JP2009251559A - Optical element, preparation method of optical element and projection type display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光学素子、光学素子の作製方法及び投影型表示装置に関し、詳細には光の出射角を制御し、強度分布を均一化するテーパロッドアレイ構造を有する光学素子に関する。 The present invention relates to an optical element, a method for manufacturing the optical element, and a projection display device, and more particularly to an optical element having a tapered rod array structure that controls the light emission angle and uniformizes the intensity distribution.
近年、LCD(Liquid Crystal Display)、DMD(Digital Micro-mirror Device)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)などの空間光変調器を用いたプロジェクタの開発が盛んに行われている。特に、小型で可搬性が高く低価格なプロジェクタの開発が急速に進められている。小型化を図る上で、光源として従来のようなハロゲンランプあるいは高圧水銀ランプに変わり、発光ダイオード(Light Emitting Diode(以下、LEDと略す))または半導体レーザといった固体光源を用いる構成が数多く提案されて来た。 In recent years, projectors using spatial light modulators such as LCD (Liquid Crystal Display), DMD (Digital Micro-mirror Device), and LCOS (Liquid Crystal On Silicon) have been actively developed. In particular, the development of a compact, highly portable, and low-priced projector is being promoted rapidly. In order to achieve miniaturization, many configurations have been proposed in which solid-state light sources such as light emitting diodes (LEDs) or semiconductor lasers are used as light sources instead of conventional halogen lamps or high-pressure mercury lamps. I came.
また、小型化が可能な照明装置の構成として、光を多重反射させ均質化するロッドインテグレータまたは、テーパロッド(光入射側の面積に対し、出射側の面積が大きくなっている導光素子)を用いるものが多く提案されている。特に、テーパロッドでは入射光の均質化とコリメート化を同時に行うことができ、また均質化、コリメート化を行うのに必要な光の伝播距離も短いため、小型化・低価格化に適している。しかし、テーパロッドで十分光をコリメートするためには、一般的に数十mmの長いテーパ形状を必要とするため、小型化するには課題がある。 In addition, as a configuration of an illuminating device that can be miniaturized, a rod integrator that multi-reflects and homogenizes light or a taper rod (light guide element having a larger area on the light exit side than the area on the light incident side) is used. Many things have been proposed. In particular, the tapered rod can make the incident light uniform and collimated at the same time, and the light propagation distance necessary for homogenization and collimation is short, so it is suitable for downsizing and cost reduction. However, in order to sufficiently collimate light with a taper rod, a long taper shape of several tens of mm is generally required, so there is a problem in miniaturization.
より小型化を達成する手段としては、1つのテーパロッドでは無く、複数のテーパロッドをアレイ状に配置する構成が提案されている。例えば特許文献1には、赤色、緑色、青色(以下、赤色をR、緑色をG、青色をBと略記する)の各色光を出射可能な複数のLEDが平面状または曲面状に配列されたLEDアレイと、LEDアレイの各LEDから出射される各色光の照度を均一化するための複数のロッドレンズが平面状または曲面状に配列されたロッドレンズアレイと、ロッドレンズアレイから出射される光の偏光変換を行う偏光ビームスプリッタアレイ(以下、PBSアレイと略す)と、PBSアレイから出射される各色光を変調して画像を合成する液晶ライトバルブと、液晶ライトバルブによって合成された画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズとから構成されている投射型画像表示装置が提案されている。 As a means for achieving further miniaturization, a configuration has been proposed in which a plurality of tapered rods are arranged in an array rather than a single tapered rod. For example, in Patent Document 1, a plurality of LEDs capable of emitting light of each color of red, green, and blue (hereinafter, abbreviated as red, green as G, and blue as B) are arranged in a planar shape or a curved shape. LED array, rod lens array in which a plurality of rod lenses for equalizing the illuminance of each color light emitted from each LED of the LED array are arranged in a planar or curved surface, and light emitted from the rod lens array A polarizing beam splitter array (hereinafter abbreviated as PBS array) that performs polarization conversion of the liquid crystal, a liquid crystal light valve that synthesizes an image by modulating each color light emitted from the PBS array, and an image synthesized by the liquid crystal light valve There has been proposed a projection type image display device that is composed of a projection lens that performs enlarged projection.
