JPH08271878A - 平板マイクロレンズアレイを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 透過型液晶表示装置において、平板マイクロ
レンズアレイに充填する樹脂厚みのムラを解消する特別
な工夫を必要とせず、しかも良好な集光特性を有する平
板マイクロレンズアレイを有する液晶表示装置を提供す
る。 【構成】 透過型液晶表示素子と、前記素子照明用光源
との間に、前記光源からの光を前記透過型液晶表示素子
の液晶開口窓部に集光するための平板マイクロレンズア
レイが配置されている液晶表示装置において、前記平板
マイクロレンズアレイは、複数のアレイ状凹部を有する
第１透明基板と第２透明基板の間に、透明樹脂を充填し
てなり、前記液晶表示素子の液晶開口窓部に対して、前
記第１透明基板が近い側に、前記第２透明基板が遠い側
に配置されていることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示素子の明るさ
を向上させることを目的とした平板マイクロレンズアレ
イを用いた液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、平板マイクロレンズアレイとして
は、以下のものが知られている。例えば、ガラス等の透
明基板上に多数のレンズを配列したレンズアレイとし
て、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、特開昭５７−５３７０２号）。

【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、これにガラスや樹脂を堆
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。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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】イオン交換法による平
板マイクロレンズアレイにおいては、基板ガラスにアル
カリイオンを含むことが必須である。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に対し
て熱膨張係数差をある程度合わせた基板でないと、温度
が変化した場合に各レンズと液晶画素部とのピッチのズ
レにより明るさにムラが生じたり、また基板に反りを生
じたりする問題が生じる。

【０００５】例えば、ａ−ＳｉＴＦＴ方式の液晶素子で
は、一般に熱膨張係数が４０〜５０×１０^-7／℃程度の
ガラス基板が用いられるため、熱膨張係数が８０×１０
^-7／℃程度のソーダライムガラス基板を用いた平板マイ
クロレンズアレイを使用しても、画素ピッチがある程度
大きいために平板マイクロレンズアレイと液晶素子との
間のピッチのズレによる明るさの特性への影響は小さ
い。

【０００６】一方、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴ方式の液晶素
子では、一般に熱膨張係数が５×１０^-7／℃程度の石英
ガラス基板が用いられるため、上記のようなイオン交換
法により形成した平板マイクロレンズアレイは使用でき
ない。このため、化学エッチングによって石英ガラス基
板表面に球面状凹部を形成し、これに高屈折率の無機材
料あるいは樹脂を充填した構造のマイクロレンズアレイ
（以下、充填型平板マイクロレンズアレイ）を用いるこ
とになる（図３参照）。

【０００７】しかし、このような球面状の凹部を形成し
た基板と表面の平坦な基板との間に、高屈折率の無機材
料あるいは樹脂材料を挟み込む構造では、充填材料の厚
みの不均一性を生じ易い。例えば図３のように、球面状
の凹部を形成した基板側を液晶開口窓部よりも遠い側の
基板とした平板マイクロレンズアレイを液晶表示装置で
使用すると、前記充填材料（樹脂）の厚みムラのため
に、各マイクロレンズと各液晶開口窓部との距離が異な
ってしまうことになる。このため、各液晶開口窓部にお
ける集光スポット径が異なり、液晶素子の透過光にムラ
を生じさせることになる。また液晶素子の軸と、マイク
ロレンズアレイの光軸もずれてしまうことになる。

【０００８】そこで本発明では、特に充填型平板マイク
ロレンズアレイを用い、セル基板に石英ガラス基板を用
いたｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴ方式の液晶表示装置におい
て、充填される樹脂厚みのムラを解消する特別な工夫を
必要とせず、しかも良好な集光特性を有する平板マイク
ロレンズアレイを有する液晶表示装置を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、透過型液晶表
示素子と、前記素子照明用光源との間に、前記光源から
の光を前記透過型液晶表示素子の液晶開口窓部に集光す
るための平板マイクロレンズアレイが配置されている液
晶表示装置において、前記平板マイクロレンズアレイ
は、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第１透明基板
と、平坦な表面を有する第２透明基板の間に、前記第１
透明基板よりも屈折率が高い透明樹脂あるいは透明無機
材料を充填し、凸またはレンチキュラーレンズとした構
造を有しており、前記液晶表示素子の液晶開口窓部に対
して、前記第１透明基板が近い側に、前記第２透明基板
が遠い側に配置されていることを特徴とする液晶表示装
置である。

