JP3932690B2 - レンズアレイ基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズアレイ基板の製造方法に関する。特に、微細なマイクロレンズの集合を多層構造にしたマイクロレンズアレイ基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子を用いてカラー表示を行なう方式として投影型カラー画像表示方式があり、そのうちには、三原色に応じて液晶表示素子を３枚用いる三板式と、１枚のみを用いる単板式とがある。しかし、三板式の投影型カラー画像表示方式では、色分離系と色合成系が必要であるため、光学系が複雑になって部品点数が多くなってしまい、コストが高くつくと共に小型化が困難である。また、単板式の投影型カラー画像表示方式では、三板式と比較すると、コストが安価で、小型化にも適しているが、カラーフィルタによる光の吸収や反射のため、入射光の約１／３しか利用できず、光の利用効率が悪くて表示画面が暗くなるという問題がある。
【０００３】
（第１の従来例）
このような問題を解決するため、図１に示すような構造の単板式の投影型カラー液晶表示装置１が提案されている。この装置においては、白色光源２から出射された白色光Ｗ、または球面鏡３で反射された白色光Ｗは、コンデンサレンズ４で平行光に変換され、この白色平行光はダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに入射される。３枚のダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂは、それぞれ赤、緑、青の波長域の光を反射させるものであって、図２に示すように、白色光源２に近い側から順にダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂがそれぞれ角度θだけずらして扇型に配置されている。
【０００４】
しかして、３枚のダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに入射した白色光Ｗは、▲１▼ダイクロイックミラー５Ｒで反射される赤の光束、▲２▼ダイクロイックミラー５Ｒを通過し、ダイクロイックミラー５Ｇで反射され、再度ダイクロイックミラー５Ｒを通過して得られる緑の光束、▲３▼ダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇを通過し、ダイクロイックミラー５Ｂで反射され、再度ダイクロイックミラー５Ｇ、５Ｒを通過して得られる青の光束の３光束に分けられる。このとき、緑の光束は赤の光束に対して進行方向が２θの角度だけ傾いて出射し、青の光束は緑の光束に対して進行方向が２θの角度だけ傾いて出射される。
【０００５】
ダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂにより分割された赤、青、緑の各光束は、液晶表示素子６の光源側に配置されているマイクロレンズアレイ７にそれぞれ異なった角度で入射される。ここで、液晶表示素子６は、緑の光束が液晶表示素子面に垂直入射するように配置されている。マイクロレンズアレイ７を通過した各光束は、それぞれに対応した色信号が独立して印加される信号電極により駆動される各絵素開口に、各光束の入射角度に応じて分配照射される。この装置では、吸収型のカラーフィルタを用いないので、光の利用効率が向上し、極めて明るい画像を提供することができる。
【０００６】
しかしながら、分光手段として上記のようなダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを用いたカラー液晶表示装置１においては、以下に述べるような原因により、画質の低下が招来されるという問題が生じている。
【０００７】
すなわち、この投影型カラー液晶表示装置１にあっては、図３に示すように、液晶表示素子６の光入射側に各絵素に対応したマイクロレンズの集合からなる１層のマイクロレンズアレイ７が設けられている。マイクロレンズアレイ７は、ガラス基板８にエッチングされた凹部内に高屈折率樹脂９を充填し、このガラス基板８と高屈折率樹脂９の界面に形成されている。ガラス基板８にマイクロレンズアレイ７を形成されたマイクロレンズアレイ基板１０は、液晶表示素子６の光源側に接合されている。マイクロレンズアレイ７によって液晶表示素子６の信号電極１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂにより駆動される各絵素開口部に収束させられた各光束は、液晶表示素子６を通過した後、大きな角度範囲でそれぞれ拡散していく。このため、図１のように液晶表示素子６を透過した各色の光束の主光線をフィールドレンズ１２によって屈折させ、投影レンズ１３で収束させてスクリーン１４上に画像を投影している。
【０００８】
しかしながら、この従来例では、カラーフィルタを用いたカラー液晶表示装置で用いられている投影レンズよりも大口径の投影レンズを用いなければ、光利用効率が低下し、画質の低下がもたらされ、コストも高くつくという問題があった。
【０００９】
（第２の従来例）
そこで、上記投影型カラー液晶表示装置の光利用効率を向上させ、色純度の低下を防止して画像品質を向上させるための投影型カラー液晶表示装置が提案されている（特開平７−１８１４８７号、特開平９−９０３３６号など）。この投影型カラー液晶表示装置の全体構成は、図１に示した第１の従来例とほぼ同じであるが、液晶表示素子６に設けたマイクロレンズアレイ１３、１４が２層になっているところに特徴がある。すなわち、この投影型カラー液晶表示装置に用いられている液晶表示素子６では、図４に示すように、光源側に用いられるガラス基板１５の両面に平板型のマイクロレンズアレイ基板１６、１７を接合し、内面側のマイクロレンズアレイ基板１７の表面に焦点距離調整用のカバーガラス（スペーサ）１８を設け、ガラス基板１５及びマイクロレンズ基板１６、１７に一体化されたカバーガラス１８と光出射側のガラス基板２０の間に液晶層２１を封入する構造となっている。ここで、各マイクロレンズアレイ基板１６、１７は、レンズ基板２２にレンズパターンを凹設し、このレンズパターンの凹部２３内に高屈折率樹脂２４を充填してレンズ基板２２の表面を平坦にし、レンズ基板２２と高屈折率樹脂２４の界面にマイクロレンズアレイ１３、１４を形成したものである。
【００１０】
しかして、図５に示すように、液晶表示素子６の光源側に配置されたマイクロレンズアレイ１３は、液晶表示素子６における各色に対応する絵素開口部にそれぞれの色の光束を収束させる。このような各色の光束は、液晶表示素子６に対してそれぞれ異なる角度から照射されるので、マイクロレンズアレイ１３により収束された後は、各光束の主光線の方向に応じて広がっていこうとする。マイクロレンズアレイ１４は、これら各色の光束の主光線が互いにほぼ平行となるようにして液晶表示素子６から出射させる。
【００１１】
この光源と反対側のマイクロレンズアレイ１４は、フィールドレンズと同様の働きをするものであり、このように各色の光束の主光線を互いにほぼ平行にすることが可能になるので、投影手段として例えば小口径の投影レンズを用いた場合でも、全光束をほとんどカットすることなく、有効に利用することができる。したがって、光の利用効率を向上させてより明るく、かつ、ホワイトバランスのよいカラー画像を得ることができるようになる。また、大口径の投影レンズ等を使用する必要がなくなるため、製造コストの低減を実現できる。
【００１２】
つぎに、このような２層のマイクロレンズ１３、１４を備えたガラス基板１５の製造方法を図６により説明する。まず、図６（ａ）に示すような所定厚みのレンズ基板２２を準備し、図６（ｂ）のように、レンズパターンと同じピッチで開口２５をあけられたマスク２６をレンズ基板２２の表面に形成する。ついで、図６（ｃ）に示すように、マスク２６の開口２５を通してレンズ基板２２の火造り面に対して等方性エッチング処理を行なうことにより、レンズ基板２２の表面に凹部２３（レンズパターン）を形成する。火造り面とは、ガラス基板１５をフュージョン法等で製造するにあたり、溶融ガラスを徐冷、成板した後の研磨していないそのままの表面をいう。上記凹部２３には、図６（ｄ）のように高屈折率樹脂２４を充填し、表面をレベリングすることでレンズ部分とし、マイクロレンズアレイ基板１６、１７を製作する。この後、図６（ｅ）に示すように、レンズ基板２２のレンズ形成面と反対側の面を研磨し、マイクロレンズアレイ１３、１４の焦点距離等を設定値に合わせるべく厚み調整する。
【００１３】
上記のようにして作製されたマイクロレンズアレイ基板１６、１７は、図７に示すように、互いに光軸を位置合せしながらガラス基板１５の両面に接合され、さらに一方のマイクロレンズアレイ基板１７の表面にカバーガラス１８を接合される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２層のマイクロレンズアレイ１３、１４を有する従来のマイクロレンズアレイ基板では、上記のようにガラス基板１５に２枚のマイクロレンズアレイ基板１６、１７を貼り合わせて製作されていたので、以下に述べるような理由から、光軸合せが難しくて光学特性が悪く、製造が難しく、工程数が多くてコストが高くつくという問題があった。
【００１５】
▲１▼ マイクロレンズアレイどうしの位置決めの困難
まず、別々に製作された平板型マイクロレンズアレイ１３、１４をガラス基板を介して貼り合わせているので、貼り合わせによる２枚のマイクロレンズアレイ１３、１４の位置決め（光軸合せ）が困難であり、事実上、量産が不可能であった。すなわち、２枚のマイクロレンズアレイ１３、１４の縦方向、横方向及び角度（回転方向）をすべて一致させなければならないが、レンズパターンが微細であるため、これが非常に難しく、精度の高い位置決め装置や貼合せ機が必要となる。
【００１６】
また、マイクロレンズアレイ１３、１４の貼り合わせを困難にしている最大の理由は、位置決めしなければならないレンズパターンの間にギャップがあることである。つまり、レンズパターンの間にギャップがあると、各層の屈折率差によって光学的な歪が生じ、位置決め用のアライメントマークの大きさが異なって見え、２つのマイクロレンズアレイ１３、１４に設けられているアライメントマークどうしの位置合せが困難になる。
【００１７】
さらに、重要なことは、ギャップによって生じる光学的な歪のため、レンズパターンに対して完全に垂直な方向からアライメントマークを見ないと、カメラが見ているアライメントマークは虚像となり、実際のアライメントマークはカメラの光軸上からずれた位置にあり、アライメントマークにたよって位置合せしても実際にはアライメントしたことになっていない。これがマイクロレンズアレイ１３、１４の位置決めを難しくする最大の要因となっている。例えて言うと、不透明なコップの底にコインを入れて斜め方向から見ると、コップに水を入れた場合と入れない場合とで、コインが見えたり見えなかったりすることがあるが、これは空気と水の屈折率差によるものである。微細な位置合わせでは、このわずかなマークの大きさの変化や実像と虚像の位置ずれが原因となり、位置決めが不可能になってしまう。
【００１８】
また、位置決めには通常カメラ（ＣＣＤカメラなど）を用いるが、マイクロレンズアレイ１３、１４では、アライメントマークにピントを合わせることが難しい。つまり、アライメントマークは一般的には比較的大きく描かれるものであるが、マイクロレンズアレイ１３、１４の余白部には限りがあるため、通常は小さなアライメントマークで位置の合わせ込みをしなければならないことが多い。微細なマークをカメラで見るときには焦点深度が浅くなるので、ピントの合う範囲が狭くなる。そのため、マイクロレンズアレイ１３、１４が多少でも傾いたりすると、とたんにピントが合わせられなくなる。これらの理由からもマイクロレンズアレイ１３、１４の位置決めをすることは非常に難しいものであった。
【００１９】
▲２▼ 貼合わせ時の異物や気泡の混入
マイクロレンズアレイ１３、１４どうしを、その間に均一なギャップ（空間）を保ったまま一体化することは困難であるから、ガラス基板１５の両面にマイクロレンズアレイ１３、１４を隙間なく貼り合わせている。そのため、仮に２枚のマイクロレンズアレイ１３、１４が正確に位置合せされたとしても、マイクロレンズアレイ１３、１４とガラス基板１５の間に１つでも異物を噛み込むと、マイクロレンズアレイ１３、１４が反って撓んだり、傾いたりするので、マイクロレンズアレイ１３、１４どうしの光軸がずれる。
【００２０】
また、マイクロレンズアレイ１３、１４とガラス基板１５の間に部分的な空隙（例えば、空気などの混入による気泡）が発生すると、微細異物の混入の場合と同様、ガラス基板の両面に貼られたマイクロレンズアレイ１３、１４の光軸をずらすことになる。
【００２１】
さらに、異物や気泡を噛み込むと、そこに本来意図しない屈折率差を作り出すので、ここを通過する光束の光軸をずらす結果となる。
【００２２】
▲３▼ 歩留まりの低下
従来のマイクロレンズアレイ１３、１４の製造方法では、上記▲１▼及び▲２▼のような理由により、マイクロレンズアレイ基板製作の歩留まりが悪くなり、量産品として使用できるものはほとんど零に近くなり、実用化が困難であった。また、このような歩留りの悪さは、製品単価を押し上げることになっていた。
▲４▼ 製造工数数が多い
仮に、マイクロレンズアレイ基板製造の歩留まりが改善されたとしても、従来の製造方法では、別々に製作したマイクロレンズアレイ１３、１４をそれぞれ研磨してガラス基板の両面に貼り合わせているので、製造工数が多くなると共に研磨作業に時間が掛かる。さらに、微細なレンズパターンの位置決めに多くの時間を要するため、製造効率が悪くて量産性が低かった。
【００２３】
なお、上記のような問題点は、ガラス基板を介することなくマイクロレンズアレイどうしを直接に接合した構造のマイクロレンズアレイ基板にも言えることである。
【００２４】
本発明は上述の技術的問題点を解決するためになされたものであり、マイクロレンズアレイ基板製造時に、マイクロレンズアレイどうしの光軸合せを簡単にし、また製造工程も簡略化することを目的とするものである。
【００２７】
【発明の開示】
本発明に係るレンズアレイ基板の製造方法は、複数層のレンズアレイを備えたレンズアレイ基板の製造方法であって、未硬化の樹脂材料に第１のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第１の透光性樹脂層を成形する工程と、第１の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し、この透光性樹脂層に第２のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第２の透光性樹脂層を成形し、第１及び第２の透光性樹脂層の境界面にレンズアレイを形成する工程と、第２の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し硬化させて第３の透光性樹脂層を成形し、第２及び第３の透光性樹脂層の境界面に別なレンズアレイを形成する工程とを備えている。さらに、この工程の繰り返しにより３層以上のレンズアレイを形成することもできる。
