CN101363965A - 偏振转换器及偏振转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振转换器及偏振转换方法。该偏振转换器包括一偏振分光器及一绕射光栅。偏振分光器用以接收一输入光束，偏振分光器使光束的一横磁波通过，并反射光束的一横电波。绕射光栅具有一反射率及偏振转换光栅，用以接收横电波并反射以一被反射的横电波，被反射的横电波具有一偏振旋转。此广角宽频带偏振分光器可为选择性的光学元件，例如是一棱镜或具有多层膜的一光学装置。根据本发明，在反射光栅与偏振分光器之间提供一可供光线多次反弹的环境，提高了整体转换效率。

Description

偏振转换器及偏振转换方法

技术领域

本发明涉及通过金属光栅及宽频带偏振分光器来转换液晶显示器的非偏振照度为线性偏振照度，且特别是有关于一种设备、方法、统及装置，用以有效地进行偏振转换，并具有广角及宽频带的性能。

背景技术

在主流的液晶显示器中，例如是薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)，通过将光线线性偏振以获得高对比值。光线例如是来自于背光单元，如冷阴极荧光灯管(Cold-Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)或发光二极管(Light EmittedDiode，LED)，此种光线的偏振方向是散乱的。因此，在液晶显示面板前面，需利用一线性偏振板选择一优选的偏振光，并传送此优选的偏振光以及吸收不需要的偏振光。此种传统架构具有一问题：超过50％的入射光被浪费。为了有效地增加功率的利用性，经常使用一广角宽频带偏振分光器(PolarizationBeam Splitter)PBS，来使被浪费的光线得以再利用。

一种广为使用的再利用统由一偏振分光器、一扩散膜及一反射板所组成，如图1所示。典型的偏振分光器为由3M所制造的一反射式线性偏振膜，其商标名称为DBEF(Dual Brightness Enhancement Film双亮度增强膜)。DBEF并非吸收不需要的偏振光，而是将入射的非偏振光束分为两个线性偏振光，亦即横电波(transverse electric wave)TE及横磁波(transverse magneticwave)TM，且还使其中的一偏振光通过并反射另一偏振光。在此例中，使横磁波TM的光线通过并反射横电波TE的光线。接着，横电波TE的光线通过扩散膜后会被去偏振，并经由反射板导回至偏振分光器PBS。在一些架构下，反射板亦为由3M所制造的一扩散膜，如增强型镜面反射片(EnhancedSpecular Reflector)。在一次循环下，部分的去偏振光线通过偏振分光器PBS，而其它的去偏振光线被反射。如此经由多个循环后，液晶显示器可于较多的横磁波TM的照射下而能提高亮度。典型地，最终的光线再利用效率约为60％至70％。在此例中，扩散膜的作用为：转换横电波TE的光线为去偏振的光线，即散乱的偏振光线。理想地，若横电波TE的光线于一次循环下即被完全地转换为横磁波TE的光线，则可忽略吸收效应而能得到约为100％的效率。

多种不同的传统偏振转换器被提出，其中，在Budd的美国专利案号第6,064,523号中，通过一四分之一波片(quarter-wave plate)取代扩散膜，此四分之一波片嵌入于偏振分光器与反射镜之间。横电波TE通过四分之一波片后会成为一个，自具有45度的线性偏振光束，而产生一右旋(Right Hand)RH圆偏振波。为了得到90度的偏振旋转以转换横电波TE的光线为横磁波TM的光线，被反射的波需要在重新进入四分之一波片之前进行左旋(LeftHand)LH圆偏振。根据反射镜所产生的相对的相位偏移，不同的镜片需搭配不同的光学路径的排列以产生LH圆偏振波。图2及3以两个不同的架构为例所绘示。图2绘示为一广为周知的传统架构，其利用平面镜于垂直的入射光下直接反射RH圆偏振波为LH圆偏振波。图3绘示为于Budd专利中所提出的用于液晶显示器的一传统的抛物线镜的结构与四分之一波片的偏振再利用器的侧视图，其利用恰当的镜面涂层(mirror coating)来产生双反射效应(double reflection)，而同样地能够发挥良好的功用。Budd专利于不同的实施例中对于抛物面镜的相位公式提出详细的说明。

