KR100954016B1 - 화상 표시 소자 및 화상 프로젝터 장치 - Google Patents

화상 표시 소자 및 화상 프로젝터 장치 Download PDF

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Abstract

LCD 프로젝터에 이용하는 화상 표시 소자는 매트릭스형으로 배치된 화소(108)의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판(101, 102)을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사한다. 기판(101)의 빛이 통과하는 면에 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키는 위상 시프트 구조(109)를 형성한다. 위상 시프트 구조(109)는 기판(101)의 빛이 통과하는 면을 랜덤한 깊이로 에칭하여 형성한 요철 구조로 이루어진다. 혹은, 위상 시프트 구조는 기판의 빛이 통과하는 면에 유전체 투명막을 랜덤한 두께로 성막한 요철 구조로 해도 되고, 위상 시프트 구조(109)는 포토리소그래피 기술을 이용하여 형성된다. 위상 시프트 구조(109)는 두께가 다른 화소 단위의 요철 구조를 갖는다. 이에 의해 미세한 화소의 주기 구조에 기인하는 고차 회절광의 발생을 방지하여, 본래 필요한 비회절광의 광량을 증대시킨다.
기판, 화소, 위상 시프트 구조, 구동 기판, 컬러 필터층, 화소 전극

Description

화상 표시 소자 및 화상 프로젝터 장치 {IMAGE DISPLAY AND IMAGE PROJECTOR}
본 발명은 화상 표시 소자 및 이를 이용한 화상 프로젝터 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 매트릭스형으로 배치된 복수의 화소 주기 구조와, 상기 복수의 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하는 화상 표시 소자에 있어서, 미세한 화소의 주기 구조에 기인하는 고차 회절광의 발생을 방지하여, 원래 필요한 비회절광의 광량을 증대시키는 기술에 관한 것이다.
종래, LCD 프로젝터 등의 화상 표시 장치에서는 LCD 패널 등의 화상 표시 소자의 1 화소의 크기(화소 피치)는 수십 ㎛ 이상인 것이 주류를 이루었지만, 최근 LCD 패널의 소형화 및 고정밀화가 진행되어 화소 피치가 10 ㎛ 이하인 것도 출시되고 있다.
화소 피치의 미세화와 함께 하기에 서술하는 문제와 만난다.
제1 문제는 LCD 패널에 입사한 광속이 화소 주기 구조에 의해 회절되고, 불필요한 고차 회절광, 특히 회절 효율을 무시할 수 없는 ±1차 회절광을 발생시키는 것으로, LCD 프로젝터에 있어서 미광(플레어)의 원인이 될 뿐만 아니라, 그 만큼 원래 필요한 0차광(비회절광)의 광량을 감소시켜 휘도 저하로 이어지는 것이다.
제2 문제는 화소 전체의 면적에 대한 광속이 통과할 수 있는 영역의 면적비 저하, 즉 개구율의 저하가 있다. 화소는 개구를 형성하는 화소 전극 외에 박막 트랜지스터 등의 스위칭 소자나 보유 지지 용량이 형성되어 있다. 화소 피치의 미세화가 진행되면, 상대적으로 스위칭 소자나 보유 지지 용량이 차지하는 면적이 증가하여, 그 만큼 개구 면적이 희생하게 되어(적어져) 개구율 저하를 초래한다.
제1 문제에 대해 설명한다. 종래의 수십 ㎛ 피치의 LCD 패널에 있어서도, 원리적으로는 화소 주기 구조에 의한 회절광이 발생하고 있었다. 회절 현상을 수학식으로 나타내면,
Sin(θ) = (λ/p)
가 된다. 여기서, λ는 파장, p는 화소 피치, θ는 회절 각도를 나타낸다. 종래는 화소 피치가 크기 때문에, 상기 관계식에서 부여되는 회절각(θ)이 작아, 0차광과 고차 회절광(±1차, ±2차광)이 거의 분리되지 않으므로, 상기 문제가 현저히 나타나는 일은 없었다. 그러나, 최근 화소 피치의 정밀화에 의해, 상기 관계식에 의해 부여되는 회절 각도(θ)가 커, 상기 문제를 무시할 수 없게 되었다. 이 문제점에 대해서는, 예를 들어 데이비드 아미테이지(David Armitage) 저, "반사 마이크로디스플레이의 해상도 문제(Resolution issues in reflective microdisplays)", SPIE 제3634권, 10(1999)에 기재되어 있다.
다음에 제2 문제에 대해 설명한다. 이러한 종류의 화상 표시 소자, 특히 투영형의 화상 표시 소자에 있어서는 각 화소를 통과하는 광속을 변조하기 위한 스위 칭 소자나 보유 지지 정전 용량의 회로 패턴이 화소 전극에 인접하여 배치되어 있지만, 화소 피치의 미세화와 함께, 이 회로 패턴이 차지하는 비율이 증대된다. 그 결과, 개구율이 저하하여 광이용 효율이 저하하게 되는 문제가 생긴다. 이 문제를 해결하는 수단으로서는, 각 화소의 입사측에 미소한 렌즈를 다수 배열시킨 마이크로 렌즈 어레이를 설치하고, 마이크로 렌즈 어레이에 의해 화소에 입사하는 광속을 교축하는 방법이, 예를 들어 일본 특허 공개 평3-236987호 공보에 개시되어 있다. 그러나 마이크로 렌즈는 화소에 대응하여 배치되어 있다. 따라서, 마이크로 렌즈 어레이 자체도 화소 어레이와 마찬가지로 주기 구조로 되어 있고, 회절광이 발생하고 있었다. 이것이 화소 주기 구조에 의한 회절과 겹쳐져 한층 무시할 수 없는 문제점이 되고 있었다.
상술한 종래의 기술 과제를 해결하기 위해, 본원 발명자는 이하의 수단을 강구하였다.
즉 본 발명의 제1 관점은, 매트릭스형으로 배치된 복수의 화소 주기 구조와, 상기 복수의 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하는 화상 표시 소자에 있어서, 상기 기판의 빛이 통과하는 면에 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키는 위상 시프트 구조를 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일태양에서는, 상기 위상 시프트 구조는 상기 기판의 빛이 통과하는 면을 랜덤한 깊이로 에칭하여 형성한 요철 구조로 이루어진다.
본 발명의 다른 태양에서는, 상기 위상 시프트 구조는 상기 기판의 빛이 통과하는 면에 유전체 투명막을 랜덤한 두께로 성막한 요철 구조로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 위상 시프트 구조는 포토리소그래피 기술을 이용하여 형성된다.
또, 상기 위상 시프트 구조는 두께가 다른 화소 단위의 요철 구조를 갖는다.
본 발명은 또한, 상기한 화상 표시 소자를 라이트 밸브에 이용한 화상 프로젝터 장치도 포함하고 있다.
본 발명의 제2 관점은 매트릭스형으로 배치된 복수의 화소 주기 구조와, 상기 복수의 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하는 화상 표시 소자에 있어서, 상기 기판의 빛이 통과하는 면에 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키는 위상 시프트 구조와, 입사한 빛을 화소를 향해 집광하는 마이크로 렌즈 구조를 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일태양에서는, 상기 위상 시프트 구조는 상기 기판의 빛이 통과하는 면을 랜덤한 깊이로 에칭하여 형성한 요철 구조로 이루어진다.
