JP3975602B2 - マイクロレンズアレイ基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロレンズアレイ基板に関する。特に、液晶プロジェクタやディスプレイ用の液晶表示装置などに用いられるマイクロレンズアレイ基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示パネルを用いたプロジェクタが提供されているが、このような液晶プロジェクタには、スクリーン前面に画像を投射してスクリーンの前面から観賞するフロント方式のものと、スクリーン背面に画像を投射してスクリーンの前面から観賞するリア方式のものとがある。
【０００３】
（プロジェクタ用の液晶表示装置）
図１は、このようなフロント方式又はリア方式の液晶プロジェクタ１の基本構成を示す図である。メタルハライドランプ等の光源２はリフレクタ（放物面鏡）３の焦点位置に配置されており、光源２から出射された光束はリフレクタ３によって反射されることによって平行光束に変換される。リフレクタ３の前方には、液晶表示装置７が配置されている。この液晶表示装置７は、透過型液晶表示パネル５の両面に偏光板４、６を設けたものである。そして、リフレクタ３で反射された平行光束が液晶表示装置７を透過することにより画像が生成される。液晶表示装置７で生成された画像は、投射レンズ８によりスクリーン９上に結像される。
【０００４】
上記液晶表示装置７としては、輝度アップを目的としてマイクロレンズアレイ基板１１を用いた画像表示装置が提案されている。この液晶表示装置７は、図２に示すように、画像表示パネル５にマイクロレンズアレイ基板１１を対向させたものである。液晶表示パネルは、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を駆動する配線等が設けられたブラックマトリクス領域１２や透明電極等を形成されたガラス基板１３と共通全面電極を形成されたガラス基板１４との間に液晶材料１５を封止したものであって、ブラックマトリクス領域１２によって囲まれた透明電極の部分が画素開口１６となっており、マイクロレンズアレイ基板１１の各マイクロレンズ１７は液晶表示パネルの各画素開口１６に対向するように配置されている。
【０００５】
マイクロレンズアレイ基板を用いない液晶表示装置の場合には、図３（ａ）に示すように、平行光束がそのまま液晶表示パネルに照射するので、ブラックマトリクス領域１２に照射された光はブラックマトリクス領域１２で遮られ、光の利用効率が低下し、画像表示装置の輝度が低下する。
【０００６】
これに対し、図２のように液晶表示パネル５の光入射側にマイクロレンズアレイ基板１１を配置した液晶表示装置では、図３（ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ基板１１に入射した光は各マイクロレンズ１７によって各画素開口１６に集光され、液晶表示装置７に入射した光がすべて画素開口１６を透過することになる。このため、マイクロレンズアレイ基板１１を用いることによって光の利用効率を向上させることができ、明るい画像を得ることができる。
【０００７】
（単板式のカラー液晶表示装置）
また、カラー液晶プロジェクタには、図４に示すような単板式のカラー液晶表示装置２１が用いられる。このカラー液晶表示装置２１にあっては、ハロゲンランプ等の白色光源２２に対して３枚のダイクロイックミラー２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂが互いにαだけ角度を異ならせて配置されている。白色光源２２から出射された白色光Ｗは直接に、あるいは反射鏡２３で反射された後、コリメートレンズ２４によって平行光束に変換され、ダイクロイックミラー２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂに入射する。ダイクロイックミラー２５Ｒは、入射光のうち緑色光Ｇ及び青色光Ｂを透過させて赤色光Ｒだけを反射する。ダイクロイックミラー２５Ｇは、ダイクロイックミラー２５Ｒを透過した緑色光Ｇ及び青色光Ｂのうち、青色光Ｂを透過させて緑色光Ｇだけを反射する。ダイクロイックミラー２５Ｂは、ダイクロイックミラー２５Ｒ及び２５Ｇを透過した青色光Ｂを反射する。この結果、液晶表示パネル２７の光入射側に配置されたマイクロレンズアレイ基板２６には、緑色光Ｇが垂直入射し、赤色光Ｒ及び青色光Ｂが緑色光Ｇに対して２αの角度をもって入射する。ここで、液晶表示パネル２７の赤、緑、青の３画素（１絵素）に対して１つのマイクロレンズ３２を対応させ、Ｌ＝ｆ・２α（ただし、Ｌは赤、緑、青の画素の中心間距離、ｆはマイクロレンズの焦点距離）となるように設計しておけば、図５に示すように、赤色光Ｒは赤色画素の画素開口３１Ｒ内に集光され、緑色光Ｇは緑色画素の画素開口３１Ｇ内に集光され、青色光Ｂは青色画素の画素開口３１Ｂ内に集光され、赤色画像、緑色画像および青色画像の混合画像としてカラー画像が生成される。
【０００８】
このように単板式カラー液晶表示装置の場合にも、マイクロレンズアレイ基板２６を用いることにより各色光を各画素開口内に集光させることができ、入射光がブラックマトリクス領域で遮蔽されて光利用効率が低下するのを防止でき、明るい画像を得ることができる。
【０００９】
（光源の大きさによる最小スポット径の問題）
しかしながら、光源は理想的な点光源ではなく、有限な大きさを有している。そのため、例えば図３（ｂ）に示した液晶表示装置の場合でいうと、図６に示すようにマイクロレンズアレイ基板１１の各マイクロレンズ１７を透過した光は、実際には１点で収束しない。すなわち、図６において実線で示した光線３３ａは光源の中心点から出てコリメート化された平行光束を示し、１点鎖線で示した光線３３ｂ及び破線で示した光線３３ｃは光源の端縁から出てコリメート化された平行光束を示している。光源が大きさを有していると、リフレクタやコリメートレンズでコリメート化しても完全な平行光束とならず、光束は図６に示すように有限な広がり角Δθをもってマイクロレンズアレイ基板１１に入射する。このため液晶表示パネル５に集光される光（集光スポット）の最小スポット径Ｗは次の▲１▼式で表わされる。ただし、ｆはマイクロレンズ１７の焦点距離（以下、マイクロレンズアレイ基板１１の焦点距離ということがある）である。
