JP3824425B2 - 平板型マイクロレンズアレイ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示素子等に利用する平板型マイクロレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
平板型マイクロレンズアレイと液晶と組み合わせた液晶表示素子の従来の構造を図１（ａ）及び（ｂ）に基づいて説明すると、図１（ａ）に示す液晶表示素子は、平板型マイクロレンズアレイ１を構成するベースガラス２の一面側に凸レンズ群３を形成し、この凸レンズ群３とカバーガラス４とを接着層５にて接合し、またカバーガラス４とＴＦＴガラス基板６との間に液晶７を充填し、ＴＦＴガラス基板６の液晶側面に透明画素電極８を形成し、この透明画素電極８以外の部分は配線やＴＦＴ（薄膜トランジスタ）等の照射光が透過しない部分９とし、更にカバーガラス４の液晶側面には対向電極１０を形成している。
また、図１（ｂ）に示す液晶表示素子は、カバーガラス４に凸レンズ群３を設けている。
尚、本発明に係る平板マイクロレンズアレイは図１（ａ）及び（ｂ）に示したいずれの液晶表示素子にも適用されるものである。
【０００３】
前記平板型マイクロレンズアレイ１の作用は、凸レンズ群３のレンズ部で照射光を透明画素電極８に集光せしめてスクリーンに投影される像を明るくするというものである。
【０００４】
また、上記の如き構成の平板型マイクロレンズアレイ１を製造する一般的な方法は、図２（ａ）に示すように、稠密状に凹部が配列されたスタンパー１１の成形面に離型剤を塗布し、この成形面に光硬化性或いは熱硬化性の高屈折率樹脂材料をセットし、次いで、同図（ｂ）に示すように、ベースガラス２を高屈折率樹脂材料の上から押し付け、高屈折率樹脂材料を展開せしめ、この状態で紫外線を照射するか加熱することで高屈折率樹脂材料を硬化せしめて凸レンズ群３とした後に、スタンパー１１を剥離する。
そして、同図（ｃ）に示すように、ベースガラス２の凸レンズ群３上に光硬化性或いは熱硬化性の低屈折率樹脂材料を塗布し、カバーガラス４となるガラス基板をその上から押し付け、低屈折率樹脂材料を展開せしめた後、硬化させ、最後にガラス基板をカバーガラス４の厚みにまで研磨して平板型マイクロレンズ１とする。
尚、カバーガラス４となるガラス基板上に凸レンズ群３を形成するようにしてもよい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現状の液晶表示素子の画素寸法は約４０〜６０μｍである。そして、将来的には画面の木目細かさが要求されるため画素寸法は２０〜３０μｍ程度まで小さくなることが予測される。
画素寸法が小さくなると凸レンズ群３を構成する各レンズの寸法も小さくなり、その結果、レンズの焦点位置も短くなる。また、前記したように照明光を効率よく利用するには、レンズの焦点位置を透明画素電極の部分に略一致させる必要がある。このためには、カバーガラス４の厚みを更に薄くしなければならない。
【０００６】
一方、凸レンズ群３及び接着層５はいずれも熱硬化若しくは紫外線硬化樹脂から構成され、硬化の際に収縮する。特に、凸レンズ群３を構成する高屈折率樹脂はヤング率が大きく残留応力が強い。
ある程度カバーガラス４が厚ければ収縮に対抗できるのであるが、前記したようにカバーガラス４の厚さが薄くなると、平板型マイクロレンズアレイ１の面積は比較的大きいので、図３に示すように、樹脂の収縮、特に残留応力が強い高屈折率樹脂の収縮によって平板型マイクロレンズアレイ１全体が反ってしまい、ＴＦＴガラス基板６との間に形成される液晶充填用のセルギャップの幅が、中央部と周縁部とで異なってしまう。セルギャップの寸法許容誤差は現在では最大１．５μｍである。
【０００７】
一方、凸レンズ群３を構成する高屈折率樹脂に比較して接着層５となる低屈折率樹脂はヤング率は小さいので、反りの主因とはならないが、ヒケの主因になる。
