JP4907859B2 - Microlens array element design method - Google Patents

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Description

この発明は、マイクロレンズアレイ素子の設計方法に関する。 The present invention relates to a method for designing a microlens array element.

マイクロレンズアレイは、微小なマイクロレンズをアレイ配列した光学素子であるが、マイクロレンズが凸レンズであるものは、透過光を各マイクロレンズごとに集光することにより各マイクロレンズの配列に応じた微小な領域を効率よく照明し、光利用効率を高めるのに用いられている。   A microlens array is an optical element in which microlenses are arrayed, but a microlens that is a convex lens is a microlens corresponding to the arrangement of each microlens by condensing transmitted light for each microlens. It is used to efficiently illuminate such areas and increase the light utilization efficiency.

1例として「透過型TFT液晶プロジェクタ」では、液晶パネルにTFTによる液晶駆動部が液晶画素に対応してブラックマトリックスとしてアレイ状に配列されているが、ブラックマトリックスは遮光性であるので、液晶画素への照明光の照明効率を高めるため、液晶パネルへの光入射側にマイクロレンズアレイを設け、マイクロレンズのアレイ配列をブラックマトリックスの開口配列と対応させて照明光を各マイクロレンズにより対応するブラックマトリックス開口部近傍に集光させ、照明光の「ブラックマトリックスによる遮光率」を軽減して光利用効率を高めて明るい映像を表示することが行われている。   As an example, in a “transmission type TFT liquid crystal projector”, liquid crystal driving units using TFTs are arranged in a liquid crystal panel in an array as a black matrix corresponding to the liquid crystal pixels. In order to increase the illumination efficiency of the illumination light, a microlens array is provided on the light incident side to the liquid crystal panel. It has been practiced that light is condensed in the vicinity of the matrix opening to reduce the “light blocking rate by the black matrix” of the illumination light, thereby improving the light utilization efficiency and displaying a bright image.

近来、液晶パネル等がよりコンパクト化され、照明用の光源ランプが高パワー化されることに伴い、液晶画素部に集光する光のエネルギ密度が増大し「集光する光エネルギによる液晶のダメージ」が増大して液晶パネルが短寿命化する傾向が現れてきている。   In recent years, liquid crystal panels and the like have become more compact, and the light source lamps for illumination have been increased in power. As a result, the energy density of the light condensed on the liquid crystal pixel portion has increased, and “damage of the liquid crystal due to the condensed light energy is increased. ”Is increasing, and the tendency of the liquid crystal panel to have a short lifetime has appeared.

また、マイクロレンズアレイは一般に、そのマイクロレンズ面を保護するためのカバーガラスをマイクロレンズ面側に設けられるが、従来は一般にマイクロレンズアレイのマイクロレンズ面側とカバーガラスとが「透明な接着剤」により接着されており、照明光が接着剤層を透過する際、一部が接着剤層に吸収されて光利用効率を低下させる一因となっていた。   In general, a microlens array is provided with a cover glass for protecting the microlens surface on the microlens surface side. Conventionally, the microlens array side and the cover glass generally have a “transparent adhesive”. When the illumination light passes through the adhesive layer, a part of the illumination light is absorbed by the adhesive layer, which is a cause of reducing the light utilization efficiency.

さらに、マイクロレンズのレンズ面と接着剤とが接触するため「接触部における接着剤とマイクロレンズとの屈折率差」が小さくなり、マイクロレンズレンズ面で所望の屈折作用を実現しようとすると、マイクロレンズのレンズ面曲率を「空気中における場合よりも大きく」する必要があり、所望のレンズ径のマイクロレンズを得ようとすると「レンズ面の高さ」が高くなり、マイクロレンズアレイの加工時間が長くなってマイクロレンズアレイの製造能率を高めることが困難になる問題もある。   Furthermore, since the lens surface of the microlens and the adhesive are in contact with each other, the “refractive index difference between the adhesive and the microlens at the contact portion” is reduced. It is necessary to make the lens surface curvature of the lens “larger than in the air”, and when trying to obtain a microlens with the desired lens diameter, the “lens surface height” increases, and the processing time of the microlens array There is also a problem that it becomes difficult to increase the manufacturing efficiency of the microlens array.

このような問題に対する対応策は、発明者らの知る限り従来知られていない。   A countermeasure for such a problem has not been known so far as the inventors know.

この発明は上述したところに鑑み、上記諸問題を有効に解決できるマイクロレンズアレイ素子の実現を図るべく、マイクロレンズアレイ素子の新規な設計方法の提供を課題とする。 In view of the above, the present invention has an object to provide a novel design method of a microlens array element in order to realize a microlens array element that can effectively solve the above problems.

この発明の設計方法の対象であるマイクロレンズアレイ素子は「液晶パネルにおける液晶画素のブラックマトリックス開口部内に集光する機能を有する集光性のマイクロレンズを、液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応してアレイ配列してなるマイクロレンズアレイ」を有し、マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズの頂部が「光軸に直交する平面部」であり、且つ、平面部の径は、ブラックマトリックスの開口部の径よりも小さく設定されている。マイクロレンズ頂部の平面部は、照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和するように形成される。 The microlens array element that is the object of the design method of the present invention is that “a condensing microlens having a function of condensing in a black matrix opening of a liquid crystal pixel in a liquid crystal panel corresponds to each liquid crystal pixel in the liquid crystal panel. The top of each microlens constituting the microlens array is a “plane part perpendicular to the optical axis”, and the diameter of the plane part is that of the black matrix. It is set smaller than the diameter of the opening . The flat portion at the top of the microlens is formed so as to alleviate excessive condensing of illumination light onto the liquid crystal pixels.

このマイクロレンズアレイ素子は、上記マイクロレンズアレイのマイクロレンズ面側に
「マイクロレンズを保護する平行平板状のカバーガラス」を、マイクロレンズアレイに対
して実質的に平行にして、マイクロレンズアレイと一体的に設けられる
各マイクロレンズ頂部の平面部によりマイクロレンズによる集光性が緩和され、マイク
ロレンズ頂部の平面部の面積:sとマイクロレンズのレンズ有効面積:Sとの比:s/S
をα、上記平面部と上記カバーガラスとの間隔:dtと上記レンズ有効面積の直径:DL
との比:dt/DLをβとするとき、マイクロレンズ光軸に対して傾く光線の傾き角の範囲が±10度で、個々のマイクロレンズに照明光として入射する照明光束の透過率が0.8以上となるように、上記パラメータ:α、βを定められる
This microlens array element is integrated with the microlens array so that a “parallel plate-shaped cover glass for protecting the microlens” is substantially parallel to the microlens array on the microlens surface side of the microlens array. Provided .
The light condensing property by the microlens is relaxed by the plane portion at the top of each microlens, and the ratio of the area of the plane at the top of the microlens: s to the effective lens area of the microlens: S: s / S
Α, the distance between the plane portion and the cover glass: dt, and the diameter of the lens effective area: DL
Ratio: When dt / DL is β, the range of the tilt angle of the light beam tilted with respect to the microlens optical axis is ± 10 degrees, and the transmittance of the illumination light beam incident on each microlens as illumination light is 0. as will be .8 above, the parameters: alpha, determined the beta.

請求項1の設計方法で設計されるマイクロレンズアレイ素子は、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間が「マイクロレンズアレイの材質に対して0.1以上の屈折率差をもつ媒質」即ち、「マイクロレンズアレイの材質よりも屈折率が0.1以上小さい媒質(以下、同じ)」であり、媒質とマイクロレンズとの境界部でマイクロレンズのレンズ面の屈折作用を有効に高める上記媒質は、透明接着剤である。 The microlens array element designed by the design method of claim 1 is a medium having a refractive index difference of 0.1 or more with respect to the material of the microlens array between the microlens array and the cover glass. The medium is a medium whose refractive index is smaller by 0.1 or more than the material of the microlens array (hereinafter the same) , and effectively increases the refractive action of the lens surface of the microlens at the boundary between the medium and the microlens. The medium is a transparent adhesive.

請求項2の設計方法で設計されるマイクロレンズアレイ素子では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間の媒質は「実質的に屈折率:1を有する」媒質である。
マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間は「実質的な真空状態」とすることもできるし、「空気」とすることもできる)。このように、請求項2に謂う「実施的に屈折率:1を有する媒質」は真空状態を含む概念である。
In the microlens array element is designed in the design method according to claim 2, the medium between the microlens array and the cover glass is: "substantially refractive index 1 has a" medium.
It between the microlens array and the cover glass Ru can also be a "substantial vacuum", it is also possible to "air"). Thus, the so-called “medium having a refractive index of 1” according to claim 2 is a concept including a vacuum state.

