JP3900626B2

JP3900626B2 - マイクロレンズ付きカラーフィルタ基板

Info

Publication number: JP3900626B2
Application number: JP30733397A
Authority: JP
Inventors: 忠石松; 智史北村; 修古賀
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2017-11-10
Also published as: JPH11142835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示装置に用いられる液晶表示パネルを構成するマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板に係わり、特に、液晶プロジェクター等の投影型画像表示装置に用いられるカラー液晶表示パネルを構成するマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクションテレビ等に代表される投影型画像表示装置は、表示画像をスクリーン上に拡大投影するものであり、液晶表示パネルを用いたものが主流となりつつある。
液晶表示パネルは、所定のパターンとした電極を有する対向した１対の基板間に液晶を挟持、封止したものであり、各画素毎に電圧が印加される液晶の配向状態の変化により、光源より照射された光の透過、不透過を画素毎に制御することで画像表示を行うものである。
【０００３】
通常、液晶表示パネルを構成する一方の基板は、カラー化した画像を得るため、図７に示すように、透明基板15上に複数の着色画素14を形成したカラーフィルタ層13を有する基板（カラーフィルタ基板）としているものである。なお、着色画素14は、顔料を分散した樹脂、または、無機材料を複数層積層した光干渉膜等で形成され、例えばＲ（赤）色、Ｇ（緑）色、Ｂ（青）色等の画素となっており、ランプ等の光源から照射された光は、各色の着色画素14を通過する際に画素に応じた色が付けられるものである。
次いで、カラーフィルタ基板には、表示画像のコントラストを向上させるため、各着色画素14と対向した部位を開口部18とし、その他の部位を遮光部19としたブラックマトリクス層17が形成されている。
【０００４】
近年、投影型画像表示装置は大画面化が要求されているものであり、そのため、液晶表示パネルで表示される画像を高い拡大率にて投影することが要求されているものである。
また、画像表示装置は、画像の高精細化も要求されているものであり、液晶表示画像を高い拡大率にて高精細に投影するためには、液晶表示パネルを構成する画素の数を増やすことが必要となるものである。
【０００５】
しかるに、液晶表示パネルの画素数を増やした場合、ブラックマトリクス層17に形成する開口部18の数も増やさねばならず、それにともない、開口部18以外の遮光部19の占める割合が増大するものである。また、開口部18の数を増やした場合、各開口部18の面積を小さくせざるを得ず、いわゆる開口率の低下となるものである。ブラックマトリクス層17の開口率が低下した場合、開口部18を通過する光量が減るため画像表示装置の表示画像が暗くなり、表示画像の品位が低下することになる。
【０００６】
従来より、上述したブラックマトリクス層17の開口率の低下による、表示画像の品位低下を防止する手段として、図７に示すように、着色画素14上にマイクロレンズ12を形成したマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板11とすることが行われているものである。
すなわち、従来は、ブラックマトリクス層17の遮光部19と対向した着色画素14部位を通過した光は、ブラックマトリクス層17の遮光部19で遮られていたものである。しかるに、着色画素14上にマイクロレンズ12を形成すると、従来ブラックマトリクス層17の遮光部19にて遮られていた光をマイクロレンズ12が集光し開口部18に導くことで、開口部18を通過する光量が高まるものであり、マイクロレンズ12の形成により光の利用効率が高くなり、表示画像の品位が向上するものである。
【０００７】
マイクロレンズ12は、各着色画素14と対向するよう、かつ、平面視で各着色画素14と略同一形状にてほぼ隙間なく形成している。すなわち、マイクロレンズ12を着色画素14と平面視略同一形状とすることで光の集光効果が高まり、着色画素14を通過した光を無駄なく最大限に利用しようとするためである。
なお、マイクロレンズ12の焦点距離を稼ぐため、マイクロレンズ12とブラックマトリクス層17との間には、透明なバッファー層16を形成することが一般的といえる。
