JP6046916B2

JP6046916B2 - マイクロレンズの形成方法

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Publication number: JP6046916B2
Application number: JP2012117845A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　隆博; 隆博佐藤
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
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Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-05-23
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Description

本発明は、マイクロレンズのような微細なレンズの光利用効率を高める技術、液晶プロジェクタ等の光学機器に使用される液晶パネル等の液晶デバイスの対向基板に組み込まれるマイクロレンズの製造方法およびその方法により製造されたマイクロレンズの技術分野に属する。また、そのマイクロレンズを用いた液晶デバイス用対向基板、および液晶デバイスの技術分野に属する。

プロジェクタ等の電気光学装置などでは、その装置に用いられる液晶パネル等の液晶デバイスの各画素において、実際に表示に寄与し得る光が透過したり反射したりする領域は、各種配線や電子素子等の存在によって本質的に限られている。そこで、従来は、例えば、液晶パネル等の液晶デバイスにおいて、各画素に対応する凸型マイクロレンズや凹型マイクロレンズを所定の位置に配列したマイクロレンズアレイを液晶層の対向基板に作り込んだり、マイクロレンズアレイ基板を対向基板に貼り付けたりして、液晶層に入射される光量を画素単位で集光するようにしている。各種配線や電子素子等により形成されるブラックマトリックス層のブラックマトリックス（ＢＭ）によって液晶層に入射される光量は各画素において本質的に限られている。電気光学装置においてマイクロレンズアレイを利用することにより、各画素の開口領域内に光束が導かれるようにした結果、明るい表示が可能となる。マイクロレンズに限らず、レンズサイズを大型化した凸型や凹型レンズの利用分野は、電気光学装置の大型化に対応する分野も含めて将来的にも広がるものである。

このように光の利用効率を上げるために、従来の技術においてもマイクロレンズを使用してＢＭ（ブラックマトリックス）を避けるように各画素ごとに各画素への入射光線を曲げる構成が用いられている。ただし、光線を大きく曲げすぎると、仮にＢＭを通過できたとしても投射レンズで取り込めなくなるため、ＢＭを避けつつも、できるだけテレセントリックに近い光が必要となる。今まではマイクロレンズの入射側に一つの曲面を設けて光線を適度に曲げ、ＢＭを避けつつテレセントリックに近い光となるようにバランスをとっていた。

従来例の技術として、液晶デバイスの構造として、液晶デバイスでのＴＦＴ基板とともに液晶層を挟持し、光照射側に配備される対向基板の構成として、液晶デバイスにおける個々の画素に対応するマイクロレンズのアレイが形成されたマイクロレンズアレイ基板と、平面基板とをマイクロレンズの形成された面を内側にして重ねて一体化した対向基板が特許文献１に開示されている。ＴＦＴ基板の液晶層に接する側の面には、液晶に対する駆動電界を印加するためのＴＦＴ（Thin Film Transistor）では画素が列に従って配列形成され、これらＴＦＴを駆動するためのバスラインが形成されている。

その結果、このＴＦＴ基板においては、ＴＦＴとバスラインの形成されていない部分が微小な開口として２次元的に配列し、個々の開口が画素に対応する。ＴＦＴ基板でない方の基板は、対向基板と呼ばれ、対向基板の液晶層に接する側の面には、ＴＦＴに対する透明な対向電極層と、ＴＦＴやバスラインに対して照射光束を遮光するＢＭ（上記画素に対応する開口に応じた開口の配列が形成されている）等がブラックマトリックス層に形成されている。このように、ＴＦＴ−ＬＣＤにおいて、一つの画素はＴＦＴやバスライン等により光の透過しない部分と、開口部からなり、開口部の面積は１画素の割り当て面積の一部である。このため、ＴＦＴ−ＬＣＤに平行光束を照射した場合、個々の画素あたりにおいて、開口部を透過できるのは入射光の３０％程度と小さく、光の利用効率が悪い。これを改善するために、ＴＦＴ−ＬＣＤにおける個々の画素に対応してマイクロレンズを設け、各マイクロレンズにより光を対応する画素の開口部（ブラックマトリックスの開口部）に集光するようにすることが知られている。このようにすると、光利用効率を有効に高めることができる。

特許文献１には、液晶プロジェクタに用いられる液晶デバイスにおいて、ＴＦＴ基板とともに液晶層を挟持し光照射側に配備される対向基板をマイクロレンズアレイ基板と平面基板とを重ねて一体化した技術が開示されている。マイクロレンズアレイ基板は、集光用の同一のマイクロレンズアレイ配列を片面に形成された透明な基板であって、マイクロレンズの個々が液晶デバイスにおける個々の画素に対応する。平面基板との重ね合わせにおいては、マイクロレンズアレイの形成された面（液晶層側）が内側にされる。良好な光利用効率を得るためには、ＴＦＴ−ＬＣＤに照射する光束のＴＦＴ−ＬＣＤへの入射角を極めて高い精度で、入射角：０に調整する必要がある。このため、マイクロレンズアレイ形成面から液晶層側の面までの距離が、上記マイクロレンズの焦点距離に略等しく、この焦点距離は、液晶デバイスにおける画素のピッチの１０倍以下の大きさ等とするマイクロレンズアレイの形状および配置が用いられている。

特許文献２には、液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応して配列され、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集光性のマイクロレンズをアレイ配列したマイクロレンズアレイにおいて、個々のマイクロレンズの照明光の入射側の頂部を光軸に直交する平面部として、照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する技術が開示されている。また、マイクロレンズアレイと照射光の入射側に配備された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所定の屈折率差をもつ媒質とすることにより、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高める技術が開示されている。

