第１マイクロレンズアレイ４の各レンズとによって、第１マイクロレンズアレイ４の焦点面にＭ倍のサイズで結像し、その面に塗布により形成されているネガレジスト層２２を露光する。すなわち、線状光の像が第１マイクロレンズアレイ４の各レンズの焦点面に形成され、レジスト層２２が線状に露光される。
【００９０】
この線状露光エリアの長さＬＲは、スリット長ＬＹを用いて、
ＬＲ＝ＬＹ／Ｍ
Ｍ＝ｆＣ／ｆＭ
で定義される。ここで、ｆＣは第２コリメートレンズ３７の焦点距離、ｆＭは第１マイクロレンズ４の焦点距離、Ｍは光学系の倍率である。
【００９１】
可動スリット板３５をＸ軸に沿って移動させると、可動スリット板３５と散乱板３６とで構成される線光源の位置がＸ軸に沿って変化するため、各マイクロレンズの焦点面に形成される線状光の位置もそれに応じて変化する。
【００９２】
可動スリット板３５の位置と露光時間（あるいは照射光強度）とを制御しながら露光を行うと、各位置で露光量を制御することができるので、３次元的な構造物を形成することができる。
【００９３】
例えば、可動スリット板３５の位置Ｘを図６のように制御すると、図１２（ｂ）に示すようなシリンドリカル形状のレジストパターンを形成することができる。
【００９４】
この露光光学系の途中に設けられたｉ線パスフィルタ３４は、ｇ線およびｈ線をカットするためのものである。レジストの感光帯域が広く、ｇ線（波長）およびｈ線（波長）のいずれにも感光する場合は、平行光光束中にｉ線パスフィルタ３４を挿入してｉ線だけを取り出す。このようにすれば、マイクロレンズの色収差によって線状光の像がぼけるというおそれがなくなるため、より精度の高い構造物を形成することができる。
【００９５】
この露光光学系においては、スリット板３５と散乱板３６とで構成される線光源の光強度均一性が重要である。第１コリメートレンズ３３を出射した後の平行光の光強度均一性を向上させるには、曲面ミラー３２と第１コリメートレンズ３３との間に、光強度均一性を改善するためのインテグレータなどを挿入すればよい。
【００９６】
また、この露光光学系においては、線光源上の各点における放射特性も一様である必要がある。散乱板３６の代わりにフライアイレンズを置くと、線状光はフライアイレンズによって複数の点光源に分割される。形状が均一なフライアイレンズを用いれば、各点光源の放射特性を均一にすることができ、露光面全体におけるレジストパターンの形状バラツキを小さく抑えることができる。
【００９７】
本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法では、第１マイクロレンズアレイ４を介して第２マイクロレンズアレイ７のパターニングを行うため、第１マイクロレンズアレイ４と第２マイクロレンズアレイ７との各レンズの位置ずれを大幅に抑制することができる。
【００９８】
第１マイクロレンズアレイ４と第２マイクロレンズアレイ７との各レンズの光軸ずれは、マイクロレンズアレイ基板１０面の法線と露光光光軸とで形成される傾斜角（光軸傾き）により引き起こされるが、第１マイクロレンズアレイの焦点距離が１００μｍである場合には、レンズ間光軸ずれは、光軸傾き０．５°以内で０．９μｍ以下と小さく抑えられる。
【００９９】
光軸傾き０．５°以下は容易に実現することのできる数字であるので、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法によれば、レンズ間の光軸ずれを小さく抑えることができる。
【０１００】
また、第１マイクロレンズアレイ４と第２マイクロレンズアレイ７とを別々に作製する方法では、各マイクロレンズアレイ４・７作製時の作製条件の変動により、第１マイクロレンズアレイ４の面内のレンズ間隔と第２マイクロレンズアレイ７の面内のレンズ間隔とがずれてしまう場合があるが、本発明の作製方法では、第１マイクロレンズアレイ４を基準にして第２マイクロレンズアレイ７が形成されるため、各層のレンズ間隔がずれるというおそれが生じないという効果もある。
【０１０１】
上記のようなマイクロレンズ基板１０の作製方法では、作製条件の変動により、第１マイクロレンズアレイ４の焦点距離が設計値に対し全体的にずれた場合、第２マイクロレンズアレイ７の形状もそれに応じて変化する。この場合、焦点距離のずれ量に合わせて、スリット板３５の変位速度を制御することにより、所望形状の第２マイクロレンズアレイ７を形成することができる。
【０１０２】
〔第２実施例〕
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、本発明に係る露光光学系の構成の第２実施例を示す図である。光源３１から第１コリメートレンズ３３までの構成は、第１実施例と同じである。
【０１０３】
第１コリメートレンズ３３から出射された平行光光束がシリンドリカルレンズ４１によってＸ方向に集光される結果、線光源が形成される。この線光源は、長さＬＹのスリットのあるスリット板４２によって、ある一定長に制限され、散乱板３６によって散乱される。すなわち、散乱板３６の面において、長さＬＹの線光源が形成されることになる。
【０１０４】
この後、第１実施例と同様に、第２コリメートレンズ３７とマイクロレンズ基板１０とが配置されるが、マイクロレンズ基板１０は、Ｙ軸を回転軸とする回転ステージに搭載されている点で第１実施例と異なっている。第２コリメートレンズ３７は、散乱板３６と第２コリメートレンズ３７との間隔が、第２コリメートレンズ３７の焦点距離に一致するように配置される。
【０１０５】
