TWI386684B - 廣角及寬頻帶之極化轉換器 - Google Patents

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Description

廣角及寬頻帶之極化轉換器
本發明是有關於藉由金屬光柵及寬頻帶極化分光器來轉換液晶顯示器之非極化照度為線性極化照度，且特別是有關於一種設備、方法、系統及裝置，用以有效地進行極化轉換，並具有廣角及寬頻帶之性能。
在主流之液晶顯示器中，例如是薄膜電晶體液晶顯示器(TFT－LCD)，係藉由將光線線性極化以獲得高對比值。光線例如是來自於背光單元，如冷陰極螢光燈管(Cold－Cathode Fluorescent Lamp,CCFL)或發光二極體(Light Emitted Diode,LED)，此種光線的極化方向係散亂的。因此，在液晶顯示面板前面，需利用一線性極化板選擇一較佳之極化光，並傳送此較佳之極化光以及吸收不需要之極化光。此種傳統架構具有一問題：超過50%的入射光係被浪費。為了有效地增加功率之利用性，係經常使用一廣角寬頻帶極化分光器(Polarization Beam Splitter)PBS，來使被浪費之光線得以再利用。
一種廣為使用之再利用系統係由一極化分光器、一擴散膜及一反射板所組成，如第1圖所示。典型的極化分光器係為由3M所製造之一反射式線性極化膜，其商標名稱為DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)。DBEF並非吸收不需要之極化光，而是將入射之非極化光束分為兩個 線性極化光，亦即橫電波(transverse electric wave)TE及橫磁波(transverse magnetic wave)TM，且還使其中之一極化光通過並反射另一極化光。於此例中，係使橫磁波TM之光線通過並反射橫電波TE之光線。接著，橫電波TE之光線係通過擴散膜後會被去極化，並經由反射板導回至極化分光器PBS。在一些架構下，反射板亦為由3M所製造之一擴散膜，如增強型鏡面反射片(Enhanced Specular Reflector)。在一次循環下，部分之去極化光線係通過極化分光器PBS，而其它之去極化光線係被反射。如此經由多個循環後，液晶顯示器係可於較多之橫磁波TM之照射下而能提高亮度。典型地，最終之光線再利用效率係約為60%至70%。於此例中，擴散膜的作用為：轉換橫電波TE之光線為去極化之光線，即散亂的極化光線。理想地，若橫電波TE之光線於一次循環下即被完全地轉換為橫磁波TE之光線，則可忽略吸收效應而能得到約為100%之效率。
多種不同之傳統極化轉換器係被提出，其中，於Budd之美國專利案號第6,064,523號中，係藉由一四分之一波片(quarter－wave plate)取代擴散膜，此四分之一波片係嵌入於極化分光器與反射鏡之間。橫電波TE通過四分之一波片後會成為一個自具有45度的線性極化光束，而產生一右旋(Right Hand)RH圓極化波。為了得到90度之極化旋轉以轉換橫電波TE之光線為橫磁波TM之光線，被反射之波需要在重新進入四分之一波片之前進行左旋(Left Hand)LH圓極化。根據反射鏡所產生之相對的相位偏移， 不同的鏡片需搭配不同的光學路徑的排列以產生LH圓極化波。第2及3圖係以兩個不同的架構為例所繪示。第2圖繪示為一廣為周知的傳統架構，其係利用平面鏡於垂直之入射光下直接反射RH圓極化波為LH圓極化波。第3圖繪示為於Budd專利中所提出之用於液晶顯示器之一傳統之拋物線鏡之結構與四分之一波片之極化再利用器之側視圖，其係利用恰當的鏡面塗層(mirror coating)來產生雙反射效應(double reflection)，而同樣地能夠發揮良好的功用。Budd專利係於不同的實施例中對於拋物面鏡之相位公式提出詳細的說明。
於上述之極化轉換系統中，各極化分光器、四分之一波片及反射器的作用係分述如下：由極化分光器分離具有不同極化光的光束、由四分之一波片轉換光束之極化、以及由反射器重新引導相位偏移的光束回到極化分光器。然而，此種作法應用於直視型(direct view)液晶顯示器時具有三個缺點。第一，由於導向四分之一波片之入射角通常不是直角，因此，出射光係無法被線性極化，因而限縮了轉換之效率。第二，由於背光係為寬頻帶之白光，故需要使用一寬頻帶之四分之一波片，因而增加成本。第三，由於吸收損失及極化轉換效果不佳，故即使經過多次的光線再利用亦無法有效地增加轉換效率。
