JP3932690B2 - Lens array substrate manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズアレイ基板の製造方法に関する。特に、微細なマイクロレンズの集合を多層構造にしたマイクロレンズアレイ基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示素子を用いてカラー表示を行なう方式として投影型カラー画像表示方式があり、そのうちには、三原色に応じて液晶表示素子を3枚用いる三板式と、1枚のみを用いる単板式とがある。しかし、三板式の投影型カラー画像表示方式では、色分離系と色合成系が必要であるため、光学系が複雑になって部品点数が多くなってしまい、コストが高くつくと共に小型化が困難である。また、単板式の投影型カラー画像表示方式では、三板式と比較すると、コストが安価で、小型化にも適しているが、カラーフィルタによる光の吸収や反射のため、入射光の約1/3しか利用できず、光の利用効率が悪くて表示画面が暗くなるという問題がある。
【0003】
(第1の従来例)
このような問題を解決するため、図1に示すような構造の単板式の投影型カラー液晶表示装置1が提案されている。この装置においては、白色光源2から出射された白色光W、または球面鏡3で反射された白色光Wは、コンデンサレンズ4で平行光に変換され、この白色平行光はダイクロイックミラー5R、5G、5Bに入射される。3枚のダイクロイックミラー5R、5G、5Bは、それぞれ赤、緑、青の波長域の光を反射させるものであって、図2に示すように、白色光源2に近い側から順にダイクロイックミラー5R、5G、5Bがそれぞれ角度θだけずらして扇型に配置されている。
【0004】
しかして、3枚のダイクロイックミラー5R、5G、5Bに入射した白色光Wは、▲1▼ダイクロイックミラー5Rで反射される赤の光束、▲2▼ダイクロイックミラー5Rを通過し、ダイクロイックミラー5Gで反射され、再度ダイクロイックミラー5Rを通過して得られる緑の光束、▲3▼ダイクロイックミラー5R、5Gを通過し、ダイクロイックミラー5Bで反射され、再度ダイクロイックミラー5G、5Rを通過して得られる青の光束の3光束に分けられる。このとき、緑の光束は赤の光束に対して進行方向が2θの角度だけ傾いて出射し、青の光束は緑の光束に対して進行方向が2θの角度だけ傾いて出射される。
【0005】
ダイクロイックミラー5R、5G、5Bにより分割された赤、青、緑の各光束は、液晶表示素子6の光源側に配置されているマイクロレンズアレイ7にそれぞれ異なった角度で入射される。ここで、液晶表示素子6は、緑の光束が液晶表示素子面に垂直入射するように配置されている。マイクロレンズアレイ7を通過した各光束は、それぞれに対応した色信号が独立して印加される信号電極により駆動される各絵素開口に、各光束の入射角度に応じて分配照射される。この装置では、吸収型のカラーフィルタを用いないので、光の利用効率が向上し、極めて明るい画像を提供することができる。
【0006】
しかしながら、分光手段として上記のようなダイクロイックミラー5R、5G、5Bを用いたカラー液晶表示装置1においては、以下に述べるような原因により、画質の低下が招来されるという問題が生じている。
【0007】
すなわち、この投影型カラー液晶表示装置1にあっては、図3に示すように、液晶表示素子6の光入射側に各絵素に対応したマイクロレンズの集合からなる1層のマイクロレンズアレイ7が設けられている。マイクロレンズアレイ7は、ガラス基板8にエッチングされた凹部内に高屈折率樹脂9を充填し、このガラス基板8と高屈折率樹脂9の界面に形成されている。ガラス基板8にマイクロレンズアレイ7を形成されたマイクロレンズアレイ基板10は、液晶表示素子6の光源側に接合されている。マイクロレンズアレイ7によって液晶表示素子6の信号電極11R、11G、11Bにより駆動される各絵素開口部に収束させられた各光束は、液晶表示素子6を通過した後、大きな角度範囲でそれぞれ拡散していく。このため、図1のように液晶表示素子6を透過した各色の光束の主光線をフィールドレンズ12によって屈折させ、投影レンズ13で収束させてスクリーン14上に画像を投影している。
【0008】
しかしながら、この従来例では、カラーフィルタを用いたカラー液晶表示装置で用いられている投影レンズよりも大口径の投影レンズを用いなければ、光利用効率が低下し、画質の低下がもたらされ、コストも高くつくという問題があった。
【0009】
(第2の従来例)
そこで、上記投影型カラー液晶表示装置の光利用効率を向上させ、色純度の低下を防止して画像品質を向上させるための投影型カラー液晶表示装置が提案されている(特開平7−181487号、特開平9−90336号など)。この投影型カラー液晶表示装置の全体構成は、図1に示した第1の従来例とほぼ同じであるが、液晶表示素子6に設けたマイクロレンズアレイ13、14が2層になっているところに特徴がある。すなわち、この投影型カラー液晶表示装置に用いられている液晶表示素子6では、図4に示すように、光源側に用いられるガラス基板15の両面に平板型のマイクロレンズアレイ基板16、17を接合し、内面側のマイクロレンズアレイ基板17の表面に焦点距離調整用のカバーガラス(スペーサ)18を設け、ガラス基板15及びマイクロレンズ基板16、17に一体化されたカバーガラス18と光出射側のガラス基板20の間に液晶層21を封入する構造となっている。ここで、各マイクロレンズアレイ基板16、17は、レンズ基板22にレンズパターンを凹設し、このレンズパターンの凹部23内に高屈折率樹脂24を充填してレンズ基板22の表面を平坦にし、レンズ基板22と高屈折率樹脂24の界面にマイクロレンズアレイ13、14を形成したものである。
【0010】
しかして、図5に示すように、液晶表示素子6の光源側に配置されたマイクロレンズアレイ13は、液晶表示素子6における各色に対応する絵素開口部にそれぞれの色の光束を収束させる。このような各色の光束は、液晶表示素子6に対してそれぞれ異なる角度から照射されるので、マイクロレンズアレイ13により収束された後は、各光束の主光線の方向に応じて広がっていこうとする。マイクロレンズアレイ14は、これら各色の光束の主光線が互いにほぼ平行となるようにして液晶表示素子6から出射させる。
【0011】
この光源と反対側のマイクロレンズアレイ14は、フィールドレンズと同様の働きをするものであり、このように各色の光束の主光線を互いにほぼ平行にすることが可能になるので、投影手段として例えば小口径の投影レンズを用いた場合でも、全光束をほとんどカットすることなく、有効に利用することができる。したがって、光の利用効率を向上させてより明るく、かつ、ホワイトバランスのよいカラー画像を得ることができるようになる。また、大口径の投影レンズ等を使用する必要がなくなるため、製造コストの低減を実現できる。
【0012】
つぎに、このような2層のマイクロレンズ13、14を備えたガラス基板15の製造方法を図6により説明する。まず、図6(a)に示すような所定厚みのレンズ基板22を準備し、図6(b)のように、レンズパターンと同じピッチで開口25をあけられたマスク26をレンズ基板22の表面に形成する。ついで、図6(c)に示すように、マスク26の開口25を通してレンズ基板22の火造り面に対して等方性エッチング処理を行なうことにより、レンズ基板22の表面に凹部23(レンズパターン)を形成する。火造り面とは、ガラス基板15をフュージョン法等で製造するにあたり、溶融ガラスを徐冷、成板した後の研磨していないそのままの表面をいう。上記凹部23には、図6(d)のように高屈折率樹脂24を充填し、表面をレベリングすることでレンズ部分とし、マイクロレンズアレイ基板16、17を製作する。この後、図6(e)に示すように、レンズ基板22のレンズ形成面と反対側の面を研磨し、マイクロレンズアレイ13、14の焦点距離等を設定値に合わせるべく厚み調整する。
【0013】
上記のようにして作製されたマイクロレンズアレイ基板16、17は、図7に示すように、互いに光軸を位置合せしながらガラス基板15の両面に接合され、さらに一方のマイクロレンズアレイ基板17の表面にカバーガラス18を接合される。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、2層のマイクロレンズアレイ13、14を有する従来のマイクロレンズアレイ基板では、上記のようにガラス基板15に2枚のマイクロレンズアレイ基板16、17を貼り合わせて製作されていたので、以下に述べるような理由から、光軸合せが難しくて光学特性が悪く、製造が難しく、工程数が多くてコストが高くつくという問題があった。
【0015】
▲1▼ マイクロレンズアレイどうしの位置決めの困難
まず、別々に製作された平板型マイクロレンズアレイ13、14をガラス基板を介して貼り合わせているので、貼り合わせによる2枚のマイクロレンズアレイ13、14の位置決め(光軸合せ)が困難であり、事実上、量産が不可能であった。すなわち、2枚のマイクロレンズアレイ13、14の縦方向、横方向及び角度(回転方向)をすべて一致させなければならないが、レンズパターンが微細であるため、これが非常に難しく、精度の高い位置決め装置や貼合せ機が必要となる。
【0016】
