JP3954681B2 - 液晶プロジェクター用の液晶デバイス及び液晶デバイス用の対向基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジェクター用の「液晶デバイス」及び液晶デバイス用の「対向基板」に関する。
【０００２】
【従来の技術】
個別的に光の透過状態と遮断状態とを制御・実現できる液晶画素の２次元配列により画像を表示し、この画像に光束を照射し、その透過光をスクリーン上に投影結像することにより画像を表示する「液晶プロジェクター」が知られている。
上記液晶画素を２次元配列した「液晶デバイス」として良く知られた「ＴＦＴ−ＬＣＤ（Thin Film Transistor−Liquid Crystal Debyce）」は、薄い液晶層を透明な１対の基板で挾持した構成となっている。
この１対の基板の一方は「ＴＦＴ基板」と呼ばれ、液晶層に接する側の面には、液晶に対する駆動電界を印加するためのＴＦＴ（Thin Film Transistor）が、画素配列に従って配列形成され、これらＴＦＴを駆動するためのバスラインが形成されている。その結果、このＴＦＴ基板においては、ＴＦＴとバスラインの形成されない部分が「微小な開口」として２次元的に配列し、個々の開口が「画素」に対応する。
また、ＴＦＴ基板でない方の基板は「対向基板」と呼ばれ、対向基板の液晶層に接する側の面には、ＴＦＴに対する透明な対向電極層と、ＴＦＴやバスラインに対して照射光束を遮光するブラックマトリックス層（上記画素に対応する開口に応じた開口（アパチャー）の配列が形成されている）等が形成されている。
【０００３】
このように、ＴＦＴ−ＬＣＤにおいて一つの画素は、ＴＦＴやバスライン等により光の透過しない部分と開口部とからなり、開口部の面積は１画素の割当て面積に対して略４０〜５０％前後である。このため、ＴＦＴ−ＬＣＤに平行光束を照射した場合、個々の画素当りで開口部を透過できるのは入射光の４０〜５０％程度と小さく、光の利用効率が悪い。
そこでこれを改善するために、ＴＦＴ−ＬＣＤにおける個々の画素に対応してマイクロレンズを設け、各マイクロレンズにより光を対応する画素の開口部（ブラックマトリックスの開口部）に集光するようにすることが知られている。このようにすると、光利用効率を有効に高めることができる。
【０００４】
しかしながら、良好な光利用効率を得るためには、ＴＦＴ−ＬＣＤに照射する光束のＴＦＴ−ＬＣＤへの入射角を狭い角度に調整しなければばらない。即ち、照射光束は対向基板の側から照射されるが、対向基板の厚みは通常１．１ｍｍであり、マイクロレンズを対向基板自体の光入射側面に形成しても、その焦点距離：ｆは略対向基板の厚み分を必要とする。すると入射光束の入射角がΔθだけ変化すると、マイクロレンズによる集光位置は、その光軸上から「ｆ・ｔａｎΔθ」だけずれることになる。
【０００５】
仮に、ｆ＝１ｍｍとし、Δθ＜＜１としてｔａｎΔθ＝Δθとすると、入射角の誤差：Δθ（ラジアン）に対し、集光位置の誤差はΔθｍｍとなる。液晶デバイスにおける画素の大きさを例えば２０μｍとすると、上記集光位置が例えば１０μｍずれれば、せっかく集光した光の５０％はブラックマトリックスに遮断されてしまう。集光位置が１０μｍずれる入射角誤差：Δθは１／１００ラジアンであり、適正な入射角は１０秒オーダーの精度で設定する必要がある。
また、１画素当りの面積に対する開口部面積の比が一定であれば、マイクロレンズの焦点距離：ｆに対し「ｆ／画素ピッチ」が小さいほど、開口部に取り込まれる光の斜め入射角が大きくなり、光利用効率は向上する。
【０００６】
従って、画素ピッチは一定でも、マイクロレンズの焦点距離：ｆを小さくすることにより光利用効率を高めることができるが、対向基板の表面にマイクロレンズをアレイ配列する場合、ｆを小さくすることは対向基板自体を薄くすることを意味し、対向基板を薄くすると、対向基板に必要とされる機械強度を実現できなくなってしまう。
【０００７】
以上は、高度に制御された望ましい光学系を経て製作される液晶プロジェクター用「液晶デバイス」の場合である。
一般に製品化する光学系では、ＴＦＴ−ＬＣＤに照射する光束の入射角度（コーンアングル）の最大値（θ(Max)）は、±７〜１０°が制御できる可能な範囲である。光の利用効率は、各角度における光量分布によっても変化する。正確には「入射角度」と各角度における「光量分布関数」の積分で光の取り込み量が決定される。しかし、各角度における「光量分布関数」は、使用するランプ特性とインテグレーターを含む入射側光学系の性能で決定される。
【０００８】
上記のような入射角度を有する光の場合には、一般の球形状マイクロレンズを使用した「液晶デバイス」の光学系では、光の入射角度が大きくなり光が斜入射するほど、焦点位置が光軸から離れるので「液晶デバイス」側に配置されているブラックマトリックスで遮光される光が増加し、マイクロレンズを配置しても光の利用効率を十分に上げることが難しくなる。一般的には、「入射角度の最大値」がθ(Max)＝±６°以上、即ちθ(Max)＝±６〜１０°になるとマイクロレンズによる焦点位置がブラックマトリックス面に重なるようになり、マイクロレンズの集光特性による光利用効率が急激に低下する。
【０００９】
上記状況において、光利用効率を向上させるには、▲１▼入射側光学系の性能を改善し、「液晶デバイス」に入射する入射角度を小さくする，▲２▼マイクロレンズの改善によって入射角度の広い光も取り込めるように改善する，▲３▼（出射後の）投射光学系を改善するの３つの方策が考えられる。
しかし、上記３つの方策のうちで▲１▼と▲３▼は、コストやスペ−ス（全体レイアウト）の面から大幅な見直しが必要となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、液晶プロジェクターにおいて、照射光束の入射角に対する精度を緩和し、光利用効率良く、画像投影できる新規な液晶デバイスの提供を目的とする。
また、本発明の別の目的は、上記液晶デバイスの製造に用いる液晶デバイス用の対向基板の提供にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る「液晶デバイス用の対向基板」は、液晶プロジェクターに用いられる液晶デバイスにおいて、ＴＦＴ基板と共に液晶層を挾持し、光照射側に配備される対向基板であって、「微小光学素子アレイ基板」と「平面基板」とを重ねて一体化して構成される。
「微小光学素子アレイ基板」は、光屈折用の微小光学素子のアレイ配列を片面に形成された透明な基板であって、微小光学素子の個々が、液晶デバイスにおける個々の画素に対応する。そして平面基板との重ねあわせにおいては、微小光学素子アレイの形成された面が内側になるように配置される。
「平面基板」は、少なくとも片面が平面である透明な基板であり、微小光学素子アレイ基板と重ねあわせて一体化される。
【００１２】
微小光学素子アレイ基板及び平面基板のうちの一方の、他方の基板に対向する側の面には、「両基板の間隔を微小光学素子アレイにおける個々の微小光学素子の高さ以上の大きさに保つスペーサ部」が、微小光学素子アレイの有効範囲外に形成されている。微小光学素子アレイの「有効範囲」とは、微小光学素子がアレイ配列されて、微小光学素子アレイとしての光学作用を果たす２次元領域であり、この有効範囲内において、個々の微小光学素子につき、微小光学素子としての光学作用を持つ領域を「光線有効領域」と呼ぶ。従って「有効範囲」は、微小光学素子の光線有効領域の集合と、個々の微小光学素子相互の間の光線有効領域外領域により構成されている。
また、「スペーサ部」は、上記の如く有効範囲外に形成されるが、スペーサ部と共に、複数の内部スペーサを「有効範囲内における微小光学素子の光線有効領域外の部分」に、スペーサ部と同じ高さに形成することができる。
【００１３】
上記液晶デバイス用の対向基板においては「スペーサ部を微小光学素子アレイ基板に形成する」ことができる。また、上記液晶デバイス用の対向基板においては「内部スペーサ部を、微小光学素子アレイ基板に形成する」ことができる。即ち、スペーサ部のみを形成する場合、スペーサ部は微小光学素子アレイ基板の側に形成しても良いし平面基板の側に形成してもよい。
また、スペーサ部と複数の内部スペーサを形成する場合には、これらの一方を微小光学素子アレイ基板に形成し、他方を平面基板に形成しても良いし、これら両方を平面基板の側に形成することもでき、上記の発明のように、スペーサ部と内部スペーサとを共に微小光学素子アレイ基板に形成してもよいのである。
【００１４】
