(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶パネルにおけ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、上記液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応してアレイ配列してなるマイクロレンズアレイを有し、
上記マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズの頂部が、該マイクロレンズによる集光性を緩和させるため、光軸に直交する平面部とされ、且つ、上記平面部の径が上記ブラックマトリックスの開口部の径よりも小さく設定され、  
上記マイクロレンズアレイのマイクロレンズ面側に、上記マイクロレンズを保護する平行平板状のカバーガラスが、上記マイクロレンズアレイに対して実質的に平行にして、上記マイクロレンズアレイと一体的に設けられ、
上記マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間が、上記マイクロレンズアレイの材質に対して屈折率差：０．１の透明接着剤により満たされるマイクロレンズアレイ素子を設計する方法であって、
上記マイクロレンズ頂部の平面部の面積：ｓとマイクロレンズのレンズ有効面積：Ｓとの比：ｓ／Ｓをα、上記平面部と上記カバーガラスとの間隔：ｄｔと上記レンズ有効面積の直径：ＤＬとの比：ｄｔ／ＤＬをβとして、これらαおよびβを設計パラメータとし、
マイクロレンズ光軸に対して傾く光線の傾き角の範囲：±１０度を設計条件として、
上記設計パラメータ：αおよびβを、条件：
（１）    β≦−５．３α2＋１．７α＋２．１
が満足されるように定めることにより、個々のマイクロレンズに照明光として入射する照明光束の透過率が０．８以上となるようにすることを特徴とするマイクロレンズアレイ素子の設計方法。
【請求項２】
液晶パネルにおけ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、上記液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応してアレイ配列してなるマイクロレンズアレイを有し、
上記マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズの頂部が、該マイクロレンズによる集光性を緩和させるため、光軸に直交する平面部とされ、且つ、上記平面部の径が上記ブラックマトリックスの開口部の径よりも小さく設定され、  
上記マイクロレンズアレイのマイクロレンズ面側に、上記マイクロレンズを保護する平行平板状のカバーガラスが、上記マイクロレンズアレイに対して実質的に平行にして、上記マイクロレンズアレイと一体的に設けられ、
上記マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を、実質的に屈折率：１の媒質とする
マイクロレンズアレイ素子を設計する方法であって、
上記マイクロレンズ頂部の平面部の面積：ｓとマイクロレンズのレンズ有効面積：Ｓとの比：ｓ／Ｓをα、上記平面部と上記カバーガラスとの間隔：ｄｔと上記レンズ有効面積の直径：ＤＬとの比：ｄｔ／ＤＬをβとして、これらαおよびβを設計パラメータとし、
マイクロレンズ光軸に対して傾く光線の傾き角の範囲：±１０度を設計条件として、
上記設計パラメータ：αおよびβを、条件：
（２）    β≦−４．８α2＋１．５α＋１．８
が満足されるように定めることにより、個々のマイクロレンズに照明光として入射する照明光束の透過率が０．８以上となるようにすることを特徴とするマイクロレンズアレイ素子の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロレンズアレイ素子の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロレンズアレイは、微小なマイクロレンズをアレイ配列した光学素子であるが、マイクロレンズが凸レンズであるものは、透過光を各マイクロレンズごとに集光することにより各マイクロレンズの配列に応じた微小な領域を効率よく照明し、光利用効率を高めるのに用いられている。
【０００３】
１例として「透過型ＴＦＴ液晶プロジェクタ」では、液晶パネルにＴＦＴによる液晶駆動部が液晶画素に対応してブラックマトリックスとしてアレイ状に配列されているが、ブラックマトリックスは遮光性であるので、液晶画素への照明光の照明効率を高めるため、液晶パネルへの光入射側にマイクロレンズアレイを設け、マイクロレンズのアレイ配列をブラックマトリックスの開口配列と対応させて照明光を各マイクロレンズにより対応するブラックマトリックス開口部近傍に集光させ、照明光の「ブラックマトリックスによる遮光率」を軽減して光利用効率を高めて明るい映像を表示することが行われている。
【０００４】
