JP2008281669A - 液晶装置、投射型表示装置、およびマイクロレンズ基板 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない部品点数で光の利用効率を向上することができる液晶装置、この液晶装置を用いた投射型表示装置、およびマイクロレンズ基板を提供すること。
【解決手段】液晶装置１００においては、複数の画素電極９ａが形成された素子基板１０と、画素電極９ａと対向するように配置された対向基板２０と、素子基板１０と対向基板２０との間に保持された液晶層５０とを有している。対向基板２０を構成する透光性基板２１には、入射光を各画素の透光領域に集光させるマイクロレンズ２７が形成され、素子基板１０を構成する透光性の支持基板１１には、透光領域から出射された光を平行光束化するマイクロレンズ１７が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロレンズを備えた液晶装置、この液晶装置を備えた投射型表示装置、およびマイクロレンズ基板に関するものである。

各種の液晶装置のうち、投射型表示装置では、各色に対応する複数の液晶装置をライトバルブとして備えており、複数の液晶装置に各々に所定色の光を入射させて光変調した後、合成し、しかる後に、投射光学系により拡大投射する。また、液晶装置では、複数の画素の各々に、表示に直接寄与する透光領域と、画素スイッチング素子などにより光が遮られてしまう非透光領域とが存在し、非透光領域に入射した光は表示に寄与しない。そこで、液晶装置において、光入射側に位置する対向基板よりさらに光入射側（光源側）に第１のマイクロレンズ基板を配置して入射光を透光領域に集光させる構成が採用されることが多い。また、光出射側に位置する素子基板よりさらに光出射側に第２のマイクロレンズ基板を配置して表示光を平行光束化した後、平行光束化した光を凸レンズにより収束光にして投射光学系に入射させる構成が提案されている（特許文献１参照）。
特開平６−７５２１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成においては、液晶パネルに用いた素子基板および対向基板に加えて、第１のマイクロレンズ基板および第２のマイクロレンズ基板を必要とするため、部品点数も多く、製造コストが嵩むという問題点もある。また、光源部からの光は、第１のマイクロレンズ基板、対向基板、素子基板、および第２のマイクロレンズ基板を透過する必要があるため、光の減衰が発生しやすく、光の利用効率が低下するという問題点もある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、少ない部品点数で光の利用効率を向上することができる液晶装置、この液晶装置を用いた投射型表示装置、およびマイクロレンズ基板を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、複数の画素の各々に画素電極および画素スイッチング素子を備えた光透過性の素子基板と、該素子基板に対向配置された光透過性の対向基板と、前記素子基板と前記対向基板との間に保持された液晶層とを有する液晶装置において、前記素子基板および前記対向基板のうち、光入射側に位置する一方の基板には、入射光を前記画素内の透光領域に集光させる第１のマイクロレンズが形成され、光出射側に位置する他方の基板には、前記透光領域からの出射光を平行光束化する第２のマイクロレンズが形成されていることを特徴とする。

本発明では、素子基板および対向基板のうち、光入射側に位置する一方の基板に形成した第１のマイクロレンズによって、入射光を画素内の透光領域に集光させる。また、光出射側に位置する他方の基板に形成した第２のマイクロレンズ基板により、透光領域から出射された光を平行光束化する。従って、光出射側に配置された光学素子を過大に大きくしなくても、透光領域から出射された光は漏れることなく光学素子に入射するので、光の利用効率を向上することができる。また、第１のマイクロレンズおよび第２のマイクロレンズは各々、素子基板および対向基板に形成さてれおり、素子基板および対向基板と別体のマイクロレンズ基板を用いる必要がない。それ故、部品点数が少なくてよいので、液晶装置の低コスト化を図ることができるとともに、薄型化を図ることもできる。また、光が入射してから出射されるまでの間に透過すべき基板の枚数が少ないので、光の減衰を防止でき、光の利用効率を向上することができる。

本発明において、前記一方の基板は、例えば前記対向基板であり、前記他方の基板は、例えば前記素子基板である。

本発明において、記第２のマイクロレンズに対してさらに光出射側には凸レンズが配置されていることが好ましい。かかる構成を採用すると、出射光をスクリーンなどの被投射面に投射表示する場合でも、投射光学系に入射する光束を凸レンズにより小径化できるので、投射光学系に用いる光学素子の小径化を図ることができる。

かかる構成の液晶装置は、各色に対応するライトバルブとして投射型表示装置に用いられる。この場合、投射型表示装置は、複数色に対応して前記液晶装置を複数備え、前記複数の液晶装置に各々に所定色の光を入射させる光源部と、前記液晶装置によって変調された複数の色光を合成する合成光学系と、該合成光学系から出射された合成光を拡大投射する投射光学系とを有している。

本発明において、前記第１のマイクロレンズおよび前記第２のマイクロレンズは各々、前記一方の基板および前記他方の基板に形成された複数のレンズ形状の凹部内の各々に、当該基板と異なる屈折率の透光性材料が充填されてなることが好ましい。この場合、前記第１のマイクロレンズおよび前記第２のマイクロレンズのうちの少なくとも一方では、前記透光性材料として、複数色のカラーフィルタ材が前記凹部内に充填されていることが好ましい。かかる構成の液晶装置では、前記第１のマイクロレンズ自身、あるいは前記第２のマイクロレンズ自身がカラーフィルタとして機能するので、液晶装置を１枚で投射型表示装置を構成することができる。かかる投射型表示装置は、前記液晶装置に白色光を入射させる光源部と、前記液晶装置によって変調された光を拡大投射する投射光学系とを有している。

また、本発明は、液晶装置に用いるマイクロレンズ基板を素子基板として構成することを特徴とする。すなわち、透光性基板の表面にレンズ形状を備えた複数の凹部が形成され、当該複数の凹部内の各々には、前記透光性基板と異なる屈折率を有する透光性材料が充填されたマイクロレンズ基板において、前記透光性基板には、複数の画素電極、および該画素電極の各々に電気的に接続された複数のスイッチング素子が形成されていることを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態を説明する。以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。

