JPH0886901A - 平板レンズアレイおよびそれを用いた液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶ＰＴＶの実効開口効率向上の寄与するレ
ンズアレイの集光特性が、最適となるような設計手法を
示し、この手法によるレンズアレイを提供することを目
的とする。 【構成】 液晶ＰＴＶの液晶画素開口部以外の領域に入
射する照明光を、マイクロレンズによって開口部に有効
に集光させることにより、開口部を透過する光量を増加
させ、実効的な開口効率を上げることを考え、この効果
をシミュレーション解析により評価し、有効なマイクロ
レンズのパラメータを求め、それに基づいた平板マイク
ロレンズアレイを製作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平板レンズアレイとそ
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
平板レンズアレイと、それを用いた投影型液晶表示素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、透過型液晶表示素子を用いたプロ
ジェクタテレビジョン（ＰＴＶ）が、実用化されてきて
いる。このＰＴＶの開発において、スクリーン上のでの
高輝度をいかに実現するかがその焦点となっており、高
出力のライトバルブや光学装置の開発や、平板レンズア
レイの応用等が精力的に検討されている。

【０００３】このＰＴＶに平板レンズアレイを用いれ
ば、液晶表示素子のブラックマトリクスや画素電極部分
に入射し、画素開口部の照明には寄与していなかった光
を大きく低減できるため、照明光の強度を上げることな
くスクリーン上の輝度を向上することができる。この結
果、表示素子の光および熱による特性の劣化の問題を、
解決することが可能となる。

【０００４】この場合、平板レンズアレイは、液晶表示
素子の光入射側に配置され、ブラックマトリクスや画素
電極部分に入射していた光を、画素開口部に集光して有
効に利用し、実効開口効率を向上させる働きを有してい
る。

【０００５】従来、平板レンズアレイとしては、ソーダ
ライムガラスにＴｉ等の耐食性保護皮膜（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持つ
レンズを１次元あるいは２次元に多数配列した平板マイ
クロレンズや、また化学エッチングによって、ガラス基
板表面にその断面が略半円状の凹部を１次元あるいは２
次元に多数形成し、これに透明樹脂等を充填しレンズア
レイとした平板レンズアレイが知られている（例えば、
特開平４−５０８０２号）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の平板マイク
ロレンズや平板レンズアレイ（以下、まとめてレンズア
レイと呼ぶ）は、通常液晶表示素子とは別途作製され、
液晶表示素子の対向電極基板の光入射側に貼り合わされ
て配置されていることが多い。このため、レンズアレイ
の各マイクロレンズの主平面と、ブラックマトリクスあ
るいは画素電極部分が存在する平面との間の距離は、液
晶表示素子の対向電極基板の厚みによって決定されてい
る場合がほとんどであった。したがって、各マイクロレ
ンズの光学特性は考慮されておらず、実効開口効率を最
大にするような最適設計にはなっていなかった。

【０００７】つまり、上記レンズアレイでは、マイクロ
レンズの焦点距離は、液晶表示素子の対向電極基板の厚
さ（空気中換算）相当に設計されている。しかしなが
ら、実際にＰＴＶに用いられる照明光は白色であり、波
長の分布とマイクロレンズに対する入射角度分布を有し
ている。このため、実効開口効率は、液晶表示素子の対
向電極基板の厚さ（空気中換算）相当の位置では、集光
スポットがあまり絞り込むことができていないことにな
る。

【０００８】さらに、一般に焦点距離の長い（開口数Ｎ
Ａの小さい）マイクロレンズでは、該レンズによる明る
さ増大の効果は有効に発揮されていないことになる。こ
れは、回折によって集光スポットが有限の広がりを有
し、その広がりは、光の波長に比例し、レンズ開口数Ｎ
Ａに反比例するためである。

【０００９】特に、今後大きな市場が期待される高精細
プロジェクタテレビジョン（ＨＤ−ＰＴＶ）では、高密
度に画素が配列しているため、これに対応したレンズア
レイも、当然ながら多数個の微小レンズを高密度で配列
させることになる。レンズが高密度で配列されている場
合は、必然的にレンズの開口径は小さくなるので、画素
密度が低く開口径の大きいレンズアレイと、同程度の開
口数ＮＡを達成するためには、焦点距離をその分短くす
る必要がでてくる。

