TWI381192B - 極化分光器與極化轉換元件 - Google Patents

Description

極化分光器與極化轉換元件

本發明係有關一種極化分光器與一種極化轉換元件。

極化分光器通常包括夾在一對透明基板之間的極化分離膜。極化分離器係一種光學元件，用以將入射光分離成極化面互相垂直的“透射光和反射光”。極化分光器可用於多種型式之光學裝置中。

當將極化分光器用於“使用單色光的光學裝置”，例如光學讀寫頭中時，可相當容易地達到優良的極化分離性。然而當將極化分光器用作為液晶投影機中的極化轉換元件時，該極化分光器需要在整個可見光波長範圍皆具有優良的極化分離性。

專利文件1揭示一種極化分光器，而於該極化分光器中之極化分離膜係形成為介電多層膜，並在整個可見光波長範圍內皆可達到優良的極化分離性。

在專利文件1揭示的極化分光器中，複數層介電多層膜係設置在兩個透明基板之間，每一種介電多層膜係由交替氣相沉積的高折射率材料和低折射率材料所構成。複數層介電多層膜為“兩層對應於不同設計基準波長(design basis wavelengths)的介電多層膜”。此兩層介電多層膜具有不同的“高折射率材料和低折射率材料的組合”。高折射率材料在此兩層介電多層膜中階具有2.6或2.6以上之折射率。

根據專利文件1的特定實施例，其可達到優良的極化分離性。具體而言，至於光束的入射角在45度±2度的範圍時，在410nm至700nm的波長範圍內，P偏振光分量(P polarization component)的透光率(transmittance)為80%或80%以上，而S偏振光分量(S polarization component)的透光率實質上為0%。

專利文件1的實施例中並無特別說明“極化分離膜的每一種介電多層膜中的積層層數”。本發明人乃根據專利文件1揭示的發明內容設計出一種薄膜。當積層的層數約為60層時，就波長在400nm至700nm範圍內的光而言，P偏振光的透光率為80%或80%以上。然而就波長在400nm至700nm範圍內的光而言，S偏振光的透光率約為15%，因此就極化分離效能方面來說並不足。

當介電多層膜的積層層數約為120層時，就波長在400nm至550nm範圍內的光而言，P偏振光的透光率實質上為100%，而S偏振光的透光率實質上為0%，因此就極化分離功能方面來說極為優良。然而就可見光波長範圍而言，可達到優良的極化分離功能的波長範圍狹窄。因此，紅光時，極化分離功能無法展現出來。

如專利文件1中極化分光器的實施例所述，為了達到優良的極化分離功能，每一種介電多層膜中的積層層數似乎需要極多層。若每一種介電多層膜中的積層層數多，則形成極化分離膜時會相當耗時，因此，不易提昇製造極化分光器的效率。

此外，於專利文件1的實施例所述之極化分光器中，使用“折射率為1.85的高折射率玻璃”。此意指介電多層膜中使用的高折射率材料需要具有2.6或2.6以上之極高折射率。但高折射率玻璃及高折射率材料相當昂貴，因此將不易以低成本、高效率的方式大量生產極化分光器。

專利文件1：日本公開專利申請案第H11-211916號。

本發明提供一種極化分光器與一種極化轉換元件，以排除上述的一項或多項缺點。

本發明的較佳實施例提供一種極化分光器與一種包括極化 分光器的極化轉換元件，其中每一種介電多層膜中的極化分離膜的積層層數相對地較少，且在整個寬廣之可見光波長範圍內，特別是在400nm至750nm的範圍內，皆可執行優良的極化分離功能。

本發明的實施例提供一種極化分光器，用以對入射光進行極化分離，其中當欲進行極化分離的光束的入射角在54度至66度的範圍內時，該極化分光器能起作用，該極化分光器在兩個透明基板之間包括：一黏合層，係黏附至該兩個透明基板中之第一透明基板；兩種或兩種以上之介電多層膜，各具有不同的設計基準波長；以及一單層介電膜，其中，該兩種或兩種以上之介電多層膜中之每一種介電多層膜包括複數層高折射率膜和複數層中折射率膜，而每一層高折射率膜和每一層中折射率膜各根據其對應之設計基準波長而具有其光學厚度，其中該些高折射率膜和該些中折射率膜係交替地層積在一起而形成一偶數層；該單層介電膜係設置在該介電多層膜的該黏合層之一側上，而該介電多層膜係設置在該黏合層之該側上，其中該單層介電膜係與該些介電多層膜中之一層相同，而該層對應於設置在該黏合層之該側上之該些介電多層膜中之一的第一層；以及該兩種或兩種以上之介電多層膜和該單層介電膜係構成一極化分離膜，該極化分離膜對實質上包括整個可見光波長範圍內的光束進行極化分離。

根據本發明的一個實施例，其提供一種極化分光器與一種包括極化分光器的極化轉換元件，其中每一種介電多層膜中的極化分離膜的積層層數相對地較少，且在400nm至750nm的寬廣可見光波長範圍內，當光束的入射角在54度至66度的範圍時，可執行優良的極化分離功能。

每一個透明基板係由低成本且容易獲得的例如BK7之光學 玻璃製得，而該光學玻璃的折射率係在1.46至1.58的範圍內。每一種介電多層膜中之高折射率膜係由低成本且折射率約為2.3之材料製得，而該材料例如為Nb₂ O₅ 。因此，可獲得低成本的極化分光器。

根據本發明實施例的極化分光器具有優良的極化分離功能，因此，具有該極化分光器的極化轉換元件可具有優良的極化轉換性。

由本發明下述之實施方式及所附圖式，本發明的其他目的、特徵及優點將會更加明瞭。

第一圖係說明本發明實施例之極化分光器10的示意圖。

第一圖所示之極化分光器10對入射光進行極化分離。將欲進行極化分離的光束的入射角設置在60度。

極化分光器10包括：在兩個透明基板11、12之間設置有一黏合層14，用以黏附至該兩個透明基板中之一者；以及一極化分離膜13。

如第一圖所示，各透明基板11、12的剖面形狀為梯形(trapezoid)。梯形的底角(base angles)設置成60度。從左側將欲進行極化分離的入射光LI照射在透明基板11上，而當觀看此圖時，入射光LI係以與左側的入射表面垂直的方向照射。因此，入射光LI係以60度之入射角照射在極化分離膜13上。

當將光束照射在極化分離膜13上時，與第一圖垂直的平面上之極化分量會被極化分離膜13反射，並從透明基板11右側離開極化分光器10而成為S偏振光LS，當觀看此圖時，S偏振光係以與右側射出表面垂直的方向離開極化分光器10。此外，與第一圖平行之極化分量會從極化分離膜13和黏合層14透射出來，並從透明基板12右側離開極化分光器10而成為P偏振光LP，當 觀看此圖時，P偏振光係以與右側射出表面垂直的方向離開極化分光器10。因此，當將入射光LI以60度的入射角照射在如第一圖所示之極化分光器10上時，入射光LI會被極化分離成S偏振光LS和P偏振光LP，而該S偏振光LS和該P偏振光LP之間的夾角(included angle)為60度。

藉由調整透明基板11右側的底角(其可設定S偏振光LS離開極化分光器10的表面)和調整透明基板12右側的底角(其可設定P偏振光LP離開極化分光器10的表面)，S偏振光LS和P偏振光LP之間的角度可設置成60度以外的角度。

極化分離膜13可包括兩種或兩種以上對應不同設計基準波長的介電多層膜。

兩種或兩種以上之介電多層膜中之每一種介電多層膜皆係藉由將高折射率膜和中折射率膜交替地層積在一起而形成，其中高折射率膜和中折射率膜各根據其對應之設計基準波長而具有光學厚度。極化分離膜13對實質上可見光波長範圍內的光束具有極化分離功能。

下文是如第一圖所示之極化分光器10的實施例：

實施例1

如第一圖所示，實施例1之極化分光器10係設計成具有60度的入射角。表1係顯示實施例1之極化分光器的結構。

表1中之術語將說明如下： 在最上行之“層”係指一對透明基板和複數層介電膜。在表1最上部分之“基板”對應於第一圖中之透明基板11，而在表1最底下部分之“基板”對應於第一圖中之透明基板12。在“層”欄中之數值1至46(下文將稱為“層數1至46”)係指複數層介電膜與一層黏合層的沉積順序。“材料”係指透明基板和介電膜的材料。“中心波長”係指上述之設計基準波長。“折射率”係指透明基板和介電膜的折射率。“膜厚度”係指膜之折射率與膜自身之物理厚度的乘積，其對應於上述之光學厚度。“膜的物理厚度”係指上述之膜自身的厚度。