上記請求項1記載の設計方法で設計されるマイクロレンズアレイ素子においては、マイクロレンズアレイにおける各マイクロレンズ頂部の平面部は、上記の如く「マイクロレンズアレイの材質よりも屈折率が0.1以上小さい透明接着剤」により、カバーガラスと接合される。 In the microlens array element designed by the design method according to claim 1, the planar portion of the top of each microlens in the microlens array has a refractive index of 0.1 or more than the material of the microlens array as described above. It is joined to the cover glass by a “small transparent adhesive” .

このように、マイクロレンズ頂部の平面部とカバーガラスとの接合に用いられる接着剤は、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間の空間を満たす。 Thus, the adhesive used for joining the flat part of the top part of the microlens and the cover glass fills the space between the microlens array and the cover glass.

請求項2の設計方法で設計されるマイクロレンズアレイ素子において、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間の「実質的に屈折率:1を有する」媒質は、媒質は「実質的な真空状態」としてもよいし「空気」としてもよい。 In the micro lens array element to be designed in the design method according to claim 2, between the microlens array and the cover glass "substantially refractive index: 1 having a" medium, the medium as "substantial vacuum" Alternatively, it may be “air”.

上記設計方法で設計され、製造されるマイクロレンズアレイ素子は、これを「ブラックマトリックスを有する液晶パネル」と組み合わせることにより、液晶パネルユニットを構成できる。A microlens array element designed and manufactured by the above design method can be combined with a “liquid crystal panel having a black matrix” to constitute a liquid crystal panel unit.

即ち、液晶パネルの光入射側に、上記設計方法で設計され、製造されるマイクロレンズアレイ素子を設け、マイクロレンズアレイ素子のマイクロレンズアレイにおける各マイクロレンズ、液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応して配列させ、各マイクロレンズ「照明光を対応する液晶画素のブラックマトリックス開口部内に集光する機能を有するとともに、マイクロレンズ頂部の平面部が、照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」ように形成されるThat is, the light incident side of the liquid crystal panel, is designed by the above design method, the microlens array element manufactured provided, each microlens in the microlens array of the microlens array elements, and the individual liquid crystal pixels in the liquid crystal panel corresponding and is arranged, with each micro-lens has a function of condensing inside the black matrix opening portion of the liquid crystal pixels corresponding to "illumination light, the plane of the microlens tops, excessive condenser to the liquid crystal pixels of the illumination light It is formed so as to alleviate "a.

即ち、マイクロレンズを透過した照明光はブラックマトリックスの開口部内に有効に集光されてブラックマトリックスによる遮光を有効に回避するが、各マイクロレンズ頂部の平面部の作用により過剰な集光が緩和されるので、液晶画素の微小領域に光エネルギが過剰に集中することがない。   In other words, the illumination light transmitted through the microlens is effectively condensed in the opening of the black matrix and effectively avoids the light shielding by the black matrix, but excessive condensing is mitigated by the action of the flat portion at the top of each microlens. Therefore, the light energy does not concentrate excessively on the minute area of the liquid crystal pixel.

請求項1記載の設計方法では、上記パラメータ:α、βが、条件:
(1) β≦−5.3α2+1.7α+2.1
を満足するように決定される。
In the designing method according to claim 1, the parameters: α, β are the conditions:
(1) β ≦ −5.3α 2 + 1.7α + 2.1
To be satisfied .

請求項2記載の設計方法では、上記パラメータ:α、βが、条件:
(2) β≦−4.8α2+1.5α+1.8
を満足するように決定される。
In the design method according to claim 2, the parameters: α and β are the conditions:
(2) β ≦ −4.8α 2 + 1.5α + 1.8
To be satisfied .

なお、マイクロレンズ頂部の平面部とカバーガラスとの間隔:dtは「実際の機械的間隔」である。
前記液晶パネルユニットは、マイクロレンズアレイとカバーガラスとに反射防止膜を製膜することができる。
In addition, the space | interval: dt between the plane part of a microlens top part and a cover glass is an "actual mechanical space | interval."
The liquid crystal panel unit can form an antireflection film on the microlens array and the cover glass .

上記条件(1)、(2)について説明する
条件(1)では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を「マイクロレンズアレイの材質に対して屈折率差:0.1の透明接着剤(マイクロレンズアレイの材質よりも屈折率が0.1だけ小さい透明接着剤)により満たした場合」において、マイクロレンズのレンズ面形状を球面とした場合に液晶パネルユニットを透過する光の強度を1とする。
The conditions (1) and (2) will be described .
In condition (1), between the microlens array and the cover glass, a transparent adhesive having a refractive index difference of 0.1 relative to the material of the microlens array (with a refractive index of 0.1 relative to the material of the microlens array). In a case where the lens surface shape of the microlens is a spherical surface, the intensity of light transmitted through the liquid crystal panel unit is 1.

上記球面の頂部を平坦化して平面部とすると、平面部の面積が増加するに従いパラメータ:αが増大する。このとき、液晶パネルユニットを透過する光の強度が0.8以上となるための条件、即ち「照明光の透過効率が0.8以上となるためにパラメータ:α、βが満足すべき条件」が、条件(1)である。   If the top part of the spherical surface is flattened to be a flat part, the parameter α increases as the area of the flat part increases. At this time, the condition for the intensity of the light transmitted through the liquid crystal panel unit to be 0.8 or more, that is, “the condition that the parameters: α and β must be satisfied for the illumination light transmission efficiency to be 0.8 or more” Is the condition (1).

条件(2)では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を実質的に屈折率:1の媒質(真空状態あるいは空気)とした場合において、マイクロレンズのレンズ面形状を球面とした場合に、液晶パネルユニットを透過する光の強度を1とする。
上記球面の頂部側を平坦化して平面部とすると、平面部の面積が増加するに従いパラメータ:αが増大する。このとき、液晶パネルユニットを透過する光の強度が0.8以上となるための条件、即ち「照明光の透過効率が0.8以上となるためにパラメータ:α、βが満足すべき条件」が、条件(2)である。
In condition (2), when the medium between the microlens array and the cover glass is substantially a medium having a refractive index of 1 (vacuum state or air), and the lens surface shape of the microlens is spherical, the liquid crystal The intensity of light transmitted through the panel unit is 1.
When the top portion side of the spherical surface is flattened to be a plane portion, the parameter α increases as the area of the plane portion increases. At this time, the condition for the intensity of the light transmitted through the liquid crystal panel unit to be 0.8 or more, that is, “the condition that the parameters: α and β must be satisfied for the illumination light transmission efficiency to be 0.8 or more” Is the condition (2).

即ち、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ面全体の形状を球面形状とすれば「照明光をブラックマトリックスの開口部に効率よく集中できる」が、このようにすると、集中の度合いが強すぎて液晶の受けるダメージが大きい。マイクロレンズ面の形状を「上記球面形状を基準」として、その頂部を平坦化して平面部とする(上記基準とされた球面形状を上記平面部で切断し、切断面が平面部となるようにする。)と、平面部の面積が増大するほどマイクロレンズの屈折面部分(球面部分)が少なくなるため、屈折面部分のレンズ作用による照明光の集光の程度が低下するが、上記パラメータ:α、βが、条件(1)、(2)を満足するようにすることにより「頂部に平面部の無い基準の球面形状を持つマイクロレンズ」を用いる場合に対し、透過効率として0.8以上を実現できるのである。   That is, if the shape of the entire microlens surface of the microlens array is a spherical shape, “the illumination light can be efficiently concentrated on the opening of the black matrix”, but in this way, the concentration is too strong and the liquid crystal receives it. Damage is great. The shape of the microlens surface is “referenced to the above spherical shape”, and the top is flattened to form a flat surface (so that the above-mentioned standard spherical shape is cut by the flat surface and the cut surface becomes the flat surface. When the area of the plane portion increases, the refracting surface portion (spherical surface portion) of the microlens decreases, and the degree of collection of illumination light by the lens action of the refracting surface portion decreases. By making α and β satisfy the conditions (1) and (2), the transmission efficiency is 0.8 or more as compared with the case of using “a microlens having a reference spherical shape without a flat portion at the top”. Can be realized.

