JP5569013B2 - 液晶表示素子及び液晶表示素子を備える投射型液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示素子及び液晶表示素子を備える投射型液晶表示装置に関する。

近年、液晶表示素子を搭載した投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）の開発が盛んに行われている。投射型液晶表示装置には、機能、形態からパーソナルコンピュータ用途などのデータプロジェクタ、ホームシアター用途などのフロントプロジェクタ、リアプロジェクタテレビジョン用途などのリアプロジェクタ等がある。

投射型液晶表示装置は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色のサブピクセルを各ドットに設けた液晶表示素子を１枚使った単板式と、モノクロの液晶表示素子をＲ、Ｇ、Ｂの光路ごとに３枚使った３板式とに大別される。また、投射型液晶表示装置は、その中枢となる液晶表示素子が透過型か反射型かに応じて、透過型プロジェクタと反射型プロジェクタとに分けられる。

投射型液晶表示装置においては、高輝度化、高画質化、高精細化、低価格化等に対する要求が高く、特に、投射光量の向上要求が高い。

投射光量は、投射画像の視認性の度合いを示すものであり、かかる投射光量を決定づける要素の１つに液晶表示素子がある。

液晶表示素子は、光源から出射される光を画像信号に応じて空間的に変調し、その変調された画像を出射する役割をもつ。液晶表示素子により変調された光は、投射レンズによってスクリーンや壁などの投射面に投射され、その投射面上に画像を形成する。

また、液晶表示素子は、各画素を駆動するために薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ素子」という）などが基板上に作り込まれる。そのため、隣接する画素間にはブラックマトリクスと呼ばれる光の遮蔽領域が設けられている。したがって、その開口率は決して１００％とはならない。

そこで、液晶表示素子における実質的な開口率を上げるために、光入射側に配置された対向基板上に各ドット（１ピクセル又は１サブピクセル）に対応して光軸方向にマイクロレンズを配置し、液晶表示素子の実効開口率を上げる工夫がなされたものが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

図１２に特許文献１を含む従来の液晶表示素子の概略構造を示す。従来の液晶表示素子では、光入射側に配置された対向基板１００上に各画素に１つずつマイクロレンズ２００を配置し、実効開口率を上げる工夫がなされている。なお、図１２において、符号３００はブラックマトリクスを、符号４００はＴＦＴ基板を、符号５００は液晶層を示している。

ここで、液晶表示素子における“実効開口率”とは、液晶表示素子に入射する全光束に対する、液晶表示素子から出射される全光束の割合をいう。なお、投射型液晶表示装置においては、通常、液晶表示素子による光の損失のみならず、後段の投射レンズによる光のケラレを考慮したものを、液晶表示素子の実効開口率という。このようにマイクロレンズ２００を配置することにより、ブラックマトリクス３００の遮光による光損失は小さくなる。

ところで、マイクロレンズ２００の形成方法としては、以下のような方法が知られている。例えば、透明基板上にレジストパターンを形成した後に加熱し、溶融したレジストパターンの表面張力により凸レンズ形状を得るメルトフロー法、あるいは、マイクロレンズ金型に紫外線硬化樹脂を流し込み、その上にガラス基板を押し当ててガラス基板側から紫外線を照射して樹脂を硬化させ、ガラス基板上に樹脂マイクロレンズを形成するスタンパ法、さらには、透明基板をエッチングして半球状のレンズ形状を得るエッチング法などである。

ここで、マイクロレンズ２００の形成方法の一例として、透明基板へのウエットエッチングによるマイクロレンズ作製工程について、図１３Ａ〜図１３Ｇを参照しながら簡単に説明する。

（ａ）先ず、ガラス基板からなる透明基板２１０上に開口部６１０を形成したマスク６００を形成する（図１３Ａ参照）。
（ｂ）次いで、透明基板２１０全体をマスク６００ごとエッチング液に浸漬し、マスク６００の開口部６１０からウエットエッチングする（図１３Ｂ参照）。
（ｃ）次いで、エッチング形状が所定の曲率半径に達したらエッチングを停止する（図１３Ｃ参照）。
（ｄ）その後、マスク６００を剥離する（図１３Ｄ参照）。
（ｅ）次いで、凹部形状のエッチング部５１０に、透明基板２１０より屈折率の高い光硬化型又は熱硬化型の樹脂７００を滴下する（図１３Ｅ参照）。
（ｆ）次いで、カバーガラス８００を貼りつけ、光照射又は加熱により樹脂を硬化させ、カバーガラス８００を接着する（図１３Ｆ参照）。
（ｇ）最後に、カバーガラス８００を所定の厚さまで研磨してマイクロレンズ基板を得る（図１３Ｇ参照）。

また、図１３Ａ〜図１３Ｇで示した樹脂７００やカバーガラス８００の代わりに、図１４Ａ〜図１４Ｃに示すように、無機膜の積層によるマイクロレンズ作製方法もある。なお、図１４Ａまでの工程は図１３Ａ〜図１３Ｄと共通である。

