JPH10239503A

JPH10239503A - マイクロレンズアレイ及びその作製方法

Info

Publication number: JPH10239503A
Application number: JP9041823A
Authority: JP
Inventors: Teruyuki Kataoka; 照幸片岡; Hurd David; デビッド・ハード; Yutaka Unuma; 豊鵜沼
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】迷光を有効に遮断して解像度を向上させるマ
イクロレンズアレイ及びその作製方法を提供すること。【解決手段】透明基板（３０Ａ）の一面にマイクロレ
ンズ（３０Ｂ）が形成されたマイクロレンズアレイ（３
０）の裏面側に遮光層（３０Ｃ）を備える。この遮光層
（３０Ｃ）は、マイクロレンズ（３０Ｂ）の光軸と平行
な光を該レンズ（３０Ｂ）から入射して得られる光像に
等しい開口部を有する。この開口部は、前記光像により
感光材料を感光させて形成する。従って、遮光層（３０
Ｃ）は必要最小限の大きさの開口部（３０Ｄ）を備える
こととなり、迷光などの不要光を有効に排除して、解像
度を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イメージスキャナ
や液晶パネル等に応用されるマイクロレンズアレイ及び
その作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、イメージスキャナや液晶パネル等
では、光を極めて微小な単位で集光するためのマイクロ
レンズアレイを備えたものがある。図６に例示するよう
に、このマイクロレンズアレイ１は、ポリメチルメタア
クリレート（ＰＭＭＡ）等を材料として、射出成型法等
を用いて透明基板上に有効口径１２５μｍ程度のマイク
ロレンズ１ａを所定の配列で形成したものである。

【０００３】マイクロレンズアレイの応用例として、図
７に示すような光導波路型イメージセンサＳがある。こ
の光導波路型イメージセンサは、イメージスキャナなど
に用いられ、原稿面１０を照明する発光ダイオードアレ
イ８と、原稿面１０からの反射光を集光するマイクロレ
ンズアレイ１と、該マイクロレンズアレイ１で集光され
た光を光情報として導いて縮小する光導波路基板５と、
該光導波路基板５からの光情報を電気信号に変換するた
めの電荷結合素子（ＣＣＤ）６とを組み合わせて構成さ
れている。

【０００４】また、図８に示すように、光導波路基板５
は、光の通路となる高屈折率のコア部３と、該コア部３
よりも低屈折率のクラッド部４とからなる。そして、光
導波路基板５に光結合されマイクロレンズアレイ１の各
マイクロレンズ１ａが、原稿面１０からの反射光を各コ
ア部３に集光するものとなっている。

【０００５】ここで、各コア部３に集光された光は、原
稿面１０の各部からの光情報であって、これらを互いに
分離して電荷結合素子６に導く必要があり、隣接するマ
イクロレンズ間のクロストークを回避する必要がある。
このため、図９（ａ）において、マイクロレンズの開口
数ＮＡ₁と光導波路の開口数ＮＡ_wgを一致させるように
設計する。

【０００６】ここで、ＮＡ₁＝ｎ・ｓｉｎα ＮＡ_wg＝ｎ₀ｓｉｎθ＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）^1/2ただし、ｎ：マイクロレンズ１ａの屈折率ｎ₀：コア部３との境界付近におけるマイクロレンズア
レイ１側の屈折率ｎ₁：コア部３の屈折率ｎ₂：クラッド部４の屈折率 θ：受光角 α：レンズの縁と焦点との間を結ぶ直線と光軸（中心
軸）とのなす角度Ｄ：マイクロレンズ１ａの有効口径ｆ：マイクロレンズ１ａの焦点距離

【０００７】このようにマイクロレンズアレイ１を設計
すると、図９（ｂ）に示すように、原稿面１０の領域Ａ
からの反射光は、光導波路基板５の入射面（コア部３の
端面）で像を結び、コア部３に有効に入射される。ま
た、例えば隣接するマイクロレンズに入射する点Ｂから
の反射光は、コア部３に閉じ込められるための臨界角度
よりも大きな角度でコア部３に入射することとなる。こ
のため、この点Ｂからの光はコア部３の外に放出され、
コア間でクロストークが生じることがない。このよう
に、原稿面１０の各領域からの反射光は、その各領域に
対応する一つのマイクロレンズにより集光され、一本の
光導波路に入射するように設計されている。

