JP2008197523A - マイクロレンズ基板、そのマイクロレンズ基板を用いた液晶表示素子及び液晶プロジェクタ、並びにマイクロレンズ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ゾル‐ゲル法による製造方法を含んでマイクロレンズアレイのレンズ形成面に無機材料層を形成する場合において、無機材料層におけるクラックの発生を抑制する。
【解決手段】無機材料層８は、ゾル‐ゲル法により形成された塗布膜８ａが堆積法によって形成された堆積膜８ｂを間に挟んで積層されたものである。最上層は堆積膜８ｂであり、その表面はマイクロレンズアレイ６のレンズ形成面４とは反対側の面に平行な平坦面となっており、最上層の堆積膜８ｂの表面にブラックマトリックス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

本発明は、マイクロレンズ基板、そのマイクロレンズ基板を用いた液晶表示素子及び液晶プロジェクタ、並びにマイクロレンズ基板の製造方法に関する。

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、フォトレジスト層の表面を凸球面形状に形成する。その後、フォトレジスト層と透明基板とに対してエッチングを行い、フォトレジスト層表面に存在する凸球面形状を、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。

このような光学デバイスの製造方法では、フォトレジスト層に形成される凸球面形状が、フォトレジスト層の熱流動と表面張力に依存するので、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依存するから、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。

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されている（例えば、特許文献２参照。）。

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させようと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、レンズ形成面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。）。

図９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１０８とアクティブマトリックス基板１１４とがシール材１１０によって封入された液晶層１１２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１１４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１０８はマイクロレンズ基板１０３上の液晶層１１２側の面に、ブラックマトリクス１０４、透明電極１０６、配向膜１１６が順に形成されたものである。マイクロレンズ基板１０３は、透明基板上に複数のマイクロレンズが形成されたマイクロレンズアレイ１００とカバーガラス１０２とが接着剤層１０１を介して張り合わされた構成であり、カバーガラス１０２の接着剤層１０１と接する面に密着処理が施されている。

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。

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。

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。

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。

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。

そこで、マイクロレンズアレイのレンズ形状が形成されているレンズ形成面に表面が平坦化された無機材料層を形成することで、接着剤を介して透明基板を張り合わせることなくマイクロレンズ基板を構成する方法が本願出願人により提案されている（特許文献５を参照。）。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問題は生じないし、接合するための別の透明基板が不要になるためコストの低減が図れる。

マイクロレンズアレイのレンズ形成面に無機材料層を形成する方法として、堆積による方法と塗布による方法が挙げられる。堆積による方法とは、火焔堆積法、化学気相成長法又はスパッタリング法のいずれかの方法である。塗布による方法とはゾル‐ゲル法を用いた方法である。
マイクロレンズアレイのレンズ形成面上に無機材料層を形成しさらにその上面を平坦化するためには、無機材料層にある程度の厚みが必要である。堆積による方法のみである程度の厚みをもつ無機材料層を形成するには相当の時間を要し、コスト的に好ましくない。ゾル‐ゲル法を用いれば容易に膜厚の厚い無機材料層を形成することができ、堆積による方法よりもコスト的に有利である。
特開平５−１７３００３号公報 特願平６−０２１１１４号公報 特願平８−３２８００２号公報 特願平８−３２７９８６号公報 特開２００４−３１７８２７号公報 Izawa.T., Kobayashi.S., Sudo.S. and Hanawa.F. "Continuous Fabrication of High Silica fiber Preform", IOOC '77, C1-1, 1977 Koenings.J. et al. "Deposition of SiO2 with Low Impurity Content by Oxidation of SiCl4 in a Nonthermal Plasma", Chemical Vaper Deposition, Fifth International Conference, 1975

