JP2009048078A - 液晶マイクロレンズアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、環境温度の変化によらず、液晶層８の厚さを保持することができ、安定した光学特性を維持することができる液晶マイクロレンズアレイに関する。
【解決手段】矩形形状の複数の液晶レンズをアレイ状に並べた液晶マイクロレンズアレイ１０において、複数の液晶レンズは、エンボス形状の基板１と平板状基板２ａとを貼り合せて形成された中空領域に液晶を充填して形成され、各液晶レンズにおける対角上の２点で、エンボス形状の基板１と平板状基板２ａとが、接着して固定されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンボス形状の基板と平板状基板とを貼り合せて形成された中空領域に液晶を充填して形成された液晶マイクロレンズアレイが、環境温度によらず、安定したセルギャップを保持し、良好な光学性能を維持するための液晶マイクロレンズの構成に関するものである。

従来から、立体画像表示やリアプロジェクションテレビなどの投影光学系において、また、撮像素子などの結像光学系において、焦点可変、開口率可変、視野角可変、輝度可変、画素シフトなど、それぞれの用途に合わせて任意に光学特性を変調することができる液晶マイクロレンズアレイが提案されている（例えば、特許文献１、２参照のこと）。

以下、従来の液晶マイクロレンズアレイの構成を図面に基づいて説明する。図４は、特許文献１に記載されている液晶マイクロレンズアレイの断面図を図示したものである。図５は、特許文献２に記載されている液晶マイクロレンズアレイの断面図を図示したものである。

図４に示す液晶マイクロレンズアレイ１３は、液晶分子を配向するための配向膜（図示せず）と、液晶に電圧を印加するための透明電極４をそれぞれ有する二枚の透明基板１４を枠状に配置したシール材９によって接合し、液晶を注入した後に封孔材（図示せず）により蓋閉して形成される。また、図４に示す液晶マイクロレンズ１３は、所定の厚さとなるように、スペーサー（図示せず）を介して液晶層８の厚さを均一に保って、シール材９により固定されている。

この液晶マイクロレンズアレイ１３は、電圧印加により対向する透明基板１４にそれぞれ形成された透明電極４の間に電界を発生させ、ここで発生した電界に沿って液晶分子が配列することにより、屈折率分布を得て、焦点可変のレンズ効果を得ることができる様になっている。

また、図５に示す液晶マイクロレンズアレイ１５は、マイクロレンズ形状の凹部を持つ（エンボス形状の）透明基板１６と対向する平板状の透明基板１４のそれぞれに透明電極（図示せず）および配向膜（図示せず）を形成し、枠状に配置したシール材９によって接合し、液晶を注入した後に封孔材（図示せず）により蓋閉した構造となっている。

この図５に示す液晶マイクロレンズアレイ１５は、凹部を持つ透明基板１６と液晶層８の屈折率差によってレンズ効果が発生させることができるため、例えば、凹部を持つ透明基板１６の屈折率と液晶分子の常光屈折率を同一にしておけば、レンズ効果は発生せず、電圧印加によって液晶分子の異常光屈折率成分が発現すれば、レンズ効果を持たせることができる。

特開２００２−２１４５７９号公報（第１１頁、第７−８図） 特開２００４−１３９６号公報（第１９−２０頁、第２３図）

しかしながら、図４および図５に示した特許文献１、２にそれぞれ開示されている従来の液晶マイクロレンズアレイ１３、１５は、環境温度の変化により、常温時の光学特性を
維持することができない。その現象について図６を用いて説明する。図６（ａ−１）および図６（ｂ−１）は、従来の液晶マイクロレンズアレイ１３、１５の常温時の光学特性を示す図である。また、図６（ａ−２）および図６（ｂ−２）は、従来の液晶マイクロレンズアレイ１３、１５が高温環境下に置かれたときの光学特性への影響を示す図である。