［実施の形態１］
（全体構成）
図１（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態１に係る液晶装置をその上に形成された各構成要素と共に対向基板の側から見た平面図、およびそのＨ−Ｈ′断面図である。図２は、本発明を適用した液晶装置の画像表示領域などの電気的な構成を示す等価回路図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示す液晶装置１００は、素子基板１０と、この素子基板１０に対向する対向基板２０とを備えており、対向基板２０の側から入射した光を変調して素子基板１０の側から出射する透過型の液晶装置である。素子基板１０と対向基板２０とは、シール材５２を介して貼り合わされて対向しており、シール材５２の内側領域では、素子基板１０と対向基板２０との間にＴＮ（Twisted Nematic）液晶などからなる液晶層５０が保持されている。シール材５２には、液晶注入口５２ａが形成されており、この液晶注入口５２ａは、液晶を注入した後、封止材５２ｂにより封止されている。対向基板２０には、シール材５２の内側に並行して額縁としての遮光層２５ｂが形成されており、その内側領域が画像表示領域１０ａとして利用される。

素子基板１０において、シール材５２の外側の領域には、データ線駆動回路１０１および実装パッド１０２が素子基板１０の一辺に沿って形成されており、この一辺に隣接する２辺に沿っては走査線駆動回路１０４が形成されている。実装パッド１０２からデータ線駆動回路１０１および走査線駆動回路１０４に向けては複数の配線１０９が延びている。素子基板１０には、実装パッド１０２を介してフレキシブル基板１０８が接続されている。素子基板１０の残る一辺には、画像表示領域１０ａの両側に設けられた走査線駆動回路１０４間を接続するための複数の配線１０５が形成され、対向基板２０の四隅には、素子基板１０と対向基板２０との間で電気的導通をとるための上下導通材１０６が形成されている。

素子基板１０において、画素表示領域１０ａには、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜などからなる複数の透光性の画素電極９ａがマトリクス状に形成されている。これに対して、対向基板２０の内面には、その略全面にＩＴＯ膜などからなる透光性の共通電極２６が形成されている。また、対向基板２０には、隣接する画素電極９ａの境界領域と対向する領域に、ブラックマトリクスあるいはブラックストライプなどと称せられる遮光層２５ａが形成されており、遮光層２５ａ、２５ｂは同時形成された遮光膜からなる。

また、詳しくは後述するが、対向基板２０には複数のマイクロレンズ２７（第１のマイクロレンズ）が形成され、素子基板１０には複数のマイクロレンズ１７（第２のマイクロレンズ）が形成されている。

図２に示すように、液晶装置１００の素子基板１０において、画像表示領域１０ａを構成するマトリクス状の複数の画素１００ａの各々には、画素電極９ａと、画素電極９ａをスイッチング制御するための画素トランジスタとしてのＭＯＳ型の電界効果型トランジスタ３０とが形成されている。また、画像表示領域１０ａには、画像信号を供給するための複数のデータ線６ａと、走査信号を供給するための複数の走査線３ａとが互いに交差する方向に延びており、データ線６ａはデータ線駆動回路１０１に接続され、走査線３ａは走査線駆動回路１０４に接続されている。電界効果型トランジスタ３０のソースにはデータ線６ａが接続し、電界効果型トランジスタ３０のゲートには走査線３ａが接続されている。画素電極９ａは、電界効果型トランジスタ３０のドレインに電気的に接続されており、電界効果型トランジスタ３０を一定期間だけそのオン状態とすることにより、データ線６ａから供給されるデータ信号を各画素１００ａに所定のタイミングで書き込む。そして、図１（ｂ）に示す画素電極９ａ、液晶層５０、および共通電極２６により構成された液晶容量５０ａに書き込まれた所定レベルの画素信号は一定期間保持される。

ここで、液晶容量５０ａに並列に蓄積容量７０が形成されており、蓄積容量７０によって、画素電極９ａの電圧は、例えば、ソース電圧が印加された時間よりも３桁も長い時間だけ保持される。これにより、電荷の保持特性は改善され、コントラスト比の高い表示を行うことのできる液晶装置１００を実現できる。本形態では、蓄積容量７０を構成するために、走査線３ａと並列するように容量線５ｂが形成されており、かかる容量線５ｂは共通電位線（ＣＯＭ）に接続され、所定の電位に保持されている。なお、蓄積容量７０は前段の走査線３ａとの間に形成される場合もある。

なお、液晶装置１００は、電源回路２０１、画像処理回路２０２およびタイミング発生回路２０３を備えており、これらの回路は、図１（ａ）、（ｂ）に示すフレキシブル基板１０８を介して素子基板１０に信号などを入力する。タイミング発生回路２０３では、各画素１００ａを駆動するためのドットクロックが生成され、このドットクロックに基づいて、クロック信号ＶＣＫ、ＨＣＫ、反転クロック信号ＶＣＫＢ、ＨＣＫＢ、転送開始パルスＨＳＰ、ＶＳＰが生成され、素子基板１０に供給される。画像処理回路２０２は、外部から入力画像データが入力されると、この入力画像データに基づいて画像信号を生成し、素子基板１０に供給する。電源回路２０１は、複数の電源ＶＤＤ、ＶＳＳ、ＶＨＨ、ＶＬＬを生成して素子基板１０に供給する。

（素子基板の具体的構成）
図３（ａ）、（ｂ）は各々、本発明を適用した液晶装置の素子基板において相隣接する画素の平面図、および画素内の透光領域を示す説明図である。図４は、図３（ａ）のＡ−Ａ′線に相当する位置で液晶装置１００を切断したときの断面図である。なお、図３（ａ）では、半導体層は細くて短い点線で示し、走査線３ａは太い実線で示し、データ線６ａおよびそれと同時形成された薄膜は一点鎖線で示し、容量線５ｂは二点鎖線で示し、画素電極９ａおよびそれと同時形成された薄膜は太くて長い点線で示し、後述する中継電極は細い実線で示してある。また、図３（ｂ）には、図３（ａ）に示す画素のうち、非透光領域には右下がりの斜線を付してある。

