(57)【要約】【課題】明るく、表示品位の優れた画像表示装置に好適に用いられる光屈折素子アレイ基板を提供する。【解決手段】光屈折素子アレイ基板６は、２次元に配列された第１光屈折素子２ａを有する第１光屈折素子アレイ２と、第１光屈折素子と１：１で対応するように２次元に配列された第２光屈折素子４ａを有する第２光屈折素子アレイ４と、透明基板５とを光入射側からこの順で有し、第１光屈折素子と第２光屈折素子とを通過した光束の収束位置が、透明基板５の光出射側表面の近傍に位置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元に配列された複数の第１光屈折素子を有する第１光屈折素子アレイと、
それぞれが前記複数の第１光屈折素子と１：１で対応するように２次元に配列された複数の第２光屈折素子を有する第２光屈折素子アレイと、
透明基板とを光入射側からこの順で有し、
前記複数の第１光屈折素子と前記複数の第２光屈折素子とを通過した光束の収束位置が、前記透明基板の光出射側表面の近傍に位置する光屈折素子アレイ基板。
【請求項２】
前記複数の第１光屈折素子の焦点距離ｆ１と、前記複数の第２光屈折素子の焦点距離ｆ２との間には、
ｆ１＞ｆ２
の関係が成り立っている、請求項１記載の光屈折素子アレイ基板。
【請求項３】
前記複数の第１光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである請求項１または２に記載の光屈折素子アレイ基板。
【請求項４】
前記マイクロレンズは、非球面レンズである、請求項３に記載の光屈折素子アレイ基板。
【請求項５】
前記複数の第２光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである請求項１から４のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板。
【請求項６】
前記複数の第２光屈折素子のそれぞれは複数の斜面を有するマイクロプリズムである、請求項１から４のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板。
【請求項７】
前記透明基板の厚さは、３０μｍ以下である、請求項１から６のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板。
【請求項８】
前記透明基板の厚さは、５μｍ以上２５μｍ以下である、請求項１から７のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板。
【請求項９】
前記透明基板はガラス基板である、請求項１から８のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の光屈折素子アレイ基板と、
前記光屈折素子アレイ基板の前記透明基板側に設けられた表示媒体層と、
前記表示媒体層を介して前記光屈折素子アレイ基板に対向するさらなる透明基板と、
を有する画像表示素子。
【請求項１１】
光源と、
光源からの光束を互いに異なる波長域を有する複数の色光束に分割する色分離素子と、
前記複数の色光束が照射され、２次元に配列された複数の画素部を有する表示媒体層と、
前記表示媒体層の光入射側に設けられた第１光屈折素子アレイと、
前記第１光屈折素子アレイと前記表示媒体層との間に設けられた第２光屈折素子アレイと、
を備えた画像表示装置であって、
前記第１光屈折素子アレイは２次元に配列された複数の第１光屈折素子を有し、前記第２光屈折素子アレイはそれぞれが前記複数の第１光屈折素子と１：１で対応するように２次元に配列された複数の第２光屈折素子と、
前記第２光屈折素子アレイと前記表示媒体層との間に設けられた透明基板と、を備え、
前記複数の第１光屈折素子と前記複数の第２光屈折素子とを通過した前記複数の色光束の収束位置は、前記複数の画素部の前記第２光屈折素子側表面の近傍に位置する、画像表示装置。
【請求項１２】
前記複数の第１光屈折素子の焦点距離ｆ１と、前記複数の第２光屈折素子の焦点距離ｆ２との間には、
ｆ１＞ｆ２
の関係が成り立っている、請求項１１記載の画像表示装置。
【請求項１３】
前記複数の第１光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである請求項１１または１２に記載の画像表示装置。
【請求項１４】
前記マイクロレンズは、非球面レンズである、請求項１３に記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記複数の第２光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである請求項１１から１４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記複数の第２光屈折素子のそれぞれは複数の斜面を有するマイクロプリズムである、請求項１１から１４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１７】
前記透明基板の厚さは、３０μｍ以下である、請求項１１から１６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１８】
前記透明基板の厚さは、５μｍ以上２５μｍ以下である、請求項１１から１７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１９】
前記透明基板はガラス基板である、請求項１１から１８のいずれかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
２次元に配列された光屈折素子（例えば、レンズやプリズム）を有する光屈折素子アレイ基板（例えば、マイクロレンズアレイ基板）およびそれを備えた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、非発光型の画像表示装置は、複数の画素の光透過率（又は反射率）を駆動信号によって変化させ、画像表示素子（表示パネル）に照射される光の強度を変調して、画像や文字を表示する構成を有する。このような画像表示装置には直視するモード（直視型画像表示装置）と、投影光学系によって画像や文字をスクリーン上に拡大投影する投影モードいわゆるプロジェクタ（投影型画像表示装置）とがある。
