JPH0450802A - 平板レンズアレイ及びそれを用いた液晶パネル素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液晶テレビ、液晶ビデオプロジェクタ等に用い
られる液晶パネル及びこのパネルのセル基板として好適
な光学素子に関するものであり、特に、照明光を液晶パ
ネルに照射し、これを投影レンズを用いてスクリーンに
拡大投影する液晶プロジェクタに有用な液晶パネルに関
する。

［従来の技術］ 液晶パネルは一般に画素配線や画素トランジスタ（ａ　
−Ｓｉ　ＴＦＴ、ｐｏｌｙ−５ｉ　ＴＦＴに使用されて
いる）の面積が全液晶パネル面積の６０〜７０％を占め
、各画素ごとに実際に照明光が透過しうる液晶開口窓の
面積は３０〜４０％と小さい。即ち、照明光のうちの上
記６０〜７０％は実際には利用できず無駄になる。

このような従来の問題を解決する１つの手段として１画
素ごとに微小レンズを設け、これを用いて液晶開口窓に
集光させる事によって照明の利用効率を上げ、投影画像
を明るくしようとする改良法が多数提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、これまでの公開特許その他の公知文献の
中ではごく概念的な事しか記述されておらず、実際にど
のような仕様のレンズを作製する事が大きな効果を得る
ために必要なのかが具体的に示されていなかった。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明者らは実際に実現可能性の高い液晶パネル
とレンズアレイの組合せ構成を検討し、かつ、シミュレ
ーションにより明るさ向上効果について計算し、その結
果より、各構成部品の厚み、屈折率とレンズ面の曲率半
径との間に存在する、大きな効果を得るために必要な条
件の数値関係を見い出した。本発明はこの知見に基づく
ものであり、液晶パネルにおいて液晶層を挟む一対のセ
ル基板のうち少な（とも一方、すなわち照明光を照射す
る側のセル基板として、各画素に対して１対１で各レン
ズが対応する如く微小レンズ群を配列形成した平板レン
ズアレイを用いる。

この平板レンズアレイは、ガラス、プラスチック等の透
明基板の表面に球面状の微小くぼみを多数配列形成する
とともに、これらくぼみ内に基板よりも屈折率の高い透
明材料を表面平坦状態に充填して構成する。そして、基
板の厚みをｔ８その屈折率をｎｌｌ、前記くぼみの曲率
半径をｒ’−＜ぼみ内充填材料の屈折率をｎｌとして、 ｒ　ｎ。

の条件を満たすように上記各値を選び、そのレンズ配列
面を液晶パネル外面側に向けた状態で用いる。

上記構成の平板レンズアレイは、液晶パネルのセル基板
として極めて有用であるが、これに限らず、一般に１つ
の仮想面上に多数の高集光度の光点の配列（−次元的又
は二次元的配列）を得たい場合に有用である。

〔作　用〕

液晶パネルにおける各構成部品の仕様を上述したごとく
に設計し、作製する事により、極めて大きな明るさ向上
効果を得る事ができる。

〔実施例］ 第１図に本発明の１実施例を示す。

液晶パネル１が２枚の液晶セル基板２１２２と液晶層で
構成されている。液晶層は各画素ごとに光を透過可能な
液晶開口窓３を持ち、それ以外の部分４はＴＰＴ、画素
配線等の不透光部分である。

照明光が入射する側の液晶セル基板２１が平板レンズア
レイとなっている。すなわちこの基板の液晶層とは反対
側の面５には略球面形状のくぼみ６が各液晶画素と１対
１に対向して設けられている。さらにこの各くぼみ６内
は、高屈折率材料が充填されており、その表面はほぼ平
坦になっている。

高屈折率材料７は屈折率がガラス基板５より高い透明材
料であればガラス材料でも樹脂材料でもよい。高屈折率
材料７の表面には実用上、耐湿コートが施される場合も
ある。また、基板２１の液晶層と接する側の面は、ガラ
ス中のアルカリ成分が析出するのを防止するための被膜
、又は（および）導電膜がコーティングされてもよい。