図３（ａ）に示すように、素子基板１０上には、複数の画素１００ａの各々に矩形状の画素電極９ａが形成されており、各画素電極９ａの縦横の境界に各々沿ってデータ線６ａおよび走査線３ａが形成されている。データ線６ａおよび走査線３ａは各々、直線的に延びている。また、データ線６ａと走査線３ａとが交差する領域に電界効果型トランジスタ３０が形成されている。また、素子基板１０上には、走査線３ａと重なるように容量線５ｂが形成されており、容量線５ｂは、走査線３ａと重なるように直線的に延びた主線部分と、データ線６ａと走査線３ａとの交差部分でデータ線６ａに重なるように延びた副線部分とを備えている。

図４に示すように、素子基板１０は、石英基板などの透光性材料からなる支持基板１１（透光性基板）を備えているとともに、支持基板１１において液晶層５０が位置する側の表面にはシリコン酸化膜などからなる下地絶縁膜１２が形成されている。また、支持基板１１において液晶層５０が位置する側の面には、画素電極９ａ、画素スイッチング用の電界効果型トランジスタ３０、および配向膜１６なども形成されている。

電界効果型トランジスタ３０は、例えば、ＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造を有しており、半導体層１ａには、走査線３ａに対してゲート絶縁層２を介して対向するチャネル領域１ａ′、低濃度ソース領域１ｂ、低濃度ドレイン領域１ｃ、高濃度ソース領域１ｄおよび高濃度ドレイン領域１ｅが形成されている。

半導体層１ａは、例えば、石英基板からなる支持基板１１上に下地絶縁膜１２を介して形成された単結晶シリコン層によって構成され、このような構成の素子基板１０は、石英基板と単結晶シリコン基板とが絶縁層を介して貼り合わされたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いることにより実現することができる。このようなＳＯＩ基板は、例えば、単結晶シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成した上で石英基板と貼り合わせる方法、あるいは石英基板と単結晶シリコン基板の双方にシリコン酸化膜を形成した上でシリコン酸化膜同士を接触させて貼り合わせる方法を採用できる。

走査線３ａの上層側には、高濃度ソース領域１ｄへ通じるコンタクトホール８２、および高濃度ドレイン領域１ｅへ通じるコンタクトホール８３を備えたシリコン酸化膜などからなる第１層間絶縁膜４１が形成されている。第１層間絶縁膜４１の上層には中継電極４ａ、４ｂが形成されている。中継電極４ａは、走査線３ａとデータ線６ａとの交差する位置を基点として走査線３ａおよびデータ線６ａに沿って延出する略Ｌ字型に形成されており、中継電極４ｂは、中継電極４ｂと離間した位置において、データ線６ａに沿うように形成されている。中継電極４ａは、コンタクトホール８３を介して高濃度ドレイン領域１ｅに電気的に接続され、中継電極４ｂは、コンタクトホール８２を介して高濃度ソース領域１ｄに電気的に接続されている。

中継電極４ａ、４ｂの上層側には、シリコン窒化膜などからなる誘電体膜４２が形成されている。誘電体膜４２の上層には、中継電極４ａと対向するように容量線５ｂが形成され、蓄積容量７０が形成されている。中継電極４ａ、４ｂは導電性のポリシリコン膜や金属膜等からなり、容量線５ｂは、導電性のポリシリコン膜、高融点金属を含む金属シリサイド膜、それらの積層膜、金属膜からなる。

容量線５ｂの上層側には、中継電極４ａへ通じるコンタクトホール８７、および中継電極４ｂへ通じるコンタクトホール８１を備えたシリコン酸化膜などからなる第２層間絶縁膜４３が形成されている。第２層間絶縁膜４３の上層にはデータ線６ａおよびドレイン電極６ｂが形成されている。データ線６ａはコンタクトホール８１を介して中継電極４ｂに電気的に接続し、中継電極４ｂを介して高濃度ソース領域１ｄに電気的に接続している。ドレイン電極６ｂはコンタクトホール８７を介して中継電極４ａに電気的に接続し、中継電極４ａを介して、高濃度ドレイン領域１ｅに電気的に接続している。データ線６ａおよびドレイン電極６ｂは、導電性のポリシリコン膜、高融点金属を含む金属シリサイド膜、それらの積層膜、金属膜からなる。

データ線６ａおよびドレイン電極６ｂの上層側には、ドレイン電極６ｂへ通じるコンタクトホール８６を備えたシリコン酸化膜などからなる第３層間絶縁膜４４が形成されている。第３層間絶縁膜４４の上層には画素電極９ａが形成されており、画素電極９ａは、コンタクトホール８６を介してドレイン電極６ｂに電気的に接続されている。画素電極９ａの上層には配向膜１６が形成されている。

このように構成した液晶装置１００では、図３（ｂ）に示すように、走査線３ａおよび容量線５ｂが形成されている第１の配線領域と、この第１の配線領域に対して交差する方向においてデータ線６ａが延びた第２の配線領域と、電界効果型トランジスタ３０および蓄積容量７０の形成領域と、遮光層２５ａの形成領域とによって、表示に直線寄与しない格子状の非透光領域１００ｆ（図３（ｂ）において、右下がりの斜線領域）が形成されており、この非透光領域１ｆで囲まれた領域が表示に直接寄与する透光領域１００ｅになっている。

また、図１（ｂ）および図４に示すように、本形態では、支持基板１１の表面（対向基板２０に対向する側の面）には、支持基板１１の光出射面（対向基板２０に対向する側と反対側の面）に向けて凹むレンズ形状の複数の凹部１１ａが画素電極９ａと重なる位置に形成されており、複数の凹部１１ａ内の各々には、支持基板１１より大きな屈折率を有する透光性材料が充填されることにより、マイクロレンズ１７（第２のマイクロレンズ）が複数、形成されている。