【０００３】
プロジェクタ（前面型および背面型を含む）には、使用する画像表示素子に、赤、緑および青（以下順にＲ、ＧおよびＢと呼ぶ。）のカラーフィルタを配列したカラー表示パネル用いる単板方式と、白黒表示の３枚の表示パネルを用いた３板式とがある。
【０００４】
非発光型の画像表示素子としては、液晶表示素子、エレクトロクロミック表示素子や電気泳動型表示素子などがあり、中でも液晶表示素子は、例えば、モニター、携帯情報端末、携帯電話やプロジェクタに幅広く利用されている。
【０００５】
液晶表示素子は、マトリクス状に規則的に配列された画素電極に画像信号に対応した駆動電圧をそれぞれ印加することによって、画素部の液晶層の光学特性を変化させ、画像や文字などを表示するように構成されている。上述した画素電極に独立した駆動電圧を印加する方式としては、単純マトリクス方式と、非線形２端子素子や３端子素子を液晶表示素子に設けた場合のアクティブマトリクス方式とがある。
【０００６】
後者のアクティブマトリクス方式の場合には、ＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）素子やＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子等のスイッチング素子と、画素電極に駆動電圧を供給するための配線とが設けられている。このスイッチング素子に強い光が入射すると、ＯＦＦ状態における素子抵抗が下がり、電圧印加時に充電した電荷が放電されるだけでなく、スイッチング素子や配線が形成された領域に存在する液晶層に正規の駆動電圧が印加されず、本来の表示動作が実行されないため、例えば、黒表示状態で光漏れが発生し、表示のコントラスト比が低下するという問題がある。
【０００７】
従って、例えば透過型の液晶表示素子では、上述した領域に入射する光を遮断するために、スイッチング素子や画素電極が設けられたＴＦＴ基板および液晶層を介してＴＦＴ基板と対向するように配置される対向基板にブラックマトリクスと称される遮光層が設けられている。そのため、透過型の液晶表示素子の場合には、各々遮光性のあるＴＦＴ、ゲートバスラインおよびソースバスラインに加えて、ブラックマトリクスによっても遮光されるため、画素の区画中に占める有効な画素部の面積、即ち開口率が低下する。
【０００８】
さらに、これらスイッチング素子や配線電極は、その電気的性能や製造技術等の制約から、ある程度以下の大きさで形成することは困難である。従って、液晶表示素子の高精細化、小型化に伴って、画素電極のピッチが小さくなるほど開口率がさらに低下する。
【０００９】
開口率が小さくなると、液晶表示素子を透過する光が減少するため、小さなパネルを大画面に拡大投影する液晶プロジェクタでは、明るさ不足となる。特に、単板式プロジェクタでは、カラーフィルタによる光吸収により、明るさが大幅に低下することになる。
【００１０】
この問題を解決する１つの方法として、液晶表示素子の個々の画素部に光を集光し、液晶表示素子の実効的な開口率を向上させるマイクロレンズを設ける方法が実用化されている。
【００１１】
特許文献１に、扇形に配置されたダイクロイックミラーに白色光を入射させ、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光束に分割し、液晶表示素子の光源側に配置されているマイクロレンズにそれぞれの色光束を異なる角度で入射させ、各色に対応する画素に所定の色光束を集光する方式が開示されている。この方式を採用すると、マイクロレンズによる実効的な開口率の向上効果に加え、カラーフィルタによる光吸収をなくすことができる。
【００１２】
さらに、特許文献２には、マイクロレンズを２層構造とし、第１マイクロレンズで、Ｒ、Ｇ、Ｂの光をそれぞれ対応する画素部へ入射させ、第２マイクロレンズアレイでＲ、Ｇ、Ｂの光の主光線を平行化し、投影レンズでの光の蹴られ量を低減させることで、さらに明るさのアップを図った方式が開示されている。
【００１３】
これらのマイクロレンズは、液晶表示素子の対向基板内に形成されたものがほとんどであり、２枚のガラス板の間にサンドイッチされた構造を有し、ガラス板と樹脂層の間または２種類の樹脂層の間で光を屈折し、集光効果を得ている。
【００１４】
図９（ａ）および（ｂ）を参照しながら、従来のマイクロレンズを備える対向基板の典型的な２つの製造方法を説明する。
【００１５】
第１の製造方法は、図９（ａ）に模式的に示す工程によって、マイクロレンズアレイを備える対向基板を製造する。
【００１６】
▲１▼ガラス基板の上のフォトレジスト層をパターニングする。▲２▼パターニングされたレジスト層を加熱し、熱だれを起こさせ、マイクロレンズの形状を有するレジスト層を形成する。▲３▼マイクロレンズ形状のレジスト層とともにガラス基板をドライエッチングすることによりレジスト層の形状をガラス基板に形成（エッチバック）し、マイクロレンズアレイ基板を得る。▲４▼得られたマイクロレンズアレイ基板に接着層を介してカバーガラスを接着し、カバーガラスの表面を研磨し、対向基板が得られる。なお、必要に応じて、電極や配向膜などが形成される。
【００１７】
第２の製造方法は、図９（ｂ）に模式的に示す工程によって、マイクロレンズアレイを備える対向基板を製造する。
【００１８】
▲１▼ガラス基板の上のフォトレジスト層を例えば電子ビーム露光によってパターニングし、マイクロレンズの形状を有するレジスト層を形成する。これをマスター（原版）とする。▲２▼マスターを用い、例えばメッキ法によって、金属スタンパを作製する。▲３▼金属スタンパを用いて、マイクロレンズの形状をガラス基板に転写し、マイクロレンズアレイ基板を得る。▲４▼得られたマイクロレンズアレイ基板に接着層を介してカバーガラスを接着し、カバーガラスの表面を研磨し、対向基板が得られる。
