JP2011123204A - マイクロレンズアレイシートおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度を向上させることが可能なマイクロレンズアレイシートおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】光を透過する基板２と、前記基板２に配置されるとともに当該基板２と直交する光軸Ｚに沿う断面に弓形となる部位を含む第１層４および当該第１層４を覆う第２層５を備える複数のマイクロレンズ３と、を有するマイクロレンズアレイシート１であり、マイクロレンズ１の外壁面６には、マイクロレンズ３の前記光軸Ｚに沿う中心軸Ｘから幅Ｈ_ｃを有する基板側の端部である側部Ｓと、前記光軸Ｚと直交して前記側部Ｓを通る基端面Ｍから光軸方向へ高さＨ_ａを有する頂部Ｔと、前記側部Ｓと頂部Ｔの間に連続的に配置されて前記基端面Ｍと前記中心軸Ｘとの交点である基準点Ｐから長さＨ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）を有するＮ個の曲面部Ｋ_ｎと、が形成され、以下の２つの式：
Ｈ_ａ＞Ｈ_ｃ
Ｈ_ａ≧Ｈ_ｎ≧Ｈ_ｃ （ｎ＝１：Ｎ）
を満たす。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロレンズアレイシートおよびその製造方法に関し、特に、液晶表示装置などの透過型表示装置を背面から照明する照明装置に使用される、輝度向上のためのマイクロレンズアレイシートおよびその製造方法に関する。

マイクロレンズアレイシートは、透明基板上に凸状の微小なマイクロレンズを複数配置したものであり、液晶表示装置等に用いられている。液晶表示装置は、一般的に、液晶を含む液晶パネル、光源としてのバックライト、拡散板およびマイクロレンズアレイシートを備えており、バックライトから照射された光が、拡散板で一旦拡散された後にマイクロレンズアレイシートでコリメートされ、液晶パネルへ入射される。

マイクロレンズアレイシートを作製するには、レンズ形状が転写された凹部を有する型に透明樹脂を流し込み、硬化させて成形する方法（型成形方法）や、透明フィルム上にマイクロレンズとなる透明樹脂をインクジェット等の方法で直接成形する方法（直接成形方法）が知られている。大量に製造する場合には、直接成形方法では時間がかかるため、型成形方法による製造が主流となっている。

型成形方法に用いられる型は、エッチング方式や、マイクロレンズアレイシート上の微小レンズと同曲率半径のビーズを基板に複数固着させたものを転写する方式によって、作製される。

液晶表示装置の輝度を向上させるには、レンズ形状やレンズ充填率を調整することで可能である。特に、マイクロレンズの形状を非球面とした例として、以下の特許文献１〜３が挙げられる。

特許文献１に記載のマイクロレンズアレイは、半球状の凸部の上にＣＶＤ法によって外形が非球面の形成層を積層することで、凸部の裾野が幅広の非球面のマイクロレンズが形成される。

特許文献２に記載のマイクロレンズアレイシートでは、基板上に形成される複数の台座の各々の上にレンズを配置し、その上に蒸着法によって充填膜を形成することで、隣接するレンズの間の空隙に充填膜を形成しつつ、マイクロレンズの高さを維持している。

特許文献３に記載のマイクロレンズアレイは、基板上にマイクロレンズが六方最密充填されており、基板の平面上で直交する２軸方向で、マイクロレンズの曲率半径および非球面係数が異なっている。

特開２００３−２３３７０７号公報 特開２００５−３４６０６５号公報 特開２００７−５１７２５４号公報

マイクロレンズアレイシートは、マイクロレンズの高さＨと基板面におけるマイクロレンズの半径Ｒの比率Ｈ／Ｒが小さいと、基板面と平行に近い平坦な面が多くなり、輝度が低下するため、比率Ｈ／Ｒを大きくすることが好ましい。