（対向基板の具体的構成）
図１（ｂ）および図４に示すように、対向基板２０は、石英基板などの透光性材料からなる透光性基板２１を有している。また、透光性基板２１の表面（素子基板１０に対向する側の面）には、対向基板２０の光入射面（素子基板１０に対向する側と反対側の面）に向けて凹むレンズ形状を備えた複数の凹部２１ａが画素電極９ａと重なる位置に形成されており、かかる凹部２１ａに被さるように、透光性のカバーガラス２４が接着剤層２３により接合されている。ここで、接着剤層２３は、透光性基板２１より大きな屈折率を有する透光性材料であって、複数の凹部２１ａ内の各々に充填されている。従って、対向基板２０において、透光性基板２１とカバーガラス２４との間には、凹部２１ａに接着剤層２３が充填されてなる複数のマイクロレンズ２７（第１のマイクロレンズ）が形成されている。このようにして、複数のマイクロレンズ１７と複数のマイクロレンズ２７は、互いにピッチが同じとなるように形成されており、互いが対向するように形成されている。

また、カバーガラス２４の表面（素子基板１０に対向する側の面）には、隣接する凹部２１ａの境界領域に沿って、ブラックマトリクスなどと称せられる遮光層２５ａが形成されている。従って、遮光層２５ａは、素子基板１０の画素電極９ａの境界領域に沿って形成されていることになる。遮光層２５ａは、額縁を構成する遮光層２５ｂと同時形成されたＭｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｃｒ（クロム）などの遮光膜からなる。

さらに、本形態において、カバーガラス２４の表面（素子基板１０に対向する側の面）には、遮光層２５ａの上層側にＩＴＯ膜などからなる共通電極２６が形成され、その上層側に配向膜２９が形成されている。

［投射型表示装置への適用例］
図５を参照して、本形態の液晶装置１００をライトバルブとして用いたプロジェクタ（投射型表示装置）を説明する。図５は、プロジェクタの概略構成図である。図５に示すプロジェクタ１１０は、観察者側に設けられたスクリーン１１１に光を照射し、このスクリーン１１１で反射した光を観察する、いわゆる投影型のプロジェクタである。そして、プロジェクタ１１０は、光源１１２、ダイクロイックミラー１１３、１１４、およびリレー系１２０などを備えた光源部１４０と、液晶ライトバルブ１１５〜１１７（液晶装置１００）と、クロスダイクロイックプリズム１１９（合成光学系）と、投射光学系１１８とを備えている。

光源１１２は、赤色光、緑色光および青色光を含む光を供給する超高圧水銀ランプで構成されている。ダイクロイックミラー１１３は、光源１１２からの赤色光を透過させると共に緑色光および青色光を反射する構成となっている。また、ダイクロイックミラー１１４は、ダイクロイックミラー１１３で反射された緑色光および青色光のうち青色光を透過させると共に緑色光を反射する構成となっている。このように、ダイクロイックミラー１１３、１１４は、光源１１２から出射した光を赤色光と緑色光と青色光とに分離する色分離光学系を構成する。

ここで、ダイクロイックミラー１１３と光源１１２との間には、インテグレータ１２１および偏光変換素子１２２が光源１１２から順に配置されている。インテグレータ１２１は、光源１１２から照射された光の照度分布を均一化する構成となっている。また、偏光変換素子１２２は、光源１１２からの光を例えばｓ偏光のような特定の振動方向を有する偏光にする構成となっている。

液晶ライトバルブ１１５は、ダイクロイックミラー１１３を透過して反射ミラー１２３で反射した赤色光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶装置（電気光学装置）である。液晶ライトバルブ１１５は、λ／２位相差板１１５ａ、第１偏光板１１５ｂ、液晶パネル１１５ｃおよび第２偏光板１１５ｄを備えている。ここで、液晶ライトバルブ１１５に入射する赤色光は、ダイクロイックミラー１１３を透過しても光の偏光は変化しないことから、ｓ偏光のままである。

λ／２位相差板１１５ａは、液晶ライトバルブ１１５に入射したｓ偏光をｐ偏光に変換する光学素子である。また、第１偏光板１１５ｂは、ｓ偏光を遮断してｐ偏光を透過させる偏光板である。そして、液晶パネル１１５ｃは、ｐ偏光を画像信号に応じた変調によってｓ偏光（中間調であれば円偏光又は楕円偏光）に変換する構成となっている。さらに、第２偏光板１１５ｄは、ｐ偏光を遮断してｓ偏光を透過させる偏光板である。したがって、液晶ライトバルブ１１５は、画像信号に応じて赤色光を変調し、変調した赤色光をクロスダイクロイックプリズム１１９に向けて射出する構成となっている。

なお、λ／２位相差板１１５ａおよび第１偏光板１１５ｂは、偏光を変換させない透光性のガラス板１１５ｅに接した状態で配置されており、λ／２位相差板１１５ａおよび第１偏光板１１５ｂが発熱によって歪むのを回避することができる。

液晶ライトバルブ１１６は、ダイクロイックミラー１１３で反射した後にダイクロイックミラー１１４で反射した緑色光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶装置である。そして、液晶ライトバルブ１１６は、液晶ライトバルブ１１５と同様に、第１偏光板１１６ｂ、液晶パネル１１６ｃおよび第２偏光板１１６ｄを備えている。液晶ライトバルブ１１６に入射する緑色光は、ダイクロイックミラー１１３、１１４で反射されて入射するｓ偏光である。第１偏光板１１６ｂは、ｐ偏光を遮断してｓ偏光を透過させる偏光板である。また、液晶パネル１１６ｃは、ｓ偏光を画像信号に応じた変調によってｐ偏光（中間調であれば円偏光又は楕円偏光）に変換する構成となっている。そして、第２偏光板１１６ｄは、ｓ偏光を遮断してｐ偏光を透過させる偏光板である。したがって、液晶ライトバルブ１１６は、画像信号に応じて緑色光を変調し、変調した緑色光をクロスダイクロイックプリズム１１９に向けて射出する構成となっている。

液晶ライトバルブ１１７は、ダイクロイックミラー１１３で反射し、ダイクロイックミラー１１４を透過した後でリレー系１２０を経た青色光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶装置である。そして、液晶ライトバルブ１１７は、液晶ライトバルブ１１５、１１６と同様に、λ／２位相差板１１７ａ、第１偏光板１１７ｂ、液晶パネル１１７ｃおよび第２偏光板１１７ｄを備えている。ここで、液晶ライトバルブ１１７に入射する青色光は、ダイクロイックミラー１１３で反射してダイクロイックミラー１１４を透過した後にリレー系１２０の後述する２つの反射ミラー１２５ａ、１２５ｂで反射することから、ｓ偏光となっている。

