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技術 マイクロレンズ基板、マイクロレンズ付液晶表示素子および投影型画像表示装置

出願人 シャープ株式会社
発明者 柴谷岳浜田浩
出願日 1998年12月22日 (22年0ヶ月経過) 出願番号 1998-364149
公開日 2000年7月4日 (20年5ヶ月経過) 公開番号 2000-187212
状態 拒絶査定
技術分野 光学要素・レンズ 投影機 投影装置 液晶4(光学部材との組合せ) 液晶4(光学部材との組合せ)
主要キーワード パスカルの原理 反転転写 凸型マイクロレンズ 画像表示原理 凹型形状 平板型マイクロレンズ レンズ形 凸型形状
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (13)

課題

温度上昇による複屈折の変動を抑制して、光学特性が良好なマイクロレンズ基板およびそれを適用した光学素子を提供する。

解決手段

マイクロレンズ基板は、凹形状が形成された第一の透明基板1と、第二の透明基板2がシール樹脂3を介して貼り合わせられており、シール樹脂3で囲まれた第一の透明基板1と第二の透明基板2の間隙は、第一の透明基板1よりも高い屈折率の透明液体4が充填されており、この透明液体4が凸型マイクロレンズとして機能する。

概要

背景

近年、液晶表示素子は、直視型だけではなく、プロジェクションテレビ等の画像投影型の表示素子に対しても需要が高まってきている。液晶表示素子には、画素と呼ばれる最小の表示単位規則的に配列されており、それらの画素に各々独立した電圧印加して、各画素を構成する液晶光学特性を変化させることにより、画像や文字が表示される。

前記液晶表示素子を投影型の表示素子に使用する場合、同じ画素数での表示素子で拡大率を高めると画面の粗さが目立つようになるので、高い拡大率で精細な画像を得るためには画素数を増やす事が必要となる。

ところが、液晶表示素子の画素数を増やすと、特にアクティブマトリクス型の液晶表示素子の場合には、画面中、画素以外の占める面積の割合が相対的に大きくなり、これらの部分を覆うブラックマトリクスの面積が増大する。その結果、表示に寄与する画素の面積が減少して表示素子の開口率が低下してしまう。これにより液晶表示素子への入射光強度が同じ場合には、画素を透過する光が少なくなるので、画面が暗くなって画像品位が低下することになる。

このような画素数の増大による開口率の低下を防止するために、例えば、特開昭60−165621号公報には、液晶表示素子の一方の面にマイクロレンズアレイを形成することが提案されている。この公報に記載されているマイクロレンズアレイは、各画素に対応したマイクロレンズを有し、従来、ブラックマトリクスにより遮光されていた光を画素内に集光するものである。

このようなマイクロレンズアレイを作り込んだマイクロレンズ基板をその形状で分類すると、凸型平板型のものがある。

凸型マイクロレンズ基板は、透明平板上に凸レンズが形成されたもので表面に凸面が露出している。

凸型マイクロレンズ基板の製造方法としては、膨潤法(鈴木他、”プラスチックマイクロレンズの新しい作製法”第24回微小光学研究会)、熱ダレ法(Zoran D.Popovic et al.,Appl.Optics,27p.1281(1988))および機械加工法等が挙げられる。

膨潤法では、感光性モノマー紫外線重合させ、露光部分と非露光部分との間に生じる浸透圧の差により露光部分を膨潤させて、凸型のレンズ形状を得る。熱ダレ法では、感光性樹脂の膜を円形等の所定の形状にパターニングした後、その樹脂融点以上に加熱熔融して表面張力によりレンズ形状を得る。機械加工法では、基材を削ることによりレンズ形状を得る。

一方、平板型マイクロレンズ基板は、外表面には凹凸がなく基板内部に凸レンズが埋め込まれているものである。

製造方法としては、イオン交換法(Appl.Opt.Vol.21,p.1052(1982)、または、Electron.Lett.Vol.17,p.452(1981))およびガラスエッチング法等が挙げられる。

イオン交換法は、ガラス基板金属イオン拡散させて、その部分の屈折率周辺より高めることでレンズ効果を持たせている。ガラスエッチング法は、ガラス基板上にマスクを形成し、マスク開口部から基板表面をエッチングすることにより半球状の凹部を形成し、そこに屈折率の高い固形材料を埋め込むものである。

さらに、凸型形状または凹型形状原版を作製し、この原版の形状を紫外線硬化樹脂などで凹凸反転転写する2P法も利用できる。この2P法によれば、凸型の原版から作られる凹形状に高屈折率樹脂材料等を埋め込んで平板型マイクロレンズ基板が、凹型の原版からは凸型マイクロレンズ基板が得られる。