しかしながら、特許文献１のマイクロレンズアレイは、ＣＶＤ法により形成層を積層しているため、マイクロレンズの高さＨと基板面における半径Ｒの比率Ｈ／Ｒが、半球（Ｈ／Ｒ＝１）の場合に対して小さくなり、すなわちマイクロレンズの裾野が広がり、マイクロレンズの頂部近傍の曲率半径が大きくなって頂部近傍がより平坦となる。

また、特許文献２に記載のマイクロレンズアレイシートは、空隙を埋めるために基板上の全面に均一に充填膜を積層するため、曲率半径は、マイクロレンズの頂部と側部で略一定となり、比率Ｈ／Ｒ＝１が限界である。

また、特許文献３に記載のマイクロレンズアレイは、基板の平面上で直交する２軸方向でマイクロレンズの半径が異なるため、比率Ｈ／Ｒも２軸方向で異なるが、球形状のレンズに引張力を与えて変形させることでマイクロレンズが形成されているため、いずれの方向でも、比率Ｈ／Ｒが１以上とはならない。

更に、上述した型成形方法の型をエッチングで作製する場合には、通常等方性エッチングで行われ、比率Ｈ／Ｒは大きくてもＨ／Ｒ＝１が限界である。

また、ビーズを基板に固着させたものを転写して型を作製する方式では、Ｈ／Ｒ＞１とするには、一方向へ長いラグビーボール形状のビーズを縦にして並べることで実現できるが、ビーズを固着させる方向を制御することは困難であり、マイクロレンズの形状がランダムとなってしまう。また、球状のビーズを、固定する基板から半分以上突出させて固着させた場合には、Ｈ／Ｒ＞１とすることができるが、アンダーカット部が生じてしまうため、作製される型により樹脂成形することは困難であり、生産に不適である。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、輝度を向上させることが可能なマイクロレンズアレイおよびマイクロレンズアレイの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係るマイクロレンズアレイは、光を透過する基板と、前記基板に配置されるとともに当該基板と直交する光軸に沿う断面に弓形となる部位を含む第１層、および当該第１層を覆う第２層を備える複数のマイクロレンズと、を有している。前記マイクロレンズの外壁面には、マイクロレンズの前記光軸に沿う中心軸から幅Ｈ_ｃを有する基板側の端部である側部と、前記光軸と直交して前記側部を通る基端面から光軸方向へ高さＨ_ａを有する頂部と、前記側部と頂部の間に連続的に配置されて前記基端面と前記中心軸との交点である基準点から長さＨ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）を有するＮ個の曲面部と、が形成され、以下の２つの式：
Ｈ_ａ＞Ｈ_ｃ
Ｈ_ａ≧Ｈ_ｎ≧Ｈ_ｃ （ｎ＝１：Ｎ）
を満たすマイクロレンズアレイシートである。

上記目的を達成する本発明に係るマイクロレンズアレイの製造方法は、光を透過する基板に、当該基板と直交する光軸に沿う断面に弓形となる部位を含む第１層を複数設けた予備体を準備する工程と、前記光軸方向に沿って蒸着物質が前記第１層へ向うように方向性を持たせた真空蒸着法によって、前記予備体の第１層上に第２層を蒸着させてマイクロレンズを形成する工程と、を有するマイクロレンズアレイシートの製造方法である。

上記のように構成したマイクロレンズアレイによれば、高さＨ_ａが幅Ｈ_ｃよりも長く形成され、曲面部の長さＨ_ｎが幅Ｈ_ｃ以上高さＨ_ａ以下であるため、マイクロレンズが光軸方向へ長くなり、側部近傍よりも頂部近傍の曲率半径が小さくなる。これにより、マイクロレンズの外壁面の頂部近傍の平坦な部位が減少し、傾斜した部位が増加するため、下方から透過する光が光軸方向へコリメートされやすくなり、輝度を向上させることができる。

上記のように構成したマイクロレンズアレイの製造方法によれば、断面に弓形の部位を有する第１層へ方向性を持たせて蒸着物質を付着させるため、第１層の頂部近傍の面に蒸着物質が多く付着し、傾斜している側方には付着し難くなる。これにより、光軸方向へ長いマイクロレンズを作製することが可能となり、マイクロレンズの輝度を向上させることができる。

