JPH06300902A - 平板型レンズアレイ及びそれを用いた光学表示パネル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガラス基板の材質に制限が無く、レンズ構成
部分の形状や材料の自由度が大きく、容易に使用状態に
合致したものが得られる構造で、各種光学表示素子の基
板にも適した構造とする。 【構成】 ガラス基板１２と、その表面上に形成した略
球面状又は略円柱面状の凹型又は凸型のアレイを有する
第１の透明材料の層１４と、そのアレイの凹凸部分を埋
めるように設けられ表面が平坦で且つ前記第１の透明材
料とは屈折率が異なる第２の透明材料の層１６を備えて
いる。このような平板型レンズアレイが２枚相対向する
ような構造でもよい。更に平板型レンズアレイを、２
枚、間に液晶層など光学表示素子を介在させて一体化す
ると光学表示パネルが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス基板に多数のレ
ンズを配列した平板型レンズアレイに関し、更に詳しく
述べると、ガラス基板上に凹型又は凸型のアレイを有す
る第１の透明材料の層と、その凹凸を埋めて表面を平坦
にする第２の透明材料の層を具備する平板型レンズアレ
イに関するものである。この平板型レンズアレイは、例
えば液晶パネル等の光利用効率を向上させるのに有用で
ある。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板に複数のレンズを配列したレ
ンズアレイとしては、イオン交換法によりガラス基板内
に略半球状あるいは略半円柱状の屈折率分布を形成した
平板マイクロレンズアレイが知られている。この平板マ
イクロレンズアレイは、ソーダライムガラス基板にチタ
ン等の耐蝕性保護膜（マスク膜）を成膜し、周知のフォ
トリソグラフィ技術を用いて円形あるいは直線スリット
状の開口を設け、これを溶融塩に浸漬して開口部からイ
オン交換を行う方法により製造している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のイオン交換法に
よる平板マイクロレンズアレイでは、ガラス基板に必ず
アルカリイオンが含まれていなければならない。このよ
うに材料の選択範囲が大きく制限されると共に、レンズ
構成部分の形状（曲率など）についても制約が大きく、
使用状態に合致したものを得難い場合もある。

【０００４】アルカリ含有ガラス（例えばソーダライム
ガラス）を用いてレンズアレイを構成し、これをＬＣＤ
（液晶パネル）に適用した場合には、液晶表示素子のセ
ル基板である石英などに対して、大きな熱膨張係数の差
が生じる。例えば、石英ガラスの熱膨張係数が６×１０
^-7／℃であるのに対して、ソーダライムガラスのそれは
８０×１０^-7／℃である。このことから、温度が変化し
た場合に、両ガラスの間で歪みが発生し、明るさにムラ
が生じる問題があった。また、ガラス基板中のアルカリ
イオンが、アモルファスシリコン層へ溶出して、ＬＣＤ
のＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の特性を劣化させる問題
もあった。

【０００５】本発明の目的は、ガラス基板の材質に制限
が無く、レンズ構成部分の形状や材料の自由度が大き
く、容易に使用状態に合致したものが得られる構造で、
各種光学表示素子の基板にも適した平板型レンズアレイ
を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラス基板
と、その少なくとも一方の表面上に形成した略球面状又
は略円柱面状の凹型又は凸型のアレイを有する第１の透
明材料の層と、そのアレイの凹凸部分を埋めるように設
けられ表面が平坦で且つ前記第１の透明材料とは屈折率
が異なる第２の透明材料の層を備えている平板型レンズ
アレイである。例えば、第１の透明材料の層が凹型のア
レイを有し、第２の透明材料に第１の透明材料よりも高
屈折率で且つ両者の屈折率差が０．１〜０．４となる材
料を用いる構成とする。