これらのマイクロレンズ基板は、液晶表示素子の画素構造に対応して1画素に1個、もしくは複数個の画素に1個の割合で、マイクロレンズが周期的に配列されており、液晶表示素子に貼り合わせることで、実効的な開口率を向上させる事ができる。

平板型マイクロレンズ基板を液晶表示素子に貼り合わせるには、両者の接着すべき面が平面同士なので、単に光学接着剤で接着すればよい。

一方、凸型マイクロレンズ基板のレンズ面を液晶表示素子に貼り合わせる場合には、隙間の充填も必要なため、平板同士の接着と比べて、単位面積当たり接着剤の使用量が増える。また、表面の凸レンズ同士の隙間に気泡が残りやすいので、接着剤とは別の樹脂でレンズ面を平坦化したり、さらに、カバーガラスを貼り合わせる等して、平板型と同じように表面をフラットな状態にしてから液晶表示素子と貼り合わせることもある。

この手法を拡張すれば、平板化したマイクロレンズ基板自体を、液晶表示素子を構成する透明基板に用いることもできる。本願出願人による特開平9−258195号公報において、複数の凸レンズまたは凹レンズを形成した第1の透明基板を、レンズ形成部の周囲にUV硬化樹脂などでシール印刷し、第2の透明基板と貼りあわせ、シール樹脂注入口から樹脂を注入して硬化させることによりマイクロレンズ基板を作る方法が開示されている。

この場合、2枚の透明基板の間隙を樹脂、つまり固体で充填して固めてしまうので、基板の強度を確保できる。これを液晶表示素子の一方の基板として利用する。すなわち、マイクロレンズが内部に作り込まれた基板は、液晶表示素子の製造工程に投入され、表面に透明電極および配向膜を、さらに必要に応じてブラックマトリクスを形成して、液晶表示素子を構成するもう1枚の透明基板と、液晶層を介して貼り合わせられる。

概要

温度上昇による複屈折の変動を抑制して、光学特性が良好なマイクロレンズ基板およびそれを適用した光学素子を提供する。

マイクロレンズ基板は、凹形状が形成された第一の透明基板1と、第二の透明基板2がシール樹脂3を介して貼り合わせられており、シール樹脂3で囲まれた第一の透明基板1と第二の透明基板2の間隙は、第一の透明基板1よりも高い屈折率の透明液体4が充填されており、この透明液体4が凸型のマイクロレンズとして機能する。

目的

本発明は、このような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、温度上昇時にも複屈折の増加を抑えたマイクロレンズ基板、高輝度コントラストを維持し、高品位表示が得られる液晶表示素子および投影型画像表示装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
4件

この技術が所属する分野

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請求項1

表面に複数の凹形状部が形成された第1の透明基板と、該第1の透明基板の複数の凹形状部が形成された表面と対向するように配置された第2の透明基板とが、両基板の周縁部をシール樹脂により貼り合わせられ、該シール樹脂に設けられた注入口から前記両基板間に注入された前記第1の透明基板よりも高い屈折率を有する透明液体を備えたことを特徴とするマイクロレンズ基板

請求項2

前記シール樹脂は弾性樹脂であることを特徴とする請求項1記載のマイクロレンズ基板。

請求項3

前記弾性樹脂はシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項2記載のマイクロレンズ基板。

請求項4

請求項1乃至3に記載のマイクロレンズ基板における第2の透明基板として、液晶表示素子を構成する透明基板を利用することを特徴とするマイクロレンズ付液晶表示素子。

請求項5

請求項4に記載のマイクロレンズ付液晶表示素子と、液晶表示素子に光を供給する光源と、液晶表示素子からの出射光投影する投影レンズとを少なくとも備えたことを特徴とする投影型画像表示装置

技術分野

0001

本発明は、マイクロレンズ基板マイクロレンズを付加することにより開口率を向上させた液晶表示素子および該液晶表示素子を用いた投影型画像表示装置に関する。

背景技術

0002

近年、液晶表示素子は、直視型だけではなく、プロジェクションテレビ等の画像投影型の表示素子に対しても需要が高まってきている。液晶表示素子には、画素と呼ばれる最小の表示単位規則的に配列されており、それらの画素に各々独立した電圧印加して、各画素を構成する液晶光学特性を変化させることにより、画像や文字が表示される。

0003

前記液晶表示素子を投影型の表示素子に使用する場合、同じ画素数での表示素子で拡大率を高めると画面の粗さが目立つようになるので、高い拡大率で精細な画像を得るためには画素数を増やす事が必要となる。