対向基板は上記の如く、微小光学素子アレイ基板と平面基板とを重ねあわせて一体化して形成されるが、ＴＦＴ基板と共に液晶層を挾むに際しては、微小光学素子アレイ基板が液晶層の側になるようにしてもよいし（この場合には、照射光束は平面基板の側から照射されることになる）、逆に「平面基板が液晶層の側に配備される」ようにしても良いが、本発明の場合には、「平面基板が液晶層の側に配備される」ようにし、照射光束は微小光学素子アレイ基板の平坦な面から照射され、微小光学素子により屈折され、平面基板を透過して平面基板の他方の面のブラックマトリックスの開口部から液晶層に出射することになる。
【００１５】
本発明の対向基板に用いる微小光学素子は、斜入射光に対するマイクロレンズ配置効果の低減を補うために光を集光することを目的とせず、ブラックマトリックスの開口部内に光を屈折させ、かつ投射レンズ光学系でスクリ−ンに照射できることを目的として、液晶デバイスにおける個々の画素に対応する単位画素に外接する多角形を底辺とする多角錐形状で構成される（請求項１）。また同様に、単位画素の外接円を底辺とする円錐形状で構成される（請求項３）。
更に、構造的な強度を補う目的として、上記多角錐形状や円錐形状の頂点付近が、球面または平面で構成され、多角錐や円錐と、球面または平面の組み合わせの複合形状で構成される（請求項２，４）。
【００１６】
上記請求項１乃至４のいずれかに記載の液晶デバイス用の対向基板において、微小光学素子アレイ基板と平面基板との間は、空気層もしくは真空層としてもよいが、両者の間に「所定の屈折率を持つ透明な媒質」を挾むことができる。
【００１７】
請求項５記載の「液晶デバイス」は、上記請求項１乃至４のいずれか一つに記載された液晶デバイス用の対向基板と、ＴＦＴ基板とにより液晶層を挾持して構成される。このような液晶デバイスは勿論、モノクロ画像表示用に使用することもできるが、カラー画像を表示するための光の三原色であるＲ（レッド），Ｇ（グリーン），Ｂ（ブルー）画像の任意のものを表示するものとして使用することができる。即ち、請求項５記載の液晶デバイスは、これを３個用い、その個々により、Ｒ，Ｇ，Ｂ画像を表示することにより液晶カラープロジェクター用の画像表示手段を構成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の「単板式液晶デバイス」の概略構成を示す要部断面図である。図中、符号２０１はＴＦＴ基板、符号２０２は微小光学素子アレイ基板、符号２０３は平面基板、符号２０５は液晶層を示す。ＴＦＴ基板２０１の液晶層２０５に接する側の面には、各画素を駆動するためのＴＦＴ２０１Ａと図示していないバスラインが形成され、これらＴＦＴ２０１Ａ及びバスラインの間が開口部２０１Ｂになっている。尚、透明導電膜は省略してある。
【００１９】
ＴＦＴ基板２０１と共に液晶層２０５を挾持する平面基板２０３は透明な平行平面板であり、液晶層２０５に接する側の面にはブラックマトリックス２０４が形成され、ブラックマトリックス上には、透明電極が透明導電膜（ＩＴＯ）２０７により形成されている。また、微小光学素子アレイ基板２０２には、平面基板２０３に対向する側の面に微小光学素子のアレイ配列が形成されている。そして、微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３とは液晶デバイスの「対向基板」を構成している。
【００２０】
図１においては、照射光束は対向基板側の微小光学素子アレイ基板２０２の平坦な面から入射し、個々の微小光学素子３０２に入射して屈折されつつ平面基板２０３側のブラックマトリックス２０４の開口部（アパチャー）２０４Ａを通過し、液晶層２０５を透過し、ＴＦＴ基板２０１における開口部２０１Ｂを通過する。
【００２１】
微小光学素子アレイ基板２０２及び平面基板２０３の材質は、対向基板製作時の後工程や熱処理工程で微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３とが剥離しないように、熱膨張係数が略等しいことが必要であるが、この条件が満たされる材料であれば特に制限なく利用できる。また、微小光学素子アレイ基板２０２における微小光学素子形成面から平面基板２０３までの間２０６は、光学的に空気層でも良いし真空層でも良く、または光学的屈折率を有する別の材料を間に挟んでも良い。上記微小光学素子形成面から平面基板２０３までの間の距離は、数μｍから数１０μｍまでであり、光学設計で理論的に決まる。
【００２２】
微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３とは接合により一体化される。「接合の材料」は、後工程で処理される加熱温度に耐え得る材料であれば、特に制限はない。また、対向基板の液晶層の側の面に、後工程で熱処理を施す場合には、微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３との間は真空層とするか別の材料を挾むことが好ましい。これは、微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３との間を空気層とすると、熱処理の際に空気層が膨張して剥離等が発生するからである。
【００２３】
ここで、図６に本発明の一例である「円錐形状の微小光学素子を用いた単板式液晶デバイス」において、微小光学素子への光線の入射位置及び入射角度を変えて光線追跡のシミュレーションを行った際の結果を示す。図中、符号１０１の部分は微小光学素子アレイ基板、符号１０２の部分は光を屈折させる微小光学素子アレイ部、符号１０２Ａは微小光学素子、符号１０２Ｂは所定の屈折率を持つ透明な媒質、符号１０３の部分は平面基板、符号１０４の部分は液晶層（ブラックマトリックスと透明導電膜層は省略）を示している。
【００２４】
図６において、符号１０１の部分は微小光学素子アレイ基板の有限な長さを記載していない。また、図６は光学シミュレ−ションの結果を示しているが、シミュレ−ションの便宜上、微小光学素子アレイ基板の微小光学素子１０２Ａに仮想端面を想定し、この面に所定の入射角度（この場合は、θ(Max)＝±８．６°）を有する光を完全拡散光として入射させている。これは、平行な微小光学素子アレイ基板中では入射光は何ら影響を受けないことから合理的である。
【００２５】
図６においては、光は通常の球形状マイクロレンズ等の場合とは異なり、一点に集光することはないが、円錐形状の微小光学素子１０２Ａにより屈折されてブラックマトリックッスの開口部を通過する状況が示されている。尚、微小光学素子アレイ基板に形成される微小光学素子の径や形状（多角錐形状や円錐形状とその頂点付近の球面または平面形状）等は光の利用効率が上昇するように幾何学的に決定される。
【００２６】
このように、本発明において「対向基板」は、微小光学素子アレイ基板と平面基板とにより構成され、この両者の接合により必要な機械強度を確保しつつ、微小光学素子アレイの形成された面が両基板の重ねあわせにおける「内側」に位置されることにより、微小光学素子アレイ形成面と液晶層との間の距離を有効に小さくすることができ、照射光束の入射角に対する精度の緩和と光利用効率の向上が可能となる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
微小光学素子アレイ基板の微小光学素子として、従来の球形状マイクロレンズアレイを配置した場合の光利用効率のシミュレーション結果を下記の表１に、本発明の円錐形状の微小光学素子を配置した場合の光利用効率のシミュレーション結果を下記の表２に示す。また、図６に本件シミュレ−ションにおける光線追跡状況を参考図として示す。
【００２８】
尚、参考として、球形状マイクロレンズや本発明に係る微小光学素子がない場合の光利用効率を、平行平板上にブラックマトリックスのみを形成した場合でシミュレ−ションしており、この場合は、各画素のピッチに対するブラックマトリックスの開口部面積比で効率が求まり、４８．１％であった。
【００２９】
本発明における光学素子部品の構成及び入射光（光入射角度）の関係は図１に示した通りであり、また、図２は本発明における微小光学素子アレイ基板２０２の要部断面図、図３は微小光学素子アレイ基板の構成例を示す平面図であり、図２は図３のIII−III'線部分の断面図に相当する。
