JP2004317827A - 屈折率の異なる無機材料で構成される液晶表示素子、それを用いた液晶プロジェクタ及びマイクロレンズ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性と耐環境性に優れた液晶表示素子を得る。
【解決手段】対向基板１８とアクティブマトリックス基板２４とがシール材２０によって封入された液晶層２２を介して張り合わされて液晶表示素子が構成されている。対向基板１８に含まれるマイクロレンズ基板１０は、無機材料の透明基板２上にその透明基板２と同一材料にて一体的に形成されたレンズ形成部分４を有するマイクロレンズアレイ６と、マイクロレンズアレイ６のレンズ形成部分４に接してそのレンズ形成部分６を被う無機材料層８とから構成されている。無機材料層８はマイクロレンズアレイ６の屈折率とは異なる屈折率を有し、その表面が平坦化されてその表面にブラックマトリクス１２、透明電極１４及び配向膜１６が形成されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は透過型液晶用表示デバイス、それに用いる液晶表示素子、及びその液晶表示素子に用いるマトリックス基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズ等の光学デバイスとして、従来の研磨法によるのでなく、種々の物理的・化学的な方法で製造されるものが提案され、実用化されつつある。
例えば、透明なガラス基板上にフォトレジスト層を設け、これにフォトリソグラフィ法により円形状や楕円形状をパターニングし、パターニングされたフォトレジスト層をガラス転移点以上に加熱し、フォトレジスト層の熱流動と表面張力の作用で、フォトレジストの表面を凸球面形状に形成したのち、フォトレジストと透明基板とに対してエッチングを行い、フォトレジスト表面による凸球面形状を、透明基板に彫り写すことにより、透明基板自体の表面形状として「凸球面の屈折面」を形成することが提案されている（特許文献１参照。）。このような方法で製造される光学デバイスは、例えば、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイやレンチキュラーレンズアレイとして使用できる。
【０００３】
このような光学デバイスの製造方法では、フォトレジストに形成される凸球面形状が、フォトレジストの熱流動と表面張力によるので、形成される球面形状は良好であるが、球面の曲率半径の制御は必ずしも容易でない。このため、精度の良い光学デバイスを設計通りに得ようとすると、光学デバイス製造の歩留まりを向上させることが困難であった。また、フォトレジストに形成される凸面形状は、熱流動と表面張力によるから、球面形状以外の形状は形成が容易でない。このため非球面形状をもった光学デバイスの製造が難しい。
【０００４】
これに対して、高精度の光学デバイスを得る方法として、濃度分布マスクを使用した方法が光通信用マイクロレンズ、計測器用マイクロレンズや産業機器用マイクロレンズとして提案され実用化している（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
従来は、マイクロレンズ基板を用いた透過型液晶シャッターデバイスよりも光源側に近い側に配置して、液晶デバイスの光利用効率向上に寄与する液晶表示素子においては、レンズ基板とこのレンズ基板上に形成されたレンズ形状部分とを有するマイクロレンズアレイ又はレンチキュラーレンズアレイに、レンズ形成部分と対向するように透明基板を張り合わせて構成されたマイクロレンズ基板を用いた液晶表示素子を使用していた。その張り合わせは、透明基板と異なる屈折率を有し、かつ透明基板と異なる熱膨張係数を有する接着剤にておこなわれている（例えば、特許文献３，４参照。）。
【０００６】
図６はそのような液晶表示素子を示したものであり、対向基板２１０とアクティブマトリックス基板２０７とがシール材２０５によって封入された液晶層２０５を介して張り合わされて構成されている。アクティブマトリックス基板２０７は透明基板上に図示されていない絵素電極、スイッチング素子、バス配線等が形成されたものである。対向基板２１０はマイクロレンズ基板２０９上の液晶層２０６側の面に、ブラックマトリクス２１１、透明電極２１２、配向膜２１３が順に形成されたものである。マイクロレンズ基板２０９は、透明基板２０１上に複数のマイクロレンズ２０２が形成されてなるマイクロレンズアレイ２０８と、カバーガラス２０４とが接着剤からなる接着剤層２０３を介して張り合わされた構成であり、カバーガラス４における接着剤層２０３と接する面には密着処理面２０４ａが形成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１７３００３号公報
【特許文献２】
特願平６−０２１１１４号公報
【特許文献３】
特願平８−３２８００２号公報
【特許文献４】
特願平８−３２７９８６号公報
【特許文献５】
特公平２−３５６９７号公報
【特許文献６】
実公平７−１０３２３号公報
【特許文献７】
特開２０００−３３５９２６号公報
【特許文献８】