中心波長係設計基準波長，並以"λ0"表示。折射率係以"n" 表示。膜的物理厚度係以"d"表示。因此，膜厚度係以"nd"表示。 於實施例1中，所有膜的膜厚度"nd"係設定為λ0/4(=0.25λ0， 而於表1中係以0.25λ表示)。

表1中之第一多層膜、第二多層膜和第三多層膜對應於上述之介電多層膜。第一多層膜至第三多層膜各具有不同之中心波長λ0，亦即設計基準波長。

各透明基板(表1中之最上部分和最底下部分的“基板”)係由稱為BSC7(HOYA公司所製的產品名)的材料所製得，而BSC7係最普遍使用的光學玻璃材料，且通常被稱作具有1.52折射率的BK7。

在表1中之最上部分，於基板上形成之作為層1的介電膜(第一圖中之透明基板11)在中心波長λ0=840nm下的膜厚度 為0.25λ0。具體而言，在Nb₂ O₅ /SiO₂ 膜的混合物中之Nb₂ O₅ 和SiO₂ 的混合比例係設定成使Nb₂ O₅ /SiO₂ 膜的折射率變為1.572。膜的實際物理厚度為133.60nm，而光學厚度為133.60x1.572=210.0=840/4。層1之介電膜為兩層中折射率膜中之一者，其中該兩層中折射率膜係將介電多層膜夾在其間(下文稱作“夾層用之中折射率膜”)。

第一多層膜(第一種介電多層膜)包括對應於層2至層15的14層，且具有λ0=610nm之中心波長(第一種設計基準波長)。於第一多層膜中，層數為偶數的膜係由高折射率材料Nb₂ O₅ (在610nm之中心波長下的折射率nH1=2.213)製得。於第一多層膜中，層數為奇數的膜係由中折射率材料Nb₂ O₅ /SiO₂ 製得，其中Nb₂ O₅ /SiO₂ 的混合比例係調整成使該些奇數的膜在610nm之中心波長下的折射率nL1=1.613。高折射率膜和中折射率膜係交替地層積在一起而形成14層之第一多層膜。

高折射率膜的物理厚度(d)為68.90nm，且折射率(n)為2.213，因此膜厚度(nd)為68.90x2.213=152.5=610/4。中折射率膜的物理厚度(d)為94.60nm，且折射率(n)為1.613，因此膜厚度(nd)為94.60x1.613=152.5=610/4。

第二多層膜(第二種介電多層膜)包括對應於層16至層29的14層，且具有λ0=830nm之中心波長(第二種設計基準波長)。於第二多層膜中，層數為偶數的膜係由高折射率材料Nb₂ O₅ (在830nm之中心波長下的折射率nH2=2.170)製得。於第二多層膜中，層數為奇數的膜係由中折射率材料Nb₂ O₅ /SiO₂ 製得，其中Nb₂ O₅ /SiO₂ 的混合比例係調整成使該些奇數的膜在830nm之中心波長下的折射率nL2=1.623。高折射率膜和中折射率膜係交替地層積在一起而形成14層之第二多層膜。

高折射率膜的物理厚度(d)為95.60nm，且折射率(n)為 2.170，因此膜厚度(nd)為95.60x2.170=207.5=830/4。中折射率膜的物理厚度(d)為127.9nm，且折射率(n)為1.623，因此膜厚度(nd)為127.9x1.623=207.5=830/4。

第三多層膜(第三種介電多層膜)包括對應於層30至層43的14層，且具有λ0=940nm之中心波長(第三種設計基準波長)。於第三多層膜中，層數為偶數的膜係由高折射率材料Nb₂ O₅ (在940nm之中心波長下的折射率nH3=2.159)製得。於第三多層膜中，層數為奇數的膜係由中折射率材料Nb₂ O₅ /SiO₂ 製得，其中Nb₂ O₅ /SiO₂ 的混合比例係調整成使該些奇數的膜在940nm之中心波長下的折射率nL3=1.616。高折射率膜和中折射率膜係交替地層積在一起而形成14層之第三多層膜。

高折射率膜的物理厚度(d)為108.8nm，且折射率(n)為2.159，因此膜厚度(nd)為108.8x2.159=235=940/4。中折射率膜的物理厚度(d)為145.4nm，且折射率(n)為1.616，因此膜厚度(nd)為145.4x1.616=235=940/4。

於第一多層膜至第三多層膜中，第三多層膜係位於黏合層(層46)上。在第三多層膜上沉積的介電膜(層44)係單層介電膜，而該單層介電膜與第三多層膜中之第一層膜(亦即，層30之介電膜，特別是該層膜係由高折射率材料Nb₂ O₅ 製得，且在940nm之中心波長下的折射率nH3=2.159)的組成與厚度相同。

介電膜(層45)係形成在單層介電膜(層44)上。該介電膜(層45)在中心波長λ0=840nm下的膜厚度為0.25λ0。在Nb₂ O₅ /SiO₂ 膜的混合物中之Nb₂ O₅ 和SiO₂ 的混合比例係設定成使Nb₂ O₅ /SiO₂ 膜的折射率變為1.572。膜的實際物理厚度為133.60nm，而光學厚度為133.60x1.572=210.0=840/4。層45之介電膜與層1之介電膜相同，而且層45之介電膜與層1之介電 膜一起構成一對夾層用之中折射率膜。

層45之介電膜係藉由黏合劑製得之黏合層(層46)而黏附至其他基板(對應於第一圖中所示之透明基板12)。構成黏合層之黏合劑可為市售可得之環氧樹脂黏合劑。

如上所述，極化分離膜可僅使用第一多層膜至第三多層膜(層2至層43)以及單層膜(層44)。於實施例1中，該些膜以及夾層用之中折射率膜(層1和層45)形成該極化分離膜。

如第一圖所示，兩個透明基板的剖面形狀各為梯形，而第一多層膜至第三多層膜則夾在該兩個透明基板之間。每一梯形的底角設置成60度。從透明基板的一側將入射光LI照射在透明基板11上，並使入射光LI以60度之入射角照射在極化分離膜13上。

實施例1之極化分光器具有上述結構。

如上所述，本發明實施例的極化分光器在400nm至750nm的寬廣可見光波長範圍內皆能執行優良的極化分離功能。如下所述，若使用實施例1之極化分光器，則可展現出極為優良的極化分離功能。具體而言，就具有60度之入射角的入射光而言，在超過可見光波長範圍的380nm至780nm之寬廣波長範圍內，P偏振光LP的透光率為95%或95%以上，而S偏振光LS的透光率實質上為0%。

實施例1之極化分光器中之第一至第三多層膜的功能將說明如下。

將入射光LI以60度之入射角照射在第一多層膜上。因此，相對於第一多層膜中之各介電膜的厚度方向，通過第一多層膜的透射光的傳遞方向是傾斜的，使得入射光透射過該介電膜的實際距離遠長於膜的實際物理厚度。透射過該介電膜的實際距離被稱為“膜的有效光學厚度”。可獲得膜的有效光學厚度如 下：將當光束傾斜地照射在膜上時之透射過該介電膜的距離轉換成當光束垂直地照射在膜上時之透射過該介電膜的距離。

於第一多層膜中，高折射率膜的有效光學厚度為494/4nm，而中折射率膜的有效光學厚度為360/4nm。第一多層膜能對在以約427nm為中心之波長範圍內的光束進行極化分離，其中427nm是上述兩個厚度的平均值。

同樣地，於第二多層膜中，高折射率膜的有效光學厚度為672/4nm，而中折射率膜的有效光學厚度為490/4nm。第二多層膜能對在以約581nm為中心之波長範圍內的光束進行極化分離，其中581nm是上述兩個厚度的平均值。

於第三多層膜中，高折射率膜的有效光學厚度為761/4nm，而中折射率膜的有效光學厚度為555/4nm。第三多層膜能對在以約658nm為中心之波長範圍內的光束進行極化分離，其中658nm是上述兩個厚度的平均值。

依此方式，第一多層膜能對在以約427nm為中心之波長範圍內的光束進行極化分離，而第二多層膜能對在以約581nm為中心之波長範圍內的光束進行極化分離，而第三多層膜能對在以約658nm為中心之波長範圍內的光束進行極化分離。總體而言，本發明實施例的極化分光器能在380nm至780nm的波長範圍內執行優良的極化分離功能。

第二圖係說明當欲進行極化分離的光束以60度之入射角照射在實施例1之極化分光器上時的極化分離功能。以透光率(%)為縱軸，而以波長(nm)為橫軸。

於第二圖中，以參考數字2-1表示的曲線顯示在超過可見光波長範圍的380nm至800nm之波長範圍內，P偏振光的透光率為95%或95%以上。以參考數字2-2表示的曲線顯示在380nm至780nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%(理想 上應為0%)。