在上述的偏振转换统中，各偏振分光器、四分之一波片及反射器的作用分述如下：由偏振分光器分离具有不同偏振光的光束、由四分之一波片转换光束的偏振、以及由反射器重新引导相位偏移的光束回到偏振分光器。然而，此种作法应用于直视型(direct view)液晶显示器时具有三个缺点。第一，由于导向四分之一波片的入射角通常不是直角，因此，出射光无法被线性偏振，因而限缩了转换的效率。第二，由于背光为宽频带的白光，故需要使用一宽频带的四分之一波片，因而增加成本。第三，由于吸收损失及偏振转换效果不佳，故即使经过多次的光线再利用亦无法有效地增加转换效率。

在本发明中，通过金属材料或金属涂布的光栅来达成偏振转换，而不使用四分之一波片及反射器的组合，如图4所示。更详细地说，金属光栅不仅作为一反射器，还作为一偏振转换器，用以将进入其的线性偏振光旋转为椭圆偏振波。在现行的反射式光栅偏振转换器中，其作用包括：利用一偏振分光器分离具有不同偏振光的光束，以及利用一金属光栅重新引导光束回到偏振分光器并转换光束的偏振。

一些呈现高反射率的金属通常可作为宽频带的反射器。如此，光线的重新导向则可由使用金属材料或金属涂布的光栅式偏振转换器来实现。兹于下说明光束偏振如何地被旋转。利用金属表面光栅进行偏振转换的现象，由G.P.Bryan-Brown及J.R.Sambles于实验中所发现，并于1990年发表在Journal of Modern Optics，第37卷，第7号，第1227至1232页。此外，I.R.Hooper及J.R.Sambles在2002年Optics Letter，第27卷，第24号，第2152至2154页中，提出一特定的金属光栅结构，此特定的金属光栅结构可于可见光谱范围中作为一宽频带偏振转换镜。

将金属光栅作为偏振转化的早期研究中，光束的入射角并不是科学文献中的主要考虑。然而，在液晶显示器中，由于背光单元所发出的光线往所有的方向传播，因此，为了利用金属光栅来提高液晶显示器的亮度，与之相关的入射角便成为亟需研究的对象。在本发明中，将金属光栅与偏振分光器结合，以形成一新型的共振器，称为偏振旋转共振器(Polarization RotationResonator)PRR。偏振旋转共振器的特点在于使得一偏振转换器可应用于广角宽频带的入射光束，且偏振转换效率对于入射角及波长具有低灵敏度。

在本发明中，对于角度及波长的低灵敏度实际上通过光束于共振器内的多次反弹现象，以实现有效偏振转换。在每次的反弹中，当光束碰撞金属光栅时，不仅光束被反射，偏振亦被转换。因此，每次都有部分的光线会被偏振分光器传送出去，且于几次反弹后，整体的转换会被大大地提升。故本发明人可设计金属光栅来绕射光线，使其于偏振转换共振器达到多次的重复反弹，而能增加转换后的光线被传送出偏振分光器的数量，以提高转换效率。

此种结构的架构相仿于Fabry-Perot共振器，其通过加总所有反弹出共振器外的光线来获得其穿透率。在波长及入射角的主要范围内，偏振转换于第一次反弹时约为60％，而整体转换效率可达到85％以上，如图11及14所示。只要偏振转换对于光束的波长与传播方向具有较低的灵敏度，具有高反射率的绕射光栅亦可使用选择性的形式。基于此一优良的特性，且因为对于入射角及波长并不必然被限制于特定的范围，故实际上本发明人所提出的偏振转换共振器可作为一广角及宽频带的偏振转换器。在一实施例中，还利用一波导(waveguide)代替共振器结构，以使本发明能于需要进行偏振转换时提供另一选择性的应用。