본 발명의 다른 태양에서는, 상기 위상 시프트 구조는 상기 기판의 빛이 통과하는 면에 유전체 투명막을 랜덤한 두께로 성막한 요철 구조로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 위상 시프트 구조는 포토리소그래피 기술을 이용하여 형성된다. 또, 상기 위상 시프트 구조는 두께가 다른 화소 단위의 요철 구조를 갖는다.
바람직하게는, 상기 마이크로 렌즈 구조는 하나의 화소와 동등한 사이즈인 개구를 갖고, 화소의 주기 구조와 동일 주기로 배열되어 있다. 또한 상기 마이크로 렌즈 구조는 입사한 빛을 집광하여 화소에 촛점을 연결한다.
본 발명은 또한, 상기한 화소 표시 소자를 라이트 밸브에 이용한 화상 프로젝터 장치도 포함하고 있다.
본 발명의 제1 관점에 따르면, 화상 표시 소자의 각각의 화소의 입사면 또는 출사면에 있어서, 입사광에 대해 랜덤한 위상차를 부여하는 위상 시프트 구조를 형성함으로써, 미세 화소 주기 구조에 기인하는 고차 회절광의 발생을 방지하고, 0차광(원래 필요한 비회절광)의 광량을 증대시켜, 표시 화상의 고휘도화를 도모하고 있다.
본 발명의 제2 관점에 따르면, 화상 표시 소자 각각의 화소의 입사면 또는 출사면에 있어서, 입사광에 대해 램덤한 위상차를 부여하는 위상 시프트 구조를 형성함으로써, 미세 화소 주기 구조에 기인하는 고차 회절광의 발생을 방지하여, 0차광(원래 필요한 비회절광)의 광량을 증대시키는 동시에, 각 화소의 입사면에 마이크로 렌즈 구조를 형성함으로써, 화소 스위칭 구동용의 회로 패턴에 의한 입사광의 차단을 방지하여 표시 화상의 고휘도화를 도모하고 있다. 그 때, 입사광에 대해 랜덤한 위상차를 부여하는 위상 시프트 구조를 형성함으로써, 미세한 마이크로 렌즈의 주기 구조에 기인하는 고차 회절광의 발생도 방지하는 것이 가능하다.
도1은 투영형 LCD 패널을 이용한 일반적인 LCD 프로젝터 광학계의 모식도이다.
도2a 및 도2b는 일반적인 투영형 LCD 패널의 부분 확대 구성도이다.
도3의 (a) 내지 (c)는, 도2a 및 도2b에 도해한 대향 기판의 광선의 입사측(방진 유리측)의 표면 상에 위상 시프트 구조를 형성한 예를 도시하는 도면이다.
도4는 일반적인 주기 구조에 의한 회절 현상을 설명하는 도면이다.
도5는 본 발명의 제1 실시 형태로서 주기 구조에 위상 시프트 구조를 부가한 경우의 설명도이다.
도6은 본 발명의 제2 실시 형태로서, TFT 기판에 위상 시프트 구조를 형성한 예를 도시하는 도면이다.
도7은 본 발명의 제3 실시 형태로서, 방진 유리에 위상 시프트 구조를 형성한 예를 도시하는 도면이다.
도8a 및 도8b는 일반적인 반사형 LCD 패널의 구성도이다.
도9의 (a) 내지 (c)는, 도8a 및 도8b에 도해한 LCD 패널에 있어서의 대향 기판에 위상 시프트 구조를 형성한 예를 도시하는 설명도이다.
도10은 도8a 및 도8b에 도해한 LCD 패널에 있어서의 방진 유리에 위상 시프트 구조를 형성한 예를 도시하는 도면이다.
도11a 내지 도11d는 본 발명의 제1 실시 형태로서, 포토리소그래피 기술에 의한 위상 시프트 구조의 형성 방법을 설명하는 도면이다.
도12는 도11a 내지 도11d에 있어서의 제1 EB 마스크를 설명하는 도면이다.
도13a 내지 도13d는 본 발명의 제2 실시 형태로서, 포토리소그래피 기술에 의한 위상 시프트 구조의 형상 방법을 설명하는 도면이다.
도14는 도13a 내지 도13d에 있어서의 제2 EB 마스크를 설명하는 도면이다.
도15a 내지 도15d는 본 발명의 제3 실시 형태로서, 포토리소그래피 기술에 의한 위상 시프트 구조의 형성 방법을 설명하는 도면이다.
도16은 도15a 내지 도15d에 있어서의 제3 EB 마스크를 설명하는 도면이다.
도17은 도8a 및 도8b에 도해한 LCD 패널에 있어서의 대향 기판 상에 위상 시프트 구조가 형성된 것을 설명하는 도면이다.
도18a 내지 도18d는 본 발명의 제4 실시 형태로서, 포토리소그래피 기술에 의한 위상 시프트 구조의 형성 방법을 설명하는 도면이다.
도19는 본 발명에 관한 화상 표시 소자의 구체적인 구성예인 투과형 액정 패널을 도시하는 모식도이다.
도20은 본 발명의 개량형 실시 형태를 도시하는 모식적인 단면도로, 대향 기판에 위상 시프트 구조 및 마이크로 렌즈 구조를 형성한 예를 도시하는 설명도이다.
도21은 도19에 도해한 투과형 액정 패널에 있어서의 대향 기판에 위상 시프트 구조 및 마이크로 렌즈 구조를 형성한 예를 도시하는 단면도이다.
도22는 도19에 도해한 투과형 액정 패널에 있어서의 방진 유리에 위상 시프트 구조를 형성하여 대향 기판에 마이크로 렌즈 구조를 형성한 예를 도시하는 단면도이다.
도23은 본 발명의 제1 실시 형태로서의 반사형 LCD 패널을 도시하는 도면으로, 대향 기판에 위상 시프트 구조 및 마이크로 렌즈 구조를 형성한 예를 도시하는 설명도이다.
도24는 본 발명의 다른 실시 형태로서의 반사형 LCD 패널을 도시하는 도면으로, 방진 유리에 위상 시프트 구조를 형성하여 대향 기판에 마이크로 렌즈 구조를 형성한 예를 도시하는 단면도이다.
도25a 및 도25b는 본 발명의 LCD 패널에 이용하는 마이크로 렌즈 구조의 형성 방법의 제1 실시 형태를 도시하는 공정도이다.
도26a 내지 도26c는 본 발명의 LCD 패널에 이용하는 마이크로 렌즈 구조의 형성 방법의 다른 실시 형태를 도시하는 공정도이다.
도27a 내지 도27d는 본 발명의 LCD 패널에 이용하는 마이크로 렌즈 구조의 형성 방법의 또 다른 실시 형태를 도시하는 공정도이다.
도28은 본 발명의 실시 형태로서의 마이크로 렌즈 구조와 위상 시프트 구조의 조합 상태를 도시하는 모식적인 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
투영형 LCD 패널
도1은 투영형 LCD 패널을 이용한 일반적인 LCD 프로젝터 광학계의 모식도이다. 도1에 도해한 LCD 프로젝터의 광학계는 광원 램프(001), 제1 플라이아이 렌즈(002), 제2 플라이아이 렌즈(003), P파와 S파를 분리하여 합성하는 PS 분리 합성 소자(004), 콘덴서 렌즈(005), RGB색 분리 필터(006, 007), 미러(008a 내지 008c), 필드 렌즈(009a 내지 009c), 릴레이 렌즈(010, 011), 다이크로익 프리즘(012), 투영형 LCD 패널(013a 내지 013c), 투사 렌즈(014)로 구성되고, 스크린(015)에 확대상을 투영한다.
