JPH06265702A

JPH06265702A - 光学素子及びその製造方法ならびにドットマトリクス表示装置

Info

Publication number: JPH06265702A
Application number: JP5078689A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Aoyama; 茂青山
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】液晶表示パネルに最適な信頼性のあるマイク
ロレンズアレイの量産方法を提供する。【構成】原盤となるマイクロレンズアレイ１にスパッ
タリング等により銀薄膜２を形成し、電鋳法によりスタ
ンパ台３を作製する〔図１（ａ）〕。この上にＮｉ等の
ブロック材４をスタンパ台３に固定し〔図１（ｂ）〕、
さらに電鋳法によりスタンパ盤５を作製し〔図１
（ｃ）〕、銀薄膜２より剥離する〔図１（ｄ）〕。次
に、マイクロレンズアレイ１のレンズ面の凹凸反転形状
が転写された面にタングステンの強度補強膜６を形成
し、スタンパ７を得る〔図１（ｅ）〕。このスタンパ７
を加圧成形機１４の上型１５の部分型として装着固定
し、ガラス基板１２上に成形用ガラス材１０が板状に張
り合わされたガラス材料８を用いて〔図２（ａ）〕、高
温化で加圧成形し、マイクロレンズアレイ１１（複製
品）を得る〔図２（ｂ）〕。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学素子及びその製造方
法ならびにドットマトリクス表示装置に関する。具体的
にいうと、本発明は、液晶表示パネルにおいて画素開口
領域に光束を集光させるための光学素子とその製造方法
に関する。さらに、その光学素子を用いたドットマトリ
クス表示装置に関する。

【０００２】

【背景技術とその問題点】マイクロレンズアレイは、フ
ァイン・オプティクスその他の分野における重要な光学
素子として、今後ますます重要性が高まることが予想さ
れる。以下、液晶テレビプロジェクターへの応用例とそ
の問題点を説明する。

【０００３】〔液晶テレビプロジェクターの問題点〕液
晶テレビプロジェクター３１は、図１６に示すように、
反射鏡３２付きの白色ランプ３３及びコンデンサレンズ
３４からなるバックライト光源３５と、２枚の偏光板３
６に挟まれた液晶表示パネル３７と、投影レンズ３８と
から構成されていて、バックライト光源３５をオンして
バックライト光源３５からの光束αによって２枚の偏光
板３６に挟まれた液晶表示パネル３７を照らせば、液晶
表示パネル３７に表示された動画像が投影レンズ３８に
よって拡大され、スクリーン３９に投影される。

【０００４】液晶テレビプロジェクタ３１の液晶表示パ
ネル３７は、液晶画素寸法の縮小化による高分解能化
（表示容量の増大化）が進んでいる。液晶表示パネル３
７は、図１７に示すように、２枚のガラス基板４０、４
０の間に液晶層４１が形成され、液晶層４１には多数の
画素４２が形成され、１つ１つの画素４２は画素開口領
域４３と配線領域４４とから構成されている。配線領域
４４は、すべての画素４２を駆動するための配線列より
構成されているが、歩留りの低下や、電気抵抗の増大等
の理由で縮小化できない。このため、液晶画素寸法の縮
小化にあたっては、画素開口領域４３の面積を縮小し、
画素４２の寸法の縮小化を図っている。

【０００５】しかしながら、図１７に示すように、液晶
表示パネル３７に入射する光束αのうち、画素開口領域
４３に入射する光束αは液晶表示パネル３７を透過する
が、配線領域４４に入射する光束αは、スクリーン３９
側へ透過できないので、画素開口領域４３の面積を縮小
すると、液晶表示パネル３７への光の取り込み効率、す
なわち画素４２の有効開口率（有効開口率＝画素開口領
域４３の面積／画素４２の全面積）が低下するため、画
面が暗くなり、光の利用効率が低下する。例えば、３イ
ンチ四方に５万個の画素４２がある液晶表示パネル３７
においては、その有効開口率は７０％であるのに対し、
同じく３インチ四方に２５万個の画素４２を含むように
すれば、その有効開口率は３５％に低下し、画面の輝度
が低下する。このように、液晶テレビプロジェクタ３１
の高分解能化に対して、今後、光の利用効率の低下はま
すます深刻な問題になる。

【０００６】〔マイクロレンズアレイの液晶表示パネル
への応用〕このような画素４２の高分解能化による有効
開口率の低下に対し、図１８に示すように液晶表示パネ
ル３７の片面にマイクロレンズアレイ４５を配置したも
のが提案されている。この液晶表示パネル３７にあって
は、マイクロレンズ４７のレンズ形状を矩形（長方形）
状にしてマイクロレンズ４７の隙間をなくし、マイクロ
レンズ４７が緻密に配置したマイクロレンズアレイ４５
を液晶表示パネル３７に張り合わせることにより、光の
利用効率を高めている。また、マイクロレンズ４７は液
晶表示パネル３７の画素４２と同じピッチで配列され、
図１９に示すように、バックライト光源３７からの照明
光（光束α）を全て画素開口領域４３に集光させること
ができ、光の利用効率を極めて高くすることができる。

【０００７】しかしながら、この液晶表示パネル３７に
あっても、液晶表示パネル３７の高精細化が進むにつ
れ、光利用効率の向上が期待できなくなるという問題が
ある。つまり、マイクロレンズ４７によって集光される
スポット径はマイクロレンズ４７の開口数によって決ま
り、マイクロレンズアレイ４５を液晶表示パネル３７に
応用する場合、マイクロレンズ４７の開口数は、液晶表
示パネル３７のガラス基板４０の厚さ及びマイクロレン
ズ４７の配列ピッチで一意的に決定される。また、液晶
表示パネル３７に用いられているガラス基板４０の厚さ
はその平面度及びハンドリング強度から考えて、０.５
ｍｍ程度が限界であると考えられている。これらのこと
より、液晶表示パネル３７の画素４２の配列ピッチが小
さくなるに従い、マイクロレンズ４７で集光されるスポ
ット径は、マイクロレンズ４７の開口数の減少に伴い大
きくなり、その結果、スポット径を画素開口領域４３の
大きさよりも小さくすることができなくなって、光の利
用効率を高めることが困難になる。