また、マイクロレンズアレイ13、14の貼り合わせを困難にしている最大の理由は、位置決めしなければならないレンズパターンの間にギャップがあることである。つまり、レンズパターンの間にギャップがあると、各層の屈折率差によって光学的な歪が生じ、位置決め用のアライメントマークの大きさが異なって見え、2つのマイクロレンズアレイ13、14に設けられているアライメントマークどうしの位置合せが困難になる。
【0017】
さらに、重要なことは、ギャップによって生じる光学的な歪のため、レンズパターンに対して完全に垂直な方向からアライメントマークを見ないと、カメラが見ているアライメントマークは虚像となり、実際のアライメントマークはカメラの光軸上からずれた位置にあり、アライメントマークにたよって位置合せしても実際にはアライメントしたことになっていない。これがマイクロレンズアレイ13、14の位置決めを難しくする最大の要因となっている。例えて言うと、不透明なコップの底にコインを入れて斜め方向から見ると、コップに水を入れた場合と入れない場合とで、コインが見えたり見えなかったりすることがあるが、これは空気と水の屈折率差によるものである。微細な位置合わせでは、このわずかなマークの大きさの変化や実像と虚像の位置ずれが原因となり、位置決めが不可能になってしまう。
【0018】
また、位置決めには通常カメラ(CCDカメラなど)を用いるが、マイクロレンズアレイ13、14では、アライメントマークにピントを合わせることが難しい。つまり、アライメントマークは一般的には比較的大きく描かれるものであるが、マイクロレンズアレイ13、14の余白部には限りがあるため、通常は小さなアライメントマークで位置の合わせ込みをしなければならないことが多い。微細なマークをカメラで見るときには焦点深度が浅くなるので、ピントの合う範囲が狭くなる。そのため、マイクロレンズアレイ13、14が多少でも傾いたりすると、とたんにピントが合わせられなくなる。これらの理由からもマイクロレンズアレイ13、14の位置決めをすることは非常に難しいものであった。
【0019】
▲2▼ 貼合わせ時の異物や気泡の混入
マイクロレンズアレイ13、14どうしを、その間に均一なギャップ(空間)を保ったまま一体化することは困難であるから、ガラス基板15の両面にマイクロレンズアレイ13、14を隙間なく貼り合わせている。そのため、仮に2枚のマイクロレンズアレイ13、14が正確に位置合せされたとしても、マイクロレンズアレイ13、14とガラス基板15の間に1つでも異物を噛み込むと、マイクロレンズアレイ13、14が反って撓んだり、傾いたりするので、マイクロレンズアレイ13、14どうしの光軸がずれる。
【0020】
また、マイクロレンズアレイ13、14とガラス基板15の間に部分的な空隙(例えば、空気などの混入による気泡)が発生すると、微細異物の混入の場合と同様、ガラス基板の両面に貼られたマイクロレンズアレイ13、14の光軸をずらすことになる。
【0021】
さらに、異物や気泡を噛み込むと、そこに本来意図しない屈折率差を作り出すので、ここを通過する光束の光軸をずらす結果となる。
【0022】
▲3▼ 歩留まりの低下
従来のマイクロレンズアレイ13、14の製造方法では、上記▲1▼及び▲2▼のような理由により、マイクロレンズアレイ基板製作の歩留まりが悪くなり、量産品として使用できるものはほとんど零に近くなり、実用化が困難であった。また、このような歩留りの悪さは、製品単価を押し上げることになっていた。
▲4▼ 製造工数数が多い
仮に、マイクロレンズアレイ基板製造の歩留まりが改善されたとしても、従来の製造方法では、別々に製作したマイクロレンズアレイ13、14をそれぞれ研磨してガラス基板の両面に貼り合わせているので、製造工数が多くなると共に研磨作業に時間が掛かる。さらに、微細なレンズパターンの位置決めに多くの時間を要するため、製造効率が悪くて量産性が低かった。
【0023】
なお、上記のような問題点は、ガラス基板を介することなくマイクロレンズアレイどうしを直接に接合した構造のマイクロレンズアレイ基板にも言えることである。
【0024】
本発明は上述の技術的問題点を解決するためになされたものであり、マイクロレンズアレイ基板製造時に、マイクロレンズアレイどうしの光軸合せを簡単にし、また製造工程も簡略化することを目的とするものである。
【0027】
【発明の開示】
本発明に係るレンズアレイ基板の製造方法は、複数層のレンズアレイを備えたレンズアレイ基板の製造方法であって、未硬化の樹脂材料に第1のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第1の透光性樹脂層を成形する工程と、第1の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し、この透光性樹脂層に第2のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第2の透光性樹脂層を成形し、第1及び第2の透光性樹脂層の境界面にレンズアレイを形成する工程と、第2の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し硬化させて第3の透光性樹脂層を成形し、第2及び第3の透光性樹脂層の境界面に別なレンズアレイを形成する工程とを備えている。さらに、この工程の繰り返しにより3層以上のレンズアレイを形成することもできる。
【0028】
透明樹脂層の屈折率が互いに異なっているとは、例えば3層の透光性樹脂層を考え、その屈折率を順にn1、n2、n3とすると、n1<n2<n3のように順に大きくなっていてもよく、n1<n2>n3のように交互に大小を組み合わせいてもよい。従来のようにガラス基板の凹部に高屈折率の樹脂を流し込むことによってレンズアレイが製作されていると、設計に自由度がないが、本発明のように成形によって複数層のレンズアレイを製作する場合には、自由に屈折率の組み合わせを変えることができ、レンズアレイ基板の設計自由度が高くなる。
【0029】
本発明のレンズアレイ基板及びその製造方法にあっては、各透光性樹脂層を成形していく際に自動的にレンズアレイが位置合せされた状態でできていく。よって、よって、従来のようにマイクロレンズアレイを貼り合わせる際の位置決めが不要となり、高精度のレンズ位置合わせが可能になる。その結果、良好な精度及び光学的特性を有するレンズアレイ基板を量産可能になる。
【0030】
また、成形によって複数層のマイクロレンズアレイができるので、貼り合わせによる方法のように透光性樹脂層間などに異物が混入したり、気泡が入ったりしにくく、不良品発生率が低下し、マイクロレンズアレイ基板の歩留りが向上する。さらに、貼り合わせ法のように硬質の基板どうしを貼り合わせる場合には、異物や気泡が混入するとマイクロレンズアレイ基板全体の不良となるが、未硬化の樹脂を重ねていくので、仮に異物や気泡が入っても部分的な不良にとどまる。
【0031】
さらに、本発明の製造方法によれば、高精度の加工や位置決めが必要ないので、製造工程が少なく、製造設備も簡単になり、コストを安価にすることができる。
【0032】
特に、本発明に係るレンズアレイ基板の製造方法の実施態様に記載したように、前記第1のスタンパと第2のスタンパ(さらに好ましくはすべてのスタンパ)が同一のスタンパであれば、請求項3に記載したようにレンズアレイの立体形状がいずれも同一となり、成形時にスタンパの取り替え作業が必要ないので、より一層レンズアレイどうしの位置合せ作業を高精度に行なうことができる。なお、この場合には、各レンズアレイの焦点距離は、各透光性樹脂層の屈折率比によって調整することになる。
【0037】
【発明の実施の形態】
図8は本発明の一実施形態による投影型カラー液晶表示装置31の全体の構造を示す断面図、図9は当該カラー液晶表示装置31に用いられている液晶表示素子32及びマイクロレンズアレイ33、34を示す断面図である。この投影型カラー液晶表示装置31においては、白色光源35の背後に球面鏡36が設けられており、球面鏡36の中心が、白色光源35における発光部の中心と一致するように配置されている。白色光源35の前面にはコンデンサレンズ37が設けられており、コンデンサレンズ37は、その焦点が白色光源35の発光部の中心と一致するように配置されている。しかして、白色光源35から出射された白色光束W、あるいは白色光源35から出射され球面鏡36で反射された白色光束Wは、コンデンサレンズ37を透過することにより、略平行な白色光束Wとなる。
【0038】
ここで、コンデンサレンズ37を透過した後の白色光束Wの、アーク長方向(図8において紙面に垂直な方向)の平行度θa、アーク径の方向(図8において紙面に平行な方向)の平行度θbは、次式から求められる。
θa = arctan(L/fc) …(1)
θb = arctan(Φ/fc) …(2)
ただし、L及びΦは白色光源35のアーク長及びアーク径、fcはコンデンサレンズ37の焦点距離である。
【0039】
また、白色光源から平行光束を得る手段としては、上記の構成に限らず、例えば回転放物面鏡を用いる方法、回転楕円面鏡とインテグレータを使用する方法等が適宜選択される。
【0040】
コンデンサレンズ37の前方には、3種のダイクロイックミラー38R、38G、38Bがそれぞれ異なる角度で配置されている。ダイクロイックミラー38R、38G、38Bは、それぞれ赤、緑、青の色に対応する各波長域の光を選択的に反射し、他は透過する特性を有し、この順に光軸上に配置されている。以下、符号のR、G、Bはそれぞれ赤、緑、青の各色を表わすものとする。
