JPWO2015040822A1 - ディスプレイ装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

ディスプレイ装置（１）は、透明平板（３１）の一方の面に形成された反射膜（３２）と、反射膜（３２）に形成された複数の微細窓（３３）とを備えるミラー部（３０）と、法線方向に光出射角分布が偏った非平行光をミラー部（３０）に向けて放射する平面ディスプレイ部（１０）と、ミラー部（３０）と平面ディスプレイ部（１０）との間に配置され、平面ディスプレイ部（１０）から放射される非平行光を複数の微細窓（３３）に個々に集光する複数のマイクロレンズ（２１）を備えるマイクロレンズアレイ部（２０）とを具備している。

Description

本発明の実施形態は、ディスプレイ装置とその製造方法に関する。

従来から、液晶ディスプレイ等の薄型ディスプレイの前面側をハーフミラーで閉鎖した装置（ミラーディスプレイ）が実用化されている。ミラーディスプレイは、薄型ディスプレイを、外光を遮断する筺体内や壁内に設置すると共に、光反射率が５０％程度のハーフミラーでディスプレイの前面側空間を閉鎖することにより、ディスプレイ側を設置空間より暗くした構成を有している。このようなミラーディスプレイにおいて、通常はハーフミラーを鏡として機能させる。ディスプレイ画面上に画像を表示する場合には、ディスプレイのバックライト光を、ハーフミラーを介して前面側に透過させることによって、ハーフミラーの前面側から画像が視認される。

従来のミラーディスプレイでは、ハーフミラーを介してバックライト光を前面側に透過させることにより画像を表示するため、光の反射率および透過率がそれぞれ５０％程度のハーフミラーが使用されている。ミラーディスプレイは、通常の鏡と比較して画面が暗いという難点を有している。ハーフミラーを構成する金属膜の厚さ等が影響して、全体的に画面が黄ばんで見える傾向がある。ハーフミラーによる光の反射率を高めて鏡としての機能を向上させると、ハーフミラーを透過する光量が減少するため、画像を表示する際に画面が暗くなってしまう。そこで、鏡としての機能を向上させるために光の反射率を高めつつ、画像を表示する際の透過光量を高めることが求められている。

ミラーディスプレイとは別に、光の反射と透過を利用したハイブリッド型の液晶ディスプレイが知られている。ハイブリッド型の液晶ディスプレイにおいては、その周囲で太陽光や照明光等の外光が得られる場合には外光を反射させた光を用いて反射表示し、外光が暗い場合にはバックライト光を透過させた光を用いて透過表示する。この方式は、外光が得られる場合にはバックライトを消して消費電力を抑えることができるため、バッテリ駆動するモバイル用途の液晶表示装置に用いられることが多い。ハイブリッド型の液晶ディスプレイにおいても、外光を反射させつつバックライト光を透過させる手段として、ハーフミラーが用いられている。

ハーフミラーが用いたハイブリッド型の液晶ディスプレイは、ミラーディスプレイと同様な課題を有している。すなわち、反射表示の場合に画面が暗くなりやすく、さらに色相にずれが生じやすい。ハーフミラーによる光の反射率を高めて反射表示の輝度を高めると、ハーフミラーを透過するバックライト光が減少するため、透過表示の画面が暗くなってしまう。ハーフミラーに代えて、画素電極等の金属層を部分ミラーとして用いたハイブリッド型の液晶ディスプレイも知られている。部分ミラーは反射光と透過光とが完全にトレードオフの関係にあるため、反射表示と透過表示の画質を両立させることはできない。そこで、反射表示の画質を向上させるために光の反射率を高めつつ、透過表示の画質を向上させるためにバックライト光の透過光量を高めることが求められている。

特表２００９−５００６６２号公報

本発明が解決しようとする課題は、光の反射と透過とを利用した平面ディスプレイにおいて、外光の反射率を高めつつ、平面ディスプレイから放射される光の透過量を高めることによって、光を反射させた際の性能と光を透過させた際の性能を共に向上させることを可能にしたディスプレイ装置とその製造方法を提供することにある。

実施形態のディスプレイ装置は、可視光に対して透明な平板と、透明平板の一方の面に形成された反射膜と、反射膜に形成された複数の微細窓とを備えるミラー部と、ミラー部の反射膜の形成面側に配置され、法線方向に光出射角分布が偏った非平行光をミラー部に向けて放射する平面ディスプレイ部と、ミラー部と平面ディスプレイ部との間に配置され、平面ディスプレイ部からミラー部に向けて放射される非平行光を複数の微細窓に個々に集光する複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイ部とを具備している。

第１の実施形態によるディスプレイ装置を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置に用いられるバックライトの構成例を示す図である。 図２に示すバックライトの光出射角分布を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置に用いられるマイクロレンズアレイ部の第１の構成例の形状と微細窓の開口径との関係を示す図である。 図４に示すマイクロレンズアレイ部の構造と光路の計算例を示す図である。 図５の変形例を示す図である。 図４に示すマイクロレンズアレイ部の構造と光路の他の計算例を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置に用いられるマイクロレンズアレイ部の第２の構成例の形状と微細窓の開口径との関係を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置のミラー部およびマイクロレンズアレイ部の製造工程例における支持体の準備工程を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置のミラー部およびマイクロレンズアレイ部の製造工程例におけるマイクロレンズアレイの形成工程を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置のミラー部およびマイクロレンズアレイ部の製造工程例における反射膜の形成工程を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置のミラー部およびマイクロレンズアレイ部の製造工程例における感光層の形成工程を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置のミラー部およびマイクロレンズアレイ部の製造工程例における感光層の露光工程を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置のミラー部およびマイクロレンズアレイ部の製造工程例における感光層の現像工程を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置のミラー部およびマイクロレンズアレイ部の製造工程例における微細窓の形成工程を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置のミラー部およびマイクロレンズアレイ部の製造工程例における微細窓の形成工程を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置のミラー部およびマイクロレンズアレイ部の製造工程例における透明平板の接着工程を示す図である。 アルミニウム膜の波長２００ｎｍから８００ｎｍの領域における透過スペクトルの計算結果を示す図である。 アルミニウム膜の波長２００ｎｍから８００ｎｍの領域における反射スペクトルの計算結果を示す図である。 感光層の波長２００ｎｍから８００ｎｍの領域における吸収スペクトルの一例を示す図である。 感光層の露光時間と微細孔サイズとの関係の一例を示す図である。 アルミニウム膜の透過および反射スペクトルの測定結果の一例を示す図である。 感光層を感光させる際の露光時間と反射膜の微細孔径との関係の一例を示す図である。 マイクロレンズアレイ部とミラー部との複合体のマイクロレンズアレイ部側から測定した透過スペクトルの一例を示す図である。 マイクロレンズアレイ部とミラー部との複合体のミラー部側から測定した透過スペクトルの一例を示す図である。 マイクロレンズアレイ部とミラー部との複合体のミラー部側から測定した反射スペクトルの一例を示す図である。 図１に示すディスプレイ装置の第１の変形例を示す断面図である。 図１に示すディスプレイ装置の第２の変形例を示す断面図である。 図１に示すディスプレイ装置の第３の変形例を示す断面図である。 図１に示すディスプレイ装置の第４の変形例を示す断面図である。 図１に示すディスプレイ装置の第５の変形例を示す断面図である。 図１に示すディスプレイ装置の第６の変形例を示す断面図である。 第２の実施形態によるディスプレイ装置を示す断面図である。 図２５に示すディスプレイ装置における液晶表示部と反射部とマイクロレンズアレイ部を拡大して示す断面図である。 第２の実施形態のディスプレイ装置における光反射率と光透過率との関係を示す図である。 図２５に示すディスプレイ装置の第１の変形例を示す断面図である。 図２５に示すディスプレイ装置の第２の変形例を示す断面図である。 図２９に示すディスプレイ装置の液晶ディスプレイにおける光センサ部を拡大して示す断面図である。

