CN101482630B - 极化色彩分光装置 - Google Patents

Abstract

一种极化色彩分光装置，其包含一透镜元件及一三角结构元件；该透镜元件具有一第一主体，于该第一主体内设有极化物质，该第一主体具有一第一入光面及一第一出光面，该第一入光面及第一出光面分别设有透镜结构；该三角结构元件具有一第二入光面及一第二出光面，于第二入光面及第二出光面分别设有具微结构的三角形结构；将白色光束由该第一入光面射入该第一主体，由极化物质偏极化后，再由该第一出光面的透镜结构缩小光束，再由该第二入光面的三角形微结构将光束分离为红、绿、蓝三原色光束，再经由该第二出光面的三角形微结构导正红、绿、蓝三原色光束为准直方向；借此达到大幅提高光能使用效率、提高光线准直性与缩束等目的。

Description

极化色彩分光装置

技术领域

本发明有关于一种极化色彩分光装置，尤指一种借助具有极化物质的微/纳米复合结构来控制色彩分光、极化与开口率的装置。

背景技术

平面液晶显示器整体的结构大致上可分为背光模块、极化偏光片、TFT(Thin Film Transistor)液晶模块、彩色滤光膜片及极化检偏器等等。以目前技术而言，传统平面液晶显示器整体的光能使用率只有百分之三～六，可见其能源的消耗非常严重。于平面液晶显示器中，能源耗损最大的是彩色滤光膜片，其损耗率约为百分之七十，即传统彩色滤光膜片的光效率只有百分之三十，此外，极化偏光片的损耗率也高达百分之六十，严重影响液晶显示的能源消耗。

因此，全世界各前沿的学者专家无不竭尽所能地设法解决此现象，为了有效提升液晶显示器的省电效率，纷纷提出各种新技术以提升其效率。就现有专利而言，例如美国发明专利6867828号“光导向器，背光设备和液晶显示器”(Light guide apparatus，a backlight apparatus and a liquid crystal displayapparatus)，以及发明专利7164454号“移除彩色滤光的显示设备，光学元件及其加工”(Color filterless display device，optical element，and manufacture)，其主要利用特殊角度的微棱镜阵列或变结构微光栅阵列制作分色元件，用以对白光进行分光，白光分光后，会在空间中进行一段远场绕射，并将白光光源分解成红、绿、蓝三原色光；但是，其分光元件的加工繁复、结构复杂，良品率与成本不易掌握；同样地，被分解的红、绿、蓝三原色光的出射角度方向会随着绕射角发散出去，进入面板后会继续发散，造成杂光与鬼影，在实际面板应用上并不理想；此外，上述现有专利所提出的技术手段无法提高开口率(apertureratio)与极化效率。

针对本案发明人林晖雄于2006年9月11日，由韩国首尔所举办的光学研讨会(The Joint Conference on Plastic Optical Fiber&Microoptics)中，所发表的论文“混合光栅分光设计在液晶显示器上的应用”(DESIGN OF HYBRIDGRATING FOR COLOR FILTER APPLICATION IN LIQUID CRYSTALDISPLAY)，该论文揭露一种以双面周期性三角结构元件搭配双面凸透镜元件，可导正入射的白光光束，并分离为红、绿、蓝三原色光，且分离出的红、绿、蓝光束可再被导正为准直方向，借此克服传统光栅受限于入射平行光的先天限制，以及因为元件组装纵深与横向误差而影响灵敏度的缺失。

然而，由于一般光线由比例约各占50％的具有垂直与水平两方向偏极特性的S偏振光及P偏振光构成，因此传统液晶显示器于光源由背光模块进入液晶面板的路径中，设置一偏极片，借助该偏极片使需要的偏极方向的光线(S偏振光)通过，而另一偏极方向的光线(P偏振光)则被吸收，而此论文的光栅分光设计所考虑的光源为一般非极化光线，并未考虑光线的极化特性，将导致的光损失率高达50％。

发明内容

有鉴于现有技术的缺失，本发明的目的在于提出一种极化色彩分光装置，借助具有极化物质的微纳米复合结构来控制色彩分光、极化与开口率，不仅可提高光线准直性与缩束，同时，可使两方向的偏极光行为分开，使会通过偏极片的偏极光线通过，另一偏极光线可返回、散射而重复被利用，可大幅提高光能使用效率。

