JPH03233417A

JPH03233417A - 光学装置

Info

Publication number: JPH03233417A
Application number: JP2138084A
Authority: JP
Inventors: Noriko Watanabe; 典子渡辺; Hiroshi Hamada; 浩浜田; Fumiaki Funada; 船田　文明
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1990-05-28
Publication date: 1991-10-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はマイクロレンズを備えた光学装置に関乙、特に
、該マイクロレンズが剥離しにくく、量産性に優れた光
学装置に関する。

（従来の技術）本明細書では、マイクロレンズとは、数ミリ程度以下の
大きさを有する微小なレンズを意味し、そのような微小
な複数のレンズが一次元又は二次元的に配列されたマイ
クロレンズアレイを、含むものとする。

マイクロレンズには、以下に例示する用途がある。

ｌ）液晶表示素子等の非発光型表示素子に対する照明光
を、その絵素領域に集光して表示輝度を高めるための手
段（特開昭６０−１６５６２１号〜１６５６２４号、特
開昭６０−２６２１３１号等）。

２）レーザディスク、コンパクトディスク、光磁気ディ
スク等の光ピツクアップの集光手段。

３）光ファイバと発光素子又は受光素子との結合のため
の集光手段。

４）ＣＣＤ等の固体撮像素子又はファクシミリに使用さ
れる一次元イメージセンサの感度を高めるために入射光
を光電変換領域に集光させる集光手段又は結像手段（特
開昭５４−１７６２０号、特開昭５７−９１８０号等）
。

５）液晶プリンタやＬＥＤプリンタに於て印字すべき像
を感光体に結像させる結像手段（特開昭６３−４４６２
４号等）。

６）光情報処理用フィルタ等。

このように、マイクロレンズは、光学装置に於て各種の
光学素子又は光学部品等と組み合わせられて使用される
。

マイクロレンズの形成方法は、以下に示すものが知られ
ている。

１）イオンを多く含む基板をアルカリ溶融塩に浸積し、
該基板上に設けたマスクを通して、基板と溶融塩との間
で異種のアルカリイオン等のイオンを交換させ、該マス
クのパターンに対応した屈折率分布を有する基板を形成
し、屈折率分布型レンズを得る方法（イオン交換法、Ａ
ｐｐｌ、ｏｐｔｉｃｓ、２上（６）　　ｐ、１０５２　
（１９８４）、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｌｅｔｔ、、１工
　ｐ、　　４５２　　（１９８１））。

２）感光性モノマに紫外線を照射することによって照射
部分を重合させ、照射部と非照射部との間に生ずる浸透
圧により照射部を膨潤させ、レンズ形状にする方法（膨
潤法、鈴木他、′プラスチックマイクロレンズの新しい
作製法′第２４回微小光学研究会）。

３）感光性樹脂層を円形パターンにパターニングした後
、該感光性樹脂層をその軟化点以上に加熱昇温し、溶融
した感光性樹脂層の表面張力により、該円形パターンの
エツジ部分にダレを設け、レンズ形状を形成する方法（
熱ダレ法、Ｚｏｒａｎ　　Ｄ、Ｐｏｐｏｖｆｃ　　ｅｔ
　　ａｌ、、Ａｐｐｌ、○ｐｔｉｃｓ、２工　ｐ、１２
８１　　（１９８８））。

４）レンズ基材を機械的に加工することによりレンズを
形成する方法（機械加工法）。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上述の従来技術は、何れも、長時間の工
程又は多数の工程を必要するために、量産性が低いとい
う問題点を有している。

量産性を向上させるために開発された方法に、マイクロ
レンズの原型としてＮｉ等の金属からなるスタンパを用
いて射出成形法等によりプラスティック等のレンズ材料
を成形し、それによってマイクロレンズの複製を大量に
形成するという方法がある。

しかし、このようにして形成されたマイクロレンズを備
えた光学装置は、光学装置のマイクロレンズが取り付け
られている部分とマイクロレンズとが互いに異なる熱膨
張係数を有するため、取り付は後の温度変化等により、
マイクロレンズが光学装置から剥離してしまうという欠
点を有している。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであ
り、その目的とするところは、量産性に優れ、しかもマ
イクロレンズが剥離しにくい光学装置を提供することに
ある。

