JP4171877B2 - マイクロレンズアレイ、液晶パネル、投射型表示装置及びマイクロレンズアレイの製造方法 - Google Patents
マイクロレンズアレイ、液晶パネル、投射型表示装置及びマイクロレンズアレイの製造方法 Download PDFInfo
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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、これを用いる液晶パネル及び投射型表示装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型表示装置（プロジェクタ）などに使用される透過型の光空間変調器として、駆動回路に高温ポリシリコンＴＦＴなどを使用した液晶パネルが使用されている。液晶パネルには、透過効率を向上させる目的で各画素に一つずつマイクロレンズを配するようにしたマイクロレンズアレイが使用されたものがある。例えば、特開平９−１２７４９６号公報には球面収差がゼロとなる非球面形状のマイクロレンズを使用する提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、投射型表示装置の投射レンズの入射側開口数ＮＡと、投射レンズへの入射光束の入射分布を考えると、液晶パネルに非球面レンズを使用しても、なお、透過光にロスが発生している。
【０００４】
よって、本発明は、透過型液晶パネルに好適な、より入射光の透過効率を高めたマイクロレンズアレイを提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、透過効率を高めた液晶パネルを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、透過効率を高めた投射型表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するための本発明のひとつのマイクロレンズアレイは、マトリクス状に配置された開口部を持つ遮光膜に重ねて配置する、複数のマイクロレンズが二次元に配列されたマイクロレンズアレイであって、上記複数のマイクロレンズの各々は、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面による第 1 の焦点距離と、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の辺方向における曲面による第２の焦点距離と、を有し、上記第 1 の焦点距離は、上記開口部の対角方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の対角方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定され、上記第２の焦点距離は、上記開口部の辺方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の辺方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定されている。
上記本発明のひとつのマイクロレンズアレイにおいて、上記第１の焦点距離は、上記第２の焦点距離よりも長いことが好ましい。
上記本発明のひとつのマイクロレンズアレイにおいて、上記凸レンズのレンズ中心を通る上記対角方向から上記辺方向に至る領域の曲面は、上記対角方向における曲率半径から上記辺方向における曲率半径まで連続的に曲率半径を変化させてなる曲面であることが好ましい。
また、上記目的を達成するための本発明のひとつの液晶パネルは、光の透過率を印加信号に応じて変えて通過光の光量を変調する電気光学層と、上記電気光学層を間に介して二次元に配列された複数の画素電極によって該電気光学層を駆動する一対の透明基板と、各画素電極部分を四角形に開口すると共に他を遮光する遮光膜と、各々のレンズが上記遮光膜の開口形状に対応して外周が四角形に形成され、該四角形の対角方向における曲率半径がその辺方向における曲率半径よりも大きくなるように形成された非球面形状であるマイクロレンズアレイと、を含み、上記マイクロレンズアレイのマイクロレンズの各々は、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面による第 1 の焦点距離と、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の辺方向における曲面による第２の焦点距離と、を有し、上記第 1 の焦点距離は、上記開口部の対角方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の対角方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定され、上記第２の焦点距離は、上記開口部の辺方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の辺方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定されている。
上記本発明のひとつの液晶パネルにおいて、上記遮光膜の開口部が各マイクロレンズの上記辺方向における焦点位置よりもマイクロレンズ側に位置するように形成されていることが好ましい。
上記目的を達成するための本発明のひとつの投射型表示装置は、透過型液晶パネルを使用して光束を面変調して画像を形成する投射型表示装置であって、上記液晶パネルによって面変調された光束をスクリーンに投影する投射レンズと、上記液晶パネルに設けられて、各画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、各々のレンズが上記遮光膜の開口部に入射光を集光するマイクロレンズアレイと、を含み、各マイクロレンズはレンズ基部の最外周を上記遮光膜の開口部に対応して略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面による第 1 の焦点距離と、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の辺方向における曲面による第２の焦点距離と、を有し、上記四角形の対角方向における曲面の曲率半径が上記四角形の対辺方向における曲面の曲率半径よりも大きくなるように形成してなる非球面形状を有し、上記第 1 の焦点距離は、上記開口部の対角方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部 の対角方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定され、上記第２の焦点距離は、上記開口部の辺方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の辺方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定されている。
また、上記目的を達成するための本発明のひとつのマイクロレンズアレイの製造方法は、上記透過型液晶パネルに、画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、上記四角形の開口部内に入射光を集光する、レンズ基部の外周が四角形のマイクロレンズとを模擬的に配置する過程と、上記マイクロレンズの形状、上記遮光膜の開口の形状、上記マイクロレンズと上記遮光膜間の距離、及び上記投射レンズの開口数に基づいて透過効率のシミュレーションを行って、上記マイクロレンズの中心位置を通る対角方向における曲面形状を決定する過程と、上記マイクロレンズの形状、上記遮光膜の開口の形状、上記マイクロレンズと上記遮光膜間の距離、及び上記投射レンズの開口数とに基づいて透過効率のシミュレーションを行って、上記マイクロレンズの中心位置を通る辺方向における曲面形状を決定する過程と、を含む。
上記目的を達成するため本発明のマイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズが二次元に配列されたマイクロレンズアレイにおいて、各マイクロレンズは、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズは、そのレンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面の曲率半径を該レンズ中心を通る上記四角形の辺方向における曲面の曲率半径よりも大きくなるように形成してなる非球面形状を有する。