【０００８】そこで、液晶表示パネル３７のガラス基板
４０の内部にマイクロレンズアレイ４５を有する構造
が、特開平２−２５１９０２号公報や特開平３−２４８
１２５号公報に開示されている。これらによれば、光の
利用効率を高めることができ、マイクロレンズアレイ４
５と液晶表示パネル３７との位置合わせや、接着固定と
いった工程を短縮することができる。さらには、液晶表
示パネル３７を軽量化できるといった特徴を合わせ持
ち、液晶表示パネル３７の高精細化が進むにつれ、これ
らに開示された構成が非常に有効となっている。

【０００９】〔マイクロレンズアレイの作製方法の問題
点〕次に、液晶表示パネル３７に応用される装荷型又は
一体型のマイクロレンズアレイ４５の作製方法とその問
題点を述べる。従来より、マイクロレンズアレイ４５の
作製方法として、屈折率分布型のマイクロレンズアレイ
４５にはガラス材料を用いたイオン拡散法があり、半球
レンズ型のマイクロレンズアレイ４５には樹脂材料を用
いた溶融法、膨潤法や電子ビーム法等や量産性のよい２
Ｐ法(Photopolymerization-Method)が、またガラス材料
を用いた切削加工法がある。

【００１０】屈折率分布型のマイクロレンズアレイ４５
の作製に使用されるイオン拡散法は、マイクロレンズア
レイ４５の基板４６及びマイクロレンズ４７の材質とも
にガラス材料より構成されるため耐環境特性に優れてい
るといえる。経時的に光学特性が変化することも少な
く、またマイクロレンズアレイ４５の基板４６と液晶表
示パネル３７のガラス基板４０とを兼ねるようにして作
製した場合（基板一体型の場合）には、スパッタリング
中の温度によっても光学特性が低下することなく、画素
電極や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成することが可
能になる。しかしながら、マイクロレンズ４７のレンズ
材質にアルカリイオンを含有しているため、作製途中に
おいてアルカリイオンが析出され、その結果薄膜トラン
ジスタの作製の歩留りが低下する。またこの方法により
作製されたマイクロレンズアレイ４５を用いた液晶表示
パネル３７にあっては、アルカリイオンが液晶層４１に
移行して液晶層４１の特性の低下を招くことになる。ま
た、これらアルカリイオンの移行を防止するために、マ
イクロレンズアレイ４５表面に無アルカリガラス材をコ
ーティングする方法もあるが、アルカリガラス材と無ア
ルカリガラス材との熱膨張率の差によって、温度変化に
より両者の界面の密着性が著しく低下し、しいては無ア
ルカリガラス材の剥離を生じることとなり、液晶表示パ
ネル３７の信頼性を低下させる原因となる。

【００１１】また、半球レンズ型のマイクロレンズアレ
イ４５の作製には、量産性、微細転写性に優れている２
Ｐ法が用いられるのが一般的であり、その際熱膨張率差
による位置ずれを考慮して、基板４６の材料にはガラス
が、マイクロレンズ４７のレンズ材としては光硬化性あ
るいは熱硬化性樹脂が用いられる。

【００１２】しかしながらこの方法においては、樹脂の
吸湿性によってレンズ形状および屈折率に変化を生じた
り、紫外線によって透過率の低下を生じたりするため、
液晶表示パネル３７への実装工程においてマイクロレン
ズアレイ４５の光学特性を変化させる原因となり、光利
用効率の向上が望めない。

【００１３】さらに、基板４６とマイクロレンズ４７と
を樹脂により一体構造とする２Ｐ法もあるが、このよう
なマイクロレンズアレイ４５では、液晶表示パネル３７
の製造工程での温度によりレンズ形状が変化するといっ
た問題もある。このため、液晶表示パネル３７の製造工
程においてマイクロレンズアレイ４５の光学特性を変化
させ、光利用効率の向上が望めなかった。

【００１４】また、マイクロレンズアレイ４５の基板４
６及びマイクロレンズ４７の材質ともにガラス材料を用
いる切削加工法があるが、量産性や微細加工性に優れ
ず、数１０万個というマイクロレンズ４７から構成され
るマイクロレンズアレイ４５を高精度で作製するのに
は、量産性から考えると極めて困難なものになる。

【００１５】以上のように上述の作製方法では、液晶表
示パネル３７に応用されるマイクロレンズアレイ４５の
作製方法に要求される微細加工性（所望とする光学特性
を得るためには、マイクロレンズ４７の作製精度として
０.１μｍ単位の精度が要求される。）、量産性、信頼
性の３点を同時に満足することはできなかった。

【００１６】〔ガラスレンズ成形法における問題点〕一
方、信頼性の高いガラスレンズの作製方法として、モー
ルドガラスレンズ成形法（ガラスモールド法）がある。
この方法はこれまで光ピックアップ用の球面レンズの作
製に用いられ、量産性に優れ、しかも、レンズ材として
ガラス材料を用いているので高い信頼性を有するレンズ
を作製できる。

【００１７】このガラスモールド法に用いる金型の作製
法として、主に単レンズの金型加工に用いられるバイト
切削加工法、ルーリングエンジン法やプレス法がある。
バイト切削加工法は主に単レンズの金型加工に用いられ
るものであって、この方法は、高温で酸化されず、しか
もガラスとの剥離性に優れた耐熱合金、炭素材料等から
なる金型材を回転ステージに固定し、ステージを回転さ
せながら所望の形状となるようにバイトを回転軸方向に
移動させてレンズ形状を切削加工して金型を作製し、溶
融されたレンズ材料を金型内に流し込んで、その後冷却
したのちレンズを作製する方法である。

【００１８】しかし、この方法によると、回転対称性を
有する形状の金型しか加工できず、液晶表示パネル３７
に用いられるような２軸対称性のマイクロレンズアレイ
４５を加工することは困難で、また、マイクロレンズア
レイ４５のような微細な光学面を得るためにはサブミク
ロン単位の送りピッチが必要なためその加工に膨大な時
間がかかる。