なお、パラメータ:αが小さくなることは「マイクロレンズ頂部の平面部の面積が小さくなって球面形状に近づく」ことを意味するから、パラメータ:αを無制限に0に近づける訳にはいかない。設計上のパラメータ:αの下限は、「マイクロレンズ頂部の平面部が、照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」との条件により設定されることになる。パラメータ:αの下限値の目安としては0.001を挙げることができる。 Note that a decrease in parameter: α means that “the area of the planar portion of the top portion of the microlens becomes smaller and approaches a spherical shape”, and therefore, parameter: α cannot be brought close to 0 without limitation. The lower limit of the design parameter: α is set according to the condition that “the flat portion at the top of the microlens alleviates excessive condensing of illumination light onto the liquid crystal pixels”. As a guideline for the lower limit of the parameter: α, 0.001 can be mentioned.

なお、設計対象のマイクロレンズアレイやマイクロレンズアレイ素子の用途は上記液晶パネルユニットに限定されるものではなく、種々の光学素子に用いることが可能である。 Note that the use of a microlens array and a microlens array element to be designed are not limited to the liquid crystal panel unit, it can be used for various optical elements.

上記の如く、この発明の設計方法に従って製造されるマイクロレンズアレイ素子は、液晶パネルと組み合わせられるとき、個々のマイクロレンズ頂部の平面部が照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和するので、光エネルギの集中による液晶のダメージが有効に緩和され、液晶パネルの短寿命化を有効に軽減もしくは防止することができる。 As described above, when the microlens array element manufactured according to the design method of the present invention is combined with a liquid crystal panel, the plane part of the top of each microlens alleviates excessive condensing of illumination light onto the liquid crystal pixels. Liquid crystal damage due to the concentration of light energy is effectively mitigated, and shortening of the life of the liquid crystal panel can be effectively reduced or prevented.

また、請求項1の設計方法に従って製造されるマイクロレンズアレイ素子では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を、マイクロレンズアレイの材質に対して屈折率差:0.1以上の媒質とすることにより、マイクロレンズの屈折面の作用を相対的に大きくでき、マイクロレンズのレンズ面曲率の増大を緩和でき、レンズ面高さを低くすることができ、マイクロレンズアレイの加工時間を短縮して製造能率を高めることができる。 In the microlens array element manufactured according to the design method of claim 1, a medium having a refractive index difference of 0.1 or more with respect to the material of the microlens array is provided between the microlens array and the cover glass. Makes it possible to relatively increase the action of the refractive surface of the microlens, reduce the increase in curvature of the lens surface of the microlens, reduce the lens surface height, and reduce the processing time of the microlens array. Efficiency can be increased.

また、請求項2の設計方法に従って製造されるマイクロレンズアレイ素子では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を実質的な真空状態もしくは空気とすることにより「接着剤による光吸収の問題」を根本的に解決できる。 Moreover, in the microlens array element manufactured according to the design method of claim 2, the problem of light absorption by the adhesive is fundamentally caused by setting a substantial vacuum state or air between the microlens array and the cover glass. Can be solved.

この発明の設計方法に従って製造されるマイクロレンズアレイ素子を用いる液晶パネルユニットは、この発明のマイクロレンズアレイ素子が用いられることにより長寿命で光利用効率が良い。従って、この液晶パネルユニットを液晶プロジェクタに用いることにより長寿命で明るく高品質の映像を表示できる。 The liquid crystal panel unit using the microlens array element manufactured according to the design method of the present invention has a long life and good light utilization efficiency by using the microlens array element of the present invention. Therefore, by using this liquid crystal panel unit for a liquid crystal projector, it is possible to display a bright and high quality image with a long life.

以下、発明の実施の形態を説明する。
図1は、液晶パネルユニットの構成例を説明図的に示している。
図1において、符号10は液晶、符号12はマイクロレンズアレイ、符号14はカバーガラス、符号17はブラックマトリックスを示している。
マイクロレンズアレイ12は「片面(図の下方の面)が平面」で、カバーガラス14側の面に1連のマイクロレンズ121が2次元的にアレイ配列されて形成されている。
Embodiments of the invention will be described below.
FIG. 1 illustrates an example of the configuration of a liquid crystal panel unit .
In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a liquid crystal, reference numeral 12 denotes a microlens array, reference numeral 14 denotes a cover glass, and reference numeral 17 denotes a black matrix.
The microlens array 12 is “one side (the lower surface in the drawing) is flat”, and a series of microlenses 121 are two-dimensionally arranged on the surface on the cover glass 14 side.

ブラックマトリックス17は、図示されない透明平行基板の片面に形成されている。これらブラックマトリックス17の開口部に対応する液晶部分が「液晶画素」である。液晶10は、ブラックマトリックス17を形成された図示されない透明平行平板と、マイクロレンズアレイ12の平坦な面との間に所定の配向状態に配向されて封入されている。   The black matrix 17 is formed on one side of a transparent parallel substrate (not shown). The liquid crystal portions corresponding to the openings of the black matrix 17 are “liquid crystal pixels”. The liquid crystal 10 is sealed in a predetermined alignment state between a transparent parallel plate (not shown) on which the black matrix 17 is formed and a flat surface of the microlens array 12.

マイクロレンズアレイ12は、同一形状で集光性のマイクロレンズ121を2次元的にアレイ配列してなるが、マイクロレンズアレイ12を構成する個々のマイクロレンズ121の頂部121Aは「光軸に直交する平面部」とされている。
マイクロレンズ121の「平面部121Aを除く部分」はレンズ作用を持つ曲面形状で、例えば「球面形状」である。
The microlens array 12 is formed by two-dimensionally arraying condensing microlenses 121 having the same shape, but the top 121A of each microlens 121 constituting the microlens array 12 is “perpendicular to the optical axis. It is referred to as “planar part” .
The “portion excluding the plane portion 121A” of the microlens 121 is a curved surface shape having a lens action, for example, “spherical shape”.

マイクロレンズアレイ12のマイクロレンズ面側に設けられたカバーガラス14はマイクロレンズ121を保護するためのもので「平行平板状」であり、マイクロレンズアレイ12に対して実質的に平行な状態で、マイクロレンズアレイ12と一体的に設けられている。即ち、マイクロレンズアレイ12とカバーガラス14とは互いに一体化されて「マイクロレンズアレイ素子」を構成する。両者を一体化する手段は、接着やガラス接合等、公知の適宜の手段を利用できる。   The cover glass 14 provided on the microlens surface side of the microlens array 12 is for protecting the microlens 121 and has a “parallel plate shape”, and is substantially parallel to the microlens array 12. It is provided integrally with the microlens array 12. That is, the microlens array 12 and the cover glass 14 are integrated with each other to constitute a “microlens array element”. As a means for integrating the two, known appropriate means such as adhesion and glass bonding can be used.

図1において、符号15により示す「マイクロレンズアレイ12とカバーガラス14との間の間隙部分」は、マイクロレンズアレイ12の材質に対して0.1以上の屈折率差をもつ媒質であるが、この媒質は、実質的に屈折率:1を有することができる。そしてこれを実現するには、マイクロレンズアレイ12とカバーガラス14との間隙部分15を「実質的な真空状態」としてもよいし、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間隙部分15が空気であるようにしてもよいIn FIG. 1, “a gap portion between the microlens array 12 and the cover glass 14” indicated by reference numeral 15 is a medium having a refractive index difference of 0.1 or more with respect to the material of the microlens array 12 . The medium can have a refractive index of 1 substantially . In order to realize this, the gap portion 15 between the microlens array 12 and the cover glass 14 may be in a “substantially vacuum state”, or the gap portion 15 between the microlens array and the cover glass is air. It may be .

マイクロレンズアレイ12とカバーガラス14とは、図1(a)に示すように「間隙部分15を隔して互いに実質的に平行に配置」して一体化してもよいが、図1(b)に示すように、マイクロレンズアレイ12における各マイクロレンズ121頂部の平面部121Aが「カバーガラス14と接合された構成」とすることもできるAs shown in FIG. 1A, the microlens array 12 and the cover glass 14 may be integrated by being “arranged substantially in parallel with each other with the gap portion 15 therebetween”. as shown in, may be planar portion 121A of the microlens 121 top in the microlens array 12 is a "configuration which is joined to the cover glass 14".

