JP2016218137A

JP2016218137A - マイクロレンズアレイおよび液晶パネル

Info

Publication number: JP2016218137A
Application number: JP2015100006A
Authority: JP
Inventors: 輝久竹内; Teruhisa Takeuchi; 学杉田; Manabu Sugita
Original assignee: Ricoh Industrial Solutions Inc
Current assignee: Ricoh Industrial Solutions Inc
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-12-22

Abstract

【課題】透明基板に２層以上の膜を有する新規なマイクロレンズアレイを実現する。【解決手段】同じ正の屈折力を持つマイクロレンズ１０Ａが２次元的に配列されたマイクロレンズアレイであって、光入射側に配置されて光射出側面に凹面によるマイクロレンズ面Ａ１Ａが２次元的にアレイ配列して形成された透明基板１１Ａと、該透明基板の光射出側に形成された導光層１２Ａと、を有し、該導光層は、導光方向に無機材料による蒸着膜１２１Ａ、１２２Ａを２層以上に積層してなり、光射出側の面Ａ３Ａが平面状であり、前記２層以上の蒸着膜は、隣接する膜の屈折率が異なり、膜相互の境界面の１以上が、前記凹面によるマイクロレンズ面Ａ１Ａの個々に１対１で対応する微小凹曲面Ａ２Ａを有し、且つ、各蒸着膜は厚みが数μｍオーダーであり、前記透明基板の側から入射する光束を、前記各マイクロレンズにより、導光層１２Ａ内で集束傾向を与えて射出させる光学機能をもつ。【選択図】図２

Description

この発明は、マイクロレンズアレイおよび液晶パネルに関する。

マイクロレンズを１次元的または２次元的にアレイ配列したマイクロレンズアレイは、種々の光学機器に用いられている。
例えば、液晶画素を２次元的にアレイ配列した「液晶素子」には、個々の液晶画素を画定するブラックマトリックス（以下、「ＢＭ」と言う。）や、液晶画素駆動用の薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」と言う。）が設けられている。

これらＢＭやＴＦＴは遮光性であるところから、ＢＭやＴＦＴが形成されていない「開口部」に効率よく照明光を入射させるために、液晶画素の配列に合致させて集光用のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイが用いられる。

上記液晶素子とマイクロレンズアレイとは、組み合わせられて「液晶パネル」を構成する。液晶パネルに用いられるマイクロレンズアレイで、透明基板に２層の膜を形成して「個々のマイクロレンズが２面の屈折面を有する」ものが知られている（特許文献１）。

この発明は、透明基板に２層以上の膜を有してなる新規なマイクロレンズアレイの実現を課題とする。

この発明のマイクロレンズアレイは、同じ正の屈折力を持つマイクロレンズが２次元的に配列されたマイクロレンズアレイであって、光入射側に配置されて光射出側面に凹面によるマイクロレンズ面が２次元的にアレイ配列して形成された透明基板と、該透明基板の光射出側に形成された導光層と、を有し、該導光層は、導光方向に無機材料による蒸着膜を２層以上に積層してなり、光射出側の面が平面状であり、前記２層以上の蒸着膜は、隣接する膜の屈折率が異なり、膜相互の境界面の１以上が、前記凹面によるマイクロレンズ面の個々に１対１で対応する微小凹曲面を有し、且つ、各蒸着膜は厚みが数μｍオーダーであり、前記透明基板の側から入射する光束を、前記各マイクロレンズにより、導光層内で集束傾向を与えて射出させる光学機能をもつ。

この発明によれば、透明基板に２層以上の膜を有してなる新規なマイクロレンズアレイを実現できる。

液晶パネルの構造の１例を説明するための図である。液晶パネルの実施例１を説明するための図である。液晶パネルの実施例２を説明するための図である。液晶パネルの実施例３を説明するための図である。

図１は、この発明の液晶パネルの構造を説明するための図である。
図１に示すのは、液晶パネルにおける「１画素を構成する部分」である。
図において、符号１０はマイクロレンズを示し、符号２０は液晶素子を示す。
液晶素子２０の、図１に示された部分は、液晶素子の１画素をなす部分であり、以下この部分を「画素部分」と称する。液晶素子２０は、図１に示された画素部分が、図の上下方向と図面に直交する方向へ２次元的にアレイ配列された一体構造のものである。
液晶素子２０は、液晶層２１が１対のガラス基板に挟まれてなり、入射側のガラス基板にはＢＭ２２が形成され射出側のガラス基板にはＴＦＴ２３が形成されている。