【００１９】また、ルーリングエンジン法は、ローラ状
のプレス型を金型上で回転させながら押圧移動させてい
くことで所望の形状を得ることができるが、この方法に
あっては、原理上レンズ形状を作製することはできな
い。

【００２０】また、プレス法は、凹面状の型でプレスす
ることによりレンズ金型を作製することができるが、マ
イクロレンズアレイ状にプレスすることは、プレスされ
ることにより押出される金型材のため、隣接してレンズ
形状を作製することはできず、平坦度が得られないとい
った問題を生じる。

【００２１】さらに、これら以外に金型の作製方法とし
てマイクロレンズアレイ４５などの微小光学素子や光デ
ィスクなどのサブミクロン単位の微細パターンの転写性
に優れ、量産性にも富む電鋳法がある。この電鋳法は、
２Ｐ法の金型作製方法として一般的に用いられている
が、複製に用いられる材料としては、金型強度の点から
樹脂材料に限られ、ガラス材料の成形に用いられた例は
なかった。また、ガラスモールド法のような加圧成形用
の金型に用いられた例もなかった。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、電鋳法によって作製される金型の微細加工性と
ガラスモールド法によって作製されるレンズの量産性、
信頼性に着目してなされたものであり、その両者の長所
を合わせ持つ製造方法を提供することにより、液晶表示
パネルへの応用に最適な光学素子を提供することにあ
る。さらに、その光学素子の製造方法と、その光学素子
を用いたドットマトリクス表示装置を提供することにあ
る。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明の光学素子の製造
方法は、基板上に２次元的にレンズが複数個配列された
マイクロレンズアレイを原盤とし、前記マイクロレンズ
アレイのレンズを形成されている面にスタンパ材料を堆
積し、原盤を除去することにより前記レンズを形成され
た面の凹凸反転形状を転写させてスタンパを作製したの
ち、前記スタンパを型として、成形用ガラス材を用いて
マイクロレンズアレイを加圧成形することを特徴として
いる。

【００２４】また、上記製造方法においては、前記スタ
ンパの凹凸反転形状を転写させた面を強度補強膜によっ
て覆っていることが好ましい。この強度補強膜は、前記
スタンパの凹凸反転形状を形成された面に強度補強用材
料を付着させて形成してもよく、あるいは、前記原盤と
なるマイクロレンズアレイのレンズを形成されている面
に強度補強用材料を堆積させ、その上にスタンパ材料を
堆積させることにより、前記スタンパの凹凸反転形状を
転写させた面に形成してもよい。

【００２５】また、この製造方法においては、基板とな
るガラス板材上に成形用ガラス材を重ね合わせたガラス
材料を用い、当該成形用ガラス材を加圧成形することに
よりレンズと基板とを一体に形成することができる。こ
のとき、ガラス板材と比較して低融点の成形用ガラス材
を用いるのが好ましい。

【００２６】前記加圧成形は、例えばプレスモールド成
形法である。

【００２７】上記製造方法によって製造される光学素子
は、マイクロレンズアレイを構成するレンズとレンズと
が、レンズ機能を有しない領域を介して隣接しているも
のであってもよい。

【００２８】上記光学素子を用いてドットマトリクス表
示装置を構成することができ、ドットマトリクス表示手
段を構成する一対の基板のうち、いずれか一方の基板を
当該光学素子とすることができる。その場合、ドットマ
トリクス表示手段を構成する基板の内面側にマイクロレ
ンズアレイのレンズ面を位置させることができる。さら
に、マイクロレンズアレイのレンズを形成された基板の
レンズ面と反対面に画素表示手段もしくはカラーフィル
タを設けてもよい。

【００２９】また、本発明の別なドットマトリクス表示
装置は、光源と、ドットマトリクス表示手段と、ドット
マトリクス表示手段の画素配列によって規定される開口
に対応するレンズ配置を持ち、上記光源から出射される
光を入射光として上記ドットマトリクス表示手段の各画
素位置に集光させるためのマトリクスレンズアレイを備
えた当該光学素子とからなることを特徴としている。

【００３０】さらに、本発明のさらに別なドットマトリ
クス表示装置は、光源と、ドットマトリクス表示手段
と、映像を濾過するフィルタであって、各画素の像を複
数に分割し重ね合わせて画素間に補間を生じさせること
により表示画素の特定の高周波数成分を除去する機能を
備えた当該光学素子とからなることを特徴としている。

【００３１】また、これらのドットマトリクス表示装置
においては、ドットマトリクス表示手段を液晶表示手段
とすることができる。

【００３２】

【作用】本発明の光学素子の製造方法にあっては、基板
上に２次元的にレンズが複数個配列されたマイクロレン
ズアレイを原盤とし、前記マイクロレンズアレイのレン
ズを形成されている面にスタンパ材料を堆積し、原盤を
除去することにより前記レンズを形成された面の凹凸反
転形状を転写させスタンパを作製することとしているの
で、微細な成形パターンを有するマイクロレンズアレイ
にあっても、バイト切削加工法のように金型を切削加工
することなく、パターン精度のよい成形用型を容易に作
製することができる。また、成形用ガラス材を加圧成形
（例えば、プレスモールド成形）することとしているの
で、原盤のマイクロレンズアレイと同じパターン精度の
複製品を容易に量産することができる。

【００３３】従って、膨潤法や溶融法、電子ビーム法等
により作製したマイクロレンズアレイを原盤とした場合
にあっても、要求される作製精度（０.１μｍ）で、複
製することができる。

【００３４】レンズは、回転対称性をもつレンズ形状に
限らず、液晶表示パネル等に用いる２軸対称性のレンズ
形状をもつマイクロレンズアレイにあっても、成形用型
を容易に作製できるため、加圧成形により多量の複製品
を精度よく得ることができる。

【００３５】また、ガラス材を用いて成形することとし
ているので、作製されたマイクロレンズアレイは経時的
変化が少なく、マイクロレンズアレイの光学特性を変化
させることも少ないので、マイクロレンズアレイの信頼
性を高めることができ、液晶表示パネル等の光学素子に
用いれば、信頼性の高い光学素子を製造することができ
る。