Ｗ＝２Δθ・ｆ …▲１▼
【００１０】
このため液晶表示装置７の設計にあたっては、最小スポット径Ｗが液晶表示パネル５の画素開口１６の大きさＰと同程度、あるいは画素開口１６の大きさＰよりわずかに大きくなるように設計しており、光利用効率は光源光の広がり角Δθに依存している。
【００１１】
一方、液晶プロジェクタ用の液晶表示装置、あるいはそれ以外の機器に用いられている液晶表示装置では、近年しだいに高解像度化が進められており、それに伴って画像表示パネルの画素数が増大し、各画素が微細化している。また、液晶表示装置の量産性を高くするため、液晶表示パネルの画面の小型化が進んでおり、それに伴っても液晶表示パネルの画素が微細化している。
【００１２】
こうして液晶表示パネル５の画素が微細化し、画素開口１６が小さくなってくると、それに対応してマイクロレンズアレイ基板１１を通過した光の最小スポット径Ｗも小さくしないと、図７に示すように、ブラックマトリクス領域１２で光が遮られる割合が大きくなり、マイクロレンズアレイ基板１１の効果が無くなり、画像が暗くなる。
【００１３】
この場合、画像を明るくしようとして大きな光源を用いると、その分だけ光源から出る光の広がり角Δθも大きくなるので、効果が得られない。そのため、液晶表示パネルの画素の微細化に対しては、マイクロレンズアレイ基板の焦点距離を短くするしかない（上記▲１▼式参照）。
【００１４】
マイクロレンズアレイ基板に形成されるマイクロレンズは、入射側の曲率を大きくした方が球面収差の少ないレンズとなるので、従来は図７に示したように液晶表示パネル５の封止基板（ガラス基板）３４の入射面側にマイクロレンズ１７を形成していた。従って、マイクロレンズアレイ基板の焦点距離を短くしようとすると、封止基板を薄くする必要があり、封止基板が製造工程中に割れる恐れがあるため、マイクロレンズアレイ基板の焦点距離を短くするのに限界があった。
【００１５】
ここでは、図３に示したような液晶表示装置の場合について最小スポット径の問題を説明したが、これは単板式のカラー液晶表示装置でも同様に問題となる。
【００１６】
（改良された従来例）
そこで、上記のような問題を踏まえて、図８に示すように２枚のガラス基板４２、４３間にマイクロレンズアレイ４４を作り込んでマイクロレンズアレイ基板４５とし、このマイクロレンズアレイ基板４５を液晶表示パネル４１の封止基板として用いられるようになってきている。このマイクロレンズアレイ基板４５は、ガラス基板４２及び４３の間に屈折率の異なる２層の透明樹脂層４６、４７を成形し、透明樹脂層４６、４７の界面にマイクロレンズアレイ４４を形成したものである。そして、このマイクロレンズアレイ基板４５（ガラス基板４３）の上に透明電極やＴＦＴ等のブラックマトリクス領域４８を作製した後、透明電極等を形成された別な封止基板４９との間に液晶材料５０を封止して液晶表示パネル４１を製作している。
【００１７】
図９（ａ）〜（ｄ）は上記のようなマイクロレンズアレイ基板４５の量産工程を示す概略断面図である。マイクロレンズアレイ基板４５のレンズは、微細な曲率構造を有しているから、切削研磨加工法により製作するのは困難である。そのためマイクロレンズアレイ基板４５は、いわゆる２Ｐ（Photo-Polymerization）法により製作される。図９（ａ）に符号５１で示すものはスタンパ（金型）であって、スタンパ５１の上面にはレンズパターン５２が形成されている。しかして、マイクロレンズアレイ基板１１を製造するには、まずスタンパ５１の上に紫外線硬化樹脂５３（屈折率：１.３５〜１.６０くらい）を供給し、その上から透明なガラス基板４３で押圧する。ガラス基板４３で押圧すると、紫外線硬化樹脂５３はスタンパ５１とガラス基板４３の間で押し広げられ、スタンパ５１のレンズパターン５２内に充填される。このときガラス基板４３の押圧力と紫外線硬化樹脂５３の供給量を調整することで、紫外線硬化樹脂５３の厚みを数μｍ〜数１００μｍまで制御することができる。
【００１８】
ついで、図９（ｂ）に示すように、ガラス基板４３を通して紫外線硬化樹脂５３に紫外線を照射すると、光硬化反応によって紫外線硬化樹脂５３が硬化し、スタンパ５１のレンズパターン５２が紫外線硬化樹脂５３に転写される。紫外線硬化樹脂５３が硬化すると、紫外線硬化樹脂５３によって成形された透明樹脂層４７をガラス基板４３と共にスタンパ５１から剥離する。
【００１９】
この後、図９（ｃ）に示すように、ガラス基板４２の上に先ほどの紫外線硬化樹脂５３と屈折率の異なる紫外線硬化樹脂５４を供給し、下面に透明樹脂層４７を成形されたガラス基板４３を紫外線硬化樹脂５４の上に重ねて押圧する。ガラス基板４３を押圧することによって紫外線硬化樹脂５４を透明樹脂層４７とガラス基板４２の間に押し広げた後、図９（ｄ）に示すように、ガラス基板４２を通して紫外線硬化樹脂５４に紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂５４を硬化させることにより透明樹脂層４６を成形する。これにより、透明樹脂層４６、４７の間にマイクロレンズアレイ４４が成形される。
【００２０】
また、図１０（ａ）〜（ｄ）は上記スタンパ５１の製造方法を示している。まず図１０（ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ基板のレンズパターンを有する原盤５５を製作した後、銀等のスタンパ材５６を原盤５５の表面に堆積させてスタンパ材５６で原盤５５の表面を覆い、電鋳法によりスタンパ材５６の上にニッケルを堆積させてスタンパ台５７を形成する。ついで、原盤５５を剥離し、図１０（ｂ）に示すように、スタンパ材５６とスタンパ台５７からなる第１スタンパ５８を得る。
【００２１】