【０００８】
かかる構成とすることによって、外形四角形のマイクロレンズを配列することでレンズ相互間に隙間のない状態で対象体を覆い、入射光を効率よく集光することが可能となる。また、レンズの相対的に幅広の対角方向と相対的に幅狭い辺方向とで焦点位置を別々に設定することでレンズ特性を複合的にし、総合の透過効率を向上させることが可能となる。
【０００９】
また、本発明のマイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズが二次元に配列されたマイクロレンズアレイにおいて、各マイクロレンズは、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズは、そのレンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面によるレンズの焦点距離を該レンズ中心を通る上記四角形の辺方向における曲面によるレンズの焦点距離よりも長くなるように形成してなる。
【００１０】
かかる構成とすることによっても、外形四角形のマイクロレンズを配列することでレンズ相互間に隙間のない状態で対象体を覆い、入射光を効率よく集光することが可能となる。また、レンズの相対的に幅広の対角方向と相対的に幅狭い辺方向とで焦点位置を別々に設定することでレンズ特性を複合的にし、総合の透過効率を向上させることが可能となる。
【００１１】
好ましくは、上記凸レンズのレンズ中心を通る上記対角方向から上記辺方向に至る領域の曲面は、上記対角方向における曲率半径から上記辺方向における曲率半径まで連続的に曲率半径を変化させてなる曲面である。
【００１２】
本発明の液晶パネルは、光の透過率を印加信号に応じて変えて通過光の光量を変調する電気光学層と、上記電気光学層を間に介して二次元に配列された複数の画素電極によって該電気光学層を駆動する一対の透明基板と、各画素電極部分を四角形に開口すると共に他を遮光する遮光膜と、各々のレンズが上記遮光膜の開口形状に対応して外周が四角形に形成され、該四角形の対角方向における曲率半径がその辺方向における曲率半径よりも大きくなるように形成された非球面形状であるマイクロレンズアレイと、を含む。
【００１３】
かかる構成とすることによって透過効率の良い液晶パネルを得ることが可能となる。
【００１４】
好ましくは、上記遮光膜の開口部が各マイクロレンズの上記辺方向における焦点位置よりもマイクロレンズ側に位置するように形成されている。それにより、遮光膜の遮光部によって阻止される入射光線を減少する。
【００１５】
本発明の投射型表示装置は、透過型液晶パネルを使用して光束を面変調して画像を形成する投射型表示装置において、上記液晶パネルによって面変調された光束をスクリーンに投影する投射レンズと、上記液晶パネルに設けられて、各画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、各々のレンズが上記遮光膜の開口部に入射光を集光するマイクロレンズアレイと、を含み、各マイクロレンズはレンズ基部の最外周を上記遮光膜の開口部に対応して略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズは、そのレンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面の形状を上記投射レンズの開口数及び上記遮光膜の対角方向の開口部による光線の遮断特性に基づいて定められ、該レンズ中心を通る上記四角形の辺方向における曲面の形状を上記投射レンズの開口数及び前記遮光膜の辺方向の開口部による光線の遮断特性に基づいて定められる。
【００１６】
かかる構成とすることによって入射光線の透過効率の改善された投射型表示装置を得ることが可能となる。
【００１７】
本発明のマイクロレンズアレイの製造方法は、面変調された光束を投射レンズによってスクリーンに投影する投射型表示装置に用いられる透過型液晶パネルに使用されるマイクロレンズアレイの製造方法において、上記透過型液晶パネルに、画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、上記四角形の開口部内に入射光を集光する、レンズ基部の外周が四角形のマイクロレンズとを模擬的に配置する過程と、上記マイクロレンズの形状、上記遮光膜の開口の形状、上記マイクロレンズと上記遮光膜間の距離、及び上記投射レンズの開口数に基づいて透過効率のシミュレーションを行って、上記マイクロレンズの中心位置を通る対角方向における曲面形状を決定する過程と、上記マイクロレンズの形状、上記遮光膜の開口の形状、上記マイクロレンズと上記遮光膜間の距離、及び上記投射レンズの開口数とに基づいて透過効率のシミュレーションを行って、上記マイクロレンズの中心位置を通る辺方向における曲面形状を決定する過程と、を含む。
【００１８】
かかる構成によって、上述した改良されたマイクロレンズアレイを作製することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
図１３は、投射型表示装置の一例を示している。同図において、例えば、メタルハライドランプの光源１１から出射した光線１２は、回転放物面鏡１３によって反射されて放物面鏡１３の開口方向に放射される。この光線１２は光インテグレータ１４によって平行な光線束となり、三色を分解する、Ｒダイクロイックミラー１５、Ｇダイクロイックミラー１６、Ｂダイクロイックミラー１７に入射する。
【００２１】
Ｒダイクロイックミラー１５は、光線１２の赤成分（赤光線）１２Ｒを反射して他を通過させる。Ｇダイクロイックミラー１６は、光線１２の緑成分（緑光線）１２Ｇを反射して他を通過させる。Ｂダイクロイックミラー１７は、光線１２の青成分（青光線）１２Ｂを反射する。
【００２２】
赤光線１２Ｒは、反射ミラー１８、コンデンサーレンズ１９を経て液晶パネル２０に入射する。液晶パネル２０は各フレームの各画素の赤成分の画像情報によって駆動され、各フレーム毎に各画素の透過率を設定することによって入射光１２Ｒの光束を面変調する。変調されたＲ光線はダイクロイックプリズム２１を経て投射レンズ２２に入射する。
【００２３】
緑光線１２Ｇは、コンデンサーレンズ２３を経て液晶パネル２４に入射する。液晶パネル２４は各フレームの各画素の青成分の画像情報によって駆動され、各フレーム毎に各画素の透過率を設定することによって入射光１２Ｇの光束を面変調する。変調されたＧ光線はダイクロイックプリズム２１を経て投射レンズ２２に入射する。
【００２４】
青光線１２Ｂは、反射ミラー２５、コンデンサーレンズ２６を経て液晶パネル２７に入射する。液晶パネル２７は各フレームの各画素の青成分の画像情報によって駆動され、各フレーム毎に各画素の透過率を設定することによって入射光１２Ｂの光束を面変調する。変調されたＢ光線はダイクロイックプリズム２１を経て投射レンズ２２に入射する。
【００２５】
投射レンズ２２は、ダイクロイックプリズム２１によって合成された赤光線１２Ｒ、緑光線１２Ｇ、青光線１２Ｂによるカラー画像を図示しないスクリーンに投影する。投射レンズ２２に入射した光線のうち、その光軸に平行に入射した光線は投射レンズ２２を通過するが、該光軸に対して斜めに入射した光線の中には投射レンズ２２を通過できないものも生じる。この限界は、投射レンズの開口数に関係する。
【００２６】
図１４は、上述した液晶パネル２０、２４及び２７の構成例を示している。各液晶パネルは同様に構成されるので、液晶パネル２０について説明する。
【００２７】
液晶パネル２０は、例えば、ガラス基板にマトリクス状に配置された透明な画素電極群と、各画素電極を駆動する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）群とを含むＴＦＴ基板２０１と、透明な共通電極を含む共通電極基板２０２と、両基板間に封止されて画素電極と共通電極間の印加電圧によって当該画素部分の入射光の透過率を設定する液晶材料（電気光学材料）２０３とを含んでいる。共通電極基板２０２は、例えば、ガラス基板２０２ａ、接着層２０２ｂ、マイクロレンズアレイ２０２ｃ、ガラス基板２０２ｄ、遮光膜（ブラックマトリクス）２０２ｅ、透明な共通電極膜２０２ｆを含んでいる。遮光膜２０２ｅは、画素部分を開口しその周囲を遮光することによって、ＴＦＴ基板２０１の画素電極の周囲に存在するＴＦＴが投光光源１１の強い光に直接曝されることを防止する。マイクロレンズアレイ２０２ｃは、この遮光膜２０２ｅによる光線のロスを減らすべく液晶パネル２０への入射光を遮光膜２０２ｅの開口部に導く。