【００３６】さらに、無アルカリガラスを用いて成形す
ることもでき、アルカリイオンの溶出の影響による液晶
表示パネルの歩留りの低下や光学特性が低下することが
ない。また、アルカリイオンの溶出を防ぐため無アルカ
リガラス膜の形成をする必要がないため、膜の剥離も生
じず、マイクロレンズアレイの基板と液晶表示パネルの
基板とを兼ね合わせた信頼性の高い光学素子を得ること
もできる。

【００３７】上記光学素子の製造方法において、上記ス
タンパの凹凸反転形状を転写させた面を強度補強膜で覆
ってあれば、成形用型の強度を高めることができ、より
高い圧力で成形することが可能で、しかも型の寿命を延
ばすこともできる。この場合、スタンパの凹凸反転形状
を形成された面に強度補強用材料を付着させて強度補強
膜を形成すれば、スタンパの作製後に強度補強膜を作る
ことができ、強度補強膜が摩耗してきた場合には再び強
度補強膜を作ることができる。また、原盤となるマイク
ロレンズアレイのレンズを形成されている面に強度補強
用材料を堆積させ、その上にスタンパ材料を堆積させれ
ば、スタンパの作製時に強度補強膜を形成することがで
き、スタンパの作製が容易になると共に、強度補強膜に
よって凹凸反転形状を転写させた面の寸法精度を損ねる
恐れがない。

【００３８】また、基板となるガラス板材上に成形用ガ
ラス材を重ね合わせたガラス材料を用いてレンズと基板
とを一体に形成すれば、信頼性の高いマイクロレンズア
レイをさらに容易に量産することができる。特に、ガラ
ス板材と比較して低融点の成形用ガラス材を用いれば、
成形時の温度を調整することによりガラス板材を熱で歪
ませることなく、成形用ガラス材だけを成形することが
できる。

【００３９】上記製造方法によれば、レンズ同志が密に
配列されたマイクロレンズアレイからなる光学素子を精
度よく量産することができるが、このような光学素子に
限らず、レンズとレンズとがレンズ機能を有しない領域
を介して隣接したマイクロレンズアレイからなる光学素
子も量産することができる。

【００４０】また、この光学素子、あるいは上記製造方
法によって製造された光学素子は、液晶表示手段などの
ドットマトリクス表示手段を備えたドットマトリクス表
示装置に用いることができ、各種ドットマトリクス表示
装置の高品質化と量産化に寄与することができる。

【００４１】

【実施例】図１、図２及び図３は、本発明によるマイク
ロレンズアレイの製造方法を示す図であって、図１
（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、スタンパの製造方
法を示す断面図、図２（ａ）（ｂ）は、スタンパにより
マイクロレンズアレイを複製する方法を示す断面図、図
３は本発明の製造方法に用いる加圧成形機の概略断面図
である。以下、図１、図２及び図３に従い、マイクロレ
ンズアレイを複製する方法について説明する。

【００４２】まず、原盤となるマイクロレンズアレイ１
を用意し、スパッタリングや蒸着等によってマイクロレ
ンズアレイ１の表面を覆うように銀薄膜２を形成する。
ついで、この銀薄膜２を電極として電鋳法により、銀薄
膜２上にニッケルが板状になるまで堆積させてスタンパ
台３を作製する〔図１（ａ）〕。

【００４３】次に、スタンパ台３に強度補強用としてＣ
ｕまたはＮｉよりなるブロック材４をスタンパ台３に接
着剤等で固定し〔図１（ｂ）〕、再度電鋳法によりこの
ブロック材４とスタンパ台３とともに全体をニッケルで
被覆し、スタンパ盤５を作製し〔図１（ｃ）〕、スタン
パ盤５を銀薄膜２から剥離させ、マイクロレンズアレイ
１の表面形状の凹凸反転形状を転写されたスタンパ盤５
を作製する〔図１（ｄ）〕。さらに、マイクロレンズア
レイ１のレンズ面の凹凸反転形状が転写された面に、タ
ングステン単体によるスパッタリングや電鋳法により強
度補強膜６を形成させ、目的とするスタンパ７を得る
〔図１（ｅ）〕。

【００４４】なお、強度補強用のブロック材４にはＣｕ
やＮｉ以外にタングステン、タンタルやロジウム−金−
タングステン合金、白金−タンタル−レニウム合金など
の金属単体や金属合金を用いる。また、強度補強膜６と
して用いられる金属は、適当な補強強度を有し、ガラス
材と融着や反応を起こさないものが望ましく、タングス
テン以外に、タンタル、レニウム、ハフニウムなどの金
属単体、あるいは、ロジウム−金−タングステン合金や
白金−タンタル−レニウム合金などの金属合金を用いる
ことができる。

【００４５】次に、このスタンパ７を型として、ガラス
基板１２上に多数のレンズ１３が配列されたマイクロレ
ンズアレイ（複製品）１１を量産する方法について説明
する。

【００４６】上記のようにして作製されたスタンパ７
を、図３に示すように、加圧成形機１４の上型１５の部
分型として装着、固定する。ついでガラス材料８を準備
し〔図２（ａ）〕、支持台１６にセットする。そして、
上型１５及びガラス材料８を高温下にして一定の圧力Ｐ
でプレスモールド成形すると、目的とするマイクロレン
ズアレイ１１を容易に多量に得ることができる〔図２
（ｂ）〕。

【００４７】ところでガラス材料８は、図２（ａ）に示
すように、マイクロレンズアレイ１１の基板となるガラ
ス基板１２上に、レンズ成形用の成形用ガラス材１０が
張り合わされている。これらのガラス基板１２および成
形用ガラス材１０は、アルカリイオンを含まない合成石
英や硼珪酸ガラス等よりできている。また、成形用ガラ
ス材１０の融点は、ガラス基板１２の融点よりも低くな
っていて、成形用ガラス材１０の融点より高く、ガラス
基板１２の融点より高い温度で加圧成形すれば、ガラス
基板９の強度を保ちつつ、成形用ガラス材１０にレンズ
１３を成形することができる。このように、本発明のマ
イクロレンズアレイの製造方法を用いれば、ガラス基板
１２及びレンズ１３を一体成形した、ガラス材よりなる
精度のよいマイクロレンズアレイ（複製品）１１を容易
に量産することができる。

