(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元的に配列した複数のレンズ面を界面として一面側に配された第一の光学媒体層と、他面側に配され且つ該第一の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第二の光学媒体層とを含み、
所定の間隙を介して該レンズ面の他面側に接合した厚みが３０μｍ以下のカバーガラスを備えており、
前記第一の光学媒体層は透明樹脂の固体からなり、その表面に該レンズ面が成形されており、
前記第二の光学媒体層は透明な流動体からなり、該間隙に充填されて該第一の光学媒体層と該カバーガラスとの間に生じるストレスを緩和し、
前記充填された流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいる
マイクロレンズアレイ。
【請求項２】
二次元的に配列した複数の第一レンズ面からなる第一界面と、該第一レンズ面に対応して同じく二次元的に配列した複数の第二レンズ面からなり且つ該第一界面に対向配置した第二界面とを有する積層構造からなり、
該第一界面側に配された第一の光学媒体層と、該第二界面側に配された第二の光学媒体層と、該第一界面及び第二界面の間に配され且つ第一及び第二の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第三の光学媒体層とを含み、
前記第一、第二及び第三の光学媒体層の内少くとも一層は透明な流動体からなる一方、残りの層は透明樹脂の固体からなり、
前記流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいる
マイクロレンズアレイ。
【請求項３】
前記第一及び第二の光学媒体層は各々表面に第一レンズ面及び第二レンズ面が成形された透明樹脂の固体からなり、
前記第三の光学媒体層は該第一及び第二の光学媒体層の間に充填された透明な流動体からなり、該第一及び第二の光学媒体層の間に生じるストレスを緩和する請求項２記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項４】
第一レンズ面からなるマイクロレンズの主点が第二レンズ面からなるマイクロレンズの焦点位置と略重なる様に、第一界面及び第二界面の間隙寸法が設定されている請求項２記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項５】
前記流動体は、液体、ゲル及びグリースから選択される請求項１又は２記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項６】
前記流動体は、水、エチレングリコール、グリセリン、シリコンオイル及びシリコングリースから選択される請求項１又は２記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項７】
少くとも画素電極及びこれを駆動するスイッチング素子が形成された基板と、少くとも対向電極が形成された基板と、所定の間隙を介して該画素電極と該対向電極とが互いに対面する様に接合した両基板の間に配された液晶層とからなるパネル構造を有し、
少くとも片方の基板には各画素電極に対応してマイクロレンズを二次元的に配列したマイクロレンズアレイが組み込まれており、
前記マイクロレンズアレイは、二次元的に配列した複数のレンズ面を界面として一面側に配された第一の光学媒体層と、他面側に配され且つ該第一の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第二の光学媒体層とを含み、
所定の間隙を介して該レンズ面の他面側に接合した厚みが３０μｍ以下のカバーガラスを備え、
前記第一の光学媒体層は透明樹脂の固体からなり、その表面に該レンズ面が成形されており、
前記第二の光学媒体層は透明な流動体からなり、該間隙に充填されて該第一の光学媒体層と該カバーガラスとの間に生じるストレスを緩和し、
前記カバーガラスが該液晶層に接しており、
前記充填された流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいる
液晶表示素子。
【請求項８】
前記カバーガラスは、あらかじめ画素電極及びこれを駆動するスイッチング素子が形成された表面及びこれと反対側の裏面とを有するガラス板からなり、該裏面を研磨して板厚を３０μｍ以下に薄くした後、該レンズ面に接合されたものである請求項７記載の液晶表示素子。
【請求項９】
もう片方の基板にも各画素電極に対応してマイクロレンズを二次元的に配列したマイクロレンズアレイが組み込まれており、
各画素電極を間にして整合した一対のマイクロレンズは、片方が該画素電極に光を集める集光レンズとして機能し、もう片方がフィールドレンズとして機能する請求項７記載の液晶表示素子。
【請求項１０】
フィールドレンズとして機能するマイクロレンズの焦点が集光レンズとして機能するマイクロレンズの主点と略一致する様に、該カバーガラスの厚みが設定されている請求項９記載の液晶表示素子。
【請求項１１】
少くとも画素電極及びこれを駆動するスイッチング素子が形成された基板と、少くとも対向電極が形成された基板と、所定の間隙を介して該画素電極と該対向電極とが互いに対面する様に接合した両基板の間に配された液晶層とからなるパネル構造を有し、
少くとも片方の基板には各画素電極に対応してマイクロレンズを二次元的に配列したマイクロレンズアレイが組み込まれており、
前記マイクロレンズアレイは、二次元的に配列した複数の第一レンズ面からなる第一界面と、該第一レンズ面に対応して同じく二次元的に配列した複数の第二レンズ面からなり且つ該第一界面に対向配置した第二界面とを有する積層構造からなり、
