JP2005266370A - Micro lens array and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶表示装置において用いられるマイクロレンズアレイ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a microlens array used in a liquid crystal display device and a manufacturing method thereof.
マイクロレンズアレイは、様々な分野において用いられているが、その用途の一つに液晶表示装置の部品がある。液晶表示装置においては、TFT素子等のスイッチング素子による遮光を回避し光利用効率を高めるために背面側ガラス基板にマイクロレンズアレイを配置している。 A microlens array is used in various fields, and one of its uses is a part of a liquid crystal display device. In a liquid crystal display device, a microlens array is arranged on a rear glass substrate in order to avoid light shielding by a switching element such as a TFT element and to improve light use efficiency.
マイクロレンズアレイは、例えば、特許文献1に記載された製造方法により製造される。特許文献1に記載された製造方法においては、まず、成形型となるガラス基板の表面にマスクを介して湿式エッチングを行ない球面状・円筒面上をなす多数の微小凹部を形成している。次にこのガラス基板の表面にマスクを介さずに再度湿式エッチングを行なうことにより多数の微小凹部を稠密状に配列せしめることにより成形型を形成している。そしてかかる成形型を用いてマイクロレンズアレイを構成している。
The microlens array is manufactured by, for example, a manufacturing method described in
しかしながら、特許文献1に記載された、従来のマイクロレンズアレイの製造方法には、種々の問題がある。まず、エッチングによる方式では、成膜装置、エッチング装置など製造装置の大型化及びコスト高になるという問題がある。また、仮に大面積のパターニングができてもエッチング領域が広いのでばらつきを抑えることは困難である。あえてエッチング方式で実現しようとすると、まず、エッチング方式で小型液晶パネルサイズの原版を作り、メッキなどで多数の複製原版を作製し、さらにそれらを大型の基板上に、縦横方向に精度良く配置すると共に、角度ずれなく配置する必要がある。さらには、これら大型基板上に配置された小型液晶パネルサイズの原版から大型ガラス基板に光硬化樹脂、熱硬化樹脂などを用いて所定のマイクロレンズアレイを転写する場合も、先の大型基板に配置された個々の小型液晶パネルサイズ原版間に段差、隙間等があると、光硬化樹脂、熱硬化樹脂の塗布が困難なばかりでなく、離型も極めて難しくなる。エッチング方式では、エッチングの影響により所定のアライメントマークを同時に形成することはできない。先にマイクロレンズアレイを形成したのち、アライメントマークを別途形成した場合、レンズを見ながらアライメントマークを形成するため、アライメントマークとレンズ間の精度が落ちることになる。
本件出願人は、エッチングによる方式の各課題を解決することを目的として、いわゆる2P法を用いたマイクロレンズアレイの製造方法を提案している(特願2004−5072)。この出願において提案した発明によれば、上述の各課題を解決することができるものの、さらに種々の問題点がある。まず、マイクロレンズアレイのレンズ部分が凸形状を有するため、隣接して設けられる偏光フィルムの収まりが悪くなる。また、レンズ部をガラス基板上に形成するためにガラス基板分厚さが増加せざるを得ない。このとき、マイクロレンズアレイを直接液晶ガラス基板に形成することも可能だが、液晶ガラス基板には、TFT素子やITOを形成する必要性があるため500℃以上の高温とならざるを得ず、樹脂製のマイクロレンズアレイが溶解してしまう。なお、TFT素子を低温ポリシリコンにより形成すれば、かかる問題点を回避することも可能であるが、使用できるTFT素子の種類を限定することになり、コスト面、性能面で問題が生じる。 The present applicant has proposed a method of manufacturing a microlens array using the so-called 2P method for the purpose of solving each problem of the etching method (Japanese Patent Application No. 2004-5072). According to the invention proposed in this application, although the above-described problems can be solved, there are various problems. First, since the lens portion of the microlens array has a convex shape, the accommodation of the polarizing film provided adjacently becomes worse. Moreover, in order to form a lens part on a glass substrate, a glass substrate part thickness must be increased. At this time, it is possible to form the microlens array directly on the liquid crystal glass substrate. However, since it is necessary to form a TFT element or ITO on the liquid crystal glass substrate, it must be at a high temperature of 500 ° C. or higher. The manufactured microlens array is dissolved. If the TFT element is formed of low-temperature polysilicon, such a problem can be avoided. However, the types of TFT elements that can be used are limited, resulting in problems in terms of cost and performance.
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、液晶表示装置において隣接する他の部材との適合性が高く、厚さを薄くすることが可能なマイクロレンズアレイ及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and has a high compatibility with other adjacent members in a liquid crystal display device, and a microlens array capable of reducing the thickness, and a manufacturing method thereof. The purpose is to provide.
本発明にかかる屈折率分布型マイクロレンズは、透明基板上に形成された屈折率分布型マイクロレンズであって、レンズ厚Z0が0.005P<Z0<0.23P(ただし、Pはレンズを通る光の蛇行周期)であることを特徴とするものである。 The gradient index microlens according to the present invention is a gradient index microlens formed on a transparent substrate, and has a lens thickness Z 0 of 0.005P <Z 0 <0.23P (where P passes through the lens). (Meandering period of light).
ここで、マイクロレンズの厚み方向の屈折率は略一定であることが好ましい。また、前記屈折率分布型マイクロレンズは光分解性材質からなることが望ましく、特に、光分解性材質はポリシランであることが望ましい。 Here, the refractive index in the thickness direction of the microlens is preferably substantially constant. The gradient index microlens is preferably made of a photodegradable material, and in particular, the photodegradable material is preferably polysilane.
本発明にかかる液晶表示パネル用マイクロレンズアレイは、屈折率分布型マイクロレンズをアレイ化し、液晶パネル基板のバックライト側、もしくは表示側に取り付けたことを特徴とする液晶パネル用屈折率分布型マイクロレンズアレイであって、レンズ厚Z0が0.005P<Z0<0.20P(ただし、Pはレンズを通る光の蛇行周期)であることを特徴とするものである。 A microlens array for a liquid crystal display panel according to the present invention comprises a refractive index distribution type microlens for a liquid crystal panel, characterized in that a refractive index distribution type microlens is arrayed and attached to a backlight side or a display side of a liquid crystal panel substrate. The lens array is characterized in that the lens thickness Z 0 is 0.005P <Z 0 <0.20P (where P is a meandering period of light passing through the lens).
