JP2007264066A - Optical element, liquid crystal display device and liquid crystal projector equipped with same, and method of forming antireflection layer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のレンズ部を有するレンズアレイとレンズ部に対向する基板とを備えた光学素子、及びこれを備えた液晶表示装置並びに液晶プロジェクタ、反射防止層の形成方法に関する。 The present invention relates to an optical element including a lens array having a plurality of lens portions and a substrate facing the lens portions, a liquid crystal display device including the same, a liquid crystal projector, and a method for forming an antireflection layer.
TFT(Thin Film Transistor)−LCDは、液晶層の1画素の領域に印加される電圧のオン/オフをトランジスタにより制御するため、各画素のオン/オフの切り換えが速く、正確であることから、画質の高さが要求されるディスプレイに広く利用されている。TFT−LCDは、TFTアレイ及びその配線パターンと、透明な画素電極とが形成されたTFT基板と、TFT基板の画素電極に対応した共通電極が形成された対向基板とを備えている。 Since the TFT (Thin Film Transistor) -LCD controls the on / off of the voltage applied to the area of one pixel of the liquid crystal layer by the transistor, the on / off switching of each pixel is fast and accurate. Widely used in displays that require high image quality. The TFT-LCD includes a TFT substrate on which a TFT array and its wiring pattern and a transparent pixel electrode are formed, and a counter substrate on which a common electrode corresponding to the pixel electrode of the TFT substrate is formed.
TFT基板と対向基板は、例えば透明なガラス基板からなり、TFT基板は投映レンズ側に配置され、対向基板は光源側に配置される。対向基板には、TFTに強い光が照射されることで誤作動を起こすことがないように、TFTを遮光するための井桁状の遮光層からなるブラックマトリクスが形成されている。また、ブラックマトリクスによる光の損失を防ぐために、対向基板にはマイクロレンズアレイが設けられ、光源からの光を画素ごとに集光し、ブラックマトリクスの開口部を光が通過するようにしている。
しかしながら、マイクロレンズの集光作用を得るためには、高屈折材料からなるマイクロレンズに隣接して、低屈折材料又は空気からなる低屈折率層を設ける必要がある。屈折率差の大きい2つの層の界面では、入射光の一部が界面反射を起こして迷光となり、表示される画像のコントラストを低下させる要因となる。 However, in order to obtain the condensing effect of the microlens, it is necessary to provide a low refractive index layer made of a low refractive material or air adjacent to the microlens made of a high refractive material. At the interface between two layers having a large refractive index difference, part of the incident light causes interface reflection to become stray light, which causes a reduction in the contrast of the displayed image.
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、マイクロレンズの界面で生じる迷光を抑制し、画像のコントラストを向上させるための光学素子及びこれを備えた液晶表示装置並びに液晶プロジェクタと、反射防止層の形成方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described problems, an optical element for suppressing stray light generated at the interface of the microlens and improving the contrast of an image, a liquid crystal display device and a liquid crystal projector including the optical element, An object is to provide a method for forming an antireflection layer.
上記目的を達成するために、本発明は、入射光の光路を制御する複数のレンズ部を有するレンズアレイと、前記レンズ部を透過した光が入射し、前記レンズ部に対向する位置に設けられた対向基板とを備えた光学素子であって、前記複数のレンズ部と前記対向基板との間に微小三次元構造体からなる反射防止層が設けられていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a lens array having a plurality of lens portions for controlling the optical path of incident light, and a position where light transmitted through the lens portions enters and faces the lens portions. An optical element comprising a counter substrate, wherein an antireflection layer made of a micro three-dimensional structure is provided between the plurality of lens portions and the counter substrate.
前記微小三次元構造体は、モスアイ構造体であることを特徴とする。 The minute three-dimensional structure is a moth-eye structure.
前記モスアイ構造体は、微粒子凝集体から形成されていることを特徴とする。 The moth-eye structure is formed from a fine particle aggregate.
前記反射防止層と前記対向基板との間に、対向基板と同じ屈折率を有する保護層を介在させたことを特徴とする。 A protective layer having the same refractive index as that of the counter substrate is interposed between the antireflection layer and the counter substrate.