0004

ところが、液晶表示素子の画素数を増やすと、特にアクティブマトリクス型の液晶表示素子の場合には、画面中、画素以外の占める面積の割合が相対的に大きくなり、これらの部分を覆うブラックマトリクスの面積が増大する。その結果、表示に寄与する画素の面積が減少して表示素子の開口率が低下してしまう。これにより液晶表示素子への入射光強度が同じ場合には、画素を透過する光が少なくなるので、画面が暗くなって画像品位が低下することになる。

0005

このような画素数の増大による開口率の低下を防止するために、例えば、特開昭60−165621号公報には、液晶表示素子の一方の面にマイクロレンズアレイを形成することが提案されている。この公報に記載されているマイクロレンズアレイは、各画素に対応したマイクロレンズを有し、従来、ブラックマトリクスにより遮光されていた光を画素内に集光するものである。

0006

このようなマイクロレンズアレイを作り込んだマイクロレンズ基板をその形状で分類すると、凸型平板型のものがある。

0007

凸型マイクロレンズ基板は、透明平板上に凸レンズが形成されたもので表面に凸面が露出している。

0008

凸型マイクロレンズ基板の製造方法としては、膨潤法(鈴木他、”プラスチックマイクロレンズの新しい作製法”第24回微小光学研究会)、熱ダレ法(Zoran D.Popovic et al.,Appl.Optics,27p.1281(1988))および機械加工法等が挙げられる。

0009

膨潤法では、感光性モノマー紫外線重合させ、露光部分と非露光部分との間に生じる浸透圧の差により露光部分を膨潤させて、凸型のレンズ形状を得る。熱ダレ法では、感光性樹脂の膜を円形等の所定の形状にパターニングした後、その樹脂融点以上に加熱熔融して表面張力によりレンズ形状を得る。機械加工法では、基材を削ることによりレンズ形状を得る。

0010

一方、平板型マイクロレンズ基板は、外表面には凹凸がなく基板内部に凸レンズが埋め込まれているものである。

0011

製造方法としては、イオン交換法(Appl.Opt.Vol.21,p.1052(1982)、または、Electron.Lett.Vol.17,p.452(1981))およびガラスエッチング法等が挙げられる。

0012

イオン交換法は、ガラス基板金属イオン拡散させて、その部分の屈折率周辺より高めることでレンズ効果を持たせている。ガラスエッチング法は、ガラス基板上にマスクを形成し、マスク開口部から基板表面をエッチングすることにより半球状の凹部を形成し、そこに屈折率の高い固形材料を埋め込むものである。

0013

さらに、凸型形状または凹型形状原版を作製し、この原版の形状を紫外線硬化樹脂などで凹凸反転転写する2P法も利用できる。この2P法によれば、凸型の原版から作られる凹形状に高屈折率樹脂材料等を埋め込んで平板型マイクロレンズ基板が、凹型の原版からは凸型マイクロレンズ基板が得られる。

0014

これらのマイクロレンズ基板は、液晶表示素子の画素構造に対応して1画素に1個、もしくは複数個の画素に1個の割合で、マイクロレンズが周期的に配列されており、液晶表示素子に貼り合わせることで、実効的な開口率を向上させる事ができる。

0015

平板型マイクロレンズ基板を液晶表示素子に貼り合わせるには、両者の接着すべき面が平面同士なので、単に光学接着剤で接着すればよい。

0016

一方、凸型マイクロレンズ基板のレンズ面を液晶表示素子に貼り合わせる場合には、隙間の充填も必要なため、平板同士の接着と比べて、単位面積当たり接着剤の使用量が増える。また、表面の凸レンズ同士の隙間に気泡が残りやすいので、接着剤とは別の樹脂でレンズ面を平坦化したり、さらに、カバーガラスを貼り合わせる等して、平板型と同じように表面をフラットな状態にしてから液晶表示素子と貼り合わせることもある。

0017

この手法を拡張すれば、平板化したマイクロレンズ基板自体を、液晶表示素子を構成する透明基板に用いることもできる。本願出願人による特開平9−258195号公報において、複数の凸レンズまたは凹レンズを形成した第1の透明基板を、レンズ形成部の周囲にUV硬化樹脂などでシール印刷し、第2の透明基板と貼りあわせ、シール樹脂注入口から樹脂を注入して硬化させることによりマイクロレンズ基板を作る方法が開示されている。

