JPH06242303A

JPH06242303A - 平板状レンズアレイおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH06242303A
Application number: JP3038493A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Taniguchi; 敏谷口; Atsunori Matsuda; 厚範松田; Kenjiro Hamanaka; 賢二郎浜中; Takashi Kishimoto; 隆岸本; Koji Ikeda; 浩司池田; Yukihisa Kusuda; 幸久楠田; Akimitsu Sato; 昭光佐藤
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1993-02-19
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】複数のレンズをアレイに配置したレンズアレ
イの作製において、ゾルゲル法における体積収縮の問題
と、イオン交換法における基板ガラスの制限をなくし、
高精度の複数のレンズを配列したレンズアレイを作製す
ることを目的とする。【構成】ガラス基板の表面上に、ゾルゲルガラス材料
にて、配列した略球面状または略円柱状の凸部または凹
部のアレイを形成した平板状レンズアレイを作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平板状レンズアレイと
その製造方法に関するものであり、特に液晶パネルの光
利用効率を向上させる目的として使用する平板状レンズ
アレイとその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属アルコキシドを加水分解し、
同時に起こる縮重合反応によって、ゾルをつくり、さら
に反応を進めてゲル化し、これを比較的低温で加熱して
ガラスをつくる、いわゆるゾルゲル法がある。この方法
を用いて、基板に相当する部分を含めて一体で、多数の
レンズを配列したレンズアレイを成型する方法がある。
（例えば、Proceeding of SPIE Vol.1168,p61-73,198
9）。

【０００３】しかしこの方法では、ゾル状態から縮合の
終了までに、ゲル化反応や脱水縮重合反応における材料
の体積収縮が大きく、縮合の終了時では初期のゾル状態
の約１０〜５０％の体積にまで収縮してしまう。このた
め、基板の平坦度やレンズアレイの累積ピッチを、高精
度に実現することが難しいという問題点があった。

【０００４】一方、ガラス等の透明基板に多数のレンズ
を配列したレンズアレイとしては、ソーダライムガラス
にＴｉ等の耐蝕性保護皮膜（マスク膜）を成膜し、周知
のフォトリソグラフィ技術を用いて、円形あるいは直線
スリット状の開口を設け、これを溶融塩に浸漬して開口
部からイオン交換を行う方法により、略半球状あるいは
略円柱状の屈折率分布を形成する、いわゆる平板マイク
ロレンズアレイがあった。

【０００５】上記イオン交換法では、基板ガラスにアル
カリイオンを含むことが必須である。このようなアルカ
リ含有ガラス（例えばソーダライムガラス）を用いてレ
ンズアレイを構成し、これを液晶パネルに適用した場
合、液晶表示素子のセル基板である石英などに対して、
熱膨張係数の差を生じる。例えば、石英ガラスの熱膨張
係数は、６×１０^-7／℃であり、ソーダライムガラスの
それは、８０×１０^-7／℃である。このことから、温度
が変化した場合に、両ガラスの間で歪が発生し、明るさ
にムラが生じたりするなどの問題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、ゾル
ゲル法の体積収縮の問題を少なくし、また基板ガラスを
アルカリ含有ガラスに制限されることなく、高精度の多
数のレンズを配列したレンズアレイを作製することを目
的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明では、ガラス基
板の表面上に、ゾルゲルガラス材料にて、配列した略球
面状または略円柱状の凸部または凹部のアレイを形成し
た平板状レンズアレイを作製することで、上記問題点を
解決した。

【０００８】また、次の各工程からなる平板状レンズア
レイの製造方法で、該レンズアレイを作製する。（イ）ガラス基板の表面上に、ゾルゲルガラス材料から
なるゲル薄膜を形成する工程。（ロ）上記薄膜に対して、成型型を押しつけて薄膜を変
形させてことによって、配列した略球面状または略円柱
状の凸部または凹部のアレイを形成する工程。（ハ）上記アレイを形成した薄膜を焼成する工程。

【０００９】さらに、上記の（イ）から（ハ）までの工
程を、順次異なる成形型を使用して複数回繰り返し、配
列した略球面状または略円柱状の凸部または凹部のアレ
イを重畳形成して平板状レンズアレイを製作する。

【００１０】またさらに、次の各工程から平板状レンズ
アレイを作製する。（イ）型面を上向きにして成形型を固定する工程。（ロ）成形型にゾルゲル溶液を滴下して、その表面を被
覆する工程。（ハ）このゾルゲル溶液をゲル化させ、レンズアレイ形
状を形成する工程。（ニ）このレンズアレイの形成されたゲル膜の上に、ガ
ラス基板を押し当ててガラス基板に付着させる工程。（ホ）ガラス基板に付着したレンズアレイを、成形型か
ら剥離する工程。（ヘ）このレンズアレイを焼成する工程。