【０００８】上述のマイクロレンズアレイ１は、マイク
ロレンズ１ａを１次元に配列したものであるが、図１０
に示すように、２次元に配列したマイクロレンズアレイ
１４もある。この２次元のマイクロレンズアレイ１４の
応用例として高輝度液晶パネルがある。即ち、図１１に
示すように、高輝度液晶パネルＨＰは、ＴＦＴ基板２３
の上にＴＦＴ２２と一体的に形成された画素電極２１を
透過するバックライトの光量を制御することにより画像
を表示するものであって、マイクロレンズアレイ１４を
バックライトの入射面（裏面）側に備え、これによりバ
ックライト光を画素電極２１に集光して光透過率を向上
させ、画像の輝度を高める。また、画素電極２１以外の
領域を遮光するための遮光マスク１９を備え、ＴＦＴ２
２を光から保護すると共に、迷光等の不要光を遮断して
解像度の向上を図っている。

【０００９】ここで１次元または２次元のマイクロレン
ズアレイに付随する迷光を遮断するために、従来以下の
ような構造が提案されている。まず第一の構造として、
特開平２−４３５０１号公報に開示されているように、
マイクロレンズアレイの透明基板の裏面（マイクロレン
ズが形成されている面とは反対側の面）に、レンズの光
軸を中心としてレンズの径よりも小さい径の開口部を有
する遮光層を形成して、レンズ以外からの光や隣接レン
ズによる迷光を遮断したものがある。

【００１０】このマイクロレンズアレイの作製方法は、
まず透明基板を用意して、リフトオフ法にて、レンズを
形成する面の裏面にアルミニウム（Ａｌ）等の遮光層で
所望の開口部以外を覆う。次に、射出成型法を用いてレ
ンズを形成すべき面にマイクロレンズを形成する。

【００１１】第二の構造として、特開平２−６４５０１
号公報に開示されているように、遮光基板の開口部にマ
イクロレンズを嵌合するように備えたものがある。即
ち、図１２（ａ）に示すように、まず、開口部２４ａを
備えた遮光基板２４を用意する。この遮光基板２４は、
ＳＵＳ等の金属薄板にフォトエッチング加工により所定
の大きさの開口部２４ａを複数形成した後、さらに開口
部以外の表面を化学的処理法により黒色処理する。

【００１２】次に、同図（ｂ）に示すように、マイクロ
レンズとなる樹脂フィルム２５を遮光基板２４の上に重
ね合わせて、同図（ｃ）に示すように、マイクロレンズ
アレイの形状を反転させた金型２６を樹脂フィルム２５
の上に配置し、裏側には平坦な表面を有する金型２７を
配置する。そして、樹脂フィルムのガラス転移点以上の
温度で加熱すると共に、金型２６及び２７で挟むように
圧着して開口部２４ａに樹脂フィルム２５を流し込んだ
後、ガラス転移点以下の温度に冷却する。これにより、
同図（ｄ）に示すような遮光部分（２４）を備えたマイ
クロレンズアレイを得ることができる。

【００１３】第三の構造として、特開平４−５５８７１
号公報に開示されているように、マイクロレンズアレイ
の光入射面のマイクロレンズ以外の領域を粗面加工等に
よる乱反射面に加工したものがある。これによりマイク
ロレンズ以外の領域に入射する不要な光線を乱反射して
カットする。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述の図６
に示すような従来の遮光層を有しないマイクロレンズア
レイ１を光導波路基板５と組み合わせて導波路型縮小イ
メージメンサに適用する場合、図１３（ａ）に示すよう
なマイクロレンズ１ａ以外の領域から入射する不要光
や、同図（ｂ）に示すような隣接レンズからの漏光が、
光導波路基板５のクラッド部４に入り込んでしまう。こ
れがクラッド部４において迷光となり、解像度を低下さ
せる原因となる。