近来、液晶パネル等がよりコンパクト化され、照明用の光源ランプが高パワー化されることに伴い、液晶画素部に集光する光のエネルギ密度が増大し「集光する光エネルギによる液晶のダメージ」が増大して液晶パネルが短寿命化する傾向が現れてきている。
【０００５】
また、マイクロレンズアレイは一般に、そのマイクロレンズ面を保護するためのカバーガラスをマイクロレンズ面側に設けられるが、従来は一般にマイクロレンズアレイのマイクロレンズ面側とカバーガラスとが「透明な接着剤」により接着されており、照明光が接着剤層を透過する際、一部が接着剤層に吸収されて光利用効率を低下させる一因となっていた。
【０００６】
さらに、マイクロレンズのレンズ面と接着剤とが接触するため「接触部における接着剤とマイクロレンズとの屈折率差」が小さくなり、マイクロレンズレンズ面で所望の屈折作用を実現しようとすると、マイクロレンズのレンズ面曲率を「空気中における場合よりも大きく」する必要があり、所望のレンズ径のマイクロレンズを得ようとすると「レンズ面の高さ」が高くなり、マイクロレンズアレイの加工時間が長くなってマイクロレンズアレイの製造能率を高めることが困難になる問題もある。
【０００７】
このような問題に対する対応策は、発明者らの知る限り従来知られていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明は上述したところに鑑み、上記諸問題を有効に解決できるマイクロレンズアレイ素子の実現を図るべく、マイクロレンズアレイ素子の新規な設計方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の設計方法の対象であるマイクロレンズアレイ素子は「液晶パネルにおけ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、液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応してアレイ配列してなるマイクロレンズアレイ」を有し、マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズの頂部が「光軸に直交する平面部」であり、且つ、平面部の径は、ブラックマトリックスの開口部の径よりも小さく設定されている。マイクロレンズ頂部の平面部は、照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和するように形成される。
【００１０】
このマイクロレンズアレイ素子は、上記マイクロレンズアレイのマイクロレンズ面側に
「マイクロレンズを保護する平行平板状のカバーガラス」を、マイクロレンズアレイに対
して実質的に平行にして、マイクロレンズアレイと一体的に設けられる。
各マイクロレンズ頂部の平面部によりマイクロレンズによる集光性が緩和され、マイク
ロレンズ頂部の平面部の面積：ｓとマイクロレンズのレンズ有効面積：Ｓとの比：ｓ／Ｓ
をα、上記平面部と上記カバーガラスとの間隔：ｄｔと上記レンズ有効面積の直径：ＤＬ
との比：ｄｔ／ＤＬをβとするとき、マイクロレンズ光軸に対して傾く光線の傾き角の範囲が±１０度で、個々のマイクロレンズに照明光として入射する照明光束の透過率が０．８以上となるように、上記パラメータ：α、βを定められる。
【００１１】
請求項１の設計方法で設計されるマイクロレンズアレイ素子は、マイクロレンズアレイと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０．１以上の屈折率差をもつ媒質」即ち、「マイクロレンズアレイの材質よりも屈折率が０．１以上小さい媒質（以下、同じ）」であり、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有効に高める。上記媒質は、透明接着剤である。
【００１２】
請求項２の設計方法で設計されるマイクロレンズアレイ素子では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間の媒質は「実質的に屈折率：１を有する」媒質である。
マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間は「実質的な真空状態」とすることもできるし、「空気」とすることもできる）。このように、請求項２に謂う「実施的に屈折率：１を有する媒質」は真空状態を含む概念である。
【００１３】
上記請求項１記載の設計方法で設計されるマイクロレンズアレイ素子においては、マイクロレンズアレイにおける各マイクロレンズ頂部の平面部は、上記の如く「マイクロレンズアレイの材質よりも屈折率が０．１以上小さい透明接着剤」により、カバーガラスと接合される。
【００１４】
このように、マイクロレンズ頂部の平面部とカバーガラスとの接合に用いられる接着剤は、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間の空間を満たす。
【００１５】