【００４８】こうして作製されたマイクロレンズアレイ
１１は、ガラス基板１２及びレンズ１３ともにガラス材
から構成されるため、耐環境特性に優れていて、レンズ
が樹脂材よりなる従来のマイクロレンズアレイに比べ、
温度変化や湿度変化による屈折率の変化は１／１０とな
り、光学特性は環境変化に比べほとんど変化なく、経時
的にも光学特性の変化もほとんどない。

【００４９】また無アルカリガラスを用いてマイクロレ
ンズアレイ１１を作製しているので、上記のように得ら
れたマイクロレンズアレイ１１を、液晶表示パネルのガ
ラス基板と兼ねることにしても、アルカリイオンが溶出
せず、アルカリイオンの析出による液晶内のスイッチン
グ用の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）パターニングの歩留
りの低下や液晶層へのイオン移行による光学特性の低下
を防ぐことができる。また、液晶表示パネルとマイクロ
レンズアレイ１１との熱膨張率を等しくできるため温度
変化による位置ずれも起こさない。

【００５０】なお、上記マイクロレンズアレイの複製方
法においては、スタンパ盤５を作製した後、スタンパ盤
５の凹凸反転形状を転写された面に強度補強膜６を形成
したが、別な方法においては、原盤となるマイクロレン
ズアレイ１の表面を覆うように銀薄膜２を形成した後、
この銀薄膜２を電極として電鋳法により、銀薄膜２上に
タングステン単体等からなる強度補強膜６を形成し、さ
らに電鋳法により強度補強膜６の上からニッケルを板状
になるまで堆積させてスタンパ台３を作製するようにし
てもよい。

【００５１】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の製造
方法に用いた原盤のマイクロレンズアレイ１を示す図で
ある。図４（ａ）は、マイクロレンズアレイ１を示す斜
視図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線におけるマ
イクロレンズアレイ１の断面図であって、レンズ２３の
Ａ−Ａ線におけるレンズ端面２９の形状は、図４（ｂ）
に示すように円弧状をなしている。また、図４（ｃ）
は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線におけるマイクロレンズアレ
イ１の断面図であって、レンズ２３は基板２２上に隙間
なく配置されている。

【００５２】図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、
本発明による上記マイクロレンズアレイ１の製造方法を
示す正面図、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図５（ｂ）
（ｄ）（ｅ）に対応する斜視図である。以下、原盤とな
るマイクロレンズアレイ１の製造方法を図５および図６
にしたがって説明する。

【００５３】まず、ガラス板やアクリル板等で形成した
透明な基板２２に、レンズ２３を形成するためのレンズ
成形用枠２４をフォトリソグラフィ技術により作製す
る。つまり、図５（ａ）に示すように、基板２２の全面
にレンズ成形用枠２４を作製するための枠成形用樹脂２
５（例えばフォトレジスト材料などであって、レンズ母
材と親和性を有するもの）をコーティングする。次に、
枠成形用樹脂２５にフォトマスクを重ねて露光し、さら
に現像することにより、図６（ａ）に示すように、レン
ズ成形用枠２４が所望するレンズ２３のレンズ端面２９
と同じ形状であって、レンズ２３を形成する位置の周囲
に多数得られるようパターニングをする〔図５
（ｂ）〕。

【００５４】次に、レンズ成形用枠２４全体を覆うよう
に透明な微小レンズ用材料２６（例えばレンズ成形用枠
２４の作製に使用したフォトレジスト材料より溶融点が
低いフォトレジスト材料など）を基板２２の全面にコー
ティングする〔図５（ｃ）〕。この微小レンズ用材料２
６に、再びフォトマスクを重ねて露光し、さらに現像す
ることにより、図６（ｂ）に示すように所定形状のレン
ズ母材２７が多数得られるようパターニングする〔図５
（ｄ）〕。

【００５５】ついで、レンズ母材２７をベークして、レ
ンズ母材２７の端面が先に作製したレンズ成形用枠２４
の縁に接するまで溶融させる。ついで溶融したレンズ母
材２７の表面張力によりレンズ母材２７の表面が凸曲面
となり、その表面が凸曲面の状態を保ったままで、レン
ズ母材２７を硬化させ、図６（ｃ）に示すように所望の
レンズ端面２９及びレンズ形状をした多数のレンズ２３
を形成することにより、マイクロレンズアレイ１を作製
する〔図５（ｅ）〕。

【００５６】図７（ａ）（ｂ）は、本発明の製造方法に
より製造されたマイクロレンズアレイ１のレンズ２３を
示す平面図及び斜視図である。図７（ａ）（ｂ）は、集
光特性に回転対象性を示す円形開口の平凸レンズ（研磨
ガラスレンズ）２８の平面図及び斜視図であって、レン
ズ２３は、図８（ａ）（ｂ）の破線で示すように、平凸
レンズ２８を垂直な面で切断（トリミング）した形状を
なしている。このマイクロレンズアレイ１の製造に用い
られた前記レンズ成形用枠２４は、図７（ｂ）に示すよ
うに、平凸レンズ２８を矩形状にトリミングしてできる
レンズ端面２９と同じ形状となるように作製している。
そこで、このレンズ成形用枠２４をレンズ２３の形成位
置に形成して、平凸レンズ２８をトリミングした形状に
レンズ２３を作製すると、図７（ａ）（ｂ）に示すよう
なレンズ２３が得られる。このようにして作製されたレ
ンズ２３に入射された光αは、図７（ｃ）に示すよう
に、平凸レンズ２８に入射された光αが図８（ｃ）に示
すのと同様に一点で集光されることになる。また、例え
ば、画素をデルタ配列された液晶表示パネルと組合わせ
るマイクロレンズアレイのように、レンズ２３のレンズ
形状を６角形にする場合でも、平凸レンズ２８を６角形
にトリミングして得られるレンズ端面２９と同じ形状に
レンズ成形用枠２４を形成すればよく、光を一点に集光
させることのできるレンズ２３を容易に得ることができ
る。このようにして作製されたマイクロレンズアレイ１
を原盤とすれば、光を一点に集光させることのできるマ
イクロレンズアレイ（複製品）１１を容易に多量に得る
ことができる。