ここで、前記屈折率分布型マイクロレンズのレンズ径が10μm以上、800μm以下であることが望ましい。また、マイクロレンズの厚み方向の屈折率は略一定であることが好ましい。また、前記屈折率分布型マイクロレンズは光分解性材質からなることが望ましく、特に、光分解性材質はポリシランであることが望ましい。 Here, it is desirable that a lens diameter of the gradient index microlens is 10 μm or more and 800 μm or less. The refractive index in the thickness direction of the microlens is preferably substantially constant. The gradient index microlens is preferably made of a photodegradable material, and in particular, the photodegradable material is preferably polysilane.
前記マイクロレンズアレイは、透明基板上に形成された屈折率分布型レンズであって、前記透明基板とレンズが接触する面と対向するレンズ面が光学基材または空気と接しているとよい。 The microlens array may be a gradient index lens formed on a transparent substrate, and a lens surface facing a surface where the transparent substrate and the lens are in contact may be in contact with an optical base material or air.
本発明にかかるマイクロレンズアレイの製造方法は、レンズ厚Z0が0.005P<Z0<0.20P(但し、Pはレンズを通る光の蛇行周期)である屈折率分布型レンズを基材上にあらかじめ形成し、液晶表示パネル用基板にそのレンズ面を接着した後に、前記基材を除去することを特徴とするものである。 The manufacturing method of the microlens array according to the present invention is based on a gradient index lens having a lens thickness Z 0 of 0.005P <Z 0 <0.20P (where P is a meandering period of light passing through the lens). The substrate is formed in advance, and the lens surface is adhered to the liquid crystal display panel substrate, and then the substrate is removed.
ここで、前記基材が10000N/mm2を有するフィルムであることが望ましい。また、前記基材がアラミドフィルムであってもよい。 Here, it is desirable that the substrate is a film having 10,000 N / mm 2 . The substrate may be an aramid film.
本発明にかかる他のマイクロレンズアレイの製造方法は、透明性基板に対して塩化銀を塗布するステップと、前記塩化銀が塗布された透明性基板に対してレーザ描画を実行することによりグレイスケールマスクを製造するステップと、基板に対して光分解性材質を塗布するステップと、光分解性材質が塗布された基板に対して、前記グレイスケールマスクを介して、当該光分解性材質に光分解反応を生じさせる光を照射するステップとを備えたものである。 Another method of manufacturing a microlens array according to the present invention includes a step of applying silver chloride to a transparent substrate, and performing laser drawing on the transparent substrate to which the silver chloride is applied. A step of manufacturing a mask, a step of applying a photodegradable material to the substrate, and a photodegradable material to the substrate coated with the photodegradable material via the gray scale mask. Irradiating with light that causes a reaction.
ここで、前記グレイスケールマスクは、450nm以下の階調線分解能であることが好ましい。 Here, the gray scale mask preferably has a gradation line resolution of 450 nm or less.
本発明にかかるマイクロレンズアレイの製造方法及びその製造方法によれば、液晶表示装置において隣接する他の部材との適合性が高く、厚さを薄くすることが可能なマイクロレンズアレイ及びその製造方法を提供することができる。 According to the method for manufacturing a microlens array and the method for manufacturing the same according to the present invention, the microlens array having high compatibility with other adjacent members in the liquid crystal display device and capable of reducing the thickness, and the method for manufacturing the microlens array Can be provided.
発明の実施の形態1.
本発明にかかるマイクロレンズアレイを説明するにあたり、まずは、マイクロレンズアレイが主として利用される液晶表示装置の構成について、マイクロレンズアレイの機能とともに簡単に説明しておく。
In describing the microlens array according to the present invention, first, the configuration of a liquid crystal display device in which the microlens array is mainly used will be briefly described together with the function of the microlens array.
図1に液晶表示装置の断面図を示す。この液晶表示装置では、2枚のガラス基板2、12の間に液晶7が挟持されている。ガラス基板2の前面側(観察者側)には偏光フィルム1が設けられている。ガラス基板2の液晶層7が設けられた側(背面側)にはブラックマトリクス3、カラーフィルタ層4、透明電極5、配向膜6が形成されている。ガラス基板2とガラス基板12の間には、スペーサ8が設けられている。ガラス基板12の前面側には、スイッチング素子であるTFT素子11、透明電極10、配向膜9が形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a liquid crystal display device. In this liquid crystal display device, a
図1に示す液晶表示装置においては、ガラス基板12の背面側にマイクロレンズアレイ13が形成されている。マイクロレンズアレイ13は、画素単位でマイクロレンズが設けられている。即ち、画素と同じ数だけ設けられている。例えば、携帯端末用の液晶表示装置の場合には、約20万個のマイクロレンズ131によって一組のマイクロレンズアレイ13を構成する。ここで、マイクロレンズアレイ13は、屈折率分布型のマイクロレンズアレイであり、好適には、光分解性材質(光分解性フォトポリマー)であるポリシランにより形成されている。この光分解性ポリマーは、紫外線等の特定波長を有する光を照射すると、含まれているポリマーが分解して重合度が低下する。かかる重合度の低下度合いが照射される光量に応じて変化させることができ、そして、重合度に応じて屈折率が変化するため、光量を変化させれば屈折率を変化させることが可能となる。
In the liquid crystal display device shown in FIG. 1, a
また、マイクロレンズアレイ13は、2P法により形成されたマイクロレンズアレイとは異なり、表面が平滑、即ちフラットな平面レンズアレイである。従って、隣接して設けられた偏光フィルム14との適合性が高く、両者を正確に位置決めすることができる。
Unlike the microlens array formed by the 2P method, the
図2に示されるようにマイクロレンズ131は、正六角形からなる領域により形成され、個々のレンズにおいて屈折率分布が調整され、光学レンズを構成している。マイクロレンズアレイ13は、背面側からの光がTFT素子11に当たることがないように屈折させる。これにより、光の利用効率が高められ、高輝度表示が可能となる。
As shown in FIG. 2, the
図3にマイクロレンズ131の断面図及び屈折率の変化分布を示す。図に示されるように、当該マイクロレンズ131は中央部において最も屈折率nが高くなるように調整され、外周に近づくにつれて屈折率nが低くなっている。
FIG. 3 shows a sectional view of the
レンズ厚Z0が0.005P<Z0<0.23P、好ましくは、0.005P<Z0<0.20Pとすることで、バックライト側からの光を液晶パネル基板側へ良好なバックフォーカス(ほぼ液晶基板厚さ程度)で集光させるようにできる。すなわち、レンズ中心から外周へ向かって屈折率を小さくしていくことにより、屈折率分布型レンズを形成し、さらにレンズ厚Z0を上記のような範囲に設定することで、適切なバックフォーカス面での集光、すなわち、液晶パネル基板の厚さと同程度のバックフォーカスで液晶パネル基板側へ光を集光させることができる。 When the lens thickness Z 0 is 0.005P <Z 0 <0.23P, and preferably 0.005P <Z 0 <0.20P, the light from the backlight side is favorably focused on the liquid crystal panel substrate side (almost liquid crystal substrate It is possible to collect light with a thickness of about). In other words, a refractive index distribution type lens is formed by decreasing the refractive index from the lens center toward the outer periphery, and an appropriate back focus surface is set by setting the lens thickness Z 0 in the above range. In other words, the light can be condensed on the liquid crystal panel substrate side with a back focus comparable to the thickness of the liquid crystal panel substrate.