請求項２の設計方法で設計されるマイクロレンズアレイ素子において、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間の「実質的に屈折率：１を有する」媒質は、媒質は「実質的な真空状態」としてもよいし「空気」としてもよい。
【００１６】
上記設計方法で設計され、製造されるマイクロレンズアレイ素子は、これを「ブラックマトリックスを有する液晶パネル」と組み合わせることにより、液晶パネルユニットを構成できる。
【００１７】
即ち、液晶パネルの光入射側に、上記設計方法で設計され、製造されるマイクロレンズアレイ素子を設け、マイクロレンズアレイ素子のマイクロレンズアレイにおける各マイクロレンズを、液晶パネルにおける個々の液晶画素と対応して配列させ、各マイクロレンズが「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とともに、マイクロレンズ頂部の平面部が、照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」ように形成される。
【００１８】
即ち、マイクロレンズを透過した照明光はブラックマトリックスの開口部内に有効に集光されてブラックマトリックスによる遮光を有効に回避するが、各マイクロレンズ頂部の平面部の作用により過剰な集光が緩和されるので、液晶画素の微小領域に光エネルギが過剰に集中することがない。
【００１９】
請求項１記載の設計方法では、上記パラメータ：α、βが、条件： 
（１）    β≦−５．３α2＋１．７α＋２．１
を満足するように決定される。
【００２０】
請求項２記載の設計方法では、上記パラメータ：α、βが、条件： 
（２）    β≦−４．８α2＋１．５α＋１．８
を満足するように決定される。
【００２１】
なお、マイクロレンズ頂部の平面部とカバーガラスとの間隔：ｄｔは「実際の機械的間隔」である。
前記液晶パネルユニットは、マイクロレンズアレイとカバーガラスとに反射防止膜を製膜することができる。
【００２２】
上記条件（１）、（２）について説明する。  
条件（１）では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を「マイクロレンズアレイの材質に対して屈折率差：０．１の透明接着剤（マイクロレンズアレイの材質よりも屈折率が０．１だけ小さい透明接着剤）により満たした場合」において、マイクロレンズのレンズ面形状を球面とした場合に液晶パネルユニットを透過する光の強度を１とする。
【００２３】
上記球面の頂部を平坦化して平面部とすると、平面部の面積が増加するに従いパラメータ：αが増大する。このとき、液晶パネルユニットを透過する光の強度が０．８以上となるための条件、即ち「照明光の透過効率が０．８以上となるためにパラメータ：α、βが満足すべき条件」が、条件（１）である。
【００２４】
条件（２）では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を実質的に屈折率：１の媒質（真空状態あるいは空気）とした場合において、マイクロレンズのレンズ面形状を球面とした場合に、液晶パネルユニットを透過する光の強度を１とする。  
上記球面の頂部側を平坦化して平面部とすると、平面部の面積が増加するに従いパラメータ：αが増大する。このとき、液晶パネルユニットを透過する光の強度が０．８以上となるための条件、即ち「照明光の透過効率が０．８以上となるためにパラメータ：α、βが満足すべき条件」が、条件（２）である。
【００２５】
即ち、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ面全体の形状を球面形状とすれば「照明光をブラックマトリックスの開口部に効率よく集中できる」が、このようにすると、集中の度合いが強すぎて液晶の受けるダメージが大きい。マイクロレンズ面の形状を「上記球面形状を基準」として、その頂部を平坦化して平面部とする（上記基準とされた球面形状を上記平面部で切断し、切断面が平面部となるようにする。）と、平面部の面積が増大するほどマイクロレンズの屈折面部分（球面部分）が少なくなるため、屈折面部分のレンズ作用による照明光の集光の程度が低下するが、上記パラメータ：α、βが、条件（１）、（２）を満足するようにすることにより「頂部に平面部の無い基準の球面形状を持つマイクロレンズ」を用いる場合に対し、透過効率として０．８以上を実現できるのである。
【００２６】
なお、パラメータ：αが小さくなることは「マイクロレンズ頂部の平面部の面積が小さくなって球面形状に近づく」ことを意味するから、パラメータ：αを無制限に０に近づける訳にはいかない。設計上のパラメータ：αの下限は、「マイクロレンズ頂部の平面部が、照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」との条件により設定されることになる。パラメータ：αの下限値の目安としては０．００１を挙げることができる。  
