(57)【要約】【課題】有機材料と無機材料との混合比によって屈折率や硬度の設計の自由度が高いマイクロレンズ基板の提供。【解決手段】基板に一体成型された凸部１２１を備えた凸レンズ基板１２と、凸レンズ基板１２と対向する面に、前記凸部１２１と対応する形状の凹部１１１を有する凹部付基板１１と、を有し、前記凸レンズ基板１２は、有機材料と無機材料との混合物を成型したものであるマイクロレンズ基板１０。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に一体成型された凸部を備えた凸レンズ基板と、
前記凸レンズ基板と対向する面に、前記凸部と対応する形状の凹部を有する凹部付基板と、
を有し、
前記凸レンズ基板は、有機材料と無機材料との混合物を成型したものであるマイクロレンズ基板。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロレンズ基板において、
少なくとも前記無機材料の粒径が１５ｎｍ以下であることを特徴とするマイクロレンズ基板。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマイクロレンズ基板において、
前記有機材料はアクリル系有機材料であり、前記無機材料は酸化ジルコニウムであることを特徴とするマイクロレンズ基板。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つに記載のマイクロレンズ基板を有する画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズ基板及び当該マイクロレンズ基板を有する画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶パネル等の画像表示素子を用いてスクリーン上に画像を投影する画像投射装置が知られている。
【０００３】
このような画像投射装置において、液晶パネルを透過する光の透過率を向上させる目的で、多数の微小なマイクロレンズが並べられたマイクロレンズ基板を用いる技術が知られている（例えば特許文献１〜６参照）。
また、このようなマイクロレンズ基板においては、有機材料と無機材料とが化学的に結合した複合材料を用いることにより屈折率と硬度とを高くする技術が知られている。
しかしながら、かかる複合材料によって屈折率と硬度とを両立させるマイクロレンズ基板においては、含有する無機材料と有機材料との比が制限されるため、屈折率や硬度に制限があるという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、有機材料と無機材料との混合比によって屈折率や硬度の設計の自由度が高いマイクロレンズ基板の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明にかかるマイクロレンズ基板は、基板に一体成型された凸部を備えた凸レンズ基板と、前記凸レンズ基板と対向する面に、前記凸部と対応する形状の凹部を有する凹部付基板と、を有し、前記凸レンズ基板は、有機材料と無機材料との混合物を成型したものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のマイクロレンズ基板によれば、有機材料と無機材料との混合比によって屈折率や硬度の設計の自由度が高い。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態における画像投射装置の構成の一例を示す図である。
【図２】図１に示した画像投射装置に用いる液晶パネルの構成の一例を示す図である。
【図３】図２に示したマイクロレンズ基板の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態として、画像投射装置の構成の一例を図１に示す。
【０００９】
画像投射装置１０００は、光束を射出する光源３０１と、光源３０１から射出された光束の照度のばらつきを低減するためのインテグレータ光学系たるインテグレーターレンズ３０２、３０３と、を有している。
画像投射装置１０００は、複数のダイクロイックミラー３０５、３０７を有する色分離光学系３０と、分離されたそれぞれの色に対応する光束を合成して投射するためのダイクロイックプリズム７３と、投影面たるスクリーン３２０に対して画像を投射するための投射レンズ７２と、を有している。
【００１０】
画像投射装置１０００は、光路を形成するためのミラー３０４、３０６、３０８、３０９と、ダイクロイックプリズム７３に取り付けられた画像表示素子たる液晶パネル１００とを有している。
【００１１】
光源３０１は、白色光を射出するハロゲンランプである。光源３０１には他に、ＬＥＤや水銀ランプなどを用いても良いし、レーザー光源を用いても良い。