Z0が0.23P以上0.25P以下の範囲になると、バックライトからの光はレンズを通過後、急激に集光し、非常に短いバックフォーカスとなり、液晶パネルへのレンズの効果を得るには、液晶パネル基板の厚さを薄くしなければならず、強度の点で問題が生じる。例えば、Z0=0.23P、レンズ厚Z0=210μm、レンズ径100μmで、バックフォーカス=26μm、ガラス基板厚さ=40μmとなる。また、同じZ0=0.23Pでも、ガラス基板厚さ=380μmを得ようとすると、レンズ厚さZ0は4.8mmとなり、非常にレンズ厚さが厚くなってしまう。
When Z 0 is in the range of 0.23P or more and 0.25P or less, the light from the backlight condenses rapidly after passing through the lens and becomes a very short back focus, and in order to obtain the effect of the lens on the liquid crystal panel, The thickness of the liquid crystal panel substrate must be reduced, which causes a problem in strength. For example, Z 0 = 0.23P, lens thickness Z0 = 210 μm,
また、0.25P以上でも適切なバックフォーカス面で焦点を得ることはできるようになるが、レンズ厚が厚くなり、実効的に液晶パネル基板の厚みが厚くなってしまう。また、本屈折率分布型レンズは基板に光分解性材質を塗布して作製されるものであるが、この場合、500μm以上の塗布厚が必要となり、厚みムラなどを生じる要因となったり、果てはレンズ自体の形成が難しくなってくる。 Further, although it becomes possible to obtain a focal point with an appropriate back focus surface even at 0.25P or more, the lens thickness is increased, and the thickness of the liquid crystal panel substrate is effectively increased. In addition, this gradient index lens is manufactured by applying a photodegradable material to the substrate.In this case, a coating thickness of 500 μm or more is required, which may cause uneven thickness, etc. It becomes difficult to form the lens itself.
図9にレンズ厚みZ0=0.06Pの場合の光線追跡図を、図10にレンズ厚みZ0=0.60Pの場合の光線追跡図を示した。この図から明らかなように、Z0=0.06Pの場合はレンズ厚みが薄くて良好なバックフォーカスが得られる。一方、Z0=0.60Pの場合、バックフォーカスは同等の距離が得られるものの、集光特性は悪化し、また、レンズ厚さ自体も10倍となる。なお、この場合の計算は、屈折率分布が理想分布曲線より敢えて外して計算している。 FIG. 9 shows a ray tracing diagram when the lens thickness Z 0 = 0.06P, and FIG. 10 shows a ray tracing diagram when the lens thickness Z 0 = 0.60P. As is clear from this figure, when Z 0 = 0.06P, the lens thickness is thin and good back focus can be obtained. On the other hand, in the case of Z 0 = 0.60P, the back focus can obtain the same distance, but the condensing characteristic is deteriorated, and the lens thickness itself becomes 10 times. In this case, the refractive index distribution is deliberately excluded from the ideal distribution curve.
また、0.005P以下ではバックフォーカスが長くなってしまい(例えば、レンズ径50μm、屈折率差0.2でZ0=0.004Pで、バックフォーカス=2000μm以上、集光スポットサイズ=50μm程度)、良好な集光スポットを得ることができなくなる(例えば、レンズ径50μm、屈折率差0.2でZ0=0.004Pで、バックフォーカス=2000μm以上、集光スポットサイズ=50μm程度)。 Also, at 0.005P or less, the back focus becomes long (for example, the lens diameter is 50 μm, the refractive index difference is 0.2, Z 0 = 0.004P, the back focus is 2000 μm or more, and the focused spot size is about 50 μm). It becomes impossible to obtain a light spot (for example, when the lens diameter is 50 μm, the refractive index difference is 0.2, Z 0 = 0.004P, the back focus is 2000 μm or more, and the converging spot size is about 50 μm).
液晶パネル用マイクロレンズアレイとしては、レンズ径は10μm以上、800μm以下が望ましい。 For a microlens array for a liquid crystal panel, the lens diameter is desirably 10 μm or more and 800 μm or less.