本件の場合、微小光学素子アレイ基板３００は、横方向（長手方向）が２７．４ｍｍ、縦方向が１９．８５ｍｍの長方形形状のネオセラムＮ−０材料（屈折率：ｎd＝１．５４１）であり、図３に符号３５０で示す「有効範囲（横方向：１８．５８２ｍｍ、縦方向：１４．０２２ｍｍ）」には上記の通り微小光学素子３０２のアレイ配列が形成されている。尚、下記の表１のシミュレーション結果では微小光学素子に従来の球形状マイクロレンズを用いており、表２のシミュレーション結果では本発明に係る円錐形上の微小光学素子（図２）を用いている。
【００３０】
【表１】
【００３１】
表１は、従来の球形状マイクロレンズアレイを配置した場合の光利用効率のシミュレ−ション結果を示したものであり、本件シミュレーションでは、球形状マイクロレンズアレイ＋投射レンズ系とし、平面基板には厚さ７０μｍのカバーガラスを用い、接着剤厚０．０１μｍとした。
表１から、光利用効率は、光入射角度が大きくなるにつれて低下することが判る。上記条件では、効率が高くなるのは、球ｒ＝２５±１μｍの範囲であることが判った。また、この時の光利用効率は、入射角度が８．６度では最大で６１．９％程度であった。これは、前述の球形状マイクロレンズアレイを配置しない場合の４８．１％に比較して、約１．２８倍の効果があった。勿論、光入射角度が小さい場合には、更に高効率であることは言うまでもない。
【００３２】
【表２】
【００３３】
表２は、本件発明の円錐形状の微小光学素子を配置した場合の光利用効率のシミュレ−ション結果を示したものであり、本件シミュレーションでは、円錐形状微小光学素子アレイ＋投射レンズ系（光軸上に円錐形状微小光学素子１個＋投影レンズ系）とした。平面基板にはカバーガラスを用い、その厚さも変えてシミュレーションした。
また、遮蔽とは、円錐形状の先端を平面形状にした場合（即ち、先端を切り取った形）を意味し、径はその断面円形状の直径φを示している。
表２の結果から光線の入射角度（コーンアングル）が８．６度の場合は、図２の円錐角度θe が６５°の時、光利用効率が最大となり、その形状は先端部に平面部（遮蔽）のない形状であることが判る。また、この場合の効率は、６３．３％程度であった。これは、球形状マイクロレンズや本発明に係る微小光学素子がない場合の光利用効率の４８．１％に比較して、１．３２倍の効果があった。また、球形状マイクロレンズアレイを配置した場合の６１．９％に比較して、１．０２倍の効果があった。
【００３４】
（実施例２）
図２は微小光学素子アレイ基板の１例を示す図であり、微小光学素子アレイ基板２０２は、その片面に屈折用の微小光学素子３０２のアレイが形成され、この微小光学素子アレイの形成されたのと同じ面で、微小光学素子アレイの有効範囲外に、微小光学素子３０２と同じ高さ：ｈを持ったスペーサ部３０３が形成されている。
【００３５】
図３は、微小光学素子アレイ基板２０２の全体を平面図的に示している。実施例１でも述べたように、微小光学素子アレイ基板２０２は、横方向（長手方向）が２７．４ｍｍ、縦方向が１９．８５ｍｍの長方形形状のネオセラムＮ−０材料（屈折率：ｎd＝１．５４１）であり、図３に符号３５０で示す「有効範囲（横方向：１８．５８２ｍｍ、縦方向：１４．０２２ｍｍ）」には上記の通り微小光学素子のアレイ配列が形成されている。また、有効範囲外に形成されたスペーサ部３０３は、２つのＬ字形状を成して有効領域３５０を囲繞するように形成され、その幅は０．２ｍｍである。スペーサ部３０３が形成されていない部分には、アライメントマ−ク３６３，３６４（平面基板との接合の際に位置合わせに用いる）が形成されている。尚、スペーサ部３０３の２つのＬ字形状の近接する部分には隙間が設けられているが、この隙間の大きさ：Ｓは１０〜数１０μｍに設定される。この隙間は微小光学素子アレイ基板２０２を平面基板と一体化した際に、熱処理工程における内側部分の脱気を可能とする。また、スペーサの内側部分を真空層とする場合の排気口にも利用される。
【００３６】
図４は、本発明の液晶デバイスにおける微小光学素子と画素の対応関係を説明するための図であり、（ａ）は微小光学素子アレイ基板上の微小光学素子形成領域とブラックマトリックスの開口部の配列を一部拡大して示す図、（ｂ）は一つの単位画素と上記開口部及び微小光学素子形成領域の寸法の関係を示す図である。図４（ａ）で破線で示す矩形形状２０４Ａは、液晶デバイスにおいて実際に光を透過して「画素」となるブラックマトリックス２０４（図１）の開口を示している。この開口２０４Ａは、図４（ａ）に示すように碁盤目状に配列され、その寸法は同図（ｂ）に示すように横方向幅：２３．０μｍ、縦方向幅：１８．５μｍであり、画素ピッチは横方向に就き２８．５μｍ，縦方向に就き２８．５μｍである。従って、上記「有効範囲内」の有効画素数は、横方向（Ｘ方向）：６５２、縦方向（Ｙ方向）：４９２である。
【００３７】
図４における符号３０２Ａで示す４角形形状の領域は、１個の微小光学素子を形成する領域であるが、この領域の大きさは、微小光学素子アレイ基板の有効範囲３５０を画素ピッチで均等に区切った場合の「単位画素」に相当し、この単位画素に相当する個々の４角形形状の領域３０２Ａは、図４（ｂ）に示すように、横方向に就き２８．５μｍ，縦方向に就き２８．５μｍである。即ち、対角方向の長さは、４０．３０５μｍである。
勿論上記４角形形状の形状や寸法は、液晶デバイスにおける画素の寸法やピッチが変われば、それに応じて異なった寸法となる。
【００３８】
図５は微小光学素子形成領域３０２Ａに形成される微小光学素子の光学面の近似形状の例を示し、（ａ）は多角錐形状の微小光学素子の例、（ｂ）は円錐形状の微小光学素子の例である。図５（ａ）の多角錐形状、例えば４角錐形状とした場合、微小光学素子は、単位画素に外接する４角形状３０２Ｂを底面とする４角錐形状となる。この場合、４角錐形状の底辺の寸法は微小光学素子形成領域３０２Ａの寸法となり、前述の図４に示したように微小光学素子形成領域３０２Ａの縦、横の寸法が２８．５μｍの時は、底面の対角方向の長さは、４０．３０５μｍとなる。また、微小光学素子アレイの「有効範囲内における微小光学素子の光線有効領域外の部分」に複数の内部スペーサを形成するような場合は、図５（ａ）の破線で示す４角形３０２Ｂ’のように、４角錐形状の底辺の寸法を、微小光学素子形成領域３０２Ａの寸法よりも内部スペーサ形成分（片側１μｍ程度）小さく形成する。尚、６角，８角，１０角，・・・等の他の多角錐形状の場合、底面は単位画素に外接する多角形状となるが、この場合は、隣合う微小光学素子の底面が干渉しあうため、微小光学素子形成領域３０２Ａの４角形状の各辺に合わせて底面の四隅を切り落とした形状となる。即ち、底面は４角形状で錐面の断面が多角形状の微小光学素子となる。
【００３９】
次に、図５（ｂ）に示すように、上記４角形形状の微小光学素子形成領域３０２Ａに円錐形状の微小光学素子を形成する場合は、微小光学素子は図中に破線で示すように、単位画素の外接円３０２Ｃを底面とする円錐形状となる。この場合、円錐形状の底面の寸法は微小光学素子形成領域３０２Ａの外接円３０２Ｃであるから、前述の図４に示した寸法関係の場合、円錐の底面の直径方向の長さは４０．３０５μｍとなる。但し、この場合は、隣合う微小光学素子の底面が干渉しあうため、微小光学素子形成領域３０２Ａの４角形状の各辺に合わせて底面の四隅を切り落とした形状となる。即ち、底面は４角形状で錐面の断面が円形状の微小光学素子となる。従って、本実施例では、微小光学素子３０２は、単位画素（微小光学素子形成領域３０２Ａ）に外接する円形状３０２Ｃを底面と想定した円錐形状であり、その頂角の１／２を円錐角度θe ，円錐形状の高さをｈとした。
【００４０】
さて、実施例１で述べたように、微小光学素子が全くない場合のシミュレ−ション結果は、入射光がブラックマトリックスで蹴られるため、単位画素に対する開口面積比で光の利用効率が決定される。
次に球形状のマイクロレンズアレイを配置した場合の光の利用効率のシミュレーション結果を前記表１に示したが、これは、マイクロレンズアレイの球：ｒ値を変更した場合と、入射光のコーンアングルが１，５，８．６°の場合のシミュレーション結果であり、この結果から、入射光のコーンアングルが大きくなると利用効率が急激に低下し、この構成ではマイクロレンズアレイの球：ｒ＝２４μｍが最も効率が良いことが判り、入射角度（コーンアングル）が８．６度の場合の効率は６１．９５％である。
また、本実施例の円錐形状の微小光学素子を配置した場合の入射光のコーンアングルが１，５，８．６°の場合のシミュレ−ション結果は、前記表２に示した通りであり、コーンアングルが８．６度の場合は、円錐角度θe が６５°の時、光利用効率が最大となり、この場合の効率は６３．３％程度となり、上記球形状マイクロレンズアレイの場合と比較して、１．０２倍の効果がある。
【００４１】