【００１５】また、前述の図１１に示すように、２次元
マイクロレンズアレイを高輝度液晶パネルＨＰに適用す
る場合、従来、有効画素部以外を遮へいする遮光マスク
とマイクロレンズアレイを別々に作製していたため、こ
れらの間のアライメントが必要不可欠であった。

【００１６】さらに、マイクロレンズアレイに付随する
迷光を遮断するための遮光層を有するマイクロレンズア
レイでは、以下のような問題点がある。即ち、前述の第
一の構造によれば、リフトオフ法により遮光層を形成す
るため、マイクロレンズの位置、大きさ及び数に対応し
た開口部を有するフォトマスクを準備しなければならな
い。

【００１７】また、前述の第二の構造によれば、隣り合
うマイクロレンズが或る程度離れている場合には効果的
であるが、マイクロレンズアレイ同士が接近すると、隣
接レンズからの漏光の影響を防ぐことができない。即
ち、マイクロレンズアレイのパターンによって遮光の効
果が限定されてしまう。さらに、前述の第三の構造によ
れば、レンズ以外の領域に入射する不要光を有効にカッ
トすることはできるが、隣接レンズから入り込む漏光の
影響を除去することは困難である。

【００１８】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、遮光層を形成するためのフォトマスク
を必要とせず、またマイクロレンズアレイのパターンに
よって遮光層の効果が限定されることなく、さらに所望
の位置に必要最小限の開口部を有する遮光層を容易に形
成することができ、レンズ外または隣接レンズからの迷
光を有効に遮光することができるマイクロレンズアレイ
及びその作製方法を提供することを課題とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決達成する
ために、本発明は以下の構成を有する。即ち、請求項１
に記載の発明に係るマイクロレンズアレイは、透明基板
の一面側に複数のマイクロレンズを配列して備えたマイ
クロレンズアレイであって、前記透明基板の他面側に遮
光層を備え、該遮光層が、前記マイクロレンズの光軸と
平行する光を前記マイクロレンズから入射して結像する
領域を開口した開口部を有することを特徴とするマイク
ロレンズアレイの構成を有する。

【００２０】また、請求項２に記載の発明に係るマイク
ロレンズアレイは、請求項１に記載の発明に係るマイク
ロレンズアレイにおいて、マイクロレンズは一次元また
は二次元に配列されたことを特徴とするマイクロレンズ
アレイの構成を有する。

【００２１】また、請求項３に記載の発明に係るマイク
ロレンズアレイの作製方法は、透明基板の一面側に複数
のマイクロレンズを配列して備えたマイクロレンズアレ
イの作製方法であって、（ａ）透明基板の他面側に感光
性材料を塗布し、（ｂ）前記マイクロレンズの光軸と平
行する光を前記マイクロレンズから入射して前記感光性
材料に結像する光像により該感光性材料を露光し、
（ｃ）前記光像により露光された領域を残して前記感光
性材料を選択的に除去し、（ｄ）前記透明基板の他面側
に遮光層を形成し、（ｅ）前記光像により露光された領
域の感光性材料を除去することを特徴とするマイクロレ
ンズアレイの作製方法の構成を有する。

【００２２】また、請求項４に記載の発明に係るマイク
ロレンズアレイの作製方法は、透明基板の一面側に複数
のマイクロレンズを配列して備えたマイクロレンズアレ
イの作製方法であって、（ａ）前記透明基板の他面側
に、所定の波長及び強度を有する光に感光して透光性を
顕す感光性材料を塗布し、（ｂ）前記マイクロレンズの
光軸と平行する前記光を前記マイクロレンズから入射し
て前記感光性材料に結像する光像により該感光性材料を
露光することを特徴とするマイクロレンズアレイの作製
方法の構成を有する。

【００２３】以下、本発明の作用を述べる。即ち、請求
項１または２に記載の発明に係るマイクロレンズアレイ
によれば、少なくとも、マイクロレンズから入射した光
は、遮光層の開口部を通過する。また、このマイクロレ
ンズ外から入射した光は、遮光層により遮られる。仮
に、マイクロレンズ外から入射した光が遮光層の開口部
に入射したとしても、開口数を適切に選ぶことによっ
て、この入射光の影響を排除することができる。