【００１０】したがって、上述したようなレンズアレイ
を、液晶表示素子の対向電極基板の光入射側に貼り合わ
せて使用するような方法では、もはや明るさ増大の効果
は期待できないことになる。

【００１１】そこで、レンズアレイそのものを、液晶表
示素子の対向電極基板として用い、マイクロレンズの主
平面とブラックマトリクスあるいは画素電極等遮光部が
存在する平面との間の距離を極めて小さくし、その距離
に応じたマイクロレンズを設計し作製することが必須と
なってくる。

【００１２】本発明では、このように従来のレンズアレ
イでは、液晶ＰＴＶの実効開口効率向上の効果が十分発
揮されないといった課題を解決するために、まず液晶表
示素子に用いるレンズアレイの集光特性が、最適となる
ような設計手法を示し、この手法によるレンズアレイを
提供することを目的とする。

【００１３】さらに、このレンズアレイを液晶表示素子
に適用することにより、液晶表示素子の実効開口効率を
向上し、もって高精細で高輝度の液晶ＰＴＶを提供しよ
うとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、透明基板に、
マイクロレンズを１次元または２次元に複数配列した平
板レンズアレイにおいて、前記マイクロレンズの主平面
を基板内部に有し、（Ｔsub／ｎsub）／ＰをＸ座標、ｆ
／ＰをＹ座標とするＸＹ平面で、図４に示した領域内の
特性を有する平板レンズアレイである。

【００１５】本発明では、まず、液晶ＰＴＶの液晶画素
開口部以外の領域に入射する照明光を、マイクロレンズ
によって開口部に有効に集光させることにより、開口部
を透過する光量を増加させ、実効的な開口効率を上げる
ことを想定する。そして、この効果をシミュレーション
解析により評価し、有効なマイクロレンズのパラメータ
を求め、それに基づいた平板マイクロレンズアレイを製
作する。

【００１６】まず、本発明に用いた解析評価の概要を、
以下に簡単に述べる。多くの液晶ＰＴＶ光学系では、有
限な広がりを持つ照明光源から発光した光束を、放物面
鏡などでコリメートして液晶素子を照明している。レン
ズアレイを液晶表示素子の前面に配置した場合、液晶表
示素子開口面上の光強度分布は、平板レンズ１画素のコ
ヒーレントな回折像強度分布と、照明光の幾何光学的な
像の光強度分布とのコンボリューションとして、近似的
に求めることができる。この強度分布のなかで、開口部
内に入射する全光量と、１画素に入射する全光量との比
を開口効率と定義し、この値をもってレンズアレイによ
る明るさ向上効果を評価することにする。

【００１７】具体的な求め方を、以下に簡単に述べる。
まず、平板レンズアレイそのものを、液晶表示素子の対
向電極基板として用いることを前提とし、マイクロレン
ズの主平面とブラックマトリクスあるいは画素電極部分
が存在する平面との間の距離と、マイクロレンズの焦点
距離とを最適化することを考える。

【００１８】最適化にあたっての設計手法は、以下の通
りである。まず、ＰＴＶに用いられる照明白色光の広が
りを解析の１つのパラメータとしながら、レンズアレイ
による明るさ増大の効果が、有効に発揮されるマイクロ
レンズの焦点距離と、マイクロレンズの主平面から集光
側基板表面までの厚みの関係を求める。次に、レンズピ
ッチとマイクロレンズの主平面から、集光基板表面まで
の媒体の屈折率のパラメータでこれらを規格化し、一般
的な範囲を求める。

【００１９】

【作用】本発明によれば、平板レンズアレイそのもの
を、液晶表示素子の対向電極基板として用い、マイクロ
レンズの主平面とブラックマトリクスあるいは画素電極
部分が存在する平面との間の距離と、マイクロレンズの
焦点距離とを最適化しているため、レンズアレイによる
明るさ増大の効果が、最大限に発揮される。

【００２０】

【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。図１には、本発明の一実施例である平
板レンズアレイの断面構造を示す。図２には、請求項６
に述べたその表面に１次元または２次元に配列した複数
の屈折率分布型マイクロレンズを有するベース基板に、
透明カバー基板を貼り合わせた構造の平板レンズアレイ
の断面構造を示す。