【００２８】
透明樹脂層の屈折率が互いに異なっているとは、例えば３層の透光性樹脂層を考え、その屈折率を順にｎ1、ｎ2、ｎ3とすると、ｎ1＜ｎ2＜ｎ3のように順に大きくなっていてもよく、ｎ1＜ｎ2＞ｎ3のように交互に大小を組み合わせいてもよい。従来のようにガラス基板の凹部に高屈折率の樹脂を流し込むことによってレンズアレイが製作されていると、設計に自由度がないが、本発明のように成形によって複数層のレンズアレイを製作する場合には、自由に屈折率の組み合わせを変えることができ、レンズアレイ基板の設計自由度が高くなる。
【００２９】
本発明のレンズアレイ基板及びその製造方法にあっては、各透光性樹脂層を成形していく際に自動的にレンズアレイが位置合せされた状態でできていく。よって、よって、従来のようにマイクロレンズアレイを貼り合わせる際の位置決めが不要となり、高精度のレンズ位置合わせが可能になる。その結果、良好な精度及び光学的特性を有するレンズアレイ基板を量産可能になる。
【００３０】
また、成形によって複数層のマイクロレンズアレイができるので、貼り合わせによる方法のように透光性樹脂層間などに異物が混入したり、気泡が入ったりしにくく、不良品発生率が低下し、マイクロレンズアレイ基板の歩留りが向上する。さらに、貼り合わせ法のように硬質の基板どうしを貼り合わせる場合には、異物や気泡が混入するとマイクロレンズアレイ基板全体の不良となるが、未硬化の樹脂を重ねていくので、仮に異物や気泡が入っても部分的な不良にとどまる。
【００３１】
さらに、本発明の製造方法によれば、高精度の加工や位置決めが必要ないので、製造工程が少なく、製造設備も簡単になり、コストを安価にすることができる。
【００３２】
特に、本発明に係るレンズアレイ基板の製造方法の実施態様に記載したように、前記第１のスタンパと第２のスタンパ（さらに好ましくはすべてのスタンパ）が同一のスタンパであれば、請求項３に記載したようにレンズアレイの立体形状がいずれも同一となり、成形時にスタンパの取り替え作業が必要ないので、より一層レンズアレイどうしの位置合せ作業を高精度に行なうことができる。なお、この場合には、各レンズアレイの焦点距離は、各透光性樹脂層の屈折率比によって調整することになる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図８は本発明の一実施形態による投影型カラー液晶表示装置３１の全体の構造を示す断面図、図９は当該カラー液晶表示装置３１に用いられている液晶表示素子３２及びマイクロレンズアレイ３３、３４を示す断面図である。この投影型カラー液晶表示装置３１においては、白色光源３５の背後に球面鏡３６が設けられており、球面鏡３６の中心が、白色光源３５における発光部の中心と一致するように配置されている。白色光源３５の前面にはコンデンサレンズ３７が設けられており、コンデンサレンズ３７は、その焦点が白色光源３５の発光部の中心と一致するように配置されている。しかして、白色光源３５から出射された白色光束Ｗ、あるいは白色光源３５から出射され球面鏡３６で反射された白色光束Ｗは、コンデンサレンズ３７を透過することにより、略平行な白色光束Ｗとなる。
【００３８】
ここで、コンデンサレンズ３７を透過した後の白色光束Ｗの、アーク長方向（図８において紙面に垂直な方向）の平行度θa、アーク径の方向（図８において紙面に平行な方向）の平行度θbは、次式から求められる。
θa ＝ arctan（Ｌ／ｆc） …(1)
θb ＝ arctan（Φ／ｆc） …(2)
ただし、Ｌ及びΦは白色光源３５のアーク長及びアーク径、ｆcはコンデンサレンズ３７の焦点距離である。
【００３９】
また、白色光源から平行光束を得る手段としては、上記の構成に限らず、例えば回転放物面鏡を用いる方法、回転楕円面鏡とインテグレータを使用する方法等が適宜選択される。
【００４０】
コンデンサレンズ３７の前方には、３種のダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂがそれぞれ異なる角度で配置されている。ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂは、それぞれ赤、緑、青の色に対応する各波長域の光を選択的に反射し、他は透過する特性を有し、この順に光軸上に配置されている。以下、符号のＲ、Ｇ、Ｂはそれぞれ赤、緑、青の各色を表わすものとする。
【００４１】
青、緑、赤の波長域とは、それぞれ４００〜４９５ｎｍ、約４９５〜５７５ｎｍ、約５７０〜７００ｎｍの波長域を示す。ただし、これらの各波長域の光を全て利用すればスクリーン照度は高くなるが、各原色の色純度は低下するので、色純度を重視する場合には、４９５ｎｍ付近及び５７５ｎｍ付近の光をカットする場合もある。
【００４２】
ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂは、周知の多層薄膜コーティング技術により形成される。赤のダイクロイックミラー３８Ｒは約６００ｎｍより長波長の可視光を反射するように多層薄膜の条件が設定され、青のダイクロイックミラー３８Ｂは約５００ｎｍより短波長の可視光を反射するように多層反射膜の条件が設定され、緑のダイクロイックミラー３８Ｇは約５７０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の可視光を反射するように多層薄膜の条件が設定されている。また、いずれのダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂも赤外線を透過するように設計すれば、赤外線が液晶表示素子３２に到達しなくなるので、液晶表示素子３２の温度上昇を低減するのに効果的である。
【００４３】
３枚のダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂの中で、白色光源３５に一番近い所に設けられたダイクロイックミラー３８Ｒは、白色光源３５からの光束が例えば３０゜前後で入射するように配置されている。その他のダイクロイックミラー３８Ｇ、３８Ｂは、上記ダイクロイックミラー３８Ｒに対してそれぞれ平行な状態から、図において紙面に垂直な方向の軸を回転軸として、角度θずつ順次傾けて配置されている。この相対的な角度θは、後述する液晶表示素子３２の絵素配列ピッチＰ及び液晶表示素子３２に設けられたマイクロレンズアレイ３３、３４の焦点距離ｆμから求めることができる。
【００４４】
しかして、コンデンサレンズ３７を透過した平行な白色光束Ｗは、ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂに入射し、赤の光束、緑の光束、青の光束に分解されて液晶表示素子３２に設けられたマイクロレンズアレイ３３、３４に入射する。ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂを上記のようにθずつ傾けて配置してあると、赤波長域、緑波長域、青波長域のそれぞれの光束がマイクロレンズアレイ３３、３４に対してそれぞれ角度２θずつずれて入射する。
【００４５】
この実施形態では、図８に示すように、緑の光束が、マイクロレンズアレイ３３、３４に垂直入射し、赤及び青の各光束は、この緑の光束を中心に図において紙面と平行な方向に対称に位置するように、角度がつけられている。この赤、青、緑の順番は、白色光源３５のスペクトル分布及びダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂの特性を考慮して決定され、必ずしも図８に示す順序に限るものではない。
【００４６】
液晶表示素子３２は、ガラス基板３９とマイクロレンズアレイ基板４０を有しており、図９に示すように、ガラス基板３９とマイクロレンズアレイ基板４０の間に液晶層４１が封入されている。光出射側に位置するガラス基板３９の内面には、液晶層４１を相変化させるためのストライプ状の信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂが形成されている。また、光入射側に位置するマイクロレンズアレイ基板４０の内面には、上記信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂと直交する走査電極４３が設けられている。この信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂ及び走査電極４３は、透明電極（ＩＴＯ膜）によって形成されている。
【００４７】
マイクロレンズアレイ基板４０には、２層のマイクロレンズアレイ３３、３４が設けられている。このマイクロレンズアレイ基板４０は、２枚のベースガラス（ガラス基板）４４、４５間に互いに屈折率の異なる３層の透明なレンズ樹脂層４６、４７、４８を挟み込んだものであり、屈折率の異なるレンズ樹脂層４６、４７、４８間の界面がレンズパターン形状に成形されており、互いに屈折率の異なるレンズ樹脂層４６、４７間の界面によって第１のマイクロレンズアレイ３３が形成され、互いに屈折率の異なるレンズ樹脂層４７、４８間の界面によって第２のマイクロレンズアレイ３４が形成されている。ここで、マイクロレンズアレイ３３、３４のレンズパターンは、球面レンズ状、蜂の巣（六角レンズ）状、あるいはかまぼこ形レンズ状（レンチキュラーレンズ）でもよい。
【００４８】
光源側に位置するマイクロレンズアレイ３３を構成する各レンズの光軸と光源と反対側に位置するマイクロレンズ３４を構成する各レンズの光軸は互いに平行となっており、マイクロレンズアレイ３３と３４の対向する各レンズの光軸は互いに一致するようになっている。
【００４９】
この液晶表示素子３２では、ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂによって白色光束Ｗを分光しているので、カラーフィルタは必要なく、光利用効率が高くなる。また、各色ごとに対応する映像信号が信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂに印加される。なお、図９においては、液晶表示素子３２の構成要素である偏光板、配向膜等を簡略化のため省略している。
【００５０】
しかして、図１０に示すように、マイクロレンズアレイ３３に所定方向から平行光束を照射すると、マイクロレンズアレイ３３は、レンズパターンのピッチに対応する間隔で、各色の光束を第２のマイクロレンズアレイ３４の出射側近傍に点状に集光する。この集光スポット幅Ｗは、第１のマイクロレンズアレイ３３の焦点距離をｆμとすると、上記白色光源３５の平行度θbに対して、下記の(3)式のようになる。
Ｗ ＝ ｆμ × tan（θb） …(3)
この(3)式に前記(2)式を代入すると、
Ｗ ＝ （ｆμ × Φ）／ｆc …(4)
となる。走査電極４３及び液晶層４１の厚みは、第１のマイクロレンズアレイ３３の焦点距離ｆμに比べて微小であるため、この部分の厚さは無視でき、この集光スポット幅Ｗがそのまま信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂに照射される各光束の幅Ｗeであると考えてよい。
【００５１】
また、各ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂの相対的な角度は、絵素配列ピッチをＰ、マイクロレンズアレイ３３の焦点距離をｆμ、各光束の入射角の差を２θとすると、
Ｐ ＝ ｆμ × tan（２θ） …(5)
の関係を満たせば、最初の集光ライン（３種のダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂのうち、白色光源３５に最も近い位置に配設されたダイクロイックミラー３８Ｒで反射した光による集光ライン）に対して、順次他の集光ラインがそれぞれ上記のピッチ分だけずれた位置に形成される。これにより、マイクロレンズアレイ３３を構成するマイクロレンズ一つに対応する隣接した３個の信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂに、各々対応する色の集光ラインが収まるようになっている。
【００５２】
なお、マイクロレンズアレイ３４の焦点距離も、光源側のマイクロレンズアレイ３３と同じ焦点距離ｆμに設定されている。
【００５３】
上記液晶表示素子３２における光出射方向の前方には、図８に示すように、投影手段としてのフィールドレンズ４９及び投影レンズ５０が設けられており、さらに、この投影レンズ５０の前方には、スクリーン５１が設けられている。フィールドレンズ４９の焦点距離はフィールドレンズ４９及び投影レンズ５０間の距離に設定されており、液晶表示素子３２から出射された各色の光束は、上記フィールドレンズ４９によって投影レンズ５０の設けられている位置に収束され、この投影レンズ５０によりスクリーン５１に投影される。なお、上記フィールドレンズ４９を用いず、液晶表示素子３２から直接投影レンズ５０に光を入射するような構成とすることも可能である。
【００５４】
しかして、白色光源３５からダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂに向かって白色光を照射すると、ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂが各々異なる色の光束をそれぞれ反射することにより、白色光が三原色に分解される。各色の光束は、図１０に示すように、ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂが配置された角度に応じて、上述のように各々異なる角度で、第１のマイクロレンズアレイ３３に入射する。
【００５５】
このマイクロレンズアレイ３３からの光は、マイクロレンズアレイ３４を介して、各色に対応する信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂに集光されるが、このとき、信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂをその上に集光される色に対応した映像信号でそれぞれ駆動すると、各色の光束はその信号に応じて強度が変調される。変調後の光束は、上記フィールドレンズ４９及び投影レンズ５０を通過した後、スクリーン５１に投影され、このスクリーン５１上でカラー映像表示が行われる。
【００５６】
ところで、従来の投影型カラー液晶表示装置（第１の従来例）では、垂直入射以外の赤、青の２光束の光軸（主光線）が、液晶表示素子３２を出射した後も２θの角度をもって伝搬してしまうため、これらを全て捕捉し投影するためには、大口径の投影レンズが必要であった。しかしながら、この実施形態の投影型カラー液晶表示装置３１では、出射光の拡がりを小さくするため、第２のマイクロレンズアレイ３４が設けられている。また、第１のマイクロレンズアレイ３３の焦点距離は、この第２のマイクロレンズアレイ３４の出射側近傍に第１のマイクロレンズアレイ３３から出射された光束の焦点が位置するよう、上記(5)式の関係を満足するように設定されている。
