(57)【要約】【課題】ＢＭで遮断される光線の量を軽減して光の利用効率をアップさせるマイクロレンズを用いた液晶デバイス用の対向基板を提供する。【解決手段】液晶プロジェクタに用いられる液晶デバイスにおいて、ＴＦＴ基板とともに液晶層を挟持し、光照射側に配備される対向基板であって、液晶デバイスにおける個々の画素に対応するマイクロレンズのアレイを片面に形成されたマイクロレンズアレイ基板と、ブラックマトリックス層と、該マイクロレンズアレイ基板とブラックマトリックス層間に配備された媒質層とを一体化して構成された対向基板であって、上記マイクロレンズアレイは集光用の同一のマイクロレンズアレイ配列であり、上記マイクロレンズの入射側には正のパワーを有する第１のレンズ曲面が形成され、該マイクロレンズの出射側には、正のパワーを有する第２のレンズ曲面が形成されたことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶プロジェクタに用いられる液晶デバイスにおいて、ＴＦＴ基板とともに液晶層を挟持し、光照射側に配備される対向基板であって、液晶デバイスにおける個々の画素に対応するマイクロレンズのアレイを片面に形成されたマイクロレンズアレイ基板と、ブラックマトリックス層と、該マイクロレンズアレイ基板とブラックマトリックス層間に配備された媒質層とを一体化して構成された対向基板であって、上記マイクロレンズアレイは集光用の同一のマイクロレンズアレイ配列であり、上記マイクロレンズの入射側には正のパワーを有する第１のレンズ曲面が形成され、該マイクロレンズの出射側には、正のパワーを有する第２のレンズ曲面が形成されたことを特徴とする液晶デバイス用の対向基板。
【請求項２】
請求項１記載の液晶デバイス用の対向基板において、前記第２のレンズ曲面はマイクロレンズの出射側の周辺部に設けて前記画素の周辺部のみに対応するレンズ曲面であることを特徴とする液晶デバイス用の対向基板。
【請求項３】
請求項１または２記載の液晶デバイス用の対向基板において、前記第２のレンズ曲面はマイクロレンズの出射側全体に緩い曲率を設けて前記画素全体に対応するレンズ曲面であることを特徴とする液晶デバイス用の対向基板。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の液晶デバイスにおいて、少なくとも前記マイクロレンズアレイ基板と前記ブラックマトリックス層との間に平面基板とを有し、該平面基板と前記マイクロレンズアレイ基板のマイクロレンズが形成された面を内側にして重ねてブラックマトリックス層とを一体化して前記対向基板を構成したことを特徴とする液晶デバイス用の対向基板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載された液晶デバイス用の対向基板と、ＴＦＴ基板とにより液晶層を挟持してなることを特徴とする液晶デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ等の光学機器に使用される液晶パネル等の液晶デバイスの対向
基板および内部に組み込まれるマイクロレンズアレイの技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタ等の電気光学装置などでは、その装置に用いられる液晶パネル等の液晶デバイスの各画素において、実際に表示に寄与し得る光が透過したり反射したりする領域は、各種配線や電子素子等の存在によって本質的に限られている。そこで、従来は、例えば、液晶パネル等の液晶デバイスにおいて、各画素に対応する凸型マイクロレンズや凹型マイクロレンズを所定の位置に配列したマイクロレンズアレイを液晶層の対向基板に作り込んだり、マイクロレンズアレイ基板を対向基板に貼り付けたりして、液晶層に入射される光量を画素単位で集光するようにしている。各種配線や電子素子等により形成されるブラックマトリックス層のブラックマトリックス（ＢＭ）によって液晶層に入射される光量は各画素において本質的に限られている。電気光学装置においてマイクロレンズアレイを利用することにより、各画素の開口領域内に光束が導かれるようにした結果、明るい表示が可能となる。マイクロレンズに限らず、レンズサイズを大型化した凸型や凹型レンズの利用分野は、電気光学装置の大型化に対応する分野も含めて将来的にも広がるものである。
【０００３】
このように光の利用効率を上げるために、従来の技術においてもマイクロレンズを使用してＢＭ（ブラックマトリックス）を避けるように各画素ごとに各画素への入射光線を曲げる構成が用いられている。ただし、光線を大きく曲げすぎると、仮にＢＭを通過できたとしても投射レンズで取り込めなくなるため、ＢＭを避けつつも、できるだけテレセントリックに近い光が必要となる。今まではマイクロレンズの入射側に一つの曲面を設けて光線を適度に曲げ、ＢＭを避けつつテレセントリックに近い光となるようにバランスをとっていた。