特許文献３には、光束の入射面に複数の凸レンズまたは凹レンズで、光束の出射側に向かって細くなるテーパ状の円筒形状部分を備えたマイクロレンズが形成され、また光束の出射側には複数のレンズの少なくとも中心を避ける位置に対応して複数の凹部に遮蔽層（ブラックマトリックス）が形成されたマイクロレンズアレイ基板の構造と製造方法が開示されている。この凹部の開口部の面積が底面部の面積より大きくなっていることにより遮光性材料が凹部内に導かれる構成となっているので、出射光束は、入射光束を絞りこんだ状態で出射される。マイクロレンズアレイ基板に形成されたマイクロレンズは、光束の入射面側に設けられた凸状あるいは凹状のマイクロレンズの周辺に光束を絞り込むのに適したブラックマトリックスも備えた構成とされている。

特許文献３には、マイクロレンズの曲面部の反転パターン形状を有する原盤を用いて、ブラックマトリックス部分を含めたマイクロレンズの形状を、マイクロレンズを形成する基板前駆体に転写することによりマイクロレンズ基板を形成する技術が開示されている。基板前駆体の物質としては、エネルギーの付与により硬化可能な物質を好適とする技術である。

特許文献４には、第１のマイクロレンズアレイと中間基板を介して第２のマイクロレンズアレイとを協働させてＲＧＢの光束を液晶表示素子の画素位置に光束を透過させる２層マイクロレンズアレイと、液晶表示素子とを有する液晶パネルユニットが開示されている。第１のマイクロレンズアレイのマイクロレンズは、凸状に突出する複数の球面レンズの外周部が正六角形に形成され、隣接する球面レンズの外周部にそれぞれ当接され、球面レンズの厚み方向から見て蜂の巣状に配置されている。球面レンズの曲率半径は例えば約１５μｍに設定されている。第２のマイクロレンズアレイのマイクロレンズは稠密構造に配置されるとともに、画素配列がデルタ配列になっている。例えば長辺４５μｍ、短辺１５μｍ、レンズの厚み方向は２０μｍに設定され、項面は平面状に構成されている。これらのマイクロレンズの構成により、光源から発せられる光線で完全平行化されていない多くの光線を、一定間隔おきに形成されたブラックマトリックスの開口部を透過させる技術が開示されている。

特許文献４には、スタンパ型を用いて第１のマイクロレンズアレイを作製する工程と、第１のマイクロレンズアレイとスタンパ型とを一体化したまま、感光性材料からなる第２のマイクロレンズアレイを形成する技術が開示されている。光透過性の板体に、特定の波長の光の透過率を変化させる材料を塗付することによって、スタンパ型に一体化されたマスク部材を形成し、マスク部材を介して第１のマイクロレンズに照射することにより第２マイクロレンズを形成する技術として開示されている。

また、液晶パネルでは、高輝度なものが求められるようになり、光利用効率を向上させるために、特許文献５や特許文献６に示されるような方法により、光を第２レンズ面で若干の収束光として、遮光層（ブラックマトリックス）において光が吸収されることを軽減する方策が取られている。

特許文献５には、投影型液晶表示装置用の液晶表示素子の光入射側に配置されるマイクロレンズ基板に係る技術が開示されている。光入射側から、異なる角度で入射する複数の光束を液晶表示素子の画素に対応する開口部（ブラックマトリックスの開口部）に収束させる第１のレンズからなる第１のマイクロレンズアレイと、複数の光束それぞれの主光線を平行化する第２のレンズからなる第２のマイクロレンズアレイとを有するマイクロレンズ基板を備えている。ここで、第２レンズは、その形状が略台形状をなし、台形の傾斜面が、光束入射側に凹凸をなす曲面となっている。液晶パネルユニット（液晶表示素子）は、光透過性の保護板に低屈折樹脂からなる平坦化層を介して、第１のマイクロレンズアレイと、光透過性の中間基板と、第２のマイクロレンズアレイと、第２のマイクロレンズアレイの凹凸面を平坦化する平坦化層、ブラックマトリックス層より構成される一連のユニットとしてのマイクロレンズ基板が、開示されている。このマイクロレンズ基板がカラーフィルタレスの単板式の投影型液晶表示装置に適用され、光効率を低下させることなく、低コストにて実現する技術とされて開示されている。

特許文献５には、マイクロレンズ基板の作製方法について以下の作製工程による技術が開示されている。作製工程は、スタンパ型と保護板となる第１の透明基板との間に、平坦化層となる低屈折率樹脂を塗布し、ＵＶ光をこの透明基板側から照射して、低屈折率樹脂を硬化させる。スタンパ型を離型した後に、第１レンズとなる高屈折率樹脂を接着層として中間基板となる第２の透明基板を接合する。この透明基板に第２レンズとなる高屈折率樹脂および第２レンズとなる高屈折率樹脂およびネガレジストを順次塗布し、グレースケールマスクを用いた露光・現像後に、ドライエッチングを行い、第２レンズとなる高屈折率樹脂にレンズ形状を転写する。その後平坦化層となる低屈折率樹脂で平坦化して、マイクロレンズ基板を形成する。