【0041】
青、緑、赤の波長域とは、それぞれ400〜495nm、約495〜575nm、約570〜700nmの波長域を示す。ただし、これらの各波長域の光を全て利用すればスクリーン照度は高くなるが、各原色の色純度は低下するので、色純度を重視する場合には、495nm付近及び575nm付近の光をカットする場合もある。
【0042】
ダイクロイックミラー38R、38G、38Bは、周知の多層薄膜コーティング技術により形成される。赤のダイクロイックミラー38Rは約600nmより長波長の可視光を反射するように多層薄膜の条件が設定され、青のダイクロイックミラー38Bは約500nmより短波長の可視光を反射するように多層反射膜の条件が設定され、緑のダイクロイックミラー38Gは約570nm〜500nmの範囲の可視光を反射するように多層薄膜の条件が設定されている。また、いずれのダイクロイックミラー38R、38G、38Bも赤外線を透過するように設計すれば、赤外線が液晶表示素子32に到達しなくなるので、液晶表示素子32の温度上昇を低減するのに効果的である。
【0043】
3枚のダイクロイックミラー38R、38G、38Bの中で、白色光源35に一番近い所に設けられたダイクロイックミラー38Rは、白色光源35からの光束が例えば30゜前後で入射するように配置されている。その他のダイクロイックミラー38G、38Bは、上記ダイクロイックミラー38Rに対してそれぞれ平行な状態から、図において紙面に垂直な方向の軸を回転軸として、角度θずつ順次傾けて配置されている。この相対的な角度θは、後述する液晶表示素子32の絵素配列ピッチP及び液晶表示素子32に設けられたマイクロレンズアレイ33、34の焦点距離fμから求めることができる。
【0044】
しかして、コンデンサレンズ37を透過した平行な白色光束Wは、ダイクロイックミラー38R、38G、38Bに入射し、赤の光束、緑の光束、青の光束に分解されて液晶表示素子32に設けられたマイクロレンズアレイ33、34に入射する。ダイクロイックミラー38R、38G、38Bを上記のようにθずつ傾けて配置してあると、赤波長域、緑波長域、青波長域のそれぞれの光束がマイクロレンズアレイ33、34に対してそれぞれ角度2θずつずれて入射する。
【0045】
この実施形態では、図8に示すように、緑の光束が、マイクロレンズアレイ33、34に垂直入射し、赤及び青の各光束は、この緑の光束を中心に図において紙面と平行な方向に対称に位置するように、角度がつけられている。この赤、青、緑の順番は、白色光源35のスペクトル分布及びダイクロイックミラー38R、38G、38Bの特性を考慮して決定され、必ずしも図8に示す順序に限るものではない。
【0046】
液晶表示素子32は、ガラス基板39とマイクロレンズアレイ基板40を有しており、図9に示すように、ガラス基板39とマイクロレンズアレイ基板40の間に液晶層41が封入されている。光出射側に位置するガラス基板39の内面には、液晶層41を相変化させるためのストライプ状の信号電極42R、42G、42Bが形成されている。また、光入射側に位置するマイクロレンズアレイ基板40の内面には、上記信号電極42R、42G、42Bと直交する走査電極43が設けられている。この信号電極42R、42G、42B及び走査電極43は、透明電極(ITO膜)によって形成されている。
【0047】
マイクロレンズアレイ基板40には、2層のマイクロレンズアレイ33、34が設けられている。このマイクロレンズアレイ基板40は、2枚のベースガラス(ガラス基板)44、45間に互いに屈折率の異なる3層の透明なレンズ樹脂層46、47、48を挟み込んだものであり、屈折率の異なるレンズ樹脂層46、47、48間の界面がレンズパターン形状に成形されており、互いに屈折率の異なるレンズ樹脂層46、47間の界面によって第1のマイクロレンズアレイ33が形成され、互いに屈折率の異なるレンズ樹脂層47、48間の界面によって第2のマイクロレンズアレイ34が形成されている。ここで、マイクロレンズアレイ33、34のレンズパターンは、球面レンズ状、蜂の巣(六角レンズ)状、あるいはかまぼこ形レンズ状(レンチキュラーレンズ)でもよい。
【0048】
光源側に位置するマイクロレンズアレイ33を構成する各レンズの光軸と光源と反対側に位置するマイクロレンズ34を構成する各レンズの光軸は互いに平行となっており、マイクロレンズアレイ33と34の対向する各レンズの光軸は互いに一致するようになっている。
【0049】
この液晶表示素子32では、ダイクロイックミラー38R、38G、38Bによって白色光束Wを分光しているので、カラーフィルタは必要なく、光利用効率が高くなる。また、各色ごとに対応する映像信号が信号電極42R、42G、42Bに印加される。なお、図9においては、液晶表示素子32の構成要素である偏光板、配向膜等を簡略化のため省略している。
【0050】
しかして、図10に示すように、マイクロレンズアレイ33に所定方向から平行光束を照射すると、マイクロレンズアレイ33は、レンズパターンのピッチに対応する間隔で、各色の光束を第2のマイクロレンズアレイ34の出射側近傍に点状に集光する。この集光スポット幅Wは、第1のマイクロレンズアレイ33の焦点距離をfμとすると、上記白色光源35の平行度θbに対して、下記の(3)式のようになる。
W = fμ × tan(θb) …(3)
この(3)式に前記(2)式を代入すると、
W = (fμ × Φ)/fc …(4)
となる。走査電極43及び液晶層41の厚みは、第1のマイクロレンズアレイ33の焦点距離fμに比べて微小であるため、この部分の厚さは無視でき、この集光スポット幅Wがそのまま信号電極42R、42G、42Bに照射される各光束の幅Weであると考えてよい。
【0051】
また、各ダイクロイックミラー38R、38G、38Bの相対的な角度は、絵素配列ピッチをP、マイクロレンズアレイ33の焦点距離をfμ、各光束の入射角の差を2θとすると、
P = fμ × tan(2θ) …(5)
の関係を満たせば、最初の集光ライン(3種のダイクロイックミラー38R、38G、38Bのうち、白色光源35に最も近い位置に配設されたダイクロイックミラー38Rで反射した光による集光ライン)に対して、順次他の集光ラインがそれぞれ上記のピッチ分だけずれた位置に形成される。これにより、マイクロレンズアレイ33を構成するマイクロレンズ一つに対応する隣接した3個の信号電極42R、42G、42Bに、各々対応する色の集光ラインが収まるようになっている。
【0052】
なお、マイクロレンズアレイ34の焦点距離も、光源側のマイクロレンズアレイ33と同じ焦点距離fμに設定されている。
【0053】
上記液晶表示素子32における光出射方向の前方には、図8に示すように、投影手段としてのフィールドレンズ49及び投影レンズ50が設けられており、さらに、この投影レンズ50の前方には、スクリーン51が設けられている。フィールドレンズ49の焦点距離はフィールドレンズ49及び投影レンズ50間の距離に設定されており、液晶表示素子32から出射された各色の光束は、上記フィールドレンズ49によって投影レンズ50の設けられている位置に収束され、この投影レンズ50によりスクリーン51に投影される。なお、上記フィールドレンズ49を用いず、液晶表示素子32から直接投影レンズ50に光を入射するような構成とすることも可能である。
【0054】
しかして、白色光源35からダイクロイックミラー38R、38G、38Bに向かって白色光を照射すると、ダイクロイックミラー38R、38G、38Bが各々異なる色の光束をそれぞれ反射することにより、白色光が三原色に分解される。各色の光束は、図10に示すように、ダイクロイックミラー38R、38G、38Bが配置された角度に応じて、上述のように各々異なる角度で、第1のマイクロレンズアレイ33に入射する。
【0055】
このマイクロレンズアレイ33からの光は、マイクロレンズアレイ34を介して、各色に対応する信号電極42R、42G、42Bに集光されるが、このとき、信号電極42R、42G、42Bをその上に集光される色に対応した映像信号でそれぞれ駆動すると、各色の光束はその信号に応じて強度が変調される。変調後の光束は、上記フィールドレンズ49及び投影レンズ50を通過した後、スクリーン51に投影され、このスクリーン51上でカラー映像表示が行われる。
【0056】
ところで、従来の投影型カラー液晶表示装置(第1の従来例)では、垂直入射以外の赤、青の2光束の光軸(主光線)が、液晶表示素子32を出射した後も2θの角度をもって伝搬してしまうため、これらを全て捕捉し投影するためには、大口径の投影レンズが必要であった。しかしながら、この実施形態の投影型カラー液晶表示装置31では、出射光の拡がりを小さくするため、第2のマイクロレンズアレイ34が設けられている。また、第1のマイクロレンズアレイ33の焦点距離は、この第2のマイクロレンズアレイ34の出射側近傍に第1のマイクロレンズアレイ33から出射された光束の焦点が位置するよう、上記(5)式の関係を満足するように設定されている。
【0057】