【００２４】また、請求項３に記載の発明に係るマイク
ロレンズアレイの作製方法によれば、透明基板の他面側
に塗布された感光性材料（フォトレジスト）は、マイク
ロレンズの光軸と平行する光を入射して結像する光像の
部分を残して除去される。従って、この上に遮光層を形
成した後、残された感光材料を除去すれば、この感光材
料の上に位置する遮光層の一部も同時に除去される。こ
の結果、遮光層には、マイクロレンズの特性に応じて必
要最小限の大きさに開口された開口部が形成される。

【００２５】また、請求項４に記載の発明に係るマイク
ロレンズアレイの作製方法によれば、透明基板の他面側
に塗布された感光性材料は、マイクロレンズの光軸と平
行する光を入射して結像する光像の部分が投光性を顕
す。従って、感光性材料はマイクロレンズの特性に応じ
て必要最小限の大きさの領域が透光性を顕し、その他の
領域で遮光するものとなる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係るマ
イクロレンズアレイについて、図面を参照して説明す
る。なお、各図において、共通する要素には同一符号を
付して、その重複する説明を省略する。図１（ａ）及び
同図（ｂ）に示すように、本発明に係るマイクロレンズ
アレイ３０は、透明基板３０Ａの一面側に複数のマイク
ロレンズ３０Ｂを配列して備え、透明基板３０Ａの他面
側（裏面側）に遮光層３０Ｃを備える。この遮光層３０
Ｃは、マイクロレンズ３０Ｂの光軸と平行する光をマイ
クロレンズ３０Ｂから入射して結像する領域を開口した
開口部３０Ｄを有する。

【００２７】ここで、透明基板３０Ａ及びマイクロレン
ズ３０Ｂの材質は、例えばポリメチルメタアクリレート
（ＰＭＭＡ）などが用いられる。このマイクロレンズ３
０Ｂの有効口径は例えば１２５μｍ程度であり、射出成
型法により長さ１１０ｍｍ、幅３ｍｍの透明基板３０Ａ
の上に８６５個程が１次元状に配列して形成される。な
お、高輝度液晶パネルなどに適用する場合には、２次元
状にマイクロレンズを配列するが、この場合、例えば１
１０ｍｍ角に透明基板上に縦方向に２０個、横方向に２
０個を配列して、合計４００個程のマイクロレンズ群が
形成される。

【００２８】このような構成を有するマイクロレンズア
レイ３０を前述の光導波路基板５と光結合させて、光導
波路型イメージセンサを構成した場合、遮光層３０Ｃの
開口部３Ｄは、マイクロレンズ３０Ｂの光軸と平行する
光をマイクロレンズ３０Ｂから入射して結像する領域を
開口して得られたものであるから、図２に示すように、
マイクロレンズ３０Ｂの光軸と平行に原稿面１０から入
射する反射光Ｌは、開口部３０Ｄを通過して、光導波路
基板５のコア部３に入射する。

【００２９】これに対して、同図に示すように、隣接す
るマイクロレンズから入射する不要光Ｌ１や、マイクロ
レンズ外から入射した不要光Ｌ２は、遮光層３０Ｃに遮
られ、クラッド部４に入射せず、迷光とならない。仮
に、不要光Ｌ１，Ｌ２が開口部３０Ｄに入射したとして
も、マイクロレンズアレイ３０及び光導波路基板５の開
口数を適切に設計することによって、この不要光はコア
部３からクラッド部４に放出される。また、図３に示す
ように、高輝度液晶パネルに適用した場合も同様に、不
要光Ｌ３，Ｌ４が遮光層３０Ｃに遮光されて、迷光の発
生が有効に阻止される。

【００３０】次に、マイクロレンズアレイ３０の作製方
法について説明する。先ず、図４（ａ）に示すように、
透明基板３０Ａの一面側に複数のマイクロレンズ３０Ｂ
を配列して備えたマイクロレンズアレイ３６を用意す
る。マイクロレンズアレイ３６の材料としては、例えば
ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）などの高屈折
率材料が用いられる。