【００２７】
なお、設計対象のマイクロレンズアレイやマイクロレンズアレイ素子の用途は上記液晶パネルユニットに限定されるものではなく、種々の光学素子に用いることが可能である。
【発明の効果】
【００２８】
上記の如く、この発明の設計方法に従って製造されるマイクロレンズアレイ素子は、液晶パネルと組み合わせられるとき、個々のマイクロレンズ頂部の平面部が照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和するので、光エネルギの集中による液晶のダメージが有効に緩和され、液晶パネルの短寿命化を有効に軽減もしくは防止することができる。
【００２９】
また、請求項１の設計方法に従って製造されるマイクロレンズアレイ素子では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を、マイクロレンズアレイの材質に対して屈折率差：０．１以上の媒質とすることにより、マイクロレンズの屈折面の作用を相対的に大きくでき、マイクロレンズのレンズ面曲率の増大を緩和でき、レンズ面高さを低くすることができ、マイクロレンズアレイの加工時間を短縮して製造能率を高めることができる。  
【００３０】
また、請求項２の設計方法に従って製造されるマイクロレンズアレイ素子では、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間を実質的な真空状態もしくは空気とすることにより「接着剤による光吸収の問題」を根本的に解決できる。  
【００３１】
この発明の設計方法に従って製造されるマイクロレンズアレイ素子を用いる液晶パネルユニットは、この発明のマイクロレンズアレイ素子が用いられることにより長寿命で光利用効率が良い。従って、この液晶パネルユニットを液晶プロジェクタに用いることにより長寿命で明るく高品質の映像を表示できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、発明の実施の形態を説明する。  
図１は、液晶パネルユニットの構成例を説明図的に示している。  
図１において、符号１０は液晶、符号１２はマイクロレンズアレイ、符号１４はカバーガラス、符号１７はブラックマトリックスを示している。  
マイクロレンズアレイ１２は「片面（図の下方の面）が平面」で、カバーガラス１４側の面に１連のマイクロレンズ１２１が２次元的にアレイ配列されて形成されている。
【００３３】
ブラックマトリックス１７は、図示されない透明平行基板の片面に形成されている。これらブラックマトリックス１７の開口部に対応する液晶部分が「液晶画素」である。液晶１０は、ブラックマトリックス１７を形成された図示されない透明平行平板と、マイクロレンズアレイ１２の平坦な面との間に所定の配向状態に配向されて封入されている。
【００３４】
マイクロレンズアレイ１２は、同一形状で集光性のマイクロレンズ１２１を２次元的にアレイ配列してなるが、マイクロレンズアレイ１２を構成する個々のマイクロレンズ１２１の頂部１２１Ａは「光軸に直交する平面部」とされている。 
マイクロレンズ１２１の「平面部１２１Ａを除く部分」はレンズ作用を持つ曲面形状で、例えば「球面形状」である。
【００３５】
マイクロレンズアレイ１２のマイクロレンズ面側に設けられたカバーガラス１４はマイクロレンズ１２１を保護するためのもので「平行平板状」であり、マイクロレンズアレイ１２に対して実質的に平行な状態で、マイクロレンズアレイ１２と一体的に設けられている。即ち、マイクロレンズアレイ１２とカバーガラス１４とは互いに一体化されて「マイクロレンズアレイ素子」を構成する。両者を一体化する手段は、接着やガラス接合等、公知の適宜の手段を利用できる。
【００３６】
図１において、符号１５により示す「マイクロレンズアレイ１２とカバーガラス１４との間の間隙部分」は、マイクロレンズアレイ１２の材質に対して０．１以上の屈折率差をもつ媒質であるが、この媒質は、実質的に屈折率：１を有することができる。そしてこれを実現するには、マイクロレンズアレイ１２とカバーガラス１４との間隙部分１５を「実質的な真空状態」としてもよいし、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間隙部分１５が空気であるようにしてもよい。
【００３７】
マイクロレンズアレイ１２とカバーガラス１４とは、図１（ａ）に示すように「間隙部分１５を隔して互いに実質的に平行に配置」して一体化してもよいが、図１（ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ１２における各マイクロレンズ１２１頂部の平面部１２１Ａが「カバーガラス１４と接合された構成」とすることもできる。  
【００３８】
「マイクロレンズ１２１頂部の平面部１２１Ａとカバーガラス１４との接合」は、「接着剤による接合」でもよいし、「ガラス接合法による接合」でも良く、「圧着による接合」でも良い。
【００３９】