從上述明顯可知，當在超過可見光波長範圍之380nm至780nm波長範圍內的光束以60度設計值之入射角照射時，實施例1之極化分光器能展現出極為優良的極化分離功能。極化分離膜總共包括45層，而此膜的層數相當少。具體而言，極化分離膜包括42層的第一多層膜至第三多層膜(層2至層43)、一層單層介電膜以及兩層中折射率膜(層1和層45)，而在該兩層中折射率膜之間夾有43層膜。透明基板則由便宜且具有低折射率的BSC7材料製得。多層膜中之高折射率膜的折射率約為2.2。

亦即，實施例1之極化分光器係使用便宜的材料來製造透明基板，且該極化分光器的層數相當少(45層)。因此，可減少沉積所需的時間和成本。因此，不但可降低極化分光器的製造成本，而且該極化分光器在寬廣的可見光波長範圍內仍能展現出優良的極化分離功能。

第三A、三B圖係說明在欲進行極化分離的光束以從60度偏離±6度之設計入射角照射在本發明實施例1之極化分光器上的情形下之P偏振光和S偏振光的透光率。

於實施例1中，透明基板的剖面形狀為梯形，而該梯形的各底角為60度。將光束以60度之設計入射角並朝著垂直於梯形的斜面方向照射在該透明基板上。因此，光束照射在入射表面後之折射角為0度，而該光束會以60度之入射角直接到達極化分離膜。

當入射角從60度偏離±6度，入射角從垂直於梯形斜面的方向偏離±6度。結果，在透明基板的入射表面發生折射。因此，在極化分離膜上之入射角的偏離程度將不會是從60度偏離±6度，而是將透明基板(BK7)的折射率(=1.52)估計在內而偏離±3.95度。

於第三A、三B圖中，曲線2-1及2-2分別顯示入射角為60度時之P偏振光的透光率(第三A圖)及S偏振光的透光率(第三B圖)。第三A、三B圖中之曲線2-1及2-2與第二圖中之曲線2-1及2-2相同。於第三A圖中，曲線3-1及3-2顯示在極化分離膜上的入射角分別為56.05度及63.95度時之P偏振光的透光率。在350nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為80%或80%以上。於第三B圖中，曲線3-3及3-4顯示在極化分離膜上的入射角分別為56.05度及63.95度時之S偏振光的透光率。在400nm至775nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%。

從上述明顯可知，與入射角為60度時相較，當入射角是從60度偏離±6度時，極化分離的功效會稍微降低。然而就實務觀點而言，此極化分離的功效在實用上已能滿足所需。

當將實施例1之極化分光器用於液晶投影機中時，在光束從光源射出變成平行光束(collimated light)之後，可觀察到光方向輕微分散，而通常光前進方向的分散程度是在±4度的範圍內。由於當入射角如上所述甚至改變約±6度時，實施例1之極化分光器的極化分離功能在實用上已能滿足所需，因此，該極化分光器能容許上述±4度方向的分散。

於實施例1中，極化分離膜係夾在一對透明基板之間，而該對透明基板係由BK7製得。然而該對透明基板的材料並不限於BK7。該材料可為折射率在1.46至1.58範圍內的光學玻璃。於實施例1的修改例中，第一多層膜至第三多層膜、夾層用之中折射率膜以及黏合層具有相同的折射率，而由光學玻璃製得之透明基板具有不同的折射率。

修改例1

於修改例1中，透明基板的折射率為1.48(與實施例1中之透明基板的折射率類似)，透明基板的剖面形狀為具有60度底角 的梯形，而入射角則設置成60度。

第四A圖係說明修改例1之P偏振光的透光率(曲線4-1)和S偏振光的透光率(曲線4-2)。在360nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為80%或80%以上，而在400nm至800nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%，因此極化分離功能優良。

修改例2

於修改例2中，透明基板的折射率為1.58(與實施例1中之透明基板的折射率類似)，透明基板的剖面形狀為具有60度底角的梯形，而入射角則設置成60度。

第四B圖係說明修改例2之P偏振光的透光率(曲線4-3)和S偏振光的透光率(曲線4-4)。在350nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為80%或80%以上，而在350nm至750nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%，因此極化分離功能優良。

其次，於實施例1的其他修改例中，改變第一多層膜至第三多層膜中之中折射率膜的折射率。

修改例3

於修改例3中，中折射率膜(由Nb₂ O₅ 和SiO₂ 的混合物製得的膜)的折射率為1.58。

第五A圖係說明修改例3之P偏振光的透光率(曲線5-1)和S偏振光的透光率(曲線5-2)。在350nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為85%或85%以上，而在380nm至780nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%，因此極化分離功能優良。

修改例4

於修改例4中，中折射率膜(由Nb₂ O₅ 和SiO₂ 的混合物製得 的膜)的折射率為1.72。

第五B圖係說明修改例4之P偏振光的透光率(曲線5-3)和S偏振光的透光率(曲線5-4)。在350nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為84%或84%以上，而在420nm至780nm的波長範圍內，S偏振光的透光率為5%或5%以下，此對極化分離功能而言在實用上已能滿足所需。

於修改例3中之中折射率膜的折射率1.58以及修改例4中之中折射率膜的折射率1.72各係550nm波長下的中心值。於修改例3中，在實際中心波長為610nm、830nm以及940nm下的折射率值分別為1.572、1.553以及1.546，而於於修改例4中，在實際中心波長為610nm、830nm以及940nm下的折射率值分別為1.711、1.693以及1.688。

其次，於實施例1的其他修改例中，改變第一多層膜至第三多層膜中之高折射率膜的折射率。

修改例5

於修改例5中，高折射率膜(由Nb₂ O₅ 製得的膜)的折射率為2.086。

第六A圖係說明修改例5之P偏振光的透光率(曲線6-1)和S偏振光的透光率(曲線6-2)。在350nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為95%或95%以上，而在400nm至750nm的波長範圍內，S偏振光的透光率為5%或5%以下，此對極化分離功能而言在實用上已能滿足所需。

修改例6

於修改例6中，高折射率膜(由Nb₂ O₅ 製得的膜)的折射率為2.336。

第六B圖係說明修改例6之P偏振光的透光率(曲線6-3)和S偏振光的透光率(曲線6-4)。在400nm至800nm的波長範圍 內，P偏振光的透光率為90%或90%以上，而在400nm至800nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%，此對極化分離功能而言在實用上已能滿足所需。

於修改例5中之高折射率膜的折射率2.068以及修改例6中之高折射率膜的折射率2.236各係550nm波長下的中心值。於修改例5中，在實際中心波長為610nm、830nm以及940nm下的折射率值分別為2.063、2.020以及2.009，而於於修改例6中，在實際中心波長為610nm、830nm以及940nm下的折射率值分別為2.313、2.271以及2.259。

其次，於實施例1的其他修改例中，第一多層膜至第三多層膜的構造與實施例1者相同，但改變夾層用之中折射率膜(層1和層45)的折射率。

修改例7

於修改例7中，夾層用之中折射率膜(由Nb₂ O₅ 和SiO₂ 的混合物製得的膜)的折射率為1.555。

第七A圖係說明修改例7之P偏振光的透光率(曲線7-1)和S偏振光的透光率(曲線7-2)。在400nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率實質上為100%，而在400nm至780nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%，此極化分離功能已能滿足所需。

修改例8

於修改例8中，夾層用之中折射率膜(由Nb₂ O₅ 和SiO₂ 的混合物製得的膜)的折射率為1.65。

第七B圖係說明修改例8之P偏振光的透光率(曲線7-3)和S偏振光的透光率(曲線7-4)。在400nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為95%或95%以上，而在390nm至780nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%，此極化分離功 能已能滿足所需。

於修改例7中之夾層用之中折射率膜的折射率1.555以及修改例8中之夾層用之中折射率膜的折射率1.65各係550nm波長下的中心值。於修改例7中，在實際中心波長為610nm、830nm以及940nm下的折射率值分別為1.547、1.527以及1.521，而於於修改例8中，在實際中心波長為610nm、830nm以及940nm下的折射率值分別為1.641、1.623以及1.616。

從實施例1及修改例2至8明顯可知，當使用折射率在1.48至1.58範圍內的透明基板時，可獲得優良的極化分離性能，而當使用折射率在1.46至1.58範圍內的光學玻璃時，可獲得較佳的極化分離性能。例如，於影像顯示器中，若透明基板的折射率是在1.46至1.58的範圍內，則在400nm至750nm的波長範圍內，P偏振光的透光率將實質上為80%或80%以上，而S偏振光的透光率實質上為0%，因此可使用該極化分光器。在第一多層膜至第三多層膜中，折射率在1.58至1.72範圍內(波長555nm下的數值)的中折射率膜具有優良的極化分離性能，而折射率在2.086至2.336範圍內的高折射率膜具有優良的極化分離性能，而折射率在1.565至1.65範圍內的夾層用之中折射率膜具有優良的極化分離性能。