【００３１】次に、同図（ｂ）に示すように、透明基板
３０Ａの他面側（裏面側）に、膜厚が例えば２μｍ程度
のネガ型フォトレジストなどの感光性樹脂３８（感光性
材料）を塗布する。そして、マイクロレンズ３０Ｂの光
軸と平行するように紫外線などの活性光ＵＶをマイクロ
レンズ３０Ｂ側から照射し、このマイクロレンズ３０Ｂ
により結像される光像により感光性樹脂３８を露光する
（感光させる）。

【００３２】次に、同図（ｃ）に示すように、現像液に
て露光された領域３８Ａを残して感光性樹脂３８を選択
的に除去する。次に、同図（ｄ）に示すように、透明基
板３０Ａの他面側に、例えば膜厚１０００〜２０００オ
ングストローム程度のアルミニウムなどの金属薄膜を遮
光層３０Ｃとして蒸着などにより形成する。最後に、同
図（ｅ）に示すように、有機溶剤などを用いて残った感
光性材料３８Ａと、この上に堆積した遮光層３０Ｃの一
部とを溶解して除去し、遮光層３０Ｃに開口部３０Ｄを
形成する。以上により、前述の図１（ａ）及び（ｂ）に
示すようなマイクロレンズアレイ３０を得る。

【００３３】このようにして作製したマイクロレンズア
レイ３０は、所望の位置に必要最小限の大きさの開口部
３０Ｄが形成された遮光層３０Ｃを備える。このような
遮光層３０Ｃを備える１次元マイクロレンズアレイ３０
を導波路と結合した場合、レンズ外及び隣接レンズから
の不要な光を除去することができ、高解像度が得られ
る。さらに２次元マイクロレンズアレイとして構成して
液晶パネルなどに適用した場合、光源の光の利用効率が
向上するとともに、迷光が減少してコントラストが向上
し、見やすい表示が得られる。

【００３４】次に、図５を参照しながら、他の作製方法
について説明する。先ず、図５（ａ）に示すように、透
明基板３０Ａの一面側に複数のマイクロレンズ３０Ｂを
配列して備えたマイクロレンズアレイ３６を準備する。
次に、同図（ｂ）に示すように、透明基板３０Ａの裏面
側に、所定の波長と強度を有する光（以下、「特定光」
と記す）に反応して色素が分解して透光性を顕す色素膜
４１（フォトクロミック材）を塗布する。

【００３５】そして、マイクロレンズ３０Ｂの光軸と平
行するように特定光ＴＬをマイクロレンズ３０Ｂ側から
照射し、このマイクロレンズ３０Ｂにより結像される光
像により色素膜４１を露光する。この露光により、同図
（ｃ）に示すように、色素膜４１は、マイクロレンズ３
０Ｂにより結像した光像に対応する部分４１Ａの色素が
分解されて透明になり、先の図１（ａ）及び（ｂ）に示
すものと等価な構造となる。

【００３６】ここで、色素膜４１として、例えば５７０
nmで色素が分解するように調整されたフタロシアニンを
２μｍ程度の膜厚で塗布して用いることができる。ま
た、この場合、特定光ＴＬの波長は５７０ｎｍに設定さ
れ、その光強度は、縮小型イメージセンサとして使用す
る場合の原稿面から反射される５７０nmの波長を有する
光成分の最大強度よりも十分大きく設定される。

【００３７】このように特定光ＴＬの強度を選択するこ
とにより、原稿面１０からの反射光に反応して遮光層が
透光性を顕すことがなく、窓４１Ａ以外の領域の遮光性
が維持される。この作製方法によれば、先の図４に示す
作製方法と比較して、工程を３工程短縮することができ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、以下のような効果を得ることができる。即
ち、請求項１に記載の発明によれば、マイクロレンズア
レイの裏面側に、該マイクロレンズアレイが形成する光
像の大きさに等しい開口部を有する遮光層を形成したの
で、必要とする光に損失を生じることなく迷光などの不
要光のみを有効に遮断することができる。この結果マイ
クロレンズアレイの光出射面での像の解像度を向上させ
ることができる。また、液晶パネルに適用した場合、Ｔ
ＦＴを光から有効に保護することができると共に、迷光
などの不要光を有効に遮断して、コントラストを向上さ
せることができる。

