JPH07281007A

JPH07281007A - 平板型レンズアレイおよびその製造方法／平板型レンズアレイを用いた液晶表示素子

Info

Publication number: JPH07281007A
Application number: JP6068249A
Authority: JP
Inventors: Atsunori Matsuda; 厚範松田; Takashi Kishimoto; 隆岸本; Kenjiro Hamanaka; 賢二郎浜中
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】ガラス基板に凹部を形成し、この凹部に樹脂
を充填しレンズ部とした平板型レンズアレイにおいて、
研磨工程を必要とせず、また該レンズの焦点距離を考慮
して、さらにカバーガラス等を設ける必要のない平板型
レンズアレイを提供する。【構成】ガラス基板に凹部を形成し、この凹部に樹脂
を充填しレンズ部とした平板型レンズアレイにおいて、
前記レンズアレイに連続した樹脂層を設け、前記樹脂層
の前記レンズ面と対向する面が平坦であり、かつ前記樹
脂層は、前記基板から入射した平行光線が、前記樹脂層
表面近傍に集光する厚みを有することを特徴とする平板
型レンズアレイ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平板型レンズアレイと
それを用いた液晶表示素子に関するものであり、特に液
晶表示素子の光利用効率を向上させる目的として使用す
る平板型レンズアレイと、それを用いた液晶表示素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガラス等の透明基板に多数のレン
ズを配列したレンズアレイとしては、ソーダライムガラ
スにＴｉ等の耐蝕性保護皮膜（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、いわゆるイオン交換法によ
り、その断面が略半円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（例えば、根本ら、
光学：22,[2],P103-104,(1993).）。

【０００３】また、化学エッチングによってガラス基板
表面に半球面状凹部を形成し、これにガラス、樹脂を堆
積した後、その表面を研磨する平板型マイクロレンズの
製造方法が、特開昭６０−１５５５５２号で開示されて
いる。

【０００４】さらにソーダライムガラス基板上にレンズ
アレイを作製し、この上に光硬化性樹脂で樹脂層を形成
し、その樹脂層厚みをビーズによって制御したことを特
徴とする液晶素子が、特開平５−２７３５１２号で開示
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】イオン交換法による平
板マイクロレンズの作製においては、基板ガラスにアル
カリイオンを含むことが必須であり、このようなアルカ
リ含有ガラス（例えば、ソーダライムガラス）を用いて
レンズを構成した場合、液晶表示素子のセル基板である
石英などに対して熱膨張係数の差があることから、温度
が変化した場合に明るさにムラが生じたり、またガラス
基板中のアルカリイオンが溶出してＴＦＴの特性を劣化
させるという問題点がある。特に、ｐ−Ｓｉ方式のＴＦ
Ｔの場合、基板に石英を用いるため、前記熱膨張率差の
問題は重大である。

【０００６】他方、化学エッチングによってガラス基板
表面に球面状凹部を形成し、これにガラス、樹脂を堆積
した後外表面を研磨する平板型マイクロレンズの製造方
法においては、ガラス基板にアルカリ含有ガラスを使用
する必要がないものの、研磨工程が必須となるためコス
ト高になるという問題点がある。また、該レンズの焦点
距離を考慮して、さらにカバーガラス等を設ける必要が
あるなどの問題点がある。

【０００７】また、ソーダライムガラス基板上にレンズ
アレイを作製し、この上に光硬化性樹脂で樹脂層を形成
し、その樹脂レンズ部厚みをビーズによって制御するよ
うな場合には、任意の直径を有するビーズの入手が容易
ではなく、また樹脂厚みのばらつきを生じやすいという
問題点がある。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】前記問題点を解決する
ために、本発明では石英などの低膨張無アルカリ基板に
凹部を形成し、この前記凹部に前記ガラス基板より屈折
率の高い樹脂を充填しレンズ部とし、さらにこれに連続
した樹脂層を設け、前記樹脂層の前記レンズ面と対向す
る面が平坦であり、かつ前記樹脂層は、前記基板から入
射した平行光線が、前記樹脂層表面近傍に集光する厚み
を有する平板型レンズアレイを作製する。