特開昭５８−１０５１１１号公報
【非特許文献１】
Ｉｚａｗａ．Ｔ．， Ｋｏｂａｙａｓｈｉ．Ｓ．， Ｓｕｄｏ．Ｓ． ａｎｄ Ｈａｎａｗａ．Ｆ． ”Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ Ｐｒｅｆｏｒｍ”， ＩＯＯＣ ’７７， Ｃ１−１， １９７７
【非特許文献２】
Ｋｏｅｎｉｎｇｓ．Ｊ． ｅｔ ａｌ． ”Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＳｉＯ_２ ｗｉｔｈ Ｌｏｗ Ｉｍｐｕｒｉｔｙ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｂｙ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ＳｉＣｌ_４ ｉｎ ａ Ｎｏｎｔｈｅｒｍａｌ Ｐｌａｓｍａ”， Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ， Ｆｉｆｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， １９７５
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような接着剤層を有する液晶表示素子は、以下の問題を有していた。
曲面を有するマイクロレンズアレイは、屈折率の異なる接着剤層と接合されているため光を有効に屈折させることが可能である。しかし、熱膨張係数の大きく異なる接着剤で張り合わされていたため、表示素子が高温度で使用される場合はマイクロレンズアレイと接着剤層との間に応力や歪が発生し、マイクロレンズ基板が変形し平面度が悪化する現象が発生した。
【０００９】
また、接着剤は、種類によるが多くは有機物質で合成されている。有機物質の接着剤は、材料物性の基本骨格上、共有結合による部分が多い。そのためＴｇ（ガラス転移点）温度が１００℃以下のものが多く、製品の製造プロセス中で或いは製品使用中において１５０℃以上の環境条件下では接着剤層が軟化し、接着力の低下や変形を起こすことが避けられなかった。
【００１０】
これによって、接着剤の変色による透過率低下、接着剤収縮が生じ、以下の問題が発生していた。
▲１▼表示画面内の段差発生。また、これを誘引とする液晶厚さの変化と色ムラが発生する。
▲２▼パネル平行度低下。また、これを誘引とするコントラストムラが発生する。
その結果、バラツキに伴う不良品の発生が避けられなかった。
【００１１】
更には、マイクロレンズを形成した透明基板とこれに対向する別の透明基板とを接着剤で接合し、一方を研磨加工によって薄肉化加工していた。そのため材料費が嵩み、また工程が長いため高コストであった。
【００１２】
また、マイクロレンズを形成した透明基板とこれに対向する別の透明基板の材質が異なる場合がある。例えば、前者が耐熱性低膨張ガラス（例えば、商品名：ネオセラム（日本電気ガラス社製））、後者が石英材料といった場合である。そのように材質が異なる場合は、マイクロレンズ基板を用いた透過型液晶シャッターデバイスの製造プロセスにおいて僅かに画素ズレが生じるなどの問題を有していた。
【００１３】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、光学性能を従来品と同等に維持したまま、耐熱性と耐環境性に優れた液晶表示素子とそれを用いた液晶プロジェクタの提供を目的としている。
本発明はまた、そのような液晶表示素子を低コストに製造する方法を提供することも目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、対向基板とアクティブマトリックス基板とが液晶層を介して張り合わされて構成された液晶表示素子において、対向基板はマイクロレンズ基板の光屈折面を有する側の平坦化された表面上に少なくとも透明電極及び配向膜が形成されたものであり、マイクロレンズ基板は、無機材料の透明基板上にその透明基板と同一材料にて一体的に形成されたレンズ形成部分を有するマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイのレンズ形成部分に接してそのレンズ形成部分を被う無機材料層とから構成されており、無機材料層はマイクロレンズアレイの屈折率と異なる屈折率を有し、その表面が平坦化されてその表面に前記透明電極及び配向膜が形成されているものである。
【００１５】
無機材料層は有機物質の接着剤よりも耐熱性があり、熱膨張係数は同じく無機材料からなるマイクロレンズアレイに近い。そのため、有機物質の接着剤層を備えた従来の液晶表示素子の抱える上記の問題は生じない。
【００１６】
また、マイクロレンズアレイ上に他の透明基板を設ける必要がなく、この無機材料層の表面を平坦にしてそこに透明電極及び配向膜、さらに必要に応じてブラックマトリクスを形成することができるので、構成が簡単になり、低コストに製作することができる。
【００１７】