0018

この場合、2枚の透明基板の間隙を樹脂、つまり固体で充填して固めてしまうので、基板の強度を確保できる。これを液晶表示素子の一方の基板として利用する。すなわち、マイクロレンズが内部に作り込まれた基板は、液晶表示素子の製造工程に投入され、表面に透明電極および配向膜を、さらに必要に応じてブラックマトリクスを形成して、液晶表示素子を構成するもう1枚の透明基板と、液晶層を介して貼り合わせられる。

発明が解決しようとする課題

0019

しかしながら、上記従来技術により作製されたマイクロレンズを、特に液晶表示装置に適用した場合、以下のような問題が生じる。

0020

多くの液晶パネルに採用されている画像表示原理は、TN(ツイストマティック)方式と呼ばれるもので、2枚の偏光板とその偏光板の間にある液晶層による、偏光軸回転制御によって行われる。

0021

また、TN方式にはノーマリーホワイトモードノーマリーブラックモードがある。ノーマリーホワイトモードとは、2枚の偏光板をその偏光軸が互いに直交するように置き、液晶に電圧を印加しないときは白表示、電圧を印加して液晶の旋光能を解消し偏光軸の回転をなくすと黒表示になる。一方、ノーマリーブラックモードは、2枚の偏光板の偏光軸を平行にして、電圧の印加と白黒表示の関係が逆になるものである。

0022

白画面黒画面に対する明るさの比をコントラスト比または単にコントラストと呼ぶが、ノーマリーホワイトモードでは、黒表示状態印加電圧を高くする程、液晶の旋光能が小さくなり、偏光板自体の消光比に近づくので、コントラストを高くできる。一方、ノーマリーブラックモードでは、黒表示(印加電圧ゼロ)の時にも液晶層により回転した光の偏光軸が、出射側偏光板の偏光軸と直交にならず通過してしまう光成分が常にあり、コントラストは、ある一定以上にはならない。

0023

このように液晶表示素子の画像表示原理は偏光が鍵であり、2枚の偏光板の間で液晶層以外での余計な偏光軸の回転・撹乱が起きないように、複屈折が十分小さい構成材料を使用しなければならない。マイクロレンズ基板は液晶表示素子に貼り合わせられ、2枚の偏光板の間に位置するから、マイクロレンズ基板も複屈折が十分小さくなければならない。

0024

しかし、前述の紫外線硬化樹脂による形状転写法(2P法)では、紫外線硬化樹脂を硬化させるときに硬化収縮が生じ、その結果、樹脂層内に非等方応力が発生し、複屈折性を示すことがある。そのような現象が起こると前述のノーマリーブラックモードの説明と同じで、黒画面表示の時にも、液晶層を通過した光が出射側偏光板の偏光軸と直交しなくなり、十分なコントラストが得られなかったり、コントラストむらの発生により表示品位が低下するという問題がある。

0025

また、特に投影型画像表示装置においては、強力な照明光照射されるので液晶表示素子およびマイクロレンズ基板は加熱されて温度が上昇する。

0026

凸型のマイクロレンズ基板では、マイクロレンズは画像表示面上において接着剤で周りを囲まれ、さらに、ガラス基板に挟まれた状態である。接着剤、マイクロレンズ、ガラス基板各々の熱膨張率に差があるため、温度上昇と共に非等方的な応力がかかる。このため、常温では光学的に等方的であったマイクロレンズの材料や接着剤、樹脂、ガラス基板に屈折率異方性が生じ、コントラスト低下などの画質低下を引き起こす。また、エッチング法を用いた平板型マイクロレンズ基板においても、接着剤とレンズとして埋め込まれた樹脂、ガラス基板との熱膨張率の関係は、前述の凸型マイクロレンズ基板と同じで、やはり同じ問題が生じる。

0027

また、イオン交換法を適用するガラス基板は主にソーダガラスで、液晶表示素子を構成する無アルカリガラスとの熱膨張率に差があるので、マイクロレンズと液晶表示素子の画素との位置ずれが発生し、画素開口部に集光できなくなる。これにより、やはり投影画像が暗くなったり明るさムラが生じる等の画質低下を引き起こしてしまう問題がある。

0028

本発明は、このような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、温度上昇時にも複屈折の増加を抑えたマイクロレンズ基板、高輝度でコントラストを維持し、高品位表示が得られる液晶表示素子および投影型画像表示装置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

0029

本発明のマイクロレンズ基板は、表面に複数の凹形状部が形成された第1の透明基板と、該第1の透明基板の複数の凹形状部が形成された表面と対向するように配置された第2の透明基板とが、両基板の周縁部をシール樹脂により貼り合わせられ、該シール樹脂に設けられた注入口から、該第1の透明基板よりも高い屈折率を有する透明液体が両基板間に注入されており、そのことにより上記目的が達成される。

