JP4645595B2 - 透光型表示パネルとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は液晶表示パネルのような透光型表示パネルに関し、特に透光型表示パネルにおける表示明度の改善に関する。

従来では、表示装置としてＣＲＴ（陰極線管）が主として用いられていた。しかし、近年では薄型の表示装置が、ＣＲＴに取って代わりつつある。薄型表示装置は、発光型と受光型に大別することができる。発光型としては、プラズマディスプレイ、エレクトロルミネッセンスディスプレイ、発光ダイオードディスプレなどが知られている。受光型としては、液晶ディスプレイ、エレクトロクロミックディスプレイ、電気光学結晶ディスプレイ、電気泳動ディスプレイなどが知られている。

受光型表示装置は、自らは発光しないので、表示明度が低くて見づらいという問題がある。そこで、多くの受光型表示装置は、バックライトを備えることによってこの問題を解決している。この場合、受光型表示装置は透光型の表示パネルを含み、画素ごとに透光性を制御することによって表示を行なっている。このように画素ごとに透光性を制御するために、表示パネルは縦横に配置された電極帯やスイッチング素子を含んでいる。

図８は、特許文献１の特開昭６０−１６５６２１号公報に開示された液晶表示パネルにおける電極帯およびスイッチング素子の配列を示す模式的平面図である。この図に示されているように、一般に液晶表示パネルにおいては、ガラス基板１上に、スイッチング素子としての非晶質シリコンＴＦＴ（薄膜トランジスタ）２、ドレイン金属電極３、ゲート金属電極４、および透明導電性酸化物の画素電極５が配置されている。

図９は、図８に示された電極帯およびスイッチング素子の配列を含む液晶表示パネルおける線Ａ−Ａに沿った模式的断面図である。この図において、第１のガラス基板１に対面して配置された第２のガラス基板２の全面上に、透明酸化物の共通電極７が設けられている。その共通電極７上には、画素電極５に対応する位置にカラーフィルタ８が配置されている。カラーフィルタ８は赤色、緑色、および青色のフィルタを含み、それら３色のフィルタは周期的に配列されている。対面する第１と第２のガラス基板１、６の間には液晶層１０が挿入され、その周縁はエポキシ樹脂９によって封止されている。

特許文献１によれば、図９中の第１ガラス基板１の上面に、凹レンズとして作用するマイクロレンズ２０のアレイが形成されている。これらのマイクロレンズ２０は、ＴＦＴ２およびドレイン電極３の上方に対応する領域に配置されている。そして、図９の上方からＴＦＴ２およびドレイン電極３の領域に向けて直進しようとするバックライト光は、凹レンズとして作用するマイクロレンズ２０によって進路が曲げられて、画素電極５の領域内へ向けられる。すなわち、マイクロレンズ２０がなければＴＦＴ２およびドレイン電極３の領域によって阻止されていたバックライト光が透明画素電極５の領域内に照射され、液晶表示パネルの表示明度を改善することができる。

図１０は、特許文献１に開示されたエレクトロクロミック表示パネルを模式的断面図で示している。この表示パネルも、図９の表示パネルと同様に、ガラス基板１上に配置されたＴＦＴ２、ドレイン電極３、および透明画素電極５を含んでいる。しかし、それらのＴＦＴ２、ドレイン電極３、および透明画素電極５は、液晶層ではなくてエレクトロクロミック材料層としての酸化タングステン層５０で覆われている。そして、この酸化タングステン層５０上には、イオン電導層としてのフッ化マグネシウム層５１および透明共通電極層５２が形成されている。

このエレクトロクロミック表示パネルにおいても、ガラス基板１の上面に、凹レンズとして作用するマイクロレンズ２０のアレイが形成されている。そして、図１０の上方からＴＦＴ２およびドレイン電極３の領域に向けて直進しようとするバックライト光は、凹レンズとして作用するマイクロレンズ２０によって進路が曲げられて、画素電極５の領域内へ向けられる。こうして、エレクトロクロミック表示パネルの表示明度も改善され得る。

以上のように表示明度が改善された透光型表示パネルを得るためには、ガラス基板内に平板型マイクロレンズアレイを作製しなければならない。

図１１（ａ）から（ｃ）は、平板型マイクロレンズアレイの作製方法の一例を模式的な断面図で図解している。図１１（ａ）において、ガラス基板１ａ上にアレイ状に配列された小孔６１ａを有する金属レジスト層６１が、フォトリソグラフィとエッチングによって形成される。図１１（ｂ）において、周知のイオン交換法によって、すなわち対向する複数の矢印６２によって表されているようなイオン交換によって、レジスト層６１の小孔６１ａを介して高屈折率領域１ｂが形成される。このとき、イオン交換はイオンの等方的熱拡散によって進行するので、高屈折率領域１ｂは、ガラス基板１ａ内において自然に概略半球状に形成される。もちろん、金属レジスト層６１は、熱拡散温度に耐える耐熱性を有するとともに、イオンの通過を阻止する機能を有していなければならない。そして、図１１（ｃ）において、レジスト層６１が除去されて、平板型マイクロレンズアレイ６０が得られる。

なお、このようなマイクロレンズは光の屈折現象を利用しており、屈折型マイクロレンズである。また、このように透光性基板内に屈折率分布を有するレンズは、ＧＲＩＮ（ＧＲａｄｅｄ ＩＮｄｅｘ）レンズと呼ばれることもある。