該第一界面側に配された第一の光学媒体層と、該第二界面側に配された第二の光学媒体層と、該第一界面及び第二界面の間に配され且つ第一及び第二の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第三の光学媒体層とを含み、
前記第一、第二及び第三の光学媒体層の内少くとも一層は透明な流動体からなる一方、残りの層は透明樹脂の固体からなり、
前記流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいる
液晶表示素子。
【請求項１２】
光を発する光源と、入射した光を光学的に変調する機能を有した液晶表示素子と、該液晶表示素子によって変調された光を投射する投射レンズとを備え、
前記液晶表示素子は、少くとも画素電極及びこれを駆動するスイッチング素子が形成された基板と、少くとも対向電極が形成された基板と、所定の間隙を介して該画素電極と該対向電極とが互いに対面する様に接合した両基板の間に配された液晶層とからなるパネル構造を有し、
少くとも片方の基板には各画素電極に対応してマイクロレンズを二次元的に配列したマイクロレンズアレイが組み込まれており、
前記マイクロレンズアレイは、二次元的に配列した複数のレンズ面を界面として一面側に配された第一の光学媒体層と、他面側に配され且つ該第一の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第二の光学媒体層とを含み、
所定の間隙を介して該レンズ面の他面側に接合した厚みが３０μｍ以下のカバーガラスを備え、
前記第一の光学媒体層は透明樹脂の固体からなり、その表面に該レンズ面が成形されており、
前記第二の光学媒体層は透明な流動体からなり、該間隙に充填されて該第一の光学媒体層と該カバーガラスとの間に生じるストレスを緩和し、
前記充填された流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでおり、
前記カバーガラスが該液晶層に接している
投射装置。
【請求項１３】
光を発する光源と、入射した光を光学的に変調する機能を有した液晶表示素子と、該液晶表示素子によって変調された光を投射する投射レンズとを備え、
前記液晶表示素子は、少くとも画素電極及びこれを駆動するスイッチング素子が形成された基板と、少くとも対向電極が形成された基板と、所定の間隙を介して該画素電極と該対向電極とが互いに対面する様に接合した両基板の間に配された液晶層とからなるパネル構造を有し、
少くとも片方の基板には各画素電極に対応してマイクロレンズを二次元的に配列したマイクロレンズアレイが組み込まれており、
前記マイクロレンズアレイは、二次元的に配列した複数の第一レンズ面からなる第一界面と、該第一レンズ面に対応して同じく二次元的に配列した複数の第二レンズ面からなり且つ該第一界面に対向配置した第二界面とを有する積層構造からなり、
該第一界面側に配された第一の光学媒体層と、該第二界面側に配された第二の光学媒体層と、該第一界面及び第二界面の間に配され且つ第一及び第二の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第三の光学媒体層とを含み、
前記第一、第二及び第三の光学媒体層の内少くとも一層は透明な流動体からなる一方、残りの層は透明樹脂の固体からなり、
前記流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいる
投射装置。
【請求項１４】
二次元的に配列した複数のレンズ面を界面として一面側に配された第一の光学媒体層と、他面側に配され且つ該第一の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第二の光学媒体層とを含むマイクロレンズアレイを製造するため、
厚みが３０μｍ以下のカバーガラスを用意する工程と、
透明樹脂の固体からなる第一の光学媒体層の表面にレンズ面を形成する工程と、
所定の間隙を介して該レンズ面の他面側に該カバーガラスを接合する工程と、
透明な流動体からなる第二の光学媒体層を、該間隙に充填する工程とからなり、
該第一の光学媒体層と該カバーガラスとの間に生じるストレスを緩和し、
前記充填された流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいるマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項１５】
二次元的に配列した複数の第一レンズ面からなる第一界面と、該第一レンズ面に対応して同じく二次元的に配列した複数の第二レンズ面からなり且つ該第一界面に対向配置した第二界面とを有する積層構造を有するマイクロレンズアレイを製造するため、
該第一界面側に配された第一の光学媒体層と、該第二界面側に配された第二の光学媒体層と、該第一界面及び第二界面の間に配され且つ第一及び第二の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第三の光学媒体層とを用い、
前記第一、第二及び第三の光学媒体層の内少くとも一層を透明な流動体で形成する一方、残りの層を透明樹脂の固体で形成し、
前記流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいるマイクロレンズアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロレンズアレイとその製造方法に関する。又、マイクロレンズアレイを組み込んだ液晶表示素子に関する。加えて、係る液晶表示素子をライトバルブに用いた投射装置（プロジェクタ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＣＤ（液晶表示素子）、ＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）、ＬＣＯＳ（ＬＣ・ＯＮ・ＳＩＬＩＣＯＮ）などのライトバルブを用いたプロジェクタの開発が盛んに行なわれている。プロジェクタには分類方法によって色々な種類がある。機能面及び形態面からは、パーソナルコンピュータのモニタ表示を主体としたデータ・プロジェクタ、ホーム・シアター用などＡＶ主体のフロント・プロジェクタ又はリア・プロジェクタ、ＴＶ用途などのリア・プロジェクタがある。又、使用するライトバルブの枚数によって１〜３板式に分けられる。さらにライトバルブは透過型と反射型の両方がある。