（課題を解決するための手段）本発明は光学装置であって、レンズ基板と該レンズ基板
上に形成されたレンズ形状部分とを有するマイクロレン
ズが取り付けられている光学装置に於て、該レンズ基板
の熱膨張係数は、該光学装置の該マイクロレンズが取り
付けられている部分の熱膨張係数と実質的に等しく、そ
のことにより上記目的が達成される。

また、前記レンズ形状部分が感光性樹脂からなるもので
あっても良い。

また、前記マイクロレンズが接着層を介して取り付けら
れており、該接着層の屈折率が前記レンズ形状部分の屈
折率と異なるものであっても良い。

（実施例）以下に本発明を実施例について説明する。

第１図（ｅ）に、第１の実施例である透過型液晶表示装
置１１の要部を示す。マイクロレンズｌＯは、レンズ基
板５とレンズ基板５の一方の面上に形成された第一の感
光性樹脂からなるレンズ形状部分４ｂとを有しており、
第二の感光性樹脂からなる接着層７を介して液晶表示装
置１１の基板９ａ上に接着されている。基板９ａ、９ｂ
の材料は、はう珪酸ガラスである。本実施例では、基板
９ａ、９ｂと熱膨張係数が実質的に等しいレンズ基板５
として、基板９ａ、９ｂと同じ材料からなるはう珪酸ガ
ラス基板が用いられている。

次に、本実施例の光学装置の製造方法を第１図を参照し
ながら説明する。

まず、液晶表示袋ｆｔ１ｌのマトリクス状に配された各
絵素（不図示）の各々に照明光を集光させるように設計
したマイクロレンズ（直径３８μｍ１曲率半型７２μｍ
、レンズ中央部厚さ３μ重、レンズ間隔４２μ■の２次
元アレイ）１０のマスタ１となるマイクロレンズを従来
技術の熱ダレ法により形成した。この後、マスタ１にニ
ッケル、銅等ノ金属を電鋳により電着させ、スタンバ２
を形成した（第１図（ａ））。

はう珪酸ガラスからなるレンズ基板５の一方の面上に第
一の感光性樹脂にて感光性樹脂層（層厚約１００μｍ）
４ａを形成した（第１図（ｂ））。

この感光性樹脂層４ａは後工程でレンズ形状に成形され
、レンズ形状部分４ｂとなるものである。

はう珪酸ガラスの屈折率は１．５３であるため、第一の
感光性樹脂として、その屈折率に近い屈折率を有するＮ
ｏＲＬＡＮＤ社製Ｎ０Ａ−６１（屈折率１．５６）を用
いた。第一の感光性樹脂としては、この他に、ＴＨＲＥ
ＥＢＯＮＤ社製ＡＶＲ１００及びＴＢ−３００３、ＳＯ
ＮＹＣＨＥＭＩ　ＣＡＬ社製ＵＶ−１００３、並びにＮ
ｏＲＬＡＮＤ社製Ｎ０Ａ−６３，６５等が好適である。

次に、感光性樹脂層４ａにスタンバ２を押しあてながら
紫外線（波及的３００〜４００　ｎ＋＋）を感光性樹脂
層４ａに照射し、感光性樹脂層４ａを成形、硬化させる
ことによって、レンズ形状部分４ｂをレンズ基板５上に
形成した（第１図（Ｃ））。

このときの紫外線の照射は、レンズ基板５のある側から
矢印Ａで示す方向に行った。

次に、スタンバ２をレンズ形状部分４ｂから除去し、マ
イクロレンズ１０を形成した（第１図（ｄ））。

次に、接着層７として、第二の感光性樹脂からなる層（
層厚約３０μ璽）を液晶表示装置１１の基板９ａ上に形
成した後、接着層７を介してマイクロレンズ１０を基板
９ａ上に配した（第１図（ｄ））。

接着層７に紫外線（波及的３００〜４００μｍ）を照射
することにより第二の感光性樹脂からなる接着層７を硬
化した。このときの紫外線の照射は、マイクロレンズ１
０のある側から矢印Ｂで示す方向に行った。