下面將說明夾層用之中折射率膜在技術上的意義。

修改例9

修改例9的極化分光器並不包括實施例1中使用的夾層用之中折射率膜(層1和層45)，而於實施例1中，多層膜係夾在兩層夾層用之中折射率膜之間。

第八圖係說明修改例9之P偏振光的透光率(曲線8-1)和S偏振光的透光率(曲線8-2)。在380nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為95%或95%以上，而在400nm至780nm的 波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%，此極化分離功能已能滿足所需。然而將第八圖的極化分離性能圖與第二圖(實施例1)者作比較，可發現下面不同之處。於實施例1(第二圖)中，在380nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為97%或97%以上。於修改例9(第八圖)中，P偏振光的透光率在被方形框圍繞的範圍內(亦即在400nm至800nm的波長範圍內)微細地振動。

P偏振光透光率的細微振動被稱為漣波(ripples)。然而藉由設置將多層膜夾在中間之夾層用中折射率膜，可減緩P偏振光的透光率中所出現的漣波。雖然在實用上即使不使用可將極化分離膜夾在中間之夾層用中折射率膜，極化分離的功效亦能滿足所需，但設置用以將極化分離膜夾在當中的中折射率膜可進一步改善光譜透光率。

如上所述，於實施例1中，第一多層膜將會對以約427nm為中心的波長範圍進行極化分離，而第二多層膜將會對以約581nm為中心的波長範圍進行極化分離，而第三多層膜將會對以約658nm為中心的波長範圍進行極化分離。

下面將說明使用第一多層膜至第三多層膜中之一者的極化分離效能。

首先說明僅使用實施例1中之第一多層膜的實例。

將對應於層1之夾層用中折射率膜(中心波長λ0=840nm，材料：Nb₂ O₅ /SiO₂ ，折射率1.572，膜的物理厚度：133.60nm)設置在實施例1的基板(表1中最上部分的基板)上。將包括14層(對應於實施例1之層2至層15)之第一多層膜設置在該夾層用中折射率膜上。將作為單層介電膜的介電膜設置在該第一多層膜上，其中該作為單層介電膜的介電膜與對應於層2之介電膜(中心波長λ0=610nm，材料：Nb₂ O₅ ，折射率2.213，膜 的物理厚度：68.90nm)的構造和厚度相同，藉此形成16層。

將另一夾層用中折射率膜設置在該單層介電膜上，其中該另一夾層用中折射率膜係與層1之夾層用中折射率膜相同，藉此形成總共17層之極化分離膜。利用黏合層將最後沉積的夾層用中折射率膜黏附至另一基板(表1中最底下部分的基板)上。

表2係根據表1顯示出此構造。

第九圖係說明前述實例之P偏振光的透光率(曲線9-1)和S偏振光的透光率(曲線9-2)。在以約427nm為中心的波長範圍內，可展現出優良的極化分離功能。

其次，說明僅使用實施例1中之第二多層膜的實例。

將對應於層1之夾層用中折射率膜(中心波長λ0=840nm，材料：Nb₂ O₅ /SiO₂ ，折射率1.572，膜的物理厚度：133.60 nm)設置在實施例1的基板(表1中最上部分的基板)上。將包括14層(對應於實施例1之層16至層29)之第二多層膜設置在該夾層用中折射率膜上。將作為單層介電膜的介電膜設置在該第二多層膜上，其中該作為單層介電膜的介電膜與對應於實施例1的層16之介電膜(中心波長λ0=830nm，材料：Nb₂ O₅ ，折射率2.170，膜的物理厚度：95.60nm)相同，藉此形成16層。將另一夾層用中折射率膜設置在該單層介電膜上，其中該另一夾層用中折射率膜係與層1之夾層用中折射率膜相同，藉此形成總共17層之極化分離膜。利用黏合層將最後沉積的夾層用中折射率膜黏附至另一基板(表1中最底下的基板)上。

表3係根據表1顯示出此構造。

表3中之層2至層15對應於實施例1中之層16至層29。

第十圖係說明前述實例之P偏振光的透光率(曲線10-1)和 S偏振光的透光率(曲線10-2)。在以約581nm為中心的波長範圍內，可展現出優良的極化分離功能。

其次，說明僅使用實施例1中之第三多層膜的實例。

將對應於層1之夾層用中折射率膜(中心波長λ0=840nm，材料：Nb₂ O₅ /SiO₂ ，折射率1.572，膜的物理厚度：133.60nm)設置在實施例1的基板(表1中最上部分的基板)上。將包括14層(對應於實施例1之層30至層43)之第三多層膜設置在該夾層用中折射率膜上。將作為單層介電膜的介電膜設置在該第三多層膜上，其中該作為單層介電膜的介電膜與對應於實施例1的層30之介電膜(中心波長λ0=940nm，材料：Nb₂ O₅ ，折射率2.159，膜的物理厚度：108.80nm)相同，藉此形成16層。將另一夾層用中折射率膜設置在該單層介電膜上，其中該另一夾層用中折射率膜係與層1之夾層用中折射率膜相同，藉此形成總共17層之極化分離膜。利用黏合層將最後沉積的夾層用中折射率膜黏附至另一基板(表1中最底下部分的基板)上。

表4係根據表1顯示出此構造。

表4中之層2至層15對應於實施例1中之層30至層43。

第十一圖係說明前述實例中之P偏振光的透光率(曲線11-1)和S偏振光的透光率(曲線11-2)。在以約658nm為中心的波長範圍內，可展現出優良的極化分離功能。

其次，作為實施例1之修改例的修改例10將說明如下。於修改例10中，係結合實施例1中的第一多層膜與第二多層膜。

修改例10

將對應於層1之夾層用中折射率膜(中心波長λ0=840nm，材料：Nb₂ O₅ /SiO₂ ，折射率1.572，膜的物理厚度：133.60nm)設置在實施例1的基板(表1中最上部分的基板)上。將對應於實施例1之層2至層15的14層之第一多層膜設置在該基板上。將對應於實施例1之層16至層29的14層之第二多層膜設置在該第一多層膜上。將作為單層介電膜的介電膜設置在該第二多層膜上，其中該作為單層介電膜的介電膜係與對應於實施例1的層16之介電膜(中心波長λ0=830nm，材料：Nb₂ O₅ ，折射率2.170，膜的物理厚度：95.60nm)相同，藉此形成30層。將另一夾層用中折射率膜設置在該單層介電膜上，其中該另一夾層用中折射率膜係與層1之夾層用中折射率膜相同，藉此形成總共31層之極化分離膜。利用黏合層將最後沉積的夾層用中折射率膜黏附至另一基板(表1中最底下的基板)上。

表5係根據表1顯示出此構造。

表5中之層2至層29對應於實施例1中之層2至層29。

第十二圖係說明前述實例中之P偏振光的透光率(曲線12-1)和S偏振光的透光率(曲線12-2)。在400nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為97%或97%以上，而在400nm至650nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%。第十 二圖係顯示第九圖與第十圖之極化分離性的乘積。

於此實例中，可執行極化分離功能的波長範圍為400nm至650nm，而該波長範圍比實施例1的380nm至780nm波長範圍稍微狹窄。然而，此波長範圍(400nm至650nm)實質上包括在可見光波長範圍內，因此在實用上可作為極化分光器。

亦即，如修改例10所示，本發明實施例的極化分光器只要包括至少兩種具有不同設計基準波長的介電多層膜，就能符合需求。

第九、十、十一圖之極化分離性的乘積則對應於第二圖所示之實施例的極化分離性。

結合實施例1中的第二多層膜與第三多層膜的實例將說明如下。將對應於層1之夾層用中折射率膜(中心波長λ0=840nm，材料：Nb₂ O₅ /SiO₂ ，折射率1.572，膜的物理厚度：133.60nm)設置在實施例1的基板(表1中最上部分的基板)上。將對應於實施例1之層16至層29的14層之第二多層膜設置在該夾層用中折射率膜上。將對應於實施例1之層30至層43的14層之第三多層膜設置在該第二多層膜上。將作為單層介電膜的介電膜設置在該第三多層膜上，而該作為單層介電膜的介電膜係與對應於實施例1的層30之介電膜(中心波長λ0=940nm，材料：Nb₂ O₅ ，折射率2.159，膜的物理厚度：108.8nm)相同，藉此形成30層。將另一夾層用中折射率膜設置在該單層介電膜上，而該另一夾層用中折射率膜係與層1之夾層用中折射率膜相同。利用黏合層將最後沉積的夾層用中折射率膜黏附至另一基板(表1中最底下的基板)上。