【０００７】平板型レンズアレイは、外側に間隔をおい
て位置する２枚のガラス基板と、それら両ガラス基板の
少なくとも内側表面に形成した略球面状又は略円柱面状
の凹型又は凸型のアレイを有する第１の透明材料の層
と、両方の第１の透明材料の層の間に設けられ前記第１
の透明材料とは屈折率が異なる第２の透明材料の層を備
えている構成としてもよい。ここで両方の第１の透明材
料の層の間に第２の透明材料を充填する構成でもよい
し、ガラス基板の片面に第１及び第２の透明材料の層を
形成した前記の平板型レンズアレイを、２枚、相対向す
るように貼り合わせる構成でもよい。

【０００８】更に、ガラス基板の片面に第１及び第２の
透明材料の層を形成した前記の平板型レンズアレイを、
２枚、間に液晶層など光学表示素子を介在させて一体化
した光学表示パネルとすることもできる。その場合、レ
ンズ構成部分が同じ側を向くように配置することもでき
るし、レンズ構成部分が相対向する向きで組み合わせて
もよい。

【０００９】

【作用】ガラス基板上に形成した第１の透明材料と第２
の透明材料との屈折率差、及び両者の境界面に形成され
ている凹型又は凸型形状のアレイとによって、それぞれ
の凹型部分あるいは凸型部分で所望のレンズ作用が生じ
る。平板型レンズアレイの両面とも平坦としたことによ
り、光学表示素子を介装したり、表面に反射防止膜や各
種フィルタを設けることが可能となる。

【００１０】ガラス基板は、その内部にレンズ部分を作
り込むものではないので、材料選択の自由度が大きく、
使用目的や使用状態に応じた熱膨張係数の材料を用いる
ことが可能である。また、その上に形成する凹型又は凸
型のアレイも形状の自由度が大きく、また第１及び第２
の透明材料も自由に選択できる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明に係る平板型レンズアレイの一
実施例を示す断面図である。この平板型レンズアレイ１
０は、ガラス基板１２と、その一方の表面上に形成した
略球面状又は略円柱面状の凹型のアレイを有する第１の
透明材料の層１４と、そのアレイの凹凸部分を埋めるよ
うに設けられた第２の透明材料の層１６から構成されて
いる。第２の透明材料の層１６は、前記第１の透明材料
よりも高屈折率の材料からなり、その表面（ここでは上
面）は平坦に成形されている。なお、第１の透明材料と
第２の透明材料は、それらの屈折率差が０．１〜０．４
程度となるように材料を選定する。

【００１２】上記の例では、凹部（第１の透明材料の層
１４）に低屈折率材料が、凸部（第２の透明材料の層１
６）に高屈折率材料が用いられるため、その界面の曲面
と両者の屈折率差によって、それぞれの曲面部分が凸レ
ンズとして作用する。このレンズ作用により屈折して集
光する光線を符号１００で表す。

【００１３】また上記の例とは逆に、凸部に低屈折率材
料を、凹部に高屈折率材料を用いると、凹レンズとして
作用するレンズアレイとなる。更に、第１の透明材料の
層として、上記とは逆に略球面状又は略円柱面状の凸型
アレイを有する構成にすることも可能である。その場合
も、第１の透明材料の層と第２の透明材料の層の屈折率
の大小関係に応じて、それぞれの曲面部分が凸レンズも
しくは凹レンズとして作用するレンズアレイが得られ
る。

【００１４】このような平板型レンズアレイは、例えば
図２のＡ〜Ｄの工程を経ることによって製作できる。ま
ずメチルトリエトキシシランとエタノール及び水を、そ
れぞれモル濃度比で、およそ１：１：４の割合で混合
し、これに少量の塩酸を加え、室温にて約３０分間攪拌
して第１のゾル状溶液を調合する。この溶液を１０cm角
の石英ガラス基板２０にディッピング法により塗布し、
このゾル状膜を数分放置してゲル化させ、これを数回繰
り返すことにより、およそ１０μｍ厚の第１のゲル膜２
２を形成する（図２のＡ）。