【００５７】
このように配置された第２のマイクロレンズアレイ３４は、フィールドレンズ４９と同様の機能を果たし、各色の光束の光軸を互いに平行化することにより、その出射方向を液晶表示素子３２に対して垂直にし、液晶表示素子３２からの出射光の広がり角を小さくすることができる。したがって、小口径の投影レンズ５０を用いた場合でも、全光束を有効に利用することができる。これにより、光利用効率が高く、ホワイトバランスの良いカラー画像を得ることが可能になると共に、コストアップの原因となっていた高価な大口径のレンズを用いなくてもよくなることから、投影型カラー液晶表示装置３１全体としてのコストアップを回避することが可能になる。
【００５８】
なお、マイクロレンズアレイ３３、３４の焦点距離を調整する方法としては、つぎのようにすればよい。まず第１の方法は、マイクロレンズアレイ３３、３４を構成するレンズ樹脂層４６、４７、４８の屈折率を変えればよい。例えば図１１（ａ）は屈折率がｎ１、ｎ２（ｎ１＜ｎ２）のレンズ樹脂層４６、４７の界面にマイクロレンズアレイ３３を形成しているが、図１１（ｂ）のように、この屈折率ｎ２のレンズ樹脂層４７をより大きな屈折率ｎ３（＞ｎ２）のものに代えると、マイクロレンズアレイ３３の焦点距離を短くすることができる。第２の方法としては、マイクロレンズアレイ３３、３４の曲率を変えればよい。例えば図１２（ａ）は屈折率がｎ１、ｎ２（ｎ１＜ｎ２）のレンズ樹脂層４６、４７の界面に曲率半径がｒ１のマイクロレンズアレイ３３を形成しているが、図１２（ｂ）のように、このマイクロレンズアレイ３３をより小さな曲率半径ｒ２（＜ｒ１）にすれば、マイクロレンズアレイ３３の焦点距離を短くすることができる。
【００５９】
（マイクロレンズアレイ基板の製造方法）
つぎに、上記マイクロレンズアレイ基板４０の製造方法を図１３及び図１４（ａ）〜図１６（ｉ）により説明する。これは、紫外線照射により硬化する紫外線硬化型樹脂を用いた、いわゆる２Ｐ（Photo-Polymerization）法により、２枚のベースガラス４４、４５間に２層のマイクロレンズアレイ３３、３４を成形する方法である。
【００６０】
まず、図１３に示すように、成形機の下側テーブル５２の上面にベースガラス４４を置き、下側テーブル５２内の吸着チャック５３でベースガラス４４の下面の空気を排気することにより下側テーブル５２の上面にベースガラス４４を吸着させる。同様に、成形機の上側テーブル５４の下面にスタンパ５７を重ね、上側テーブル５４内の吸着チャック５５からスタンパ５７の上面の空気を排気することにより上側テーブル５４の下面にスタンパ５７を吸着させる。この上側テーブル５４はガイド機構（図示せず）によって位置ずれのないよう精密に上下するようになっている。
【００６１】
ついで、図１４（ａ）に示すように、透明なベースガラス４４の上に流動性のある透明な紫外線硬化型樹脂５６を供給した後、紫外線硬化型樹脂５６の上からベースガラス４４へ向けてスタンパ５７を降下させる。このスタンパ５７の下面には、マイクロレンズアレイ３３、３４のレンズパターンと合致する反転パターン５８が形成されている。このスタンパ５７をベースガラス４４に十分に押し付けてスタンパ５７とベースガラス４４の間に紫外線硬化型樹脂５６を挟み込み、紫外線硬化型樹脂５６をスタンパ５７とベースガラス４４の間に押し広げてスタンパ５７の反転パターン５８で紫外線硬化型樹脂５６を型押しした後、そのままの状態を保持し、ベースガラス４４を通して紫外線硬化型樹脂５６に紫外線ランプ等によって紫外線（ＵＶ光）を照射する［図１４（ｂ）］。
【００６２】
紫外線を照射された紫外線硬化型樹脂５６は、紫外線を浴びると硬化反応を起こして硬化するので、紫外線硬化型樹脂５６にスタンパ５７の反転パターン５８が転写成形される。スタンパ５７を上昇させて紫外線硬化型樹脂５６から分離すると、硬化した紫外線硬化型樹脂５６によってベースガラス４４の上にレンズ樹脂層４６が成形されると共に当該レンズ樹脂層４６の表面にマイクロレンズアレイ３３のパターンが成形される［図１４（ｃ）］。
【００６３】
ついで、硬化したレンズ樹脂層４６の上に、レンズ樹脂層４６とは屈折率が異なり流動性のある透明な紫外線硬化型樹脂５９を供給した後、紫外線硬化型樹脂５９の上からレンズ樹脂層４６へ向けて上記スタンパ５７を再度降下させる［図１５（ｄ）］。このスタンパ５７をレンズ樹脂層４６に十分に押し付けてスタンパ５７とレンズ樹脂層４６の間に紫外線硬化型樹脂５９を挟み込み、スタンパ５７の反転パターン５８で紫外線硬化型樹脂５９を型押しして紫外線硬化型樹脂５９をスタンパ５７とレンズ樹脂層４６の間に押し広げた後、そのままの状態を保持し、ベースガラス４４及びレンズ樹脂層４６を通して紫外線硬化型樹脂５９に紫外線ランプ等によって紫外線（ＵＶ光）を照射する［図１５（ｅ）］。
【００６４】
紫外線を照射された紫外線硬化型樹脂５９は、紫外線を浴びると硬化反応を起こして硬化するので、紫外線硬化型樹脂５９にスタンパ５７の反転パターン５８が転写成形される。スタンパ５７を上昇させてスタンパ５７を紫外線硬化型樹脂５９から分離すると、硬化した紫外線硬化型樹脂５９によってレンズ樹脂層４６の上にレンズ樹脂層４７が成形される。そして、レンズ樹脂層４６とレンズ樹脂層４７の界面にマイクロレンズアレイ３３が形成されると共にレンズ樹脂層４７の表面にマイクロレンズアレイ３４のパターンが成形される［図１５（ｆ）］。
【００６５】
さらに、硬化したレンズ樹脂層４７の上に、レンズ樹脂層４７とは屈折率が異なり流動性のある透明な紫外線硬化型樹脂６０を供給した後、上側テーブル５４の下面にベースガラス４５を吸着させ、紫外線硬化型樹脂６０の上からレンズ樹脂層４７へ向けてベースガラス４５を真っ直ぐに降下させる［図１６（ｇ）］。このベースガラス４５をレンズ樹脂層４７に十分に押し付けてベースガラス４５とレンズ樹脂層４７の間に紫外線硬化型樹脂６０を挟み込み、ベースガラス４５で紫外線硬化型樹脂６０の表面を平らにならして紫外線硬化型樹脂６０をベースガラス４５とレンズ樹脂層４７の間に押し広げた後、そのままの状態を保持し、ベースガラス４４及びレンズ樹脂層４６、４７を通して紫外線硬化型樹脂６０に紫外線ランプ等によって紫外線（ＵＶ光）を照射する［図１６（ｈ）］。
【００６６】
紫外線を照射された紫外線硬化型樹脂６０は、紫外線を浴びると硬化反応を起こして硬化する。この結果、紫外線硬化型樹脂６０によってレンズ樹脂層４７とベースガラス４５の間にレンズ樹脂層４８が成形されると共にレンズ樹脂層４７とレンズ樹脂層４８の界面にマイクロレンズアレイ３４が成形される。
【００６７】
こうして図１６（ｉ）のような構造のマイクロレンズアレイ基板４０が製造される。このマイクロレンズアレイ基板４０の内面（ベースガラス４５の表面）には液晶層４１を駆動するための走査電極４３等を形成するので、ここには高度な平面性が求められる。そのため図１６（ｈ）の工程で上側テーブル５４によりベースガラス４５を押圧することにより、液晶用基板に要求される平面性を損ねる程度にベースガラス４５のうねりが大きくなる場合には、最後にベースガラス４５の研磨工程を追加してもよい。研磨する場合には、予め研磨される分だけ厚みの大きなベースカバー４５を使用する。
【００６８】
また、この製造工程では、上側テーブル５４の下面に吸着されるスタンパ５７及びベースガラス４５と、下側テーブル５２の上面に吸着されるベースガラス４４の位置決めは、ある程度の精度でよい。上側テーブル５４の下面に吸着されていたスタンパ５７をベースガラス４５に取り替えるまでは、スタンパ５７とベースガラス４４の相対位置は変化せず、マイクロレンズアレイ３３のパターンとマイクロレンズアレイ３４のパターンは同一のスタンパ５７によって成形されるので、スタンパ５７とベースガラス４４、４５の位置決めがある程度の精度であっても、マイクロレンズアレイ３３とマイクロレンズアレイ３４とはぴったりと一致することになる。
【００６９】
スタンパ５７やベースガラス４４の位置決めがある程度の精度でよいのは、マイクロレンズアレイ基板４０を製作する際には、１基板ずつ製作するわけではなく、多くの場合、上記のようにしてマイクロレンズアレイ基板４０をラフに作製した後、予めスタンパ５７に作り込んであったマーカーを基準にしてマイクロレンズアレイ基板４０の外形をカットし、さらに必要に応じてマイクロレンズアレイ基板４０を所定枚数にカットして使用するからである。ただし、この場合にはマイクロレンズアレイ３３、３４の焦点距離の調整は、各レンズ樹脂層の屈折率によって行なうことになる。
【００７０】
なお、マイクロレンズアレイ３３及び３４の焦点距離を各レンズパターンの曲率半径によって調整する場合には、２種類のスタンパを用いる必要があるが、その場合には、上側テーブル５４に位置決め手段を設けてスタンパの位置決めだけを精密に行なう必要がある。また、レンズ樹脂層４６、４７、４８を成形するための樹脂材料としては、紫外線硬化型樹脂以外の光硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂などでもよい。もっとも、製造上の扱い易さと生産性の点で、いまのところ紫外線硬化型が勝っている。
【００７１】
（スタンパの製造方法）
つぎに、上記スタンパ５７の製造方法を図１７に示す。まず、図１７（ａ）に示すような平板状のガラス板６１を用意し、図１８に示すようにガラス板６１の表面に、結像レンズ６２で集光させたレーザー光を照射し、レーザー加工（レーザーリトグラフィ）により２点鎖線で示す深さまでガラス板６１を蒸発除去し、ガラス板６１の表面に所望の凹凸パターン６３（すなわち、マイクロレンズアレイ３３、３４のレンズパターンと同じ形状であって、予めレーザー加工装置を制御するコンピュータに記憶させている）を形成する［図１７（ｂ）］。ガラス板６１の表面に所望のレンズパターン６３を形成してガラス板６１からなる原盤６４を作製した後、原盤６４の上にニッケルを堆積させ、ニッケル電鋳法により原盤の反転型であるニッケルマスタ６５を作製し［図１７（ｃ）］、ニッケルマスタ６５を原盤６４から剥離する［図１７（ｄ）］。ニッケル電鋳法によりニッケルマスタ６５を作製する際には、その準備として原盤６４を例えば蒸着法あるいは無電解メッキ法で導電化しておき、導電化された原盤６４の表面を陰極とし、例えばスルファミン酸ニッケル浴で電気メッキしてニッケルマスタ６５を作製する。
【００７２】
このニッケルマスタ６５をさらにニッケル電鋳法で複製したものをスタンパ５７とする。ニッケルマスタ６５を複製する場合には、ニッケルマスタ６５の表面に例えば重クロム酸カリ溶液で酸化膜を作った後、再びニッケル電鋳法により凸凹が反転したスタンパ５７（原盤の複製）を作製する［図１７（ｅ）］。
【００７３】
また、スタンパ５７を作製するには、図１９（ａ）〜（ｅ）に示すように、ガラス板６１の表面に塗布されたレジスト６８をレーザー加工することによって原盤６４を作製してもよい。レジスト６８を使用する場合には、ガラス板６１とレジスト６８の密着剤として、例えばシランカップリング剤をガラス板６１の表面に塗布しておき、レーザー加工した後、露光、現像及び洗浄の工程を経て、レジスト６８による凹凸パターン６３がガラス板６１の表面に形成される［図１９（ａ）（ｂ）］。この後の処理は、図１７（ｃ）以下と同様に行う［図１９（ｃ）〜（ｅ）］。
【００７４】
本実施形態にあっては、上記のようにしてマイクロレンズアレイ基板４０を製作しているので、以下に示す▲１▼〜▲４▼のような効果が得られる。
▲１▼ 位置決め不要で、かつ、精度の高いレンズ位置合わせができる。
上記実施形態から分かるように、マイクロレンズアレイを成形するためのスタンパとレンズ樹脂層を積層していく基板となるベースガラスは、成形機の上側テーブルと下側テーブルにそれぞれ吸着されて動かない。つまり、マイクロレンズアレイを複数層積層しても複数層の各マイクロレンズアレイの位置がずれることがない。従って、特別に位置決めをしなくとも、従来の貼り合わせ法により製造されたマイクロレンズアレイ基板とは比較にならないくらい高精度のレンズ位置合わせが可能になる。
【００７５】
▲２▼ 貼合わせでは事実上、不可能だった量産が可能となる。
上記のように、高精度の位置決めを行なわなくても精度の高いレンズ位置決めを行なえるので、マイクロレンズアレイの量産が可能になる。
▲３▼ 不良品発生率が低下し、歩留りが向上する。
従来の貼り合わせ法によるマイクロレンズアレイ基板では、異物や気泡を挟み込むと、マイクロレンズアレイとしての特性を満たせなくなり、マイクロレンズアレイ基板そのものが不良品となってしまう。これに対し、本発明のマイクロレンズアレイ基板では、べースガラス間に納まる大きさ（厳密には、べースガラスとスタンパの間の大きさ）であれば、仮にレンズ樹脂層間などに異物や気泡が混入しても、その部分のレンズ単体は欠陥部分となっても、マイクロレンズアレイ基板全体が不良品になることはない。なぜなら、スタンパで押圧されるレンズ樹脂層（紫外線硬化型樹脂など）は、硬化前には流動性のよいもので、レンズ樹脂層間やレンズ樹脂層とベースガラスの間に異物や気泡を挟み込んだとしても、その部分に異物や気泡が混入するだけで他の部分に影響を及ぼさない（つまり、マイクロレンズ基板全体の反りや傾き、膨れなどにならない）からである。
【００７６】
もちろん、許容される異物や気泡の大きさには限度がある。マイクロレンズアレイ基板は光学部品であるから、投影型カラー液晶表示装置などの最終製品となったときに欠陥と認められるようなものは、マイクロレンズアレイ基板としても欠陥品である。これには個々の製品仕様によるが、少なくとも従来の製法のように、数ミクロンの異物や気泡など微小な欠陥まで許容されない訳ではない。
【００７７】
▲４▼ 製造工数が少ない
本発明によるマイクロレンズアレイ基板の製造方法によれば、レンズ位置決めに高い精度を要求されず、そのため製造工程においても非常に工数の多い工程が存在しない。また、スタンパによる単層マイクロレンズアレイ基板の製造方法と比較しても、スタンパで樹脂を押圧して硬化させる工程を繰り返すだけでよく、製造工数はほぼ同等である。また、マイクロレンズアレイ基板の製造設備も、単層のマイクロレンズアレイ基板を製造できる装置であれば、屈折率の異なる樹脂の供給できるようにするだけでよく、ほぼそのままの製造装置により多層のマイクロレンズアレイを作製することができる。よって、従来方法のように貼合せ装置が必要なく、設備コストが安価になる。
【００７８】
▲５▼ マイクロレンズアレイ基板に結合面が少なく、設計の負担が減少する。
このマイクロレンズアレイ基板における複層化の構造設計で最も重要な点は、レンズ樹脂層間の屈折率比および各マイクロレンズアレイのレンズ曲率である。この構造設計は、結合面（屈折率の違う材質の境界面）が多くなれば、それだけ設計やシミュレーションが複雑になる。具体的に言うと、図４のような構造の従来のマイクロレンズアレイ基板では、第１及び第２のマイクロレンズアレイ（パターン）間には、高屈折率樹脂、ガラス基板、レンズ基板（ガラス）が存在しているのに対し、この実施形態のマイクロレンズアレイ基板では、マイクロレンズアレイ間には、レンズ樹脂層が１層存在するだけで、簡単な構造となっている。