入射側のガラス基板に密接してマイクロレンズアレイが配備されている。
マイクロレンズアレイは、マイクロレンズ１０を、図の上下方向と図面に直交する方向へ２次元的にアレイ配列した一体構造のものである。
一体に構成されてマイクロレンズアレイを構成する複数のマイクロレンズアレイは、同一構造であって「同じ正の屈折力」を持つ。

マイクロレンズ１０と、液晶素子２０の画素部分とは、液晶パネルの「単位画素部分」をなし、マイクロレンズアレイにおける個々のマイクロレンズ１０は、液晶素子２０の１画素部分と１：１に対応する。
図１における符号「ｄ」は、ＢＭ２２により遮光されない部分（この部分を「開口」と称する。）の径であり、以下、開口径：ｄと称する。
また符号「Ｄ」は、１画素部分のサイズを表し、以下、画素径：Ｄと称する。
１画素部分の形状は「正方形形状」である。
「開口」は、種々の形状が可能であるが、一般的には「正方形あるいは長方形に近い略矩形形状」であり、４隅の部分は階段形状等の形で面取り処理されている。

図に示す開口径：ｄは、開口形状を略矩形と見たときに、その互いに平行な対辺の間隔（開口形状が長方形形状であれば「短い辺どうしの間隔」である。

画素径：Ｄは一般に、数μｍ〜数１０μｍ程度、例えば、５μｍ〜２０μｍ程度であり、開口径：ｄは、それよりも小さく、２μｍ〜１６μｍ程度である。

マイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズ１０は、その光軸ＡＸが「開口の中心」を通るように、液晶素子２０の液晶画素に対する位置関係が定められている。

図１において、図の左方は「光の入射側」、図の右方は「光の射出側」であり、図の如く、入射側から入射光ＬＩを入射すると、液晶素子２０の画素部分により変調された射出光ＬＯが射出側へ射出する。

マイクロレンズ１０は、２つの部分、即ち、透明基板１１と、導光層１２とにより構成されている。

透明基板１１は、光入射側に配置され、光射出側面には凹面によるマイクロレンズ面Ａ１が形成されている。

マイクロレンズアレイ全体としてみれば、透明基板１１の光射出面側に、凹面によるマイクロレンズ面Ａ１が２次元的にアレイ配列している。

透明基板１１の光入射側の面は、説明中の例では「平面状」であるが、光入射側の面の形状は、平面上に限らず、凸面あるいは凹面であることもできる。

導光層１２は、透明基板１１の光射出側に位置して、透明基板１１から入射した光を液晶素子２０側へ導光する層である。

導光層１２は、蒸着膜１２１と１２２を光軸ＡＸ方向に積層した構成となっている。

蒸着膜１２１と１２２とは、何れも「無機材料」による蒸着膜であり、互いに、屈折率が異なる。そして、蒸着膜１２１と１２２との境界面Ａ２は、透明基板１１のマイクロレンズ面Ａ１に対して１：１で対応する微小凹曲面となっている。

なお、境界面Ａ２を「凹曲面」と称するのは、境界面Ａ２が「凹面」であるマイクロレンズ面Ａ１と同じ向きであることによる。

蒸着膜１２１、１２２は何れも厚み（光軸ＡＸ上における厚み）が「数μｍオーダー」である。蒸着膜１２１、１２２は、この程度の厚さであるので「蒸着（ＰＶＤ）」によって、容易、且、確実に形成できる。

マイクロレンズ１０は「正の屈折力」を有するから、透明基板１１の側から入射する光束に、導光層１２内で集束傾向を与えて射出させる光学機能をもつ。

図１に示すマイクロレンズ１０は、構造が最も簡素なものである。

以下、具体的な実施例を３例、図２〜図４に即して説明する。
これら３実施例において、液晶素子は、１画素部分が画素径：Ｄ＝１０μｍの正方形形状で、開口部の開口径：ｄ＝７μｍである。從って、図２〜図４において液晶素子の部分については、図１におけると同じく符号２０をもって表し、符号２１により液晶層、符号２２によりＢＭ、符号２３によりＴＦＴを示す。

「実施例１」
図２に示す実施例１は、図１に構成を示したものの具体例である。
マイクロレンズ１０Ａは、透明基板１１Ａと、導光層１２Ａを構成する蒸着膜１２１Ａおよび１２２Ａを有する。
透明基板１１Ａの入射側から、面Ａ０Ａ、Ａ１Ａ、Ａ２Ａ、Ａ３Ａとし、その曲率半径を、それぞれＲ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３とする。また、これらの面の間隔を入射側から、図示の如く、ｄ０、ｄ１、ｄ２とする。
さらに、透明基板１１Ａと、蒸着膜１２１Ａおよび１２２Ｂの材質の屈折率を、それぞれ、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２とする。
これらのデータを以下に挙げる。