ところで、従来からマイクロレンズとして屈折型マイクロレンズが主に用いられているが、近年では光学システムのサイズ、重量、コストなどを低減させる観点から、回折型のマイクロレンズが注目されている。回折型マイクロレンズは、光の回折現象を利用してレンズ機能を生じさせるものである。回折型マイクロレンズは、主としてレリーフ型（または膜厚変調型）マイクロレンズと屈折率変調型マイクロレンズに大別される。レリーフ型マイクロレンズでは、典型的には透光性基板の表面に同心円状の複数の微細なリング状溝が形成されており、それらの溝の深さ（すなわち基板の厚さ）が周期的に変化させられた構造を有している。他方、屈折率変調型マイクロレンズは、典型的には平板状基板が同心円状の複数の微細な帯状リング領域に分けられており、それらの領域の屈折率が周期的に変化させられた構造を有している。

透光性基板の厚さの周期的変化や屈折率の周期的変化は、その基板を通過する光の位相を周期的に変化させ、回折格子と同様に光の回折効果を生じさせる。そして、回折格子の格子ピッチが小さくなるにしたがって、回折格子を通過する光の回折角が大きくなる。したがって、同心円の中心から周縁に至るにしたがって同心円状回折格子のピッチを減少させることによって、その回折格子を通過する光を凸レンズのように集光することができる。

図１２は、従来のレリーフ型マイクロレンズの作製方法の一例を模式的な断面図で図解している（非特許文献１：「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁）。また、図１３は、図１２の作製方法において用いられる露光マスクを模式的な平面図で示しており、周知のフレネルゾーンプレートに類似のパターンを有している。

図１２（ａ）において、Ｓｉ基板１１上にポジ型フォトレジスト層１２を形成し、第１のフォトマスク１３を介して紫外光１４ａが照射される。この第１のフォトマスク１３は、図１３（ａ）に示されているような同心円状の帯状リングパターンを有し、リング間のピッチは同心円の中心から周縁に向かうにつれて減少させられている。なお、図１３（ａ）においては図面の明瞭化と簡略化のためにわずかに２つの透光リングが示されているが、実際にはさらに多くのリングが含まれ得ることは言うまでもない。

図１２（ｂ）において、露光されたレジスト層１２を現像して第１のレジストパターン１２ａが形成される。そして、その第１レジストパターン１２ａをマスクとして、矢印１４ｂで表された反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、所定深さの帯状溝リングが形成される。

図１２（ｃ）において、第１レジストパターン１２ａを除去することによって、バイナリレベル（光の位相を２段階に変調）のレリーフ型マイクロレンズ１１ａが得られる。なお、帯状溝リングの幅と深さは、２レベルまたは多レベルのレリーフ型マイクロレンズのそれぞれに応じて最も良好な回折効率が得られるように設定される。

図１２（ｄ）から（ｆ）は、図１２（ａ）から（ｃ）と同様な工程に続いて４レベルのレリーフ型マイクロレンズを作製する工程を図解している。

図１２（ｄ）において、図１２（ｃ）までと同様の工程で形成されたＳｉ基板１１ａの上面にさらに第２のレジスト層１５を形成し、第２のマスク１６を介して紫外光１４ｃを照射する。図１３（ｂ）は、この第２マスク１６を模式的平面図で示している。図１３（ａ）と（ｂ）から分かるように、第２マスク１６は第１マスク１３に比べて２倍の本数の帯状透光リングを有している。換言すれば、第２マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングは、第１マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングに比べて約１／２の幅を有している。

図１２（ｅ）において、露光された第２レジスト層１５を現像して同図に示されているような第２のレジストパターン１５ａが形成される。そして、その第２レジストパターン１５ａをマスクとして、矢印１４ｄで表されているＲＩＥによって、さらに所定深さまでのエッチングが行なわれる。

図１２（ｆ）において、第２レジストパターン１５ａを除去して、４レベルの位相変化を生じ得るレリーフ型マイクロレンズ１１ｂが得られる。なお、２レベルの回折型レンズに比べて、多レベルの回折型レンズでは高い回折効率が得られ、より高い集光効率が得られる。また、上述のようなフォトリソグラフィとＲＩＥの工程をＮ回繰り返すことによって、２^Ｎレベルのレリーフ型マイクロレンズを作製することができる。ただし、理論上は無限数レベルの回折レンズで１００％の回折効率が得られることになるが、作製工程数と費用が増大するので、実際上は９５％の回折効率が得られる８レベルの回折型レンズで十分であろう（上述の工程をＮ＝３回繰り返すことで作製可能）。
特開昭６０−１６５６２１号公報 「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁

図１１に図解されているようにガラス基板内のイオン交換によって形成される屈折型マイクロレンズアレイにおいては、そのイオン交換によって高められ得る屈折率変化Δｎは約０．１７程度に過ぎない。したがって、そのような比較的小さな屈折率差に起因して、短い焦点距離のレンズを作製することが困難である。また、イオンの交換領域１ｂは等方的熱拡散によって形成されるので、そのレンズ領域１ｂは必ず概略半球状に形成され、レンズ厚さを変更して焦点距離を調節することも困難である。

回折型マイクロレンズに関しては、レリーフ型マイクロレンズでは、透光性基板にエッチングで溝を彫らなければならないので、その基板はそれなりの厚さを要する。また、エッチングによって彫る溝の深さを正確に調節することが容易ではない。さらに、レリーフ型マイクロレンズはその表面に微細な凹凸を有するので、埃や汚れが付着しやすいという問題もある。