特許文献６には、光屈折素子アレイ基板として、２次元に配列された複数の第１屈折素子を有する第１光屈折素子アレイと、それぞれが第１の屈折率を有し、かつ複数の第１光屈折素子と１：１で対応するように２次元に配列された複数の第２光屈折素子を有する第２光屈折素子アレイと、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する第３光屈折素子とを有する技術が開示されている。第１光屈折素子アレイにお互いに異なる角度で入射し、第１光屈折素子アレイによって集光された光束の主光線は、第２光屈折素子アレイと第３光屈折素子アレイとによって平行化される。光屈折素子アレイ基板としてマイクロレンズおよびマイクロプリズムを備えた構成が例示されている。上記光屈折素子アレイ基板は、光入射側から、ベース基板上に第１マイクロレンズアレイ、第１マイクロレンズの凹凸を平坦化する接着層、中間ガラス層、第２の光屈折素子アレイとしての第２マイクロプリズムアレイ、第２マイクロプリズム層に接する第３マイクロレンズアレイ、第３マイクロレンズアレイの凹凸を平坦化する平坦化層とを有する構成となっている。

特許文献６では、このように、第１光屈折素子アレイに互いに異なる角度で入射し、第１光屈折素子アレイによって集光された光束の主光線を第２光屈折素子アレイと第３光屈折素子アレイとによって平行化する。光の利用効率が高く、色純度等の表示品位の優れた画像表示装置を提供できる技術として開示されている。

また、特許文献６では、マイクロレンズアレイの製造方法が開示されている。光学ガラスからなるベース基板上に、第１マイクロレンズアレイを形成し、接着層で固定し、第１マイクロレンズアレイと中間ガラス板を介して第２マイクロプリズムアレイを形成する。第２マイクロプリズムアレイ上に、第３マイクロレンズアレイ用の高屈折率の熱硬化性樹脂を付与、硬化させる。熱硬化性樹脂の硬化工程で硬化収縮が起こり、第３マイクロレンズアレイの個々のレンズと隣接するマイクロプリズムとの間の樹脂層の表面に窪み（凹部）が形成される。窪みが形成された樹脂層は、負のパワーを有する凹レンズを備えた第３マイクロレンズアレイとして機能する。熱硬化性樹脂の硬化収縮を利用して第２マイクロプリズムアレイに対して自己整合的に第３マイクロレンズアレイを製造する技術である。

特許文献１〜４に記載された従来の技術におけるマイクロレンズは、このように光の利用効率を上げるために、マイクロレンズの形状や配置を利用してＢＭを避けるように入射光線を曲げている。特許文献１〜２の技術は、マイクロレンズの入射側の曲面を改良した内容であり、特許文献３の技術は、入射側に曲面が形成されたマイクロレンズを透過した入射光を、マイクロレンズアレイ基板に設けたマイクロレンズと近接して設けた遮光層（ブラックマトリックス）とで各画素に光を照射する技術であり、マイクロレンズの入射側に曲面が形成されている。特許文献４〜５の技術は、マイクロレンズを２層構造として中間基板の対向する２面上にそれぞれ形成した技術である。特許文献６の技術は、マイクロレンズとマイクロプリズム・マイクロレンズの組み合わせ層を中間基板の対向する２面上にそれぞれ形成した技術である。

特許文献４〜６に記載された従来の技術では、２層あるいは複数層のマイクロプリズムを含むマイクロレンズにより、入射した光束をこれら複数層のマイクロレンズの協働により、ブラックマトリックス（ＢＭ）を避けつつ、光の利用率を高める構成となっている。マイクロレンズの入射側のレンズ曲面の形状やマイクロレンズの配置において、光線を大きく曲げすぎると、仮にＢＭを通過できたとしても光線を例えばプロジェクタ等における投射レンズで取り込めなくなるため、これを避けるために、ＢＭを避けつつも、できるだけテレセントリックに近い光が必要となる技術が開示されている。

また、特許文献４〜６の技術は、マイクロレンズを形成する基板を２枚構造として、２層目に形成するマイクロレンズあるいはマイクロプリズムを樹脂で形成する技術であり、形成工程が複雑で長いという問題点がある。

図５、６は、従来の技術の一例として、マイクロレンズ１２１とブラックマトリックス２０１が形成されたブラックマトリックス層とで構成される対向基板２と、液晶層２０２、ＴＦＴ基板２０３を含めた液晶デバイス１の構成を示す図である。また、液晶パネル１画素についてのマイクロレンズ１２１とブラックマトリックス（BM）２０１と光源１１から発射された光束１３１ｃとしての入射光線との関係をも示す図である。液晶層２０２を挟んでＴＦＴ基板２０３とブラックマトリックス２０１を形成する層には、それぞれ１画素を構成する対向電極２１１ａと２１１ｂの群が複数設けられている。マイクロレンズ１２１は、光束１３１ｃの入射側に正にパワーを有する曲率を有し、マイクロレンズの出射側には、正のパワーを有する第２のレンズ曲面が形成された構成とすることにより、マイクロレンズ１２１の両面に曲面形状を形成する構成により、薄型のマイクロレンズ基板構造とすることができる。この構成により、ブラックマトリックスを避けつつも、画素に出射される光束をテレセントリックに近い光として透過させることが容易に可能になり、光利用効率のアップを図ることが可能になる。このようなマイクロレンズ構造が、複数整列された状態で配列されて図示しないマイクロレンズアレイを形成する。この従来例では、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズ１２１は、光学ガラスよりなる材料にて一体的に構成されている。光束入射側と出射側における二つの曲面で光束１３１ｃを適度に曲げ、かつマイクロレンズアレイ全体として、ブラックマトリックス（BM）２０１における遮蔽部を避けつつも、テレセントリックに近い光束がBMを透過するようにバランスをとっていた。