「マイクロレンズ121頂部の平面部121Aとカバーガラス14との接合」は、「接着剤による接合」でもよいし、「ガラス接合法による接合」でも良く、「圧着による接合」でも良い"Joining the flat portion 121A and the cover glass 14 of the microlens 121 top" is may be the "adhesive bonding" may be "joined by glass bonding method" may be "joined by crimping".

図1に示す如く、カバーガラス14の側(図の上方)から光(簡単のために平行光束としている。)を入射させると、マイクロレンズ121のレンズ作用は「レンズ面頂部の平面部以外の曲面部分」では集光作用であるが、マイクロレンズ頂部の平面部はレンズ作用を持たない。   As shown in FIG. 1, when light (for the sake of simplicity, a parallel light beam) is incident from the side of the cover glass 14 (upper side of the drawing), the lens action of the microlens 121 is “other than the flat portion at the top of the lens surface”. The “curved surface portion” has a condensing effect, but the flat surface of the top of the microlens has no lens effect.

従って、マイクロレンズ121の平面部121Aに入射する光束は、レンズ作用を受けることなくマイクロレンズ121を透過するが、平面部の周囲の曲面部分に入射する光束部分はレンズ作用によりブラックマトリックス17の開口部近傍に集光する。   Therefore, the light beam incident on the flat surface portion 121A of the microlens 121 is transmitted through the microlens 121 without being subjected to the lens action, but the light beam portion incident on the curved surface portion around the flat surface portion is opened by the lens function. Condensed near the area.

即ち、図1(a)、(b)に示す液晶パネルユニットは、ブラックマトリックス17を有する液晶パネルと、この液晶パネルの光入射側に設けられるマイクロレンズアレイ素子(マイクロレンズアレイ12とカバーガラス14により構成される。)とを有する液晶パネルユニットであって、マイクロレンズアレイ素子のマイクロレンズアレイ12における各マイクロレンズ121は、液晶パネルにおける個々の液晶画素(ブラックマトリックス17の開口部に対応する液晶部分)と対応して配列され、各マイクロレンズ121は「照明光を対応する液晶画素のブラックマトリックス開口部内に集光する機能」を有するとともに、マイクロレンズ頂部の平面部121Aが「照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」機能を持つ。 That is, the liquid crystal panel unit shown in FIGS. 1A and 1B includes a liquid crystal panel having a black matrix 17 and microlens array elements (microlens array 12 and cover glass 14 provided on the light incident side of the liquid crystal panel. The microlens 121 in the microlens array 12 of the microlens array element is an individual liquid crystal pixel (liquid crystal corresponding to the opening of the black matrix 17) in the liquid crystal panel. The microlens 121 has a “function of condensing illumination light into the black matrix opening of the corresponding liquid crystal pixel” and the flat portion 121A at the top of the microlens is “liquid crystal of illumination light”. It has the function of “relaxing excessive light collection on the pixel”.

マイクロレンズアレイ12とカバーガラス14には「反射防止膜」を製膜することができる。なお、図1の実施の形態では、マイクロレンズアレイ12は「液晶パネルの一部」を構成するものである。 The microlens array 12 and the cover glass 14 as possible out to film a "antireflection film". In the embodiment shown in FIG. 1, the microlens array 12 constitutes “a part of a liquid crystal panel”.

図2は、比較のため「従来の液晶パネルユニット」を示したものである。煩雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては図1におけると同一の符号を付する。
図2において、符号13はマイクロレンズアレイ、符号131は個々のマイクロレンズ、符号16は「マイクロレンズアレイ13とカバーガラス14とを接着する透明な接着剤層」を示している。
FIG. 2 shows a “conventional liquid crystal panel unit” for comparison . In order to avoid complications , the same reference numerals as those in FIG.
In FIG. 2, reference numeral 13 denotes a microlens array, reference numeral 131 denotes an individual microlens, and reference numeral 16 denotes a “transparent adhesive layer that bonds the microlens array 13 and the cover glass 14”.

図2の液晶パネルユニットの場合、マイクロレンズアレイ13の個々のマイクロレンズ131は例えば球面形状で集光機能を有し、マイクロレンズ131に入射してくる光束をブラックマトリックス17の開口部近傍に集光させるが、この集光により、図2に符号100で示す部分に光エネルギが高密度に集中することになり、集中する光エネルギによる液晶10のダメージも大きく液晶パネルの寿命が短寿命化する。   In the case of the liquid crystal panel unit of FIG. 2, each microlens 131 of the microlens array 13 has, for example, a spherical shape and has a condensing function, and the light beam incident on the microlens 131 is collected near the opening of the black matrix 17. Although the light is condensed, the light energy is concentrated at a high density in the portion indicated by reference numeral 100 in FIG. 2, and the liquid crystal panel 10 is greatly damaged by the concentrated light energy, and the life of the liquid crystal panel is shortened. .

また、マイクロレンズアレイ13とカバーガラス14とが「透明な接着剤層16」により接着されているため、照明光が接着剤層16を透過する際、一部が接着剤層16に吸収されて光利用効率を低下させる一因となる。   In addition, since the microlens array 13 and the cover glass 14 are bonded by the “transparent adhesive layer 16”, when the illumination light passes through the adhesive layer 16, a part is absorbed by the adhesive layer 16. This contributes to a decrease in light utilization efficiency.

さらに、マイクロレンズ131のレンズ面と接着剤層16とが接触するため接触部における「接着剤とマイクロレンズとの屈折率差」が小さくなるため、マイクロレンズレンズ面で所望の屈折作用を実現しようとすると、マイクロレンズ131のレンズ面曲率を「空気中における場合よりも大きく」する必要があり、このため所望のレンズ径のマイクロレンズ131を得ようとするとレンズ面の高さが高くなり、マイクロレンズアレイの加工時間が長くなってマイクロレンズアレイの製造能率を低下させる原因となる。   Further, since the lens surface of the microlens 131 and the adhesive layer 16 are in contact with each other, the “refractive index difference between the adhesive and the microlens” at the contact portion is reduced, so that a desired refractive action is realized on the microlens lens surface. Then, the lens surface curvature of the microlens 131 needs to be “larger than that in the air”. Therefore, when trying to obtain the microlens 131 having a desired lens diameter, the height of the lens surface increases. This increases the processing time of the lens array and causes a reduction in the manufacturing efficiency of the microlens array.

図1に示す液晶パネルユニットでは、これらの問題の有効な解決が可能である。
即ち、各マイクロレンズ121は「照明光を対応する液晶画素のブラックマトリックス開口部内に集光する機能」を有すると共に、マイクロレンズ頂部の平面部121Aが「照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」機能を持つため、液晶10の特定の部分に光エネルギが過剰に集中することが無く、光エネルギの集中による液晶10のダメージを有効に軽減できる。
The liquid crystal panel unit shown in FIG. 1 can effectively solve these problems.
That is, each microlens 121 has a function of “condensing illumination light into the black matrix opening of the corresponding liquid crystal pixel”, and the planar portion 121A at the top of the microlens “excess condensing illumination light onto the liquid crystal pixel”. Therefore, the light energy is not excessively concentrated on a specific portion of the liquid crystal 10, and the damage to the liquid crystal 10 due to the concentration of the light energy can be effectively reduced.

また、マイクロレンズアレイ12とカバーガラス14との間の媒質を「真空状態あるいは空気状態」とすれば、この媒質部位での光の吸収はなく、マイクロレンズ121と媒質との屈折率差が大きいので「比較的小さいレンズ面曲率」で所望の屈折力を実現でき、さらに、レンズ面頂部が平面部となっているので、マイクロレンズ121のレンズ面高さ自体も小さく、マイクロレンズの短時間での加工が可能で「マイクロレンズアレイの加工時間が長くなってマイクロレンズアレイの製造能率を低下させる」ことが無い。   Further, if the medium between the microlens array 12 and the cover glass 14 is set to a “vacuum state or an air state”, light is not absorbed in the medium portion, and the refractive index difference between the microlens 121 and the medium is large. Therefore, the desired refractive power can be realized with “relatively small lens surface curvature”, and furthermore, since the top of the lens surface is a flat portion, the lens surface height itself of the microlens 121 is also small, and the microlens can be formed in a short time. In other words, the processing time of the microlens array is prolonged and the manufacturing efficiency of the microlens array is not reduced.