他方、回折型マイクロレンズを屈折率変調型マイクロレンズとして作製することは困難である。なぜならば、前述のようにガラス板のイオン交換によって得られる屈折率変化は最大でもΔｎ＝０．１７程度であって、効果的な屈折率変調型回折格子を形成することが困難だからである。また、たとえば石英系ガラスに紫外光のようなエネルギビームを照射することによっても屈折率を高め得ることが知られているが、その場合の屈折率変化はイオン交換の場合に比べてさらに小さい（Δｎ＝０．０１以下程度）。

上述のように、先行技術によるマイクロレンズアレイを用いることによっては、表示明度が十分に改善された透光型表示パネルを簡便かつ低コストで提供することが容易ではない。かかる先行技術における状況に鑑み、本発明は、機械的かつ熱的に安定な平板型マイクロレンズアレイを含み表示明度が十分に改善された透光型表示パネルを簡便かつ低コストで提供することを目的としている。

本発明による透光型表示パネルは、アレイ状に配列された複数の透光性制御領域と、各透光性制御領域の周囲に存在する不透光性境界領域と、複数の透光性制御領域に対応してアレイ状に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイとを備え、各マイクロレンズはそれに対応する透光性制御領域の周囲の不透光性境界領域ヘ直進しようとする入射光をその対応する透光性制御領域内へ集光するように作用し、マイクロレンズアレイは透光性ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を用いて形成されており、ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して屈折率が変調させられた領域を含み、その屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときに集光作用を生じることを特徴としている。

なお、ＤＬＣ膜の一主面側において各マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成され得て、レンズ領域はＤＬＣ膜の一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた凸レンズの形状を有し得る。そのレンズ領域は、ＤＬＣ膜の一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状凸レンズの形状を有していてもよい。

また、レンズ領域はＤＬＣ膜を貫通する概略円柱形状を有していてもよく、この場合には、円柱形状の中心軸はＤＬＣ膜に直交していてその中心軸に近いほど屈折率が高められている。さらに、レンズ領域はＤＬＣ膜を貫通する帯状領域であってもよく、この場合には、その帯状領域の幅方向の中央を通りかつＤＬＣ膜に直交する面に近いほど屈折率が高められている。

ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して同心円状の複数の帯状リング領域を含んでいてもよく、その場合に帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が変調されており、帯状リング領域の幅は同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められている。

ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して同心円状のｍ個のリングゾーンを含むこともでき、その場合にリングゾーンの各々はｎ個の帯状リング領域を含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高い屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有している。

ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して互いに平行な複数の帯状領域を含んでいてもよく、その場合にそれらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が変調されており、帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠い帯状領域ほど狭められている。

ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して互いに平行なｍ個の帯ゾーンを含むこともでき、その場合に帯ゾーンの各々はｎ個の帯状領域を含み、帯ゾーンの各々において所定の帯状領域に近い帯状領域は遠い帯状領域に比べて高い屈折率を有し、帯ゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有している。

上述の透光型表示パネルにおいて、透光性制御領域は、液晶層またはエレクトロクロミック材料層のいずれをも透光性制御物質層として含み得る。その場合に、透光性制御領域はガラス基板の第１主面側に保持された透光性制御物質層を含み、ＤＬＣ膜はそのガラス基板の第２主面上に形成されていることが好ましい。

本発明による透光型表示パネルを作製するための方法では、ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤで好ましく形成され得る。また、ＤＬＣ膜中において相対的に高い屈折率を有する領域は、紫外線、Ｘ線、シンクロトロン放射光、イオンビーム、および電子線から選択されたエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって好ましく形成され得る。さらに、ＤＬＣ膜中にアレイ状に配列された複数のマイクロレンズは、同時のエネルギビーム照射によって形成されることが好ましい。さらにまた、ＤＬＣ膜中に回折型マイクロレンズを形成する場合には、ＤＬＣ膜おいて相対的に高い屈折率を有する領域は、位相格子マスクを通過した２種の回折光の干渉によって得られる紫外光強度分布による露光によって好ましく形成され得る。

本発明によれば、機械的かつ熱的に安定な平板型マイクロレンズアレイを簡便かつ低コストで作製できるので、そのようなマイクロレンズアレイを含んで表示明度が十分に改善された透光型表示パネルを簡便かつ低コストで提供することが可能となる。

本発明による透光型表示パネルの一例を示す模式的断面図である。 本発明による透光型表示パネルにおけるマイクロレンズアレイの光学的作用を説明するための模式的断面図である。 本発明による透光型表示パネルに使用され得る屈折型マイクロレンズアレイの作製方法を図解する模式的な断面図である。 図３の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法において使用し得る刻印型の形成方法を図解する模式的断面図である。 （ａ）は本発明による透光型表示パネルに使用され得る回折型マイクロレンズを図解する模式的な平面図であり、（ｂ）はそれに対応する断面図である。 図５の回折型マイクロレンズの作製方法の一例を図解する模式的な断面図である。 本発明による回折型マイクロレンズの作製方法の他の例を図解する模式的な断面図である。 特許文献１に開示された液晶表示パネルにおける電極帯およびスイッチング素子の配列を示す模式的平面図である。 図８に示された電極帯およびスイッチング素子の配列を含む液晶表示パネルおける線Ａ−Ａに沿った模式的断面図である。 特許文献１に開示されたエレクトロクロミック表示パネルを示す模式的断面図である。 従来の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法を図解する模式的断面図である。 非特許文献１に開示されたレリーフ型の回折型マイクロレンズの作製方法を図解する模式的な断面図である。 図１２のレリーフ型マイクロレンズの作製方法に使用されるマスクを示す模式的な平面図である。