λ／２位相差板１１７ａは、液晶ライトバルブ１１７に入射したｓ偏光をｐ偏光に変換する光学素子である。また、第１偏光板１１７ｂは、ｓ偏光を遮断してｐ偏光を透過させる偏光板である。そして、液晶パネル１１７ｃは、ｐ偏光を画像信号に応じた変調によってｓ偏光（中間調であれば円偏光又は楕円偏光）に変換する構成となっている。さらに、第２偏光板１１７ｄは、ｐ偏光を遮断してｓ偏光を透過させる偏光板である。したがって、液晶ライトバルブ１１７は、画像信号に応じて青色光を変調し、変調した青色光をクロスダイクロイックプリズム１１９に向けて射出する構成となっている。なお、λ／２位相差板１１７ａおよび第１偏光板１１７ｂは、ガラス板１１７ｅに接した状態で配置されている。

リレー系１２０は、リレーレンズ１２４ａ、１２４ｂと反射ミラー１２５ａ、１２５ｂとを備えている。リレーレンズ１２４ａ、１２４ｂは、青色光の光路が長いことによる光損失を防止するために設けられている。ここで、リレーレンズ１２４ａは、ダイクロイックミラー１１４と反射ミラー１２５ａとの間に配置されている。また、リレーレンズ１２４ｂは、反射ミラー１２５ａ、１２５ｂの間に配置されている。反射ミラー１２５ａは、ダイクロイックミラー１１４を透過してリレーレンズ１２４ａから出射した青色光をリレーレンズ１２４ｂに向けて反射するように配置されている。また、反射ミラー１２５ｂは、リレーレンズ１２４ｂから出射した青色光を液晶ライトバルブ１１７に向けて反射するように配置されている。

クロスダイクロイックプリズム１１９は、２つのダイクロイック膜１１９ａ、１１９ｂをＸ字型に直交配置した色合成光学系である。ダイクロイック膜１１９ａは青色光を反射して緑色光を透過する膜であり、ダイクロイック膜１１９ｂは赤色光を反射して緑色光を透過する膜である。したがって、クロスダイクロイックプリズム１１９は、液晶ライトバルブ１１５〜１１７のそれぞれで変調された赤色光と緑色光と青色光とを合成し、投射光学系１１８に向けて射出するように構成されている。

なお、液晶ライトバルブ１１５、１１７からクロスダイクロイックプリズム１１９に入射する光はｓ偏光であり、液晶ライトバルブ１１６からクロスダイクロイックプリズム１１９に入射する光はｐ偏光である。このようにクロスダイクロイックプリズム１１９に入射する光を異なる種類の偏光としていることで、クロスダイクロイックプリズム１１９において各液晶ライトバルブ１１５〜１１７から入射する光を有効に合成できる。ここで、一般に、ダイクロイック膜１１９ａ、１１９ｂはｓ偏光の反射特性に優れている。このため、ダイクロイック膜１１９ａ、１１９ｂで反射される赤色光および青色光をｓ偏光とし、ダイクロイック膜１１９ａ、１１９ｂを透過する緑色光をｐ偏光としている。投射光学系１１８は、投影レンズ（図示略）を有しており、クロスダイクロイックプリズム１１９で合成された光をスクリーン１１１に投射するように構成されている。

（本形態の主な効果）
本形態のプロジェクタ１１０および液晶装置１００（液晶ライトバルブ１１５〜１１７）において、オン状態にある画素１００ａでは、図１（ｂ）に矢印Ｌ１で示すように、対向基板２０の光入射面（素子基板１０に対向する側と反対側の面）より平行光として入射した光は、図１（ｂ）に矢印Ｌ２で示すように、マイクロレンズ２７によって画素電極９ａ（透光領域１００ｅ）に向けて集光した後、画素領域１００ｅを透過して、素子基板１０から出射される。その際、複数のマイクロレンズ１７は各々、図１（ｂ）に矢印Ｌ３で示すように、画素領域１００ｅを透過した光を平行光束化して出射する。従って、図５を参照して説明したプロジェクタ１１０および液晶装置１００では、表示光が発散光として出射されないので、投射光学系１１８としては、サイズの小さなものを用いた場合でも、光の漏れが発生しない。それ故、本形態によれば、光の利用効率を向上することができる。また、画素領域１００ｅを透過した光は、平行光束化されているので、投射光学系１１８については光軸向に沿う任意の位置に配置することができる。

また、図１（ｂ）に示すように、本形態の液晶装置１００において、マイクロレンズ１７よりさらに出射側に凸レンズ１３０を配置すれば、投射光学系１１８としては、さらにサイズの小径のものを用いることができる。この場合でも、凸レンズ１３０には、マイクロレンズ１７によって平行光束化された光が入射するので、凸レンズ１３０としては小径のものを用いればよい。かかる凸レンズ１３０を配置するにあたっては、図１（ｂ）に示すように、素子基板１０に凸レンズ１３０を対向配置した構成、素子基板１０の出射面自身に凸レンズ１３０を形成した構成、クロスダイクロイックプリズム１１９の入射面に凸レンズ１３０を配置した構成、クロスダイクロイックプリズム１１９と投射光学系１１８との間に凸レンズ１３０を配置した構成を採用することができる。すなわち、画素領域１００ｅを透過した光は、平行光束化されているので、任意のＦ値を備えた凸レンズ１３０を光軸向に沿う任意の位置に配置することができる。

さらに、本形態では、マイクロレンズ１７、２７は各々、素子基板１０自身および対向基板２０自身に形成されており、素子基板１０および対向基板２０と別体のマイクロレンズ基板を用いる必要がない。それ故、部品点数が少なくてよいので、液晶装置１００の低コスト化を図ることができるとともに、薄型化を図ることもできる。

さらにまた、本形態において、表示光は、対向基板２０および素子基板１０とは別体のマイクロレンズ基板を透過する必要がないので、その分、表示光が透過しなければならない部材の数を減らすことができる。これにより、入射された外部光の減衰を低減することができ、液晶装置１００における光の利用効率を向上することができる。