또, RGB색 분리 필터(006, 007)는, 각각 R(적색), G(녹색), B(청색) 성분을 추출하기 위해, 예를 들어 필터(006)에 있어서 B 성분을 미러(008a)를 향해 반사시켜 G 및 R 성분을 필터(007)를 향해 투과시키고, 필터(007)는 G 성분을 렌즈(009b)를 향해 반사시키고, R 성분을 렌즈(009c)를 향해 투과시킨다.
도1에 도해한 투영형 LCD 패널에 있어서, 투영형 LCD 패널(013a 내지 013c)에 입력된 화상 신호에 따라서, B, G, R 성분이 변조되어 확대된 영상이 스크린(015)에 투영된다.
본 발명은, 투영형 LCD 패널(013a 내지 013c) 등의 LCD 패널에 대해 개선하고 있다.
도2a 및 도2b는 일반적인 투영형 LCD 패널의 부분 확대 구성도로, 도2a는 외부 프레임(105)이 부착된 상태, 도2b는 외부 프레임을 떼어낸 상태이다. 일반적인 투영형 LCD 패널은 TFT 기판(101), 대향 기판(102), 출사측 방진 유리(103), 입사측 방진 유리(104), 외부 프레임(105), 가요성 커넥터(106)로 구성되고, 액정은 TFT 기판(101)과 대향 기판(102) 사이에 봉입된다. 유효 화소 영역은 부호 107로 나타내는 영역이다. 통상의 프로젝터용 LCD 패널의 경우, 광선은 입사광(Li)으로서 대향 기판(102)측으로부터 입사하고, 출사광(Lo)으로서 TFT 기판(101)측으로부터 출사한다.
도3의 (a) 내지 (c)는, 도2a 및 도2b에 도해한 대향 기판(102)의 광선의 입 사측[방진 유리(104)측]의 표면 상에 위상 시프트 구조(109)를 형성한 예이다. 도3의 (b)는 도3의 (a)의 유효 화소 영역(107) 내의 일부분을 확대하여 도해한 것이며, 도3의 (c)는 도3의 (b)의 A - A'의 단면을 확대하여 도해한 것이다. 대향 기판(102)의 입사면은 2차원형으로 배치된 복수의 화소의 각 화소(108)와 동일 피치를 단위 구조로 하여, 각각 d = 0 내지 d = λ/｜N1 - N2｜ 사이의 임의의 깊이 또는 두께로 에칭 또는 성막되어 있다. 또, d는 깊이, λ는 중심 파장, N1은 중심 파장에 있어서의 기판 굴절율, N2는 중심 파장에 있어서의 위상 시프트 구조의 굴절율을 나타낸다. 예를 들어, 참조 파장 λ = 550 ㎚, N1 = 1.5, N2 = 1.0(공기)일 때, d는 0 내지 1100 ㎚ 사이의 임의의 값이다. 이 때, 각 화소를 통과한 광선은 에칭 깊이 또는 성막 두께가 0인 영역을 기준으로 하여
2π/λ × d × ｜N1 - N2｜ = 0 내지 2π
사이의 임의의 위상차를 부여할 수 있다. 또한 굴절율(N2)이 공기가 아닌, 투명 수지 등에 의해 충족되고 있을 때, 예를 들어 N2 = 1.4의 경우, d는 0 내지 5500 ㎚ 사이의 임의의 값이다. 화소 피치와 위상 시프트 구조의 피치를 맞추는 이유는 화소 내에 위상 시프트 구조의 경계(에칭 깊이 혹은 성막 두께가 변하는 라인)가 인입하여 화질에 영향을 끼치는 것을 막기 위해서이다.
일반적으로, 도4에 도해한 바와 같이 광속이 일정 주기 구조 영역을 통과하여 주목하고 있는 관찰면에 도달한 경우, 각각의 주기 단위로부터 관찰면까지의 광로 길이 차가 절반 파장의 짝수배인 곳에서 광파가 강해지고, 절반 파장의 홀수배인 곳에서 광파가 약해짐으로써, 회절(간섭) 패턴을 형성한다. 이 때, 0차광(비회 절광)의 회절 효율(입사광에 대한 광량비)은 60 내지 70 ％ 정도까지 감소하고, 반대로 10 내지 20 ％ 정도의 회절 효율을 갖는 회절 1차광이나, 수 ％ 정도의 회절 효율을 갖는 고차 회절광이 발생해 버린다. 단 이것은 각 주기 구조를 입사하는 광선의 위상이 서로 일치되어 있는 것이 전제이다.
그러나 도5에 도해한 바와 같이, 랜덤한 위상 시프트 구조를 주기 구조의 입사면(혹은 출사면)에 형성함으로써, 출사 직후의 광선의 위치가 일치되어 있지 않아, 결과적으로 회절 패턴(고차 회절광)의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 위상 시프트 구조를 대향 기판(102)의 입사면에 형성함으로써, 고차 회절광의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 제1 실시 형태에서는 대향 기판(102)의 입사면에 위상 시프트 구조를 형성하였지만, 도6에 도해한 바와 같이 TFT 기판(101)의 출사면이나, 도7에 도해한 바와 같이 방진 유리(104)의 입사면(혹은 출사면)에 위상 시프트 구조를 형성해도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
통상의 프로젝터용 LCD 패널에서는 광선은 대향 기판측에 입사하여 TFT 기판측으로부터 출사하지만, 가령 광선이 TFT 기판측에 입사하여 대향 기판측으로부터 출사하는 구성이라 해도, 마찬가지로 각 기판의 입사면이 출사면의 어느 한 쪽에 본 발명에 관한 위상 시프트 구조를 형성함으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 실시예에서는 투영형 LCD 패널의 출사면에 위상 시프트 구조를 형성한 예를 도시하였지만, 그 밖의 투영형(또는 투과형) 화상 표시 장치에도 적용 가능하다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 화상 표시 소자는 기본적인 구성으로서, 매트릭스형으로 배치된 화소(108)의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판(101, 102)을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사한다. 본 발명의 특징으로서, 예를 들어 기판(101)의 빛이 통과하는 면에 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키는 위상 시프트 구조(109)를 형성한다. 위상 시프트 구조(109)는 기판(101)의 빛이 통과하는 면을 랜덤한 깊이로 에칭하여 형성한 요철 구조로 이루어진다. 혹은, 위상 시프트 구조는 기판의 빛이 통과하는 면에 유전체 투명막을 랜덤한 두께로 성막한 요철 구조로 해도 좋아, 위상 시프트 구조(109)는, 예를 들어 포토리소그래피 기술을 이용하여 형성된다. 바람직하게는, 위상 시프트 구조(109)는 두께가 다른 화소 단위의 요철 구조를 갖는다.
도8a 및 도8b는 일반적인 반사형 LCD 패널의 구성도이다. 도8a는 외부 프레임이 부착된 상태를 도시하고, 도8b는 외부 프레임을 떼어낸 상태를 도시한다. 일반적인 반사형 LCD 패널은 TFT 기판(201), 대향 기판(202), 반사판(203), 방진 유리(204), 외부 프레임(205), 가요성 케이블(206)로 구성된다. 혹은 대향 기판(202)이 반사판(203)측에, TFT 기판(201)이 방진 유리(204)측에 구성되는 경우도 있다. 유효 화소 영역은 부호 207이 내타내는 영역이다.
