(57)【要約】【課題】マイクロレンズの界面における迷光の発生を防止し、画像のコントラストを向上した液晶表示装置を提供する。【解決手段】ＭＬＡ基板３１には、入射光を画素ごとに集光するマイクロレンズ４０が形成されている。対向基板３２には、液晶層３３に電圧を印加するための共通電極４３とブラックマトリクス４２が形成されている。ＭＬＡ基板３１と対向基板３２の間には接合層４７が設けられている。マイクロレンズ４０の表面と対向基板３２の入射側の表面には、微粒子を塗布した微粒子層５１が設けられている。微粒子層５１は、ＭＬＡ基板３１と接合層４７の界面、接合層４７と対向基板３２の界面における屈折率差に起因した界面反射を防止する反射防止体として作用し、迷光によるコントラスト低下を防止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の光路を制御する複数のレンズ部を有するレンズアレイと、前記レンズ部を透過した光が入射し、前記レンズ部に対向する位置に設けられた対向基板とを備えた光学素子であって、
前記複数のレンズ部と前記対向基板との間に微小三次元構造体からなる反射防止層が設けられていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記微小三次元構造体はモスアイ構造体であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記モスアイ構造体は微粒子凝集体であることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
【請求項４】
前記反射防止層と前記対向基板との間に、対向基板と同じ屈折率を有する保護層を介在させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の光学素子を有し、
前記対向基板は、電圧を印加するための透明な複数の画素電極が形成された基板であり、前記レンズ部は前記画素電極に入射光を集光することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項６】
請求項５に記載の液晶表示装置を備えたことを特徴とする液晶プロジェクタ。
【請求項７】
溶媒中に微粒子を分散させた塗料を光学素子の表面に塗布し、溶媒を蒸散させる事で微粒子を凝集させ、前記光学素子の表面にモスアイ構造体からなる反射防止層を形成することを特徴とする反射防止層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のレンズ部を有するレンズアレイとレンズ部に対向する基板とを備えた光学素子、及びこれを備えた液晶表示装置並びに液晶プロジェクタ、反射防止層の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＦＴ（Thin  Film  Transistor）−ＬＣＤは、液晶層の１画素の領域に印加される電圧のオン／オフをトランジスタにより制御するため、各画素のオン／オフの切り換えが速く、正確であることから、画質の高さが要求されるディスプレイに広く利用されている。ＴＦＴ−ＬＣＤは、ＴＦＴアレイ及びその配線パターンと、透明な画素電極とが形成されたＴＦＴ基板と、ＴＦＴ基板の画素電極に対応した共通電極が形成された対向基板とを備えている。
【０００３】
ＴＦＴ基板と対向基板は、例えば透明なガラス基板からなり、ＴＦＴ基板は投映レンズ側に配置され、対向基板は光源側に配置される。対向基板には、ＴＦＴに強い光が照射されることで誤作動を起こすことがないように、ＴＦＴを遮光するための井桁状の遮光層からなるブラックマトリクスが形成されている。また、ブラックマトリクスによる光の損失を防ぐために、対向基板にはマイクロレンズアレイが設けられ、光源からの光を画素ごとに集光し、ブラックマトリクスの開口部を光が通過するようにしている。
【特許文献１】特開２００４−２５２４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、マイクロレンズの集光作用を得るためには、高屈折材料からなるマイクロレンズに隣接して、低屈折材料又は空気からなる低屈折率層を設ける必要がある。屈折率差の大きい２つの層の界面では、入射光の一部が界面反射を起こして迷光となり、表示される画像のコントラストを低下させる要因となる。