この後、図１０（ｃ）のように、第１スタンパ５８を上下反転させ、再び第１スタンパ５８の上にさらにスタンパ材料５９を堆積させ、第１スタンパ５８の上に上記成形用スタンパ５１を成形する。この後、スタンパ５１を第１スタンパ５８から分離すると、図１０（ｄ）に示すように、レンズパターン５２を有するスタンパ５１が得られる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにして、原盤５５の上に第１スタンパ５８のスタンパ材５６を成膜するとき、触媒を用いた無電解メッキによる原盤表面の導体化についで、電解メッキによりスタンパ材５６を堆積させる。
【００２３】
しかし、この電解メッキプロセスにおいては、図１１に示すように、原盤５５に形成されているレンズパターン６０のうち谷の部分６０ａでは、いわゆるエッジ効果が生じ、谷の部分６０ａにおけるスタンパ材５６の堆積量が他の部分と比較して少ないか、全く堆積しなくなる。これによりレンズパターン６０の谷の部分６０ａではスタンパ材５６が堆積不良となり、スタンパ材５６の頂点部分がシャープに成形されない。この結果、スタンパ５１にも谷の部分や頂点の部分が丸みを帯びただれ部となっていた。
【００２４】
マイクロレンズアレイ基板のレンズ形状が曲率の小さなものである場合には、レンズ形状の間の谷の部分が比較的浅くなるので、スタンパ５１もほぼシャープな形状に形成されるが、焦点距離の短いマイクロレンズアレイ基板を成形する場合には、レンズ形状の谷の部分が深く、狭くなるので、スタンパ材５６が原盤５５に堆積しにくく、スタンパ５１のだれ部が大きくなっていた。
【００２５】
こうしてだれ部の大きなスタンパ５１によってマイクロレンズアレイ基板４５を成形すると、スタンパ５１のだれ部もマイクロレンズアレイ基板４５に転写されるので、成形されたマイクロレンズアレイ基板４５でも図１２のようにマイクロレンズ間の境界にだれ部６１が生じる。
【００２６】
図１２に示すように、マイクロレンズアレイ基板４５に光（緑色光Ｇ）が入射したとき、レンズ境界以外の領域では、入射光は対向する画素開口６２（Ｇ）に集光される。しかし、マイクロレンズアレイ基板４５にだれ部６１が生じていると、レンズ境界領域に入射した光はだれ部６１によって散乱され、迷光となって他の画素開口６２（Ｒ）、６２（Ｂ）に入射する。この結果、画像がぼやけてしまい、画像品質が低下する。特に、単板式カラー液晶表示装置の場合には、混色を生じるので、格段に画像が劣化する。しかも、液晶プロジェクタに用いる場合には、液晶表示パネルの画像がスクリーン上に拡大投影されるので、だれ部６１による画像の劣化が目立ち易かった。
【００２７】
また、ガラス基板４３に成形された透明樹脂層４７をスタンパ５１から剥離するときには、図１３に示すように、スタンパ５１を均一な曲率となるように弧状に湾曲させながら透明樹脂層４７から剥離させることにより、スタンパ５１と透明樹脂層４７との間の剥離抵抗を小さくし、マイクロレンズアレイ基板４５の破損を防止している。
【００２８】
しかし、マイクロレンズアレイ基板４５のレンズ曲率が大きくなり、スタンパ５１の谷の部分が深く、狭くなると、スタンパ５１の剥離抵抗が大きくなるので、図１３のようにしてスタンパ５１を湾曲させながら透明樹脂層４７から剥離するとき、透明樹脂層４７のレンズ境界部分の先端部分が欠けてスタンパ５１側に残り易かった。マイクロレンズアレイ基板４５の透明樹脂層４７にこのような欠けなどが生じると、ここでも光が散乱されるので、画像の乱れを生じさせる原因となり、特に液晶プロジェクタでは大きな問題になっていた。
【００２９】
また、マイクロレンズアレイ基板のレンズ境界領域にだれ部や欠けが存在しない場合でも、レンズ曲率が大きくなると、レンズ境界領域で光が全反射され、迷光となる恐れもあった。
【００３０】
さらに、図８に示したような構造のマイクロレンズアレイ基板４５では、その短焦点距離化は、透明樹脂層に用いる樹脂材料の高性能化に依存しているだけであって、しかもその樹脂材料の屈折率改善による焦点距離の短縮化も限界に至っている。
【００３１】
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、その目的とするところは、マイクロレンズアレイ基板を構成するレンズの焦点距離をより短焦点化することにある。また、別な目的は、マイクロレンズアレイ基板を成形する際の不良品発生率を低減することにある。さらに別な目的は、マイクロレンズアレイ基板を液晶プロジェクタや液晶表示装置などに用いた場合に、マイクロレンズアレイ基板を通過した光の迷光を少なくし、画像の分解能を向上させることにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板は、微小レンズのレンズ配列面を少なくとも２層以上積層し、光入射側に１番近いレンズ配列面のレンズ曲率が、光入射側から２番目に位置するレンズ配列面のレンズ曲率よりも小さくなっており、前記レンズ配列面間の間隔を所定間隔に保持するための位置決め用部材を備え、貼り合わされる両レンズ配列面を支持する各部材にそれぞれ前記位置決め用部材が設けられており、一方の位置決め用部材の接続面には他方の位置決め用部材が嵌合する位置決め用凹部が設けられており、両位置決め用部材の嵌合によってレンズ配列面どうしの光軸合せを行なうことを特徴としている。
【００３３】
請求項２に記載のマイクロレンズアレイ基板は、前記レンズ配列面を樹脂を介して貼り合わせた請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板である。
【００３５】
請求項３に記載のマイクロレンズアレイ基板は、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板における前記位置決め用凹部を有する位置決め用部材には、他方の位置決め用部材の接続面を位置決め用凹部へ導くガイド面が形成されていることを特徴としている。
【００３６】
請求項４に記載のマイクロレンズアレイ基板は、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板において、いずれかのレンズ配列面を支持する部材に、レンズ配列面を成形するための型と位置決めするための位置決め用部材を設けたことを特徴としている。
