(57)【要約】【課題】  焦点距離が長く、しかも集光効率が高いマイクロレンズアレイを提供する。【解決手段】  複数の微小凸面２２が設けられている第１光透過性基板２と、微小凸面２２に対応する微小凹面３１が設けられ、微小凸面２２に対して微小凹面３１が対向して配置されている第２光透過性基板３と、第１光透過性基板２と第２光透過性基板３との間の空隙に充填され、これらの基板２，３より屈折率が高い光透過性の高屈折率樹脂４とを有するマイクロレンズアレイとすることにより、凸レンズ部４１がメニスカスレンズとなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の微小凸面が設けられている第１光透過性基板と、前記微小凸面に対応する微小凹面が設けられ、前記微小凸面に対して前記微小凹面が対向して配置されている第２光透過性基板と、前記第１光透過性基板と前記第２光透過性基板との間の空隙に充填され、前記第１光透過性基板及び第２光透過性基板より屈折率が高い光透過性樹脂とを有することを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロレンズアレイにおいて、
前記微小凸面間の前記第１光透過性基板の表面に遮光膜が設けられていることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマイクロレンズアレイにおいて、
前記第１光透過性基板が、光透過性平板と、前記光透過性平板の表面に接合して前記微小凸面を形成している微小半球状光透過性樹脂とを有することを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子やＣＣＤ等の固体撮像素子に光を集光する凸レンズとして機能するマイクロレンズアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクターの集光率およびコントラスト向上のため、液晶表示素子の光源側の前面に光源の光を集光するために凸レンズとして機能するマイクロレンズアレイが用いられている。また、デジタルスチルカメラのＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子の集光率を向上させる目的でも同様に凸レンズとして機能するマイクロレンズアレイが用いられている。
【０００３】
マイクロレンズアレイの製造方法は、従来、透明基板表面に微小凹面をレジスト−フォト−エッチングによるウエットプロセスにより形成し、この透明基板の微小凹面を透明平板と組み合わせ、凹面と透明平板との間隙に透明基板や透明平板より高屈折率の樹脂を充填し、高屈折率樹脂が半球状の形状の凸レンズを形成する方法が知られている。
【０００４】
また、レジスト−フォト−ドライエッチングによるドライプロセス、特許文献１、特許文献２に記載されているインクジェットによる形成プロセス等により透明基板表面に微小凸面を形成してマイクロレンズアレイを製造する方法も知られている。
【０００５】
このようにして得られる従来のマイクロレンズアレイは、一方の面が平らでもう一方の面が凸面のいわゆる平凸レンズである。
【特許文献１】特開２０００-１０８２１６号
【特許文献２】特開２０００-２８０３６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、平凸レンズは、集光力が大きく、集光部の液晶および配向膜にエネルギーが集中するため、液晶や樹脂フィルムの配向膜を劣化させ、耐久性（耐光性）を低下させる原因となっていた。また、平凸レンズは光を強く曲げるため、斜め光成分が多くなり、液晶のコントラストを低下させてしまうという問題がある。更に、焦点距離が短いため、レンズと液晶間の距離が短くなり、液晶側のガラス厚みを非常に薄くかつ高精度にコントロールしなければならない。焦点距離を長くするにはレンズの曲率を小さくする必要があるが、一般的なエッチングで製造されるマイクロレンズアレイでは、画素ピッチでレンズの曲率がほぼ決まってしまうため原理上長焦点化が難しい上、近年の液晶パネルの高画素化に伴い、ますます画素ピッチが小さくなってきている。
【０００７】
