CN110794644A - 光学装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学装置包括波导元件、反射式光阀及投影镜头。波导元件可接收偏振光且包括第一表面、第二表面及光栅。偏振光可依序经过第一表面、光栅和第二表面。反射式光阀可将偏振光转换为影像光，且影像光可依序通过波导元件的第二表面、第一光栅和投影镜头。

Description

光学装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学装置及光学装置制造方法。
背景技术
近年来，各种影像显示技术已广泛地应用于各种可携式装置上，因此如何提供微型化、薄型化的光学模组架构，实为一重要设计课题。
发明内容
本发明的其他目的和优点可以从本发明实施例所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
根据本发明的一个观点，提供一种光学装置包括波导元件、反射式光阀及投影镜头。波导元件可接收第一偏振光且包括第一表面、第二表面及第一光栅。第一光栅设于第一偏振光的光路下游并可改变第一偏振光的行进方向，且第一偏振光可依序经过第一表面、第一光栅和第二表面。反射式光阀设于波导元件的第二表面的光路下游，且反射式光阀可将第一偏振光转换为第一影像光。投影镜头设于反射式光阀的光路下游，且第一影像光可依序通过波导元件的第二表面、第一光栅和投影镜头。
根据本发明的另一个观点，提供一种光学装置包括波导元件、相位延迟片、反射式光阀及投影镜头。波导元件包括可改变偏振光的行进方向的第一光栅，相位延迟片设于第一光栅的光路下游且可改变偏振光的偏振态。反射式光阀设于相位延迟片的光路下游，且投影镜头设于反射式光阀的光路下游。相位延迟片和第一光栅更设于反射式光阀与投影镜头的光路之间。
根据本发明的上述观点，利用具衍射结构光栅的波导元件设于例如一投影光学系统所提供的光传递效果，可不再需要一偏振分光器来分开照明光路和成像光路，因此可获得缩短光路、减小整体体积，缩短投影镜头背焦及设计长度等至少其中之一的效果，而有利于微型化或薄型化。再者，藉由调整光栅不同部位的衍射结构，例如使衍射结构的衍射效率呈现特定分布，可获得放大光路(或提高出光区域)及匀光的效果。
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显示一投影光学系统的示意图。
图2A为依本发明一实施例，显示一波导元件的示意图。
图2B为图2A的左端的局部放大示意图。
图3A为本发明另一实施例的波导元件的示意图。
图3B为图3A的左端的局部放大示意图。
图3C为图3A的右端的局部放大示意图。
图4A为本发明另一实施例的波导元件的示意图。
图4B为图4A的光栅的衍射结构示意图。
图5为依本发明一实施例，显示一光学装置的示意图。
图6为本发明另一实施例的光学装置的示意图。
图7为依本发明一实施例，显示衍射结构的角度设计的示意图。
图8为本发明另一实施例的光学装置的示意图。
图9为本发明另一实施例的光学装置的示意图。
具体实施方式
图1显示一投影光学系统(例如为投影光机)的示意图。如图1所示，投影光学系统1是利用一偏振分光器(PBS)2分开照明光路和成像光路，举例而言，由光源5发出的S态偏振光IS(照明光)可被偏振分光器(PBS)2反射并入射至硅基液晶面板(LCoS)3，硅基液晶面板3反射S态偏振光IS同时将S态偏振光IS转换成P态偏振光IP，因此离开硅基液晶面板3的P态偏振光IP(影像光)得以通过偏振分光器2，让投影镜头4将硅基液晶面板3的影像投影至屏幕(未图示)。需注意偏振分光器(PBS)和硅基液晶面板(LCoS)亦可用全内反射棱镜(TIRprism)和数字微镜装置(DMD)取代。