【０００９】また、この平板型レンズアレイの表面に透
明電極が形成され、かつｐ−ＳｉＴＦＴ方式の画素電極
が形成された第２の石英基板と前記透明電極間に、液晶
を挟み込んだ構造を有する液晶表示素子が構成されてい
る。

【００１０】

【作用】本発明によれば、平板型レンズアレイのガラス
基板面から入射した平行光線を、反対側の樹脂表面近傍
に結像させることができる。したがって、レンズの焦点
距離がすでに考慮されているので、新たに樹脂層をもう
１層設ける、あるいはカバーガラスを必要としない。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図面に示した実施例に基づき
詳細に説明する。

【００１２】図１に、本発明による平板型レンズアレイ
の一般的な断面構造を示す。石英基板等のガラス基板１
１の片側に、１次元または２次元に配列した略球面状ま
たは略円筒状の滑らかな曲面をなす凹部１２を、例えば
後述する化学的エッチング法あるいはゾルゲル微細加工
法などにより形成する。この凹部１２は、隣接する凹部
間の境界稜線１３が、平面視で図２の（ａ），（ｂ），
（ｃ）に示すような、正方格子、六方稠密格子であるハ
ニカムあるいは縞など、一般的に同一形状の多角形の稠
密充填となるように形成する。

【００１３】次に、前記各凹部１２内に、屈折率が基板
１１よりも大きな透明樹脂材料を充填してレンズアレイ
の各レンズ部１０Ａとし、さらにそれに連続した樹脂層
を設け樹脂レンズアレイ１４とし、前記樹脂層の前記レ
ンズ面と対向する面を平坦にし、かつ前記樹脂層は、前
記基板から入射した平行光線が、前記樹脂層表面近傍に
集光する厚みを有するようにすることにより平板型レン
ズアレイ１０が得られる。

【００１４】図３は、本発明の平板型レンズアレイを用
いた液晶表示素子の概略図を示すものである。あらかじ
めレンズアレイ１０のレンズの配列ピッチを、液晶表示
素子２０の画素ピッチに合わせておくことにより、照明
光３０が平板型レンズアレイ１０の各レンズ１０Ａで集
光されて、液晶表示素子の各画素の透過窓２１を透過
し、従来の液晶表示素子では電極、ＴＦＴ等の不透光部
分２２で遮断されていた照明光が有効に表示に寄与し、
極めて鮮明度の高い画像が得られる。またこれにより、
液晶素子の加熱による劣化を低減することができる。

【００１５】（実施例１）図４に、請求項３の発明によ
る平板型レンズアレイの作製工程を示す。石英ガラス基
板１１の表面に、スパッタリング法により耐フッ酸性保
護膜として、Ｃｒ膜８を形成した。次に、フォトレジス
トを塗布、露光、現像をおこなうフォトリソグラフィに
よって、Ｃｒ膜８に所定のレンズ配列パターンで小開口
９を形成した。形成した小開口９配列は、図５に示す六
方格子配列であり、これにより、図２（ｂ）に示したよ
うなハニカム型レンズアレイが得られる。この小開口９
の直径は、最終的に得ようとするレンズの径よりも十分
小さいことが望ましい。

【００１６】前記小開口９を有するＣｒ膜付き基板を、
フッ酸（ＨＦ）および界面活性剤としてドデシルベンゼ
ンスルホン酸ナトリウム（ＤＢＳ）を含むエッチャント
に浸漬して、化学エッチングを行った。ここで、フッ酸
およびドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの濃度
は、それぞれ１０重量％および０．１重量％とした。こ
れにより、Ｃｒ膜の小開口９を始点として、石英ガラス
基板の表面が等方的にエッチングされ、図４（ロ）のよ
うに、ほぼ球体の一部分である凹部１２Ａが得られる。
この第１段階のエッチングは、隣接する凹部１２Ａ間に
若干の幅をもった平坦な境界部１２Ｂを残した状態で止
める。