このように配置された第2のマイクロレンズアレイ34は、フィールドレンズ49と同様の機能を果たし、各色の光束の光軸を互いに平行化することにより、その出射方向を液晶表示素子32に対して垂直にし、液晶表示素子32からの出射光の広がり角を小さくすることができる。したがって、小口径の投影レンズ50を用いた場合でも、全光束を有効に利用することができる。これにより、光利用効率が高く、ホワイトバランスの良いカラー画像を得ることが可能になると共に、コストアップの原因となっていた高価な大口径のレンズを用いなくてもよくなることから、投影型カラー液晶表示装置31全体としてのコストアップを回避することが可能になる。
【0058】
なお、マイクロレンズアレイ33、34の焦点距離を調整する方法としては、つぎのようにすればよい。まず第1の方法は、マイクロレンズアレイ33、34を構成するレンズ樹脂層46、47、48の屈折率を変えればよい。例えば図11(a)は屈折率がn1、n2(n1<n2)のレンズ樹脂層46、47の界面にマイクロレンズアレイ33を形成しているが、図11(b)のように、この屈折率n2のレンズ樹脂層47をより大きな屈折率n3(>n2)のものに代えると、マイクロレンズアレイ33の焦点距離を短くすることができる。第2の方法としては、マイクロレンズアレイ33、34の曲率を変えればよい。例えば図12(a)は屈折率がn1、n2(n1<n2)のレンズ樹脂層46、47の界面に曲率半径がr1のマイクロレンズアレイ33を形成しているが、図12(b)のように、このマイクロレンズアレイ33をより小さな曲率半径r2(<r1)にすれば、マイクロレンズアレイ33の焦点距離を短くすることができる。
【0059】
(マイクロレンズアレイ基板の製造方法)
つぎに、上記マイクロレンズアレイ基板40の製造方法を図13及び図14(a)〜図16(i)により説明する。これは、紫外線照射により硬化する紫外線硬化型樹脂を用いた、いわゆる2P(Photo-Polymerization)法により、2枚のベースガラス44、45間に2層のマイクロレンズアレイ33、34を成形する方法である。
【0060】
まず、図13に示すように、成形機の下側テーブル52の上面にベースガラス44を置き、下側テーブル52内の吸着チャック53でベースガラス44の下面の空気を排気することにより下側テーブル52の上面にベースガラス44を吸着させる。同様に、成形機の上側テーブル54の下面にスタンパ57を重ね、上側テーブル54内の吸着チャック55からスタンパ57の上面の空気を排気することにより上側テーブル54の下面にスタンパ57を吸着させる。この上側テーブル54はガイド機構(図示せず)によって位置ずれのないよう精密に上下するようになっている。
【0061】
ついで、図14(a)に示すように、透明なベースガラス44の上に流動性のある透明な紫外線硬化型樹脂56を供給した後、紫外線硬化型樹脂56の上からベースガラス44へ向けてスタンパ57を降下させる。このスタンパ57の下面には、マイクロレンズアレイ33、34のレンズパターンと合致する反転パターン58が形成されている。このスタンパ57をベースガラス44に十分に押し付けてスタンパ57とベースガラス44の間に紫外線硬化型樹脂56を挟み込み、紫外線硬化型樹脂56をスタンパ57とベースガラス44の間に押し広げてスタンパ57の反転パターン58で紫外線硬化型樹脂56を型押しした後、そのままの状態を保持し、ベースガラス44を通して紫外線硬化型樹脂56に紫外線ランプ等によって紫外線(UV光)を照射する[図14(b)]。
【0062】
紫外線を照射された紫外線硬化型樹脂56は、紫外線を浴びると硬化反応を起こして硬化するので、紫外線硬化型樹脂56にスタンパ57の反転パターン58が転写成形される。スタンパ57を上昇させて紫外線硬化型樹脂56から分離すると、硬化した紫外線硬化型樹脂56によってベースガラス44の上にレンズ樹脂層46が成形されると共に当該レンズ樹脂層46の表面にマイクロレンズアレイ33のパターンが成形される[図14(c)]。
【0063】
ついで、硬化したレンズ樹脂層46の上に、レンズ樹脂層46とは屈折率が異なり流動性のある透明な紫外線硬化型樹脂59を供給した後、紫外線硬化型樹脂59の上からレンズ樹脂層46へ向けて上記スタンパ57を再度降下させる[図15(d)]。このスタンパ57をレンズ樹脂層46に十分に押し付けてスタンパ57とレンズ樹脂層46の間に紫外線硬化型樹脂59を挟み込み、スタンパ57の反転パターン58で紫外線硬化型樹脂59を型押しして紫外線硬化型樹脂59をスタンパ57とレンズ樹脂層46の間に押し広げた後、そのままの状態を保持し、ベースガラス44及びレンズ樹脂層46を通して紫外線硬化型樹脂59に紫外線ランプ等によって紫外線(UV光)を照射する[図15(e)]。
【0064】
紫外線を照射された紫外線硬化型樹脂59は、紫外線を浴びると硬化反応を起こして硬化するので、紫外線硬化型樹脂59にスタンパ57の反転パターン58が転写成形される。スタンパ57を上昇させてスタンパ57を紫外線硬化型樹脂59から分離すると、硬化した紫外線硬化型樹脂59によってレンズ樹脂層46の上にレンズ樹脂層47が成形される。そして、レンズ樹脂層46とレンズ樹脂層47の界面にマイクロレンズアレイ33が形成されると共にレンズ樹脂層47の表面にマイクロレンズアレイ34のパターンが成形される[図15(f)]。
【0065】
さらに、硬化したレンズ樹脂層47の上に、レンズ樹脂層47とは屈折率が異なり流動性のある透明な紫外線硬化型樹脂60を供給した後、上側テーブル54の下面にベースガラス45を吸着させ、紫外線硬化型樹脂60の上からレンズ樹脂層47へ向けてベースガラス45を真っ直ぐに降下させる[図16(g)]。このベースガラス45をレンズ樹脂層47に十分に押し付けてベースガラス45とレンズ樹脂層47の間に紫外線硬化型樹脂60を挟み込み、ベースガラス45で紫外線硬化型樹脂60の表面を平らにならして紫外線硬化型樹脂60をベースガラス45とレンズ樹脂層47の間に押し広げた後、そのままの状態を保持し、ベースガラス44及びレンズ樹脂層46、47を通して紫外線硬化型樹脂60に紫外線ランプ等によって紫外線(UV光)を照射する[図16(h)]。
【0066】
紫外線を照射された紫外線硬化型樹脂60は、紫外線を浴びると硬化反応を起こして硬化する。この結果、紫外線硬化型樹脂60によってレンズ樹脂層47とベースガラス45の間にレンズ樹脂層48が成形されると共にレンズ樹脂層47とレンズ樹脂層48の界面にマイクロレンズアレイ34が成形される。
【0067】
こうして図16(i)のような構造のマイクロレンズアレイ基板40が製造される。このマイクロレンズアレイ基板40の内面(ベースガラス45の表面)には液晶層41を駆動するための走査電極43等を形成するので、ここには高度な平面性が求められる。そのため図16(h)の工程で上側テーブル54によりベースガラス45を押圧することにより、液晶用基板に要求される平面性を損ねる程度にベースガラス45のうねりが大きくなる場合には、最後にベースガラス45の研磨工程を追加してもよい。研磨する場合には、予め研磨される分だけ厚みの大きなベースカバー45を使用する。
【0068】
また、この製造工程では、上側テーブル54の下面に吸着されるスタンパ57及びベースガラス45と、下側テーブル52の上面に吸着されるベースガラス44の位置決めは、ある程度の精度でよい。上側テーブル54の下面に吸着されていたスタンパ57をベースガラス45に取り替えるまでは、スタンパ57とベースガラス44の相対位置は変化せず、マイクロレンズアレイ33のパターンとマイクロレンズアレイ34のパターンは同一のスタンパ57によって成形されるので、スタンパ57とベースガラス44、45の位置決めがある程度の精度であっても、マイクロレンズアレイ33とマイクロレンズアレイ34とはぴったりと一致することになる。
【0069】
スタンパ57やベースガラス44の位置決めがある程度の精度でよいのは、マイクロレンズアレイ基板40を製作する際には、1基板ずつ製作するわけではなく、多くの場合、上記のようにしてマイクロレンズアレイ基板40をラフに作製した後、予めスタンパ57に作り込んであったマーカーを基準にしてマイクロレンズアレイ基板40の外形をカットし、さらに必要に応じてマイクロレンズアレイ基板40を所定枚数にカットして使用するからである。ただし、この場合にはマイクロレンズアレイ33、34の焦点距離の調整は、各レンズ樹脂層の屈折率によって行なうことになる。
【0070】
なお、マイクロレンズアレイ33及び34の焦点距離を各レンズパターンの曲率半径によって調整する場合には、2種類のスタンパを用いる必要があるが、その場合には、上側テーブル54に位置決め手段を設けてスタンパの位置決めだけを精密に行なう必要がある。また、レンズ樹脂層46、47、48を成形するための樹脂材料としては、紫外線硬化型樹脂以外の光硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂などでもよい。もっとも、製造上の扱い易さと生産性の点で、いまのところ紫外線硬化型が勝っている。
【0071】
(スタンパの製造方法)