【０００３】
今後プロジェクタは一層の高輝度化が進展すると考えられる。高輝度化に関しては、第一に光学系の改善が期待されるところである。例えば、使用する光源ランプの高輝度化、アークランプを用いた場合の短アーク長化（点光源化）及び部材の最適化が、小型化とともに進展するであろう。第二には、キー・デバイスであるライトバルブの高開口率化が求められる。これについては、基本的に画素単位での素子の微細化及び高開口率化が求められることになるが、特に電気光学媒体として液晶を用いた場合、単純な素子の微細化だけでは画素の高開口率化を達成することはできない。連続体である液晶の場合、リバースチルトドメインからの光漏れ防止の為、又液晶を駆動する薄膜トランジスタの光リーク防止の為、遮光用のブラックマトリクスの面積がある程度必要となり、その分画素の開口率が犠牲となってしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
液晶表示素子では、従来からマイクロレンズアレイを搭載することにより、光源光の利用効率の向上や高輝度化を図ってきており、例えば特開２０００−２０６８９４にマイクロレンズを組み込んだ平面表示装置が開示されている。
【０００５】
図７を参照して、従来のマイクロレンズアレイの製造方法を簡単に説明する。まず（Ａ）に示す様に、石英基板を洗浄した後、レジストを塗布し、露光現像して、画素に合わせたパタニングを行なう。続いて（Ｂ）に示すように、レジストを介して石英基板の等方性エッチングを行ない、球面形状のレンズ面Ｒを形成する。この際にレジストの代わりにあるいはレジストと共用してＰｏｌｙ−Ｓｉ層をマスクにしても良い。エッチング液としてはＨＦ系あるいはＢＨＦ系を用いることができる。あるいは、等方性ドライエッチで形成しても良い。続いて（Ｃ）に示す様に、石英基板の表面にカバーガラスを貼り合わせ、両者の間隙に屈折率の異なる透明樹脂を充填する。樹脂の充填は真空注入で行なうことができる。ウェットエッチングで球面加工されたレンズ面Ｒに樹脂を充填し、ＵＶ光照射あるいは加熱処理して、樹脂を完全硬化させる。エポキシ系、アクリル系、シリコン系、フッ素系などの樹脂が用いられるが、いずれも紫外線照射処理あるいは加熱処理で硬化固体化される。この様な製法においては、樹脂の硬化収縮あるいはこれらの樹脂の硬化時の熱膨張による歪が生じ易い。これにより、各画素に対応したマイクロレンズＭＬが作成される。最後に（Ｄ）に示す様に、カバーガラスを研磨した後、その表面にＩＴＯなどの透明電極を形成し、対向基板とする。この後図示しないが、画素電極や薄膜トランジスタが形成された駆動基板と対向基板を貼り合わせ、両者の間隙に液晶を注入して、アクティブマトリクス型の液晶表示素子が完成する。
【０００６】
今後、液晶表示素子及びプロジェクタの更なる高輝度化を図る為には、マイクロレンズの光学パラメータの最適化や、非球面マイクロレンズの集積化あるいは他の集積光学デバイスの利用などが考えられる。
【０００７】
これからのマイクロレンズは、高輝度化と同時に高精細化にも対応しなければならない。例えば、液晶表示素子のパネルサイズが小さくなると、これに比例して画素サイズが微細化するので、マイクロレンズ自身も配列ピッチが小さくなる。これに伴い、カバーガラスも薄くする必要が生じてくる。この間の事情を、図８に示す。（Ａ）にある様に、図７で作成したマイクロレンズアレイＭＬＡは、所定の間隙を介して駆動基板と接合し、液晶表示素子が得られる。駆動基板側には複数の画素ＰＸＬが形成されており、各々を隔てる様にブラックマトリクスＢＭおよび画素トランジスタＴＦＴが格子状に配されている。
【０００８】
（Ｂ）は一画素分を拡大した模式図である。マイクロレンズＭＬはプロジェクタの光源から発する照明光を集光して、ブラックマトリクスＢＭ、信号線等で囲まれた画素開口部に照射する。これにより、ＴＦＴを含む画素の実効開口率が改善される。
【０００９】
（Ｃ）は画素ピッチが縮小化された場合を表わしている。画素ピッチの縮小化（液晶パネルの高精細化）に伴い、マイクロレンズＭＬ自身も、相似的に小さくする必要がある。これにより、マイクロレンズが短焦点化し、カバーガラスも極薄に加工する必要がある。今後の高精細化に従い画素ピッチは、小さくなる傾向にあり、マイクロレンズの狭ピッチ化、短焦点化、カバーガラスの薄化に伴い、高精細ＭＬの精度向上の要求は更に求められる。
【００１０】
例えばカバーガラスを実厚で３０μｍ以下に薄くしようとすると、マイクロレンズを構成する光学樹脂の硬化収縮もしくは熱膨張率の差によるストレスで、カバーガラスのうねりや反りが起こってくる為、解決すべき課題となっている。一層の高輝度化を図る為、駆動基板側にもマイクロレンズを設けようとすると、駆動基板に関しても樹脂硬化収縮などによるストレスの影響をなくす必要がある。薄いガラス部材に接して光学樹脂を配し且つ完全硬化すると、硬化収縮あるいはガラス-樹脂の熱膨張差でガラス基板にストレスを与え液晶表示素子のギャップ寸法の均一性などに悪影響を与える。また、高精細化の為の狭ピッチ化に伴い、ＭＬピッチ精度にも影響しやすくなる。さらに、樹脂を硬化する為、紫外線照射もしくは加熱処理を施すと、薄膜トランジスタの動作に悪影響を与える恐れがあり、解決すべき課題となっている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は樹脂の硬化に伴う変形が生じないマイクロレンズアレイ及びその製造方法を提供することを目的とする。