发明内容

本发明涉及提供一种设备、方法、统及装置，用以转换可见光谱内的一散乱的偏振光为一线性偏振光，以提供偏振照度于液晶显示器。

本发明亦涉及提供新的方法、统、设备及装置，当需要进行偏振转换时，可用于具有任何传播方向及任何频谱的宽频带或单一波长的光线。

第一实施例提出一种偏振转换器，包括一偏振分光器及一绕射光栅。偏振分光器用以接收一输入光束，偏振分光器使光束的一横磁波通过，并反射该光束的一横电波。绕射光栅具有一反射率及一偏振转换光栅，用以接收此横电波并反射以一椭圆偏振波，椭圆偏振波具有一偏振旋转。此广角宽频带偏振分光器可为选择性的光学元件，例如是一棱镜或具有多层膜的一光学装置。绕射光栅可为一具有平行交错的凸物与凹物的绕射光栅、金属绕射光栅、金属涂布绕射光栅、金属涂布多层绕射光栅、非金属反射材料绕射光栅、表面光栅、容体光栅、多层光栅、具有次波长光栅周期的绕射光栅、或具有多阶绕射光栅的绕射光栅。此绕射光栅的选择性的形状例如是二元形、梯形、正弦形、抛物线形、及高斯(Gaussian)形。

第二实施例提出一种方法，用以有效地偏振转换一光束，此方法包括下列步骤。由一偏振分光器接收一光束。经由偏振分光器通过光束的一第一偏振波。经由偏振分光器反射光束的一第二偏振波至一绕射光栅。经由绕射光栅反射一椭圆偏振波至偏振分光器。由偏振分光器接收反射后的椭圆偏振波。以及重复此些步骤。此些步骤用以于偏振分光器及绕射光栅之间进行多次反弹，以达到高偏振转换的效率。在一实施例中，可根据一特定的应用来选择绕射光栅的外形。在另一实施例中，偏振转换器用以提供用于液晶显示器的偏振照度。在再一实施例中，偏振分光器与绕射光栅平行对位，以形成一偏振旋转平行共振器。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示乃传统用于液晶显示器的偏振再利用器的结构。

图2绘示乃用于液晶显示器的平面镜及四分之一波片偏振再利用器的结构。

图3绘示乃用于液晶显示器的抛物面镜及四分之一波片偏振再利用器的侧视图。

图4绘示为依照本发明的用于液晶显示器的一广角宽频带偏振旋转共振器的一例的侧视图。

图5绘示为依照本发明的偏振旋转共振器的架构显示其操作特性的透视图。

图6绘示为偏振旋转共振器显示其操作原理的侧视图。

图7绘示为具有一类似波导结构的广角宽频带偏振转换器的架构的一例的侧视图。

图8绘示为具有多重绕射阶光栅的广角宽频带偏振转换器的架构的一例的侧视图。其中，绕射光栅10为多阶绕射金属光栅。

图9A绘示为位于偏振旋转共振器内的二元形金属光栅的一例的侧视图。

图9B绘示为图9A中的二元形金属光栅与一偏振分光器显示偏振与非偏振光线的传送的侧视图。其中，宽度：w＝70nm；周期：Λ＝200nm；高度：h＝135nm。

图10A绘示为具有二元形金属光栅的广角宽频带偏振旋转共振器的架构的一例的侧视图。

图10B绘示为二元形金属光栅的侧视图。

图10C绘示为具有二元形金属光栅结构的偏振旋转共振器于一次反弹时的整体偏振转换效率。

图11A绘示为具有二元形金属光栅的广角宽频带偏振旋转共振器的架构的一例的侧视图。

图11B绘示为二元形金属光栅的侧视图。

图11C绘示为具有二元形金属光栅结构的偏振旋转共振器于无穷次反弹时的整体偏振转换效率。

图12绘示为位于偏振旋转共振器内的梯形次波长金属光栅的侧视图。其中，上底宽度：W_H＝60nm；下底宽度：W_L＝100nm；周期：Λ＝200nm；高度：h＝110nm。