符号の説明

１、１ａ ガラス基板、１ｂ マイクロレンズ、２ ＴＦＴ、３ ドレイン金属電極、４ ゲート金属電極、５ 透明画素電極、６ ガラス基板、７ 透明共通電極、８ カラーフィルタ、９ エポキシ樹脂、１０ 液晶層、１１ シリコン基板、１１ａ ２レベルのレリーフ型マイクロレンズ、１１ｂ ４レベルのレリーフ型マイクロレンズ、１２ 第１レジスト層、１３ 第１マスク、１４ａ 露光、１４ｂ ＲＩＥ、１５ 第２レジスト層、１６ 第２マスク、１４ｃ 露光、１４ｄ ＲＩＥ、２０ マイクロレンズ、２０ａ ＤＬＣ層、２０ｂ マイクロレンズ、２１ ＤＬＣ膜、２２ マスク層、２２ａ 凹部、２３ エネルギビーム、２１ａ 高屈折率領域、２１ｂ 屈折率変調領域、２１ｃ 中心軸（中心面）、３１ シリカ基板、３２ レジストパターン、３２ａ 溶融されたレジスト、３２ｂ エッチングされつつあるレジスト、３１ａ エッチングされつつあるシリカ基板、３１ｂ 凸部、３１ｃ 刻印型、４０ 屈折率変調型の回折型マイクロレンズ、４１ ＤＬＣ膜、Ｒｍｎ 帯状リング領域、ｆ 焦点距離、４２ Ｎｉ導電層、４３ レジストパターン、４４ 金マスク層、４５ エネルギビーム、４１ａ 高屈折率領域、４１ｂ 低屈折率領域、５０ エレクトロクロミック材料層、５１ イオン伝導層、５２ 透明共通電極、６０ マイクロレンズアレイ、６１ 金属マスク、６１ａ 開口、６２ イオン交換、７１ ガラス基板、７２ 透明画素電極、７３ 不透明領域、７４ 液晶層、７５ マイクロレンズ、７６ａ 収束光、７６ｂ 透過光、８２ ＤＬＣ膜、８２ａ 低屈折率領域、８２ｂ 高屈折率領域、８４ レリーフ型位相格子マスク、８５ ＫｒＦレーザ光、８６ スペーサ。

まず、本発明に必要とされるマイクロレンズアレイを透光性ＤＬＣ層内に形成することに関して、本発明者らは、ＤＬＣ膜にエネルギビームを照射することによってその屈折率を高めることができることを確認している。そのようなＤＬＣ膜は、シリコン基板、ガラス基板、ポリマ基板、およびその他の種々の基体上にプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）によって形成することができる。そのようなプラズマＣＶＤによって得られる透光性ＤＬＣ膜は、通常は１．５５程度の屈折率を有している。

ＤＬＣ膜の屈折率を高めるためのエネルギビームとしては、紫外線（ＵＶ）、Ｘ線、シンクロトロン放射（ＳＲ）光、イオンビーム、電子ビームなどを用いることができる。なお、ＳＲ光は、一般に紫外光からＸ線までの広い波長範囲の電磁波を含んでいる。

たとえば、Ｈｅイオンを８００ｋｅＶの加速電圧の下で５×１０¹⁷／ｃｍ²のドース量で注入することによって、屈折率変化量をΔｎ＝０．６５程度まで高めることができる。なお、Ｈ、Ｌｉ、Ｂ、Ｃなどのイオンの注入によっても、同様に屈折率を高めることができる。また、０．１〜１３０ｎｍのスペクトルを有するＳＲ光を照射することによっても、屈折率変化量を最大でΔｎ＝０．６５程度まで高めることができる。さらに、ＵＶ光照射では、たとえば波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光をパルス当たり１６０ｍＷ／ｍｍ²の照射密度にて１００Ｈｚの周期でパルス照射すれば、屈折率変化量をΔｎ＝０．２２程度まで高めることができる。なお、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）などのエキシマレーザ光やＡｒレーザ光（４８８ｎｍ）の照射によっても、同様に屈折率を高めることができる。これらのＤＬＣ膜のエネルギビーム照射による屈折率変化量は、従来のガラスのイオン交換による屈折率変化量（最大でもΔｎ＝０．１７）または石英系ガラスのＵＶ光照射による屈折率変化量（Δｎ＝０．０１以下程度）に比べて顕著に大きいことが分かる。

図１は、本発明の実施形態の一例による液晶表示パネルを模式的な断面図で図解している。本実施形態の液晶表示パネルにおいても、図９の場合に類似して、第１のガラス基板１上に、非晶質シリコンＴＦＴ２、ドレイン金属電極３、および透明画素電極５が配置されている。そして、第１のガラス基板１に対面して配置された第２のガラス基板２の全面上に、透明共通電極７が設けられている。その共通電極７上には、画素電極５に対応する位置にカラーフィルタ８が配置されている。カラーフィルタ８は赤色、緑色、および青色のフィルタを含み、それら３色のフィルタは周期的に配列されている。対面する第１と第２のガラス基板１、６の間には液晶層１０が挿入され、その周縁はエポキシ樹脂９によって封止されている。