本発明の液晶表示装置は、上記光学素子を有し、前記対向基板は、電圧を印加するための透明な複数の画素電極が形成された基板であり、前記レンズ部は前記画素電極に入射光を集光することを特徴とする。 The liquid crystal display device of the present invention includes the above-described optical element, the counter substrate is a substrate on which a plurality of transparent pixel electrodes for applying a voltage are formed, and the lens unit receives incident light on the pixel electrodes. The light is condensed.
本発明の液晶プロジェクタは、上記液晶表示装置を備えたことを特徴とする。 A liquid crystal projector according to the present invention includes the above liquid crystal display device.
本発明の反射防止層の形成方法は、溶媒中に微粒子を分散させた塗料を光学素子の表面に塗布し、溶媒を蒸散させる事で微粒子を凝集させ、前記光学素子の表面にモスアイ構造体からなる反射防止層を形成することを特徴とする。 In the method for forming an antireflection layer of the present invention, a coating material in which fine particles are dispersed in a solvent is applied to the surface of the optical element, and the fine particles are aggregated by evaporating the solvent. From the moth-eye structure on the surface of the optical element. An antireflection layer is formed.
本発明によれば、マイクロレンズが形成される高屈折率体と対向基板として用いられる低屈折率体との間に反射防止層が設けられているから、屈折率差に起因する迷光の発生が抑えられ、表示する画像のコントラストを向上させる液晶表示装置を実現することができる。また、モスアイ構造層を反射防止層とすることにより、表面に凹凸を形成した金型を使用したモールディング、微粒子を分散吸着させる処理等により反射防止処理がなされたマイクロレンズを容易に得ることができる。例えば無機材料の多層薄膜からなる反射防止膜を形成するよりも、大面積に適用できる低コストの反射防止処理が可能であり、特に画面サイズの大きい直視型の液晶表示装置では単位面積あたりのコストをより低くできる。 According to the present invention, since the antireflection layer is provided between the high refractive index body on which the microlens is formed and the low refractive index body used as the counter substrate, stray light is generated due to the refractive index difference. A liquid crystal display device that is suppressed and improves the contrast of the displayed image can be realized. In addition, by using the moth-eye structure layer as an antireflection layer, it is possible to easily obtain a microlens that has been subjected to antireflection treatment by molding using a mold having irregularities on the surface, treatment for dispersing and adsorbing fine particles, and the like. . For example, low-cost anti-reflection treatment that can be applied to a large area is possible rather than forming an anti-reflection film composed of a multilayer thin film of inorganic material. Can be lower.
図1において、本発明を適用した液晶プロジェクタ10は、透過型の三枚の液晶表示パネル11R、11G、11Bを備え、フルカラーの画像を投映することが可能である。光源12から出射された光は、紫外線及び赤外線をカットするフィルタ13を透過することにより赤色光、緑色光、青色光を含む白色光となる。ガラスロッド14は、光源12のリフレクタとして用いられる楕円面鏡の焦点近傍に端面が位置しており、光源12からの光はガラスロッド14に入射する。
In FIG. 1, a liquid crystal projector 10 to which the present invention is applied includes three transmissive liquid