（マイクロレンズ１７の製造方法）
図６は、本発明を適用した液晶装置１００の製造方法において、マイクロレンズ１７を備えた素子基板１０の製造方法を示す工程断面図である。

本形態の液晶装置１００において、マイクロレンズ１７を備えた素子基板１０を製造する際は、まず、基材形成工程において、レンズ形状の複数の凹部１１ａを備えた透光性の支持基板１１を形成する。それには、図６（ａ）に示すように、まず、石英基板などの透光性基板１１ｄを準備する。透光性基板１１ｄの厚さは、例えば、０．３〜５ｍｍ程度、好ましくは、０．２〜２ｍｍ程度である。ここで、透光性基板１１ｄが未加工の場合には、十分な平滑性を有していないことや、表面には微少な凹凸、傷等が存在することがあるので、透光性基板１１ｄの表面を研磨する。このような研磨は、酸化セリウムやコロイダルシリカ等の研磨材（砥粒）を用いて行う。研磨を行なった結果、透光性基板１１ｄの表面に加工変質層が生じた場合には、透光性基板１１ｄに対して、ウエットエッチング、ドライエッチング等のエッチング、逆スパッタリング、メカノケミカルポリッシュなどを行い、表面から０．１μｍ以上の深さまで透光性基板１１ｄの一部を除去することにより、加工変質層を除去する。加工変質層とは、研磨等の加工により、透光性基板２１ｄの表面に加えられた熱、応力等により、結晶状態の変化、相変態、残留応力等、透光性基板１１ｄの内部とは性質、特性等が異なっている層である。次に、図６（ｂ）に示すように、透光性基板１１ｄの表面および裏面に、化学気相成膜法（ＣＶＤ法）、スパッタリング法、蒸着法等の気相成膜法や、メッキなどの方法により、マスク層１８ａ、１８ｂを形成する。かかるマスク層１８ａ、１８ｂを構成する材料としては、例えば、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｕ／Ｔｉ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、シリコン（多結晶シリコン、アモルファスシリコン）、窒化シリコン膜などが挙げられる。このようなマスク層１８ａ、１８ｂを形成した際、前記の加工変質層を除去しておけば、透光性基板１１ｄとマスク層１８ａ、１８ｂとの間で比較的高い密着性が得ることができ、後述する透光性基板１１ｄに対するエッチング工程において、サイドエッチングの進行を抑制することができる。また、マスク層１８ａ、１８ｂをシリコンで構成した場合、マスク層１８ａ、１８ｂを緻密なものとすることができるとともに、透光性基板１１ｄに対して高い密着性を得ることができる。次に、図６（ｃ）に示すように、透光性基板１１ｄの表面側に形成したマスク層１８ａに複数の開口１８ｃを形成する。開口２８ｃは、図１（ｂ）および図４を参照して説明した凹部１１ａを形成する位置に設け、その形状は、円形であるなど、形成する凹部１１ａの形状に対応していることが好ましい。かかる開口１８ｃは、例えば、フォトリソグラフィ技術により、マスク層１８ａ、１８ｂ上にレジストマスク（図示せず）を形成した後、このレジストマスクの開口部からマスク層１８ａ、１８ｂにＣＦガス、塩素系ガス等を用いたドライエッチングや、フッ酸＋硝酸水溶液、アルカリ水溶液等を用いたウエットエッチングを行うことにより形成することができる。次に、図６（ｄ）に示すように、マスク層１８ａ、１８ｂの開口１８ｃから透光性基板１１ｄに対してエッチングを行い、透光性基板１１ｄ上にレンズ形状の複数の凹部１１ａを形成する。ここで行うエッチング方法としては、グリセリン、エチレングリコールなどの多価アルコールとフッ酸とを含有する水溶液（エッチング液）を用いたウエットエッチング法や、ドライエッチング法などが挙げられる。ウエットエッチング法によれば、理想的なレンズ形状に近い凹部１１ａを形成することができる。次に、図６（ｅ）に示すように、塩酸＋硝酸水溶液、アルカリ水溶液（例えばテトラメチル水酸化アンモニウム水溶液等）、フッ酸＋硝酸水溶液等を用いたウエットエッチング、あるいはＣＦガス、塩素系ガス等を用いたドライエッチングにより、マスク層１８ａ、１８ｂを除去し、レンズ形状を備えた複数の凹部１１ａを表面に備えた支持基板１１を得る。ここで、凹部１１ａは、その最大深さ（平均）をＤ、その開口半径（平均）をＲとしたとき、Ｒ／Ｄが０．８〜２．０程度であることが好ましく、０．９〜１．５程度であることがより好ましい。Ｒ／Ｄがこのような範囲内となるように凹部１１ａを形成すると、より理想的なレンズ形状を備えた凹部１１ａを形成できる。

次に、透光性液状材料充填工程においては、図６（ｆ）に示すように、複数の凹部１１ａ内の各々に対して、支持基板１１より屈折率の大きな透光性材料を充填した後、熱処理や紫外線照射などにより、凹部２１ａに充填した透光性液状物を固化させることにより、マイクロレンズ１７を形成する。透光性材料としては、透光性基板１１ｄより高い屈折率の樹脂材料（例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂などや、それらの前駆体を所定の溶媒に溶解、分散させた透光性液状物を用いる。次に、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置等を用いて、支持基板１１においてマイクロレンズ１７を形成した側の面を研磨することにより、表面を平坦化する。この結果、マイクロレンズ１７を複数有する支持基板１１を得ることができる。

次に、図６（ｇ）に示すように、支持基板１１において、マイクロレンズ１７を形成した側の面に対して、シリコン酸化膜などからなる下地絶縁膜１２を形成する。

次に、支持基板１１に対して下地絶縁膜１２を介して単結晶シリコン基板１を重ねた状態で熱処理を行い、支持基板１１に対して下地絶縁膜１２を介して単結晶シリコン基板１を接合し、図６（ｈ）に示すように、ＳＯＩ基板を形成する。その際、単結晶シリコン基板１において支持基板１１と接合される側の面にもシリコン酸化膜を形成しておいてもよい。また、単結晶シリコン基板１については、図４に示す半導体層１ａと同一の厚さの基板を用いてもよいが、半導体層１ａより厚い単結晶シリコン基板１を支持基板１１に接合した後、ＣＭＰ装置等を用いて、単結晶シリコン基板１を薄板化してもよい。