【００１５】次に、後述する方法で作製したニッケル又
は樹脂等の凸型の成形型２４を、この第１のゲル膜２２
に当接させ、約３０ｇ／cm² の圧力で押圧しながら約１
２０℃で約１５分間加熱し、ゲル膜を変形させて多数の
凹部を規則的に成形する（図２のＢ）。その後、変形し
たゲル膜から成形型を離し、約３５０℃で約１５分間焼
成することにより、ゲル膜はシリカガラスとなり、表面
に凹部のアレイを有する第１の透明材料（シリカガラ
ス）の層２６が得られる。この第１の透明材料の層２６
の屈折率は１．４２である。また、この凹部の表面は、
成形型の表面状態をそのまま転写しているため、滑らか
な状態である。

【００１６】その後、第１の透明材料の層２６の上に、
上記と同様の方法を用いて調合したフェニルトリエトキ
シシランとテトラエトキシシランの混合物を主成分とす
る第２のゾル状溶液をディッピング法又は滴下法により
塗布して凹凸部分を埋め、表面を平坦化し、加熱焼成し
て第２の透明材料の層２８を形成する（図２のＤ）。以
上の工程によって平板型レンズアレイが出来上がる。

【００１７】表面を平坦化するには、ディッピングした
第２のゾルゲル材料の硬度があまり高くならないうち
に、ニッケル又は樹脂などの平滑面で加圧し、一次焼成
後にその平滑面を剥離することによって実現できる。第
２のゾル状溶液としては、上記フェニルトリエトキシシ
ランとテトラエトキシシランの混合物の他に、フェニル
トリエトキシシラン、テトラエトキシシランとチタニウ
ムテトラブトキシド、ジルコニウムテトラブトキシドな
どのゾルゲル材料が、高屈折率材料として使用可能であ
る。このようにして製作した第２の透明材料の層の屈折
率は、約１．５２〜１．５６である。

【００１８】上記の図２のＢに示す工程において使用す
る成形型は、次のような方法で製作できる。例えば、ガ
ラス基板上に精密エッチング法により、成形型上に形成
しようとしているパターンの母型を作製し、めっき法を
２回適用することにより母型となるニッケル製成形型を
作製する。別の方法としては、上記方法でめっき法を１
回適用して作製したニッケル製成形型を種型とし、紫外
線硬化性樹脂を用いて２Ｐ成形法で樹脂製成形型を作製
することも可能である。このようなエッチング法により
作製したガラス母型は、滑らかな表面状態を有している
ので、成形型の表面もこれを反映したものとなり、良好
である。成形型は、精密エッチングのパターンやエッチ
ング条件を変えることにより、任意の形状にでき、例え
ば曲率半径が約十〜数百μｍの球面状あるいは円柱面状
のアレイを作製できる。

【００１９】こうして得られる平板型レンズアレイは、
第１の透明材料の層と第２の透明材料の層の屈折率の差
及びそれらの間に存在する凹型又は凸型形状のアレイに
よって、透過する光を屈折させることができる。その
時、適当な屈折率の材料を組み合わせることによって、
レンズの収差、特に色収差を低減できる。また上記のよ
うに、成形型の曲率半径を自由に変えうること、透明材
料の組み合わせを変えることにより、用途に合致した焦
点距離及びＮＡ（開口数）値のレンズアレイが得られ
る。

【００２０】なお上記の説明では第２の透明材料として
ゾルゲルガラスを用いているが、それに代えて、光硬化
性樹脂、熱硬化性樹脂、ポリイミド、低融点ガラスなど
を用いることも可能である。特に光硬化性樹脂を用いる
場合は、凹凸部分の充填工程を室温で行えるため、作業
性が良好となる。