图13A绘示为具有梯形次波长金属光栅的偏振旋转共振器的侧视图。

图13B绘示为梯形次波长金属光栅的侧视图。

图13C绘示为具有梯形次波长金属光栅的偏振旋转共振器于一次反弹时的整体偏振转换效率。

图14A绘示为具有梯形次波长金属光栅的偏振旋转共振器的侧视图。

图14B绘示为梯形次波长金属光栅的侧视图。

图14C绘示为具有梯形次波长金属光栅的偏振旋转共振器于无穷次反弹时的整体偏振转换效率。

附图标记说明

10：绕射光栅

20：偏振分光器

30：梯形次波长绕射光栅

100：偏振转换器

TE、TE₁至TE₃：横电波

TM、TM₁至TM₃：横磁波

c：转换效率

h：高度

q：光栅向量

r：反射数

w：宽度

Λ：周期

λ：波长

θ：入射角

：方位角

具体实施方式

需知者为，本发明所披露的内容及其详尽的说明非于此处的说明及特定的应用所限制，本发明亦可应用于其它的实施例。此外，在此所使用的名词术语用以有利于本发明的说明，亦非用以限制本发明。

兹将本发明所披露元件于说明书及图示所使用的标示详列于下，请参照下清单：

10 绕射光栅

20 偏振分光器

30 梯形次波长绕射光栅

本发明所提出的选择性的偏振转换器架构，可应用于广角宽频带的光束来达到偏振照度的目的，或应用于被导向于特定方向的单一波长的光线。偏振转换器包括一绕射光栅及一偏振分光器(Polarization Beam Splitter)PBS薄膜。偏振转换器的功能取决于绕射光栅的形式、所用的偏振分光器、以及两元件的排列方式。兹以选择性的元件架构及选择性的排列方式为例说明偏振转换器的操作特性如下。

图4绘示为依照本发明的一广角宽频带偏振旋转共振器的一例的侧视图。利用平行对位一次波长绕射光栅及一偏振分光器，以使此两元件形成一新型的共振器，本说明书称的为偏振旋转共振器(Polarization RotationResonator)PRR，在此例中，次波长绕射光栅为金属光栅。图5绘示为依照本发明的偏振旋转共振器的架构显示其操作特性的透视图。输入光束首先入射至偏振分光器，偏振分光器使得横磁场(Transverse Magnetic Field)TM偏振波通过，并反射横电场(Transverse Electric Field)TE偏振波至次波长金属光栅。一般而言，输入光线为非偏振的光束，故横磁波TM与横电波TE所具有的功率各约为总功率的一半。对于已知技艺所面临的问题，首要解决之道便是将横电波TE转换为横磁波TM。

如先前于已知技艺的科学文献中所述，金属光栅10将横电波TE的偏振向量旋转至一特定度数，以使横电波TE的两个正交(orthogonal)分量具有一特定相位延迟。偏振旋转不仅取决于金属光栅10的外形，而且还取决于光栅定位(orientation)的向量。其中，光栅定位的向量相关于入射横电波TE的偏振向量。此两向量的方位角(azimuthal angle)于最大的偏振旋转下约为典型的45度，其原因为，光线与于金属光栅上的表面质(surface plasmon)的交互作用为最强，并产生偏振旋转。由于位于绕射波的两正交偏振的相位延迟，故经由金属光栅反射后的横电入射波TE会变成一椭圆偏振波。

被反射的椭圆偏振波为两正交的分量的组合，即为具有相位差的横电波TE及横磁波TM的组合。也就是说，偏振光从单一横电波TE旋转为横电波TE与横磁波TM的组合。一次反弹的转换效率定义为：被反射的椭圆波的横磁波TM分量的功率除以入射的单一横电波TE的功率。当然，由于使用于金属光栅的金属并非理想的完全导体，因此有些波能量会被损耗。和金属光栅进行交互作用时，偏振转换效率取决于吸收效应与偏振旋转。