また、特許文献2では、RGB3色を含むLED群を1つの光源ユニットとし、そのLED群をアレイ化したものを光源とし、1つのLED群からの出射光を1つのテーパロッドでカップリングするテーパロッドアレイを用い照度が均一化され指向性の改善された光束をライトバルブ上に照射し、ライトバルブ上に形成された画像を投射レンズによってスクリーンに拡大投射する投射型表示装置である。
In
更に、特許文献3には、複数のLEDと、LEDからの光を受け、複数の2次光源を形成する光学素子と、2次光源上に形成されたテーパロッドアレイから成る光学モジュールが示されている。従来の光学モジュールの構成を図14に示す。同図において、基板101上には、LED102が配置され、必要な配線がなされている。LED102はLEDアレイ(面状光源)であり、第1の光学素子103はLED102からの出射光をカップリングし、素子内で拡散させ、出射光束量の等しい複数の2次光源104を形成している。第2の光学素子105は2次光源104からの出射光の指向性を改善するともに、照度を均一にするテーパロッドアレイである。また、このテーパロッドは、例えば図15に示すように、光源側の大きさを□420μm、出射側の大きさを□2mm、全長を5.37mmであり、かつ出射面側は曲率半径R=2.92mmの球面となっている。
Further, Patent Document 3 discloses an optical module including a plurality of LEDs, an optical element that receives light from the LEDs and forms a plurality of secondary light sources, and a tapered rod array formed on the secondary light sources. ing. The configuration of a conventional optical module is shown in FIG. In the figure, an
他に、このようなテーパロッドを用いた照明装置は顕微鏡用照明装置としても利用することが可能であり、例えば特許文献4では、光源からの光を複数のバンドルファイバによって導光し、バンドルファイバの出射端面から射出される光をロッドインテグレータによってカップリングし、照明する照明光学装置が示されている。 In addition, an illumination device using such a tapered rod can also be used as an illumination device for a microscope. For example, in Patent Document 4, light from a light source is guided by a plurality of bundle fibers, An illumination optical device for coupling and illuminating light emitted from an emission end face by a rod integrator is shown.
上述のように、小型で安価な照明装置を達成するためにテーパロッドアレイを利用することが多く提案されている。テーパロッドアレイの作製方法に関して上記特許文献中に詳細には述べられていないが、樹脂の射出成形、またはガラスのモールド成形により作ることが考えられる。また、その金型について最近の精密加工機(例えば、ファナック社製:ロボナノα-0iB)を用いることにより加工可能である。
しかしながら、テーパロッドの数が増え、微小化するに連れて金型作製は非常に困難となるため、テーパロッドの数・サイズには限界があった。特に、上記特許文献3では、2次光源部とテーパロッドアレイを同一箇所に形成する必要がある。よって、2次光源部とテーパロッドアレイを精密に位置合わせして接着する工程が必要であると考えられるが、複数の2次光源部と複数のテーパロッドアレイを精密に位置合わせすることは非常に困難であり、またそれを達成するには製造コストアップにつながる問題があった。また、位置合わせ精度が低いと光の漏れなどが生じ効率低下の原因となる。更に、2次光源部とテーパロッドアレイ部の隙間があると2次光源部と空気との界面で全反射が増え、光の取り出し効率が低下する問題がある。 However, as the number of taper rods increases and miniaturization becomes difficult, there is a limit to the number and size of taper rods. In particular, in Patent Document 3, it is necessary to form the secondary light source unit and the tapered rod array at the same location. Therefore, it is considered that a process of precisely aligning and bonding the secondary light source unit and the taper rod array is necessary, but it is extremely difficult to precisely align the multiple secondary light source units and the multiple taper rod arrays. In order to achieve this, there is a problem that increases the manufacturing cost. In addition, if the alignment accuracy is low, light leaks and the like causes a reduction in efficiency. Furthermore, if there is a gap between the secondary light source part and the tapered rod array part, there is a problem that total reflection increases at the interface between the secondary light source part and air, and the light extraction efficiency decreases.
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、2次光源部とテーパロッドアレイの位置合わせが不要となり、入射光に対して所定のコリメート角で出射面の出射に均一化した光を出射することが可能であり、かつ光利用効率が高い光学素子、光学素子の作製方法及び投影型表示装置を提供することを目的とする。 The present invention is for solving these problems, and it is not necessary to align the secondary light source unit and the tapered rod array, and the light is uniformized to the exit surface at a predetermined collimation angle with respect to the incident light. It is an object of the present invention to provide an optical element, a method for manufacturing the optical element, and a projection display device that can emit light.