【００２１】図３には、請求項７に述べたその表面に１
次元または２次元に配列した複数の高屈折率充填型マイ
クロレンズを有するベース基板に、透明カバー基板を貼
り合わせた構造の平板レンズアレイの断面構造を示す。

【００２２】図４には、シミュレーションにより求め
た、（Ｔsub／ｎsub）／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標と
するＸＹ平面における、請求項１ないし５を満足する領
域を示す。

【００２３】ここで、Ｐはマイクロレンズのピッチ、Ｔ
sub はマイクロレンズの主平面から集光側基板表面まで
の厚み、ｎsub はマイクロレンズの主平面から集光基板
表面までの媒体の屈折率ｎsub（波長550nm）であり、マ
イクロレンズの主平面から集光側基板表面までが、厚み
ｔ1,ｔ2,・・・ｔnの層でありそれぞれの屈折率がｎ1,ｎ2,
・・・ｎnである多層構造からなる場合には、（Ｔsub／ｎs
ub）は、以下のように定義する。 （Ｔsub／ｎsub）＝(ｔ1/ｎ1)+(ｔ2/ｎ2)+・・・+(ｔn/ｎ
n)

【００２４】レンズピッチＰは、レンズ配列の仕方によ
って以下ように定義している。Ｘ方向のレンズ配列ピッ
チＰ_x、Ｙ方向のレンズ配列ピッチＰ_yとしたときの、六
方配列の場合のレンズピッチＰは、 Ｐ＝｛Ｐ_x ²＋（Ｐ_y／２）²｝／Ｐ_x （Ｐ_x≧Ｐ_y） 同様に、四方配列の場合のレンズピッチＰは、 Ｐ＝（Ｐ_x ²＋Ｐ_y ²）^1/2 （Ｐ_x≧Ｐ_y）

【００２５】図４中、請求項１記載の範囲は、白抜き丸
印で囲まれた範囲で示されており、例えば照明光平行度
が±４゜の場合、開口部面積が３６％の時に、実効開口
効率が５４％（１．５倍）になる平板マイクロレンズの
パラメータの範囲を示している。

【００２６】図４中、請求項２記載の範囲は、白抜き三
角印で囲まれた範囲で示されており、例えば照明光平行
度が±４゜の場合、開口部面積が３６％の時に、実効開
口効率が６３％（１．７５倍）になる平板マイクロレン
ズのパラメータの範囲を示している。

【００２７】図４中、請求項３記載の範囲は、黒塗り丸
印で囲まれた範囲で示されおり、例えば照明光平行度が
±４゜の場合、開口部面積が３６％の時に、実効開口効
率が７２％（２．０倍）になる平板マイクロレンズのパ
ラメータの範囲を示している。

【００２８】図４中、請求項４記載の範囲は、二重丸印
で囲まれた範囲で示されており、例えば照明光平行度が
±４゜の場合、開口部面積が３６％の時に、実効開口効
率が８１％（２．２５倍）になる平板マイクロレンズの
パラメータの範囲を示している。

【００２９】図４中、請求項５記載の範囲は、黒塗り下
三角印で囲まれた範囲で示されており、例えば照明光平
行度が±４゜の場合、開口部面積が３６％の時に、実効
開口効率が９０％（２．５倍）になる平板マイクロレン
ズのパラメータの範囲を示している。

【００３０】図４中、＊印の（(0.59, 0.52)，(1.18,
1.03)，(1.77, 1.72)，(2.36, 2.41)，(2.95, 2.76)）
各点で示された折れ線の近傍は、平板マイクロレンズに
よる実効開口効率の向上が最も得られるパラメータの領
域である。

【００３１】図５には、本発明の平板レンズアレイを用
いた液晶表示素子の概念図を示している。平板レンズア
レイは、その集光側基板の表面に透明導電性薄膜が形成
され、液晶表示素子のＴＦＴ基板に対する対向基板とし
て、レンズ内蔵型基板として使用される。

【００３２】透明導電性薄膜としては、酸化インジウム
錫などが用いられ、通常さらに開口窓としてのブラック
マトリクス（遮光層）が形成される。ブラックマトリク
スは、クロム膜をパターニングすることによって作製さ
れる。