於本發明中，係藉由金屬材質或金屬塗佈之光柵來達成極化轉換，而不使用四分之一波片及反射器之組合，如第4圖所示。更詳細地說，金屬光柵不僅作為一反射器， 還作為一極化轉換器，用以將進入其之線性極化光旋轉為橢圓極化波。於現行的反射式光柵極化轉換器中，其作用包括：利用一極化分光器分離具有不同極化光的光束，以及利用一金屬光柵重新引導光束回到極化分光器並轉換光束之極化。
一些呈現高反射率之金屬通常可作為寬頻帶之反射器。如此，光線的重新導向則可由使用金屬材質或金屬塗佈之光柵式極化轉換器來達成。茲於下說明光束極化係如何地被旋轉。利用金屬表面光柵進行極化轉換之現象，係由G.P.Bryan-Brown及J.R.Sambles於實驗中所發現，並於1990年發表在Journal of Modern Optics，第37卷，第7號，第1227至1232頁。此外，I.R.Hooper及J.R.Sambles在2002年Optics Letter，第27卷，第24號，第2152至2154頁中，提出一特定之金屬光柵結構，此特定之金屬光柵結構可於可見光譜範圍中作為一寬頻帶極化轉換鏡。
將金屬光柵作為極化轉化之早期研究中，光束之入射角並不是科學文獻中之主要考量。然而，於液晶顯示器中，由於背光單元所發出之光線係往所有的方向傳播，因此，為了利用金屬光柵來提高液晶顯示器之亮度，與之相關之入射角便成為極需研究的對象。於本發明中，係將金屬光柵與極化分光器結合，以形成一新型的共振器，稱為極化旋轉共振器(Polarization Rotation Resonator)PRR。極化旋轉共振器之特點在於使得一極化轉換器可應用於廣角寬頻帶之入射光束，且極化轉換效率對於入射角及波長 係具有低靈敏度。
於本發明中，對於角度及波長的低靈敏度實際上係藉助光束於共振器內之多次反彈現象，以達成有效極化轉換。在每次的反彈中，當光束碰撞金屬光柵時，不僅光束被反射，極化亦被轉換。因此，每次都有部分的光線會被極化分光器傳送出去，且於幾次反彈後，整體的轉換會被大大地提升。故吾人係可設計金屬光柵來繞射光線，使其於極化轉換共振器達到多次之重複反彈，而能增加轉換後的光線被傳送出極化分光器之數量，以提高轉換效率。
此種結構之架構係相仿於Fabry－Perot共振器，其係藉由加總所有反彈出共振器外之光線來獲得其穿透率。在波長及入射角的主要範圍內，極化轉換於第一次反彈時約為60%，而整體轉換效率可達到85%以上，如第11及14圖所示。只要極化轉換對於光束之波長與傳播方向具有較低的靈敏度，具有高反射率的繞射光柵亦可使用選擇性的形式。基於此一優良的特性，且因為對於入射角及波長並不必然被限制於特定的範圍，故實際上吾人所提出之極化轉換共振器係可作為一廣角及寬頻帶之極化轉換器。在一實施例中，還利用一波導(waveguide)代替共振器結構，以使本發明能於需要進行極化轉換時提供另一選擇性的應用。
本發明係有關於提供一種設備、方法、系統及裝置， 用以轉換可見光譜內之一散亂的極化光為一線性極化光，以提供極化照度於液晶顯示器。
本發明亦有關於提供新的方法、系統、設備及裝置，當需要進行極化轉換時，可用於具有任何傳播方向及任何頻譜之寬頻帶或單一波長之光線。
第一實施例提出一種極化轉換器，包括一極化分光器及一繞射光柵。極化分光器用以接收一輸入光束，極化分光器使光束之一橫磁波通過，並反射該光束之一橫電波。繞射光柵具有一反射率及一極化轉換光柵，用以接收此橫電波並反射以一橢圓極化波，橢圓極化波具有一極化旋轉。此廣角寬頻帶極化分光器係可為選擇性之光學元件，例如是一稜鏡或具有多層膜之一光學裝置。繞射光柵係可為一具有平行交錯之凸物與凹物之繞射光柵、金屬繞射光柵、金屬塗佈繞射光柵、金屬塗佈多層繞射光柵、非金屬反射材質繞射光柵、表面光柵、容體光柵、多層光柵、具有次波長光柵週期之繞射光柵、或具有多階繞射光柵之繞射光柵。此繞射光柵之選擇性的形狀例如是二元形、梯形、正弦形、拋物線形、及高斯(Gaussian)形。
第二實施例提出一種方法，用以有效地極化轉換一光束，此方法包括下列步驟。由一極化分光器接收一光束。經由極化分光器通過光束之一第一極化波。經由極化分光器反射光束之一第二極化波至一繞射光柵。經由繞射光柵反射一橢圓極化波至極化分光器。由極化分光器接收反射後之橢圓極化波。以及重複此些步驟。此些步驟係用以於 極化分光器及繞射光柵之間進行多次反彈，以達到高極化轉換之效率。於一實施例中，係可根據一特定之應用來選擇繞射光柵之外形。於另一實施例中，極化轉換器係用以提供用於液晶顯示器之極化照度。於再一實施例中，極化分光器係與繞射光柵平行對位，以形成一極化旋轉平行共振器。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