【００７９】
なお、上記実施形態では２層のマイクロレンズアレイを成形する方法について説明したが、本発明の方法は、３層以上のマイクロレンズアレイを成形する場合にも適用することができる。
【００８０】
（第２の実施形態）
つぎに、マトリックス状に配置された矩形絵素をスイッチングするアモルファス・シリコン半導体薄膜トランジスタを介してダイナミック表示駆動される周知のツイステッド・ネマテイックモード（ＴＮ）のアクティブ・マトリックス型液晶表示素子を用いた実施形態を説明する。
【００８１】
この実施形態の液晶表示素子では、図２０（ａ）に示すように絵素配列がデルタ配列になっており、各絵素に対応する各絵素電極７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂがデルタ配列をなし、絵素電極７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂを示していない部分は遮光層である。
【００８２】
絵素配列が、上記のようなデルタ配列の場合、マイクロレンズアレイとしてレンチキュラーレンズを用いるのは不適当である。すなわち、この場合には、図２０（ａ）に示すように、方形状のマイクロレンズ７２をレンガ積み状に配置したマイクロレンズアレイや、個々のマイクロレンズの形状は、必ずしもそれに対応する絵素の組の形と相似形である必要はないため、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、球面レンズの外周部が相互に融合した六角形のマイクロレンズ７３を稠蜜に配列した蜂の巣状のマイクロレンズアレイが用いられる。
【００８３】
図２０（ａ）及び（ｃ）に示す場合、一つのマイクロレンズ７２（あるいは７３）により集光される三原色の集光スポットは横一列に並び、１つのマイクロレンズ７２（あるいは７３）が横一列に並んだ三個の絵素電極７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂに対応するように、絵素配列とマイクロレンズアレイの相対的な位置関係が設定されている。一方、同図（ｂ）に示す場合には、一つのマイクロレンズ７３により集光される三原色の各集光スポットが、それぞれ三角形の頂点を形成するように並び、一つのマイクロレンズ７３がそれぞれ三角形の頂点となるように並んだ３個の絵素電極７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂが対応するように、絵素配列とマイクロレンズアレイの相対的な位置関係が設定されている。
【００８４】
このように一組の集光スポットが三角形状に照射される場合には、ダイクロイックミラーは、その画法線の方向を傾けるように配置する。これにより、マイクロレンズの光軸と各色の入射光のなす角は小さくなるので、マイクロレンズアレイの収差が低減される。
【００８５】
このような液晶表示素子に用いられる２層のマイクロレンズアレイ、あるいはマイクロレンズアレイ基板としては第１の実施形態で説明したような構造のものを用いることができる。また、そのマイクロレンズアレイ基板も第１の実施形態で説明した製造方法と同様にして製造することができる。
【００８６】
（第３の実施形態）
つぎに、本発明のさらに別な実施形態を説明する。図２１は反射型カラー液晶表示装置に用いられるマイクロレンズアレイ付きの反射型液晶表示素子８１の断面図である。また、図２２はそのレンズ部分と画素の配列を示す図である。反射型液晶表示素子８１は、マイクロレンズアレイ基板４０とガラス基板８２の対向面にそれぞれ透明な走査電極８３と反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂを形成し、その間に液晶層８５を充填して周囲をシール材８６によって封止している。
【００８７】
マイクロレンズアレイ基板４０は、透明で互いに屈折率の異なる３層のレンズ樹脂層４６、４７、４８をベースガラス４４、４５間に挟み込んだものであって、レンズ樹脂層４６、４７、４８の界面にマイクロレンズアレイ３３、３４が形成されている。このマイクロレンズアレイ基板４０は、第１の実施形態において説明したものと同じものであるから、詳細な構造や製造方法は説明を省略する。
【００８８】
このようなマイクロレンズアレイ基板４０においては、図２５に示すように、第１のマイクロレンズアレイ３３は各色の光束を集光し、第２のマイクロレンズアレイ３４は、第１のマイクロレンズアレイ３３を透過した各光束の主光線が対応する反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂに垂直に入射するように屈折させる。反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂに垂直に光束が照射されることにより、反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂで反射した光束はもとのレンズ部分を通って反射型液晶表示素子８１の前面から出射される。
【００８９】
また、マイクロレンズアレイ３３、３４を構成する個々のレンズ部分には、反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂの中心が３角形の頂点位置に均等に配列されている。この配列にあっては、図２２に点線で示すように赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の各画素（反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂ）が複数のレンズ部分にわたって直線状に配列されている。
【００９０】
また、レンズ部分と反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂの配列については、図２３に示すように、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の各画素を直線状に配列するとともに１つのレンズ部分内に収めるようにしてもよい。あるいは、図２４に示すように、レンズ部分の輪郭形状を六角形でなく四角形にしてもよい。
【００９１】
しかして、ダイクロイックミラーによって三原色に分解された光束は、図２１に示すように、異なる角度でマイクロレンズアレイ基板４０に入射し、第１のマイクロレンズアレイ３３で絞られ、第２のマイクロレンズアレイ３４で屈折されて反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂに垂直に入射させられ、反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂで反射した光束は入射時と同一の光路をたどって元の方向へ出射する。こうして、マイクロレンズアレイ３３、３４の各レンズ部分の中心から各光束が入射すれば、この入射光束に対応する反射光束もレンズ部分の中心から出射することになり、投影レンズ径の小径化を図りつつ照射光の有効利用が図れる。
【００９２】
（第４の実施形態）
図２６は本発明のさらに別な実施形態による反射型表示装置１０１の構成を示す概略図である。これはＤＭＤ（digital micromirror device）１０２と呼ばれる微細な光学素子を用いたものであって、例えばプロジェクタなどに用いられる。
【００９３】
まず、ＤＭＤ１０２について説明する。これはマイクロマシニング技術を用いることにより、Ｓｉ基板１０３上に多数の微細なマイクロミラー１０５を配列させた光学素子である。このＤＭＤの１画素分の構造を図２７に示す。Ｓｉ基板１０３の上面には一対の支持部１０６が設けられており、Ｓｉ基板１０３の表面においてトーションヒンジ１０７の両端が支持部１０６によって支持されている。トーションヒンジ１０７には、ヨーク１０８の中央部が取り付けられており、ヨーク１０８の中心に立てられた柱部１０９の上端にマイクロミラー１０５が形成されている。Ｓｉ基板１０３の上面には、静電気等の電気磁気的な力によってヨークに駆動力を及ぼしてトーションヒンジ１０７を捩らせながらヨーク１０８の傾きを調整することにより、マイクロミラー１０５の角度を制御するためのミラー駆動手段（図示せず）が設けられている。こうしてヨーク１０８を傾けることにより、マイクロミラー１０５の角度を変化させることができ、マイクロミラー１０５に光を照射していると、反射光の方向を自由に制御することができる。
【００９４】
ＤＭＤ１０２を用いた反射型表示素子１０１は、図２６に示すように、ＤＭＤ１０２に対向させてマイクロレンズアレイ基板４０を配置し、光源１１０から出射された白色光をダイクロイックミラー１１１によって赤、緑、青の光束に分光させ、各色の光束をマイクロレンズアレイ基板４０を透過させることにより、１絵素を構成する３つのマイクロミラー１０５に照射させるようにしたものである。各絵素において、スクリーン１１４に表示する必要のない光束は、マイクロミラー１０５によって横方向へ反射されて光アブソーバ１１２に吸収され、スクリーンに表示する場合には、マイクロミラー１０５によってプロジェクションレンズ１１３の方向へ反射させ、プロジェクションレンズ１１３によってスクリーン１１４上に結像され、表示画像の１画素となる。また、階調を表示するには、１フレーム周期の間に階調レベルに応じて時分割された時間だけ、スクリーンに光が投射されるようにミラーを制御する。例えば２５６階調では、１フレーム時間（６０フレームでは１／６０秒）を２５６分の１に分けた間隔でミラーを制御している。
【００９５】
このようなＤＭＤ１０２を用いた反射型表示装置１０１において２層構造のマイクロレンズアレイ基板４０を用いれば、マイクロレンズアレイ基板４０とＤＭＤ１０２の間で各色の光束の主光線が平行となるように出射されるから、マイクロミラー１０５間のピッチを小さくすることができ、反射型表示装置１０１の画素を精細化することができる。しかも、そのマイクロレンズアレイ基板４０としてレンズ樹脂層の界面によってマイクロレンズアレイ３３、３４を成形したものを用いれば、光学特性を良好にできるので、反射型表示装置の品質が良好となり、コストも安価にできる。
【００９６】
さらには、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、画像表示装置の応用分野として、投影型プロジェクタ、背面投影型のプロジェクタテレビ（リアプロＴＶ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ；近年パーチャルアミューズメントなどに用いらている眼鏡式の表示モニタ）などにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の投影型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図２】同上の装置に用いられているダイクロイックミラーの構成を示す図である。
【図３】同上の装置に用いられている液晶表示素子とマイクロレンズアレイを示す断面図である。
【図４】別な従来例の投影型カラー液晶表示装置に用いられている液晶表示素子とマイクロレンズアレイ基板を示す断面図である。
【図５】同上のマイクロレンズアレイの作用を説明する図である。
【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は同上のマイクロレンズアレイの製造方法を説明する断面図である。
【図７】同上のマイクロレンズアレイやガラス基板等からマイクロレンズアレイ基板を製作する方法を説明する図である。
【図８】本発明の一実施形態による投影型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図９】同上の装置に用いられている液晶表示素子とマイクロレンズアレイを示す断面図である。
【図１０】同上の装置に用いられているマイクロレンズアレイ基板の作用を説明する図である。
【図１１】（ａ）（ｂ）は同上のマイクロレンズアレイの焦点距離の調整方法を説明する図である。
【図１２】（ａ）（ｂ）は同上のマイクロレンズアレイの焦点距離の別な調整方法を説明する図である。
【図１３】同上のマイクロレンズアレイ基板を製造するための成形機の上側テーブル及び下側テーブルを示す概略断面図である。
【図１４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は同上のマイクロレンズアレイ基板の製造工程を説明する図である。
【図１５】（ｄ）（ｅ）（ｆ）は図１４の続図である。
【図１６】（ｇ）（ｈ）（ｉ）は図１５の続図である。
【図１７】（ａ）〜（ｅ）はマイクロレンズアレイのパターンを成形するためのスタンパの製造方法を説明する図である。
【図１８】ガラス板をレーザー加工する様子を示す図である。
【図１９】（ａ）〜（ｅ）はマイクロレンズアレイのパターンを成形するためのスタンパの別な製造方法を説明する図である。
【図２０】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の別な実施形態における投影型カラー液晶表示装置に用いられるマイクロレンズアレイの形状を示す図である。
【図２１】本発明のさらに別な実施形態による反射型液晶表示素子の構造を示す断面図である。
【図２２】同上の素子におけるレンズ部分と画素の配列を示す図である。
【図２３】同上の素子におけるレンズ部分と画素の別な配列を示す図である。
【図２４】同上の素子におけるレンズ部分と画素のさらに別な配列を示す図である。
【図２５】同上の素子における照射光と反射光の光路を示す図である。
【図２６】本発明のさらに別な実施形態による反射型表示装置の構成を示す概略図である。
【図２７】同上の表示装置に用いられているＤＭＤの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
３２ 液晶表示素子
３３、３４ マイクロレンズアレイ
３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂ ダイクロイックミラー
４０ マイクロレンズアレイ基板
４１ 液晶層
４４、４５ ベースガラス
４６、４７、４８ レンズ樹脂層
５６、５９、６０ 紫外線硬化型樹脂
５７ スタンパ
１０２ ＤＭＤ
１０５ マイクロミラー
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズアレイ基板の製造方法に関する。特に、微細なマイクロレンズの集合を多層構造にしたマイクロレンズアレイ基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子を用いてカラー表示を行なう方式として投影型カラー画像表示方式があり、そのうちには、三原色に応じて液晶表示素子を３枚用いる三板式と、１枚のみを用いる単板式とがある。しかし、三板式の投影型カラー画像表示方式では、色分離系と色合成系が必要であるため、光学系が複雑になって部品点数が多くなってしまい、コストが高くつくと共に小型化が困難である。また、単板式の投影型カラー画像表示方式では、三板式と比較すると、コストが安価で、小型化にも適しているが、カラーフィルタによる光の吸収や反射のため、入射光の約１／３しか利用できず、光の利用効率が悪くて表示画面が暗くなるという問題がある。