つぎに、上記スタンパ57の製造方法を図17に示す。まず、図17(a)に示すような平板状のガラス板61を用意し、図18に示すようにガラス板61の表面に、結像レンズ62で集光させたレーザー光を照射し、レーザー加工(レーザーリトグラフィ)により2点鎖線で示す深さまでガラス板61を蒸発除去し、ガラス板61の表面に所望の凹凸パターン63(すなわち、マイクロレンズアレイ33、34のレンズパターンと同じ形状であって、予めレーザー加工装置を制御するコンピュータに記憶させている)を形成する[図17(b)]。ガラス板61の表面に所望のレンズパターン63を形成してガラス板61からなる原盤64を作製した後、原盤64の上にニッケルを堆積させ、ニッケル電鋳法により原盤の反転型であるニッケルマスタ65を作製し[図17(c)]、ニッケルマスタ65を原盤64から剥離する[図17(d)]。ニッケル電鋳法によりニッケルマスタ65を作製する際には、その準備として原盤64を例えば蒸着法あるいは無電解メッキ法で導電化しておき、導電化された原盤64の表面を陰極とし、例えばスルファミン酸ニッケル浴で電気メッキしてニッケルマスタ65を作製する。
【0072】
このニッケルマスタ65をさらにニッケル電鋳法で複製したものをスタンパ57とする。ニッケルマスタ65を複製する場合には、ニッケルマスタ65の表面に例えば重クロム酸カリ溶液で酸化膜を作った後、再びニッケル電鋳法により凸凹が反転したスタンパ57(原盤の複製)を作製する[図17(e)]。
【0073】
また、スタンパ57を作製するには、図19(a)〜(e)に示すように、ガラス板61の表面に塗布されたレジスト68をレーザー加工することによって原盤64を作製してもよい。レジスト68を使用する場合には、ガラス板61とレジスト68の密着剤として、例えばシランカップリング剤をガラス板61の表面に塗布しておき、レーザー加工した後、露光、現像及び洗浄の工程を経て、レジスト68による凹凸パターン63がガラス板61の表面に形成される[図19(a)(b)]。この後の処理は、図17(c)以下と同様に行う[図19(c)〜(e)]。
【0074】
本実施形態にあっては、上記のようにしてマイクロレンズアレイ基板40を製作しているので、以下に示す▲1▼〜▲4▼のような効果が得られる。
▲1▼ 位置決め不要で、かつ、精度の高いレンズ位置合わせができる。
上記実施形態から分かるように、マイクロレンズアレイを成形するためのスタンパとレンズ樹脂層を積層していく基板となるベースガラスは、成形機の上側テーブルと下側テーブルにそれぞれ吸着されて動かない。つまり、マイクロレンズアレイを複数層積層しても複数層の各マイクロレンズアレイの位置がずれることがない。従って、特別に位置決めをしなくとも、従来の貼り合わせ法により製造されたマイクロレンズアレイ基板とは比較にならないくらい高精度のレンズ位置合わせが可能になる。
【0075】
▲2▼ 貼合わせでは事実上、不可能だった量産が可能となる。
上記のように、高精度の位置決めを行なわなくても精度の高いレンズ位置決めを行なえるので、マイクロレンズアレイの量産が可能になる。
▲3▼ 不良品発生率が低下し、歩留りが向上する。
従来の貼り合わせ法によるマイクロレンズアレイ基板では、異物や気泡を挟み込むと、マイクロレンズアレイとしての特性を満たせなくなり、マイクロレンズアレイ基板そのものが不良品となってしまう。これに対し、本発明のマイクロレンズアレイ基板では、べースガラス間に納まる大きさ(厳密には、べースガラスとスタンパの間の大きさ)であれば、仮にレンズ樹脂層間などに異物や気泡が混入しても、その部分のレンズ単体は欠陥部分となっても、マイクロレンズアレイ基板全体が不良品になることはない。なぜなら、スタンパで押圧されるレンズ樹脂層(紫外線硬化型樹脂など)は、硬化前には流動性のよいもので、レンズ樹脂層間やレンズ樹脂層とベースガラスの間に異物や気泡を挟み込んだとしても、その部分に異物や気泡が混入するだけで他の部分に影響を及ぼさない(つまり、マイクロレンズ基板全体の反りや傾き、膨れなどにならない)からである。
【0076】
もちろん、許容される異物や気泡の大きさには限度がある。マイクロレンズアレイ基板は光学部品であるから、投影型カラー液晶表示装置などの最終製品となったときに欠陥と認められるようなものは、マイクロレンズアレイ基板としても欠陥品である。これには個々の製品仕様によるが、少なくとも従来の製法のように、数ミクロンの異物や気泡など微小な欠陥まで許容されない訳ではない。
【0077】
▲4▼ 製造工数が少ない
本発明によるマイクロレンズアレイ基板の製造方法によれば、レンズ位置決めに高い精度を要求されず、そのため製造工程においても非常に工数の多い工程が存在しない。また、スタンパによる単層マイクロレンズアレイ基板の製造方法と比較しても、スタンパで樹脂を押圧して硬化させる工程を繰り返すだけでよく、製造工数はほぼ同等である。また、マイクロレンズアレイ基板の製造設備も、単層のマイクロレンズアレイ基板を製造できる装置であれば、屈折率の異なる樹脂の供給できるようにするだけでよく、ほぼそのままの製造装置により多層のマイクロレンズアレイを作製することができる。よって、従来方法のように貼合せ装置が必要なく、設備コストが安価になる。
【0078】
▲5▼ マイクロレンズアレイ基板に結合面が少なく、設計の負担が減少する。
このマイクロレンズアレイ基板における複層化の構造設計で最も重要な点は、レンズ樹脂層間の屈折率比および各マイクロレンズアレイのレンズ曲率である。この構造設計は、結合面(屈折率の違う材質の境界面)が多くなれば、それだけ設計やシミュレーションが複雑になる。具体的に言うと、図4のような構造の従来のマイクロレンズアレイ基板では、第1及び第2のマイクロレンズアレイ(パターン)間には、高屈折率樹脂、ガラス基板、レンズ基板(ガラス)が存在しているのに対し、この実施形態のマイクロレンズアレイ基板では、マイクロレンズアレイ間には、レンズ樹脂層が1層存在するだけで、簡単な構造となっている。
【0079】
なお、上記実施形態では2層のマイクロレンズアレイを成形する方法について説明したが、本発明の方法は、3層以上のマイクロレンズアレイを成形する場合にも適用することができる。
【0080】
(第2の実施形態)
つぎに、マトリックス状に配置された矩形絵素をスイッチングするアモルファス・シリコン半導体薄膜トランジスタを介してダイナミック表示駆動される周知のツイステッド・ネマテイックモード(TN)のアクティブ・マトリックス型液晶表示素子を用いた実施形態を説明する。
【0081】
この実施形態の液晶表示素子では、図20(a)に示すように絵素配列がデルタ配列になっており、各絵素に対応する各絵素電極71R、71G、71Bがデルタ配列をなし、絵素電極71R、71G、71Bを示していない部分は遮光層である。
【0082】
絵素配列が、上記のようなデルタ配列の場合、マイクロレンズアレイとしてレンチキュラーレンズを用いるのは不適当である。すなわち、この場合には、図20(a)に示すように、方形状のマイクロレンズ72をレンガ積み状に配置したマイクロレンズアレイや、個々のマイクロレンズの形状は、必ずしもそれに対応する絵素の組の形と相似形である必要はないため、同図(b)及び(c)に示すように、球面レンズの外周部が相互に融合した六角形のマイクロレンズ73を稠蜜に配列した蜂の巣状のマイクロレンズアレイが用いられる。
【0083】
図20(a)及び(c)に示す場合、一つのマイクロレンズ72(あるいは73)により集光される三原色の集光スポットは横一列に並び、1つのマイクロレンズ72(あるいは73)が横一列に並んだ三個の絵素電極71R、71G、71Bに対応するように、絵素配列とマイクロレンズアレイの相対的な位置関係が設定されている。一方、同図(b)に示す場合には、一つのマイクロレンズ73により集光される三原色の各集光スポットが、それぞれ三角形の頂点を形成するように並び、一つのマイクロレンズ73がそれぞれ三角形の頂点となるように並んだ3個の絵素電極71R、71G、71Bが対応するように、絵素配列とマイクロレンズアレイの相対的な位置関係が設定されている。
【0084】
このように一組の集光スポットが三角形状に照射される場合には、ダイクロイックミラーは、その画法線の方向を傾けるように配置する。これにより、マイクロレンズの光軸と各色の入射光のなす角は小さくなるので、マイクロレンズアレイの収差が低減される。
【0085】
このような液晶表示素子に用いられる2層のマイクロレンズアレイ、あるいはマイクロレンズアレイ基板としては第1の実施形態で説明したような構造のものを用いることができる。また、そのマイクロレンズアレイ基板も第1の実施形態で説明した製造方法と同様にして製造することができる。
【0086】
(第3の実施形態)
つぎに、本発明のさらに別な実施形態を説明する。図21は反射型カラー液晶表示装置に用いられるマイクロレンズアレイ付きの反射型液晶表示素子81の断面図である。また、図22はそのレンズ部分と画素の配列を示す図である。反射型液晶表示素子81は、マイクロレンズアレイ基板40とガラス基板82の対向面にそれぞれ透明な走査電極83と反射電極84R、84G、84Bを形成し、その間に液晶層85を充填して周囲をシール材86によって封止している。
【0087】
マイクロレンズアレイ基板40は、透明で互いに屈折率の異なる3層のレンズ樹脂層46、47、48をベースガラス44、45間に挟み込んだものであって、レンズ樹脂層46、47、48の界面にマイクロレンズアレイ33、34が形成されている。このマイクロレンズアレイ基板40は、第1の実施形態において説明したものと同じものであるから、詳細な構造や製造方法は説明を省略する。