また、インクジェットプロセスによるマイクロレンズアレイでは、着弾した液滴同士を離間させる必要があり、レンズ同士を接触させることができないため、集光効率が劣るという問題もある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、焦点距離が長く、しかも集光効率が高いマイクロレンズアレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、第１に、複数の微小凸面が設けられている第１光透過性基板と、前記微小凸面に対応する微小凹面が設けられ、前記微小凸面に対して前記微小凹面が対向して配置されている第２光透過性基板と、前記第１光透過性基板と前記第２光透過性基板との間の空隙に充填されている、前記第１光透過性基板及び第２光透過性基板より屈折率が高い光透過性樹脂とを有することを特徴とするマイクロレンズアレイを提供する。
【００１０】
かかるマイクロレンズアレイは、第１光透過性基板の凸面と第２光透過性基板の凹面の間に充填されている高屈折率樹脂が凸レンズとして機能する。この凸レンズは一方の面が凸面で他方の面が凹面のメニスカスレンズである。そのため、平凸レンズと比較して集光力が弱く、焦点距離が長くなる。また、凸面側を構成する第２光透過性基板の凹面をエッチングにより形成すればレンズ同士を接触させる凸面を形成できるため、集光効率は良好である。
【００１１】
本発明は、第２に、上記第１のマイクロレンズアレイにおいて、前記微小凸面間の前記第１光透過性基板の表面に遮光膜が設けられていることを特徴とするマイクロレンズアレイを提供する。
【００１２】
遮光膜を微小凸面間の第１光透過性基板の表面に設けているマイクロレンズアレイでは、液晶側の面は平坦にできるため、配向膜や導電膜に光学的な悪影響を及ぼすおそれがない。
【００１３】
本発明は、第３に、上記第１又は２のマイクロレンズアレイにおいて、前記第１光透過性基板が、光透過性平板と、前記光透過性平板の表面に接合して前記微小凸面を形成する微小半球状光透過性樹脂とを有することを特徴とするマイクロレンズアレイを提供する。
【００１４】
第１光透過性基板の凸面として、光透過性平板の表面に接合された微小半球状光透過性樹脂を用いることができる。この微小半球状光透過性樹脂は、第２光透過性基板の凹面より小さくすることが可能で、それ故相互に離間して形成でき、例えばインクジェット方式で形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明のマイクロレンズアレイの実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１６】
本発明のマイクロレンズアレイは、液晶表示素子やＣＣＤ等の固体撮像素子の各素子に光を集光し、光透過率を向上させる凸レンズとして機能するもので、各素子に対応して微小凸レンズが設けられる。マイクロレンズアレイの微小凸レンズは、例えば、液晶表示素子では２０μｍ程度のピッチで、固体撮像素子では数μｍピッチでマトリックス状に配列される。
【００１７】
図１（ａ）に、本発明のマイクロレンズアレイの第１実施形態の断面構造を示す。このマイクロレンズアレイ１は、第１光透過性基板２と第２光透過性基板３の間に高屈折率樹脂４が充填された構造を有する。第１光透過性基板２は、光透過性平板２１の一面側に一定のピッチでマトリックス状に半球状の凸面２２を構成する凸部２３が一体に設けられている。第２光透過性基板３は、第１光透過性基板２の凸面２２の光軸とほぼ同じ光軸となるように光透過性平板の一面側に凸面２２と対向して凹面３１が一定のピッチでマトリックス状に設けられている。図１に示す実施形態では、凹面３１は連続して設けられ、凸面２２は互いに一定の距離をもって離間して設けられ、凹面３１の直径より凸面２２の直径の方が小さくなっている。第１光透過性基板２と第２光透過性基板３は所定の間隔で間隙が設けられて対向しており、凹面３１と凸面２２の間の間隙を含めて第１光透過性基板２と第２光透過性基板３との間に、高屈折率樹脂４が充填されている。凸面２２と凹面３１との間の間隙に充填されている凸レンズ形状の高屈折率樹脂４が凸レンズ部４１となり、凸レンズとして機能する。
【００１８】
第１光透過性基板２と第２光透過性基板３の素材はガラス若しくは石英（ｎｄ＝１．４６）又はこれらの屈折率に近い樹脂であり、これらの素材の屈折率は石英に近い。高屈折率樹脂４の屈折率は１．５５〜１．７５程度である。これらの屈折率の差が凸レンズ部４１の屈折率となる。
【００１９】