图2A为依本发明一实施例，显示一波导元件的示意图。图2B为图2A的左端的局部放大示意图。如图2A所示，波导元件(waveguide)10包括表面10a、表面10b、表面10c以及一光栅12，表面10a及表面10b例如可位于波导元件10沿其长轴方向的相对两侧。波导元件10例如是包含光栅12的导光板或波导管等，波导元件10的表面10c可接收一光线I，且光栅12设于光线I的光路下游。于本实施例中，光线I可由一光源22传递而来，光线I例如可来自合光装置、光准直元件(例如准直器(collimator))、光匀化元件(例如积分柱(integral rod)或微透镜阵列(lens array))、发光二极管、激光二极管等等的光源22而不限定，且光线I例如可为偏振光(polarizedlight)或非偏振光(non-polarized light)均可。于本实施例中，光线I从波导元件10的侧面入射后可藉由全反射传递到另一端，如图2B所示，当光线传递到光栅12，光栅12可藉由布拉格衍射现象偏折光线I而破坏全反射条件，使光线I可朝下通过表面10b出光。再者，于本实施例中，藉由调整光栅12的不同部位的衍射结构，例如使衍射结构的衍射效率呈现特定分布，可获得放大光路及匀光的效果。举例而言，如图2A所示，当入光量为A时，光栅14由右至左的5个点位的衍射效率例如可分别设为20％、25％、33％、50％及100％，并使各个点位的出光量均为0.2A，获得放大光路(或提高出光区域)及使出光较为均匀的效果。
图3A为本发明另一实施例的波导元件的示意图。图3B为图3A的左端的局部放大示意图，图3C为图3A的右端的局部放大示意图。于本实施例中，波导元件30包括设于出光端的一光栅12及入光端的另一光栅14。当光线I例如由表面30a向下进入波导元件30，光栅14可藉由衍射现象偏折光线I，被光栅14偏折预定角度的光线I与波导元件30的壁面间符合全反射条件，而于波导元件30中全反射传递，当光线I传递到光栅12时，光栅12可再偏折光线I破坏全反射条件，使光线I可朝下通过表面30b出光。藉由入光端设置另一光栅14的设计，可提供例如使入光方向的选择更具弹性且易于搭配不同的入光角度范围的效果，且可调整光栅14的预设偏折角度以更确保全反射条件产生。再者，位于出光端的光栅12与位于入光端的光栅14的受光面积或尺寸可视需求任意调整，于本实施例中，光栅12的受光面积大于光栅14的受光面积，但本发明不限定于此。
再者，于上述的实施例中，光栅12、14为穿透式光栅，于另一实施例中，亦可使用图4A所示的反射式光栅16代替穿透式光栅，同样可获得偏折光线产生全反射光传递的效果。如图4B所示，反射式光栅16的结构排列方向或配向与图3A、3B所示的穿透式光栅12、14的结构排列方向或配向不同。
图5为依本发明一实施例，显示一光学装置(例如为投影光机)的示意图。如图5所示，光学装置100可安装于一壳体(未图示)且包括一波导元件110、一反射式光阀120以及一投影镜头130。波导元件110可接收一偏振光(例如P态偏振光IP)且包括一第一表面110a、一第二表面110b及至少一光栅(例示为光栅112、114)。光栅112、114可设于P态偏振光IP的光路下游以改变P态偏振光IP的行进方向。于本实施例中，P态偏振光IP可通过波导元件110第一表面110a后先被光栅114偏折，再于波导元件110中全反射传递，当P态偏振光IP传递到光栅112，光栅112可偏折光线破坏全反射条件，使P态偏振光朝下通过表面110b出光并抵达反射式光阀120。于本实施例中，反射式光阀120例如可为硅基液晶面板(LCoS panel)122，硅基液晶面板122设于波导元件110的表面110b的光路下游，硅基液晶面板122反射通过光栅112的P态偏振光IP同时将P态偏振光IP转换为S态偏振光IS出射，S态偏振光IS即为调变后的影像光且可穿透波导元件110的光栅112，并进入位于反射式光阀120的光路下游的投影镜头130，之后通过投影镜头130的影像光可被投射至例如一屏幕(未图示)。因此，藉由本实施例的设计，可利用波导元件取代偏振分光器或全内反射棱镜，获得缩短光路、减小整体体积，缩短投影镜头背焦等效果，而有利于薄型化及微型化。