しかし、ゾル‐ゲル法である程度の膜厚をもつ無機材料層を形成する場合、無機材料層を厚膜化する際に無機材料層にクラックが生じることのあることがわかった。
ゾル‐ゲル法では、ゾル溶液をゲル化（焼成）する際に塗布したゾル溶液が収縮することが知られており、その収縮によってゲル化後に形成された塗布膜の内部に応力が発生する。塗布膜の内部応力は、塗布膜の膜厚が厚いほど強大になる。ゾル‐ゲル法によって膜厚の厚い無機材料層を形成する場合は、一定膜厚の塗布膜を順に形成して積層していくことで塗布膜を厚膜化することが一般的である。この厚膜化工程において積層された塗布膜は一体化し、一層の厚い塗布膜となる。この状態で焼成を行なって塗布膜に収縮が起こると、塗布膜の内部応力は強大なものとなり、その内部応力が塗布膜の破断強度を超えるとクラックが発生する。無機材料層はマイクロレンズアレイのレンズ形成面を被うものであり製品の光学特性に大きく影響するため、無機材料層におけるクラックは光学素子としての致命的な欠陥となる。

そこで本発明は、ゾル‐ゲル法による製造法を含んでマイクロレンズアレイのレンズ形成面に無機材料層を形成する場合において、無機材料層におけるクラックの発生を抑制することを目的とするものである。

本発明にかかるマイクロレンズ基板は、無機材料からなる透明基板の表面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面を有するマイクロレンズアレイと、レンズ形成面上に形成され、マイクロレンズアレイとは異なる屈折率をもち、上面が平坦化された無機材料層と、で構成されたマイクロレンズ基板であって、無機材料層は堆積膜を間に挟んで積層された２層以上の塗布膜を含んでいることを特徴とするものである。
本発明にかかるマイクロレンズ基板の製造方法は上記のマイクロレンズ基板を製造する方法である。すなわち本発明のマイクロレンズ基板の製造方法は、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面を有するマイクロレンズアレイを形成し、形成した前記マイクロレンズアレイのレンズ形成面上に無機材料層を形成するマイクロレンズ基板の製造方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｃ）を少なくとも含んでいる。
（ａ）マイクロレンズアレイのレンズ形成面の表面に無機材料のゾル溶液を塗布し、そのゾル溶液をゲル化させて塗布膜を形成する工程、
（ｂ）塗布膜上に堆積法により無機材料からなる堆積膜を形成する工程、及び
（ｃ）堆積膜上に無機材料のゾル溶液を塗布し、そのゾル溶液をゲル化させて塗布膜をさらに形成する工程。

上記の製造方法により製造されたマイクロレンズ基板は、無機材料層の形成時において、無機材料のゾル溶液を塗布してゲル化する際の塗布膜一層あたりの膜厚が薄くなり、塗布膜の内部に発生する応力が小さくなる。これにより、クラックの発生が抑制される。したがって、本発明のマイクロレンズ基板は製造段階での無機材料層におけるクラックの発生頻度が低下し、歩留まり及び信頼性が向上する。

本発明のマイクロレンズ基板の製造方法では、上記工程（ｂ）と（ｃ）を複数回繰り返すことで、無機材料層におけるクラック発生のリスクを高めることなく無機材料層を厚膜化することができる。

なお、ゾル‐ゲル法によって形成した塗布膜の内部には応力が蓄積することが知られている。製品化された後、急激な温度変化を繰り返す環境下での使用により、塗布膜に蓄積された応力が原因となってクラックが発生することも考えられる。内部応力は蓄積されている層の他層との接合面側に引っ張られる方向に作用する。塗布膜が無機材料層の最上層となっていると、内部応力は他層との接合面とはなっていない上面方向には働かないため、不均一な方向に内部応力が発生しクラックが発生しやすくなる。
そこで、無機材料層の最上層に堆積膜を形成することが好ましい。そうすれば、全ての塗布膜の上面が他層との接合面となるため、発生する内部応力が均一化され、クラックの発生を防止することができる。