本発明の液晶プロジェクタは液晶表示素子として本発明の液晶表示素子を用いたものである。液晶プロジェクタは光源からの光を青、緑及び赤の３原色の光に分離し、再び同一の光路上でそれらの３原色の光を合成する光学系と、その合成された光の光軸上に配置された投影レンズと、青、緑及び赤の３原色の光の光軸上にそれぞれ配置された本発明の液晶表示素子とを備えている。
【００１８】
このような液晶表示素子に用いられるマイクロレンズ基板は、本発明の製造方法によれば、透明基板を加工してその透明基板と同一材料にて一体的に形成されたレンズ形成部分を有するマイクロレンズアレイを形成する工程と、マイクロレンズアレイのレンズ形成部分を被うようにマイクロレンズアレイ材料の屈折率とは異なる屈折率をもつ無機材料層を堆積する工程とを含んで製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の液晶表示素子では、無機材料層の表面はマイクロレンズ基板の光屈折面を有する側の面とは反対側の面と平行である。無機材料層の表面上に透明電極及び配向膜、さらに必要に応じてブラックマトリクスが形成され、液晶層を介してアクティブマトリクス基板と対向して張り合わされるので、無機材料層の表面がマイクロレンズ基板の光屈折面を有する側の面とは反対側の面と平行であれば、出来あがるパネルの平行度を確保することができ、コントラストムラを抑えることができる。
【００２０】
マイクロレンズアレイと無機材料層との間に応力や歪が発生してマイクロレンズ基板が変形し平面度が悪化するのを抑えるために、マイクロレンズアレイ材料の線膨張係数とこの無機材料層の線膨張係数との差は１０倍以内であることが好ましい。これにより、高温プロセス及び高温使用条件下でも使用に耐えうる新規な液晶表示素子を得ることができる。
【００２１】
そのような線膨張係数の差の小さいマイクロレンズアレイ材料と無機材料層材料の組合せの一例は、マイクロレンズアレイ材料が石英、耐熱性ガラス、光学ガラス等のガラスである場合、無機材料層材料としてはシリコン酸化物やシリコン酸化物と金属酸化物との混合物が好ましい。しかし、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの無機材料であってもよい。
【００２２】
無機材料層材料がシリコン酸化物と金属酸化物との混合物のように複数原材料の混合によって得られるものである場合、原材料の混合比によって屈折率が変更可能である。そのような無機材料層は、例えば、ＳｉＯ_２の成膜時に微量に屈折率変更材料、例えばＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５などの単体又は複合材料、を混合することによって形成することができる。
【００２３】
無機材料層は均一な屈折率の一層構造とすることも、膜厚方向に屈折率が徐々に変化する層構造とすることも、また互いに屈折率の異なる複数層が積層されたものとすることできる。
【００２４】
膜厚方向に屈折率が徐々に変化する層構造は、膜厚方向に対して混合する材料成分を徐々に増加又は減少させるように濃度分布をもたせることによって形成することができる。
【００２５】
屈折率の異なる複数層が積層された無機材料層を形成する１つの方法は、膜厚方向に対して、例えば２段階、３段階というように段階的に分けて材料成分濃度を変更して段階的屈折率分布をもたせる方法である。例えば、１層目と２層目がＳｉＯ_２とＴｉＯ_２の混合膜で、ＴｉＯ_２濃度が１層目よりも２層目の方が薄くなるように形成されたものであり、３層目がＳｉＯ_２膜となっているような構成のものである。
【００２６】
屈折率の異なる複数層が積層された無機材料層を形成する他の方法は、膜厚方向に対して、例えば２段階、３段階というように段階的に分けて材料成分の組合わせを変更して段階的屈折率分布をもたせる方法である。例えば、１層目がＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_３の混合膜、２層目がＳｉＯ_２とＴｉＯ_２の混合膜、３層目がＳｉＯ_２層となっているような構成のものである。
【００２７】
無機材料層として膜厚方向に屈折率分布をもった無機材料層を使用すれば、無機材料層の光学性能を調整することができ、屈折率の選択の範囲（自由度）が広がり液晶表示素子の性能向上を図ることができる。
【００２８】
本発明において、マイクロレンズアレイ又はマイクロレンズ基板という場合のマイクロレンズは、半球状のマイクロレンズのみでなく、蒲鉾型のレンチキュラーレンズも含む意味で使用している。また、マイクロレンズのレンズは凸面状に限らず凹状に形成されたものも含んでおり、その形状は球面及び非球面を含む曲面又は円錐形状である。レンズ形状は光学的使用目的と構成する材料の屈折率等によって、凸面状にするか凹面状にするかを決定すればよい。
【００２９】
本発明の製造方法において、マイクロレンズアレイは従来のマイクロレンズデバイス製作方法によって製造することができる。
