TWI391707B - 複合式分光元件 - Google Patents

Description

複合式分光元件

本發明是有關於一種複合式分光元件的技術，可應用於影像裝置，能將多個波段光分離的複合式分光元件。

液晶顯示器提供色光混合的元件稱為彩色濾光片(color filter,CF)，一般是利用紅色、綠色及藍色三種顏色濾光片所透出的色光混合出各種不同的顏色。彩色濾光片有多種不同的製作方法，如顏料分散法、染色法、電著法(electro－deposition)、印刷法等等。

量產方式以顏料分散法為主，但利用旋轉塗佈方式會造成顏料光阻液的浪費。

電著法雖有可對應大面積量產、節省材料等的優點，但透光度卻較差，而且對於畫素需因應客戶需求而改變的要求，也不容易達成。美國專利案U.S.5,503,732提出採用電著法之方法製作彩色濾光片。其首先在透明基材上塗佈透明電極線路，接著進入光微影製程經過曝光、顯影之製程步驟。電著法雖有可對應大面積量產、節省材料等的優點，但透光度卻較差，而且對於畫素需因應客戶需求而改變的要求，也不容易達成。

印刷法方面，其製造成本低，但畫素解析度及位置重現性卻較差。美國專利案U.S.5,201,268提出採用凹版印刷法(intaglio printing)之方法製作彩色濾光片，藉由模板上凹槽控制膜厚，但卻易造成畫素解析度不佳、表面平滑性 差、位置精準度很難控制精準等缺點，但由於印刷法不需要光微影製程設備，因此優點是製造成本較低。台灣專利案TW I278395提出使用了凸版印刷法。然而，此法的缺點是靠近板邊之紋路會呈凹凸狀，因此使用這種方法不適於製作細微之畫素。但由於印刷法不需要光微影製程設備，因此優點是製造成本較低。

染色法雖然有色彩飽和度較佳的優點，但其耐光、耐熱性質均較差。不使用染色法的設計機制是研發方向其一，可以避免染色法缺點。

本發明提供一種複合式分光元件，除了降低生產成本，亦可以無需彩色濾光片，即可將入射光束依照色光的波長差異，分離出種原色光，並可以供彩色影像顯示裝置的開發使用。其目的在於利用有別於傳統的製程方式創造出特定RGB分佈的效果。

本發明提供一種複合式分光元件，接收一光束，該光束至少具有混合的多個波段光。複合式分光元件包括一第一光學膜片與一第二光學膜片。第一光學膜片具有形狀相同的多個微結構透鏡，該些微結構透鏡接收該光束以產生具有一聚集程度的一偏折光。第二光學膜片具有一第一區域與一第二區域。第一區域有多個週期性的多邊形結構，接收通過的該偏折光以將該些波段光分離，又依照該些波段光的個別波長，使分別往在一平面上的一預定區域射出。該第二區域有一多邊形結構，接收通過的該偏折光， 產生偏折但是不使該些波段光分離，使往在一平面上的一預定區域射出。

被分離該些波段光例如是紅光、綠光、藍光，而僅被偏折的例如是白光。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，例如被該第二光學膜片分離的該些波段光與該光束是實質上平行。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，例如該第二光學膜片將該些部分波段光分離後，依照設定的一繞射效應，將該些波段光對應一畫素的多個次畫素的該預定區域射出。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，例如該第一光學膜片的該些微結構透鏡，分別對應一陣列的多個畫素來設置。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，例如該第一光學膜片包括：一微結構透鏡片，有多個非球面的微結構透鏡或是中心非對稱微結構透鏡。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，例如該第二光學膜片為一稜鏡光柵片及折射結構所組成的折繞式混合結構。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，更例如該微結構透鏡片與該折繞式混合結構是結構整體的一單一光學膜片，或是分離的結構膜片。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，更例如該第一光學膜片的該些微結構透鏡的表面是對應一平滑曲面 的一減厚結構。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，例如從該第二光學膜片出射的該些波段光是對一顯示器的每一個次畫素提供一色光源。