以下、実施形態のディスプレイ装置について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる。説明中の上下等の方向を示す用語は、特に明記が無い場合には後述する平面ディスプレイ部の表示面側を上とした場合の相対的な方向を指し示し、重力加速度方向を基準とした現実の方向と異なる場合がある。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態によるディスプレイ装置の構成を示す断面図である。図１に示すディスプレイ装置１は、平面ディスプレイ部１０とマイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０とを具備している。図１に示すディスプレイ装置１は、平面ディスプレイ部１０としてバックライト型液晶ディスプレイを具備している。平面ディスプレイ部１０は、表示面１０ａと非表示面１０ｂとを有している。平面ディスプレイ部１０としての液晶ディスプレイの非表示面１０ｂ側には、図示を省略したバックライトが配置されている。液晶ディスプレイは、画素１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄを有しており、これら画素１１Ａ〜１１Ｄを透過した光によりカラー画像が表示される。

液晶ディスプレイの表示面１０ａから放射される光は、法線方向に光出射角分布が偏った非平行光である。平面ディスプレイ部１０は、バックライト型液晶ディスプレイに限られるものではなく、法線方向に光出射角分布が偏った非平行光を放射するディスプレイであればよい。平面ディスプレイ部１０は、有機ＥＬディスプレイ、電界放出型ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ等であってもよい。後述するマイクロレンズで光を有効に絞るために、平面ディスプレイ部１０から放出される光を平行光に近付けることが好ましい。平面ディスプレイ部１０には、例えば台形リニアプリズムシートを交差させて、光学的に出射角を法線方向に絞ったディスプレイが適用しやすい。平面ディスプレイ部１０のバックライトとしてより平行に近い面光源が要求される場合には、三角形サーキュラープリズムシートや放物面シート等を使用することが好ましい。

平面ディスプレイ部１０の表示面１０ａ側には、ミラー部３０が配置される。ミラー部３０は、可視光に対して透明な平板３１を有している。透明平板３１の一方の面３１ａには、反射膜３２が形成されている。透明平板３１の形成材料は、無機材料および有機材料のいずれであってもよい。透明平板３１には、透明性の高いガラス板やアクリル樹脂板が好適に用いられる。反射膜３２には、可視光の反射率が高い金属膜、あるいは誘電体多層膜が用いられる。反射膜３２としての金属膜は、銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の薄膜であることが好ましい。ミラー部３０は、反射膜３２が平面ディスプレイ部１０の表示面１０ａ側に位置するように配置される。反射膜３２の表面は、鏡面とされている。ミラー部３０は、透明平板３１の反射膜３２の形成面３１ａとは反対側の面（表面）３１ｂに入射した光（外光）ＯＬを反射することによりミラーとして機能する。

反射膜３２は、複数の微細窓３３を有している。微細窓３３は、反射膜３２を部分的に開口させることにより形成されたものである。微細窓３３は、平面ディスプレイ部１０から放射された光の透過孔として機能する。微細窓３３の形状は特に限定されず、正方形、長方形、菱形、六角形、八角形、円形、楕円形等が適用される。なお、後述のレーザ加工で微細窓３３を作製する場合には、個々の孔形状が設計形状から誤差を生じることがあるが、サイズ条件を満足する範囲内でのばらつきは許容される。微細窓３３は、例えば透明平板３１上やマイクロレンズアレイ部２０の支持体２２上に一様に形成した金属膜に、レーザ光のような高エネルギー光による部分的な除去加工工程やマスクを利用したフォトエッチング工程を施すことにより形成される。微細窓３３の形成方法は、特に限定されるものではなく、透明平板３１やマイクロレンズアレイ部２０の支持体２２上に窓パターンに応じてマスキング層を形成した後、部分メッキ工程や蒸着およびリフトオフ工程を適用して微細窓３３を形成してもよい。微細窓３３の形成方法としては、金属膜の除去の他に、金属膜（例えばアルミニウム膜）の酸化による改質等を適用することもできる。微細窓３３の形成方法については、後に詳述する。

平面ディスプレイ部１０を表示していないときに、ミラー部３０を反射鏡として機能させるにあたって、微細窓３３は人の視覚で認知不可能な大きさを有していることが好ましい。目安としては、人の視覚の分解能限界が挙げられる。すなわち、微細窓３３の大きさは、視覚の分解能限界である１／１６ｍｍ（６２．５μｍ）以下とすることが好ましい。微細窓３３の大きさは、円形の場合には直径、楕円形の場合には長径、多角径の場合には最も長い対角線の長さを示すものとする。微細窓３３の大きさは、後に詳述するように非平行光の広がり以上であることが好ましい。そのような大きさの範囲において、微細窓３３の大きさはより小さいことが好ましい。

平面ディスプレイ部１０とミラー部３０との間には、平面ディスプレイ部１０からミラー部３０に向けて放射される非平行光を、複数の微細窓３３に個々に集光する複数のマイクロレンズ２１を有するマイクロレンズアレイ部２０が配置されている。複数のマイクロレンズ２１は、微細窓３３に個々に対応している。ここでは、マイクロレンズ２１として凸レンズを１００μｍのピッチで形成している。個々のマイクロレンズ２１は、平面ディスプレイ部１０からレンズ開口部に入射した光が微細窓３３内に集光して透過するように光学特性が調整されている。マイクロレンズアレイ部２０の個々のマイクロレンズ２１に対して平面ディスプレイ部１０の各色の画素１１Ａ〜１１Ｄが対応している。

図１は平面ディスプレイ部１０の１個の画素１１に対して１個のマイクロレンズ２１および微細窓３３が対応した構成を示している。画素１１とマイクロレンズ２１および微細窓３３との対応関係は、これに限られるものではない。平面ディスプレイ部１０の１個の画素１１に対して複数個のマイクロレンズ２１および微細窓３３を対応させてもよい。例えば、拡散性の高い出力光を使用する場合、光の集束可能なサイズが相対的に大きくなるため、面積を限定する必要性から１画素１１に対して複数の微細窓３３を対応させることが好ましい。逆に、ＲＧＢ等の複数の画素１１Ａ〜１１Ｄに１個のマイクロレンズ２１および微細窓３３を対応させてもよい。出力光が法線方向に光出射角分布が偏った非平行光である場合、マイクロレンズ２１で集光しやすく、微細窓３３の開口径に対応するエリアを相対的に大きくできるため、多画素対応に適している。

図１はマイクロレンズ２１として凸レンズを有するマイクロレンズアレイ部２０を示している。マイクロレンズ２１は、これに限定されない。マイクロレンズ２１としては、凸レンズ、フレネルレンズ、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズのような屈折レンズ、あるいは回折レンズが用いられる。マイクロレンズアレイ部２０は、予め作製したマイクロレンズアレイシートを反射膜３１上に位置合せしつつ貼り合わせる方法、ミラー部３０の反射膜３２上に複数のマイクロレンズ２１を有するマイクロレンズアレイを印刷法で直接形成する方法等により作製される。マイクロレンズアレイ部２０は、ミラー部３０と別体として作製する場合に限らず、一連の工程でミラー部３０と同時に形成してもよい。マイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０の作製工程については、後に詳述する。

図１に示すディスプレイ装置１において、マイクロレンズアレイ部２０は平面ディスプレイ部１０およびミラー部３０に対してそれぞれ密着するように配置されている。図１は、複数の微細窓３３が形成された反射膜３２を有する透明平板３１と、透明シートのような透明支持体２２上に複数のマイクロレンズ２１を形成したマイクロレンズアレイシートとを用意し、これらをラミネートすることによりマイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０とを密着させた状態を示している。反射膜３２は、透明支持体２２のマイクロレンズ２１の形成面とは反対側の面上に形成してもよい。この場合、反射膜３２上に透明平板３１を接着することによりミラー部３０が形成される。平面ディスプレイ部１０は、マイクロレンズアレイ部２０が完全に接触しない程度の隙間を空けて近接配置してもよい。

第１の実施形態のディスプレイ装置１は、平面ディスプレイ部１０が非表示状態のとき、反射膜３２が外光ＯＬを反射することによりミラーとして機能する。反射膜３２には複数の微細窓３３が形成されているが、その大きさに基づいてミラー像中で微細窓３３が視認されることはない。すなわち、人間の視覚には画像面積が小さくなるほど色差を判別しにくくなるという性質、いわゆる面積効果と呼ばれる性質がある。一方で、視覚には空間分解能の限界があり、通常は０．０６度、最も見えやすい焦点距離でも１／１６ｍｍ（６２．５μｍ）程度が限界値といわれている。このような視覚の生理学的特性から、空間分解能の限界値以下の大きさで鏡（反射膜３２）内に孤立して形成された微細窓３３は、人間の目では反射による視認では認知できない。従って、微細窓３３を形成した反射膜３２は、開口率で規定される反射率を有する鏡として機能する。