上記の工程（ａ）又は（ｃ）において用いるゾル溶液は、その工程で形成する塗布膜の膜厚よりも小さい直径をもち、かつ該塗布膜と屈折率の等しい微粒子を含んだものであってもよい。
ここでの「微粒子」とは、その微粒子を含んだゾル溶液をゲル化することで形成する塗布膜の表面形状に影響を与えない程度の大きさのものである。そのような微粒子をゾル溶液に含ませることで、微粒子はゾル溶液のゲル化の際も収縮しないので、ゾル溶液全体の収縮率が低下し、ゲル化時のゾル溶液の内部応力が小さくなって、クラックが発生しにくくなる。

なお、本発明のマイクロレンズ基板の製造方法における堆積法として以下の３方法を挙げることができる。

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。

（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ＳｉＣｌ₄、屈折率を制御するために必要なドーパントとしてＧｅＣｌ₄などをＨ₂、Ｏ₂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、ＳＯＣｌ₂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。

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。）。

（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。

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。

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。

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ＳｉＯ₂膜が生成する。
また、ＳｉＨ₄ガスを導入することでも同様にＳｉＯ₂膜を成膜することが可能である。

反応性ガスの種類は、成膜するＳｉＯ₂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、Novellus社製ＣＶＤ装置では、ＴＥＯＳ＝０.２０μｍ／分、ＳｉＨ₄＝０.２０〜０.６０μｍ／分、Applied Materials社製ＰＥＣＶＤ装置では、ＳｉＨ₄＝０.８９μｍ／分である。

屈折率を変更する場合には、ＴＥＯＳガスやＳｉＨ₄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ＳｉＯ₂中のＴｉＯ₂量を調整し屈折率を調整することができる。

３．スパッタリング法、蒸着法：
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。

また、本発明のマイクロレンズ基板においては、マイクロレンズアレイ材料はガラスであり、堆積膜又は塗布膜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により構成されていてもよい。

無機材料層を構成する各層を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により構成すれば、原材料の混合比によって屈折率が変更可能である。そのようなシリコン酸化物と他の金属酸化物との混合物からなる層は、例えば、ＳｉＯ₂の成膜時に微量に屈折率変更材料、例えばＴｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅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。
無機材料層を構成する各層は互いに屈折率が等しくなっていてもよいし、異なっていても良い。
屈折率が同じ複数層が積層される場合には、同じ材料を複数回積層する場合もあるし、屈折率は同じだが積層方法が異なる層を形成することも可能である。また、同じ材料を複数回積層する間に積層方法の異なる層を形成する場合も可能である。例えば、１層目と３層目等の奇数番目の層が塗布法で形成されるＳｉＯ₂層で、その間に挟む２層目と４層目等の偶数層が堆積による方法によって形成される薄膜材料で形成された構成のものである。
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ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の混合膜で、ＴｉＯ₂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ＳｉＯ₂膜となっているような構成のものである。
また、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。
もちろん、無機材料層の屈折率は、マイクロレンズアレイ材料との屈折率の関係で決定されるものであり、マイクロレンズアレイ材料の屈折率が相対的に高い場合は、無機材料層の屈折率は低くてよい。屈折率が低い場合は、ＴｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅などの単体又は複合材料、を混合しない場合もある。

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ＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₃の混合膜、２層目がＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の混合膜、３層目がＳｉＯ₂層となっているような構成のものである。

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。

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マイクロレンズ基板を得ることができる。
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や、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る。

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。

本発明の液晶表示素子は、アクティブマトリックス基板と対向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であって、対向基板は本発明のマイクロレンズ基板の無機材料層の平坦化された表面に配向膜及び透明電極層が形成され、配向膜と透明電極層が液晶層と接するように配置されていることを特徴としている。

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、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。

本発明にかかるマイクロレンズ基板及びその製造方法では、マイクロレンズアレイのレンズ形成面上の無機材料層を、堆積法による堆積膜を間に挟んでゾル‐ゲル法による２層以上の塗布膜を積層することで形成しているので、塗布膜のゲル化の際に、塗布膜一層あたりの膜厚が薄くなって塗布膜の内部応力が小さくなり、クラックの発生が抑制される。これにより、製造段階での無機材料層におけるクラック発生の頻度を低下させ、マイクロレンズ基板の信頼性及び歩留まりの向上を図ることができる。