係る目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち、二次元的に配列した複数のレンズ面を界面として一面側に配された第一の光学媒体層と、他面側に配され且つ該第一の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第二の光学媒体層とを含むマイクロレンズアレイにおいて、所定の間隙を介して該レンズ面の他面側に接合した厚みが３０μｍ以下のカバーガラスを備えており、前記第一の光学媒体層は透明樹脂の固体からなり、その表面に該レンズ面が成形されており、前記第二の光学媒体層は透明な流動体からなり、該間隙に充填されて該第一の光学媒体層と該カバーガラスとの間に生じるストレスを緩和し、前記充填された流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいる。この気泡は当然、液晶表示素子の有効エリア部に広がっていない程度の体積であることは自明である。
【００１２】
又、本発明に係るマイクロレンズアレイは、二次元的に配列した複数の第一レンズ面からなる第一界面と、該第一レンズ面に対応して同じく二次元的に配列した複数の第二レンズ面からなり且つ該第一界面に対向配置した第二界面とを有する積層構造からなり、該第一界面側に配された第一の光学媒体層と、該第二界面側に配された第二の光学媒体層と、該第一界面及び第二界面の間に配され且つ第一及び第二の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第三の光学媒体層とを含み、前記第一、第二及び第三の光学媒体層の内少くとも一層は透明な流動体からなる一方、残りの層は透明樹脂の固体からなることを特徴とする。ここで前記流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいる。例えば、前記第一及び第二の光学媒体層は各々表面に第一レンズ面及び第二レンズ面が成形された透明樹脂の固体からなり、前記第三の光学媒体層は該第一及び第二の光学媒体層の間に充填された透明な流動体からなり、該第一及び第二の光学媒体層の間に生じるストレスを緩和する。又、第一レンズ面からなるマイクロレンズの主点が第二レンズ面からなるマイクロレンズの焦点位置と略重なる様に、第一界面及び第二界面の間隙寸法が設定されている。
【００１３】
好ましくは、前記流動体は、液体、ゲル及びグリースから選択される。例えば、前記流動体は、水、エチレングリコール、グリセリン、シリコンオイル及びシリコングリースから選択される。
【００１４】
更に本発明は、上述のマイクロレンズアレイを組み込んだ液晶表示素子を包含している。即ち、少くとも画素電極及びこれを駆動するスイッチング素子が形成された基板と、少くとも対向電極が形成された基板と、所定の間隙を介して該画素電極と該対向電極とが互いに対面する様に接合した両基板の間に配された液晶層とからなるパネル構造を有し、少くとも片方の基板には各画素電極に対応してマイクロレンズを二次元的に配列したマイクロレンズアレイが組み込まれている液晶表示素子において、前記マイクロレンズアレイは、二次元的に配列した複数のレンズ面を界面として一面側に配された第一の光学媒体層と、他面側に配され且つ該第一の光学媒体層とは異なる屈折率を有する第二の光学媒体層とを含み、所定の間隙を介して該レンズ面の他面側に接合した厚みが３０μｍ以下のカバーガラスを備え、前記第一の光学媒体層は透明樹脂の固体からなり、その表面に該レンズ面が成形されており、前記第二の光学媒体層は透明な流動体からなり、該間隙に充填されて該第一の光学媒体層と該カバーガラスとの間に生じるストレスを緩和し、前記カバーガラスが該液晶層に接している。前記充填された流動体は、レンズ面からはずれた周辺部位にストレスを吸収する為に気泡を含んでいる。
【００１５】
好ましくは、前記カバーガラスは、あらかじめ画素電極及びこれを駆動するスイッチング素子が形成された表面及びこれと反対側の裏面とを有するガラス板からなり、該裏面を研磨して板厚を３０μｍ以下に薄くした後、該レンズ面に接合されたものである。又、もう片方の基板にも各画素電極に対応してマイクロレンズを二次元的に配列したマイクロレンズアレイが組み込まれており、各画素電極を間にして整合した一対のマイクロレンズは、片方が該画素電極に光を集める集光レンズとして機能し、もう片方がフィールドレンズとして機能する。この場合、フィールドレンズとして機能するマイクロレンズの焦点が集光レンズとして機能するマイクロレンズの主点と略一致する様に、該カバーガラスの厚みが設定されている。
【００１６】
本発明によれば、カバーガラスの実厚が３０μｍ以下の超薄型マイクロレンズアレイを実現する為、個々のマイクロレンズを構成する屈折率の異なった光学媒体層の内、少くとも一層は硬化樹脂を用いることなく流動体を採用している。流動体は樹脂硬化により発生するストレスを緩和し、カバーガラスの破損や変形を防止して、マイクロレンズアレイの寸法精度や品質を改善することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明に係るマイクロレンズアレイの基本的な製造方法を示す工程図である。まず（Ａ）に示す様に、ガラスなどからなる基板０の上に、例えば高屈折率樹脂からなる第一光学媒体層１を成膜する。その厚みは例えば十数μｍである。
【００１８】
次に（Ｂ）に示す様に、あらかじめ電鋳などでレンズ面が加工されたニッケル製のスタンパＳＴを、高屈折率樹脂からなる第一光学媒体層１に押圧し、その表面にレンズ面Ｒを転写する。その際、ガラスなどからなる透明基板０の裏側からＵＶ光を照射し、高屈折率樹脂を硬化させて、転写されたレンズ面Ｒの形状を固定する。
【００１９】