面曲率半径面間隔屈折率材質
Ａ０ＡＲ０＝∞ ｄ０＝１ｍｍＮ０＝１．４６石英
Ａ１ＡＲ１＝９μｍｄ１＝５μｍＮ１＝２．１４Ｔａ_２Ｏ_５
Ａ２ＡＲ２＝９μｍｄ２＝５μｍＮ２＝１．４６ＳｉＯ_２
Ａ３ＡＲ３＝∞ 。

面Ａ１Ａ、Ａ２Ａは何れも「球面」である。
図２にはまた、透明基板１１Ａの入射側面に直交させて、平行光束を入射させた場合の各光線の様子を示す。
透明基板１１Ａの側から入射する平行光束は、マイクロレンズ１０Ａにより、導光層１２Ａ内で集束傾向を与えられて射出する。

「実施例２」
図３に示す実施例２のマイクロレンズ１０Ｂは、透明基板１１Ｂと、導光層１２Ｂを構成する蒸着膜１２１Ｂ、１２２Ｂおよび１２３Ｂを有する。
透明基板１１Ｂの入射側から、面Ａ０Ｂ、Ａ１Ｂ、Ａ２Ｂ、Ａ３Ｂ、Ａ４Ｂとし、その曲率半径を、それぞれＲ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とする。また、これらの面の間隔を入射側から、図示の如く、ｄ０、ｄ１、ｄ２、ｄ３とする。
さらに、透明基板１１Ｂと、蒸着膜１２１Ｂ、１２２Ｂ、１２３Ｂの材質の屈折率を、それぞれ、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３とする。
これらのデータを以下に挙げる。

面曲率半径面間隔屈折率材質
Ａ０ＢＲ０＝∞ ｄ０＝１ｍｍＮ０＝１．４６石英
Ａ１ＢＲ１＝９μｍｄ１＝３μｍＮ１＝２．１４Ｔａ_２Ｏ_５
Ａ２ＢＲ２＝１０μｍｄ２＝３μｍＮ２＝１．４６ＳｉＯ_２
Ａ３ＢＲ３＝∞ ｄ３＝４μｍＮ３＝１．６７Ａｌ_２Ｏ_３
Ａ４ＢＲ４＝∞ 。

面Ａ１Ｂ、Ａ２Ｂは何れも「球面」である。
図３にはまた、透明基板１１Ｂの入射側面に直交させて、平行光束を入射させた場合の各光線の様子を示す。

透明基板１１Ｂの側から入射する平行光束は、マイクロレンズ１０Ｂにより、導光層１２Ｂ内で集束傾向を与えられて射出する。

「実施例３」
図４に示す実施例３のマイクロレンズ１０Ｃは、透明基板１１Ｃと、導光層１２Ｃを構成する蒸着膜１２１Ｃ、１２２Ｃおよび１２３Ｃを有する。
透明基板１１Ｃの入射側から、面Ａ０Ｃ、Ａ１Ｃ、Ａ２Ｃ、Ａ３Ｃ、Ａ４Ｃとし、その曲率半径を、それぞれＲ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とする。また、これらの面の間隔を入射側から、図示の如く、ｄ０、ｄ１、ｄ２、ｄ３とする。
さらに、透明基板１１Ｃと、蒸着膜１２１Ｃ、１２２Ｃ、１２３Ｃの材質の屈折率を、それぞれ、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３とする。
これらのデータを以下に挙げる。

面曲率半径面間隔屈折率材質
Ａ０ＣＲ０＝∞ ｄ０＝１ｍｍＮ０＝１．４６石英
Ａ１ＣＲ１＝１０μｍｄ１＝５μｍＮ１＝２．３１ＴｉＯ_２
Ａ２ＣＲ２＝１０μｍｄ２＝５μｍＮ２＝１．６７Ａｌ_２Ｏ_３
Ａ３ＣＲ３＝１０μｍｄ３＝２μｍＮ３＝１．４６ＳｉＯ_２
Ａ４ＣＲ４＝∞ 。