【００３３】本発明の平板レンズアレイによって集光さ
れた照明光は、集光側基板表面付近に位置する開口窓を
効率よく透過する。

【００３４】以下に、この平板レンズアレイを、液晶表
示素子に適用する場合について述べる。対向基板として
の平板レンズアレイとＴＦＴ基板の間には、ツイストネ
マチック液晶等の液晶材料が狭持され、必要に応じてス
ペーサとしてのビーズが基板間隔を一定に保つために同
時に用いられる。基板は周辺部で封着され、液晶とスペ
ーサが狭持される。

【００３５】液晶駆動素子としてのＴＦＴには、アモル
ファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、多結晶シリコン（ｐ−Ｓ
ｉ）が用いられる。通常ａ−ＳｉＴＦＴには、多成分系
無アルカリガラスが基板として用いられ、ｐ−Ｓｉには
特に成膜時に高温を必要とするため、石英ガラスが基板
として用いられる。

【００３６】平板レンズアレイを形成する基板材料は、
ＴＦＴ基板と同じ材料もしくはほぼ同等の熱膨張係数を
有する材料を用いることが、画素の位置ズレをなくする
上で好ましい。

【００３７】以下に具体的実施例について述べる。 （実施例１）石英ガラス基板の表面に、スパッタリング
法によりエッチャントに対する耐食性保護膜としてＣｒ
膜を形成した。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膜に所
定のレンズ配列パターンで小開口を多数形成した。形成
した小開口は六方配列されており、これによりハニカム
型のレンズアレイが得られる。この小開口の直径は、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。

【００３８】上記小開口を有するＣｒ膜付き基板を、Ｈ
Ｆおよび界面活性剤としてのドデシルベンゼンスルホン
酸ナトリウムを含む水溶液に浸漬して、化学エッチング
を行った。ここでＨＦ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、１０重量％および０．１重量％
とした。これにより、Ｃｒ膜の小開口を始点として石英
ガラス基板の表面部分が等方的にエッチングされ、ほぼ
半球状をなした凹部が得られる。この第１段階のエッチ
ングは、隣接する凹部の間に若干の幅をもった平坦な境
界部を残した状態で止める。

【００３９】次いで第２段階のエッチングとして、石英
ガラス基板表面からＣｒ膜を除去した後、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段階のエッチングにより、形成された凹部は、平
面視したときに、その周辺が６角形をなし、その周囲の
隣接する凹部と密接した稠密充填配列となった。

【００４０】上記２段階のエッチングの処理後、前記凹
部に前記石英ガラス基板の屈折率よりも、屈折率の高い
透光性のエポキシ系樹脂材料を充填し、その上から石英
基板を貼合せた後、前記樹脂の硬化を行った。この場
合、前記樹脂には光硬化型や熱硬化型のものを用いるこ
とができる。

【００４１】今回作製したレンズアレイのピッチは、Ｐ
ｘ×Ｐｙ＝５０×４０μｍ（Ｐ＝５８μｍ）であり、凹
部の曲率半径はエッチング条件を変えることにより３０
μｍ、３５μｍ、４０μｍとした。また、充填するエポ
キシ系樹脂は、屈折率は１．６０、１．６５のものを用
意し、カバーガラス厚みを最適化して以下の焦点距離を
有する平板レンズアレイを作製した（表１）。

【００４２】

【表１】

【００４３】上記平板レンズアレイによって、液晶の画
素の開口窓（Ｄｘ×Ｄｙ＝３０×２４μｍ）に、集光さ
れる光量（実効開口率）を±４゜の白色光源を用いて測
定した。その結果、規格化した焦点距離ｆと、カバーガ
ラス厚みＴsub およびカバーガラス屈折率ｎsub の関係
は、以下の表２のようになり、特許請求の範囲に示した
パラメータの範囲で、高い実効開口率が実現することが
分かった。

【００４４】

【表２】

【００４５】（実施例２）ゾルゲル成形法により、平板
レンズアレイを作製した。メチルエトキシシラン（ＣＨ
₃Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）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
液を調製した。