本実施形態に係るマイクロレンズアレイシートの平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 マイクロレンズを示す断面図である。 マイクロレンズを形成するための真空蒸着装置を示す概略側面図である。 真空蒸着装置により予備体に蒸着物質が蒸着される際を示す断面図であり、（Ａ）は蒸着前、（Ｂ）は蒸着後を示す。 マイクロレンズを光が透過する際を示すマイクロレンズアレイシートの断面図である。 マイクロレンズアレイシートの他の例を示す断面図である。 マイクロレンズアレイシートの比較例を示す断面図であり、（Ａ）は断面が三角形のマイクロレンズアレイシート、（Ｂ）は断面が半球形のマイクロレンズアレイシートを示す。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張される場合があり、実際の比率とは異なる場合がある。

本実施形態に係るマイクロレンズアレイシート１は、図１，２に示すように、基板２と、基板２の一方面に設けられる複数のマイクロレンズ３とを備えており、基板２およびマイクロレンズ３は、光を透過する材料で形成されている。本実施形態におけるマイクロレンズ３は、基板２上で六方最密に配置されるが、正方配列やランダム配列でもよく、配列方法は限定されない。また、多数設けられるマイクロレンズ３の大きさも、各々で異なってもよい。

マイクロレンズ３は、基板２から突出形成される半球状の第１層４と、第１層４上を覆うように形成される第２層５とで形成される。なお、基板２から突出する第１層は、基板２の面から半球状で突出しているが、半球よりも低い形態（球体の中心点が基板２の面よりも下方にある形態）であってもよい。

第２層５は、第１層４よりも屈折率の低い材料により形成されている。基板２および第１層４は、例えばアクリル樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン系樹脂、塩化ビニル樹脂またはポリオレフィン系樹脂等であり、第２層５は、例えばＳｉＯ_２やＭｇＦ_２であるが、第１層４および第２層５の材料はこれらに限定されない。

また、本実施形態では第１層４と基板２が同一材料で一体的に形成されているが、基板２と第１層４を異なる材料で形成することもできる。

マイクロレンズ３の大きさは、特に限定されず、用途によって適宜変更されるものであるが、例えば、基板面における直径が数μｍ〜数百μｍ程度である。

各々のマイクロレンズ３の第１層４は、図３に示すように、基板２の面と直交する光軸Ｚに沿う断面に、弓形（弓形とは、数学的に円の円弧と弦で囲まれた部位を表し、半円形の形態も含まれる。）となる弓形部Ｃを備え、第２層５が、第１層４の弓形部Ｃの円弧の周囲を覆っている。なお、本実施形態では、弓形部Ｃの形状は半円形であるが、半円に満たない弓形であってもよい。

マイクロレンズ３の外壁面６には、光軸Ｚに沿う断面に、側部Ｓ、頂部Ｔ、および複数の曲面部Ｋｎ（ｎ＝１：Ｎ）が形成される。側部Ｓは、光軸Ｚに沿う断面における基板側の端部に、光軸Ｚに沿うマイクロレンズ３の中心軸Ｘから幅Ｈ_ｃを有して形成されている。頂部Ｔは、光軸Ｚと直交し側部Ｓを通る基端面Ｍから光軸方向へ高さＨ_ａを有して形成されている。各々の曲面部Ｋ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）は、側部Ｓと頂部Ｔの間に連続的に配置されるＮ個に離散化した点であり、基端面Ｍと中心軸Ｘとの交点である基準点Ｐから長さＨ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）を有して形成されている。なお、本実施形態では、弓形部Ｃが半円形であるため、基準点Ｐと弓形部Ｃの中心点Ｏが一致するが、かならずしも一致しなくてよい。

頂部Ｔは、断面三角形のマイクロレンズ１０３を備えるマイクロレンズアレイシート１０１の比較例（図８（Ａ）参照）と異なり、滑らかに形成される。高さＨ_ａと幅Ｈ_ｃは、以下の式（１）の関係を満たし、高さＨ_ａが幅Ｈ_ｃよりも長く形成される。