前記問題点を解決するために、本発明の光学素子は、透明な基板上に、複数の開口部を有する反射層が形成されている。また、開口部上には基板側よりテーパ状に広がる形状を有する複数のテーパ構造部が形成され、反射層とテーパ構造部とが一体構造となっている。よって、2次光源部とテーパロッドアレイの位置合わせが不要となり、入射光に対して所定のコリメート角で面内に均一な光を出射することが可能であり、かつ光利用効率が高い光学素子を提供することができる。 In order to solve the above problems, in the optical element of the present invention, a reflective layer having a plurality of openings is formed on a transparent substrate. In addition, a plurality of taper structures having a shape extending in a taper shape from the substrate side are formed on the opening, and the reflective layer and the taper structure are integrated. Therefore, it is not necessary to align the secondary light source unit and the tapered rod array, and it is possible to emit uniform light in a plane at a predetermined collimating angle with respect to incident light, and an optical element with high light utilization efficiency. Can be provided.
また、テーパ構造部は円錐台構造又は角錐台構造であることにより、より等方的に均一化することが可能な光学素子とすることが可能である。 Further, since the tapered structure portion has a truncated cone structure or a truncated pyramid structure, an optical element that can be made more isotropic can be obtained.
更に、テーパ構造部が2次元配列していることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the taper structures are two-dimensionally arranged.
また、テーパ構造部は光硬化性材料よりなることで、製造が容易な光学素子とすることが可能である。 Further, since the tapered structure portion is made of a photocurable material, an optical element that can be easily manufactured can be obtained.
更に、光硬化性材料として機械的強度、耐熱性、耐環境性に優れた有機無機ハイブリッド材料を用いることで、高強度の光に対しても使用可能な光学素子を提供することができる。 Furthermore, by using an organic-inorganic hybrid material excellent in mechanical strength, heat resistance, and environmental resistance as a photocurable material, an optical element that can be used for high-intensity light can be provided.
また、光硬化性材料はネガ型フォトレジスト材料であることにより、フォトレジストの中では光照射部が硬化して残るネガ型のフォトレジストを利用することができる。ネガ型フォトレジストは膜厚の制御性、加工分解能に優れるため精密なテーパロッド構造をより容易に作製することが可能である。 Further, since the photocurable material is a negative photoresist material, a negative photoresist remaining after the light irradiation portion is cured in the photoresist can be used. Since the negative photoresist is excellent in film thickness controllability and processing resolution, a precise taper rod structure can be more easily produced.
更に、光入射部と、該光入射部が設けられる面以外の面に形成された散乱反射部とを有することにより、入射光に対して、反射層で反射した光を再利用することが可能となるため、より高効率な光学素子とすることができる。 Furthermore, by having a light incident portion and a scattering reflection portion formed on a surface other than the surface where the light incident portion is provided, it is possible to reuse the light reflected by the reflective layer with respect to the incident light. Therefore, a more efficient optical element can be obtained.
また、開口部に、固体発光素子が設けられていることにより、一体化されたひとつの構成によって所定のコリメート角で均質化された光を出射することが可能な光学素子とすることができる。 In addition, since the solid light-emitting element is provided in the opening, an optical element capable of emitting light homogenized at a predetermined collimating angle by one integrated configuration can be provided.
更に、別の発明としての光学素子の作製方法は、透明な基板上に複数の開口部を有する反射膜を形成する反射膜形成工程と、反射膜上に光硬化性材料層を形成する光硬化性材料層形成工程と、光硬化性材料層に対して基板側から所定の発散角を有する光を照射する照射工程と、光が照射されていない部分の光硬化性材料層を除去する光硬化性材料層除去工程とを有している。よって、複数の開口部を有する反射層とテーパロッドアレイは位置合わせすること無く同一箇所に作製することが可能であり、低コストで簡便に光学素子を作製することができる。 Furthermore, another method of manufacturing an optical element includes a reflective film forming step of forming a reflective film having a plurality of openings on a transparent substrate, and a photocuring of forming a photocurable material layer on the reflective film. Curable material layer forming step, irradiation step of irradiating the photocurable material layer with light having a predetermined divergence angle from the substrate side, and photocuring to remove the portion of the photocurable material layer that is not irradiated with light And a functional material layer removing step. Therefore, the reflective layer having a plurality of openings and the tapered rod array can be manufactured at the same location without being aligned, and an optical element can be easily manufactured at low cost.