また、マイクロレンズアレイ12とカバーガラス14との間を透明な接着剤で接着した場合に、屈折率差が小さくなってレンズ面の曲率が大きくなる場合でも、レンズ面頂部が平面部であるためマイクロレンズ121のレンズ面高さ自体は小さくでき上記と同様「マイクロレンズアレイの加工時間が長くなってマイクロレンズアレイの製造能率を低下させる」ことが無い。   Further, when the microlens array 12 and the cover glass 14 are bonded with a transparent adhesive, even if the refractive index difference is reduced and the curvature of the lens surface is increased, the top of the lens surface is a flat portion. The lens surface height itself of the microlens 121 can be reduced, and there is no “deterioration of the manufacturing efficiency of the microlens array due to a long processing time of the microlens array” as described above.

また、マイクロレンズ121のレンズ面高さが小さいため、マイクロレンズアレイ12とカバーガラス14とを接着する場合でも接着剤層を薄くでき「接着剤による光の吸収」を有効に軽減できる。   Further, since the lens surface height of the microlens 121 is small, even when the microlens array 12 and the cover glass 14 are bonded, the adhesive layer can be made thin, and “light absorption by the adhesive” can be effectively reduced.

上の説明から明らかなように、マイクロレンズ121の「レンズ作用を持つ曲面形状部分」と「レンズ作用を持たない平面部」との割合を調整することにより、各マイクロレンズ121の有する「照明光を対応する液晶画素のブラックマトリックス開口部内に集光する機能」と「照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」機能とを調整でき、両機能をバランスさせることにより、液晶のダメージを有効に緩和させつつ、効率の良い照明が得られるように最適化を行うことができる。   As is apparent from the above description, the “illumination light” of each microlens 121 is adjusted by adjusting the ratio between the “curved surface portion having a lens action” and the “planar portion not having a lens action” of the microlens 121. Can be adjusted by adjusting the function of condensing the light into the black matrix opening of the corresponding liquid crystal pixel and the function of reducing excessive condensing of the illumination light to the liquid crystal pixel. It is possible to optimize so as to obtain efficient illumination while effectively mitigating.

以下、設計方法の具体的な実施例を説明するが、最初に、実施例に対する比較の対象となる「基準例」を説明する。基準例は「従来の液晶パネルユニット」の例である。煩雑を避けるために図2におけると同一の符号を用いる。 Hereinafter, specific examples of the design method will be described. First, “reference examples” to be compared with the examples will be described. The reference example is an example of “conventional liquid crystal panel unit”. In order to avoid complications, the same reference numerals as in FIG. 2 are used.

「基準例」
図3(a)は、基準例における「1液晶画素部分の構成」を示す。マイクロレンズアレイ13は屈折率:1.5のガラス板にマイクロレンズ131を2次元の正方マトリックス状にアレイ配列して形成したものであり、マイクロレンズ131の配列ピッチは15.5μmである。符号Axはマイクロレンズ131の光軸を示す。
"Reference example"
FIG. 3A shows “a configuration of one liquid crystal pixel portion” in the reference example. The microlens array 13 is formed by arranging microlenses 131 in a two-dimensional square matrix on a glass plate having a refractive index of 1.5, and the arrangement pitch of the microlenses 131 is 15.5 μm. Reference symbol Ax indicates the optical axis of the microlens 131.

マイクロレンズ131は、レンズ有効径:15.5μm(=配列ピッチ)、レンズ面高さ(破線で示す「基準面」からの高さ):7.5μmでレンズ面形状は球面形状である。マイクロレンズアレイ13の液晶10側の面から上記基準面までの高さは27.5μmである。液晶10は層厚:3.0μm、屈折率:1.5のものである。   The microlens 131 has a lens effective diameter: 15.5 μm (= arrangement pitch), a lens surface height (height from a “reference surface” indicated by a broken line): 7.5 μm, and the lens surface has a spherical shape. The height from the surface on the liquid crystal 10 side of the microlens array 13 to the reference surface is 27.5 μm. The liquid crystal 10 has a layer thickness of 3.0 μm and a refractive index of 1.5.

マイクロレンズアレイ13のマイクロレンズ131側の面とカバーガラス14とは透明な接着剤16により接着されている。接着剤16は屈折率:1.4(即ち、マイクロレンズアレイ13の材質に対する屈折率差:0.1)で、マイクロレンズ131頂部とカバーガラス14との間隔は5.0μmである。また、ブラックマトリックス17の開口部の開口径:Dは11.5μm×12.0μmである。   The surface of the microlens array 13 on the microlens 131 side and the cover glass 14 are bonded with a transparent adhesive 16. The adhesive 16 has a refractive index of 1.4 (that is, a refractive index difference with respect to the material of the microlens array 13: 0.1), and the distance between the top of the microlens 131 and the cover glass 14 is 5.0 μm. The opening diameter D of the opening of the black matrix 17 is 11.5 μm × 12.0 μm.

図3(b)は、基準例において「カバーガラス14の側から平行光束を入射」させた状態を示している。図の如く、平行光束はマイクロレンズ131の集光作用により液晶10を透過しつつ、ブラックマトリックス17の開口部の中心部近傍100に集光する。   FIG. 3B shows a state in which “a parallel light beam is incident from the cover glass 14 side” in the reference example. As shown in the figure, the parallel light flux is condensed on the vicinity 100 of the center of the opening of the black matrix 17 while being transmitted through the liquid crystal 10 by the condensing action of the micro lens 131.

液晶パネルユニットが実際に用いられる状態では、液晶パネルユニットを照明する照明光は「平行光束に近い状態」とされるが厳密な平行光束という訳ではない。
「実際の照明光束に近い状態の光束」を想定し、カバーガラス14の側から入射させた場合のシミュレーション結果を図3(c)に示す。図3(b)の状態と比較すると、ブラックマトリックス17の開口部へ集光する光の「集光の程度」は図3(b)の場合よりも若干低下し、そのため「ブラックマトリックス17の開口部を透過する光束の光束径」は図3(b)の場合よりも大きくなっているが、それでも光エネルギの集中状態は高い。 なお、上記の想定された照明光束は「光軸に対して傾く光線の傾き角」の範囲を±10度としたものである。
In a state where the liquid crystal panel unit is actually used, the illumination light for illuminating the liquid crystal panel unit is “a state close to a parallel light flux”, but it is not a strict parallel light flux.
FIG. 3C shows a simulation result in the case where the light beam is incident from the side of the cover glass 14 assuming a “light beam in a state close to an actual illumination light beam”. Compared with the state of FIG. 3B, the “degree of light collection” of the light condensed on the opening of the black matrix 17 is slightly lower than that of FIG. Although the “diameter of the light beam transmitted through the portion” is larger than that in the case of FIG. 3B, the concentration state of the light energy is still high. The above assumed illumination light flux has a range of “tilt angle of the light beam tilted with respect to the optical axis” within ± 10 degrees.

基準例における図3(c)の場合において、照明光の透過効率(ブラックマトリックス17の開口部を通過した光の強度/マイクロレンズ131に入射した光の強度)を基準値:1とする。   In the case of FIG. 3C in the reference example, the illumination light transmission efficiency (the intensity of light passing through the opening of the black matrix 17 / the intensity of light incident on the microlens 131) is set to a reference value of 1.

以下、この発明の設計方法により具体的に設計し、設計に従って作製したマイクロレンズアレイ素子を用いる液晶パネルユニットの具体例を、実施例1、2として挙げる、
図4に実施例1の「1液晶画素部分の構成」を示す。煩雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては図1、図3におけると同一の符号を用いる。
図4(a)において、マイクロレンズアレイ12は屈折率:1.5のガラス板にマイクロレンズ121をアレイ配列形成したものであり、マイクロレンズ121の配列ピッチ・レンズ有効径はともに基準例のものと同じく15.5μmである。
Hereinafter, specific examples of the liquid crystal panel unit using the microlens array element specifically designed by the design method of the present invention and produced according to the design are given as Examples 1 and 2.
FIG. 4 shows a “configuration of one liquid crystal pixel portion” in the first embodiment. In order to avoid complications, the same reference numerals as in FIGS. 1 and 3 are used for those which are not likely to be confused.
In FIG. 4A, the microlens array 12 is obtained by forming microlenses 121 on a glass plate having a refractive index of 1.5, and the arrangement pitch and effective diameter of the microlenses 121 are both of the reference example. And 15.5 μm.