Ｈ_ａ＞Ｈ_ｃ・・・式（１）
基準点Ｐから各々の曲面部Ｋｎまでの長さＨ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）は、高さＨ_ａと幅Ｈ_ｃとの関係で、以下の式（２）を満たす。

Ｈ_ａ≧Ｈ_ｎ≧Ｈ_ｃ （ｎ＝１：Ｎ）・・・式（２）
すなわち、基準点Ｐから各々の曲面部Ｋｎまでの長さＨ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）は、幅Ｈ_ｃよりも長く、高さＨ_ａよりも短い。

さらに、マイクロレンズ３の外壁面６において隣接する２つの曲面部Ｋ_ｎ、Ｋ_ｎ＋１を比較すると、側部Ｓに近い側の曲面部Ｋ_ｎと頂部Ｔに近い側の曲面部Ｋ_ｎ＋１の間で、以下の式（３）を満たすことが好ましい。

Ｈ_ｎ≦Ｈ_ｎ＋１ （ｎ＝１：Ｎ−１）・・・式（３）
すなわち、頂部Ｔに近い曲面部Ｋ_ｎ＋１から基準点Ｐまでの長さＨ_ｎ＋１は、側部Ｓに近い曲面部Ｋ_ｎから基準点Ｐまでの長さＨ_ｎ以上となっている。したがって、マイクロレンズ３の外壁面６の基準点Ｐからの距離が、側部Ｓから頂部Ｔへ向うにしたがって増加する形状となっている。

次に、本実施形態に係るマイクロレンズアレイシート１の製造方法について説明する。

初めに、基板２にマイクロレンズ３の第１層４が形成された予備体１０を作製する。予備体１０は、第１層４の形状に対応する凹部が形成された成形型（不図示）を用いて成形される。成形型は、エッチング方式や、球状のビーズを複数並べて固着させた板の形状を転写する方式により作製できる。また、予備体１０は、成形型を用いずに、基板２となるフィルム上に第１層４となる透明樹脂をインクジェットの様な方式で形成することも可能である。または、透明な球状のビーズを、基板となる透明な樹脂で固着させることで、予備体１０とすることも可能である。

次に、図４に示すように、真空蒸着装置１１によって、予備体１０上に第２層５を蒸着させる。真空蒸着装置１１は、蒸着させる蒸着物質Ｂである第２層５の材料が収容された坩堝１２と、蒸着物資Ｂを部分的に通過させるスリット１４が設けられた遮蔽板１３と、予備体１０を搬送する搬送ローラ１５と、スリット１４を通過した蒸着物質Ｂが付着する予備体１０の後方を保持し、かつ予備体１０を冷却する冷却ロール１６と、を有している。

真空蒸着を行うには、まず真空蒸着装置１１の装置内を高真空とし、坩堝１２を加熱して坩堝１２内の蒸着物質Ｂを蒸発させる。次に、予備体１０を搬送ローラ１５によって搬送し、予備体１０の第１層４が形成される面を坩堝側（図４の図面下方側）として、予備体１０を冷却ロール１６に保持する。坩堝１２から蒸発した蒸発物質Ｂは気体分子となり、遮蔽板１３のスリット１４を通って予備体１０に衝突、付着し、予備体１０の第１層４を覆うように第２層５が形成される。この際、冷却ロール１６により、予備体１０の過度な温度上昇が抑制される。

この真空蒸着法において、遮蔽板１３のスリット１４を通過した蒸発物質Ｂのみが予備体１０へ付着するため、図５（Ａ）に示すように、蒸発物質Ｂが予備体１０に対して略一方向から付着することになる。したがって、図５（Ｂ）に示すように、蒸着方向と垂直となる第１層４の頂部Ｔ２近傍の面では、蒸着物質Ｂが多く付着する。これに対し、第１層４の頂部Ｔ２から側方へ離れた面では、頂部Ｔ２から離れて基板側に近づくほど頂部Ｔ２の面と傾斜角度が大きくなり、すなわち蒸着方向と平行に近くなり、付着する蒸着物質Ｂの量が減少し、蒸着方向と平行になる側部ではほとんど蒸着しない。これにより、基準点Ｐから各々の曲面部Ｋｎまでの長さＨ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）は、幅Ｈ_ｃよりも長く、高さＨ_ａよりも短く形成される。