凸レンズ部４１は、第２光透過性基板３側に設けられている凹面３１に密着しているレンズ凸面４１１と第１光透過性基板２側に設けられている凸面２２と密着しているレンズ凹面４１２を有し、メニスカスレンズである。レンズ凸面４１１は光をレンズ凹面４１２に集光し、レンズ凹面４１２が集光された光を発散させる。
【００２０】
そのため、レンズ凹面４１２はレンズ凸面４１１より直径を小さくすることができる。即ち、レンズ凹面４１２は相互に分離させることができる。このため、レンズ凹面４１２を形成するための第１光透過性基板２に形成される半球状の凸部２３は第１光透過性基板２の表面に例えばインクジェット方式で形成することが可能である。
【００２１】
図１（ｂ）は、第２実施形態のマイクロレンズアレイ１ｂの断面構造を示し、第１光透過性基板２ｂが、光透過性平板２１の表面に設けられている微小凸面２２が半球状光透過性樹脂２３ｂによって形成されている。この第２実施形態のマイクロレンズアレイ１ｂでは、半球状光透過性樹脂２３ｂ以外の第１光透過性平板２１の表面に遮光膜（ブラックマトリックス）５が設けられている。半球状光透過性樹脂２３ｂの屈折率は光透過性平板２１の屈折率とほぼ同じ樹脂材料が選定される。
【００２２】
図２を参照して本発明のマイクロレンズアレイの機能を説明する。図２（ａ）に示すように図１（ｂ）に示した第２実施形態のマイクロレンズアレイ１ｂを液晶表示装置に組み込んだときの光路を、図２（ｂ）に示す従来の平凸レンズのマイクロレンズアレイと比較しながら説明する。図２（ａ）に示すように、第２実施形態のマイクロレンズアレイ１ｂを液晶表示装置の組み込むときには、例えば液晶を駆動するＴＦＴ等の基板１０１と対向してその間に図示しない液晶が充填されている。マイクロレンズアレイ１ｂのレンズ凸面４１１側が光源側又は外光側に配置される。液晶が接触する内面には配向膜１０２が形成され、配向膜１０２と基板１０１やマイクロレンズアレイ１ｂの間には導電膜１０３が設けられている。
【００２３】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されている構造のマイクロレンズアレイ１，１ｂは、凸レンズ部４１がメニスカスレンズであり、集光力は平凸レンズ４１ｂより劣る。最適な設計値に基づき、凸面４１１と凹面４１２の曲率および両面の距離をコントロールすることにより、光線Ｌ１〜Ｌ３はレンズ凸面４１１でレンズ凹面４１２に集光され、集光された光線Ｌ１〜Ｌ３はレンズ凹面４１２で発散され、図２（ａ）に示すように、ほぼ平行光とすることが可能である。また、凹凸面の曲率および距離を任意の設計値に変更することで、長焦点のマイクロレンズアレイが可能となる。
【００２４】
図２（ｂ）に示す従来のマイクロレンズアレイ１００の平凸レンズ４１ｂの場合は、集光力が大きいため、光線Ｌ１〜Ｌ３は焦点の一箇所に光を集光してしまう。集光部の液晶および配向膜１０２にエネルギーが集中するため、液晶や樹脂である配向膜１０２を劣化させ、耐久性（耐光性）を下げる原因となっていた。また、平凸レンズ４１ｂは光を強く曲げるため、斜め光成分が多くなり、斜め光が隣りの素子に入射し、これによって液晶のコントラストを低下させてしまう。更に、焦点距離が短いため、レンズと液晶間の距離が短くなり、液晶側の光透過性平板２１の厚みを非常に薄くかつ高精度にコントロールしなければならない。例えば、光透過性平板２１の厚みを５０μｍ程度の薄さに研磨加工し、かつ±５μｍ程度の厚みの精度が必要である。
【００２５】
これに対して、本発明のマイクロレンズアレイ１ｂは出射光をほぼ平行光にすることが可能であるため、液晶や配向膜１０２などを劣化させるおそれがなく、しかも液晶のコントラストを低下させることもなく、光透過性平板２１の厚みもそれほど薄く高精度にする必要がなく、製造が容易となる。
【００２６】
また、図２（ａ）に示すマイクロレンズアレイ１ｂと従来のマイクロレンズアレイ１００とは同じ第２光透過性基板３を用いるため、集光効率を決定するレンズ凸面４１１の面積は同一であり、本発明のマイクロレンズアレイの集光効率は従来と同一である。
【００２７】