すなわち、マイクロレンズアレイを製造する第１の方法は、マイクロレンズアレイ材料の平坦な表面に熱可塑性材料層を所定の厚さに形成し、この熱可塑性材料層をマイクロレンズアレイパターンに応じてレリーフ状にパターニングしたのち、パターニングされた熱可塑性材料層を熱処理し、熱可塑性材料の熱流動と表面張力により、熱可塑性材料の表面形状を、マイクロレンズアレイパターンごとに凸曲面形状としたのち、熱可塑性材料とマイクロレンズアレイ材料とに対してドライエッチングを行い、上記熱可塑性材料の凸曲面形状をマイクロレンズアレイ材料に彫り写すことにより、その材料の表面に所望の曲率の凸曲面を有するマイクロレンズアレイを製造する。
【００３０】
マイクロレンズアレイを製造する第２の方法は、濃度分布マスクを使用する方法である。その方法では、マイクロレンズアレイ材料の平坦な表面に感光性材料層を所定の厚さに形成し、この感光性材料層をマイクロレンズアレイパターンに対応した濃度分布マスクを用いて露光し、現像することにより凸曲面形状又は凹曲面形状のレンズ形状をもつ感光性材料層パターンをえる。この感光性材料パターンとマイクロレンズアレイ材料とに対してドライエッチングを行い、上記熱可塑性材料パターンのレンズ形状をマイクロレンズアレイ材料に彫り写すことにより、その材料の表面に所望の曲率の凸曲面又は凹曲面を有するマイクロレンズアレイを製造する。
【００３１】
マイクロレンズアレイを製造する第３の方法は、型を使用する方法である。その方法では、マイクロレンズアレイ材料の平坦な表面に熱又は紫外線で硬化する硬化性材料層を所定の厚さに形成し、この硬化性材料層にマイクロレンズアレイの型を押し当ててパターンを転写する。パターンが転写された硬化性材料層を加熱又は紫外線照射により硬化させた後、この硬化性材料パターンとマイクロレンズアレイ材料とに対してドライエッチングを行い、上記硬化性材料パターンのレンズ形状をマイクロレンズアレイ材料に彫り写すことにより、その材料の表面に所望の曲率の凸曲面又は凹曲面を有するマイクロレンズアレイを製造する。
【００３２】
これらの方法では、熱可塑性材料表面又は硬化性材料表面の凸曲面形状又は凹曲面形状の曲率と、マイクロレンズアレイの表面に形成すべき凸曲面の曲率との大小関係に応じて、ドライエッチングの選択比を調整したり、又は経時的に変化させたりすることにより、マイクロレンズアレイの表面に形成すべき凸曲面の曲率を変化させることができる。ドライエッチングにおける選択比は精密な制御が容易であるから、上記のような方法で、凸面又は凹面を精度よく形成できる。
【００３３】
本発明において、マイクロレンズアレイのレンズ形成部分を被うようにマイクロレンズアレイ材料の屈折率とは異なる屈折率をもつ無機材料層は、下記の３方法のいずれかの方法で堆積することができる。
【００３４】
▲１▼ＦＨＤ（Ｆｒａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：火焔堆積）法（例えば、特許文献５−８参照。）。
ＦＨＤ法の先駆技術としてＶＡＤ（Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ Ａｘｉａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：気相軸付け）法がある。両者の原理は同じである。ＦＨＤ法は基板上に製膜する方法であり、ＶＡＤ法は光ファイバー用のプリフォームとしてのガラス棒を製作する方法である。ＶＡＤ法が初めに開発され、改良後に続いてＦＨＤ法が開発された。
【００３５】
（イ）ＶＡＤ法について
ＶＡＤ法は、工程が単純で、連続製造、大型プリフォームの製造が可能である特徴を有する。回転している石英棒の下方から光ファイバーの原料となるＳｉＣｌ_４、屈折率を制御するために必要なドーパントとしてＧｅＣｌ_４などをＨ_２、Ｏ_２ガスとともに吹き付け、酸水素バーナーにより火炎加水分解反応を起こさせる。これによりプリフォームを石英棒の軸のまわりに堆積させる。この棒を回転させながら上方に引き上げ、リング状ヒーターで加熱することにより多孔質プリフォームを透明ガラス化し、プリフォームを得る。このプリフォームを透明ガラス化する際は、ＳＯＣｌ_２雰囲気中で加熱することにより水酸イオン（ＯＨ⁻）を十分に除去することが可能である。極めて低損失の光ファイバーを作ることが出来る。
【００３６】
本方法は、１９９７年ＮＴＴの伊沢らによって発表され、後にＮＴＴの稲垣、枝広、中原らによって幾多の洗練を受け進歩を遂げている（非特許文献１，２参照。）。
【００３７】
（ロ）ＦＨＤ法について
ＦＨＤ法は、ＶＡＤ法と同様の原理によって基板材料上に石英の粉を堆積した後に、１５００℃前後の熱処理により石英を透明化し、光導波路を形成する方法として開発された。光導波路用としては、コアとクラッドの屈折率差を得るためにコアにゲルマニウム単独、酸化チタン単独、又は燐とボロンの両方がドープされた石英を得ている。
【００３８】
▲２▼プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法：
被膜を形成する成分元素を基板表面で化学反応させて被膜を形成する方法である。
まず、熱ＣＶＤ法について説明する。熱ＣＶＤ法は、被膜材料を一旦気化しやすい化合物（ハロゲン化物、水素化物、有機金属化合物など）に変えて気化させ、適当なキャリアガスを用いて反応管へ導き、高温の基材表面での化学反応により被膜を析出させる方法である。