図６（ａ−１）および図６（ｂ−１）に示すように、液晶層８に電圧を印加することで、従来の液晶マイクロレンズ１３、１５は、それぞれレンズ効果を得ることができる。このとき、アレイ状に配置された各液晶レンズは、同様の集光特性を示していることが判る。ここで、図６（ａ−２）および図６（ｂ−２）に示すように、環境温度に変化を与え、例えば７０℃の環境下にて液晶マイクロレンズアレイ１３、１５をそれぞれ駆動する。このとき、環境温度の変化により、液晶層８が膨張することにより、液晶層８を保持している透明基板１４および、凹部を持つ透明基板１６はそれぞれ歪んでしまう。このように基板に歪が起こると、図６（ａ−２）および図６（ｂ−２）に示すように、アレイ状に配置した液晶レンズの場所によって集光特性に差が出てしまうことが判る。

このように、従来の液晶マイクロレンズアレイ１３、１５は、環境温度の変化によって、場所ごとによって集光特性に差が出てしまうため、湾曲収差や歪曲収差などが発生してしまうという課題があった。

そこで、本発明は、環境温度に関わらず、湾曲収差や歪曲収差の発生を防ぎ、光学性能を維持することができ、簡易で安価な構成で、量産性に優れた液晶マイクロレンズアレイを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の液晶マイクロレンズアレイは、基本的に下記の構成を有するものである。

本発明の液晶マイクロレンズアレイは、複数の液晶レンズをアレイ状に並べた液晶マイクロレンズアレイにおいて、複数の液晶レンズがエンボス形状の基板と平板状基板とを貼り合せて形成された中空領域に液晶を充填して形成され、各液晶レンズにおけるエンボス形状の凸部箇所と平板状基板との当設部が、各液晶レンズにおけるエンボス形状の凸部箇所と前記平板状基板との当設部とが、接着して固定されていることを特徴とする。

また、本発明の液晶マイクロレンズアレイは、前述した複数の液晶レンズの形状が、多角形状であることを特徴とするものである。

また、本発明の液晶マイクロレンズアレイは、上記多角形状が四角形状であることを特徴とする。

また、本発明の液晶マイクロレンズアレイは、四角形状の四隅で接着して固定されていることを特徴とする。

また、本発明の液晶マイクロレンズアレイは、エンボス形状の基板は、平板状基板の表面に塗布した樹脂に型を押し付けることで成型された基板であることを特徴とする。

さらに、本発明の液晶マイクロレンズアレイは、エンボス形状の基板が、液晶レンズに屈折率分布を形成するための電極を、他の平板状基板の表面に設けた後に、未硬化状態の樹脂を塗布し、当該樹脂に型を押し付けることで成型された基板であることを特徴とする。

本発明により、簡易で安価な構成で、量産性に優れ、環境温度に関わらず、湾曲収差や歪曲収差の発生を防ぐことができる液晶マイクロレンズアレイが提供できる。

本発明の液晶マイクロレンズアレイの構成をについて以下に説明する。

本発明における液晶マイクロレンズアレイについて、図１を用いて説明する。図１は、第１の実施形態である液晶マイクロレンズアレイ１０を示す上部平面図と、およびこの平面図におけるＡ−Ａ断面図である。

図１に示す様に、本発明の液晶マイクロレンズ１０は、透明電極４と配向膜５とが形成された平板状基板２ａと、平板状基板２ｂの表面に形成された凹凸面を有する樹脂層３と、その凹凸面に透明電極４と配向膜とがそれぞれ形成されたエンボス形状の基板１とを貼り合せ、樹脂層３における凹部によって形成された中空領域に配した液晶層８によって、複数個の液晶レンズをアレイ状に配置した形態となっている。

また、エンボス形状の基板１と平板状基板２ａの各基板表面に形成された透明電極４と配向膜５とによって、基板間に挟持する各液晶レンズにおける液晶層８に一括に給電を行って、液晶層８に入射する光束に対して樹脂層３との屈折率差を付与できる様になっている。

また、本発明の液晶マイクロレンズアレイ１０における各液晶レンズは、四角形状となっており、エンボス形状の基板１と平板状基板２ａとが、四角形状の液晶レンズにおける四隅の樹脂層３の凸部箇所にて、接着剤７を介して固定した形態となっている。