本発明の液晶表示素子及び液晶プロジェクタは本発明のマイクロレンズ基板を用いて構成されているので、高い信頼性を得ることができる。

図１を参照しながら本発明のマイクロレンズ基板及び液晶表示素子の一実施例を説明する。
図１は一実施例の液晶表示素子を示す図であり、（Ａ）はその断面図、（Ｂ）は（Ａ）の破線円Ｘで囲まれた部分の拡大図である。
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。

対向基板１８はマイクロレンズ基板１０のレンズ形成面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、無機材料で構成され、一方の面がレンズ形成面となっており、その反対側の面が平坦面となっているマイクロレンズアレイ６と、マイクロレンズアレイ６のレンズ形成面（図では下面）を被うように形成された無機材料層８とで構成されている。

無機材料層８は、図１（Ｂ）に示されているように、ゾル‐ゲル法により形成された塗布膜８ａが堆積法によって形成された堆積膜８ｂを介して積層されたものである。最上層は堆積膜８ｂであり、その表面はマイクロレンズアレイ６のレンズ形成面４とは反対側の面に平行な平坦面となっており、最上層の堆積膜８ｂ上にブラックマトリックス１２、透明電極１４及び配向膜１６が形成されている。

マイクロレンズアレイ６のレンズ形成面の各レンズ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り、各レンズ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、マイクロレンズアレイ６のレンズ形成面の各レンズ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。

マイクロレンズアレイ６のレンズ形成面の各レンズの平面パターンが、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。

[実施例１]
マイクロレンズ基板の製造方法の一実施例を説明する。
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（パターニング後に行なう焼成後は８.９μｍに変化した）。

次に、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。

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。

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。

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に設定して熱可撓性材料３２のパターンをネオセラム基板２に転写したところ、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２０μｍピッチで形成することができ、マイクロレンズアレイ６を得ることができた（図２（ｃ）を参照。）。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、Ｏ₂：１.８ｓｃｃＭ（経時的に変更し時間と共に減少させる。）、ＣＨＦ₃：２５.０ｓｃｃＭ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。

次いで、このマイクロレンズアレイ６のレンズ形成面上にゾル‐ゲル法によって、塗布膜（屈折率：１.４００）８ａを形成した（図３（ａ）を参照。）。本実施例では、無機材料であるＳｉＯ₂又はＴｉＯ₂のゾル溶液をスピンコートした後、プリベークと焼成を順に行った。プリベークはホットプレートを用い、設定温度９０℃として１２０秒間実施した。また、焼成はオーブンを用い、２５０℃で３０分間とした。結果として、マイクロレンズアレイ６のマイクロレンズの形成されていない平坦部上で膜厚２.０μｍの塗布膜８ａが成膜できた。

なお、無機材料のゾル溶液に、その無機材料と屈折率の等しい、ＳｉＯ₂やＴｉＯ₂等の微粒子を混合しておくことで、焼成時のゾル溶液の収縮率が低下して内部応力が緩和されて、塗布膜８ａにクラックが入りにくくなる。この場合の微粒子の大きさは、塗布膜８ａの表面形状に影響を与えない程度の大きさであり、直径が塗布膜８ａの膜厚以下、ここでは２.０μｍ以下である。

塗布膜８ａ上にＣＶＤ法によって、堆積膜としてＳｉＯ₂層（屈折率：１.４５２）８ｂを成膜した（図３（ｂ）を参照。）。本実施例では、ＣＶＤ法はＮｏｖｅｌｌｕｓ社製プラズマＣＶＤ装置にＴＥＯＳガスを導入し、マイクロレンズアレイ６を３５０℃に加熱しながらプラズマ中で処理した。塗布膜８ａの表面上にはＴＥＯＳガスが化学反応で分解しＳｉＯ₂膜が生成する。本実施例では、ＳｉＯ₂膜を０.４μｍ／分の成膜速度で約１．２５分間成膜した。結果として、０.５μｍのＳｉＯ₂膜８ｂが塗布膜８ａ上に成膜できた。