ガラスロッド14を透過した光は他方の端面から出射する。その近傍には、リレーレンズ15が設けられている。ガラスロッド14を出射した白色光は、リレーレンズ15及びその先のコリメートレンズ16により平行光となって、ミラー17に入射する。ミラー17を反射した白色光は、赤色光を透過するダイクロイックミラー18Rで2光束に分けられ、透過した赤色光はミラー19で反射して液晶表示パネル11Rを背面側から照明する。
The light transmitted through the glass rod 14 is emitted from the other end face. A
ダイクロイックミラー18Rを反射した緑色光と青色光は、緑色光を反射するダイクロイックミラー18Gで更に2光束に分割される。ダイクロイックミラー18Gを反射した緑色光は、液晶表示パネル11Gを背面側から照明する。ダイクロイックミラー18Gを透過した青色光は、ミラー18B、ミラー20を反射し、液晶表示パネル11Bを背面側から照明する。
The green light and the blue light reflected by the
液晶表示パネル11R、11G、11Bは、フルカラー画像を形成するために、赤色光、緑色光、青色光によって各色のグレースケール画像をそれぞれ形成する。合成プリズム24は、液晶表示パネル11R、11G、11Bから等距離の位置に設けられている。光源12からの照明光は、液晶表示パネル11R、11G、11Bを透過することにより画像情報が付与された画像光に変調され、ダイクロイック面24a及び24bが設けられた合成プリズム24において三色の画像光が合成される。合成された画像光は、投映レンズ25によりスクリーン上で結像され、フルカラー画像を形成する。
The liquid
図2において、液晶表示パネル11Rは、光源側より順に、入射側偏光板30と、MLA基板31と、対向基板32と、液晶層33と、TFT基板34と、出射側偏光板35とが一体に設けられている。入射側偏光板30と出射側偏光板35は、その吸収軸が互いに直交したクロスニコルで配置されている。入射側偏光板30は、入射光を直線偏光にする偏光子として作用し、出射側偏光板35は、液晶表示パネル11Rの内部を通過した直線偏光を検光する検光子として作用する。なお、液晶表示パネル11G,11Bも同様の構成である。
In FIG. 2, the liquid
MLA基板31は、1画素に対応して約10μmのピッチで複数のマイクロレンズ40がマトリクス状に配列されたマイクロレンズアレイ(MLA)が設けられている。MLA基板31は、その入射側の面に液晶層33により生じる位相差を補償する位相差補償層41が設けられている。対向基板32は、その出射側の面にブラックマトリクス42と透明な共通電極43とが設けられている。ブラックマトリクス42は、例えばクロム膜からなる遮光層である。
The
TFT基板34には、入射側の面に薄膜トランジスタ(TFT)44と画素電極45とをマトリクス状に配置したTFT回路パターン46が形成されている。ブラックマトリクス42は、薄膜トランジスタ44を入射光から遮り、薄膜トランジスタ44に入射光が当たることによって誤作動が起きることを防止する。ブラックマトリクス42は対向基板32に、TFT回路パターン46はTFT基板34にそれぞれ井桁状に形成されている。
A
マイクロレンズ40と位相差補償層41との間には、MLA基板31と対向基板32とを接合する接合層47が設けられている。接合層47は、MLA基板31及び対向基板32よりも屈折率が低い。マイクロレンズ40は、低屈折率の接合層47に向かって凸の曲面が形成された正の屈折力のレンズとして作用し、入射側からの光を集光する。集光された入射光は、ブラックマトリックス42の開口部に位置する共通電極43を透過し、液晶層33に達する。
A
薄膜トランジスタ44は、オンしたときに画素電極45と共通電極43との間に電圧を印加し、液晶層33の1画素に相当する領域に電場を発生させる。液晶層33の液晶分子は、発生した電場によりその配向方向を変化させる。なお、液晶層33と共通電極43との間、液晶層33と画素電極45との間には、電圧無印加状態における液晶層33の液晶分子を所定の方向に配向させるための配向膜(図示なし)がそれぞれ設けられている。
When the thin film transistor 44 is turned on, a voltage is applied between the
液晶層33は、対向基板32とTFT基板34との間に、電圧無印加状態で液晶分子が基板面と平行を保ちながら90度ねじれて配向した、周知のTNモード液晶層からなる。電圧無印加状態のTNモード液晶層は、入射側偏光板30を通過した直線偏光に対し、偏光面を90度ねじり、出射側偏光板35を通過させて白表示状態となる。また、電圧が十分に印加された状態では、液晶分子が基板面に略垂直に配向するので、入射側偏光板30を通った直線偏光がその偏光面を変えずに液晶層33を通り抜け、出射側偏光板35に到達して黒表示状態となる。
The liquid crystal layer 33 is formed of a well-known TN mode liquid crystal layer in which liquid crystal molecules are twisted and aligned 90 degrees while keeping a parallel to the substrate surface between the
位相差補償層41は、円盤状の分子構造を有するディスコティック液晶化合物を重合したディスコティック液晶層からなる。ディスコティック液晶層は、その上層側と下層側との間で配向方向が厚み方向に連続的に変化したハイブリッド配向をとった状態で固定化されている。白表示状態のTNモード液晶層は、その中央部の液晶分子が垂直方向に配向するが、基板面付近の液晶分子はチルト角が平面内で変化したハイブリッド配向をとるため、ハイブリッド配向したディスコティック液晶層によりTNモード液晶層の位相差を補償することができる。