すなわち、上述した（ａ）〜（ｄ）の工程（図１３Ａ〜図１３Ｄ参照）を経た後、
（ｅ）凹部形状のエッチング部５１０に透明基板２１０より高屈折率の無機膜９００をＰ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法で積層して凹部形状のエッチング部５１０に充填する（図１４Ａ参照）。なお、透明基板２１０より高屈折率の無機膜９００としては、例えばＳｉＯＮなどがある。
（ｆ）次いで、高屈折率の無機膜９００の表面を研磨、平坦化する（図１４Ｂ参照）。
（ｇ）そして、カバーガラス８００（図１３Ｆ及び図１３Ｇ参照）の代わりにＳｉＯなどの低屈折率の無機膜を、Ｐ−ＣＶＤ法で所定の厚さに積層して無機カバー層９１０を形成し、マイクロレンズ基板を得る（図１４Ｃ参照）。なお、ここで無機カバー層９１０に低屈折率の無機膜を積層する理由は、マイクロレンズの集光効率を最大化するために、ある程度、マイクロレンズから液晶面（図１２参照）までの厚さが必要であるからである。その厚さは、空気中の光学的厚さとして示されるが、実際の無機膜の厚さは、空気中の光学的厚さ×屈折率で表される。しかし、生産上は無機カバー層９１０をなるべく薄くして積層時間を短縮することが望ましいことから、無機カバー層９１０には低屈折率の無機膜が用いられる。

上述した方法で製造したマイクロレンズ２００のサイズについて説明する。図１５は一般的なマイクロレンズ２００の各種パラメータの説明図である。図示するように、通常、液晶プロジェクタ用の液晶パネルの画素ピッチ及びマイクロレンズサイズＤは１０μｍ〜３０μｍ程度である。これに伴い、マイクロレンズ２００のレンズ厚さ（マイクロレンズ厚ｔ）は３μｍ〜１０μｍ、またマイクロレンズ２００から液晶面（図１２参照）までの無機カバー層９１０をＳｉＯなどの無機膜で構成する場合、無機カバー層９１０の厚さ（カバー厚Ｔ）は１０μｍ〜３０μｍ程度になる。図中、ｆはレンズ焦点距離を示す。

特開２００９−６３８８８号公報

上述したように、液晶プロジェクタ用の液晶素子の画素ピッチ及びマイクロレンズサイズＤは１０μｍ〜３０μｍ程度であるが、画素ピッチが２０μｍ以上のパネルのマイクロレンズを作製する場合には、以下のような課題があった。

マイクロレンズ付き液晶パネルを用いた液晶プロジェクタでは、マイクロレンズの集光角度は投射レンズのＦ値で規定される。投射レンズのＦ値は一般に１．６〜１．８程度であり、これを円錐の半頂角で示される投射レンズの受光角に換算すると１６度〜１８度（１７度±1度）が受光角度範囲となる。これ以上の拡がり角度でマイクロレンズから光線が射出されても光線は投射レンズを通過できず、光利用効率が低下するからである。そのため、マイクロレンズは、その集光角が前記受光角度範囲で液晶パネルの実効開口率が最大となるよう設計される。

したがって、どの液晶プロジェクタであっても、それに対応するマイクロレンズのF値も１．６〜１．８程度になる。また、集光角も１７±１度になるので、液晶パネルの画素ピッチが異なる場合、相似の原理によりマイクロレンズのサイズやそれに関するレンズパラメーターは液晶パネルの画素ピッチに比例する。

すなわち、大きな画素ピッチの液晶パネルでは、図１２に示したマイクロレンズサイズＤ、レンズの厚さｔ、レンズ焦点距離ｆ、及びマイクロレンズ〜液晶パネルまでの距離、すなわち図１３Ｆにおけるカバーガラス８００の厚さや図１４Ｇにおける無機カバー層９１０のカバー厚Ｔなどが増大することになる。

しかし、画素ピッチに比例してマイクロレンズ厚ｔを増大させることは、マイクロレンズの生産性が低下することになる。

例えば、図１３Ａの透明基板２１０（ガラス基板）をウエットエッチングしてマイクロレンズ２００を作製する方式では、エッチング時間がレンズ体積に比例して長くなってしまう。また、エッチング液に透明基板２１０の成分が流出し、同じエッチング液で何度もエッチングを行うとエッチングレートが低下してしまう。したがって、後のロットではマイクロレンズのエッチング量が不充分になり、レンズ形状差やバラツキが大きくなる。マイクロレンズの形状を精度よく管理するためには、エッチング液を定期的に交換する必要があるが、レンズサイズが大きいとエッチング液の交換頻度も増えるため、生産性低下やコスト増加を招くことになる。

また、無機カバー層９１０となる低屈折率の無機膜をＣＶＤで積層する製造方法（図１４Ａ〜図１４Ｃを参照）を大画素ピッチのマイクロレンズに適用すると、積層時間が長くなってしまい、生産性を著しく低下させてしまう。