また、別の発明としての光学素子の作製方法は、透明な基板上に複数の開口部を有する反射膜を形成する反射膜形成工程と、反射膜上に光硬化性材料層を形成する光硬化性材料層形成工程と、光硬化性材料層に対して基板側から所定の角度で基板を回転させながら光を照射する照射工程と、光が照射されていない部分の光硬化性材料層を除去する光硬化性材料層除去工程とを有している。よって、基板と露光する光の角度を変えることによってテーパロッドアレイのテーパ角を容易に、かつ精密に調整することができる。 Another method for producing an optical element includes a reflective film forming step of forming a reflective film having a plurality of openings on a transparent substrate, and photocuring of forming a photocurable material layer on the reflective film. Forming the curable material layer, irradiating light while rotating the substrate at a predetermined angle from the substrate side with respect to the photocurable material layer, and removing the portion of the photocurable material layer that is not irradiated with light And a photocurable material layer removing step. Therefore, the taper angle of the taper rod array can be adjusted easily and precisely by changing the angle of light with which the substrate is exposed.
更に、照射工程で、基板と照射する光との相対的な角度を変化させながら光を照射することにより、光硬化性樹脂の膜厚がより大きい、または回転傾斜露光の傾斜角がより大きいときであっても、テーパロッドアレイ構造を作製可能となる。 Furthermore, when the film thickness of the photocurable resin is larger or the tilt angle of the rotation tilt exposure is larger by irradiating light while changing the relative angle between the substrate and the light to be irradiated in the irradiation process. Even so, a tapered rod array structure can be produced.
また、別の発明としての投影型表示装置は、上記光学素子と、該光学素子からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、該光変調素子によって変調された光を拡大投影する投影レンズとを有することに特徴がある。よって、光の再利用効率に優れ、簡単な構成で小型化、薄型化及び軽量化が図れる投影型表示装置を提供できる。 According to another aspect of the present invention, there is provided a projection display device, wherein the optical element, a light modulation element that modulates light emitted from the optical element in accordance with image information, and a light modulated by the light modulation element are enlarged and projected. And a projection lens. Therefore, it is possible to provide a projection display device that is excellent in light reuse efficiency and can be reduced in size, thickness, and weight with a simple configuration.
本発明の光学素子は、反射層とテーパ構造部とが一体構造となっているので、2次光源部とテーパロッドアレイの位置合わせが不要となり、入射光に対して所定のコリメート角で面内に均一な光を出射することが可能であり、かつ光利用効率が高い光学素子を提供することができる。 In the optical element of the present invention, since the reflective layer and the tapered structure portion are integrated, it is not necessary to align the secondary light source portion and the tapered rod array, and in-plane with a predetermined collimation angle with respect to incident light. It is possible to provide an optical element that can emit uniform light and has high light utilization efficiency.
図1は本発明の第1の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。同図に示す本実施の形態の光学素子10において、透明基板11上には、複数の開口部12を有する反射層13が形成されており、開口部12上には複数のテーパロッド14から成るテーパロッドアレイ15が形成されている。テーパロッドアレイ15と、透明基板11及び反射層13は密着し一体構造となっている。すなわち、テーパロッドアレイ15と、透明基板11及び反射層13は一体的に形成されており、その間には接着物などは存在していない。ただし、機械的な強度を確保するために、周辺部に補助的に接着剤などで補強を行うことは考えられる。また、テーパロッドアレイ15は2次元アレイであり、図1の奥行き方向に対してもアレイ状に配列されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical element according to the first embodiment of the present invention. In the