表6係根據表1顯示出此構造。

表6中之層2至層29對應於實施例1中之層16至層43。

如第十三圖所示之實例的極化分離性係對應於第十圖與第十一圖之極化分離性的乘積。於本實例中，P偏振光的透光率(曲線13-1)優良，但S偏振光的透光率(曲線13-2)在400nm至530nm的短波長範圍內變大。因此，無法在整個可見光波長 範圍內執行極化分離功能。然而至於在530nm至780nm的波長範圍內的光束，則可展現出有效的極化分離功能。因此，可有利地將極化分光器用作為極化彩色濾光器(polarization color filter)，以將綠光從可見光中分離出來。

此外，根據本發明實施例，極化分光器的極化分離膜中之兩種或兩種以上之介電多層膜中之每一種介電多層膜包括的積層的層數為8至20層，較佳為12至16層。於實施例1及上述其修改例中，每一種介電多層膜中之介電膜的積層的層數為14層。

於修改例11中，介電膜的積層的層數為12層。於修改例12中，介電膜的積層的層數為10層。

修改例11

於修改例11中，第一多層膜(如實施例1中所述)具有12層之介電膜，其對應於實施例1的層2至層13。於修改例11中，第二多層膜(如實施例1中所述)具有12層之介電膜，其對應於實施例1的層16至層27。於修改例11中，第三多層膜(如實施例1中所述)具有12層之介電膜，其對應於實施例1的層30至層41。將對應於實施例1的層44之作為單層介電膜的介電膜(與第三多層膜中之第一介電膜相同，亦即層30之介電膜)設置在該第三多層膜上。將基板經由對應於實施例1的層45之夾層用中折射率膜和黏合層而設置在該單層介電膜上。

第十四圖係說明修改例11中之P偏振光的透光率(曲線14-1)和S偏振光的透光率(曲線14-2)。在400nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為97%或97%以上，而在400nm至750nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%。對可見光而言，此極化分離功能已足夠了。

修改例12

於修改例12中，第一多層膜(如實施例1中所述)具有10 層之介電膜，其對應於實施例1的層2至層11。於修改例12中，第二多層膜(如實施例1中所述)具有10層之介電膜，其對應於實施例1的層16至層25。於修改例12中，第三多層膜(如實施例1中所述)具有10層之介電膜，其對應於實施例1的層30至層39。將對應於實施例1的層44之作為單層介電膜的介電膜(與第三多層膜中之第一介電膜層相同，亦即層30之介電膜)設置在該第三多層膜上。將基板經由對應於實施例1的層45之夾層用中折射率膜和黏合層而設置在該單層介電膜上。

第十五圖係說明修改例12中之P偏振光的透光率(曲線15-1)和S偏振光的透光率(曲線15-2)。在400nm至800nm的波長範圍內，P偏振光的透光率為97%或97%以上，而在400nm至750nm的波長範圍內，S偏振光的透光率實質上為0%。對可見光而言，此極化分離功能已足夠了。將第十四圖與第十五圖相比較，即可知當將多層膜的積層層數減少時，S偏振光的透光率(曲線15-2)在標號15a的短波長範圍內與標號15b的長波長範圍內皆趨向於增加。此外，當多層膜的積層層數減少時，可有效使用極化分光器的波長範圍亦將會變得狹窄。就可見光波長範圍內的實用性而言，積層的層數最少約需要8層。

當本發明實施例的極化分光器係用於投影機時，第一多層膜至第三多層膜的層數較佳各在12至16層的範圍內，以符合下列設計條件：入射角為60度；以及在400nm至700nm的可見光波長範圍內，P偏振光的透光率為95%或95%以上，而S偏振光的透光率則在1%以下。

在實施例1及其修改例中，假設對應於不同設計基準波長的介電多層膜各具有相同的積層層數。此外，波長範圍係根據整個可見光範圍(400nm至700nm)。然而，通常用於投影機之超高壓水銀燈所發出的波長幾乎沒有小於或等於420nm或是 大於或等於680nm的波長。因此，於下列研究中，係假設有效波長範圍為420nm至680nm，S偏振光的透光率在5%以下(與上述之8層積層的實例相同)，且假設就各基準波長而言，可有任何積層層數。據此，總層數可進一步減少。

下述修改例13及14具有此構造。

修改例13

於修改例13之極化分光器中，第一多層膜(實施例1)具有8層之介電膜。於修改例13之極化分光器中，第二多層膜(實施例1)具有6層之介電膜。於修改例13之極化分光器中，第三多層膜(實施例1)具有4層之介電膜。

表7係根據表1顯示出此構造。

與第二圖類似，第十七圖顯示修改例13之極化分光器的極化分離功能性。

於第十七圖顯示之極化分光器的極化分離功能性中，在420nm至680nm的波長範圍內，P偏振光的透光率(曲線17-1)為98%或98%以上(平均99%或99%以上)，而S偏振光的透光率(曲線17-2)為3%或3%以下(平均1%或1%以下)，此極化分離性在實用上已能滿足所需。

當第一多層膜包括8層之介電膜，而第二多層膜和第三多層膜總共包括10層之介電膜時，亦可達到與第十七圖所示類似之極化分離功能性。

若進一步減少修改例13之各多層膜的積層層數，則極化分光器的性能將會降低。可根據所欲使用系統的規格需求而改變極化分光器在實用上的限制。因此，無法對此項限制歸納出一般規則。然而，若在420nm至680nm的波長範圍內，將S偏振光的透光率限制約為10%(平均約為3%)，則第一多層膜的積層層數可減至6層，而第二多層膜和第三多層膜一起加起來(亦即，第二多層膜的積層層數和第三多層膜的積層層數的總數)可減至8層。

修改例14

於修改例14之極化分光器中，第一多層膜(實施例1)具有6層之介電膜。於修改例13之極化分光器中，第二多層膜(實施例1)具有6層之介電膜。於修改例13之極化分光器中，第三多層膜(實施例1)具有2層之介電膜。

表8係根據表1顯示出此構造。

第十八圖亦與第二圖類似，其顯示修改例14之極化分光器的極化分離功能性。於第十八圖顯示之極化分光器的極化分離功能性中，在420nm至680nm的波長範圍內，P偏振光的透光率(曲線18-1)為98%或98%以上(平均99%或99%以上)，而S偏振光的透光率(曲線18-2)的最高值為10%(平均約為3%)。

是否在實用上可容許該些數值，則需依使用燈泡的光譜性質或是整個光學系統所需的規格而定。因此，可能會有修改例13的極化分離功能無法在實用上滿足所需條件的情況發生。相反地，當該些數值甚至比修改例14之極化分離功能的數值更差時，有時候在實用上仍能滿足所需條件。

亦即，當包括波長範圍受到限制之光源(例如照明用之LED)的系統中使用極化分光器時，極化分離性不需要在整個 可見光範圍內皆表現良好。而是只要在使用的LED的波長範圍內極化分離功能性表現良好即可。因此，只要在實際需要的波長範圍內，極化分離功能性可表現良好，則減少極化分光器的各多層膜的積層層數並不會影響實用價值。

減少極化分光器的各多層膜的積層層數的優點不僅只限於可以降低成本。若極化分光器中之各多層膜的介電膜具有吸收功能，該極化分光器的性能將會因吸收現象而劣化。然而，藉由減少各多層膜的積層層數，將可有效地減輕劣化現象。

舉例而言，於本發明的實施例或修改例的極化分光器之作為中折射率膜的Nb₂ O₅ 和SiO₂ 混合層中，吸收現象可視沉積條件而在一定的波長範圍內發生。結果，可使極化分光器的性能劣化。然而，藉由減少造成吸收現象發生的中折射率膜的層數，將可減輕劣化程度。

第十九圖係本發明實施例1之極化分光器(14層、14層和14層的組合)與修改例13(8層、6層和4層的組合)之極化分光器性質的比較圖。

如第十九圖所示，當吸收現象未在介電膜發生時(在圖的左邊緣)，實施例1的有效光量比修改例13多。然而，當吸收程度在介電膜逐漸增加時(朝向圖的右邊)，實施例1的有效光量減少的程度則比修改例13多，因此在此情況下，實施例1和修改例13的極化分光器性能的優異性剛好相反。因此，只要使用極化分光器的系統的所需規格沒有問題，則減少各多層膜的積層層數將更為有利。特別是，不但可用低價獲得包括多層膜之極化分光器，而且能有效地減輕由介電膜的吸收所造成的極化分光器性能劣化的現象。