【００２８】
図１５は、遮光膜２０２ｅとマイクロレンズ２０２ｃとの配置関係を説明する説明図である。図中に斜線領域で示される遮光膜２０２ｅは、マトリクス状に配列されたその開口部２０２ｅｗが入射光が通過する画素部分となっている。四角形の各画素に対応して外周囲が四角形のマイクロレンズ２０２ｃが形成されている。
【００２９】
液晶パネル２０に入射した光線は、この遮光膜２０２ｅによってその一部の通過が阻止され、上述した投射レンズ２２によってもその一部の通過が阻止される。
【００３０】
本実施例では、マイクロレンズを画素の形（例えば、四角形）とすることによって入射光線のロスを減少する。また、このマイクロレンズの対角方向（例えば、四角形の対角線方向）の焦点距離をＸ及びＹ方向（例えば、四角形の辺方向）の焦点距離よりも長くすることによって、遮光膜２０２ｅ及び投射レンズ２２による光線のカットによるロス（けられ）を減少する。
【００３１】
図１６は、本発明の実施例によるマイクロレンズアレイの形状を説明する説明図である。同図（ａ）は、マイクロレンズとして球面の凸レンズを使用した例を示しており、レンズのＸ、Ｙ及び対角方向における焦点位置が同じとなっている。同図（ｂ）は、本発明の実施例のマイクロレンズアレイの例を示しており、レンズのＸ及びＹ方向における焦点位置と、対角方向における焦点位置とが異なっている非球面レンズとなっている。対角方向における焦点距離は、Ｘ及びＹ方向における焦点距離も長くなるように形成されている。これにより、入射光線の遮光膜２０２ｅ及び投射レンズ２２の開口数ＮＡによる「けられ」を可及的に軽減している。
【００３２】
図１乃至図４は、実施例の構造のマイクロレンズの透過率のシミュレーション結果を説明するものである。
【００３３】
シミュレーションの条件は、画素ピッチ：１４×１４μｍ、遮光膜の窓の形状：８．５×８．５μｍ、投射レンズの入射側開口数ＮＡ：０．２８（Ｆ１．７）、樹脂の屈折率：１．６１／1．４１、レンズ・遮光膜間距離：５０μｍ、光の入射角分布：±１０度以内で三角分布、とした。上記レンズ・遮光膜間距離は、予備実験とシミュレーションによって略最適な位置を決定した。
【００３４】
実施例のレンズの非球面形状は、例えば、６次までの多項式表現で以下のようにした。
【００３５】
・Ｘ及びＹ方向(焦点距離５５μｍ)
ｙ1＝２．３２ｒ６×１０−７＋７．０３ｒ４×１０−５＋６．６４ｒ２×１０−２
・対角方向(焦点距離７０μｍ)
ｙ2＝２．７６ｒ６×１０−８＋３．９３ｒ４×１０−５＋５．１８ｒ２×１０−２
・両方向の中間部
ｙ＝ｋｙ1＋（１−ｋ）ｙ2
ｋ＝sin２（２θ）
ここで、r:半径、ｙ，ｙ1，ｙ2：高さ、θ：レンズ上での位置(任意の点Ｐとレンズ中心Ｏとを結ぶＯＰとＸ軸とのなす角度)である。
【００３６】
液晶パネルへの入射光の透過効率を減少するのは、前述したように、第１に、遮光膜２０２ｅの「けられ」による透過光量の減少、第２に、投射レンズ２２の入射側ＮＡに限界があり、ある角度よりも大きい角度で斜めに入射した光は、投射レンズ２２を透過することができず、ロスとなってしまう、という二つの要因である。
【００３７】
上記シミュレーションでは、球面収差が０となるような非球面レンズの焦点距離を変えてＸ又はＹ方向と対角方向の透過光量を計算した。計算は光線追跡ソフトを使用して、透過本数をカウントした。
【００３８】
図１は、実施例のマイクロレンズの対角方向における入射光の透過率対焦点距離依存性を示すグラフである。図２は、Ｘ及びＹ方向における入射光の透過率対焦点距離依存特性を示すグラフである。
【００３９】
透過率の焦点距離依存性に関し、図中の「効率ＢＭ」で示される曲線は、入射光線が遮光膜２０２ｅによって阻止されずに透過する効率を示している。「効率ＮＡ」で示される曲線は、投射レンズの入射側ＮＡに阻止されずに透過する効率である。焦点距離が短いときは、遮光膜２０２ｅに阻止される光量は少ないが開口数ＮＡに阻止される（あるいは「けられ」る）光量が多く、焦点距離が長くなると開口数ＮＡによって阻止される光量が減少する代わりに遮光膜によって阻止される光量が増加する。この２つを掛け合わせた全効率はある焦点距離でピーク(最適値)をもった形となっている。このピークは、対角方向では焦点距離７０μｍに、Ｘ及びＹ方向では５５μｍに生じた。
【００４０】
図３は、対角方向の光線追跡状態を示す説明図、図４は、Ｘ及びＹ方向の光線追跡状態を示す説明図である。
【００４１】
図３及び図４では、光軸と平行に入射した光線と、光軸と＋７度の角度で入射した光線とを代表例として示している。また、図中、右下の斜線は投射レンズ２２の開口数ＮＡによるけられの限界角である。遮光膜はレンズから５０μｍの距離に配置した。両図共に、効率が最大となる焦点距離（７０μｍ、５５μｍ）での状態を示した。
【００４２】
図３に示す対角方向では、四角形のマイクロレンズはＸ及びＹ方向に比べてレンズ径が１．４１倍と大きく、レンズの周辺に入射した光が大きく屈折するため、開口数ＮＡによってけられる割合が大きくなる。そこで、最適値は比較的に焦点距離が長くなる方向にシフトしている。
【００４３】
逆に、Ｘ及びＹ方向では、対角方向に比べて遮光膜２０２ｅの窓の間隔が狭いので焦点位置を遮光膜２０２ｅの比較的近くに、すなわち、焦点距離を短くして焦点を絞ったほうが全効率は高くなる傾向にある。焦点距離を短くしても、レンズ径が小さいのでＮＡによるけられが発生しにくい。
【００４４】
上記シミュレーション例では、最適な焦点距離は、対角方向７０μｍ、ＸＹ方向５５μｍとなった。
【００４５】
従って、シミュレーション例では、対角方向の焦点距離が７０μｍ、ＸＹ方向の焦点距離が５５μｍの非球面断面を持つ形状を連続的につなげた形状が最も効率の良いマイクロレンズ形状といえる。この例を図５に等高線表示で示している。
【００４６】
次に、マイクロレンズアレイの製造方法について説明する。
【００４７】
図６は、マイクロレンズアレイの原盤の製造工程を説明する工程図である。まず、図６（ａ）に示すように、石英ガラスの原盤３０１にフォトレジスト３０２を７μｍの厚さに塗布し、レーザによってスキャニング露光を行う。この際に、同図に示すように、レンズの形状に応じたレーザの露光パワーの制御を行う。
【００４８】
図６（ｂ）に示すように、このフォトレジスト３０２を現像すると、フォトレジスト３０２にマイクロレンズアレイのパターンが現れる。例えば、マイクロレンズアレイのレンズ配列ピッチは１４μｍ、深さは約７μｍである。
【００４９】
図６（ｃ）に示すように、この微細パターンが記録された原盤３０１に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を施し、フォトレジスト３０２の微細パターンの形状を原盤３０１に転写し、図６（ｃ）に示す、ガラス型を製作する。エッチングガスとしては、例えば、ＣＨＦを使用することができる。
【００５０】
図７は、上述したガラス型を用いて液晶パネルにマイクロレンズを製作する工程を示している。同図において図１４と対応する部分には同一符号を付している。
【００５１】
まず、図７（ａ）に示すように、石英のガラス基板２０２ｄに屈折率１．６１の紫外線硬化樹脂２０２ｃをスピンコート法などによって約１０μｍの厚さに塗布する。
【００５２】
図７（ｂ）に示すように、このガラス基板２０２ｄに真空雰囲気中で上述したガラス型３０１を押し当てる。紫外線を照射して樹脂２０２ｃを硬化させた後、ガラス型３０１を剥離すると、図７（ｄ）に示すように、ガラス基板２０２ｄにマイクロレンズアレイ２０２ｃが形成される。
【００５３】
その後、図7（ｄ）に示すように、屈折率１．４１の低屈折率樹脂を接着層２０２ｂとして第２のガラス基板２０２ａを張り合わせる。そして、第１のガラス基板２０２ａを３５μｍの厚みまで研磨する。レンズからの厚みは５０μｍとなる。
【００５４】