도9의 (a) 내지 (c)는, 도8a 및 도8b에 도해한 LCD 패널에 있어서의 대향 기판(202)의 광선의 입사측[방진 유리(204)측]의 표면에 위상 시프트 구조(209)를 형성한 예이다. 도9의 (b)는 도9의 (a)의 유효 화소 영역(207) 내의 일부분을 확대하여 도해한 것이며, 도9의 (c)는 도9의 (b)의 A - A' 단면을 확대하여 도해한 것이다. 대향 기판(202)의 각 화소 영역의 표면[방진 유리(204)측의 면]은, 각 화소(208)와 동일 피치를 단위 구조로 하여, 각각 d = 0 내지 d = λ/｜N1 - N2｜/2 사이의 임의의 깊이 또는 두께로 에칭 또는 성막되어 있다. d는 깊이, λ는 중심 파장, N1은 중심 파장에 있어서의 기판 굴절율, N2는 중심 파장에 있어서의 위상 시프트 구조의 굴절율을 나타낸다. 예를 들어, 참조 파장(λ) = 550 ㎚, N1 = 1.5, N2 = 1.0(공기)일 때, d는 0 내지 550 ㎚ 사이의 임의의 값이다. 또한 위상 시프트 구조가 투명 수지 등으로 충족되어 있는 경우, 예를 들어 N2 = 1.4로서, d는 0 내지 2750 ㎚ 사이의 임의의 값이다. 이 때, 각 화소를 통과한 광선은 에칭 깊이 또는 성막 두께가 0인 영역을 기준으로 하여
2 × 2π/λ× d × ｜N1 - N2｜/2 = 0 내지 2π
사이의 임의의 위상차를 부여할 수 있다.
이에 의해, 상술한 실시 형태와 마찬가지로 미세 화소 주기 구조에 기인하는 고차 회절광의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서는 대향 기판(202)의 표면에 위상 시프트 구조를 형성하였지만, 도10에 도해한 바와 같이 방진 유리(204) 상이나, 혹은 TFT 기판(201) 표면에 위상 시프트 구조를 형성해도 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 또한 대향 기판(202)이 반사판(203)측에, TFT 기판(201)이 방진 유리(204)측에 구성되는 반사형 LCD 패널인 경우라도 마찬가지로, TFT 기판측 또는 대향 기판측 중 어느 한 쪽에 위상 시프트 구조를 형성하면, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 형태에서는 반사형 LCD 패널에 위상 시프트 구조를 적용한 예를 도시하였지만, 그 밖의 반사형 화상 표시 장치에도 응용 가능하다. 예를 들어, LCOS(실리콘 상의 액정, Liquid Crystal On Silicon)나 DLP(디지털 광 프로세서, Digital Light Prosessor), DMD(Digital Mirror Device) 등에도 적용 가능하다.
위상 시프트 구조의 에칭에 의한 형성 방법
위상 시프트 구조(109, 209)의 형성 방법으로서, 포토리소그래피 기술을 이용한 에칭법이나 성막법을 들 수 있다. 이하, 위상 시프트 구조의 에칭에 의한 형성 방법의 예를 나타낸다. 위상 시프트 구조의 형성 방법은 포토리소그래피 기술을 이용한 일반적인 회절형 광학 소자의 작성 방법과 마찬가지이다.
(1) 노광 및 현상
우선, 도11a에 도해한 바와 같이 미리 대향 기판(102)에 도포된 포토레지스트(110)를 제1 EB 마스크(121)와 UV 조사기를 이용하여 노광하고, 도11b에 도해한 바와 같이 현상한다.
도12와 같이 제1 EB 마스크(121)에는 1 화소와 동일 치수를 단위 영역으로 한 Cr(백색 부분)과 비Cr(흑색 부분) 영역이 랜덤하게 배열되어 있고, 이를 이용하여 노광한 대향 기판(102)을 현상하면, 랜덤 배열의 포토레지스트 패턴(111)이 전사된다.
(2) 에칭 및 레지스트 제거
이 상태에서, 도11c에 도해한 바와 같이 기판을 λ/2/(N - 1) = 550 ㎚(반사형의 경우는 그 절반인 275 ㎚)의 깊이로 에칭하고, 도11d에 도해한 바와 같이 포토레지스트 패턴(111)을 제거하면, 대향 기판(102)의 표면 상에는 에칭된 영역과, 에칭되어 있지 않은 영역의 랜덤한 패턴 구조(112)가 형성된다.
다음에 도13a에 도해한 바와 같이, 패턴 구조(112)를 갖는 대향 기판(102)에 다시 포토레지스트(110)를 도포한 후, 제2 EB 마스크(122)를 이용하여 마찬가지로 UV 조사기로 노광하고, 도13b에 도해한 바와 같이 현상하고, 도13c에 도해한 바와 같이 λ/4/(N - 1) = 275 ㎚(반사형의 경우는 그 절반인 138 ㎚)의 깊이로 에칭을 행하고, 도13d에 도해한 바와 같이 포토레지스트 패턴(113)을 제거한다. 도14에 도해한 바와 같이 제2 EB 마스크(122)에는, 제1 EB 마스크(121)와 마찬가지로 1 화소를 단위로 한 Cr과 비Cr의 영역이 랜덤하게 배열되어 있다. 단, 배열의 패턴은 EB 마스크(121)와는 다르다. 이 공정에 의해, 대향 기판(102)의 표면 상에는 4 종류의 에칭 깊이가 랜덤하게 배열된 구조(114)가 형성된다.
또한 도15a 내지 도15d에 도해한 바와 같이, 제3 EB 마스크(123)에 의해 도11a 내지 도11d 및 도12a 내지 도12d를 참조하여 서술한 방법과 마찬가지로, UV 노광, 현상, 에칭, 레지스트 제거의 처리를 행한다. 도16에 도해한 바와 같이 제3 EB 마스크(123)에는 제1 마스크(121), 제2 마스크(122)와 마찬가지로 1 화소를 단위로 한 Cr과 비Cr의 영역이 랜덤하게 배열되어 있다. 단, 배열의 패턴은 제1 마스크(121), 제2 마스크(122)와는 다르다. 이 공정에서의 에칭 깊이는 λ/8/(N - 1) = 138 ㎚(반사형의 경우는 그 절반인 69 ㎚)이다. 포토 레지스트 패턴을 제거하면, 대향 기판(102)의 표면 상에는 138 ㎚, 275 ㎚, 413 ㎚, 550 ㎚, 688 ㎚, 825 ㎚, 963 ㎚, 1100 ㎚(반사형의 경우는 69 ㎚, 138 ㎚, 207 ㎚, 275 ㎚, 344 ㎚, 413 ㎚, 482 ㎚, 550 ㎚)의 8 종류의 에칭 깊이가 랜덤하게 배열된 위상 시프 트 구조(109)(8 레벨 바이너리 형상)가 형성된다.
이상의 공정 후, 도17에 도해한 위상 시프트 구조(109)가 형성된 대향 기판(102)에 TFT 기판(101) 및 방진 유리(103, 104)를 접합하면, 랜덤 위상 시프트 구조가 달린 화상 표시 소자의 형태가 된다.