为达到上述目的，本发明提出一种极化色彩分光装置，其包含一透镜元件及一三角结构元件；该透镜元件具有一第一主体，于该第一主体内部设有极化物质或于该第一主体表面设有极化物质，该第一主体具有一第一入光面及一第一出光面，该第一入光面及第一出光面分别设有透镜结构；该三角结构元件具有一第二入光面及一第二出光面，于该第二入光面及该第二出光面分别设有具微结构的三角形结构。

本发明的有益效果在于，借助具有极化物质的微纳米复合结构来控制色彩分光、极化与开口率，不仅可提高光线准直性与缩束，同时，可使两方向的偏极光行为分开，使会通过偏极片的偏极光线通过，另一偏极光线可返回、散射而重复被利用，从而大幅提高光能使用效率。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1本发明的一实施例的结构示意图；

图2至图6为本发明的极化物质不同设置形态的示意图；

图7至图9为本发明不同形态的透镜元件的结构示意图；

图10为S偏振光及P偏振光通过不同介质界面时的折射及反射状态示意图；

图11为闪耀式光栅(Blazed Grating)绕射原理示意图；

图12为S偏振光光通过三角形微结构光栅时的折射及反射状态示意图；

图13为P偏振光通过三角形微结构光栅时的折射及反射状态示意图；

图14至图17为本发明不同形态的三角结构元件的结构示意图；

图18为三角形微结构以结构面对结构面相对组合的实验结构示意图；

图19为以图18结构进行实验分析所得绕射效率曲线图。

其中，附图标记

10、10a、10b、10c-透镜元件

11、11a、11b、11c-第一主体

111、111a、111b、111c-第一入光面

112、112a、112b、112c-第一出光面

113、、113a、114、114b-凸透镜结构

113b、114a、113c、114c-凹透镜结构

12-极化物质

20、20a、20b、20c、20d-三角结构元件

21、21a、21a’、21b、21b’、21c、21c’、21d、21d’-第二主体

211、211a、211c-第二入光面

212、212a、212c-第二出光面

213、214、213a、214a、213b、214b、213c、214c、213d、214d-三角形微结构

30-白色光束

30P-小型白色光束

30R、30G、30B-红、蓝、绿三原色光束

40、50、60-光栅

41-光栅小平面

L1-入射光

L2-反射光

L3-折射光

L4-小平面法线(Facet Normal)

L5-绕射光

L6-光栅法线

L7-S偏振光

L8-P偏振光

n1-折射率

n2-折射率

rs、rp-振幅反射率

ts、tp-穿透率

θ、θ1、θ2、β、φ-角度、夹角

θs、θs’θp、θp’-光栅底角

η1、η2-曲线

具体实施方式

以下将结合附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下结合附图所列举的实施例仅为辅助说明，但本案的技术手段并不限于所列举附图及实施例。

请参阅图1所示，本发明提供的极化色彩分光装置，其包含一透镜元件10及一三角结构元件20；该透镜元件10具有一第一主体11，该第一主体11具有一第一入光面111以及一第一出光面112，于该第一入光面111及该第一出光面112分别设有周期性透镜结构，该透镜结构可为球面或非球面柱状曲率的凸透镜或凹透镜；于本实施例中，该第一入光面111及该第一出光面112均设置凸透镜结构113、114，且该第一入光面111的凸透镜结构113的孔径大于该第一出光面112的凸透镜结构114的孔径。

并且，于该第一本体11内设有极化物质12，该第一主体11可采用有机材料、玻璃、金属、硅芯片或化合物半导体材料，该极化物质12可采用高分子分散型液晶(PDLC)、胆固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal)、聚二甲酸二乙酯(PEN)等具极化特性材料之一或其组合，可将该极化物质12与该第一主体11混合一体成型，或将该极化物质12设置于该第一主体11表面。

该三角结构元件20具有一第二主体21，该第二主体21具有一第二入光面211及一第二出光面212，于该第二入光面211及该第二出光面212分别设有具微结构的三角形结构213、214，该三角形微结构213、214可为二维(其中一维为高度)或三维结构，于本实施例中，该三角形微结构213、214为直角三角形，且为结构面对结构面组合；至于该三角形微结构213、214所具有的微结构，可为纳米尺寸微结构或微纳米复合微结构，配合不同的波长，由于其尺寸设计并无限制，在此不予赘述。