さらには基板２１．２２としてアルカリ成分を実質的に
含有しないガラスを用いることもできる。

球面状くぼみ６は例えばガラス基板にフォトリソ技術を
用いて数μｍ径から十数μｍ径程度の円形開口を持つ金
属マスクを形成し、これをフッ酸系のエッチャントを用
いて適当な時間エツチングする事により作製できる。ガ
ラスのエツチングはマスク開口部からほぼ等方的に進行
するため略半球状のくぼみが得られ、その曲率半径はエ
ツチング時間等によって制御する事ができる。また、エ
ツチング工程を２段に分ける等の方法により、半球形状
より浅い球面状くぼみや、隣接する球面くぼみ同士が完
全につながったいわゆる稠密充填構造の球面くぼみアレ
イを作製する事もできる。このエツチング方法は本発明
の本質的部分ではないので詳細な説明は省略するが、特
願平２−２７７１２には詳しく開示されている。ガラス
基板としては例えばコーニング社７０５９基板や、−船
釣なソーダライム基板等が選択可能である。

さて、このような作製方法により、第１図に示すレンズ
アレイ付き液晶パネルを構成する場合、大きな明るさ向
上効果を得るためには液晶パネルの屈折率、厚み、レン
ズの曲率半径等に対して以下の様な数値限定条件に従っ
て光学系を構成する必要がある。

ここで、平板レンズアレイの液晶セル基板２１の屈折率
をｎ１１、厚みをｔ、球面状くぼみ６の曲率半径をｒ、
高屈折率充填材料７の屈折率をｎとする。

照明光である略平行な入射光線８は液晶セル基板２１に
入射するとき球面状くぼみ６で光線が屈折する。この時
、Ｈｏ＜ｎ、であれば球面状くぼみ６は凸レンズとして
作用する。この凸レンズ効果により、入射光線が液晶開
口窓３に最も有効に入射する時が照明光の利用効果が最
大になると言える。

球面１面の屈折によるレンズの焦点距離ｆは近軸計算に
よれば ｆ　＝ｒ／　（ｎｏ−ｎｏ）　　・・・・（ｉ）式とな
る（例えば「光学の原理Ｉ」東海大学出版会等）。屈折
光線を液晶開口面に集光させるためにはｆ　＝　ｔ　／
　ｎ　６とすればよく、従ってｔ、ｎ０、ｒ、ｎｏの関
係は基本的に ｔ／ｎ＋＝ｒ／（ｎ　　重−ｎｏ）　　・・　・・（２
）式となる必要がある。

しかしながら、球面１面による屈折効果は正の球面収差
が大きく発生してしまい、第２図に示すように近軸光線
よりも周辺光線はもっと近くに集光する。従って、入射
光線の全エネルギーが最も小さい領域に集光する位置は
上記近軸計算の値よりももっと近くなる。

そこで、実際に第１図の光学系により光線追跡を行い、
１画素の寸法を１００μｍ角、液晶開口寸法を２０μｍ
角としたときに実際に球面の屈折によって液晶開口に入
射する光線の本数を計算し、その本数の最大位置から実
効的な焦点位置を算出した。第３図が計算結果の１例で
ある。液晶セル基板としてはコーニング社７０５９基板
を想定してｎｏ＝１．５３とし、また、ｎ＋＝１．５６
として計算した。

図中、横軸は球面状くぼみ６の曲率半径を、縦軸は液晶
セル基板中での焦点距離である。実線は、ｎ＋＝１．６
０として（１）、　（２）式を用いて計算した近軸近似
による計算結果である。これに対して破線は上記の様な
光線追跡により求めた実効的な焦点距離である。即ち、
本光学系において球面収差を含めて最も集光効果の大き
く得られる位置が図中の点線の値である。この値を近軸
計算結果と比較すると曲率半径の大きな場合には近軸結
果の約９０％程度、曲率半径の小さな場合には近軸結果
の約５０％弱になっている。