また、従来のマイクロレンズアレイ１００の遮光膜５ａは、図２（ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイの内面側に全面的に形成された後、レジストの形成、露光、エッチングによってパターニングされて設けられている。そのため、従来の遮光膜５ａはマイクロレンズアレイ１００の面より突出して設けられている。そのため、配向膜１０２や導電膜１０３に段差が生じ、これらの膜に悪影響を与えている可能性がある。これに対して、図１（ｂ）に示した遮光膜５を光透過性平板２１の上に高屈折率樹脂４との間に設けているマイクロレンズアレイ１ｂでは、液晶側の面は平坦にできるため、配向膜１０２や導電膜１０３に悪影響を及ぼすおそれがない。
【００２８】
次に、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す構造のマイクロレンズアレイの製造方法について説明する。図１（ａ）に示した凸面が光透過性平板と一体構造の第１光透過性基板は、例えば図４に示すレジスト−フォト−ドライエッチングによるドライプロセスで製造することができる。
【００２９】
レジスト−フォト−ドライエッチングによるドライプロセスは、図４に示すように、（１）０．８ｍｍ程度の厚さの光透過性平板２００の上にフォトレジスト２０１をコ−ティングし、（２）フォトレジスト２０１を露光、現像し、初期穴の形状のパターニングのレジスト２０１ｂを形成し、（３）熱処理でリフロ−し、角を丸めたレジスト２０１ｃを形成し、（４）プラズマでドライエッチングして微小凸面２２を形成し、（５）フォトレジスト２０１ｃを除去して微小凸面２２を有する厚い第１光透過性基板２００を形成する。
【００３０】
また、図１（ｂ）に示した光透過性平板２１の上に半球状光透過性樹脂２３ｂが接合されている構造の第１光透過性基板は、インクジェットによる形成プロセスを利用して製造することができる。インクジェットによる形成プロセスは、図６に示すように、（１）０．８ｍｍ程度の厚さの光透過性平板２００の上にレジスト２０２を塗布し、（２）レジスト２０２を露光、現像して微小凸面を形成する部分以外の光透過性平板２００の表面を露出させる形状にパターニングしたレジスト２０２ｂを形成し、（３）撥水性を付与する撥水膜２０４を成膜し、（４）レジスト２０２ｂを剥離し、（５）インクジェット３００から凸面形成用の液状の硬化性樹脂２３０を各レジスト２０２ｂが存在した箇所のそれぞれに着弾させ、半球状の液滴を形成する。このときの半球状の液滴の曲率は、液滴の量と撥水膜２０４で囲まれている領域の面積や液滴の表面張力等によって調整することができる。そして（６）液滴を光又は熱で硬化させ、液滴よりやや収縮した半球状光透過性樹脂２３ｂを形成し、更に（７）必要により樹脂２３ｂ間の間をインクジェット方式３０１で遮光膜５を塗布することにより厚い第１光透過性基板２００を製造することができる。
【００３１】
半球状光透過性樹脂２３ｂは光透過性平板２１（２００）とほぼ同じ屈折率を有する必要があり、樹脂としては、ポリメチルメタクリレート、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリシクロヘキシルメタクリレートなどのアクリル系樹脂、ポリジエチレングリコールビスアリルカーボネート、ポリカーボネートなどのアリル系樹脂、メタクリル樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリ酢酸ビニル系樹脂、セルロース系樹脂、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂などの熱硬化性もしくは光硬化性の樹脂が挙げられ、これらのうちの一種が用いられ、あるいは、複数種が混合されて用いられる。
【００３２】
また樹脂の粘度が高い場合は溶媒として有機溶剤を混合して使用する。有機溶剤としては、イソプロピルセロソルブ，ブチルセロソルブ等の高沸点の有機溶剤、メタノール，ＩＰＡ，ブタノール等のアルコール類，ＭＥＫ，２-ペンタノン、ＭＩＢＫ、２-ヘプタノン等のケトン類，酢酸メチル、酢酸プロピル，酢酸イソプロピル，酢酸ブチル，酢酸イソブチル，酢酸ｓｅｃブチル，酢酸イソペンチル，プロピオン酸メチル，プロピオン酸ブチル，３-メトキシブチルアセテート等のエステル類、メチルセロソルブ，エチルセロソルブ、1，4-ジオキサン等を一種を単独で又は適宜混合して用いることが出来る。
【００３３】