【００１１】さて、上記ゾルゲル材料の出発原料である
金属アルコキシドとしては、メチルトリエトキシシラ
ン，テトラエトキシシラン，フェニルトリエトキシシラ
ン，チタニウムテトラブトキシド，ジルコニウムテトラ
ブトキシドなどの材料が使用できる。また、それらの混
合したものも、ゾルゲル材料として使用可能である。

【００１２】本発明では、ゾルゲル材料をゾル状態から
一度ゲル化し、体積収縮が大部分終了してから成形型に
よってレンズを成形するので、上述した従来技術の体積
収縮による基板の平坦度やレンズアレイの累積ピッチの
精度の問題を、軽減することができる。

【００１３】本発明で使用するガラス基板は、石英ガラ
ス，無アルカリガラス，ソーダライムガラスなどであ
る。本発明の平板状レンズアレイを液晶表示素子に適用
する場合には、そのセル基板であるガラス基板に応じ
て、ガラス基板を選定すればよい。

【００１４】例えば、ポリシリコンのＴＦＴ液晶ディス
プレイ（ＬＣＤ）が、基板として石英ガラスを使用する
場合には、本発明の平板状レンズアレイも石英ガラス基
板を使用することで、両ガラス基板間の歪の問題を解決
することができる。また、アモルファスシリコンＴＦＴ
のＬＣＤが、基板としてコーニング社７０５９ガラス等
の低膨張無アルカリガラスを使用する場合には、これと
同等の熱膨張係数を有するガラス基板を用いることがで
きる。さらに、単純マトリクスＬＣＤが基板としてソー
ダライムガラスを使用する場合には、ソーダライムガラ
ス基板を用いて、平板状レンズを作製することができ
る。

【００１５】上述した成形型の製作方法としては、別の
ガラス基板上に精密エッチング法により、目的の形状の
凹型を形成する。これを種型として、無電解および電解
めっき法で凸型の金属母型を作製できる。

【００１６】また、上記の目的の形状の凹型を母型とし
て、上記めっき法で凸型の金属種型を作製し、さらにこ
の種型に上記めっき法で、凹型の金属母型を作製でき
る。これら、凸型あるいは凹型の母型を、成形型として
用いることができる。なお、上記のめっき法では、ニッ
ケルなどの金属が用いられる。

【００１７】他方、上記の方法で作製した種型を用い
て、紫外線硬化性樹脂で２Ｐ成型法により樹脂製母型を
作製し、これを成形型として用いることも可能である。

【００１８】なお本発明では、上述のようにゾルゲル材
料をゾル状態から一度ゲル化し、体積収縮が大部分終了
してから成形する。このため、体積収縮についてはあま
り考慮しなくてもよいので、成形型の寸法は仕上がり寸
法と同じで、実用上問題はない。

【００１９】上記エッチング法により作製したガラス凹
型は、滑らかな表面状態を有しており、成形型の表面状
態は、これを反映しているので、良好である。

【００２０】成形型の型の形状は、精密エッチングのパ
ターンやエッチング条件を変化することにより、任意の
ものを作製することが可能である。たとえば、曲率半径
が約１０〜数百μｍの球面状や円柱状のアレイを作製す
ることができる。

【００２１】

【作用】本発明によれば、ガラス基板上の上記ゲル薄膜
を変形させてレンズを形成したので、膜面方向の体積収
縮が基板により規制できる。また、膜自身の厚みが薄い
ため、厚み方向の体積収縮も小さくすることができる。

【００２２】また、必ずしもアルカリ含有ガラスを基板
として用いる必要がなく、目的に応じた熱膨張係数を持
つガラスを基板として用い、平板状レンズアレイを作製
できる。

【００２３】

【実施例】

実施例１図２に基づき説明する。メチルトリエトキシシランとエ
タノールおよび水を、それぞれモル濃度比で、およそ
１：１：４で混合し、これに触媒として塩酸を少量（例
えば、０．０１モル）加えて、室温にて約３０分間攪拌
してゾル状の溶液を調合した。

【００２４】上記溶液を、１０ｃｍ角，１．１ｍｍ厚の
石英基板１０に、ディッピング法により塗布し、このゾ
ル状膜を数分放置してゲル化させ、およそ１０μｍ厚の
ゲル膜１１を作製した（図２−ａ）。そして上述した方
法で作製したＮｉ製の成形型１２をこのゲル膜１１に接
合し、約３０ｇ／ｃｍ²の圧力で押圧しながら約１２０
℃で約１５分間加熱し、ゲル膜を変形してレンズを成型
した（図２−ｂ）。その後、成形型１２を基板から離
し、さらに約３５０℃で約１５分間焼成することによ
り、凸型の平板状レンズアレイ１３が作製された（図２
−ｃ）。以上の処理により、上記ゾル状溶液はシリカガ
ラスとなる。