【０００８】
ここで、マイクロレンズ付きカラーフィルタ基板11に形成する各着色画素14および、対向するブラックマトリクス層17の各開口部18の形状は、画像表示特性上、平面視で矩形（長方形）状にて配設することが一般的となっており、この傾向は、画素の解像度が要求される高精細化が進む程、顕著となっている。
【０００９】
このため、図６に示すように、マイクロレンズ12の平面形状も、着色画素14の平面形状に合わせて、矩形（長方形）状にて形成しているものである。なお、図６は、従来のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板11のカラーフィルタ層13を構成する複数の着色画素14中の一個の着色画素（例えば、Ｒ（赤）色着色画素）部位を拡大した平面図である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、マイクロレンズ付きカラーフィルタ基板11に形成された従来のマイクロレンズ12は、図６に示すように、平面視で矩形（長方形）状となっているものである。
【００１１】
平面視で矩形（長方形）状としたマイクロレンズ12においては、当然のことながら、レンズ効果をもたせるため、各側面は曲面状となっているものである。
しかし、図６中のＸ−Ｘ’線におけるマイクロレンズ12の断面図である図５（ａ）および、Ｙ−Ｙ’線におけるマイクロレンズ12の断面図である図５（ｂ）に示すように、マイクロレンズ12の長辺側の曲率（Ｒ₁）と短辺側の曲率（Ｒ₂）とが大きく異なってしまうものである。
このため、長辺側の焦点距離ｆ₁と短辺側の焦点距離ｆ₂が異なるものとなり、マイクロレンズ12で集光した光が一点に集光しない、いわゆる非点収差をもたらすものとなる。
【００１２】
着色画素14を通過した光を矩形（長方形）状のマイクロレンズ12にて集光する様子を模式的に示す図４に示すように、長辺側の焦点距離ｆ₁の位置に集光する焦点Ｂがブラックマトリクス層17の開口部18に位置したとしても、短辺側の焦点距離ｆ₂の位置に集光する焦点Ａは、ブラックマトリクス層17の開口部18の手前となる。このように、矩形（長方形）状のマイクロレンズ12においては焦点箇所が複数存在することになり、かつ、各焦点ではスポット光（一点に集光）とならずスリット光（矩形状に集光）となるものである。
【００１３】
このため、いかにマイクロレンズ12とブラックマトリクス層17との間にバッファー層16を形成しても、マイクロレンズ12にて集光した光が一点で集光しないため、ブラックマトリクス層17の面で焦点を結ばない光束（例えば、図４の焦点Ａで集光した光）は、ブラックマトリクス層17の開口部18に入射することなく蹴られる（遮光部19で遮られる）という現象が発生するものである。
【００１４】
すなわち、従来の矩形（長方形）状としたマイクロレンズ12を有するカラーフィルタ基板（マイクロレンズ付きカラーフィルタ基板11）においては、光の利用効率を高くすることができず、要求される高い品位の画像表示が出来なくなるという問題が生じるものである。
【００１５】
本発明は、上述した問題に鑑みなされたもので、その目的とするところは、光の利用効率が高いマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板を提供し、もって、マイクロレンズ付きカラーフィルタ基板を用いた画像表示装置の表示品位を高めるものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも、平面視矩形状とした複数の着色画素よりなるカラーフィルタ層と、マイクロレンズ層と、ブラックマトリックス層とを透明基板上に順次積層形成したマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板において、前記着色画素の平面視矩形状は、平面視矩形状の着色画素の短辺の長さをＢｘ、長辺の長さをＢｙとするとき、Ｂｙ＝ｋ×Ｂｘ（ｋは２以上の整数）を満たす平面視矩形状とし、前記マイクロレンズ層を構成するマイクロレンズは、着色画素の端辺からマイクロレンズまでの距離をＳとするとき、一辺の長さＭｘを（前記Ｂｘ−２Ｓ）とする平面視正方形状もしくは略正方形状とし、前記平面視矩形状の着色画素の長辺方向にｋ個配列したことを特徴とするマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板である。
【００１７】