위상 시프트 구조로서는 기판을 에칭하는 대신에, 유전체 투명막을 성막하는 것으로도 형성할 수 있다. 이 예시를 도18a 내지 도18d에 도해하였다. 도18a 내지 도18d에 도해한 공정은, 도15a 내지 도15d를 참조한 공정과 마찬가지이지만, 도15c에 도해한 에칭 고정 대신에, 에칭 깊이와 동일 막 두께로 도18c에 도해한 성막 공정을 행한다.
이상의 구체예에서는 8 레벨 바이너리형을 나타내었지만, n매의 다른 EB 마스크를 이용하여 동일한 공정을 n회 반복하면, 2n 레벨의 바이너리 형상을 형성하는 것이 가능하며, 보다 위상 시프트 효과의 향상을 기대할 수 있다.
또한 화소 단위 영역마다 랜덤한 UV광 투과율을 갖는 그레이 레벨 마스크를 이용한 경우, 한번의 공정으로 무한 레벨의 랜덤 위상 시프트 구조를 형성할 수 있어, 한층 더 위상 시프트 효과의 향상을 기대할 수 있다. 또한, X선 리소그래피 LIGA 프로세스 등을 이용해도 형성할 수 있다.
투과형 액정 패널
도19는, 본 발명에 관한 화상 표시 소자의 구체적인 구성예인 투과형 액정 패널을 도시하는 모식도이다.
이러한 투과형 액정 패널을 LCD 프로젝터에 이용하고 있다.
도19에 도시한 바와 같이, 액티브 매트릭스식의 투과형 액정 패널은 소정의 간극을 거쳐서 접합된 구동 기판(301)과 대향 기판(302) 사이에 액정(303)이 보유 지지되어 있다. 구동 기판(301)의 내표면에는 서로 직교하는 주사선(304)과 신호선(305)이 마련되어 있다. 각 교점에는 화소 전극(306)과, 화소 스위치를 구성하는 박막 트랜지스터(TFT)(307)가 매트릭스형으로 배열되어 있다. 또한, 도시하지 않지만 구동 기판(301)의 내표면에는 러빙 처리가 실시된 배향막도 형성되어 있다. 또, 구동 기판(301)의 외표면에는 본 발명에 따라서, 위상 시프트 구조가 형성되어 있다. 한편 대향 기판(302)의 내표면에는 대향 전극(308) 및 칼라 필터층(309)이 형성되어 있다. 칼라 필터층(309)은 RGB 삼원색의 세그먼트를 갖고 개개의 화소 전극(306)과 정합하고 있다. 또한, 도시하지 않지만 대향 전극(308)의 표면에도 마찬가지로 러빙 처리가 실시된 배향막이 설치되어 있다. 또한 서로 접착된 구동 기판(301)과 대향 기판(302)의 외표면에는 각각 편광판(310, 311)이 접착되어 있다.
주사선(304)을 거쳐서 박막 트랜지스터(307)를 선택하고, 신호선(305)을 거쳐서 화소 전극(306)에 신호 전하를 기입한다. 화소 전극(306)과 대향 전극(308) 사이에 전압이 인가되어 액정(303)이 수직 상승한다. 이것을 한 쌍의 크로스니콜 배치된 편광판(310, 311)에 의해 백색 입사광의 투과량 변화로서 취출하여 칼라 표시를 행한다. 이 표시 화면을 확대 투사 광학계에 의해 전방에 투사하여 스크린에 찍어내면 액정 프로젝터가 된다. 특히 칼라 필터층(309)을 설치한 액티브 매트릭 스식의 투과형 액정 패널을 조립함으로써 단판형의 액정 프로젝터를 얻을 수 있다.
도20은 본 발명의 개량형 실시 형태를 도시하는 모식적인 단면도로, 대향 기판(102)에 위상 시프트 구조(109) 및 마이크로 렌즈 구조(130)를 형성한 예를 도시하는 설명도이다.
본 예의 투영형 LCD 패널은 TFT 기판(101), 대향 기판(102), 출사측 방진 유리(103) 및 입사측 방진 유리(104)로 구성되고, 액정은 TFT 기판(101)과 대향 기판(102) 사이에 봉입된다. 통상의 프로젝터용 LCD 패널의 경우, 광선은 대향 기판(102)측으로부터 입사하고, TFT 기판(101)측으로부터 출사한다.
LCD 패널은 매트릭스형으로 배치된 화소(108)가 집적 형성되어 있다. 화소의 구체적인 구조는 도19에 도시한 바와 같이 광속이 통과하는 투명 화소 전극이 배치된 개구 영역과, 이 화소 전극을 스위칭 구동하기 위한 회로 패턴이 배치된 비개구 영역이 있다. 종래 기술에서는 회로 패턴이 형성된 비개구 영역은 광속을 통과할 수 없어, 광이용 효율의 저하로 이어지고 있었다. 1 화소의 전면적에 대한 광속이 통과하는 면적비는 개구율이라 불리우지만, 통상 프로젝터용의 LCD 패널의 경우, 개구율은 50 내지 60 ％ 정도의 것이 주류를 이루고 있다. 따라서, 절반 가까이의 광속이 회로 패턴에 의해 차단되어 있었다.
그래서 본 발명의 개량형 패널에서는 도20에 도시한 바와 같이 화소에 대응하여 설치되어 있는 미소한 렌즈의 집합인 마이크로 렌즈(130)를 대향 기판(102)의 TFT 기판(101)측의 표면에, 개개의 화소에 대응하여 어레이형으로 형성한다. 마이크로 렌즈(130)에 의해 입사 광속은 대응하는 화소(108) 상에 집광하므로, 화소 스 위칭 구동용의 회로 패턴에 의한 입사광의 차단을 막을 수 있다. 이 때, 마이크로 렌즈(130)의 외형은 각 화소(108)의 외형과 같으며, 마이크로 렌즈 어레이의 피치와 화소의 피치는 같다.
도20에 도시한 바와 같이, 본 LCD 패널에는 위상 시프트 구조(109)가 형성되어 있다. 즉, 대향 기판(102)의 TFT 기판(101)측의 면은 각 화소(108)와 동일 피치를 단위 구조로 하여, 각각 d = 0 내지 d = λ/｜N1 - N2｜ 사이의 임의의 깊이 또는 두께로 에칭 또는 성막되어 있다. d는 깊이, λ는 중심 파장, N1은 중심 파장에 있어서의 기판 굴절율, N2는 중심 파장에 있어서의 위상 시프트 구조의 굴절율이다. 예를 들어, 참조 파장 λ = 550 ㎚, N1 = 1.5, N2 = 1.0(공기)일 때, d는 0 내지 1100 ㎚ 사이의 임의의 값이다. 이 때, 각 화소를 통과한 광선은 에칭 깊이 또한 성막 두께 0인 영역에 대해
2π/λ× d × ｜N1 - N2｜ = 0 내지 2π
사이의 임의의 위상차를 부여할 수 있다. 또한 N2가 공기가 아니라, 투명 수지 등에 의해 충족되어 있을 때, 예를 들어 N2 = 1.4의 경우, d는 0 내지 5500 ㎚ 사이의 임의의 값이다. 화소 피치와 위상 시프트 구조(109)의 피치를 맞추는 이유는, 화소 내에 위상 시프트 구조(109)의 경계(에칭 깊이 혹은 성막 두께가 변하는 라인)가 인입하여, 화질에 영향을 끼치는 것을 막기 위해서이다.