例えば、平面ディスプレイ部１０の画素１１Ａ〜１１Ｄの１辺が２００μｍ、１個の画素１１に１個の微細窓３３を対応させて１辺が２０μｍの正方形の微細窓３３を形成した場合、反射膜３２に対する微細窓３３の開口率は１％にすぎない。そのような微細窓３３を有する反射膜３２は、実質的に通常の鏡と等しい光学特性を有する。すなわち、ミラー像中への微細窓３３の映し込み等により鏡の機能を低下させることなく、微細窓３３を有する反射膜３２による光の反射率を高めることができる。従って、ディスプレイ装置１のミラーとしての機能を向上させることが可能になる。

一方、平面ディスプレイ部１０が表示状態のとき、平面ディスプレイ部１０からミラー部３０に向けて放射される光ＥＬ１は、マイクロレンズ２１により微細窓３３に集光されることにより微細窓３３を透過する。微細窓３３を透過した光ＥＬ２が外部に放出されることによって、ミラー部３０の前面（透明平板３１の表面３１ｂ）側から平面ディスプレイ部１０が表示する画像を視認することができる。微細窓とそこに焦点を合わせるマイクロレンズとを組合せた光学部品は、光学的に非対称であり、平行光に対する透過率と反射率は入射方向で大きく異なる。このような光学的な非対称性に基づいて、微細窓とマイクロレンズとを組合せた光学部品は、微細窓を通過した光を平行光に近い光に変える部品として、あるには平行光を１点に絞る部品として有効である。

ただし、平面ディスプレイ部１０は一般的に拡散光源であり、平面ディスプレイ部１０から放出される非平行光をマイクロレンズ２１で微細窓３３に集光することは困難である。このような点に対しては、平面ディスプレイ部１０から放出される光の出射角分布の範囲を制限することが有効である。平面ディスプレイ部１０の表示面１０ａから放射される非平行光の光出射角分布（エンベローブ）を法線方向に偏らせることが有効である。法線方向に光出射角分布が偏った非平行光は、マイクロレンズ２１で微細窓３３に集光させやすい。平面ディスプレイ部１０からミラー部３０に向けて放射される光について、ミラー部３０を透過する光量を高めることができる。従って、ディスプレイ装置１のミラー部３０の前面側における画像の表示機能を向上させることが可能になる。

図２は法線方向に光出射角分布を偏らせた非平行光を放出するバックライト１２の一例を示している。図２に示すバックライト１２は、図示しない拡散光源上に２枚のプリズムシート（例えば、住友３Ｍ社製のＢＥＦシート）１３Ａ、１３Ｂを直交配置した構造を有している。図３は図２に示すバックライト１２の光出射角分布を示している。バックライト１２から放出される光の最大強度は法線方向にあり、法線方向に対して±４５度の範囲はガウス分布で近似できる。集光範囲の目安として、最大強度の１／２（半値）から最大強度までの範囲（図３では法線方向に対して±約２０度）の光を選定し、その大部分が反射膜３２に形成した微細窓３３を通過するようにすることが好ましい。

光学設計上の要求から、光出射角分布（エンベローブ）を法線方向に偏らせる必要がある。実用上の目安として、光出射角分布は空気に対する半値幅が±２５度以内であることが好ましい。すなわち、平面ディスプレイ部１０としてバックライト型液晶ディスプレイを用いる場合、バックライト１２から放出される光（非平行光）は、最大強度を成す角度が法線方向であり、かつ最大強度の１／２となる角度（半値角θ）が法線方向に対して±２５度以内である光出射角分布を有することが好ましい。このような光出射角分布を有する非平行光を適用することによって、その大部分が微細窓３３を通過する。従って、ミラー部３０を透過する光量を高めることが可能になる。最大強度の１／２となる角度θは、法線方向に対して±２０度以内にあることがより好ましい。

図４は、マイクロレンズアレイ部２０の第１の構成例の形状と微細窓３３の開口径Ｗとの関係を示している。図４に示すマイクロレンズアレイ部２０は、可視光に対して透明な材料（屈折率ｎ）からなるマイクロレンズ２１と、マイクロレンズ２１の形成材料と同一の透明材料（屈折率ｎ）からなる支持体２２とを有している。マイクロレンズアレイ部２０の厚さ（レンズ厚）ｄは、マイクロレンズ２１と支持体２２との合計厚さである。平面ディスプレイ部１０とマイクロレンズアレイ部２０との間に空気層がない場合に、最も光の広がりが小さくなる。半値角（集光角）θを有する光は、レンズ材中でも集光角θ’（＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ））で広がる。窓面においても、やはりマイクロレンズ２１の支持体２２と反射膜３２との間に空気層がない場合に、最も光の広がりが小さくなり、半値角θを有する光の広がりは「ｄ・ｔａｎθ’」となる。

微細窓３３の開口径Ｗは、光の広がり以上の大きさを有することが好ましい。従って、微細窓３３の開口径Ｗは、レンズ厚ｄ、透明材料の屈折率ｎ、半値角θに対して、
ｄ・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ）］≦Ｗ／２
の関係を満足することが好ましい。さらに、上述した生理学的な不可視の条件（Ｗ≦１／１６ｍｍ）を考慮する必要がある。これらの２つの値を比較し、そのうちのより小さい値を微細窓３３の開口径Ｗの上限値として選択することが好ましい。各構成部間に存在する空気層は、光の広がりの原因となる。平面ディスプレイ部１０とマイクロレンズアレイ部２０との間、およびマイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０との間には、空気層が存在していないことが好ましい。平面ディスプレイ部１０とマイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０は、それぞれ密着していることが好ましい。

図５は、±１８度の範囲の光を集光できるように設計したマイクロレンズ２１の構造と光路の計算例を示している。画素１１のサイズは１２０μｍ、形成ピッチは１４０μｍとする。画素１１に密着して形成されたマイクロレンズ２１のレンズ半径は７５μｍ、レンズ材の屈折率は１．５３、支持体２２の厚さを含むレンズ厚ｄは１５０μｍとする。この場合、微細窓３３の開口径Ｗを４５μｍにすれば、選定した範囲の光を通過させることができる。図６は図５の変形例を示している。図６に示す構造では、反射膜３２の裏面（外光の反射面とは反対側の面）を黒化している。このような黒化面３４で対象外の光を吸収することによって、多重反射による画像の乱れを防止することができる。

図７は、図５とは異なる±１８度の範囲の光を集光できるように設計したマイクロレンズ２１の構造と光路の計算例を示している。画素１１のサイズは１２０μｍ、形成ピッチは１５０μｍとする。画素１１に密着して形成されたマイクロレンズ２１は、屈折率が１．７０の高屈折率ガラスからなる真球状のボールレンズであり、球の直径は１５０μｍとする。支持体２２の厚さは５０μｍであるものの、この構成では主要な光は支持体２２にほぼ入射しないため、レンズ厚ｄと開口径Ｗとの関係は単一材料で近似できる。マイクロレンズ２１に高屈折材料を用いることによって、微細窓３３の開口径Ｗを図５の構造より小さくでき、約３０μｍで選定した範囲の光を通過させることができる。

図８は、マイクロレンズアレイ部２０の第２の構成例の形状と微細窓３３の開口径Ｗとの関係を示している。図８に示すマイクロレンズアレイ部２０は、可視光に対して透明な第１の材料（屈折率ｎ１）からなると共に、厚さｄ１を有するマイクロレンズ２１と、第１の材料とは異なる可視光に対して透明な第２の材料（屈折率ｎ２）からなると共に、厚さｄ２を有する支持体２２とを有している。このような構造においても、各構成部間に空気層がない場合に、最も光の広がりが小さくなる。図４に示した第１の構成例と同様に、微細窓３３の開口径Ｗは、光の広がり以上の大きさを有することが好ましい。

微細窓３３の開口径Ｗは、マイクロレンズ２１の厚さｄ１、支持体２２の厚さｄ２、第１の透明材料の屈折率ｎ１、第２の透明材料の屈折率ｎ２、半値角θに対して、
ｄ１・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ１）］＋ｄ２・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ
（ｓｉｎθ／ｎ２）］≦Ｗ／２
の関係を満足することが好ましい。さらに、上述した生理学的な不可視の条件（Ｗ≦１／１６ｍｍ）を考慮する必要がある。これらの２つの値を比較し、そのうちのより小さい値を微細窓３３の開口径Ｗの上限値として選択することが好ましい。