図12に最大屈折率nmax=n0=1.70の場合の、各レンズ直径10μm〜2000μmについて、屈折率差を0.01〜0.2の範囲で変化させ、レンズ厚さZ(P)を変化させたときのバックフォーカスの計算結果を示した。ただし、レンズ厚さZ(P)はレンズを通る光の蛇行周期PのN(0.001〜0.25)倍で表記している。
In FIG. 12, when the maximum refractive index n max = n 0 = 1.70, for each
レンズ径10μm〜2000μm、屈折率差0.01〜0.2において、レンズ厚さZ(P)が、0.005P以上0.23P以下の領域で、バックフォーカスが0.1mm〜2mmとなる領域が存在することがわかる(表中網掛けで表示)。 It can be seen that when the lens diameter is 10 μm to 2000 μm and the refractive index difference is 0.01 to 0.2, there is a region where the lens thickness Z (P) is 0.005P or more and 0.23P or less, and the back focus is 0.1 mm to 2 mm. Displayed with shading in the table).
バックフォーカスが上記の範囲より短くなれば、液晶パネル基板の厚みも薄くする必要があり、強度上の問題が生じる。また、上記の範囲より長くなれば、液晶パネル基板の厚みも厚くする必要があり、液晶パネル本体の厚みが厚くなり、また重量が増えるなどの問題が生じる。 If the back focus is shorter than the above range, it is necessary to reduce the thickness of the liquid crystal panel substrate, which causes a problem in strength. Moreover, if it becomes longer than the above range, it is necessary to increase the thickness of the liquid crystal panel substrate, resulting in problems such as an increase in the thickness of the liquid crystal panel body and an increase in weight.
図11には、最大屈折率nmax=n0=1.70の場合の、各レンズ直径10μm〜2000μmについて、屈折率差を0.01〜0.2の範囲で変化させ、レンズ厚さZ(P)を変化させたときの、実レンズ厚さZ0を示した。ただし、レンズ厚さZ(P)はレンズを通る光の蛇行周期PのN(0.001〜0.25)倍で表記している。
In FIG. 11, when the maximum refractive index n max = n 0 = 1.70, for each
レンズ径10μm〜2000μm、屈折率差0.01〜0.2において、レンズ厚さZ(P)が、0.005P以上0.25P以下の領域で、実レンズ厚さZ0が0.5μm〜500μmとなる領域が存在することがわかる(表中網掛けで表示)。実レンズ厚さZ0が0.5μm以下では、光分解性材質の基板への塗布が困難になる。また、500μm以上でもやはり塗布ムラ等が生じやすく、塗布は極めて困難になる。 When the lens diameter is 10 μm to 2000 μm and the refractive index difference is 0.01 to 0.2, there is a region where the lens thickness Z (P) is 0.005 P or more and 0.25 P or less and the actual lens thickness Z 0 is 0.5 μm to 500 μm. You can see (shaded in the table). When the actual lens thickness Z 0 is 0.5 μm or less, it becomes difficult to apply the photodegradable material to the substrate. Further, even when the thickness is 500 μm or more, coating unevenness easily occurs, and coating becomes extremely difficult.
図13には、最大屈折率nmax=n0=1.70の場合の、光分解性材質の基板への塗布を良好に行うことができ(0.5μm〜500μm)、かつ、液晶パネル基板の厚みに適したバックフォーカス0.1mm〜2mmを得ることができるレンズ厚さZ0の範囲を示した(表中□枠で明示)。この結果、両方を満足できるZ0の値は、0.005P<Z0<0.18Pとなり、このとき、レンズ径10μm〜800μmが良好な集光特性を示した。 FIG. 13 shows that when the maximum refractive index n max = n 0 = 1.70, the photodegradable material can be satisfactorily applied to the substrate (0.5 μm to 500 μm) and the thickness of the liquid crystal panel substrate The range of the lens thickness Z 0 that can obtain a suitable back focus of 0.1 mm to 2 mm is shown (indicated by a square in the table). As a result, the value of Z 0 that satisfies both was 0.005P <Z 0 <0.18P. At this time, a lens diameter of 10 μm to 800 μm showed good light-collecting characteristics.
また、同様にして、最大屈折率nmax=n0=1.50の場合の、各値を図14、図15を示した。実レンズ厚さZ0は図12と同様である。 Similarly, FIG. 14 and FIG. 15 show the values when the maximum refractive index n max = n 0 = 1.50. The actual lens thickness Z 0 is the same as in FIG.
この場合も同様に、0.005P以上0.23P以下の領域で、バックフォーカスが0.1mm〜2mmとなる領域が存在することがわかる(表中網掛けで表示)。 Similarly, in this case, it can be seen that there is a region where the back focus is 0.1 mm to 2 mm in the region of 0.005P or more and 0.23P or less (displayed by shading in the table).
さらに、最適なバックフォーカス値と最適なレンズ厚の両方を満足できるZ0の値は、0.005P<Z0<0.20Pとなることがわかる。なお、ここでのレンズ径とは、形成されたレンズの面内での最大長さ、たとえば、四角レンズであれば、対角線長さをいう。 Further, it can be seen that the value of Z 0 that satisfies both the optimum back focus value and the optimum lens thickness is 0.005P <Z 0 <0.20P. Here, the lens diameter means the maximum length in the surface of the formed lens, for example, the diagonal length in the case of a square lens.
以上述べたように、レンズ径を10μm以上、800μm以下の範囲で、レンズ厚Z0を0.005P<Z0<0.23P、好ましくは、0.005P<Z0<0.20Pの範囲になるようにレンズ厚さを設定することで、光は発散することなく、焦点を結び、また、レンズ厚を薄くすることが可能となるため、液晶パネル本体の厚みが厚くなることを防ぐことができ、さらには、光分解性材質の塗布厚みを薄くすることができため、安定した生産ができる。本屈折率分布型マイクロレンズアレイを用いれば、良好なバックフォーカス、すなわち最適なガラス基板厚みが使用でき、輝度特性に優れた液晶パネルを提供することができる。 As described above, the lens diameter is in the range of 10 μm or more and 800 μm or less, and the lens thickness Z 0 is in the range of 0.005P <Z 0 <0.23P, preferably 0.005P <Z 0 <0.20P. By setting the thickness, the light can be focused without diverging, and the lens thickness can be reduced, so that the thickness of the liquid crystal panel body can be prevented from increasing, Since the coating thickness of the photodegradable material can be reduced, stable production can be achieved. If this gradient index microlens array is used, a good back focus, that is, an optimum glass substrate thickness can be used, and a liquid crystal panel excellent in luminance characteristics can be provided.