또, 도20에 나타내고 있는 위상 시프트 구조(109)는, 깊이(d)가 강조된 도면으로 되어 있지만, 실제 위상 시프트 구조의 깊이(d)는 매질 N2가 공기인 경우, 최대라도 1 ㎛ 정도이므로, 각 화소마다의 마이크로 렌즈의 촛점 위치의 차이는 전혀 문제가 되는 레벨은 아니다. 상기와 같이, 대향 기판(102)의 TFT 기판(101)측의 면에 위상 시프트 구조(109)와, 마이크로 렌즈 구조(130)를 형성함으로써, 화소 주기 구조에 기인하는 고차 회절광의 발생을 방지하는 동시에, 화소 구동용의 회로 패턴에 의한 차광을 막아, 광이용 효율의 증대에 공헌한다.
도20에 도시한 실시예에서는 대향 기판(102)의 TFT 기판측의 면에 위상 시프트 구조(109)와 마이크로 렌즈 구조(130)를 형성하였지만, 도21에 도해한 바와 같이 위상 시프트 구조(109)만 대향 기판(102)의 방진 유리(104)측의 면이나, 도22에 도해한 바와 같이 방진 유리(104)의 출사면(혹은 입사면)에 형성해도, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 통상의 프로젝터용 LCD 패널은 광선이 대향 기판측으로 입사하여 TFT 기판측으로부터 출사하지만, 가령 광선이 TFT 기판측으로 입사하여 대향 기판측이 출사하는 구성일지라도, 마찬가지로 입사측 기판에 본 발명에 관한 마이크로 렌즈 구조를 형성하고, 입사측 기판 또는 출사측 기판의 입사면 또는 출사면 중 어느 한 쪽에 본 발명에 관한 위상 시프트 구조를 형성함으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 실시 형태에서는 투영형 LCD 패널의 출사면에 위상 시프트 구조를 형성한 예를 도시하였지만, 그 밖의 투영형(또는 투과형) 화상 표시 소자에도 적용 가능하다.
이상과 같이, 본 발명의 발전 형태에 관한 화상 표시 소자는, 기본적인 구성으로서 매트릭스형으로 배치된 화소(108)의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판(101, 102)을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사 면으로부터 출사한다. 특징으로서, 예를 들어 기판(101)의 빛이 통과하는 면에 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키는 위상 시프트 구조(109)와 마이크로 렌즈 구조(130)를 형성한다. 위상 시프트 구조(109)는 기판(101)의 빛이 통과하는 면을 랜덤한 깊이로 에칭하여 형성한 요철 구조로 이루어진다. 위상 시프트 구조(109)는, 예를 들어 포토리소그래피 기술을 이용하여 형성된다. 바람직하게는, 위상 시프트 구조(109)는 두께가 다른 화소 단위의 요철 구조를 갖는다.
반사형 LCD 패널
도20 내지 도22에 도시한 실시 형태는 모두 투과형의 LCD 패널이다. 이에 대해, 도23에 도시한 실시 형태는 반사형 LCD 패널이다. 즉, 도23은 본 발명의 제1 실시 형태로서의 반사형 LCD 패널을 도시하는 도면으로, 대향 기판(202)에 위상 시프트 구조(209) 및 마이크로 렌즈 구조(230)를 형성한 예를 도시하는 설명도이다.
이와 같은 반사형 액정 패널을 LCD 프로젝터에 이용하고 있다.
도23에 도시한 바와 같이, 본 반사형 LCD 패널은 TFT 기판(201), 대향 기판(202), TFT 기판 상의 반사층(203), 방진 유리(204) 등에 의해 구성된다. 혹은 TFT 기판(201)이 방진 유리(204)측에 구성되는 경우도 있다.
도23에 도해한 실시 형태에서는, 대향 기판(202)의 광선의 출사측[방진 유리(204)와 반대측]의 표면에 화소(208)와 대응시켜 위상 시프트 구조(209)와 마이크로 렌즈 구조(230)를 형성하고 있다. 화소(208)는 입사 광속을 반사하는 화소 전극이 배치된 개구 영역과, 이 화소 전극을 스위칭 구동하기 위한 회로 패턴이 배 치된 비개구 영역이 있다. 종래 기술에서는 회로 패턴이 형성된 비개구 영역은 광속을 반사시키지 않아 광이용 효율의 저하로 이어지고 있었다. 그래서 본 실시 형태에서는 마이크로 렌즈(230)를 대향 기판(202)의 TFT 기판(201)측의 표면에, 개개의 화소(208)에 대응하여 어레이형으로 형성함으로써, 광속은 화소(208) 상에 집광하기 때문에, 화소 구동용의 회로 패턴에 의한 흡수를 막을 수 있다. 이 때, 마이크로 렌즈(230)의 외형은 각 화소(208)의 외형과 같이, 마이크로 렌즈 어레이의 피치와 화소의 피치는 같다. 또한 마이크로 렌즈의 촛점 위치는 화소의 중앙에서 반사층 표면 상에 있으므로, 반사한 빛은 다시 마이크로 렌즈에 의해 평행 광속이 되어 출사한다.
대향 기판(202)의 각 화소 영역(208)의 표면[방진 유리(204)와 반대측의 면]은, 각 화소 구조 단위(208)와 동일 피치를 단위 구조로 하여, 각각 d = 0 내지 d = λ/｜N1 - N2｜/2 사이의 임의의 깊이 또는 두께로 에칭 또는 성막되어 있다. d는 깊이, λ는 중심 파장, N1은 중심 파장에 있어서의 기판 굴절율, N2은 중심 파장에 있어서의 위상 시프트 구조의 굴절율이다. 예를 들어, 참조 파장 λ = 550 ㎚, N1 = 1.5, N2 = 1.0(공기)일 때, d는 0 내지 550 ㎚ 사이의 임의의 값이다. 또한 위상 시프트 구조가 투명 수지 등으로 충족되어 있는 경우에, 예를 들어 N2 = 1.4로서, d는 0 내지 2750 ㎚ 사이의 임의의 값이다. 이 때, 각 화소를 통과한 광선은 에칭 깊이 또는 성막 두께 0의 영역에 대해
2 × 2π/λ× d × ｜N1 - N2｜/2 = 0 내지 2π
사이의 임의의 위상차를 부여할 수 있다. 따라서, 투과형 LCD 패널의 경우와 마찬 가지로 랜덤한 위상 시프트 구조가 형성되어, 화소 주기 구조에 의한 고차 회절광의 발생을 방지할 수 있다.
또 도23에 나타내고 있는 위상 시프트 구조는, 깊이(d)가 강조된 도면으로 되어 있지만, 실제 위상 시프트 구조의 깊이(d)는 매질 N2가 공기인 경우, 최대라도 1 ㎛ 정도이므로, 각 화소마다의 마이크로 렌즈의 촛점 위치의 차이는, 전혀 문제가 되는 레벨은 아니다. 상기한 바와 같이, 대향 기판(202)의 TFT 기판(201)측의 면에 위상 시프트 구조(209)와, 마이크로 렌즈 구조(230)를 형성함으로써, 화소 주기 구조에 기인하는 회절광의 발생을 방지하는 동시에, 화소 구동용의 회로 패턴에 의한 차광을 막아, 광이용 효율의 증대에 공헌한다.