【００３７】
請求項５に記載のマイクロレンズアレイ基板は、請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ基板における前記位置決め用部材が、いずれかのレンズ配列面と同時に成形されていることを特徴としている。
【００３８】
【作用】
請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板にあっては、微小レンズのレンズ配列面を少なくとも２層以上積層しているから、複数層のレンズ配列面によって容易に短焦点化することができる。
【００３９】
また、光入射側から２番目に位置するレンズ配列面（以下、第２のレンズ配列面という）よりも光入射側に、光入射側に１番近いレンズ配列面（以下、第１のレンズ配列面という）を設けているから、第１のレンズ配列面により入射光を集光して第２のレンズ配列面の各微小レンズに入射させることができる。この結果、第２のレンズ配列面のレンズ境界領域に入射光が入るのを防止でき、当該レンズ境界領域における入射光の散乱を防止できる。一方、第１のレンズ配列面は、第２のレンズ配列面よりもレンズ曲率が小さくなっているので、レンズ配列面のレンズ境界領域にだれ部や欠けなどが生じにくく、レンズ境界領域における光の散乱が生じにくい。
【００４０】
しかも、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板にあっては、レンズ配列面間の間隔を所定間隔に保持するための位置決め用部材を備えているので、第１及び第２のレンズ配列面どうしを接着する際、マイクロレンズアレイ基板に設けた位置決め用部材自体でレンズ配列面間の間隔を精度よく制御できる。
また、このようなマイクロレンズアレイ基板においては、第１のレンズ配列面で集光させた光が第２のレンズ配列面におけるレンズ境界領域に入射しないようにするためには、第１のレンズ配列面の微小レンズと第２のレンズ配列面の微小レンズとの光軸合せが重要になるが、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板では、貼り合わされる両レンズ配列面を支持する各部材にそれぞれ前記位置決め用部材が設けられており、一方の位置決め用部材の接続面には他方の位置決め用部材の接続面が嵌合する位置決め用凹部が設けられており、両位置決め用部材の嵌合によってレンズ配列面どうしの光軸合せを行なうようにしているから、第１及び第２のレンズ配列面どうしを接着する際、位置決め用部材どうしの嵌合によって容易に第１及び第２のレンズ配列面どうしの光軸合せを行なうことができる。
【００４１】
請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板においては、全体として目的とする焦点距離を得るためには、レンズ配列面間の間隔を精密に制御する必要がある。請求項２に記載のマイクロレンズアレイ基板にあっては、前記レンズ配列面を樹脂を介して貼り合わせているから、容易に第１及び第２のレンズ配列面どうしを積層することができ、レンズ配列面間の間隔を精密に制御することができる。
【００４２】
請求項３に記載のマイクロレンズアレイ基板にあっては、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板における前記位置決め用凹部を有する位置決め用部材には、他方の位置決め用部材の接続面を位置決め用凹部へ導くガイド面が形成されているから、第１及び第２のレンズ配列面に設けられている位置決め用部材どうしを接続する際、ガイド面により一方の位置決め用部材に設けられている位置決め用凹部へ他方の位置決め用部材の接続面を導くことができ、微小な位置決め用部材の場合にも第１のレンズ配列面と第２のレンズ配列面の接着作業を容易にすることができる。
【００４３】
請求項４に記載のマイクロレンズアレイ基板にあっては、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板において、いずれかのレンズ配列面を支持する部材に、レンズ配列面を成形するための型と位置決めするための位置決め用部材を設けているから、レンズ配列面を成形するための型を替えながら複数層のレンズ配列面を成形する場合に、各レンズ配列面の位置決めを正確に行なうことができる。
【００４４】
請求項５に記載のマイクロレンズアレイ基板にあっては、請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ基板における前記位置決め用部材が、いずれかのレンズ配列面と同時に成形されているから、レンズ配列面と位置決め部材を位置決めする必要がなく、位置決め用部材を介してのレンズ配列面どうしの位置決めを正確に行なうことができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１４は本発明の一実施形態によるマイクロレンズアレイ基板７１を用いたカラー液晶表示パネル７２の構造を示す一部破断した断面図である。このマイクロレンズアレイ基板７１にあっては、２枚のガラス基板７３、７４の間隙に３層の透明樹脂層７５、７６、７７が形成されている。光入射側のレンズ配列面（マイクロレンズアレイ）７８は透明樹脂層７５及び７６の界面に形成されており、光出射側のレンズ配列面（光入射側から２番目のレンズ配列面）７９は透明樹脂層７６及び７７の界面に形成されており、各透明樹脂層７５、７６、７７の屈折率をｎ１、ｎ２、ｎ３とするとき、
ｎ１、ｎ３ ＞ ｎ２
となっている。
【００４６】
光入射側のレンズ配列面７８は、高屈折率の透明樹脂によってガラス基板７３上に成形された透明樹脂層７５の表面（透明樹脂層７６との界面）に形成されており、比較的小さな曲率の微小レンズから構成されている。特に、このレンズ配列面７８のレンズ曲率は、微小レンズどうしのレンズ境界領域に生じるだれ部が十分に小さく、また成形時に欠けなどが生じない程度の曲率にしておくのが望ましい。