【００２５】得られた凸型の平板状レンズアレイ１３
は、基板ガラスである石英ガラスとほぼ同等の組成とな
り、熱膨張係数もほぼ等しい。また、これの屈折率は、
１．４２であり、正のパワーを持つレンズとして作用す
る。さらに、凸型の平板状レンズアレイ１３の表面は、
優れた成形型の表面状態をそのまま転写しており、滑ら
かな状態を有している。

【００２６】以上の工程により、石英基板上に平板状レ
ンズアレイ自身を低膨張のシリカガラス材料で作製する
ことが可能となった。

【００２７】本発明で得られる平板状レンズアレイは、
成形型１２の曲率半径を上記のように自由に変化させる
ことができ、さらに適当な屈折率となるようにゾルゲル
の出発物質を選択することにより、用途に合わせた焦点
距離およびＮＡ値となるレンズが作製可能である。

【００２８】また、レンズアレイの焦点面を、レンズの
反対側の基板表面近傍に位置させると、液晶パネルの照
度を上げる用途に適用できる。

【００２９】なお上記実施例では、シラン化合物として
メチルトリエトキシシランのみを用いたが、メチルトリ
エトキシシランとテトラエトキシシランの略等量混合液
を、その代わりに用いることもできる。

【００３０】実施例２図３に基づき説明する。実施例１と同じ溶液を、１０ｃ
ｍ角の石英基板１０にディッピング法により塗布し、こ
のゾル状膜を数分放置してゲル化させ、およそ１０μｍ
厚の１層目のゲル薄膜２１を作製した（図３−ａ）。そ
して、上述した方法で作製したＮｉ製で１０μｍの曲率
半径を持つ１番目の成形型２２をこのゲル膜２１に接合
し、約３０ｇ／ｃｍ²の圧力で押圧しながら約１２０℃
で約１５分間加熱し、ゲル膜を変形してレンズを成型し
た（図３−ｂ）。その後、１番目の成形型２２を基板か
ら離し、さらに約３５０℃で約１５分間焼成することに
より、高さ約１０μｍの半球状の凸部アレイを有する１
番目の凸型の平板状レンズアレイ２３が作製された（図
３−ｃ）。

【００３１】次に同じ工程を繰り返して、２層目のゲル
薄膜２４を作製し、２０μｍの曲率半径を持つ２番目の
成形型２５で押圧成型し、さらに焼成して２番目の凸型
の平板状レンズアレイ２６が作製される（図３−ｄ〜
ｆ）。さらに同様に、３０μｍの曲率半径を持つ３番目
の成形型２８で、３層目の凸型の平板状レンズアレイ２
９が作製される（図３−ｇ〜ｉ）。

【００３２】一般的に、ｎ層目のゲル薄膜には、それに
対応する曲率半径を持ったｎ番目の成形型が用いるとよ
い。

【００３３】得られた凸型ゲル膜は基板である石英ガラ
スとほぼ同等の組成となり熱膨張係数もほぼ等しい。ま
た屈折率１．４６を有し、正のパワーをもつレンズとし
て作用する。

【００３４】上述の例では、計３層を積層した場合につ
いて説明したが、目的とするレンズの大きさによって、
それに必要な回数を繰り返して、レンズアレイを作製す
ることができる。その回数については、５ないし６回ま
でが好ましい。

【００３５】上述の例では、同一のゾルゲル材料を用い
たが、１層目からｎ層目まで膜をそれぞれ異なる組成の
ゾルゲル材料を用いて屈折率を変化させることも可能で
ある。

【００３６】このほか、この実施例の方法では、１０μ
ｍ程度までの比較的薄い膜厚のソルゲル膜を成型し焼成
を繰り返すので、数十μｍの厚膜ではクラックの入るよ
うな高温度でも焼成可能である。このため、より緻密に
焼成することができ、屈折率の大きなレンズや耐候性に
優れた平板状レンズアレイを得ることができる。

【００３７】例えば、１層目からｎ層目までの焼成温度
を少しずつ変化させて、焼成温度の違いによる材料の密
度差を利用して屈折率を変化させることもできる。以上
の方法により、屈折率分布型を持つ平板状レンズアレイ
を作製することも可能である。これにより、低収差化も
望める。

【００３８】また同様に、数十μｍの厚膜を高温焼成し
た場合では、クラック等の欠陥が発生して使用できなか
った組成を持つゾルゲル材料も使用可能となり、平板状
レンズアレイ作製の為の材料選択の幅が広くなる。