インテグレーターレンズ３０２、３０３は、光源３０１から射出された光束の照度分布、すなわち光強度の分布を均一にするためにレンズを縦横に複数並べて設けられた一対のフライアイレンズである。
インテグレーターレンズ３０２、３０３は、それぞれ照度分布の違うレンズが重なり合うことで照度ムラが打ち消されて、入射した光束の照度分布を平均化する。
【００１２】
ダイクロイックミラー３０５、３０７は、それぞれ所定の範囲内の波長の光を反射し、当該所定の範囲外の波長を透過するために設けられた波長分離手段たるミラーであり、赤、緑、青の各基本色の光路選択手段としての機能を有している。
ダイクロイックミラー３０５は、赤、青、緑の光の３原色のうち、赤のみを透過し、青、緑を反射する機能を有している。
ダイクロイックミラー３０７は、緑のみを反射し、青を透過する。
【００１３】
液晶パネル１００は、図２に示すように、液晶層５０と、液晶層５０を制御するための制御スイッチである画素電極５が縦横に整列して配置された液晶制御基板たるＴＦＴ基板４と、液晶層５０を挟むようにＴＦＴ基板４と対向して設けられた透明電極３と、を有している。
液晶パネル１００はまた、ＴＦＴ基板４とは反対側に、透明電極３と隣接して配置されたマイクロレンズ基板１０を有している。
【００１４】
マイクロレンズ基板１０は、図３に示すように、基板と一体に成型された凸部１２１を有する凸レンズ基板１２と、凸レンズ基板１２と対向する面に、凸部１２１と対応する形状の凹部１１１が形成された凹部付基板１１と、を有している。
マイクロレンズ基板１０は、凸部１２１が形成された一方の面と反対側の面に、透明電極３が隣接するように配置されている。
透明電極３の一部には、凸部１２１によって収束された光束が透過するように開口部２１が設けられ、また、その他の一部分には遮蔽部たるブラックマトリックス２が設けられている。
【００１５】
凸レンズ基板１２は、主として有機材料と無機フィラーたる無機材料とが混合された混合物である。
ここで、混合物とは、有機材料と無機材料とを化学的に結合させるための操作なく、単に混合させたものであることを示し、有機材料中に無機材料が分散した態様で、一様に分布している状態を表している。
【００１６】
有機材料はアクリル系樹脂のうち、メタクリル酸メチル（ＭＭＡ： Methyl methacrylate)とジペンタエリスリトールヘキサアクリレート（ＤＰＨＡ）とを用いている。
有機材料の例としては他にも、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、等を用いても良いが、アクリル系樹脂またはエポキシ系樹脂が好ましい。
また、重合開始剤として、１‐ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（ＨＣＰＫ）、または過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）を用いる。なお、エポキシ系樹脂の場合には、カチオン重合型の重合開始剤など材料にあわせて適切な重合開始剤を用いる。
【００１７】
無機材料は、個々の材料の粒子の径すなわち粒径が１０ｎｍの酸化ジルコニウムである。無機材料としては、他にも金属酸化物系の、例えば酸化チタン、酸化アルミニウム等の材料を用いても良い。また、無機材料の粒径は、有機材料中に無機材料を均一に分布させるために１５ｎｍ以下であることが望ましい。
酸化ジルコニウムの、波長５５０ｎｍの光の屈折率は２．１であり、有機材料であるＭＭＡやＤＰＨＡの屈折率よりも大きい。従って、酸化ジルコニウムを用いることで、凸レンズ基板１２の透過率、硬度を十分に高くしつつ、屈折率を向上させることができる。
以下、屈折率とは特に断りのない限り、５５０ｎｍの波長の光に対する屈折率であるとする。
【００１８】
無機材料の含有率は、７０ｗｔ％以上では後述する成型過程において凝集する恐れがあるため、３０〜７０ｗｔの範囲内であることが望ましく、４０ｗｔ％〜７０ｗｔ％の範囲内であることがさらに望ましい。
その他、凸レンズ基板１２の材料の含有率の例としては、ＭＭＡが３５ｗｔ％〜６５ｗｔ％、ＤＰＨＡが５〜３５ｗｔ％の範囲内にあることが望ましい。
また、重合開始剤は、紫外線の照射、または加熱により、重合反応を開始させるために少量含有されている。
【００１９】
凸レンズ基板１２は、かかる無機材料と有機材料との配合比によれば、ＪＩＳ−Ｋ５６００−５−４に準拠した測定方法で測定された鉛筆硬度が５Ｈ〜８Ｈの範囲内に収まり、屈折率が１．５４〜１．７１の範囲内に収まる。
【００２０】
凹部付基板１１は、凸部１２１と凹部１１１とが嵌め合わされた様態で固定された、ガラス製の板状体である。
【００２１】
凸レンズ基板１２は、無機材料と有機材料とを含む材料を自公転式撹拌混練機にて混合・撹拌し、未硬化状態で凹部付基板１１に塗布した後、紫外線照射または加熱によって硬化させることで、凹部付基板１１と嵌め合わされた様態で固定して接合される。