【００１７】次いで、石英ガラス基板表面からＣｒ膜８
を除去した後、先のエッチャントに再び浸漬して基板表
面全体をエッチングした。この２段階エッチングによ
り、凹部周辺部でのエッチングが進行して、隣接凹部間
の境界部１２Ｂは、上端が先鋭な稜線１３となった。す
なわち、平面視でそれぞれが同一の６角形をなし、隣接
する凹部同士が密接した稠密充填配列となった。

【００１８】前記２段階エッチングの処理後、凹部１２
に石英ガラス基板よりも屈折率の高いエポキシ系樹脂材
料を充填しレンズ部とし、さらにそれに連続する樹脂層
を設け、樹脂レンズアレイ１４を作製した。前記樹脂層
は、前記基板から入射した平行光線が、前記樹脂層表面
近傍に集光する厚みを有するように制御した。さらに詳
述すると、樹脂の基板内への展開は、樹脂滴下後、平滑
な表面を有する高分子フィルムシート（例えば、ＰＥＴ
フィルムシート）を樹脂の上に気泡が入らないように置
き、その上から鏡面研磨されたガラス盤で加圧すること
により行う。

【００１９】樹脂層厚みの制御は、前記ガラス基板の平
坦な部分と高分子フィルムシートの間に、前記レンズ部
と前記樹脂層の合計の厚みが、該レンズの焦点距離にな
るような厚みを持つ調整用のスペーサとして、例えばＰ
ＥＴフィルムを挟み込み、加圧力と樹脂滴下量をコント
ロールすることにより行った。

【００２０】その後、前記樹脂に紫外線を照射するか加
熱するなどして、前記樹脂を硬化させる。そして、前記
高分子フィルムシートを剥離して、平板型レンズアレイ
を得た。

【００２１】今回作製したレンズアレイのレンズ凸部の
曲率半径は２４．６μｍであり、石英ガラスの屈折率は
１．４６であり、充填した前記エポキシ系樹脂の屈折率
は１．５９であった。この場合、前記レンズの前記樹脂
中の焦点距離ｆは、ｆ＝ｒ／Δｎ×ｎで与えられ、３
００μｍとなる。したがって、前記石英ガラス基板から
入射した平行光線が、前記樹脂層表面近傍に集光する厚
みとなるように、前記樹脂層と前記レンズ部の合計の厚
みも、約３００μｍになるように制御されていた。得ら
れた平板型レンズアレイは、前記樹脂面近傍に良好な集
光特性を示した。

【００２２】（実施例２）図６に、請求項４の発明によ
るゾルゲル成形法による平板型レンズアレイの作製工程
を示す。

【００２３】メチルエトキシシラン（ＣＨ₃Ｓｉ（ＯＣ₂
Ｈ₅）₃）、エタノールおよび水（少量の塩酸を含む）を
混合し、室温で約３０分間攪拌して塗布溶液１を調製し
た。前記調整液１を石英基板１１にディッピング法によ
り塗布し、ゲル膜１５を作製した。そして、後述する方
法等で作製したＮｉあるいは樹脂等のスタンパ１６をこ
のゲル膜１５に接合し、適当な圧力で加圧しながら約１
２０℃で加熱を行った。加熱後、スタンパ１６を基板か
ら離形し、さらに約２００℃で焼成することにより、屈
折率１．３８のゾルゲル材料による凹部１２が作製され
た。

【００２４】前記ゾルゲル成形による凹部形成後、凹部
１２にゾルゲル材料よりも屈折率の高いエポキシ系樹脂
材料を充填しレンズ部とし、さらにそれに連続する樹脂
層を設け、樹脂レンズアレイ１４を作製した。前記樹脂
層は、前記基板から入射した平行光線が、前記樹脂層表
面近傍に集光する厚みを有するように制御した。さらに
詳述すると、樹脂の基板内への展開は、樹脂滴下後、平
坦な高分子フィルムシートを樹脂の上に気泡が入らない
ように置き、その上から鏡面研磨されたガラス盤で加圧
することにより行う。