【００５７】図９（ａ）（ｂ）は、レンズ成形用枠２４
の設計方法を示す図であって、レンズ２３の曲率半径と
レンズ成形用枠２４の半径との関係を示す。図９（ａ）
は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線における上記マイクロレンズ
アレイ１の一部破断した断面図、図９（ｂ）は、基板２
２上に配置されたレンズ成形用枠２４の正面図である。
Ｐはレンズ２３の光軸Ｌとレンズ２３の交点、Ｏはレン
ズ２３の曲率中心であって、Ｏ´は、レンズ成形用枠２
４の円弧を示す円の中心である。ここで、レンズ２３は
平凸レンズ２８をトリミングした形状となるよう形成さ
れているため、レンズ２３の曲率半径をｒ、レンズ成形
用枠２４の円弧を示す円の半径をｒ´、レンズ２３の中
心からレンズ端面２９までの距離をａとすると、ｒ´＝（ｒ²−ａ²）^1/2 ……（１）の関係が成り立つ。

【００５８】したがって、レンズ２３のレンズ径２ａ、
レンズ２３の曲率半径ｒ及びレンズ成形用枠２４の円弧
を示す円の半径ｒ´を式（１）の関係が成り立つよう
に、レンズ成形用枠２４の形状を決めれば、曲率半径ｒ
を持つ平凸レンズ２８を平凸レンズ２８の中心からの距
離ａでトリミングしたのと同様なレンズ２３を得ること
ができ、非点収差を生じないレンズ２３を得ることがで
きる。

【００５９】このように、平凸レンズ２８をトリミング
した時に得られるレンズ端面２９の形状と等しいレンズ
成形用枠２４を形成し、レンズ２３を形成すると非点収
差を生じることなく光を一点に集光させることができ
る。したがって、このレンズ２３を配列したマイクロレ
ンズアレイ１を原盤として、本発明の製造方法により複
製されたマイクロレンズアレイ１１を液晶表示パネル等
に用いれば、レンズ２３間のデッドスペースをなくすこ
とができると同時に画素面において微小スポットを得る
ことができ、光の利用効率を向上させることができ、画
像を高分解能にした場合でも、画像の輝度が低下するの
を防ぐことができる。

【００６０】また、図１０は、別なマイクロレンズアレ
イ１ｂにおける図４（ａ）のＢ−Ｂ線に相当する箇所で
の断面図であって、図１０に示すように、レンズ２３を
配列する一方向にのみ、レンズ２３、２３間に隙間３０
（レンズ機能が存在しない領域）を設け、他の方向にお
いてはレンズ２３同志はレンズ端面２９が互いに接する
ように配列されている。

【００６１】また、レンズ成形用枠２４は、レンズ２３
の周囲の少なくとも２辺にあればよく、したがって、い
ずれか一方向のレンズ配列方向のみ形成させることとし
てもよい。

【００６２】さらに、レンズ成形用枠２４の形状を非球
面となるように形成することで、レンズ２３を非球面レ
ンズとしたマイクロレンズアレイを原盤とすることもで
きる。

【００６３】また、図示しないが、集光特性に回転対象
性を示す円形開口の球面レンズや非球面レンズ等の平凸
レンズを図８（ａ）（ｂ）に破線で示すようにカットな
いし研磨して矩形状開口を有する図７（ａ）（ｂ）に示
したのと同様な形状のレンズを多数作製し、この矩形状
開口のレンズを１方向もしくは２方向に連続させるよう
にして基板の上に配置し、光学用接着剤によって基板に
接着することにより作製したマイクロレンズアレイを原
盤としてもよい。

【００６４】また、原盤に用いるマイクロレンズアレイ
１は、上述した以外にも、基板上に曲率調製台を調製
し、所定のガラス母材を溶融させることにより作製され
たものであってもよく、その他の方法で作製されたマイ
クロレンズアレイを原盤とすることができるのはいうま
でもない。

【００６５】このように、本発明によれば、従来金型の
加工が容易でなかった非球面レンズや微細なレンズパタ
ーンを有するマイクロレンズアレイであっても容易にガ
ラスモールド法用の型を得ることができ、信頼性の高い
マイクロレンズアレイを容易に量産することができる。
さらに、回転対称性をもつレンズのみならず、液晶表示
パネルに用いられるような２軸対称性のレンズを有する
場合でも、精度よく信頼性のあるマイクロレンズアレイ
を容易に量産することもできる。

【００６６】図１１に示すものは本発明の方法によって
作製されたいずれかのマイクロレンズアレイ５１を用い
た液晶表示パネル５２Ａを示す断面図である。この液晶
表示パネル５２Ａは、ガラス基板５３の上に多数のレン
ズ５４を配列されたマイクロレンズアレイ５１と単体の
ガラス基板５５とを対向させ、封止用のスペーサ５６で
囲まれたマイクロレンズアレイ５１及びガラス基板５５
間に液晶層５７を形成してある。マイクロレンズアレイ
５１のレンズ５４は液晶層５７の側（つまり、内面側）
に向けられている。また、ガラス基板５５の内面にはＴ
ＦＴや透明電極等からなる画素を配列させた画素表示部
５８が設けられており、その外面にはカラーフィルタ５
９が設けられている。

【００６７】図１２に示すものは本発明の方法によって
作製されたいずれかのマイクロレンズアレイ５１を用い
た別な液晶表示パネル５２Ｂを示す一部破断した斜視図
である。この液晶表示パネル５２Ｂも、ガラス基板５３
の上に多数のレンズ５４を配列されたマイクロレンズア
レイ５１と単体のガラス基板５５とを対向させ、封止用
のスペーサ５６で囲まれたマイクロレンズアレイ５１及
びガラス基板５５間に液晶層５７を形成してある。マイ
クロレンズアレイ５１は、レンズ５４を外側に向けて配
置されており、そのガラス基板５３の内面にはＴＦＴや
透明電極等からなる画素を配列させた画素表示部５８が
設けられている。なお、ガラス基板５５には、必要に応
じてカラーフィルタ５９を設けることができる。