【００１０】さらに、前記第１透明基板の熱膨張係数と
前記第２透明基板の熱膨張係数の差を、６０×１０^-7／
℃以下とする液晶表示装置である。

【００１１】またさらに、前記第１透明基板が、石英ガ
ラス基板あるいは低膨張ガラス基板である液晶表示装置
である。

【００１２】また、前記第１透明基板は、前記透過型液
晶表示素子を構成する一方のセル基板を兼ねる液晶表示
装置である。

【００１３】ここで、充填型平板マイクロレンズアレイ
における樹脂の厚みムラの及ぼす影響について考えてみ
る。厚み一定の第１透明基板にアレイ状凹部が均一に形
成されているとすると、レンズアレイの各焦点距離は一
定である。

【００１４】さて、平板マイクロレンズアレイの第１透
明基板側から光が入射した場合、平板マイクロレンズア
レイが第２透明基板の表面で結ぶ集光スポットの大きさ
は、充填された材料（樹脂）の厚みムラと第２透明基板
の厚みムラに影響される。第２透明基板の厚みムラをな
くすことは研磨精度をあげれば簡単であるが、充填され
た材料（樹脂）の厚みムラはスペーサ等を用いないと非
常に難しい。しかしながら、このような平板マイクロレ
ンズアレイ場合では、スペーサは光の光路を遮ったり散
乱させたりするために、使用することができない。

【００１５】そこで、平板マイクロレンズアレイの第２
透明基板側から光が入射した場合を考えることにする。
このとき、充填された材料（樹脂）の厚みムラは、第１
透明基板の表面で結ぶ集光スポットの大きさにほとんど
影響を及ぼさなくなる。

【００１６】つぎに、透明基板の材質について考える。
ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴ方式の液晶素子などの用途を考え
ると、平板マイクロレンズアレイを構成する第１，第２
透明基板を石英ガラス基板とすることが考えられる。

【００１７】石英ガラス基板は、ＳｉＯ₂ の単一組成で
あるため、析出物が生じることもなく均一なエッチング
が可能である。また、組成の不均一によるエッチングム
ラもないことも相まって、きわめて理論的な球面を形成
することができる。さらに、形成された凹部の表面も平
滑である。

【００１８】また、例えばネオセラム（（登録商標）日
本電気硝子製，結晶化ガラス）などの低膨張ガラス基板
も、第１透明基板として使用することができる。このほ
か、コーニング社製＃１７３７（α＝３８×１０^-7／
℃），＃７０５９（α＝４６×１０^-7／℃），旭硝子社
製ＡＸ（α＝５０×１０^-7／℃），ＮＨテクノグラス社
製ＮＡ３５（α＝３７×１０^-7／℃）等の低膨張ガラス
を挙げることができる。

【００１９】さらに、レンズとしての集光性能として
は、高屈折率の充填材料が同じであれば、凹部を有する
透明基板の屈折率と充填材料の屈折率の差で決定され
る。そこで本発明では、第１透明基板に屈折率の小さい
石英ガラス（ｎ＝１．４６）を使用して、良好な集光性
能を確保している。つまり、第１透明基板としては、石
英ガラス基板が好適に使用される。