【００２５】樹脂層厚みの制御は、前記ガラス基板のゲ
ル膜の形成されていない部分と高分子フィルムシートの
間に、前記レンズ部と前記樹脂層の合計の厚みが、該レ
ンズの焦点距離になるような厚みを持つ調整用のスペー
サとして、例えばＰＥＴフィルムを挟み込み、加圧力と
樹脂滴下量をコントロールすることにより行った。

【００２６】その後、前記樹脂に紫外線を照射するか加
熱するなどして、前記樹脂を硬化させる。そして、前記
高分子フィルムシートを剥離して、平板型レンズアレイ
を得た。

【００２７】今回作製したレンズアレイのレンズ凸部の
曲率半径は２４．６μｍであり、ゾルゲル材料の屈折率
は１．３８であり、充填した前記エポキシ系樹脂の屈折
率は１．５９であった。この場合、前記レンズの前記樹
脂中の焦点距離ｆは、ｆ＝ｒ／Δｎ×ｎで与えられ、
約１９０μｍとなる。したがって、前記石英ガラス基板
から入射した平行光線が、前記樹脂層表面近傍に集光す
る厚みとなるように、前記レンズ部と前記樹脂層の合計
の厚みも、約１９０μｍになるように制御されていた。
得られた平板型レンズアレイは、前記樹脂面近傍に良好
な集光特性を示した。

【００２８】前記スタンパ１６の作製方法としては、ガ
ラス基板表面を精密ガラスエッチングにより目的パター
ンの凹型溝を作製し、めっき法により凸型のＮｉスタン
パを作製した。また、前記ガラス凹型溝から前記の方法
で凹型のＮｉスタンパを作製し、これを用いて紫外線硬
化性樹脂により２Ｐ成形を行い、得られた樹脂性の凹型
をスタンパとして用いても作製が可能であった。また、
単にガラス凹型に酢酸メチル液を塗布し、その上に酢酸
セルロースシートを貼合わせるだけでシート状の凸型ス
タンパが作製可能である。

【００２９】精密ガラスエッチングにより作製したガラ
ス凹型溝は表面の平坦性も良く、全面均一で滑らかな表
面状態であるため、これを型として用いることにより良
好な凸型スタンパが作製できている。

【００３０】実施例１，２では、レンズアレイの配列パ
ターンはハニカムであったが、上述のような正方格子で
ある四角形や長方形の集合体、あるいは縞形状でもよ
い。これらは、前記保護膜の小開口のパターンや、ゾル
ゲル成形に用いるスタンパの形状によって、形成するこ
とができる。また、レンズアレイは基板の片面側だけで
はなく、基板両面に形成することもできる。

【００３１】さらに、実施例１，２では、充填する樹脂
の展開に、高分子フィルムシート（ＰＥＴフィルム）を
使用した例を示したが、後工程の剥離をたやすくするた
めに、その表面にニッケル層，シリコン化合物層あるい
はカーボン層を設けた薄板ガラス板を使用しても同様の
効果が得られる。この場合の薄板ガラス板の板厚は、
０．３から０．７ｍｍ程度のものが好ましい。

【００３２】（実施例３）図７は、実施例１で作製した
本発明による平板型レンズアレイを用いた液晶表示素子
形態を示したものである。

【００３３】エッチングの処理後、凹部１２に石英ガラ
ス基板よりも屈折率の高いエポキシ系樹脂材料を充填し
レンズ部とし、それに続いて樹脂層を設け、前記樹脂層
は、前記基板から入射した平行光線が、前記樹脂層表面
近傍に集光する厚みを有するように制御した平板型レン
ズアレイにおいて、樹脂レンズアレイ１４の平面側に透
明電導性膜ＩＴＯを真空成膜法により形成し、対向電極
１７を形成した。