【００６８】図１３に示すものは本発明の方法によって
作製されたいずれかのマイクロレンズアレイ５１を用い
たさらに別な液晶表示パネル５２Ｃを示す一部破断した
斜視図である。この液晶表示パネル５２Ｃも、ガラス基
板５３の上に多数のレンズ５４を配列されたマイクロレ
ンズアレイ５１と単体のガラス基板５５とを対向させ、
封止用のスペーサ５６で囲まれたマイクロレンズアレイ
５１及びガラス基板５５間に液晶層５７を形成してあ
る。マイクロレンズアレイ５１は、レンズ５４を外側に
向けて配置されており、そのガラス基板５３の内面には
カラーフィルタ５９が形成されている。また、ガラス基
板５５の内面にはＴＦＴや透明電極等からなる画素を配
列させた画素表示部５８が設けられている。

【００６９】マイクロレンズアレイ５１の各レンズ５４
は、画素表示部５８の画素開口と対応した配置を有して
おり、上記各液晶表示パネル５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃに
入射した光源光はマイクロレンズアレイ５１の各レンズ
５４によって画素表示部５８の画素開口に集光される。

【００７０】図１４は上記のいずれかの液晶表示パネル
５２Ａ，５２Ｂ又は５２Ｃを用いた液晶テレビプロジェ
クタ６１を示す図であって、６２は反射鏡６３付きの白
色ランプ６４及びコンデンサレンズ６５からなるバック
ライト光源、６６は偏光フィルタ、６７は投影レンズで
ある。

【００７１】図１５に示すものは本発明の方法によって
作製されたいずれかのマイクロレンズアレイ７１を用い
た画像表示装置７２を示す断面図である。この画像表示
装置７２は、バックライト光源７３、液晶表示パネル７
４及び偏光フィルタ７５ａ，７５ｂから構成されてい
る。バックライト光源７３は、リフレクタ付きの白色ラ
ンプ７６及びコンデンサレンズ７７からなる。液晶表示
パネル７４は、ガラス基板７８の上に回折格子形の多数
のレンズ（画素と同一パターン、同一周期の回折格子）
７９を配列されたマイクロレンズアレイ７１と単体のガ
ラス基板８０とを対向させ、封止用のスペーサ８１で囲
まれたマイクロレンズアレイ７１及びガラス基板８０間
に液晶層８２を形成してある。回折格子形のレンズ７９
はガラス基板７８の外側に配置されており、ガラス基板
７８の内面にはカラーフィルタ８３が設けられている。
また、ガラス基板８０の内面にはＴＦＴや透明電極等か
らなる画素８４を配列させた画素表示部が設けられてい
る。液晶表示パネルの上下両面には偏光方向を互いに直
交させて偏光フィルタ７５ａ，７５ｂを重ねて装荷され
ている。

【００７２】この画像表示装置７２では、液晶表示パネ
ル７４の表面に設けられた回折格子形のレンズ７９（マ
イクロレンズアレイ７１）が画像を濾過するフィルタと
して働き、各画素８４の像を複数に分割し重ね合わせて
画素８４間に補間を生じさせることにより表示画像の特
定の高周波数成分を除去する機能を備えている。このた
め画素間のブラックストライプが見えにくくなり、表示
画像の画質が向上する。

【００７３】

【発明の効果】本発明の光学素子の製造方法にあって
は、微細なパターンを有するマイクロレンズアレイにあ
っても、パターン精度のよい成形用型を容易に作製する
ことができ、原盤のマイクロレンズアレイと同じパター
ン精度の複製品を容易に加圧形成にて量産することが可
能になる。

【００７４】また、回転対称性をもつレンズ形状に限ら
ず、液晶表示パネル等に用いる２軸対称性のレンズ形状
をもつマイクロレンズアレイでも、パターン精度のよい
複製品を多量に得ることができる。

【００７５】また、経時的変化や光学特性の変化が少な
く、信頼性の高いガラス性のマイクロレンズアレイを容
易に製造することができ、これらを液晶表示パネル等に
用いた場合には、信頼性が高く、光の利用効率のよい光
学素子を製造することができる。

【００７６】また、無アルカリガラスを用いることがで
き、アルカリイオンの影響による液晶表示パネルの歩留
りの低下や光学特性の低下を防ぎ、無アルカリガラス膜
を形成することなく、マイクロレンズアレイの基板と液
晶表示パネルの基板とを兼ね合わせた信頼性の高い光学
素子を得ることができる。

【００７７】また、上記スタンパの凹凸反転形状を転写
させた面を強度補強膜で覆っているので、成形用型の強
度を高めることができ、型の寿命を延ばすこともでき
る。この強度補強膜は、強度補強用材料を付着させて形
成すれば、スタンパの作製後に強度補強膜を作ることが
でき、強度補強膜が摩耗してきた場合には再び強度補強
膜を作ることができる。また、スタンパ作製時に原盤と
なるマイクロレンズアレイのレンズ面に強度補強用材料
を堆積させて強度補強膜を形成すれば、強度補強膜を形
成されたスタンパの作製が容易になると共に、強度補強
膜によって凹凸反転形状を転写させた面の寸法精度を損
ねる恐れがない。

【００７８】さらに、マイクロレンズアレイの基板とな
るガラス板上に、板状の成形用ガラス材を重ね合わせた
ガラス板を用いてレンズと基板とを一体成形することに
すれば、さらに信頼性の高いマイクロレンズアレイを容
易に量産することができる。特に、ガラス板材と比較し
て低融点の成形用ガラス材を用いれば、ガラス板材を熱
で歪ませることなく、成形用ガラス材だけを成形するこ
とができる。

【００７９】上記製造方法によれば、レンズ同志が密に
配列されたマイクロレンズアレイからなる光学素子を精
度よく量産することができるが、このような光学素子に
限らず、レンズとレンズとがレンズ機能を有しない領域
を介して隣接したマイクロレンズアレイからなる光学素
子も量産することができる。