The
図3(a)において、MLA基板31のマイクロレンズ40が形成されている表面と、対向基板32の入射側の表面とには、例えばシリカナノ粒子からなる微粒子50が凝集して層状にされた微粒子層51が設けられている。微粒子層51は、その膜厚が例えば100nmないし5μmである。微粒子50はその粒径が可視光の波長よりも小さく、例えば0.1ないし5nmである。微粒子層51は、可視光の波長と同程度か、可視光の波長よりも小さい高さの微小な凹凸を有している。また、凹凸の間隔も可視光の波長と同程度であるかこれよりも小さい間隔である。微粒子層51は、反射防止効果が得られるモスアイ構造体の一種として考えることができる。なお、凹凸の高低差は、微粒子層51の膜厚と同等でも良いが、製造適性とのバランスを考慮すると可視光の波長以下であることが好ましい。また、透過光として複数種類の可視光線が用いられる場合は、短波長側の光線の波長を考慮して設計される。
In FIG. 3A,
微粒子層51は、例えば、微粒子50を液体中に分散させた塗布液をマイクロレンズ40の表面に塗布し、液体成分を蒸散させた時に残留する微粒子50が凝集することによって形成される。微粒子50を含有する塗布液を用いて微粒子層51を付与する場合、高価な設備が必要ない。また、塗布液の塗布後に溶媒を蒸散させる過程で凝集体による凹凸を生成できるから、微粒子層51を生成する面が平面であるか曲面であるかを問わず、容易に微粒子層51を生成できる点で好ましい。微粒子層51は、MLA基板31と接合層47との屈折率差を有する界面と、接合層47と対向基板32との屈折率差を有する界面とでそれぞれ界面反射が起きることを防止する。
The
微粒子層51は、粒径が0.1ないし5nmの微粒子が表面に均一に分布しているのではなく、塗布液の溶媒が蒸散する過程で微粒子同士が凝集を生じる形態を保持した不均一な凝集体を形成している。この不均一な凝集体の包絡面としての表面は、微粒子の粒径と比較してはるかに大きい10ないし200nmの可視光の波長より小さい凹凸構造を形成する。また、凝集体は、微粒子が密に充填したものではなく、内部に空隙を含んだ40%ないし70%の低い充填率の構造体である。
The
MLA基板31と対向基板32を接着剤で接着した時、モスアイ構造の空隙に接着剤が充填される場合と充填されず空隙のまま残る場合がある。空隙のまま残る場合、接合層47は微粒子層51の表面形状であるモスアイ構造に接着剤が沿って追随した形で形成され、接着剤と微粒子層の間の界面の屈折率は連続になり反射防止作用が効果的に発揮される。接着剤が空隙に含浸した場合における微粒子層51の屈折率は、微粒子の材料の屈折率と接着剤の材料の屈折率の存在比率に依存する中間の屈折率となる。一般に、2つの材料の界面の反射率は、その界面に2つの材料の中間の屈折率の膜を介在させる事により抑制できることが知られており、さらにその界面の形状がモスアイ構造であれば反射防止効果が向上する。すなわち、MLA基板31のマイクロレンズ40が形成されている表面と、対向基板32の入射側の表面の反射率が効果的に抑制されることになる。
When the
ただし、微粒子層51の材料の屈折率と空隙率は、対向基板32の材料の屈折率と接着剤の屈折率を考慮して最適な組合せを選択する必要がある。この際、微粒子層51が接着剤と接する面はモスアイ構造の反射防止作用により微粒子層51の材料の屈折率と空隙率の影響は殆ど無いが、対向基板32と微粒子層51の界面は、実効的な屈折率が可能な限り接近しているのが好ましい。このため、微粒子材料の屈折率と空隙率は適切に選択されることが好ましい。また、他の手段として、微粒子50の材料として、SiO2やTiO2など屈折率の異なる材料を準備し、その混合比を最適化する手段も採用できる。
However, it is necessary to select an optimal combination of the refractive index and the porosity of the material of the
なお、微粒子50の凝集体である微粒子層51の強度が低いことが問題になる場合、接合層47はこれを補完するための保護層として作用する。微粒子層51の強度は、これを構成する微粒子50の材質や粒径、結着させる接着剤の種類、溶媒の種類や蒸散速度等の凝集条件によってその強度に差が生じる。保護層として作用する接合層47は、一方が凹凸構造と隙間なく接触し、他方が対向基板32に接するように設けられ、対向基板32に加わる応力が凹凸構造の頂点に集中する事を防ぎ、凹凸構造を安定して維持させる。保護層となる接合層47の材質としては、対向基板32との界面での反射や屈折を抑えるために対向基板32と同等な屈折率を有する素材を用いることが好ましい。接合層47は、凹凸構造を破壊しないものであれば重合性組成物を硬化させることや、樹脂のモールディング等の既知の方法により作製できる。
Note that when the strength of the
図3(b)に示すように、MLA基板31と接合層47の界面、及び接合層47と対向基板32の界面に微粒子層51が存在しない場合、各界面で入射光の一部が界面反射を起こし、これらが迷光となって液晶表示パネル11Rの内部を透過することになる。迷光は様々な角度で液晶層33を透過し、位相差補償層41によって適切な位相差補償がなされない楕円偏光となって出射側偏光板35を通過する。また、入射側偏光板30と出射側偏光板35を通過するときの光線の角度が変化する。この結果、出射側偏光板35による光の遮断率が低下し、黒表示の精度が劣化したコントラストの低い画像を形成してしまうことになる。
As shown in FIG. 3B, when the