借助上述结构，请参阅图1，将一白色光束30由该第一入光面111射入该第一主体11，该白色光束30的光源可为冷阴极灯管(CCFL，Cold CathodeFluorescent Lamp)CCFL，红绿蓝发光二极管(RGB LED)，红绿蓝雷射(RGBLaser)等光源；该白色光束30进入该第一主体11后，可由该极化物质12将该白色光束30偏极化，可使具有水平与垂直两方向偏极特性的P偏振光及S偏振光(图中未示出)行为分开，除了使P偏振光通过之外，S偏振光则可借助该极化物质12返回、散射而重复被利用，可大幅提高光能使用效率；其次，偏极化的白色光束30再通过该第一出光面112射出，由凸透镜结构114作用形成外径缩小的小型白色光束30P。

接着，该小型白色光束30P射入该第二入光面211，当通过该第二入光面211的三角形微结构213后，可使该小型白色光束30P分离为红、蓝、绿三原色光束30R、30G、30B，再经由邻近该第二出光面212的三角形微结构214导正该红、蓝、绿三原色光束30R、30G、30B为准直方向，即原始射入该透镜元件10的白色光束30方向，再由该第二出光面212射出该三角结构元件20。

于图1实施例，其将极化物质12设置于该第一主体11，除此之外，请参阅图2至图6所示其他实施形态；如图2所示，该极化物质12设置于该凸透镜结构113、114内；如图3所示，该极化物质12设置于该第一主体11及凸透镜结构113、114内；如图4所示，该极化物质12设置于该第一出光面112及凸透镜结构114表面；如图5所示，该极化物质12设置于该第一入光面111及凸透镜结构113表面；如图6所示，该极化物质12设置于该第一入光面111、凸透镜结构113表面，以及该第一出光面112及凸透镜结构114表面。

请参阅图7至图9所示不同型态的透镜元件；如图7所示该透镜元件10a，其具有一第一主体11a，该第一主体11a具有一第一入光面111a以及一第一出光面112a，本实施例的特点在于该第一入光面111a设置凸透镜结构113a，而该第一出光面112a设置凹透镜结构114a；如图8所示该透镜元件10b，其具有一第一主体11b，该第一主体11b具有一第一入光面111b以及一第一出光面112b，本实施例的特点在于该第一入光面111b设置凹透镜结构113b，而该第一出光面112b设置凸透镜结构114b；再如图9所示该透镜元件10c，其具有一第一主体11c，该第一主体11c具有一第一入光面111c以及一第一出光面112c，本实施例的特点在于该第一入光面111c及该第一出光面112c均设置凹透镜结构113c、114c；由图1及图7至图9所示该透镜元件10、10a、10b、10c可知，本发明所提供的透镜元件具有多种型态，无论凹透镜或凸透镜，其设计原则在于，位于入光面的透镜结构的孔径大于位于出光面的透镜结构的孔径，借此可将光束缩小；再次强调说明的是，该透镜元件的重点在于具有极化物质，可将P偏振光及S偏振光行为分开，使S偏振光可返回、散射而重复被利用，因此可提高光能使用效率。

请参阅图10，说明S偏振光与P偏振光由折射率n2的介质进入折射率n1的介质时的状况；入射光L1以θ角入射，反射光L2的反射角为θ，折射光L3的折射角为φ；根据电磁学理论，接口处的电场与磁场需保持连续性，但由于S偏振光与P偏振光之电场与磁场偏振方向不同，因而造成S偏振光与P偏振光的振幅反射率rs、rp，以及穿透率ts、tp不同值。

依据下列公式：

$r_s=\frac{\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{{\left(\frac{n_2}{n_1}\right)}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{{\left(\frac{n_2}{n_1}\right)}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

$t_s=\frac{2\cos \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{{\left(\frac{n_2}{n_1}\right)}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

$r_p=\frac{{\left(\frac{n_2}{n_1}\right)}^2\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{{\left(\frac{n_2}{n_1}\right)}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{{\left(\frac{n_2}{n_1}\right)}^2\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{{\left(\frac{n_2}{n_1}\right)}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