さらに、第１層４の壁面の傾斜角度は、頂部Ｔ２から基板側へ向って徐々に大きくなるため、一方向から蒸着させることで、マイクロレンズ３の頂部Ｔに近い曲面部Ｋ_ｎ＋１から基準点Ｐまでの長さＨ_ｎ＋１を、側部Ｓに近い曲面部Ｋ_ｎから基準点Ｐまでの長さＨ_ｎ以上とすることができる。

また、第１層４の断面が弓形であるため、最終的に形成されるマイクロレンズ３の頂部Ｔ近傍は、鋭角ではなく滑らかな面で形成される。

本実施形態に係るマイクロレンズアレイシート１は、高さＨ_ａが幅Ｈ_ｃよりも長く形成されている。したがって、幅Ｈ_ｃが高さＨ_ａと等しい半球状のマイクロレンズ１１３（図８（Ｂ）参照）を備えたマイクロレンズアレイシート１１１と比較して、マイクロレンズ３が光軸Ｚ方向へ相対的に長く形成され、側部Ｓ近傍よりも頂部Ｔ近傍の曲率半径が小さくなるため、マイクロレンズ３の外壁面６に、光軸Ｚと垂直な部位（頂部Ｔ近傍の平坦な部位）が少なくなる。このように、光軸Ｚと垂直な部位が少なく、傾斜した部位が多くなることで、図６に示すように、下方から透過する光Ｌが光軸Ｚ方向へコリメートされやすくなり、輝度を向上させることができる。

また、頂部Ｔが滑らかに形成され、マイクロレンズ３の基準点Ｐから各々の曲面部Ｋｎまでの長さＨ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）が、幅Ｈ_ｃ以上かつ高さＨ_ａ以下で形成されることで、マイクロレンズ３の外形状が滑らかに変化するため、均一性のある表示が可能となる。すなわち、例えば図８（Ａ）に示す断面三角形のマイクロレンズ１０３を有するマイクロレンズアレイシート１０１は、マイクロレンズ１０３の傾斜した部位が多いために輝度は高いが、マイクロレンズ１０３の頂部が鋭角であるため、透過した光に縞状の模様が形成されてしまう。これに対し、本実施形態に係るマイクロレンズアレイシート１は、マイクロレンズ３を光軸方向へ長く形成することで高い透過率を備えて輝度を向上させつつ、さらに外壁面６を滑らかに形成することで均一性のある表示をも実現することができる。

また、頂部Ｔに近い曲面部Ｋ_ｎ＋１から基準点Ｐまでの長さＨ_ｎ＋１が、側部Ｓに近い曲面部Ｋ_ｎから基準点Ｐまでの長さＨ_ｎ以上となることで、外壁面６の傾斜角度および曲率半径が漸次的に変化し、より均一性のある表示が可能となる。

また、第２層５の材料は、第１層４の材料よりも屈折率が低いため、第１層から第２層へ入射する光の透過率を上昇させて、輝度を向上させることができる。

また、本実施形態における真空蒸着方法によれば、断面に弓形部Ｃを有する第１層４へ略一方向から蒸着物質Ｂを付着させるため、第１層４の頂部Ｔ２近傍の面に蒸着物質Ｂが多く付着し、傾斜している側方には付着し難くなり、上述した式（１）〜（３）を満たすマイクロレンズアレイシート１を容易に製造することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、図７に示す本実施形態の他の例のマイクロレンズアレイシート２１ように、隣接するマイクロレンズ２３が離れている場合もありえる。この場合には、マイクロレンズ２３の間の基板２２上に第２層２５の材料が蒸着されるが、側部Ｓが基板２２に蒸着された材料の上部に形成され、基準点Ｐが弓形部Ｃの中心点Ｏと異なることになる。弓形部Ｃは、半円形ではなく半円以下の形状となっている。このような例でも、上記の式（１）〜（３）を満たすことができる。また、マイクロレンズ２３の基端に局部的に凹面形状となる基端部２６が形成されることもありえるが、マイクロレンズ２３の側部Ｓが基端部２６の上端に位置するとみなし、上記の式（２）および（３）を満たすことができる。