すなわち、ＣＶＤの堆積速度は通常３０〜１００ｎｍ／分であり、仮に無機カバー層９１０の無機膜を１０μｍ厚で積層すると１時間半以上要し、３０μｍの無機膜積層では５時間以上を要することになる。他方、生産時間短縮のためマイクロレンズ厚ｔや無機カバー層９１０のカバー厚Ｔを薄く設定すると、最適なレンズ条件から外れてしまい、マイクロレンズの集光性能は低下する。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、画素ピッチを大きくしても、マイクロレンズの生産性と集光性能とを両立することのできる液晶表示素子と、このような液晶表示素子を備えた投射型液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、光入射側から順に、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイと、カバー層と、を有する第１基板と、前記第１基板の光出射側に形成され、画素ごとに前記第１基板から入射した光を変調可能な液晶層と、前記液晶層の光出射側に形成され、前記画素の開口部を画定する遮光層を有する第２基板と、を備え、前記マイクロレンズは、各前記開口部に対してｎ×ｎ個（ｎは２以上の整数）を２次元配列し、その光軸はレンズ形状の中心に対して前記開口部の中心側に偏倚しており（前記ｎが奇数の場合に前記開口部の中央に位置するマイクロレンズを除く）、前記ｎが奇数の場合に前記開口部の中央に位置するマイクロレンズの光軸はレンズ形状の中心に対して偏倚しておらず、前記マイクロレンズのサイズは、画素ピッチの１／ｎであり、前記カバー層の厚みは、各前記開口部に対して２次元配列されたｎ×ｎ個のマイクロレンズのレンズ焦点が前記開口部において前記液晶層に面する遮光膜の位置に調整されている液晶表示素子とした。

また、請求項２に係る発明では、光を発する光源と、前記光源から出射された光を光学的に変調する液晶表示素子と、前記液晶表示素子によって変調された光を投射する投射レンズと、を備え、前記液晶表示素子は、光入射側から順に、複数のマイクロレンズが２次元配列されたマイクロレンズアレイと、カバー層と、を有する第１基板と、前記第１基板の光出射側に形成され、画素ごとに前記第１基板から入射した光を変調可能な液晶層と、前記液晶層の光出射側に形成され、前記画素の開口部を画定する遮光層を有する第２基板と、を備え、前記マイクロレンズは、各前記開口部に対してｎ×ｎ個（ｎは２以上の整数）を２次元配列し、その光軸はレンズ形状の中心に対して前記開口部の中心側に偏倚しており（前記ｎが奇数の場合に前記開口部の中央に位置するマイクロレンズを除く）、前記ｎが奇数の場合に前記開口部の中央に位置するマイクロレンズの光軸はレンズ形状の中心に対して偏倚しておらず、前記マイクロレンズのサイズは、画素ピッチの１／ｎであり、前記カバー層の厚みは、各前記開口部に対して２次元配列されたｎ×ｎ個のマイクロレンズのレンズ焦点が前記開口部において前記液晶層に面する遮光膜の位置に調整されている投射型液晶表示装置とした。

本発明によれば、カバー層厚とレンズ厚が薄いマイクロレンズを作製することができるため、マイクロレンズ作製時間の短縮が図れ、その結果、生産性が向上する。また、分割された複数のマイクロレンズの各光軸の偏倚量を調節することにより、１画素に１個のマイクロレンズが形成された場合よりも高いレンズ効率が期待できる。したがって、生産性と性能が両立する液晶表示素子、及び同液晶表示素子を備える投射型液晶表示装置の提供が可能となる。

本発明の一実施形態に係る投射型液晶表示装置の全体構成の一例を示す図である。 図１に示す液晶表示素子の概略構成を示す説明図である。 図１に示す液晶表示素子の要部の構成を示す説明図である。 図１に示す液晶表示素子におけるマイクロレンズの一例を示す平面視による説明図である。 図４ＡのＡ−Ａ’における断面形状を示す説明図である。 一般的な液晶表示素子の集光状態を示す説明図である。 図１に示す液晶表示素子の集光状態を示す説明図である。 マイクロレンズを薄型化する原理説明図である。 マイクロレンズを薄型化する原理説明図である。 マイクロレンズを薄型化する原理説明図である。 マイクロレンズを薄型化する原理説明図である。 図４Ａに示すマイクロレンズの製造工程を示す説明図である。 図７ＡのＢ−Ｂ’における断面形状を示す説明図である。 図４Ａに示すマイクロレンズの製造工程を示す説明図である。 図８ＡのＢ−Ｂ’における断面形状を示す説明図である。 図４Ａに示すマイクロレンズの製造工程を示す説明図である。 図９Ａに示すＢ−Ｂ’における断面形状を示す説明図である。 図９Ａに示すＡ−Ａ’における断面形状を示す説明図である。 図４Ａに示すマイクロレンズの製造工程を示す説明図である。 図１０Ａに示すＡ−Ａ’における断面形状を示す説明図である。 ２画素分のマイクロレンズが隣接形成された状態を示す説明図である。 図１１Ａに示すＣ−Ｃ’における断面形状を示す説明図である。 従来の液晶表示素子を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 マイクロレンズの製造工程の一例を示す説明図である。 一般的なマイクロレンズの各種パラメータの説明図である。

本発明の一実施形態としての投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）は、以下の構成を有している。

すなわち、本実施形態に係る投射型液晶表示装置は、光を発する光源と、光源から出射された光を光学的に変調する液晶表示素子と、液晶表示素子によって変調された光を投射する投射レンズとを備えている。液晶表示素子は、複数のマイクロレンズが２次元配列されたマイクロレンズアレイを有する第１基板と、第１基板の光出射側に形成され、画素ごとに第１基板から入射した光を変調可能な液晶層と、液晶層の光出射側に形成され、画素の開口部を画定する遮光層を有する第２基板とを備えている。そして、第１基板のマイクロレンズは、第２基板の各開口部に対して複数設けられ、その光軸はレンズ形状の中心に対して前記開口部の中心側に偏倚している。