0030

前記シール樹脂は弾性富む樹脂を用いる方がより好ましい。

0031

さらに、前記シール樹脂はシリコーン樹脂であることがより好ましい。

0032

本発明のマイクロレンズ付液晶表示素子は、前記マイクロレンズ基板における第2の透明基板として液晶表示素子の透明基板を利用することで上記目的が達成される。

0033

本発明の投影型画像表示装置は、前記マイクロレンズ付液晶表示素子と、液晶表示素子に光を供給する光源と、液晶表示素子からの出射光を投影する投影レンズとを少なくとも備えており、そのことにより上記目的が達成される。

0034

以下、本発明の作用について説明する。本発明のマイクロレンズ基板にあっては、複数の凹形状部が形成された第1の透明基板と、第2の透明基板との周縁部をシール樹脂により貼り合わせ、両基板間に前記凹形状部よりも高い屈折率を有する透明液体をシール樹脂に設けられた注入口から注入している。第1の透明基板に設けられた凹形状部が液体レンズ容器の役目を果たし、透明液体が凸レンズの主体として光を屈折させる。

0035

また、画像表示面上には接着剤が存在せず、凸レンズが液体であり分子レベルで自由に動き回れるので、パスカルの原理により高温時の熱膨張の応力はあらゆる方向に均等に分散され、マイクロレンズ部に複屈折が生じないので、マイクロレンズを通過する光の偏光軸を回転させたりしない。したがって、液晶表示素子に用いた場合も黒画面の輝度浮き上がりがなく、十分なコントラストを保つことができる。

0036

液体は一般に固体と比べて熱膨張率が大きいが、シリコーン樹脂などの弾性に富むシール樹脂を用いれば、液体の体積変化を吸収することができる。

0037

本発明のマイクロレンズ付液晶表示素子にあっては、前記マイクロレンズ基板の第2の透明基板として液晶表示素子の基板を利用している。

0038

エッチング法等により凹形状部を設けた第1の透明基板と、従来の製造プロセスで作られた液晶表示素子の一方のガラス基板とを、シール樹脂を介して貼り合わせ、その間隙に高屈折率の液体を注入することで、液体部が凸のマイクロレンズとして機能し、液晶表示素子の各画素開口部に集光するので、明るい表示画像を得ることができる。

0039

また、このマイクロレンズ基板付液晶表示素子と光源および投影レンズを備えた投影型画像表示装置は、表示画面が明るく、コントラスト低下のない高品質な表示画像を実現する。

0040

第1の透明基板は、第2の透明基板の役割を果たす液晶表示素子の透明基板と同材質のものを用いれば、高温下での熱膨張時も基板の反りやマイクロレンズの位置ずれを起こさないので、表示画像が暗くなったりしない。

発明を実施するための最良の形態

0041

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

0042

(実施の形態1)図1は、本発明の一実施形態であるマイクロレンズ基板の断面図を示す。

0043

このマイクロレンズ基板は、凹形状が形成された第一の透明基板1と、第二の透明基板2がシール樹脂3を介して貼り合わせられており、シール樹脂3で囲まれた第一の透明基板1と第二の透明基板2の間隙は、第一の透明基板1よりも高い屈折率の透明液体4が充填されており、この透明液体4が凸型のマイクロレンズとして機能する。

0044

このマイクロレンズ基板の製作過程図2から図6に従って説明する。なお、図3(a)〜図3(d)は、図2に示したA−A線で切り取った断面図である。

0045

まず、図2に示すように、第一の透明基板1の表面に、耐腐食性メタル層5を設けその上からフォトレジスト(図示せず)を塗布して、周知のフォトリソグラフィー技術により所望の開口部6を作製する。本実施の形態では、円形の開口部6が格子状に等間隔に配列されている。

0046

次に、この基板を、弗酸を主成分とするエッチャントに浸漬し、メタル層5に設けられた開口部6を通して第一の透明基板1の表面を所定の深さまでエッチングする。これにより、図3(a)に示すように、開口部6直下に半球状の凹形状部7が形成される。

0047

その後、フォトレジストやメタル層5を除去すると、図3(b)に示すように、第一の透明基板1に凹形状部7のアレイが作製される。

0048

なお、図3(c)に示すように、第一の透明基板1周辺の凹形状部7の非形成領域に、再度メタル層8を形成するか、前記エッチングに用いたメタル層5の周辺部を残しておき、さらに第一の透明基板1をエッチングすると、図3(d)のように、凹形状部7の曲率半径が大きくなり、かつ凹形状部7の境界がその全周で重なりあい、マイクロレンズ基板完成後のレンズ間の隙間を減らすことができる。