この様に、四角形状の液晶レンズの四隅である、樹脂層３の対角上の凸部箇所を接着剤７で固定すれば、従来の構成の様に、外部環境温度の変化によって、アレイ状に配した個々の液晶レンズの光学レンズ特性が変化してしまう現象が起こり難くなり、アレイ状に配した各液晶レンズが常に安定した光学レンズ特性を発揮する液晶マイクロレンズアレイとすることができる。この本発明の光学レンズ特性の作用詳細については、後述する。

また、本発明の液晶マイクロレンズアレイ１０は、上述した様に四角形状の液晶レンズをアレイ状に配置した形態に限定されるものではなく、平面上に最密充填して液晶レンズを配置することが出来る形態、例えば各液晶レンズを六角形状として、樹脂層３における凸部となる対角上の２点をそれぞれ接着剤７にて固定する形態としても構わない。

なお、この六角形状の液晶レンズにおける、エンボス形状の６箇所全ての凸部箇所が、平板状基板と接着固定する必要は無く、少なくとも２箇所以上の任意の箇所が接着固定されている形態とすれば良い。

次に、本発明の液晶マイクロレンズアレイ１０の光学特性について説明する。
図２（ａ）は、本発明による液晶マイクロレンズアレイ１０の常温時の光学特性を示す図であり、図２（ｂ）は、高温環境における光学特性への影響を示す図である。

図２（ａ）に示すように、液晶層８に電圧を印加することで、液晶層８とエンボス形状の樹脂層３との間に屈折率に差が生じることによりレンズ効果を得ることができる。このとき、アレイ状に配置された各液晶レンズは、ほぼ同じ集光特性を示す。次に、図２（ｂ）に示すように、環境温度を例えば７０℃の環境下に変化させて液晶マイクロレンズアレ
イ１０を駆動する。このとき、本発明の液晶マイクレンズアレイ１０は、接着材層７によってエンボス形状に形成された各液晶レンズの対角上の２点が対向する平板状基板２ａと固着されているため、外部環境温度の変化によって液晶層８が膨張したとしても、アレイ状に配した各液晶レンズは、エンボス形状の基板１および平板状基板２ａの形状が、各液晶レンズ間で歪み難くなるので、全ての液晶レンズで常温時とほぼ同じ集光特性が得られていることがわかる。これは、各液晶レンズの四隅が、それぞれで対向する平板状基板２ａと固着されていることにより、より効果的に液晶層８の厚さを保持することができるためである。

この様に、本発明によれば、環境温度が変化することで液晶に膨張や収縮が起こったとしても、液晶を挟持する上下基板が接着材７により固着されているために、外部環境温度が様々に変化したとしても、アレイ状に配した各液晶レンズの基板が歪むことなく、湾曲収差や歪曲収差の発生を極力防ぎ、安定した集光特性を持つ液晶マイクロレンズアレイとすることができる。

なお、上記説明では、四角形状の液晶レンズにおける対角上の２点全て（四隅）を接着剤７で固定した構成例を示したが、前述した本発明の光学特性の効果は受け難くなるが、この液晶レンズの四隅の内の対向する２点を接着剤７で固定し、他の対向する２点を固定しない形態であっても構わない。

次に、この液晶マイクロレンズの製造方法について図１を参照して説明する。
まず、平板状基板２ｂ上に透明樹脂をスピンコートや印刷などで均一に形成する。この均一に形成された透明樹脂に、図１の上部平面図で示すような四角形状のレンズをアレイ状に並べたマイクロレンズアレイ形状を有する金型を押し付けた状態で透明樹脂を硬化することで、エンボス形状を有する樹脂層３を成型する。そして、このエンボス形状を有する樹脂層３の表面に透明電極４と液晶分子を並べるための配向膜５をそれぞれ形成してエンボス形状の基板１を形成した後に、エンボス形状の各レンズ部における対角上の頂点（樹脂層３の対向する凸部）に接着材層７を塗布する。次に、基板表面に透明電極４と配向膜５と絶縁膜６とを形成することで、平板状基板２ａを得る。