次に、この基板２０２ｄに遮光膜２０２ｅを形成する。この後、更に透明電極膜（ＩＴＯ）２０２ｆを形成し、共通電極基板２０２を形成する（図１４参照）。このようにして形成した、マイクロレンズアレイを含む共通電極基板２０２をＴＦＴ基板２０１と張り合わせ、液晶２０３を封止して液晶パネルを作製する。
【００５５】
上述した製造工程においては、マイクロレンズアレイを型を用いて作製している。マイクロレンズは、パターニングしたレジスト膜を加熱してリフロー（溶融）させ、表面張力によって凸レンズ状に形成することも可能である。
【００５６】
しかしながら、リフロー品は溶融したレンズ同士が繋がらないようにするため、図８に示すように、隣接したマイクロレンズ相互間に隙間が必要になる。このため、マイクロレンズの外周囲の高さは、ガラス面と等しくなり、一定である。このため、対角方向とＸ及びＹ方向の断面形状を独立に制御することはできない。また、表面張力を利用して作製するため、面形状は、最も、エネルギの低い状態(最も表面積の小さい状態)に収束するため、断面は、基本的に円形に非常に近い状態となる。リフロー品のレンズ形状制御は、元のレジスト膜の厚みに略依存し、この量が作製されるマイクロレンズの高さ及び面形状を決定する。
【００５７】
図９は、リフロー品によるマイクロレンズと本発明のマイクロレンズの断面の比較を示している。対角方向は、周辺での曲率に違いが生じる。また、Ｘ及びＹ方向は特に曲率の違いが大きく生じる。実施例のマイクロレンズは周辺部で底付きしていない(レンズの基板が残っている)。
・球面レンズ、非球面レンズと(収差０)との相違について
図１０は、参考のために示す、上記実施例においてマイクロレンズを球面レンズとした場合における光線追跡結果を示す説明図である。
【００５８】
マイクロレンズの球面半径は、９．５μｍである。収差が大きく、遮光膜のけられ成分も多いことが判る。
【００５９】
参考例の効率のシミュレーション結果を図１１に示す。球面半径９μｍがピークで７９％の効率である。これから、球面収差を除いた非球面にすると、図１２に示すように、９０％まで効率が向上するが、本発明では、図１及び図２に示したように、９２〜９５％までの効率の向上が見込まれる。
【００６０】
このように、本発明の実施例によれば、四角形の画素（遮光膜の窓形状）に対応して凸型マイクロレンズの基部の外形を四角形状として対角方向における当該窓内への入射光量を増加させ、このマイクロレンズの対角方向における焦点距離が該マイクロレンズのＸ及びＹ方向（四角形の辺方向）における焦点距離よりも長くなるようにして投射レンズの入射側開口数に起因する入射光線のけられを減少したので、透過効率の良いマイクロレンズアレイが得られる。
【００６１】
また、このマイクロレンズアレイを使用することによって透過効率の良い液晶パネルが得られる。この液晶パネルを使用すると、透過効率の良い投射型表示装置が得られる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマイクロレンズは外周を四角形状とし、このレンズの対角方向における焦点距離をそのＸ及びＹ方向における焦点距離よりも長くなるように別途に形成しているため、遮光膜のより広い対角方向の開口幅を活用して取り込み光量を増すと共に、対角方向における遮光膜の開口部と投射レンズの開口数による光線の損失を減少する条件に沿うように焦点位置を設定してより高い光透過効率の液晶をパネルを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例のマイクロレンズの対角方向における透過率対焦点距離特性を説明するグラフである。
【図２】図２は、実施例のマイクロレンズのＸ及びＹ方向における透過率対焦点距離特性を説明するグラフである。
【図３】図３は、実施例のマイクロレンズの対角方向における光線の軌跡を説明する説明図である。
【図４】図４は、実施例のマイクロレンズのＸ及びＹ方向における光線の軌跡を説明する説明図である。
【図５】図５は、実施例のマイクロレンズの形状を等高線で示す説明図である。
【図６】図６は、マイクロレンズを作成する型を製作する工程を説明する工程図である。
【図７】図７は、マイクロレンズアレイを使用した液晶パネルの製作工程を説明する工程図である。
【図８】図８は、マイクロレンズをレジストのリフローによって作製する例を説明する説明図である。
【図９】図９は、実施例のマイクロレンズとリフローによって作製したマイクロレンズとの形状の相違を説明するグラフである。
【図１０】図１０は、リフローによって作製したマイクロレンズの対角方向における光線の軌跡例を説明する説明図である。
【図１１】図１１は、リフローによって作製したマイクロレンズの透過効率を説明するグラフである。
【図１２】図１２は、ＸＹ方向及び対角方向を共に同じ焦点距離の非球面レンズとした場合のマイクロレンズ透過効率を説明するグラフである。
【図１３】図１３は、投射型表示装置の例を説明する説明図である。
【図１４】図１４は、マイクロレンズアレイを使用した液晶パネルの例を説明する説明図である。
【図１５】図１５は、遮光膜（ブラックマトリクス）とマイクロレンズとの位置関係を説明する説明図である。
【図１６】図１６は、球面状のマイクロレンズアレイとレンズ基部の外周囲が四角形の非球面マイクロレンズとを説明する説明図である。
【符号の説明】
２０、２４、２７ 液晶パネル
２０２ｃ マイクロレンズアレイ
２０２ｅ 遮光膜（ブラックマトリクス）
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロレンズアレイ、これを用いる液晶パネル及び投射型表示装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型表示装置（プロジェクタ）などに使用される透過型の光空間変調器として、駆動回路に高温ポリシリコンＴＦＴなどを使用した液晶パネルが使用されている。液晶パネルには、透過効率を向上させる目的で各画素に一つずつマイクロレンズを配するようにしたマイクロレンズアレイが使用されたものがある。例えば、特開平９−１２７４９６号公報には球面収差がゼロとなる非球面形状のマイクロレンズを使用する提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、投射型表示装置の投射レンズの入射側開口数ＮＡと、投射レンズへの入射光束の入射分布を考えると、液晶パネルに非球面レンズを使用しても、なお、透過光にロスが発生している。
【０００４】
よって、本発明は、透過型液晶パネルに好適な、より入射光の透過効率を高めたマイクロレンズアレイを提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、透過効率を高めた液晶パネルを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、透過効率を高めた投射型表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するための本発明のひとつのマイクロレンズアレイは、マトリクス状に配置された開口部を持つ遮光膜に重ねて配置する、複数のマイクロレンズが二次元に配列されたマイクロレンズアレイであって、上記複数のマイクロレンズの各々は、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面による第 1 の焦点距離と、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の辺方向における曲面による第２の焦点距離と、を有し、上記第 1 の焦点距離は、上記開口部の対角方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の対角方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定され、上記第２の焦点距離は、上記開口部の辺方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の辺方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定されている。
上記本発明のひとつのマイクロレンズアレイにおいて、上記第１の焦点距離は、上記第２の焦点距離よりも長いことが好ましい。