本実施例のような円錐形状の光学面形状を持つ微小光学素子アレイは、特開平６−１９４５０２号公報開示の方法、即ち「熱可塑製感光性材料を用いた熱変形を利用して微細な凸面形状を製作し、この形状をドライエッチング法を用いて基板に掘り移す方法」で製作した。
具体的には、前記の寸法を持ち、厚さ：１．０ｍｍのネオセラムＮ−０材料基板上に、熱可塑性感光性材料としてフォトレジストを塗布し、パターニングにより各微小光学素子形成領域３０２Ａの４角形形状毎に、上記４角形形状の形状を持つフォトレジストが残るようにした。
このようにして、微小光学素子形成領域３０２Ａに対応した４角形形状を投射形状とする直方体状のフォトレジストのアレイ配列が得られる。このフォトレジストを熱変形してその表面を凸曲面化して、高さ：１２．５２５μｍの所望円錐形状を形成した。この時の形状は、投射形状が４角形で断面形状が円錐形状の四隅を切り落した形状の微小光学素子である。
【００４２】
さらに、熱変形したフォトレジスト間を埋めるために、フォトレジストの上から多段階に分けて粘度の低い熱可塑性材料を塗布した後、ＥＣＲプラズマエッチング装置で全体として「１よりもわずかに大きい」選択比で１２．７μｍエッチングし、ネオセラムＮ−０材料基板表面に高さ：９．２８μｍ（図２の高さ：ｈ）の凸の微小光学素子３０２のアレイ配列を形成した。この時、エッチングの選択比は、エッチング時間と共に変化させた。具体的には、エッチングの初期においては選択比の大きな条件で開始し、徐々に選択比を小さくしながらエッチングを行ったが、エッチングの最終段階では、選択比１の条件で終了させた。上記のような条件でエッチングすると、最初に形成した投射形状が４角形で断面形状が、円錐形状の四隅を切り落した形状の円錐角度６５度の微小光学素子３０２のアレイが得られる。
【００４３】
尚、図１，２に示すスペーサ部３０３は以下のように形成した。図３に示す微小光学素子アレイ基板２０２の有効範囲３５０外の部分で、アライメントマーク３６４以外の個所に、幅：０．５ｍｍのスペーサ部３０３を設けるため、フォトリソグラフィー技術を用いて、スペーサ部３０３となるべき部分にレジストが残らないようにパターニングし、その上からＣｒ膜を５０００Åスパッタリングした。その後レジスト膜をリフトオフして、スペーサ部にのみＣｒ膜が残るようにパターニングした。
スペーサ部となるべき部分はＣｒ膜でエッチングされずに残るため、上記の如く微小光学素子アレイ形成後、Ｃｒ膜を除去すると、スペーサ部３０３の高さ：ｈは、円錐形状の微小光学素子アレイの頂点と略同じ高さ：９．３０μｍになっている。
【００４４】
この微小光学素子アレイ基板２０２の微小光学素子３０２とスペーサ部３０３とが形成された面のスペーサ部３０３の外側の部分に、協立化学産業社製の紫外線硬化型樹脂７７０２−ＡＺを塗布し、その上から、平面基板２０３（図１参照）として厚さ：６０μｍのネオセラムＮ−０材料を乗せ、上記樹脂を紫外線硬化させ、その後、平面基板２０３の他方の面に透明電極やブラックマトリックス２０４を形成して「対向基板」とした。
本実施例の対向基板では、微小光学素子基板２０２と平面基板２０３とはどちらも同じネオセラムＮ−０材料であるため、熱膨張係数が等しく、ＴＦＴ−ＬＣＤを製作するための工程での熱処理工程の際の応力による破壊の問題が無い。
【００４５】
上記の如く製作した微小光学素子アレイ基板２０２は、平面基板２０３であるネオセラムＮ−０材料を透過して、ブラックマトリックス２０４部分の僅か先に集光する。
この実施例２の対向基板とＴＦＴ基板２０１とで液晶層２０５を挾持して液晶デバイス（ＴＦＴ−ＬＣＤ）を形成し、入射角：０±８．６度の範囲で照射光束（平行光束）を照射したところ、６３．２％以上の光利用効率を実現できた。即ち、微小光学素子を用いない場合の光利用効率：４８．１２％に対し、略１．３１倍に光利用効率が向上した。また、本実施例の微小光学素子アレイ基板を用いた場合、従来の球形状のマイクロレンズアレイ（球：ｒ＝２５μｍ）を形成した場合の光利用効率：６１．７７％に対し、略１．０２３倍に光利用効率が向上した。
【００４６】
尚、本実施例の液晶デバイスでは、微小光学素子３０２の高さとスペーサ部３０３の高さとが略等しいので、微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３とは、スペーサ部３０３及び各微小光学素子３０２の頂部とで接触するため、有効範囲内に内部スペーサを設けなくても、対向基板としては十分な機械強度が得られた。また、本発明の対向基板では内部スペーサを設けなくても良いため、内部スペーサにより入射光が蹴られることがなく光利用効率をより向上できる。
【００４７】
ところで、上記構成の液晶デバイスは、単体で用いてモノクロ表示用に使用することができるが、液晶デバイスを３個用いて、光の三原色であるＲ，Ｇ，Ｂ画像の任意のものを表示するものとして使用することができる。即ち、３個の液晶デバイスの個々にＲ，Ｇ，Ｂの各画像を割り当てて表示することにより、液晶カラープロジェクター用の画像表示手段を構成することができ、明るいカラー投影画像を実現することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば液晶プロジェクター用の新規な液晶デバイス及び液晶デバイス用の新規な対向基板を提供できる。
【００４９】
本発明の対向基板（請求項１〜４）は、上述の如き構成となっているので、必要な機械強度を実現しつつ、微小光学素子アレイ基板の各微小光学素子で、ブラックマトリックスの開口部内に入射光を確実に屈折させることができるため、液晶デバイスにおける照射光束の入射角の精度が緩和され、しかも、高い光利用効率を実現できる。
【００５０】
また本発明の液晶デバイス（請求項５）は、上記の如き対向基板を用いて構成されることにより、明るい投影画像やカラー投影画像を実現でき、光源に過大な発光量を必要としないから、光源の寿命を有効に延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶プロジェクター用の液晶デバイスの概略構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明の対向基板を構成する微小光学素子アレイ基板の構成例を示す要部断面図である。
【図３】本発明の対向基板を構成する微小光学素子アレイ基板の構成例を示す平面図である。
【図４】本発明の液晶デバイスにおける微小光学素子と画素の対応関係を説明するための図であり、（ａ）は微小光学素子アレイ基板上の微小光学素子形成領域とブラックマトリクスの開口部の配列を一部拡大して示す図、（ｂ）は一つの単位画素と上記開口部及び微小光学素子形成領域の寸法の関係を示す図である。
【図５】本発明における微小光学素子アレイ基板上の微小光学素子形成領域に形成される微小光学素子の光学面の近似形状の例を示す図であり、（ａ）は多角錐形状の微小光学素子の底面形状の例を示す図、（ｂ）は円錐形状の微小光学素子の底面形状の例を示す図である。
【図６】本発明の一例である円錐形状の微小光学素子を用いた液晶デバイスにおいて、微小光学素子への光線の入射位置及び入射角度を変えて光線追跡のシミュレーションを行った際の結果を示す図である。
【符号の説明】
２０１ ＴＦＴ基板
２０１Ａ ＴＦＴ
２０２ 微小光学素子アレイ基板
２０３ 平面基板
２０４ ブラックマトリックス
２０４Ａ ブラックマトリックス開口部
２０５ 液晶層
３０２ 微小光学素子
３０２Ａ 微小光学素子形成領域
３０３ スペーサ部
３５０ 有効範囲
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジェクター用の「液晶デバイス」及び液晶デバイス用の「対向基板」に関する。
【０００２】
【従来の技術】
個別的に光の透過状態と遮断状態とを制御・実現できる液晶画素の２次元配列により画像を表示し、この画像に光束を照射し、その透過光をスクリーン上に投影結像することにより画像を表示する「液晶プロジェクター」が知られている。
上記液晶画素を２次元配列した「液晶デバイス」として良く知られた「ＴＦＴ−ＬＣＤ（Thin Film Transistor−Liquid Crystal Debyce）」は、薄い液晶層を透明な１対の基板で挾持した構成となっている。
この１対の基板の一方は「ＴＦＴ基板」と呼ばれ、液晶層に接する側の面には、液晶に対する駆動電界を印加するためのＴＦＴ（Thin Film Transistor）が、画素配列に従って配列形成され、これらＴＦＴを駆動するためのバスラインが形成されている。その結果、このＴＦＴ基板においては、ＴＦＴとバスラインの形成されない部分が「微小な開口」として２次元的に配列し、個々の開口が「画素」に対応する。