【００３９】
一方、プラズマＣＶＤ法は、熱ＣＶＤ法において化学反応の駆動力となっていた熱に代え、プラズマ状態を用いた化学反応により被膜を形成させる技術である。その為、熱ＣＶＤ装置と比べプラズマ発生装置が付加されているのが装置の特徴である。また、処理上では低温における被膜形成が可能であることが大きなメリットとして挙げられる。
【００４０】
本発明の場合は、プラズマＣＶＤ装置にＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスを導入し、基板表面を３００〜３５０℃に加熱しながらプラズマ中で処理する。基板表面上にはＴＥＯＳガスが化学反応で分解しＳｉＯ_２膜が生成する。
また、ＳｉＨ_４ガスを導入することでも同様にＳｉＯ_２膜を成膜することが可能である。
【００４１】
反応性ガスの種類は、成膜するＳｉＯ_２膜の組成安定性、成膜速度、膜質、表面モホロジー、装置構成・特性によって異なる。
成膜条件の一例を挙げると、▲１▼Ｎｏｖｅｌｌｕｓ社製ＣＶＤ装置では、ＴＥＯＳ＝０．２０μｍ／分、ＳｉＨ_４＝０．２０〜０．６０μｍ／分、▲２▼Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製ＰＥＣＶＤ装置では、ＳｉＨ_４＝０．８９μｍ／分である。
【００４２】
屈折率を変更する場合には、ＴＥＯＳガスやＳｉＨ_４ガス中に、例えば、Ｔｉ成分を含むチタンエトキシド（Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｅｔｈｏｘｉｄｅ）ガスを同時に導入することによってＳｉＯ_２中のＴｉＯ_２量を調整し屈折率を調整することができる。
【００４３】
▲３▼スパッタリング法：
スパッタリング法は、加速された粒子が固体表面に衝突したとき、固体を構成する原子又は分子が空間に放出される現象を利用し、蒸着が困難な高融点材料や化合物でも容易に膜形成ができること、付着力が大きいこと、大面積化が容易であることなどの利点を備えているので広く利用されている。スパッタリング法による薄膜製作法には、直流二極スパッタリング、高周波スパッタリング、イオンビームスパッタリング、化成スパッタリングなどがある。
【００４４】
【実施例】
図１は一実施例の液晶表示素子を表わし、対向基板１８とアクティブマトリックス基板２４とがシール材２０によって封入された液晶層２２を介して張り合わされて構成されている。アクティブマトリックス基板２４は透明基板上に図示されていない絵素電極、スイッチング素子、バス配線等が形成されたものである。
【００４５】
対向基板１８はマイクロレンズ基板１０の光屈折面を有する側、すなわち液晶層２２側、の平坦化された表面上に、ブラックマトリクス１２、透明電極１４、配向膜１６が順に形成されたものである。
マイクロレンズ基板１０は、無機材料の透明基板２上にその透明基板２と同一材料にて一体的に形成されたレンズ形成部分４を有するマイクロレンズアレイ６と、マイクロレンズアレイ６のレンズ形成部分４に接してそのレンズ形成部分６を被う無機材料層８とから構成されている。
【００４６】
無機材料層８はマイクロレンズアレイ６の屈折率とは異なる屈折率を有し、その表面が平坦化されてその表面にブラックマトリクス１２、透明電極１４及び配向膜１６が形成されている。
【００４７】
レンズ形成部分６の平面パターンが円形であれば、その表面形状は凸球面である。レンズ形成部分６の平面パターンが楕円形であれば、その表面形状は長軸方向に大きい曲率半径を有し、単軸方向に短い曲率半径を有する回転楕円面状の凸曲面になる。また、レンズ形成部分６の平面パターンが矩形状や多角形状の場合には、そのパターンに対応した形状の凸曲面になる。
【００４８】
レンズ形成部分６の平面パターンが、楕円形状や矩形形状、多角形形状のように、非円形形状である場合には、凸曲面の曲率」とは、表面形状の頂部近傍における曲率のうちで、最大又は最小のものをいうものという。
【００４９】
以下、マイクロレンズ基板を製作する方法を具体的に説明する。
（実施例１）
図２（ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ材料として屈折率１．５２のネオセラムガラスの平行平板基板２を用意し、その表面に熱可塑性材料層３２としてフォトレジスト（商品名：ＯＦＰＲ８００）をスピンコートした後、プリベークして厚さ１０μｍに形成した（パターニング後の行なうポストベーク後は８．９μｍに変化した）。
【００５０】
つぎに、マスク３８を用いて熱可塑性材料層３２を露光する。そのマスク３８は、透明ガラス基板３６の片面にクロムなどの金属薄膜で形成された直径１９．７μｍの黒円（概略円形状である）３４がピッチ２０μｍで碁盤の目状に配列されたものである。
【００５１】
その後、光照射された部分を現像して除去することにより、熱可塑性材料層３２を１以上のレンズパターン（黒円に対応する円形）に応じてレリーフ状にパターニングした。図２（ｂ）は、パターニング後の状態を示している。
【００５２】