도24는 본 발명의 다른 실시 형태로서의 반사형 LCD 패널을 도시하는 도면으로, 방진 유리(204)에 위상 시프트 구조(209)를 형성하여 대향 기판(202)에 마이크로 렌즈 구조(230)를 형성한 예를 도시하는 단면도이다.
도23에 도시한 실시 형태에서는 대향 기판(202)의 표면에 위상 시프트 구조(209) 및 마이크로 렌즈 구조(230)를 형성하였지만, 도24에 도해한 바와 같이 마이크로 렌즈 구조(230)를 대향 기판(202)의 표면에 위상 시프트 구조(209)를 방진 유리(204) 상에 형성해도, 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 또한 본 실시 형태에서는 반사형 LCD 패널에 위상 시프트 구조를 적용한 예를 도시하였지만, 그 밖의 반사형 화상 표시 소자에도 응용 가능하다. 예를 들어 LCOS(Liquid Crystal on Silicon)나 DMD(디지털 마이크로미러 장치, Digital Micromirror Device) 등이다.
마이크로 렌즈 어레이의 제조 방법
도25a 및 도25b는 본 발명에 관한 마이크로 렌즈 어레이의 제조 방법을 도시하는 공정도로, 스탬퍼법을 이용하고 있다. 우선 도25a에 도시한 바와 같이, 미리 유리 기판(410)의 표면에 형성된 제1 광학 수지층(420)에 Ni 전기 주조 원반을 압박하여, 마이크로 렌즈면을 전사한다. 제1 광학 수지층(420)은 저굴절율의 UV 수지로 이루어진다. 이 후 유리 기판(410)의 이면측으로부터 365 ㎚ 부근 파장의 UV광을 3000 mJ의 에너지로 조사하여 UV 수지를 경화한다. 또, 유리 기판(410)의 이면에는 미리 위상 시프트 구조(409)가 형성되어 있다.
이어서 도25b에 도시한 바와 같이, 마이크로 렌즈면의 요철을 제2 굴절율을 갖는 수지로 매립하고, 또한 그 표면을 플랫 스탬퍼(FS)로 평탄화하여 제2 광학 수지층(430)을 형성한다. 본 실시 형태에서는 고굴절율의 UV 수지를 적하하여 마이크로 렌즈면의 요철을 매립한 후, 플랫 스탬퍼(FS)로 압박하여 표면을 평탄화하고 있다. 이 상태에서 UV 조사를 행한 제2 광학 수지층(430)의 평탄화된 표면을 고정한다. 또한, 액상의 수지를 적하하는 대신에, 스핀 코팅으로 공급해도 좋다. 이에 의해 저굴절율의 제1 광학 수지층(420)과 고굴절율의 제2 광학 수지층(430)으로 이루어지는 적층 구조의 마이크로 렌즈 어레이를 얻을 수 있다.
계속해서, 도26a 내지 도26c를 참조하여 습윤 에칭법을 이용한 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법을 설명한다. 우선 도26a에 도시한 바와 같이, 석영 기판(410)을 세정한 후, 레지스트를 도포하고 노광 현상하여, 화소에 맞춘 패터닝을 행한다. 또, 석영 기판(410)에는 미리 위상 시프트 구조(409)가 형성되어 있다. 계속해서 도26b에 도시한 바와 같이, 레지스트를 거쳐서 석영 기판(410)의 등 방성 에칭을 행하여 구면 형상의 렌즈면(R)을 형성한다. 또, 레지스트 대신에 내약품성이 우수한 금속 또는 폴리실리콘이나 아몰퍼스 실리콘막 등을 마스크재에 이용할 수도 있다. 에칭액으로서는 HF계 혹은 BHF계를 이용할 수 있다. 계속해서 도26c에 도시한 바와 같이, 석영 기판(410)의 표면에 굴절율이 다른 투명 수지(430)를 도포 시공한다. 수지의 도포 시공은 스핀코트법이나 스프레이법을 이용할 수 있다. 습윤 에칭으로 구면 가공된 렌즈면(R)에 수지를 충전하고, UV광 조사 혹은 가열 처리하여 수지를 완전 경화시킨다. 에폭시계, 아크릴계, 실리콘계, 불소계 등의 수지가 사용되지만, 모두 자외선 조사 처리 혹은 가열 처리로 경화 고체화된다. 이에 의해, 각 화소에 대응한 마이크로 렌즈가 작성된다.
도27a 내지 도27c를 참조하여 습윤 에칭법을 이용한 마이크로 렌즈 어레이의 제조 방법의 다른 예를 설명한다. 본 예에서는 도26a 내지 도26c를 참조하여 서술한 예와 달리, 석영 기판에는 위상 시프트 구조는 형성되어 있지 않고, 다른 공정에서 커버 유리측에 위상 시프트 구조를 형성하는 방식이다. 우선 도27a에 도시한 바와 같이, 석영 기판을 세정한 후, 레지스트를 도포하고 노광 현상하여, 화소에 맞춘 패터닝을 행한다. 계속해서 도27b에 도시한 바와 같이, 레지스트를 거쳐서 석영 기판의 등방성 에칭을 행하여 구면 형상의 렌즈면(R)을 형성한다. 또, 레지스트 대신에 내약품성이 우수한 금속 또는 폴리실리콘이나 아몰퍼스 실리콘막 등을 마스크재에 이용할 수도 있다. 에칭액으로서는 HF계 혹은 BHF계를 이용할 수 있다. 계속해서 도27c에 도시한 바와 같이, 석영 기판의 표면에 커버 유리를 접합하여, 양자의 간극에 굴절율이 다른 투명 수지를 충전한다. 수지의 충전은 진공 주 입으로 행할 수 있다. 혹은, 스핀코트법이나 스프레이법을 이용해도 좋다. 습윤 에칭으로 구면 가공된 렌즈면(R)에 수지를 충전하고, UV광 조사 혹은 가열 처리하여 수지를 완전 경화시킨다. 에폭시계, 아크릴계, 실리콘계, 불소계 등의 수지가 이용되지만, 모두 자외선 조사 처리 혹은 가열 처리로 경화 고체화된다. 이에 의해, 각 화소에 대응한 마이크로 렌즈가 작성된다. 마지막으로 도27d에 도시한 바와 같이, 커버 유리를 연마한 후, 그 표면에 ITO 등의 투명 전극을 형성하여 대향 기판으로 한다. 이 후 도시하지 않았지만, 화소 전극이나 박막 트랜지스터가 형성된 구동 기판과 대향 기판을 접합하고, 양자의 간극에 액정을 주입하여 액티브 매트릭스형의 액정 표시 소자가 완성된다.