【００３９】また、請求項３または４に記載の発明によ
れば、マイクロレンズが形成する光像を用いて遮光層
（色素膜）の開口部の大きさを定めるので、開口部
（窓）を必要最小限の大きさに容易に形成することがで
きる。従って、マイクロレンズアレイのパターンに関係
なく、個々のマイクロレンズの特性に応じて所望の位置
に必要最小限の開口部を有した遮光層を容易に形成する
ことができる。なお、請求項４に記載の発明によれば、
さらに作製工程を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明のマイクロレンズ
アレイの斜視図である。

【図２】本発明のマイクロレンズアレイの遮光効果を説
明するための説明図である。

【図３】本発明のマイクロレンズアレイを液晶パネルに
適用した場合の遮光効果を説明するための説明図であ
る。

【図４】（ａ）〜（ｅ）は、本発明のマイクロレンズア
レイの作製方法を説明するための説明図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明のマイクロレンズア
レイの他の作製方法を説明するための説明図である。

【図６】従来の１次元マイクロレンズアレイの斜視図で
ある。

【図７】導波路型イメージセンサを説明するための図で
ある。

【図８】マイクロレンズアレイと光導波路基板との結合
構造を示す透視図である。

【図９】（ａ）は、マイクロレンズ及び光導波路基板の
開口数の原理図である。（ｂ）は、マイクロレンズに付
随する迷光の光路を示す図である。

【図１０】従来の２次元マイクロレンズアレイの斜視図
である。

【図１１】マイクロレンズアレイと液晶パネルを一体化
した高輝度液晶パネルの構造を示す図である。

【図１２】（ａ）〜（ｄ）は、従来の遮光層を設けたマ
イクロレンズアレイの作製方法を説明するための図であ
る。

【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、不要光（漏光）の光路
を示す図である。

【符号の説明】

３０マイクロレンズアレイ３０Ａ透明基板３０Ｂマイクロレンズ３０Ｃ遮光層３０Ｄ開口部４１色素膜４１Ａ窓

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板の一面側に複数のマイクロレン
ズを配列して備えたマイクロレンズアレイであって、前記透明基板の他面側に遮光層を備え、該遮光層は、前
記マイクロレンズの光軸と平行する光を前記マイクロレ
ンズから入射して結像する領域を開口した開口部を有す
ることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項２】請求項１に記載の発明に係るマイクロレ
ンズアレイにおいて、マイクロレンズは一次元または二
次元に配列されたことを特徴とするマイクロレンズアレ
イ。
【請求項３】透明基板の一面側に複数のマイクロレン
ズを配列して備えたマイクロレンズアレイの作製方法で
あって、（ａ）透明基板の他面側に感光性材料を塗布
し、（ｂ）前記マイクロレンズの光軸と平行する光を前
記マイクロレンズから入射して前記感光性材料に結像す
る光像により該感光性材料を露光し、（ｃ）前記光像に
より露光された領域を残して前記感光性材料を選択的に
除去し、（ｄ）前記透明基板の他面側に遮光層を形成
し、（ｅ）前記光像により露光された領域の感光性材料
を除去することを特徴とするマイクロレンズアレイの作
製方法。
【請求項４】透明基板の一面側に複数のマイクロレン
ズを配列して備えたマイクロレンズアレイの作製方法で
あって、（ａ）前記透明基板の他面側に、所定の波長及
び強度を有する光に感光して透光性を顕す感光性材料を
塗布し、（ｂ）前記マイクロレンズの光軸と平行する前
記光を前記マイクロレンズから入射して前記感光性材料
に結像する光像により該感光性材料を露光することを特
徴とするマイクロレンズアレイの作製方法。