続いて（Ｃ１）及び（Ｃ２）に示す様に、第一光学媒体層１の周囲にシール材４を塗布し、カバーガラス３を貼り合わせる。シール材４は、中央の有効マイクロレンズ（ＭＬ）エリアを囲む様に塗布されており、一部を切り欠いて開口４ａを設けている。
【００２０】
続いて（Ｄ１）及び（Ｄ２）に示す様に、互いに接合したガラス基板０とカバーガラス３との間の間隙に低屈折率の流動体を注入して、第二光学媒体層２とする。低屈折率の流動体としては、例えばシリコンオイルを用いることができる。その際、有効ＭＬエリアから外れる部分に気泡６を配してもよい。この気泡６は樹脂及び流動体の熱膨張によるストレスなどを吸収することができる。流動体を注入した後、開口４ａを封止剤５で閉じる。気泡６は、有効画素領域に侵入しない程度の体積であり、注入条件（時間）の条件出しを適性にすることによって再現性よく形成しうる。流動体を用いることで、ストレス緩和が可能となる。又、ガラス基板０とカバーガラス３の間に真空注入などで強制的に流動体を導入する為、流動体自体が第一光学媒体層１やカバーガラス３に対する濡れ性に乏しくても、問題とならない。尚、本実施形態ではシール材４を用いてガラス基板０とカバーガラス３を接合し、両者の間に流動体を供給しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ガラス基板０に形成された第一光学媒体層１の上にゲル状もしくはオイル状の第二光学媒体層２をスピンコートし、その上にカバーガラス３を重ね合わせる様にしてもよい。
【００２１】
この後（Ｅ）に示す様に、カバーガラス３を研磨して３０μｍ以下にする。この様に薄型化しても、流動体からなる第二光学媒体層２がストレスを緩和する為、変形や破損の恐れはない。薄化したカバーガラス３の表面に透明電極７を形成して、液晶表示素子用の基板とする。
【００２２】
以上の様に、本発明に係るマイクロレンズアレイは、基本的な構成として、二次元的に配列した複数のレンズ面Ｒを界面として、一面側に配された第一の光学媒体層１と、他面側に配され且つ第一の光学媒体層１とは異なる屈折率を有する第二の光学媒体層２とを含む。さらに、所定の間隙を介してレンズ面Ｒの他面側に接合した厚みが３０μｍ以下のカバーガラス３を備えている。第一の光学媒体層１は透明樹脂の固体からなり、その表面に前述したレンズ面Ｒが成形されている。第二の光学媒体層２は透明な流動体からなり、レンズ面Ｒとカバーガラス３との間の間隙に充填され、第一の光学媒体層１とカバーガラス３との間に生ずるストレスを緩和している。流動体としては、液体、ゲル及びグリースから選択することができる。例えば、流動体は、水、エチレングリコール、グリセリン、シリコンオイル及びシリコングリースから選ぶことができる。場合によっては間隙に充填された流動体は、レンズ面Ｒから外れた周辺部位にストレスを吸収する為気泡６を含む様にしてもよい。
【００２３】
図２は、本発明に係るマイクロレンズアレイを組み込んだ液晶表示素子の実施形態を示す断面図である。液晶表示素子は画素電極及びこれを駆動するスイッチング素子を含む画素ＰＸＬが集積形成された駆動基板１０と、少くとも対向電極が形成された対向基板２０とで構成されたパネル構造となっている。駆動基板１０と対向基板２０はシール材３１を介して互いに接合されており、両者の間に液晶３０が保持されている。
【００２４】
駆動基板１０には、図１に示した構造のマイクロレンズアレイが一体化されている。駆動基板１０は基本的にガラスなどからなる基材０とカバーガラス３をシール材４で接合した積層構造となっている。両者の間にはレンズ面Ｒを境にして互いに屈折率の異なる第一光学媒体層１と第二光学媒体層２が介在し、マイクロレンズＭＬＦを構成している。第一光学媒体層１は固体樹脂であり、第二光学媒体層２は流動体からなる。なお、場合によっては、基材０を第一光学媒体層としてその表面に直接ドライエッチング法でマイクロレンズＭＬＦを形成しても良い。カバーガラス３の表面側は、液晶層３０に接している。カバーガラス３には格子状のブラックマスクＢＭで仕切られた画素ＰＸＬが形成されている。画素ＰＸＬには薄膜トランジスタＴＦＴも含まれている。個々の画素ＰＸＬと対応する様に、前述したマイクロレンズＭＬＦが配置している。
【００２５】
カバーガラス３は、あらかじめ画素電極及びこれを駆動するスイッチング素子を含む画素ＰＸＬが集積形成された表面及びこれと反対側の裏面とを有するガラス板からなる。画素ＰＸＬはあらかじめ半導体プロセスでガラス板の表面に集積形成されている。本実施形態では、ガラス板の裏面を研磨して板厚を３０μｍ以下に薄くした後、基材０側と貼り合わせる様にしている。
【００２６】
本実施形態では、対向基板２０側にも各画素ＰＸＬに対応してマイクロレンズＭＬＣを二次元的に配列したマイクロレンズアレイが組み込まれている。これにより、各画素ＰＸＬを間にして一対のマイクロレンズＭＬＣ，ＭＬＦが整合したデュアルマイクロレンズ構造（ＭＬ−ＴＦＴ−ＭＬ：ＭＴＭ構造）が得られる。対向基板２０側に形成されたマイクロレンズＭＬＣはプロジェクタの光源から発した光を画素ＰＸＬに集める集光レンズとして機能し、駆動基板１０側に形成されたマイクロレンズＭＬＦはフィールドレンズとして機能する。フィールドレンズとして機能するマイクロレンズＭＬＦの焦点が、集光レンズとして機能するマイクロレンズＭＬＣの主点とほぼ一致する様に、カバーガラス３の厚みが３０μｍ以内に設定されている。係るデュアルマイクロレンズ構造は、光源光を最大限の効率で画素ＰＸＬに供給することが可能になる。
【００２７】
対向基板２０側のマイクロレンズアレイは、ガラス基材２９、第一光学媒体層２１、第二光学媒体層２２、カバーガラス２３を順に重ねた積層構造である。第一光学媒体層２１と第二光学媒体層２２はレンズ面Ｒを境にして互いに接している。第一光学媒体層２１の屈折率が低く、第二光学媒体層２２の屈折率が高い。第二光学媒体層２２は、本発明に従って流動体を用いることができる。カバーガラス２３の液晶３０と接する表面側には、図示しないが対向電極が形成されている。