しかし、図１の液晶表示パネルにおいては、第１ガラス基板１上に透光性のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：ダイヤモンド状カーボン）層２０ａが形成されており、そのＤＬＣ層２０ａ内には、マイクロレンズ２０ｂのアレイが形成されている。ただし、ＤＬＣ層が液晶パネルのガラス基板上に形成されることは必ずしも必要ではなく、望まれる場合には、他の任意の基板上に形成されたＤＬＣ層内に形成されたマイクロレンズアレイが液晶パネルのガラス基板に対面して配置されてもよいことは言うまでもない。

図２は、図１に示されているような液晶パネルにおけるマイクロレンズアレイの光学的作用を模式的な断面図で図解している。この図において、ガラス基板７１の下面上には、透明画素電極７２以外に金属電極帯やＴＦＴなどを含む不透明領域７３が存在している。そして、それらの透明画素電極７２および不透明領域７３は液晶層７４によって覆われている。他方、ガラス基板７１の上面上には，ＤＬＣ層内に形成されたマイクロレンズ７５のアレイが配置されている。

図２の液晶パネルにおいて、マイクロレンズ７５のアレイの上方から照射されたバックライトは、そのマイクロレンズ７５によって収束光７６ａにされ、透明画素電極７２に向けて集光させられる。そして、透明画素電極７２を透過した光が液晶層７４の透過光７６ｂとなって表示光として作用する。すなわち、マイクロレンズ７５がなければ不透明領域７３に向けて直進にてロスとなっていた光が、マイクロレンズ７５の作用によって表示光として有効に利用し得ることになり、液晶パネルの表示明度を改善することができる。

図３において、ＤＬＣ膜を用いて屈折型マイクロレンズアレイを作製する方法が、模式的な断面図で図解されている。

図３（ａ）において、ＤＬＣ膜２１上にマスク層２２が形成される。マスク層２２としては、エネルギビーム２３の透過を制限し得る機能を有する種々の材料を用いることができる。たとえば、マスク層に対するエネルギビームの透過量の設計に応じて最適化されるように、金、クロム、ニッケル、アルミ、タングステンなどから選択することができる。このマスク層２２はアレイ状に配列された微小な凹部２２ａを有している。それらの凹部２２ａの各々は、概略球面の一部または概略円柱面（この円柱面の中心軸は図の紙面に直交）の一部からなる底面を有している。それらの凹部２２ａのアレイを含むマスク層２２を介して、エネルギビーム２３がＤＬＣ膜２１に照射される。

図３（ｂ）において、エネルギビーム２３の照射後にマスク層２２を除去することによって、ＤＬＣ膜２１中に形成されたマイクロレンズアレイ２１ａが得られる。すなわち、エネルギビーム２３の照射によって、マスク層２２の凹部２２ａのアレイに対応して、ＤＬＣ膜２１内において高屈折率領域２１ａのアレイが形成されている。このとき、マスク層２２の凹部２２ａは球面状または円柱面状の底面を有しているので、凹部２１ａの中央から周縁に向かうにしたがってマスク層の厚さが増大している。すなわち、エネルギビーム２３は、凹部２２ａの周縁部に比べて中央部において透過しやすいことになる。したがって、高屈折率領域２１ａの深さは、その中央部において深くて周縁部において浅い球面状凸レンズまたは円柱面状凸レンズの形状を有している。その結果、それらの高屈折率領域２１ａの各々が、そのまま一つのマイクロレンズとして作用し得る。

なお、図３（ａ）に示されているようなエネルギビーム２３によってマイクロレンズアレイを作製する場合、概略球面状または概略円柱面状の凹部２２ａの深さを調節することによって、図３（ｂ）のマイクロレンズ２１ａの厚さを調節することができ、すなわちその焦点距離を調節することができる。また、凹部２２ａの深さを変化させなくても、照射するエネルギビーム２３の透過能を変化させることによってもマイクロレンズ２１ａの焦点距離を調節することができる。たとえば、エネルギビーム２３としてＨｅイオンビームを用いる場合、そのイオンの加速エネルギを高めて透過能を高めることによって、マイクロレンズ２１ａの焦点距離を短くすることができる。また、ＤＬＣ膜に対するエネルギビーム２３のドース量が高いほど屈折率変化Δｎが大きくなるので、そのドース量を調節することによってもマイクロレンズ２１ａの焦点距離を調節することも可能である。

図３（ｃ）は、他の形態のマイクロレンズアレイを模式的な断面図で示している。このマイクロレンズ２１ｂは、ＤＬＣ膜２１を貫通する円柱状または帯状領域を有している。マイクロレンズ２１ｂが円柱状である場合、その中心軸２１ｃはＤＬＣ膜２１の厚さ方向に平行であり、中心軸２１ｃに近いほど屈折率が高くされている。マイクロレンズ２１ｂが帯状である場合、その幅方向の中心を通る中心面（図の紙面に直交）２１ｃはＤＬＣ膜２１の厚さ方向に平行であり、中心面２１ｃに近いほど屈折率が高くされている。