【００２２】
液晶パネル１００に凹部付基板１１側から入射した光束は、凸部１２１を透過するときに、凸部１２１の中心軸方向に集まるように方向が偏向される。
このように偏向された光束は、開口部２１を通過し、透明電極３とＴＦＴ基板４の画素電極５との間での充放電によって液晶分子の配向を制御された液晶層５０を透過することで、赤、青、緑何れかの基本色に対応した画像情報を付与されて射出される。なお、薄膜トランジスタ６は、対応する画素電極５に接続されて、画素電極５へと供給される電流を制御する。
各基本色に対応した光束は、ダイクロイックプリズム７３で合成されて、カラーの画像情報として、投射レンズ７２を通してスクリーン３２０に投射される。
【００２３】
以上のような構成の画像投射装置１０００を用いて画像をスクリーン３２０に投射する方法について述べる。
【００２４】
画像投射装置１０００の光源３０１から射出された白色光は、一対のインテグレーターレンズ３０２、３０３を透過することで、光強度を均一にされる。
照度分布が均された光束は、ミラー３０４によって反射され、ダイクロイックミラー３０５によって、白色光のうちの赤、もしくは赤に近い光の波長を持つ成分だけが透過されて、赤色光Ｒがミラー３０６を介してダイクロイックプリズム７３へと進む。
また、それ以外の波長の光は、ダイクロイックミラー３０５によって反射されてダイクロイックミラー３０７の方向へと進む。
ダイクロイックミラー３０７においても同様に、緑、もしくは緑に近い光の波長を持つ成分だけが反射されて、緑色光Ｇがダイクロイックプリズム７３へと進む。
ダイクロイックミラー３０７を透過した青、もしくは青に近い光の波長を持つ成分は、ミラー３０８、３０９を介し、青色光Ｂがダイクロイックプリズム７３へと進む。
【００２５】
赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂが液晶パネル１００を透過し、ダイクロイックプリズム７３によって合成されるまでの過程については、各色で同様であるので、個々の説明を省略し、ここでは代表例として赤色光Ｒが透過する液晶パネル１００についてのみ述べる。
【００２６】
赤色光Ｒは、図３の矢印で示した光軸方向たるＺ方向に向かって、液晶パネル１００の凹部付基板１１側から入射する。
赤色光Ｒが凸部１２１を通過する際には、凸部１２１の凸レンズ効果によって、赤色光Ｒは、凸部１２１の曲率中心Ｏの方へと偏向される。
各凸部１２１において、曲率中心方向へと偏向された赤色光Ｒは、開口部２１を通過して液晶層５０へと照射される。
液晶パネル１００は、ＴＦＴ基板４の指令に基づいて、画素電極５と透明電極３とによって、画素単位での液晶層５０の配向方向を定める。すなわち赤色光Ｒが液晶層５０を透過できるか、遮蔽するかを決定する。
開口部２１を通過した赤色光Ｒは、液晶層５０において、画素単位で透過され、あるいは遮蔽されることで、赤色に対応した画像情報を付与される。
かかる方法によって、基本色それぞれの画像情報を付与された光束が、ダイクロイックプリズム７３で合成された後、投射レンズ７２を介してスクリーン３２０へとカラーの画像情報として投射される。
【００２７】
このような動作の画像投射装置１０００において、精細な画像を表現するためには、液晶パネル１００において、赤色光Ｒを透過するべき画素では透過率を高くし、遮蔽されるべき画素では透過率を０に近づけることが重要である。
しかしながら、液晶層５０の制御には、電極が必須である他、制御のために不透明な部品であるブラックマトリックス２が光路上に存在してしまうことが避けられない。
そのため、マイクロレンズ基板１０を設け、凸レンズ基板１２において、凸部１２１の凸レンズ効果によって曲率中心Ｏに向かって偏向させ、赤色光Ｒが開口部２１を確実に通過するようにしている。
また、開口部２１にかかることのないようにブラックマトリックス２を配置している。
【００２８】
かかるマイクロレンズ基板１０においては、凸部１２１の凸レンズ効果が大きい方が、赤色光Ｒが曲率中心Ｏに向かって偏向されるから、透過率向上の効果が高いことが期待される。
凸部１２１における凸レンズ効果の大きさは、凸部１２１の曲率半径と、凹部付基板１１と凸レンズ基板１２との間の屈折率の差の大きさと、によって決まる。
しかしながら、凸部１２１は、例えば曲率半径が５〜２５μｍ程度の微小なレンズであるから、さらに曲率半径を小さく形成することは難しく、また、凸部１２１同士の幅も表示したい画像の画素数によって制限されるために、自由な変更は難しい。
【００２９】
そこで、本実施形態では、有機材料と無機材料との混合物を成型することで凸レンズ基板１２の屈折率を大きくし、凹部付基板１１と凸レンズ基板１２との間の屈折率の差の大きさを変更することで、透過率を向上させる。
すなわち、本実施形態のマイクロレンズ基板１０によれば、有機材料と無機材料との混合比によって屈折率や硬度の変更の自由度が高い。