【０００３】
（第１の従来例）
このような問題を解決するため、図１に示すような構造の単板式の投影型カラー液晶表示装置１が提案されている。この装置においては、白色光源２から出射された白色光Ｗ、または球面鏡３で反射された白色光Ｗは、コンデンサレンズ４で平行光に変換され、この白色平行光はダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに入射される。３枚のダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂは、それぞれ赤、緑、青の波長域の光を反射させるものであって、図２に示すように、白色光源２に近い側から順にダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂがそれぞれ角度θだけずらして扇型に配置されている。
【０００４】
しかして、３枚のダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに入射した白色光Ｗは、▲１▼ダイクロイックミラー５Ｒで反射される赤の光束、▲２▼ダイクロイックミラー５Ｒを通過し、ダイクロイックミラー５Ｇで反射され、再度ダイクロイックミラー５Ｒを通過して得られる緑の光束、▲３▼ダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇを通過し、ダイクロイックミラー５Ｂで反射され、再度ダイクロイックミラー５Ｇ、５Ｒを通過して得られる青の光束の３光束に分けられる。このとき、緑の光束は赤の光束に対して進行方向が２θの角度だけ傾いて出射し、青の光束は緑の光束に対して進行方向が２θの角度だけ傾いて出射される。
【０００５】
ダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂにより分割された赤、青、緑の各光束は、液晶表示素子６の光源側に配置されているマイクロレンズアレイ７にそれぞれ異なった角度で入射される。ここで、液晶表示素子６は、緑の光束が液晶表示素子面に垂直入射するように配置されている。マイクロレンズアレイ７を通過した各光束は、それぞれに対応した色信号が独立して印加される信号電極により駆動される各絵素開口に、各光束の入射角度に応じて分配照射される。この装置では、吸収型のカラーフィルタを用いないので、光の利用効率が向上し、極めて明るい画像を提供することができる。
【０００６】
しかしながら、分光手段として上記のようなダイクロイックミラー５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを用いたカラー液晶表示装置１においては、以下に述べるような原因により、画質の低下が招来されるという問題が生じている。
【０００７】
すなわち、この投影型カラー液晶表示装置１にあっては、図３に示すように、液晶表示素子６の光入射側に各絵素に対応したマイクロレンズの集合からなる１層のマイクロレンズアレイ７が設けられている。マイクロレンズアレイ７は、ガラス基板８にエッチングされた凹部内に高屈折率樹脂９を充填し、このガラス基板８と高屈折率樹脂９の界面に形成されている。ガラス基板８にマイクロレンズアレイ７を形成されたマイクロレンズアレイ基板１０は、液晶表示素子６の光源側に接合されている。マイクロレンズアレイ７によって液晶表示素子６の信号電極１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂにより駆動される各絵素開口部に収束させられた各光束は、液晶表示素子６を通過した後、大きな角度範囲でそれぞれ拡散していく。このため、図１のように液晶表示素子６を透過した各色の光束の主光線をフィールドレンズ１２によって屈折させ、投影レンズ１３で収束させてスクリーン１４上に画像を投影している。
【０００８】
しかしながら、この従来例では、カラーフィルタを用いたカラー液晶表示装置で用いられている投影レンズよりも大口径の投影レンズを用いなければ、光利用効率が低下し、画質の低下がもたらされ、コストも高くつくという問題があった。
【０００９】
（第２の従来例）
そこで、上記投影型カラー液晶表示装置の光利用効率を向上させ、色純度の低下を防止して画像品質を向上させるための投影型カラー液晶表示装置が提案されている（特開平７−１８１４８７号、特開平９−９０３３６号など）。この投影型カラー液晶表示装置の全体構成は、図１に示した第１の従来例とほぼ同じであるが、液晶表示素子６に設けたマイクロレンズアレイ１３、１４が２層になっているところに特徴がある。すなわち、この投影型カラー液晶表示装置に用いられている液晶表示素子６では、図４に示すように、光源側に用いられるガラス基板１５の両面に平板型のマイクロレンズアレイ基板１６、１７を接合し、内面側のマイクロレンズアレイ基板１７の表面に焦点距離調整用のカバーガラス（スペーサ）１８を設け、ガラス基板１５及びマイクロレンズ基板１６、１７に一体化されたカバーガラス１８と光出射側のガラス基板２０の間に液晶層２１を封入する構造となっている。ここで、各マイクロレンズアレイ基板１６、１７は、レンズ基板２２にレンズパターンを凹設し、このレンズパターンの凹部２３内に高屈折率樹脂２４を充填してレンズ基板２２の表面を平坦にし、レンズ基板２２と高屈折率樹脂２４の界面にマイクロレンズアレイ１３、１４を形成したものである。
【００１０】
しかして、図５に示すように、液晶表示素子６の光源側に配置されたマイクロレンズアレイ１３は、液晶表示素子６における各色に対応する絵素開口部にそれぞれの色の光束を収束させる。このような各色の光束は、液晶表示素子６に対してそれぞれ異なる角度から照射されるので、マイクロレンズアレイ１３により収束された後は、各光束の主光線の方向に応じて広がっていこうとする。マイクロレンズアレイ１４は、これら各色の光束の主光線が互いにほぼ平行となるようにして液晶表示素子６から出射させる。
【００１１】
この光源と反対側のマイクロレンズアレイ１４は、フィールドレンズと同様の働きをするものであり、このように各色の光束の主光線を互いにほぼ平行にすることが可能になるので、投影手段として例えば小口径の投影レンズを用いた場合でも、全光束をほとんどカットすることなく、有効に利用することができる。したがって、光の利用効率を向上させてより明るく、かつ、ホワイトバランスのよいカラー画像を得ることができるようになる。また、大口径の投影レンズ等を使用する必要がなくなるため、製造コストの低減を実現できる。
【００１２】
つぎに、このような２層のマイクロレンズ１３、１４を備えたガラス基板１５の製造方法を図６により説明する。まず、図６（ａ）に示すような所定厚みのレンズ基板２２を準備し、図６（ｂ）のように、レンズパターンと同じピッチで開口２５をあけられたマスク２６をレンズ基板２２の表面に形成する。ついで、図６（ｃ）に示すように、マスク２６の開口２５を通してレンズ基板２２の火造り面に対して等方性エッチング処理を行なうことにより、レンズ基板２２の表面に凹部２３（レンズパターン）を形成する。火造り面とは、ガラス基板１５をフュージョン法等で製造するにあたり、溶融ガラスを徐冷、成板した後の研磨していないそのままの表面をいう。上記凹部２３には、図６（ｄ）のように高屈折率樹脂２４を充填し、表面をレベリングすることでレンズ部分とし、マイクロレンズアレイ基板１６、１７を製作する。この後、図６（ｅ）に示すように、レンズ基板２２のレンズ形成面と反対側の面を研磨し、マイクロレンズアレイ１３、１４の焦点距離等を設定値に合わせるべく厚み調整する。
【００１３】
上記のようにして作製されたマイクロレンズアレイ基板１６、１７は、図７に示すように、互いに光軸を位置合せしながらガラス基板１５の両面に接合され、さらに一方のマイクロレンズアレイ基板１７の表面にカバーガラス１８を接合される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２層のマイクロレンズアレイ１３、１４を有する従来のマイクロレンズアレイ基板では、上記のようにガラス基板１５に２枚のマイクロレンズアレイ基板１６、１７を貼り合わせて製作されていたので、以下に述べるような理由から、光軸合せが難しくて光学特性が悪く、製造が難しく、工程数が多くてコストが高くつくという問題があった。
【００１５】
▲１▼ マイクロレンズアレイどうしの位置決めの困難
まず、別々に製作された平板型マイクロレンズアレイ１３、１４をガラス基板を介して貼り合わせているので、貼り合わせによる２枚のマイクロレンズアレイ１３、１４の位置決め（光軸合せ）が困難であり、事実上、量産が不可能であった。すなわち、２枚のマイクロレンズアレイ１３、１４の縦方向、横方向及び角度（回転方向）をすべて一致させなければならないが、レンズパターンが微細であるため、これが非常に難しく、精度の高い位置決め装置や貼合せ機が必要となる。
【００１６】
また、マイクロレンズアレイ１３、１４の貼り合わせを困難にしている最大の理由は、位置決めしなければならないレンズパターンの間にギャップがあることである。つまり、レンズパターンの間にギャップがあると、各層の屈折率差によって光学的な歪が生じ、位置決め用のアライメントマークの大きさが異なって見え、２つのマイクロレンズアレイ１３、１４に設けられているアライメントマークどうしの位置合せが困難になる。
【００１７】
さらに、重要なことは、ギャップによって生じる光学的な歪のため、レンズパターンに対して完全に垂直な方向からアライメントマークを見ないと、カメラが見ているアライメントマークは虚像となり、実際のアライメントマークはカメラの光軸上からずれた位置にあり、アライメントマークにたよって位置合せしても実際にはアライメントしたことになっていない。これがマイクロレンズアレイ１３、１４の位置決めを難しくする最大の要因となっている。例えて言うと、不透明なコップの底にコインを入れて斜め方向から見ると、コップに水を入れた場合と入れない場合とで、コインが見えたり見えなかったりすることがあるが、これは空気と水の屈折率差によるものである。微細な位置合わせでは、このわずかなマークの大きさの変化や実像と虚像の位置ずれが原因となり、位置決めが不可能になってしまう。
【００１８】
また、位置決めには通常カメラ（ＣＣＤカメラなど）を用いるが、マイクロレンズアレイ１３、１４では、アライメントマークにピントを合わせることが難しい。つまり、アライメントマークは一般的には比較的大きく描かれるものであるが、マイクロレンズアレイ１３、１４の余白部には限りがあるため、通常は小さなアライメントマークで位置の合わせ込みをしなければならないことが多い。微細なマークをカメラで見るときには焦点深度が浅くなるので、ピントの合う範囲が狭くなる。そのため、マイクロレンズアレイ１３、１４が多少でも傾いたりすると、とたんにピントが合わせられなくなる。これらの理由からもマイクロレンズアレイ１３、１４の位置決めをすることは非常に難しいものであった。
【００１９】
▲２▼ 貼合わせ時の異物や気泡の混入
マイクロレンズアレイ１３、１４どうしを、その間に均一なギャップ（空間）を保ったまま一体化することは困難であるから、ガラス基板１５の両面にマイクロレンズアレイ１３、１４を隙間なく貼り合わせている。そのため、仮に２枚のマイクロレンズアレイ１３、１４が正確に位置合せされたとしても、マイクロレンズアレイ１３、１４とガラス基板１５の間に１つでも異物を噛み込むと、マイクロレンズアレイ１３、１４が反って撓んだり、傾いたりするので、マイクロレンズアレイ１３、１４どうしの光軸がずれる。
【００２０】
また、マイクロレンズアレイ１３、１４とガラス基板１５の間に部分的な空隙（例えば、空気などの混入による気泡）が発生すると、微細異物の混入の場合と同様、ガラス基板の両面に貼られたマイクロレンズアレイ１３、１４の光軸をずらすことになる。
【００２１】
さらに、異物や気泡を噛み込むと、そこに本来意図しない屈折率差を作り出すので、ここを通過する光束の光軸をずらす結果となる。
【００２２】
▲３▼ 歩留まりの低下
従来のマイクロレンズアレイ１３、１４の製造方法では、上記▲１▼及び▲２▼のような理由により、マイクロレンズアレイ基板製作の歩留まりが悪くなり、量産品として使用できるものはほとんど零に近くなり、実用化が困難であった。また、このような歩留りの悪さは、製品単価を押し上げることになっていた。
▲４▼ 製造工数数が多い
仮に、マイクロレンズアレイ基板製造の歩留まりが改善されたとしても、従来の製造方法では、別々に製作したマイクロレンズアレイ１３、１４をそれぞれ研磨してガラス基板の両面に貼り合わせているので、製造工数が多くなると共に研磨作業に時間が掛かる。さらに、微細なレンズパターンの位置決めに多くの時間を要するため、製造効率が悪くて量産性が低かった。
【００２３】
なお、上記のような問題点は、ガラス基板を介することなくマイクロレンズアレイどうしを直接に接合した構造のマイクロレンズアレイ基板にも言えることである。
【００２４】
本発明は上述の技術的問題点を解決するためになされたものであり、マイクロレンズアレイ基板製造時に、マイクロレンズアレイどうしの光軸合せを簡単にし、また製造工程も簡略化することを目的とするものである。
【００２７】
【発明の開示】
本発明に係るレンズアレイ基板の製造方法は、複数層のレンズアレイを備えたレンズアレイ基板の製造方法であって、未硬化の樹脂材料に第１のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第１の透光性樹脂層を成形する工程と、第１の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し、この透光性樹脂層に第２のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第２の透光性樹脂層を成形し、第１及び第２の透光性樹脂層の境界面にレンズアレイを形成する工程と、第２の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し硬化させて第３の透光性樹脂層を成形し、第２及び第３の透光性樹脂層の境界面に別なレンズアレイを形成する工程とを備えている。さらに、この工程の繰り返しにより３層以上のレンズアレイを形成することもできる。
【００２８】
透明樹脂層の屈折率が互いに異なっているとは、例えば３層の透光性樹脂層を考え、その屈折率を順にｎ1、ｎ2、ｎ3とすると、ｎ1＜ｎ2＜ｎ3のように順に大きくなっていてもよく、ｎ1＜ｎ2＞ｎ3のように交互に大小を組み合わせいてもよい。従来のようにガラス基板の凹部に高屈折率の樹脂を流し込むことによってレンズアレイが製作されていると、設計に自由度がないが、本発明のように成形によって複数層のレンズアレイを製作する場合には、自由に屈折率の組み合わせを変えることができ、レンズアレイ基板の設計自由度が高くなる。