つまり、第１基板に二次元配列された複数のマイクロレンズの各光軸が、レンズ形状の中心に対して前記開口部の中心側に寄せて配置されているものである。

このように、本実施形態に係る投射型液晶表示装置は、主として液晶表示素子の構成に特徴を有する。以下、本発明の実施形態を、以下の順序で図面を参照しながら説明する。
１．投射型液晶表示装置の全体構成
２．液晶表示素子の構成及び製造方法
３．液晶表示素子の変形例

〔１．投射型液晶表示装置の全体構成〕
図１に示すように、本実施形態に係る投射型液晶表示装置１は、光を発する光源１１と、対をなす第１フライアイレンズ１２及び第２フライアイレンズ１３と、これらのフライアイレンズ１２，１３の間に設けられ、光路（光軸１０）を第２フライアイレンズ１３側に略９０度曲げるように配置された全反射ミラー１４とを備えている。

光源１１はカラー画像表示に必要とされる、赤色光、青色光及び緑色光を含んだ白色光を発するようになっている。この光源１１は、白色光を発する発光体（図示せず）と、発光体から発せられた光を反射する凹面鏡とを含んで構成されている。発光体としては、例えば、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ又はキセノンランプ等が使用される。凹面鏡は、例えば回転楕円面鏡や回転放物面鏡等の回転対称な面形状となっている。

第１フライアイレンズ１２には複数のマイクロレンズ１２Ｍが、また、第２フライアイレンズ１３には複数のマイクロレンズ１３Ｍが、それぞれ対応して２次元的に配列されている。これらのフライアイレンズ１２，１３は、光の照度分布を均一化させるためのものであり、入射した光を複数の小光束に分割する機能を有している。従って、光源１１から発せられた白色光は、第１フライアイレンズ１２及び第２フライアイレンズ１３を透過することにより、複数の小光束に分割される。

この投射型液晶表示装置１は、また、第２フライアイレンズ１３の光出射側に、ＰＳ合成素子１５と、コンデンサレンズ１６と、ダイクロイックミラー１７とを順番に備えている。

第１フライアイレンズ１２及び第２フライアイレンズ１３を透過した光は、ＰＳ合成素子１５に入射する。ＰＳ合成素子１５には、第２フライアイレンズ１３における隣り合うマイクロレンズ間に対応する位置に、複数の１／２波長板１５Ａが設けられている。ＰＳ合成素子１５は、入射した光を第１偏光光（Ｐ偏光成分）及び第２偏光光（Ｓ偏光成分）に分離し、一方の偏光光（例えばＳ偏光成分）を、その偏光方向を保ったままＰＳ合成素子１５から出射し、他方の偏光光（例えばＰ偏光成分）を、１／２波長板１５Ａの作用により、他の偏光成分（例えばＳ偏光成分）に変換して出射する。これにより、分離された２つの偏光光の偏光方向が特定の方向（例えばＳ偏光）に揃えられる。

ＰＳ合成素子１５を出射した光は、コンデンサレンズ１６を透過した後、ダイクロイックミラー１７に入射する。ダイクロイックミラー１７は、入射した光を、赤色光ＬＲと、その他の色光とに分離する。

また、この投射型液晶表示装置１は、ダイクロイックミラー１７によって分離された赤色光ＬＲの光路に沿って、全反射ミラー１８と、フィールドレンズ２４Ｒと、液晶表示素子２５Ｒとを順番に備えている。

全反射ミラー１８は、ダイクロイックミラー１７によって分離された赤色光ＬＲを、液晶表示素子２５Ｒに向けて反射する。全反射ミラー１８によって反射された赤色光ＬＲは、フィールドレンズ２４Ｒを介して液晶表示素子２５Ｒに入射する。液晶表示素子２５Ｒに入射した赤色光ＬＲは、液晶表示素子２５Ｒにおいて、画像信号に応じて空間的に変調された後、後述するクロスプリズム２６の入射面２６Ｒに入射する。

投射型液晶表示装置１は、さらに、ダイクロイックミラー１７によって分離された他の色光の光路に沿って、ダイクロイックミラー１９を備えている。ダイクロイックミラー１９は、入射した光を、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。この投射型液晶表示装置１は、また、ダイクロイックミラー１９によって分離された緑色光ＬＧの光路に沿って、フィールドレンズ２４Ｇと、液晶表示素子２５Ｇとを順番に備えている。緑色光ＬＧは、フィールドレンズ２４Ｇを介して液晶表示素子２５Ｇに入射する。液晶表示素子２５Ｇに入射した緑色光ＬＧは、液晶表示素子２５Ｇにおいて、画像信号に応じて空間的に変調された後、後述するクロスプリズム２６の入射面２６Ｇに入射する。

この投射型液晶表示装置１は、さらに、ダイクロイックミラー１９によって分離された青色光ＬＢの光路に沿って、リレーレンズ２０と、全反射ミラー２１と、リレーレンズ２２と、全反射ミラー２３と、フィールドレンズ２４Ｂと、液晶表示素子２５Ｂとを順番に備えている。全反射ミラー２１は、リレーレンズ２０を介して入射した青色光ＬＢを、全反射ミラー２３に向けて反射する。全反射ミラー２３は、リレーレンズ２２を介して入射した青色光ＬＢを液晶表示素子２５Ｂに向けて反射する。液晶表示素子２５Ｂは、フィールドレンズ２４Ｂを介して入射した青色光ＬＢを、画像信号に応じて空間的に変調した後、後述するクロスプリズム２６の入射面２６Ｂに入射する。