一方、図3(a)に示す本発明では、微粒子層51によるモスアイ構造によって迷光が生じず、位相差補償層41による位相差補償が適切になされ、入射側偏光板30と出射側偏光板35との間で光線の角度がほぼ保たれる。すなわち、出射側偏光板35による光の遮断率が高められ、黒表示の精度が高められた良好なコントラストを示す画像を形成できることになる。
On the other hand, in the present invention shown in FIG. 3A, stray light is not generated by the moth-eye structure by the
なお、上記実施形態では、反射防止体として微粒子層51が設けられているが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、マイクロレンズ40を形成するための金型の表面に、可視光の波長より小さい周期の凹凸構造を予め形成し、マイクロレンズ40のモールディングと同時にその表面に凹凸構造が形成されるようにしてもよい。同様に、対向基板32の表面に凹凸構造を形成してもよい。また、微粒子塗布又はモールディングによるモスアイ凹凸構造以外にも、高屈折率の薄膜と低屈折率の薄膜を積層した多層薄膜による反射防止膜を用いてもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、屈折率の高いガラス板からなるMLA基板31及び対向基板32の間の空隙を比較的屈折率の低い合成樹脂等の接合層47で満たし、MLA基板31と対向基板32を一体としているが、接合層47を設けずに空気層としてもよい。また、マイクロレンズ40と接合層47以外に高屈折率層と低屈折率層の界面が存在する場合には、その界面に反射防止体を設けてもよい。また、凹面を形成した固体の低屈折率層の表面に反射防止体を設け、反射防止体が設けられた低屈折率層にマイクロレンズ40の材料を積層させ、マイクロレンズ40を形成してもよい。
In the above embodiment, the gap between the
本発明は、液晶プロジェクタに設けられる液晶表示装置の他に、直視型の液晶ディスプレイに適用することもできる。また、本発明をマイクロレンズアレイとカラーフィルタを備えたカラー液晶表示装置に適用することもできる。TNモードと異なるVAモード液晶層等の他の動作モードの液晶層を備えた液晶表示装置に本発明を適用することもできる。 The present invention can be applied to a direct-view type liquid crystal display in addition to a liquid crystal display device provided in a liquid crystal projector. The present invention can also be applied to a color liquid crystal display device provided with a microlens array and a color filter. The present invention can also be applied to a liquid crystal display device including a liquid crystal layer of another operation mode such as a VA mode liquid crystal layer different from the TN mode.
10 液晶プロジェクタ
11R,11G,11B 液晶表示パネル
31 MLA基板
32 対向基板
33 液晶層
34 TFT基板
40 マイクロレンズ
47 接合層
50 微粒子
51 微粒子層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
Claims (7)
前記複数のレンズ部と前記対向基板との間に微小三次元構造体からなる反射防止層が設けられていることを特徴とする光学素子。 An optical element comprising: a lens array having a plurality of lens units that control the optical path of incident light; and a counter substrate that is provided at a position facing the lens unit where light transmitted through the lens unit is incident. ,
An optical element, wherein an antireflection layer made of a micro three-dimensional structure is provided between the plurality of lens portions and the counter substrate.
前記対向基板は、電圧を印加するための透明な複数の画素電極が形成された基板であり、前記レンズ部は前記画素電極に入射光を集光することを特徴とする液晶表示装置。 The optical element according to any one of claims 1 to 4,
The counter substrate is a substrate on which a plurality of transparent pixel electrodes for applying a voltage are formed, and the lens unit condenses incident light on the pixel electrodes.
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