なお、堆積膜８ｂは、火焔堆積法、スパッタ法や蒸着法によって形成することもできる。
スパッタ法を用いる方法として、例えばＵＬＶＡＣ社製スパッタ装置にアルゴンガスを導入し、基板（マイクロレンズアレイ６）を１５０℃に加熱しながらプラズマ中で処理した。そうすることで、塗布膜８ａの表面上にＳｉＯ₂膜が生成した。この実施例では、ＳｉＯ₂膜を０.０２μｍ／分の成膜速度で約１０分間成膜した結果、０.２μｍのＳｉＯ₂膜８ｂが塗布膜８ａ上に成膜できた。
また、蒸着法用いる方法として、例えば昭和真空社製蒸着装置を用い、基板（マイクロレンズアレイ６）を１５０℃に加熱しながら成膜を行なうことで、塗布膜形成面の表面上にＳｉＯ₂膜が生成した。この方法では、ＳｉＯ₂膜を０.０１５μｍ／分の成膜速度で約２０分間成膜した結果、０.３μｍのＳｉＯ₂膜８ｂが塗布膜８ａ上に成膜できた。

堆積膜８ｂ上にゾル‐ゲル法によってさらに塗布膜８ａを形成することで、無機材料層を厚膜化することができる。この実施例では、堆積膜８ｂを介して塗布膜８ａを１０層積層した結果、厚さ２０μｍの無機材料層８を形成することができた。塗布膜と堆積膜を積層していくにしたがって、各層の表面のマイクロレンズアレイ６のレンズ形成面の凸形状による「表面盛り上がり」が徐々に小さくなり、最終的に無機材料層８の最上層の表面は平坦面となっている。このような場合には、無機材料層８の表面をＣＭＰ（化学的機械的研磨）等の研磨処理を施して平坦化する必要がない。なお、無機材料層の表面が完全な平坦面となっていない場合には、ＣＭＰ処理によって無機材料層の表面を完全に平坦化することが好ましい。

なお、この実施例では塗布膜８ａを堆積膜８ｂを介して１０層積層しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、積層数は無機材料層８の膜厚に応じて決定されるものである。
２層の塗布膜８ａを積層した例の断面図を図４（Ａ），（Ｂ）に示す。この例では、無機材料層８の最上層の表面にマイクロレンズアレイ６のレンズ形成面の凸形状による「表面盛り上がり」があるため、ＣＭＰ処理を施して平坦化している。（Ａ）では、最上層である堆積膜８ｂを少し厚めに形成しておき、その表面を平坦化している。（Ｂ）では、最上層の堆積膜８ｂを形成する前に塗布膜８ａの表面を平坦化している。
また、本実施例では、無機材料層８の最上層に堆積膜８ｂが形成されているが、最上層は塗布膜８ａであってもよい。

[実施例２]
マイクロレンズ基板の製造方法の他の実施例を説明する。
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（図５（ａ）を参照。）。

この後、型５１を剥離すると、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（図５（ｂ）を参照。）。
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５０とする（図５（ｃ）を参照。）。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２０μｍピッチで形成することができた。

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、Ｏ₂：３.０ｓｃｃＭ（経時的変更し時間と共に減少させている）、ＣＨＦ₃：１５.０ｓｃｃＭ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。

次いで、マイクロレンズアレイ５０のレンズ形成面上にゾル‐ゲル法によって、塗布膜（屈折率：１.６００）８ｃを形成した（図６（ａ）を参照。）。塗布膜８ｃの形成は、無機材料であるＳｉＯ₂又はＴｉＯ₂のゾル溶液をスピンコートした後、プリベークと焼成を順に行った。この塗布膜形成工程において、プリベークではホットプレートを用い、設定温度を９０℃として１２０秒間実施した。焼成ではオーブンを用い、２５０℃で３０分間実施した。その結果、マイクロレンズアレイの平坦部で２.０μｍの膜厚を有する塗布膜８ｃが成膜できた。