マイクロレンズ121は、レンズ頂部に直径:4.2μmの光軸に直交する平面部121Aを形成され、レンズ面高さ(破線で示す「基準面」から平面部121Aまでの高さ)は2.3μm、平面部121Aの周囲の曲面部は「球面形状」である。マイクロレンズアレイ12の液晶10側の面から上記基準面までの高さは32.7μmである。液晶10は基準例におけると同一のものである。   The microlens 121 is formed with a planar portion 121A perpendicular to the optical axis having a diameter of 4.2 μm at the top of the lens, and the lens surface height (height from the “reference plane” indicated by the broken line to the planar portion 121A) is 2. The curved surface portion around 3 μm and the flat surface portion 121A has a “spherical shape”. The height from the surface on the liquid crystal 10 side of the microlens array 12 to the reference surface is 32.7 μm. The liquid crystal 10 is the same as in the reference example.

マイクロレンズアレイ12のマイクロレンズ121側の面とカバーガラス14との間の媒質は「空気層」となっている。マイクロレンズ121頂部の平面部121Aとカバーガラス14との間隔は5.0μmである。ブラックマトリックス17の開口部の開口径:D(=11.5μm×12.0μm)は基準例と同一である。   The medium between the surface of the microlens array 12 on the microlens 121 side and the cover glass 14 is an “air layer”. The distance between the flat surface 121A at the top of the microlens 121 and the cover glass 14 is 5.0 μm. The opening diameter of the opening of the black matrix 17: D (= 11.5 μm × 12.0 μm) is the same as the reference example.

図4(b)は、実施例1において、カバーガラス14の側から平行光束を入射させた状態を示している。図の如く、マイクロレンズ121の周辺の曲面部に入射する平行光束部分はマイクロレンズ121の曲面部の集光作用により、液晶10を透過しつつブラックマトリックス17の開口部の中心部近傍に集光する。一方、マイクロレンズ121頂部の平面部121Aに入射した光はレンズ作用を受けずにマイクロレンズ121を透過し、平行光束として液晶10を透過し、ブラックマトリックス17の開口部を透過する。   FIG. 4B shows a state in which a parallel light beam is incident from the cover glass 14 side in the first embodiment. As shown in the figure, the parallel light flux incident on the curved surface portion around the microlens 121 is condensed near the center of the opening of the black matrix 17 while being transmitted through the liquid crystal 10 by the condensing action of the curved surface portion of the microlens 121. To do. On the other hand, the light incident on the flat surface 121A at the top of the microlens 121 passes through the microlens 121 without being subjected to lens action, passes through the liquid crystal 10 as a parallel light flux, and passes through the opening of the black matrix 17.

このため、基準例の場合に比して「液晶10の微小部分に過剰な光エネルギが集中すること」が有効に回避され、液晶のダメージが有効に軽減される。   For this reason, “concentration of excessive light energy on a minute portion of the liquid crystal 10” is effectively avoided as compared with the case of the reference example, and damage to the liquid crystal is effectively reduced.

図4(c)は実施例1の液晶パネルユニットに「実際の照明光束に近い状態の光束(基準例におけるシミュレーションに用いたのと同じ光束)」を想定して、カバーガラス14の側から入射させた場合のシミュレーション結果を示している。図4(b)の状態と比較すると、図4(c)の状態では、ブラックマトリックス17の開口部へ集光する光の「集光の程度」は図4(b)の場合よりも低下し「ブラックマトリックス17の開口部を透過する光束の光束径」は図4(b)の場合よりも大きくなっている。   FIG. 4C shows an incident from the cover glass 14 side on the liquid crystal panel unit of the first embodiment, assuming a “light beam in a state close to an actual illumination light beam (the same light beam used for the simulation in the reference example)”. The simulation result when it is made to show is shown. Compared with the state of FIG. 4B, in the state of FIG. 4C, the “degree of light collection” of the light condensed on the opening of the black matrix 17 is lower than in the case of FIG. “The diameter of the light beam transmitted through the opening of the black matrix 17” is larger than that in the case of FIG.

実施例1の図4(c)の場合において、照明光の透過効率は、基準例の基準値:1に対して0.97となった。
即ち、実施例1では、液晶10の特定部分(ブラックマトリックス17の開口部の中心近傍部分)への光エネルギの過度の集中を有効に軽減させつつ、照明光の透過効率としては基準例の場合と略同等の値が得られている。
In the case of FIG. 4C of Example 1, the illumination light transmission efficiency was 0.97 with respect to the reference value of the reference example: 1.
That is, in the first embodiment, the transmission efficiency of illumination light is effectively reduced in the case of the reference example while effectively reducing excessive concentration of light energy on a specific portion of the liquid crystal 10 (a portion near the center of the opening of the black matrix 17). A value approximately equivalent to is obtained.

この実施例1の場合において、カバーガラス14の表・裏面およびマイクロレンズアレイ12のマイクロレンズ面に反射防止膜を形成したところ、照明光の透過効率を基準値:1に対して1.04に向上させることができた。   In the case of Example 1, when an antireflection film was formed on the front and back surfaces of the cover glass 14 and the microlens surface of the microlens array 12, the transmission efficiency of illumination light was set to 1.04 with respect to the reference value of 1. I was able to improve.

図5に実施例2の「1液晶画素部分の構成」を示す。煩雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては、図1、図3におけると同一の符号を用いる。図5(a)において、マイクロレンズアレイ12は屈折率:1.5のガラス板にマイクロレンズ121をアレイ配列形成したものであり、マイクロレンズ121の配列ピッチ・レンズ有効径は、基準例のものと同じく15.5μmである。   FIG. 5 shows a “configuration of one liquid crystal pixel portion” in the second embodiment. In order to avoid complications, the same reference numerals as in FIGS. 1 and 3 are used for those that are not likely to be confused. In FIG. 5A, the microlens array 12 is obtained by forming microlenses 121 on a glass plate having a refractive index of 1.5, and the arrangement pitch and effective diameter of the microlenses 121 are those of the reference example. And 15.5 μm.

マイクロレンズ121は実施例1と同一のもので、レンズ頂部に直径:4.2μmの光軸に直交する平面部121Aを形成され、レンズ面高さ(破線で示す「基準面」から平面部121Aまでの高さ)は2.3μm、平面部121Aの周囲の曲面部は、実施例1のものと同一の球面形状である。マイクロレンズアレイ12の液晶10側の面から上記基準面までの高さは実施例1と同じく32.7μmである。液晶10は基準例におけると同一のものである。   The microlens 121 is the same as that of the first embodiment, and a planar portion 121A perpendicular to the optical axis having a diameter of 4.2 μm is formed at the top of the lens, and the planar portion 121A is formed from the lens surface height (the “reference plane” indicated by the broken line). The height is 2.3 μm, and the curved surface portion around the planar portion 121A has the same spherical shape as that of the first embodiment. The height from the surface on the liquid crystal 10 side of the microlens array 12 to the reference surface is 32.7 μm as in the first embodiment. The liquid crystal 10 is the same as in the reference example.

マイクロレンズアレイ12のマイクロレンズ121側の面はカバーガラス14と接合され、両者の間隙部分の媒質は空気となっている。ブラックマトリックス17の開口部の開口径:D(=11.5μm×12.0μm)は基準例と同一である。   The surface of the microlens array 12 on the microlens 121 side is bonded to the cover glass 14, and the medium in the gap between the two is air. The opening diameter of the opening of the black matrix 17: D (= 11.5 μm × 12.0 μm) is the same as the reference example.

図5(b)は、実施例2において、カバーガラス14の側から平行光束を入射させた状態を示している。図の如く、マイクロレンズ121周辺の「球面形状の曲面部」に入射する平行光束部分は曲面部の集光作用により、液晶10を透過しつつブラックマトリックス17の開口部の中心部近傍に集光する。一方、マイクロレンズ121頂部の平面部121Aに入射した光は、レンズ作用を受けずにマイクロレンズ121を透過し、平行光束として液晶10を透過し、ブラックマトリックス17の開口部を透過する。   FIG. 5B shows a state in which a parallel light beam is incident from the cover glass 14 side in the second embodiment. As shown in the drawing, the parallel light flux portion incident on the “spherical curved surface portion” around the microlens 121 is condensed near the center of the opening of the black matrix 17 while being transmitted through the liquid crystal 10 by the condensing action of the curved surface portion. To do. On the other hand, the light incident on the flat surface 121 </ b> A at the top of the microlens 121 passes through the microlens 121 without being subjected to lens action, passes through the liquid crystal 10 as a parallel light flux, and passes through the opening of the black matrix 17.