また、ＴＦＴ基板でない方の基板は「対向基板」と呼ばれ、対向基板の液晶層に接する側の面には、ＴＦＴに対する透明な対向電極層と、ＴＦＴやバスラインに対して照射光束を遮光するブラックマトリックス層（上記画素に対応する開口に応じた開口（アパチャー）の配列が形成されている）等が形成されている。
【０００３】
このように、ＴＦＴ−ＬＣＤにおいて一つの画素は、ＴＦＴやバスライン等により光の透過しない部分と開口部とからなり、開口部の面積は１画素の割当て面積に対して略４０〜５０％前後である。このため、ＴＦＴ−ＬＣＤに平行光束を照射した場合、個々の画素当りで開口部を透過できるのは入射光の４０〜５０％程度と小さく、光の利用効率が悪い。
そこでこれを改善するために、ＴＦＴ−ＬＣＤにおける個々の画素に対応してマイクロレンズを設け、各マイクロレンズにより光を対応する画素の開口部（ブラックマトリックスの開口部）に集光するようにすることが知られている。このようにすると、光利用効率を有効に高めることができる。
【０００４】
しかしながら、良好な光利用効率を得るためには、ＴＦＴ−ＬＣＤに照射する光束のＴＦＴ−ＬＣＤへの入射角を狭い角度に調整しなければばらない。即ち、照射光束は対向基板の側から照射されるが、対向基板の厚みは通常１．１ｍｍであり、マイクロレンズを対向基板自体の光入射側面に形成しても、その焦点距離：ｆは略対向基板の厚み分を必要とする。すると入射光束の入射角がΔθだけ変化すると、マイクロレンズによる集光位置は、その光軸上から「ｆ・ｔａｎΔθ」だけずれることになる。
【０００５】
仮に、ｆ＝１ｍｍとし、Δθ＜＜１としてｔａｎΔθ＝Δθとすると、入射角の誤差：Δθ（ラジアン）に対し、集光位置の誤差はΔθｍｍとなる。液晶デバイスにおける画素の大きさを例えば２０μｍとすると、上記集光位置が例えば１０μｍずれれば、せっかく集光した光の５０％はブラックマトリックスに遮断されてしまう。集光位置が１０μｍずれる入射角誤差：Δθは１／１００ラジアンであり、適正な入射角は１０秒オーダーの精度で設定する必要がある。
また、１画素当りの面積に対する開口部面積の比が一定であれば、マイクロレンズの焦点距離：ｆに対し「ｆ／画素ピッチ」が小さいほど、開口部に取り込まれる光の斜め入射角が大きくなり、光利用効率は向上する。
【０００６】
従って、画素ピッチは一定でも、マイクロレンズの焦点距離：ｆを小さくすることにより光利用効率を高めることができるが、対向基板の表面にマイクロレンズをアレイ配列する場合、ｆを小さくすることは対向基板自体を薄くすることを意味し、対向基板を薄くすると、対向基板に必要とされる機械強度を実現できなくなってしまう。
【０００７】
以上は、高度に制御された望ましい光学系を経て製作される液晶プロジェクター用「液晶デバイス」の場合である。
一般に製品化する光学系では、ＴＦＴ−ＬＣＤに照射する光束の入射角度（コーンアングル）の最大値（θ(Max)）は、±７〜１０°が制御できる可能な範囲である。光の利用効率は、各角度における光量分布によっても変化する。正確には「入射角度」と各角度における「光量分布関数」の積分で光の取り込み量が決定される。しかし、各角度における「光量分布関数」は、使用するランプ特性とインテグレーターを含む入射側光学系の性能で決定される。
【０００８】
上記のような入射角度を有する光の場合には、一般の球形状マイクロレンズを使用した「液晶デバイス」の光学系では、光の入射角度が大きくなり光が斜入射するほど、焦点位置が光軸から離れるので「液晶デバイス」側に配置されているブラックマトリックスで遮光される光が増加し、マイクロレンズを配置しても光の利用効率を十分に上げることが難しくなる。一般的には、「入射角度の最大値」がθ(Max)＝±６°以上、即ちθ(Max)＝±６〜１０°になるとマイクロレンズによる焦点位置がブラックマトリックス面に重なるようになり、マイクロレンズの集光特性による光利用効率が急激に低下する。
【０００９】
上記状況において、光利用効率を向上させるには、▲１▼入射側光学系の性能を改善し、「液晶デバイス」に入射する入射角度を小さくする，▲２▼マイクロレンズの改善によって入射角度の広い光も取り込めるように改善する，▲３▼（出射後の）投射光学系を改善するの３つの方策が考えられる。
しかし、上記３つの方策のうちで▲１▼と▲３▼は、コストやスペ−ス（全体レイアウト）の面から大幅な見直しが必要となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、液晶プロジェクターにおいて、照射光束の入射角に対する精度を緩和し、光利用効率良く、画像投影できる新規な液晶デバイスの提供を目的とする。
また、本発明の別の目的は、上記液晶デバイスの製造に用いる液晶デバイス用の対向基板の提供にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る「液晶デバイス用の対向基板」は、液晶プロジェクターに用いられる液晶デバイスにおいて、ＴＦＴ基板と共に液晶層を挾持し、光照射側に配備される対向基板であって、「微小光学素子アレイ基板」と「平面基板」とを重ねて一体化して構成される。
「微小光学素子アレイ基板」は、光屈折用の微小光学素子のアレイ配列を片面に形成された透明な基板であって、微小光学素子の個々が、液晶デバイスにおける個々の画素に対応する。そして平面基板との重ねあわせにおいては、微小光学素子アレイの形成された面が内側になるように配置される。
「平面基板」は、少なくとも片面が平面である透明な基板であり、微小光学素子アレイ基板と重ねあわせて一体化される。
【００１２】
微小光学素子アレイ基板及び平面基板のうちの一方の、他方の基板に対向する側の面には、「両基板の間隔を微小光学素子アレイにおける個々の微小光学素子の高さ以上の大きさに保つスペーサ部」が、微小光学素子アレイの有効範囲外に形成されている。微小光学素子アレイの「有効範囲」とは、微小光学素子がアレイ配列されて、微小光学素子アレイとしての光学作用を果たす２次元領域であり、この有効範囲内において、個々の微小光学素子につき、微小光学素子としての光学作用を持つ領域を「光線有効領域」と呼ぶ。従って「有効範囲」は、微小光学素子の光線有効領域の集合と、個々の微小光学素子相互の間の光線有効領域外領域により構成されている。
また、「スペーサ部」は、上記の如く有効範囲外に形成されるが、スペーサ部と共に、複数の内部スペーサを「有効範囲内における微小光学素子の光線有効領域外の部分」に、スペーサ部と同じ高さに形成することができる。
【００１３】
上記液晶デバイス用の対向基板においては「スペーサ部を微小光学素子アレイ基板に形成する」ことができる。また、上記液晶デバイス用の対向基板においては「内部スペーサ部を、微小光学素子アレイ基板に形成する」ことができる。即ち、スペーサ部のみを形成する場合、スペーサ部は微小光学素子アレイ基板の側に形成しても良いし平面基板の側に形成してもよい。
また、スペーサ部と複数の内部スペーサを形成する場合には、これらの一方を微小光学素子アレイ基板に形成し、他方を平面基板に形成しても良いし、これら両方を平面基板の側に形成することもでき、上記の発明のように、スペーサ部と内部スペーサとを共に微小光学素子アレイ基板に形成してもよいのである。
【００１４】
対向基板は上記の如く、微小光学素子アレイ基板と平面基板とを重ねあわせて一体化して形成されるが、ＴＦＴ基板と共に液晶層を挾むに際しては、微小光学素子アレイ基板が液晶層の側になるようにしてもよいし（この場合には、照射光束は平面基板の側から照射されることになる）、逆に「平面基板が液晶層の側に配備される」ようにしても良いが、本発明の場合には、「平面基板が液晶層の側に配備される」ようにし、照射光束は微小光学素子アレイ基板の平坦な面から照射され、微小光学素子により屈折され、平面基板を透過して平面基板の他方の面のブラックマトリックスの開口部から液晶層に出射することになる。
【００１５】
本発明の対向基板に用いる微小光学素子は、斜入射光に対するマイクロレンズ配置効果の低減を補うために光を集光することを目的とせず、ブラックマトリックスの開口部内に光を屈折させ、かつ投射レンズ光学系でスクリ−ンに照射できることを目的として、液晶デバイスにおける個々の画素に対応する単位画素に外接する多角形を底辺とする多角錐形状で構成される（請求項１）。また同様に、単位画素の外接円を底辺とする円錐形状で構成される（請求項３）。