即ち、低屈折率樹脂の硬化時の体積収縮率は一般的に６〜９％もあり、更に低屈折率樹脂は膜強度及び界面接着強度とも低いため、図４に示すように、凸レンズ群３と接着層５との間にヒケが発生する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明者らは、反り及びヒケについて、原因、発生量等につき検証した。
【０００９】
図５（ａ）、（ｂ）は高屈折率樹脂からなる凸レンズ群３の厚みと反りとの関係を示すものであり、（ａ）は凸レンズ群３の厚みを薄くし、（ｂ）は凸レンズ群３の厚みを厚くし、いずれも低屈折率樹脂からなる接着層５の厚みは等しくしている。
そして、凸レンズ群３の厚みを薄くした図５（ａ）に示す方が、凸レンズ群３の厚みを厚くした図５（ｂ）に示すものより残留応力が小さく、反り量が少なくなることが分かった。
【００１０】
また、前記したスタンパーを用いた製法では、凸レンズ群３にはレンズとして作用する球体部３ａの他に、スタンパーの破損を避けるための、残余部３ｂが必要となり、結局この球体部３ａの厚さｔ₁と残余部３ｂの厚さｔ₂の和（ｔ₁＋ｔ₂）によって反りの量が決まる。
【００１１】
図６（ａ）、（ｂ）は低屈折率樹脂からなる接着層５の厚みとヒケとの関係を示すものであり、（ａ）は接着層５の厚みを薄くし、（ｂ）は接着層５の厚みを厚くし、いずれも凸レンズ群３の厚みは等しくしている。
そして、接着層５の最も薄くなる部分の厚さｔ3と接着層５の最も厚くなる部分の厚さｔ₄の比（ｔ₄／ｔ₃）が大きいほどヒケ易くなることが判明した。
【００１２】
更に図５（ａ）、（ｂ）に戻って、接着層５の厚みが等しくても、凸レンズ群３の厚みを厚くした場合には薄くした場合に比べて、ヒケが生じ易くなることが判明した。
【００１３】
ところで、液晶表示素子の画素寸法は１４〜６０μｍの範囲で決定され、また高屈折率樹脂としては屈折率（ｎ₁）＝１．５９〜１．６８のエポキシ樹脂が、低屈折律樹脂としては屈折率（ｎ₂）＝１．３８〜１．４２のフッ素系エポキシ樹脂或いはフッ素系アクリル樹脂が用いられる。
そして、液晶表示素子の画素寸法が決まると、レンズの焦点距離が自動的に決まり、レンズの焦点距離と高屈折率樹脂の種類が決まれば、凸レンズの球体部の厚さｔ₁も決まる。
画素寸法、樹脂の種類等の相違によって球体部の厚さｔ1は変化するが、通常５≦ｔ₁≦３０（μｍ）の範囲である。
【００１４】
したがって、反り及びヒケの発生に関与する要素として、凸レンズの球体部の厚さｔ₁、残余部の厚みｔ₂、接着層の最も薄い部分の厚みｔ₃のうち、球体部の厚さｔ₁については、他の要素によって定まってしまい、残余部の厚みｔ₂と接着層の最も薄い部分の厚みｔ₃に自由度が残されている。
【００１５】
本発明は、上記の各厚みｔ₁、ｔ₂、ｔ₃を変化させた場合の定性的な挙動と、厚みｔ₂及びｔ₃に設計の自由度が残されていることに着目し、最適な条件を割出したものである。即ち、ベースガラスまたはカバーガラスのうちの一方の表面に高屈折率樹脂からなる微小レンズ群が設けられ、この微小レンズ群とベースガラスまたはカバーガラスのうちの他方との間に低屈折率樹脂が接着層として介在する平板型マイクロレンズアレイにおいて、前記高屈折率樹脂の屈折率をｎ₁、前記低屈折率樹脂の屈折率をｎ₂、前記微小レンズ群の球体部の最も厚い部分の厚みをｔ₁、前記微小レンズ群の残余部の厚みをｔ₂、前記接着層の最も薄い部分の厚みをｔ₃とした場合、以下の式を満足するようにした。
１．５９≦ｎ₁≦１．６８・・・・・・・・・・・・・・（１）
１．３８≦ｎ₂≦１．４２・・・・・・・・・・・・・・（２）
１０≦ｔ₁≦３０（μｍ）・・・・・・・・・・・・・・・（３）
０＜ｔ₂≦６（μｍ）・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
ｔ₃≧０．２ｔ₁（μｍ） ・・・・・・・・・・・・・・（５）
１２＜ｔ ₁ ＋ｔ _２ ＋ｔ _３ ≦６０（μｍ）・・・・・・・・・（６）
【００１６】
ｔ₁＋ｔ₂＋ｔ₃が１２μｍ未満では必要な焦点距離が得られず、また６０μｍを超えると反りが生じてしまうので、上記の範囲とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