なお、液晶表示素子２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂのそれぞれの入射面には、第１フライアイレンズ１２及び第２フライアイレンズ１３によって分割された複数の小光束が拡大された状態で重畳され、全体的に均一な照明がなされる。第１フライアイレンズ１２及び第２フライアイレンズ１３によって分割された各小光束は、コンデンサレンズ１６の焦点距離と第２フライアイレンズ１３に設けられたマイクロレンズ１３Ｍの焦点距離とで決まる拡大率で拡大される。

また、図示しないが、フィールドレンズ２４Ｒ，２４Ｇ，２４Ｂのそれぞれの光出射面側に、液晶表示素子２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂのそれぞれに偏光を入射するための入射偏光板、また、クロスプリズム２６の入射面２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂのそれぞれに液晶表示素子で変調された光を制御する出射偏光板を有している。

この投射型液晶表示装置１は、また、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢの光路が交わる位置に、３つの色光ＬＲ、ＬＧ，ＬＢを合成するクロスプリズム２６を備えている。この投射型液晶表示装置１は、また、クロスプリズム２６から出射された合成光を、スクリーン２８に向けて投射するための投射レンズ２７を備えており、クロスプリズム２６の出射光が、投射レンズ２７によってスクリーン２８の前面側又は背面側に投射されることにより、スクリーン２８上に画像を形成する。なお、クロスプリズム２６は、３つの入射面２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂと、一つの出射面２６Ｔを有している。入射面２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂには、それぞれ液晶表示素子２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂから出射された赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢがそれぞれ入射するようになっている。そして、クロスプリズム２６は、入射面２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｇに入射した３つの色光を合成して出射面２６Ｔから出射する。

〔２．液晶表示素子の構成及び製造方法〕
図２及び図３は、液晶表示素子２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの構成例を示している。なお、図３は図２に示すＡ部分の拡大図である。液晶表示素子２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂは、それぞれ変調対象となる光の成分が異なるのみで、その機能、構成は実質的に同じである。以下では、各色用の液晶表示素子２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの構成をまとめて液晶表示素子２５として説明する。

図２に示すように、液晶表示素子２５は、光入射側より、防塵ガラス３９Ａ、第１基板としての対向基板４０、液晶層５０、第２基板としてのＴＦＴ基板６０、防塵ガラス３９Ｂを備えている。

対向基板４０は、図３に示すように、光入射側から順に、マイクロレンズアレイ４１、カバー層４２から形成される。なお、カバー層４２と液晶層５０との間には、透明電極から形成される対向電極４３や配向膜４４が形成されている。対向電極４３は後述するＴＦＴ基板６０に形成される画素電極６７との間で電位を発生させるためのものである。

マイクロレンズアレイ４１は、光入射面側に順次形成される低屈折率の光学物質層４１ａと高屈折率の光学物質層４１ｂとにより構成され、前記各画素電極６７に対応して２次元的に設けられた複数のマイクロレンズ９０を有している。

ＴＦＴ基板６０は、層間絶縁膜６３、裏面遮光膜６４、ＴＦＴ素子６５、表面遮光膜６６、透明電極からなる画素電極６７、配向膜６８などが順次形成されて構成される。裏面遮光膜６４及び表面遮光膜６６は遮光層を形成しており、これら裏面遮光膜６４及び表面遮光膜６６により実質的なブラックマトリクスが形成される。このブラックマトリクスによって囲まれ、入射光が透過可能な開口領域が、１画素（ドット）分の開口部である画素開口７０となる。また、ブラックマトリクス内には、隣接する画素電極６７に対して、画像信号に応じて選択的に電圧を印加するためのＴＦＴ素子６５が形成される。

各マイクロレンズ９０は、全体として正の屈折力（パワー）を有している。図３に示す例では、各マイクロレンズ９０のレンズ面は球面形状で構成され、光入射側（光源側）に凸形状となっている。このような面形状で正のパワーを持たせるために、低屈折率の光学物質層４１ａと高屈折率の光学物質層４１ｂは、その屈折率をそれぞれＮ１，Ｎ２とすると、「Ｎ２＞Ｎ１」の関係を満たすように構成されている。なお、Ｎ２とＮ１の相対的な屈折率差は、例えば０．２〜０．３程度で、より高い値が確保されていることが望ましい。また、光学物質層４１ａは、例えば、石英基板などのガラス基板から構成され、光学物質層４１ｂは、例えばウレタン系やアクリル系の樹脂などにより形成される。

このマイクロレンズ９０のＦナンバーは、後段の投射レンズ２７（図１参照）のＦナンバー以上の大きさに設定される。従って、液晶表示素子２５に入射した光のうち、マイクロレンズ９０によって集光されて画素開口７０に入射した光のほとんどが画像表示に利用可能な有効な光となる。

ここで、本実施形態に係る液晶表示素子２５の特徴的な構成を図面を参照して説明する。図４Ａは、本実施形態に係るマイクロレンズ９０を模式的に平面視で示す説明図、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ’における断面形状を示す説明図である。

液晶表示素子２５は、図３、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、各画素開口７０に対して複数のマイクロレンズ９０を二次元配列し、しかも、各マイクロレンズ９０の光軸９１を、それぞれレンズ形状の中心である形状中心９２に対して画素開口７０の中心側に偏倚させている。