【００３４】樹脂レンズアレイ１４と対向電極１７の間
には、両者の付着力を向上させるためのＳｉＯ2 層１８
がスパッタ法により形成されている。

【００３５】レンズアレイ１０のレンズの配列ピッチ
は、液晶表示素子２０の画素ピッチに合わせてあるた
め、照明光３０が平板型レンズアレイ１０の各レンズ１
０Ａで集光されて液晶層２３と液晶表示素子の各画素の
画素電極２１Ａを透過し、電極、ＴＦＴ等の不透光部分
２２で遮断されていた照明光が有効に表示に寄与し、極
めて鮮明度の高い画像が得られた。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、樹脂レンズアレイの厚
みをレンズの焦点距離に制御しているため、樹脂硬化後
の研磨工程や、別途カバーガラスを設けることが不要と
なり、製造コストを低減することが可能となる。したが
って、安価に透過光量の大きい（実効開口率の高い）液
晶表示素子を製造することが可能になる。

【００３７】また、本発明の構成による液晶表示素子
は、液晶層近傍にレンズアレイを配置しているため、照
明光の平行度に対する制限もそれほど厳しくなく、ハイ
ビジョン等の微細画素にも対応することができる。

【００３８】基板ガラスには、石英等の低膨張無アルカ
リガラスを用いているため、液晶表示素子ヘの応用で
は、セル基板（石英など）に対して熱膨張係数の差がな
くなるため、温度が変化した場合に明るさにムラが生じ
たりことがなく、アルカリイオンが溶出してＴＦＴの特
性を劣化させるということもない。

【００３９】さらに、特開平５−２７３５１２号の場合
に比べても、工程が簡素化されるため、安価に透過光量
の大きい（実効開口率の高い）液晶表示素子を製造する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による平板型レンズアレイの一般的な断
面構造