【００１９】
【特許文献１】
特開平４−６０５３８号公報
【特許文献２】
特開平７−１８１４８７号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に開示されている２層構造のマイクロレンズアレイ基板には以下のような問題がある。
【００２１】
図９（ａ）および（ｂ）を参照しながら説明したように、通常マイクロレンズアレイ基板は、ガラス基板上にマイクロレンズを形成した後、カバーガラスを貼りあわせた構造、すなわちマイクロレンズが２枚のガラス基板にサンドイッチされた構造を有している。このカバーガラスの厚さは、通常の１層構造のマイクロレンズアレイ基板では概ね３０μｍ程度である。
【００２２】
これに対し、特許文献２に開示されたような２層構造のマイクロレンズアレイ基板では、カバーガラス（光出射側に配置される）の厚さは、３０μｍよりもずっと薄くする必要がある。この理由を以下に説明する。
【００２３】
特許文献２のマイクロレンズアレイ基板では、明るさの観点から、焦点距離の同じマイクロレンズを２層構造としている。従って、第１マイクロレンズによる集光位置（収束位置）が液晶層の近傍にくるようにするためには、第２マイクロレンズアレイの直後に液晶層がくるように構成する必要があり、第２マイクロレンズアレイと液晶層との間に配置されるカバーガラスの厚さを極端に薄くする必要がある。
【００２４】
しかしながら、カバーガラスの厚さを極端に薄くすることは非常に困難である。カバーガラスの厚さは、従来の１層構造のマイクロレンズアレイ基板に用いられるものでさえ約３０μｍと薄いため、通常所望の厚さに対して十分に厚いガラス板（カバーガラス）をマイクロレンズの表面に貼りあわせた後、所望の厚さまで研磨することによって作製されている。
【００２５】
ガラス板の厚さには、通常グレードの高いものを用いたとしても、±５μｍ程度のばらつきがある。また、ガラス板の研磨は、カバーガラスの厚さ自体を確認しながら行われるのではなく、カバーガラスの表面から第１マイクロレンズが形成されているベースガラス板までの総厚が所定の厚さになるように研磨するため、第１マイクロレンズを形成するベースガラス板の厚さにばらつきがあると、その分だけカバーガラスの研磨量にばらつきが生じる。
【００２６】
２層構造のマイクロレンズアレイ基板では、第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとの間に中間ガラス板を配置する。この中間ガラスにもベースガラス板と同様にばらつきがあるが、上述のカバーガラスと同様に、この中間ガラス板も第１マイクロレンズを形成した基板に貼り合わせた後、総厚が所望の厚さとなるように研磨されるため、中間ガラス板を研磨した基板の総厚のばらつきは、ベースガラス板のばらつきのみとなる。
【００２７】
このような製造方法を用いて、特許文献２に開示された２層構造のマイクロレンズのカバーガラスを極端に薄くすると、ベースガラス板の厚さのばらつき（±５μｍ程度）により、カバーガラスをすべて研磨してしまい、第２マイクロレンズアレイを損傷してしまうことがある。これを防止するために、カバーガラスの厚さを５μｍ以上に設定すると、光束の収束位置を液晶層の近傍、すなわち、カバーガラスの光出射側表面の近傍に設定することができない。
【００２８】
また、カバーガラスを薄くする方法として、ガラスをエッチングする方法が考えられるが、この方法でも±５μｍ〜１０μｍ程度のエッチング量のばらつきが発生するため、上記と同様の問題が発生する。
【００２９】
なお、上記の問題を解決するために、カバーガラスなどの透明基板を使用せず、マイクロレンズを形成している樹脂層上に直接透明電極や配向膜を形成することも考えられるが、この方法では、以下のような問題があるので好ましくない。
【００３０】
透明電極は、ガラスなどの無機材料の上には形成しやすいが、樹脂のような有機材料の上には形成されにくく、膜質の悪化、膜厚むらやクラック（膜にひびがいく現象）などが発生することがある。また、樹脂層から有機物などが液晶層の中に溶出したり、分解してガスが発生するなど、液晶材料に悪影響を与え、電圧保持率の低下、表示むらの発生、または信頼性の低下などを招来することがある。
【００３１】
なお、ここでは、液晶表示素子を例に従来の２層構造のマイクロレンズアレイ基板の問題を説明したが、上記の問題は、液晶表示素子に限られず、液晶層以外の表示媒体層を有する非発光型の表示素子に用いられるマイクロレンズアレイ基板に共通の問題である。また、マイクロレンズアレイ基板に限られず、光屈折素子が２次元に配列された他の光屈折素子アレイ基板（例えば、マイクロプリズムアレイ基板）についても同様の問題がある。
【００３２】
本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであり、その目的は、明るく、表示品位の優れた画像表示装置を提供すること、およびそのような画像表示装置に好適に用いられる光屈折素子アレイ基板を提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光屈折素子アレイ基板は、２次元に配列された複数の第１光屈折素子を有する第１光屈折素子アレイと、それぞれが前記複数の第１光屈折素子と１：１で対応するように２次元に配列された複数の第２光屈折素子を有する第２光屈折素子アレイと、透明基板とを光入射側からこの順で有し、前記複数の第１光屈折素子と前記複数の第２光屈折素子とを通過した光束の収束位置が、前記透明基板の光出射側表面の近傍に位置することを特徴とし、そのことによって上記目的を達成することができる。
【００３４】
前記複数の第１光屈折素子の焦点距離ｆ１と、前記複数の第２光屈折素子の焦点距離ｆ２との間には、ｆ１＞ｆ２の関係が成り立っていることが好ましい。
【００３５】
ある実施形態において、前記複数の第１光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである。前記マイクロレンズは非球面レンズであることが好ましい。
【００３６】