第１の実施形態のディスプレイ装置１は、例えば以下のようにして作製される。ここでは、図１に示したディスプレイ装置１の製造工程について詳述する。まず、マイクロレンズアレイ部２０をミラー部３０の反射膜３２の形成面側に配置する。マイクロレンズアレイ部２０は、複数のマイクロレンズ２１がそれぞれ微細窓３３と対応するように配置される。マイクロレンズアレイ部２０は、ミラー部３０の反射膜３２と密着するように配置することが好ましい。次いで、平面ディスプレイ部１０をマイクロレンズアレイ部２０に沿って配置する。平面ディスプレイ部１０は、放射光（非平行光）が複数のマイクロレンズ２１を介して複数の微細窓３３にそれぞれ集光するように配置される。平面ディスプレイ部１０は、マイクロレンズアレイ部２０と密着するように配置することが好ましい。

前述したように、マイクロレンズアレイ部２０はミラー部３０と別体として作製してもよいし、一連の工程でミラー部３０と同時に形成してもよい。いずれにおいても、複数の微細窓３３を複数のマイクロレンズ２１のそれぞれに対して正確に位置合わせすることが重要である。マイクロレンズアレイ部２０をミラー部３０と別体として作製する場合、複数の微細窓３３は例えば光リソグラフィーに代表される微細加工技術により形成され、複数のマイクロレンズ２１は印刷法やナノインプリント等により形成される。微細窓３３とマイクロレンズ２１とを別工程で作製した場合、マイクロレンズ２１の中央部を微細窓（微細孔部）３３に高精度に位置合わせする必要がある。

マイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０との複合体の製造コストを低減し、かつマイクロレンズ２１と微細窓３３との位置合わせ精度を向上させるために、ミラー部３０は一連の工程でマイクロレンズアレイ部２０と同時に形成することが好ましい。このようなマイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０との複合体の作製工程について、図９Ａないし図９Ｉを参照して説明する。図９Ａないし図９Ｉは、複数の微細窓３３を有する反射膜３２と複数のマイクロレンズ２１とを一連の工程で同時に形成するマイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０との複合体の製造工程を示している。

図９Ａに示すように、マイクロレンズアレイ部２０の支持体２２を準備する。支持体２２の材質は、無機材料および有機材料のいずれであってもよいし、無機材料と有機材料とが混在した材料であってもよい。支持体２２には、例えばガラス基板や樹脂基板のような透明基板が用いられる。支持体２２のサイズは、特に限定されない。支持体２２の厚さは、支持体２２の第１の面２２ａに形成されるマイクロレンズ２１の焦点距離の１０％以上２００％以下であることが好ましい。支持体２２とマイクロレンズ２１や反射膜３２との密着性を考慮して、支持体２２に適当な表面処理を施してもよい。

光の利用効率を高めるために、５５０ｎｍの波長に対する支持体２２の光透過率は７０％以上であることが好ましい。さらに、後述する感光層の感光波長領域（例えば４５０ｎｍ以下）に対して、支持体２２は光透過率が１０％以上の波長領域を有することが好ましい。このような光学特性を有していれば、支持体２２の材質や厚さは特に限定されない。支持体２２の厚さは、マイクロメーターを用いて測定される。マイクロレンズ２１の焦点距離は、例えばマイクロレンズ２１のレンズ面側から単色平行光線を入射し、これを光学顕微鏡で観察しながら、レンズ形成面に焦点を合わせた場合のステージ位置と、レンズ面から入射した平行光線がレンズ中央で焦点を結ぶ位置に焦点を合わせた場合のステージ位置とのステージ変動量から求められる。支持体２２の光学特性は、例えば紫外可視分光光度計を用いて、紫外可視領域での透過スペクトルを測定することにより求められる。

図９Ｂに示すように、支持体２２の第１の面２２ａに複数のマイクロレンズ（マイクロレンズアレイ）２１を形成する。マイクロレンズアレイ２１の形成方法は特に限定されず、広く一般的な方法を適用することができる。マイクロレンズアレイ２１の形成工程には、制御性よく大面積にマイクロレンズ構造を形成することが可能なナノインプリント法を適用することが好ましい。図９Ｂは透明原版１０１を用いたナノインプリントによりマイクロレンズアレイ２１を形成する工程を示している。マイクロレンズアレイ２１の材質は、有機材料、無機材料、無機および有機の混在材料のいずれであってもよい。マイクロレンズアレイ２１の光学特性に関しては、支持体２２と同様に、５５０ｎｍの波長に対する光透過率が７０％以上で、感光層の感光波長領域（例えば４５０ｎｍ以下）に光透過率が１０％以上の波長領域を有することが好ましい。

マイクロレンズアレイ２１の屈折率は、支持体２２の屈折率の８０％以上１２０％未満であることが好ましい。マイクロレンズアレイ２１の屈折率が支持体２２の屈折率の８０％未満であると、支持体２２との界面で生じるフレネル反射が大きくなり、光利用効率が低下する。マイクロレンズアレイ２１の屈折率が支持体２２の屈折率の１２０％以上であると、支持体２２との界面で全反射が生じ、光利用効率が低下する。マイクロレンズアレイ２１の屈折率は、使用した材質の平坦膜を形成し、この平坦膜をエリプソメーターや分光光度計等を用いて分光分析することにより求められる。

マイクロレンズアレイ２１のレンズ構造は、アレイの垂直方向から観察した場合に、円形、楕円形、三角形、正方形、六角形のいずれでもよく、特に限定されない。マイクロレンズアレイ２１のレンズサイズは、１μｍ以上５００μｍ未満であることが好ましい。ここで言うレンズサイズとは、マイクロレンズアレイ２１を法線方向から観察した場合の個々のレンズの大きさを指す。円形の場合は円の直径を示し、楕円形の場合は長軸の長さを指す。多角形の場合は、多角形に内接する円の直径を指す。レンズサイズが１μｍ未満であると、反射膜３２に形成される微細窓３３の間隔が短くなるため、可視光の回折パターンが顕著となり、反射膜３２のミラー性能が低下する。レンズサイズが５００μｍ以上であると、反射膜３２に形成される微細窓３２が視覚的に認識可能なサイズに近づき、反射膜３２のミラー性能が低下する。

マイクロレンズアレイ２１のレンズ曲率半径は、特に限定されない。マイクロレンズアレイ２１は、周期的に配列されていてもよいし、ランダムに配列されていてもよい。ここで言うランダムな配列とは、隣接するレンズ間に秩序性がない配置や、複数のレンズが周期性を持って配列されたドメイン領域が秩序性なく隣接している配置を含む。マイクロレンズアレイ２１を法線方向から観察した場合の単位領域におけるマイクロレンズが占める面積率（レンズ占有率）は、光を高効率に集光するために、より大きい方が好ましく、具体的には５０％以上であることが好ましい。非レンズ領域は平坦面であるため、非レンズ領域に入射した光は集光されず、微細窓３３を透過することができない。このため、レンズ占有率が５０％未満であると、光損失が大きくなる。

マイクロレンズアレイ２１は、非レンズ領域が生じない多角形型のレンズを隙間なく並べたレンズレット構造で配列されていることが好ましい。このような構造とすることで、レンズ占有率は１００％となり、光を高効率に集光することができる。レンズ占有率の測定方法としては、以下の方法が挙げられる。マイクロレンズアレイ２１を複数の領域に区切り、それぞれの領域に対して、例えば光学顕微鏡を用いてレンズが５０個程度入る領域で観察を行う。得られた観察画像を画像処理ソフトで処理し、単位エリア当たりのレンズ占有率を求める。これを各領域で実施し、各領域の平均値を得ることにより求められる。

図９Ｃに示すように、マイクロレンズアレイ２１を形成した支持体２２の第１の面２２ａの対面である第２の面２２ｂに、反射膜３２を形成する。反射膜３２の光学特性に関しては、５５０ｎｍの波長に対する光反射率が７０％以上であり、かつ感光層の感光波長領域（例えば４５０ｎｍ以下）に光透過率が０．１％以上の波長領域を有することが好ましい。波長５５０ｎｍによる反射膜３２の光反射率が７０％未満であると、鏡像が暗くなり、ミラー性能が低下する。反射膜３２が波長４５０ｎｍ以下の範囲に光透過率が０．１％以上の波長領域を有しないと、反射膜３２上に形成する感光層をマイクロレンズアレイ２１側から照射した光で良好に感光させることができない。

