CN102192762A - 线性极化光转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种线性极化光转换器，是自一个光源所产生的含有互相正交的第一线性极化波与第二线性极化波的非极化波中，利用一极化回收循环的机制分出该第一线性极化波，其包含：一个极化分光单元及一个金属反射镜。该极化分光单元是设置于该光源的一第一侧用以接受该非极化波，使该第一线性极化波通过，并反射该第二线性极化波。该金属反射镜是设置于相反于该光源的第一侧的一第二侧，包括一层金属层及多数个散布于该金属层上的金属粒子，该金属粒子定义出一个粗化表面。借该粗化表面以将该第二线性极化波转换成椭圆偏振波并反射该椭圆偏振波。

Description

线性极化光转换器
技术领域
本发明涉及一种线性极化光转换器(linearly polarized lightconverter)，特别是涉及一种应用于微晶投影机(micro-liquid-crystalprojector)的线性极化光转换器。
背景技术
因应科技产业的发展，光电技术领域的相关产业需借由提升背光模组(backlight module)中的极化效率(polarization efficiency)来满足微晶投影技术[即，硅基液晶(liquid crystal on silicon，简称LCOS)]所应具备的高显示对比(contrast ratio)的需求。
参阅图1，US 2009/0040608A1揭露一种极化转换器1，包含：一个周期性(periodic)排列的凸条与沟渠的金属绕射光栅(diffractiongrating)11，及一个与该金属绕射光栅11间隔设置的极化分光器(polarization beam splitter，简称PBS)12。
在微晶投影技术相关领域中，微晶投影技术相关领域者可利用该极化转换器1来增加线性极化光的输出量，并借此提升微晶投影机的能源效率。一般而言，自一台微晶投影机的一个背光模组(图未示)所产生的非极化的光波(unpolarized waves)主要是由随机偏振的光波所构成。而前述的线性极化光所指的即是光的偏振方向固定在一直线上的光波，例如，横磁波(transverse magnetic waves，简称TM波)或横电波(transverse electricwaves，简称TE波)。
再参阅图1，此处值得说明的是，当一非极化的光波10在接触到该极化分光器12后，会使得TM波及TE波其中一者通过并反射其中另一者。经前述说明可知，以背光模组所产生的光源总量为100％来计算，将有50％的光源在极化转换的过程中被牺牲掉。因此，该金属绕射光栅11于该极化转换器1的主要作用是在于，将被反射回该金属绕射光栅11的线性极化光(如TE波)101转变成椭圆极化的光波10’[也就是说，极化可分解成含有线性极化光(TE波)101与线性极化光(TM波)102的组合]，并将此被转变为椭圆极化的光波10’再度地反射回该极化分光器12，供该极化分光器12将线性极化光(如TM波)102传递出该极化分光器12，经由如此的极化回收循环(polarization recycling)进而提升该极化转换器1的极化转换效率，并满足微晶投影技术对于节能的需求。
又，此处也需说明的是，由于金属绕射光栅主要是由多数的凸条与沟渠以周期性排列的方式所构成的阵列；因此，对于冷阴极萤光灯管(cold-cathode fluores cent lamp，简称CCFL)所产生的圆柱电磁波(cylindrical wave)而言，直线偏极光的极化转换(polarizationconversion)效率将受金属绕射光栅所摆的方位角所影响。换句话说，金属绕射光栅的光栅向量(grating vector)需与圆柱电磁波的入射平面(incident plane)约成45度夹角，才会有较高的极化转换效率。在此，圆柱电磁波有唯一的入射平面。然而，对于其他非长管状光源所产生的电磁波而言，其入射平面并非唯一，所以无法调整光栅向量方位角以求得最佳极化转换效率。因此，对于US 2009/0040608A1所揭露的极化转换器1来说，该极化转换器1因使用该金属绕射光栅11，所以比较适合搭配使用CCFL来做为背光源。