パターニングされた熱可塑性材料層３２ａを熱処理し、熱可塑性材料３２ａの熱流動と表面張力により、熱可塑性材料３２ａの表面形状を、レンズパターンごとに凸曲面形状としたところ、高さが９．２μｍの凸球面形状が得られた。
【００５３】
続いて行なうＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチングにおいて、選択比を１．１に設定したところ、ネオセラム基板２の表面に、直径１９．７μｍ、高さ１０．１２μｍの凸球面を２０ｍｍピッチで形成することができ、マイクロレンズアレイを得ることができた。このエッチング工程では、途中段階において選択比を経時的に変更することにより、製作後の形状を非球面形状とした。このときのドライエッチングの条件は、以下の通りである。選択比を１．１にするために、導入ガスは、Ｏ_２：１．８ｓｃｃＭ（経時的に変更し時間と共に減少させる。）、ＣＨＦ_３：２５．０ｓｃｃＭとし、反応室内圧力：３〜４×１０^−４Ｔｏｒｒ、マイクロ波実行電力：６２０Ｗ、ＲＦ実行電力：４８０Ｗ、エッチング時間：２５分とした。
【００５４】
次いで、図３（ａ），（ｂ）に示すように、このマイクロレンズアレイ６のレンズ形成面上にＣＶＤ法によって、無機材料層としてＳｉＯ_２層（屈折率：１．４５２）８を成膜した。本実施例では、ＣＶＤ法はＮｏｖｅｌｌｕｓ社製プラズマＣＶＤ装置にＴＥＯＳガス４０を導入し、基板２を３５０℃に加熱しながらプラズマ中で処理した。マイクロレンズアレイ６の表面上にはＴＥＯＳガスが化学反応で分解しＳｉＯ_２膜が生成する。本実施例では、ＳｉＯ_２膜を０．４μｍ／分の成膜速度で約２７分間成膜した。結果として、１０．８μｍのＳｉＯ_２膜がマイクロレンズのない平坦部にアレイ６上に成膜できた。
また、マイクロレンズアレイ６の凸形状トップ上には１．６μｍのＳｉＯ_２膜８が積層された状態になる。
【００５５】
次に、図３（ｃ）に示されるように、マイクロレンズアレイ６上のＳｉＯ_２膜８の表面を研磨加工する。これは、ＣＶＤにより形成したＳｉＯ_２膜８で、レンズ４の凸形状表面上部に発生する「表面盛り上がり」を除去するためである。この研磨加工工程として、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学機械的研磨）法を用い、レンズ凸形状トップ上のＳｉＯ_２膜を１．０μｍ程度研磨加工して表面を平坦化してマイクロレンズのない基板平坦部でのＳｉＯ_２膜（ＣＶＤ膜）厚さを１０．７２μｍとした。
これにより、レンズ側の表面が無機材料で平坦化されたマイクロレンズ基板が得られる。
【００５６】
（実施例２）
図４（ａ）に示されるように、マイクロレンズアレイ材料として屈折率１．４５２の石英ガラスの平行平板基板２ａを用意した。また、別途用意した凸形状型５１（例えば、上記実施例１に示したマイクロレンズアレイ６）を用意し、その型５１の表面に光硬化性樹脂５５を塗布する。光硬化性樹脂５５との付着強度を高めるためのシランカップリング剤処理を施した石英ガラス基板２ａを樹脂５５上から押し当てた後、紫外線を石英ガラス基板２ａ側から照射する。
【００５７】
この後、型５１を剥離すると、図４（ｂ）に示されるように、石英ガラス基板２ａの表面上に凸形状が転写された凹形状の樹脂形状５５が形成される。
これをドライエッチング法によって石英ガラス基板２ａに転写してマイクロレンズアレイとする。このドライエッチングはＥＣＲエッチングにより行う。そのＥＣＲエッチングにおいて、選択比を１．１に設定したところ、石英ガラス基板２ａの表面に、直径１９．７μｍ、深さ１１．２μｍの凹球面４ａを２０ｍｍピッチで形成することができた。
【００５８】
このエッチングでは、途中段階において、選択比を経時的に変更することにより、製作後の形状を非球面形状とした。このときのドライエッチングの条件は、以下の通りである。選択比を１．１とするために、導入ガスは、Ｏ_２：３．０ｓｃｃＭ（経時的変更し時間と共に減少させている）、ＣＨＦ_３：１５．０ｓｃｃＭとし、反応室内圧力：３×１０^−４Ｔｏｒｒ、マイクロ波実行電力：６２０Ｗ、ＲＦ実行電力：５００Ｗ、エッチング時間：３２分とした。
【００５９】
次いで、図４（ｃ）に示されるように、このマイクロレンズアレイ５０の凹球面４ａ形成面上にＣＶＤ法によって、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２の混合膜８ａ，８ｂ（（ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２）膜と表記する。）（屈折率：１．５６）を成膜した。本実施例の場合は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ社製プラズマＣＶＤ装置にＴＥＯＳガスと、チタンエトキシドガスを導入し、マイクロレンズアレイ基板を３５０℃に加熱しながらプラズマ中で処理する。基板表面上にはＴＥＯＳガスとチタンエトキシドガスが化学反応で分解し（ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２）膜が生成する。本実施例では、（ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２）膜を０．