需知者為，本發明所揭露之內容及其詳盡之說明係非於此處之說明及特定之應用所限制，本發明亦可應用於其它之實施例。此外，於此所使用之名詞術語係用以俾利於本發明之說明，亦非用以限制本發明。
茲將本發明所揭露元件於說明書及圖式所使用之標示詳列於下，請參照下清單：10 繞射光柵20 極化分光器30 梯形次波長繞射光柵
本發明所提出之選擇性之極化轉換器架構，係可應用於廣角寬頻帶之光束來達到極化照度的目的，或應用於被導向於特定方向之單一波長之光線。極化轉換器包括一繞射光柵及一極化分光器(Polarization Beam Splitter)PBS薄 膜。極化轉換器之功能係取決於繞射光柵之形式、所用之極化分光器、以及兩元件之排列方式。茲以選擇性的元件架構及選擇性的排列方式為例說明極化轉換器之操作特性如下。
第4圖繪示為依照本發明之一廣角寬頻帶極化旋轉共振器之一例之側視圖。利用平行對位一次波長繞射光柵及一極化分光器，以使此兩元件形成一新型之共振器，本說明書係稱之為極化旋轉共振器(Polarization Rotation Resonator)PRR，於此例中，次波長繞射光柵係為金屬光柵。第5圖繪示為依照本發明之極化旋轉共振器之架構顯示其操作特性之透視圖。輸入光束係首先入射至極化分光器，極化分光器使得橫磁場(Transverse Magnetic Field)TM極化波通過，並反射橫電場(Transverse Electric Field)TE極化波至次波長金屬光柵。一般而言，輸入光線係為非極化之光束，故橫磁波TM與橫電波TE所具有之功率係各約為總功率之一半。對於習知技藝所面臨的問題，首要解決之道便是將橫電波TE轉換為橫磁波TM。
如先前於習知技藝之科學文獻中所述，金屬光柵10係將橫電波TE之極化向量旋轉至一特定度數，以使橫電波TE之兩個正交(orthogonal)分量具有一特定相位延遲。極化旋轉不僅取決於金屬光柵10之外形，而且還取決於光柵定位(orientation)之向量。其中，光柵定位之向量係相關於入射橫電波TE之極化向量。此兩向量之方位角(azimuthal angle)於最大之極化旋轉下約為典型之45度， 其原因為，光線與於金屬光柵上的表面質(surface plasmon)之交互作用係為最強，並產生極化旋轉。由於位於繞射波之兩正交極化之相位延遲，故經由金屬光柵反射後之橫電入射波TE會變成一橢圓極化波。
被反射之橢圓極化波係為兩正交之分量之組合，即為具有相位差之橫電波TE及橫磁波TM之組合。也就是說，極化光係從單一橫電波TE旋轉為橫電波TE與橫磁波TM之組合。一次反彈之轉換效率係定義為：被反射之橢圓波之橫磁波TM分量之功率除以入射之單一橫電波TE之功率。當然，由於使用於金屬光柵之金屬並非理想之完全導體，因此有些波能量會被損耗。和金屬光柵進行交互作用時，極化轉換效率係取決於吸收效應與極化旋轉。
在橢圓極化光到達極化分光器20之後，橫磁波TM分量會通過，而橫電波TE分量會被再次反射，這樣的過程係為一次循環之反彈。因為所選擇之次波長金屬光柵僅用以繞射光線為零階，故光線於極化旋轉共振器內之傳播將會符合Snell定理。因此，每次反彈之極化旋轉效率將會相同。於此特性下，無窮次反彈之整體極化轉換效率之計算方式係會相仿於上述之Fabry－Perot共振器。第6圖中係繪示藉由加總無窮次反彈之整體極化轉換之一例。
第9A圖繪示為利用二元形金屬光柵作為次波長金屬光柵之一較佳實施例。第9B圖繪示為第9A圖之二元形金屬次波長光柵與一極化分光器顯示極化與非極化光線傳送之側視圖。於此例中，繞射金屬光柵之材料係為銀(silver, Ag)，並以所有的色散關係(折射率對於波長之方程式)來計算極化轉換。可見光之入射波長及角度之範圍係分別位於400nm至700nm及0至60度之間。
第10A圖繪示為具有二元形金屬光柵之廣角寬頻帶極化旋轉共振器之側視圖。第10B圖繪示為二元形金屬光柵之側視圖。具有二元形金屬光柵之極化旋轉共振器中，於一次反彈之整體極化轉換效率係如第10C圖所示。第11A圖繪示為具有二元形金屬光柵之廣角寬頻帶極化旋轉共振器之側視圖。第11B圖繪示為二元形金屬光柵之另一側視圖。於具有二元形金屬光柵之極化旋轉共振器中，無窮次反彈之整體極化轉換效率係如第11C圖所示。