次に、エンボス形状の基板１上に形成された凸部よりも高くなるように、基板外周を囲んだ枠状のシール材９を配置する。このシール材９を介してエンボス形状の基板１と対向する平板状基板２ａを重ね合わせて、エンボス形状の凸部頂点に設けた接着材層７に平板状基板２ａが接着するように加圧する。このように加圧した状態でシール材９および接着材層７を硬化した後に、樹脂層３の凹部によって形成された中空領域に液晶を真空注入法によって注入することで液晶層８を形成し、図示しない封孔材により密閉することで、均一な厚さを保持した液晶マイクロレンズアレイ１０が完成する。

このように、エンボス形状の基板１と対向する平板状基板２ａを接着した場合であっても、平板状基板２ａの液晶層８に接する面には絶縁膜６が形成されているため、上下基板に形成した透明電極４が導通することがない、信頼性の高い液晶マイクロレンズアレイ１０を得ることが出来る。そして、本構成によれば、安価な構成で量産性が高い液晶マイクロレンズアレイ１０とすることが出来る。

尚、エンボス形状を成形する樹脂層３は、熱可塑および熱硬化性の樹脂でも構わないが、ＵＶ硬化性の樹脂を用いた方が、ＵＶ光を照射する際に、樹脂層３が不要となる部分（例えば、樹脂層３の透湿性などの信頼性の面から、液晶層８を枠状に囲むシール材９や封孔材（図示せず）を配置する範囲）をマスキングして行って未硬化部を作った上で、洗浄によってこの未硬化部を容易に取り除くことができるので好ましい。

また、エンボス形状に成形された樹脂層３上に形成する透明電極４および配向膜５は、樹脂層３の耐熱性の観点から樹脂層３のＴｇ点よりも低温で成膜する方が好ましい。またさらに、シール材９および接着材層７も、樹脂層３の耐熱性の観点から熱硬化性のものよりもＵＶ硬化性の方が好ましい。

また、エンボス形状の基板１は、透明基板を研磨加工することでマイクロレンズアレイ形状を成形しても構わないが、生産性の観点から、本実施の形態で示したように樹脂層３に金型を転写する、いわゆるナノインプリントによる製造方法のほうが好ましい。尚、マイクロレンズアレイ形状を有する金型については、細密充填型である六角形のマイクロレンズ形状でも構わないが、本実施の形態では、金型の加工性の面から、より好ましい四角形のマイクロレンズ形状ものを例とした。また、本実施の形態では、エンボス形状の基板１と平板状基板２ａの間に挟持される液晶層８はホモジニアス配向を有するネマテック液晶が用いられるが、垂直配向型の液晶を利用することも可能である。

次に、本発明の液晶マイクロレンズアレイの他の構成について図３を用いて説明する。図３は、第２の実施形態である液晶マイクロレンズアレイ１２を示す上部平面図と、およびこの平面図におけるＢ−Ｂ断面図である。

本実施例で説明する液晶マイクロレンズアレイ１２の構成と、先に示した実施例１の液晶マイクロレンズアレイ１０の構成の相違点は、エンボス形状の基板１１に形成する透明電極４の形成位置と、図１に示した絶縁膜６の有無のみであり、他の構成は同じであるので、下記の説明では、本実施例における特徴部分である、透明電極４の形成位置と絶縁膜６の有無について主に説明する。

本実施例の液晶マイクロレンズ１２は、上述したように、平板状基板２ｂの基板表面に形成された透明電極４の上面に、エンボス形状の樹脂層３を有し、更に凹部を含むその表面に配向膜５を配したエンボス形状の基板１１と、表面に透明電極４と配向膜５を有する平板状基板２ａとを、樹脂層３における凸部に配した接着剤７と、基板の外周を覆って形成されたシール材９を介して接着固定した形態となっている。

この様に構成することで、本実施例における液晶マイクロレンズアレイ１２は、外部環境温度の変化によらず安定した光学特性を維持することができる様になるのは、実施例１で示した液晶マイクロレンズアレイ１０と同様であるので、ここでの詳細な説明は割愛する。

また、樹脂層３と平板状基板２ｂとの間に透明電極４を形成しているため、上下に配した透明電極４の導通を抑えるための、実施例１に示した絶縁膜を配する必要がなくなり、マイクロレンズ構成がより簡略化される。