このため、液晶10の微小部分に過剰な光エネルギが集中することが有効に回避され、液晶のダメージが有効に軽減される。   For this reason, it is effectively avoided that excessive light energy is concentrated on a minute portion of the liquid crystal 10, and damage to the liquid crystal is effectively reduced.

図5(c)は実施例2の液晶パネルユニットに「実際の照明光束に近い状態の光束(基準例におけるシミュレーションに用いたのと同じ光束)」を想定して、カバーガラス14の側から入射させた場合のシミュレーション結果を示している。図5(b)の状態と比較すると、ブラックマトリックス17の開口部へ集光する光の「集光の程度」は図5(b)の場合よりも低下し、ブラックマトリックス17の開口部を透過する光束の光束径は、図5(b)の場合よりも大きくなっている。   FIG. 5C shows an incident from the side of the cover glass 14 on the assumption that the light beam in the state close to the actual illumination light beam (the same light beam used for the simulation in the reference example) is applied to the liquid crystal panel unit of the second embodiment. The simulation result when it is made to show is shown. Compared with the state of FIG. 5B, the “degree of light collection” of the light condensed on the openings of the black matrix 17 is lower than that of FIG. 5B, and the light is transmitted through the openings of the black matrix 17. The diameter of the luminous flux to be generated is larger than that in the case of FIG.

実施例2の図5(c)の場合、照明光の透過効率は基準例の基準値:1に対して0.98となった。
即ち、液晶10の特定部分(ブラックマトリックス17の開口部の中心近傍部分)への光エネルギの過度の集中を有効に軽減させつつ、照明光の透過効率としては基準例の場合と略同等の値が得られている。
In the case of FIG. 5C of Example 2, the transmission efficiency of illumination light was 0.98 with respect to the reference value of the reference example: 1.
That is, while effectively reducing excessive concentration of light energy on a specific portion of the liquid crystal 10 (a portion in the vicinity of the center of the opening of the black matrix 17), the transmission efficiency of the illumination light is substantially equal to that in the reference example. Is obtained.

この実施例2の図5(c)の場合において、カバーガラス14の表・裏面およびマイクロレンズアレイ12のマイクロレンズ面に反射防止膜を形成したところ、照明光の透過効率を基準値:1に対して1.05に向上させることができた。   In the case of FIG. 5C of Example 2, when an antireflection film is formed on the front and back surfaces of the cover glass 14 and the microlens surface of the microlens array 12, the transmission efficiency of the illumination light is set to a reference value of 1. On the other hand, it could be improved to 1.05.

図6は、条件(1)、(2)を説明するための図である。 FIG. 6 is a diagram for explaining the conditions (1) and (2).

図6(a)は、前述の基準例1を表す図3(a)の状態を示している。この場合において、マイクロレンズ131の頂部を平坦化して平面部としたマイクロレンズアレイを図6(b)に符号130で示す。符号1310はマイクロレンズであり、その頂部の平面部を符号1310Aで示す。マイクロレンズ1310において「平面部1310A以外の球面部分の形状」はマイクロレンズ131の球面形状と同一である。   FIG. 6A shows the state of FIG. 3A representing the reference example 1 described above. In this case, a microlens array in which the top portion of the microlens 131 is flattened to form a flat portion is denoted by reference numeral 130 in FIG. Reference numeral 1310 denotes a microlens, and the top flat portion is indicated by reference numeral 1310A. In the microlens 1310, “the shape of the spherical surface other than the flat surface portion 1310A” is the same as the spherical shape of the microlens 131.

このとき、マイクロレンズアレイ130とカバーガラス14との間の領域16Aが「マイクロレンズアレイ130の材質に対して屈折率差:0.1の透明接着剤」により満たされている場合において、上述の「照明光の透過効率」が0.8となるときの、前述のパラメータ:α、βの値をプロットしてみると図7に示す如くになる。これらプロット点(黒丸で示す。以下に於いても同様である。)の並び具合を最小自乗法により2次関数で近似したものが実線で示す曲線(以下においても同様である。)、
β=−5.3α2+1.7α+2.1
であり、従って、透過効率:0.8以上を実現するには、条件(1)を満足すればよい。
At this time, in the case where the region 16A between the microlens array 130 and the cover glass 14 is filled with “a transparent adhesive having a refractive index difference of 0.1 with respect to the material of the microlens array 130”, When plotting the values of the aforementioned parameters: α and β when the “illumination light transmission efficiency” is 0.8, the values are as shown in FIG. A curve indicated by a solid line that approximates the plot points (indicated by black circles, the same applies below) with a quadratic function by the least squares method (the same applies to the following).
β = −5.3α 2 + 1.7α + 2.1
Therefore, in order to realize the transmission efficiency of 0.8 or more, it is sufficient to satisfy the condition (1).

因みに、上記と同じ条件で透過効率が0.95以上となる条件は、図8に示すように、
(3) β≦−4.0α2+0.79α+0.82
である。
Incidentally, the conditions under which the transmission efficiency is 0.95 or more under the same conditions as above are as shown in FIG.
(3) β ≦ −4.0α 2 + 0.79α + 0.82
It is.

また、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間の領域16Aの媒質が実質的に屈折率:1のもの(真空もしくは空気)である場合には、照明光の透過効率が0.8となるときのパラメータ:α、βの値をプロットしてみると図9に示す如くになる。これらプロット点の並び具合を最小自乗法により2次関数で近似したものが、実線の曲線
β=−4.8α2+1.5α+1.8
であり、従って、透過効率:0.8以上を実現するには条件(2)を満足すればよい。
Further, when the medium in the region 16A between the microlens array and the cover glass is substantially one having a refractive index of 1 (vacuum or air), the illumination light transmission efficiency is 0.8. Plotting the values of parameters: α and β are as shown in FIG. A solid curve is obtained by approximating the arrangement of these plot points with a quadratic function using the method of least squares.
β = −4.8α 2 + 1.5α + 1.8
Therefore, it is only necessary to satisfy the condition (2) in order to realize the transmission efficiency of 0.8 or more.

因みに、上記と同じ条件で透過効率が0.95以上となる条件は、図10に示す如く、
(4) β≦−3.97α2+0.8α+0.75
である。
Incidentally, the conditions under which the transmission efficiency is 0.95 or higher under the same conditions as above are as shown in FIG.
(4) β ≦ −3.97α 2 + 0.8α + 0.75
It is.

上記の条件(1)〜(4)は、マイクロレンズの球面形状や有効レンズ面の大きさ、ブラックマトリックスの開口部の大きさ等が異なっても同一である。なお、条件(3)と条件(4)とは、実質的に同じである。   The above conditions (1) to (4) are the same even if the spherical shape of the microlens, the size of the effective lens surface, the size of the opening of the black matrix, and the like are different. Condition (3) and condition (4) are substantially the same.

図7〜図10から明らかなように、照明光の透過効率が0.8あるいは0.95よりも大きくなる領域に於いては、パラメータ:βの値が小さくなるほど(即ち、マイクロレンズ頂部の平面部とカバーガラスとの間隔が小さくなるほど)、平面部の大きさを大きくしても高い透過効率を得ることができる。   As apparent from FIGS. 7 to 10, in the region where the transmission efficiency of the illumination light is larger than 0.8 or 0.95, the parameter β becomes smaller (that is, the plane of the top of the microlens). Higher transmission efficiency can be obtained even if the size of the plane portion is increased as the distance between the portion and the cover glass becomes smaller.

マイクロレンズ頂部の平面部をカバーガラスに当接させた場合には、パラメータ:βは0となるが、このときには、図7〜図10から明らかなように、パラメータ:αに最も大きな値が許容されることになる。例えば、図7、図9の何れの場合もα=0.8程度まで許容され、図8、図10の場合には、α=0.5程度まで許容される。   When the flat surface of the top of the microlens is brought into contact with the cover glass, the parameter: β is 0. At this time, as is clear from FIGS. 7 to 10, the largest value is allowed for the parameter: α. Will be. For example, in either case of FIG. 7 or FIG. 9, up to about α = 0.8 is allowed, and in the case of FIG. 8 or FIG. 10, up to about α = 0.5 is allowed.