更に、構造的な強度を補う目的として、上記多角錐形状や円錐形状の頂点付近が、球面または平面で構成され、多角錐や円錐と、球面または平面の組み合わせの複合形状で構成される（請求項２，４）。
【００１６】
上記請求項１乃至４のいずれかに記載の液晶デバイス用の対向基板において、微小光学素子アレイ基板と平面基板との間は、空気層もしくは真空層としてもよいが、両者の間に「所定の屈折率を持つ透明な媒質」を挾むことができる。
【００１７】
請求項５記載の「液晶デバイス」は、上記請求項１乃至４のいずれか一つに記載された液晶デバイス用の対向基板と、ＴＦＴ基板とにより液晶層を挾持して構成される。このような液晶デバイスは勿論、モノクロ画像表示用に使用することもできるが、カラー画像を表示するための光の三原色であるＲ（レッド），Ｇ（グリーン），Ｂ（ブルー）画像の任意のものを表示するものとして使用することができる。即ち、請求項５記載の液晶デバイスは、これを３個用い、その個々により、Ｒ，Ｇ，Ｂ画像を表示することにより液晶カラープロジェクター用の画像表示手段を構成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の「単板式液晶デバイス」の概略構成を示す要部断面図である。図中、符号２０１はＴＦＴ基板、符号２０２は微小光学素子アレイ基板、符号２０３は平面基板、符号２０５は液晶層を示す。ＴＦＴ基板２０１の液晶層２０５に接する側の面には、各画素を駆動するためのＴＦＴ２０１Ａと図示していないバスラインが形成され、これらＴＦＴ２０１Ａ及びバスラインの間が開口部２０１Ｂになっている。尚、透明導電膜は省略してある。
【００１９】
ＴＦＴ基板２０１と共に液晶層２０５を挾持する平面基板２０３は透明な平行平面板であり、液晶層２０５に接する側の面にはブラックマトリックス２０４が形成され、ブラックマトリックス上には、透明電極が透明導電膜（ＩＴＯ）２０７により形成されている。また、微小光学素子アレイ基板２０２には、平面基板２０３に対向する側の面に微小光学素子のアレイ配列が形成されている。そして、微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３とは液晶デバイスの「対向基板」を構成している。
【００２０】
図１においては、照射光束は対向基板側の微小光学素子アレイ基板２０２の平坦な面から入射し、個々の微小光学素子３０２に入射して屈折されつつ平面基板２０３側のブラックマトリックス２０４の開口部（アパチャー）２０４Ａを通過し、液晶層２０５を透過し、ＴＦＴ基板２０１における開口部２０１Ｂを通過する。
【００２１】
微小光学素子アレイ基板２０２及び平面基板２０３の材質は、対向基板製作時の後工程や熱処理工程で微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３とが剥離しないように、熱膨張係数が略等しいことが必要であるが、この条件が満たされる材料であれば特に制限なく利用できる。また、微小光学素子アレイ基板２０２における微小光学素子形成面から平面基板２０３までの間２０６は、光学的に空気層でも良いし真空層でも良く、または光学的屈折率を有する別の材料を間に挟んでも良い。上記微小光学素子形成面から平面基板２０３までの間の距離は、数μｍから数１０μｍまでであり、光学設計で理論的に決まる。
【００２２】
微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３とは接合により一体化される。「接合の材料」は、後工程で処理される加熱温度に耐え得る材料であれば、特に制限はない。また、対向基板の液晶層の側の面に、後工程で熱処理を施す場合には、微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３との間は真空層とするか別の材料を挾むことが好ましい。これは、微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３との間を空気層とすると、熱処理の際に空気層が膨張して剥離等が発生するからである。
【００２３】
ここで、図６に本発明の一例である「円錐形状の微小光学素子を用いた単板式液晶デバイス」において、微小光学素子への光線の入射位置及び入射角度を変えて光線追跡のシミュレーションを行った際の結果を示す。図中、符号１０１の部分は微小光学素子アレイ基板、符号１０２の部分は光を屈折させる微小光学素子アレイ部、符号１０２Ａは微小光学素子、符号１０２Ｂは所定の屈折率を持つ透明な媒質、符号１０３の部分は平面基板、符号１０４の部分は液晶層（ブラックマトリックスと透明導電膜層は省略）を示している。
【００２４】
図６において、符号１０１の部分は微小光学素子アレイ基板の有限な長さを記載していない。また、図６は光学シミュレ−ションの結果を示しているが、シミュレ−ションの便宜上、微小光学素子アレイ基板の微小光学素子１０２Ａに仮想端面を想定し、この面に所定の入射角度（この場合は、θ(Max)＝±８．６°）を有する光を完全拡散光として入射させている。これは、平行な微小光学素子アレイ基板中では入射光は何ら影響を受けないことから合理的である。
【００２５】
図６においては、光は通常の球形状マイクロレンズ等の場合とは異なり、一点に集光することはないが、円錐形状の微小光学素子１０２Ａにより屈折されてブラックマトリックッスの開口部を通過する状況が示されている。尚、微小光学素子アレイ基板に形成される微小光学素子の径や形状（多角錐形状や円錐形状とその頂点付近の球面または平面形状）等は光の利用効率が上昇するように幾何学的に決定される。
【００２６】
このように、本発明において「対向基板」は、微小光学素子アレイ基板と平面基板とにより構成され、この両者の接合により必要な機械強度を確保しつつ、微小光学素子アレイの形成された面が両基板の重ねあわせにおける「内側」に位置されることにより、微小光学素子アレイ形成面と液晶層との間の距離を有効に小さくすることができ、照射光束の入射角に対する精度の緩和と光利用効率の向上が可能となる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
微小光学素子アレイ基板の微小光学素子として、従来の球形状マイクロレンズアレイを配置した場合の光利用効率のシミュレーション結果を下記の表１に、本発明の円錐形状の微小光学素子を配置した場合の光利用効率のシミュレーション結果を下記の表２に示す。また、図６に本件シミュレ−ションにおける光線追跡状況を参考図として示す。
【００２８】
尚、参考として、球形状マイクロレンズや本発明に係る微小光学素子がない場合の光利用効率を、平行平板上にブラックマトリックスのみを形成した場合でシミュレ−ションしており、この場合は、各画素のピッチに対するブラックマトリックスの開口部面積比で効率が求まり、４８．１％であった。
【００２９】
本発明における光学素子部品の構成及び入射光（光入射角度）の関係は図１に示した通りであり、また、図２は本発明における微小光学素子アレイ基板２０２の要部断面図、図３は微小光学素子アレイ基板の構成例を示す平面図であり、図２は図３のIII−III'線部分の断面図に相当する。
本件の場合、微小光学素子アレイ基板３００は、横方向（長手方向）が２７．４ｍｍ、縦方向が１９．８５ｍｍの長方形形状のネオセラムＮ−０材料（屈折率：ｎd＝１．５４１）であり、図３に符号３５０で示す「有効範囲（横方向：１８．５８２ｍｍ、縦方向：１４．０２２ｍｍ）」には上記の通り微小光学素子３０２のアレイ配列が形成されている。尚、下記の表１のシミュレーション結果では微小光学素子に従来の球形状マイクロレンズを用いており、表２のシミュレーション結果では本発明に係る円錐形上の微小光学素子（図２）を用いている。
【００３０】
【表１】
表１は、従来の球形状マイクロレンズアレイを配置した場合の光利用効率のシミュレ−ション結果を示したものであり、本件シミュレーションでは、球形状マイクロレンズアレイ＋投射レンズ系とし、平面基板には厚さ７０μｍのカバーガラスを用い、接着剤厚０．０１μｍとした。
表１から、光利用効率は、光入射角度が大きくなるにつれて低下することが判る。上記条件では、効率が高くなるのは、球ｒ＝２５±１μｍの範囲であることが判った。また、この時の光利用効率は、入射角度が８．６度では最大で６１．９％程度であった。これは、前述の球形状マイクロレンズアレイを配置しない場合の４８．１％に比較して、約１．２８倍の効果があった。勿論、光入射角度が小さい場合には、更に高効率であることは言うまでもない。
【００３２】
【表２】