上記本発明のひとつのマイクロレンズアレイにおいて、上記凸レンズのレンズ中心を通る上記対角方向から上記辺方向に至る領域の曲面は、上記対角方向における曲率半径から上記辺方向における曲率半径まで連続的に曲率半径を変化させてなる曲面であることが好ましい。
また、上記目的を達成するための本発明のひとつの液晶パネルは、光の透過率を印加信号に応じて変えて通過光の光量を変調する電気光学層と、上記電気光学層を間に介して二次元に配列された複数の画素電極によって該電気光学層を駆動する一対の透明基板と、各画素電極部分を四角形に開口すると共に他を遮光する遮光膜と、各々のレンズが上記遮光膜の開口形状に対応して外周が四角形に形成され、該四角形の対角方向における曲率半径がその辺方向における曲率半径よりも大きくなるように形成された非球面形状であるマイクロレンズアレイと、を含み、上記マイクロレンズアレイのマイクロレンズの各々は、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面による第 1 の焦点距離と、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の辺方向における曲面による第２の焦点距離と、を有し、上記第 1 の焦点距離は、上記開口部の対角方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の対角方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定され、上記第２の焦点距離は、上記開口部の辺方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の辺方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定されている。
上記本発明のひとつの液晶パネルにおいて、上記遮光膜の開口部が各マイクロレンズの上記辺方向における焦点位置よりもマイクロレンズ側に位置するように形成されていることが好ましい。
上記目的を達成するための本発明のひとつの投射型表示装置は、透過型液晶パネルを使用して光束を面変調して画像を形成する投射型表示装置であって、上記液晶パネルによって面変調された光束をスクリーンに投影する投射レンズと、上記液晶パネルに設けられて、各画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、各々のレンズが上記遮光膜の開口部に入射光を集光するマイクロレンズアレイと、を含み、各マイクロレンズはレンズ基部の最外周を上記遮光膜の開口部に対応して略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面による第 1 の焦点距離と、上記凸レンズの中心を通る上記四角形の辺方向における曲面による第２の焦点距離と、を有し、上記四角形の対角方向における曲面の曲率半径が上記四角形の対辺方向における曲面の曲率半径よりも大きくなるように形成してなる非球面形状を有し、上記第 1 の焦点距離は、上記開口部の対角方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部 の対角方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定され、上記第２の焦点距離は、上記開口部の辺方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、上記開口部の辺方向における上記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる上記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定されている。
また、上記目的を達成するための本発明のひとつのマイクロレンズアレイの製造方法は、上記透過型液晶パネルに、画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、上記四角形の開口部内に入射光を集光する、レンズ基部の外周が四角形のマイクロレンズとを模擬的に配置する過程と、上記マイクロレンズの形状、上記遮光膜の開口の形状、上記マイクロレンズと上記遮光膜間の距離、及び上記投射レンズの開口数に基づいて透過効率のシミュレーションを行って、上記マイクロレンズの中心位置を通る対角方向における曲面形状を決定する過程と、上記マイクロレンズの形状、上記遮光膜の開口の形状、上記マイクロレンズと上記遮光膜間の距離、及び上記投射レンズの開口数とに基づいて透過効率のシミュレーションを行って、上記マイクロレンズの中心位置を通る辺方向における曲面形状を決定する過程と、を含む。
上記目的を達成するため本発明のマイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズが二次元に配列されたマイクロレンズアレイにおいて、各マイクロレンズは、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズは、そのレンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面の曲率半径を該レンズ中心を通る上記四角形の辺方向における曲面の曲率半径よりも大きくなるように形成してなる非球面形状を有する。
【０００８】
かかる構成とすることによって、外形四角形のマイクロレンズを配列することでレンズ相互間に隙間のない状態で対象体を覆い、入射光を効率よく集光することが可能となる。また、レンズの相対的に幅広の対角方向と相対的に幅狭い辺方向とで焦点位置を別々に設定することでレンズ特性を複合的にし、総合の透過効率を向上させることが可能となる。
【０００９】
また、本発明のマイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズが二次元に配列されたマイクロレンズアレイにおいて、各マイクロレンズは、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズは、そのレンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面によるレンズの焦点距離を該レンズ中心を通る上記四角形の辺方向における曲面によるレンズの焦点距離よりも長くなるように形成してなる。
【００１０】
かかる構成とすることによっても、外形四角形のマイクロレンズを配列することでレンズ相互間に隙間のない状態で対象体を覆い、入射光を効率よく集光することが可能となる。また、レンズの相対的に幅広の対角方向と相対的に幅狭い辺方向とで焦点位置を別々に設定することでレンズ特性を複合的にし、総合の透過効率を向上させることが可能となる。
【００１１】
好ましくは、上記凸レンズのレンズ中心を通る上記対角方向から上記辺方向に至る領域の曲面は、上記対角方向における曲率半径から上記辺方向における曲率半径まで連続的に曲率半径を変化させてなる曲面である。
【００１２】
本発明の液晶パネルは、光の透過率を印加信号に応じて変えて通過光の光量を変調する電気光学層と、上記電気光学層を間に介して二次元に配列された複数の画素電極によって該電気光学層を駆動する一対の透明基板と、各画素電極部分を四角形に開口すると共に他を遮光する遮光膜と、各々のレンズが上記遮光膜の開口形状に対応して外周が四角形に形成され、該四角形の対角方向における曲率半径がその辺方向における曲率半径よりも大きくなるように形成された非球面形状であるマイクロレンズアレイと、を含む。
【００１３】
かかる構成とすることによって透過効率の良い液晶パネルを得ることが可能となる。
【００１４】
好ましくは、上記遮光膜の開口部が各マイクロレンズの上記辺方向における焦点位置よりもマイクロレンズ側に位置するように形成されている。それにより、遮光膜の遮光部によって阻止される入射光線を減少する。
【００１５】
本発明の投射型表示装置は、透過型液晶パネルを使用して光束を面変調して画像を形成する投射型表示装置において、上記液晶パネルによって面変調された光束をスクリーンに投影する投射レンズと、上記液晶パネルに設けられて、各画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、各々のレンズが上記遮光膜の開口部に入射光を集光するマイクロレンズアレイと、を含み、各マイクロレンズはレンズ基部の最外周を上記遮光膜の開口部に対応して略四角形とした凸レンズであり、上記凸レンズは、そのレンズの中心を通る上記四角形の対角方向における曲面の形状を上記投射レンズの開口数及び上記遮光膜の対角方向の開口部による光線の遮断特性に基づいて定められ、該レンズ中心を通る上記四角形の辺方向における曲面の形状を上記投射レンズの開口数及び前記遮光膜の辺方向の開口部による光線の遮断特性に基づいて定められる。