本發明也提供一種複合式分光元件，接收一入射光束。此光束至少有混合的多個波段光。複合式分光元件包括一光學膜片，具有一光入射表面及一光出射表面。其中、該光入射表面上具有形狀相同的多個微結構透鏡，每個微結構透鏡對該入射光束，產生聚集及偏折。該光出射表面上具有週期性的多個多邊形結構，其對經過入射表面的入射光束，使其部分在空間中按不同波長分離，而部分偏折。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，例如該些微結構透鏡是對應一顯示畫素陣列的多個畫素來設置。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，例如該光出射表面的該些多邊形結構將通過該些微結構透鏡的該部分光束，藉由光學繞射機制分離出該些波段光，往在一平面上的多個預定區域射出。而該其餘部分光束，藉由光學折射機制偏折，往在一平面上的多個預定區域射出。

在本發明一實施例的複合式分光元件中，例如該平面上的該預定區域是一液晶顯示面板的多個次畫素位置。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉諸項實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

一般可以了解，一個彩色畫素是由幾個次畫素所組成、例如是由R、G、B的三個次畫素所組成，依其個別的灰階度混合出所要的色彩光。為提供更有效率的色彩控制，本發明提供一種有別於傳統染料式的技術發展成R、G、B、W的四個次畫素組成一全畫素，其中W指的是白光區。本發明提供一種複合式分光元件，無需彩色濾光片，即可將部分入射光依照色光的波長差異分離出多種原色光。本發明的複合式分光元件，其分光機制例如可由兩層週期性的多邊形結構的光學膜片所組成。第一層週期性的多邊形結構對入射光產生一預定程度的聚集效果以及對光線行進方向的偏折。第二層週期性的多邊形結構對部分偏折光光源的不同組成波長進行分譜，使不同波長組成的光束，在空間上按波長分開，且被分譜的光束例如仍可大致上平行於原入射光方向出射，而另一部分偏折光則不進行分譜，但經一折射結構偏折使其可大致上維持平行於原入射光方向出射。本發明的多種應用包括了，例如利用含兩層多邊形結構之光學膜片取代顯示面板、影像感測器或是彩色攝影機中的彩色濾光片，如此至少可以增加光學使用效率與簡化原系統的複雜度。

本發明的複合式分光元件，大致上可分為二個光學元件層。第一層例如有週期性的多邊形結構，構成為多個微結構透鏡，分別將通過的光束適當地偏折與聚集。又藉由第二層的部份週期性多邊形結構，根據光學繞射機制將部 分入射光束中的不同波段光分離到預定的方向或是位置。第二層的另一部份的多邊形結構是根據光學折射機制將部分入射光束偏折到預定的方向或是位置。此多邊形結構例如單獨結構，因此也可以稱為非週期結構。週期性多邊形結構例如與一般週期性的多邊形光學用結構，更例如光柵。本發明的光柵結構也例如是閃耀式光柵，其是一種兼具分光效果和繞射效率的光柵。其藉由調整入射光與光柵斜面的相對角度，使得繞射光的方向和以光柵刻面(Facet)為折射平面時的折射方向相同，此時繞射光學效率在繞射方向(或Facet的折射方向)可達最大。

本發明也例如結合週期性的多邊形非球面鏡與閃耀式光柵，可控制在不影響光的行進方向之前提下得到高效率的分譜光束。在應用上，本發明例如可以取代傳統的彩色濾光片，並提高效率。本發明也可以進一步可利用入射光的偏振性，使其應用於面板或光機系統時，相較於傳統使用彩色濾光片之系統，可以提高光的使用效率。