【００２１】図３は本発明に係る平板型レンズアレイの
他の実施例を示している。この平板型レンズアレイ３０
は、外側に間隔をおいて位置する２枚のガラス基板３２
ａ，３２ｂと、それら両ガラス基板３２ａ，３２ｂの内
側の表面に形成した略球面状又は略円柱面状の凹型アレ
イを有する第１の透明材料の層３４ａ，３４ｂと、それ
ら第１の透明材料の層３４ａ，３４ｂの間を充填するよ
うに設けた第２の透明材料の層３５を備えた構造であ
る。この第２の透明材料は、ここでは前記第１の透明材
料より屈折率が高いものを用いている。この構成によっ
て多数の両凸レンズが形成される。あるいは、図１に示
す実施例に示すような高屈折率材料によって平凸レンズ
を形成した平板型レンズアレイを、２枚、相対向させて
貼り合わせることによって、同様の両凸レンズ構造にし
てもよい。このような両凸レンズ構造の平板型レンズア
レイ３０は、レンズのＮＡ値を大きくすることができ
る。

【００２２】図４は本発明の平板型レンズアレイの使用
態様の一例を示しており、それをＬＣＤの一方の基板と
して使用した例である。平板型レンズアレイの構造は、
図１に示す実施例と同様であってよいので、対応する部
分に同一符号を付し、説明は省略する。この平板型レン
ズアレイ１０と平板状の石英ガラス基板４０との間に液
晶層４２を設け、その画素開口部が各レンズに対応して
位置するようにする。液晶層４２における斜線部分は配
線等であって光を透過しない。従って上記のように、平
板型レンズアレイ１０のレンズ作用によって画素開口部
に光を集めることにより、ＬＣＤ通過光量を増加させる
ことができるのである。なお図面を簡略化するため、Ｔ
ＦＴ、電極、配線、ブラックマトリクスなど、ＬＣＤの
詳細については記載を省略してある。

【００２３】図５及び図６は本発明に係る光学表示パネ
ルの実施例を示している。これらの例は、いずれも２枚
の平板型レンズアレイの間に液晶層を介装し、その画素
開口部が各レンズに対応して位置するように配置した構
成である。平板型レンズアレイの構造は、基本的には図
１に示す実施例と同様であり、そのレンズ作用によって
画素開口部に光を集めることにより、ＬＣＤ通過光量を
増加させている。

【００２４】図５に示す光学表示パネルは、間に液晶層
４２を介して２枚の平板型レンズアレイ１０ａ，１０ｂ
を同じ向きに配置した構成である。ここでは、レンズの
焦点距離がガラス基板の厚みに等しくなるように設定し
てある。これによって、平板型レンズアレイ１０ｂはフ
ィールドレンズとして機能し、照明光の光軸から傾いた
成分の光線（破線１０１で示す）の伝搬方向を、平板型
レンズアレイ１０ｂの射出後光軸に平行にすることがで
きる。そのため、ＬＣＤ通過後の光束の拡がりを図４の
構成より小さくすることができ、投影レンズを小口径に
することが可能となる。

【００２５】図６に示す光学表示パネルは、間に液晶層
４２を介して２枚の平板型レンズアレイ１０ａ，１０ｂ
を、第２の透明材料の層が相対向するように配置した構
成である。ここでは、第２の透明材料の層の厚みを約２
００μｍと厚くしている。そのためには、第２の透明材
料（ゾルゲル材料）を多数回ディッピングする。そして
相対向する厚い第２の透明材料の層同士の間でＬＣＤを
構成する。これによって、短焦点で高ＮＡの高い集光効
率のレンズアレイを備えた光学表示パネルを一体で製作
できる。この場合、平板型レンズアレイ１０ａの第２の
透明材料の層の表面に、さらにテトラエトキシシランの
溶液をディッピングして、シリカのゾルゲル膜を形成す
れば、ＬＣＤ基板としての信頼性が向上する。