【００２０】さらに、前記第１透明基板が、前記透過型
液晶表示素子を構成する一方のセル基板を兼ねるように
液晶表示装置を構成してもよい。

【００２１】さて、第２透明基板には、安価な低膨張ガ
ラス基板を使用した方がコスト的に有利である。ここ
で、石英ガラス基板と低膨張ガラス基板のように、異な
る材質の基板を貼り合わせるために、熱膨張係数差によ
る基板の反りが問題となる。しかし、平板マイクロレン
ズアレイが透明であること、また液晶プロジェクター等
の用途では空冷しながら使用するのが通常であるので、
熱膨張係数差が６０×１０^-7／℃以下のガラス基板の組
合せであれば、基板の反り等の問題を生じることなく使
用することができる。

【００２２】

【作用】本発明では、平板マイクロレンズアレイを構成
する第１透明基板が、前記液晶表示素子の液晶開口窓部
に対して、近い側に配置されている。このため、前記樹
脂の厚みムラがあっても、各マイクロレンズと各液晶開
口窓部との距離が異なることはない。したがって、液晶
素子の透過光にムラを生じることもない。また液晶素子
の軸と、マイクロレンズアレイの光軸もずれることはな
い。

【００２３】さらに、第１透明基板の熱膨張係数と第２
透明基板の熱膨張係数の差を、６０×１０^-7／℃以下と
すると、基板の反りの影響を実用上なくすることができ
る。

【００２４】

【実施例】

（実施例）図１は、本発明による液晶表示装置の一実施
例の液晶表示素子部分を説明する断面図、図２は平板マ
イクロレンズアレイを説明する断面図である。図中の
（１０１）は石英ガラス基板（第１透明基板）である。
この石英ガラス基板（１０１）の面内に１次元あるいは
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（１０４）を化学エッチングを用いて形成
する。

【００２５】凹部（１０４）の形成方法は図４に示すよ
うに、石英ガラス基板（１０１）上に耐フッ酸性保護膜
としてＣｒ膜（３０１）を形成した後、フォトレジスト
を塗布，露光，現像，エッチング，剥離を行うフォトリ
ソグラフィによりＣｒ膜（３０１）に所定のレンズ配列
パターンの小開口部（３０２）を形成し、フッ酸（Ｈ
Ｆ）および界面活性剤の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で化学エッチン
グすることにより、ほぼ半球状の凹部（３０３）が形成
される。次にＣｒ膜（３０１）をエッチングで剥離し、
さらにＨＦおよびＤＢＳのエッチャントで２段階でエッ
チングすることにより稠密充填配列の凹部（１０４）が
形成できる。

【００２６】次に、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（１０２）を凹部（１０４）上に展
開し、ベースガラス基板となる低膨張ガラス基板（１０
３，第２透明基板）を貼合わせることにより、平板マイ
クロレンズアレイ（１００）を形成することができる
（図２）。この石英ガラス基板（１０１）の厚みは、平
行光線を低膨張ガラス基板（１０３）の裏面より入射し
た場合に、マイクロレンズとなる凹部（１０４）を通し
て光が、ブラックマトリクス（１０７）の面に集光する
ような距離と合わせている。

【００２７】さらに図１のように、ブラックマトリック
スとなるＣｒ膜（１０７）を形成し、ＲＧＢとなるカラ
ーフィルター（１０８）が形成される。さらにカラーフ
ィルター（１０８）上に保護膜（１０９）が形成され、
共通電極となるＩＴＯ膜（１１０）が形成され、最後に
配向膜（１１１）が形成される。なお図１では、照明用
光源は示していない。

【００２８】次に、別の石英ガラス基板（１０５）上に
液晶の駆動素子となるｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴ（１０６）
を形成し、保護膜（１１２）と配向膜（１１３）を形成
する。最後に、平板マイクロレンズアレイ（１００）が
形成された共通電極側の石英ガラス基板（１０１）と、
ＴＦＴ（１０６）が形成された石英ガラス基板（１０
５）がスペーサ（１１４）を介してエポキシ系の樹脂で
貼合わせる。前記樹脂を硬化させた後、両基板のギャッ
プ内に液晶（１１５）が注入されて液晶表示素子が形成
される。