【００８０】また、この光学素子、あるいは上記製造方
法によって製造された光学素子は、液晶表示手段などの
ドットマトリクス表示手段を備えたドットマトリクス表
示装置に用いることができ、各種ドットマトリクス表示
装置の高品質化と量産化に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、本発明の
マイクロレンズアレイの製造方法に用いるスタンパの作
製方法を示す断面図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は、同上のスタンパによりマイク
ロレンズアレイを複製する方法を示す断面図である。

【図３】本発明のマイクロレンズアレイの製造方法に用
いる加圧成形機の概略断面図である。

【図４】（ａ）は、本発明の製造方法の原盤に用いたマ
イクロレンズアレイの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ
線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、同上の製
造方法を示す正面図である。

【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、同上の製造方法の一部
を示す斜視図である。

【図７】（ａ）（ｂ）は、同上により製造されたレンズ
の平面図及び斜視図、（ｃ）は、レンズに入射された光
が一点に集光される様子を示す図である。

【図８】（ａ）（ｂ）は、平凸レンズの平面図及び斜視
図、（ｃ）は平凸レンズに入射された光が一点に集光さ
れる様子を示す図である。

【図９】（ａ）は、マイクロレンズアレイの一部破断し
た断面図、（ｂ）は基板上に配置されたレンズ成形用枠
の正面図である。

【図１０】本発明の製造方法により製造されたさらに別
なマイクロレンズアレイの断面図である。

【図１１】本発明に係る光学素子を用いた液晶表示パネ
ルを示す断面図である。

【図１２】本発明に係る別な光学素子を用いた液晶表示
パネルを示す一部破断した斜視図である。

【図１３】本発明に係るさらに別な光学素子を用いた液
晶表示パネルを示す一部破断した斜視図である。

【図１４】本発明に係る液晶テレビプロジェクタの構成
を示す概略構成図である。

【図１５】本発明に係る画像表示装置を示す断面図であ
る。

【図１６】液晶テレビプロジェクタの構成を示す概略構
成図である。

【図１７】液晶表示パネルの照明光及び透過光を示す説
明図である。

【図１８】液晶表示パネルに矩形のマイクロレンズを備
えたマイクロレンズアレイを装着した構造を示す一部破
断した斜視図である。

【図１９】レンズ形状が矩形のマイクロレンズアレイを
装着した液晶表示パネルの照明光及び透過光を示す説明
図である。

【符号の説明】

１マイクロレンズアレイ４ブロック材６強度補強膜７スタンパ８ガラス材料１１マイクロレンズアレイ（複製品）２４レンズ成形用枠

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に２次元的にレンズが複数個配列
されたマイクロレンズアレイを原盤とし、前記マイクロ
レンズアレイのレンズを形成されている面にスタンパ材
料を堆積し、原盤を除去することにより前記レンズを形
成された面の凹凸反転形状を転写させてスタンパを作製
したのち、前記スタンパを型として、成形用ガラス材を用いてマイ
クロレンズアレイを加圧成形することを特徴とする光学
素子の製造方法。
【請求項２】前記スタンパの凹凸反転形状を転写させ
た面が強度補強膜によって覆われていることを特徴とす
る請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】前記スタンパの凹凸反転形状を形成され
た面に強度補強用材料を付着させて前記強度補強膜を形
成することを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製
造方法。
【請求項４】前記原盤となるマイクロレンズアレイの
レンズを形成されている面に強度補強用材料を堆積さ
せ、その上にスタンパ材料を堆積させることにより、前
記スタンパの凹凸反転形状を転写させた面に前記強度補
強膜を形成することを特徴とする請求項２に記載の光学
素子の製造方法。
【請求項５】基板となるガラス板材上に成形用ガラス
材を重ね合わせたガラス材料を用い、当該成形用ガラス
材を加圧成形することによりレンズと基板とを一体に形
成することを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載
の光学素子の製造方法。
【請求項６】前記成形用ガラス材が、前記ガラス板材
と比較して低融点であることを特徴とする請求項５に記
載の光学素子の製造方法。
【請求項７】前記加圧成形が、プレスモールド成形法
であることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は
６に記載の光学素子の製造方法。
【請求項８】請求項１，２，３，４，５，６又は７に
記載した光学素子の製造方法によって作製された光学素
子。
【請求項９】前記マイクロレンズアレイを構成するレ
ンズとレンズとが、レンズ機能を有しない領域を介して
隣接していることを特徴とする請求項８に記載の光学素
子。
【請求項１０】ドットマトリクス表示手段を構成する
一対の基板のうち、いずれか一方の基板が請求項８又は
９に記載の光学素子で構成されていることを特徴とする
ドットマトリクス表示装置。
【請求項１１】ドットマトリクス表示手段を構成する
基板の内面側にマイクロレンズアレイのレンズ面が位置
していることを特徴とする請求項１０に記載のドットマ
トリクス表示装置。
【請求項１２】マイクロレンズアレイのレンズを形成
された基板のレンズ面と反対面に画素表示手段もしくは
カラーフィルタを設けたことを特徴とする請求項１０又
は１１に記載のドットマトリクス表示装置。
【請求項１３】光源と、ドットマトリクス表示手段と、ドットマトリクス表示手段の画素配列によって規定され
る開口に対応するレンズ配置を持ち、上記光源から出射
される光を入射光として上記ドットマトリクス表示手段
の各画素位置に集光させるためのマイクロレンズアレイ
を備えた請求項８又は９に記載の光学素子とからなるド
ットマトリクス表示装置。
【請求項１４】光源と、ドットマトリクス表示手段と、映像を濾過するフィルタであって、各画素の像を複数に
分割し重ね合わせて画素間に補間を生じさせることによ
り表示画素の特定の高周波数成分を除去する機能を備え
た請求項８又は９に記載の光学素子とからなるドットマ
トリクス表示装置。
【請求項１５】前記ドットマトリクス表示手段が液晶
表示手段であることを特徴とする請求項１０，１１，１
２，１３又は１４に記載のドットマトリクス表示装置。