面Ａ１Ｃ、Ａ２Ｃ、Ａ３Ｃは何れも「球面」である。
図４にはまた、透明基板１１Ｃの入射側面に直交させて、平行光束を入射させた場合の各光線の様子を示す。
透明基板１１Ｃの側から入射する平行光束は、マイクロレンズ１０Ｃにより、導光層１２Ｃ内で集束傾向を与えられて射出する。

上記実施例１〜３に示したように、導光層を構成する２以上の蒸着膜の境界面で、曲率をもつもの（面Ａ２Ａ、Ａ２Ｂ、Ａ２Ｃ、Ａ３Ｃ）の曲率中心は、何れも、光の透過方向を正として正の領域にあり、したがって、これらの面の曲率半径は「正」である。

説明を補足する。
上に説明した実施例１〜３において、透明基板は光入射側面が平面状で、透明基板としての屈折作用は、光射出側の「凹面によるマイクロレンズ面」が担っている。このため、透明基板の厚み（実施例１〜３において「ｄ０」）は、適宜に設定でき、実施例３では「１ｍｍ」としている。

このように、この発明のマイクロレンズアレイにおいては、各マイクロレンズ内に、透明基板の光射出側の面に形成された凹面のマイクロレンズ面と、隣接する蒸着膜の境界面として形成される１以上の「微小凹曲面」とにより、微小な曲面が２面以上存在する。

導光層は２以上の蒸着膜で形成されるので、蒸着条件の調整により、微小凹曲面の曲率半径や、膜厚を容易に調整でき、「微小凹曲面の両側で屈折率が異なる」ので、これらの微小凹曲面による屈折力の大きさを調整でき、マイクロレンズに必要とされる光学特性の調整が可能である。

また、導光層は無機材料による蒸着膜であるので、「有機材料による膜」として形成する場合に比して、耐光性も強度も極めて高い。

また、各蒸着膜、特に、最も光射出側の蒸着膜の材料や形状、蒸着条件を調整することにより、マイクロレンズアレイに「反り」が生じないようにすることができる。

付言すると、実施例１〜３を示す図２〜図４において、光入射側から入射させる入射光束が「平行光束」である場合の「光線の動向」を示した。
しかし、液晶パネルをプロジェクタ装置等において用いる場合、液晶パネルに入射する入射光は厳密な「平行光束」ではなく、入射光を構成する光線は、進行方向に対して±１０度程度の範囲で分布している。

このような状況を鑑みると、マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズにおいて「導光層内で与える集束傾向」は、入射光束内に含まれる「進行方向に対して±１０度程度」に広がっている成分がＢＭの開口部内に集光するようにすることが好ましい。

以上のようにこの発明によれば、以下の如き新規なマイクロレンズアレイと液晶パネルを実現できる。

［１］
同じ正の屈折力を持つマイクロレンズ（１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）が２次元的に配列されたマイクロレンズアレイであって、光入射側に配置されて光射出側面に凹面によるマイクロレンズ面（Ａ１、Ａ１Ａ、Ａ１Ｂ、Ａ１Ｃ）が２次元的にアレイ配列して形成された透明基板（１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）と、該透明基板の光射出側に形成された導光層（１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）と、を有し、該導光層は、導光方向に無機材料による蒸着膜（１２１、１２２、１２１Ａ、１２２Ａ、１２１Ｂ、１２２Ｂ、１２３Ｂ、１２１Ｃ、１２２Ｃ、１２３Ｃ）を２層以上に積層してなり、光射出側の面（Ａ３Ａ、Ａ４Ｂ、Ａ４Ｃ）が平面状であり、前記２層以上の蒸着膜は、隣接する膜の屈折率が異なり、膜相互の境界面の１以上が、前記凹面によるマイクロレンズ面の個々に１対１で対応する微小凹曲面（Ａ２Ａ、Ａ２Ｂ、Ａ２Ｃ、Ａ３Ｃ）を有し、且つ、各蒸着膜は厚みが数μｍオーダーであり、前記透明基板の側から入射する光束を、前記各マイクロレンズにより、導光層内で集束傾向を与えて射出させる光学機能をもつマイクロレンズアレイ。

［２］
［１］記載のマイクロレンズアレイであって、導光層（１２Ｂ、１２Ｃ）が３層の蒸着膜（１２１Ｂ、１２２Ｂ、１２３Ｂ、１２１Ｃ、１２２Ｃ、１２３Ｃ）で形成されているマイクロレンズアレイ（１０Ｂ、１０Ｃ）。