0049

図4は、図3(d)の様に凹形状部7の境界を広げた第一の透明基板1の斜視図である。第一の透明基板1に形成された凹形状部7は、最外周の凹形状を除いて、平面図では凹形状の境界が四角形状になる。

0050

次に、図5に示すように、第一の透明基板1の周縁部に、熱硬化型樹脂と一定の直径を有するスペーサーとの混合物からなるシール樹脂3を、印刷またはディスペンサーで塗布する。この際、シール樹脂3には、後で透明液体4を注入するための注入口9を設けておく。ここで、シール樹脂3の材料としては、液晶表示素子の製造に用いるエポキシ系樹脂などの他に、透明液体4の体積膨張を吸収するためにシリコーン樹脂などの弾性に富む樹脂を用いるとさらに良い。なお、シール樹脂3中にスペーサーを混合させるのは、第二の透明基板2との貼り合わせ時に、第一の透明基板1と第二の透明基板2の間隔を均一にして、反りやうねりを無くすためである。

0051

次に、第一の透明基板1と第二の透明基板2をシール樹脂3により貼り合わせ、このシール樹脂3を硬化させた後、図6に示すように、第一の透明基板1と第二の透明基板2との間に、シール樹脂3に設けられた注入口9から、第一の透明基板1よりも屈折率が高い透明液体4を、真空注入法により注入する。

0052

この真空注入法では、まず、第一の透明基板1と第二の透明基板2を貼り合わせた貼り合わせ基板10および透明液体4を、真空槽11内にセットして真空ポンプ12で排気する。真空槽11内を十分真空引きした後で、貼り合わせ基板10の周端部に形成されている注入口9を、透明液体4に浸す。その後、真空槽11内を窒素雰囲気下において、大気圧に戻す事で、透明液体4が貼り合わせ基板10の第一の透明基板1と第二の透明基板2の間隙に入り込み、充填される。さらに、注入口9を樹脂で封止して透明液体4が漏れ出さない様にすれば、マイクロレンズ基板が完成する。ここで、真空注入法により透明液体4を貼り合わせ基板10間に注入するので気泡が生じず、注入口9の封止後のマイクロレンズ基板の洗浄も容易である。なお、温度上昇時に熱膨張率差による基板の反りやたわみを生じない様に、第2の透明基板2は、第1の透明基板1と同じ材質のガラス板を用いた。同じ材質の代わりに、同程度の熱膨張率を有するものを選択してもよい。

0053

本実施の形態のマイクロレンズ基板は、温度上昇によっても複屈折が現れず、特に偏光を扱う光学用途、液晶表示素子への利用等において良好な光学特性を保つことができる。

0054

(実施の形態2)図7は、本発明のマイクロレンズ付液晶表示素子13の断面図を示す。

0055

このマイクロレンズ付液晶表示素子13は、無アルカリガラスからなる透明基板14上にバス配線16、スイッチング素子17および画素電極18等が形成され、対向する透明基板15には、ブラックマトリクス19および透明電極20が形成されている。透明基板14と透明基板15は、シール材21によって貼り合わせられており、また、シール材21によって液晶層22が封止されている。なお、図示はしていないが透明基板14および透明基板15の対向する基板表面には配向膜が形成されており、液晶層22を配向させている。

0056

ここまでの透明基板14から透明基板15に渡る要素は、周知のアクティブマトリクス型の液晶表示素子と同じである。しかしながら、本発明のマイクロレンズ付液晶表示素子13においては、さらに凹形状部を設けた透明基板23が、透明基板15にシール樹脂3を介して貼り合わせられ、その間隙に透明液体4が充填されている。すなわち、透明基板15は、実施の形態1におけるマイクロレンズ基板を構成する第2の透明基板(透明基板2)と、液晶表示素子を構成する透明基板との両方の役割を果たしている。

0057

したがって、以上により、全体としてマイクロレンズ付液晶表示素子13が構成される。

0058

マイクロレンズ付液晶表示素子13の製造方法を以下に説明する。まず、透明基板14から透明基板15までに渡る要素を周知の液晶表示素子の製造方法で作製する。なお、本発明においては、透明基板23との貼り合せ前までに、液晶表示素子のプロセスを液晶層22の封入まで進めればよく、液晶表示素子の製造ラインに何ら変更を加える必要はない。

0059

一方、これとは別に実施の形態1で説明した要領で、液晶表示素子の画素構造に合わせたマイクロレンズが作られる様に、凹形状部を透明基板23に加工して形成する。ここで、透明基板23は、貼り合わせる相手となる透明基板15と同じ無アルカリガラスを使用した。また、凹形状部の曲率半径は、完成時のマイクロレンズの集光スポットが、液晶表示素子の液晶層22に合わせられるように適時選択される。