【０００５】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、マイクロレンズの界面で生じる迷光を抑制し、画像のコントラストを向上させるための光学素子及びこれを備えた液晶表示装置並びに液晶プロジェクタと、反射防止層の形成方法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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、入射光の光路を制御する複数のレンズ部を有するレンズアレイと、前記レンズ部を透過した光が入射し、前記レンズ部に対向する位置に設けられた対向基板とを備えた光学素子であって、前記複数のレンズ部と前記対向基板との間に微小三次元構造体からなる反射防止層が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
前記微小三次元構造体は、モスアイ構造体であることを特徴とする。
【０００８】
前記モスアイ構造体は、微粒子凝集体から形成されていることを特徴とする。
【０００９】
前記反射防止層と前記対向基板との間に、対向基板と同じ屈折率を有する保護層を介在させたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の液晶表示装置は、上記光学素子を有し、前記対向基板は、電圧を印加するための透明な複数の画素電極が形成された基板であり、前記レンズ部は前記画素電極に入射光を集光することを特徴とする。
【００１１】
本発明の液晶プロジェクタは、上記液晶表示装置を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の反射防止層の形成方法は、溶媒中に微粒子を分散させた塗料を光学素子の表面に塗布し、溶媒を蒸散させる事で微粒子を凝集させ、前記光学素子の表面にモスアイ構造体からなる反射防止層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、マイクロレンズが形成される高屈折率体と対向基板として用いられる低屈折率体との間に反射防止層が設けられているから、屈折率差に起因する迷光の発生が抑えられ、表示する画像のコントラストを向上させる液晶表示装置を実現することができる。また、モスアイ構造層を反射防止層とすることにより、表面に凹凸を形成した金型を使用したモールディング、微粒子を分散吸着させる処理等により反射防止処理がなされたマイクロレンズを容易に得ることができる。例えば無機材料の多層薄膜からなる反射防止膜を形成するよりも、大面積に適用できる低コストの反射防止処理が可能であり、特に画面サイズの大きい直視型の液晶表示装置では単位面積あたりのコストをより低くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１において、本発明を適用した液晶プロジェクタ１０は、透過型の三枚の液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを備え、フルカラーの画像を投映することが可能である。光源１２から出射された光は、紫外線及び赤外線をカットするフィルタ１３を透過することにより赤色光、緑色光、青色光を含む白色光となる。ガラスロッド１４は、光源１２のリフレクタとして用いられる楕円面鏡の焦点近傍に端面が位置しており、光源１２からの光はガラスロッド１４に入射する。
【００１５】
ガラスロッド１４を透過した光は他方の端面から出射する。その近傍には、リレーレンズ１５が設けられている。ガラスロッド１４を出射した白色光は、リレーレンズ１５及びその先のコリメートレンズ１６により平行光となって、ミラー１７に入射する。ミラー１７を反射した白色光は、赤色光を透過するダイクロイックミラー１８Ｒで２光束に分けられ、透過した赤色光はミラー１９で反射して液晶表示パネル１１Ｒを背面側から照明する。
【００１６】
ダイクロイックミラー１８Ｒを反射した緑色光と青色光は、緑色光を反射するダイクロイックミラー１８Ｇで更に２光束に分割される。ダイクロイックミラー１８Ｇを反射した緑色光は、液晶表示パネル１１Ｇを背面側から照明する。ダイクロイックミラー１８Ｇを透過した青色光は、ミラー１８Ｂ、ミラー２０を反射し、液晶表示パネル１１Ｂを背面側から照明する。