図３（ｃ）のマイクロレンズアレイも、図３（ａ）に類似の方法によって形成され得る。すなわち、マスク層２２の薄い領域およびＤＬＣ膜２１を貫通し得る高いエネルギのビーム２３を照射することによって、中心線または中心面２１ｃに近い領域ほど高いドース量でそのエネルギビームが照射されることになって屈折率がより高められることになる。

図３（ａ）に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部２２ａを含むマスク層２２は、種々の方法によって作製することができる。たとえば、ＤＬＣ膜２１上に均一な厚さのマスク層２２を形成し、その上にアレイ状に配列された微小な穴または平行に配列された線状の開口を有するレジスト層を形成する。そして、そのレジスト層の微小な穴または線状の開口から等方的エッチングを行なうことによって、その微小な穴の下のマスク層２２内に概略半球状または概略半円柱状の凹部２２ａを形成することができる。

図３（ａ）に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部２２ａを含むマスク層２２は、図４の模式的な断面図に図解されているような方法で作製され得る刻印型を用いて簡便に作製することもできる。

図４（ａ）において、たとえばシリカの基板３１上にレジストパターン３２が形成される。このレジストパターン３２は、基板３１上でアレイ状に配列された複数の微小な円形領域上または平行に配列された複数の細い帯状領域上に形成されている。

図４（ｂ）において、レジストパターン３２が加熱溶融させられ、各微小円形領域上または細い帯状領域上で溶融したレジスト３２は、その表面張力によって概略球面状または概略円柱面状の凸レンズ形状３２ａになる。

図４（ｃ）において、概略凸レンズ状のレジスト３２ｂとともにシリカ基板３１ａをＲＩＥすれば、レジスト３２ｂの径または幅がＲＩＥで縮小しながらシリカ基板３１ａがエッチングされる。

その結果、図４（ｄ）に示されているように、概略球面状または概略円柱面状の凸部３１ｂが配列されたシリカの刻印型３１ｃが最終的に得られる。なお、凸部３１ｂの高さは、図４（ｃ）におけるレジスト３２ｂのエッチング速度とシリカ基板３１ａのエッチング速度との比率を調節することによって調節することができる。

こうして得られた刻印型３１ｃは、図３（ａ）に示されているような凹部２２ａを含むマスク層２２の作製に好ましく用いられ得る。すなわち、たとえばマスク層２２が金材料で形成されている場合、金は展延性に富んでいるので、その金マスク層２２に刻印型３１ｃで刻印することによって、簡便に凹部２２ａを形成することができる。また、刻印型３１ｃは一度作製すれば繰り返し使用可能であるので、エッチングによってマスク層２２中の凹部２２ａを形成する場合に比べて遥かに簡便かつ低コストで凹部２２ａを形成することを可能にする。

なお、本発明におけるようにＤＬＣ膜を用いた屈折型マイクロレンズアレイは、従来のガラス基板を用いる場合にくらべて、エネルギビーム照射によって高屈折率のレンズを形成することができるので、ガラス基板に比べて遥かに薄いＤＬＣ膜中に屈折型マイクロレンズアレイを形成することができる。しかし、ＤＬＣ膜を用いた屈折型マイクロレンズであっても、次に述べる回折型マイクロレンズに比べれば厚いＤＬＣ膜を要し、１０μｍから２０μｍ程度以上の厚さを要する。

図５（ａ）の模式的な平面図と図５（ｂ）の模式的な断面図において、ＤＬＣ膜を用いて形成された回折型マイクロレンズが図解されている。回折型マイクロレンズは屈折型マイクロレンズに比べて薄く作製することが可能であり、１〜２μｍ程度の厚さのＤＬＣ薄膜中に回折型マイクロレンズを作製することができる。この回折型マイクロレンズ４０は、同心円状の複数の帯状リング領域Ｒｍｎを含んでいる。ここで、符号Ｒｍｎは、第ｍ番目のリングゾーン中の第ｎ番目の帯状リング領域を表すとともに、同心円の中心からその帯状リング領域の外周までの半径をも表すものとする。それらの帯状リング領域Ｒｍｎは、同心円の中心から遠いものほど、減少させられた幅を有している。

互いに隣接する帯状リング領域Ｒｍｎは、互いに異なる屈折率を有している。図５の回折型マイクロレンズは、それが２レベルの回折型レンズである場合には、ｎ＝２番目までの帯状リング領域を含むリングゾーンをｍ＝３番目まで含んでいることになる。そして、同じリングゾーン中では、外側に比べて内側の帯状リング領域の方が高い屈折率を有している。

このことから類推されるであろうように、４レベルの回折型レンズでは、一つのリングゾーンがｎ＝４番目までの帯状リング領域を含み、この場合にも同じリングゾーン中では同心円の中心に近い帯状リング領域ほど高い屈折率を有している。すなわち、一つのリングゾーン中で内周側から外周側に向かって４段階の屈折率変化が形成されている。そして、そのような４段階の屈折率変化の周期がリングゾーンごとにｍ回繰り返されることになる。

なお、帯状リング領域Ｒｍｎの外周半径は、スカラー近似を含む回折理論から次式（１）にしたがって設定することができる。この式（１）において、Ｌはレンズの回折レベルを表し、λは光の波長を表し、そしてｆはレンズの焦点距離を表している。また、最大の屈折率変化量Δｎは、最大の位相変調振幅Δφ＝２π（Ｌ−１）／Ｌを生じさせ得るものでなければならない。