ベースガラスの厚み：０．９５ｍｍ、カバーガラスの厚み：０．１５ｍｍ、ベースガラス（カバーガラス）の縦・横寸法：２７×２０ｍｍ、レンズの配列：正方稠密、レンズのピッチ：３２μｍ、レンズを構成する高屈折率樹脂の屈折率（ｎ₁）：１．５９、接着層を構成する低屈折率樹脂の屈折率（ｎ₂）：１．３８、レンズの球体部の厚さ（ｔ₁）：１０μｍ、接着層の最も薄い部分の厚み（ｔ₃）：１０μｍとし、微小レンズ群の残余部の厚み（ｔ₂）を変化せしめた。
ｔ₂と反り量（μｍ）との関係を以下の（表１）に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
先に述べたように、平板型マイクロレンズアレイに許容される反り量は１．５μｍ以下である。
（表１）から反り量を１．５μｍ以下とするには微小レンズ群の残余部の厚み（ｔ₂）を６μｍ以下にすべきことが分かる。
【００２０】
（実施例２）
微小レンズ群の残余部の厚み（ｔ₂）を３μｍに固定し、他の条件は（実施例１）と同様にして、レンズの球体部の厚さ（ｔ₁）、接着層の最も薄い部分の厚み（ｔ₃）を変化させた。
ｔ₃と反り量（μｍ）との関係を以下の（表２）に示す。
【００２１】
【表２】

【００２２】
（表２）から、ｔ₃≧０．２ｔ₁（μｍ）であれば、ヒケが生じないことが分かる。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、スタンパーを用いて製造される平板型マイクロレンズアレイの高屈折率樹脂からなる微小レンズ群の球体部の最も厚い部分の厚みｔ₁、微小レンズ群の残余部の厚みｔ₂、及び低屈折率樹脂からなる接着層の最も薄い部分の厚みをｔ₃との関係を、５≦ｔ₁≦３０、ｔ₂≦６（μｍ）、ｔ₃≧０．２ｔ₁（μｍ）としたので、反りとヒケの発生を有効に阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は一般的な液晶表示素子の断面図
【図２】（ａ）乃至（ｃ）は、スタンパーを用いた平板型マイクロレンズアレイの製造工程を説明した図
【図３】平板型マイクロレンズアレイに反りが発生した状態を示す図
【図４】平板型マイクロレンズアレイにヒケが発生した状態を示す図
【図５】（ａ）及び（ｂ）は凸レンズ群の厚みと反りとの関係を示す図
【図６】（ａ）及び（ｂ）は接着層の厚みとヒケとの関係を示す図
【符号の説明】
１…平板型マイクロレンズアレイ、２…ベースガラス、３…凸レンズ群、３ａ…レンズの球体部、３ｂ…レンズの残余部、４…カバーガラス、５…接着層、６…ＴＦＴガラス基板、７…液晶、８…透明画素電極、９…照射光が透過しない部分、１０…対向電極、１１…スタンパ。

Claims (1)

1. ベースガラスまたはカバーガラスのうちの一方の表面に高屈折率樹脂からなる微小レンズ群が設けられ、この微小レンズ群とベースガラスまたはカバーガラスのうちの他方との間に低屈折率樹脂が接着層として介在する平板型マイクロレンズアレイにおいて、前記高屈折率樹脂の屈折率をｎ₁、前記低屈折率樹脂の屈折率をｎ₂、前記微小レンズ群の球体部の最も厚い部分の厚みをｔ₁、前記微小レンズ群の残余部の厚みをｔ₂、前記接着層の最も薄い部分の厚みをｔ₃とした場合、以下の式を満足することを特徴とする平板型マイクロレンズアレイ。
   １．５９≦ｎ₁≦１．６８・・・・・・・・・・・・・・（１）
   １．３８≦ｎ₂≦１．４２・・・・・・・・・・・・・・（２）
   １０≦ｔ₁≦３０（μｍ）・・・・・・・・・・・・・・・（３）
   ０＜ｔ₂≦６（μｍ）・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
   ｔ₃≧０．２ｔ₁（μｍ） ・・・・・・・・・・・・・・（５）
   １２＜ｔ ₁ ＋ｔ _２ ＋ｔ _３ ≦６０（μｍ）・・・・・・・・・（６）

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