【００１６】
かかる構成とすることによって入射光線の透過効率の改善された投射型表示装置を得ることが可能となる。
【００１７】
本発明のマイクロレンズアレイの製造方法は、面変調された光束を投射レンズによってスクリーンに投影する投射型表示装置に用いられる透過型液晶パネルに使用されるマイクロレンズアレイの製造方法において、上記透過型液晶パネルに、画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、上記四角形の開口部内に入射光を集光する、レンズ基部の外周が四角形のマイクロレンズとを模擬的に配置する過程と、上記マイクロレンズの形状、上記遮光膜の開口の形状、上記マイクロレンズと上記遮光膜間の距離、及び上記投射レンズの開口数に基づいて透過効率のシミュレーションを行って、上記マイクロレンズの中心位置を通る対角方向における曲面形状を決定する過程と、上記マイクロレンズの形状、上記遮光膜の開口の形状、上記マイクロレンズと上記遮光膜間の距離、及び上記投射レンズの開口数とに基づいて透過効率のシミュレーションを行って、上記マイクロレンズの中心位置を通る辺方向における曲面形状を決定する過程と、を含む。
【００１８】
かかる構成によって、上述した改良されたマイクロレンズアレイを作製することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
図１３は、投射型表示装置の一例を示している。同図において、例えば、メタルハライドランプの光源１１から出射した光線１２は、回転放物面鏡１３によって反射されて放物面鏡１３の開口方向に放射される。この光線１２は光インテグレータ１４によって平行な光線束となり、三色を分解する、Ｒダイクロイックミラー１５、Ｇダイクロイックミラー１６、Ｂダイクロイックミラー１７に入射する。
【００２１】
Ｒダイクロイックミラー１５は、光線１２の赤成分（赤光線）１２Ｒを反射して他を通過させる。Ｇダイクロイックミラー１６は、光線１２の緑成分（緑光線）１２Ｇを反射して他を通過させる。Ｂダイクロイックミラー１７は、光線１２の青成分（青光線）１２Ｂを反射する。
【００２２】
赤光線１２Ｒは、反射ミラー１８、コンデンサーレンズ１９を経て液晶パネル２０に入射する。液晶パネル２０は各フレームの各画素の赤成分の画像情報によって駆動され、各フレーム毎に各画素の透過率を設定することによって入射光１２Ｒの光束を面変調する。変調されたＲ光線はダイクロイックプリズム２１を経て投射レンズ２２に入射する。
【００２３】
緑光線１２Ｇは、コンデンサーレンズ２３を経て液晶パネル２４に入射する。液晶パネル２４は各フレームの各画素の青成分の画像情報によって駆動され、各フレーム毎に各画素の透過率を設定することによって入射光１２Ｇの光束を面変調する。変調されたＧ光線はダイクロイックプリズム２１を経て投射レンズ２２に入射する。
【００２４】
青光線１２Ｂは、反射ミラー２５、コンデンサーレンズ２６を経て液晶パネル２７に入射する。液晶パネル２７は各フレームの各画素の青成分の画像情報によって駆動され、各フレーム毎に各画素の透過率を設定することによって入射光１２Ｂの光束を面変調する。変調されたＢ光線はダイクロイックプリズム２１を経て投射レンズ２２に入射する。
【００２５】
投射レンズ２２は、ダイクロイックプリズム２１によって合成された赤光線１２Ｒ、緑光線１２Ｇ、青光線１２Ｂによるカラー画像を図示しないスクリーンに投影する。投射レンズ２２に入射した光線のうち、その光軸に平行に入射した光線は投射レンズ２２を通過するが、該光軸に対して斜めに入射した光線の中には投射レンズ２２を通過できないものも生じる。この限界は、投射レンズの開口数に関係する。
【００２６】
図１４は、上述した液晶パネル２０、２４及び２７の構成例を示している。各液晶パネルは同様に構成されるので、液晶パネル２０について説明する。
【００２７】
液晶パネル２０は、例えば、ガラス基板にマトリクス状に配置された透明な画素電極群と、各画素電極を駆動する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）群とを含むＴＦＴ基板２０１と、透明な共通電極を含む共通電極基板２０２と、両基板間に封止されて画素電極と共通電極間の印加電圧によって当該画素部分の入射光の透過率を設定する液晶材料（電気光学材料）２０３とを含んでいる。共通電極基板２０２は、例えば、ガラス基板２０２ａ、接着層２０２ｂ、マイクロレンズアレイ２０２ｃ、ガラス基板２０２ｄ、遮光膜（ブラックマトリクス）２０２ｅ、透明な共通電極膜２０２ｆを含んでいる。遮光膜２０２ｅは、画素部分を開口しその周囲を遮光することによって、ＴＦＴ基板２０１の画素電極の周囲に存在するＴＦＴが投光光源１１の強い光に直接曝されることを防止する。マイクロレンズアレイ２０２ｃは、この遮光膜２０２ｅによる光線のロスを減らすべく液晶パネル２０への入射光を遮光膜２０２ｅの開口部に導く。
【００２８】
図１５は、遮光膜２０２ｅとマイクロレンズ２０２ｃとの配置関係を説明する説明図である。図中に斜線領域で示される遮光膜２０２ｅは、マトリクス状に配列されたその開口部２０２ｅｗが入射光が通過する画素部分となっている。四角形の各画素に対応して外周囲が四角形のマイクロレンズ２０２ｃが形成されている。
【００２９】
液晶パネル２０に入射した光線は、この遮光膜２０２ｅによってその一部の通過が阻止され、上述した投射レンズ２２によってもその一部の通過が阻止される。
【００３０】
本実施例では、マイクロレンズを画素の形（例えば、四角形）とすることによって入射光線のロスを減少する。また、このマイクロレンズの対角方向（例えば、四角形の対角線方向）の焦点距離をＸ及びＹ方向（例えば、四角形の辺方向）の焦点距離よりも長くすることによって、遮光膜２０２ｅ及び投射レンズ２２による光線のカットによるロス（けられ）を減少する。
【００３１】
図１６は、本発明の実施例によるマイクロレンズアレイの形状を説明する説明図である。同図（ａ）は、マイクロレンズとして球面の凸レンズを使用した例を示しており、レンズのＸ、Ｙ及び対角方向における焦点位置が同じとなっている。同図（ｂ）は、本発明の実施例のマイクロレンズアレイの例を示しており、レンズのＸ及びＹ方向における焦点位置と、対角方向における焦点位置とが異なっている非球面レンズとなっている。対角方向における焦点距離は、Ｘ及びＹ方向における焦点距離も長くなるように形成されている。これにより、入射光線の遮光膜２０２ｅ及び投射レンズ２２の開口数ＮＡによる「けられ」を可及的に軽減している。
【００３２】
図１乃至図４は、実施例の構造のマイクロレンズの透過率のシミュレーション結果を説明するものである。
【００３３】
シミュレーションの条件は、画素ピッチ：１４×１４μｍ、遮光膜の窓の形状：８．５×８．５μｍ、投射レンズの入射側開口数ＮＡ：０．２８（Ｆ１．７）、樹脂の屈折率：１．６１／1．４１、レンズ・遮光膜間距離：５０μｍ、光の入射角分布：±１０度以内で三角分布、とした。上記レンズ・遮光膜間距離は、予備実験とシミュレーションによって略最適な位置を決定した。
【００３４】
実施例のレンズの非球面形状は、例えば、６次までの多項式表現で以下のようにした。
【００３５】
・Ｘ及びＹ方向(焦点距離５５μｍ)
ｙ1＝２．３２ｒ６×１０−７＋７．０３ｒ４×１０−５＋６．６４ｒ２×１０−２
・対角方向(焦点距離７０μｍ)
ｙ2＝２．７６ｒ６×１０−８＋３．９３ｒ４×１０−５＋５．１８ｒ２×１０−２
・両方向の中間部
ｙ＝ｋｙ1＋（１−ｋ）ｙ2
ｋ＝sin２（２θ）
ここで、r:半径、ｙ，ｙ1，ｙ2：高さ、θ：レンズ上での位置(任意の点Ｐとレンズ中心Ｏとを結ぶＯＰとＸ軸とのなす角度)である。
【００３６】
液晶パネルへの入射光の透過効率を減少するのは、前述したように、第１に、遮光膜２０２ｅの「けられ」による透過光量の減少、第２に、投射レンズ２２の入射側ＮＡに限界があり、ある角度よりも大きい角度で斜めに入射した光は、投射レンズ２２を透過することができず、ロスとなってしまう、という二つの要因である。