도28은 각각 별도로 작성한 위상 시프트 구조와 마이크로 렌즈 구조를 서로 적층하여 복합화한 액티브 매트릭스 표시 장치용의 기판의 일예를 도시하는 모식적인 단면도이다. 도28에 도시한 바와 같이, 커버 유리에는 미리 랜덤한 회절 격자를 구성하는 위상 시프트 구조를 형성해 둔다. 또, 이 위상 시프트 구조의 형성 방법은 도11 내지 도18에 도시한 프로세스를 채용할 수 있다. 각 화소에 대응한 회절 격자의 높이는 수지 굴절율이나 기판 굴절율 차이 등에 따라서 적절하게 설정 변경한다. 한편 석영 기판에는 마이크로 렌즈 구조가 미리 형성되어 있다. 이 마이크로 렌즈 구조는, 예를 들어 도27a 내지 도27d에 도시한 프로세스로 형성할 수 있고, 미세한 마이크로 렌즈가 화소마다 나뉘어져 집적 형성되어 있다. 미리 위상 시프트 구조가 형성된 커버 유리와 마이크로 렌즈 구조가 형성된 석영 기판을 얼라이먼트 조정하여, 수지로 서로 접합한다. 본 실시 형태의 경우, 커버 유리와 석영 기판의 접착에 이용하는 수지는 굴절율이 1.60 정도이며, 아크릴계, 에폭시계 혹은 우레탄계의 수지를 이용할 수 있다. 또한, 위상 시프트 구조의 요철을 반대로 한 경우에는 접착 수지로서 불소계 혹은 실리콘계 등을 사용한다. 본 예에서는 커버 유리 단일 부재로 회절 격자를 작성하고, 마이크로 렌즈의 높이 위상은 조정없이 가능하기 때문에, 위상 시프트 구조 및 마이크로 렌즈 구조 각각 단독으로 양품만을 조합할 수 있어 수율 향상으로 이어진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 관점에 따르면 위상 시프트 구조를 형성함으로써, 고차 회절광의 발생을 저감할 수 있어 액정 프로젝터에 있어서의 플레어의 발생을 방지할 수 있다. 또, 위상 시프트 구조를 형성함으로써, 원래 필요한 0차광(비회절광)의 광량을 증대시켜 휘도 상승에 공헌할 수 있다.
또한 본 발명의 제2 관점에 따르면, 위상 시프트 구조를 형성함으로써, 고차 회절광의 발생을 저감할 수 있어 액정 프로젝터에 있어서의 플레어 발생을 방지할 수 있다. 또한, 위상 시프트 구조를 형성함으로써, 원래 필요한 0차광(비회절)의 광량을 증대시켜 투영 화상의 휘도 상승에 공헌할 수 있다. 또한 마이크로 렌즈 구조를 형성함으로써, 화소 스위칭 회로 영역에 의한 빛의 주변 흐림을 막아, 투영 화상의 휘도 상승에 공헌할 수 있다.
본 발명의 LCD 패널을 화상 변조 수단으로서 이용한 LCD 프로젝터는 다양한 분야에서 화상 표시에 적용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 매트릭스형으로 배치된 화소의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하는 화상 표시 소자에 있어서,
    상기 기판의 빛이 통과하는 면에, 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키기 위하여, 상기 기판의 빛이 통과하는 면을 랜덤한 깊이로 에칭하여 형성한 요철 구조로 이루어지는 위상 시프트 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 화상 표시 소자.
  2. 매트릭스형으로 배치된 화소의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하는 화상 표시 소자에 있어서,
    상기 기판의 빛이 통과하는 면에, 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키기 위하여, 상기 기판의 빛이 통과하는 면에 유전체 투명막을 랜덤한 두께로 성막한 요철 구조로 이루어지는 위상 시프트 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 화상 표시 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 위상 시프트 구조는 화소 단위로 두께가 다른 요철 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 화상 표시 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 위상 시프트 구조는 포토리소그래피 기술을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 화상 표시 소자.
  5. 광원과, 표시 패널과, 확대 투사 광학계를 광축에 따라서 차례로 배치한 화상 프로젝터 장치에 있어서,
    상기 표시 패널은 매트릭스형으로 배치된 화소의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하고,
    상기 기판의 빛이 통과하는 면에, 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키기 위하여, 상기 기판의 빛이 통과하는 면을 랜덤한 깊이로 에칭하여 형성한 요철 구조로 이루어지는 위상 시프트 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 화상 프로젝터 장치.
  6. 광원과, 표시 패널과, 확대 투사 광학계를 광축에 따라서 차례로 배치한 화상 프로젝터 장치에 있어서,
    상기 표시 패널은 매트릭스형으로 배치된 화소의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하고,
    상기 기판의 빛이 통과하는 면에, 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키기 위하여, 상기 기판의 빛이 통과하는 면에 유전체 투명막을 랜덤한 두께로 성막한 요철 구조로 이루어지는 위상 시프트 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 화상 프로젝터 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 위상 시프트 구조는 화소 단위로 두께가 다른 요철 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 화상 프로젝터 장치.
  8. 매트릭스형으로 배치된 화소의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하는 화상 표시 소자에 있어서,
    상기 기판의 빛이 통과하는 면에, 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키기 위하여, 상기 기판의 빛이 통과하는 면을 랜덤한 깊이로 에칭하여 형성된 요철 구조로 이루어진 위상 시프트 구조와, 입사한 빛을 화소를 향해 집광하는 마이크로 렌즈 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 화상 표시 소자.
  9. 매트릭스형으로 배치된 화소의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하는 화상 표시 소자에 있어서,
    상기 기판의 빛이 통과하는 면에, 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키기 위하여, 상기 기판의 빛이 통과하는 면에 유전체 투명막을 랜덤한 두께로 성막한 요철 구조로 이루어지는 위상 시프트 구조와, 입사한 빛을 화소를 향해 집광하는 마이크로 렌즈 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 화상 표시 소자.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 위상 시프트 구조는 화소 단위로 두께가 다른 요철 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 화상 표시 소자.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 위상 시프트 구조는 포토리소그래피 기술을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 화상 표시 소자.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 구조는 하나의 화소와 동등한 사이즈의 개구를 갖고, 화소의 주기 구조와 동일 주기로 배열되어 있는 것을 특징을 하는 화상 표시 소자.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 구조는 입사한 빛을 집광하여 화소에 촛점을 맺는 것을 특징으로 하는 화상 표시 소자.
  14. 광원과, 표시 패널과, 확대 투사 광학계를 광축에 따라서 차례로 배치한 화상 프로젝터 장치에 있어서,
    상기 표시 패널은 매트릭스형으로 배치된 화소의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하고,
    상기 기판의 빛이 통과하는 면에, 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키기 위하여, 상기 기판의 빛이 통과하는 면을 랜덤한 깊이로 에칭하여 형성된 요철 구조로 이루어진 위상 시프트 구조와, 입사한 빛을 화소에 집광하는 마이크로 렌즈 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 화상 프로젝터 장치.
  15. 광원과, 표시 패널과, 확대 투사 광학계를 광축에 따라서 차례로 배치한 화상 프로젝터 장치에 있어서,
    상기 표시 패널은 매트릭스형으로 배치된 화소의 주기 구조와, 상기 화소를 지지하는 기판을 구비하고, 입사면으로부터 입사한 빛을 화소 단위로 변조하여 출사면으로부터 출사하고,
    상기 기판의 빛이 통과하는 면에, 빛의 위상을 랜덤하게 변화시키기 위하여, 상기 기판의 빛이 통과하는 면에 유전체 투명막을 랜덤한 두께로 성막한 요철 구조로 이루어지는 위상 시프트 구조와, 입사한 빛을 화소에 집광하는 마이크로 렌즈 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 화상 프로젝터 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 위상 시프트 구조는 화소 단위로 두께가 다른 요철 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 화상 프로젝터 장치.
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