【０００４】
従来例の技術として、液晶デバイスの構造として、液晶デバイスでのＴＦＴ基板とともに液晶層を挟持し、光照射側に配備される対向基板の構成として、液晶デバイスにおける個々の画素に対応するマイクロレンズのアレイを片面に形成されたマイクロレンズアレイ基板と、平面基板とをマイクロレンズの形成された面を内側にして重ねて一体化した対向基板が特許文献１に開示されている。ＴＦＴ基板の液晶層に接する側の面には、液晶に対する駆動電界を印加するためのＴＦＴ（Thin  Film  Transistor）では画素が列に従って配列形成され、これらＴＦＴを駆動するためのバスラインが形成されている。
【０００５】
その結果このＴＦＴ基板においては、ＴＦＴとバスラインの形成されていない部分が微小な開口として２次元的に配列し、個々の開口が画素に対応する。ＴＦＴ基板でない方の基板は、対向基板と呼ばれ、対向基板の液晶層に接する側の面には、ＴＦＴに対する透明な対向電極層と、ＴＦＴやバスラインに対して照射光束を遮光するＢＭ（上記画素に対応する開口に応じた開口の配列が形成されている）等がブラックマトリックス層に形成されている。このように、ＴＦＴ−ＬＣＤにおいて、一つの画素はＴＦＴやバスライン等により光の透過しない部分と、開口部からなり、開口部の面積は１画素の割り当て面積の一部である。このため、ＴＦＴ−ＬＣＤに平行光束を照射した場合、個々の画素あたりにおいて、開口部を透過できるのは入射光の３０％程度と小さく、光の利用効率が悪い。これを改善するために、ＴＦＴ−ＬＣＤにおける個々の画素に対応してマイクロレンズを設け、各マイクロレンズにより光を対応する画素の開口部（ブラックマトリックスの開口部）に集光するようにすることが知られている。このようにすると、光利用効率を有効に高めることができる。
【０００６】
特許文献１には、液晶プロジェクタに用いられる液晶デバイスにおいて、ＴＦＴ基板とともに液晶層を挟持し光照射側に配備される対向基板をマイクロレンズアレイ基板と平面基板とを重ねて一体化した技術が開示されている。マイクロレンズアレイ基板は、集光用の同一のマイクロレンズアレイ配列を片面に形成された透明な基板であって、マイクロレンズの個々が液晶デバイスにおける個々の画素に対応する。平面基板との重ね合わせにおいては、マイクロレンズアレイの形成された面（液晶層側）が内側にされる。良好な光利用効率を得るためには、ＴＦＴ−ＬＣＤに照射する光束のＴＦＴ−ＬＣＤへの入射角を極めて高い精度で、入射角：０に調整する必要がある。このため、マイクロレンズアレイ形成面から液晶層側の面までの距離が、上記マイクロレンズの焦点距離に略等しく、この焦点距離は、液晶デバイスにおける画素のピッチの１０倍以下の大きさ等とするマイクロレンズアレイの形状および配置が用いられている。
【０００７】
特許文献２には、液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応して配列され、照明光を対応する液晶画素のブラックマトリックス開口部内に集光する機能を有する集光性のマイクロレンズをアレイ配列したマイクロレンズアレイにおいて、個々のマイクロレンズの照明光の入射側の頂部を光軸に直交する平面部として、照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する技術が開示されている。また、マイクロレンズアレイと照射光の入射側に配備されたカバーガラスとの間がマイクロレンズアレイの材質に対して所定の屈折率差をもつ媒質とすることにより、媒質とマイクロレンズとの境界部でマイクロレンズのレンズ面の屈折作用を高める技術が開示されている。
【０００８】
特許文献３には、光束の入射面に複数の凸レンズまたは凹レンズで、光束の出射側に向かって細くなるテーパ状の円筒形状部分を備えたマイクロレンズが形成され、また光束の出射側には複数のレンズの少なくとも中心を避ける位置に対応して複数の凹部に遮蔽層（ブラックマトリックス）が形成されたマイクロレンズアレイ基板の構造と製造方法が開示されている。この凹部の開口部の面積が底面部の面積より大きくなっていることにより遮光性材料が凹部内に導かれる構成となっているので、出射光束は、入射光束を絞りこんだ状態で出射される。マイクロレンズアレイ基板に形成されたマイクロレンズは、光束の入射面側に設けられた凸状あるいは凹状のマイクロレンズの周辺に光束を絞り込むのに適したブラックマトリックスも備えた構成とされている。