【００２９】
本発明のレンズアレイ基板及びその製造方法にあっては、各透光性樹脂層を成形していく際に自動的にレンズアレイが位置合せされた状態でできていく。よって、よって、従来のようにマイクロレンズアレイを貼り合わせる際の位置決めが不要となり、高精度のレンズ位置合わせが可能になる。その結果、良好な精度及び光学的特性を有するレンズアレイ基板を量産可能になる。
【００３０】
また、成形によって複数層のマイクロレンズアレイができるので、貼り合わせによる方法のように透光性樹脂層間などに異物が混入したり、気泡が入ったりしにくく、不良品発生率が低下し、マイクロレンズアレイ基板の歩留りが向上する。さらに、貼り合わせ法のように硬質の基板どうしを貼り合わせる場合には、異物や気泡が混入するとマイクロレンズアレイ基板全体の不良となるが、未硬化の樹脂を重ねていくので、仮に異物や気泡が入っても部分的な不良にとどまる。
【００３１】
さらに、本発明の製造方法によれば、高精度の加工や位置決めが必要ないので、製造工程が少なく、製造設備も簡単になり、コストを安価にすることができる。
【００３２】
特に、本発明に係るレンズアレイ基板の製造方法の実施態様に記載したように、前記第１のスタンパと第２のスタンパ（さらに好ましくはすべてのスタンパ）が同一のスタンパであれば、請求項３に記載したようにレンズアレイの立体形状がいずれも同一となり、成形時にスタンパの取り替え作業が必要ないので、より一層レンズアレイどうしの位置合せ作業を高精度に行なうことができる。なお、この場合には、各レンズアレイの焦点距離は、各透光性樹脂層の屈折率比によって調整することになる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図８は本発明の一実施形態による投影型カラー液晶表示装置３１の全体の構造を示す断面図、図９は当該カラー液晶表示装置３１に用いられている液晶表示素子３２及びマイクロレンズアレイ３３、３４を示す断面図である。この投影型カラー液晶表示装置３１においては、白色光源３５の背後に球面鏡３６が設けられており、球面鏡３６の中心が、白色光源３５における発光部の中心と一致するように配置されている。白色光源３５の前面にはコンデンサレンズ３７が設けられており、コンデンサレンズ３７は、その焦点が白色光源３５の発光部の中心と一致するように配置されている。しかして、白色光源３５から出射された白色光束Ｗ、あるいは白色光源３５から出射され球面鏡３６で反射された白色光束Ｗは、コンデンサレンズ３７を透過することにより、略平行な白色光束Ｗとなる。
【００３８】
ここで、コンデンサレンズ３７を透過した後の白色光束Ｗの、アーク長方向（図８において紙面に垂直な方向）の平行度θa、アーク径の方向（図８において紙面に平行な方向）の平行度θbは、次式から求められる。
θa ＝ arctan（Ｌ／ｆc） …(1)
θb ＝ arctan（Φ／ｆc） …(2)
ただし、Ｌ及びΦは白色光源３５のアーク長及びアーク径、ｆcはコンデンサレンズ３７の焦点距離である。
【００３９】
また、白色光源から平行光束を得る手段としては、上記の構成に限らず、例えば回転放物面鏡を用いる方法、回転楕円面鏡とインテグレータを使用する方法等が適宜選択される。
【００４０】
コンデンサレンズ３７の前方には、３種のダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂがそれぞれ異なる角度で配置されている。ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂは、それぞれ赤、緑、青の色に対応する各波長域の光を選択的に反射し、他は透過する特性を有し、この順に光軸上に配置されている。以下、符号のＲ、Ｇ、Ｂはそれぞれ赤、緑、青の各色を表わすものとする。
【００４１】
青、緑、赤の波長域とは、それぞれ４００〜４９５ｎｍ、約４９５〜５７５ｎｍ、約５７０〜７００ｎｍの波長域を示す。ただし、これらの各波長域の光を全て利用すればスクリーン照度は高くなるが、各原色の色純度は低下するので、色純度を重視する場合には、４９５ｎｍ付近及び５７５ｎｍ付近の光をカットする場合もある。
【００４２】
ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂは、周知の多層薄膜コーティング技術により形成される。赤のダイクロイックミラー３８Ｒは約６００ｎｍより長波長の可視光を反射するように多層薄膜の条件が設定され、青のダイクロイックミラー３８Ｂは約５００ｎｍより短波長の可視光を反射するように多層反射膜の条件が設定され、緑のダイクロイックミラー３８Ｇは約５７０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の可視光を反射するように多層薄膜の条件が設定されている。また、いずれのダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂも赤外線を透過するように設計すれば、赤外線が液晶表示素子３２に到達しなくなるので、液晶表示素子３２の温度上昇を低減するのに効果的である。
【００４３】
３枚のダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂの中で、白色光源３５に一番近い所に設けられたダイクロイックミラー３８Ｒは、白色光源３５からの光束が例えば３０゜前後で入射するように配置されている。その他のダイクロイックミラー３８Ｇ、３８Ｂは、上記ダイクロイックミラー３８Ｒに対してそれぞれ平行な状態から、図において紙面に垂直な方向の軸を回転軸として、角度θずつ順次傾けて配置されている。この相対的な角度θは、後述する液晶表示素子３２の絵素配列ピッチＰ及び液晶表示素子３２に設けられたマイクロレンズアレイ３３、３４の焦点距離ｆμから求めることができる。
【００４４】
しかして、コンデンサレンズ３７を透過した平行な白色光束Ｗは、ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂに入射し、赤の光束、緑の光束、青の光束に分解されて液晶表示素子３２に設けられたマイクロレンズアレイ３３、３４に入射する。ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂを上記のようにθずつ傾けて配置してあると、赤波長域、緑波長域、青波長域のそれぞれの光束がマイクロレンズアレイ３３、３４に対してそれぞれ角度２θずつずれて入射する。
【００４５】
この実施形態では、図８に示すように、緑の光束が、マイクロレンズアレイ３３、３４に垂直入射し、赤及び青の各光束は、この緑の光束を中心に図において紙面と平行な方向に対称に位置するように、角度がつけられている。この赤、青、緑の順番は、白色光源３５のスペクトル分布及びダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂの特性を考慮して決定され、必ずしも図８に示す順序に限るものではない。
【００４６】
液晶表示素子３２は、ガラス基板３９とマイクロレンズアレイ基板４０を有しており、図９に示すように、ガラス基板３９とマイクロレンズアレイ基板４０の間に液晶層４１が封入されている。光出射側に位置するガラス基板３９の内面には、液晶層４１を相変化させるためのストライプ状の信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂが形成されている。また、光入射側に位置するマイクロレンズアレイ基板４０の内面には、上記信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂと直交する走査電極４３が設けられている。この信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂ及び走査電極４３は、透明電極（ＩＴＯ膜）によって形成されている。
【００４７】
マイクロレンズアレイ基板４０には、２層のマイクロレンズアレイ３３、３４が設けられている。このマイクロレンズアレイ基板４０は、２枚のベースガラス（ガラス基板）４４、４５間に互いに屈折率の異なる３層の透明なレンズ樹脂層４６、４７、４８を挟み込んだものであり、屈折率の異なるレンズ樹脂層４６、４７、４８間の界面がレンズパターン形状に成形されており、互いに屈折率の異なるレンズ樹脂層４６、４７間の界面によって第１のマイクロレンズアレイ３３が形成され、互いに屈折率の異なるレンズ樹脂層４７、４８間の界面によって第２のマイクロレンズアレイ３４が形成されている。ここで、マイクロレンズアレイ３３、３４のレンズパターンは、球面レンズ状、蜂の巣（六角レンズ）状、あるいはかまぼこ形レンズ状（レンチキュラーレンズ）でもよい。
【００４８】
光源側に位置するマイクロレンズアレイ３３を構成する各レンズの光軸と光源と反対側に位置するマイクロレンズ３４を構成する各レンズの光軸は互いに平行となっており、マイクロレンズアレイ３３と３４の対向する各レンズの光軸は互いに一致するようになっている。
【００４９】
この液晶表示素子３２では、ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂによって白色光束Ｗを分光しているので、カラーフィルタは必要なく、光利用効率が高くなる。また、各色ごとに対応する映像信号が信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂに印加される。なお、図９においては、液晶表示素子３２の構成要素である偏光板、配向膜等を簡略化のため省略している。
【００５０】
しかして、図１０に示すように、マイクロレンズアレイ３３に所定方向から平行光束を照射すると、マイクロレンズアレイ３３は、レンズパターンのピッチに対応する間隔で、各色の光束を第２のマイクロレンズアレイ３４の出射側近傍に点状に集光する。この集光スポット幅Ｗは、第１のマイクロレンズアレイ３３の焦点距離をｆμとすると、上記白色光源３５の平行度θbに対して、下記の(3)式のようになる。
Ｗ ＝ ｆμ × tan（θb） …(3)
この(3)式に前記(2)式を代入すると、
Ｗ ＝ （ｆμ × Φ）／ｆc …(4)
となる。走査電極４３及び液晶層４１の厚みは、第１のマイクロレンズアレイ３３の焦点距離ｆμに比べて微小であるため、この部分の厚さは無視でき、この集光スポット幅Ｗがそのまま信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂに照射される各光束の幅Ｗeであると考えてよい。
【００５１】
また、各ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂの相対的な角度は、絵素配列ピッチをＰ、マイクロレンズアレイ３３の焦点距離をｆμ、各光束の入射角の差を２θとすると、
Ｐ ＝ ｆμ × tan（２θ） …(5)
の関係を満たせば、最初の集光ライン（３種のダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂのうち、白色光源３５に最も近い位置に配設されたダイクロイックミラー３８Ｒで反射した光による集光ライン）に対して、順次他の集光ラインがそれぞれ上記のピッチ分だけずれた位置に形成される。これにより、マイクロレンズアレイ３３を構成するマイクロレンズ一つに対応する隣接した３個の信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂに、各々対応する色の集光ラインが収まるようになっている。
【００５２】
なお、マイクロレンズアレイ３４の焦点距離も、光源側のマイクロレンズアレイ３３と同じ焦点距離ｆμに設定されている。
【００５３】
上記液晶表示素子３２における光出射方向の前方には、図８に示すように、投影手段としてのフィールドレンズ４９及び投影レンズ５０が設けられており、さらに、この投影レンズ５０の前方には、スクリーン５１が設けられている。フィールドレンズ４９の焦点距離はフィールドレンズ４９及び投影レンズ５０間の距離に設定されており、液晶表示素子３２から出射された各色の光束は、上記フィールドレンズ４９によって投影レンズ５０の設けられている位置に収束され、この投影レンズ５０によりスクリーン５１に投影される。なお、上記フィールドレンズ４９を用いず、液晶表示素子３２から直接投影レンズ５０に光を入射するような構成とすることも可能である。
【００５４】
しかして、白色光源３５からダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂに向かって白色光を照射すると、ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂが各々異なる色の光束をそれぞれ反射することにより、白色光が三原色に分解される。各色の光束は、図１０に示すように、ダイクロイックミラー３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂが配置された角度に応じて、上述のように各々異なる角度で、第１のマイクロレンズアレイ３３に入射する。
【００５５】
このマイクロレンズアレイ３３からの光は、マイクロレンズアレイ３４を介して、各色に対応する信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂに集光されるが、このとき、信号電極４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂをその上に集光される色に対応した映像信号でそれぞれ駆動すると、各色の光束はその信号に応じて強度が変調される。変調後の光束は、上記フィールドレンズ４９及び投影レンズ５０を通過した後、スクリーン５１に投影され、このスクリーン５１上でカラー映像表示が行われる。
【００５６】
ところで、従来の投影型カラー液晶表示装置（第１の従来例）では、垂直入射以外の赤、青の２光束の光軸（主光線）が、液晶表示素子３２を出射した後も２θの角度をもって伝搬してしまうため、これらを全て捕捉し投影するためには、大口径の投影レンズが必要であった。しかしながら、この実施形態の投影型カラー液晶表示装置３１では、出射光の拡がりを小さくするため、第２のマイクロレンズアレイ３４が設けられている。また、第１のマイクロレンズアレイ３３の焦点距離は、この第２のマイクロレンズアレイ３４の出射側近傍に第１のマイクロレンズアレイ３３から出射された光束の焦点が位置するよう、上記(5)式の関係を満足するように設定されている。
【００５７】
このように配置された第２のマイクロレンズアレイ３４は、フィールドレンズ４９と同様の機能を果たし、各色の光束の光軸を互いに平行化することにより、その出射方向を液晶表示素子３２に対して垂直にし、液晶表示素子３２からの出射光の広がり角を小さくすることができる。したがって、小口径の投影レンズ５０を用いた場合でも、全光束を有効に利用することができる。これにより、光利用効率が高く、ホワイトバランスの良いカラー画像を得ることが可能になると共に、コストアップの原因となっていた高価な大口径のレンズを用いなくてもよくなることから、投影型カラー液晶表示装置３１全体としてのコストアップを回避することが可能になる。