【００２９】この液晶表示素子と照明用光源等がハウジ
ング内に収納されて、液晶表示装置を構成される。

【００３０】なお、上記の実施例では、平板マイクロレ
ンズアレイの第１透明基板である石英ガラス基板を、液
晶表示素子の共通電極側セル基板と兼用させたが、それ
ぞれ別に構成してもよい。

【００３１】（具体的数値例）寸法が１００ｍｍ角，厚
み０．１ｍｍの板厚の薄い石英ガラス基板（第１透明基
板，熱膨張係数：５×１０^-7／℃）にレンズとなる凹部
を形成しその基板上に、粘度が数千センチポアズのＵＶ
硬化性の高屈折率エポキシ樹脂を供給し、上部から同じ
寸法で厚みが１．０ｍｍの板厚の厚い低膨張ガラス基板
（第２透明基板，熱膨張係数：５５×１０^-7／℃）を合
わせて、平坦なステンレスのステージ間で２ｋｇ／ｃｍ
² の圧力を５分間加えた後、ＵＶ光を照射しエポキシ樹
脂を硬化させた。

【００３２】ここで、薄い石英ガラス基板の厚み０．１
ｍｍは、平板マイクロレンズアレイを形成した後、液晶
素子に組み込む際に、ブラックマトリックスの開口窓部
にちょうど光が集光するように設計された厚みである。

【００３３】硬化後、樹脂の厚み分布を測定すると、中
央で３０μｍ，周辺で２３μｍであった。この樹脂の厚
み分布は、そのまま基板の反りにも影響を及ぼし、特に
薄い石英ガラス側では上に凸の単一的な反りを示し、
３．５μｍ／１００ｍｍの反り量であった。

【００３４】ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを用いた液晶プロジ
ェクションの液晶パネルは通常１〜２インチ程度である
が、液晶のギャップ長は５〜６μｍと狭いため、基板の
反りの許容度は１インチのパネル内で１μｍ以内でない
と色ムラの原因となる。また、上記の場合１インチのパ
ネル内での反り量は、０．８９μｍ／２５．４ｍｍであ
った。

【００３５】実際の液晶プロジェクションでは強烈な光
を照射して使うため、パネルの温度上昇も考えられる
が、空冷を行ったり、平板マイクロレンズ自体が透明な
こともあり、それほど温度上昇は見られない。

【００３６】具体例としては、上記の平板マイクロレン
ズを液晶表示装置に組み込み、２００Ｗのメタルハライ
ドランプを用いて、空冷を行って、パネルの温度上昇を
調べたところ、１０℃程度の温度上昇であった。１イン
チのパネルの場合、熱膨張係数差が５０×１０^-7／℃で
あると、１０℃の温度差で上下の基板間で１．２７μｍ
の違いが生じるが、厚い低膨張ガラス基板側（第２透明
基板）の方が伸びが大きいため、薄い石英ガラス基板側
（第１透明基板）で大きかった反りが改善される方向に
あり、その量は０．２μｍ／２５．４ｍｍであった。

【００３７】また、平板マイクロレンズアレイと液晶の
ブラックマトリクスとの距離は、薄い石英ガラス基板
（第１透明基板）の厚み精度でだけ決まる。この１イン
チのパネル内における厚み精度は、０．１ｍｍ±０．２
μｍであった。このため、平板マイクロレンズアレイに
よる各液晶開口窓部間における集光強度ムラは、±１％
以内と良好であった。

【００３８】（比較例）寸法が１００ｍｍ角，厚みが
１．０ｍｍの石英ガラス基板（熱膨張係数：５×１０^-7
／℃，第１透明基板）にレンズとなる凹部を形成しその
基板上に、粘度が数千センチポアズのＵＶ硬化性の高屈
折率エポキシ樹脂を供給し、上部から同じ外形で厚みが
０．１ｍｍの低膨張ガラス基板（熱膨張係数：５５×１
０^-7／℃，第２透明基板）をおき、平坦なステンレスの
ステージ間で２ｋｇ／ｃｍ² の圧力を５分間加えた後、
ＵＶ光を照射しエポキシ樹脂を硬化させた。硬化後、樹
脂の厚み分布を測定すると、中央で３２μｍ，周辺で２
５μｍであった。この樹脂の厚み分布は、そのまま基板
の反りにも影響を及ぼし、特に板厚の薄い低膨張ガラス
基板側（第２透明基板）では上に凸の単一的な反りを示
し、３．７μｍ／１００ｍｍの反りであった。これは１
インチのパネル内の反りで０．９４μｍ／２５．４ｍｍ
である。