【００４７】
光出射側のレンズ配列面７９は、高屈折率の透明樹脂によってガラス基板７４上に成形された透明樹脂層７７の表面（透明樹脂層７６との界面）に形成されており、比較的大きな曲率の微小レンズから構成されている。このレンズ配列面７９には、微小レンズどうしのレンズ境界領域にある程度大きなだれ部が生じたり、成形時に小さな欠けなどが生じる多少の恐れがあっても許容される。
【００４８】
透明樹脂層７６は、ガラス基板７３に成形された透明樹脂層７５とガラス基板７４に成形された透明樹脂層７７を貼り合わせ、両透明樹脂層７５、７７の間の空間を埋める働きをする。
【００４９】
レンズ配列面７８とレンズ配列面７９は、いずれも微小レンズを整然と配列したものであり、両レンズ配列面７８、７９の微小レンズは同じ大きさ（レンズ幅は、約２０μｍ〜１００μｍ）を有し、互いに光軸を一致させるようにして１対１に対向させて配列されている。
【００５０】
このマイクロレンズアレイ基板７１は、液晶表示パネル７２の一方の封止基板として用いられており、光出射側の表面にＩＴＯ膜８０を形成し、その上にブラックマトリクス領域８１を形成し、ブラックマトリクス領域８１の開口に赤色光、緑色光、青色光を透過させるための画素開口８２（Ｒ）、８２（Ｇ）、８２（Ｂ）を形成している。図１４に示す液晶表示パネル７２は単板式カラー液晶表示装置に用いられるものであるから、両レンズ配列面７８、７９は、赤、緑、青の３色の画素開口８２（Ｒ）、８２（Ｇ）、８２（Ｂ）に対して１個の微小レンズ７８ａ、７９ａが対向している。液晶表示パネル７２のもう一方の封止基板８３（ガラス基板）には、画素電極８４とＴＦＴ８５が形成されている。マイクロレンズアレイ基板７１のブラックマトリクス領域８１を形成された面と封止基板８３のＴＦＴ８５を形成された面とは互いに対向し、周囲をスペーサ材８６により囲まれ、その間隙に液晶材料８７が封止されている。
【００５１】
しかして、この液晶表示パネル７２にあっては、ダイクロイックミラー等で分光された赤色、緑色、青色の平行光束が異なる入射角度でマイクロレンズアレイ基板７１の光入射側から入射すると、まず光入射側のレンズ配列面７８の各微小レンズにより入射光が集光される。光入射側のレンズ配列面７８の微小レンズにより集光された赤色、緑色、青色の光は、光出射側のレンズ配列面７９の各微小レンズのレンズ境界領域よりも内側に入射させられる。
【００５２】
こうして光出射側のレンズ配列面７９に入射した赤色、緑色、青色の光は、さらに光出射側のレンズ配列面７９の微小レンズにより集光され、各色の光は対応する色の画素開口８２（Ｒ）、８２（Ｇ）、８２（Ｂ）内に集光させられる。よって、この液晶表示パネル７２によれば、光源からの入射光がブラックマトリクス領域によって遮断されることがなく、光の利用効率が向上する。
【００５３】
しかも、光出射側のレンズ配列面７９として焦点距離の短いレンズからなるもの、すなわち比較的レンズ曲率の大きなものを用い、仮にそのレンズ境界領域に比較的大きなだれ部や欠け等の欠点が存在しても、このレンズ配列面７９のレンズ境界領域は集光用に使用されないので、レンズ境界領域における欠点で光が散乱し、解像度の低下や混色等によって画像の品質低下をきたす恐れがない。また、レンズ曲率の大きなレンズ配列面７９においてレンズ境界領域で入射光が全反射する恐れも無くなる。
【００５４】
なお、光入射側のレンズ配列面７８は、焦点距離の長いレンズからなるもの、すなわち比較的レンズ曲率の小さなものであるから、レンズ配列面７８にだれ部や欠け等の欠点がないものを容易に製作することができる。
【００５５】
また、このマイクロレンズアレイ基板７１にあっては、複数のレンズ配列面７８、７９により光を集光させているので、レンズ配列面単体の場合よりも短い焦点距離を容易に得ることができる。
【００５６】
こうして本発明のマイクロレンズアレイ基板７１では、複数のレンズ配列面７８、７９によって短い焦点距離を実現することができるので、画素開口８２（Ｒ）、８２（Ｇ）、８２（Ｂ）に入射する光の最小スポット径Ｗを小さくすることができ、液晶表示パネル７２の画素が微細化されても光の利用効率を維持することができ、高解像度で明るい液晶表示パネル７２を製作することができる。
【００５７】
（スペーサの構造）
しかし、両レンズ配列面７８、７９の間隔がばらつくと、両レンズ配列面７８、７９がいくら精密に成形されていてもマイクロレンズアレイ基板７１の全体としての焦点距離がばらつく。また、両レンズ配列面７８、７９どうしの光軸がずれると、マイクロレンズアレイ基板７１の光軸が傾いたり、光入射側のレンズ配列面７８で集光された光が光出射側のレンズ配列面７９のレンズ境界領域に入射したりする恐れがある。従って、ガラス基板７３に成形された透明樹脂層７５とガラス基板７４に成形された透明樹脂層７７を透明樹脂層７６を介して貼り合わせる際には、精度よく位置合せして貼り合わせる必要がある。特に、各レンズ配列面７８、７９の微小レンズ７８ａ、７９ａが微細になるほど高精度の位置合せが必要となる。
【００５８】
そのため、このマイクロレンズアレイ基板７１では、両ガラス基板７３、７４の端部ないし縁部にそれぞれスペーサ９１、９２を設けている。図１５は一対のスペーサ９１、９２の形状を拡大して示している。ガラス基板７３に形成されている一方のスペーサ９１は、比較的狭い幅ｄ１の角柱状や円柱状などの柱状に形成されており、その先端面にはテーパー状の接合面９３が形成されている。ガラス基板７４に形成されている他方のスペーサ９２は、広い幅Ｄを有する角柱状や円柱状などの柱状に形成されており、その先端面中央には、スペーサ９１の先端部が精度よく嵌合する凹部９４が設けられている。すなわち、スペーサ９１の幅ｄ１と凹部９４の幅ｄ２は等しく、スペーサ９１の先端部と凹部９４とは同形状をしている。スペーサ９２の先端面においては、スペーサ９１との押圧力によってスペーサ９１を凹部９４に嵌まり込ませるように導く逆テーパー状のガイド面９５が凹部９４の周囲に形成されている。なお、スペーサ９２の幅Ｄは、スペーサ９１の幅ｄ１の数倍あり、目視で位置決めできるようにスペーサ９２の幅ｄ２は１００μｍ以上にしておくのが望ましい。