$t_p=\frac{2\frac{n_2}{n_1}\cos \mathrm{\θ}}{{\left(\frac{n_2}{n_1}\right)}^2\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{{\left(\frac{n_2}{n_1}\right)}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

如以上公式所示，S偏振光及P偏振光的振幅反射率rs与rp，以及S偏振光及P偏振光的穿透率ts与tp皆为入射角θ及介质折射率n1及n2的函数。

请参阅图11所示，说明闪耀式光栅(Blazed Grating)绕射原理，闪耀式光栅是一种兼具分光效果和绕射效率的光栅，借助调整入射光L1与光栅40小平面法线(Facet Normal)L4的相对角度(即夹角α+φ)，使得绕射光L5的方向和以光栅小平面(Facet)41为折射平面时的折射方向相同，此时，绕射光学效率在绕射方向(或光栅小平面41的折射方向，如图所示与光栅法线L6夹角β的方向)可达最大。

若入射光L1为具偏极性的S偏振光及P偏振光时，穿透光的振幅与相位分布会进一步受到入射光与界面的夹角及光栅界面两边的折射率影响，故需进一步微调光栅40的形状或角度(如图所示该角度θ1及θ2)，以使绕射光学效率在特定绕射方向(或光栅小平面41的折射方向)可达最大。

依据上述原理，请参阅图12及图13所示，其中，图12为针对S偏振光L7时，其光栅50底角分别可控制为θs及θs’；图13为针对P偏振光L8时，其光栅60底角分别可控制为θp及θp’；当S偏振光L7及P偏振光L8分别由折射率n2的介质，通过光栅50、60进入折射率n1的介质时，其入射光与界面的夹角，以及光栅50、60界面两边的折射率均会影响该穿透光及反射光的振幅与相位分布；为增加光学利用效率于特定绕射级数，例如图12及图13所示该绕射级数-1T，即可经由控制光栅50、60的底角θs、θs’及θp及θp’而达成。

通过上述关于S偏振光及P偏振光的分光及绕射原理分析可知，当光栅面对具极化特性的光线与一般非极化特性的光线时在结构优化设计时所考虑的不同，设计结果也会不一样，由于本发明所面对的光线为具极化特性的光线，因此本发明所提供的三角形微结构光栅结构可作为极化光的优化设计。

再请参阅图14至第图17所示不同形态的三角结构元件；如图14所示该三角结构元件20a，本实施例的特点在于具有二第二主体21a、21a’，该第二主体21a、21a’分别具有一第二入光面211a以及一第二出光面212a，于该第二主体21a、21a’之间设有结构面与结构面相对的三角形微结构213a、214a，该三角形微结构213a、214a均为直角三角形，至于图示该三角形微结构213a、214a呈现多层阶梯状，用以显示该三角形微结构213a、214a由多层阶梯状微结构所形成；再如图15所示该三角结构元件20b，其具有二第二主体21b、21b’，本实施例的特点在于该第二主体21b、21b’相远离的面上分别设有结构背与结构背相对的三角形微结构213b、214b，该三角形微结构213b、214b均为直角三角形，由该三角形微结构213b的结构面作为入光面，而另一三角形微结构214b的结构面作为出光面；再如图16所示该三角结构元件20c，本实施例与图14相仿，其具有二第二主体21c、21c’，该第二主体21c、21c’分别具有一第二入光面211c以及一第二出光面212c，于该第二主体21c、21c’之间设有结构面与结构面相对的三角形微结构213c、214c，本实施例的特点在于，该三角形微结构213c、214c均为等腰三角形；再如图17所示该三角结构元件20d，本实施例与图15相仿，其具有二第二主体21d、21d’，该第二主体21d、21d’相远离的面上分别设有结构背与结构背相对的三角形微结构213d、214d，该三角形微结构213d、214d均为等腰三角形，由该三角形微结构213d的结构面作为入光面，而另一三角形微结构214d的结构面作为出光面。