在椭圆偏振光到达偏振分光器20之后，横磁波TM分量会通过，而横电波TE分量会被再次反射，这样的过程为一次循环的反弹。因为所选择的次波长金属光栅仅用以绕射光线为零阶，故光线于偏振旋转共振器内的传播将会符合Snell定理。因此，每次反弹的偏振旋转效率将会相同。在此特性下，无穷次反弹的整体偏振转换效率的计算方式会相仿于上述的Fabry-Perot共振器。图6中绘示通过加总无穷次反弹的整体偏振转换的一例。其中，总通过量Total TM即如下式所示：

Total TM＝TM₁+TM₂+...+TM_n

n＝∞

TM_i＝TE_i×c

TE_i+1＝TE_i×(r+c)

r：偏振分光器的反射系数；c：金属光栅的转换效率

图9B绘示为利用二元形金属光栅作为次波长金属光栅的一优选实施例。图9B绘示为图9A的二元形金属次波长光栅与一偏振分光器显示偏振与非偏振光线传送的侧视图。在此例中，绕射金属光栅的材料为银(silver，Ag)，并以所有的色散关(折射率对于波长的方程序)来计算偏振转换。可见光的入射波长及角度的范围分别位于400nm至700nm及0至60度之间。

图10A绘示为具有二元形金属光栅的广角宽频带偏振旋转共振器的侧视图。图10B绘示为二元形金属光栅的侧视图。在具有二元形金属光栅的偏振旋转共振器中，一次反弹的整体偏振转换效率如图10C所示。其中，转换效率C(λ，θ)如下式所示：

$C(\mathrm{\λ},\mathrm{\θ})=\frac{{\left|E_{z//,\mathrm{TM}}\right|}^2}{{\left|E_{z\·,\mathrm{TE}}\right|}^2}$

λ＝400～700nm；θ＝0°～60°；C_max＝0.931；C_min＝0.303

图11A绘示为具有二元形金属光栅的广角宽频带偏振旋转共振器的侧视图。图11B绘示为二元形金属光栅的另一侧视图。在具有二元形金属光栅的偏振旋转共振器中，无穷次反弹的整体偏振转换效率如图11C所示。其中，平均转换效率C(λ，θ)如下式所示：

$\stackrel{\‾}{C}(\mathrm{\λ},\mathrm{\θ})=\frac{\∫\∫C(\mathrm{\λ},\mathrm{\θ})\mathrm{d\λd\θ}}{\mathrm{\Δ\λ\Δ\θ}}=0.871$

λ＝400～700nm；θ＝0°～60°；C_max＝0.938；C_min＝0.457

在另一优选实施例中，在偏振转换共振器内使用梯形次波长金属光栅。图12绘示为位于偏振旋转共振器内的梯形次波长金属光栅的侧视图。图13A绘示为具有梯形次波长金属光栅的偏振旋转共振器的侧视图。图13B绘示为梯形次波长金属光栅的另一侧视图，此外，在具有梯形次波长金属光栅的偏振旋转共振器中，一次反弹的整体偏振转换效率亦如图13C所示。其中，转换效率C(λ，θ)如下式所示：

$C(\mathrm{\λ},\mathrm{\θ})=\frac{{\left|E_{z//,\mathrm{TM}}\right|}^2}{{\left|E_{z\·,\mathrm{TE}}\right|}^2}$

λ＝400～700nm；θ＝0°～60°；C_max＝0.862；C_min＝0.287

相仿地，图14A绘示为图14B中的具有梯形次波长金属光栅的偏振旋转共振器的另一侧视图。在具有梯形次波长金属光栅的偏振旋转共振器中，无穷次反弹的整体偏振转换效率如图14C所示。其中，平均转换效率C(λ，θ)如下式所示：

$\stackrel{\‾}{C}(\mathrm{\λ},\mathrm{\θ})=\frac{\∫\∫C(\mathrm{\λ},\mathrm{\θ})\mathrm{d\λd\θ}}{\mathrm{\Δ\λ\Δ\θ}}=0.859$