为了提升极化效率，此技术领域需透过多道精准且交替的微影(photolithography)程序与蚀刻(etching)程序来制作金属绕射光栅，不只需花费大量的时间成本与设备成本，此外，碍于金属绕射光栅本身的外观结构又只能局限于搭配使用以CCFL做为光源的背光模组；因此，降低极化转换器的生产成本并增加其可搭配使用的非管状光源的选择性，是此技术领域所需突破的主要课题。
由此可见，上述现有的极化光转换器在结构与使用上显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决线性极化光转换器存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的线性极化光转换器，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明的目的是在提供一种线性极化光转换器。该线性极化光转换器可提供生产节能以及成本较低的线性极化光，并增加其可搭配使用的光源的选择性。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种线性极化光转换器，是自一个光源所产生的含有互相正交的第一线性极化波与第二线性极化波的非极化波中，利用一极化回收循环的机制分出该第一线性极化波，该线性极化光转换器包含：一个极化分光单元；及一个金属反射镜；其中该极化分光单元是设置于该光源的一第一侧用以接受该非极化波，该极化分光单元使该非极化波的第一线性极化波通过，并反射该非极化波的第二线性极化波，而该金属反射镜是设置于相反于该光源的第一侧的一第二侧；其中：该金属反射镜具有一层金属层及多数个散布于该金属层上的金属粒子，所述金属粒子定义出一个粗化表面，借该粗化表面以将该第二线性极化波转换成椭圆偏振波并反射该椭圆偏振波。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的线性极化光转换器，其中所述的金属粒子的形状是球体、三角锥、正方锥、椭球体、不规则多边锥，或前述形状的组合。
前述的线性极化光转换器，其中所述的金属粒子是由金、银、铜、铝或前述金属的合金所制成。
前述的线性极化光转换器，其中所述的定义该非极化波的波长为λ；所述金属粒子的粒径是介于0.1λ～100λ之间；所述金属粒子的两相邻金属粒子间的距离是介于0.1λ～100λ之间。
前述的线性极化光转换器，其中所述的该非极化波的波长属于可见光波长范围。
前述的线性极化光转换器，其中所述的该极化分光单元为一个宽频带广角极化分光器。
前述的线性极化光转换器，其中所述的该极化分光单元是一个棱镜、一个多层膜、一个介电光栅、一个线栅结构，或前述元件的组合。
前述的线性极化光转换器，其中所述的该极化分光单元具有一个面对该光源的表面，该极化分光单元的表面的一个截面为一个抛物面、一个球面、一个锥面、一个长方体面、一个正方体面、一个不规则多面体面，或前述表面的组合。
前述的线性极化光转换器，其中所述的该光源为一个灯泡或一个发光二极管。
前述的线性极化光转换器，其中所述的分别设置于该光源的第一、二侧的极化分光单元与金属反射镜是包围住该光源。
前述的线性极化光转换器，其中所述的该金属反射镜还包括一个具有一个表面的基材，该金属层是形成在该基材上，该基材的表面具有至少一个光学焦点，该光源是选置在临近于该焦点处。
前述的线性极化光转换器，其中所述的该基材的表面为一个抛物面、一个球面、一个长方体面、一个正方体面、一个不规则多面体面，或前述表面的组合。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明线性极化光转换器，是自一个光源所产生的含有互相正交的第一线性极化波与第二线性极化波的非极化波中，利用一极化回收循环的机制分出该第一线性极化波。该线性极化光转换器，包含：一极化分光单元及一金属反射镜。该极化分光单元是设置于该光源的一第一侧用以接受该非极化波。该极化分光单元使该非极化波的第一线性极化波通过，并反射该非极化波的第二线性极化波。该金属反射镜是设置于相反于该光源的第一侧的一第二侧。该金属反射镜包括一个金属层及多数个散布于该金属层上的金属粒子，所述金属粒子定义出一粗化表面。借该粗化表面以将该第二线性极化波转换成椭圆偏振波并反射该椭圆偏振波。