【０００９】
特許文献４には、第１のマイクロレンズアレイと中間基板を介して第２のマイクロレンズアレイとを協働させてＲＧＢの光束を液晶表示素子の絵素位置に光束を透過させる２層マイクロレンズアレイと、液晶表示素子とを有する液晶パネルユニットが開示されている。第１のマイクロレンズアレイのマイクロレンズは、凸状に突出する複数の球面レンズの外周部が正六角形に形成され、隣接する球面レンズの外周部にそれぞれ当接され、球面レンズの厚み方向から見て蜂の巣状に配置されている。球面レンズの曲率半径は例えば約１５μｍに設定されている。第２のマイクロレンズアレイのマイクロレンズは稠密構造に配置されるとともに、画素配列がデルタ配列になっている。例えば長辺４５μｍ、短辺１５μｍ、レンズの厚み方向は２０μｍに設定され、項面は平面状に構成されている。これらのマイクロレンズの構成により、光源から発せられる光線で完全平行化されていない多くの光線を、一定間隔おきに形成されたブラックマトリックスの開口部を透過させる技術が開示されている。
【００１０】
特許文献１〜４に記載された従来の技術は、このように光の利用効率を上げるために、マイクロレンズの形状や配置を利用してＢＭを避けるように入射光線を曲げている。特許文献１〜２の技術は、マイクロレンズの入射側の曲面を改良した内容であり、特許文献３の技術は、入射側に曲面が形成されたマイクロレンズを透過した入射光を、マイクロレンズアレイ基板に設けたマイクロレンズと近接して設けた遮光層（ブラックマトリック）とで各画素に光を照射する内容であり、マイクロレンズの入射側に曲面が形成された技術である。特許文献４の技術は、マイクロレンズを２層構造として中間基板の対向する２面上にそれぞれ形成した内容である。このようにマイクロレンズの入射側のレンズ曲面の形状やマイクロレンズの配置において、光線を大きく曲げすぎると、仮にＢＭを通過できたとしても光線を例えばプロジェクタ等における投射レンズで取り込めなくなるため、これを避けるために、ＢＭを避けつつも、できるだけテレセントリックに近い光が必要となる技術が開示されている。
【００１１】
図６、７は、従来の技術の一例として、少なくともマイクロレンズアレイ基板（マイクロレンズ１２１を複数整列し配列した基板）とブラックマトリックス２０１が形成されたブラックマトリックス層とで構成される対向基板２と、液晶層２０２、ＴＦＴ基板２０３を含めた液晶デバイス１の構成を示す図である。また、液晶パネル1画素についてのマイクロレンズアレイのマイクロレンズ１２１とブラックマトリックス（BM）２０１と光源１１から発射された光束１３１ｃとしての入射光線との関係をも示す図である。液晶層２０２を挟んでＴＦＴ基板２０３とブラックマトリックス２０１を形成する層には、それぞれ１画素を構成する対向電極２１１ａと２１１ｂの群が複数設けられている。マイクロレンズ１２１は、光束１３１ｃの入射側に正にパワーを有する曲率を有し、出射側は入射する光束１３１ｃの光軸に垂直な一様の平面を有する。このようなマイクロレンズ構造が、複数整列された状態で配列されて図示しないマイクロレンズアレイを形成する。この従来例では、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズ１２１の入射側にのみ正にパワーを有する曲面を設けることにより、光束入射側における一つの曲面で光束１３１ｃを適度に曲げ、かつマイクロレンズアレイ全体として、ブラックマトリックス（BM）２０１における遮蔽部を避けつつも、テレセントリックに近い光束がBMを透過するようにバランスをとっていた。
【００１２】
この従来例の技術では、正のパワーを有するレンズ曲面を、マイクロレンズ１２１の光線入射側の曲面に設けるだけで、ＢＭ手前の領域には一つしか配置されていない。このためマイクロレンズアレイの各レンズの周辺部の光線がＢＭで遮断される割合が大きくなることにより、光の利用効率を低下させてしまい、マイクロレンズ１２１としての光の利用効率をアップさせることが困難という問題が生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第３５３５６１０号公報
【特許文献２】特開２００６−１３８９８７号公報
【特許文献３】特許第３９３１９３６号公報