ある実施形態において、前記複数の第２光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである。
【００３７】
ある実施形態において、前記複数の第２光屈折素子のそれぞれは複数の斜面を有するマイクロプリズムである。
【００３８】
前記透明基板の厚さは、３０μｍ以下であることが好ましい。前記透明基板の厚さは、５μｍ以上２５μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３９】
ある実施形態において、前記透明基板はガラス基板である。
【００４０】
本発明の画像表示素子は、上記のいずれかの光屈折素子アレイ基板と、前記光屈折素子アレイ基板の前記透明基板側に設けられた表示媒体層と、前記表示媒体層を介して前記光屈折素子アレイ基板に対向するさらなる透明基板とを有することを特徴とする。ある実施形態において、前記画像表示素子は前記表示媒体層として液晶層を有する液晶表示素子である。
【００４１】
本発明による画像表示装置は、光源と、光源からの光束を互いに異なる波長域を有する複数の色光束に分割する色分離素子と、前記複数の色光束が照射され、２次元に配列された複数の画素部を有する表示媒体層と、前記表示媒体層の光入射側に設けられた第１光屈折素子アレイと、前記第１光屈折素子アレイと前記表示媒体層との間に設けられた第２光屈折素子アレイとを備えた画像表示装置であって、前記第１光屈折素子アレイは２次元に配列された複数の第１光屈折素子を有し、前記第２光屈折素子アレイはそれぞれが前記複数の第１光屈折素子と１：１で対応するように２次元に配列された複数の第２光屈折素子と、前記第２光屈折素子アレイと前記表示媒体層との間に設けられた透明基板とを備え、前記複数の第１光屈折素子と前記複数の第２光屈折素子とを通過した前記複数の色光束の収束位置は、前記複数の画素部の前記第２光屈折素子側表面の近傍に位置することを特徴とし、そのことによって上記目的が達成される。
【００４２】
前記複数の第１光屈折素子の焦点距離ｆ１と、前記複数の第２光屈折素子の焦点距離ｆ２との間には、ｆ１＞ｆ２の関係が成り立っていることが好ましい。
【００４３】
ある実施形態において、前記複数の第１光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである。前記マイクロレンズは非球面レンズであることが好ましい。
【００４４】
ある実施形態において、前記複数の第２光屈折素子のそれぞれはマイクロレンズである。
【００４５】
ある実施形態において、前記複数の第２光屈折素子のそれぞれは複数の斜面を有するマイクロプリズムである。
【００４６】
前記透明基板の厚さは３０μｍ以下であることが好ましい。前記透明基板の厚さは、５μｍ以上２５μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００４７】
ある実施形態において、前記透明基板はガラス基板である。
【００４８】
ある実施形態の画像表示装置は、前記表示媒体層として液晶層を有し、前記表示媒体層の光出射側に投影光学系をさらに有する液晶プロジェクタである。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら、本発明による実施形態の光屈折素子アレイ基板およびそれを備える画像表示素子および画像表示装置の構成と動作を説明する。以下の説明では、画像表示素子として液晶表示素子を例示し、画像表示装置として液晶プロジェクタを例示するが、本発明はこれらに限られない。
【００５０】
まず、図１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、光屈折素子としてマイクロレンズを有する、本発明による実施形態のマイクロレンズアレイ基板６の構成と機能を説明する。
【００５１】
マイクロレンズアレイ基板６は、２次元に配列された第１マイクロレンズ２ａを有する第１マイクロレンズアレイ２と、第１マイクロレンズ２ａと１：１で対応するように２次元に配列された第２マイクロレンズ４ａを有する第２マイクロレンズアレイ４と、カバーガラス５とを光入射側からこの順で有する。第１マイクロレンズ２ａと第２マイクロレンズ４ａとを通過した光束の収束位置が、カバーガラス５の光出射側表面の近傍に位置している。
【００５２】
なお、第１マイクロレンズアレイ２と第２マイクロレンズアレイとの間には中間ガラス板３が設けられており、第１マイクロレンズアレイ２は、ベース基板１と中間ガラス基板３との間に接着層７で固定されており、第２マイクロレンズアレイ４は、中間ガラス基板３とカバーガラス５との間に接着層８で固定されている。
【００５３】
図１（ａ）および（ｂ）に示したように、マイクロレンズアレイ基板６を透過した光束は、カバーガラス５の光出射側の表面の近傍に収束されるように構成されているので、特許文献２に開示されている２層構造のマイクロレンズアレイ基板のようにカバーガラスの厚さを極端に薄くする必要が無く、例えば厚さｄが５μｍ以上のカバーガラス５を用いることができる。従って、カバーガラス５を作製する際に、従来技術の欄で説明したように、ガラス基板を研磨する方法を採用しても、第２マイクロレンズアレイを損傷することを防止することができる。
【００５４】
このような構成は、具体的には、例えば以下のようにして実現することができる。
【００５５】
光束を集光する働きを有する第１第マイクロレンズ２ａの焦点距離ｆ１を、対応する第１マイクロレンズ２ａからの光束の主光線を互いに平行化する働きを有する第２マイクロレンズアレイ４ａの焦点距離ｆ２より長く（ｆ１＞ｆ２）設定する。より具体的には、第１マイクロレンズ２ａの焦点がカバーガラス５の光出射側表面の近傍にくるように設定し、且つ、第２マイクロレンズ４ａの焦点が第１マイクロレンズ２ａの近傍に設定することによって、光束の収束位置をカバーガラス５の光出射側表面の近傍に設定できるとともに、第１マイクロレンズ２ａを通過した光束の主光線を第２マイクロレンズ４ａで平行化できる。すなわち、第１マイクロレンズ２ａに互いに異なる角度で入射したＲ、ＧおよびＢのそれぞれの色光束は第１マイクロレンズ２ａによって集光され（図１（ｂ）でそれぞれの色光束の主光線だけを示している。）、第２マイクロレンズ４ａに異なる角度で入射したそれぞれの色光束の主光線を互いに略平行にする。