なお、図1のテーパロッドアレイ15の具体的な構造としては、図2の(a)に示すような角錘台形状や、図2の(b)に示すような円錐台形状など様々な形状が考えられ、基板側から面積が徐々に広がる構造であれば良いが、より等方的に光角度分布を均一化するには円錐台形状のほうが好ましい。また、図2中では出射側である基板と密着していない側のアレイ間に隙間があるが、隙間が無く一体となっていても良い。更に、アレイの配列として、図2の(c)に示すように、より稠密なアレイ配列を取ることも可能である。また、テーパロッドの構造の出射面である基板側とは逆側の面は平坦に限られるわけではなく、例えば微細な構造が形成されていても良い。光が出射する際に出射面と空気との界面において反射が生じ光量ロスとなる可能性があるため、反射を抑えるような微細な構造(荒れ)を持っていることが好ましい。
As the specific structure of the tapered
また、図1のテーパロッドアレイ15の各テーパロッド14は光硬化性材料によって形成されていることが好ましい。これは作製上からの都合であり、光硬化性材料によってテーパ構造を形成することは、後述するような作製法によって作製することが可能であり、作製が非常に容易となる。なお、光硬化性材料とは、光の照射によって照射部のみが架橋反応によって硬化し、未照射部分を溶液処理などで取り除くことのできる材料のことである。光硬化性材料は、一般に重合反応を示すモノマーやオリゴマーに光重合開始剤を混ぜたものを中心に組成されており、光照射によって重合架橋反応するものである。このような材料としては、アクリル系光硬化性材料、エポキシ系光硬化性材料、ゾル-ゲル法によって合成される有機材料と無機材料のハイブリッド材料などを用いることができる。有機材料と無機材料のハイブリッド材料としては、シリカなどの無機材料の結合に架橋性の樹脂構造が混ざったものがある。特性として、通常の光硬化性材料(アクリル系光硬化性材料など)に対して、機械的強度、耐熱性、耐環境性に優れている。このため、高強度の光に対して使用する光学素子、あるいは過酷な使用環境において使用する際には、光硬化性材料として有機材料と無機材料のハイブリッド材料を用いることが良い。また、可視光に対して使用する光学素子であれば、光硬化性材料は可視光に対する透過率の高いものを用いる必要があり、可視光によって硬化する光硬化材料ではなく紫外線によって硬化する紫外線硬化材料を用いるのが良い。
Moreover, it is preferable that each
また、図1のテーパロッドアレイ15の各テーパロッド14の材料としてフォトレジストを用いることも可能である。フォトレジストは膜厚の制御性、加工分解能に優れており精密なテーパロッドアレイ構造をより容易に作製することが可能である。また、フォトレジストの中でも後述するような作製方法で作製するには、ネガ型のフォトレジストを使用する必要があり、後述の作製方法で作製するならば原理的にネガ型レジストに限定される。エポキシ系材料を用いたネガ型フォトレジスト材料で、比較的安価で耐熱性、機械的強度、可視光に対する透過性に優れたものが存在しており、例えば化薬マイクロケム社より販売されているSU-8レジストなどが適している。
Further, it is also possible to use a photoresist as the material of each tapered
更に、図1の反射層13に用いる材料としては、金属膜や誘電体多層膜などが使用できるほか、散乱反射材料を用いることもできる。中でも金属膜では非常に薄い膜厚で高い反射率を有するので、微細な開口部を多数形成することが容易であり、最も良い。可視光に対する光学素子として使用される場合には金属材料としては銀またはアルミニウムが可視光に対する反射率が高く最も良い。銀は特に腐食性が高いため、反射層として使用する際には表面保護層も形成されていることがより好ましい。
Furthermore, as a material used for the
次に、本発明の光学素子の作製方法について図面を用いて説明する。
図3は本発明の第1の実施の形態に係る光学素子の作製方法による各工程を示す断面図である。同図において、図1と同じ参照符号は同じ構成要件を示す。先ず、同図の(a)に示すように、透明基板11上に開口部12を有する反射層13を形成する。反射層13としてここでは銀を用いた。開口部12を有する銀層を形成する方法は一般に公知な方法を用いることができ、フォトレジストなどでパターニングした後に金属を成膜しその後フォトレジストを除去するリフトオフ法の他にフォトレジストをマスクとして金属層をエッチングする方法などがある。次に、同図の(b)に示すように、開口部12を含む反射層13上に光硬化性材料21を塗布する。ここでは光硬化性材料としてネガ型フォトレジストであるSU−8を用いた。このSU−8は400nm以下の光で硬化し、可視光に対しては高い透過性を有する。材料の塗布には、スピンコートやスプレーコートなどの方法を用いることができ、塗布後に熱処理プロセスなどによって溶媒を蒸発するプロセスがあっても良い。あるいは、塗布と熱処理のプロセスを複数回繰り返し、より厚い膜を塗布することも可能である。そして、同図の(c)に示すように、塗布した光硬化性材料21のSU−8レジストに対して透明基板側から紫外光22を照射して、開口部12を通過した紫外光22によって光硬化性材料21のSU−8レジストを露光する。このとき、照射する紫外光は開口部12によって所定の放射角を持つ発散光となっており、このため塗布した光硬化性材料21のSU−8レジストは開口部12から放射状に露光されることとなる。これによって、反射層13の全ての開口部12からテーパロッド状に露光がなされる。次に、同図の(d)に示すように、光が照射されていないレジスト部を所定の溶液による現像液及びリンスによって洗い流す。これによって、テーパロッド状に露光した部分で硬化した部分のみが残り、最終的にテーパロッドアレイ15が反射層13の開口部12上に一括で形成できることとなる。
Next, a method for manufacturing the optical element of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing each step of the method for manufacturing an optical element according to the first embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. First, as shown to (a) of the figure, the
ここで、第1の実施の形態の光学素子の作製方法においては、図3の(c)に示すように、作製したいテーパロッドアレイのテーパ角に対して、露光する光の発散角を調整しなければならない。光の発散角の調整は容易では無く、結果としてテーパロッドアレイのテーパ角を自由にコントロールすることができなくなってしまう。 Here, in the optical element manufacturing method of the first embodiment, as shown in FIG. 3C, the divergence angle of the light to be exposed is adjusted with respect to the taper angle of the taper rod array to be manufactured. There must be. Adjustment of the light divergence angle is not easy, and as a result, the taper angle of the taper rod array cannot be freely controlled.