図４Ａにおいて、×印は、正方形に等分割された個々の分割マイクロレンズ９０Ａの各形状中心９２を示しており、個々の分割マイクロレンズ９０Ａの幾何学的な重心位置となる。また、図４Ａにおいて、○印は、それぞれの分割マイクロレンズ９０Ａの各光軸９１の位置を示している。分割マイクロレンズ９０Ａの光軸９１の位置とは、光学的にはマイクロレンズアレイ４１に垂直入射した光線がレンズで屈折されず垂直射出される位置を示す。

このように、液晶表示素子２５では、マイクロレンズ９０を複数の分割マイクロレンズ９０Ａで構成し、各前記画素開口７０に対して複数の分割マイクロレンズ９０Ａを二次元配列している。そして、各分割マイクロレンズ９０Ａの光軸９１は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、各分割マイクロレンズ９０Ａの形状中心９２に対して画素開口７０の画素中心７１側に偏倚している。

このような構成とすることにより、マイクロレンズ９０の厚さとカバー層４２の厚さを薄くして、全体として厚みが極めて薄いマイクロレンズアレイ４１の作製が可能となる。したがって、マイクロレンズ作製時間の短縮が図れることになり、生産性が向上する。

また、本実施形態に係るマイクロレンズ９０は、１組の二次元配列された４個の分割マイクロレンズ９０Ａにより構成されている。そして、各分割マイクロレンズ９０Ａは、縦横の画素ピッチｐμｍ×ｐμｍの液晶パネル１画素に対して、１辺がｐ/２μｍ×ｐ/２μｍサイズの正方形に分割形成されている。

また、図４Ａにおいて、符号ｄは、光軸９１の形状中心９２に対するずれの長さを示す偏倚量であり、この偏倚量ｄを調節することにより、従来のように、１画素に１個のマイクロレンズが形成された場合よりも高いレンズ効率が期待できる。

特に、マイクロレンズ９０を正方形状とし、分割マイクロレンズ９０Ａを２×２個配置して、偏倚量ｄをどの分割マイクロレンズ９０Ａにおいても一定にすることで、対称性を確保して安定したレンズ効率の向上を図ることができる。

ここで、１画素に対して複数の分割マイクロレンズ９０Ａからなるマイクロレンズ９０を設けた本実施形態に係る液晶表示素子２５と、従来のように１個のマイクロレンズを設けた一般的な液晶表示素子とを比較してみる。

図５Ａは一般的な従来の液晶表示素子の集光状態を示す説明図、図５Ｂは本実施形態に係る液晶表示素子２５の集光状態を示す説明図である。

図５Ａにおいて、Ｌ１はマイクロレンズのレンズ厚さ、Ｃ１はカバー層の厚さ、Ｄ１は画素開口におけるマイクロレンズの集光幅、及びθ１は光軸に対するマイクロレンズの集光角を示す。また、図５Ｂにおいて、L２は分割マイクロレンズのレンズ厚さ、Ｃ２はカバー層４２の厚さ、Ｄ２は画素開口７０におけるマイクロレンズ９０の集光幅、及びθ２は光軸９１に対する分割マイクロレンズ９０Ａの集光角を示す。

ここでは、比較のため、マイクロレンズの集光効率やＦ値を同一条件としている。すなわち、本実施形態に係る液晶表示素子２５の画素開口７０におけるマイクロレンズ９０の集光幅Ｄ２と、一般的な液晶表示素子の画素開口部におけるマイクロレンズの集光幅Ｄ１とを同一としている。また、本実施形態に係る液晶表示素子２５の光軸９１に対するマイクロレンズの集光角θ２と一般的な液晶表示素子の光軸に対するマイクロレンズの集光角θ１は同一としている。

図５Ａと図５Ｂとから分かるように、本実施形態に係る液晶表示素子２５では、分割マイクロレンズ９０Ａのレンズ厚さＬ２とカバー層４２の厚さＣ２は、従来の液晶表示素子に比べて薄くなっている。

つまり、画素開口７０に対して複数のマイクロレンズ９０を二次元配列し、しかも、各マイクロレンズ９０の光軸９１を、それぞれレンズ形状の中心である形状中心９２に対して画素開口７０の中心側に偏倚させたことで、マイクロレンズの集光効率やＦ値を変えることなく、全体として厚みが極めて薄いマイクロレンズアレイ４１の作製が可能となる。したがって、マイクロレンズ作製時間の短縮が図れることになり、マイクロレンズ９０のみならず、ひいては液晶表示素子２５の生産性をも向上させることが可能となる。

以下、図６Ａ〜図６Ｄを参照しながら、集光効率を損なわずにマイクロレンズ９０を薄型化する原理を説明する。なお、各図における符号ｆはレンズ焦点距離を示す。

図６Ａは従来の一般的なマイクロレンズであり、集光幅D1は集光効率が最大となる条件となっている。これを、レンズ厚さL2の分割マイクロレンズ９０Ａに分割・薄型化することにより、図６Ｂの断面構造が得られる。図６Ｂにおいて、分割マイクロレンズ９０Ａのレンズ焦点距離ｆは図６Ａで示した構造よりも短縮されている。また、集光角θ１とカバー厚さＣ１は不変なので、画素開口７０における集光幅Ｄ２は図６Ａで示した構造における集光幅Ｄ１よりも拡がる。