【００２８】
引続き図２を参照して、液晶表示素子の構成材料や形状寸法につき、具体的な説明を行なう。デュアルマイクロレンズ構造では、フィールドレンズＭＬＦをその焦点距離分だけ集光レンズＭＬＣから離間し、フィールド型配置を取る様にしている。この為、駆動基板１０側のカバーガラス３は、研磨によって厚みを３０μｍ以下に調整する必要がある。例えば画素ＰＸＬの配列ピッチが１８μｍの０．７インチＳＶＧＡ用パネルの場合、集光レンズＭＬＣの焦点距離は約３５μｍ（空気中換算、以下同様）である。又、フィールドレンズＭＬＦの焦点距離▲３▼は約４２μｍである。この場合、集光レンズＭＬＣの主点と液晶３０の界面との間の距離▲１▼は、約２０μｍとなる。同様に、フィールドレンズＭＬＦの主点と液晶３０の界面との間の距離▲２▼も約２０μｍになる。尚、液晶３０の厚みは例えば２〜３μｍ程度である。この場合、カバーガラス３の厚みは空気中換算で約１８μｍまで薄くする必要がある。実寸では約２７μｍまで研磨する必要がある。この様に薄くなると、仮に低屈折率の第二光学媒体層２を紫外線照射もしくは加熱で硬化して固体にすると、カバーガラス３は薄い為、ストレスにより歪が生じる。これを防ぐ為、本発明では屈折率ｎが１．４１〜１．４３程度のシリコンオイルをカバーガラス３とガラス基材０との間に注入して第二光学媒体層２としている。
【００２９】
本液晶表示素子を作成する為に、あらかじめマイクロレンズアレイが一体化された対向基板２０に、同じく画素電極や薄膜トランジスタが集積形成された研磨前のカバーガラス３を接合し、パネルを作っておく。研磨前のカバーガラス３は通常ＴＦＴ基板と呼ばれ、半導体プロセスで薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が集積形成されたものであり、石英で構成されている。ＴＦＴ基板の裏面を露出した状態で、パネルを台ガラス（図示せず）に貼り合わせ、台ガラス基準でＴＦＴ基板の裏面を研磨する。この後、研磨されたＴＦＴ基板の裏面にシール材４を塗布し、レンズ面Ｒの形成された基材０を接合する。シール材４を硬化した後、内部にシリコンオイルからなる流動体を真空注入し、封止して加工を終了する。レンズ面Ｒの形成された第一光学媒体層１は屈折率が１．６０〜１．６５の高屈折率樹脂からなる一方、流動体からなる第二光学媒体層２の屈折率は、例えばシリコンオイルを使うと１．４０〜１．４４である。
【００３０】
シール材４には、ギャップコントロール用の樹脂ビーズ（例えばミクロパールあるいはガラスファイバ）が混入されている。その割合は、例えば約１〜２重量％である。これにより、マイクロレンズＭＬＦの主点と液晶３０の界面との間の距離を制御している。例えば、実厚で約２．８〜３μｍ（空気中換算で約２μｍ）のシール材４を用いて、距離寸法▲２▼を目標の２０μｍに調整している。一方、対向基板２０側のマイクロレンズＭＬＣについても、その主点と液晶の界面との間の距離▲１▼が２０μｍとなる様にあらかじめ作成されている。又、液晶層３０自体の厚みは前述した様に２μｍ程度である。以上により、マイクロレンズＭＬＣとマイクロレンズＭＬＦの主点間距離▲３▼が、マイクロレンズＭＬＦの焦点距離４２μｍとなる様にしている。この様な配置により、デュアルマイクロレンズ効果を得ることができる。
【００３１】
尚、本例では、低屈折率の流動体としてシリコンオイルを使ったが、これに代えてシリコングリース又はシリコンゲルを使うこともできる。これらの材料を塗布した後、真空中でカバーガラス３とガラス基材０を貼り合わせることができる。あるいは、真空注入法によりグリセリンやエチレングリコールなどを注入してもよい。これらの液体は、カバーガラス３とガラス基材０の間を対流し、薄膜トランジスタに発生する熱を効率よく発散させる機能を持たせることも可能である。又、本例は駆動基板１０側のマイクロレンズアレイの一部を液体化しているが、対向基板２０側に形成されたマイクロレンズアレイの一部を流動体としてもよい。又、本例では駆動基板１０側に形成されたマイクロレンズＭＬＦは、光入射側から見て凸平の形状となっているが、これに代えて平凸形状としてもよい。加えて、カバーガラス３とガラス基材０との間に流動体を強制注入する構造とすることで、レンズ面Ｒを境とした高屈折率材料と低屈折率材料の間の濡れ性も問題でなくなる。一般に、低屈折率材料としては、フッ素系樹脂あるいはシリコン系樹脂が従来から用いられている。特にフッ素系樹脂は濡れ性が悪く、固体／固体界面では濡れ性をよくする為、プライマ処理など界面活性剤などを塗布することが多かった。これに対し、本発明では液体を封じ込んでしまうので、特に濡れ性を考慮する必要はなくなる。
【００３２】
図３は、図２に示した液晶表示素子の全体的な構成を示す模式的な斜視図である。このパネル構造の液晶表示素子は、小型高精細である点に特徴がある。図示する様に、この液晶パネルは、所定の間隙を介して貼り合わされた駆動基板１０と対向基板２０との間に液晶３０が保持されている。前述した様に、対向基板２０には集光レンズとして機能するマイクロレンズＭＬＣが形成されている。一方、駆動基板１０にはフィールドレンズとして機能するマイクロレンズＭＬＦが一体化されている。
【００３３】
駆動基板１０の内表面には互いに直交する走査線１０４と信号線１０５が設けられている。各交点には画素電極１０６と画素スイッチを構成する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）がマトリクス状に配列されている。さらに、図示しないが駆動基板１０の内表面にはラビング処理を施された配向膜も形成されている。一方、対向基板２０の内表面には対向電極１１２が形成されている。図示しないが、対向電極１１２の内表面も同様にラビング処理を施された配向膜が設けられている。
【００３４】