【００４６】上記調整液を石英基板にディッピング法に
より塗布し、ゲル膜を作製した。そして後述する方法で
作製したＮｉ、樹脂等のスタンパをこのゲル膜に接合
し、適当な圧力で押圧しながら約１２０℃で加熱を行っ
た。加熱後、スタンパを基板から離形し、さらに約２０
０℃で焼成することにより、屈折率１．３８のゾルゲル
材料による凹部が作製された。

【００４７】上記ゾルゲル成形による凹部形成後、凹部
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、石英カバーガラスを貼合せることにより平板
レンズアレイを作製した。

【００４８】今回作製したマイクロレンズの画素ピッチ
は、Ｐｘ×Ｐｙ＝５０×４０μｍであり凹部の曲率半径
は１８μｍであり、充填した上記エポキシ系樹脂の屈折
率は１．５５、１．６０、１．６５である。これにより
以下の平板レンズアレイを得た（表３）。

【００４９】

【表３】

【００５０】上記平板レンズアレイによって、液晶の画
素の開口窓（Ｄｘ×Ｄｙ＝３０×２４μｍ）に、集光さ
れる光量（実効開口率）を±４゜の白色光源を用いて測
定した。その結果、規格化した焦点距離ｆと、カバーガ
ラス厚みＴsub およびカバーガラス屈折率ｎsub の関係
は、以下の表４ようになり、特許請求の範囲に示したパ
ラメータの範囲で、高い実効開口率が実現することが分
かった。

【００５１】

【表４】

【００５２】（実施例３）実施例１と同様に、２段階の
エッチングにより石英ガラス基板（厚み１ｍｍ）に表面
に２次元に配列した複数の微小凹状部（曲率半径３０μ
ｍ）を形成した。これに種々の高屈折率樹脂材料（ｎ＝
1.52〜2.20）を充填し、カバー石英ガラス基板（厚み１
００μｍ）を貼り合わせた構造の平板レンズアレイ（画
素ピッチ：Ｐｘ×Ｐｙ＝５０×４０μｍ）を作製した。
この平板レンズアレイを液晶表示素子のＴＦＴ対向基板
として用いるために、さらにカバー石英ガラス表面に、
透明導電膜とブラックマトリクス（開口窓：Ｄｘ×Ｄｙ
＝３０×２４μｍ）を形成した。

【００５３】図６に、このレンズアレイ付き液晶表示素
子対向基板のカバー石英ガラス基板（厚み１００μｍ）
表面における、実効開口効率ηとマイクロレンズの焦点
距離（空気中）の関係を、照明光平行度をパラメータと
して示す。

【００５４】図６より、±４゜の照明光に対して、焦点
距離ｆが、 （ａ）４５μｍ≦ｆ≦２３０μｍの範囲で、実効開口効
率は５４％以上 （ｂ）４６μｍ≦ｆ≦１９０μｍの範囲で、実効開口効
率は６３％以上 （ｃ）５０μｍ≦ｆ≦１６３μｍの範囲で、実効開口効
率は７２％以上 （ｄ）５３μｍ≦ｆ≦１４０μｍの範囲で、実効開口効
率は８１％以上 （ｅ）５７μｍ≦ｆ≦１２０μｍの範囲で、実効開口効
率は９０％以上 になり、平板レンズアレイによる明るさ増大の効果が、
有効に発揮されることが分かった。

【００５５】（実施例４）図７に、実施例３と同様の構
造において、カバー石英ガラス基板を厚み２００μｍの
ものに代えた場合の結果を示す。

【００５６】図７より、±４゜の照明光に対して、焦点
距離ｆが、 （ａ）８５μｍ≦ｆ≦３９０μｍの範囲で、実効開口効
率は５４％以上 （ｂ）８８μｍ≦ｆ≦３２０μｍの範囲で、実効開口効
率は６３％以上 （ｃ）９４μｍ≦ｆ≦２５８μｍの範囲で、実効開口効
率は７２％以上 （ｄ）９８μｍ≦ｆ≦２３０μｍの範囲で、実効開口効
率は８１％以上 （ｅ）１１０μｍ≦ｆ≦１８６μｍの範囲で、実効開口
効率は９０％以上 になり、平板レンズアレイによる明るさ増大の効果が、
有効に発揮されることが分かった。