【００１７】
液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、フルカラー画像を形成するために、赤色光、緑色光、青色光によって各色のグレースケール画像をそれぞれ形成する。合成プリズム２４は、液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂから等距離の位置に設けられている。光源１２からの照明光は、液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを透過することにより画像情報が付与された画像光に変調され、ダイクロイック面２４ａ及び２４ｂが設けられた合成プリズム２４において三色の画像光が合成される。合成された画像光は、投映レンズ２５によりスクリーン上で結像され、フルカラー画像を形成する。
【００１８】
図２において、液晶表示パネル１１Ｒは、光源側より順に、入射側偏光板３０と、ＭＬＡ基板３１と、対向基板３２と、液晶層３３と、ＴＦＴ基板３４と、出射側偏光板３５とが一体に設けられている。入射側偏光板３０と出射側偏光板３５は、その吸収軸が互いに直交したクロスニコルで配置されている。入射側偏光板３０は、入射光を直線偏光にする偏光子として作用し、出射側偏光板３５は、液晶表示パネル１１Ｒの内部を通過した直線偏光を検光する検光子として作用する。なお、液晶表示パネル１１Ｇ，１１Ｂも同様の構成である。
【００１９】
ＭＬＡ基板３１は、１画素に対応して約１０μｍのピッチで複数のマイクロレンズ４０がマトリクス状に配列されたマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）が設けられている。ＭＬＡ基板３１は、その入射側の面に液晶層３３により生じる位相差を補償する位相差補償層４１が設けられている。対向基板３２は、その出射側の面にブラックマトリクス４２と透明な共通電極４３とが設けられている。ブラックマトリクス４２は、例えばクロム膜からなる遮光層である。
【００２０】
ＴＦＴ基板３４には、入射側の面に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）４４と画素電極４５とをマトリクス状に配置したＴＦＴ回路パターン４６が形成されている。ブラックマトリクス４２は、薄膜トランジスタ４４を入射光から遮り、薄膜トランジスタ４４に入射光が当たることによって誤作動が起きることを防止する。ブラックマトリクス４２は対向基板３２に、ＴＦＴ回路パターン４６はＴＦＴ基板３４にそれぞれ井桁状に形成されている。
【００２１】
マイクロレンズ４０と位相差補償層４１との間には、ＭＬＡ基板３１と対向基板３２とを接合する接合層４７が設けられている。接合層４７は、ＭＬＡ基板３１及び対向基板３２よりも屈折率が低い。マイクロレンズ４０は、低屈折率の接合層４７に向かって凸の曲面が形成された正の屈折力のレンズとして作用し、入射側からの光を集光する。集光された入射光は、ブラックマトリックス４２の開口部に位置する共通電極４３を透過し、液晶層３３に達する。
【００２２】
薄膜トランジスタ４４は、オンしたときに画素電極４５と共通電極４３との間に電圧を印加し、液晶層３３の１画素に相当する領域に電場を発生させる。液晶層３３の液晶分子は、発生した電場によりその配向方向を変化させる。なお、液晶層３３と共通電極４３との間、液晶層３３と画素電極４５との間には、電圧無印加状態における液晶層３３の液晶分子を所定の方向に配向させるための配向膜（図示なし）がそれぞれ設けられている。
【００２３】
液晶層３３は、対向基板３２とＴＦＴ基板３４との間に、電圧無印加状態で液晶分子が基板面と平行を保ちながら９０度ねじれて配向した、周知のＴＮモード液晶層からなる。電圧無印加状態のＴＮモード液晶層は、入射側偏光板３０を通過した直線偏光に対し、偏光面を９０度ねじり、出射側偏光板３５を通過させて白表示状態となる。また、電圧が十分に印加された状態では、液晶分子が基板面に略垂直に配向するので、入射側偏光板３０を通った直線偏光がその偏光面を変えずに液晶層３３を通り抜け、出射側偏光板３５に到達して黒表示状態となる。
【００２４】