３６μｍ／分の成膜速度で約４０分間成膜した。その結果、１２．６μｍの（ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２）膜８ａ，８ｂをマイクロレンズアレイ基板２ａ上に成膜できた。したがって、石英ガラスのマイクロレンズアレイ基板２ａの凹形状外周部に形成された凸形状トップ上には１．４μｍの（ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２）膜８ａ，８ｂが積層された状態になる。成膜の際、初期の３２分間は、ＴＥＯＳガスと、チタンエトキシドガスを導入し（ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２）膜８ａを成膜したが、残りの８分間は徐々にチタンエトキシドガス量を減少させ、ＴＥＯＳガスのみ導入しＳｉＯ_２膜８ｂを成膜した。これによって、成膜の成長方向に層状の屈折率分布を有する膜が製作できた。
【００６０】
次に、マイクロレンズアレイ基板２ａ上の（ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２）膜８ａとＳｉＯ_２膜８ｂの積層膜の表面を研磨加工する。これは、ＣＶＤ法により形成した（ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２）膜８ａとＳｉＯ_２膜８ｂの積層膜で、レンズの凸形状表面上部に発生する「表面盛り上がり」を除去するためである。この研磨加工工程として、ＣＭＰ法を用い、凸形状トップ上のＳｉＯ_２膜８ｂを１．０μｍ程度研磨加工して表面を平坦化する。
これにより、レンズ側の表面が無機材料で平坦化されたマイクロレンズ基板が得られる。
【００６１】
図５は実施例の液晶表示素子の応用例の一例としての液晶プロジェクタの一実施例を表わしたものである。
１１７はメタルハライドランプ等の白色光源であり、その白色光源１１７の照射光でＵＶ−ＩＲフィルタ１１８を透過した光を赤、緑、及び青の三原色に分離するために、その照射光の光軸上にダイクロイックミラー１１９ａと１１９ｂが配置されている。ダイクロイックミラー１１９ａは青色光を反射しそれより長波長の光を透過させる特性をもつものであり、ダイクロイックミラー１１９ｂは緑色光を反射しそれより長波長の光を透過させる特性をもつものである。
【００６２】
ダイクロイックミラー１１９ａにより反射された青色光は反射鏡１２０ａにより反射され、その反射光の光軸上に液晶表示素子１２１ａとフィールドレンズ１２２ａが配置されており、その液晶表示素子１２１ａとフィールドレンズ１２２ａを透過した光の光軸上に投影レンズ１２４が配置されている。
【００６３】
ダイクロイックミラー１１９ｂにより反射された緑色光の光軸上に液晶表示素子１２１ｂとフィールドレンズ１２２ｂが配置されており、その液晶表示素子１２１ｂとフィールドレンズ１２２ｂを透過した光の光軸上には青色光の光軸との交点にダイクロイックミラー１２３ａが配置されている。ダイクロイックミラー１２３ａは青色光を透過しそれより長波長の光を反射する特性をもち、このダイクロイックミラー１２３ａにより青色光と緑色光が同一の光軸上で合成されて投影レンズ１２４に導かれる。
【００６４】
ダイクロイックミラー１１９ｂを透過した赤色光の光軸上には液晶表示素子１２１ｃとフィールドレンズ１２２ｃが配置されている。液晶表示素子１２１ｃとフィールドレンズ１２２ｃを透過した光の光軸上には反射鏡１２０ｂが配置され、その反射鏡１２０ｂによる反射光の光軸上には青色光と緑色光の合成光の光軸との交点にダイクロイックミラー１２３ｂが配置されている。ダイクロイックミラー１２３ｂは緑色光よりも短波長光を透過しそれより長波長の光を反射する特性をもち、このダイクロイックミラー１２３ｂにより青色光、緑色光及び赤色光が同一の光軸上で合成されて投影レンズ１２４に導かれる。
【００６５】
液晶表示素子１２１ａ〜１２１ｃは実施例に示した本発明の液晶表示素子であり、映像信号に基づいて各原色画像を表示する。液晶表示素子１２１ａ〜１２１ｃをそれぞれ透過した原色光が合成された後、投影レンズ１２４により図示されていないスクリーン上に映像が拡大投影される。
【００６６】
【発明の効果】
本発明では、液晶表示素子の対向基板に含まれるマイクロレンズ基板は、無機材料の透明基板上にその透明基板と同一材料にて一体的に形成されたレンズ形成部分を有するマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイのレンズ形成部分に接してそのレンズ形成部分を被う無機材料層とから構成されたものとし、無機材料層はマイクロレンズアレイの屈折率と異なる屈折率を有し、その表面が平坦化されてその表面に少なくとも透明電極及び配向膜が形成されたものとしたので、無機材料層は有機物質の接着剤よりも耐熱性があり、熱膨張係数は同じく無機材料からなるマイクロレンズアレイに近いため、耐熱性と耐環境性に優れた液晶表示素子を得ることができる。