また、本発明は、上記発明によるマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板において、前記ｋを２もしくは３としたことを特徴とするマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板である。
【００１８】
また、本発明は、上記発明によるマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板において、前記マイクロレンズが熱フロー方式にて形成されていることを特徴とするマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
上記の課題を達成すべく、本発明者らは鋭意検討を行ったものであり、その結果、マイクロレンズの平面形状を正方形もしくは略正方形状とすることに着目したものである。前述したように、従来のマイクロレンズは矩形（長方形）状としていたため、長辺側の曲率（Ｒ 1 ）と短辺側の曲率（Ｒ 2 ）とが異なることで、長辺側の焦点距離ｆ 1 と短辺側の焦点距離ｆ 2 が異なり、一点に集光しなかったものである。しかるに、本発明に係わるマイクロレンズは、正方形、もしくは略正方形とし、四辺の長さを略等しくしたものであり、各辺側に形成される曲面の曲率を等しくでき、各辺側の焦点距離も等しくすることができる。すなわち、本発明の係わるマイクロレンズで集光した光は一点に集光できる。これにより、バッファー層の厚みを調節し、マイクロレンズとブラックマトリクス層の距離を調節することで、マイクロレンズを通過した光は蹴られることなくブラックマトリクス層の開口部に導くことができ、光の利用効率を高くすることができる。
【００２０】
ここで、前述したように、マイクロレンズと対向する着色画素の形状は、平面視で矩形（長方形）状となっているものである。このため、マイクロレンズの形状を正方形、もしくは略正方形とするとマイクロレンズと着色画素との平面形状が異なるため、１個の着色画素領域を１個のマイクロレンズでカバーすることは不可能といえる。
【００２１】
ここで、本発明においては、各着色画素毎に、複数のマイクロレンズを形成するものであるが、マイクロレンズの大きさを小さくし、各着色画素に形成するマイクロレンズの数を増やした場合、マイクロレンズ間にとった隙間の占める割合が増え、かえって、着色画素に対するマイクロレンズの充填率（マイクロレンズが着色画素領域を覆う割合）が下がり、マイクロレンズで集光する光の強度を下げることになる。すなわち、正方形状のマイクロレンズを極力大きくし、少ない数のマイクロレンズで着色画素を覆うことで、マイクロレンズ間の隙間の割合を少なくでき、マイクロレンズの充填率が上げられ、集光する光強度を上げることができるといえる。
【００２２】
次いで、形成するマイクロレンズの大きさは、極力大きくするほうが望ましい理由を以下にを記す。
マイクロレンズを形成するにあたり、熱フロー方式のマイクロレンズ形成方法を用いることが一般的に行われている。すなわち、マイクロレンズとなる素材（例えば、透明な感光性樹脂）を基板上に塗布する。次いで、所定のパターンを有するパターン露光用マスクを介し感光性樹脂にパターン露光した後、現像を行い、マイクロレンズを形成する部位に透明樹脂層を形成する。次いで、基板に加熱処理を行い透明樹脂層の表面を溶かすことで、曲面を有するマイクロレンズを形成するものである。熱フロー方式にてマイクロレンズを形成する際、個々のマイクロレンズ同志に隙間が無いと、加熱処理時、隣接したマイクロレンズ同志が溶着し、所望する曲面が形成できないことになる。このため、隣接するマイクロレンズ同志の距離をある程度離す必要が生じ、各マイクロレンズ間に隙間を持たせる必要が生じるものである。
【００２３】
本発明者らは、極力大きい正方形状のマイクロレンズにて着色画素を覆い、集光する光強度を上げるべく鋭意検討を行ったものであり、その結果、矩形（長方形）状である着色画素の形状を以下のようにすることを提案するものである。すなわち、矩形状の着色画素の短辺の長さをＢｘ、長辺の長さをＢｙとするとき、Ｂｙ＝ｋ×Ｂｘ（ｋは２以上の整数）を満たす矩形状としたものである。
【００２４】
上述したように、長辺の長さを、短辺の長さの整数倍とした着色画素の形状とすることで、着色画素に対向するマイクロレンズの形状を正方形とした際、最小の数のマイクロレンズにて着色画素をカバーすることが可能となる。
例えば、長辺の長さを、短辺の長さの２倍とした着色画素とすれば、一辺の長さを着色画素の短辺の長さとした正方形状のマイクロレンズを着色画素の長手方向に２個並べることで、着色画素をマイクロレンズでカバーすることが可能となる。
【００２５】
【実施例】