次に、フォトリソグラフィ技術を用いて単結晶シリコン基板１を所定形状にパターニングし、図６（ｉ）に示すように、半導体層１ａを形成する。しかる後には、成膜工程やパターニング工程などの半導体プロセスを行って、図４に示す電界効果型トランジスタ３０などを形成するが、かかる工程には周知の方法を適用できるので、説明を省略する。

（マイクロレンズ２７の製造方法）
図７は、本発明を適用した液晶装置１００の製造方法において、マイクロレンズ２７を備えた対向基板２０の製造方法を示す工程断面図である。なお、マイクロレンズ２７を備えた対向基板２０の製造方法は、図６を参照して説明した素子基板１０の製造方法と基本的な構成が共通するので、簡略に説明する。

本形態の液晶装置１００において、マイクロレンズ２７を備えた対向基板２０を製造する際は、まず、基材形成工程において、レンズ形状の複数の凹部２１ａが形成された透光性基板２１を準備する。それには、図７（ａ）に示すように、まず、石英基板などの透光性基板２１ｄを準備する。透光性基板２１ｄの厚さは、例えば、０．３〜５ｍｍ程度、好ましくは、０．２〜２ｍｍ程度である。次に、図７（ｂ）に示すように、透光性基板１１ｄの表面および裏面にマスク層２８ａ、２８ｂを形成した後、図７（ｃ）に示すように、透光性基板２１ｄの表面側に形成したマスク層２８ａに複数の開口２８ｃを形成する。開口２８ｃは、図１（ｂ）および図４を参照して説明した凹部２１ａを形成する位置に設け、その形状は、円形であるなど、形成する凹部２１ａの形状に対応していることが好ましい。次に、図７（ｄ）に示すように、マスク層２８ａ、２８ｂの開口２８ｃから透光性基板２１ｄに対してエッチングを行い、透光性基板２１ｄ上にレンズ形状の複数の凹部２１ａを形成する。本形態では、凹部２１ａの曲率は、素子基板１０に形成される凹部１１ａよりも大きくなるよう形成する。次に、図７（ｅ）に示すように、エッチング処理により、マスク層２８ａ、２８ｂを除去し、レンズ形状を備えた複数の凹部２１ａを表面に備えた透光性基板２１を得る。ここで、凹部２１ａは、その最大深さ（平均）をＤ、その開口半径（平均）をＲとしたとき、Ｒ／Ｄが０．８〜２．０程度であることが好ましく、０．９〜１．５程度であることがより好ましい。

次に、透光性液状材料充填工程においては、図７（ｆ）に示すように、透光性基板２１において、複数の凹部２１ａが形成されている側に、透光性基板２１より高い屈折率を有する接着剤層２３（透光性材料）を塗布し、接着剤層２３を凹部２１ａに充填するとともに、カバーガラス２４を被せ、接着剤層２３を固化させる。その結果、カバーガラス２４は接着剤層２３を介して接合される。カバーガラス２４については、接合後、研磨などを施して、厚さを調整してもよく、その厚さは、０．０２〜５mm程度が好ましく、０．５〜２mm程度がより好ましい。このようにして、凹部２１ａに充填された接着剤層２３により、マイクロレンズ２７が複数、形成される。

次に、図７（ｇ）に示すように、カバーガラス２４の表面に遮光膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いて遮光膜をパターニングし、隣接する凹部２１ａの境界に相当する領域に遮光層２５ａを形成する。しかる後には、図１（ｂ）および図４に示すように、遮光層２５ａの上層側に共通電極２６および配向膜２９を順次形成し、対向基板２０を得る。

［実施の形態２］
図８（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態２に係る液晶装置の断面図、およびこの液晶装置を１枚備えたプロジェクタの構成図であり、図８（ａ）は、図１（ａ）のＨ−Ｈ′断面図に相当する。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるので、共通する部分には同一の符号を付して図８（ａ）、（ｂ）に図示することにして、本形態の特徴部分のみを説明する。

図８（ａ）に示すように、本形態の液晶装置１００でも、実施の形態１と同様、光の入射側に配置された対向基板２０は、石英基板などの透光性材料からなる透光性基板２１を有しており、透光性基板２１の表面（素子基板１０に対向する側の面）には、対向基板２０の光入射面（素子基板１０に対向する側と反対側の面）に向けて凹むレンズ形状を備えた複数の凹部２１ａが画素電極９ａと重なる位置に形成されている。また、複数の凹部２１ａ内の各々には、透光性基板２１より大きな屈折率を有する透光性材料が充填されていることにより、複数のマイクロレンズ２７（第１のマイクロレンズ）が形成されている。また、透光性基板２１において、マイクロレンズ２７が形成されている側には、接着剤層２３ｘを介してカバーガラス２４が接合されている。

また、光の出射側に配置された素子基板１０は、石英基板などの透光性材料からなる支持基板１１を有しており、支持基板１１の表面（対向基板２０に対向する側の面）には、支持基板１１の光出射面（対向基板２０に対向する側と反対側の面）に向けて凹むレンズ形状の複数の凹部１１ａが画素電極９ａと重なる位置に形成されている。また、複数の凹部１１ａ内の各々には、支持基板１１より大きな屈折率を有する透光性材料が充填されていることにより、マイクロレンズ１７（第２のマイクロレンズ）が複数、形成されている。