位相差補償層４１は、円盤状の分子構造を有するディスコティック液晶化合物を重合したディスコティック液晶層からなる。ディスコティック液晶層は、その上層側と下層側との間で配向方向が厚み方向に連続的に変化したハイブリッド配向をとった状態で固定化されている。白表示状態のＴＮモード液晶層は、その中央部の液晶分子が垂直方向に配向するが、基板面付近の液晶分子はチルト角が平面内で変化したハイブリッド配向をとるため、ハイブリッド配向したディスコティック液晶層によりＴＮモード液晶層の位相差を補償することができる。
【００２５】
図３（ａ）において、ＭＬＡ基板３１のマイクロレンズ４０が形成されている表面と、対向基板３２の入射側の表面とには、例えばシリカナノ粒子からなる微粒子５０が凝集して層状にされた微粒子層５１が設けられている。微粒子層５１は、その膜厚が例えば１００ｎｍないし５μｍである。微粒子５０はその粒径が可視光の波長よりも小さく、例えば０．１ないし５ｎｍである。微粒子層５１は、可視光の波長と同程度か、可視光の波長よりも小さい高さの微小な凹凸を有している。また、凹凸の間隔も可視光の波長と同程度であるかこれよりも小さい間隔である。微粒子層５１は、反射防止効果が得られるモスアイ構造体の一種として考えることができる。なお、凹凸の高低差は、微粒子層５１の膜厚と同等でも良いが、製造適性とのバランスを考慮すると可視光の波長以下であることが好ましい。また、透過光として複数種類の可視光線が用いられる場合は、短波長側の光線の波長を考慮して設計される。
【００２６】
微粒子層５１は、例えば、微粒子５０を液体中に分散させた塗布液をマイクロレンズ４０の表面に塗布し、液体成分を蒸散させた時に残留する微粒子５０が凝集することによって形成される。微粒子５０を含有する塗布液を用いて微粒子層５１を付与する場合、高価な設備が必要ない。また、塗布液の塗布後に溶媒を蒸散させる過程で凝集体による凹凸を生成できるから、微粒子層５１を生成する面が平面であるか曲面であるかを問わず、容易に微粒子層５１を生成できる点で好ましい。微粒子層５１は、ＭＬＡ基板３１と接合層４７との屈折率差を有する界面と、接合層４７と対向基板３２との屈折率差を有する界面とでそれぞれ界面反射が起きることを防止する。
【００２７】
微粒子層５１は、粒径が０．１ないし５ｎｍの微粒子が表面に均一に分布しているのではなく、塗布液の溶媒が蒸散する過程で微粒子同士が凝集を生じる形態を保持した不均一な凝集体を形成している。この不均一な凝集体の包絡面としての表面は、微粒子の粒径と比較してはるかに大きい１０ないし２００ｎｍの可視光の波長より小さい凹凸構造を形成する。また、凝集体は、微粒子が密に充填したものではなく、内部に空隙を含んだ４０％ないし７０％の低い充填率の構造体である。
【００２８】
ＭＬＡ基板３１と対向基板３２を接着剤で接着した時、モスアイ構造の空隙に接着剤が充填される場合と充填されず空隙のまま残る場合がある。空隙のまま残る場合、接合層４７は微粒子層５１の表面形状であるモスアイ構造に接着剤が沿って追随した形で形成され、接着剤と微粒子層の間の界面の屈折率は連続になり反射防止作用が効果的に発揮される。接着剤が空隙に含浸した場合における微粒子層５１の屈折率は、微粒子の材料の屈折率と接着剤の材料の屈折率の存在比率に依存する中間の屈折率となる。一般に、２つの材料の界面の反射率は、その界面に２つの材料の中間の屈折率の膜を介在させる事により抑制できることが知られており、さらにその界面の形状がモスアイ構造であれば反射防止効果が向上する。すなわち、ＭＬＡ基板３１のマイクロレンズ４０が形成されている表面と、対向基板３２の入射側の表面の反射率が効果的に抑制されることになる。
【００２９】
ただし、微粒子層５１の材料の屈折率と空隙率は、対向基板３２の材料の屈折率と接着剤の屈折率を考慮して最適な組合せを選択する必要がある。この際、微粒子層５１が接着剤と接する面はモスアイ構造の反射防止作用により微粒子層５１の材料の屈折率と空隙率の影響は殆ど無いが、対向基板３２と微粒子層５１の界面は、実効的な屈折率が可能な限り接近しているのが好ましい。このため、微粒子材料の屈折率と空隙率は適切に選択されることが好ましい。また、他の手段として、微粒子５０の材料として、ＳｉＯ２やＴｉＯ２など屈折率の異なる材料を準備し、その混合比を最適化する手段も採用できる。
【００３０】