【００５９】
従って、透明樹脂層７５を形成されたガラス基板７３と透明樹脂層７７を形成されたガラス基板７４とを透明樹脂層７６を介して接着する際、図１５に白抜きの矢印で示すように、スペーサ９１とスペーサ９２をラフに位置合せしてガラス基板７３、７４どうしを押し付けると、スペーサ９１の先端がスペーサ９２のガイド面９５を滑って凹部９４に嵌まりこみ、スペーサ９１、９２どうしの位置決めが精度よく行なわれる。すなわち、スペーサ９１の長さｍとスペーサ９２の凹部９４のまでの距離ｎの和ｍ＋ｎによってガラス基板７３、７４どうしの間隔が決まり、したがってレンズ配列面７８、７９どうしの間隔が一定に保持される。また、スペーサ９１の幅ｄ１と凹部９４の幅ｄ２も等しく、スペーサ９１の先端がスペーサ９２の凹部９４にぴったりと嵌まり込むことで、両レンズ配列面７８、７９どうしの光軸合せも精度よく行なわれる。さらに、スペーサ９１の先端部がスペーサ９２の凹部９４に嵌まり込むことにより、ガラス基板７３、７４間に働くせん断応力によってレンズ配列面７８、７９にずれが生じるのも防止できる。
【００６０】
（マイクロレンズアレイ基板の製造方法）
図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）及び図１７（ａ）（ｂ）（ｃ）はスペーサ９１、９２を備えたマイクロレンズアレイ基板７１の製造方法を示している。以下、このマイクロレンズアレイ基板７１の製造方法を図１６（ａ）〜（ｄ）及び図１７（ａ）〜（ｃ）により簡単に説明する。図１６（ａ）に示す９６は、光入射側のレンズ配列面７８の反転パターン９７と共にスペーサ９１を成形するための凹型９８を形成されたスタンパである。まず、図１６（ａ）に示すように、ガラス基板７３の上に紫外線硬化樹脂９９を置き、その上から紫外線硬化樹脂９９にスタンパ９６を押し付け、図１６（ｂ）のように紫外線硬化樹脂９９をガラス基板７３とスタンパ９６の間の空間に充填させる。ついで、図１６（ｃ）に示すように、ガラス基板７３を通して紫外線硬化樹脂９９に紫外線を照射して光硬化させる。硬化した紫外線硬化樹脂９９からスタンパ９６を剥離すると、ガラス基板７３の上に透明樹脂層７５が成形され、透明樹脂層７５にはレンズ配列面７８と同時にスペーサ９１が形成される。なお、レンズ配列面７８とスペーサ９１とは、分離してガラス基板７３上に成形されてもよい。
【００６１】
図示しないが、光出射側のレンズ配列面７９の反転パターンとスペーサ９２を成形するための凹型を備えたスタンパを用い、図１６（ａ）〜（ｄ）と同様にして、図１７（ａ）に示されているような透明樹脂層７７をガラス基板７４上に成形する。すなわち、ガラス基板７４の上に透明樹脂層７７を成形し、透明樹脂層７７の表面にレンズ配列面７９を形成すると共にレンズ配列面７９と同時にスペーサ９２を成形する。
【００６２】
こうしてガラス基板７３、７４上にそれぞれ透明樹脂層７５、７７が成形されると、図１７（ａ）に示すように、透明樹脂層７７を上に向けてガラス基板７４を置き、そのレンズ配列面７９の上に屈折率の異なる紫外線硬化樹脂１００を供給する。ついで、図１７（ａ）（ｂ）に示すように、透明樹脂層７５を下向きにして紫外線硬化樹脂１００の上にガラス基板７３を重ねて押圧する。このとき、スペーサ９１、９２どうしが嵌合するので、レンズ配列面７８、７９どうしの間隔が一定距離に保たれ、光軸合せも精度よく行なわれる。この状態で、図１７（ｃ）に示すように、ガラス基板７３、７４を通して紫外線硬化樹脂１００に紫外線を照射して紫外線硬化樹脂１００を硬化させると、硬化した透明樹脂層７６によって透明樹脂層７５、７７どうしが貼り合わされ、容易にマイクロレンズアレイ基板７１が製作される。
【００６３】
なお、スペーサ９１はレンズ配列面７８を構成する透明樹脂層７５と同時に成形され、スペーサ９２はレンズ配列面７９を構成する透明樹脂層７７と同時に成形されている。このため、各スペーサ９１、９２とレンズ配列面７８、７９との位置合せの必要がなく、スペーサ９１、９２どうしの位置合せをおこなくことにより、自然とレンズ配列面７８、７９どうしの位置合せも高精度に行なわれる。
（第２の実施形態）
図１８は本発明の別な実施形態によるマイクロレンズアレイ基板１０１の一部を示す断面図である。このマイクロレンズアレイ基板１０１では、ガラス基板７３の透明樹脂層７５表面に形成されたレンズ配列面７８が凹レンズアレイとなっており、ガラス基板７４の樹脂層表面に形成されたレンズ配列面７９も凹レンズアレイとなっている。このようなマイクロレンズアレイ基板１０１でも、入射側に位置するレンズ配列面７８のレンズ曲率が出射側に位置するレンズ配列面７９のレンズ曲率よりも小さくなっている。
【００６４】
ただし、入射光を集光させるため、透明樹脂層７５、７６、７７の屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３の関係は、
ｎ１、ｎ３ ＜ ｎ２
となっている。
【００６５】
このようなマイクロレンズアレイ基板１０１でも、第１の実施形態と同様な作用効果を奏し、両レンズ配列面７８、７９によってマイクロレンズアレイ基板１０１を短焦点化できる。また、光入射側のレンズ配列面７８によって光を集光させることにより、マイクロレンズアレイ基板１０１に入射した光が光出射側のレンズ配列面７９のレンズ境界領域に入射しないようにする。
【００６６】
（第３の実施形態）
図１９は本発明のさらに別な実施形態によるマイクロレンズアレイ基板１０２の一部を示す概略断面図である。このマイクロレンズアレイ基板１０２にあっては、ガラス基板７３、７４の間に４層の透明樹脂層１０３、１０４、１０５、１０６を積層し、その界面に３つのレンズ配列面７８、７９、１０７を形成している。光入射側から１番目及び２番目のレンズ配列面７８、７９は図１８に示したものと同じ形状のものである。この実施形態では、その光出射側にレンズ配列面１０７を付加している。
【００６７】