【特許文献４】特許第４２３０１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、係る事情の下になされたもので、２つ（またはそれ以上）の正のパワーを有するレンズ曲面を配置して光線を折り曲げることにより、ＢＭで遮断される光束の量を軽減して光の利用効率をアップさせる液晶デバイス用の対向基板に用いて光の利用効率を向上させるマイクロレンズを提供することを目的とする。またこのマイクロレンズをアレイ状に形成させたマイクロレンズアレイを用いた液晶デバイス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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、請求項１に記載のとおり、液晶プロジェクタに用いられる液晶デバイスにおいて、ＴＦＴ基板とともに液晶層を挟持し、光照射側に配備される対向基板であって、液晶デバイスにおける個々の画素に対応するマイクロレンズアレイを片面に形成されたマイクロレンズアレイ基板と、ブラックマトリックス層と、該マイクロレンズアレイ基板とブラックマトリックス層間に配備された媒質層とを一体化して構成された対向基板であって、上記マイクロレンズアレイは集光用の同一のマイクロレンズアレイ配列であり、上記マイクロレンズの入射側には正のパワーを有する第１のレンズ曲面が形成され、該マイクロレンズの出射側には、正のパワーを有する第２のレンズ曲面が形成されたことを特徴とする液晶デバイス用の対向基板である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、集光用の同一のマイクロレンズアレイ配列の、マイクロレンズの入射側には正のパワーを有する第１のレンズ曲面が形成され、マイクロレンズの出射側には、正のパワーを有する第２のレンズ曲面が形成されたことにより、マイクロレンズの曲面形状を改良する構成により、ブラックマトリックスを避けつつも、画素に出射される光束をテレセントリックに近い光として透過させることが容易に可能になり、光利用効率のアップを図ることが容易に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における概略斜視図である。
【図２】本発明に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における第１の実施例の概略側面図である。（マイクロレンズ周辺部のみ曲面）
【図３】本発明に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における第２の実施例の概略側面図である。（マイクロレンズ出射面全体に曲面）
【図４】本発明に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における第３の実施例の概略側面図である。
【図５】本発明に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素を構成するマイクロレンズおよび媒質等の数値データを示す図であり、（ａ）は構成要素を示す図、（ｂ）は、マイクロレンズおよび媒質等の従来品と実例の数値データおよび光束量のデータを示す図、（ｃ）は、マイクロレンズおよび媒質等の別の従来品と別の実例の数値データおよび光束量のデータを示す図、（ｄ）は、マイクロレンズの非球面データを示す図である。
【図６】従来の技術に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における概略斜視図である。
【図７】従来の技術に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素における概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態を示す図であり、液晶デバイス用の対向基板を構成するマイクロレンズ１０１とブラックマトリックス２０１と、液晶層２０２(図２に示す)、ＴＦＴ基板２０３およびブラックマトリックス２０１の層と、ＴＦＴ基板２０３に形成された画素電極２１１ａ、２１１ｂからなる液晶デバイス１の一画素を概略的に示している。光源１１から発射された光束は、マイクロレンズ１０１を透過し、ブラックマトリックス２０１の開口部、液晶層２０２、ＴＦＴ基板２０３を透過して投射される。液晶デバイス１としては、このようなマイクロレンズ１０１が複数整列して配置されたマイクロレンズアレイを用いるものであるが、便宜上、１画素分のみを示している。
【００１９】
図２は、本発明の実施例を示す図であり、液晶デバイス１、対向基板２の構成は、従来技術と同様であり、詳細説明は省略する。図２のマイクロレンズ１０１ａに入射された光束１３１ａが、マイクロレンズ１０１ａの出射側の周辺部に設けられた正のパワーを有するレンズ曲面により曲げられて、ブラックマトリックス２０１の遮光部を避けて、略テレセントリックに液晶層２０２を透過する状態を示す図である。このようにマイクロレンズ１０１ａの光線の入射側と出射側にそれぞれ正のパワーを有するレンズ曲面を形成することで、ＢＭを避けつつ、画素開口部にテレセントリックな光を照射することが簡易な構成にて可能になる。（請求項１、２）