【００５６】
これに対し、図１０（ａ）および（ｂ）に模式的に示す、特許文献２に開示されているような２層構造のマイクロレンズアレイ基板７６を用いると以下に説明するような問題が発生する。
【００５７】
マイクロレンズアレイ基７６は、ベース基板７１、第１マイクロレンズ７２ａを有する第１マイクロレンズアレイ７２と、中間ガラス板７３と、第１マイクロレンズ７２ａと１：１で対応するように２次元に配列された第２マイクロレンズ７４ａを有する第２マイクロレンズアレイ７４と、カバーガラス７５とを光入射側からこの順で有している。
【００５８】
マイクロレンズアレイ基板７６においては、第１マイクロレンズ７２ａの焦点距離と第２マイクロレンズ７４ａの焦点距離とが互いに等しく設定してあるので、第１マイクロレンズ７２ａによる集光位置が、図１０（ａ）に示すように、第２マイクロレンズアレイ４の近辺となるため、カバーガラス７５を第２マイクロレンズアレイ４の表面に配置した場合、第２マイクロレンズアレイの近傍に集光された光束が、カバーガラス７５の光出射側表面では発散してしまう。すなわち、マイクロレンズアレイ基板７６による集光効率が低下するので、カバーガラス７５を限りなく薄くすることが望まれるわけである。しかしながら、上述したように、現実的には、カバーガラスを５μｍ未満の厚さまで研磨することは困難である。
【００５９】
また、集光位置をカバーガラス７５の光出射側表面の近傍に設定するために、マイクロレンズアレイ基板７６の中間ガラス板７３よりも薄い中間ガラス基板７３’を有するマイクロレンズアレイ基板７６’を構成すると、図１０（ｂ）に示すように、第２マイクロレンズ７４ａを出射した光束の主光線は互いに平行とならない。
【００６０】
すなわち、本発明による実施形態のマイクロレンズアレイ基板６は、第１マイクロレンズ２ａと第２マイクロレンズ４ａとを通過した光束の収束位置が、透明基板（カバーガラス）５の光出射側表面の近傍に位置するように設けられているので、透明基板５の厚さが３０μｍ程度であっても、従来よりも高い集光効率が得られ、かつ、出射光束の主光線を互いに平行することができる。
【００６１】
第１マイクロレンズ２ａおよび第２マイクロレンズ４ａの形状およびそれぞれのアレイ２および４におけるマイクロレンズ２ａおよび４ａの２次元配置を図２に示す。
【００６２】
図２に示したように、第１マイクロレンズ２ａと第２マイクロレンズ４ａは互いに１：１で対応して配置されており、第１マイクロレンズ２ａのそれぞれの中心と第２マイクロレンズ４ａのぞれぞれの中心が一致するように配置されている。また、ここでは、それぞれのマイクロレンズの中心は、いわゆるデルタ配列された画素に対応するように配置されている。なお、デルタ配列の液晶表示素子に対応したマイクロレンズについて説明するが、ストライプ配列に対応したマイクロレンズも同様に作製することができるのは言うまでも無い。
【００６３】
第１マイクロレンズ２ａは、光を集光する働きを持つため、非球面レンズとすることが好ましい。第１マイクロレンズ２ａに収差があると集光効率が低下するだけでなく、画像表示装置に用いた場合、第１マイクロレンズ２ａの収差による混色が増加し、色純度が低下する。第１マイクロレンズ２ａを非球面化することにより、この明るさ、色純度を低下の原因である収差を低減させることができる。
【００６４】
第１マイクロレンズ２ａの外形（２次元に配置されている複数の第１マイクロレンズ２ａが規定する平面の法線方向（ベース基板１の法線方向）から見た形状）は、六角形である。第１マイクロレンズ２ａを六角形にしている理由は、第２マイクロレンズ４ａのように長方形にするよりも、１つのマイクロレンズ自体のサイズ（直径）が小さくなり、マイクロレンズによる集光角が小さくなるからである。第１マイクロレンズ２ａの集光角が大きいと、液晶パネルを通過しても投影レンズで蹴られる光が多くなり、明るさをロスするので好ましくない。
【００６５】
第２マイクロレンズ４ａはそれぞれ対応する第１マイクロレンズ２ａからの光束の主光線を平行にする働きをするので、その外形は、第１マイクロレンズ２ａとは形状が異なる横長の矩形とする。これにより、Ｒ、Ｇ、およびＢの光束を対応する画素開口部を通過させ、かつ、それらの光束の主光線を効率的に平行化することができる。
【００６６】
なお、ここでは、第１マイクロレンズ２ａと第２マイクロレンズ４ａとを異なる形状のマイクロレンズで構成した例を示したが、第１マイクロレンズ２ａを第２マイクロレンズ４ａと同じ形状としても良い。
【００６７】
本発明による実施形態のマイクロレンズアレイ基板は、液晶プロジェクタの液晶表示素子に好適に用いられる。図３に典型的な液晶プロジェクタ３００の構成を模式的に示す。
【００６８】
液晶プロジェクタ３００は、光源と３０１と、光源３０１からの光束を互いに異なる波長域を有する複数の色光束に分割する色分離素子としてのダイクロイックミラー３０６と、表示媒体層と本発明の実施形態のマイクロレンズアレイ基板とを備える液晶表示素子３０７と、液晶表示素子３０７を透過した光を投影する投影レンズ３０８とを備えている。液晶表示素子３０７は、表示媒体層の光入射側にマイクロレンズアレイ基板を有している。
【００６９】
光源３０１としては、例えば、１２０Ｗ、アーク長１．４ｍｍのＵＨＰランプ（例えばＰｈｉｌｉｐｓ社製）を用いる。この他に、ハロゲンランプやキセノンランプ、メタルハライドランプなどを用いることができる。
【００７０】
光源３０１からの光は、放物面鏡３０２で略平行光にされたのち、フライアイレンズ３０３およびフィールドレンズ３０４、３０５を通過した後、扇形に配置された３枚のダイクロイックミラー３０６に入射する。３枚のダイクロイックミラー３０６で、入射光をＲ、Ｇ、Ｂの色光束に分離した後、１枚の液晶表示素子（パネル）３０７にそれぞれの色光束を所定の異なる角度で入射させる。それぞれの色光束は、後述するように、液晶表示素子３０７の対応する画素（Ｒ用画素，Ｇ用画素，Ｂ用画素）に入射し、表示媒体層で変調される。液晶表示素子３０７で変調された色光束で形成される画像は、投影レンズ３０８で例えばスクリーン（不図示）上に投影表示される。液晶表示素子３０７としては、種々のタイプのものを用いることができる。