上記の製造方法では、第二の感光性樹脂として、第一の
感光性樹脂よりも屈折率の小さいＴＨＲＥＥＢＯＮＤ社
製ＡＶＲ−１００（屈折率１．４６）を使用し、マイク
ロレンズ１０のレンズ形状部分４ｂが液晶表示装置１１
と対向するようにして、マイクロレンズ１０と液晶表示
装置１１とを貼り合わせた。ここで、第一の感光性樹脂
よりも屈折率の小さい第二の感光性樹脂によって接着層
７を形成したのは、マイクロレンズ１０に凸レンズ効果
を生じさせるためである。レンズ形状部分４ｂと接着層
７とが接するようにしてマイクロレンズ１０が液晶表示
装置１１に取り付けられている本実施例では、もし、第
一の感光性樹脂と第二の感光性樹脂が同じ屈折率を有す
るならば、マイクロレンズ１０はレンズとして機能しな
くなる。

次に、第２図（ａ）〜（ｅ）を参照しながら、凹型のマ
イクロレンズ２０を有する第２の実施例及びその製造方
法を説明する。

本実施例のマイクロレンズ２０は、第１の実施例の液晶
表示装置１１に用いられた基板９ａ、９ｂと同じ材料か
らなるはう珪酸ガラス基板５上に、凹型レンズ形状部分
４ｂを設けたものである（第２図（ｄ））。

次に、マイクロレンズ２０の製造方法を説明する。

マス、マイクロレンズ２０のマスタ１を作製するために
、従来技術の熱ダレ法により、マイクロレンズｌａを石
英ガラス基板ｌｂ上に形成した。

マイクロレンズ１ａの材料としては、例えば、シブレイ
社製＃１４００のフォトレジストが用いられる。

四フッ化炭素と酸素との混合ガスを用いたドライエッチ
ング技術によって、マスタｌのマイクロレンズ１ａ及び
石英ガラス１ｂの上部をエツチングした。

このエツチングに際して、ガス流量、ガス圧力、混合ガ
スの混合比（分圧比）、ＲＦパワー、及び基板温度等の
エツチング条件を最適化することにより、熱ダレ法で形
成したマイクロレンズｌａ及び石英基板１ｂのエツチン
グレートを、はぼ等しく設定することができた。本実施
例では、両者のエツチング遺択比が等しくなる条件に於
て、マイクロレンズ１ａの厚さ以上に、マイクロレンズ
１ａ及び石英ガラス１ｂを、それらの上面からエツチン
グした。こうして、マイクロレンズ１ａの形状を、石英
基板１ｂに転写し、凸型スタンパ２を作製した（第２図
（ｂ））。

上述の方法により作製したスタンパ２を、そのまま、凸
型マイクロレンズとして使用することもできる。また、
このスタンパ２をマスクとして、凹型スタンパを作製し
ても良い。

第１の実施例の製造方法と同様に、第１の実施例の液晶
表示装置１１に用いられた基板９ａ、９ｂと同じ材料か
らなるはう珪酸ガラス基板５上に、第一の感光性樹脂層
４ａを形成した（第２図（ｃ））。コノ後、凸型スタン
パ２を第一の感光性樹脂４ａに押しあてながら、第一の
感光性樹脂層４ａに紫外線を照射することにより、第一
の感光性樹脂層４ａを成形し、硬化させた。こうして、
凹型レンズ形状部分４ｂをガラス基板５上に形成するこ
とができた（第２図（ｄ））。なお、紫外線照射の方向
は、第２図（ｄ）に示す矢印ＣＳ　Ｄのどちらであって
もよい。

次に、スタンパ２をレンズ形状部分４ｂから除去し、凹
型マイクロレンズ２０を作製した（第２図（ｅ））。

このマイクロレンズ２０を第１の実施例の液晶表示装置
１１に取り付けるには、第二の感光性樹脂からなる層を
接着層７として液晶表示装置１１の基板９ａ上に形成し
た後、マイクロレンズ２０をその上に配し、紫外線照射
により硬化させればよい。なお、ここで作製したマイク
ロレンズ２０は、凹型レンズであるため、凸レンズ効果
を持たせるためには、第二の感光性樹脂の屈折率は、第
一の感光性樹脂の屈折率より大きくする必要がある。本
実施例では、第一の感光性樹脂として、ＴＨＲＥＥＢＯ
ＮＤ社製ＡＶＲ−１００（屈折率、１．４６）を用い、
第二の感光性樹脂の材料として、ＮｏＲＬＡＮＤ社製Ｎ
０Ａ−６１（屈折率、１．５６）を用いた。