第２コリメートレンズ３７を通過した光は、ネガレジスト層２２が塗布により形成されたマイクロレンズ基板１０に導かれる。ネガレジスト層２２は第１マイクロレンズ４の焦点面に形成されている。第２コリメートレンズ３７と第１マイクロレンズアレイ４との各レンズによって、ネガレジスト層２２に線光源の像が形成され、ネガレジスト層２２は各レンズの直下において線状に露光される。
【０１０６】
一方、マイクロレンズ基板１０は、Ｙ軸を回転中心とする回転ステージに搭載されており、この回転ステージの回転角の制御によって、マイクロレンズ基板１０の法線と光線光軸とで形成される傾斜角θを自在に変化させることができる。そして、この回転ステージの回転によって線光源の像の位置を変化させることができる。
【０１０７】
例えば、図８のように時間に対し回転角θを制御することで、図１２（ｂ）に示すようなシリンドリカル形状のレジスト構造物を形成することができる。
【０１０８】
この露光光学系では、線光源の長さＬＹの分だけ第２コリメートレンズ３７の軸外特性を確保することができればよい。シリンドリカル形状の第２マイクロレンズにおける外形の短辺長さ対長辺長さの比は１：３であるため、例えば第１実施例において±１５°の軸外特性が要求される場合でも、第２実施例においては±５°の軸外特性を満足できればよく、第２コリメートレンズ３７への要求条件が緩和される。その結果、より安価なコリメートレンズを使用することが可能になる。
【０１０９】
〔第３実施例〕
図９（ａ）は、本発明に係る露光光学系の構成の第３実施例を示す図である。光源３１から第１コリメートレンズ３３までの構成は、第１実施例と同じである。
【０１１０】
第１コリメートレンズ３３から出射された平行光光束は、開口サイズが可変の矩形開口（スリット）を持つ絞りとしてのスリット板４４を通過し、散乱板３６で散乱される。すなわち、スリット板４４と散乱板３６とによって、矩形状の面光源が形成される。
【０１１１】
この矩形開口のＸ方向の開口幅は変化させることのできる構造になっており、面光源のサイズもＸ軸方向について変化させることができる。
【０１１２】
すなわち、この開口サイズ可変のスリット板４４は、図９（ｂ）に示すように、遮光板４４ａと遮光板４４ｂとの組み合わせにより構成されている。遮光板４４ａと遮光板４４ｂとは、それぞれＸ軸に沿って移動することのできる構造となっており、この可動構造により矩形開口のＸ軸方向の開口幅ＷＸを変化させることができる。
【０１１３】
この後、面光源の光は第２コリメートレンズ３７に導かれる。第２コリメートレンズ３７は、散乱板３６と第２コリメートレンズ３７との間隔が第２コリメートレンズ３７の焦点距離と一致するように配置されている。
【０１１４】
第２コリメートレンズ３７を通過した光は、ネガレジスト層２２が塗布により形成されたマイクロレンズ基板１０に導かれる。矩形状の面光源から出射された光は、第２コリメートレンズ３７および第１マイクロレンズ４を経て、第１マイクロレンズ４の焦点面に結像する。この焦点面にはレジスト層２２が形成されているため、レジスト層２２は矩形状に露光される。
【０１１５】
例えば、図１０（ａ）に示すように、スリット板４４の矩形開口の開口幅ＷＸを徐々に小さくしていきながら露光を行うと、レジスト層２２上における矩形状の像のサイズも徐々に小さくなっていくため、レジスト層２２上において、中央部の露光量が多く、縁の領域の露光量が少なくなる。すなわち、図１０（ｂ）に示すように中央部が盛り上がったシリンドリカル形状の構造物を形成することができる。
【０１１６】
なお、本発明に係る上記の各実施例では、ネガレジスト層２２の感光について述べたが、可視光硬化樹脂あるいは紫外線硬化樹脂の硬化にこの露光光学系を用いて、３次元構造を形成してもよい。
【０１１７】
【発明の効果】
本発明の１つの観点に係るマイクロレンズ基板の作製方法は、第１マイクロレンズアレイを介して感光性樹脂層を露光する工程が、光強度が均一である光源の像を第１マイクロレンズアレイの焦点面に形成する工程と、第１マイクロレンズアレイの焦点位置によって露光時間を変化させて感光性樹脂層を露光する工程とからなることを特徴とする。そして、このようなマイクロレンズ基板の作製方法によれば、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【０１１８】
また、本発明の１つの観点に係るマイクロレンズ基板の作製方法によれば、線光源の位置、ワークの回転角、あるいは面光源のサイズを変えることにより、さまざまな曲率のシリンドリカル形状の第２マイクロレンズを作製することができる。さらに、作製条件の変動により、第１マイクロレンズの焦点距離が設計値に対して全体的にずれた場合でも、そのずれに応じて制御を変更することで容易に対応することができる。しかも、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法によれば、マイクロレンズの設計変更にも対応しやすい。
【０１１９】
本発明の別の観点に係るマイクロレンズ露光光学系は、光強度が均一である線光源と、この線光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とする。そして、このようなマイクロレンズ露光光学系によれば、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【０１２０】