【００７１】
図４および図５（ａ）および（ｂ）を参照しながら、液晶表示素子３０７として、好適に用いられる液晶表示素子４０の構成を説明する。
【００７２】
液晶表示素子４０は、光入射側に配置されたマイクロレンズアレイ基板１６と、液晶層１９と、基板（例えばＴＦＴ基板）２２とを有している。マイクロレンズアレイ基板１６および／または基板２２の液晶層１９側には、液晶層１９の各画素部１９ａに所定の電圧を印加するための電極（不図示）や、さらに必要に応じて配向膜（不図示）が設けられている。なお、液晶表示素子４０としては、種々のモードの液晶表示素子を用いることが可能で、ＴＮモード、ＭＶＡモード、ＩＰＳモードの液晶表示素子を好適に用いることができる。これらの表示モードの液晶表示素子は、一対の偏光板（典型的にはパネルの前後に配置される）や、必要に応じて位相差板（例えばパネルの光出射側に配置される）をさらに有する（いずれも不図示）。
【００７３】
マイクロレンズアレイ基板１６は、２次元に配列された第１マイクロレンズ１２ａを有する第１マイクロレンズアレイ１２と、第１マイクロレンズ１２ａと１：１で対応するように２次元に配列された第２マイクロレンズ１４ａを有する第２マイクロレンズアレイ１４と、カバーガラス１５とを光入射側からこの順で有する。第１マイクロレンズ１２ａと第２マイクロレンズ１４ａとを通過した光束の収束位置は、図５（ａ）に示すように、カバーガラス１５の光出射側表面の近傍に位置している。
【００７４】
例えば、液晶表示素子４０は例えば画素ピッチが２１μｍ×２１μｍのデルタ配列の画素を有し、第１マイクロレンズ１２ａおよび第２マイクロレンズ１４ａのそれぞれは、液晶層１９の３つの画素部（Ｒ、ＧおよびＢの画素部）１９ａに対応して設けられている。ダイクロイックミラー３０６で分離されたＲ、ＧおよびＢの色光束は、マイクロレンズ１２ａおよび１４ａで集光されるとともに、それぞれの色光束の主光線が平行化され、それぞれ対応する画素部１９ａに入射する（図５（ａ）参照）。
【００７５】
カバーガラス１５の厚さは、例えば、１０μｍに設定されている。マイクロレンズアレイ１２および１４による光束の収束位置は、カバーガラス１５の光出射側表面の近傍に設定されているので、カバーガラス１５の厚さが１０μｍであっても、従来のような発散（例えば図１０（ａ）参照）が無く高い集光効率が得られるので、十分な明るさを得ることができる。また、それぞれの色光束を十分に平行化することができるので、従来のような色純度の低下（例えば図１０（ｂ））が発生しない。
【００７６】
また、マイクロレンズアレイ基板１６からの出射光束の平行性が高いので、液晶層１９にはそれぞれの色光束の主光線がほぼ垂直に入射する。従って、液晶表示素子４０の視角依存性（入射角依存性）によるコントラスト比の低下の影響を受けず、高コントラスト比で画像を表示することができる。なお、後述するように、カバーガラス１５の厚さは、集光効率の観点から２５μｍ以下であることが好ましく、製造効率の観点から５μｍ以上であることが好ましい。
【００７７】
上述のマイクロレンズアレイ基板１６は、例えば、以下の方法によって製造することができる。
【００７８】
まず、ガラスからなるベース基板（例えば厚さ７００μｍ）１１上に第１マイクロレンズアレイ１２を形成し、中間ガラス板１３を介して、第２マイクロレンズアレイ１４を形成する。
【００７９】
マイクロレンズアレイ１２および１４のピッチは、ともに、６３（Ｈ）×２１（Ｖ）であり、第１マイクロレンズ１２ａと第２マイクロレンズ１４ａとは、１：１で対応している。
【００８０】
第１および第２のマイクロレンズアレイ１２および１４の形成方法としては、例えば、図９（ｂ）に示したように、▲１▼フォトレジストをパターン化し、▲２▼マスターを作製し、▲２▼マスターを用い金属スタンパを作製し、▲３▼金属スタンパでガラス基板上にマイクロレンズアレイを転写という工程を経て作製する。なお、この方法に限られず、イオン交換法、膨潤法、熱だれ法、蒸着法、熱転写法や機械加工法など、公知の方法を広く用いることができる。特に、最近ではマイクロレンズの形状に合わせた濃淡を有するマスク（グレースケールマスク）を用いて、レジストを露光し、所望の形状のパターンを得る方法も実用化されている。この方法は、任意の形状のマイクロレンズを精度良く作製できる利点を有している。
【００８１】
第２マイクロレンズアレイ１４の光出射側に設けられているカバーガラス１５は、厚板ガラス（例えば５００μｍ）に第２マイクロレンズアレイ１４を形成した基板に貼りあわせた後に、１０μｍまで研磨することによって形成される。なお、上述したベース基板１１やカバーガラス１５用のガラス基板としては、厚さが５００μｍ〜１１００μｍの範囲の一般的な液晶パネル用ガラス基板を用いることが好ましい。
【００８２】
カバーガラス１５の厚を１０μｍに設定した理由は、ベース基板板１１が±５μｍの厚さばらつきを持つため、±５μｍのばらつきが存在したとしても、カバーガラス１５の厚は５μｍ以上１５μｍ以下の範囲に収まるため、カバーガラス１５の研磨により第２マイクロレンズ１４ａを損傷せず、カバーガラス１５が第２マイクロレンズアレイ１４上に残るようにしたと同時に、カバーガラス１５の厚さが最大でも１５μｍとなるので、実効的な光の利用効率の低下が無いようにしたものである。
【００８３】
カバーガラス１５の厚さを、ここでは１０μｍに設定したが、５μｍ以上２５μｍ以下の範囲内であれば、光の利用効率の低下を抑えつつ、第２マイクロレンズアレイ１４上に研磨またはエッチングによりによりカバーガラスを形成することが可能である。
【００８４】
カバーガラス１５の厚さが５μｍ以上であることが好ましい理由は、上述したように、通常ガラス基板の厚さのばらつきが高いグレードでも±５μｍ程度はあることを考慮し、カバーガラス１５がすべて研磨またはエッチングされてしまい、第２マイクロレンズアレイ１４に損傷を与えることを防止するためである。