在另一較佳實施例中，係於極化轉換共振器內使用梯形次波長金屬光柵。第12圖繪示為位於極化旋轉共振器內之梯形次波長金屬光柵之側視圖。第13A圖繪示為具有梯形次波長金屬光柵之極化旋轉共振器之側視圖。第13B圖繪示為梯形次波長金屬光柵之另一側視圖，此外，於具有梯形次波長金屬光柵之極化旋轉共振器中，一次反彈之整體極化轉換效率亦如第13C圖所示。相仿地，第14A圖繪示為第14B圖中之具有梯形次波長金屬光柵之極化旋轉共振器之另一側視圖。於具有梯形次波長金屬光柵之極化旋轉共振器中，無窮次反彈之整體極化轉換效率係如第14C圖所示。
本發明係揭露兩種使用於極化旋轉共振器內之金屬光柵以提高極化效能，然亦不限於此，金屬光柵亦可替換 選擇性的外形及材質，且亦屬本發明之保護範圍。本發明所揭露之二元形及梯形金屬光柵僅係用以解釋本發明之主要精神，並非以之作為本發明之限制。選擇性地，金屬光柵之的外形例如可替換為二元形、梯形、正弦形、拋物線形以及高斯(Gaussian)形，只要選擇性的光柵具有高反射率及良好的極化轉換，皆屬於本發明之保護範圍。
如第4至6圖所示之極化旋轉共振器，其係藉由使用金屬材質或金屬塗佈表面之光柵與寬頻帶之極化分光器，以達成一廣角寬頻帶極化轉換器。金屬光柵及極化分光器之組合並非限定於平行共振器之形式。金屬繞射光柵亦不限定於半波長光柵，其亦可以是具有多個非衰減繞射階之繞射光柵。第7及8圖繪示為依照本發明之廣角寬頻帶極化轉換器之選擇性架構之一例。於第7圖中，係使用一類似波導腔(cavity)之結構來引導所傳送之波至所期望之方向，而非使用平行共振器。於第8圖中，為了使亮度成為均勻分佈(uniform distribution)，金屬光柵係被設計為用以繞射光線為不同傳播階數(－2至＋2)。於本發明之所有實施例中，其新穎之特徵在於：於反射光柵與極化分光器之間提供一可供光線多次反彈之環境，以提高整體轉換效率。具有通常知識者應知，根據本發明之精神及於說明書中所揭露之內容，金屬光柵及極化分光器此兩個光學元件亦可使用選擇性的排列方式，以使設計者可選擇一合適之裝置架構來達成所期望之效能。
綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上， 然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧繞射光柵
20‧‧‧極化分光器
30‧‧‧梯形次波長繞射光柵
100‧‧‧極化轉換器
TE、TE1 至TE3 ‧‧‧橫電波
TM、TM1 至TM3 ‧‧‧橫磁波
c‧‧‧轉換效率
h‧‧‧高度
q‧‧‧光柵向量
r‧‧‧反射係數
w‧‧‧寬度
Λ‧‧‧週期
λ‧‧‧波長
θ‧‧‧入射角
ψ‧‧‧方位角
第1圖繪示乃傳統用於液晶顯示器之極化再利用器之結構。
第2圖繪示乃用於液晶顯示器之平面鏡及四分之一波片極化再利用器之結構。
第3圖繪示乃用於液晶顯示器之拋物面鏡及四分之一波片極化再利用器之側視圖。
第4圖繪示為依照本發明之用於液晶顯示器之一廣角寬頻帶極化旋轉共振器之一例之側視圖。
第5圖繪示為依照本發明之極化旋轉共振器之架構顯示其操作特性之透視圖。
第6圖繪示為極化旋轉共振器顯示其操作原理之側視圖。
第7圖繪示為具有一類似波導結構之廣角寬頻帶極化轉換器之架構之一例之側視圖。
第8圖繪示為具有多重繞射階光柵之廣角寬頻帶極化轉換器之架構之一例之側視圖。
第9A圖繪示為位於極化旋轉共振器內之二元形金屬光柵之一例之側視圖。
第9B圖繪示為第9A圖中之二元形金屬光柵與一極化分光器顯示極化與非極化光線之傳送之側視圖。
第10A圖繪示為具有二元形金屬光柵之廣角寬頻帶極化旋轉共振器之側視圖。
第10B圖繪示為二元形金屬光柵之側視圖。
第10C圖繪示為具有二元形金屬光柵結構之極化旋轉共振器於一次反彈時之整體極化轉換效率。
第11A圖繪示為具有二元形金屬光柵之廣角寬頻帶極化旋轉共振器之架構一例之側視圖。
第11B圖繪示為二元形金屬光柵之另一側視圖。
第11C圖繪示為具有二元形金屬光柵結構之極化旋轉共振器於無窮次反彈時之整體極化轉換效率。
第12圖繪示為位於極化旋轉共振器內之梯形次波長金屬光柵之側視圖。
第13A圖繪示為具有梯形次波長金屬光柵之極化旋轉共振器之側視圖。
第13B圖繪示為梯形次波長金屬光柵之側視圖。
第13C圖繪示為具有梯形次波長金屬光柵之極化旋轉共振器於一次反彈時之整體極化轉換效率。
第14A圖繪示為具有梯形次波長金屬光柵之極化旋轉共振器之側視圖。
第14B圖繪示為梯形次波長金屬光柵之側視圖。
第14C圖繪示為具有梯形次波長金屬光柵之極化旋轉共振器於無窮次反彈時之整體極化轉換效率。
10‧‧‧繞射光柵