［３］
［１］または［２］記載のマイクロレンズアレイであって、導光層１２Ｂの最も光射出側の蒸着膜１２３Ｂの、光軸に直交する面（Ａ３Ｂ、Ａ４Ｂ）が両面とも平面状であるマイクロレンズアレイ１０Ｂ。

［４］
［１］〜［３］の何れか１に記載のマイクロレンズアレイであって、透明基板が石英により形成され、該透明基板に密着する蒸着膜がＴａ_２Ｏ_５により形成され、該Ｔａ_２Ｏ_５により形成された蒸着膜よりも光射出側に、ＳｉＯ_２により形成された蒸着膜を有するマイクロレンズアレイ（実施例１、２）。

［５］
［４］記載のマイクロレンズアレイであって、
導光層が３層の蒸着膜で形成され、透明基板に密着した蒸着膜がＴａ_２Ｏ_５もしくはＴｉＯ_２により形成され、その光射出側にＳｉＯ_２により形成された蒸着膜と、Ａｌ_２Ｏ_３により形成された蒸着膜と、を有するマイクロレンズアレイ（実施例２、３）。

［６］
［１］〜［５］の何れか１に記載のマイクロレンズアレイであって、マイクロレンズの２次元的な配列が、透過型の液晶素子における２次元的な画素配列に合致し、個々のマイクロレンズから射出する光束が、液晶素子におけるブラックマトリックスＢＭの開口部に入射するように、マイクロレンズの光学特性が設定されているマイクロレンズアレイ（実施例１〜３）。

［７］
２次元的な画素配列を有する透過型の液晶素子を用いる液晶パネルであって、［６］記載のマイクロレンズアレイを用いる液晶パネル（実施例１〜３）。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

１０Ａマイクロレンズ
１１Ａ透明基板
１２Ａ導光層
１２１Ａ、１２２Ａ無機材料の蒸着膜
Ａ１Ａ透明基板１１Ａの光射出側面に形成された凹面によるマイクロレンズ面
２０液晶素子
２１液晶層
２２ＢＭ（ブラックマトリックス）
２３ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）

特開２００７−２４８４９４号公報

Claims

同じ正の屈折力を持つマイクロレンズが２次元的に配列されたマイクロレンズアレイであって、
光入射側に配置されて光射出側面に凹面によるマイクロレンズ面が２次元的にアレイ配列して形成された透明基板と、
該透明基板の光射出側に形成された導光層と、を有し、
該導光層は、導光方向に無機材料による蒸着膜を２層以上に積層してなり、光射出側の面が平面状であり、前記２層以上の蒸着膜は、隣接する膜の屈折率が異なり、膜相互の境界面の１以上が、前記凹面によるマイクロレンズ面の個々に１対１で対応する微小凹曲面を有し、且つ、各蒸着膜は厚みが数μｍオーダーであり、
前記透明基板の側から入射する光束を、前記各マイクロレンズにより、導光層内で集束傾向を与えて射出させる光学機能をもつマイクロレンズアレイ。
請求項１記載のマイクロレンズアレイであって、
導光層が３層の蒸着膜で形成されているマイクロレンズアレイ。
請求項１または２記載のマイクロレンズアレイであって、
導光層の最も光射出側の蒸着膜の、光軸に直交する面が両面とも平面状であるマイクロレンズアレイ。
請求項１〜３の何れか１項に記載のマイクロレンズアレイであって、
透明基板が石英により形成され、該透明基板に密着する蒸着膜がＴａ_２Ｏ_５により形成され、該Ｔａ_２Ｏ_５により形成された蒸着膜よりも光射出側に、ＳｉＯ_２により形成された蒸着膜を有するマイクロレンズアレイ。
請求項４記載のマイクロレンズアレイであって、
導光層が３層の蒸着膜で形成され、該透明基板に密着する蒸着膜がＴａ_２Ｏ_５もしくはＴｉＯ_２より形成され、その光射出側に、ＳｉＯ_２により形成された蒸着膜と、Ａｌ_２Ｏ_３により形成された蒸着膜と、を有するマイクロレンズアレイ。
請求項１〜５の何れか１項に記載のマイクロレンズアレイであって、
マイクロレンズの２次元的な配列が、透過型の液晶素子における２次元的な画素配列に合致し、個々のマイクロレンズから射出する光束が、液晶素子におけるブラックマトリックスの開口部に入射するように、マイクロレンズの光学特性が設定されているマイクロレンズアレイ。
２次元的な画素配列を有する透過型の液晶素子を用いる液晶パネルであって、
請求項６記載のマイクロレンズアレイを用いる液晶パネル。