この実施形態では、光入射側から１番目のレンズ配列面７８の曲率は小さく、２番目のレンズ配列面７９の曲率は大きくなっており、透明樹脂層１０３、１０４、１０５、１０６の屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４には、
ｎ１、ｎ３ ＜ ｎ２、ｎ４
の関係がある。
【００６８】
しかして、１番目のレンズ配列面７８で入射光を絞ることによって２番目のレンズ配列面７９のレンズ境界領域に入射光が入るのを防止し、２番目及び３番目のレンズ配列面７９、１０７でさらに入射光を集光させることができるので、小さな焦点距離が得られ、それだけ最小スポット径を小さくできる。なお、焦点距離が短くなると、ガラス基板７４も薄くなるが、強度はガラス基板７３及び透明樹脂層１０３、１０４、１０５、１０６でもたせることができる。
【００６９】
図２０（ａ）〜（ｄ）及び図２１（ｅ）〜（ｈ）は図１９のマイクロレンズアレイ基板１０２の製造工程を示す。図２０（ａ）に示すものは、図１６（ａ）〜（ｄ）と同様な工程でガラス基板７４の上に透明樹脂層１０６を形成したものである。ただし、スペーサ１１０は、スペーサ９１と同型のものを設けている。スタンパ１０８の下面には、レンズ配列面７９の反転パターン１０９とスペーサ１１０と嵌合する凹部１１１が設けられている。しかして、図２０（ａ）に示すように、透明樹脂層１０６の上に紫外線硬化樹脂１１２を供給した後、スタンパ１０８を下降させてスペーサ１１０と凹部１１１とを嵌合させてレンズ配列面１０７とスタンパ１０８を位置決めする。こうして、図２０（ｂ）のように透明樹脂層１０６とスタンパ１０８の間に紫外線硬化樹脂１１２を所定厚みに押し広げた後、図２０（ｃ）に示すように、ガラス基板７４を通して紫外線硬化樹脂１１２に紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂１１２を硬化させて透明樹脂層１０５を成形する。この後、図２０（ｄ）に示すように、スタンパ１０８を透明樹脂層１０５から剥離させると、透明樹脂層１０５の表面にレンズ配列面７９が転写される。
【００７０】
ついで、図２１（ｅ）に示すように、透明樹脂層１０５の上に別な紫外線硬化樹脂１１６を供給する。スタンパ１１３は、下面にレンズ配列面７８の反転パターン１１４とスペーサ１１０と凹凸嵌合するスペーサ１１５を有している。図２１（ｆ）に示すように、スタンパ１１３を下降させてスタンパ１１０及び１１５を嵌合させると、スタンパ１１３と透明樹脂層１０５の間に紫外線硬化樹脂１１６が所定厚みに押し広げられる。この状態で紫外線硬化樹脂１１６に紫外線を照射して紫外線硬化樹脂１１６を硬化させて透明樹脂層１０４を成形する。
【００７１】
紫外線硬化樹脂１１６が硬化して透明樹脂層１０４が成形された後、スタンパ１１３を透明樹脂層１０４から剥離すると、透明樹脂層１０４の上にレンズ配列面７８が成形されている。図２１（ｇ）に示すように、このレンズ成形面７８の上にさらに別な紫外線硬化樹脂１１７を供給し、図２１（ｈ）のように上からガラス基板７３を押し付け、紫外線硬化樹脂１１７に紫外線硬化を照射して紫外線硬化樹脂１１７を硬化させると、硬化した紫外線硬化樹脂１１７が透明樹脂層１０３となって図１９に示したような構造のマイクロレンズアレイ基板１０２が製作される。
【００７２】
なお、ここではレンズ配列面が３層（透明樹脂層が４層）の場合について説明したが、図２０（ａ）〜図２１（ｈ）のような工程を繰り返せば、４層以上のレンズ配列面を成形することも精度よく、容易に行なうことができる。
【００７３】
【発明の効果】
請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板によれば、複数層のレンズ配列面によって容易に短焦点化することができる。また、第２のレンズ配列面よりも光入射側に、第１のレンズ配列面を設けているから、第１のレンズ配列面により入射光を集光して第２のレンズ配列面の各微小レンズに入射させることができ、第２のレンズ配列面のレンズ境界領域における入射光の散乱を防止できる。一方、第１のレンズ配列面は、比較的レンズ曲率が小さいので、レンズ配列面のレンズ境界領域にだれ部や欠けなどが生じにくく、レンズ境界領域における光の散乱が生じにくい。従って、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板によれば、プロジェクタ等に用いた場合には、光の利用効率を向上させて画像を明るくすることができ、また画像の解像度低下や混色を防止し、画像品質を向上させることができる。
【００７４】
しかも、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板は、レンズ配列面間の間隔を所定間隔に保持するための位置決め用部材を備えているので、第１及び第２のレンズ配列面どうしを接着する際、マイクロレンズアレイ基板に設けた位置決め用部材自体でレンズ配列面間の間隔を精度よく制御できる。
さらに、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板は、貼り合わされる両レンズ配列面を支持する各部材にそれぞれ前記位置決め用部材が設けられており、一方の位置決め用部材の接続面には他方の位置決め用部材の接続面が嵌合する位置決め用凹部が設けられており、両位置決め用部材の嵌合によってレンズ配列面どうしの光軸合せを行なうようにしているから、第１及び第２のレンズ配列面どうしを接着する際、位置決め用部材どうしの嵌合によって容易に第１及び第２のレンズ配列面どうしの光軸合せを行なうことができる。
【００７５】
請求項２に記載のマイクロレンズアレイ基板によれば、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板における前記レンズ配列面を樹脂を介して貼り合わせているから、容易に第１及び第２のレンズ配列面どうしを積層することができる。
【００７６】