本发明具有下列优点和有益效果：提供生产成本较低以及适用于非管状的光源，比如以产生球形电磁波(spherical electromagnetic wave)的LED背光光源等的线性极化光转换器。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明US2009/0040608A1所揭露的一极化转换器的主视示意图；
图2是本发明的线性极化光转换器的一较佳实施例主视示意图；
图3是本发明该较佳实施例的一金属反射镜的一粗化表面图2的局部放大示意图；及
图4是本发明该较佳实施例的线性极化光转换器在不同入射角(度)与不同波长(λ)的极化转换率的一示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的线性极化光转换器其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
参阅图2，本发明线性极化光转换器的一个较佳实施例，是用以自一个光源2所产生的含有互相正交的第一线性极化波201与第二线性极化波202的非极化波20中，利用一极化回收循环的机制分出该第一线性极化波201。本发明该较佳实施例的线性极化光转换器，包含：一个间隔设置于该光源2的一第一侧21的极化分光单元3，及一个间隔设置于相反于该光源2的第一侧21的一第二侧22的金属反射镜4
此处值得说明的是，当本发明该第一线性极化波201是横磁波(TM波)时，则该第二线性极化波202是横电波(TE波)；相反地，当本发明该第一线性极化波201是横电波(TE波)时，则该第二线性极化波202是横磁波(TM波)。此因横电波与横磁波为互相正交的两线性极化波，而任何光波均可分解成互相正交的两线性极化波。在本发明该较佳实施例中，该第一线性极化波201是横磁波(TM波)；该第二线性极化波202是横电波(TE波)。本发明适用的光源2可以是一单色(monochromatic)或彩色(chromatic)的灯泡、一冷阴极萤光灯管(CCFL)，或是一发光二极管(LED)。
该极化分光单元3是用以传输该第一线性极化波201(即，TM波)并反射该第二线性极化波202(即，TE波)。
适用于本发明的极化分光单元3可以是一个宽频带广角极化分光器(broadbandwide-angle polarization beam splitter)；也可以是一个棱镜、一个多层膜、一个介电光栅(dielectric grating)、一个线栅结构，或前述元件的组合。较佳地，该极化分光单元3具有一个面对该光源2的表面31。该极化分光单元3的表面31的一个截面为一个抛物面、一个球面、一个锥面、一个长方体面、一个正方体面、一个不规则多面体面，或前述表面的组合。
较佳地，分别设置于该光源2的第一、二侧21、22的极化分光单元3与金属反射镜4是包围住该光源2。更佳地，该金属反射镜4包括一个具有一个表面411的基材41、一层形成于该基材41的表面411上的金属层42，及多数个散布于该金属层42上且是由金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(A1)，或前述金属的合金(alloy)所制成的金属粒子43。该基材41的表面411具有至少一个光学焦点F。该基材41的表面411是一个抛物面、一个球面、一个长方体面、一个正方体面、一个不规则多面体面，或前述表面的组合。
举例来说，当本发明该金属反射镜4的基材41的表面411是由n个相连接的抛物面所构成时，则该表面411具有n个光学焦点F，并可选择性地在邻近前述n个光学焦点F处搭配使用n个光源2(图未示)。在本发明该较佳实施例中，该光源2是一设置在该基材41的表面411的焦点F处的发光二极管。适用于本发明所述金属粒子43的形状是球体、三角锥、正方锥、椭球体、不规则多边锥，或前述形状的组合。在本发明该较佳实施例中，所述金属粒子43是球体，且该非极化波20的波长是属于可见光波长的范围(介于400nm～700nm之间)，定义该非极化波20的波长为λ。