【００５８】
なお、マイクロレンズアレイ３３、３４の焦点距離を調整する方法としては、つぎのようにすればよい。まず第１の方法は、マイクロレンズアレイ３３、３４を構成するレンズ樹脂層４６、４７、４８の屈折率を変えればよい。例えば図１１（ａ）は屈折率がｎ１、ｎ２（ｎ１＜ｎ２）のレンズ樹脂層４６、４７の界面にマイクロレンズアレイ３３を形成しているが、図１１（ｂ）のように、この屈折率ｎ２のレンズ樹脂層４７をより大きな屈折率ｎ３（＞ｎ２）のものに代えると、マイクロレンズアレイ３３の焦点距離を短くすることができる。第２の方法としては、マイクロレンズアレイ３３、３４の曲率を変えればよい。例えば図１２（ａ）は屈折率がｎ１、ｎ２（ｎ１＜ｎ２）のレンズ樹脂層４６、４７の界面に曲率半径がｒ１のマイクロレンズアレイ３３を形成しているが、図１２（ｂ）のように、このマイクロレンズアレイ３３をより小さな曲率半径ｒ２（＜ｒ１）にすれば、マイクロレンズアレイ３３の焦点距離を短くすることができる。
【００５９】
（マイクロレンズアレイ基板の製造方法）
つぎに、上記マイクロレンズアレイ基板４０の製造方法を図１３及び図１４（ａ）〜図１６（ｉ）により説明する。これは、紫外線照射により硬化する紫外線硬化型樹脂を用いた、いわゆる２Ｐ（Photo-Polymerization）法により、２枚のベースガラス４４、４５間に２層のマイクロレンズアレイ３３、３４を成形する方法である。
【００６０】
まず、図１３に示すように、成形機の下側テーブル５２の上面にベースガラス４４を置き、下側テーブル５２内の吸着チャック５３でベースガラス４４の下面の空気を排気することにより下側テーブル５２の上面にベースガラス４４を吸着させる。同様に、成形機の上側テーブル５４の下面にスタンパ５７を重ね、上側テーブル５４内の吸着チャック５５からスタンパ５７の上面の空気を排気することにより上側テーブル５４の下面にスタンパ５７を吸着させる。この上側テーブル５４はガイド機構（図示せず）によって位置ずれのないよう精密に上下するようになっている。
【００６１】
ついで、図１４（ａ）に示すように、透明なベースガラス４４の上に流動性のある透明な紫外線硬化型樹脂５６を供給した後、紫外線硬化型樹脂５６の上からベースガラス４４へ向けてスタンパ５７を降下させる。このスタンパ５７の下面には、マイクロレンズアレイ３３、３４のレンズパターンと合致する反転パターン５８が形成されている。このスタンパ５７をベースガラス４４に十分に押し付けてスタンパ５７とベースガラス４４の間に紫外線硬化型樹脂５６を挟み込み、紫外線硬化型樹脂５６をスタンパ５７とベースガラス４４の間に押し広げてスタンパ５７の反転パターン５８で紫外線硬化型樹脂５６を型押しした後、そのままの状態を保持し、ベースガラス４４を通して紫外線硬化型樹脂５６に紫外線ランプ等によって紫外線（ＵＶ光）を照射する［図１４（ｂ）］。
【００６２】
紫外線を照射された紫外線硬化型樹脂５６は、紫外線を浴びると硬化反応を起こして硬化するので、紫外線硬化型樹脂５６にスタンパ５７の反転パターン５８が転写成形される。スタンパ５７を上昇させて紫外線硬化型樹脂５６から分離すると、硬化した紫外線硬化型樹脂５６によってベースガラス４４の上にレンズ樹脂層４６が成形されると共に当該レンズ樹脂層４６の表面にマイクロレンズアレイ３３のパターンが成形される［図１４（ｃ）］。
【００６３】
ついで、硬化したレンズ樹脂層４６の上に、レンズ樹脂層４６とは屈折率が異なり流動性のある透明な紫外線硬化型樹脂５９を供給した後、紫外線硬化型樹脂５９の上からレンズ樹脂層４６へ向けて上記スタンパ５７を再度降下させる［図１５（ｄ）］。このスタンパ５７をレンズ樹脂層４６に十分に押し付けてスタンパ５７とレンズ樹脂層４６の間に紫外線硬化型樹脂５９を挟み込み、スタンパ５７の反転パターン５８で紫外線硬化型樹脂５９を型押しして紫外線硬化型樹脂５９をスタンパ５７とレンズ樹脂層４６の間に押し広げた後、そのままの状態を保持し、ベースガラス４４及びレンズ樹脂層４６を通して紫外線硬化型樹脂５９に紫外線ランプ等によって紫外線（ＵＶ光）を照射する［図１５（ｅ）］。
【００６４】
紫外線を照射された紫外線硬化型樹脂５９は、紫外線を浴びると硬化反応を起こして硬化するので、紫外線硬化型樹脂５９にスタンパ５７の反転パターン５８が転写成形される。スタンパ５７を上昇させてスタンパ５７を紫外線硬化型樹脂５９から分離すると、硬化した紫外線硬化型樹脂５９によってレンズ樹脂層４６の上にレンズ樹脂層４７が成形される。そして、レンズ樹脂層４６とレンズ樹脂層４７の界面にマイクロレンズアレイ３３が形成されると共にレンズ樹脂層４７の表面にマイクロレンズアレイ３４のパターンが成形される［図１５（ｆ）］。
【００６５】
さらに、硬化したレンズ樹脂層４７の上に、レンズ樹脂層４７とは屈折率が異なり流動性のある透明な紫外線硬化型樹脂６０を供給した後、上側テーブル５４の下面にベースガラス４５を吸着させ、紫外線硬化型樹脂６０の上からレンズ樹脂層４７へ向けてベースガラス４５を真っ直ぐに降下させる［図１６（ｇ）］。このベースガラス４５をレンズ樹脂層４７に十分に押し付けてベースガラス４５とレンズ樹脂層４７の間に紫外線硬化型樹脂６０を挟み込み、ベースガラス４５で紫外線硬化型樹脂６０の表面を平らにならして紫外線硬化型樹脂６０をベースガラス４５とレンズ樹脂層４７の間に押し広げた後、そのままの状態を保持し、ベースガラス４４及びレンズ樹脂層４６、４７を通して紫外線硬化型樹脂６０に紫外線ランプ等によって紫外線（ＵＶ光）を照射する［図１６（ｈ）］。
【００６６】
紫外線を照射された紫外線硬化型樹脂６０は、紫外線を浴びると硬化反応を起こして硬化する。この結果、紫外線硬化型樹脂６０によってレンズ樹脂層４７とベースガラス４５の間にレンズ樹脂層４８が成形されると共にレンズ樹脂層４７とレンズ樹脂層４８の界面にマイクロレンズアレイ３４が成形される。
【００６７】
こうして図１６（ｉ）のような構造のマイクロレンズアレイ基板４０が製造される。このマイクロレンズアレイ基板４０の内面（ベースガラス４５の表面）には液晶層４１を駆動するための走査電極４３等を形成するので、ここには高度な平面性が求められる。そのため図１６（ｈ）の工程で上側テーブル５４によりベースガラス４５を押圧することにより、液晶用基板に要求される平面性を損ねる程度にベースガラス４５のうねりが大きくなる場合には、最後にベースガラス４５の研磨工程を追加してもよい。研磨する場合には、予め研磨される分だけ厚みの大きなベースカバー４５を使用する。
【００６８】
また、この製造工程では、上側テーブル５４の下面に吸着されるスタンパ５７及びベースガラス４５と、下側テーブル５２の上面に吸着されるベースガラス４４の位置決めは、ある程度の精度でよい。上側テーブル５４の下面に吸着されていたスタンパ５７をベースガラス４５に取り替えるまでは、スタンパ５７とベースガラス４４の相対位置は変化せず、マイクロレンズアレイ３３のパターンとマイクロレンズアレイ３４のパターンは同一のスタンパ５７によって成形されるので、スタンパ５７とベースガラス４４、４５の位置決めがある程度の精度であっても、マイクロレンズアレイ３３とマイクロレンズアレイ３４とはぴったりと一致することになる。
【００６９】
スタンパ５７やベースガラス４４の位置決めがある程度の精度でよいのは、マイクロレンズアレイ基板４０を製作する際には、１基板ずつ製作するわけではなく、多くの場合、上記のようにしてマイクロレンズアレイ基板４０をラフに作製した後、予めスタンパ５７に作り込んであったマーカーを基準にしてマイクロレンズアレイ基板４０の外形をカットし、さらに必要に応じてマイクロレンズアレイ基板４０を所定枚数にカットして使用するからである。ただし、この場合にはマイクロレンズアレイ３３、３４の焦点距離の調整は、各レンズ樹脂層の屈折率によって行なうことになる。
【００７０】
なお、マイクロレンズアレイ３３及び３４の焦点距離を各レンズパターンの曲率半径によって調整する場合には、２種類のスタンパを用いる必要があるが、その場合には、上側テーブル５４に位置決め手段を設けてスタンパの位置決めだけを精密に行なう必要がある。また、レンズ樹脂層４６、４７、４８を成形するための樹脂材料としては、紫外線硬化型樹脂以外の光硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂などでもよい。もっとも、製造上の扱い易さと生産性の点で、いまのところ紫外線硬化型が勝っている。
【００７１】
（スタンパの製造方法）
つぎに、上記スタンパ５７の製造方法を図１７に示す。まず、図１７（ａ）に示すような平板状のガラス板６１を用意し、図１８に示すようにガラス板６１の表面に、結像レンズ６２で集光させたレーザー光を照射し、レーザー加工（レーザーリトグラフィ）により２点鎖線で示す深さまでガラス板６１を蒸発除去し、ガラス板６１の表面に所望の凹凸パターン６３（すなわち、マイクロレンズアレイ３３、３４のレンズパターンと同じ形状であって、予めレーザー加工装置を制御するコンピュータに記憶させている）を形成する［図１７（ｂ）］。ガラス板６１の表面に所望のレンズパターン６３を形成してガラス板６１からなる原盤６４を作製した後、原盤６４の上にニッケルを堆積させ、ニッケル電鋳法により原盤の反転型であるニッケルマスタ６５を作製し［図１７（ｃ）］、ニッケルマスタ６５を原盤６４から剥離する［図１７（ｄ）］。ニッケル電鋳法によりニッケルマスタ６５を作製する際には、その準備として原盤６４を例えば蒸着法あるいは無電解メッキ法で導電化しておき、導電化された原盤６４の表面を陰極とし、例えばスルファミン酸ニッケル浴で電気メッキしてニッケルマスタ６５を作製する。
【００７２】
このニッケルマスタ６５をさらにニッケル電鋳法で複製したものをスタンパ５７とする。ニッケルマスタ６５を複製する場合には、ニッケルマスタ６５の表面に例えば重クロム酸カリ溶液で酸化膜を作った後、再びニッケル電鋳法により凸凹が反転したスタンパ５７（原盤の複製）を作製する［図１７（ｅ）］。
【００７３】
また、スタンパ５７を作製するには、図１９（ａ）〜（ｅ）に示すように、ガラス板６１の表面に塗布されたレジスト６８をレーザー加工することによって原盤６４を作製してもよい。レジスト６８を使用する場合には、ガラス板６１とレジスト６８の密着剤として、例えばシランカップリング剤をガラス板６１の表面に塗布しておき、レーザー加工した後、露光、現像及び洗浄の工程を経て、レジスト６８による凹凸パターン６３がガラス板６１の表面に形成される［図１９（ａ）（ｂ）］。この後の処理は、図１７（ｃ）以下と同様に行う［図１９（ｃ）〜（ｅ）］。
【００７４】
本実施形態にあっては、上記のようにしてマイクロレンズアレイ基板４０を製作しているので、以下に示す▲１▼〜▲４▼のような効果が得られる。
▲１▼ 位置決め不要で、かつ、精度の高いレンズ位置合わせができる。
上記実施形態から分かるように、マイクロレンズアレイを成形するためのスタンパとレンズ樹脂層を積層していく基板となるベースガラスは、成形機の上側テーブルと下側テーブルにそれぞれ吸着されて動かない。つまり、マイクロレンズアレイを複数層積層しても複数層の各マイクロレンズアレイの位置がずれることがない。従って、特別に位置決めをしなくとも、従来の貼り合わせ法により製造されたマイクロレンズアレイ基板とは比較にならないくらい高精度のレンズ位置合わせが可能になる。
【００７５】
▲２▼ 貼合わせでは事実上、不可能だった量産が可能となる。
上記のように、高精度の位置決めを行なわなくても精度の高いレンズ位置決めを行なえるので、マイクロレンズアレイの量産が可能になる。
▲３▼ 不良品発生率が低下し、歩留りが向上する。
従来の貼り合わせ法によるマイクロレンズアレイ基板では、異物や気泡を挟み込むと、マイクロレンズアレイとしての特性を満たせなくなり、マイクロレンズアレイ基板そのものが不良品となってしまう。これに対し、本発明のマイクロレンズアレイ基板では、べースガラス間に納まる大きさ（厳密には、べースガラスとスタンパの間の大きさ）であれば、仮にレンズ樹脂層間などに異物や気泡が混入しても、その部分のレンズ単体は欠陥部分となっても、マイクロレンズアレイ基板全体が不良品になることはない。なぜなら、スタンパで押圧されるレンズ樹脂層（紫外線硬化型樹脂など）は、硬化前には流動性のよいもので、レンズ樹脂層間やレンズ樹脂層とベースガラスの間に異物や気泡を挟み込んだとしても、その部分に異物や気泡が混入するだけで他の部分に影響を及ぼさない（つまり、マイクロレンズ基板全体の反りや傾き、膨れなどにならない）からである。
【００７６】
もちろん、許容される異物や気泡の大きさには限度がある。マイクロレンズアレイ基板は光学部品であるから、投影型カラー液晶表示装置などの最終製品となったときに欠陥と認められるようなものは、マイクロレンズアレイ基板としても欠陥品である。これには個々の製品仕様によるが、少なくとも従来の製法のように、数ミクロンの異物や気泡など微小な欠陥まで許容されない訳ではない。
【００７７】
▲４▼ 製造工数が少ない
本発明によるマイクロレンズアレイ基板の製造方法によれば、レンズ位置決めに高い精度を要求されず、そのため製造工程においても非常に工数の多い工程が存在しない。また、スタンパによる単層マイクロレンズアレイ基板の製造方法と比較しても、スタンパで樹脂を押圧して硬化させる工程を繰り返すだけでよく、製造工数はほぼ同等である。また、マイクロレンズアレイ基板の製造設備も、単層のマイクロレンズアレイ基板を製造できる装置であれば、屈折率の異なる樹脂の供給できるようにするだけでよく、ほぼそのままの製造装置により多層のマイクロレンズアレイを作製することができる。よって、従来方法のように貼合せ装置が必要なく、設備コストが安価になる。
【００７８】
▲５▼ マイクロレンズアレイ基板に結合面が少なく、設計の負担が減少する。
このマイクロレンズアレイ基板における複層化の構造設計で最も重要な点は、レンズ樹脂層間の屈折率比および各マイクロレンズアレイのレンズ曲率である。この構造設計は、結合面（屈折率の違う材質の境界面）が多くなれば、それだけ設計やシミュレーションが複雑になる。具体的に言うと、図４のような構造の従来のマイクロレンズアレイ基板では、第１及び第２のマイクロレンズアレイ（パターン）間には、高屈折率樹脂、ガラス基板、レンズ基板（ガラス）が存在しているのに対し、この実施形態のマイクロレンズアレイ基板では、マイクロレンズアレイ間には、レンズ樹脂層が１層存在するだけで、簡単な構造となっている。
【００７９】
なお、上記実施形態では２層のマイクロレンズアレイを成形する方法について説明したが、本発明の方法は、３層以上のマイクロレンズアレイを成形する場合にも適用することができる。
【００８０】
（第２の実施形態）
つぎに、マトリックス状に配置された矩形絵素をスイッチングするアモルファス・シリコン半導体薄膜トランジスタを介してダイナミック表示駆動される周知のツイステッド・ネマテイックモード（ＴＮ）のアクティブ・マトリックス型液晶表示素子を用いた実施形態を説明する。