この従来例のマイクロレンズの形成方法を図７に従って説明する。
（１）図７（ａ）に示すように、マイクロレンズをアレイ配列して形成するための光学ガラスよりなるマイクロレンズアレイ基板１２１を準備する。このマイクロレンズアレイ基板１２１は、表裏表面が互いに平行かつ平滑な表面を有する。

（２）図７（ｂ）に示すように、光束入射面側のレンズ加工を従来通りの技術により、光束の入射面側に複数の凸レンズ１２１ｂが所定の大きさおよびピッチにより構成されたマイクロレンズアレイ基板１２１を形成する。

（３）図７（ｃ）に示すように、光学ガラスの凸レンズ１２１ｂが形成されていない光束出射面側の基板面上に、感光性フォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、感光性フォトレジスト層をパターニングして、光学ガラスの光束出射面側を選択的にエッチングする開口部１０３ａを有するマスク層１０３を形成する。マスク層１０３の開口部１０３ａと個々の凸レンズ１２１ｂとの位置合わせは、マイクロレンズアレイ基板１２１に設けられた図示しない位置合わせマークや、位置合わせ孔等を用いる。また、各凸レンズ１２１ｂの間隙部に図示しない遮光層を設けて、マイクロレンズアレイ基板１２１の光束入射面側から、紫外線を照射することにより、各凸レンズ１２１ｂの間隙部の図示しない遮光層以外の部分からマイクロアレイ基板１２１の光束出射面側に透過する紫外線により、マイクロレンズ周辺部以外の上記感光性フォトレジスト層を露光・硬化させ、開口部１０３ａに相当する未露光の硬化しない部分の感光性フォトレジスト層をリムーバー等で除去する方法でも光束入射面側の凸レンズ１２１ｂと上記開口部１０３ａが自己整合的に位置決めされたマスク層１０３の形成が可能である。

（４）図７（ｄ）に示すように、エッチング装置を用いて、上記マスク層開口部１０３ａの光学ガラス層を選択的にエッチングし、光学ガラス層の該マスク開口部１０３ａに相当する部分に、略Ｖ字状の溝部１０４を形成する。エッチングは、たとえばエッチング液に浸漬する方式の等方性エッチングにより、溝部は略Ｖ字状に形成する。ドライエッチング方式でも、エッチャントの種類、エッチャントの流量、加工電圧などのエッチング条件を調整することにより、異方性のエッチングを緩和した状態としての略Ｖ字状の溝部１０４を形成することができる。エッチングの深さは、２μｍ程度とすることができる。エッチング条件の制御により、略Ｖ字状溝部１０４の深さや形状を制御することが可能である。エッチング深さと略Ｖ字状溝部形状を制御することにより、マイクロレンズの光束出射面側レンズ角部に正のパワーを有するレンズ曲面を形成することができる。

（５）図７（ｅ）に示すように、感光性材料からなるマスク層１０３を、レジストリムーバー等を用いて、マイクロレンズアレイ基板１２１の光束出射面側の表面から除去する。

以上の図７（ａ）から図７（ｅ）の工程により、光学ガラスよりなるマイクロレンズアレイ基板１２１の光束入射面側に形成された凸レンズ１２１ｂと光束出射面側の角部が正のパワーを有する曲面で構成されたマイクロレンズ１２１ｃとで構成されたマイクロレンズ１２１ａのマイクロレンズアレイ基板１２１が完成する。

また、（６）図７（ｆ）に示すように、エッチングにより形成された略Ｖ字状溝部１０４に、入射された光束に対する光反射性物質を埋め込むことも可能である。このような光反射性物質を埋め込んだ略Ｖ字状光反射部１０４ａを形成することにより、入射した光束の一部に対してＶ字状溝部の斜面が反射層となり、光束の出射側に一部の光束を集束する作用が生じてマイクロレンズの光の利用率向上に効果がある。

また、この従来例では、光学ガラスに対するエッチング時間は、２μｍの深さの略Ｖ字状溝部１０４のエッチング加工に５ｍｉｎ必要である。エッチング時間が長いことにより、マイクロレンズの形成工程も長時間を要するものとなる。

特許文献４〜６の技術では、第１のマイクロレンズを形成した基板と、第２のマイクロレンズを形成した基板を、中間基板を介して組み合わせて、ブラックマトリックスを回避する方策を採っていたが、組み合わせた基板部の厚さが大になり、液晶プロジェクタ装置として要求される薄層化に対して問題が生じていた。

また、特許文献４〜６の技術は、マイクロレンズを形成する基板を中間基板を介した２層構造とし、２層目に形成するマイクロレンズあるいはマイクロプリズムを、１層目のマイクロレンズと整合させながら、高屈折率樹脂や熱硬化性樹脂を用いて形成する技術であり、形成工程が複雑で長いという問題が生じていた。これらの問題を解決する一つの手段が、上記図７に示した従来の技術により一体的に形成したマイクロレンズであり、その形成方法である。

特許第３５３５６１０号公報特開２００６−１３８９８７号公報特許第３９３１９３６号公報特許第４２３０１８７号公報特開２００４−２６４３５３号公報特開２００５−０９９５９２号公報