反射膜３２の材質としては、可視光の全領域で反射率が高く、プラズマ周波数が紫外光領域に存在するアルミニウム、銀、またはこれらの少なくとも１つを含む合金を用いることが好ましい。アルミニウムのプラズマ周波数は１２０ｎｍ付近にあり、銀のプラズマ周波数は３２０ｎｍ付近にある。アルミニウムや銀は、可視光領域では金属的な光学特性を示し、紫外光領域になるにしたって誘電体的な光学特性を示すようになる。このため、アルミニウムや銀は、可視光領域で高い反射率を示し、紫外光領域に透過性を生じる。

図１０および図１１に、ガラス基板上にアルミニウム膜を形成した場合の波長２００ｎｍから８００ｎｍの領域における透過スペクトルおよび反射スペクトルの計算結果を示す。ここでは、膜厚１５ｎｍから５０ｎｍまでの５ｎｍ刻みで計算している。可視光領域では高い反射率を示し、紫外光領域になるにしたがって透過率が向上することが分かる。さらに、膜厚が厚くなるにしたがって紫外光領域の透過率が減少していくことが分かる。それぞれの材質に対応させて反射膜３２の膜厚を制御することによって、可視光反射性と紫外光透過性を制御することができる。反射膜３２の材質は、金属材料に限らない。反射膜３２には、誘電体多層膜のようなスペクトル形状を設計できる材質を用いてもよい。反射膜３２の形成方法は特に限定されないが、反射膜３２を平坦性よく形成することが可能な真空蒸着法、スパッタ法、メッキ法等を用いることが好ましい。

図９Ｄに示すように、反射膜３２上に感光層１０２を形成する。感光層１０２の密着性を得るために、感光層１０２を形成する前に反射膜３２に適当な表面処理を施してもよい。感光層１０２の材質には、例えば感光波長領域が４５０ｎｍ以下にあるポジ型感光性材料が用いられる。このような材質としては、一般的な微細加工に用いられるレジスト材料が好適に用いられ、例えばノボラック／ナフトキノンジアジド系レジストが用いられる。図１２に、ベース樹脂であるノボラック樹脂と感光剤であるナフトキノンジアジドを添加したノボラックレジストの波長２００ｎｍから８００ｎｍの領域における吸収スペクトルを示す。ベース樹脂であるノボラック樹脂のみの吸収スペクトルと比較して、感光剤を含むノボラックレジストでは、波長３００ｎｍから４５０ｎｍ領域に吸収が生じている。感光層１０２の感光波長領域は、このような方法により測定することができる。

図９Ｅに示すように、感光層１０２に対してマイクロレンズアレイ２１の形成面側から波長４５０ｎｍ以下の発光領域を持つ光ＥＬを照射する。照射された光ＥＬは、マイクロレンズアレイ２１により集光され、紫外光透過性を有する反射膜３２を透過して、感光層１０２を感光する。図９Ｆに示すように、感光層１０２を現像すると、感光層１０２に微細孔パターン１０３が形成される。照射する光ＥＬは、平行光、もしくは法線方向に偏りを持った指向性分布光のいずれであってもよい。光ＥＬの指向性半値幅は３０度以下であることが好ましい。指向性分布は、光源から放射される光強度を−９０度から＋９０度の範囲で角度依存性を評価することで測定され、一般的には法線方向（０度）にピークトップを持つガウス型の分布曲線で近似される。指向性半値幅とは、指向性分布の０度から９０度までの領域において、０度付近のピーク光強度に対して光強度が１／２に低下する角度のことを指す。指向性半値幅が３０度を超えると、感光層１０２が全体的に感光されやすくなり、微細孔パターン１０３を制御よく形成することが困難になる。

図１３に、指向性半値幅が約１度の水銀ランプを用いて、ガラス基板上に形成したノボラックレジストを感光させた際の、露光時間と微細孔サイズとの関係を示す。露光時間の増加と共に微細孔サイズが増加している。露光時間により微細孔サイズを制御することができる。平面ディスプレイ部１０として用いる液晶ディスプレイの指向性分布に合わせて、透過特性の高い微細孔サイズを決定することが好ましい。微細孔パターンとマイクロレンズアレイとの位置関係は、光学顕微鏡の焦点面を微細孔パターンとマイクロレンズアレイの位置にそれぞれ合わせて画像を撮影し、それぞれの画像を重ね合わせることにより確認される。実施形態の方法を適用することによって、レンズ中心部に微細孔パターンを形成することができる。これは上記した方法により確認される。

図９Ｇに示すように、微細孔パターン１０３を有する感光層１０２をマスクとして用いて、下地の反射膜３２に微細窓３３を形成する。反射膜３２のパターニング方法は特に限定されず、ウェットエッチング法、ドライエッチング法、イオンミリング法等の公知の方法を用いることができる。微細窓３３の形成コストを低減することが可能なウェットエッチング法を適用することが好ましい。図９Ｈに示すように、感光層１０２除去する。場合によっては、感光層１０２を残しておいてもよい。図９Ｉに示すように、反射膜３２上に透明接着層１０４を介して透明平板３１を貼り合わせる。このようにして、マイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０との複合体１０５を一連の工程で作製する。

上述した複合体１０５の製造工程においては、支持体２２上に形成したマイクロレンズアレイ２１の集光効果を用いて、感光層１０２に微細孔パターン１０３を形成している。さらに、反射膜３２を形成する前に感光層１０２を形成し、感光層１０２に微細孔パターン１０３を形成し、感光層１０２に無電解メッキを行うための活性化核を析出させ、無電解メッキを行うことによっても、微細孔パターン５を有する反射膜３２を形成することができる。反射膜３２を形成する前にネガ型感光性材料を感光層１０２として形成し、感光層１０３の感光された領域を残し、リフトオフ法により反射膜３２を形成することによっても、微細窓３３を有する反射膜３２を形成することができる。反射膜３２の代わりに電解メッキのシード層を形成し、感光層１０２を形成し、感光層１０２に微細孔パターン１０３を形成し、シード層に微細孔パターンを形成し、感光層１０２を除去した後、微細孔パターンが形成されたシード層を用いて電解メッキすることによっても、微細窓３３を有する反射膜３２を形成することができる。

上述した複合体１０５の製造工程の具体例について、以下に述べる。支持体２２として１５０μｍの厚さを有するホウケイ酸ガラス基板を用意した。ガラス基板上にマイクロレンズアレイ２１を光インプリント法により形成した。マイクロレンズアレイには、周期５０μｍ、ザグ深さ１２μｍ、曲率半径６４μｍ、レンズ占有率１００％のレンズレット型マイクロレンズを最密充填配置した構造を適用した。マイクロレンズアレイを形成するためのモールドを作製し、ガラス基板上に紫外線硬化型樹脂を塗布し、光インプリント装置によりモールドを押印した状態で、紫外光を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させた。モールドを離型して、ガラス基板上にマイクロレンズアレイを形成した。

マイクロレンズアレイのガラス基板内における焦点距離を計測した結果、焦点距離はレンズ頂点から１７５μｍの位置であった。ガラス基板のマイクロレンズアレイを形成した面とは反対側の面に、真空蒸着法により厚さ２８ｎｍのアルミニウム膜を成膜した。成膜したアルミニウム膜の透過および反射スペクトルを測定した。それらの結果を図１４に示す。アルミニウム膜の光学特性に関しては、波長３６５ｎｍにおける光透過率が３．４％で、波長５５０ｎｍにおける光反射率が８６．６％であった。

アルミニウム膜上にノボラックレジストをスピンコート法により形成した。指向性半値幅が１度の紫外光源を用いて、マイクロレンズアレイ側から紫外光を照射した。波長３６５ｎｍにおける光量をパワーメーターで測定した結果、３．７ｍＷ／ｃｍ^２であった。１１０度のホットプレート上で９０秒間ベークした後、アルカリ現像液で１分間現像を行うことによって、ノボラックレジストに微細孔パターンを形成した。ガラス基板をレジストの現像液と同じアルカリ現像液中に１５秒間浸漬し、アルミニウム膜をウェットエッチングした。エタノール溶液でノボラックレジストを溶解した。最後に、アルミニウム膜上にガラス基板を透明平板３１として貼り合わせた。