図６の模式的な断面図において、図５に示されているような２レベルの回折型マイクロレンズの作製方法の一例が図解されている。

図６（ａ）において、ＤＬＣ膜４１上に、たとえばＮｉの導電層４２が周知のＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって形成される。このＮｉ導電層４２上には図５中のｎ＝１に対応する帯状リング領域Ｒｍｎ（ｍ＝１〜３）を覆うようにレジストパターン４３が形成される。そのレジストパターン４３の開口部に、電気めっきによって金マスク４４が形成される。

図６（ｂ）において、レジストパターン４３が除去されて、金マスク４４が残される。そして、その金マスク４４の開口部を通して、エネルギビーム４５がＤＬＣ膜４１に照射される。その結果、エネルギビーム４５に照射された帯状リング領域Ｒｍ１の屈折率が高められ、エネルギビーム４５がマスクされた帯状リング領域Ｒｍ２は当初のＤＬＣ膜の屈折率を維持している。すなわち、図５に示されているような２レベルの回折型マイクロレンズが得られる。なお、エネルギビーム照射後の金マスクは、シアン系のエッチング液に室温で数分程度浸漬することによって溶解されて除去される。

なお、図６の例ではＤＬＣ膜ごとにその上にマスク層が形成されるが、図１３（ａ）に示されているような独立のマスクの開口部と遮蔽部とを逆にしたマスクを用いてＤＬＣ膜にエネルギビーム照射してもよい。また、図１３（ｂ）に示されているような独立のマスクの開口部と遮蔽部とを逆にしたマスクを用いてＤＬＣ膜にさらにエネルギビーム照射することによって、４レベルの回折型マイクロレンズが形成され得ることが理解されよう。この場合に、ＤＬＣ膜にエネルギビーム照射して回折型マイクロレンズを形成する方法は、図１２に図解されたレリーフ型マイクロレンズの作製方法にくらべて、顕著に簡略であることも理解されよう。

さらに、図４（ｄ）に示されているような刻印型の代わりに、図１２（ｆ）に示めされているような形状を有する刻印型を用いてＤＬＣ膜上の金マスク層に刻印し、その刻印された金マスク層を介してエネルギビーム照射することによって、一回のエネルギビーム照射で多レベルの回折型マイクロレンズを作製することも可能である。

さらにまた、回折型マイクロレンズに関する上述の実施形態では屈折型レンズの球面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズが説明されたが、本発明は屈折型レンズの柱面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズにも同様に適用し得ることが理解されよう。その場合には、屈折率変調された同心円状の複数の帯状リング領域の代わりに、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域を形成すればよい。この場合、たとえば図５（ｂ）の断面図において、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域は、その図の紙面に対して垂直に伸びていることになる。また、その場合において、図６（ｂ）中の金マスク４４もその図の紙面に対して垂直に伸びていればよい。

図７では、本発明のさらに他の実施形態においてＤＬＣ膜を用いて回折型マイクロレンズを作製する方法が、模式的な断面図で図解されている。この実施形態では、屈折型レンズの柱面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズが作製され得る。なお図７においては、図面の簡略化と明瞭化のために、ガラス製のレリーフ型位相格子マスク（回折格子）の格子ピッチが一定にされている。

図７の作製方法においては、たとえば厚さ１００μｍのスペーサ８６を介して、ガラス製のレリーフ型位相格子マスク８４がＤＬＣ膜８２に対して近接配置される。この状態で、たとえばＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）８５を１６ｍｗ／ｍｍ²のエネルギ密度で１時間照射することによって、回折型マイクロレンズを作製することができる。このとき、位相格子マスク８４からの＋１次回折光と−１次回折光との干渉光に露光される領域８２ｂの屈折率が高められる。他方、その干渉光よって露光されない領域８２ａの屈折率は、成膜されたままの状態に維持される。

この場合、＋１次回折光と−１次回折光との干渉光は、レリーフ型位相格子マスク８４の凹凸周期の１／２の周期で現れる。したがって、ＤＬＣ膜中の所望の高屈折率領域８２ｂの周期に比べて２倍の凹凸周期で形成されたレリーフ型位相格子マスク８４を用いることができる。また、高屈折率領域８２ｂの幅の中央おけるほど、干渉光の強度が高くなる。したがって、ＤＬＣ膜８２において、低屈折率領域８２ａと高屈折率領域８２ｂとの界面近傍において屈折率が連続的に変化し、高い回折効率を得ることができる。なお、望まれる場合には、レリーフ型位相格子マスク８４の代わりに、クロム膜、酸化クロム膜、アルミ膜などをパターニングして得られる振幅型位相格子マスクを用いることもできる。

また、図７における回折型マイクロレンズの作製方法では高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域が膜厚方向に平行な場合が例示されているが、望まれる場合には、その境界領域を膜厚方向に対して傾斜させてもよい。そのためには、図７の作製方法において、紫外光８５をＤＬＣ膜面に対して斜め方向に入射させて、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光による露光を利用すればよい。ただし、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光は、位相格子マスク８４の凹凸周期と同じ周期で現れる。したがって、ＤＬＣ膜中の所望の高屈折率領域８２ｂの周期に比べて同じ周期の凹凸で形成された位相格子マスク８４を用いなければならない。