互いに接着された駆動基板１０と対向基板２０の外表面には隙間をあけて各々偏光板１１０，１１１が配されている。走査線１０４を介してＴＦＴを選択し、信号線１０５を介して画素電極１０６に信号を書き込む。画素電極１０６と対向電極１１２の間に電圧が印加され液晶３０が立ち上がる。これを一対のクロスニコル配置された偏光板１１０，１１１により白色入射光の透過量変化として取り出し所望の画像表示を行なう。この表示画面を拡大投射光学系により前方に投射してスクリーンに映し出せばプロジェクタになる。その際、本発明では集光レンズＭＬＣとフィールドレンズＭＬＦを組み合わせたデュアルマイクロレンズ構造を採用しているので、光源光の利用効率が改善され、輝度の高い画面を得ることができる。
【００３５】
図４は、図３に示した液晶パネルを組み込んだ投射装置の一例を示す模式図である。この図に示した投射装置は、透過型の液晶パネルを３枚用いてカラー画像表示を行ういわゆる３板方式のものである。各液晶パネルは本発明に従ってマイクロレンズアレイが組み込まれている。この投射型液晶表示装置は、光を発する光源２１１と、一対の第１、第２マルチレンズアレイインテグレータ２１２，２１３と、マルチレンズアレイインテグレータ２１２，２１３の間に設けられ、光路（光軸２１０）を第２マルチレンズアレイインテグレータ２１３側に略９０度曲げるように配置された全反射ミラー２１４とを備えている。マルチレンズアレイインテグレータ２１２，２１３には、それぞれ複数のマイクロレンズ２１２Ｍ，２１３Ｍが２次元的に配列されている。マルチレンズアレイインテグレータ２１２，２１３は、光の照度分布を均一化させるためのものであり、入射した光を複数の小光束に分割する機能を有している。
【００３６】
光源２１１は、カラー画像表示に必要とされる、赤色光、青色光および緑色光を含んだ白色光を発するようになっている。この光源２１１は、白色光を発する発光体（図示せず）と、発光体から発せられた光を反射、集光する凹面鏡とを含んで構成されている。発光体としては、例えば、ハロゲンランプ、メタルハライドランプまたはキセノンランプ等が使用される。凹面鏡は、集光効率が良い形状であることが望ましく、例えば回転楕円面鏡や回転放物面鏡等の回転対称な面形状となっている。
【００３７】
この投射型液晶表示装置は、また、第２マルチレンズアレイインテグレータ２１３の光の出射側に、ＰＳ合成素子２１５と、コンデンサレンズ２１６と、ダイクロイックミラー２１７とを順番に備えている。ダイクロイックミラー２１７は、入射した光を、例えば赤色光ＬＲと、その他の色光とに分離する機能を有している。
【００３８】
ＰＳ合成素子２１５には、第２マルチレンズアレイインテグレータ２１３における隣り合うマイクロレンズ間に対応する位置に、複数の１／２波長板２１５Ａが設けられている。ＰＳ合成素子２１５は、入射した光Ｌ０を２種類（Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分）の偏光光Ｌ１，Ｌ２に分離する機能を有している。ＰＳ合成素子２１５は、また、分離された２つの偏光光Ｌ１，Ｌ２のうち、一方の偏光光Ｌ２を、その偏光方向（例えばＰ偏光）を保ったままＰＳ合成素子２１５から出射し、他方の偏光光Ｌ１（例えばＳ偏光成分）を、１／２波長板２１５Ａの作用により、他の偏光成分（例えばＰ偏光成分）に変換して出射する機能を有している。
【００３９】
この投射型液晶表示装置は、また、ダイクロイックミラー２１７によって分離された赤色光ＬＲの光路に沿って、全反射ミラー２１８と、フィールドレンズ２２４Ｒと、液晶パネル２２５Ｒとを順番に備えている。全反射ミラー２１８は、ダイクロイックミラー２１７によって分離された赤色光ＬＲを、液晶パネル２２５Ｒに向けて反射するようになっている。液晶パネル２２５Ｒは、フィールドレンズ２２４Ｒを介して入射した赤色光ＬＲを、画像信号に応じて空間的に変調する機能を有している。
【００４０】
この投射型液晶表示装置は、さらに、ダイクロイックミラー２１７によって分離された他の色光の光路に沿って、ダイクロイックミラー２１９を備えている。ダイクロイックミラー２１９は、入射した光を、例えば緑色光と青色光とに分離する機能を有している。
【００４１】
この投射型液晶表示装置は、また、ダイクロイックミラー２１９によって分離された緑色光ＬＧの光路に沿って、フィールドレンズ２２４Ｇと、液晶パネル２２５Ｇとを順番に備えている。液晶パネル２２５Ｇは、フィールドレンズ２２４Ｇを介して入射した緑色光ＬＧを、画像信号に応じて空間的に変調する機能を有している。
【００４２】
この投射型液晶表示装置は、さらに、ダイクロイックミラー２１９によって分離された青色光ＬＢの光路に沿って、リレーレンズ２２０と、全反射ミラー２２１と、リレーレンズ２２２と、全反射ミラー２２３と、フィールドレンズ２２４Ｂと、液晶パネル２２５Ｂとを順番に備えている。全反射ミラー２２１は、リレーレンズ２２０を介して入射した青色光ＬＢを、全反射ミラー２２３に向けて反射するようになっている。全反射ミラー２２３は、全反射ミラー２２１によって反射され、リレーレンズ２２２を介して入射した青色光ＬＢを、液晶パネル２２５Ｂに向けて反射するようになっている。液晶パネル２２５Ｂは、全反射ミラー２２３によって反射され、フィールドレンズ２２４Ｂを介して入射した青色光ＬＢを、画像信号に応じて空間的に変調する機能を有している。
【００４３】
この投射型液晶表示装置は、また、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢの光路が交わる位置に、３つの色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢを合成する機能を有したクロスプリズム２２６を備えている。この投射型液晶表示装置は、また、クロスプリズム２２６から出射された合成光を、スクリーン２２８に向けて投射するための投射レンズ２２７を備えている。クロスプリズム２２６は、３つの入射面２２６Ｒ，２２６Ｇ，２２６Ｂと、一つの出射面２２６Ｔとを有している。入射面２２６Ｒには、液晶パネル２２５Ｒから出射された赤色光ＬＲが入射するようになっている。入射面２２６Ｇには、液晶パネル２２５Ｇから出射された緑色光ＬＧが入射するようになっている。入射面２２６Ｂには、液晶パネル２２５Ｂから出射された青色光ＬＢが入射するようになっている。クロスプリズム２２６は、入射面２２６Ｒ，２２６Ｇ，２２６Ｇに入射した３つの色光を合成して出射面２２６Ｔから出射する。