【００５７】（実施例５）図８に、実施例３と同様の構
造において、カバー石英ガラス基板を厚み３００μｍの
ものに代えた場合の結果を示す。

【００５８】図８より±４゜の照明光に対して、焦点距
離ｆが、 （ａ）１３４μｍ≦ｆ≦４３０μｍの範囲で、実効開口
効率は５４％以上 （ｂ）１４４μｍ≦ｆ≦３６０μｍの範囲で、実効開口
効率は６３％以上 （ｃ）１５８μｍ≦ｆ≦２９４μｍの範囲で、実効開口
効率は７２％以上 （ｄ）１７６μｍ≦ｆ≦２４０μｍの範囲で、実効開口
効率は８１％以上 になり、平板レンズアレイによる明るさ増大の効果が、
有効に発揮されることが分かった。ただしｆを変化させ
ても、実効開口効率は９０％以上にはならない。

【００５９】（実施例６）図９に、実施例３と同様の構
造において、カバー石英ガラス基板を厚み４００μｍの
ものに代えた場合の結果を示す。

【００６０】図９より、±４゜の照明光に対して、焦点
距離ｆが、 （ａ）２２３μｍ≦ｆ≦３６５μｍの範囲で、実効開口
効率は５４％以上 になり、平板レンズアレイによる明るさ増大の効果が、
有効に発揮されることが分かった。ただしｆを変化させ
ても、実効開口効率は６３％以上にはならない。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、平板レンズアレイその
ものを、液晶表示素子の対向電極基板として用い、マイ
クロレンズの主平面とブラックマトリクスあるいは画素
電極等遮光部が存在する平面との間の距離と、マイクロ
レンズの焦点距離とを最適化しているため、平板レンズ
アレイによる明るさ増大の効果が有効に発揮される。し
たがって、高精細で高輝度の液晶ＰＴＶを提供すること
が可能になる。

【００６２】また、高出力の光源を使用することなく、
高精細で高輝度の液晶ＰＴＶを提供することが可能にな
り、さらに損失光に起因した表示素子の劣化を低減する
ことも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】平板マイクロレンズの一般的な断面構造。

【図２】屈折率分布型マイクロレンズを有するベース基
板に、透明カバー基板を貼り合わせた構造の平板マイク
ロレンズの断面構造。

【図３】高屈折率材料充填型マイクロレンズを有するベ
ース基板に、透明カバー基板を貼り合わせた構造の平板
マイクロレンズの断面構造。

【図４】（Ｔsub／ｎsub）／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座
標とするＸＹ平面における、請求項１ないし５を満足す
る領域。

【図５】本発明による平板レンズアレイを用いた液晶表
示素子の概念図。

【図６】平板レンズアレイ付き液晶表示素子の実効開口
効率ηと、マイクロレンズの焦点距離（空気中）の関係
を示す図（カバーガラス基板の厚み；１００μｍ）。

【図７】平板レンズアレイ付き液晶表示素子の実効開口
効率ηと、マイクロレンズの焦点距離（空気中）の関係
を示す図（カバーガラス基板の厚み；２００μｍ）。

【図８】平板レンズアレイ付き液晶表示素子の実効開口
効率ηと、マイクロレンズの焦点距離（空気中）の関係
を示す図（カバーガラス基板の厚み；３００μｍ）。

【図９】平板レンズアレイ付き液晶表示素子の実効開口
効率ηと、マイクロレンズの焦点距離（空気中）の関係
を示す図（カバーガラス基板の厚み；４００μｍ）。

【符号の説明】

１０ 略球面で接する屈折率の異なる２つの材料から
なる一般的な平板レンズアレイ １０１ 低屈折率材料 １０１Ａ 略球面形状部 １０２ 高屈折率材料 ３０ 照明光 １１ 屈折率分布型マイクロレンズを有するベース基
板に、透明カバー基板を貼り合わせた構造の平板レンズ
アレイ １１１ 屈折率分布型マイクロレンズを有するベース基
板 １１１Ａ 屈折率分布型マイクロレンズ １１２ 透明カバー基板 １２ 高屈折率材料充填型マイクロレンズを有するベ
ース基板に、透明カバー基板を貼り合わせた構造の平板
レンズアレイ １２１ 高屈折率材料充填型マイクロレンズを有するベ
ース基板 １２１Ａ 高屈折率材料充填型マイクロレンズ １２２ 透明カバー基板 ２０ 平板レンズアレイを用いた液晶表示素子 １０３ 透明導電性膜 １０４ ブラックマトリクス ２１ ＴＦＴ基板 ２１Ａ ＴＦＴ等の不透光部 ２１Ｂ 画素電極 ２２ 液晶材料 Ｈ レンズの主平面