【0088】
このようなマイクロレンズアレイ基板40においては、図25に示すように、第1のマイクロレンズアレイ33は各色の光束を集光し、第2のマイクロレンズアレイ34は、第1のマイクロレンズアレイ33を透過した各光束の主光線が対応する反射電極84R、84G、84Bに垂直に入射するように屈折させる。反射電極84R、84G、84Bに垂直に光束が照射されることにより、反射電極84R、84G、84Bで反射した光束はもとのレンズ部分を通って反射型液晶表示素子81の前面から出射される。
【0089】
また、マイクロレンズアレイ33、34を構成する個々のレンズ部分には、反射電極84R、84G、84Bの中心が3角形の頂点位置に均等に配列されている。この配列にあっては、図22に点線で示すように赤(R)、青(B)、緑(G)の各画素(反射電極84R、84G、84B)が複数のレンズ部分にわたって直線状に配列されている。
【0090】
また、レンズ部分と反射電極84R、84G、84Bの配列については、図23に示すように、赤(R)、青(B)、緑(G)の各画素を直線状に配列するとともに1つのレンズ部分内に収めるようにしてもよい。あるいは、図24に示すように、レンズ部分の輪郭形状を六角形でなく四角形にしてもよい。
【0091】
しかして、ダイクロイックミラーによって三原色に分解された光束は、図21に示すように、異なる角度でマイクロレンズアレイ基板40に入射し、第1のマイクロレンズアレイ33で絞られ、第2のマイクロレンズアレイ34で屈折されて反射電極84R、84G、84Bに垂直に入射させられ、反射電極84R、84G、84Bで反射した光束は入射時と同一の光路をたどって元の方向へ出射する。こうして、マイクロレンズアレイ33、34の各レンズ部分の中心から各光束が入射すれば、この入射光束に対応する反射光束もレンズ部分の中心から出射することになり、投影レンズ径の小径化を図りつつ照射光の有効利用が図れる。
【0092】
(第4の実施形態)
図26は本発明のさらに別な実施形態による反射型表示装置101の構成を示す概略図である。これはDMD(digital micromirror device)102と呼ばれる微細な光学素子を用いたものであって、例えばプロジェクタなどに用いられる。
【0093】
まず、DMD102について説明する。これはマイクロマシニング技術を用いることにより、Si基板103上に多数の微細なマイクロミラー105を配列させた光学素子である。このDMDの1画素分の構造を図27に示す。Si基板103の上面には一対の支持部106が設けられており、Si基板103の表面においてトーションヒンジ107の両端が支持部106によって支持されている。トーションヒンジ107には、ヨーク108の中央部が取り付けられており、ヨーク108の中心に立てられた柱部109の上端にマイクロミラー105が形成されている。Si基板103の上面には、静電気等の電気磁気的な力によってヨークに駆動力を及ぼしてトーションヒンジ107を捩らせながらヨーク108の傾きを調整することにより、マイクロミラー105の角度を制御するためのミラー駆動手段(図示せず)が設けられている。こうしてヨーク108を傾けることにより、マイクロミラー105の角度を変化させることができ、マイクロミラー105に光を照射していると、反射光の方向を自由に制御することができる。
【0094】
DMD102を用いた反射型表示素子101は、図26に示すように、DMD102に対向させてマイクロレンズアレイ基板40を配置し、光源110から出射された白色光をダイクロイックミラー111によって赤、緑、青の光束に分光させ、各色の光束をマイクロレンズアレイ基板40を透過させることにより、1絵素を構成する3つのマイクロミラー105に照射させるようにしたものである。各絵素において、スクリーン114に表示する必要のない光束は、マイクロミラー105によって横方向へ反射されて光アブソーバ112に吸収され、スクリーンに表示する場合には、マイクロミラー105によってプロジェクションレンズ113の方向へ反射させ、プロジェクションレンズ113によってスクリーン114上に結像され、表示画像の1画素となる。また、階調を表示するには、1フレーム周期の間に階調レベルに応じて時分割された時間だけ、スクリーンに光が投射されるようにミラーを制御する。例えば256階調では、1フレーム時間(60フレームでは1/60秒)を256分の1に分けた間隔でミラーを制御している。
【0095】
このようなDMD102を用いた反射型表示装置101において2層構造のマイクロレンズアレイ基板40を用いれば、マイクロレンズアレイ基板40とDMD102の間で各色の光束の主光線が平行となるように出射されるから、マイクロミラー105間のピッチを小さくすることができ、反射型表示装置101の画素を精細化することができる。しかも、そのマイクロレンズアレイ基板40としてレンズ樹脂層の界面によってマイクロレンズアレイ33、34を成形したものを用いれば、光学特性を良好にできるので、反射型表示装置の品質が良好となり、コストも安価にできる。
【0096】
さらには、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、画像表示装置の応用分野として、投影型プロジェクタ、背面投影型のプロジェクタテレビ(リアプロTV)、ヘッドマウントディスプレイ(HMD;近年パーチャルアミューズメントなどに用いらている眼鏡式の表示モニタ)などにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の投影型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図2】同上の装置に用いられているダイクロイックミラーの構成を示す図である。
【図3】同上の装置に用いられている液晶表示素子とマイクロレンズアレイを示す断面図である。
【図4】別な従来例の投影型カラー液晶表示装置に用いられている液晶表示素子とマイクロレンズアレイ基板を示す断面図である。
【図5】同上のマイクロレンズアレイの作用を説明する図である。
【図6】(a)(b)(c)(d)(e)は同上のマイクロレンズアレイの製造方法を説明する断面図である。
【図7】同上のマイクロレンズアレイやガラス基板等からマイクロレンズアレイ基板を製作する方法を説明する図である。
【図8】本発明の一実施形態による投影型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図9】同上の装置に用いられている液晶表示素子とマイクロレンズアレイを示す断面図である。
【図10】同上の装置に用いられているマイクロレンズアレイ基板の作用を説明する図である。
【図11】(a)(b)は同上のマイクロレンズアレイの焦点距離の調整方法を説明する図である。
【図12】(a)(b)は同上のマイクロレンズアレイの焦点距離の別な調整方法を説明する図である。
【図13】同上のマイクロレンズアレイ基板を製造するための成形機の上側テーブル及び下側テーブルを示す概略断面図である。
【図14】(a)(b)(c)は同上のマイクロレンズアレイ基板の製造工程を説明する図である。
【図15】(d)(e)(f)は図14の続図である。
【図16】(g)(h)(i)は図15の続図である。
【図17】(a)〜(e)はマイクロレンズアレイのパターンを成形するためのスタンパの製造方法を説明する図である。
【図18】ガラス板をレーザー加工する様子を示す図である。
【図19】(a)〜(e)はマイクロレンズアレイのパターンを成形するためのスタンパの別な製造方法を説明する図である。
【図20】(a)(b)(c)は本発明の別な実施形態における投影型カラー液晶表示装置に用いられるマイクロレンズアレイの形状を示す図である。
【図21】本発明のさらに別な実施形態による反射型液晶表示素子の構造を示す断面図である。
【図22】同上の素子におけるレンズ部分と画素の配列を示す図である。
【図23】同上の素子におけるレンズ部分と画素の別な配列を示す図である。
【図24】同上の素子におけるレンズ部分と画素のさらに別な配列を示す図である。
【図25】同上の素子における照射光と反射光の光路を示す図である。
【図26】本発明のさらに別な実施形態による反射型表示装置の構成を示す概略図である。
【図27】同上の表示装置に用いられているDMDの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
32 液晶表示素子
33、34 マイクロレンズアレイ
38R、38G、38B ダイクロイックミラー
40 マイクロレンズアレイ基板
41 液晶層
44、45 ベースガラス
46、47、48 レンズ樹脂層
56、59、60 紫外線硬化型樹脂
57 スタンパ
102 DMD
105 マイクロミラー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a lens array substrate.Manufacturing methodAbout. In particular, a microlens array substrate that has a multilayer structure of a collection of minute microlenses.Manufacturing methodAbout.