そこで、図4に示すような第2の実施の形態に係る光学素子の作製方法が考えられる。同図において、図3と同じ参照符号は同じ構成要件を示す。なお、図4の(a)〜(d)に示す第2の実施の形態の光学素子の作製方法は、第1の実施の形態の光学素子の作製方法のうち図3の(c)以外の工程と同じであるので、図4の(c)における工程に関してのみ説明する。図4の(c)に示すように、塗布したSU−8レジストに対して透明基板側から略平行光となっている紫外光22を反射層13に対して所定の角度αだけ傾いた状態で照射する。更に、透明基板11を露光中に図中点線を回転中心として回転運動を行う。この露光方法を回転傾斜露光と呼ぶこととする。このため塗布したSU−8レジストは開口部12から放射状に露光されることとなる。これによって、反射層13の全ての開口部12からテーパロッド状に露光がなされる。
Therefore, a method of manufacturing an optical element according to the second embodiment as shown in FIG. 4 can be considered. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. Note that the optical element manufacturing method according to the second embodiment shown in FIGS. 4A to 4D is different from the optical element manufacturing method according to the first embodiment except for FIG. Since it is the same as the process, only the process in FIG. 4C will be described. As shown in FIG. 4C, the
ここで、図5に回転傾斜露光を行うための露光装置の構成図を示す。同図において、紫外線を照射する水銀ランプ光源31からの光は光学系32によってコリメート化される。光硬化性材料21が塗布された透明基板11は、回転ステージ33に固定されており、コリメートされた紫外光が透明基板側から照射されるようになっている。回転ステージ33は露光中に回転軸中心周りに回転するようになっている。図中では省略したが、露光装置には光強度均質化光学系やシャッタなど、あるいはシャッタや回転ステージの制御系など、通常の露光装置に備えられているものが備わっていることが望まれる。露光光源としてはここで示した水銀ランプの他にLEDやレーザを用いることも可能である。
Here, FIG. 5 shows a block diagram of an exposure apparatus for performing rotational tilt exposure. In the figure, light from a mercury
図6は回転傾斜露光によって露光される部分を説明する概略斜視図である。同図において、反射膜13には開口部12が存在する。傾斜露光においては、開口部12を通過する光は略平行光で基板に対して所定の角度傾いているため、ある瞬間での光強度は図中斜線で示したようになる。更に、透明基板11が回転しているため、図中に示されるようにテーパロッド状の露光部34が形成され、最終的にテーパロッド35が形成される。
FIG. 6 is a schematic perspective view for explaining a portion exposed by rotational tilt exposure. In the figure, an
図7は実際に図4に示す第2の実施の形態の光学素子の作製工程で作製した光学素子の例を斜めから走査型電子顕微鏡で撮影した図である。下地は銀の反射膜であり、反射膜の開口部からSU−8レジストのテーパロッドアレイ構造が形成されている。1つのテーパロッドの底部の径は約20μm、上部の径は約40μmであり、非常に微細なテーパロッドアレイが作製可能であることがわかる。 FIG. 7 is a diagram obtained by photographing an example of the optical element actually produced in the optical element production process of the second embodiment shown in FIG. 4 with a scanning electron microscope. The base is a silver reflective film, and a tapered rod array structure of SU-8 resist is formed from the opening of the reflective film. One tapered rod has a bottom diameter of about 20 μm and a top diameter of about 40 μm, and it can be seen that a very fine tapered rod array can be produced.