図１５に露光時間とアルミニウム膜に形成した微細孔径との関係を示す。露光時間により微細孔径をコントロールできることが確認された。露光時間を６０秒として形成した微細孔径の平均値は２５．５μｍであった。このマイクロレンズアレイ部２０とミラー部３０との複合体（特殊ミラー）１０５の透過スペクトルおよび反射スペクトルの測定結果を図１６ないし図１８に示す。図１６はマイクロレンズアレイ部側から測定した透過スペクトル、図１７はミラー部側から測定した透過スペクトル、図１８はミラー部側から測定した反射スペクトルである。ミラー部側から測定した透過率および反射率においては、微細孔の面積率に等しい透過率の上昇、および反射率の低下が見られる。マイクロレンズアレイ部側から測定した透過率は９０％程度であり、レンズ焦点と微細孔の位置が一致しており、高透過性および高反射性を有する特殊ミラーであることが確認された。

上述した特殊ミラーを液晶ディスプレイ（指向性半値幅：５度）上に配置し、ミラーディスプレイを作製した。このようなミラーディスプレイにおいて、液晶ディスプレイの表示エリアにおける透過率分布と反射率分布を測定した結果、ミラーディスプレイの平均透過率は５９％、平均反射率は６８％であり、表示エリア内で均一な光学特性が得られた。このように、上述した製造工程を適用して作製した特殊ミラーを、ミラーディスプレイの表示面に用いることによって、高反射性と高透過性とを両立させることができる。実施形態による特殊ミラーは、ミラーディスプレイに限らず、半透過型液晶ディスプレイの反射層、プロジェクタの投影面、太陽電池や受光素子等における光の非対称性を用いた光学部品等、各種の光学デバイスに用いることができる。

第１の実施形態によるディスプレイ装置の変形例について、図１９ないし図２４を参照して説明する。図１９は図１に示すディスプレイ装置１の第１の変形例の構成を示している。図１９に示すディスプレイ装置１Ａは、平面ディスプレイ部１０とマイクロレンズアレイ部２０との間の隙間に設けられた屈折率調整層２３を有している。それ以外の構成は図１と同様である。屈折率調整層２３は、マイクロレンズ２１を構成するレンズ材および平面ディスプレイ部１０の表面材より屈折率が小さい透明材料で形成されている。このような屈折率調整層２３を配置することで、界面反射による光ロスを低減できると同時に、マイクロレンズ２１の焦点距離を調整することができる。屈折率調整層２３は、平面ディスプレイ部１０とマイクロレンズアレイ部２０との間の緩衝材としても機能する。

図２０は図１に示すディスプレイ装置１の第２の変形例の構成を示している。図２０に示すディスプレイ装置１Ｂでは、マイクロレンズをマイクロボールレンズ２４で構成している。マイクロボールレンズ２４は、屈折率調整層２３により平面ディスプレイ部１０とミラー部３０との間に固定されている。反射膜３２に形成された微細窓３３は、マイクロボールレンズ２４の位置に合わせて、後工程で形成される。微細窓３３の形状は、円形に近い形状となっている。微細窓３３の大きさ（直径）は、視覚の分解能限界（約１／１６ｍｍ）以下であることが好ましく、ここでは２０μｍとしている。

図２１は図１に示すディスプレイ装置１の第３の変形例の構成を示している。図２１に示すディスプレイ装置１Ｃでは、平面ディスプレイ部１０の１個の画素１１に対して複数個のマイクロレンズ２１が対応している。個々のマイクロレンズ２１がそれぞれ１個の微細窓３３に対応している構成は、図１に示すディスプレイ装置１と同様である。このような構成は、平面ディスプレイ部１０の画素１１が大きく、単一のマイクロレンズ２１で光を微細窓３３に導くことが光学的に難しい場合や、マイクロレンズアレイ部２０をできるだけ薄くしたいような場合に有効である。図２１に示すディスプレイ装置１Ｃにおいて、微細窓３３の形状は一辺が２０μｍの正方形とし、凸型のマイクロレンズ２１は５０μｍのピッチで形成している。画素１１は２００μｍのピッチで形成されている。

図２２は図１に示すディスプレイ装置１の第４の変形例の構成を示している。図２２に示すディスプレイ装置１Ｄでは、平面ディスプレイ部１０の複数の画素１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの集団（画素群）に対して１個のマイクロレンズ２１が対応している。個々のマイクロレンズ２１がそれぞれ１個の微細窓３３に対応している構成は、図１と同様である。このような構成は、平面ディスプレイ部１０の画素１１が極めて小さい場合や、製造コストの点からできるだけ大きな径のマイクロレンズ２１を使用したい場合に有効である。図２２に示すディスプレイ装置１Ｄにおいて、微細窓３３の形状は一辺が５０μｍの正方形とし、凸型のマイクロレンズ２１は２００μｍのピッチで形成している。

図２３は図１に示すディスプレイ装置１の第５の変形例の構成を示している。図２３に示すディスプレイ装置１Ｅでは、マイクロレンズをフレネルレンズ２５で構成している。フレネルレンズ２５における個々のマイクロレンズがそれぞれ１個の微細窓３３に対応している構成は、図１と同様である。このような構成は、マイクロレンズアレイ部（マイクロレンズシート）２０の厚さを制限したい場合に有効である。ここではフレネルレンズ２５を使用しているが、それに換えて回折レンズを適用することも可能である。

図２４は図１に示すディスプレイ装置１の第６の変形例の構成を示している。図２４に示すディスプレイ装置１Ｆでは、平面ディスプレイ部１０の画素１１側およびミラー部３０の反射膜３２側の両方にマイクロレンズ２１Ａ、２１Ｂが配置されている。個々のマイクロレンズ対（２１Ａ、２１Ｂ）がそれぞれ１個の微細窓３３に対応している構成は、図１と同様である。このような構成においても、マイクロレンズ対（２１Ａ、２１Ｂ）と微細窓３３とは一対一の対応関係を有する場合に限らず、図２１や図２２に示したような対応関係を有していてもよい。さらに、マイクロレンズ対（２１Ａ、２１Ｂ）は凸レンズに限らず、フレネルレンズや回折レンズで形成してもよい。

第１の実施形態のディスプレイ装置１によれば、平面ディスプレイ部１０のオフ時には人間の視覚に自然な鏡と同等の鏡像を与える。平面ディスプレイ部１０のオン時には、ハーフミラーを用いた従来の構成より高い光透過率を有するため、画像をより鮮明に見せることができる。ハーフミラーを使用した従来のミラーディスプレイに比べて、より高性能なミラーディスプレイとしてのディスプレイ装置１を提供することができる。さらに、特殊ミラーの製造工程においては、ハーフミラーが反射層の膜厚に敏感で、大面積化に技術を要するのに対して、鏡面反射膜は印刷による窓部の被覆と部分メッキ等のプロセスで容易に形成できる。マイクロレンズの作製も印刷プロセスの適用が可能なサイズであるため、鏡面上に形成することが容易である。これらによって、ミラーディスプレイとして機能するディスプレイ装置１の製造コストを低減することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態によるディスプレイ装置について説明する。図２５は第２の実施形態によるディスプレイ装置の構成を示す断面図である。図２５に示すディスプレイ装置２は、透過型の液晶ディスプレイ４０と反射部５０とマイクロレンズアレイ部２０とバックライト６０とを具備している。液晶ディスプレイ４０は、表示面４０ａと非表示面４０ｂとを有している。液晶ディスプレイ４０の非表示面４０ｂ側には、バックライト６０が配置されている。バックライト６０から液晶ディスプレイ４０に向けて放射される光は、法線方向に光出射角分布が偏った非平行光である。液晶ディスプレイ４０は、画素４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを有しており、これら画素４１Ａ〜４１Ｃを透過した光（外光の反射光またはバックライト光）によりカラー画像が表示される。