なお、ここで用いた屈折率差は0.01以上0.2以下であるが、UV照射強度、ベーク条件を種々検討してこの範囲の屈折率差を得た。 The refractive index difference used here is 0.01 or more and 0.2 or less, and the refractive index difference in this range was obtained by variously examining the UV irradiation intensity and baking conditions.
また、n0=1.4〜1.8の範囲ではZ0に対するバックフォーカス値は今まで述べたように良好な範囲が存在することを確認した。 Further, it was confirmed that the back focus value with respect to Z 0 has a good range as described above in the range of n 0 = 1.4 to 1.8.
本屈折率分布型レンズは、レンズ面内方向には屈折率が変化するものの、レンズ厚み方向には屈折率が略一定であるという特徴をもつ。従来、イオン交換法で知られている平面型屈折率分布レンズは、レンズ厚み方向に屈折率が変化するものである。これは、ガラス基板などにあらかじめパターニングしておいて、パターニングの開口部からイオン交換によって屈折率差を生じさせるためである。しかしながら、このような方法では、イオン交換が開口部から拡散によって行われるため、ほぼ等方的な形状しか得られない。したがって、たとえば、液晶素子に対応したような縦:横=3:1の長方形型のレンズ形状を得ることは難しい。 The present gradient index lens has a characteristic that the refractive index is substantially constant in the lens thickness direction, although the refractive index varies in the lens in-plane direction. Conventionally, a planar refractive index distribution lens known by an ion exchange method has a refractive index that changes in the lens thickness direction. This is because a refractive index difference is generated by ion exchange from a patterning opening in advance by patterning on a glass substrate or the like. However, in such a method, since ion exchange is performed by diffusion from the opening, only a substantially isotropic shape can be obtained. Therefore, for example, it is difficult to obtain a rectangular lens shape of length: width = 3: 1 corresponding to the liquid crystal element.
しかしながら、本方法によれば、レンズ厚方向の屈折率は略一定とし、面内方向のみ屈折率を変化させてレンズを形成するので、上記のような縦:横=3:1の長方形型のレンズも容易に作製できる。また、本屈折率分布型レンズアレイは、あらかじめ別基板に所定のバックフォーカスを得るように膜厚を設定して塗布し、グレイスケールマスクを用いて前記バックフォーカスとなるレンズ径を一括で形成できる。また、その時の屈折率分布は、たとえば、次式で表されるような屈折率分布を持たせるようにグレイスケールマスクの階調を設定できる。
n(a)=n0{1-(A2a2/2)}
ここで、aはマイクロレンズ131の任意の位置と中心間の距離、Aは屈折率分布定数、n0は、中央点における屈折率、即ち屈折率の最大値である。
However, according to this method, the refractive index in the lens thickness direction is made substantially constant, and the lens is formed by changing the refractive index only in the in-plane direction. A lens can also be easily manufactured. In addition, the present gradient index lens array can be applied to a different substrate with a film thickness set in advance so as to obtain a predetermined back focus, and the lens diameter for the back focus can be collectively formed using a gray scale mask. . Further, the gray scale mask gradation can be set so that the refractive index distribution at that time has a refractive index distribution represented by the following equation, for example.
n (a) = n0 {1- (A 2 a 2/2)}
Here, a is the distance between any location and the center of the
グレイスケールマスクの階調はレーザ直描装置を用いて、透明性基板に塗布した塩化銀にレーザの照射強度を例えば16〜128階調の強度変調を与えることで生成できる。 The gray scale mask gradation can be generated by applying intensity modulation of, for example, 16 to 128 gradations to the silver chloride coated on the transparent substrate using a laser direct drawing device.
このとき、グレイスケールマスクは450ナノメートル以下の階調線幅分解能であることが望ましい。グレイスケールマスクを用いたレンズの形成は、一般的に知られているように、例えば、通常のポジ型レジストやネガ型レジストを基板に塗布し、グレイスケールマスクを介して露光し、その後、アルカリ液で現像する方法で形成可能だが、この場合、グレイスケールマスクの分解能はさほど気にしなくてよい。なぜなら、レジストの現像処理において、レジストはアルカリ液によりスムージングされるため、滑らかな形状が出現する。 At this time, it is desirable that the gray scale mask has a gradation line width resolution of 450 nanometers or less. For forming a lens using a gray scale mask, as is generally known, for example, a normal positive resist or a negative resist is applied to a substrate, exposed through a gray scale mask, and then an alkali is formed. Although it can be formed by a method of developing with a liquid, in this case, the resolution of the gray scale mask does not need to be much concerned. This is because, in the resist development process, the resist is smoothed by the alkaline solution, so that a smooth shape appears.
一方、光分解性材質を用いた場合、露光およびその後の熱処理(例えば200℃30分)でグレイスケールマスクの濃淡に応じた屈折率差を生じることになる。すなわち、アルカリ液による現像処理は行われないため、レンズはグレイスケールマスクの濃淡を忠実に再現することになる。この場合、グレイスケールマスク形成のための塩化銀基板のレーザ描画において、線幅階調分解能が450ナノメートル以上であれば、不連続点が生じるため、液晶パネルのバックライト光源の短波長側で回折を起こし、好ましくない。以上の理由で、グレイスケールマスク作製のための、塩化銀基板のレーザ直描は450ナノメートル以下の線幅階調分解能を持つことが好ましい。 On the other hand, when a photodegradable material is used, a refractive index difference corresponding to the density of the gray scale mask is generated by exposure and subsequent heat treatment (for example, 200 ° C. for 30 minutes). In other words, since the development process with the alkaline solution is not performed, the lens faithfully reproduces the gray scale light and shade of the gray scale mask. In this case, in the laser drawing of the silver chloride substrate for forming the gray scale mask, if the line width gradation resolution is 450 nanometers or more, a discontinuous point is generated, and therefore, on the short wavelength side of the backlight light source of the liquid crystal panel. It causes diffraction and is not preferable. For the above reasons, it is preferable that the laser direct drawing of a silver chloride substrate for producing a gray scale mask has a line width gradation resolution of 450 nanometers or less.