なお、無機材料のゾル溶液に、その無機材料と屈折率の等しい、ＳｉＯ₂やＴｉＯ₂等の微粒子を混合しておくことで、焼成時のゾル溶液の収縮率が低下して内部応力が緩和され、塗布膜８ｃにクラックが入りにくくなる。この場合の微粒子の大きさは、塗布膜８ｃの表面形状に影響を与えない程度の大きさであり、直径が塗布膜８ａの膜厚以下、ここでは２.０μｍ以下である。

さらに、塗布膜８ｃ上にＣＶＤ法によって、堆積膜としてＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の混合膜８ｄ（（ＳｉＯ₂＋ＴｉＯ₂）膜と表記する。）（屈折率：１.５６）を成膜した（図６（ｂ）を参照。）。この堆積膜形成工程では、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５０を３５０℃に加熱しながらプラズマ中で処理することにより、塗布膜１１の表面にＴＥＯＳガスとチタンエトキシドガスが化学反応で分解して（ＳｉＯ₂＋ＴｉＯ₂）膜８ｄが生成した。この実施例では、（ＳｉＯ₂＋ＴｉＯ₂）膜を０.３６μｍ／分の成膜速度で約１.４分間成膜した結果、０.５μｍの（ＳｉＯ₂＋ＴｉＯ₂）膜８ｄを塗布膜８ｃ上に成膜できた。この堆積膜８ｄの成膜において、最初の１.２分間はＴＥＯＳガスとチタンエトキシドガスを導入して（ＳｉＯ₂＋ＴｉＯ₂）膜を成膜し、残りの０.２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ＳｉＯ₂膜を成膜した。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堆積膜８ｄが製作できた。なお、堆積膜８ｄは実際には膜厚方向に組成が変化しているが、図では単層として表示している。

堆積膜８ｄ上にゾル‐ゲル法によってさらに塗布膜８ｃを形成することで、無機材料層を厚膜化することができる。この実施例では、堆積膜８ｄを介して塗布膜８ｃを１０層積層した結果、厚さ２０μｍの無機材料層８’を形成することができた。塗布膜８ｃと堆積膜８ｄを積層していくにしたがって、各層の表面のマイクロレンズアレイ６のレンズの凹形状外周部に形成された凸形状による「表面盛り上がり」が徐々に小さくなり、最終的に無機材料層８’の最上層の表面は平坦化されている。このような場合には、無機材料層８’の表面をＣＭＰ処理によって平坦化しなくてもよい。無機材料層８’の表面が完全な平坦面となっていない場合には、ＣＭＰ処理によって無機材料層の表面を完全に平坦化することが好ましい。

なお、この実施例では塗布膜８ｃを堆積膜８ｄを介して１０層積層しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、積層数は無機材料層８’の膜厚に応じて決定されるものである。
２層の塗布膜８ｃを積層した例の断面図を図７（Ａ），（Ｂ）に示す。この例では、マイクロレンズアレイ６のレンズの凹形状外周部に形成された凸形状による「表面盛り上がり」があるため、ＣＭＰ処理を施して平坦化している。（Ａ）では、最上層である堆積膜８ｄを少し厚めに形成しておき、その表面を平坦化している。（Ｂ）では、最上層の堆積膜８ｄを形成する前に塗布膜８ｃの表面を平坦化している。
また、本実施例では、無機材料層８の最上層に堆積膜８ｂが形成されているが、最上層は塗布膜８ｃであってもよい。

図８は液晶プロジェクタの一実施例を示す概略構成図である。
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。

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。

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。

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。

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。

本発明の液晶表示素子の一実施例を示す断面図である。 マイクロレンズ基板の製造方法の一実施例を説明するための工程断面図である。 図２の続きを示す工程断面図である。 同実施例の変形例を示す断面図である。 マイクロレンズ基板の製造方法の他の実施例を説明するための工程断面図である。 図５の続きを示す工程断面図である。 同実施例の変形例を示す断面図である。 液晶プロジェクタの一実施例を示す概略構成図である。 従来の液晶表示素子の構成の一例を示す断面図である。