0060

次に、シール樹脂3を使って加工済みの透明基板23と液晶表示素子の透明基板15とを貼り合わせ、真空注入法を利用して、間隙に高屈折率の透明液体4を充填し、注入口を封止することも、実施の形態1と同様である。以上により、マイクロレンズ付液晶表素子を作製することができる。

0061

図8は、前記マイクロレンズ付液晶表示素子13を3枚用いた3板式の投影型カラー画像表示装置の光学系の構成図である。

0062

この投影型カラー画像表示装置は、メタルハライドランプ等の白色光源24、略平行光を得るための放物面鏡25からなる光源部26と、UV−IRカットフィルター27、光源部26からの光を赤、緑、青の三原色に分解するためのダイクロイックミラー群28、反射鏡29、マイクロレンズ付液晶表示素子13と、マイクロレンズ付液晶表示素子13からの出射光を投影レンズ32へ集光するためのフィールドレンズ30、各マイクロレンズ付液晶表示素子13を透過した原色光を合成するためのダイクロイックミラー群31、映像スクリーン33上に拡大投影するための投影レンズ32から構成されている。

0063

この投影型カラー画像表示装置は、マイクロレンズがブラックマトリクスで遮られていた光を、画素開口部に集光することにより明るい表示画面を得る事ができるのは従来と同じであるが、温度上昇時にもコントラスト低下を起こすことがなく、高品質な画像を表示することができた。

0064

(実施の形態3)図9および図10は、本発明の別の実施の形態であるマイクロレンズ基板の製作過程を説明する図である。実施の形態1との主な違いは、マイクロレンズが球面形から半円筒状レンチキュラーレンズになったことである。

0065

まず、実施の形態1の場合と同様に、第一の透明基板1の表面に耐腐食性のメタル層5を設けて、さらにこの上に、フォトレジスト(図示せず)を塗布してフォトリソグラフィー技術によりメタル層5をパターニングする。本実施の形態では、レンチキュラーレンズの形状に合わせて、図9に示すように、細長スリット状の開口部34が設けられる。

0066

次に、第一の透明基板1のガラスエッチングを行ない、メタル層5を通じて等方的に侵食させていくと、スリット状の開口部34の長辺方向は直線状に、短辺方向は円弧状にエッチングが進行する。図9中のB−B線で切り取った断面図は実施の形態1の図3で示したものとほぼ同様である。

0067

さらに、フォトレジストおよびメタル層5を除去すると、図10に示すように、第一の透明基板1には、半円筒状の凹形状部35が形成される。

0068

その後、半円筒状の凹形状部35が形成された第一の透明基板1と、第二の透明基板2もしくは液晶表示素子を構成する透明基板と、シール樹脂3を介して貼り合わせ、このシール樹脂3を硬化させた後、シール樹脂3に設けられた注入口9から、両基板の間隙に高屈折率の透明液体4を充填して、マイクロレンズ基板もしくはマイクロレンズ付液晶表示素子が完成する。

0069

図11は、本実施の形態のマイクロレンズ付液晶表示素子を用いた投影型カラー画像表示装置の光学系の構成図である。この投影型カラー画像表示装置は、液晶表示素子を1枚だけ使用しフルカラー画像を表示するもので、実施の形態2で説明した3枚の液晶表示素子を使う「三板式」の投影型カラー画像表示装置に対して「単板式」と呼ばれる。

0070

この投影型カラー画像表示装置は、メタルハライドランプ等の白色光源24、球面鏡36、白色光源24と球面鏡36からの光を略平行光にするコンデンサーレンズ37からなる光源部26と、UV−IRカットフィルター27、光源部26からの光を赤(R)、緑(G)、青(B)の三原色に分解し、それぞれ異なる角度でマイクロレンズ付液晶表示素子39に入射させる為のダイクロイックミラー群38、マイクロレンズ付液晶表示素子39からの出射光を投影レンズ32へ集光するためのフィールドレンズ30、映像をスクリーン33上に拡大投影するための投影レンズ32から構成されている。

0071

マイクロレンズ付液晶表示素子39の画素配列は、同色の画素が画面縦方向整列している、いわゆるストライプ配列であり、これに使用するマイクロレンズアレイとしては、赤・緑・青の3色の画素列に1つの割合でレンチキュラーレンズが配列している。