もちろん、この線幅分解能を持たせる方法としては、電子線描画でも可能であるが、この場合、メートルサイズの塩化銀基板の描画は困難であり、大面積で一括露光するというメリットが失われる。 Of course, as a method of providing this line width resolution, electron beam drawing is also possible, but in this case, drawing of a metric silver chloride substrate is difficult, and the advantage of performing batch exposure over a large area is lost.
以上の方法で得られた別基板上の屈折率分布型マイクロレンズアレイは、液晶パネル基板へレンズ面を貼りあわせた後、基板を剥がすなどして、除去することができる。 The gradient index microlens array on another substrate obtained by the above method can be removed by attaching the lens surface to the liquid crystal panel substrate and then peeling the substrate.
基板は、ガラス基板、透明フィルム基板など、透明性を有するものが好都合である。なぜなら、液晶パネル基板にあらかじめアライメント用のマークを形成しておき、また屈折率分布型マイクロレンズアレイ側にもマイクロレンズアレイ形成時に同時にアライメントマークし、液晶パネル側アライメントマークと位置合わせして貼り付けると、液晶の画素と合わせて屈折率分布型マイクロレンズアレイを貼りあわせることができる。もともと屈折率分布型マイクロレンズアレイは表面が平坦なので、2P法を用いたマイクロレンズアレイのように、あとから屈折率の異なる樹脂をレンズの凹部またはレンズ間の凹部に充填して平坦化する必要はなく、極めて好都合である。 A substrate having transparency, such as a glass substrate or a transparent film substrate, is convenient. This is because an alignment mark is formed on the liquid crystal panel substrate in advance, and the alignment mark is also formed on the refractive index distribution type microlens array side at the same time when the microlens array is formed, and is aligned and pasted with the alignment mark on the liquid crystal panel side. In addition, a gradient index microlens array can be attached together with the liquid crystal pixels. Originally, the refractive index distribution type micro lens array has a flat surface, so it is necessary to fill the concave portions of the lens or the concave portions between the lenses with a different refractive index as in the case of the micro lens array using the 2P method. Is very convenient.
透明フィルム基板は完全な無色透明である必要はなく、アライメントマークが認識できればよい。むしろ、貼りあわせの時、テンションをかけながら行われるので、伸びによるレンズピッチずれを防止するため、弾性率の高いフィルムがよい。少なくとも弾性率10,000N/mm2のフィルムが望ましい。 The transparent film substrate does not need to be completely colorless and transparent as long as the alignment mark can be recognized. Rather, since a tension is applied at the time of bonding, a film having a high elastic modulus is preferable in order to prevent a lens pitch shift due to elongation. A film having a modulus of elasticity of at least 10,000 N / mm 2 is desirable.
また、屈折率分布型マイクロレンズアレイは露光後、150℃以上の熱処理を行うが、フィルムの熱収縮が伴うとレンズピッチのずれが生じるので好ましくない。 In addition, the gradient index microlens array is subjected to heat treatment at 150 ° C. or higher after exposure. However, when the film is thermally contracted, it is not preferable because the lens pitch shifts.
以上の理由で、透明フィルム基板には、高弾性率(15000N/mm2)で、200℃以下で熱収縮が0.1%以下であるアラミドフィルムが好ましい。 For the reasons described above, an aramid film having a high elastic modulus (15000 N / mm 2 ), a heat shrinkage of 200 ° C. or less and 0.1% or less is preferable for the transparent film substrate.
別基板に形成された屈折率分布マイクロレンズアレイが液晶パネル基板と貼りあわせ後、前記別基板を容易に剥がすために、別基板にはあらかじめ離型剤を塗布またはスパッタ・蒸着・CVDなどで形成しておいてもよい。離型剤は表面エネルギーを小さくするフッ素系の素材(パーフロロカーボンなどのフッ素系潤滑剤やテフロン(登録商標)など)や、ニトロセルロースなどでもよい。 After the refractive index distribution microlens array formed on a separate substrate is bonded to the liquid crystal panel substrate, a separate release agent is applied to the separate substrate in advance or by sputtering, vapor deposition, CVD, etc. to easily peel off the separate substrate. You may keep it. The release agent may be a fluorine-based material (fluorine-based lubricant such as perfluorocarbon or Teflon (registered trademark)) that reduces surface energy, nitrocellulose, or the like.
以上のように、液晶パネル基板に別基板を介することなく、直接マイクロレンズアレイを形成できるので、液晶パネルを厚くすることなく、マイクロレンズアレイを位置決めしながら液晶パネル基板に形成できる。 As described above, since the microlens array can be directly formed on the liquid crystal panel substrate without using another substrate, the microlens array can be formed on the liquid crystal panel substrate while positioning the microlens array without increasing the thickness of the liquid crystal panel.
続いて、図4を用いて、本発明の実施の形態にかかるマイクロレンズアレイの製造方法の一例について説明する。図4では工程毎に一部断面図が示されている。 Next, an example of a method for manufacturing a microlens array according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view for each process.