【００３９】この平板マイクロレンズを液晶表示装置に
組み込み、２００Ｗのメタルハライドランプを用いて、
空冷を行って、パネルの温度上昇を調べたところ、上記
具体的数値例と同様に、１０℃程度の温度上昇であっ
た。１インチのパネルの場合、上記具体的数値例と同様
に、熱膨張係数差が５０×１０^-7／℃であるので、１０
℃の温度差で上下の基板間で１．２７μｍの違いが生じ
る。しかし、低膨張ガラス基板側（第２透明基板）の方
が伸びが大きいため、板厚の薄い低膨張ガラス基板側
（第２透明基板）で大きかった反りは、さらに大きくな
り１．８５μｍ／２５．４ｍｍとなり色ムラの原因にな
ってしまう。

【００４０】このとき、１インチのパネル内における厚
み精度は、０．１ｍｍ±０．７μｍであった。このた
め、平板マイクロレンズアレイによる各液晶開口窓部間
における集光強度ムラは、±５％以内と悪い結果となっ
た。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、充填される樹脂厚みの
ムラを解消するための特別な工夫を必要とせず、しかも
良好な集光特性を有する平板マイクロレンズアレイを有
する液晶表示装置が達成できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示装置の一実施例の液晶表示素
子部分を説明する断面図。

【図２】本発明に係わる平板マイクロレンズアレイを説
明する断面図。

【図３】従来の平板マイクロレンズアレイを用いた液晶
表示装置の液晶表示素子部分の断面図。

【図４】本発明に係わる平板マイクロレンズアレイの作
製方法を説明する図。

【符号の説明】

１００：平板マイクロレンズアレイ， １０１，１０５，２０１，２０３：石英ガラス基板， １０２，２０２：高屈折率樹脂材料， １０３：低膨張ガラス基板， １０４，２０４：レンズとなる凹部， １０６：ＴＦＴ， １０７：ブラックマトリクス（Ｃｒ膜）， １０８：カラーフィルター， １０９，１１２：保護膜， １１０：ＩＴＯ膜， １１１，１１３：配向膜， １１４：スペーサ， １１５：液晶，

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透過型液晶表示素子と、前記素子照明用光
   源との間に、前記光源からの光を前記透過型液晶表示素
   子の液晶開口窓部に集光するための平板マイクロレンズ
   アレイが配置されている液晶表示装置において、 前記平板マイクロレンズアレイは、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
   イ状凹部を有する第１透明基板と、平坦な表面を有する
   第２透明基板の間に、前記第１透明基板よりも屈折率が
   高い透明樹脂あるいは透明無機材料を充填し、凸または
   レンチキュラーレンズとした構造を有しており、 前記液晶表示素子の液晶開口窓部に対して、前記第１透
   明基板が近い側に、前記第２透明基板が遠い側に配置さ
   れていることを特徴とする液晶表示装置。
2. 【請求項２】前記第１透明基板の熱膨張係数と前記第２
   透明基板の熱膨張係数の差が、６０×１０^-7／℃以下で
   ある請求項１記載の液晶表示装置。
3. 【請求項３】前記第１透明基板が、石英ガラス基板ある
   いは低膨張ガラス基板である請求項２記載の液晶表示装
   置。
4. 【請求項４】前記第１透明基板は、前記透過型液晶表示
   素子を構成する一方のセル基板を兼ねる請求項３記載の
   液晶表示装置。