图6为本发明另一实施例的光学装置的示意图。本实施例与图5的实施例主要差别在于使用数字微镜装置(DMD)代替硅基液晶面板作为一反射式光阀。于本实施例中，可利用红光(R)、绿光(G)及蓝光(B)激光二极管154分别输出激光偏振光并经合光后形成例如一P态偏振光IP并入射至波导元件110，利用激光光源的偏振特性搭配波导元件110可进一步提高衍射效率。再者，因光学装置150使用数字微镜装置152作为反射式光阀120，因数字微镜装置152不会改变光线的偏振态，但可利用衍射结构仅对特定入射角度光线作用的特性，让数字微镜装置152调变后的影像光可穿透光栅112后进入投影镜头130。举例而言，请参考图7，光栅112的衍射结构112a可包夹于两玻璃基板112b、112c之间，于一参考例中但不限定，例如可将光线入射至衍射结构112a的角度θ1设为70°，入射至玻璃基板112c与空气的介面的角度θ2设为15.6°，且入射至数字微镜装置152的角度θ3设为12°，藉由特定的入射角度设计可让数字微镜装置152反射后的P态偏振光IP(影像光)不被光栅112偏折而可进入投影镜头130。
图8为本发明另一实施例的光学装置的示意图。本实施例与图6的实施例主要差别在于使用一相位延迟片来改变影像光的偏振态。如图8所示，光学装置170的投影镜头130可设于例如数字微镜装置152的反射式光阀120的光路下游，一1/4波片158可设于光栅112的光路下游，且1/4波片158和光栅112可设于数字微镜装置152与投影镜头130的光路之间。当例如P态偏振光IP被光栅112偏折后可通过1/4波片158再被数字微镜装置152反射，反射光会再通过1/4波片158一次，因此P态偏振光IP通过1/4波片158两次后可转换为S态偏振光IP，因此可穿透光栅112进入投影镜头130。于此需注意使用1/4波片158的方式仅为例示，仅需能达成转换光线偏振态的效果即可，亦可采用其他形式或种类的相位延迟片。
图9为本发明另一实施例的光学装置的示意图。如图9所示，光学装置200具有一穿透式光阀210，穿透式光阀210例如可为穿透式硅基液晶面板(T-LCoS panel)或穿透式液晶显示屏(transmissive-type LCD)等而不限定，利用波导元件110搭配穿透式光阀210的光传递设计，可提供转折光路的效果，利于进行不同投影模组尺寸间的调整。
再者，本发明一实施例提供一种光学装置制造方法，其包括如下步骤。首先提供一壳体并安装一波导元件于壳体内。波导元件可接收一第一偏振光且具有一第一表面、一第二表面及一第一光栅，第一光栅设于第一偏振光的光路下游以改变第一偏振光的行进方向，且第一偏振光可依序经过第一表面、第一光栅和第二表面。再者，安装一反射式光阀于壳体内，反射式光阀设于波导元件的第二表面的光路下游，且反射式光阀可将第一偏振光转换为一第一影像光，再安装一投影镜头于壳体内，投影镜头设于反射式光阀的光路下游，且第一影像光可依序通过波导元件的第二表面、第一光栅和投影镜头。
藉由上述各个实施例的设计，利用具衍射结构光栅的波导元件设于例如一投影光学系统所提供的光传递效果，可不再需要一偏振分光器或全内反射棱镜来分开照明光路和成像光路，因此可获得缩短光路、减小整体体积，缩短投影镜头背焦及设计长度等至少其中之一的效果，而有利于微型化或薄型化。再者，藉由调整光栅不同部位的衍射结构，例如使衍射结构的衍射效率呈现特定分布，可获得放大光路(或提高出光区域)及匀光的效果。
再者，上述实施例之光栅元件仅需能获得利用衍射现象偏折入射光的效果，其结构完全不限定，例如可为利用感光树脂薄膜，调整其表面的透光率或折射率形成的相位光栅，或者为全息聚合物分散液晶(H-PDLC)等等而不限定。