図１に示す如く、カバーガラス１４の側（図の上方）から光（簡単のために平行光束としている。）を入射させると、マイクロレンズ１２１のレンズ作用は「レンズ面頂部の平面部以外の曲面部分」では集光作用であるが、マイクロレンズ頂部の平面部はレンズ作用を持たない。
【００４０】
従って、マイクロレンズ１２１の平面部１２１Ａに入射する光束は、レンズ作用を受けることなくマイクロレンズ１２１を透過するが、平面部の周囲の曲面部分に入射する光束部分はレンズ作用によりブラックマトリックス１７の開口部近傍に集光する。
【００４１】
即ち、図１（ａ）、（ｂ）に示す液晶パネルユニットは、ブラックマトリックス１７を有する液晶パネルと、この液晶パネルの光入射側に設けられるマイクロレンズアレイ素子（マイクロレンズアレイ１２とカバーガラス１４により構成される。）とを有する液晶パネルユニットであって、マイクロレンズアレイ素子のマイクロレンズアレイ１２における各マイクロレンズ１２１は、液晶パネルにおける個々の液晶画素（ブラックマトリックス１７の開口部に対応する液晶部分）と対応して配列され、各マイクロレンズ１２１は「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」を有するとともに、マイクロレンズ頂部の平面部１２１Ａが「照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」機能を持つ。
【００４２】
マイクロレンズアレイ１２とカバーガラス１４には「反射防止膜」を製膜することができる。なお、図１の実施の形態では、マイクロレンズアレイ１２は「液晶パネルの一部」を構成するものである。
【００４３】
図２は、比較のため「従来の液晶パネルユニット」を示したものである。煩雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては図１におけると同一の符号を付する。  
図２において、符号１３はマイクロレンズアレイ、符号１３１は個々のマイクロレンズ、符号１６は「マイクロレンズアレイ１３とカバーガラス１４とを接着する透明な接着剤層」を示している。  
【００４４】
図２の液晶パネルユニットの場合、マイクロレンズアレイ１３の個々のマイクロレンズ１３１は例えば球面形状で集光機能を有し、マイクロレンズ１３１に入射してくる光束をブラックマトリックス１７の開口部近傍に集光させるが、この集光により、図２に符号１００で示す部分に光エネルギが高密度に集中することになり、集中する光エネルギによる液晶１０のダメージも大きく液晶パネルの寿命が短寿命化する。
【００４５】
また、マイクロレンズアレイ１３とカバーガラス１４とが「透明な接着剤層１６」により接着されているため、照明光が接着剤層１６を透過する際、一部が接着剤層１６に吸収されて光利用効率を低下させる一因となる。
【００４６】
さらに、マイクロレンズ１３１のレンズ面と接着剤層１６とが接触するため接触部における「接着剤とマイクロレンズとの屈折率差」が小さくなるため、マイクロレンズレンズ面で所望の屈折作用を実現しようとすると、マイクロレンズ１３１のレンズ面曲率を「空気中における場合よりも大きく」する必要があり、このため所望のレンズ径のマイクロレンズ１３１を得ようとするとレンズ面の高さが高くなり、マイクロレンズアレイの加工時間が長くなってマイクロレンズアレイの製造能率を低下させる原因となる。
【００４７】
図１に示す液晶パネルユニットでは、これらの問題の有効な解決が可能である。  
即ち、各マイクロレンズ１２１は「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」を有すると共に、マイクロレンズ頂部の平面部１２１Ａが「照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」機能を持つため、液晶１０の特定の部分に光エネルギが過剰に集中することが無く、光エネルギの集中による液晶１０のダメージを有効に軽減できる。  
【００４８】
また、マイクロレンズアレイ１２とカバーガラス１４との間の媒質を「真空状態あるいは空気状態」とすれば、この媒質部位での光の吸収はなく、マイクロレンズ１２１と媒質との屈折率差が大きいので「比較的小さいレンズ面曲率」で所望の屈折力を実現でき、さらに、レンズ面頂部が平面部となっているので、マイクロレンズ１２１のレンズ面高さ自体も小さく、マイクロレンズの短時間での加工が可能で「マイクロレンズアレイの加工時間が長くなってマイクロレンズアレイの製造能率を低下させる」ことが無い。
【００４９】
また、マイクロレンズアレイ１２とカバーガラス１４との間を透明な接着剤で接着した場合に、屈折率差が小さくなってレンズ面の曲率が大きくなる場合でも、レンズ面頂部が平面部であるためマイクロレンズ１２１のレンズ面高さ自体は小さくでき上記と同様「マイクロレンズアレイの加工時間が長くなってマイクロレンズアレイの製造能率を低下させる」ことが無い。
【００５０】