【００３０】
この点について詳しく説明する。
有機材料の屈折率を向上させるためには、例えば高屈折率の有機材料を用いる方法が考えられるが、有機材料の多くは硬度が３Ｈよりも低く、カバーガラスのような硬度の高い保護部材と凹部付基板とで凸レンズ基板を挟む必要がある。
こうしたカバーガラスがコスト、重量の増加に寄与してしまうことから、カバーガラスが必要ないマイクロレンズアレイとして、例えば有機材料に、高屈折率の無機材料をドーピングして、化合させるような構成が考えられる。
【００３１】
しかしながら、このように有機材料と無機材料とが化合した複合材料を用いる場合には、有機材料と無機材料との配合比率がある程度固定されてしまうため、無機材料と有機材料との比率を変えることで硬度や屈折率を自由に調整することは困難である。
また、仮にこうした最適な配合比率を無視して、所望の配合比率に変えた場合には、結合の状態が変わってしまうために、凸レンズ基板内に無機材料が不純物として存在し、透過性に悪影響を与えるおそれがある。
【００３２】
本実施形態において、マイクロレンズ基板１０は、基板に一体成型された凸部１２１を備えた凸レンズ基板１２と、凸レンズ基板１２と対向する面に、凸部１２１と対応する形状の凹部１１１を有する凹部付基板１１と、を有している。
また、凸レンズ基板１２は、有機材料の一例たるＭＭＡ、ＤＰＨＡと、無機材料の一例である酸化ジルコニウムと、の混合物を成型したものである。
かかる構成により、有機材料と無機材料との混合比によって凸レンズ基板１２の屈折率や硬度を変えられるから、屈折率や硬度の設計の自由度が高い。
【００３３】
有機材料と無機材料とを混合するのみでは、無機材料の粒径が光の波長に比べて大きい場合には、無機材料の粒子に入射した光が衝突・散乱されてしまい、透過性が悪化する恐れがある。
そこで、本実施形態においては、混合される有機材料と無機材料との粒子の径のうち、少なくとも無機材料の粒径は、透過すべき可視光領域の光の波長の１／２よりも小さい。
かかる構成により、凸レンズ基板１２中に分散した無機材料によって光が散乱されることなく、単に無機材料と有機材料とを混合したのみであっても透過性の悪化を抑制する。
【００３４】
また、本実施形態では、マイクロレンズ基板１０の成型に用いられる無機材料の粒径は１５ｎｍ以下である。
かかる構成により、無機材料の粒径が、透過すべき可視光領域の光の波長に比べて十分に小さいので、凸レンズ基板１２中に分散した無機材料によって光が散乱されることなく、単に無機材料と有機材料とを混合したのみであっても透過性の悪化をさらに抑制する。
【００３５】
本実施形態では、有機材料はＭＭＡとＤＰＨＡであり、無機材料は酸化ジルコニウムである。
かかる構成により、カバーガラスがなくとも十分な耐久性を有し、かつ屈折率を高くすることが出来る。
【００３６】
本実施形態において、画像投射装置１０００は、マイクロレンズ基板１０を有している。
かかる構成により、カバーガラスがなくとも十分な耐久性を有し、かつ屈折率を高くできるから、透過率の低下、ひいては照度の低下を抑制することが出来る。
また、カバーガラスが必要ないから、軽量化が容易でコストを抑制できる。
【００３７】
以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００３８】
例えば、有機材料にはアクリル系有機材料のほか、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、等を用いても良い。
また、無機材料には、上記有機材料よりも屈折率が高く、可視域に吸収の無い金属酸化物を用いることができる。
【００３９】
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４０】
２      ブラックマトリックス
３      透明電極
４      ＴＦＴ基板
５      画素電極
６      薄膜トランジスタ
１０    マイクロレンズ基板
１１    凹部付基板
１２    凸レンズ基板
２１    開口部
５０    液晶層
１１１  凹部
１２１  凸部
３０１  光源
３２０  投影面（スクリーン）
Ｒ      赤色光
Ｇ      緑色光
Ｂ      青色光
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４１】
【特許文献１】特許第４３４５７２９号公報
【特許文献２】特開２００７−０６５５１１号公報
【特許文献３】特開２００７−０６５５１２号公報
【特許文献４】特開２００７−０９４３６８号公報
【特許文献５】特開２００３−２４０９１０号公報
【特許文献６】特開２００４−３１１２５０号公報
【図１】
2016136191.tif 000003
【図２】
2016136191.tif 000004
【図３】
2016136191.tif 000005