0072

図12は、マイクロレンズ付液晶表示素子39における光の進路を説明する断面図である。前記ダイクロイックミラー群38により分割され、それぞれ異なった角度でマイクロレンズ付液晶表示素子39に入射した赤(R)、緑(G)、青(B)の各色の光束は、各マイクロレンズによって画素開口部40に集光されるのと同時に、赤(R)、緑(G)、青(B)の色別にそれぞれ対応する色を変調する画素に振り分けられる。

0073

ここで、レンチキュラーレンズは、実施の形態1および実施の形態2で説明したマイクロレンズと異なり、1方向にしか集光しないので、図12紙面垂直方向においては、ブラックマトリクス19に遮られてしまう光もある。しかしながら、単板式でありながら吸収タイプカラーフィルタを使わないので、光の利用効率が高く、明るい投影画像が得られる。

0074

本実施の形態においても、従来の明るい投影画像が実現される効果の他に、液晶表示素子の温度が上昇しても、コントラスト低下のない高品位な投影画像が得られた。

0075

なお、本実施の形態は、本発明が球面状の他にレンチキュラーレンズ状のマイクロレンズも作製可能であり、これも液晶表示素子と組み合わせて利用可能であることを示すものであって、単板式投影型カラー画像表示装置に適用できるマイクロレンズアレイがレンチキュラーレンズに限られるわけではない。

0076

また、実施の形態1のように、光を1点に集光させる形態のマイクロレンズを、赤・緑・青の3画素にひとつの割合で配列することにより、単板式の投影型カラー画像表示装置を構成することも可能である。

0077

また、画素ひとつに1個の割合でマイクロレンズを設け、カラーフィルターを使ってカラー表示を行ったり、微小時間単位毎に照明光の色を赤・緑・青と変化させ、照明光に対応した色の画像を液晶表示素子に順次切替表示することで、単板式で投影型カラー画像表示装置を構成することも可能である。

発明の効果

0078

以上の説明から明らかなように、本発明のマイクロレンズ基板によれば、透明な液体が凸レンズとして役割を果たし、温度上昇時も各部材料の膨張による圧力は均等に分散され、屈折率異方性を発生させない。したがって、偏光を利用する液晶表示素子へ適用すれば、温度上昇時もコントラストを低下させずに、実効開口率を向上させることができる。

0079

また、本発明の画像投影型表示装置によれば、実効開口率が高く、表示画面が明るく、表示画像が高品質な投影型画像表示装置を供給することができる。

0080

さらに、液晶表示素子の透明基板は、透明液体を保持する第2の透明基板に利用して、マイクロレンズと液晶表示素子を一体化することができる。

図面の簡単な説明

0081

図1実施の形態1のマイクロレンズ基板の構成を示す断面図である。
図2実施の形態1のマイクロレンズ基板の製造工程を説明する斜視図である。
図3実施の形態1のマイクロレンズ基板の製造工程を説明する断面図である。
図4実施の形態1のマイクロレンズ基板の製造工程を説明する斜視図である。
図5実施の形態1のマイクロレンズ基板の製造工程を説明する平面図である。
図6実施の形態1のマイクロレンズ基板の液体注入工程を説明する図である。
図7実施の形態2のマイクロレンズ付液晶表示素子の構成を示す断面図である。
図8実施の形態2のマイクロレンズ付液晶表示素子を用いた投影型カラー画像表示装置の光学系の構成図である。
図9実施の形態3のマイクロレンズ基板の製造工程を説明する斜視図である。
図10実施の形態3のマイクロレンズ基板の製造工程を説明する斜視図である。
図11実施の形態3のマイクロレンズ付液晶表示素子を用いた投影型カラー画像表示装置の光学系の構成図である。
図12実施の形態3の投影型カラー画像表示装置に用いられるマイクロレンズ付液晶表示素子における光の進路を説明する断面図である。

--

0082

1 第一の透明基板
2 第二の透明基板
3シール樹脂
4 透明液体
5メタル層
6 開口部
7凹形状部
8 メタル層
9注入口
10 貼り合わせ基板
11真空槽
12真空ポンプ
13マイクロレンズ付液晶表示素子
14 透明基板
15 透明基板
16バス配線
17スイッチング素子
18画素電極
19ブラックマトリクス
20透明電極
21シール材
22液晶層
23 透明基板
24白色光源
25放物面鏡
26光源部
27 UV−IRカットフィルタ
28ダイクロイックミラー群
29反射鏡
30フィールドレンズ
31 ダイクロイックミラー群
32投影レンズ
33スクリーン
34スリット状の開口部
35 凹形状部
36球面鏡
37コンデンサーレンズ
38 ダイクロイックミラー群
39 マイクロレンズ付液晶表示素子
40画素開口部

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