本发明之“光阀”用语，在此产业中大多可用来指一种空间光调制器(SpatialLight Modulator,SLM)中的一些独立光学单元。所谓空间光调制器，含有许多独立单元(独立光学单元)，这些独立单元在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应或光折变效应等)改变自身的光学特性，从而对照明在复数个独立单元的照明光束进行调制，并输出影像光束。独立单元可为微型反射镜或液晶单元等光学元件。于本发明的各个实施例中，光阀可以是例如数字微镜装置及硅基液晶面板(LCoS)的反射式光阀，或者是例如穿透式硅基液晶面板(T-LCoS panel)或穿透式液晶显示屏的穿透式光阀。
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方法及技术内容作出些许的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 (10)

1.一种光学装置，其特征在于，包括：
波导元件，可接收一第一偏振光，且包括第一表面、第二表面以及第一光栅，所述第一光栅设于所述第一偏振光的光路下游，可改变所述第一偏振光的行进方向，其中所述第一偏振光可依序经过所述第一表面、所述第一光栅和所述第二表面；
反射式光阀，设于所述波导元件的所述第二表面的光路下游，且所述反射式光阀可将所述第一偏振光转换为第一影像光；以及
投影镜头，设于所述反射式光阀的光路下游，且所述第一影像光可依序通过所述波导元件的所述第二表面、所述第一光栅和所述投影镜头。
2.一种光学装置，其特征在于，包括：
波导元件，所述波导元件包括可改变偏振光的行进方向的第一光栅；相位延迟片，设于所述第一光栅的光路下游；
反射式光阀，设于所述相位延迟片的光路下游；以及
投影镜头，设于所述反射式光阀的光路下游，其中所述相位延迟片和所述第一光栅更设于所述反射式光阀与所述投影镜头的光路之间。
3.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，所述相位延迟片为1/4波片。
4.如权利要求1-3任一项所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包含：
第二光栅，可改变偏振光的行进方向，其中所述第一光栅与第二光栅分别设于所述波导元件的两端。
5.如权利要求4所述的光学装置，其特征在于，所述偏振光被所述第二光栅偏折后于所述波导元件中全反射传递至所述第一光栅，且所述第一光栅偏折所述偏振光以破坏全反射条件，使所述偏振光由所述波导元件出射并抵达所述反射式光阀。
6.如权利要求1-3任一项所述的光学装置，其特征在于，所述第一光栅为反射式光栅或穿透式光栅。
7.如权利要求1-3任一项所述的光学装置，其特征在于，所述第一光栅的不同部位具有不同的衍射效率。
8.如权利要求1-3任一项所述的光学装置，其特征在于，所述反射式光阀为数字微镜装置或硅基液晶面板。
9.一种光学装置，其特征在于，包括：
波导元件，可接收第一偏振光，且包括第一表面、第二表面以及第一光栅，所述第一光栅设于所述第一偏振光的光路下游，可改变所述第一偏振光的行进方向，其中所述第一偏振光可经过所述第一表面、所述第一光栅和所述第二表面；
穿透式光阀，设于所述波导元件的光路下游，且所述穿透式光阀可将所述第一偏振光转换为第一影像光；以及
投影镜头，设于所述穿透式光阀的光路下游。
10.一种光学装置制造方法，其特征在于，包括：
提供壳体；
安装波导元件于所述壳体内，所述波导元件可接收第一偏振光且具有第一表面、第二表面及第一光栅，所述第一光栅设于所述第一偏振光的光路下游以改变所述第一偏振光的行进方向，且所述第一偏振光可依序经过所述第一表面、所述第一光栅和所述第二表面；
安装反射式光阀于所述壳体内，所述光阀设于所述波导元件的所述第二表面的光路下游，且所述反射式光阀可将所述第一偏振光转换为第一影像光；以及
安装投影镜头于所述壳体内，所述投影镜头设于所述反射式光阀的光路下游，且所述第一影像光可依序通过所述波导元件的所述第二表面、所述第一光栅和所述投影镜头。
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