【００８５】
一方、カバーガラス１５の厚さが２５μｍ以下であることが好ましい理由を以下に説明する。
【００８６】
図５（ｂ）に示すように、カバーガラス１５を厚くすると、第１マイクロレンズ１２ａで集光したＲ、ＧおよびＢの光束のうち、第２マイクロレンズ１４ａの周辺部に入射するＧおよびＢの光束（マイクロレンズアレイ基板１６の主面に対して斜めに入射する色光束）の一部が、対応する第２マイクロレンズ１４ａに入射しなくなり、隣のマイクロレンズ１４ａに入射する（図５（ｂ）中点線で示した光線）。なお、上述したように３つの画素に１つのマイクロレンズを対応させる場合は、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、Ｒの光束を垂直入射させ、ＧとＢの光束をＲの光束の両側から斜め入射させることが多い。
【００８７】
カバーガラス１５を厚くすると、第２マイクロレンズ１４ａに対して垂直に入射するＲの光束はロスすることはないが、ＧとＢの光束は、カバーガラス１５が厚くなるにつれて徐々にロスが増えて暗くなる。
【００８８】
通常、液晶プロジェクタに使用されるメタルハライドランプや高圧水銀ランプは、ＧとＢの波長域に輝線スペクトルを有しており、Ｒの帯域には輝線スペクトルを有していないため、光の強度は、Ｒに比べ、ＧとＢが強くなっている。従って、これらのランプを使用する場合は、Ｒ、ＧおよびＢの光強度のバランスをとるため、液晶表示素子を電気的に制御することによって、余分なＧとＢの光束をカットする方式がとられる。このカット量は、通常２０％程度である。
【００８９】
図６にマイクロレンズアレイ基板１６のカバーガラス１５の厚さｄとＧ（又はＢ）の光の集光効率の関係の一例を示す。この関係は、マイクロレンズのピッチや形状によって多少異なるが、概ね同じような傾向を示す。
【００９０】
ここで、図６からわかるように、Ｇ（又はＢ）の光量が約２０％ロスするとき、すなわち、集光効率が８０％となるときのカバーガラス１５の厚さｄは約３０μｍである。すなわち、カバーガラス１５の厚さｄを３０μｍにすることによる光量のロスは、カバーガラス１５の厚さｄが薄い場合でも、最終的に液晶表示素子によってカットする必要のある余分な光量であるため、実質上明るさの低下にはならない。
【００９１】
この３０μｍに、ベース基板１１のばらつき±５μｍを考慮して、カバーガラス１５の厚さｄの上限値を２５μｍとすることで、ベースガラス板１１の厚さｄが−５μｍに振れたとしても、カバーガラス１５の厚さｄは３０μｍとなるため、実質的に明るさの低下はない。
【００９２】
第１マイクロレンズアレイ基板１２と中間ガラス板１３とは樹脂層１７で、第２マイクロレンズアレイ基板１４とカバーガラス１５とは、樹脂層１８で接着されている。樹脂層１７および１８の屈折率は例えば１．４であり、マイクロレンズ１２ａおよび１４ａを形成している樹脂の屈折率は例えば１．５９であり、これらの屈折率差（１．５９−１．４＝０．１９）で光束を集光している。ここで、第１マイクロレンズ１２ａの焦点距離ｆ１は、第１マイクロレンズ１２ａ側から光入射させた時、入射光束がカバーガラス１５の光出射側のほぼ表面に収束するように設定されている。また、第２マイクロレンズ１４ａの焦点距離ｆ２は、第１マイクロレンズ１２ａ上の一点から出射した光束の主光線が、ほぼ平行（マイクロレンズアレイ基板１６の主面に略垂直（図４参照））になるように設定されている。典型的にはｆ１＞ｆ２の関係を満足するよう設定されている。
【００９３】
第１マイクロレンズ１２ａは非球面レンズであり、第２マイクロレンズ１４ａは球面レンズである。
【００９４】
第１マイクロレンズ１２ａを非球面化した理由は、第１マイクロレンズ１２ａは光束を集光する役割を果たすため、レンズに収差があると集光効率が低下するだけでなく、液晶表示素子４０に用いた場合には、第１マイクロレンズ１２ａの収差による混色が増加し、色純度が低下するからである。第１マイクロレンズ１２ａを非球面化することにより、明るさおよび色純度を低下の原因となる収差を低減させることができる。
【００９５】
上述のマイクロレンズアレイ基板１６では、第２マイクロレンズ１４ａとして、一定の曲率を有する球面レンズを用いたが、図７（ａ）に示すマイクロレンズアレイ基板３６のように、１つのマイクロレンズ（図４のマイクロレンズ１４ａ）を３つのエリアに分けたプリズム３４ａにしても構わない。これは、第２マイクロレンズ１４ａは、第１マイクロレンズ１２ａからの光束を略平行化させる働きを持つもので、多少の収差がっても、大きな問題とはならないからである。
【００９６】
図７（ａ）に示したマイクロレンズアレイ基板３６は、２次元に配列されたマイクロレンズ３２ａを有するマイクロレンズアレイ３２と、マイクロレンズ３２ａと１：１で対応するように２次元に配列されたマイクロプリズム３４ａを有するマイクロプリズムアレイ３４と、カバーガラス３５とを光入射側からこの順で有する。マイクロレンズアレイ３２とマイクロプリズムアレイ３４との間には中間ガラス板３３が設けられている。
【００９７】
マイクロプリズム３４ａは、斜面ａおよびｂとそれらの間にセンター部（マイクロプリズムアレイ基板３６の主面に平行な頂面を有する平坦部）ｃとを有している。両側の斜面ａおよびｂで、対応するマイクロレンズ３２ａから、斜面ａおよびｂにそれぞれ入射する光束の主光線を屈折させ、センター部ｃに入射する光束の主光線と略平行にしている。
【００９８】
典型的には、図４に示した液晶表示素子４０と同様に、液晶表示素子の３つの画素に１つのマイクロプリズム３４ａが対応するように配置される。マイクロレンズ３２ａは、Ｒ，ＧおよびＢの各色光束を対応する各画素部（図４中の画素部１９ａ参照）に振り分ける働きと、色光束を集光させる働きを持ち、マイクロプリズム３４ａは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光束の主光線を平行化する働きを持つ。例えば、斜面ａでＢ光束を屈折させ、斜面ｂでＧ光束を屈折させることによって、それぞれの色光束の主光線をセンター部ｃに垂直入射するＲ光束の主光線と略平行にする。ここでは、このようなマイクロプリズム３４ａについても、マイクロレンズ１４ａと同様の考え方で、焦点距離（ｆ２）を定義することとする。すなわち、図７（ｂ）に示すように、マイクロプリズム３４ａの場合も、マイクロプリズム３４ａの斜辺とセンター部とを通過した光が、ほぼ平行となるときのｆ２の距離をマイクロプリズム３４ａの焦点距離（ｆ２）と定義する。