以上のシミュレーション結果より最も集光効果が太き（
得られる実効的な焦点距離ｆｅはおよそ０．３ｒ／（ｎ
ｏ−ｎｏ）≦ｆｅ≦ｒ／（ｎｏ−ｎｏ）”（３）式のご
とくに示される。従って、この値ｆｅをｔ／ｎＯに等し
くする事により、液晶開口位置で最大の集光効果が得ら
れる事になり、即ちｔ＋ｎＯ＋　　乙ｎ１の間の数値関
係を ｒ　ｎ。

とする必要がある事になる。

なお、第１図の例では照明側のセル基板２１のみを平板
レンズアレイとしたが、他方のセル基板２２にも同様の
平板レンズアレイを用いてもよい。

この時（４）式は各々の側について別個に満さねばなら
ない。

また、各式において、焦点距離は球面の頂点からの距離
であり、解析はレンズの厚み分を考慮するべきであるが
、本用途では焦点距離４００〜８００μｍ程度に比べ、
レンズの厚みは数＋８ｍ以下であり、実用上、考慮の必
要はない。

（発明の効果〕 以上に説明したように、上記（４）式の条件に各数値を
設定してやる事により、第１図の液晶パネル構成におい
て最大の明るさ向上効果が得られる。

ちなみにレンズ１個の大きさ約１００μｍ角、ｎｏ−１
，５３，ｔ＝１．１ｍｍ、ｎ＋＝１．６０として曲率半
径約７５μｍのくぼみを用いてレンズを作製し、約４０
ａｍ角内に集光する照明光量が、１／ンズなしに比べ２
倍以上得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は第１
図の液晶パネルでセル基板中に設けた１／ンズ部分にお
ける光線の屈折状態を示す模式図、第３図は上記レンズ
部分を成すくぼみの曲率半径、各構成材料の屈折率、及
びレンズ焦点距離の計算結果を示す線図である。 １・・・液晶パネル、２１・・・平板レンズアレイ（液
晶セル基板）、２２・・・液晶セル基板、３・・・液晶
開口窓、４・・・不透光部分、６・・・球面状くぼみ（
レンズ部分）、７・・・高屈折率充填材料、８・・・照
明光−汁：へ伽 第１図 第 図 ｊＩ２図 球面状くぼみの曲率半径ｒ（１ｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）透明基板の表面に球面状の微小くぼみを多数配列
   形成するとともに、これらくぼみ内に前記基板よりも屈
   折率の高い透明材料を表面平坦状態に充填し、且つ、前
   記基板の厚みをｔ、その屈折率をｎ＿０、前記くぼみの
   曲率半径をｒ、くぼみ内充填材料の屈折率をｎ＿１とし
   て、 ０．３≦ｔ（ｎ＿１−ｎ＿０）／ｒｎ＿０≦１の関係と
   したことを特徴とする平板レンズアレイ。 （２）液晶パネルにおいて液晶層を挟む一対のセル基板
   のうちの少なくとも一方を、各画素に対して１対１に対
   応させて配列した微小レンズ群を有する平板レンズアレ
   イで構成し、該平板レンズアレイは、透明基板の表面に
   球面状の微小くぼみを多数配列形成するとともに、これ
   らくぼみ内に基板よりも屈折率の高い透明材料を表面平
   坦状態に充填したものであって、そのレンズ配列面を液
   晶パネル外面側に向けて配置し、且つ、レンズアレイ基
   板の厚みをｔ、その屈折率をｎ＿０、前記くぼみの曲率
   半径をｒ、くぼみ内充填材料の屈折率をｎ＿１として、 ０．３≦ｔ（ｎ＿１−ｎ＿０）／ｒｎ＿０≦１の関係を
   有していることを特徴とする液晶パネル素子。 （３）請求項第２項において、平板レンズアレイの基板
   としてアルカリをほとんど含まないガラス材料を用いた
   液晶パネル素子。 （４）請求項第２項において、平板レンズアレイのレン
   ズ配列面とは反対側の面を、アルカリの析出を防止する
   被膜でコーティングした液晶パネル素子。 （５）請求項第２項において、平板レンズアレイのレン
   ズ配列面とは反対側の面を、透明導電膜でコーティング
   した液晶パネル素子。