また、マイクロレンズアレイ上に他の透明基板を設ける必要がなく、この無機材料層の表面を平坦にしてそこに透明電極及び配向膜、さらに必要に応じてブラックマトリクスを形成することができるので、構成が簡単になる。
このような液晶表示素子を備えた本発明の液晶プロジェクタは、液晶表示素子の特性によって耐熱性と耐環境性に優れ、また低コストに製作することできる。
このような液晶表示素子に用いられるマイクロレンズ基板は、本発明の製造方法によれば、透明基板を加工してその透明基板と同一材料にて一体的に形成されたレンズ形成部分を有するマイクロレンズアレイを形成する工程と、マイクロレンズアレイのレンズ形成部分を被うようにマイクロレンズアレイ材料の屈折率とは異なる屈折率をもつ無機材料層を堆積する工程とを含んでいるので、低コストに液晶表示素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例の液晶表示素子を示す断面図である。
【図２】製造方法の一実施例においてマイクロレンズアレイを製作する工程を示す工程断面図である。
【図３】製造方法の同実施例において無機材料層を形成する工程を示す工程断面図である。
【図４】製造方法の他の実施例を示す工程断面図である。
【図５】液晶プロジェクタの一実施例を示す概略構成図である。
【図６】従来の液晶表示素子を示す断面図である。
【符号の説明】
２，２ａ 透明基板
４，４ａ レンズ形成部分
６ マイクロレンズアレイ
８，８ａ，８ｂ 無機材料層
１０ マイクロレンズ基板
１２ ブラックマトリクス
１４ 透明電極
１６ 配向膜
１８ 対向基板
２２ 液晶層
２４ アクティブマトリックス基板
１１７ 白色光源
１１９ａ，１１９ｂ，１２３ａ，１２３ｂ ダイクロイックミラー
１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ 液晶表示素子
１２４ 投影レンズ

Claims (11)

1. 対向基板とアクティブマトリックス基板とが液晶層を介して張り合わされて構成された液晶表示素子において、
   前記対向基板はマイクロレンズ基板の光屈折面を有する側の平坦化された表面上に少なくとも透明電極及び配向膜が形成されたものであり、
   前記マイクロレンズ基板は、無機材料の透明基板上にその透明基板と同一材料にて一体的に形成されたレンズ形成部分を有するマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイのレンズ形成部分に接してそのレンズ形成部分を被う無機材料層とから構成されており、
   前記無機材料層は前記マイクロレンズアレイの屈折率と異なる屈折率を有し、その表面が平坦化されてその表面に前記透明電極及び配向膜が形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記無機材料層の表面は前記マイクロレンズ基板の光屈折面を有する側の面とは反対側の面と平行である請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記マイクロレンズアレイ材料の線膨張係数と前記無機材料層の線膨張係数との差は１０倍以内である請求項１又は２に記載の液晶表示素子。
4. 前記マイクロレンズアレイ材料はガラスであり、前記無機材料層はシリコン酸化物又はシリコン酸化物と他の金属酸化物との混合物である請求項１から３のいずれかに記載の液晶表示素子。
5. 前記無機材料層は互いに屈折率の異なる複数層からなる請求項１から３のいずれかに記載の液晶表示素子。
6. 前記マイクロレンズアレイ材料はガラスであり、前記無機材料層はマイクロレンズアレイ側がシリコン酸化物とチタン酸化物との混合物層で、その上にシリコン酸化物層が積層されたものである請求項５に記載の液晶表示素子。
7. 前記マイクロレンズアレイのレンズは凸面状又は凹面状に形成され、その形状は球面及び非球面を含む曲面又は円錐形状である請求項１から６のいずれかに記載の液晶表示素子。
8. 光源からの光を青、緑及び赤の３原色の光に分離し、再び同一の光路上でそれらの３原色の光を合成する光学系と、その合成された光の光軸上に配置された投影レンズと、前記の青、緑及び赤の３原色の光の光軸上にそれぞれ配置された液晶表示素子とを備えた液晶プロジェクタにおいて、
   前記液晶表示素子として請求項１から８のいずれかに記載の液晶表示素子を用いたことを特徴とする液晶プロジェクタ。
9. 透明基板を加工してその透明基板と同一材料にて一体的に形成されたレンズ形成部分を有するマイクロレンズアレイを形成する工程と、
   前記マイクロレンズアレイのレンズ形成部分を被うようにマイクロレンズアレイ材料の屈折率とは異なる屈折率をもつ無機材料層を堆積する工程と、を含むマイクロレンズ基板の製造方法。
10. 前記堆積工程は火焔堆積法、化学気相成長法及びスパッタリング法のいずれかである請求項９に記載のマイクロレンズ基板の製造方法。
11. 前記堆積工程の後に、堆積された前記無機材料層表面を平坦化する工程をさらに含んでいる請求項９又は１０に記載のマイクロレンズ基板の製造方法。

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