【００４４】
図５は、本発明に係る液晶表示素子の他の実施例を示す模式的な断面図である。理解を容易にする為、図２に示した先の実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付してある。先の実施形態では、駆動基板１０側に形成されたマイクロレンズＭＬＦが光入射側から見て凸平形状となっていた。これに対し、本実施形態ではマイクロレンズＭＬＦが光入射方向から見て平凸形状となっている。この関係で、流動体からなる第二光学媒体層２が高屈折率を有し、固体の第一光学媒体層１が低屈折率となっている。
【００４５】
図６は、本発明に係る液晶表示素子の別の実施形態を示す模式的な断面図である。理解を容易にする為、図５に示した先の実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付してある。本実施形態は、対向基板２０側に、デュアルマイクロレンズ構造のマイクロレンズアレイＭＬＡが一体化されている。本例では、このマイクロレンズアレイＭＬＡはガラス基材２９とカバーガラス２３との間に保持されている。このマイクロレンズアレイＭＬＡは集光レンズとして機能するマイクロレンズＭＬＣとフィールドレンズとして機能するマイクロレンズＭＬＦを含んでおり、両者の主点間距離はやはり同様にＭＬＦの焦点と一致する様に設定することが好ましい。
【００４６】
図示する様に、マイクロレンズアレイＭＬＡは、二次元的に配列した複数の第一レンズ面Ｒ１からなる第一界面と、第一レンズ面Ｒ１に対応して同じく二次元的に配列した複数の第二レンズ面Ｒ２からなり且つ第一界面に対向配置した第二界面とを有する積層構造からなる。この積層構造は、第一界面側に配された第一の光学媒体層２１と第二界面側に配された第二の光学媒体層２１'と、第一界面及び第二界面の間に配され且つ第一光学媒体層２１及び第二光学媒体層２１'とは異なる屈折率を有する第三光学媒体層２２とを含む。第一光学媒体層２１、第二光学媒体層２１'及び第三光学媒体層２２の内少くとも一層は透明な流動体からなる一方、残りの層は透明樹脂の固体からなる。本例では、第一光学媒体層２１及び第二光学媒体層２１'は各々表面に第一レンズ面Ｒ１及び第二レンズ面Ｒ２が形成された透明樹脂の固体からなる。これに対し、第三光学媒体層２２は第一光学媒体層２１及び第二光学媒体層２１'の間に充填された透明な流動体からなり、第一光学媒体層２１及び第二光学媒体層２１'の間に生ずるストレスを緩和することができる。本例では、第一光学媒体層２１側のガラス基材２９と、第二光学媒体層２１'側のカバーガラス２３とが、シール材２５によって接合されており、両者の間隙に流動体が注入封止され、第三光学媒体層２２を形成している。前述した様に、第一レンズ面Ｒ１からなるマイクロレンズＭＬＣの主点が、第二レンズ面Ｒ２からなるマイクロレンズＭＬＦの焦点位置とほぼ重なる様に、第一界面及び第二界面の間隙寸法がシール材２５の厚みにより設定されている。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、マイクロレンズアレイを構成する複数の光学媒体層の内、少くとも一層を流動体で構成することにより、カバーガラスのストレスを緩和し、反り変形や歪変形を防止することができる。これにより、マイクロレンズアレイを液晶表示素子に組み込んだ場合でも、液晶層の厚み寸法を均一に制御することが可能である。特に高精細化に伴い狭ピッチ化が進み、ＭＬ狭ピッチ化、カバーガラス薄膜化に対応できる。又、流動体のまま樹脂を硬化させる必要がないので、工程削減の効果がある。又、流動体を利用して、ＴＦＴ基板に対する液冷効果を得ることが可能である。加えて、流動体を注入封止することで、他の固体相との間で樹脂相互の濡れ性に配慮を払う必要がなくなり、製造プロセスが合理化可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロレンズアレイの製造方法を示す工程図である。
【図２】本発明に係る液晶表示素子の実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明に係る液晶表示素子の実施形態を示す模式的な斜視図である。
【図４】本発明に係る投射装置の一例を示す模式図である。
【図５】本発明に係る液晶表示素子の他の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る液晶表示素子の別の実施形態を示す断面図である。
【図７】従来のマイクロレンズアレイの製造方法を示す工程図である。
【図８】従来の液晶表示素子の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
０・・・ガラス基板、１・・・第一光学媒体層、２・・・第二光学媒体層、３・・・カバーガラス、４・・・シール材、Ｒ・・・レンズ面
【図１】
0004214713.tif 000002
【図２】
0004214713.tif 000003
【図３】
0004214713.tif 000004
【図４】
0004214713.tif 000005
【図５】
0004214713.tif 000006
【図６】
0004214713.tif 000007
【図７】
0004214713.tif 000008
【図８】
0004214713.tif 000009