符号の説明

２，２ａ 透明基板
６，６ａ マイクロレンズアレイ
８，８’ 無機材料層
８ａ，８ｃ 塗布膜
８ｂ，８ｄ 堆積膜
１０ マイクロレンズ基板
１２ ブラックマトリックス
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，１２３ｃ 液晶表示素子
１２４ 投影レンズ

Claims (15)

1. 無機材料からなる透明基板の表面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面を有するマイクロレンズアレイと、前記レンズ形成面上に形成され、前記マイクロレンズアレイとは異なる屈折率をもち、上面が平坦化された無機材料層と、で構成されたマイクロレンズ基板において、
   前記無機材料層は堆積膜を間に挟んで積層された２層以上の塗布膜を含んでいることを特徴とするマイクロレンズ基板。
2. 前記無機材料層は最上層に堆積膜を備えている請求項１に記載のマイクロレンズ基板。
3. 前記マイクロレンズアレイ材料はガラスであり、前記塗布膜及び堆積膜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により構成されている請求項１又は２に記載のマイクロレンズ基板。
4. 少なくとも１つの前記塗布膜は、該塗布膜を構成する無機材料と屈折率が等しく、該塗布膜の膜厚よりも小さい直径をもつ微粒子を含む請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロレンズ基板。
5. 互いに接する少なくとも一組の前記塗布膜と堆積膜は屈折率が異なっている請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロレンズ基板。
6. 互いに接する少なくとも一組の前記塗布膜と堆積膜は屈折率が等しい請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロレンズ基板。
7. 前記塗布膜及び堆積膜の線膨張係数と前記マイクロレンズアレイの線膨張係数との差は１０倍以内である請求項１から６のいずれか一項に記載のマイクロレンズ基板。
8. 前記マイクロレンズアレイの前記レンズ形成面のレンズは凸面状又は凹面状に形成され、その形状は球面もしくは非球面からなる曲面又は円錐形状である請求項１から７のいずれか一項に記載のマイクロレンズ基板。
9. アクティブマトリックス基板と対向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、
   前記対向基板は請求項１から８のいずれか一項に記載のマイクロレンズ基板の無機材料層の平坦化された表面に配向膜及び透明電極層が形成されたものであり、配向膜と透明電極層が液晶層に接するように配置されていることを特徴とする液晶表示素子。
10. 光源からの光を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９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。
11. 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面を有するマイクロレンズアレイを形成し、形成した前記マイクロレンズアレイのレンズ形成面上に無機材料層を形成するマイクロレンズ基板の製造方法において、以下の工程（ａ）〜（ｃ）を少なくとも含むことを特徴とするマイクロレンズ基板の製造方法。
    （ａ）前記マイクロレンズアレイのレンズ形成面の表面に無機材料のゾル溶液を塗布し、そのゾル溶液をゲル化させて塗布膜を形成する工程、
    （ｂ）前記塗布膜上に堆積法により無機材料からなる堆積膜を形成する工程、及び
    （ｃ）前記堆積膜上に無機材料のゾル溶液を塗布し、そのゾル溶液をゲル化させて塗布膜をさらに形成する工程。
12. 前記工程（ｂ）及び（ｃ）を複数回繰り返す請求項１１に記載のマイクロレンズ基板の製造方法。
13. 前記無機材料層の最上層として堆積膜を形成する請求項１１又は１２に記載のマイクロレンズ基板の製造方法。
14. 前記工程（ａ）又は（ｃ）において用いるゾル溶液は、その工程で形成する塗布膜の膜厚よりも小さい直径をもち、かつ該塗布膜と屈折率の等しい微粒子を含んだものである請求項１１から１３のいずれか一項に記載のマイクロレンズ基板の製造方法。
15. 前記堆積法は、火焔堆積法、化学気相成長法、スパッタリング法及び蒸着法のいずれかの方法である請求項１１から１４のいずれか一項に記載のマイクロレンズ基板の製造方法。

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