また、マイクロレンズ１２１のレンズ面高さが小さいため、マイクロレンズアレイ１２とカバーガラス１４とを接着する場合でも接着剤層を薄くでき「接着剤による光の吸収」を有効に軽減できる。
【００５１】
上の説明から明らかなように、マイクロレンズ１２１の「レンズ作用を持つ曲面形状部分」と「レンズ作用を持たない平面部」との割合を調整することにより、各マイクロレンズ１２１の有する「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」と「照明光の液晶画素への過剰な集光を緩和する」機能とを調整でき、両機能をバランスさせることにより、液晶のダメージを有効に緩和させつつ、効率の良い照明が得られるように最適化を行うことができる。
【００５２】
以下、設計方法の具体的な実施例を説明するが、最初に、実施例に対する比較の対象となる「基準例」を説明する。基準例は「従来の液晶パネルユニット」の例である。煩雑を避けるために図２におけると同一の符号を用いる。    
【００５３】
「基準例」
図３（ａ）は、基準例における「１液晶画素部分の構成」を示す。マイクロレンズアレイ１３は屈折率：１．５のガラス板にマイクロレンズ１３１を２次元の正方マトリックス状にアレイ配列して形成したものであり、マイクロレンズ１３１の配列ピッチは１５．５μｍである。符号Ａｘはマイクロレンズ１３１の光軸を示す。
【００５４】
マイクロレンズ１３１は、レンズ有効径：１５．５μｍ（＝配列ピッチ）、レンズ面高さ（破線で示す「基準面」からの高さ）：７．５μｍでレンズ面形状は球面形状である。マイクロレンズアレイ１３の液晶１０側の面から上記基準面までの高さは２７．５μｍである。液晶１０は層厚：３．０μｍ、屈折率：１．５のものである。
【００５５】
マイクロレンズアレイ１３のマイクロレンズ１３１側の面とカバーガラス１４とは透明な接着剤１６により接着されている。接着剤１６は屈折率：１．４（即ち、マイクロレンズアレイ１３の材質に対する屈折率差：０．１）で、マイクロレンズ１３１頂部とカバーガラス１４との間隔は５．０μｍである。また、ブラックマトリックス１７の開口部の開口径：Ｄは１１．５μｍ×１２．０μｍである。
【００５６】
図３（ｂ）は、基準例において「カバーガラス１４の側から平行光束を入射」させた状態を示している。図の如く、平行光束はマイクロレンズ１３１の集光作用により液晶１０を透過しつつ、ブラックマトリックス１７の開口部の中心部近傍１００に集光する。
【００５７】
液晶パネルユニットが実際に用いられる状態では、液晶パネルユニットを照明する照明光は「平行光束に近い状態」とされるが厳密な平行光束という訳ではない。  
「実際の照明光束に近い状態の光束」を想定し、カバーガラス１４の側から入射させた場合のシミュレーション結果を図３（ｃ）に示す。図３（ｂ）の状態と比較すると、ブラックマトリックス１７の開口部へ集光する光の「集光の程度」は図３（ｂ）の場合よりも若干低下し、そのため「ブラックマトリックス１７の開口部を透過する光束の光束径」は図３（ｂ）の場合よりも大きくなっているが、それでも光エネルギの集中状態は高い。    なお、上記の想定された照明光束は「光軸に対して傾く光線の傾き角」の範囲を±１０度としたものである。
【００５８】
基準例における図３（ｃ）の場合において、照明光の透過効率（ブラックマトリックス１７の開口部を通過した光の強度／マイクロレンズ１３１に入射した光の強度）を基準値：１とする。
【実施例１】
【００５９】
以下、この発明の設計方法により具体的に設計し、設計に従って作製したマイクロレンズアレイ素子を用いる液晶パネルユニットの具体例を、実施例１、２として挙げる、
図４に実施例１の「１液晶画素部分の構成」を示す。煩雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては図１、図３におけると同一の符号を用いる。  
図４（ａ）において、マイクロレンズアレイ１２は屈折率：１．５のガラス板にマイクロレンズ１２１をアレイ配列形成したものであり、マイクロレンズ１２１の配列ピッチ・レンズ有効径はともに基準例のものと同じく１５．５μｍである。  
【００６０】
マイクロレンズ１２１は、レンズ頂部に直径：４．２μｍの光軸に直交する平面部１２１Ａを形成され、レンズ面高さ（破線で示す「基準面」から平面部１２１Ａまでの高さ）は２．３μｍ、平面部１２１Ａの周囲の曲面部は「球面形状」である。マイクロレンズアレイ１２の液晶１０側の面から上記基準面までの高さは３２．７μｍである。液晶１０は基準例におけると同一のものである。
【００６１】
マイクロレンズアレイ１２のマイクロレンズ１２１側の面とカバーガラス１４との間の媒質は「空気層」となっている。マイクロレンズ１２１頂部の平面部１２１Ａとカバーガラス１４との間隔は５．０μｍである。ブラックマトリックス１７の開口部の開口径：Ｄ（＝１１．５μｍ×１２．０μｍ）は基準例と同一である。
【００６２】