液晶ディスプレイ４０は、図２６の拡大図に示すように液晶層４２を有している。液晶層４２は、配向膜４３Ａ、４３Ｂを介して配置された透明電極４４Ａ、４４Ｂで挟持されている。液晶層４２は、さらに偏光板４５Ａ、４５Ｂで挟持されている。液晶ディスプレイ４０は、画素４１Ａ〜４１Ｃ毎に液晶層４２をオン・オフさせる駆動ＴＦＴ４６を有している。符号４７は透明基体である。液晶ディスプレイ４０の表示面４０ａ側には、カラーフィルタ４８が配置されている。カラーフィルタ４８の各画素４１Ａ〜４１Ｃ間に相当する部分には、遮光層４９が形成されている。液晶ディスプレイ４０は、太陽光や照明光のような外光が得られる場合には外光を反射させた光で反射表示し、外光が暗い場合にはバックライト光を透過させた光で透過表示する。液晶ディスプレイ４０は、ハイブリッド型液晶ディスプレイである。

液晶ディスプレイ４０とバックライト６０との間には、反射部５０とマイクロレンズアレイ部２０とが配置されている。反射部５０は第１の実施形態におけるミラー部３０と同様な構成を有している。反射部５０は、透明平板３１、透明平板３１の一方の面に設けられた反射膜３２、および反射膜３２に形成された複数の微細窓３３を有している。これらは基本的に第１の実施形態におけるミラー部３０の各要素と同様な構成を有し、それらの形状、形成材料、形成方法等も同様である。ただし、第２の実施形態のディスプレイ装置２において、反射部５０は外光を反射させた光で液晶ディスプレイ４０を反射表示するものであり、ミラーとしての機能を有していない。微細窓３３の大きさは、人の視覚の分解能限界以下にする必要がない。反射部５０は、反射膜３２が液晶ディスプレイ４０の非表示面４０ｂ側に位置するように配置されている。

反射部５０とバックライト６０との間には、バックライト６０から反射部５０を介して液晶ディスプレイ４０に向けて放射される非平行光を、複数の微細窓３３に個々に集光する複数のマイクロレンズ２１を有するマイクロレンズアレイ部２０が配置されている。複数のマイクロレンズ２１は、微細窓３３に個々に対応している。個々のマイクロレンズ２１は、バックライト６０からレンズ開口部に入射した光が微細窓３３内に集光して透過するように光学特性が調整されている。個々のマイクロレンズ２１に対しては、液晶ディスプレイ４０の各色の画素４１Ａ〜４１Ｃが対応している。液晶ディスプレイ４０の画素４１とマイクロレンズ２１との対応関係は、第１の実施形態と同様に一対一の対応関係に限らず、１画素４１に対して複数の微細窓３３を対応させたり、複数の画素４１Ａ〜４１Ｃに１個のマイクロレンズ２１を対応させてもよい。

図２５に示すディスプレイ装置２において、マイクロレンズ２１は反射部５０の透明平板３１と共通する基板上に形成されている。マイクロレンズアレイ部２０は、反射部５０の透明平板３１とは別体の透明支持体上に形成してもよい。このような場合には、マイクロレンズ２１が形成されたマイクロレンズアレイシートと反射部５０とを位置合せしつつ貼り合わせることによって、反射部５０とマイクロレンズアレイ部２０との積層体を形成することができる。マイクロレンズ２１には、第１の実施形態と同様な屈折レンズや回折レンズを用いることができる。マイクロレンズアレイ部２０の形成方法も、第１の実施形態と同様である。マイクロレンズ２１および微細窓３３は、図９Ａないし図９Ｉに示した製造工程を適用して形成することが好ましい。

第２の実施形態のディスプレイ装置２は、太陽光や照明光のような外光が得られる場合には外光を反射膜３２で反射し、この反射光を用いて液晶ディスプレイ４０を表示させる。この際、微細窓３３を形成した反射膜３２は、開口率で規定される反射率を有する反射体として機能するため、従来の部分ミラーに比べて外光の反射率を高めることができる。外光が暗い場合には、バックライト６０を点灯させ、バックライト６０から放射される光（バックライト光）で液晶ディスプレイ４０を表示させる。この際、バックライト光はマイクロレンズ２１で微細窓３３に集光されることにより微細窓３３を透過する。液晶ディスプレイ４０は、微細窓３３を透過した光により表示される。

前述したように、微細窓とそこに焦点を合わせたマイクロレンズとを組合せた光学部品は、光学的に非対称であり、平行光に対する透過率と反射率は入射方向で大きく異なる。微細窓とマイクロレンズとを組合せた光学部品は、微細窓を通過した光を平行光に近い光に変える部品として、あるには平行光を１点に絞る部品として有効である。ただし、バックライト６０は一般的に拡散光源であり、拡散光源から放出される非平行光をマイクロレンズ２１で微細窓３３に集光することは困難である。そこで、バックライト６０から放出される光の出射角分布の範囲を制限している。具体的には、光出射角分布（エンベローブ）を法線方向に偏らせている。法線方向に光出射角分布が偏った非平行光は、マイクロレンズ２１で微細窓３３に集光させやすい。従って、液晶ディスプレイ４０に到達するバックライト光量を増加させることができる。

バックライト６０の具体例としては、図２に示したバックライト１２が挙げられる。図３に示したように、バックライト１２から放出される光の最大強度は法線方向にあり、最大強度の１／２（半値）から最大強度までの範囲は法線方向に対して±約２０度である。実用上の目安として、光出射角分布は空気に対する半値幅が±２５度以内であることが好ましい。バックライト１２から放出される光（非平行光）は、最大強度を成す角度が法線方向で、かつ最大強度の１／２となる角度（半値角θ）が法線方向に対して±２５度以内である光出射角分布を有することが好ましい。このような光出射角分布を有する非平行光を適用することによって、その大部分が微細窓３３を通過する。従って、反射部５０を透過する光量を高めることができる。最大強度の１／２となる角度θは、法線方向に対して±２０度以内にあることがより好ましい。

２枚のプリズムシート（例えば、住友３Ｍ社製のＢＥＦシート）を直交配置したバックライト１２（６０）と、４８μｍピッチで最密配置した半球形状レンズアレイ（直径４８μｍ、シート厚４８μｍ、屈折率１.４７）２０とを用いて、微細窓３３の開口径を変えた場合に、光反射率と光透過率を計算した結果を図２７に示す。例えば、微細窓３３の開口径（直径）が２７μｍの場合に、光反射率と光透過率はそれぞれ約７０％（光反射率と光透過率の和は約１４０％）となる。第２の実施形態のディスプレイ装置２によれば、従来の光反射率と光透過率の和が１００％となる部分ミラーを用いたハイブリッド型液晶ディスプレイと比較して、光反射率と光透過率のトレードオフの関係を大幅に緩和できる。すなわち、反射表示特性と透過表示特性を共に向上させることが可能となる。

反射膜３２に形成する微細窓３３の開口径Ｗは、第１の実施形態と同様に、光の広がり以上の大きさを有することが好ましい。可視光に対して透明な材料（屈折率ｎ）からなるマイクロレンズ２１と、マイクロレンズ２１の形成材料と同一の透明材料（屈折率ｎ）からなる支持体２２とを用いた場合、微細窓３３の開口径Ｗは、レンズ厚ｄ、透明材料の屈折率ｎ、半値角θに対して、
ｄ・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ）］≦Ｗ／２
の関係を満足することが好ましい。

可視光に対して透明な第１の材料（屈折率ｎ１）からなると共に、厚さｄ１を有するマイクロレンズ２１と、第１の材料とは異なる可視光に対して透明な第２の材料（屈折率ｎ２）からなると共に、厚さｄ２を有する支持体２２とを用いた場合、微細窓３３の開口径Ｗは、マイクロレンズ２１の厚さｄ１、支持体２２の厚さｄ２、第１の透明材料の屈折率ｎ１、第２の透明材料の屈折率ｎ２、半値角θに対して、
ｄ１・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ１）］＋ｄ２・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ
（ｓｉｎθ／ｎ２）］≦Ｗ／２
の関係を満足することが好ましい。マイクロレンズ２１の構造と光路の具体例は、図５ないし図７に示した通りであり、第２の実施形態でも同様な構造が適用される。

図２５に示したディスプレイ装置２において、カラーフィルタ４８の微細窓３３に対応する領域は色濃度を濃くし（濃部Ｄ）、その周囲は色濃度を淡くしている（淡部Ｌ）。従来のハイブリッド型液晶ディスプレイでは、透過表示で鮮やかな色彩を表示することが難しい。図２５に示したように、濃部Ｄと淡部Ｌを有するカラーフィルタ４８と微細窓２３とマイクロレンズ２１とを組合せることによって、鮮やかな色彩を発現させることが可能なハイブリッド型液晶ディスプレイが提供される。図２８に示すように、カラーフィルタ４８の微細窓３３に対応する領域を無色化することによって、鮮やかな白画像を表示することが可能なハイブリッド型液晶ディスプレイが提供される。