図4に示す第2の実施の形態の光学素子の作製工程において、光硬化性樹脂の膜厚がより大きい、または露光する光の傾斜角αがより大きいときには、作製されるテーパロッドアレイ構造の一部が中空となってしまう。図8に図6で示した露光部分に対して、光硬化性樹脂の膜厚が厚いときの露光部分を示した。図中に示されるように、光硬化性樹脂の膜厚が厚いときには中心部に未露光部36が形成され。これは最終的には中空部となってしまい、テーパロッドアレイの形状を劣化させてしまう。
In the manufacturing process of the optical element of the second embodiment shown in FIG. 4, when the film thickness of the photocurable resin is larger or the inclination angle α of the light to be exposed is larger, the taper rod array structure to be produced Some become hollow. FIG. 8 shows an exposed portion when the film thickness of the photocurable resin is thicker than the exposed portion shown in FIG. As shown in the figure, an
このようなときは図5に示す傾斜角度αを複数回変えて、あるいは傾斜角αを変えながら露光を行うことが好ましい。そこで、図9に示す回転傾斜露光装置には、図5に示す回転傾斜露光装置に、更に回転ステージ37が設けられている。このとき、回転ステージ37の回転中心と、開口部12を有する反射膜13の面中心が略等しい位置となっていることが望ましい。
In such a case, it is preferable to perform exposure while changing the inclination angle α shown in FIG. 5 a plurality of times or changing the inclination angle α. Therefore, the rotary tilt exposure apparatus shown in FIG. 9 is further provided with a
図10は本発明の第2の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。同図において、図1と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の光学素子40には、透明基板11に反射層13が形成されている面とは異なる面の一部に外部から光が入射するための光入射部41が設けられており、反射層13が形成されている面と光入射部41を除く全ての面に散乱体42が形成されている。光入射部41は複数箇所存在していても良いし、光入射部41は反射層13が形成されている面の一部の開口としてあっても良い。また、光入射部41は光学研磨された平坦な面となっていることが好ましい。散乱体42としては多種のものを用いることができるが、反射率は広い波長範囲で高いものが好ましく、その好適な例としては、硫酸バリウム、酸化チタン、ポリエステル、PETなど、あるいはそれらの混合体などが挙げられる。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of an optical element according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. The
図11は第2の実施の形態の光学素子の光入射部から光が入射したときの光線の軌跡を模式的に示す図である。同図に示すように、透明基板11へ入射した光線は、直接または散乱を経て、反射層13に達する。反射層13の開口部12へ入射した光は、テーパロッドアレイ15の各テーパロッド14によって内部で反射をしながらコリメート、均質化されて出射する。また、反射層13の開口部12以外へ入射した光は反射され透明基板11へ戻り、散乱などの過程を経て再び反射層13へ入射する。このような光のリサイクル過程を経ることによって、テーパロッドアレイ15から徐々に光が抜けていく。このように、最初に反射層13の開口部12に入らなかった光も再利用しているため光利用効率の高い光学素子とすることが可能である。
FIG. 11 is a diagram schematically illustrating the locus of light rays when light is incident from the light incident portion of the optical element according to the second embodiment. As shown in the figure, the light beam incident on the
図12は本発明の第3の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。同図において、図10と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の光学素子50には、図10に示す光学素子40に加え、LED素子51が光入射部41に配置されている。LED素子51の発光部と光入射部41は密着あるいは、接着剤によって接着されていることが好ましい。LED素子51の発光部と光入射部41の間に隙間があると、LED素子51と空気との界面で全反射する光が発生するためLED素子51からの光取出し効率が低下し、また隙間から漏れる光が発生する問題がある。よって、LED素子51と光入射部41は密着あるいは接着剤によって接着されていることが好ましい。更には、接着剤として高屈折率な材料を用いるほうが、LED素子51からの光取出し効率を高くすることができより良い。また、LED素子51は電子基板52上に実装されており、さらに電子基板52と透明基板11は接着層53によって固定されていることが好ましい。LED素子51としては複数個のLEDから成る構成でも良いし、あるいは赤・青・緑の3原色をそれぞれ主に発光する複数種類のLED素子であっても良い。また、光源としてLED素子に限るわけではなく、半導体レーザ素子や有機EL素子などを用いることも可能である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of an optical element according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 10 denote the same components. In addition to the
図13は本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略構成図である。同図に示す本実施の形態例は、色順次駆動方式の投射型カラー液晶表示装置の例である。本実施の形態例の投影型表示装置60は、図12の光学素子50と、光学素子50からの出射光の偏光方向を一方向に揃えるための偏光子61と、液晶ライトバルブ62と、液晶ライトバルブ62によって合成された画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズ63とを含んで構成されている。また、光学素子50における電子基板52上の駆動回路によってLED素子51の発光するタイミングが制御され、LED素子51から例えばR、G、B、R、G、B、…というように時間順次に色光を発光可能な構成となっている。このとき、同色のLEDの同一端子は電子基板51上で結線することにより配線を簡略化することができる。