図４（ｂ）は、実施例１において、カバーガラス１４の側から平行光束を入射させた状態を示している。図の如く、マイクロレンズ１２１の周辺の曲面部に入射する平行光束部分はマイクロレンズ１２１の曲面部の集光作用により、液晶１０を透過しつつブラックマトリックス１７の開口部の中心部近傍に集光する。一方、マイクロレンズ１２１頂部の平面部１２１Ａに入射した光はレンズ作用を受けずにマイクロレンズ１２１を透過し、平行光束として液晶１０を透過し、ブラックマトリックス１７の開口部を透過する。
【００６３】
このため、基準例の場合に比して「液晶１０の微小部分に過剰な光エネルギが集中すること」が有効に回避され、液晶のダメージが有効に軽減される。
【００６４】
図４（ｃ）は実施例１の液晶パネルユニットに「実際の照明光束に近い状態の光束（基準例におけるシミュレーションに用いたのと同じ光束）」を想定して、カバーガラス１４の側から入射させた場合のシミュレーション結果を示している。図４（ｂ）の状態と比較すると、図４（ｃ）の状態では、ブラックマトリックス１７の開口部へ集光する光の「集光の程度」は図４（ｂ）の場合よりも低下し「ブラックマトリックス１７の開口部を透過する光束の光束径」は図４（ｂ）の場合よりも大きくなっている。
【００６５】
実施例１の図４（ｃ）の場合において、照明光の透過効率は、基準例の基準値：１に対して０．９７となった。  
即ち、実施例１では、液晶１０の特定部分（ブラックマトリックス１７の開口部の中心近傍部分）への光エネルギの過度の集中を有効に軽減させつつ、照明光の透過効率としては基準例の場合と略同等の値が得られている。
【００６６】
この実施例１の場合において、カバーガラス１４の表・裏面およびマイクロレンズアレイ１２のマイクロレンズ面に反射防止膜を形成したところ、照明光の透過効率を基準値：１に対して１．０４に向上させることができた。
【実施例２】
【００６７】
図５に実施例２の「１液晶画素部分の構成」を示す。煩雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては、図１、図３におけると同一の符号を用いる。図５（ａ）において、マイクロレンズアレイ１２は屈折率：１．５のガラス板にマイクロレンズ１２１をアレイ配列形成したものであり、マイクロレンズ１２１の配列ピッチ・レンズ有効径は、基準例のものと同じく１５．５μｍである。
【００６８】
マイクロレンズ１２１は実施例１と同一のもので、レンズ頂部に直径：４．２μｍの光軸に直交する平面部１２１Ａを形成され、レンズ面高さ（破線で示す「基準面」から平面部１２１Ａまでの高さ）は２．３μｍ、平面部１２１Ａの周囲の曲面部は、実施例１のものと同一の球面形状である。マイクロレンズアレイ１２の液晶１０側の面から上記基準面までの高さは実施例１と同じく３２．７μｍである。液晶１０は基準例におけると同一のものである。
【００６９】
マイクロレンズアレイ１２のマイクロレンズ１２１側の面はカバーガラス１４と接合され、両者の間隙部分の媒質は空気となっている。ブラックマトリックス１７の開口部の開口径：Ｄ（＝１１．５μｍ×１２．０μｍ）は基準例と同一である。
【００７０】
図５（ｂ）は、実施例２において、カバーガラス１４の側から平行光束を入射させた状態を示している。図の如く、マイクロレンズ１２１周辺の「球面形状の曲面部」に入射する平行光束部分は曲面部の集光作用により、液晶１０を透過しつつブラックマトリックス１７の開口部の中心部近傍に集光する。一方、マイクロレンズ１２１頂部の平面部１２１Ａに入射した光は、レンズ作用を受けずにマイクロレンズ１２１を透過し、平行光束として液晶１０を透過し、ブラックマトリックス１７の開口部を透過する。
【００７１】
このため、液晶１０の微小部分に過剰な光エネルギが集中することが有効に回避され、液晶のダメージが有効に軽減される。
【００７２】
図５（ｃ）は実施例２の液晶パネルユニットに「実際の照明光束に近い状態の光束（基準例におけるシミュレーションに用いたのと同じ光束）」を想定して、カバーガラス１４の側から入射させた場合のシミュレーション結果を示している。図５（ｂ）の状態と比較すると、ブラックマトリックス１７の開口部へ集光する光の「集光の程度」は図５（ｂ）の場合よりも低下し、ブラックマトリックス１７の開口部を透過する光束の光束径は、図５（ｂ）の場合よりも大きくなっている。
【００７３】
実施例２の図５（ｃ）の場合、照明光の透過効率は基準例の基準値：１に対して０．９８となった。  
即ち、液晶１０の特定部分（ブラックマトリックス１７の開口部の中心近傍部分）への光エネルギの過度の集中を有効に軽減させつつ、照明光の透過効率としては基準例の場合と略同等の値が得られている。
【００７４】
この実施例２の図５（ｃ）の場合において、カバーガラス１４の表・裏面およびマイクロレンズアレイ１２のマイクロレンズ面に反射防止膜を形成したところ、照明光の透過効率を基準値：１に対して１．０５に向上させることができた。
【００７５】
図６は、条件（１）、（２）を説明するための図である。  
【００７６】