[0002]
[Prior art]
As a method of performing color display using a liquid crystal display element, there is a projection type color image display system, and there are a three-plate type using three liquid crystal display elements according to three primary colors and a single-plate type using only one sheet. . However, the three-plate projection type color image display system requires a color separation system and a color synthesis system, which complicates the optical system and increases the number of parts, resulting in high costs and difficulty in miniaturization. It is. In addition, the single-plate projection type color image display method is less expensive than the three-plate type and is suitable for downsizing, but the light absorption and reflection by the color filter causes about 1 / th of incident light. Only 3 can be used, and there is a problem that the display efficiency becomes low and the display screen becomes dark.
[0003]
(First conventional example)
In order to solve such a problem, a single-plate projection type color liquid
[0004]
Accordingly, the white light W incident on the three
[0005]
The red, blue, and green light beams divided by the
[0006]
However, in the color liquid
[0007]
That is, in the projection type color liquid
[0008]
However, in this conventional example, unless a projection lens having a larger aperture than the projection lens used in the color liquid crystal display device using the color filter is used, the light use efficiency is lowered, and the image quality is lowered. There was a problem of high cost.
[0009]
(Second conventional example)
Therefore, a projection type color liquid crystal display device has been proposed for improving the light utilization efficiency of the projection type color liquid crystal display device and preventing the decrease in color purity and improving the image quality (Japanese Patent Laid-Open No. 7-181487). JP-A-9-90336). The overall configuration of this projection type color liquid crystal display device is almost the same as that of the first conventional example shown in FIG. 1, but the
[0010]
Therefore, as shown in FIG. 5, the
[0011]
The
[0012]
Next, a method for manufacturing the
[0013]
As shown in FIG. 7, the
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional microlens array substrate having the two-
[0015]
▲ 1 ▼ Difficult to position micro lens arrays
First, since the separately produced flat-
[0016]
In addition, the biggest reason for making it difficult to attach the
[0017]
Furthermore, importantly, due to optical distortion caused by the gap, if the alignment mark is not viewed from a direction completely perpendicular to the lens pattern, the alignment mark seen by the camera becomes a virtual image, and the actual alignment mark Is at a position deviated from the optical axis of the camera, and even if it is aligned by the alignment mark, it is not actually aligned. This is the biggest factor that makes it difficult to position the
[0018]
Further, although a normal camera (CCD camera or the like) is used for positioning, it is difficult to focus on the alignment mark in the
[0019]
▲ 2 ▼ Mixing of foreign matter and air bubbles during pasting
Since it is difficult to integrate the
[0020]
Further, when a partial gap (for example, air bubbles due to mixing of air or the like) is generated between the
[0021]
Furthermore, if a foreign object or bubble is bitten, an unintended refractive index difference is created there, resulting in a shift of the optical axis of the light beam passing therethrough.
[0022]
▲ 3 ▼ Yield reduction
In the conventional manufacturing method of the
▲ 4 ▼ Many manufacturing steps
Even if the yield of manufacturing the microlens array substrate is improved, in the conventional manufacturing method, the separately manufactured
[0023]
The above-described problem can be applied to a microlens array substrate having a structure in which microlens arrays are directly joined without using a glass substrate.
[0024]
The present invention has been made to solve the above-mentioned technical problems, and it is an object of the present invention to simplify the optical axis alignment between microlens arrays and to simplify the manufacturing process when manufacturing a microlens array substrate. To do.
[0027]
DISCLOSURE OF THE INVENTION
A method of manufacturing a lens array substrate according to the present invention is a method of manufacturing a lens array substrate having a lens array having a plurality of layers.A step of curing the resin material in a state where the first stamper is pressed against the uncured resin material and molding the first light-transmitting resin layer; and the light-transmitting resin layer on the first light-transmitting resin layer. An uncured resin material having a refractive index different from that of the light-sensitive resin layer is supplied, and the second light-transmitting resin layer is formed by curing the resin material with the second stamper pressed against the light-transmitting resin layer. Forming and forming a lens array on the boundary surface between the first and second translucent resin layers, and an uncured material having a refractive index different from that of the translucent resin layer on the second translucent resin layer Supplying and curing the resin material, forming a third translucent resin layer, and forming another lens array on the boundary surface between the second and third translucent resin layers;HasThe Furthermore, it is possible to form a lens array having three or more layers by repeating this process.
[0028]
The refractive index of the transparent resin layer is different from each other. For example, when three refractive resin layers are considered and the refractive indexes are n1, n2, and n3 in this order, n1 <n2 <n3 increases in order. Alternatively, the sizes may be alternately combined such as n1 <n2> n3. When a lens array is manufactured by pouring a resin with a high refractive index into the concave portion of the glass substrate as in the prior art, there is no freedom in design, but a multi-layer lens array is manufactured by molding as in the present invention. In this case, the combination of refractive indexes can be freely changed, and the degree of freedom in designing the lens array substrate is increased.
[0029]
In the lens array substrate and the method for manufacturing the same according to the present invention, the lens array is automatically aligned when each translucent resin layer is molded. Therefore, positioning at the time of bonding the microlens array as in the prior art becomes unnecessary, and high-precision lens positioning is possible. As a result, a lens array substrate having good accuracy and optical characteristics can be mass-produced.
[0030]
In addition, since a multi-layer microlens array can be formed by molding, it is difficult for foreign matter to enter between the light-transmitting resin layers or the like, as in the case of bonding, and bubbles are difficult to enter. The yield of the lens array substrate is improved. In addition, when sticking together hard substrates as in the bonding method, foreign matter and air bubbles will be mixed, resulting in a failure of the entire microlens array substrate. Even if enters, it remains a partial failure.
[0031]
Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, since high-precision processing and positioning are not required, the number of manufacturing steps is reduced, the manufacturing equipment is simplified, and the cost can be reduced.
[0032]
In particular,Embodiment of manufacturing method of lens array substrate according to the present inventionIf the first stamper and the second stamper (more preferably all the stampers) are the same stamper, the three-dimensional shapes of the lens arrays are all the same as described in claim 3. Since the stamper does not need to be replaced at the time of molding, the alignment operation between the lens arrays can be performed with higher accuracy. In this case, the focal length of each lens array is adjusted by the refractive index ratio of each translucent resin layer.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the overall structure of a projection type color liquid
[0038]
Here, the parallelism θa of the white light beam W after passing through the
θa = arctan (L / fc) (1)
θb = arctan (Φ / fc) (2)
Here, L and Φ are the arc length and arc diameter of the
[0039]
The means for obtaining the parallel light beam from the white light source is not limited to the above configuration, and for example, a method using a rotating parabolic mirror, a method using a spheroid mirror and an integrator, and the like are appropriately selected.
[0040]
Three types of
[0041]
The blue, green, and red wavelength ranges are 400 to 495 nm, about 495 to 575 nm, and about 570 to 700 nm, respectively. However, if all the light in each wavelength region is used, the screen illuminance increases, but the color purity of each primary color decreases. Therefore, when the color purity is important, the light near 495 nm and 575 nm is cut off. In some cases.
[0042]
The dichroic mirrors 38R, 38G, and 38B are formed by a well-known multilayer thin film coating technique. The conditions of the multilayer thin film are set so that the red
[0043]
Of the three
[0044]
Thus, the parallel white light beam W transmitted through the
[0045]
In this embodiment, as shown in FIG. 8, a green light beam is perpendicularly incident on the
[0046]
The liquid
[0047]
The
[0048]
The optical axes of the lenses constituting the
[0049]
In the liquid
[0050]
Thus, as shown in FIG. 10, when the
W = fμ x tan (θb) (3)
Substituting the above equation (2) into this equation (3),
W = (fμ × Φ) / fc (4)
It becomes. Since the thickness of the
[0051]
The relative angles of the
P = fμ x tan (2θ) (5)
If the above relationship is satisfied, the first condensing line (the condensing line by the light reflected by the
[0052]
The focal length of the
[0053]
As shown in FIG. 8, a
[0054]
Thus, when white light is irradiated from the
[0055]
The light from the
[0056]
By the way, in the conventional projection type color liquid crystal display device (first conventional example), the optical axis (chief ray) of the two light beams of red and blue other than the normal incidence is an angle of 2θ even after exiting the liquid
[0057]
The
[0058]
The method for adjusting the focal length of the
[0059]
(Manufacturing method of microlens array substrate)
Next, a method for manufacturing the
[0060]
First, as shown in FIG. 13, the
[0061]
Next, as shown in FIG. 14A, a fluid transparent UV
[0062]
The ultraviolet
[0063]
Next, a transparent ultraviolet
[0064]
The ultraviolet
[0065]
Further, a transparent UV
[0066]
The ultraviolet
[0067]
In this way, the
[0068]
Further, in this manufacturing process, positioning of the
[0069]
The reason for positioning the
[0070]
When adjusting the focal length of the
[0071]
(Stamper manufacturing method)
Next, a method for manufacturing the
[0072]
A
[0073]
Further, in order to produce the
[0074]
In the present embodiment, since the
(1) Positioning is not required and highly accurate lens positioning is possible.
As can be seen from the above-described embodiment, the base glass serving as a substrate on which the stamper for molding the microlens array and the lens resin layer are laminated is adsorbed to the upper table and the lower table of the molding machine and does not move. That is, even if a plurality of microlens arrays are stacked, the positions of the microlens arrays in the plurality of layers do not shift. Therefore, even without special positioning, it is possible to position the lens with high precision that is not compared with a microlens array substrate manufactured by a conventional bonding method.