表２は、本件発明の円錐形状の微小光学素子を配置した場合の光利用効率のシミュレ−ション結果を示したものであり、本件シミュレーションでは、円錐形状微小光学素子アレイ＋投射レンズ系（光軸上に円錐形状微小光学素子１個＋投影レンズ系）とした。平面基板にはカバーガラスを用い、その厚さも変えてシミュレーションした。
また、遮蔽とは、円錐形状の先端を平面形状にした場合（即ち、先端を切り取った形）を意味し、径はその断面円形状の直径φを示している。
表２の結果から光線の入射角度（コーンアングル）が８．６度の場合は、図２の円錐角度θe が６５°の時、光利用効率が最大となり、その形状は先端部に平面部（遮蔽）のない形状であることが判る。また、この場合の効率は、６３．３％程度であった。これは、球形状マイクロレンズや本発明に係る微小光学素子がない場合の光利用効率の４８．１％に比較して、１．３２倍の効果があった。また、球形状マイクロレンズアレイを配置した場合の６１．９％に比較して、１．０２倍の効果があった。
【００３４】
（実施例２）
図２は微小光学素子アレイ基板の１例を示す図であり、微小光学素子アレイ基板２０２は、その片面に屈折用の微小光学素子３０２のアレイが形成され、この微小光学素子アレイの形成されたのと同じ面で、微小光学素子アレイの有効範囲外に、微小光学素子３０２と同じ高さ：ｈを持ったスペーサ部３０３が形成されている。
【００３５】
図３は、微小光学素子アレイ基板２０２の全体を平面図的に示している。実施例１でも述べたように、微小光学素子アレイ基板２０２は、横方向（長手方向）が２７．４ｍｍ、縦方向が１９．８５ｍｍの長方形形状のネオセラムＮ−０材料（屈折率：ｎd＝１．５４１）であり、図３に符号３５０で示す「有効範囲（横方向：１８．５８２ｍｍ、縦方向：１４．０２２ｍｍ）」には上記の通り微小光学素子のアレイ配列が形成されている。また、有効範囲外に形成されたスペーサ部３０３は、２つのＬ字形状を成して有効領域３５０を囲繞するように形成され、その幅は０．２ｍｍである。スペーサ部３０３が形成されていない部分には、アライメントマ−ク３６３，３６４（平面基板との接合の際に位置合わせに用いる）が形成されている。尚、スペーサ部３０３の２つのＬ字形状の近接する部分には隙間が設けられているが、この隙間の大きさ：Ｓは１０〜数１０μｍに設定される。この隙間は微小光学素子アレイ基板２０２を平面基板と一体化した際に、熱処理工程における内側部分の脱気を可能とする。また、スペーサの内側部分を真空層とする場合の排気口にも利用される。
【００３６】
図４は、本発明の液晶デバイスにおける微小光学素子と画素の対応関係を説明するための図であり、（ａ）は微小光学素子アレイ基板上の微小光学素子形成領域とブラックマトリックスの開口部の配列を一部拡大して示す図、（ｂ）は一つの単位画素と上記開口部及び微小光学素子形成領域の寸法の関係を示す図である。図４（ａ）で破線で示す矩形形状２０４Ａは、液晶デバイスにおいて実際に光を透過して「画素」となるブラックマトリックス２０４（図１）の開口を示している。この開口２０４Ａは、図４（ａ）に示すように碁盤目状に配列され、その寸法は同図（ｂ）に示すように横方向幅：２３．０μｍ、縦方向幅：１８．５μｍであり、画素ピッチは横方向に就き２８．５μｍ，縦方向に就き２８．５μｍである。従って、上記「有効範囲内」の有効画素数は、横方向（Ｘ方向）：６５２、縦方向（Ｙ方向）：４９２である。
【００３７】
図４における符号３０２Ａで示す４角形形状の領域は、１個の微小光学素子を形成する領域であるが、この領域の大きさは、微小光学素子アレイ基板の有効範囲３５０を画素ピッチで均等に区切った場合の「単位画素」に相当し、この単位画素に相当する個々の４角形形状の領域３０２Ａは、図４（ｂ）に示すように、横方向に就き２８．５μｍ，縦方向に就き２８．５μｍである。即ち、対角方向の長さは、４０．３０５μｍである。
勿論上記４角形形状の形状や寸法は、液晶デバイスにおける画素の寸法やピッチが変われば、それに応じて異なった寸法となる。
【００３８】
図５は微小光学素子形成領域３０２Ａに形成される微小光学素子の光学面の近似形状の例を示し、（ａ）は多角錐形状の微小光学素子の例、（ｂ）は円錐形状の微小光学素子の例である。図５（ａ）の多角錐形状、例えば４角錐形状とした場合、微小光学素子は、単位画素に外接する４角形状３０２Ｂを底面とする４角錐形状となる。この場合、４角錐形状の底辺の寸法は微小光学素子形成領域３０２Ａの寸法となり、前述の図４に示したように微小光学素子形成領域３０２Ａの縦、横の寸法が２８．５μｍの時は、底面の対角方向の長さは、４０．３０５μｍとなる。また、微小光学素子アレイの「有効範囲内における微小光学素子の光線有効領域外の部分」に複数の内部スペーサを形成するような場合は、図５（ａ）の破線で示す４角形３０２Ｂ’のように、４角錐形状の底辺の寸法を、微小光学素子形成領域３０２Ａの寸法よりも内部スペーサ形成分（片側１μｍ程度）小さく形成する。尚、６角，８角，１０角，・・・等の他の多角錐形状の場合、底面は単位画素に外接する多角形状となるが、この場合は、隣合う微小光学素子の底面が干渉しあうため、微小光学素子形成領域３０２Ａの４角形状の各辺に合わせて底面の四隅を切り落とした形状となる。即ち、底面は４角形状で錐面の断面が多角形状の微小光学素子となる。
【００３９】
次に、図５（ｂ）に示すように、上記４角形形状の微小光学素子形成領域３０２Ａに円錐形状の微小光学素子を形成する場合は、微小光学素子は図中に破線で示すように、単位画素の外接円３０２Ｃを底面とする円錐形状となる。この場合、円錐形状の底面の寸法は微小光学素子形成領域３０２Ａの外接円３０２Ｃであるから、前述の図４に示した寸法関係の場合、円錐の底面の直径方向の長さは４０．３０５μｍとなる。但し、この場合は、隣合う微小光学素子の底面が干渉しあうため、微小光学素子形成領域３０２Ａの４角形状の各辺に合わせて底面の四隅を切り落とした形状となる。即ち、底面は４角形状で錐面の断面が円形状の微小光学素子となる。従って、本実施例では、微小光学素子３０２は、単位画素（微小光学素子形成領域３０２Ａ）に外接する円形状３０２Ｃを底面と想定した円錐形状であり、その頂角の１／２を円錐角度θe ，円錐形状の高さをｈとした。
【００４０】
さて、実施例１で述べたように、微小光学素子が全くない場合のシミュレ−ション結果は、入射光がブラックマトリックスで蹴られるため、単位画素に対する開口面積比で光の利用効率が決定される。
次に球形状のマイクロレンズアレイを配置した場合の光の利用効率のシミュレーション結果を前記表１に示したが、これは、マイクロレンズアレイの球：ｒ値を変更した場合と、入射光のコーンアングルが１，５，８．６°の場合のシミュレーション結果であり、この結果から、入射光のコーンアングルが大きくなると利用効率が急激に低下し、この構成ではマイクロレンズアレイの球：ｒ＝２４μｍが最も効率が良いことが判り、入射角度（コーンアングル）が８．６度の場合の効率は６１．９５％である。
また、本実施例の円錐形状の微小光学素子を配置した場合の入射光のコーンアングルが１，５，８．６°の場合のシミュレ−ション結果は、前記表２に示した通りであり、コーンアングルが８．６度の場合は、円錐角度θe が６５°の時、光利用効率が最大となり、この場合の効率は６３．３％程度となり、上記球形状マイクロレンズアレイの場合と比較して、１．０２倍の効果がある。
【００４１】
本実施例のような円錐形状の光学面形状を持つ微小光学素子アレイは、特開平６−１９４５０２号公報開示の方法、即ち「熱可塑製感光性材料を用いた熱変形を利用して微細な凸面形状を製作し、この形状をドライエッチング法を用いて基板に掘り移す方法」で製作した。
具体的には、前記の寸法を持ち、厚さ：１．０ｍｍのネオセラムＮ−０材料基板上に、熱可塑性感光性材料としてフォトレジストを塗布し、パターニングにより各微小光学素子形成領域３０２Ａの４角形形状毎に、上記４角形形状の形状を持つフォトレジストが残るようにした。
このようにして、微小光学素子形成領域３０２Ａに対応した４角形形状を投射形状とする直方体状のフォトレジストのアレイ配列が得られる。このフォトレジストを熱変形してその表面を凸曲面化して、高さ：１２．５２５μｍの所望円錐形状を形成した。この時の形状は、投射形状が４角形で断面形状が円錐形状の四隅を切り落した形状の微小光学素子である。
【００４２】