図６Ｂで示した構造における分割マイクロレンズ９０Ａの光軸９１を、互いに内側に寄せて偏心させたものが図６Ｃに示す構造である。図示するように、光軸９１，９１間の光軸間隔Ｄ３を狭めると、集光幅Ｄ２は図６Ｂで示す構造よりも狭くなる。

そして、図６Ｄで示す構造では、カバー層４２を薄くしてＣ２としている。そのため、図６Ｃで示した構造よりも、画素開口７０での集光幅Ｄ２は、より狭くなっている。ここでの集光幅Ｄ２は、従来構造のマイクロレンズで集光効率が最大となる集光幅Ｄ１（図６Ａ参照）と等しい。

以上説明したように、集光角θ１と集光幅Ｄ２（Ｄ１）とは変わらないため、従来のように大きくて厚いマイクロレンズの高い集光効率は維持しながらも、極めて薄いマイクロレンズ９０が得られることになる。

次に、液晶表示素子２５の製造方法において、その製造過程における分割マイクロレンズ９０Ａの製造方法について、図７Ａ〜図１０Ｂを参照しながら説明する。図７Ａ，図８Ａ，図９Ａ及び図１０Ａは縦横の画素ピッチｐμｍの液晶パネルの１画素の領域に相当するマイクロレンズアレイ４１の製造過程での平面図を示す。また、図７Ｂ，図８Ｂ，図９Ｂ及び図１０Ｂは、それぞれ図７Ａ，図８Ａ，図９Ａ及び図１０ＡのＢ−Ｂ’断面を示す。また、図９Ｃは、図９ＡのＡ−Ａ’断面を示す。

図７Ｂに示すように、光学物質層４１ａからなるガラス基板などの透明基板上にマスク９５を形成し、次いで、リソグラフィにより、マスク９５に４つの円形のマスク開口部９６を形成する（図７Ａ参照）。図７Ａに示した４個所の×印は、前述したように、1画素を４分割したそれぞれの正方形の中心位置であり、後に形成される分割マイクロレンズ９０Ａの形状中心９２となる位置である（図４Ａ参照）。４つのマスク開口部９６は×印の位置から対角方向に沿って画素中心７１に向って同じ偏倚量ｄだけシフトしており、これらマスク開口部９６の位置が後の分割マイクロレンズ９０Ａの光軸９１の位置となる（図４Ａ参照）。

次に、透明基板を図示しないエッチング液に浸漬し、各マスク開口部９６を起点として透明基板の等方性エッチングを行う。図８Ｂで示す状態はエッチング途中の状態であり、図８Ａにおいて点線で示した円９７はエッチングの進行範囲を示している。それぞれの円９７の中心にはマスク開口部９６が位置することになる。

図９Ａ〜図９Ｃは、さらにエッチングが進行した状態である。４つの円９７は更に拡大してエッチング範囲がオーバーラップするようになるが、エッチング領域の境界線は隣り合う円９７同士の交点を結ぶ直線となる。そして、エッチングが進行するにつれて、この境界線が縦横方向に伸びる。図９Ａ及び図９Ｃに示すように、この状態では、隣り合う円９７同士はオーバーラップするものの、向かい合う円９７の間には、未だエッチングされてない領域が存在している。

図１０Ａ及び図１０Ｂはエッチングが終了し、所望の曲率半径の分割マイクロレンズ９０Ａが得られた状態を示している。すなわち、液晶パネルの１画素当たり４つの分割マイクロレンズ９０Ａからなる１組のマイクロレンズ９０が正方形状に形成されている。

ところで、図７Ａ〜図１０Ｂでは、液晶パネルの１画素内に４つの分割マイクロレンズ９０Ａが分割形成された状態を示しているが、２画素分のマイクロレンズ９０が横方向に隣接形成された状態を図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。

等方性エッチング領域が円形であることから、図示するように、隣接画素同士の縦及び横方向の境界線９８は、隣接する円形エッチング領域の交点を結ぶ直線となり、且つこれら直線の間隔は画素ピッチｐμｍと等しくなる。すなわち、偏心した分割マイクロレンズ９０Ａの４個１組が１塊りになって、正確に画素ピッチｐμｍ間隔で配列されるのである。

このように、光学物質層４１ａからなるガラス基板などの透明基板の等方性エッチングを用い、また、エッチング用のマスク９５に形成された４つのマスク開口部９６がどれも画素中心７１から対角方向に沿って中心から等しい距離に配置される。そのため、等方エッチングされた円形領域の境界線が直線となって１画素を４等分し、光軸９１が形状中心９２から偏心した分割マイクロレンズ９０Ａを形成することができる。

〔３．液晶表示素子の変形例〕
次に、液晶表示素子２５の変形例について説明する。上述してきた実施形態では、画素開口７０に対して、分割マイクロレンズ９０Ａを２×２個配置したが、分割マイクロレンズ９０Ａは画素開口７０に対して２×２個に限らず、ｎ×ｎ個（ｎは整数）配置することができる。各分割マイクロレンズ９０Ａは、縦横の画素ピッチｐμｍ×ｐμｍの液晶パネル１画素に対して、１辺がｐ/ｎμｍ×ｐ/ｎμｍの正方形状のサイズとなる。