【図２】平板型レンズアレイの平面図の例

【図３】本発明の平板型レンズアレイを用いた液晶表示
素子の概略図

【図４】化学エッチングによる平板型レンズアレイの作
製工程

【図５】Ｃｒ膜に形成したハニカム配列の小開口

【図６】ゾルゲル成形法による平板型レンズアレイの作
製工程

【図７】（実施例１）で作製した本発明の平板型レンズ
アレイを用いた液晶表示素子

【符号の説明】

１０平板型レンズアレイ１０Ａ透明樹脂材料を充填したレンズアレイの各レン
ズ部１１石英基板等のガラス基板１２略球面状または略円筒状の曲面１２Ａ１段目エッチングによって得られるほぼ球体の
一部分である凹部１２Ｂ隣接凹部間の境界部１３隣接する凹部間の境界稜線１４樹脂レンズアレイ１５ゾルゲル膜１６ゾルゲル膜成形用スタンパ１７対向電極１８付着力を向上させるためのＳｉＯ2層１９ブラックマトリクス２０液晶表示素子２１液晶表示素子の各画素の透過窓２１Ａ画素電極２２液晶表示素子の電極、ＴＦＴ等の不透光部分２３液晶層３０照明光８エッチャントに対する耐蝕性保護膜としてＣｒ
膜９Ｃｒ膜に形成した小開口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】その表面に１次元または２次元に配列した
略球面状または略円筒状の複数のアレイ状凹部を有する
ガラス基板と、前記ガラス基板よりも屈折率が高い透明
樹脂を前記アレイの凹部に充填することで凸またはレン
チキュラーレンズとした平板型レンズアレイにおいて、前記レンズアレイは、前記凹部に樹脂を充填したレンズ
部に連続する樹脂層を有し、前記樹脂層の前記レンズ面
と対向する面が平坦であり、かつ前記樹脂層は、前記基
板から入射した平行光線が、前記樹脂層表面近傍に集光
する厚みを有することを特徴とする平板型レンズアレ
イ。
【請求項２】前記ガラス基板が低膨張無アルカリガラス
基板であり、前記透明樹脂材料が前記ガラス基板の屈折
率よりも０．１〜０．２高い屈折率を有するエポキシ系
光硬化性樹脂である請求項１に記載の平板型レンズアレ
イ。
【請求項３】その表面に１次元または２次元に配列した
略球面状または略円筒状の複数のアレイ状凹部を有する
ガラス基板と、前記ガラス基板よりも屈折率が高い透明
樹脂を前記アレイの凹部に充填することで凸またはレン
チキュラーレンズとする平板型レンズアレイの製造方法
において、（ａ）前記ガラス基板が石英ガラスであり、該基板上に
耐フッ酸性保護膜を形成する工程（ｂ）前記保護膜に、所望のパターンを形成する工程（ｃ）前記ガラス基板を、フッ酸を含むエッチング液に
浸漬する工程（ｄ）前記凹部に、前記基板より屈折率の大きな樹脂を
充填しレンズ部とし、さらにそれに連続した樹脂層を設
け、凸またはレンチキュラーレンズアレイを形成する工
程（ｅ）前記樹脂層上に、その表面が平滑なフィルムシー
ト、あるいはその表面にニッケル層，シリコン化合物層
あるいはカーボン層を設けた薄板ガラス板を配置し、さ
らに前記ガラス基板上のエッチングされていない部分
に、前記樹脂層が前記基板から入射した平行光線を前記
樹脂層表面近傍に集光させるような厚みを有するよう
に、厚み調整用のスペーサを配置し、これを加圧手段に
より加圧し、前記樹脂層を硬化させる工程（ｆ）前記フィルムシートあるいは前記薄板ガラス板
を、前記樹脂層から剥離する工程以上の工程を有することを特徴とする平板型レンズアレ
イの製造方法。
【請求項４】その表面に１次元または２次元に配列した
略球面状または略円筒状の複数のアレイ状凹部を有する
ガラス基板と、前記ガラス基板よりも屈折率が高い透明
樹脂を前記アレイの凹部に充填することで凸またはレン
チキュラーレンズとする平板型レンズアレイの製造方法
において、（ａ）前記ガラス基板が石英ガラスであり、該基板上に
ゲル膜を形成する工程（ｂ）前記ゲル膜に、所望のレンズ形状を有するスタン
パを押し付け、前記レンズ形状を転写した凹部を形成す
る工程（ｃ）前記凹部に、前記ゲル膜より屈折率の大きな樹脂
を充填しレンズ部とし、さらにそれに連続した樹脂層を
設け、凸またはレンチキュラーレンズを形成する工程（ｄ）前記樹脂層上に、その表面が平滑なフィルムシー
ト、あるいはその表面にニッケル層，シリコン化合物層
あるいはカーボン層を設けた薄板ガラス板を配置し、さ
らに前記ガラス基板上のゲル膜の形成されていない部分
に、前記樹脂層が前記基板から入射した平行光線を前記
樹脂層表面近傍に集光させるような厚みを有するよう
に、厚み調整用のスペーサを配置し、これを加圧手段に
より加圧し、前記樹脂層を硬化させる工程（ｅ）前記フィルムシートあるいは前記薄板ガラス板
を、前記樹脂層から剥離する工程以上の工程を有することを特徴とする平板型レンズアレ
イの製造方法。
【請求項５】表面に１次元または２次元に配列した略球
面状または略円筒状の凹部のアレイ有するガラス基板
と、そのアレイの凹部を埋めるように設けられその表面
が平坦でかつ前記ガラス基板よりも屈折率が高い透明樹
脂材料からなる平板型レンズアレイを用いた液晶表示素
子であって、前記レンズアレイは、前記凹部を充填した樹脂部に連続
した樹脂層を設け、前記樹脂層の前記レンズ面と対向す
る面が平坦であり、かつ前記樹脂層は、前記基板から入
射した平行光線が、前記樹脂層表面近傍に集光する厚み
を有しており、かつ前記平板型レンズアレイの表面に透
明電極が形成され、かつｐ−ＳｉＴＦＴ方式の画素電極
が形成された第２の石英基板と前記透明電極間に液晶を
挟み込んだ構造を有することを特徴とする液晶表示素
子。