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年９月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】従来、平板レンズアレイとしては、ソーダ
ライムガラスにＴｉ等の耐食性保護皮膜（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持つ
レンズを１次元あるいは２次元に多数配列した平板マイ
クロレンズ（例えば、特開平５−４５６４２号）や、ま
た化学エッチングによって、ガラス基板表面にその断面
が略半円状の凹部を１次元あるいは２次元に多数形成
し、これに透明樹脂等を充填しレンズアレイとした平板
レンズアレイが知られている（例えば、特開平４−５０
８０２号）。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４８】今回作製したマイクロレンズの画素ピッチ
は、Ｐｘ×Ｐｙ＝３０×２４μｍであり凹部の曲率半径
は１８μｍであり、充填した上記エポキシ系樹脂の屈折
率は１．５５、１．６０、１．６５である。これにより
以下の平板レンズアレイを得た（表３）。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５０】上記平板レンズアレイによって、液晶の画
素の開口窓（Ｄｘ×Ｄｙ＝１８×１４．４μｍ）に、集
光される光量（実効開口率）を±４゜の白色光源を用い
て測定した。その結果、規格化した焦点距離ｆと、カバ
ーガラス厚みＴsub およびカバーガラス屈折率ｎsub の
関係は、以下の表４ようになり、特許請求の範囲に示し
たパラメータの範囲で、高い実効開口率が実現すること
が分かった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浜中 賢二郎 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 仲間 健一 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 (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明基板に、マイクロレンズを１次元また
   は２次元に複数配列した平板レンズアレイにおいて、前
   記マイクロレンズの主平面を基板内部に有し、（Ｔsub
   ／ｎsub）／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標とするＸＹ平
   面で、以下の点集合で囲まれる領域内の特性を有するこ
   とを特徴とする平板レンズアレイ。 (0.40, 0.50)，(0.59, 0.51)，(0.59, 2.07)，(1.18,
   0.77)，(1.18, 3.97) (1.77, 1.07)，(1.77, 6.04)，(2.36, 1.46)，(2.36,
   6.73)，(2.95, 1.81) (2.95, 7.33)，(3.54, 2.31)，(3.54, 7.42)，(4.13,
   2.84)，(4.13, 7.33) (4.72, 3.84)，(4.72, 6.30)，(4.59, 5.00) ただし、前記マイクロレンズの焦点距離をｆ（波長550n
   m、空気中）、マイクロレンズのピッチをＰ、マイクロ
   レンズの主平面から集光側基板表面までの厚みをＴsu
   b、マイクロレンズの主平面から集光基板表面までの媒
   体の屈折率をｎsub（波長550ｎｍ）とし、マイクロレン
   ズの主平面から集光側基板表面までが、厚みｔ1,ｔ2,・・
   ・ｔnの層でありそれぞれの屈折率がｎ1,ｎ2,・・・ｎnであ
   る多層構造からなる場合には、（Ｔsub／ｎsub）は、以
   下のように定義する。 （Ｔsub／ｎsub）＝(ｔ1/ｎ1)+(ｔ2/ｎ2)+・・・+(ｔn/ｎ
   n) また、マイクロレンズが２次元で配列する場合のレンズ
   ピッチＰは、以下のように定義する。Ｘ方向のレンズ配
   列ピッチＰ_x、Ｙ方向のレンズ配列ピッチＰ_yとしたとき
   の、六方配列の場合のレンズピッチＰは、 Ｐ＝｛Ｐ_x ²＋（Ｐ_y／２）²｝／Ｐ_x （Ｐ_x≧Ｐ_y） 同様に四方配列の場合のレンズピッチＰは、 Ｐ＝（Ｐ_x ²＋Ｐ_y ²）^1/2 （Ｐ_x≧Ｐ_y）
2. 【請求項２】請求項１に記載の平板レンズアレイにおい
   て、（Ｔsub／ｎsub）／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標と
   するＸＹ平面で、以下の点集合で囲まれる領域内の特性