実施例1、2の場合について上記条件の充足を見ると、実施例1においては、α=0.07、β=0.32であるので、条件(2)の右辺の値は、
−4.8×0.0049+1.5×0.07+1.8=1.88>0.32
であり、条件(4)の右辺の値は、
−3.97×0.0049+0.8×0.07+0.75=0.79(>0.32)
となるから、実施例1においては条件(2)、(4)が共に満足されている。
Looking at the satisfaction of the above conditions in the cases of Examples 1 and 2, in Example 1, since α = 0.07 and β = 0.32 , the value on the right side of Condition (2) is
−4.8 × 0.0049 + 1.5 × 0.07 + 1.8 = 1.88 ( > 0.32 )
And the value on the right side of condition (4) is
-3.97 × 0.0049 + 0.8 × 0.07 + 0.75 = 0.79 (> 0.32)
Therefore, in Example 1, both the conditions (2) and (4) are satisfied.

また実施例2では、α=0.07、β=0.0であるので、条件(2)の右辺の値は、
−4.8×0.0049+1.5×0.07+1.8=1.88(>0.0)
であり、条件(4)の右辺の値は、
−3.97×0.0049+0.8×0.07+0.75=0.79(>0.0)
となり、実施例2においても条件(2)、(4)が共に満足されている。
In Example 2, since α = 0.07 and β = 0.0, the value on the right side of the condition (2) is
−4.8 × 0.0049 + 1.5 × 0.07 + 1.8 = 1.88 (> 0.0)
And the value on the right side of condition (4) is
-3.97 × 0.0049 + 0.8 × 0.07 + 0.75 = 0.79 (> 0.0)
Thus, also in Example 2, both the conditions (2) and (4) are satisfied.

液晶パネルユニットの実施の形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating embodiment of a liquid crystal panel unit. 従来の液晶パネルユニットを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conventional liquid crystal panel unit. 基準例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example of a reference | standard. 実施例1を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining Example 1; 実施例2を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a second embodiment. 請求項11、12の発明を説明するための図である。It is a figure for demonstrating invention of Claim 11 and 12. 条件(1)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating conditions (1). 条件(3)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating conditions (3). 条件(2)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating conditions (2). 条件(4)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating conditions (4).

符号の説明Explanation of symbols

10 液晶
12 マイクロレンズアレイ
121 マイクロレンズ
121A マイクロレンズ頂部の光軸に直交する平面部
14 カバーガラス
17 ブラックマトリックス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Liquid crystal 12 Micro lens array 121 Micro lens 121A Plane part orthogonal to the optical axis of micro lens top part 14 Cover glass 17 Black matrix

Claims (2)

液晶パネルにおける液晶画素のブラックマトリックス開口部内に集光する機能を有する集光性のマイクロレンズを、上記液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応してアレイ配列してなるマイクロレンズアレイを有し、
上記マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズの頂部該マイクロレンズによる集光性を緩和させるため、光軸に直交する平面部とされ、且つ、上記平面部の径上記ブラックマトリックスの開口部の径よりも小さく設定され
上記マイクロレンズアレイのマイクロレンズ面側に、上記マイクロレンズを保護する平行平板状のカバーガラス、上記マイクロレンズアレイに対して実質的に平行にして、上記マイクロレンズアレイと一体的に設けられ、
上記マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間が、上記マイクロレンズアレイの材質に対して屈折率差:0.1の透明接着剤により満たされるマイクロレンズアレイ素子を設計する方法であって、
上記マイクロレンズ頂部の平面部の面積:sとマイクロレンズのレンズ有効面積:Sとの比:s/Sをα、上記平面部と上記カバーガラスとの間隔:dtと上記レンズ有効面積の直径:DLとの比:dt/DLをβとして、これらαおよびβを設計パラメータとし、
マイクロレンズ光軸に対して傾く光線の傾き角の範囲:±10度を設計条件として、
上記設計パラメータ:αおよびβを、条件:
(1) β≦−5.3α 2 +1.7α+2.1
が満足されるように定めることにより、個々のマイクロレンズに照明光として入射する照明光束の透過率が0.8以上となるようにすることを特徴とするマイクロレンズアレイ素子の設計方法
A microlens array in which light-collecting microlenses having a function of condensing in a black matrix opening of a liquid crystal pixel in a liquid crystal panel are arrayed corresponding to each liquid crystal pixel in the liquid crystal panel;
Top of individual microlenses constituting the microlens array, in order to alleviate the condenser due to the microlens, is a flat section perpendicular to the optical axis, and an opening diameter of the flat portion of the black matrix smaller set than the diameter of the part,
The microlens surface of the microlens array, the parallel plate-shaped cover glass to protect the microlenses in the substantially parallel to the microlens array, the microlens array and provided integrally with,
A method of designing a microlens array element in which a gap between the microlens array and the cover glass is filled with a transparent adhesive having a refractive index difference of 0.1 with respect to the material of the microlens array,
The area of the plane part of the top part of the microlens: ratio of s to the effective lens area of the microlens: S: s / S is α, the distance between the plane part and the cover glass: dt, and the diameter of the effective lens area: Ratio with DL: dt / DL as β , α and β as design parameters,
The range of the tilt angle of the light beam tilted with respect to the optical axis of the micro lens : ± 10 degrees as a design condition,
The above design parameters: α and β, conditions:
(1) β ≦ −5.3α 2 + 1.7α + 2.1
The design method of the microlens array element is characterized in that the transmittance of the illumination light beam incident as the illumination light on each microlens is set to 0.8 or more by setting so as to satisfy the above.
液晶パネルにおける液晶画素のブラックマトリックス開口部内に集光する機能を有する集光性のマイクロレンズを、上記液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応してアレイ配列してなるマイクロレンズアレイを有し、
上記マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズの頂部該マイクロレンズによる集光性を緩和させるため、光軸に直交する平面部とされ、且つ、上記平面部の径上記ブラックマトリックスの開口部の径よりも小さく設定され
上記マイクロレンズアレイのマイクロレンズ面側に、上記マイクロレンズを保護する平行平板状のカバーガラス、上記マイクロレンズアレイに対して実質的に平行にして、上記マイクロレンズアレイと一体的に設けられ、
上記マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を、実質的に屈折率:1の媒質とする
マイクロレンズアレイ素子を設計する方法であって、
上記マイクロレンズ頂部の平面部の面積:sとマイクロレンズのレンズ有効面積:Sとの比:s/Sをα、上記平面部と上記カバーガラスとの間隔:dtと上記レンズ有効面積の直径:DLとの比:dt/DLをβとして、これらαおよびβを設計パラメータとし、
マイクロレンズ光軸に対して傾く光線の傾き角の範囲:±10度を設計条件として、
上記設計パラメータ:αおよびβを、条件:
(2) β≦−4.8α 2 +1.5α+1.8
が満足されるように定めることにより、個々のマイクロレンズに照明光として入射する照明光束の透過率が0.8以上となるようにすることを特徴とするマイクロレンズアレイ素子の設計方法
A microlens array in which light-collecting microlenses having a function of condensing in a black matrix opening of a liquid crystal pixel in a liquid crystal panel are arrayed corresponding to each liquid crystal pixel in the liquid crystal panel;
Top of individual microlenses constituting the microlens array, in order to alleviate the condenser due to the microlens, is a flat section perpendicular to the optical axis, and an opening diameter of the flat portion of the black matrix smaller set than the diameter of the part,
The microlens surface of the microlens array, the parallel plate-shaped cover glass to protect the microlenses in the substantially parallel to the microlens array, the microlens array and provided integrally with,
A medium having substantially a refractive index of 1 is formed between the microlens array and the cover glass.
A method of designing a microlens array element, comprising:
The area of the plane part of the top part of the microlens: ratio of s to the effective lens area of the microlens: S: s / S is α, the distance between the plane part and the cover glass: dt, and the diameter of the effective lens area: Ratio with DL: dt / DL as β , α and β as design parameters,
The range of the tilt angle of the light beam tilted with respect to the optical axis of the micro lens : ± 10 degrees as a design condition,
The above design parameters: α and β, conditions:
(2) β ≦ −4.8α 2 + 1.5α + 1.8
The design method of the microlens array element is characterized in that the transmittance of the illumination light beam incident as the illumination light on each microlens is set to 0.8 or more by setting so as to satisfy the above.
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