本発明のさらに別の観点に係るマイクロレンズ露光光学系は、光強度が均一でサイズが可変である矩形状の面光源と、この面光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とする。そして、このようなマイクロレンズ露光光学系によれば、第１マイクロレンズアレイを用いて第２マイクロレンズアレイのレンズ形状のパターニングを行うことができるので、２層のレンズアレイの光軸合わせが不要であり、かつ各層のレンズ間隔のずれも生じることがなく、従って、２層構造のマイクロレンズ基板の作製工程を簡略化することができるとともに、作製コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の作成方法を用いて形成されるマイクロレンズ基板におけるレジスト層を露光する方法の原理を説明する断面図である。
【図２】図２は、図１のマイクロレンズ基板を作製するのに用いられる露光光学系の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の作成方法を用いて形成されるマイクロレンズ基板および液晶表示素子の構成を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｆ）は、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法を示す各工程における断面図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法の第１実施例を示す図である。
【図６】図６は、同第１実施例における制御条件を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法の第２実施例を示す図である。
【図８】図８は、同第２実施例における制御条件を示す図である。
【図９】図９（ａ）および図９（ｂ）は、本発明に係るマイクロレンズ基板の作製方法の第３実施例を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、同第３実施例における制御条件を示す図である。
【図１１】図１１は、マイクロレンズ基板を備えた液晶表示素子を用いた従来の投影型液晶表示装置の概略構成を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、図１１におけるマイクロレンズ基板を構成するマイクロレンズアレイの配置および形状を示す図である。
【符号の説明】
１ 透明基板
４ 第１マイクロレンズアレイ
５ 中間ガラス層（中間層）
７ 第２マイクロレンズアレイ
１０ マイクロレンズ基板
２０ 液晶表示素子
２２ レジスト層（感光性樹脂層）
３１ 超高圧水銀ランプ（光源）
３２ 曲面ミラー
３３ 第１コリメートレンズ
３４ ｉ線パスフィルタ（狭帯域フィルタ）
３５ 可動スリット板（絞り）
３６ 散乱板
３７ 第２コリメートレンズ
４１ シリンドリカルレンズ
４２ 固定スリット板
４４ 開口幅可変スリット板（絞り）
Claims (12)
- 透明基板上に、第１マイクロレンズアレイ、中間層および感光性樹脂層を順に形成する工程と、第１マイクロレンズアレイを介して感光性樹脂層を露光する工程と、この露光工程の後に第２マイクロレンズアレイを形成する工程とを含んでいるマイクロレンズ基板の作製方法であって、
前記露光工程は、光強度が均一である光源の像を第１マイクロレンズアレイの焦点面に形成する工程と、第１マイクロレンズアレイの焦点位置によって露光時間を変化させて感光性樹脂層を露光する工程とからなることを特徴とするマイクロレンズ基板の作製方法。 - 光強度が均一である前記光源は、線光源であることを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズ基板の作製方法。
- 前記線光源の位置を変化させながら感光性樹脂層の露光を行うことを特徴とする請求項２記載のマイクロレンズ基板の作製方法。
- 前記線光源の位置を固定し、マイクロレンズ基板を傾斜させながら感光性樹脂層の露光を行うことを特徴とする請求項２記載のマイクロレンズ基板の作製方法。
- 光強度が均一である前記光源は、サイズが可変の矩形状の面光源であることを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズ基板の作製方法。
- 前記面光源のサイズを、矩形開口が形成された絞りの開口幅を変化させることにより変化させることを特徴とする請求項５記載のマイクロレンズ基板の作製方法。
- 光強度が均一である線光源と、この線光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とするマイクロレンズ露光光学系。
- 前記線光源は、その位置が可変であることを特徴とする請求項７記載のマイクロレンズ露光光学系。
- 前記マイクロレンズ基板は、その法線と光線光軸とで形成される傾斜角が可変であることを特徴とする請求項７記載のマイクロレンズ露光光学系。
- 前記線光源から出射された光の光路中に挿入された狭帯域フィルタをさらに備えていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載のマイクロレンズ露光光学系。
- 光強度が均一でサイズが可変である矩形状の面光源と、この面光源から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズを通過した光が結像する感光性樹脂層が形成されたマイクロレンズ基板とを備えてなることを特徴とするマイクロレンズ露光光学系。
- 前記面光源から出射された光の光路中に挿入された狭帯域フィルタをさらに備えていることを特徴とする請求項１１記載のマイクロレンズ露光光学系。
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