また、マイクロレンズの基準面Ｍ（光軸Ｚと交差する面）における断面形状が、円形ではなく楕円形や長円形であってもよい。

１，２１ マイクロレンズアレイシート、
２，２２ 基板、
３，２３ マイクロレンズ、
４，２４ 第１層、
５，２５ 第２層、
６ 外壁面、
１０ 予備体、
１１ 真空蒸着装置、
Ｂ 蒸着物質、
Ｃ 弓形部、
Ｈ_ｃ 幅、
Ｋ_ｎ 曲面部、
Ｈ_ａ 高さ、
Ｍ 基端面、
Ｘ 中心軸、
Ｏ 中心点、
Ｐ 基準点、
Ｓ 側部、
Ｔ 頂部、
Ｚ 光軸。

Claims (7)

1. 光を透過する基板と、
   前記基板に配置されるとともに当該基板と直交する光軸に沿う断面に弓形となる部位を含む第１層、および当該第１層を覆う第２層を備える複数のマイクロレンズと、を有し、
   前記マイクロレンズの外壁面には、マイクロレンズの前記光軸に沿う中心軸から幅Ｈ_ｃを有する基板側の端部である側部と、前記光軸と直交して前記側部を通る基端面から光軸方向へ高さＨ_ａを有する頂部と、前記側部と頂部の間に連続的に配置されて前記基端面と前記中心軸との交点である基準点から長さＨ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）を有するＮ個の曲面部と、が形成され、以下の２つの式：
   Ｈ_ａ＞Ｈ_ｃ
   Ｈ_ａ≧Ｈ_ｎ≧Ｈ_ｃ （ｎ＝１：Ｎ）
   を満たすマイクロレンズアレイシート。
2. 前記連続的に配置される曲面部の長さＨ_ｎ（ｎ＝１：Ｎ）は、曲面部が前記側部から頂部へ近接するにしたがって大きくなる、請求項１に記載のマイクロレンズアレイシート。
3. 前記第２層の材料は、前記第１層の材料よりも屈折率が低い、請求項１または２に記載のマイクロレンズアレイシート。
4. 光を透過する基板に、当該基板と直交する光軸に沿う断面に弓形となる部位を含む第１層を複数設けた予備体を準備する工程と、
   前記光軸方向に沿って蒸着物質が前記第１層へ向うように方向性を持たせた真空蒸着法によって、前記予備体の第１層上に第２層を蒸着させてマイクロレンズを形成する工程と、を有するマイクロレンズアレイシートの製造方法。
5. 前記マイクロレンズの前記光軸に沿う中心軸から当該マイクロレンズの外壁面における基板側の端部である側部までの幅Ｈ_ｃと、前記光軸と直交して前記側部を通る基端面から光軸方向へのマイクロレンズの高さＨ_ａとが、以下の式：
   Ｈ_ａ＞Ｈ_ｃ
   を満たすまで前記蒸着物質の蒸着を行う、請求項４に記載のマイクロレンズアレイシートの製造方法。
6. 前記真空蒸着法により蒸着させる第２層の材料に、前記第１層よりも屈折率の低い材料を使用する、請求項４または５に記載のマイクロレンズアレイシートの製造方法。
7. 前記製造方法により製造されたマイクロレンズアレイシートの形状を転写して成形型を作製し、当該成形型を用いて他のマイクロレンズアレイシートを型成形する、請求項４〜６のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイシートの製造方法。

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