20‧‧‧極化分光器
100‧‧‧極化轉換器

Claims (20)

  1. 一種極化轉換器，包括：一極化分光器，用以接收一光束，該極化分光器使該光束之一第一極化波通過，並反射該光束之一第二極化波；以及一繞射光柵，具有一反射率及一極化轉換光柵，用以接收該第二極化波並反射一具有極化旋轉之一橢圓極化波。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該第一極化波係為橫磁波(transverse magnetic wave)，該第二極化波係為橫電波(transverse electric wave)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該極化分光器包括：一稜鏡。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該極化分光器包括：具有多層膜之一光學裝置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該繞射光柵包括：具有平行交錯之凸物與凹物之一繞射光柵。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該繞射光柵包括：一金屬繞射光柵。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中 該繞射光柵包括：一金屬塗佈多層繞射光柵。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該繞射光柵包括：一非金屬反射材質繞射光柵。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該繞射光柵包括：一表面光柵。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該繞射光柵包括：一體光柵(volume grating)。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該繞射光柵包括：一多層光柵。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該繞射光柵包括：具有次波長光柵週期之一繞射光柵。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該繞射光柵包括：具有簡諧振動(non－evanescent)之一繞射光柵。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該繞射光柵包括：具有多階繞射光柵之一繞射光柵。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中 該繞射光柵係選自於由二元(binary)形光柵、梯形光柵、正弦形光柵、拋物線形光柵以及高斯(Gaussian)形光柵所組成的群組。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之極化轉換器，其中該極化分光器包括：一波導腔結構，用以引導所傳送之波至極化轉換所期望之方向。
  17. 一種極化轉換方法，用以有效地極化轉換一光束，該方法包括下列步驟：由一極化分光器接收一光束；經由該極化分光器通過該光束之一第一極化波；經由該極化分光器反射該光束之一第二極化波至一繞射光柵；經由該繞射光柵反射一橢圓極化波回到該極化分光器；由該極化分光器接收該被反射之該橢圓極化波；以及重複該些步驟，以便於該極化分光器及該繞射光柵之間進行多次反彈，達到高極化轉換之效率。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該橢圓極化波具有該第一極化波之分量及該第二極化波之分量之組合，該第一極化波及該第二極化波具有一相位差。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該第一極化波係表示為橫磁波，該第二極化波係表示為橫電波。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之方法，更包括下列步驟：平行對位該極化分光器與該繞射光柵，以形成一極化旋轉平行共振器。
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