ここで、複数のマイクロレンズ２７では、透光性材料として赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタ材２３（Ｒ）、２３（Ｇ）、２３（Ｂ）が充填されており、マイクロレンズ２７は各々が、カラーフィルタ機能付きのマイクロレンズ２７（Ｒ）、２７（Ｇ）、２７（Ｂ）として機能する。かかるカラーフィルタ機能付きのマイクロレンズ２７（Ｒ）、２７（Ｇ）、２７（Ｂ）を構成するには、例えば、図７（ｅ）に示すように、透光性基板２１に対してレンズ形状の複数の凹部２１ａを形成した後、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の液状のカラーフィルタ材２３（Ｒ）、２３（Ｇ）、２３（Ｂ）をインクジェット法などにより順次、充填した後、カラーフィルタ材２３（Ｒ）、２３（Ｇ）、２３（Ｂ）を固化させることにより形成することができる。

このように構成した液晶装置１００は、例えば、図８（ｂ）に示すように、１枚の液晶装置１００でカラー画像をスクリーン２１１投射表示するプロジェクタ２１０（投射型表示装置）に用いられる。すなわち、プロジェクタ２１０は、白色光源２１２、インテグレータ２２１および偏光変換素子２２２を備えた光源部２４０と、液晶装置１００と、投射光学系２１８とを備えている。なお、液晶装置１００には、第１偏光板２１６ａおよび第２偏光板２１６ｂが配置されている。

［実施の形態２の変形例］
上記実施の形態２では、対向基板２０に対して、カラーフィルタ機能付きのマイクロレンズ２７（Ｒ）、２７（Ｇ）、２７（Ｂ）を形成したが、素子基板１０に形成したマイクロレンズ１７をカラーフィルタ機能付きのマイクロレンズとして構成してもよい。かかるカラーフィルタ機能付きのマイクロレンズ２７を構成するには、例えば、図６（ｅ）に示すように、支持基板１１に対してレンズ形状の複数の凹部１１ａを形成した後、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の液状のカラーフィルタ材をインクジェット法などにより順次、充填した後、カラーフィルタ材を固化させることにより形成することができる。

［その他の実施の形態］
上記形態においては、対向基板２０（透光性基板２１）の光出射面側にマイクロレンズ２７を形成したが、対向基板２０の光入射面側にマイクロレンズ２７を形成してもよい。また、上記形態では、素子基板１０（支持基板１１）の光入射面側にマイクロレンズ１７を形成したが、素子基板１０の光出射面側にマイクロレンズ１７を形成してもよい。

また、上記形態では、対向基板２０を光入射側に配置し、素子基板１０を光出射側に配置したが、素子基板１０を光入射側に配置し、対向基板２０を光出射側に配置した液晶装置に本発明を適用してもよい。

さらに、上記形態では、半導体層１ａとして単結晶シリコン層を用いた液晶装置１００に本発明を適用した例を説明したが、半導体層１ａとして多結晶シリコン層あるいはアモルファスシリコン層を用いた液晶装置に本発明を適用してもよい。

（ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態１に係る液晶装置をその上に形成された各構成要素と共に対向基板の側から見た平面図、およびそのＨ−Ｈ′断面図である。 図１に示す液晶装置の画像表示領域などの電気的な構成を示す等価回路図である。 （ａ）、（ｂ）は各々、図１に示す液晶装置の素子基板において相隣接する画素の平面図、および画素内の透光領域を示す説明図である。 図３（ａ）のＡ−Ａ′線に相当する位置で液晶装置を切断したときの断面図である。 図１に示す液晶装置の製造方法において、マイクロレンズを備えた素子基板の製造方法を示す工程断面図である。 図１に示す液晶装置の製造方法において、マイクロレンズを備えた対向基板の製造方法を示す工程断面図である。 プロジェクタの構成図である。 （ａ）、（ｂ）は各々、本発明の実施の形態２に係る液晶装置の断面図、およびこの液晶装置を用いたプロジェクタの構成図である。

符号の説明

９ａ・・画素電極、１０・・素子基板、１１・・支持基板、１１ａ、２１ａ・・凹部、１７、２７・・マイクロレンズ、２０・・対向基板、３０・・電界効果型トランジスタ、５０・・液晶層、１００・・液晶装置

Claims (7)

1. 複数の画素の各々に画素電極および画素スイッチング素子を備えた光透過性の素子基板と、該素子基板に対向配置された光透過性の対向基板と、前記素子基板と前記対向基板との間に保持された液晶層とを有する液晶装置において、
   前記素子基板および前記対向基板のうち、光入射側に位置する一方の基板には、入射光を前記画素内の透光領域に集光させる第１のマイクロレンズが形成され、光出射側に位置する他方の基板には、前記透光領域からの出射光を平行光束化する第２のマイクロレンズが形成されていることを特徴とする液晶装置。
2. 前記一方の基板は前記対向基板であり、前記他方の基板は前記素子基板であることを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。
3. 前記第２のマイクロレンズに対してさらに光出射側には凸レンズが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶装置。
4. 前記第１のマイクロレンズおよび前記第２のマイクロレンズは各々、前記一方の基板および前記他方の基板に形成された複数のレンズ形状の凹部内の各々に、当該基板と異なる屈折率の透光性材料が充填されてなり、
   前記第１のマイクロレンズおよび前記第２のマイクロレンズのうちの少なくとも一方では、前記透光性材料として、複数色のカラーフィルタ材が前記凹部内に充填されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の液晶装置。
5. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の液晶装置を用いた投射型表示装置であって、
   複数色に対応して前記液晶装置を複数備え、
   前記複数の液晶装置に各々に所定色の光を入射させる光源部と、
   前記液晶装置によって光変調された複数の色光を合成する合成光学系と、
   該合成光学系から出射された合成光を拡大投射する投射光学系と、
   を有していることを特徴とする投射型表示装置。
6. 請求項４に記載の液晶装置を用いた投射型表示装置であって、
   前記液晶装置に白色光を入射させる光源部と、
   前記液晶装置によって光変調された光を拡大投射する投射光学系と、
   を有していることを特徴とする投射型表示装置。
7. 透光性基板の表面にレンズ形状を備えた複数の凹部が形成され、当該複数の凹部内の各々には、前記透光性基板と異なる屈折率を有する透光性材料が充填されたマイクロレンズ基板において、
   前記透光性基板には、さらに、複数の画素電極、および該複数の画素電極の各々に電気的に接続された複数のスイッチング素子が形成されていることを特徴とするマイクロレンズ基板。

Images