【００３７】
上記シミュレーションでは、球面収差が０となるような非球面レンズの焦点距離を変えてＸ又はＹ方向と対角方向の透過光量を計算した。計算は光線追跡ソフトを使用して、透過本数をカウントした。
【００３８】
図１は、実施例のマイクロレンズの対角方向における入射光の透過率対焦点距離依存性を示すグラフである。図２は、Ｘ及びＹ方向における入射光の透過率対焦点距離依存特性を示すグラフである。
【００３９】
透過率の焦点距離依存性に関し、図中の「効率ＢＭ」で示される曲線は、入射光線が遮光膜２０２ｅによって阻止されずに透過する効率を示している。「効率ＮＡ」で示される曲線は、投射レンズの入射側ＮＡに阻止されずに透過する効率である。焦点距離が短いときは、遮光膜２０２ｅに阻止される光量は少ないが開口数ＮＡに阻止される（あるいは「けられ」る）光量が多く、焦点距離が長くなると開口数ＮＡによって阻止される光量が減少する代わりに遮光膜によって阻止される光量が増加する。この２つを掛け合わせた全効率はある焦点距離でピーク(最適値)をもった形となっている。このピークは、対角方向では焦点距離７０μｍに、Ｘ及びＹ方向では５５μｍに生じた。
【００４０】
図３は、対角方向の光線追跡状態を示す説明図、図４は、Ｘ及びＹ方向の光線追跡状態を示す説明図である。
【００４１】
図３及び図４では、光軸と平行に入射した光線と、光軸と＋７度の角度で入射した光線とを代表例として示している。また、図中、右下の斜線は投射レンズ２２の開口数ＮＡによるけられの限界角である。遮光膜はレンズから５０μｍの距離に配置した。両図共に、効率が最大となる焦点距離（７０μｍ、５５μｍ）での状態を示した。
【００４２】
図３に示す対角方向では、四角形のマイクロレンズはＸ及びＹ方向に比べてレンズ径が１．４１倍と大きく、レンズの周辺に入射した光が大きく屈折するため、開口数ＮＡによってけられる割合が大きくなる。そこで、最適値は比較的に焦点距離が長くなる方向にシフトしている。
【００４３】
逆に、Ｘ及びＹ方向では、対角方向に比べて遮光膜２０２ｅの窓の間隔が狭いので焦点位置を遮光膜２０２ｅの比較的近くに、すなわち、焦点距離を短くして焦点を絞ったほうが全効率は高くなる傾向にある。焦点距離を短くしても、レンズ径が小さいのでＮＡによるけられが発生しにくい。
【００４４】
上記シミュレーション例では、最適な焦点距離は、対角方向７０μｍ、ＸＹ方向５５μｍとなった。
【００４５】
従って、シミュレーション例では、対角方向の焦点距離が７０μｍ、ＸＹ方向の焦点距離が５５μｍの非球面断面を持つ形状を連続的につなげた形状が最も効率の良いマイクロレンズ形状といえる。この例を図５に等高線表示で示している。
【００４６】
次に、マイクロレンズアレイの製造方法について説明する。
【００４７】
図６は、マイクロレンズアレイの原盤の製造工程を説明する工程図である。まず、図６（ａ）に示すように、石英ガラスの原盤３０１にフォトレジスト３０２を７μｍの厚さに塗布し、レーザによってスキャニング露光を行う。この際に、同図に示すように、レンズの形状に応じたレーザの露光パワーの制御を行う。
【００４８】
図６（ｂ）に示すように、このフォトレジスト３０２を現像すると、フォトレジスト３０２にマイクロレンズアレイのパターンが現れる。例えば、マイクロレンズアレイのレンズ配列ピッチは１４μｍ、深さは約７μｍである。
【００４９】
図６（ｃ）に示すように、この微細パターンが記録された原盤３０１に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を施し、フォトレジスト３０２の微細パターンの形状を原盤３０１に転写し、図６（ｃ）に示す、ガラス型を製作する。エッチングガスとしては、例えば、ＣＨＦを使用することができる。
【００５０】
図７は、上述したガラス型を用いて液晶パネルにマイクロレンズを製作する工程を示している。同図において図１４と対応する部分には同一符号を付している。
【００５１】
まず、図７（ａ）に示すように、石英のガラス基板２０２ｄに屈折率１．６１の紫外線硬化樹脂２０２ｃをスピンコート法などによって約１０μｍの厚さに塗布する。
【００５２】
図７（ｂ）に示すように、このガラス基板２０２ｄに真空雰囲気中で上述したガラス型３０１を押し当てる。紫外線を照射して樹脂２０２ｃを硬化させた後、ガラス型３０１を剥離すると、図７（ｄ）に示すように、ガラス基板２０２ｄにマイクロレンズアレイ２０２ｃが形成される。
【００５３】
その後、図7（ｄ）に示すように、屈折率１．４１の低屈折率樹脂を接着層２０２ｂとして第２のガラス基板２０２ａを張り合わせる。そして、第１のガラス基板２０２ａを３５μｍの厚みまで研磨する。レンズからの厚みは５０μｍとなる。
【００５４】
次に、この基板２０２ｄに遮光膜２０２ｅを形成する。この後、更に透明電極膜（ＩＴＯ）２０２ｆを形成し、共通電極基板２０２を形成する（図１４参照）。このようにして形成した、マイクロレンズアレイを含む共通電極基板２０２をＴＦＴ基板２０１と張り合わせ、液晶２０３を封止して液晶パネルを作製する。
【００５５】
上述した製造工程においては、マイクロレンズアレイを型を用いて作製している。マイクロレンズは、パターニングしたレジスト膜を加熱してリフロー（溶融）させ、表面張力によって凸レンズ状に形成することも可能である。
【００５６】
しかしながら、リフロー品は溶融したレンズ同士が繋がらないようにするため、図８に示すように、隣接したマイクロレンズ相互間に隙間が必要になる。このため、マイクロレンズの外周囲の高さは、ガラス面と等しくなり、一定である。このため、対角方向とＸ及びＹ方向の断面形状を独立に制御することはできない。また、表面張力を利用して作製するため、面形状は、最も、エネルギの低い状態(最も表面積の小さい状態)に収束するため、断面は、基本的に円形に非常に近い状態となる。リフロー品のレンズ形状制御は、元のレジスト膜の厚みに略依存し、この量が作製されるマイクロレンズの高さ及び面形状を決定する。
【００５７】
図９は、リフロー品によるマイクロレンズと本発明のマイクロレンズの断面の比較を示している。対角方向は、周辺での曲率に違いが生じる。また、Ｘ及びＹ方向は特に曲率の違いが大きく生じる。実施例のマイクロレンズは周辺部で底付きしていない(レンズの基板が残っている)。
・球面レンズ、非球面レンズと(収差０)との相違について
図１０は、参考のために示す、上記実施例においてマイクロレンズを球面レンズとした場合における光線追跡結果を示す説明図である。
【００５８】
マイクロレンズの球面半径は、９．５μｍである。収差が大きく、遮光膜のけられ成分も多いことが判る。
【００５９】
参考例の効率のシミュレーション結果を図１１に示す。球面半径９μｍがピークで７９％の効率である。これから、球面収差を除いた非球面にすると、図１２に示すように、９０％まで効率が向上するが、本発明では、図１及び図２に示したように、９２〜９５％までの効率の向上が見込まれる。
【００６０】
このように、本発明の実施例によれば、四角形の画素（遮光膜の窓形状）に対応して凸型マイクロレンズの基部の外形を四角形状として対角方向における当該窓内への入射光量を増加させ、このマイクロレンズの対角方向における焦点距離が該マイクロレンズのＸ及びＹ方向（四角形の辺方向）における焦点距離よりも長くなるようにして投射レンズの入射側開口数に起因する入射光線のけられを減少したので、透過効率の良いマイクロレンズアレイが得られる。
【００６１】
また、このマイクロレンズアレイを使用することによって透過効率の良い液晶パネルが得られる。この液晶パネルを使用すると、透過効率の良い投射型表示装置が得られる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマイクロレンズは外周を四角形状とし、このレンズの対角方向における焦点距離をそのＸ及びＹ方向における焦点距離よりも長くなるように別途に形成しているため、遮光膜のより広い対角方向の開口幅を活用して取り込み光量を増すと共に、対角方向における遮光膜の開口部と投射レンズの開口数による光線の損失を減少する条件に沿うように焦点位置を設定してより高い光透過効率の液晶をパネルを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例のマイクロレンズの対角方向における透過率対焦点距離特性を説明するグラフである。