上記の何れの光学装置に於いても、レンズ形状部分４ｂ
と接着層７とが接するようにしてマイクロレンズ１０．
２０が液晶表示装置１１に取り付けられている。これに
よって、レンズ部分４ｂと液晶表示装置１１の絵素との
距離が短縮されている。実施例のマイクロレンズ１０，
２０の向きとは反対に、レンズ基板５と接着層７とが接
するようにしてマイクロレンズ１０，２０が液晶表示装
置１１に取り付けられていると、レンズ基板５の厚さの
分だけ、レンズ部分４ｂと絵素との距離は増加してしま
う。従って、マイクロレンズ１０゜２０の焦点距離をそ
の増加分だけ長くしておかなければならない。マイクロ
レンズ１０．２０の焦点距離を長くすると、照明光の集
光スポ、２ト径が増加し、照明光を絵素内へ充分に集光
できないという問題が生じる。上記の実施例では、マイ
クロレンズ１０．２０の焦点距離は充分短いため、この
ような問題が生じることなく、照明光を絵素へ適切に集
光させることができた。

第１の実施例では、接着層７の層厚は約３０μｍ１基板
９ａの厚さは１．　１ａｍである。従って、照明光を液
晶表示装置１１の絵素に集光させるため、マイクロレン
ズ１０は、焦点距離ｆがガラス中で１．１１１１Ｉ１１
となるように設計されている。この設計に際して、接着
層７の厚さが基板９ａの厚さよりも充分小さいので、基
板９ａ中に於ける焦点距離ｆを表す次式（１）が用いら
れた。

ｆ＝ｒ−ｎ３／　（ｎｌ−ｎ２）　　　　　　（１）こ
こで、ｒはマイクロレンズ１０の曲率半径、ｎｌはレン
ズ形状部分４ｂ（第一の感光性樹脂）の屈折率、ｎ２は
接着層７（第二の感光性樹脂）の屈折率、ｎ３は基板９
ａの屈折率である。

なお、上式（１）は、媒質１（屈折率ｎｌ）と媒質２（
屈折率ｎ２）の界面（曲率半径ｒ）でのレンズの焦点距
［ｆｌを求める公式である次式ｆｌ＝ｒ−ｎ２／　（ｎ
ｌ−ｎ２）　　　　　（２）に対して、焦点距離ｆｌを
媒質３（屈折率ｎ３）中での焦点距離に変換するための
係数（ｎ　３　／　ｎ２）を掛けることによって得られ
る。

式（１）に、第１の実施例で用いた材料の屈折率、ｎ１
＝１．５６、ｎ２＝１．４６、ｎ３＝１゜５３、及びマ
イクロレンズ１０の曲率半径ｒ＝７２μｍを代入すれば
、焦点距離ｆ＝１．１ｍｍが得られる。こうして、照明
光は、マイクロレンズ１０、接着層７、基板９ａを透過
した後、液晶表示装置１１の絵素に適切に集光する。

このように、上記何れの実施例に於いても、マイクロレ
ンズ１０，２０のレンズ基板５が、液晶表示装置１１の
基板９ａと同じほう珪酸ガラス基板である。また、マイ
クロレンズ１０．２０は、レンズ形状部分４ｂの屈折率
とは異なる屈折率を有する接着層７を介して液晶表示装
置１１の基板９ａに接着されている。また、マイクロレ
ンズ１Ｏ１２０のレンズ形状部分４ｂは、はう珪酸ガラ
ス基板５上に形成された感光性樹脂層４ａをスタンパ２
によりレンズ形状に成形し、紫外線照射によってこれを
硬化させることによって形成されている。以上のことか
ら、下記の効果を得ることができた。

（１）マイクロレンズ１０．２０のレンズ形状部分４ｂ
が、液晶表示装置１１の基板９ａと同じ材料からなるほ
うレンズ基板５上に形成されているため、マイクロレン
ズ１０，２０と基板９ａとの熱膨張係数差を原因として
、使用環境の温度変化によりマイクロレンズ１０，２０
が基板９ａから剥離してしまうということがなくなった
。また、レンズ形状部分４ｂが接着層７と同様に樹脂か
らなるため、レンズ形状部分４ｂと接着層７の密着性が
向上し、マイクロレンズ１０．２０は基板９ａからいっ
そう剥離しにくいものとなった。