[0075]
(2) Mass production, which was virtually impossible by pasting, becomes possible.
As described above, since high-precision lens positioning can be performed without performing high-precision positioning, mass production of microlens arrays becomes possible.
(3) The occurrence rate of defective products is reduced and the yield is improved.
In the conventional microlens array substrate by the bonding method, if foreign matter or air bubbles are inserted, the characteristics as a microlens array cannot be satisfied, and the microlens array substrate itself becomes a defective product. On the other hand, in the microlens array substrate of the present invention, if it is a size that can be accommodated between the base glasses (strictly, the size between the base glass and the stamper), foreign substances and bubbles are mixed in between the lens resin layers. Even if the lens itself becomes a defective part, the entire microlens array substrate does not become a defective product. This is because a lens resin layer (such as an ultraviolet curable resin) pressed by a stamper has good fluidity before curing, and it is assumed that foreign matter or air bubbles are sandwiched between the lens resin layer or between the lens resin layer and the base glass. This is because only foreign matters and bubbles are mixed in the portion and the other portions are not affected (that is, the entire microlens substrate is not warped, tilted, or swollen).
[0076]
Of course, there is a limit to the size of foreign matter and bubbles allowed. Since the microlens array substrate is an optical component, what is recognized as a defect when it becomes a final product such as a projection color liquid crystal display device is also a defective product as a microlens array substrate. This depends on individual product specifications, but at least as small as a few microns of foreign matter and bubbles are not allowed, as in the conventional manufacturing method.
[0077]
▲ 4 ▼ Production man-hours are small
According to the method for manufacturing a microlens array substrate according to the present invention, high accuracy is not required for lens positioning, and therefore, there is no process with a great number of steps in the manufacturing process. Further, even when compared with a method of manufacturing a single-layer microlens array substrate using a stamper, it is only necessary to repeat the process of pressing and curing the resin with the stamper, and the manufacturing man-hours are almost the same. In addition, if the manufacturing equipment for the microlens array substrate is an apparatus that can manufacture a single-layer microlens array substrate, it is only necessary to supply resins having different refractive indexes. A lens array can be made. Therefore, there is no need for a bonding apparatus as in the conventional method, and the equipment cost is reduced.
[0078]
(5) There are few coupling surfaces on the microlens array substrate, and the design burden is reduced.
The most important points in the multi-layer structure design in the microlens array substrate are the refractive index ratio between the lens resin layers and the lens curvature of each microlens array. In this structural design, the more the coupling surfaces (boundary surfaces of materials having different refractive indexes), the more complicated the design and simulation. Specifically, in the conventional microlens array substrate having the structure shown in FIG. 4, a high refractive index resin, a glass substrate, and a lens substrate (glass) are provided between the first and second microlens arrays (patterns). In contrast, the microlens array substrate of this embodiment has a simple structure with only one lens resin layer between the microlens arrays.
[0079]
In the above embodiment, the method for forming a two-layer microlens array has been described. However, the method of the present invention can also be applied to a case of forming a three-layer or more microlens array.
[0080]
(Second Embodiment)
Next, implementation using a well-known twisted nematic mode (TN) active matrix type liquid crystal display element that is dynamically displayed through an amorphous silicon semiconductor thin film transistor that switches rectangular picture elements arranged in a matrix. A form is demonstrated.
[0081]
In the liquid crystal display element of this embodiment, as shown in FIG. 20 (a), the pixel arrangement is a delta arrangement, and the
[0082]
When the pixel array is the delta array as described above, it is inappropriate to use a lenticular lens as the microlens array. That is, in this case, as shown in FIG. 20 (a), the microlens array in which square-shaped
[0083]
In the case shown in FIGS. 20A and 20C, the three primary color condensing spots collected by one micro lens 72 (or 73) are arranged in a horizontal row, and one micro lens 72 (or 73) is in a horizontal row. The relative positional relationship between the picture element array and the microlens array is set so as to correspond to the three
[0084]
Thus, when a set of condensing spots is irradiated in a triangular shape, the dichroic mirror is arranged so that the direction of the normal line is inclined. As a result, the angle between the optical axis of the microlens and the incident light of each color is reduced, so that the aberration of the microlens array is reduced.
[0085]
As the two-layer microlens array or the microlens array substrate used in such a liquid crystal display element, the one having the structure described in the first embodiment can be used. The microlens array substrate can also be manufactured in the same manner as the manufacturing method described in the first embodiment.
[0086]
(Third embodiment)
Next, still another embodiment of the present invention will be described. FIG. 21 is a cross-sectional view of a reflective liquid
[0087]
The
[0088]
In such a
[0089]
In addition, in the individual lens portions constituting the
[0090]
As for the arrangement of the lens portion and the
[0091]
Thus, as shown in FIG. 21, the luminous flux separated into the three primary colors by the dichroic mirror is incident on the
[0092]
(Fourth embodiment)
FIG. 26 is a schematic view showing the configuration of a
[0093]
First, the
[0094]
As shown in FIG. 26, the
[0095]
When the
[0096]
Furthermore, the microlens array substrate of the present invention is used as a projection type projector, a rear projection type projector TV (rear pro TV), a head mounted display (HMD; recently a partial amusement, etc.) as an application field of an image display device. It can also be used for glasses-type display monitors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional projection type color liquid crystal display device.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a dichroic mirror used in the apparatus.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a liquid crystal display element and a microlens array used in the apparatus.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a liquid crystal display element and a microlens array substrate used in another conventional projection type color liquid crystal display device.
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the microlens array according to the first embodiment.
FIGS. 6A, 6B, 6C, 6D, and 6E are cross-sectional views for explaining a manufacturing method of the microlens array.
FIG. 7 is a diagram for explaining a method of manufacturing a microlens array substrate from the same microlens array or glass substrate.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a projection type color liquid crystal display device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view showing a liquid crystal display element and a microlens array used in the apparatus.
FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of a microlens array substrate used in the apparatus described above.
FIGS. 11A and 11B are diagrams illustrating a method for adjusting the focal length of the microlens array according to the embodiment.
FIGS. 12A and 12B are diagrams for explaining another method of adjusting the focal length of the microlens array according to the embodiment.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing an upper table and a lower table of a molding machine for manufacturing the microlens array substrate same as above.
FIGS. 14A, 14B, and 14C are diagrams illustrating a manufacturing process of the microlens array substrate according to the embodiment.
15 (d) (e) (f) is a continuation of FIG.
16 (g) (h) (i) is a continuation of FIG.
FIGS. 17A to 17E are views for explaining a stamper manufacturing method for forming a microlens array pattern; FIGS.
FIG. 18 is a diagram showing how a glass plate is laser processed.
FIGS. 19A to 19E are views for explaining another method of manufacturing a stamper for forming a pattern of a microlens array. FIGS.
20A, 20B, and 20C are views showing the shape of a microlens array used in a projection type color liquid crystal display device in another embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing the structure of a reflective liquid crystal display device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing an arrangement of lens portions and pixels in the element.
FIG. 23 is a diagram showing another arrangement of lens portions and pixels in the element.
FIG. 24 is a diagram showing still another arrangement of lens portions and pixels in the element.
FIG. 25 is a diagram showing optical paths of irradiated light and reflected light in the element described above.
FIG. 26 is a schematic view showing a configuration of a reflective display device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a perspective view showing the structure of a DMD used in the above display device.
[Explanation of symbols]
32 Liquid crystal display elements
33, 34 Micro lens array
38R, 38G, 38B Dichroic mirror
40 Microlens array substrate
41 Liquid crystal layer
44, 45 Base glass
46, 47, 48 Lens resin layer
56, 59, 60 UV curable resin
57 Stamper
102 DMD
105 Micromirror
Claims (2)
未硬化の樹脂材料に第1のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第1の透光性樹脂層を成形する工程と、
第1の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し、この透光性樹脂層に第2のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第2の透光性樹脂層を成形し、第1及び第2の透光性樹脂層の境界面にレンズアレイを形成する工程と、
第2の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し硬化させて第3の透光性樹脂層を成形し、第2及び第3の透光性樹脂層の境界面に別なレンズアレイを形成する工程と、
を備えたレンズアレイ基板の製造方法。A method of manufacturing a lens array substrate having a lens array of a plurality of layers,
Curing the resin material in a state in which the first stamper is pressed against an uncured resin material, and molding the first translucent resin layer;
An uncured resin material having a refractive index different from that of the translucent resin layer is supplied onto the first translucent resin layer, and the second stamper is pressed against the translucent resin layer. Forming a second translucent resin layer and forming a lens array on the boundary surface between the first and second translucent resin layers;
An uncured resin material having a refractive index different from that of the translucent resin layer is supplied and cured on the second translucent resin layer to form a third translucent resin layer. Forming another lens array on the boundary surface of the translucent resin layer,
Of manufacturing a lens array substrate.
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