【図２】図２は、実施例のマイクロレンズのＸ及びＹ方向における透過率対焦点距離特性を説明するグラフである。
【図３】図３は、実施例のマイクロレンズの対角方向における光線の軌跡を説明する説明図である。
【図４】図４は、実施例のマイクロレンズのＸ及びＹ方向における光線の軌跡を説明する説明図である。
【図５】図５は、実施例のマイクロレンズの形状を等高線で示す説明図である。
【図６】図６は、マイクロレンズを作成する型を製作する工程を説明する工程図である。
【図７】図７は、マイクロレンズアレイを使用した液晶パネルの製作工程を説明する工程図である。
【図８】図８は、マイクロレンズをレジストのリフローによって作製する例を説明する説明図である。
【図９】図９は、実施例のマイクロレンズとリフローによって作製したマイクロレンズとの形状の相違を説明するグラフである。
【図１０】図１０は、リフローによって作製したマイクロレンズの対角方向における光線の軌跡例を説明する説明図である。
【図１１】図１１は、リフローによって作製したマイクロレンズの透過効率を説明するグラフである。
【図１２】図１２は、ＸＹ方向及び対角方向を共に同じ焦点距離の非球面レンズとした場合のマイクロレンズ透過効率を説明するグラフである。
【図１３】図１３は、投射型表示装置の例を説明する説明図である。
【図１４】図１４は、マイクロレンズアレイを使用した液晶パネルの例を説明する説明図である。
【図１５】図１５は、遮光膜（ブラックマトリクス）とマイクロレンズとの位置関係を説明する説明図である。
【図１６】図１６は、球面状のマイクロレンズアレイとレンズ基部の外周囲が四角形の非球面マイクロレンズとを説明する説明図である。
【符号の説明】
２０、２４、２７ 液晶パネル
２０２ｃ マイクロレンズアレイ
２０２ｅ 遮光膜（ブラックマトリクス）
Claims (7)
- マトリクス状に配置された開口部を持つ遮光膜に重ねて配置する、
複数のマイクロレンズが二次元に配列されたマイクロレンズアレイであって、
前記複数のマイクロレンズの各々は、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、
前記凸レンズの中心を通る前記四角形の対角方向における曲面による第 1 の焦点距離と、
前記凸レンズの中心を通る前記四角形の辺方向における曲面による第２の焦点距離と、
を有し、
前記第 1 の焦点距離は、前記開口部の対角方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、前記開口部の対角方向における前記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる前記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定され、
前記第２の焦点距離は、前記開口部の辺方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、前記開口部の辺方向における前記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる前記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定されているマイクロレンズアレイ。 - 前記第１の焦点距離は、前記第２の焦点距離よりも長い、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記凸レンズのレンズ中心を通る前記対角方向から前記辺方向に至る領域の曲面は、前記対角方向における曲率半径から前記辺方向における曲率半径まで連続的に曲率半径を変化させてなる曲面である、請求項１又は２に記載のマイクロレンズアレイ。
- 光の透過率を印加信号に応じて変えて通過光の光量を変調する電気光学層と、
前記電気光学層を間に介して二次元に配列された複数の画素電極によって該電気光学層を駆動する一対の透明基板と、
各画素電極部分を四角形に開口すると共に他を遮光する遮光膜と、
各々のレンズが前記遮光膜の開口形状に対応して外周が四角形に形成され、該四角形の対角方向における曲率半径がその辺方向における曲率半径よりも大きくなるように形成された非球面形状であるマイクロレンズアレイと、
を含み、
前記マイクロレンズアレイのマイクロレンズの各々は、レンズ基部の最外周を略四角形とした凸レンズであり、
前記凸レンズの中心を通る前記四角形の対角方向における曲面による第 1 の焦点距離と、
前記凸レンズの中心を通る前記四角形の辺方向における曲面による第２の焦点距離と、
を有し、
前記第 1 の焦点距離は、前記開口部の対角方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、前記開口部の対角方向における前記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる前記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定され、
前記第２の焦点距離は、前記開口部の辺方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、前記開口部の辺方向における前記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる前記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定されている液晶パネル。 - 前記遮光膜の開口部が各マイクロレンズの前記辺方向における焦点位置よりもマイクロレンズ側に位置するように形成されている、請求項４記載の液晶パネル。
- 透過型液晶パネルを使用して光束を面変調して画像を形成する投射型表示装置であって、
前記液晶パネルによって面変調された光束をスクリーンに投影する投射レンズと、
前記液晶パネルに設けられて、各画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、
各々のレンズが前記遮光膜の開口部に入射光を集光するマイクロレンズアレイと、を含み、
各マイクロレンズはレンズ基部の最外周を前記遮光膜の開口部に対応して略四角形とした凸レンズであり、
前記凸レンズの中心を通る前記四角形の対角方向における曲面による第 1 の焦点距離と、
前記凸レンズの中心を通る前記四角形の辺方向における曲面による第２の焦点距離と、
を有し、前記四角形の対角方向における曲面の曲率半径が前記四角形の対辺方向における曲面の曲率半径よりも大きくなるように形成してなる非球面形状を有し、
前記第 1 の焦点距離は、前記開口部の対角方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、前記開口部の対角方向における前記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる前記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定され、
前記第２の焦点距離は、前記開口部の辺方向の開口数により阻止されずに透過する入射光の透過効率と、前記開口部の辺方向における前記凸レンズの曲面の焦点距離により決まる前記遮光膜で阻止されずに透過する入射光の透過効率との積が最大となる焦点距離に設定されている、投射型表示装置。 - 請求項１に記載のマイクロレンズアレイの製造方法であって、
前記透過型液晶パネルに、画素部分を四角形に開口し、他を遮光する遮光膜と、前記四角形の開口部内に入射光を集光する、レンズ基部の外周が四角形のマイクロレンズとを模擬的に配置する過程と、
前記マイクロレンズの形状、前記遮光膜の開口の形状、前記マイクロレンズと前記遮光膜間の距離、及び前記投射レンズの開口数に基づいて透過効率のシミュレーションを行って、前記マイクロレンズの中心位置を通る対角方向における曲面形状を決定する過程と、
前記マイクロレンズの形状、前記遮光膜の開口の形状、前記マイクロレンズと前記遮光膜間の距離、及び前記投射レンズの開口数とに基づいて透過効率のシミュレーションを行って、前記マイクロレンズの中心位置を通る辺方向における曲面形状を決定する過程と、
を含むマイクロレンズアレイの製造方法。
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