【００２６】なお本発明で使用するガラス基板は、ＬＣ
Ｄ基板と熱膨張係数を合わせることを主目的として選択
される。例えばアモルファスシリコンＴＦＴによるアク
ティブマトリクスＬＣＤにおいて、コーニング社製の７
０５９ガラス基板を用いる場合には、本発明の平板型レ
ンズアレイも同様に７０５９ガラス基板に作製するのが
望ましい。またＴＦＴをポリシリコンで製作する場合
は、ＬＣＤのガラス基板として石英ガラスが用いられる
ことが多く、その場合には平板型レンズアレイも石英ガ
ラス基板を使用する。更に単純マトリクスＬＣＤでソー
ダライムガラス基板を用いる場合にはソーダライムガラ
スを用いて平板型レンズアレイを作製することが望まし
い。

【００２７】

【発明の効果】本発明は上記のようにガラス基板の内部
にレンズを作り込むものではなく、ガラス基板の上に屈
折率の異なる透明材料の層を重ね、それらの境界面の形
状を凹型又は凸型のアレイとしレンズ群を形成した構成
であるから、ガラス基板や透明材料の選択の自由度が大
きく、また各レンズ部分の配列や形状設計の自由度も大
きく、容易に所望の熱膨張係数やレンズ特性を呈する平
板型レンズアレイが得られる。そのため、ＬＣＤと組み
合わせて用いる場合でも、ガラス間での歪みによる明る
さムラなどの発生を防止できる。これによって高精度、
高精細のプロジェクションテレビなどの液晶の開口効率
を向上させることができる。また表面が平坦な構造であ
るので、反射防止膜を形成したり、各種のフィルタ等を
成膜あるいは貼り付けるのに有利である。

【００２８】また本発明は、その平板型レンズアレイを
ＬＣＤなどの基板とする一体構造の光学表示パネルであ
るので、低コスト化、軽量化が可能となる。このような
光学表示パネルは取り扱いも容易であり、高い信頼性を
確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る平板型レンズアレイの一実施例を
示す断面図。

【図２】その製造方法の一例を示す工程説明図。

【図３】本発明に係る平板型レンズアレイの他の実施例
を示す断面図。

【図４】本発明の平板型レンズアレイの使用状態の一例
を示す断面図。

【図５】本発明に係る光学表示パネルの一実施例を示す
断面図。

【図６】本発明に係る光学表示パネルの他の実施例を示
す断面図。

【符号の説明】 １０ 平板型レンズアレイ １２ ガラス基板 １４ 第１の透明材料の層 １６ 第２の透明材料の層 ２０ 石英ガラス基板 ２２ 第１のゲル膜 ２４ 成形型 ２６ 第１の透明材料の層 ２８ 第２の透明材料の層 ３０ 平板型レンズアレイ ４０ 石英ガラス基板 ４２ 液晶層 １００ レンズ作用により屈折して集光する光線 １０１ 照明光の光軸から傾いた成分の光線

フロントページの続き (72)発明者 谷口 敏 大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号 日本板硝子株式会社内 (72)発明者 池田 浩司 大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号 日本板硝子株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラス基板と、その少なくとも一方の表
   面上に形成した略球面状又は略円柱面状の凹型又は凸型
   のアレイを有する第１の透明材料の層と、そのアレイの
   凹凸部分を埋めるように設けられ表面が平坦で且つ前記
   第１の透明材料とは屈折率が異なる第２の透明材料の層
   を備えていることを特徴とする平板型レンズアレイ。
2. 【請求項２】 第１の透明材料の層が凹型のアレイを有
   し、第２の透明材料に第１の透明材料よりも高屈折率で
   且つ両者の屈折率差が０．１〜０．４となる材料を用い
   る請求項１記載の平板型レンズアレイ。
3. 【請求項３】 外側に間隔をおいて位置する２枚のガラ
   ス基板と、それら両ガラス基板の少なくとも内側表面に
   形成した略球面状又は略円柱面状の凹型又は凸型のアレ
   イを有する第１の透明材料の層と、両方の第１の透明材
   料の層の間に設けられ前記第１の透明材料とは屈折率が
   異なる第２の透明材料の層を備えていることを特徴とす
   る平板型レンズアレイ。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の２枚の平板型レン
   ズアレイの間に光学表示素子を介在させ一体化した光学
   表示パネル。