ところで、近年液晶パネルでは高輝度と同時に高精細な画質が要求されることとなり、従来のマイクロレンズのピッチをさらに小さくしていくことが求められている。ピッチが小さくなるとマイクロレンズアレイの焦点距離が小さくなるために、液晶パネルを薄くすることが要求される。特に上記した特許文献４、特許文献５や特許文献６の方法では第２のレンズ層を形成する必要があり、加工時間が大となるとともに、マイクロレンズを形成する基板部の厚さが大になり、液晶パネルを薄くすることは困難である。特許文献５と特許文献６の技術はいずれも第２レンズ層を形成していることから、全体の厚さが大きくなってしまう。マイクロレンズのサイズの小径化や小ピッチ化をしていく際に、特許文献５、特許文献６の技術では適応することができない。また、マイクロレンズ形状に係る加工の容易さや、マイクロレンズの光学的特性の付加などに対するマイクロレンズの加工を制御することが、困難である等の問題がある。

本発明は、係る事情の下になされたもので、光の利用効率を高めつつ、なおかつ液晶パネルの層を薄くでき、形成工程を従来よりも短縮が可能なマイクロレンズの形成方法およびそれを用いて形成したマイクロレンズを提供することを目的とする。詳細には２つ（またはそれ以上）の正のパワーを有するレンズ曲面を配置して光線を折り曲げることにより、ＢＭで遮断される光束の量を軽減して光の利用効率をアップさせる液晶デバイス用の対向基板に用いて光の利用効率を向上させるマイクロレンズを提供することを目的とする。また液晶パネルの層を薄くすることが可能なマイクロレンズアレイ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、本発明は、請求項１に記載のとおり、液晶デバイスにおける個々の画素に対応するマイクロレンズであって、該マイクロレンズは同一構造のマイクロレンズとしてアレイ配列され、該マイクロレンズの入射面側には正のパワーを有する第１のレンズ曲面が形成され、該マイクロレンズの出射面側には、正のパワーを有する第２のレンズ曲面が形成されたマイクロレンズの形成方法において、光学ガラスよりなるマイクロレンズがアレイ配列される基板を準備する工程と、該基板の光束入射面側に略同一構成の凸レンズにより構成されたマイクロレンズのアレイを形成する工程と、前記マイクロレンズのアレイを形成する工程の後に、該基板の出射面側の表面に光学的透明層を形成する工程と、該光学的透明層上に該マイクロレンズの出射面側角部に相当する部分に開口部を有するマスク層を形成する工程と、前記マスク層開口部の光学的透明層を選択的にエッチングし、略Ｖ字状溝部を形成する工程と、を有することを特徴とするマイクロレンズの形成方法である。

本発明の特徴は、マイクロレンズの構成において、第１のレンズ（マイクロレンズ部）の後方（裏面や出射面までの間）に透明の膜を形成し、その膜をエッチング等により、レンズ形状を形成することで、第２のレンズとすることで、従来技術の第２の基板上に第２のレンズを形成するよりも薄く形成することが可能である。またレンズ層の材料はガラスであることが一般的であり、ガラス層をエッチングする場合には長時間の加工工程を必要とするため、生産性に問題が生じる場合がある。その点、本発明に係る光学的に透明な薄膜であれば膜質や材質において、用途や機能に応じて選択する余地が広がるとともに、形状制御や光学性能を制御しやすい材料を選択することが可能であることと、膜のエッチングを容易に行うことが可能であり、加工時間の短縮に繋がるものである。また光学的に透明な薄膜にレンズ形状を持たせることにより、レンズ形状の加工の容易さや諸特性の付加などに対しても特許文献５、特許文献６の技術よりも制御し易い。

本発明によれば、光の利用効率を高めつつ、なおかつ液晶パネルの層を薄くでき、形成工程を従来よりも短縮が可能なマイクロレンズの形成方法およびそれを用いて形成したマイクロレンズが提供可能となる。マイクロレンズおよびマイクロレンズアレイの薄層化および形成容易性の効果を生じるとともに、このマイクロレンズを用いた液晶パネルの薄型化が可能となる。

集光用の同一のマイクロレンズアレイ配列の、マイクロレンズの入射側には正のパワーを有する第１のレンズ曲面が形成され、マイクロレンズの出射側には、正のパワーを有する第２のレンズ曲面が成膜による透明な薄膜により形成されることにより、マイクロレンズの曲面形状を改良する構成が容易となり、ブラックマトリックスを避けつつも、画素に出射される光束をテレセントリックに近い光として透過させることが容易に可能になり、光利用効率のアップを図ることが容易に可能となる。

図１（ａ）〜（ｇ）は本発明におけるマイクロレンズの形成工程を示す図である。本発明に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における概略斜視図である。本発明に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における第１の実施例の概略側面図である。（マイクロレンズ周辺部のみ曲面）本発明に係る液晶デバイス用の対向基板とＴＦＴ基板と液晶層の１画素における構成を示す概略側面図である。従来の技術に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における概略斜視図である。従来の技術に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における概略側面図である。従来の技術に係るマイクロレンズの形成工程を示す図である。

（第１の実施例）
本発明の第１の実施例について、図１を用いて説明する。
（１）図１（ａ）に示すように、光学ガラスよりなるマイクロレンズアレイ形成用のマイクロレンズアレイ基板１０１を準備する。このマイクロレンズアレイ基板１０１は、表裏表面が互いに平行かつ平滑な表面を有する。

（２）図１（ｂ）に示すように、光束入射面側のレンズ加工を従来通りの技術で行う。光束入射面側に複数の凸レンズ１０１ｂを所定の大きさおよびピッチによりマイクロレンズアレイ基板１０１に形成する。