【００８１】
この実施形態の液晶表示素子では、図２０（ａ）に示すように絵素配列がデルタ配列になっており、各絵素に対応する各絵素電極７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂがデルタ配列をなし、絵素電極７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂを示していない部分は遮光層である。
【００８２】
絵素配列が、上記のようなデルタ配列の場合、マイクロレンズアレイとしてレンチキュラーレンズを用いるのは不適当である。すなわち、この場合には、図２０（ａ）に示すように、方形状のマイクロレンズ７２をレンガ積み状に配置したマイクロレンズアレイや、個々のマイクロレンズの形状は、必ずしもそれに対応する絵素の組の形と相似形である必要はないため、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、球面レンズの外周部が相互に融合した六角形のマイクロレンズ７３を稠蜜に配列した蜂の巣状のマイクロレンズアレイが用いられる。
【００８３】
図２０（ａ）及び（ｃ）に示す場合、一つのマイクロレンズ７２（あるいは７３）により集光される三原色の集光スポットは横一列に並び、１つのマイクロレンズ７２（あるいは７３）が横一列に並んだ三個の絵素電極７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂに対応するように、絵素配列とマイクロレンズアレイの相対的な位置関係が設定されている。一方、同図（ｂ）に示す場合には、一つのマイクロレンズ７３により集光される三原色の各集光スポットが、それぞれ三角形の頂点を形成するように並び、一つのマイクロレンズ７３がそれぞれ三角形の頂点となるように並んだ３個の絵素電極７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂが対応するように、絵素配列とマイクロレンズアレイの相対的な位置関係が設定されている。
【００８４】
このように一組の集光スポットが三角形状に照射される場合には、ダイクロイックミラーは、その画法線の方向を傾けるように配置する。これにより、マイクロレンズの光軸と各色の入射光のなす角は小さくなるので、マイクロレンズアレイの収差が低減される。
【００８５】
このような液晶表示素子に用いられる２層のマイクロレンズアレイ、あるいはマイクロレンズアレイ基板としては第１の実施形態で説明したような構造のものを用いることができる。また、そのマイクロレンズアレイ基板も第１の実施形態で説明した製造方法と同様にして製造することができる。
【００８６】
（第３の実施形態）
つぎに、本発明のさらに別な実施形態を説明する。図２１は反射型カラー液晶表示装置に用いられるマイクロレンズアレイ付きの反射型液晶表示素子８１の断面図である。また、図２２はそのレンズ部分と画素の配列を示す図である。反射型液晶表示素子８１は、マイクロレンズアレイ基板４０とガラス基板８２の対向面にそれぞれ透明な走査電極８３と反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂを形成し、その間に液晶層８５を充填して周囲をシール材８６によって封止している。
【００８７】
マイクロレンズアレイ基板４０は、透明で互いに屈折率の異なる３層のレンズ樹脂層４６、４７、４８をベースガラス４４、４５間に挟み込んだものであって、レンズ樹脂層４６、４７、４８の界面にマイクロレンズアレイ３３、３４が形成されている。このマイクロレンズアレイ基板４０は、第１の実施形態において説明したものと同じものであるから、詳細な構造や製造方法は説明を省略する。
【００８８】
このようなマイクロレンズアレイ基板４０においては、図２５に示すように、第１のマイクロレンズアレイ３３は各色の光束を集光し、第２のマイクロレンズアレイ３４は、第１のマイクロレンズアレイ３３を透過した各光束の主光線が対応する反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂに垂直に入射するように屈折させる。反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂに垂直に光束が照射されることにより、反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂで反射した光束はもとのレンズ部分を通って反射型液晶表示素子８１の前面から出射される。
【００８９】
また、マイクロレンズアレイ３３、３４を構成する個々のレンズ部分には、反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂの中心が３角形の頂点位置に均等に配列されている。この配列にあっては、図２２に点線で示すように赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の各画素（反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂ）が複数のレンズ部分にわたって直線状に配列されている。
【００９０】
また、レンズ部分と反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂの配列については、図２３に示すように、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の各画素を直線状に配列するとともに１つのレンズ部分内に収めるようにしてもよい。あるいは、図２４に示すように、レンズ部分の輪郭形状を六角形でなく四角形にしてもよい。
【００９１】
しかして、ダイクロイックミラーによって三原色に分解された光束は、図２１に示すように、異なる角度でマイクロレンズアレイ基板４０に入射し、第１のマイクロレンズアレイ３３で絞られ、第２のマイクロレンズアレイ３４で屈折されて反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂに垂直に入射させられ、反射電極８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂで反射した光束は入射時と同一の光路をたどって元の方向へ出射する。こうして、マイクロレンズアレイ３３、３４の各レンズ部分の中心から各光束が入射すれば、この入射光束に対応する反射光束もレンズ部分の中心から出射することになり、投影レンズ径の小径化を図りつつ照射光の有効利用が図れる。
【００９２】
（第４の実施形態）
図２６は本発明のさらに別な実施形態による反射型表示装置１０１の構成を示す概略図である。これはＤＭＤ（digital micromirror device）１０２と呼ばれる微細な光学素子を用いたものであって、例えばプロジェクタなどに用いられる。
【００９３】
まず、ＤＭＤ１０２について説明する。これはマイクロマシニング技術を用いることにより、Ｓｉ基板１０３上に多数の微細なマイクロミラー１０５を配列させた光学素子である。このＤＭＤの１画素分の構造を図２７に示す。Ｓｉ基板１０３の上面には一対の支持部１０６が設けられており、Ｓｉ基板１０３の表面においてトーションヒンジ１０７の両端が支持部１０６によって支持されている。トーションヒンジ１０７には、ヨーク１０８の中央部が取り付けられており、ヨーク１０８の中心に立てられた柱部１０９の上端にマイクロミラー１０５が形成されている。Ｓｉ基板１０３の上面には、静電気等の電気磁気的な力によってヨークに駆動力を及ぼしてトーションヒンジ１０７を捩らせながらヨーク１０８の傾きを調整することにより、マイクロミラー１０５の角度を制御するためのミラー駆動手段（図示せず）が設けられている。こうしてヨーク１０８を傾けることにより、マイクロミラー１０５の角度を変化させることができ、マイクロミラー１０５に光を照射していると、反射光の方向を自由に制御することができる。
【００９４】
ＤＭＤ１０２を用いた反射型表示素子１０１は、図２６に示すように、ＤＭＤ１０２に対向させてマイクロレンズアレイ基板４０を配置し、光源１１０から出射された白色光をダイクロイックミラー１１１によって赤、緑、青の光束に分光させ、各色の光束をマイクロレンズアレイ基板４０を透過させることにより、１絵素を構成する３つのマイクロミラー１０５に照射させるようにしたものである。各絵素において、スクリーン１１４に表示する必要のない光束は、マイクロミラー１０５によって横方向へ反射されて光アブソーバ１１２に吸収され、スクリーンに表示する場合には、マイクロミラー１０５によってプロジェクションレンズ１１３の方向へ反射させ、プロジェクションレンズ１１３によってスクリーン１１４上に結像され、表示画像の１画素となる。また、階調を表示するには、１フレーム周期の間に階調レベルに応じて時分割された時間だけ、スクリーンに光が投射されるようにミラーを制御する。例えば２５６階調では、１フレーム時間（６０フレームでは１／６０秒）を２５６分の１に分けた間隔でミラーを制御している。
【００９５】
このようなＤＭＤ１０２を用いた反射型表示装置１０１において２層構造のマイクロレンズアレイ基板４０を用いれば、マイクロレンズアレイ基板４０とＤＭＤ１０２の間で各色の光束の主光線が平行となるように出射されるから、マイクロミラー１０５間のピッチを小さくすることができ、反射型表示装置１０１の画素を精細化することができる。しかも、そのマイクロレンズアレイ基板４０としてレンズ樹脂層の界面によってマイクロレンズアレイ３３、３４を成形したものを用いれば、光学特性を良好にできるので、反射型表示装置の品質が良好となり、コストも安価にできる。
【００９６】
さらには、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、画像表示装置の応用分野として、投影型プロジェクタ、背面投影型のプロジェクタテレビ（リアプロＴＶ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ；近年パーチャルアミューズメントなどに用いらている眼鏡式の表示モニタ）などにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の投影型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図２】同上の装置に用いられているダイクロイックミラーの構成を示す図である。
【図３】同上の装置に用いられている液晶表示素子とマイクロレンズアレイを示す断面図である。
【図４】別な従来例の投影型カラー液晶表示装置に用いられている液晶表示素子とマイクロレンズアレイ基板を示す断面図である。
【図５】同上のマイクロレンズアレイの作用を説明する図である。
【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は同上のマイクロレンズアレイの製造方法を説明する断面図である。
【図７】同上のマイクロレンズアレイやガラス基板等からマイクロレンズアレイ基板を製作する方法を説明する図である。
【図８】本発明の一実施形態による投影型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図９】同上の装置に用いられている液晶表示素子とマイクロレンズアレイを示す断面図である。
【図１０】同上の装置に用いられているマイクロレンズアレイ基板の作用を説明する図である。
【図１１】（ａ）（ｂ）は同上のマイクロレンズアレイの焦点距離の調整方法を説明する図である。
【図１２】（ａ）（ｂ）は同上のマイクロレンズアレイの焦点距離の別な調整方法を説明する図である。
【図１３】同上のマイクロレンズアレイ基板を製造するための成形機の上側テーブル及び下側テーブルを示す概略断面図である。
【図１４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は同上のマイクロレンズアレイ基板の製造工程を説明する図である。
【図１５】（ｄ）（ｅ）（ｆ）は図１４の続図である。
【図１６】（ｇ）（ｈ）（ｉ）は図１５の続図である。
【図１７】（ａ）〜（ｅ）はマイクロレンズアレイのパターンを成形するためのスタンパの製造方法を説明する図である。
【図１８】ガラス板をレーザー加工する様子を示す図である。
【図１９】（ａ）〜（ｅ）はマイクロレンズアレイのパターンを成形するためのスタンパの別な製造方法を説明する図である。
【図２０】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の別な実施形態における投影型カラー液晶表示装置に用いられるマイクロレンズアレイの形状を示す図である。
【図２１】本発明のさらに別な実施形態による反射型液晶表示素子の構造を示す断面図である。
【図２２】同上の素子におけるレンズ部分と画素の配列を示す図である。
【図２３】同上の素子におけるレンズ部分と画素の別な配列を示す図である。
【図２４】同上の素子におけるレンズ部分と画素のさらに別な配列を示す図である。
【図２５】同上の素子における照射光と反射光の光路を示す図である。
【図２６】本発明のさらに別な実施形態による反射型表示装置の構成を示す概略図である。
【図２７】同上の表示装置に用いられているＤＭＤの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
３２ 液晶表示素子
３３、３４ マイクロレンズアレイ
３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂ ダイクロイックミラー
４０ マイクロレンズアレイ基板
４１ 液晶層
４４、４５ ベースガラス
４６、４７、４８ レンズ樹脂層
５６、５９、６０ 紫外線硬化型樹脂
５７ スタンパ
１０２ ＤＭＤ
１０５ マイクロミラー
Claims (2)
- 複数層のレンズアレイを備えたレンズアレイ基板の製造方法であって、
未硬化の樹脂材料に第１のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第１の透光性樹脂層を成形する工程と、
第１の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し、この透光性樹脂層に第２のスタンパを押圧した状態で当該樹脂材料を硬化させて第２の透光性樹脂層を成形し、第１及び第２の透光性樹脂層の境界面にレンズアレイを形成する工程と、
第２の透光性樹脂層の上に当該透光性樹脂層と屈折率の異なる未硬化の樹脂材料を供給し硬化させて第３の透光性樹脂層を成形し、第２及び第３の透光性樹脂層の境界面に別なレンズアレイを形成する工程と、
を備えたレンズアレイ基板の製造方法。 - 前記第１のスタンパと第２のスタンパとは、同一のスタンパであることを特徴とする、請求項１に記載のレンズアレイ基板の製造方法。
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