   を有する平板レンズアレイ。 (0.40, 0.50)，(0.59, 0.51)，(0.59, 1.68)，(1.18,
   0.79)，(1.18, 3.28) (1.77, 1.12)，(1.77, 4.32)，(2.36, 1.51)，(2.36,
   5.52)，(2.95, 1.93) (2.95, 6.03)，(3.54, 2.48)，(3.54, 6.20)，(4.13,
   3.20)，(4.13, 5.87) (4.40, 5.00)
3. 【請求項３】請求項２記載の平板レンズアレイにおい
   て、（Ｔsub／ｎsub）／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標と
   するＸＹ平面において以下の点集合で囲まれる領域内の
   特性を有する平板レンズアレイ。 (0.40, 0.50)，(0.59, 0.51)，(0.59, 1.45)，(1.18,
   0.86)，(1.18, 2.81) (1.77, 1.17)，(1.77, 3.88)，(2.36, 1.62)，(2.36,
   4.45)，(2.95, 2.06) (2.95, 5.07)，(3.54, 2.72)，(3.54, 5.07)，(4.13,
   4.00)，(4.13, 4.66)
4. 【請求項４】請求項３記載の平板レンズアレイにおい
   て、（Ｔsub／ｎsub）／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標と
   するＸＹ平面において以下の点集合で囲まれる領域内の
   特性を有する平板レンズアレイ。 (0.40, 0.50)，(0.59, 0.51)，(0.59, 1.28)，(1.18,
   0.91)，(1.18, 2.42) (1.77, 1.24)，(1.77, 3.28)，(2.36, 1.68)，(2.36,
   3.97)，(2.95, 2.27) (2.95, 4.11)，(3.54, 3.03)，(3.54, 4.14)，(3.80,
   4.00)
5. 【請求項５】請求項４記載の平板レンズアレイにおい
   て、（Ｔsub／ｎsub）／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標と
   するＸＹ平面において以下の点集合で囲まれる領域内の
   特性を有する平板レンズアレイ。 (0.40, 0.50)，(0.59, 0.51)，(0.59, 1.11)，(1.18,
   0.98)，(1.18, 2.07) (1.77, 1.31)，(1.77, 2.76)，(2.36, 1.89)，(2.36,
   3.21)，(2.95, 2.58) (2.95, 3.45)，(3.25, 3.40)
6. 【請求項６】請求項５記載の平板レンズアレイにおい
   て、（Ｔsub／ｎsub）／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標と
   するＸＹ平面において以下の点集合で囲まれる領域内の
   特性を有する平板レンズアレイ。 (0.40, 0.50)，(0.59, 0.51)，(0.59, 1.11)，(1.18,
   0.98)，(1.18, 2.07) (1.77, 1.31)，(1.77, 2.76)，(2.36, 1.89)，(2.36,
   3.21)，(2.95, 2.58) (2.95, 3.45)，(3.25, 3.40)
7. 【請求項７】請求項１ないし６記載の平板レンズアレイ
   において、前記平板レンズアレイは、その表面に１次元
   または２次元に配列した複数の屈折率分布マイクロレン
   ズを有する基板に、透明カバー基板が前記基板表面のマ
   イクロレンズを有する側に貼り合わされた構造である平
   板レンズアレイ。
8. 【請求項８】請求項１ないし６記載の平板レンズアレイ
   において、前記平板レンズアレイは、その表面に１次元
   または２次元に配列した略球面状の複数の凹部を有する
   ガラス基板と、前記ガラス基板の屈折率より、屈折率が
   高い透明材料を前記凹部に充填し、さらに該透明材料を
   挟み込むようにカバーガラス基板を貼り合わせることに
   より凸レンズアレイとした構造である平板レンズアレ
   イ。
9. 【請求項９】請求項８記載の平板レンズアレイにおい
   て、前記ガラス基板とカバーガラス基板が、ともに石英
   ガラスである平板レンズアレイ。
10. 【請求項１０】請求項１ないし９記載の平板レンズアレ
    イの表面に透明電極が形成され、かつＴＦＴ方式の画素
    電極が形成された第２の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。