（３）図１（ｃ）に示すように、光束出射面側に光学的に透明なガラス層１０２ａを形成する。スパッタリング装置のような真空成膜機のチャンバー内にて、マイクロレンズアレイ基板１０１の光束出射面側表面に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａを厚さ３μｍで真空成膜する。この酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａが図１（ｆ）に示すマイクロレンズ１０１ａの光束出射面側のレンズ１０１ｃを構成する。

（４）図１（ｄ）に示すように、酸化シリコン（（ＳｉＯ_２）層１０２ａ上に、感光性フォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、感光性フォトレジスト層をパターニングして、酸化シリコン（（ＳｉＯ_２）層１０２ａを選択的にエッチングするための開口部１０３ａを有するマスク層１０３を形成する。マスク層の開口部１０３ａと個々のマイクロレンズとの位置合わせは、マイクロレンズアレイ基板１０１に設けられた位置合わせマークや、位置合わせ孔等を用いる。また、各凸レンズ１０１ｂの間隙部（上記開口部１０３ａに対応する部分）に図示しない遮光層を設けて、マイクロレンズアレイ基板１０１の光束入射面側から、紫外線を照射することにより、各凸レンズ１０１ｂの間隙部の図示しない遮光層以外の部分からマイクロアレイ基板１０１の光束出射面側に透過する紫外線により、凸レンズ１０１ｂのレンズ周辺部の感光性フォトレジスト層を露光・硬化させ、非露光部で硬化しない部分の感光性フォトレジスト層をリムーバー等で除去する方法でも光束入射面側の凸レンズ１０１ｂと上記開口部１０３ａが自己整合的に位置決めされたマスク層１０３の形成が可能である。

（５）図１（ｅ）に示すように、エッチング装置を用いて、上記マスク層開口部１０３ａの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａを選択的にエッチングし、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａの該マスク開口部１０３ａに相当する部分に、略Ｖ字状溝部１０４を形成する。エッチングは、たとえばエッチング液に浸漬する方式の等方性エッチングにより、溝部を略Ｖ字状に形成する。エッチング液に浸漬する方式では、溝部の形状は、緩やかな曲面状の斜面を有する略Ｕ字状溝部を形成する場合があり、必ずしも精密なＶ字状溝部にはならない場合がある。ドライエッチング方式でも、エッチャントの種類、エッチャントの流量、加工電圧などのエッチング条件を調整することにより、異方性のエッチングを緩和した状態としての略Ｖ字状溝部１０４を形成することができる。本発明における略Ｖ字状溝部１０４は、溝部を形成する対向斜面の形状がそれぞれ平面状であるＶ字状の凹部や、緩やかな窪み状の曲面を有するＵ字状の凹部を含むものとする。エッチングの深さは、２μｍ程度とすることができる。エッチングの深さは、形成した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａの厚さ３μｍとすることができる。下層の光学ガラス層と上層の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層のエッチングレートの差を利用して、下層の光学ガラスの表面をエッチングストッパーとして作用させることにより、略Ｖ字状溝部１０４の深さや形状を制御することが可能となる。成膜した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａの厚さ分を選択的にエッチングすることにより、また、成膜した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層の厚さとＶ字溝形状を制御することにより、マイクロレンズの出射面側角部に正のパワーを有する酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａよりなる光束出射側レンズ１０１ｃにおける曲面を形成することができる。以上のように酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａより構成される光束の出射側レンズ１０１ｃの曲面形状を制御することが容易に可能となる。

（６）図１（ｆ）に示すように、感光性材料からなるマスク層１０３を、レジストリムーバー等を用いて、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａの表面から除去する。

以上の図１（ａ）から図１（ｆ）の工程により、光学ガラス基板の光束入射側に形成された凸レンズ１０１ｂと、光束出射面側のレンズ１０１ｃが酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層及びその曲面で構成されたマイクロレンズ１０１ａを有するマイクロレンズアレイ基板１０１が完成する。

また、図１（ｇ）に示すように、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２ａのエッチングにより形成された略Ｖ字状溝部１０４に、入射された光束に対する光反射性物質を埋め込むことにより略Ｖ字状光反射部１０４ａを形成することも可能である。光反射性物質を埋め込む方法は、例えば、基板の光学ガラスとは屈折率の異なる光透過性の液状樹脂を微少量ポッテングし硬化させる方法や、インクジェット方式により基板の光学ガラスとは屈折率の異なる光透過性のインク材を描画塗布する手法等により行うことができる。屈折率が異なる材料により、入射された光束を出射側に集束させるものである。あるいは、略Ｖ字状溝部１０４に、アルミニウム薄層を選択的に形成して光反射部を形成することもできる。形成方法としては、アルミニウム等の金属薄膜を例えば蒸着法にて基板表面に形成し、フォトリソグラフィ技術により形成した感光性マスク層を利用してエッチングして選択的にアルミニウム膜を形成して略Ｖ字状光反射部１０４ａを形成することもできる。このような手法を用いて、略Ｖ字状溝部１０４に光反射性物質を埋め込むことにより、入射した光束の一部に対してＶ字状溝部の一方の斜面が反射層となり、光束の出射側に一部の光束を集束する作用が生じて、マイクロレンズの光の利用率が向上する。