以下に、本発明のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板の一実施例の形態を示す図面に基づきさらに説明を続ける。
【００２６】
図３は、ブラックマトリクス層７側から見た本実施例におけるマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板１の平面図である。
図３中のＫ部は、透明基板５上に形成したカラーフィルタ層３の一部を露出させたものであり、Ｒ（赤）色、Ｇ（緑）色、Ｂ（青）色の着色画素４は、顔料分散法等の従来公知の形成手段にて形成している。
図３中のＫ部に示すように、本実施例のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板１においては、矩形状の着色画素４をほぼ隙間のないよう多数配列し、かつ、各着色画素４は等間隔のピッチ寸法で配列している。
【００２７】
本実施例においては、図３に示すように、各着色画素４を配列するピッチ寸法を、Ｘ方向をＤｘ、Ｙ方向をＤｙとすると、Ｄｙ＝２×Ｄｘとしている。
また、Ｒ（赤）色、Ｇ（緑）色、Ｂ（青）色の各着色画素４は等寸法とし、短辺の長さをＢｘ、長辺の長さをＢｙとすると、Ｂｙ＝２×Ｂｘとした。
さらに、着色画素４の配列ピッチと着色画素４の寸法とは略同一として設定した。すなわち、Ｂｘ＝Ｄｘ、Ｂｙ＝Ｄｙとしたものである。
【００２８】
次いで、図３中のＬ部は、着色画素４上に、着色画素４と相対させて形成したマイクロレンズ層の一部を露出させたものである。
図３中のＬ部に示すように、本実施例のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板１においては、各着色画素４毎に、正方形であるマイクロレンズ２を着色画素４の長手方向に２個形成した。
【００２９】
また、本実施例で形成した正方形状のマイクロレンズ２の一辺の長さＭｘは、本実施例の要部を拡大して示す図面である図１に示すように、着色画素４の端辺からマイクロレンズ２までの距離をＳとして、Ｍｘ＝（Ｂｘ−２Ｓ）としている。
【００３０】
本実施例においては、前述したように、Ｂｙ＝２×Ｂｘとし、矩形状の着色画素４の長手方向に正方形状のマイクロレンズ２を２個形成しているが、着色画素４の縦横の寸法をＢｙ＝Ｋ×Ｂｘ（Ｋは２以上の整数）とした場合、着色画素４の長手方向に正方形状のマイクロレンズ２をＫ個形成しても構わない。その場合においても、正方形状のマイクロレンズ２の一辺の長さＭｘは、Ｍｘ＝（Ｂｘ−２Ｓ）とするものである。
【００３１】
但し、前述したように、Ｋを大きくし過ぎると、マイクロレンズ２の配列個数が増し、着色画素の端辺からマイクロレンズまでの距離Ｓ（所謂、デッドスペース）の占める割合が増加するため、着色画素に対するマイクロレンズの充填率が下がるため、Ｋは２〜３程度が望ましい。
【００３２】
なお、本実施例のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板１においては、図３のＺ−Ｚ’線における断面を示す図面である図２に示すように、従来通りマイクロレンズ２層上にバッファー層６を形成した後、ブラックマトリクス層７を形成している。
【００３３】
また、本実施例のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板１は、以下に記す従来公知の製造手段にて製造したものである。
すなわち、まず、ガラス等の透明基板５上に、顔料分散法、または、無機多層膜蒸着法等により、Ｒ（赤）色、Ｇ（緑）色、Ｂ（青）色等の着色画素４を上述した配列パターンにて形成した。
【００３４】
次いで、着色画素４を形成後、透明基板５上に透明なレンズ材（感光性樹脂）を塗布（コート）した。次いで、正方形状のパターンを有するパターン露光用マスクをレンズ材上に重ねてパターン露光を行った後、現像処理を行った。これにより、平面視正方形状のレンズ母材が得られた。
【００３５】
次いで、透明基板５に熱処理を行った。これにより、レンズ母材が溶融し、レンズ母材の表面が曲面状の凸面となる。次いで、レンズ母材の表面を凸面に保持した状態で、レンズ母材の硬化を行った。これにより、所望する平面視正方形状のマイクロレンズ２が得られた。
【００３６】
次いで、マイクロレンズ２上に、マイクロレンズ２の焦点距離を考慮し、例えばマイクロレンズ２の焦点距離分の層厚とした透明なバッファー層６を透明樹脂等で形成した。
次いで、バッファー層６上にブラックマトリクス層７を形成する。なお、ブラックマトリクス層７の形成手段として、バッファー層６上に金属クロム膜を蒸着後、フォトエッチング法により開口部８を形成する、または、バッファー層６上に黒色樹脂を塗布後、パターン露光、現像を行う等の方法があげられる。