次に、第２の実施形態によるディスプレイ装置の変形例について、図２９および図３０を参照して説明する。図２９および図３０に示すディスプレイ装置２Ａにおいては、液晶ディスプレイ４０の画素領域の一部に光センサ部７０が付加されている。光センサ部７０は、図３０の拡大図に示すように光センサ７１を有している。光センサ７１の上部には、外光とバックライト光の強度バランスを取るように、形状と開口面積が調整された調光窓７２が設けられている。光センサ部７０も他の画素領域と同様に、その下部に反射膜３２に設けられた微細窓３３とマイクロレンズ２１とを有している。

バックライト６０は、面内の光強度を調整するＬＥＤ６１を有している。光センサ７１で外光の強度を測定し、それに応じてバックライト６０の面内の光強度がＬＥＤ６１により調整される。バックライト６０の面内の光強度は、光センサ７１で測定された外光の強度との間で強度バランスを取るように調整される。すなわち、外光とバックライト光を合わせた強度が液晶ディスプレイ４０の面内で一様になるように、バックライト６０の面内の光強度が調整される。このようなディスプレイ装置２Ａによれば、高品質表示と省エネルギーとを同時に達成することができる。

なお、第１および第２の実施形態の構成は、それぞれ組合せて適用することができ、さらに一部置き換えることも可能である。本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (15)

1. 可視光に対して透明な平板と、前記透明平板の一方の面に形成された反射膜と、前記反射膜に形成された複数の微細窓とを備えるミラー部と、
   前記ミラー部の前記反射膜の形成面側に配置され、法線方向に光出射角分布が偏った非平行光を前記ミラー部に向けて放射する平面ディスプレイ部と、
   前記ミラー部と前記平面ディスプレイ部との間に配置され、前記平面ディスプレイ部から前記ミラー部に向けて放射される前記非平行光を前記複数の微細窓に個々に集光する複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイ部と
   を具備するディスプレイ装置。
2. 前記微細窓の開口径Ｗは１／１６ｍｍ以下である、請求項１に記載のディスプレイ装置。
3. 前記非平行光は、最大強度を成す角度が前記反射膜に対して法線方向で、かつ前記最大強度の１／２となる角度θが前記法線方向に対して±２５°以内である光出射角分布を有する、請求項１に記載のディスプレイ装置。
4. 前記マイクロレンズアレイ部は、可視光に対して透明な材料からなる前記複数のマイクロレンズと、前記透明材料と同一の材料からなり、前記複数のマイクロレンズを支持する支持体とを備え、
   前記微細窓の開口径Ｗは、前記マイクロレンズと前記支持体との合計厚さｄ、前記透明材料の屈折率ｎ、および前記非平行光の最大強度の１／２となる前記角度θに対し、
   ｄ・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ）］≦Ｗ／２
   の関係を満足する、請求項３に記載のディスプレイ装置。
5. 前記マイクロレンズアレイ部は、可視光に対して透明な第１の材料からなる前記複数のマイクロレンズと、前記第１の材料とは異なる、可視光に対して透明な第２の材料からなり、前記複数のマイクロレンズを支持する支持体とを備え、
   前記微細窓の開口径Ｗは、前記マイクロレンズの厚さｄ１、前記支持体の厚さｄ２、前記第１の材料の屈折率ｎ１、前記第２の材料の屈折率ｎ２、および前記非平行光の最大強度の１／２となる前記角度θに対し、
   ｄ１・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ１）］＋ｄ２・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ
   （ｓｉｎθ／ｎ２）］≦Ｗ／２
   の関係を満足する、請求項３に記載のディスプレイ装置。
6. 前記平面ディスプレイ部の画素のそれぞれに対して、複数個の前記微細窓が対応している、請求項１に記載のディスプレイ装置。
7. 表示面と非表示面とを有する光透過型の液晶ディスプレイと、
   可視光に対して透明な平板と、前記透明平板の一方の面に形成された反射膜と、前記反射膜に形成された複数の微細窓とを備え、前記反射膜が前記液晶ディスプレイ側に位置するように前記液晶ディスプレイの前記非表示面に沿って配置された反射部と、
   法線方向に光出射角分布が偏った非平行光を前記反射部を介して前記液晶ディスプレイに放射するバックライトと、
   前記反射部と前記バックライトとの間に配置され、前記バックライトから前記反射部に向けて放射される前記非平行光を前記複数の微細窓に個々に集光する複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイ部と
   を具備するディスプレイ装置。
8. 前記非平行光は、最大強度を成す角度が前記反射膜に対して法線方向で、かつ前記最大強度の１／２となる角度θが前記法線方向に対して±２５°以内である光出射角分布を有する、請求項７に記載のディスプレイ装置。
9. 前記マイクロレンズアレイ部は、可視光に対して透明な材料からなる前記複数のマイクロレンズと、前記透明材料と同一の材料からなり、前記複数のマイクロレンズを支持する支持体とを備え、
   前記微細窓の開口径Ｗは、前記マイクロレンズと前記支持体との合計厚さｄ、前記透明材料の屈折率ｎ、および前記非平行光の最大強度の１／２となる前記角度θに対し、
   ｄ・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ）］≦Ｗ／２
   の関係を満足する、請求項８に記載のディスプレイ装置。
10. 前記マイクロレンズアレイ部は、可視光に対して透明な第１の材料からなる前記複数のマイクロレンズと、前記第１の材料とは異なる、可視光に対して透明な第２の材料からなり、前記複数のマイクロレンズを支持する支持体とを備え、
    前記微細窓の開口径Ｗは、前記マイクロレンズの厚さｄ１、前記支持体の厚さｄ２、前記第１の材料の屈折率ｎ１、前記第２の材料の屈折率ｎ２、および前記非平行光の最大強度の１／２となる前記角度θに対し、
    ｄ１・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ１）］＋ｄ２・ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ
    （ｓｉｎθ／ｎ２）］≦Ｗ／２
    の関係を満足する、請求項８に記載のディスプレイ装置。
11. 可視光に対して透明な平板と、前記透明平板の一方の面に形成された反射膜と、前記反射膜に形成された複数の微細窓とを備えるミラー部を用意する工程と、
    法線方向に光出射角分布が偏った非平行光を前記複数の微細窓に個々に集光する複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイ部を、前記ミラー部の前記反射膜の形成面側に配置する工程と、
    前記マイクロレンズアレイ部を介して前記非平行光を前記ミラー部に向けて放射する平面ディスプレイ部を、前記マイクロレンズアレイ部に沿って配置する工程と
    を具備するディスプレイ装置の製造方法。
12. 前記ミラー部を用意する工程は、
    支持体の第１の面に前記複数のマイクロレンズを形成する工程と、
    前記支持体の第２の面に前記反射膜を形成する工程と、
    前記反射膜上に感光層を形成する工程と、
    前記支持体の前記第２の面側から前記複数のマイクロレンズを介して前記感光層に光を照射し、前記感光層に前記複数の微細窓に対応するパターンを形成する工程と、
    前記パターンを前記反射膜に転写することにより、前記反射膜に前記複数の微細窓を形成する工程とを具備し、
    前記反射膜は、前記感光層の感光波長領域に対して透過性を有する、請求項１１に記載のディスプレイ装置の製造方法。
13. 前記感光層の前記感光波長領域は４５０ｎｍ以下であり、
    ５５０ｎｍの波長に対する前記反射膜の光反射率が７０％以上であり、かつ前記反射膜は波長が４５０ｎｍ以下の範囲に光透過率が０．１％以上の波長領域を有する、請求項１２に記載のディスプレイ装置の製造方法。
14. ５５０ｎｍの波長に対する前記支持体および前記マイクロレンズの光透過率が７０％以上であり、前記支持体および前記マイクロレンズは波長が４５０ｎｍ以下の範囲に光透過率が１０％以上の波長領域を有する、請求項１３に記載のディスプレイ装置の製造方法。
15. 前記反射膜は、アルミニウムおよび銀からなる群から選ばれる少なくとも１つを含む金属膜、また誘電体多層膜を具備する、請求項１３に記載のディスプレイ装置の製造方法。

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