一方、凹面を有する第２光透過性基板は、例えば図５に示すレジスト−フォト−エッチングによるウエットプロセスにより製造することができる。まず、（１）厚さ１．２ｍｍ程度の光透過性平板２０５にアモルファスシリコン２０６をコーティングし、（２）熱処理でアモルファスシリコンをポリシリコン２０７に結晶化し、（３）フォトレジスト２０８をコ−ティングし、（４）フォトレジストを露光、現像して初期穴を形成したフォトレジスト２０８ｂにパターニングし、（５）ポリシリコン２０７をエッチングしてパターニング２０７ｂし、（６）レジスト２０８ｂを剥離後、（７）フッ酸中に浸漬して等方性エッチングで微小凹面３１を形成し、微小凹面３１を有する厚い光透過性基板２０５を得る。
【００３４】
図３を参照しながら、これらの製造方法で微小凸面２２が形成された厚い第１光透過性基板２００と微小凹面３１が形成された厚い第２光透過性基板２０５を用いて本発明のマイクロレンズアレイを製造する方法を説明する。まず、（ａ）に示すように、第１光透過性基板２００の凸面２２が設けられている側の面を上にして所定量の粘度の高い液状高屈折率樹脂用モノマー４０を乗せる。次に、（ｂ）に示すように、第１光透過性基板２００の上方に第２光透過性基板２０５を、第１光透過性基板２００の凸面２２に対して第２光透過性基板２０５の凹面３１を互いの光軸が一致するようにアライメントを合わせて配置する。次に、（ｃ）に示すように、第１光透過性基板２００と第２光透過性基板２０５とを所定距離離間するように接近させ、これらの基板２００、２０５間の空隙を液状高屈折率樹脂用モノマー４０が充填するように、液状高屈折率樹脂用モノマー４０をこれらの基板２００，２０５間に押し広げる。そして、（ｄ）に示すように、液状高屈折率樹脂用モノマー４０を熱又は光で硬化させて高屈折率樹脂４を形成する。そして、（ｅ）に示すように、第１光透過性基板２００を例えば１０〜１００μｍ程度の厚さに、第２光透過性基板２０５を所定の厚さに研磨し、それぞれ所定の厚みを有する光透過性平板２１と第２光透過性基板３を形成して本発明のマイクロレンズアレイ１，１ｂを製造することができる。
【００３５】
高屈折率樹脂４は、第１光透過性基板２と第２光透過性基板３の屈折率より高い屈折率を有する必要があり、屈折率は１．５５〜１．７５、望ましくは１．６０以上である。光硬化型として紫外線硬化型エポキシ樹脂が例示され、具体的には、協立化学製の商品名「ワールドロック」（ｎｄ＝１．５９）が挙げられる。この樹脂のＵＶ照射量は１３０００ｍＪ程度である。熱硬化型としては、屈折率の高いチオエポキシ樹脂，チオウレタン樹脂を例示することができる。
【００３６】
上記説明では、微小凸面２２と微小凹面３１とは光軸が一致するように配置するように記載しているが、固体撮像素子の周辺部に存在する素子では微小凹面の光軸を凸面の光軸と微量ずらせるようにして周辺部の画質を向上させることも可能である。
【００３７】
また、インクジェット方式では撥水膜を形成していたが、逆にインクジェットで半球状光透過性樹脂を着弾させる部分を親水化処理するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明のマイクロレンズアレイは、光学機器の液晶表示素子や固体撮像素子と組み合わせ、これらの素子に光を集光して光学機器の光透過率を向上させる用途に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のマイクロレンズアレイの断面構造を示し、（ａ）は第１実施形態、（ｂ）は第２実施形態を示す。
【図２】（ａ）は本発明の、（ｂ）は従来のマイクロレンズアレイの光路を示す。
【図３】本発明のマイクロレンズアレイの製造工程を示すフローチャートである。
【図４】ドライエッチングで微小凸面を形成する工程を示すフローチャートである。
【図５】ウエットエッチングで微小凹面を形成する工程を示すフローチャートである。
【図６】インクジェット方式で微小凸面を形成する工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１，１ｂ：マイクロレンズアレイ、２，２ｂ：第１光透過性基板、２１：光透過性平板、２２：凸面、３：第２光透過性基板、３１：凹面、４：高屈折率樹脂、４１：凸レンズ部、４１１：レンズ凸面、４１２：レンズ凹面
【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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