由图1、图14至图17所示该三角结构元件20、20a～20d可知，本发明所提供的三角结构元件具有多种形态，其主体可设置为单一个(如图1所示)，也可为分离两主体(如图14至图17所示)，其三角形微结构可为直角三角形(如图1、图14及图15所示)，或等腰三角形(如图16、图17所示)，且其三角形微结构可为结构面对结构面组合(如图1、图14及图16所示)，也可为结构背对结构背组合(如图15及图17所示)。至于上述不同实施例的透镜结构，以及该三角微形结构，均为周期性结构，其依据下列公式设计：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{m\λ}}{p}$

其中，θ为绕射角度，λ是波长、p是结构周期，m为不同的绕射级数；其中，该绕射级数m是一个整数，同样地，视实际所需设定适当的角度、波长、结构周期或绕射级数，并无一定限制。

请参阅图18，三角结构元件中的三角形微结构以结构面与对结构面相对组合的结构实验分析，当三角形微结构深度为1.4um，以极化光与非极化光做为入射光，分别计算三角形微结构周期由0.5um至5um时，以极化光为光源与以非极化光为光源的各自绕射效率，其结果如图19所示，其中该曲线η1代表入射光为极化光的绕射效率，曲线η2代表入射光为非极化光的绕射效率，当三角形微结构周期为0.8um时，可得到最较佳绕射效率，其中，入射光为该极化光的最较佳绕射效率为78.193％，该入射光为非极化光的最较佳绕射效率为73.248％；以上实验说明，当透镜元件加入极化物质，使入射光线转变为极化光时，在三角结构元件设计条件上也会不相同，当应用于液晶面板时，不仅可降低光线在液晶面板偏光片的吸收，同时在三角结构元件设计效率上也会有所提升。

综上所述，本发明所提供的极化色彩分光装置，借助极性物质将P偏振光及S偏振光行为分开，使S偏振光可反回、散射而重复被利用，因此可提高光能使用效率；而特殊设计的周期性透镜元件及具有微结构的三角结构元件，可将色光束分离为红、蓝、绿三原色光束，且可导正光束为准直方向，据实验验证，其角度误差≤±0.1度，可克服传统光栅受限于入射平行光的先天限制，以及因为元件组装纵深与横向误差而影响灵敏度的缺失，应用于平面显示器与背光模块的加工，可大幅提升良品率与光能使用效率至少百分之十六。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种极化色彩分光装置，包含：

一透镜元件，其具有一第一主体，该第一主体具有一第一入光面以及一第一出光面，于该第一入光面及第一出光面分别设有透镜结构，于该第一主体设有极化物质；

一三角结构元件，其具有一第二主体，该第二主体具有一第二入光面以及一第二出光面，于该第二入光面及第二出光面分别设有三角形微结构；

将一白色光束由该第一入光面射入该第一主体，经该极化物质偏极化后，由该透镜结构缩小该白色光束并经由该第一出光面射出后，再由该第二入光面进入该三角结构元件，并由该第二入光面的该三角形微结构将该白色光束分离为红、绿、蓝三原色光束，再经由该第二出光面的该三角形微结构导正该红、绿、蓝三原色光束为一准直方向，并由该第二出光面射出。

2.根据权利要求1所述的极化色彩分光装置，其特征在于，该极化物质可为高分子分散型液晶、胆固醇液晶、聚二甲酸二乙酯具极化特性材料之一或其组合。

3.根据权利要求1所述的极化色彩分光装置，其特征在于，该极化物质可与该第一主体一体成型。

4.根据权利要求1所述的极化色彩分光装置，其特征在于，该透镜结构可为球面柱状或非球面柱状的凸透镜或凹透镜。

5.根据权利要求4所述的极化色彩分光装置，其特征在于，该第一入光面的透镜结构的孔径大于该第一出光面的透镜结构的孔径。

6.根据权利要求1所述的极化色彩分光装置，其特征在于，该第一主体可为有机材料、玻璃、金属、硅芯片或化合物半导体材料。

7.根据权利要求1所述的极化色彩分光装置，其特征在于，该透镜元件的透镜结构，以及该三角结构元件的三角形微结构，均为周期性结构。

8.根据权利要求1所述的极化色彩分光装置，其特征在于，该极化物质可设置于该第一主体内部或表面。

9.根据权利要求1所述的极化色彩分光装置，其特征在于，该三角形微结构可为等腰三角形或直角三角形。 

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