以上のように、本発明によって作製され得るＤＬＣ膜のマイクロレンズアレイを図１における液晶表示パネルに適用することによって、表示明度が改善された液晶表示パネルを簡便かつ低コストで提供することができる。なお、ＤＬＣ膜のマイクロレンズアレイは、液晶表示パネルのみならず図１０に示されているようなエレクトロクロミック表示パネルにも適用可能であることは言うまでもなく、他のどのような透光型表示パネルにも適用可能であることが理解されよう。

以上のように、本発明によれば機械的かつ熱的に安定な平板型マイクロレンズアレイを簡便かつ低コストで作製でき、そのようなマイクロレンズアレイを含んで表示明度が十分に改善された透光型表示パネルを簡便かつ低コストで提供することができる。なお、本発明を液晶パネルに適用する場合、そのような液晶パネルはテレビ、パソコン、携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、液晶プロジェクタ用ライトバルブなどに応用することができる。また、本発明におけるマイクロレンズアレイは、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などからなる受光素子における受光効率の改善にも適用することができる。

Claims (15)

1. 透光型表示パネルであって、
   アレイ状に配列された複数の透光性制御領域（５、１０）と、各前記透光性制御領域の周囲に存在する不透光性境界領域（２、３）と、前記複数の透光性制御領域に対応してアレイ状に配列された複数のマイクロレンズ（２０ｂ、２１ａ、２１ｃ、４０）を含むマイクロレンズアレイとを備え、
   各前記マイクロレンズはそれに対応する前記透光性制御領域の周囲の前記不透光性境界領域ヘ直進しようとする入射光をその対応する透光性制御領域内へ集光するように作用し、
   前記マイクロレンズアレイは透光性ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜（２０ａ、２１、４１、８２）を用いて形成されており、前記ＤＬＣ膜は各前記マイクロレンズに対応して屈折率が変調させられた領域（２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、４１ａ、８２ｂ）を含み、その屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときに集光作用を生じることを特徴とする透光型表示パネル。
2. 前記ＤＬＣ膜（２１）の一主面側において各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域（２１ａ）が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた凸レンズの形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の透光型表示パネル。
3. 前記ＤＬＣ膜（２１）の一主面側において各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域（２１ａ）が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状凸レンズの形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の透光型表示パネル。
4. 前記ＤＬＣ膜（２１）には各前記マイクロレンズ（２１ｂ）に対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記ＤＬＣ膜を貫通する概略円柱形状を有していて、前記円柱形状の中心軸（２１ｃ）は前記ＤＬＣ膜に直交していてその中心軸に近いほど屈折率が高められていることを特徴とする請求項１に記載の透光型表示パネル。
5. 前記ＤＬＣ膜（２１）には各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域（２１ｂ）が形成されており、前記レンズ領域は前記ＤＬＣ膜を貫通する帯状領域であって、前記帯状領域の幅方向の中央を通りかつ前記ＤＬＣ膜に直交する面（２１ｃ）に近いほど屈折率が高められていることを特徴とする請求項１に記載の透光型表示パネル。
6. 前記ＤＬＣ膜（４１）は各前記マイクロレンズ（４０）に対応して同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められていることを特徴とする請求項１に記載の透光型表示パネル。
7. 前記ＤＬＣ膜（４１）は各前記マイクロレンズ（４０）に対応して同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、前記リングゾーンの各々はｎ個の前記帯状リング領域を含み、前記リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高い屈折率を有し、前記リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求項６に記載の透光型表示パネル。
8. 前記ＤＬＣ膜（８２）は各前記マイクロレンズに対応して互いに平行な複数の帯状領域（８２ａ、８２ｂ）を含み、それらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が変調されており、前記帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠い帯状領域ほど狭められていることを特徴とする請求項１に記載の透光型表示パネル。
9. 前記ＤＬＣ膜（８２）は各前記マイクロレンズに対応して互いに平行なｍ個の帯ゾーンを含み、前記帯ゾーンの各々はｎ個の前記帯状領域（８２ａ、８２ｂ）を含み、前記帯ゾーンの各々において前記所定の帯状領域に近い帯状領域は遠い帯状領域に比べて高い屈折率を有し、前記帯ゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求項８に記載の透光型表示パネル。
10. 前記透光性制御領域（５、１０）は透光性制御物質層として液晶層とエレクトロクロミック材料層とのいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の透光型表示パネル。
11. 前記透光性制御領域（５、１０）はガラス基板（１）の第１主面側に保持された前記透光性制御物質層（１０）を含み、前記ＤＬＣ膜（２０ａ）は前記ガラス基板の第２主面上に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の透光型表示パネル。
12. 請求項１の透光型表示パネルを製造するための方法であって、前記ＤＬＣ膜（２０ａ、２１、４１、８２）はプラズマＣＶＤで形成されることを特徴とする製造方法。
13. 前記ＤＬＣ膜中において相対的に高い屈折率を有する領域は、紫外線、Ｘ線、シンクロトロン放射光、イオンビーム、および電子線から選択されたエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって形成されることを特徴とする請求項１２に記載の製造方法。
14. 前記ＤＬＣ膜中にアレイ状に配列された複数の前記マイクロレンズが同時の前記エネルギビーム照射によって形成されることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
15. 請求項８の透光性表示パネルを製造するための方法であって、前記ＤＬＣ膜（８２）中において相対的に高い屈折率を有する領域（８２ｂ）は、位相格子マスク（８４）を通過した２種の回折光の干渉によって得られる紫外光強度分布による露光によって形成されることを特徴とする製造方法。

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