次に、本実施例における液晶マイクロレンズアレイ１２の製造方法について説明する。
まず、平板状基板２ｂ上に透明電極４を形成し、この透明電極４上に、先に示した構成と同様に、透明樹脂をスピンコートや印刷などで均一に形成する。この均一に形成された透明樹脂に、図３の上部平面図で示すような四角形のマイクロレンズアレイ形状を有する金型を押し付けた状態で透明樹脂を硬化することで、エンボス形状を有する樹脂層３を成型する。

次に、このエンボス形状を有する樹脂層３の表面に液晶分子を並べるための配向膜５を形成してエンボス形状の基板１１を形成した後に、エンボス形状の各レンズ部における対角上である頂点に接着材層７を塗布する。また、基板表面に透明電極４と配向膜５とを形
成することで、平板状基板２ａを形成する。ただし、本実施例においては、図１のＡ−Ａ断面図で示すような絶縁膜は設けていない。

次に、エンボス形状の基板１１上に形成された凸部よりも高くなるように、基板外周を囲んだ枠状のシール材９を配置する。このシール材９を介してエンボス形状の基板１１と対向する平板状基板２ａとを重ね合わせて、エンボス形状の凸部頂点に設けた接着材層７に、平板状基板２ａが接着するように加圧する。このように加圧した状態でシール材９および接着材層７を硬化した後に、樹脂層３の凹部によって形成された中空領域に液晶を真空注入法によって注入することで液晶層８を形成し、図示しない封孔材により密閉することで均一な厚さを保持した液晶マイクロレンズアレイ１２が完成する。

このように、平板状基板２ｂ表面に透明電極４を形成した後に、エンボス形状を有する樹脂層３を有する形態とすることで、透明電極４の成膜を高温で行うことができるという製造上のメリットを有する形態となる。それは、透明電極４は、高温で成膜することでより結晶化を促すことができ、より低抵抗で成膜することが可能となるからである。この様に、基板表面に低抵抗での成膜が可能であるため、実施例１に示した形態に比べ、透明電極４の膜厚を薄くすることができ、本発明の液晶マイクロレンズアレイ１２の光利用効率を向上させることが出来る。

本発明の液晶マイクロレンズアレイの構成を示す上部平面図および断面図である。 本発明の液晶マイクロレンズアレイの環境温度の変化における光学特性を示す図である。 本発明の液晶マイクロレンズアレイの構成を示す上部平面図および断面図である。 従来の液晶マイクロレンズアレイの構成を示す断面図である。 従来の液晶マイクロレンズアレイの構成を示す断面図である。 従来の液晶マイクロレンズアレイの環境温度の変化における光学特性を示す図である。

符号の説明

１、１１ エンボス形状の基板
２ａ、２ｂ 平板状基板
３ 樹脂層
４ 透明電極
５ 配向膜
６ 絶縁膜
７ 接着層
８ 液晶層
９ シール材
１０、１２、１３ 液晶マイクロレンズアレイ
１４ 透明基板

Claims (6)

1. 複数の液晶レンズをアレイ状に並べた液晶マイクロレンズアレイにおいて、
   前記複数の液晶レンズは、エンボス形状の基板と平板状基板とを貼り合せて形成された中空領域に液晶を充填して形成され、各液晶レンズにおける前記エンボス形状の凸部箇所と前記平板状基板との当設部とが、接着して固定されている
   ことを特徴とする液晶マイクロレンズアレイ。
2. 前記複数の液晶レンズの形状は、多角形状である
   ことを特徴とする請求項１に記載の液晶マイクロレンズアレイ。
3. 前記多角形状は、四角形状である
   ことを特徴とする請求項２に記載の液晶マイクロレンズアレイ。
4. 前記四角形の四隅で接着して固定されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の液晶マイクロレンズアレイ。
5. 前記エンボス形状の基板は、前記平板状基板の表面に塗布した樹脂に型を押し付けることで成型された基板である
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の液晶マイクロレンズアレイ。
6. 前記エンボス形状の基板は、前記液晶レンズに屈折率分布を形成するための電極を、他の平板状基板の表面に設けた後に、未硬化状態の樹脂を塗布し、当該樹脂に型を押し付けることで成型された基板である
   ことを特徴とする請求項５に記載の液晶マイクロレンズアレイ。

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