このとき、例えば、ｎ＝３のように「ｎ」が奇数の場合、画素開口７０の中央に位置する分割マイクロレンズ９０Ａの光軸９１は、当該分割マイクロレンズ９０Ａの形状中心９２に対して偏倚させる必要はない。すなわち、分割マイクロレンズ９０Ａを略正方形の画素開口７０に対して奇数×奇数のマトリクス状に配置する場合、画素開口７０の中央に位置する分割マイクロレンズ９０Ａの光軸９１は、当該分割マイクロレンズ９０Ａの形状中心９２に対して偏倚させないようにするとよい。このようにすることで、対称性を確保して安定したレンズ効率の向上を図ることができる。

なお、ｎが奇数の場合、前述したガラス基板の等方性エッチングを用いて、中央以外のｎ^２−１個の分割マイクロレンズ９０Ａに偏倚を与えたマイクロレンズを作製すると、個々の分割マイクロレンズ９０Ａは正方形とはならない。例えば、ｎ＝３の場合、分割マイクロレンズ９０Ａで１画素が隙間なく敷き詰められているとすると、中央の分割マイクロレンズは八（＝ｎ^２−１）角形、それ以外の分割マイクロレンズは四角形と五角形が４つずつの構成となる。このようにｎが奇数の場合、等方性エッチングでは個々の分割マイクロレンズ形状やサイズが偏倚量によって一意に決まってしまい、作製方法によってレンズ設計条件が制約を受けることになる。

従って、上述のｎ＝３のみならず、任意のｎ×ｎ分割マイクロレンズを作製する方法は前述したガラス基板の等方性エッチングに限定されず、分割数に応じて各種マイクロレンズ作製プロセスを用いても良い。例えば、前述のスタンパ法、あるいはグレートーンマスクと非等方性エッチングを用いてガラス基板を任意形状にエッチングする方法などがある。これらのプロセスでは分割レンズ形状、サイズ、及び偏倚量といったパラメータを独立に設定できるので、レンズ設計において幅広い条件から最適なレンズ形状を探索・設定することができる。

以上説明してきたように、本実施形態によれば、レンズ効率などの性能が高い液晶表示素子２５を、生産性を損なうことなく提供することが可能となり、ひいては、このような優れた液晶表示素子２５を用いた高性能の投射型液晶表示装置１を提供することも可能となる。

なお、上述してきた実施形態を通して本発明を説明したが、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。例えば、投射型液晶表示装置は、上述したように液晶表示素子を３枚使用するタイプの例を挙げたが、単板式のカラー表示型の投射型液晶表示装置でも同様の効果を得ることができる。

１ 投射型液晶表示装置
１１ 光源
２５ 液晶表示素子
２７ 投射レンズ
４０ 対向基板（第１基板）
４１ マイクロレンズアレイ
５０ 液晶層
６０ ＴＦＴ基板（第２基板）
７０ 画素開口（画素の開口部）
９０ マイクロレンズ
９０Ａ 分割マイクロレンズ
９１ 光軸
９２ 形状中心（レンズ形状の中心）
ｄ 偏倚量

Claims (2)

1. 光入射側から順に、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイと、カバー層と、を有する第１基板と、
   前記第１基板の光出射側に形成され、画素ごとに前記第１基板から入射した光を変調可能な液晶層と、
   前記液晶層の光出射側に形成され、前記画素の開口部を画定する遮光層を有する第２基板と、を備え、
   前記マイクロレンズは、各前記開口部に対してｎ×ｎ個（ｎは２以上の整数）を２次元配列し、その光軸はレンズ形状の中心に対して前記開口部の中心側に偏倚しており（前記ｎが奇数の場合に前記開口部の中央に位置するマイクロレンズを除く）、前記ｎが奇数の場合に前記開口部の中央に位置するマイクロレンズの光軸はレンズ形状の中心に対して偏倚しておらず、
   前記マイクロレンズのサイズは、画素ピッチの１／ｎであり、
   前記カバー層の厚みは、各前記開口部に対して２次元配列されたｎ×ｎ個のマイクロレンズのレンズ焦点が前記開口部において前記液晶層に面する遮光膜の位置に調整されている液晶表示素子。
2. 光を発する光源と、
   前記光源から出射された光を光学的に変調する液晶表示素子と、
   前記液晶表示素子によって変調された光を投射する投射レンズと、を備え、
   前記液晶表示素子は、
   光入射側から順に、複数のマイクロレンズが２次元配列されたマイクロレンズアレイと、カバー層と、を有する第１基板と、
   前記第１基板の光出射側に形成され、画素ごとに前記第１基板から入射した光を変調可能な液晶層と、
   前記液晶層の光出射側に形成され、前記画素の開口部を画定する遮光層を有する第２基板と、を備え、
   前記マイクロレンズは、各前記開口部に対してｎ×ｎ個（ｎは２以上の整数）を２次元配列し、その光軸はレンズ形状の中心に対して前記開口部の中心側に偏倚しており（前記ｎが奇数の場合に前記開口部の中央に位置するマイクロレンズを除く）、前記ｎが奇数の場合に前記開口部の中央に位置するマイクロレンズの光軸はレンズ形状の中心に対して偏倚しておらず、
   前記マイクロレンズのサイズは、画素ピッチの１／ｎであり、
   前記カバー層の厚みは、各前記開口部に対して２次元配列されたｎ×ｎ個のマイクロレンズのレンズ焦点が前記開口部において前記液晶層に面する遮光膜の位置に調整されている投射型液晶表示装置。

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