由第十七圖和第十八圖可知，極化分光器的性能主要是由S偏振光的透光率來決定。

第二十A圖至第二十F圖係第一多層膜至第三多層膜的不同積層層數的組合的S偏振光透光率的最高值圖。

請參閱第二十A圖至第二十F圖，若第一多層膜的積層層數為8層或8層以上(第二十A圖至第二十D圖)，則藉由適當選擇第二多層膜與第三多層膜的積層層數，S偏振光透光率的最高值將為5%或5%以下。若第一多層膜的積層層數為6層，則S偏振光透光率的最高值將為10%至15%(第二十E圖)。若第一多層膜的積層層數為4層，則S偏振光透光率的最高值將超過15%(第二十F圖)。S偏振光透光率的極限值若在10%至15%之間，則在實用上已能滿足所需。因此，第一多層膜的積層層數需要至少6層。為了達到較高的性能，第一多層膜的積層層數需要至少8層或8層以上。

至於第二多層膜和第三多層膜，“第二多層膜＋第三多層膜”的積層層數需要至少6層(當第一多層膜包括6層或8層時，如第二十E圖和第二十D圖分別所示)。為了達到較高的性能，“第二多層膜＋第三多層膜”的積層層數需要至少10層。當第一多層膜包括8層(第二十D圖)且“第二多層膜＋第三多層膜”包括8層(第二多層膜有6層和第三多層膜有2層)時，S偏振光的透光率則為5%。為了持續使S偏振光透光率達5%或5%以下，咸認為“第二多層膜＋第三多層膜”包含的層數為10層。

為了達到所需的性能，各多層膜的最少層數如下：第一多層膜包括6層，而“第二多層膜＋第三多層膜”包括6層，或者是第一多層膜包括8層，而“第二多層膜＋第三多層膜”包括10層。

如第二十A圖至第二十F圖所示，當前述之積層層數增加時，極化分光器的性能將進一步增強。因此，理論上考慮性能時，積層層數並沒有上限。然而，若積層層數非常多(例如超過100層)，則實際性能將會因吸收現象而劣化。實用上，由製 造效率及成本來決定所需沉積的最少積層層數。因此，設上限將無意義，但前述下限的設定卻有其重要性。此外，因為在實際情況下當沉積介電層時，裝置或材料可能會有不規則性發生，所以積層層數的下限並不限於上述層數。因此，為了持續達到所需的性能，需對積層層數的增加沒有束縛。

於實施例1中，如第一圖，夾層用中折射率膜、第一至第三多層膜和單層膜係由透明基板11上開始形成層積。最後形成之夾層用中折射率膜(層45)係藉由黏合層(層46)而黏附至另一透明基板上。相反地，可從另一透明基板上開始形成層積實施例1的介電膜(依層45至層1的次序)，而夾層用之中折射率膜(層1)可藉由黏合層而黏附至最上部分的透明基板上。

於此實例中，第一多層膜包括對應於實施例1之層44至層31的介電膜。第二多層膜包括對應於實施例1之層30至層17的介電膜。第三多層膜包括對應於實施例1之層16至層3的介電膜。對應於實施例1之層2的介電膜係作為單層介電膜。

第十六A圖係說明本發明實施例的極化轉換元件。第十六A圖所示之極化轉換元件係一種接收入射光LI(自然光或是在隨機極化狀態下的光)並發出具有共同極化方向之光束用的光學元件。

參考符號IS係指入射表面，而入射光LI係垂直照射在入射表面IS上。參考符號OS係指射出表面。入射表面IS和射出表面OS係彼此平行。

元件符號20所表示的部件係指透明基板。參考符號M係指極化分離膜(具體而言，極化分離膜M包括至少兩種或兩種以上之介電多層膜、單層介電膜以及黏合層，而如實施例1及修改例2至13所述，該兩種或兩種以上之介電多層膜和該單層介電膜係夾在兩層之夾層用中折射率膜之間)。

複數層極化分離膜M彼此距離相等且彼此平行而構成極化分離膜陣列。各透明基板20係設置在相鄰兩層極化分離膜M之間，且被相鄰兩層極化分離膜M所共用。具體而言，每一層極化分離膜M係藉由沉積在兩個透明基板20中之一者上而形成，且該極化分離膜M係夾在該兩個透明基板20之間，且該極化分離膜M係藉由黏合層而黏附至另一透明基板20上。亦即，極化分離膜陣列包括複數層極化分離膜M以及複數個設置在極化分離膜M之間的透明基板，而該極化分離膜陣列構成多層(multiple tiers)彼此堆疊在一起之上述任何實例的極化分光器構造，並藉此形成一結合單體。具體而言，該些共用的透明基板係沿著彼此平行的平面被切成複數個切割面，而每一切割面和極化分離膜所成的夾角為60度。該些切割面係作為入射表面IS和射出表面OS。此外，當從垂直於前述切割面(入射表面/射出表面)(圖式中之頂面和底面的方向)的方向觀視時，極化分離膜陣列中之極化分離膜係設置成彼此接近。

如圖式所示，當將入射光LI(為了簡化起見，為平行光束)照射在極化轉換元件上時，入射光LI係以60度的入射角照射在每一層極化分離膜M上。上述P偏振光分量會通過每一層極化分離膜M而作為透射光LT。同時，S偏振光分量會被每一層極化分離膜M反射。經反射的S偏振光分量將傳播透過透明基板20，且被相鄰的極化分離膜M再一次反射，當從圖式觀視時，在極化分離膜M的最右邊，S偏振光分量首先被反射。然後S偏振光分量從射出表面OS射出而作為反射光LR，其與透射光LT平行。亦即，從射出表面OS射出的透射光LT和反射光LR與入射光LI的傳播方向相同。

將複數個等距離的1/2波長波片30設置在極化轉換元件的射出表面OS上，各1/2波長波片30具有矩形形狀，其在垂直於 圖式的方向上加長。各1/2波長波片30係設置成繞著透射光LT的極化平面旋轉90度。

圖式中，各1/2波長波片30的寬度係相鄰極化分離膜M間隔的一半。當透射光LT透過1/2波長波片30時，其偏振面將旋轉90度。因此，透射光LT的偏振面方向會與被極化分離膜M反射之反射光LR的偏振面方向(垂直於圖式的方向)相同。

依此方式，照射在極化分離膜M上的入射光LI(自然光或是在隨機極化狀態下的光)會轉換成單極化態的光。經轉換的光將會從極化分離膜陣列射出。

於第十六A圖所示之實例中，已透過極化分離膜M的透射光LT的偏振面會被1/2波長波片30旋轉90度，但本發明並不限於此。被極化分離膜M反射的反射光LR可照射在1/2波長波片30上，以使反射光LR的偏振面旋轉90度，而此時反射光LR的偏振面方向會與透射光LT的偏振面方向相同。

在上述實例中，相對於入射表面/射出表面，極化分離膜M的傾斜角係60度，但本發明並不限於此。例如，傾斜角的角度可接近60度，而在60±6度的範圍內。

第十六B圖係說明一種習知極化轉換元件，相對於入射表面IS和射出表面OS，極化轉換元件中之極化分離膜M1和反射膜R1被傾斜45度，且極化分離膜M1和反射膜R1交替設置，並以透明基板21插入其間。

照射在極化分離膜M1上的入射光LI(自然光或是在隨機極化狀態下的光)會根據各極化元件而進行極化分離，並被分離成透射光LT和反射光LR。反射光LR係經與極化分離膜M1相鄰的反射膜R1反射，而該反射光LR的偏振面會經1/2波長波片30旋轉90度，依此方式，反射光LR的偏振面方向會與透射光LT的偏振面方向相同。據此，輸出光束的偏振面方向皆相同。

將第十六B圖所示之習知極化轉換元件與第十六A圖所示之本發明實施例的極化轉換元件作比較，本發明實施例的極化轉換元件並不需要反射膜R1。因此，本發明實施例的極化轉換元件僅需要習知極化轉換元件的透明基板的積層的一半，因此，本發明實施例的極化轉換元件具有構造簡單和可製造性優良的優點。

本發明的一個實施例提供一種用以對入射光進行極化分離的極化分光器。

當欲進行極化分離的光束的入射角在54度至66度的範圍內時，該極化分光器能起作用。

通常根據布魯斯特條件(Brewster conditions)，當入射角在約54度至60度的範圍內時，能達到最佳的極化分離性。本發明的實施例有效地利用此事實。亦即，在入射光的入射角範圍接近布魯斯特的條件下，本發明實施例的極化分光器能起作用，亦即，本發明實施例的極化分光器可具有優良的極化分離性。

當入射角在54度至66度的範圍內時，極化分光器可具有優良的極化分離性。因此，當入射光為高度平行光時，可恣意地將該入射光的入射角設定在54度至66度的範圍內。

此外，咸認為照射在極化分光器上的入射光的方向會發生輕微分散。例如，當照射在極化分光器上的光的參考入射角為60度時，若入射角在±Δθ的範圍內分散，而分散範圍係在±6度的範圍內，則以60±6度範圍的入射角照射在極化分光器上的光可具有優良的極化分離功能。