また、本実施例１において、通常、光学ガラスに対するエッチング時間は、０．４μｍ／ｍｉｎ、２μｍのエッチング加工に５ｍｉｎ必要であるが、本発明に係る酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層のエッチング加工では、２μｍ／ｍｉｎであり、２μｍのエッチング加工に１ｍｉｎの加工時間で済むため、マイクロレンズの加工時間を短縮することが可能となる。光束の出射側の光学ガラスをエッチングしてレンズ面を形成する従来の技術では、略７．５ｍｉｎの所要時間を必要とする工程が、本発明の実施例１では、１．５ｍｉｎで加工が終了した。

その後、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層や低屈折率のガラスをマイクロレンズアレイ基板１０１の表面に成膜後、その表面を研磨して平滑に加工する工程を加えてもよい。

本発明のマイクロレンズの形成方法においては、成膜した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層の厚さとＶ字溝形状を制御することにより、マイクロレンズの出射側角部に正のパワーを有する酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層よりなるレンズ曲面を短時間でかつ容易に形成することが可能となる。

（第２の実施例）
第１の実施例にて用いた酸化シリコン層に換えて、酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層を用いる点を除いて、実施例１と同様の形成方法である第２の実施例について図１を用いて説明する。図１において共通する符号は同一符号とする。
（１）図１（ａ）に示すように、光学ガラスよりなるマイクロレンズのアレイ形成用のマイクロレンズアレイ基板１０１を準備する。このマイクロレンズアレイ基板１０１は、表裏表面が互いに平行かつ平滑な表面を有する。

（２）図１（ｂ）に示すように、光束入射面側のレンズ加工を従来通りの技術で行う。光束入射面側に複数の凸レンズ１０１ｂを所定の大きさおよびピッチにより形成されたマイクロレンズアレイ基板１０１を形成する。

（３）図１（ｃ）に示すように、光束出射面側に光学的に透明なガラス層１０２ｂを形成する。ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法の中で比較的低温での皮膜形成が可能な反応性スパッタリング装置のような真空成膜機のチャンバー内にて、マイクロレンズ基板１０１の光束出射面側表面に酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂを厚さ３μｍで真空成膜する。この酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂが図１（ｆ）に示すマイクロレンズ１０１ａの光束出射面側のレンズ１０１ｃを構成する。

（４）図１（ｄ）に示すように、酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂ上に、感光性フォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、感光性フォトレジスト層をパターニングして、酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂを選択的にエッチングするための開口部１０３ａを有するマスク層１０３を形成する。マスク層１０３の開口部１０３ａと個々のマイクロレンズとの位置合わせは、マイクロレンズ基板に設けられた位置合わせマークや、位置合わせ孔等を用いる。また、各凸レンズ１０１ｂの間隙部（上記開口部１０３ａに対応する部分）に図示しない遮光層を設けて、マイクロレンズアレイ基板１０１の光束入射面側から、紫外線を照射することにより、各凸レンズ１０１ｂの間隙部の図示しない遮光層以外の部分からマイクロアレイ基板１０１の光束出射面側に透過する紫外線により、マイクロレンズ周辺部の感光性フォトレジスト層を露光・硬化させ、非露光部で硬化しない部分の感光性フォトレジスト層をリムーバー等で除去する方法でも光束入射面側の凸レンズ１０１ｂと上記開口部１０３ａが自己整合的に位置決めされたマスク層１０３の形成が可能である。

（５）図１（ｅ）に示すように、エッチング装置を用いて、上記マスク層１０３の開口部１０３ａの酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂを選択的にエッチングし、酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂの該マスク開口部１０３ａに相当する部分に、略Ｖ字状溝部１０４を形成する。エッチングは、たとえばエッチング液に浸漬する方式の等方性エッチングにより、溝部を略Ｖ字状に形成する。ドライエッチング方式でも、エッチャントの種類やエッチャントの流量、加速電圧等のエッチング条件を調整することにより、略Ｖ字状溝部１０４を形成することができる。エッチングの深さは、形成した酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂの厚さ３μｍとすることができる。下層の光学ガラスと酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層のエッチングレートの差を利用して、下層の光学ガラスの表面をエッチングストッパーとして作用させることにより、略Ｖ字状溝部１０４の深さや形状を制御することが可能となる。成膜した酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂの厚さ分を選択的にエッチングすることにより、酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂより構成される光束出射側レンズ１０１ｃの形状を制御することが容易に可能となる。

また、図１（ｇ）に示すように、エッチングにより形成された酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層１０２ｂの略Ｖ字状溝部１０４に、入射された光束に対する光反射性物質を埋め込むことにより略Ｖ字状光反射部１０４ａを形成することも可能である。光反射性物質を埋め込む方法は、例えば、基板の光学ガラスとは屈折率の異なる光透過性の液状樹脂を微少量ポッテングし硬化させる方法や、インクジェット方式により基板ガラスと屈折率の異なる光透過性のインク材を描画塗布する手法等により行うことができる。あるいは、Ｖ字状溝部にアルミニウム等の金属の薄膜を例えば蒸着法により選択的に形成することにより光反射部１０４ａを形成することもできる。このような手法を用いて、略Ｖ字状溝部１０４に光反射性物質を埋め込むことにより、入射した光束の一部に対してＶ字状溝部の一方の斜面が反射層となり、光束の出射側に一部の光束を集束する作用が生じて、マイクロレンズの光の利用率が向上する。