さらに、熱変形したフォトレジスト間を埋めるために、フォトレジストの上から多段階に分けて粘度の低い熱可塑性材料を塗布した後、ＥＣＲプラズマエッチング装置で全体として「１よりもわずかに大きい」選択比で１２．７μｍエッチングし、ネオセラムＮ−０材料基板表面に高さ：９．２８μｍ（図２の高さ：ｈ）の凸の微小光学素子３０２のアレイ配列を形成した。この時、エッチングの選択比は、エッチング時間と共に変化させた。具体的には、エッチングの初期においては選択比の大きな条件で開始し、徐々に選択比を小さくしながらエッチングを行ったが、エッチングの最終段階では、選択比１の条件で終了させた。上記のような条件でエッチングすると、最初に形成した投射形状が４角形で断面形状が、円錐形状の四隅を切り落した形状の円錐角度６５度の微小光学素子３０２のアレイが得られる。
【００４３】
尚、図１，２に示すスペーサ部３０３は以下のように形成した。図３に示す微小光学素子アレイ基板２０２の有効範囲３５０外の部分で、アライメントマーク３６４以外の個所に、幅：０．５ｍｍのスペーサ部３０３を設けるため、フォトリソグラフィー技術を用いて、スペーサ部３０３となるべき部分にレジストが残らないようにパターニングし、その上からＣｒ膜を５０００Åスパッタリングした。その後レジスト膜をリフトオフして、スペーサ部にのみＣｒ膜が残るようにパターニングした。
スペーサ部となるべき部分はＣｒ膜でエッチングされずに残るため、上記の如く微小光学素子アレイ形成後、Ｃｒ膜を除去すると、スペーサ部３０３の高さ：ｈは、円錐形状の微小光学素子アレイの頂点と略同じ高さ：９．３０μｍになっている。
【００４４】
この微小光学素子アレイ基板２０２の微小光学素子３０２とスペーサ部３０３とが形成された面のスペーサ部３０３の外側の部分に、協立化学産業社製の紫外線硬化型樹脂７７０２−ＡＺを塗布し、その上から、平面基板２０３（図１参照）として厚さ：６０μｍのネオセラムＮ−０材料を乗せ、上記樹脂を紫外線硬化させ、その後、平面基板２０３の他方の面に透明電極やブラックマトリックス２０４を形成して「対向基板」とした。
本実施例の対向基板では、微小光学素子基板２０２と平面基板２０３とはどちらも同じネオセラムＮ−０材料であるため、熱膨張係数が等しく、ＴＦＴ−ＬＣＤを製作するための工程での熱処理工程の際の応力による破壊の問題が無い。
【００４５】
上記の如く製作した微小光学素子アレイ基板２０２は、平面基板２０３であるネオセラムＮ−０材料を透過して、ブラックマトリックス２０４部分の僅か先に集光する。
この実施例２の対向基板とＴＦＴ基板２０１とで液晶層２０５を挾持して液晶デバイス（ＴＦＴ−ＬＣＤ）を形成し、入射角：０±８．６度の範囲で照射光束（平行光束）を照射したところ、６３．２％以上の光利用効率を実現できた。即ち、微小光学素子を用いない場合の光利用効率：４８．１２％に対し、略１．３１倍に光利用効率が向上した。また、本実施例の微小光学素子アレイ基板を用いた場合、従来の球形状のマイクロレンズアレイ（球：ｒ＝２５μｍ）を形成した場合の光利用効率：６１．７７％に対し、略１．０２３倍に光利用効率が向上した。
【００４６】
尚、本実施例の液晶デバイスでは、微小光学素子３０２の高さとスペーサ部３０３の高さとが略等しいので、微小光学素子アレイ基板２０２と平面基板２０３とは、スペーサ部３０３及び各微小光学素子３０２の頂部とで接触するため、有効範囲内に内部スペーサを設けなくても、対向基板としては十分な機械強度が得られた。また、本発明の対向基板では内部スペーサを設けなくても良いため、内部スペーサにより入射光が蹴られることがなく光利用効率をより向上できる。
【００４７】
ところで、上記構成の液晶デバイスは、単体で用いてモノクロ表示用に使用することができるが、液晶デバイスを３個用いて、光の三原色であるＲ，Ｇ，Ｂ画像の任意のものを表示するものとして使用することができる。即ち、３個の液晶デバイスの個々にＲ，Ｇ，Ｂの各画像を割り当てて表示することにより、液晶カラープロジェクター用の画像表示手段を構成することができ、明るいカラー投影画像を実現することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば液晶プロジェクター用の新規な液晶デバイス及び液晶デバイス用の新規な対向基板を提供できる。
【００４９】
本発明の対向基板（請求項１〜４）は、上述の如き構成となっているので、必要な機械強度を実現しつつ、微小光学素子アレイ基板の各微小光学素子で、ブラックマトリックスの開口部内に入射光を確実に屈折させることができるため、液晶デバイスにおける照射光束の入射角の精度が緩和され、しかも、高い光利用効率を実現できる。
【００５０】
また本発明の液晶デバイス（請求項５）は、上記の如き対向基板を用いて構成されることにより、明るい投影画像やカラー投影画像を実現でき、光源に過大な発光量を必要としないから、光源の寿命を有効に延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶プロジェクター用の液晶デバイスの概略構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明の対向基板を構成する微小光学素子アレイ基板の構成例を示す要部断面図である。
【図３】本発明の対向基板を構成する微小光学素子アレイ基板の構成例を示す平面図である。
【図４】本発明の液晶デバイスにおける微小光学素子と画素の対応関係を説明するための図であり、（ａ）は微小光学素子アレイ基板上の微小光学素子形成領域とブラックマトリクスの開口部の配列を一部拡大して示す図、（ｂ）は一つの単位画素と上記開口部及び微小光学素子形成領域の寸法の関係を示す図である。
【図５】本発明における微小光学素子アレイ基板上の微小光学素子形成領域に形成される微小光学素子の光学面の近似形状の例を示す図であり、（ａ）は多角錐形状の微小光学素子の底面形状の例を示す図、（ｂ）は円錐形状の微小光学素子の底面形状の例を示す図である。
【図６】本発明の一例である円錐形状の微小光学素子を用いた液晶デバイスにおいて、微小光学素子への光線の入射位置及び入射角度を変えて光線追跡のシミュレーションを行った際の結果を示す図である。
【符号の説明】
２０１ ＴＦＴ基板
２０１Ａ ＴＦＴ
２０２ 微小光学素子アレイ基板
２０３ 平面基板
２０４ ブラックマトリックス
２０４Ａ ブラックマトリックス開口部
２０５ 液晶層
３０２ 微小光学素子
３０２Ａ 微小光学素子形成領域
３０３ スペーサ部
３５０ 有効範囲
Claims (5)
- 液晶プロジェクターに用いられる液晶デバイスにおいて、ＴＦＴ基板と共に液晶層を挾持し、光照射側に配備される対向基板であって、
液晶デバイスにおける個々の画素に対応する微小光学素子のアレイを片面に形成した微小光学素子アレイ基板と、平面基板とを、上記微小光学素子アレイの形成された面を内側にして重ねて一体化して構成され、上記微小光学素子アレイは、微小光学素子が液晶デバイスにおける個々の画素に対応する単位画素に外接する多角形を底辺とする多角錐形状を備える、光屈折用の微小光学素子のアレイ配列であり、上記微小光学素子アレイ形成面で屈折された光が液晶層側のブラックマトリックスを通過するように形成されていることを特徴とする液晶デバイス用の対向基板。 - 請求項１記載の液晶デバイス用の対向基板において、微小光学素子が液晶デバイスにおける個々の画素に対応する単位画素に外接する多角形を底辺とする多角錐形状と、球面または平面とで構成されることを特徴とする液晶デバイス用の対向基板。
- 液晶プロジェクターに用いられる液晶デバイスにおいて、ＴＦＴ基板と共に液晶層を挾持し、光照射側に配備される対向基板であって、
液晶デバイスにおける個々の画素に対応する微小光学素子のアレイを片面に形成した微小光学素子アレイ基板と、平面基板とを、上記微小光学素子アレイの形成された面を内側にして重ねて一体化して構成され、上記微小光学素子アレイは、微小光学素子が液晶デバイスにおける個々の画素に対応する単位画素の外接円を底辺とする円錐形状を備える、光屈折用の微小光学素子のアレイ配列であり、上記微小光学素子アレイ形成面で屈折された光が液晶層側のブラックマトリックスを通過するように形成されていることを特徴とする液晶デバイス用の対向基板。 - 請求項３記載の液晶デバイス用の対向基板において、微小光学素子が液晶デバイスにおける個々の画素に対応する単位画素の外接円を底辺とする円錐形状と、球面または平面とで構成されることを特徴とする液晶デバイス用の対向基板。
- 請求項１乃至４のいずれか一つに記載された液晶デバイス用の対向基板と、ＴＦＴ基板とにより液晶層を挾持してなることを特徴とする液晶プロジェクター用の液晶デバイス。
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