極化分光器包括一對透明基板、以及夾在該對透明基板之間的黏合層、兩種或兩種以上之介電多層膜和單層介電膜。

該兩種或兩種以上之介電多層膜各具有不同的設計基準波長。

該兩種或兩種以上之介電多層膜中之每一介電多層膜包括複數層高折射率膜和複數層中折射率膜，而每一高折射率膜和每一中折射率膜各根據其對應之設計基準波長而具有一光學厚度。該些高折射率膜和該些中折射率膜係交替地層積在一起而形成一偶數層。由於各介電多層膜形成的積層層數為偶數，因此各介電多層膜的一個末端層的介電膜為高折射率膜，其另一個末端層的介電膜則將為中折射率膜。

該單層介電膜係設置在兩種或兩種以上之介電多層膜中之一種介電多層膜的黏合層之一側上，而該介電多層膜亦設置在該黏合層之該側上。該單層介電膜係與設置在該黏合層之該側上的該介電多層膜的第一層介電膜(離該黏合層最遠的介電膜層)相同(具有相同的組成和厚度)。

該兩種或兩種以上之介電多層膜和該單層介電膜係構成一極化分離膜，該極化分離膜可對實質上包括可見光波長範圍的光束進行極化分離。

補充說明如下。該兩種或兩種以上之介電多層膜係藉由依序將各層沉積且層積在兩個透明基板中之一者上而形成。將單層介電膜沉積在最後形成的介電多層膜的上面。該單層介電膜與最後形成之介電多層膜的第一層介電膜的組成和厚度相同。

透明基板的形狀可為平行板，但本發明不限於此。透明基板的形狀可為三角稜柱或是將底角設置成與入射角相同的梯形棱柱。

將欲進行極化分離的光束經由照射透明基板中之一者而射入在夾於透明基板之間的極化分離膜上。因此入射角係對應於被照射透明基板的入射表面。據此，若將光以入射角例如為54度照射在入射表面上，則根據該透明基板的折射功能，在極化分離膜上的入射角將會小於54度，其中該入射表面係被照射透 明基板的側面(傾斜表面)，而該被照射透明基板的剖面形狀為梯形，該梯形的底角係設置成60度。

高折射率膜的高折射率通常定義為大於或等於2.0的高折射率。中折射率膜的中折射率約在1.56至1.75的範圍內，此範圍係介於通常定義的高折射率與通常定義的中折射率之間。

於極化分光器的兩個透明基板中，至少第二透明基板(不經黏合層黏附的透明基板)較佳係由折射率在1.46至1.58範圍內的光學玻璃所製得，而在該第二透明基板上，沉積有該些介電多層膜中之一種介電多層膜。

於各具有不同的設計基準波長的該些介電多層膜中，該些高折射率膜係由Nb₂ O₅ 所製得，而該些中折射率膜係由Nb₂ O₅ 與SiO₂ 的混合物所製得。具有不同設計基準波長的該些介電多層膜中之各中折射率膜的折射率係藉由Nb₂ O₅ 與SiO₂ 的混合比例來予以調整。此外，相對於設計基準波長λ，具有不同設計基準波長的該些介電多層膜中之每一層高折射率膜和每一層中折射率膜的光學厚度係設定成λ/4。

極化分光器的兩種或兩種以上之介電多層膜中之每一種介電多層膜的積層層數係在8層至20層的範圍內，較佳係在12層至16層的範圍內。鑑於極化分離功能，積層層數可在20層以上。然而，需要長時間來形成包括20層或20層以上之介電多層膜，因此會使製造極化分光器的效率降低。在慮及製造成本時，20層為適當的層數。

在上述極化分光器中，該兩種或兩種以上之介電多層膜和該單層介電膜係夾在兩層夾層用中折射率膜之間，而每一層夾層用之中折射率膜較佳各由Nb₂ O₅ 與SiO₂ 的混合物所製得，且該兩層夾層用之中折射率膜的折射率係與該些介電多層膜中之中折射率膜的折射率不同。相對於與兩種或兩種以上之介電多層膜 的任何設計基準波長不同的波長Λ，各夾層用之中折射率膜的光學厚度較佳係設定成Λ/4。

於上述極化分光器中，三種介電多層膜和該單層介電膜係夾在該兩個透明基板之間。該三種介電多層膜的設計基準波長可分別設定為λ1=610[nm]、λ2=830[nm]以及λ3=940[nm]。該三種介電多層膜和該單層介電膜係夾在夾層用之中折射率膜之間。用來定義各夾層用之中折射率膜的光學厚度的波長Λ較佳係設定為840nm。

於上述極化分光器中，設計基準波長分別為λ1=610[nm]，λ2=830[nm]，及λ3=940[nm]之該三種介電多層膜中之每一種介電多層膜皆可具有14層之積層。

於上述極化分光器中，可改變該三種介電多層膜的層數。若設計基準波長為λ1=610[nm]之介電多層膜的積層層數至少為6層，而設計基準波長為λ2=830[nm]之介電多層膜和設計基準波長為λ3=940[nm]之介電多層膜一起加起來的積層層數至少為6層，則可獲得符合實用所需的極化分離膜，而較佳為設計基準波長為λ1=610[nm]之介電多層膜的積層層數至少為8層，而設計基準波長為λ2=830[nm]之介電多層膜和設計基準波長為λ3=940[nm]之介電多層膜一起加起來的積層層數至少為10層。

每一層高折射率膜、每一層中折射率膜和每一層夾層用之中折射率膜的光學厚度皆為該膜本身厚度(物理厚度)與該膜折射率的乘積。

在上述極化分光器中，該些高折射率膜係由Nb₂ O₅ 所製得，而該些中折射率膜係由Nb₂ O₅ 與SiO₂ 的混合物所製得。藉由進行Nb反應性濺鍍而沉積該些高折射率膜。藉由同時進行Si反應性濺鍍和Nb反應性濺鍍而沉積該些中折射率膜。

當同時進行Si反應性濺鍍和Nb反應性濺鍍以形成中折射率 膜時，中折射率膜的折射率可藉由調整Si濺鍍強度和Nb濺鍍強度的大小關係而予以調整。Nb₂ O₅ 具有約2.34之高折射率，而SiO₂ 具有約1.43之低折射率。

當同時進行Si反應性濺鍍和Nb反應性濺鍍以形成中折射率膜時，SiO₂ 和Nb₂ O₅ 將經由反應而同時產生。所沉積之膜層的成分變為Nb₂ O₅ 與SiO₂ 的混合物。因此，藉由調整Si濺鍍強度和Nb濺鍍強度的大小關係，及藉由控制膜層成分的SiO₂ 與Nb₂ O₅ 的混合比例，可獲得任何介於1.43至2.34之間的折射率。

中折射率膜被確實地調整成具有中折射率(例如約為1.56至1.75)。因此，藉由調整Si濺鍍強度和Nb濺鍍強度的大小關係，可獲得設計的中折射率。

同時，由Nb₂ O₅ 所製得之高折射率膜係可藉由進行Nb反應性濺鍍而產生Nb₂ O₅ 並沉積所產生之Nb₂ O₅ 作為膜層而獲得。隨著反應性濺鍍，主要產生Nb₂ O₅ 。然而所產生的材料並不是100%之Nb₂ O₅ 。微量之不同但類似於Nb₂ O₅ 的材料將會同時產生。

因此，實際沉積之高折射率膜的成分並不是純的Nb₂ O₅ ，而是可能混合有少量不同種類的材料。此外，膜層的填充密度(filling density)並不規則。因此，由Nb₂ O₅ 所製得之高折射率膜的折射率係約在2.07至2.34的範圍內變化。然而，由於藉由調整沉積條件可獲得常折射率(constant refractive index)，因此可將高折射率膜的折射率控制為有利的再現性常值。據此，不同種類的材料將不會對高折射率膜產生不良的影響。

在上述極化分光器中，一對透明基板可由BK7所製得。

本發明實施例的極化轉換元件包括：複數層以多層排列方式堆疊之任何上述極化分光器，藉此形成極化分離膜陣列。彼此平行且相鄰之極化分離膜係共用該些透明基板中之一者。該些共用的透明基板係沿著彼此平行的平面被切成複數個切割面， 而相對於該些極化分離膜，每一個切割面的角度實質上為60度。當從垂直於切割面的方向觀視時，該些彼此平行的極化分離膜係設置成彼此近距離接觸或者彼此接近。將欲進行極化分離的入射光從一個作為入射表面之切割面射入該極化分離膜陣列。根據各極化分量，該入射光在每一層極化分離膜中被分離成透射光和反射光，而該反射光會經相鄰的極化分離膜反射，而從另一個作為射出表面之切割面射出，而在與該入射光相同的方向上傳播。複數個1/2波長波片係設置在作為射出表面之另一切割面上的一部份，而該透射光或該反射光將會從該些部分射出，以獲得單偏振狀態的光。