【００２０】
図３は、他の実施例を示す図であり、図２の実施例のマイクロレンズ１０１ａにおけるレンズ曲面に加えて、図３のマイクロレンズ１０１ｂにおいて、マイクロレンズレンズ１０１ｂの出射側表面のＢＭに対向するレンズ面に、非球面状の緩い曲面を形成することにより、ＢＭ開口部への光の強さを増すようにした構成とするものである。ＢＭを避けつつ、画素開口部に略テレセントリックな光を照射することが簡易な構成にて可能になる。周辺部に設けた正のパワーを有するレンズ曲面の部分と協働することにより、ＢＭを避けつつ、画素開口部にテレセントリックな光を照射することが簡易な構成にてより可能になる。（請求項３）
【００２１】
図４は、図２、図３に示す実施例に加えて、マイクロレンズアレイ基板（図４では、マイクロレンズ１０１ａ）とブラックマトリックス２０１層との間に平面基板１２０とを有し、該平面基板１２０と前記マイクロレンズアレイ基板のマイクロレンズ１０１ａが形成された面を内側にして重ねて一体化して前記対向基板２を構成した実施例を示す図である。マイクロレンズアレイ基板と平面基板１２０とが対向する位置で、固定され易くなり、ＢＭを避けつつ、位置決めされる画素開口部に略テレセントリックな光を照射することが簡易な構成にてより安定した状態で可能になる。（請求項４）
【００２２】
図５は、本発明の実施の形態に係る本発明に係る液晶デバイス用の対向基板の１画素を構成するマイクロレンズおよび媒質等の数値データを示す図であり、（ａ）は、構成要素を示す図、（ｂ）は、マイクロレンズおよび媒質等の従来品と実例の数値データおよび光束量のデータを示す図、（ｃ）は、マイクロレンズおよび媒質等の別の従来品と別の実例の数値データおよび光束量のデータを示す図、（ｄ）は、マイクロレンズの非球面データを示す図である。
【００２３】
詳細には、図５（ａ）は、マイクロレンズとＢＭとにおけるマイクロレンズの前後の媒質の屈折率、マイクロレンズの曲率半径、非球面形状、ＢＭとの各部デメンションを表す図であり、図５（ｂ）は、従来品、本発明の実例１、実例２として具体的な数値を表すとともに、ＢＭ２０１層、液晶層２０２、ＴＦＴ基板２０３を透過する光束量を示す図である。従来品に比較して、出射側レンズ曲面に非球面を設けた実例１、実例２における光束量は、従来品（入射側のレンズ曲面を非球面、出射側のレンズ曲面を平面とした構成）と比較して、本発明の実例１による出射側のレンズ曲面を緩い曲面（非球面）にした一例のものは、明るさが２．５％向上し、さらに本発明の実例２による出射側のレンズ曲面を球面化した一例のものは、明るさが０．５％向上するという結果を得ることができた。図５（ｃ）は、従来品、本発明の実例３として具体的な数値を表すとともに、マイクロレンズの屈折率Ｎ２が高い場合（屈折率：Ｎ＝２．０）における従来品（Ｒ２：平面）と実例３（Ｒ２：非球面）の光束量を示す図である。従来品に比較して、出射側レンズ曲面に非球面を設けた実例３における光束量は、明るさが１．３％向上するという結果を得ることができた。図５（ｄ）のマイクロレンズ１０１のレンズ非球面におけるＲ、Ｋ、Ｅ４、Ｅ６、Ｅ８、Ｅ１０の記号は、マイクロレンズの非球面の形状を表す係数である。
【００２４】
このように液晶デバイス用の対向基板と、ＴＦＴ基板とにより液晶層を挟持してなる液晶プロジェクタ用の液晶デバイスを構成することができる。（請求項５）
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上説明したように、本発明の液晶デバイス用の対向基板によれば、簡易な構成により、光効率を向上させた液晶デバイスを液晶プロジェクタなどの電気光学機器に応用することが可能になる。
【符号の説明】
【００２６】
１…液晶デバイス
２…対向基板
１１…光源
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１２１…マイクロレンズ
１２０…平面基板
１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ…光束
２０１…ブラックマトリックス
２０２…液晶層
２０３…ＴＦＴ基板
２１１ａ、２１１ｂ…対向電極
【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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