先ず、図4(a)に示すように、透明性を有する板状部材であるガラス基板101(乾板)上に、スピンコート法、スライダーコート法、ローラーコート法等により塩化銀102を塗布する。次に、図4(b)に示すように、レーザ光を塩化銀102に照射する。このとき、レーザ装置から照射されるレーザ光の強度に応じて塩化銀102の反応が異なることを利用して、マイクロレンズアレイ13の形状に対応した濃度分布が形成されるように順次レーザ光の強度を調節しながら塩化銀102上を走査(スキャン)する。利用可能なレーザとしては、例えば、線幅分解能が0.5μmのKrFレーザ、YAGレーザやHeCdレーザなどがある。YAGレーザの場合、例えば、266nmの波長を有する。これらのレーザは、金属蒸気レーザ、固体レーザであり、連続発振制御が行われる。レーザビームの直径は、約1.5μmであり、対物レンズにより0.5μmに絞り込む。レーザ加工を行なう場合、ガラス基板101を固定したXYテーブルを移動させることによってレーザ光を走査してもよい。この場合、XYテーブルは、例えば干渉制御によって位置決めを行なう。レーザ光の強度は、例えば32諧調や128諧調で調整することができる。レーザ光の強度の調整は、音響光学モジュレータによって行なっても良く、また、レーザ自体のパワー制御によって行なっても良い。このようにして、グレイスケールマスクが形成される。
First, as shown in FIG. 4A,
一方で、図4(c)の下段に示すように、透明性を有する板状部材であるガラス基板103上に、スピンコート法、スライダーコート法、ローラーコート法等により光分解性ポリマー104を塗布する。光分解性ポリマー102は、例えば、ポリシランである。より好ましくは、ネットワーク状ポリシランである。
On the other hand, as shown in the lower part of FIG. 4C, a
図4(c)の上段に示すように、グレイスケールマスクを塩化銀102部分が下に位置するようにして、ガラス基板103の上方に配置する。このような状態で紫外線(UV)露光する。グレイマスクの塩化銀102の濃淡に応じて紫外線の光量が変化して、光分解性ポリマー104に照射される。光分解性ポリマー104は、照射される紫外線に反応して屈折率が変化し、複数のマイクロレンズ131を有するマイクロレンズアレイ13が形成される(図4(d)参照)。
As shown in the upper part of FIG. 4C, the gray scale mask is disposed above the
次に、ガラス基板12に、透明電極やカラーフィルタ層等の液晶表示用素子を形成する。その後、ガラス基板12にガラス基板103と固定された状態のマイクロレンズアレイ13を接着する(図5(a))。そして、シール工程、液晶封止工程の後、ガラス基板120等を切断する。切断後に、ガラス基板103を分離する(図5(b)参照)。
Next, liquid crystal display elements such as transparent electrodes and color filter layers are formed on the
以上説明した通り、本発明の実施の形態にかかるマイクロレンズアレイの製造方法によれば、グレイスケールを形成するにあたってレーザ装置を用いているため、高精度に形成することができる。また、本発明の実施の形態では、ガラス基板103を最終的に分離し、除去しているため、薄型化が図れる。また、マイクロレンズアレイ13は、平面レンズシートであるため、偏光フィルム14の収まりが良い。
As described above, according to the method for manufacturing a microlens array according to the embodiment of the present invention, since the laser device is used for forming the gray scale, it can be formed with high accuracy. In the embodiment of the present invention, since the
その他の実施の形態.
図6にマイクロレンズアレイを有する液晶表示装置の別の構成例を示す。図6に示す液晶表示装置では、マイクロレンズアレイ13は、前面側のガラス基板2の前面に設けられている。このように前面側のガラス基板2の前面にマイクロレンズアレイ13を設けることによって、視野角を広げることが可能となる。
Other embodiments.
FIG. 6 shows another configuration example of a liquid crystal display device having a microlens array. In the liquid crystal display device shown in FIG. 6, the
大画面のテレビ等の液晶表示装置に用いられるようなストライプ状のカラーパターンを用いた液晶に、本発明にかかるマイクロレンズアレイを使用することができる。図7にストライプ状のカラーパターンに対応したレンズ形状を有するマイクロレンズアレイを示す。各マイクロレンズ131はカラーパターンに対応して長方形状のレンズであり、その断面は縦、横とも球面形状となっている。この実施の形態では、アスペクト比がほぼ1:3のものを用いるが、異なるアスペクト比のものにも適用可能である。ストライプ状のカラーパターンの形態においても、エッチングによる方法では実現不可能であった底面が長方形状のレンズも形成可能であり、それによって稠密構造であるとともに、光利用効率の極めて高い構造のマイクロレンズアレイを製造することが可能である。
The microlens array according to the present invention can be used for a liquid crystal using a striped color pattern as used in a liquid crystal display device such as a large screen television. FIG. 7 shows a microlens array having a lens shape corresponding to a striped color pattern. Each
なお、上述の例では、マイクロレンズアレイを液晶表示パネル用として説明したが、これに限らず、光通信用としても使用することができる。 In the above example, the microlens array has been described for a liquid crystal display panel. However, the present invention is not limited to this, and the microlens array can also be used for optical communication.
バックフォーカスを2000μmとした場合に、50μmから600μmまでの20通りのレンズ直径を有する屈折率分布型マイクロレンズアレイのレンズ厚さと屈折率差の関係を計算機シミュレーションにより求めた。ここで、バックフォーカスは、マイクロレンズの出射面から焦点までの距離であり、この例では、当該出射面から焦点までの間にガラス媒体があることを前提として計算している。図8にシミュレーション結果を示す。いずれの点においてもバックフォーカスを2000μmとすることができる。 When the back focus was 2000 μm, the relationship between the lens thickness and the refractive index difference of the gradient index microlens array having 20 lens diameters from 50 μm to 600 μm was obtained by computer simulation. Here, the back focus is a distance from the exit surface of the microlens to the focal point. In this example, the back focus is calculated on the assumption that there is a glass medium between the exit surface and the focal point. FIG. 8 shows the simulation result. The back focus can be set to 2000 μm at any point.
光分解性材料であるポリシランには、日本ペイント製「グラシア」(登録商標)を用い、ポリシランを溶解させた有機溶剤を、石英基板上にスピンコータを用い、有機溶剤乾燥後のポリシラン層の厚さが50μmになるように塗布し、その後オーブンで乾燥させ有機溶剤を蒸発させ、厚さ50μmのポリシランの層を形成する。 Polysilane, a photodegradable material, uses “Gracia” (registered trademark) made by Nippon Paint, an organic solvent in which polysilane is dissolved, a spin coater on a quartz substrate, and the thickness of the polysilane layer after drying the organic solvent. Is then dried in an oven to evaporate the organic solvent to form a polysilane layer having a thickness of 50 μm.