参阅图3，更佳地，所述金属粒子43的粒径d是介于0.1λ～100λ之间；所述金属粒子43的两相邻金属粒子43间的距离D是介于0.1λ～100λ之间。此处值得说明的是，所述金属粒子43是经由喷涂(spraying)等方式形成于该金属层42的一个表面421。在本发明该较佳实施例中，该金属反射镜4的金属粒子43定义出一粗化表面40。再参阅图2可知，借该粗化表面40来接受该第二线性极化波202以将其转换成椭圆偏振波20’，并反射该椭圆偏振波20’。
在本发明该较佳实施例中，以球型金属粒子的粒径d为0.0022mm为例，取金属粒子之间的距离D为0.005mm，可计算出此一粗化表面40的平均极化转换率(average polarization conversion efficiency)为0.65，如图4所示。因此，经由一次的反射的总线性极化发射效率(power efficiency)可达82.5％，[即，
Figure GSA00000103001000061
本发明利用所述金属粒子43所构成的粗化表面40来代替现有的金属绕射光栅11，可节省掉微影技术与蚀刻技术所需耗费的时间成本与设备成本；此外，本发明的线性极化光转换器因其金属反射镜4的金属粒子所构成的粗化表面40，而使得其整体元件的极化效率不受电磁波的入射平面的方位角所影响(也就是说，不受圆柱电磁波的限制)；因此，本发明的线性极化光转换器也可适用于球形电磁波光源(如，LED背光光源)，并适合被整合应用至微晶投影机中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种线性极化光转换器，是自一个光源所产生的含有互相正交的第一线性极化波与第二线性极化波的非极化波中，利用一极化回收循环的机制分出该第一线性极化波，该线性极化光转换器包含：一个极化分光单元；及一个金属反射镜；其中该极化分光单元是设置于该光源的一第一侧用以接受该非极化波，该极化分光单元使该非极化波的第一线性极化波通过，并反射该非极化波的第二线性极化波，而该金属反射镜是设置于相反于该光源的第一侧的一第二侧；其特征在于：该金属反射镜具有一层金属层及多数个散布于该金属层上的金属粒子，所述金属粒子定义出一个粗化表面，借该粗化表面以将该第二线性极化波转换成椭圆偏振波并反射该椭圆偏振波。
2.如权利要求1所述的线性极化光转换器，其特征在于：所述金属粒子的形状是球体、三角锥、正方锥、椭球体、不规则多边锥，或前述形状的组合。
3.如权利要求1所述的线性极化光转换器，其特征在于：所述金属粒子是由金、银、铜、铝，或前述金属的合金所制成。
4.如权利要求1所述的线性极化光转换器，其特征在于：定义该非极化波的波长为λ；所述金属粒子的粒径是介于0.1λ～100λ之间；所述金属粒子的两相邻金属粒子间的距离是介于0.1λ～100λ之间。
5.如权利要求4所述的线性极化光转换器，其特征在于：该非极化波的波长属于可见光波长范围。
6.如权利要求1所述的线性极化光转换器，其特征在于：该极化分光单元为一个宽频带广角极化分光器。
7.如权利要求1所述的线性极化光转换器，其特征在于：该极化分光单元是一个棱镜、一个多层膜、一个介电光栅、一个线栅结构，或前述元件的组合。
8.如权利要求1所述的线性极化光转换器，其特征在于：该极化分光单元具有一个面对该光源的表面，该极化分光单元的表面的一个截面为一个抛物面、一个球面、一个锥面、一个长方体面、一个正方体面、一个不规则多面体面，或前述表面的组合。
9.如权利要求1所述的线性极化光转换器，其特征在于：该光源为一个灯泡或一个发光二极管。
10.如权利要求1所述的线性极化光转换器，其特征在于：分别设置于该光源的第一、二侧的极化分光单元与金属反射镜是包围住该光源。
11.如权利要求10所述的线性极化光转换器，其特征在于：该金属反射镜还包括一个具有一个表面的基材，该金属层是形成在该基材上，该基材的表面具有至少一个光学焦点，该光源是选置在临近于该焦点处。
12.如权利要求11所述的线性极化光转换器，其特征在于：该基材的表面为一个抛物面、一个球面、一个长方体面、一个正方体面、一个不规则多面体面，或前述表面的组合。
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