【００３７】
以上、本発明の実施例につき説明を行ったが、本発明の実施の形態は、上述した説明および図面に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形を行っても構わないことは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、本発明のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板においては、矩形状の着色画素を有するカラーフィルタ層上に正方形、あるいは、略正方形状のマイクロレンズを形成するものである。
これにより、本発明に係わるマイクロレンズにおいては、従来形成していた矩形状のマイクロレンズに比べて、レンズ面の曲率差を小さくすることができる。
【００３９】
そのため、着色画素およびマイクロレンズを通過した光が、ブラックマトリクス層の開口部を通過することなく遮光部にて蹴られる（遮光される）という現象を防止できる。
【００４０】
また、本発明においては、上記形状のマイクロレンズを各着色画素内にほぼ隙間無きよう複数個配列するものであり、着色画素に対する充填率を高めることができる。
【００４１】
すなわち、本発明のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板を用いることで、着色画素を通過した光の光利用効率を高めることができ、本発明のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板を用いた画像表示装置においては、明るい表示画像を得ることが可能となる。
【００４２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板の一実施例の要部を示す平面説明図。
【図２】本発明のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板の一実施例を示す断面説明図。
【図３】本発明のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板の一実施例を示す平面説明図。
【図４】従来のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板に形成したマイクロレンズの焦点の相違の一例を示す説明図。
【図５】（ａ）〜（ｂ）は、従来のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板に形成したマイクロレンズの焦点距離の一例を示す説明図。
【図６】従来のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板の一例の要部を示す拡大説明図。
【図７】従来のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板の一例を示す説明図。
【符号の説明】
１、11 カラーフィルタ基板
２、12 マイクロレンズ
３、13 カターフィルタ層
４、14 着色画素
５、15 透明基板
６、16 バッファー層
７、17 ブラックマトリクス層
８、18 開口部
９、19 遮光部

Claims

少なくとも、平面視矩形状とした複数の着色画素よりなるカラーフィルタ層と、マイクロレンズ層と、ブラックマトリックス層とを透明基板上に順次積層形成したマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板において、前記着色画素の平面視矩形状は、平面視矩形状の着色画素の短辺の長さをＢｘ、長辺の長さをＢｙとするとき、Ｂｙ＝ｋ×Ｂｘ（ｋは２以上の整数）を満たす平面視矩形状とし、前記マイクロレンズ層を構成するマイクロレンズは、着色画素の端辺からマイクロレンズまでの距離をＳとするとき、一辺の長さＭｘを（前記Ｂｘ−２Ｓ）とする平面視正方形状もしくは略正方形状とし、前記平面視矩形状の着色画素の長辺方向にｋ個配列したことを特徴とするマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板。
前記ｋを２もしくは３としたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板。
前記マイクロレンズが熱フロー方式にて形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロレンズ付きカラーフィルタ基板。