なお、微粒子５０の凝集体である微粒子層５１の強度が低いことが問題になる場合、接合層４７はこれを補完するための保護層として作用する。微粒子層５１の強度は、これを構成する微粒子５０の材質や粒径、結着させる接着剤の種類、溶媒の種類や蒸散速度等の凝集条件によってその強度に差が生じる。保護層として作用する接合層４７は、一方が凹凸構造と隙間なく接触し、他方が対向基板３２に接するように設けられ、対向基板３２に加わる応力が凹凸構造の頂点に集中する事を防ぎ、凹凸構造を安定して維持させる。保護層となる接合層４７の材質としては、対向基板３２との界面での反射や屈折を抑えるために対向基板３２と同等な屈折率を有する素材を用いることが好ましい。接合層４７は、凹凸構造を破壊しないものであれば重合性組成物を硬化させることや、樹脂のモールディング等の既知の方法により作製できる。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、ＭＬＡ基板３１と接合層４７の界面、及び接合層４７と対向基板３２の界面に微粒子層５１が存在しない場合、各界面で入射光の一部が界面反射を起こし、これらが迷光となって液晶表示パネル１１Ｒの内部を透過することになる。迷光は様々な角度で液晶層３３を透過し、位相差補償層４１によって適切な位相差補償がなされない楕円偏光となって出射側偏光板３５を通過する。また、入射側偏光板３０と出射側偏光板３５を通過するときの光線の角度が変化する。この結果、出射側偏光板３５による光の遮断率が低下し、黒表示の精度が劣化したコントラストの低い画像を形成してしまうことになる。
【００３２】
一方、図３（ａ）に示す本発明では、微粒子層５１によるモスアイ構造によって迷光が生じず、位相差補償層４１による位相差補償が適切になされ、入射側偏光板３０と出射側偏光板３５との間で光線の角度がほぼ保たれる。すなわち、出射側偏光板３５による光の遮断率が高められ、黒表示の精度が高められた良好なコントラストを示す画像を形成できることになる。
【００３３】
なお、上記実施形態では、反射防止体として微粒子層５１が設けられているが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、マイクロレンズ４０を形成するための金型の表面に、可視光の波長より小さい周期の凹凸構造を予め形成し、マイクロレンズ４０のモールディングと同時にその表面に凹凸構造が形成されるようにしてもよい。同様に、対向基板３２の表面に凹凸構造を形成してもよい。また、微粒子塗布又はモールディングによるモスアイ凹凸構造以外にも、高屈折率の薄膜と低屈折率の薄膜を積層した多層薄膜による反射防止膜を用いてもよい。
【００３４】
上記実施形態では、屈折率の高いガラス板からなるＭＬＡ基板３１及び対向基板３２の間の空隙を比較的屈折率の低い合成樹脂等の接合層４７で満たし、ＭＬＡ基板３１と対向基板３２を一体としているが、接合層４７を設けずに空気層としてもよい。また、マイクロレンズ４０と接合層４７以外に高屈折率層と低屈折率層の界面が存在する場合には、その界面に反射防止体を設けてもよい。また、凹面を形成した固体の低屈折率層の表面に反射防止体を設け、反射防止体が設けられた低屈折率層にマイクロレンズ４０の材料を積層させ、マイクロレンズ４０を形成してもよい。
【００３５】
本発明は、液晶プロジェクタに設けられる液晶表示装置の他に、直視型の液晶ディスプレイに適用することもできる。また、本発明をマイクロレンズアレイとカラーフィルタを備えたカラー液晶表示装置に適用することもできる。ＴＮモードと異なるＶＡモード液晶層等の他の動作モードの液晶層を備えた液晶表示装置に本発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】液晶プロジェクタの構成を示す平面図である。
【図２】液晶表示パネルの断面図である。
【図３】マイクロレンズの拡大図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  液晶プロジェクタ
１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ  液晶表示パネル
３１  ＭＬＡ基板
３２  対向基板
３３  液晶層
３４  ＴＦＴ基板
４０  マイクロレンズ
４７  接合層
５０  微粒子
５１  微粒子層
【図１】
2007264066.tif 000003
【図２】
2007264066.tif 000004
【図３】
2007264066.tif 000005