ポリシラン層の上に、マイクロレンズアレイ用のグレイスケールフォトマスクを塩化銀部分が下になるように密着させて配置し、紫外線露光を行う。 A gray scale photomask for a microlens array is placed on the polysilane layer so that the silver chloride portion is facing down, and ultraviolet exposure is performed.
マイクロレンズアレイ用のグレイスケールフォトマスクは、一辺が50μmの正6角形マイクロレンズが稠密に配置されているマイクロレンズアレイを形成するためのフォトマスクである。 A gray scale photomask for a microlens array is a photomask for forming a microlens array in which regular hexagonal microlenses each having a side of 50 μm are densely arranged.
マイクロレンズアレイ用のグレイスケールフォトマスクの濃淡は、予め実験調査を行い得た露光量と屈折率変化の関係を基に、レンズ中心位置の屈折率が最大で1.65、そこから距離をなす位置、すなわち正6角形の頂点であり、その距離は100μmで、その位置の屈折率が最も低く1.57になり、中心から離れると共に2次曲線上に乗り低くなるような露光量を達成するように塩化銀の濃淡を作成している。 The gray scale photomask density for microlens array is based on the relationship between the amount of exposure and the refractive index change obtained by conducting an experimental investigation in advance. That is, it is the apex of a regular hexagon, its distance is 100 μm, the refractive index at that position is the lowest 1.57, and silver chloride is achieved so as to achieve an exposure amount that goes away from the center and goes down on a quadratic curve. Creating shades of.
紫外線露光後、さらに加熱することにより、厚さが50μm、最大屈折率1.65、屈折率差0.08の、一辺が50μmの正6角形稠密マイクロレンズアレイを形成した。 After the exposure to ultraviolet rays, heating was further performed to form a regular hexagonal dense microlens array having a thickness of 50 μm, a maximum refractive index of 1.65, a refractive index difference of 0.08, and a side of 50 μm.
上記の条件の場合、蛇行周期Pは908μmであり、厚さZ=50μmは0.06Pに相当する。 In the case of the above conditions, the meandering period P is 908 μm, and the thickness Z = 50 μm corresponds to 0.06P.
上記の条件の場合、空気中のバックフォーカスを、微分方程式を解くことにより計算した結果は302μmであった。この場合、液晶に利用されるガラスが屈折率1.52のホウケイ酸ガラスの場合、ガラス厚さが450μmの場合に最も効率良く光を利用できた。 In the case of the above conditions, the result of calculating the back focus in the air by solving the differential equation was 302 μm. In this case, when the glass used for the liquid crystal was borosilicate glass having a refractive index of 1.52, light was most efficiently used when the glass thickness was 450 μm.
同様に厚さ18μmのポリシラン層を形成し、マイクロレンズを作成する。蛇行周期Pは908μmであり、厚さZ=18μmは0.016Pに相当する。上記の条件の場合、空気中のバックフォーカスを、微分方程式を解くことにより計算した結果は864μmであった。この場合、液晶に利用されるガラスが屈折率1.52のホウケイ酸ガラスの場合、ガラス厚さ1300μmの場合に最も効率良く光を利用でき、その集光スポットサイズは13μmであった。 Similarly, a polysilane layer having a thickness of 18 μm is formed to produce a microlens. The meandering period P is 908 μm, and the thickness Z = 18 μm corresponds to 0.016P. In the case of the above conditions, the back focus in the air was calculated by solving the differential equation, and the result was 864 μm. In this case, when the glass used for the liquid crystal is borosilicate glass having a refractive index of 1.52, light was most efficiently used when the glass thickness was 1300 μm, and the condensing spot size was 13 μm.
比較例1.
同様に厚さ4μmのポリシラン層を形成し、マイクロレンズを作成する。蛇行周期Pは908μmであり、厚さZ=4μmは0.004Pに相当する。上記の条件の場合、空気中のバックフォーカスを、微分方程式を解くことにより計算した結果は3905μmであった。この場合、液晶に利用されるガラスが屈折率1.52のホウケイ酸ガラスの場合、光を効率良く利用するためには、ガラス厚さ5900μmが必要であり、その集光スポットサイズは55μmであった。
Comparative Example 1
Similarly, a 4 μm-thick polysilane layer is formed to produce a microlens. The meandering period P is 908 μm, and the thickness Z = 4 μm corresponds to 0.004P. In the case of the above conditions, the back focus in air was calculated by solving a differential equation, and the result was 3905 μm. In this case, when the glass used for the liquid crystal is a borosilicate glass having a refractive index of 1.52, a glass thickness of 5900 μm is necessary to efficiently use light, and the condensing spot size is 55 μm.
比較例2.
同様に厚さ210μmのポリシラン層を形成し、マイクロレンズを作製する。蛇行周期Pは908μmであり、厚さZ=210μmは0.23Pに相当する。
Comparative Example 2
Similarly, a 210 μm-thick polysilane layer is formed to produce a microlens. The meandering period P is 908 μm, and the thickness Z = 210 μm corresponds to 0.23P.
上記の条件の場合、空気中のバックフォーカスを、微分方程式を解くことにより計算した結果は26μmであった。この場合、液晶に利用されるガラスが屈折率1.52のホウケイ酸ガラスの場合、光を効率良く利用するためには、ガラス厚さ40μmが必要であった。 In the case of the above conditions, the result of calculating the back focus in the air by solving the differential equation was 26 μm. In this case, when the glass used for the liquid crystal is a borosilicate glass having a refractive index of 1.52, a glass thickness of 40 μm is necessary to efficiently use light.
1 偏光フィルム
2 ガラス基板
3 ブラックマトリクス
4 カラーフィルタ層
5 透明電極
6 配向膜
7 液晶
8 スペーサ
9 配向膜
10 透明電極
11 スイッチング素子
12 ガラス基板
13 マイクロレンズアレイ
131 マイクロレンズ
14 偏光フィルム
DESCRIPTION OF
Claims (15)
14. The method of manufacturing a microlens array according to claim 13, wherein the gray scale mask has a gradation line resolution of 450 nm or less.
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