於上述極化轉換元件中，相對於入射表面和射出表面中之至少一者，全部的極化分離膜被傾斜60度，而當從入射方向和射出表方向中之至少一者觀視時，該些極化分離膜係設置成彼此近距離接觸。

對所有熟習此技藝者而言，本發明明顯地可以作出多種修改及變化而不脫離本發明的精神和範圍。因此，本發明包括該些修改及變化，且其皆被包括在下附之申請專利範圍及其均等者中。

10‧‧‧極化分光器

11、12‧‧‧透明基板

13‧‧‧極化分離膜

14‧‧‧黏合層

20、21‧‧‧透明基板

30‧‧‧1/2波長波片

LI‧‧‧入射光

LP‧‧‧P偏振光

LS‧‧‧S偏振光

LT‧‧‧透射光

LR‧‧‧反射光

M、M1‧‧‧極化分離膜

IS‧‧‧入射表面

OS‧‧‧射出表面

R1‧‧‧反射膜

第一圖係說明本發明實施例之極化分光器的示意圖；第二圖係說明本發明實施例1之極化分光器的極化分離功能的圖式；第三A、三B圖係說明本發明實施例1的極化分離功能如何依入射角而定的圖式；第四A、四B圖係說明本發明實施例1和實施例2之極化分光器的極化分離功能的圖式；第五A、五B圖係說明本發明實施例3和實施例4之極化分光器的極化分離功能的圖式；第六A、六B圖係說明本發明實施例5和實施例6之極化分光器的極化分離功能的圖式；第七A、七B圖係說明本發明實施例7和實施例8之極化分光器的極化分離功能的圖式；第八圖係說明本發明實施例9之極化分光器的極化分離功能的圖式；第九圖係說明僅使用實施例1之第一多層膜時的極化分離功能的圖式；第十圖係說明僅使用實施例1之第二多層膜時的極化分離功能的圖式；第十一圖係說明僅使用實施例1之第三多層膜時的極化分離功能的圖式；第十二圖係說明本發明實施例10之極化分光器的極化分離功能的圖式；第十三圖係說明僅使用實施例1之第二多層膜和第三多層膜時的極化分離功能的圖式；第十四圖係說明本發明實施例11之極化分光器的極化分離功能 的圖式；第十五圖係說明本發明實施例12之極化分光器的極化分離功能的圖式；第十六A圖係說明本發明實施例之極化轉換元件，而第十六B圖係說明習知極化轉換元件；第十七圖係說明本發明實施例13之極化分光器的極化分離功能的圖式；第十八圖係說明本發明實施例14之極化分光器的極化分離功能的圖式；第十九圖係比較實施例1之極化分光器與修改例13之極化分光器的性質改變的圖式；以及第二十A至二十F圖係包括不同層數之第一多層膜至第三多層膜積層的組合之S偏振光透光率最大值的圖式。

10‧‧‧極化分光器

11、12‧‧‧透明基板

13‧‧‧極化分離膜

14‧‧‧黏合層

LI‧‧‧入射光

LP‧‧‧P偏振光

LS‧‧‧S偏振光

Claims (12)

1. 一種極化分光器，用以對入射光進行極化分離，其中該極化分光器當欲進行極化分離的光束的入射角在54度至66度的範圍內時進行分光作用，該極化分光器在兩個透明基板之間包括：一黏合層，係黏附至該兩個透明基板中之一第一透明基板；三種介電多層膜，各具有不同的波長；以及一單層介電膜，其中，該三種介電多層膜中之每一種介電多層膜包括複數層高折射率膜和複數層中折射率膜，而每一層高折射率膜和每一層中折射率膜各根據其對應之設計基準波長而具有其光學厚度，其中，該些高折射率膜和該些中折射率膜係交替地層積在一起而形成一偶數層；該單層介電膜係設置在介電多層膜的黏合層之一側上，而該介電多層膜係設置在該黏合層之該側上，其中該單層介電膜係與設置在該黏合層之該側上的該介電多層膜中的第一層相同；以及該三種介電多層膜和該單層介電膜係構成一極化分離膜，該極化分離膜可對實質上在可見光波長範圍內的光束進行極化分離，其中該三種介電多層膜和該單層介電膜係夾在該兩個透明基板之間；以及該三種介電多層膜的波長分別為λ1=610[nm]，λ2=830[nm]，及λ3=940[nm]。
2. 如申請專利範圍第1項所述之極化分光器，其中，在該兩個透明基板中，至少一第二透明基板係由折射率在1.46至1.58的範圍內之光學玻璃所製得，而在該第二透明基板上，沉積有該 些介電多層膜中之一者。
3. 如申請專利範圍第2項所述之極化分光器，其中，在各具有不同波長的該三種介電多層膜中，該些高折射率膜係由Nb₂ O₅ 所製得，而該些中折射率膜係由Nb₂ O₅ 與SiO₂ 的混合物所製得；各中折射率膜的折射率係由Nb₂ O₅ 與SiO₂ 的混合比例來調整；以及相對於一設計基準波長λ，每一層高折射率膜和每一層中折射率膜的光學厚度係設定為λ/4。
4. 如申請專利範圍第3項所述之極化分光器，其中，該三種介電多層膜中之每一種介電多層膜的積層層數係在8層至20層的範圍內或是在12層至16層的範圍內。
5. 如申請專利範圍第3項所述之極化分光器，其中，該三種介電多層膜和該單層介電膜係夾在兩層夾層用之中折射率膜之間，其中該些夾層用之中折射率膜係各由Nb₂ O₅ 與SiO₂ 的混合物所製得，且該些夾層用之中折射率膜的折射率與該些介電多層膜中之中折射率膜的折射率不同，且相對於與任何設計基準波長不同的波長Λ，各夾層用之中折射率膜的光學厚度係設定為Λ/4。
6. 如申請專利範圍第1項所述之極化分光器，其中，該三種介電多層膜和該單層介電膜係夾在兩層夾層用之中折射率膜之間，其中該些夾層用之中折射率膜各由Nb₂ O₅ 與SiO₂ 的混合物所製得，且該些夾層用之中折射率膜的 折射率與該些介電多層膜中之中折射率膜的折射率不同，且相對於與任何設計基準波長不同之波長Λ，各夾層用之中折射率膜的光學厚度係Λ/4；以及用來定義各夾層用之中折射率膜的光學厚度的該波長Λ係設定為840 nm。
7. 如申請專利範圍第1項所述之極化分光器，其中該三種介電多層膜中之每一種介電多層膜包括14層之積層。
8. 如申請專利範圍第1項所述之極化分光器，其中，該三種介電多層膜的積層層數係設計基準波長為λ1之介電多層膜的積層層數至少為6層以及設計基準波長為λ2之介電多層膜和設計基準波長為λ3之介電多層膜一起加起來的積層層數至少為6層的組合，或是設計基準波長為λ1之介電多層膜的積層層數至少為8層以及設計基準波長為λ2之介電多層膜和設計基準波長為λ3之介電多層膜一起加起來的積層層數至少為10層的組合。
9. 如申請專利範圍第3項所述之極化分光器，其中，該些中折射率膜係藉由同時進行Si反應性濺鍍和Nb反應性濺鍍而沉積；以及該些高折射率膜係藉由進行Nb反應性濺鍍而沉積。
10. 如申請專利範圍第1項所述之極化分光器，其中，該兩個透明基板係由BK7所製得。
11. 一種極化轉換元件，包括： 複數個透明基板；複數層如申請專利範圍第1項所述之極化分離膜，該些極化分離膜係以多層排列方式堆疊而形成一極化分離膜陣列，其中彼此平行且相鄰的極化分離膜係共用該些透明基板中之一者，且該些共用之透明基板係沿著彼此平行的平面被切成複數個切割面，而各切割面和該些極化分離膜所成的夾角實質上為60度，而當從垂直於切割面的方向觀視時，該些彼此平行之極化分離膜係設置成彼此近距離接觸或彼此接近，且在欲進行極化分離的入射光從一個作為入射表面的切割面射入該極化分離膜陣列時，根據各極化分量，該入射光在每一層極化分離膜中被分離成透射光和反射光，該反射光係被相鄰的極化分離膜反射，而從另一個作為射出表面的切割面射出，並在與該入射光相同的方向上傳播；以及複數個1/2波長波片，係設置在作為射出表面的另一切割面上的一部份，該透射光或該反射光係從該些部分射出，以獲得單偏振狀態的光。
12. 如申請專利範圍第11項所述之極化轉換元件，其中，相對於該入射表面與該射出表面中之至少一者，該些極化分離膜全部被傾斜60度；以及當從入射方向與射出方向中之至少一者觀視時，該些極化分離膜係設置成彼此近距離接觸。