光学ガラスに対するエッチング時間は、０．４μｍ／ｍｉｎ、２μｍのエッチング加工に５ｍｉｎ必要であるが、酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層のエッチング加工では、２μｍ／ｍｉｎであり、２μｍのエッチング加工に１ｍｉｎの加工時間で済むため、マイクロレンズの加工時間を短縮することが可能となる。光束出射側の光学ガラスをエッチングしてレンズ面を形成する従来の技術では、略９ｍｉｎの所要時間を必要とする工程が、本発明の実施例２では、３ｍｉｎで加工が終了した。

（第３の実施例）
図２は、本発明の別の実施形態である実施例３を示す図であり、液晶デバイス用の対向基板２を構成するマイクロレンズ１０１とブラックマトリックス２０１と、液晶層２０２（図３に示す）、ＴＦＴ基板２０３およびブラックマトリックス２０１の層と、ＴＦＴ基板２０３に形成された画素電極２１１ａ、２１１ｂからなる液晶デバイス１の一画素を概略的に示している。光源１１から発射された光束は、マイクロレンズ１０１を透過し、ブラックマトリックス２０１の開口部、液晶層２０２、ＴＦＴ基板２０３を透過して投射される。液晶デバイス１としては、このようなマイクロレンズ１０１が複数整列して配置されたマイクロレンズアレイを用いるものであるが、便宜上、１画素分のみを示している。

（第４の実施例）
図３は、本発明の実施例４を示す図であり、液晶デバイス１、対向基板２の構成は、従来技術と同様であり、詳細説明は省略する。図３のマイクロレンズ１０１ａに入射された光束１３１ａが、マイクロレンズ１０１ａの出射側の周辺部に設けられた正のパワーを有するレンズ曲面により曲げられて、ブラックマトリックス２０１の遮光部を避けて、略テレセントリックに液晶層２０２を透過する状態を示す図である。図３におけるマイクロレンズ１０１ａは、光学ガラス部１０１ｂと光学的に透明な成膜部１０１ｃから構成され、光学ガラス部１０１ｂと成膜部１０１ｃが正のパワーを有する曲面をなす構成となっている。このようにマイクロレンズ１０１ａの光線の入射側と出射側にそれぞれ正のパワーを有するレンズ曲面を形成することで、ＢＭを避けつつ、画素開口部にテレセントリックな光を照射することが簡易な構成にて可能になる。

(第５の実施例)
図４はさらに、マイクロレンズ１０１ａ（図１のマイクロレンズアレイ基板１０１）とブラックマトリックス２０１層との間に平面基板１２０とを有し、該平面基板１２０と前記マイクロレンズアレイ基板のマイクロレンズ１０１ａが形成された面を内側にして重ねて一体化して前記対向基板２を構成した本発明の実施例５を示す図である。マイクロレンズ１０１ａ（図１のマイクロレンズアレイ基板１０１）と平面基板１２０とが対向する位置で、固定され易くなり、ＢＭを避けつつ、位置決めされる画素開口部に略テレセントリックな光を照射することが簡易な構成にてより安定した状態で可能になる。

このように液晶デバイス用の対向基板と、ＴＦＴ基板とにより液晶層を挟持してなる液晶プロジェクタ用の液晶デバイスを簡易な構成にてより安定した構成とすることができる。

１…液晶デバイス
２…対向基板
１１…光源
１０１、１２１…マイクロレンズアレイ基板
１０１ａ、１２１ａ…マイクロレンズ
１０１ｂ…光束入射側レンズ
１０１ｃ…光束出射側レンズ
１０２ａ…酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層
１０２ｂ…酸化アルミニウム（Ａｌ_２０_３）層
１０４…略Ｖ字状溝部
１０４ａ…略Ｖ字状光反射部
１２０…平面基板
１３１ａ、１３１ｃ…光束
２０１…ブラックマトリックス
２０２…液晶層
２０３…ＴＦＴ基板
２１１ａ、２１１ｂ…対向電極

Claims

液晶デバイスにおける個々の画素に対応するマイクロレンズであって、該マイクロレンズは同一構造のマイクロレンズとしてアレイ配列され、該マイクロレンズの入射面側には正のパワーを有する第１のレンズ曲面が形成され、該マイクロレンズの出射面側には、正のパワーを有する第２のレンズ曲面が形成されたマイクロレンズの形成方法において、
光学ガラスよりなるマイクロレンズがアレイ配列される基板を準備する工程と、
該基板の光束入射面側に略同一構成の凸レンズにより構成されたマイクロレンズのアレイを形成する工程と、
前記マイクロレンズのアレイを形成する工程の後に、該基板の出射面側の表面に光学的透明層を形成する工程と、
該光学的透明層上に該マイクロレンズの出射面側角部に相当する部分に開口部を有するマスク層を形成する工程と、
前記マスク層開口部の光学的透明層を選択的にエッチングし、略Ｖ字状溝部を形成する工程と、
を有することを特徴とするマイクロレンズの形成方法。
請求項１に記載のマイクロレンズアレイの形成方法において、前記略Ｖ字状溝部に、マイクロレンズに入射された光束に対する光反射性物質を埋め込む工程をさらに有することを特徴とするマイクロレンズの形成方法。
請求項１または２に記載のマイクロレンズの形成方法において、前記光学的透明層が酸化シリコン、あるいは酸化アルミニウムのいずれかであることを特徴とするマイクロレンズの形成方法。
請求項１乃至３の何れか１つに記載のマイクロレンズの形成方法において、
前記光学的透明層を形成する工程は、反応性スパッタリング法を用いることを特徴とするマイクロレンズの形成方法。