図６（ａ）は、前述の基準例１を表す図３（ａ）の状態を示している。この場合において、マイクロレンズ１３１の頂部を平坦化して平面部としたマイクロレンズアレイを図６（ｂ）に符号１３０で示す。符号１３１０はマイクロレンズであり、その頂部の平面部を符号１３１０Ａで示す。マイクロレンズ１３１０において「平面部１３１０Ａ以外の球面部分の形状」はマイクロレンズ１３１の球面形状と同一である。  
【００７７】
このとき、マイクロレンズアレイ１３０とカバーガラス１４との間の領域１６Ａが「マイクロレンズアレイ１３０の材質に対して屈折率差：０．１の透明接着剤」により満たされている場合において、上述の「照明光の透過効率」が０．８となるときの、前述のパラメータ：α、βの値をプロットしてみると図７に示す如くになる。これらプロット点（黒丸で示す。以下に於いても同様である。）の並び具合を最小自乗法により２次関数で近似したものが実線で示す曲線（以下においても同様である。）、
β＝−５．３α2＋１．７α＋２．１
であり、従って、透過効率：０．８以上を実現するには、条件（１）を満足すればよい。
【００７８】
因みに、上記と同じ条件で透過効率が０．９５以上となる条件は、図８に示すように、
（３）  β≦−４．０α2＋０．７９α＋０．８２
である。
【００７９】
また、マイクロレンズアレイとカバーガラスとの間の領域１６Ａの媒質が実質的に屈折率：１のもの（真空もしくは空気）である場合には、照明光の透過効率が０．８となるときのパラメータ：α、βの値をプロットしてみると図９に示す如くになる。これらプロット点の並び具合を最小自乗法により２次関数で近似したものが、実線の曲線  
β＝−４．８α2＋１．５α＋１．８
であり、従って、透過効率：０．８以上を実現するには条件（２）を満足すればよい。
【００８０】
因みに、上記と同じ条件で透過効率が０．９５以上となる条件は、図１０に示す如く、
（４）  β≦−３．９７α2＋０．８α＋０．７５
である。
【００８１】
上記の条件（１）〜（４）は、マイクロレンズの球面形状や有効レンズ面の大きさ、ブラックマトリックスの開口部の大きさ等が異なっても同一である。なお、条件（３）と条件（４）とは、実質的に同じである。
【００８２】
図７〜図１０から明らかなように、照明光の透過効率が０．８あるいは０．９５よりも大きくなる領域に於いては、パラメータ：βの値が小さくなるほど（即ち、マイクロレンズ頂部の平面部とカバーガラスとの間隔が小さくなるほど）、平面部の大きさを大きくしても高い透過効率を得ることができる。
【００８３】
マイクロレンズ頂部の平面部をカバーガラスに当接させた場合には、パラメータ：βは０となるが、このときには、図７〜図１０から明らかなように、パラメータ：αに最も大きな値が許容されることになる。例えば、図７、図９の何れの場合もα＝０．８程度まで許容され、図８、図１０の場合には、α＝０．５程度まで許容される。
【００８４】
実施例１、２の場合について上記条件の充足を見ると、実施例１においては、α＝０．０７、β＝０．３２であるので、条件（２）の右辺の値は、
−４．８×０．００４９＋１．５×０．０７＋１．８＝１．８８（＞０．３２）
であり、条件（４）の右辺の値は、
−３．９７×０．００４９＋０．８×０．０７＋０．７５＝０．７９（＞０．３２）
となるから、実施例１においては条件（２）、（４）が共に満足されている。
【００８５】
また実施例２では、α＝０．０７、β＝０．０であるので、条件（２）の右辺の値は、
−４．８×０．００４９＋１．５×０．０７＋１．８＝１．８８（＞０．０）
であり、条件（４）の右辺の値は、  
−３．９７×０．００４９＋０．８×０．０７＋０．７５＝０．７９（＞０．０）
となり、実施例２においても条件（２）、（４）が共に満足されている。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】液晶パネルユニットの実施の形態を説明するための図である。
【図２】従来の液晶パネルユニットを説明するための図である。
【図３】基準例を説明するための図である。
【図４】実施例１を説明するための図である。
【図５】実施例２を説明するための図である。
【図６】請求項１１、１２の発明を説明するための図である。
【図７】条件（１）を説明するための図である。
【図８】条件（３）を説明するための図である。
【図９】条件（２）を説明するための図である。
【図１０】条件（４）を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０      液晶
１２      マイクロレンズアレイ
１２１    マイクロレンズ
１２１Ａ  マイクロレンズ頂部の光軸に直交する平面部
１４      カバーガラス
１７      ブラックマトリックス
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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