λ＝400～700nm；θ＝0°～60°；C_max＝0.904；C_min＝0.581

本发明披露两种使用于偏振旋转共振器内的金属光栅以提高偏振效能，然亦不限于此，金属光栅亦可替换选择性的外形及材料，且亦属本发明的保护范围。本发明所披露的二元形及梯形金属光栅仅用以解释本发明的主要精神，并非以的作为本发明的限制。选择性地，金属光栅的的外形例如可替换为二元形、梯形、正弦形、抛物线形以及高斯(Gaussian)形，只要选择性的光栅具有高反射率及良好的偏振转换，皆属于本发明的保护范围。

如图4至6所示的偏振旋转共振器，其通过使用金属材料或金属涂布表面的光栅与宽频带的偏振分光器，以达成一广角宽频带偏振转换器。金属光栅及偏振分光器的组合并非限定于平行共振器的形式。金属绕射光栅亦不限定于半波长光栅，其亦可以是具有多个非衰减绕射阶的绕射光栅。图7及8图绘示为依照本发明的广角宽频带偏振转换器的选择性架构的一例。在图7中，使用一类似波导腔(cavity)的结构来引导所传送的波至所期望的方向，而非使用平行共振器。在图8中，为了使亮度成为均匀分布(uniformdistribution)，金属光栅被设计为用以绕射光线为不同传播阶数(-2至+2)。在本发明的所有实施例中，其新颖的特征在于：于反射光栅与偏振分光器之间提供一可供光线多次反弹的环境，以提高整体转换效率。普通技术人员应知，根据本发明的精神及于说明书中所披露的内容，金属光栅及偏振分光器此两个光学元件亦可使用选择性的排列方式，以使设计者可选择一合适的装置架构来达成所期望的效能。

综上所述，虽然本发明已以一优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种偏振转换器，包括：

一偏振分光器，用以接收一光束，该偏振分光器使该光束的一第一偏振波通过，并反射该光束的一第二偏振波；以及

一绕射光栅，具有一反射率及一偏振转换光栅，用以接收该第二偏振波并反射一具有偏振旋转的一椭圆偏振波。

2.如权利要求1所述的偏振转换器，其中该第一偏振波为横磁波，该第二偏振波为横电波。

3.如权利要求1所述的偏振转换器，其中该偏振分光器选自于由棱镜、具有多层膜的一光学装置所组成的组。

4.如权利要求1所述的偏振转换器，其中该绕射光栅选自于由具有平行交错的凸物与凹物的绕射光栅、金属绕射光栅、金属涂布多层绕射光栅、非金属反射材料绕射光栅、表面光栅、容体光栅、多层光栅、具有次波长光栅周期的绕射光栅、具有简谐振动的绕射光栅、具有多阶绕射光栅的绕射光栅所组成的组。

5.如权利要求1所述的偏振转换器，其中该绕射光栅选自于由二元形光栅、梯形光栅、正弦形光栅、抛物线形光栅以及高斯形光栅所组成的组。

6.如权利要求1所述的偏振转换器，其中该偏振分光器包括：

一波导腔结构，用以引导所传送的波至偏振转换所期望的方向。

7.一种偏振转换方法，用以有效地偏振转换一光束，该方法包括下列步骤：

由一偏振分光器接收一光束；

经由该偏振分光器通过该光束的一第一偏振波；

经由该偏振分光器反射该光束的一第二偏振波至一绕射光栅；

经由该绕射光栅反射一椭圆偏振波回到该偏振分光器；

由该偏振分光器接收该被反射的该椭圆偏振波；以及

重复该些步骤，以便于该偏振分光器及该绕射光栅之间进行多次反弹，达到高偏振转换的效率。

8.如权利要求7所述的方法，其中该椭圆偏振波具有该第一偏振波的分量及该第二偏振波的分量的组合，该第一偏振波及该第二偏振波具有一相位差。

9.如权利要求7所述的方法，其中该第一偏振波表示为横磁波，该第二偏振波表示为横电波。

10.如权利要求7所述的方法，还包括下列步骤：

平行对位该偏振分光器与该绕射光栅，以形成一偏振旋转平行共振器。

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