請求項３に記載のマイクロレンズアレイ基板によれば、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板における前記位置決め用凹部を有する位置決め用部材には、他方の位置決め用部材の接続面を位置決め用凹部へ導くガイド面が形成されているから、第１及び第２のレンズ配列面に設けられている位置決め用部材どうしを接続する際、ガイド面により一方の位置決め用部材に設けられている位置決め用凹部へ他方の位置決め用部材の接続面を導くことができ、微小な位置決め用部材の場合にも第１のレンズ配列面と第２のレンズ配列面の接着作業を容易にすることができる。
【００７７】
請求項４に記載のマイクロレンズアレイ基板によれば、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板において、いずれかのレンズ配列面を支持する部材に、レンズ配列面を成形するための型と位置決めするための位置決め用部材を設けているから、レンズ配列面を成形するための型を替えながら複数層のレンズ配列面を成形する場合に、各レンズ配列面の位置決めを正確に行なうことができる。
【００７８】
請求項５に記載のマイクロレンズアレイ基板によれば、請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ基板における前記位置決め用部材が、いずれかのレンズ配列面と同時に成形されているから、レンズ配列面と位置決め部材を位置決めする必要がなく、位置決め用部材を介してのレンズ配列面どうしの位置決めを正確に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液晶プロジェクタの基本構成を示す図である。
【図２】マイクロレンズアレイ基板を備えた液晶表示パネルを示す一部破断した斜視図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は図２のマイクロレンズアレイ基板の働きを説明するための図である。
【図４】単板式のカラー液晶表示装置の構成を示す図である。
【図５】図５のカラー液晶表示装置におけるマイクロレンズアレイ基板の働きを説明する図である。
【図６】光源の大きさにより生じる有限な最小スポット径を説明する図である。
【図７】マイクロレンズアレイ基板を用いた液晶表示装置の問題点を説明する図である。
【図８】別な従来例による液晶表示パネルの一部を示す断面図である。
【図９】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は図８の液晶表示パネルの製造方法を示す概略断面図である。
【図１０】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は図９（ａ）で用いたスタンパの製造方法を示す概略断面図である。
【図１１】原盤の上にスタンパ材とスタンパ台を堆積させた状態を示す拡大断面図である。
【図１２】図８の液晶表示パネルに用いるマイクロレンズアレイ基板の問題点を説明する図である。
【図１３】図８の液晶表示パネルに用いるマイクロレンズアレイ基板の製造上の問題点を説明する図である。
【図１４】本発明の一実施形態によるマイクロレンズアレイ基板を用いた液晶表示パネルの構造を示す一部破断した断面図である。
【図１５】同上のマイクロレンズアレイ基板に設けられたスペーサの拡大図である。
【図１６】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、ガラス基板上にレンズ配列面を備えた透明樹脂層を成形する工程を示す概略断面図である。
【図１７】（ａ）（ｂ）（ｃ）はレンズ配列面を成形された透明樹脂層どうしを貼り合せる工程を示す概略断面図である。
【図１８】本発明の別な実施形態によるマイクロレンズアレイ基板の一部を示す断面図である。
【図１９】本発明のさらに別な実施形態によるマイクロレンズアレイ基板の一部を示す断面図である。
【図２０】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は図１９のマイクロレンズアレイ基板を製造する工程を示す概略断面図である。
【図２１】（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）は図２０の続図である。
【符号の説明】
７１ マイクロレンズアレイ基板
７３、７４ ガラス基板
７５、７６、７７ 透明樹脂層
７８、７９ レンズ配列面
９１、９２ スペーサ
９３ スペーサの接合面
９４ スペーサの凹部
９５ ガイド面

Claims (5)

1. 微小レンズのレンズ配列面を少なくとも２層以上積層し、光入射側に１番近いレンズ配列面のレンズ曲率が、光入射側から２番目に位置するレンズ配列面のレンズ曲率よりも小さくなっており、
   前記レンズ配列面間の間隔を所定間隔に保持するための位置決め用部材を備え、
   貼り合わされる両レンズ配列面を支持する各部材にそれぞれ前記位置決め用部材が設けられており、一方の位置決め用部材の接続面には他方の位置決め用部材が嵌合する位置決め用凹部が設けられており、両位置決め用部材の嵌合によってレンズ配列面どうしの光軸合せを行なうことを特徴とするマイクロレンズアレイ基板。
2. 前記レンズ配列面どうしを樹脂を介して貼り合わせたことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板。
3. 前記位置決め用凹部を有する位置決め用部材には、他方の位置決め用部材を位置決め用凹部へ導くガイド面が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板。
4. いずれかのレンズ配列面を支持する部材に、レンズ配列面を成形するための型と位置決めするための位置決め用部材を設けたことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ基板。
5. 前記位置決め用部材は、いずれかのレンズ配列面と同時に成形されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ基板。

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