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a projection type display apparatus according to an embodiment of the present invention. The present embodiment shown in the figure is an example of a color-sequential driving projection type color liquid crystal display device. The
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば光源としてはLEDの他、半導体レーザ、有機EL素子、無機EL素子なども使用できる。また、光学素子、偏光子、マイクロレンズアレイなどは、必要な機能を出せれば、ガラス製、樹脂製など素材は問わない。更に、ライトバルブとして反射型液晶素子(LCOS)を用いる構成でもよい。また、カラー表示方式も実施の形態例の色順次方式に限定されるものではなく、画素分割のフィルタ方式を用いることも可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, as a light source, a semiconductor laser, an organic EL element, an inorganic EL element, or the like can be used in addition to an LED. The optical element, the polarizer, the microlens array, and the like may be made of any material such as glass or resin as long as the necessary functions can be obtained. Further, a configuration using a reflective liquid crystal element (LCOS) as the light valve may be used. Also, the color display method is not limited to the color sequential method of the embodiment, and a pixel division filter method can also be used.
10,40,50;光学素子、11;透明基板、12;開口部、
13;反射層、14,35;テーパロッド、
15;テーパロッドアレイ、21;光硬化性材料、22;紫外光、
31;水銀ランプ光源、32;光学系、33,37;回転ステージ、
34;露光部、36;未露光部、41;光入射部、42;散乱体、
51;LED素子、52;電子基板、53;接着層、
60;投射型表示装置。
10, 40, 50; optical element, 11; transparent substrate, 12; opening,
13; reflective layer, 14, 35; taper rod,
15; taper rod array; 21; photocurable material; 22; ultraviolet light;
31; Mercury lamp light source; 32; Optical system; 33 and 37;
34; exposed portion, 36; unexposed portion, 41; light incident portion, 42; scatterer,
51; LED element, 52; electronic substrate, 53; adhesive layer,
60: Projection type display device.
Claims (13)
前記反射膜上に光硬化性材料層を形成する光硬化性材料層形成工程と、
前記光硬化性材料層に対して前記基板側から所定の発散角を有する光を照射する照射工程と、
光が照射されていない部分の前記光硬化性材料層を除去する光硬化性材料層除去工程と
を有することを特徴とする光学素子の作製方法。 A reflective film forming step of forming a reflective film having a plurality of openings on a transparent substrate;
A photocurable material layer forming step of forming a photocurable material layer on the reflective film;
An irradiation step of irradiating the photocurable material layer with light having a predetermined divergence angle from the substrate side;
And a photocurable material layer removing step of removing the photocurable material layer in a portion not irradiated with light.
前記反射膜上に光硬化性材料層を形成する光硬化性材料層形成工程と、
前記光硬化性材料層に対して前記基板側から所定の角度で基板を回転させながら光を照射する照射工程と、
光が照射されていない部分の前記光硬化性材料層を除去する光硬化性材料層除去工程と
を有することを特徴とする光学素子の作製方法。 A reflective film forming step of forming a reflective film having a plurality of openings on a transparent substrate;
A photocurable material layer forming step of forming a photocurable material layer on the reflective film;
An irradiation step of irradiating the photocurable material layer with light while rotating the substrate at a predetermined angle from the substrate side;
And a photocurable material layer removing step of removing the photocurable material layer in a portion not irradiated with light.
該光学素子からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、
該光変調素子によって変調された光を拡大投影する投影レンズと
を有することを特徴とする投影型表示装置。 The optical element according to any one of claims 1 to 9,
A light modulation element that modulates light emitted from the optical element according to image information;
And a projection lens for enlarging and projecting the light modulated by the light modulation element.
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