（２）レンズ形状部分４ｂの屈折率とは異なる屈折率を
有する接着層７によって、マイクロレンズ１０．２０と
液晶表示装置１１の基板９ａとが接着されているために
、レンズ形状部分４ｂと接着層７とが接していても、マ
イクロレンズ１０゜２０によるレンズ効果が生じた。こ
のため、レンズ形状部分４ｂが基板９ａに対向するよう
にしてマイクロレンズ１０．２０を液晶表示装置１１に
取り付け、マイクロレンズ１０．２０の焦点距離を充分
短いものとすることができた。これによって、レンズの
集光力が向上した。

（３）マイクロレンズ１０．２０により照明光が液晶表
示装置１１の絵素に適切に集光され、それによって液晶
表示に於ける実効的な開口率が増加した。このため、液
晶表示装置１１の表示輝度が上昇し、鮮明な画像を得る
ことができた。

（４）スタンパ２を用いてマイクロレンズ１０．２０の
レンズ形状部分４ｂを形成するため、短時間の工程で効
率良くマイクロレンズ１０．２０を複製することができ
た。このため、量産性が向上し、製造コストが低減され
た。

（５）硬化前の感光性樹脂層４ａをレンズ材料として用
いるため、該レンズ材料をスタンパ２により容易にレン
ズ形状に成形することができた。

また、硬化後のレンズ形状部分４ｂは、適切な離型剤の
使用によってスタンパ２からの離型性に優れ、かつ、レ
ンズ基板５及び接着層７への密着性が高かった。

なお、本発明の光学装置は上記実施例の液晶表示装置１
１に限定されない。上記実施例と同様にして、マイクロ
レンズ１０．２０は液晶表示装置１１以外の各種光学装
置に取り付けられていても良い。その場合も、マイクロ
レンズ１０．２０のレンズ基板としては、各々の光学装
置のマイクロレンズ１０，２０が取り付けられる部分の
熱膨張係数と実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から
なるものが使用される。

（発明の効果）このように本発明の光学装置では、光学装置のマイクロ
レンズが取り付けられている部分と実質的に熱膨張係数
の等しいレンズ基板上に、マイクロレンズのレンズ形状
部分が形成されているため、使用環境の温度変化等によ
り該マイクロレンズが該光学装置から剥離してしまうと
いうことがない。

マイクロレンズが、レンズ形状部分の屈折率とは異なる
屈折率を有する接着層を介して、光学装置に取り付けら
れていると、該レンズ形状部分と該接着層とが接した状
態でもマイクロレンズによるレンズ効果が発揮される。

このため、マイクロレンズの焦点距離を短いものとし、
レンズの集光力を高めることができる。

マイクロレンズのレンズ形状部分が感光性樹脂であると
、硬化前に該感光性樹脂をレンズ形状へ成形することが
容易である。更に、硬化後の感光性樹脂は、レンズ基板
及び接着層への密着性が高い。このため、光学装置から
剥離しにくいマイクロレンズを短時間の工程で効率良く
形成することができる。従って、剥離しにくいマイクロ
レンズを備えた光学装置の量産性が向上し、その製造コ
ストが低減される。

４、　゛　　　の　　　　な！　Ｉ第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施例を製造す
る工程を説明するための断面図、第２図（ａ）〜（ｅ）
は第２の実施例を製造する工程を説明するための断面図
である。

１・・・マスタ、２・・・スタンバ、４ａ・・・感光性
樹脂層、４ｂ・・・レンズ形状部分、５・・・レンズ基
板、７・・・接着層、９ａ、９ｂ・・・液晶表示装置の
基板、１０１２０・・・マイクロレンズ、１１・・・液
晶表示装置。

以上

Claims

【特許請求の範囲】１、レンズ基板と該レンズ基板上に形成されたレンズ形
状部分とを有するマイクロレンズが取り付けられている
光学装置に於て、該レンズ基板の熱膨張係数が、該光学装置の該マイクロ
レンズが取り付けられている部分の熱膨張係数と実質的
に等しい、光学装置。２、前記レンズ形状部分が感光性樹脂からなる請求項１
に記載の光学装置。３、前記マイクロレンズが接着層を介して取り付けられ
ており、該接着層の屈折率が前記レンズ形状部分の屈折
率と異なる請求項１又は２に記載の光学装置。