【００９９】
この焦点距離ｆ２は、マイクロレンズ３２ａの焦点距離ｆ１よりも短く設定されており、液晶表示素子４０と同様に、集光効率が高く、且つ、出射光束の平行性が高いので、明るく、且つ、高コントラスト比の画像を表示することができる。
【０１００】
なお、上述した液晶表示素子４０の第１マイクロレンズアレイ１２および第２マイクロレンズアレイ１４におけるマイクロレンズ（凸レンズ）の向きは、図４に示した例に限られない。
【０１０１】
例えば、図８に示した液晶表示素子６０のマイクロレンズアレイ基板５６のように、第１マイクロレンズ５２ａおよび第２マイクロレンズ５４ａを配置してもよい。
【０１０２】
液晶表示素子６０は、光入射側に配置されたマイクロレンズアレイ基板５６と、画素部５９ａを有する液晶層５９と、基板（例えばＴＦＴ基板）６２とを有している。マイクロレンズアレイ基板５６は、第２次元に配列された第１マイクロレンズ５２ａを有する第１マイクロレンズアレイ５２と、第１マイクロレンズ５２ａと１：１で対応するように２次元に配列された第２マイクロレンズ５４ａを有する第２マイクロレンズアレイ５４と、カバーガラス５５とを光入射側からこの順で有する。第１マイクロレンズ５２ａと第２マイクロレンズ５４ａとの間に中間ガラス板５３が設けられている。第１マイクロレンズ５２ａと第２マイクロレンズ５４ａとを通過した光束の収束位置は、カバーガラス５５の光出射側表面の近傍に位置するように構成されている。
【０１０３】
第１マイクロレンズ５２ａおよび第２マイクロレンズ５４ａは、図４に示した第１マイクロレンズ１２ａおよび第２マイクロレンズ１４ａと異なり、マイクロレンズが光入射側に凸面を有するように配置されている。同様に、図７に示したマイクロレンズアレイ基板３６においても、マイクロレンズ３２ａおよびマイクロプリズム３４ａの配置を、光入射側と光出射側とを反転させてもよい。
【０１０４】
上述の実施形態では、マイクロレンズアレイ基板の出射側に設けられている透明基板としてカバーガラスを用いた構成を例示したが、これに限られず、他の材料（例えばプラスチックやその複合材料）を用いてもよい。また、上述の実施形態では、表示媒体層として液晶層を有する液晶表示素子を例示したが、本発明は液晶表示素子に限られず、エレクトロクロミック表示素子、電気泳動型表示素子や、ＰＬＺＴなどの電気光学材料を表示媒体層として有する非発光型表示素子に広く適用できる。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明の光屈折素子基板（例えばマイクロレンズアレイ基板）は、光出射側に配置された透明基板（例えばカバーガラス）の光出射側表面の近傍に光束を収束し、且つ、異なる角度で入射する光束の主光線をほぼ平行に出射することができる。従って、このような光屈折素子を用いることによって、表示品位の優れた画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明による実施形態のマイクロレンズアレイ基板６の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明による実施形態のマイクロレンズアレイ基板６における第１および第２マイクロレンズの２次元配置を模式的に示す平面図である。
【図３】本発明による実施形態の液晶プレジェクタ３００の構成を模式的に示す図である。
【図４】液晶プレジェクタ３００に好適に用いられる液晶表示素子４０の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、液晶表示装置４０の構成および機能を説明するための模式的な断面図である。
【図６】本発明による実施形態のマイクロレンズアレイ基板の透明基板（カバーガラス）の厚さｄと集光効率との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は本発明による他の実施形態のマイクロレンズアレイ基板３６の構成を模式的に示す断面図であり、（ｂ）はマイクロプリズムの焦点距離の定義を説明するための図である。
【図８】液晶プレジェクタ３００に好適に用いられる他の液晶表示素子６０の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、マイクロレンズアレイ基板の公知の製造方法の説明するための模式図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、従来のマイクロレンズアレイ基板の問題点を説明するための模式的な断面図である。
【符号の説明】
１、１１  ベース基板
２、１２  第１マイクロレンズアレイ
２ａ、１２ａ  第１マイクロレンズ
３、１３ａ  中間ガラス板
４、１４  第２マイクロレンズアレイ
４ａ、１４ａ  第２マイクロレンズ
５、１５  カバーガラス（出射側透明基板）
６、１６、３６、５６、７６、７６’  マイクロレンズアレイ基板
７、８、１７、１８  接着層
１９  表示媒体層
１９ａ  表示媒体層の画素部
２２  さらなる透明基板（ＴＦＴ基板）
４０、６０  液晶表示素子
３００  液晶プロジェクタ
３０１  光源
３０２  放物面鏡
３０３  フライアイレンズ
３０４  フィールドレンズ
３０５  フィールドレンズ
３０６  ダイクロイックミラー
３０７  液晶表示素子（液晶表示パネル）
３０８  投影レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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