【００３９】以上の工程により、石英基板上に平板状レ
ンズアレイ自身を低膨張のシリカガラス材料で作製する
ことが可能となった。

【００４０】実施例３図４に基づいて説明する。実施例１と同じ溶液を用意す
る。成形型面を上向きに固定して（図４−ａ）、その上
に上記溶液を滴下して、成形型表面の凹部または凸部と
凸部の間を埋める。その後数分放置して、このゾル状膜
をゲル化させ、レンズの形状を作る（図４−ｂ）。これ
に、石英基板を約３０ｇ／ｃｍ²の圧力で押しつけて、
レンズアレイを形成した膜を石英基板に付着させる（図
４−ｃ）。

【００４１】レンズアレイが石英基板に、充分に付着し
たところで、成形型から剥離する。その後、この基板
を、約１２０℃で約１５分間加熱して焼成する（図４−
ｄ）。

【００４２】得られた凸型あるいは凹型レンズアレイ
は、基板である石英ガラスとほぼ同等の組成となり、熱
膨張係数もほぼ等しい。また屈折率１．４６を有し、レ
ンズとして作用する。

【００４３】以上の工程により、石英基板上に平板状レ
ンズアレイ自身を低膨張のシリカガラス材料で作製する
ことが可能となった。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、ガラス基板上の上記ゲ
ル薄膜を変形させてレンズを形成したので、膜面方向の
体積収縮が基板により規制できるので、レンズアレイの
累積ピッチを高精度に実現することができる。また、膜
自身の厚みが薄いため、厚み方向の体積収縮も小さくな
り、基板の平坦度も良好となる。

【００４５】本発明により、液晶セル基板と同一あるい
は同等の熱膨張係数のガラスを基板として用いて、平板
状レンズアレイを作製することができるので、熱膨張係
数の差から生じるムラなどの問題を解消することができ
る。

【００４６】これを用いて高精度，高精細のプロジェク
ションテレビ（ＨＤＴＶ）などの液晶の開口効率の向上
が可能となる。さらに、この平板状レンズアレイを液晶
セル基板として使用することが可能となり、低コスト
化，軽量化が可能となる。このような平板状レンズアレ
イは取扱も容易であり、高い信頼性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により作製される平板状レンズアレイの
断面図

【図２】実施例１の平板状レンズアレイの製造方法を段
階的に示す断面図

【図３】実施例２の平板状レンズアレイの製造方法を段
階的に示す断面図

【図４】実施例３の平板状レンズアレイの製造方法を段
階的に示す断面図

【図５】凸型レンズアレイの集光状態を示す図

【符号の説明】１０石英基板１１ゲル膜１２成形型１３凸型レンズアレイ２１１層目のゲル膜２２１番目用成形型２３１層目の凸型レンズアレイ２４２層目のゲル膜２５２番目用成形型２６２層目の凸型レンズアレイ２７３層目のゲル膜２８３層目用成形型２９３層目の凸型レンズアレイ１００凸型レンズにより屈折して集光する光線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岸本隆大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内 (72)発明者池田浩司大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内 (72)発明者楠田幸久大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内 (72)発明者佐藤昭光大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラス基板の表面上に、ゾルゲルガラス
材料にて、配列した略球面状または略円柱状の凸部また
は凹部のアレイを形成したことを特徴とする平板状レン
ズアレイ。
【請求項２】次の各工程からなる平板状レンズアレイ
の製造方法。（イ）ガラス基板の表面上に、ゾルゲルガラス材料から
なるゲル薄膜を形成する工程。（ロ）上記薄膜に対して、成形型を押しつけて薄膜を変
形させてことによって、配列した略球面状または略円柱
状の凸部または凹部のアレイを形成する工程。（ハ）上記アレイを形成した薄膜を焼成する工程。
【請求項３】請求項１の（イ）から（ハ）までの工程
を、順次異なる成形型を使用して複数回繰り返し、配列
した略球面状または略円柱状の凸部または凹部のアレイ
を重畳形成する平板状レンズアレイの製造方法。
【請求項４】次の各工程からなる平板状レンズアレイ
の製造方法。（イ）型面を上向きにして成形型を固定する工程。（ロ）成形型にゾルゲル溶液を滴下して、その表面を被
覆する工程。（ハ）このゾルゲル溶液をゲル化させ、レンズアレイ形
状を形成する工程。（ニ）このレンズアレイの形成されたゲル膜の上に、ガ
ラス基板を押し当ててガラス基板に付着させる工程。（ホ）ガラス基板に付着したレンズアレイを、成形型か
ら剥離する工程。（ヘ）このレンズアレイを焼成する工程。