本發明舉一些實施例做為描述，但是本發明不僅僅限制在所舉的一些實施例。又、所舉的一些實施例之間也可以相互做適當的結合改變。

圖1繪示本發明三片式架構的實施例，為複合式分光元件應用在影像顯示裝置系統的剖面示意圖。複合式分光元件例如分為第一光學膜片、第二光學膜片與第三光學膜片。於本實施例，第一光學膜片例如是由一稜鏡片102所組成，第二光學膜片例如是由一微結構透鏡片100所組 成，第三光學膜片例如是由一週期性多邊形結構與一非週期性多邊形結構所組成。

稜鏡片102有多個微稜鏡單元102a。微稜鏡接收光束108以產生具有一偏折光。圖中光線的路徑乃是用以表示有一些程度對光行進方向偏折的功能。稜鏡片102的微稜鏡單元102a是多邊型的結構，其例如是直角稜鏡。

微結構透鏡片100有微結構透鏡100a，分別對應稜鏡片102的微稜鏡單元102a，其例如是以透鏡曲面為中心對稱的微結構透鏡，其更例如是圓柱面或是球面的微結構透鏡。此曲面僅產生聚集效果，但不必產生實質的光偏折效果。微結構透鏡例如是對應設置在後面的顯示面板106上的多個畫素位置來設置。其可以是一維或是二維分佈的柱條/球面透鏡單元。圖1是例如針對一掃瞄線上的多個畫素的示意圖。

第三光學膜片104,由多邊形結構單元104a與多邊形結構單元104b所組成。多邊形結構單元104a，其例如是週期性重複結構的光柵，而多邊形結構單元104b例如是位於多邊形結構單元104a之間。本發明的光柵結構也例如是閃耀式光柵，其是一種兼具分出RGB的光學效果和保持高繞射效率的光柵。其藉由調整入射光與光柵斜面的相對角度，使得繞射光的方向和以光柵刻面(Facet)為折射平面時的折射方向相同，此時的繞射光學效率在繞射方向，或是在光柵刻面的折射方向例如可達到最大。又、入射光經過光柵刻面繞射後，可往顯示面板106上預定的RGB次 畫素位置出射，其中RGB分別指的是紅光區(R)、綠光區(G)與藍光區(B)。

又、另一部份的入射光經過多邊形結構單元104b的偏折，其例如是偏折稜鏡。其具偏折光路的效果，其例如是直角稜鏡。其藉由調整入射光與偏折稜鏡斜面的相對角度，使得入射光的方向經斜面偏折後可往預定的W次畫素位置出射，其中W指的是白光區，用以調整顯示測色彩的亮度等等。也就是說，多邊形結構單元104b例如僅是產生偏折，而無需產生分光的效果。藉由多邊形結構單元104a與104b的作用，入射光對一個畫素提供WRGB的四個光，對四個次畫素。由多邊形結構單元104a構成的繞射區域大小，例如是由多邊形結構單元104b構成的偏折區域大小的約三倍。

圖2A及圖2B繪示本發明實施例所採用的繞射機制示意圖。以微直角稜鏡為單元的光柵為例，一個微直角稜鏡單元具有固定的週期。微直角稜鏡的週期會決定繞射的角度，深度會決定繞射效率的分配方向。例如、當入射光進入第二組週期性的多邊形結構時，被分為RGB三種原色光。若週期為p，紅光(R)202、綠光(G)204與藍光(B)206的波長分別為λr,λg,及λb來表示。根據光柵公式，假設入射光是垂直入射，此三色光取第m繞射階時，繞射角度分別為：

由於入射光經第一組週期性多邊形結構後為一會聚並偏折之光束，因此有一入射角θ_i 200。根據上述關係式以及調整其參數，可控制第二組週期性多邊形結構的週期使得出射的各色光會偏折回與原初始入射光路的方向接近平行。亦即三色光接近互相平行但間隔一段距離，而分別接近垂直入射所對應的液晶層畫素。

實際應用時可根據系統的需求，控制週期性的多邊形結構的外型。例如參閱圖2B，本實施例中，改變光柵結構可使RGB分佈順序與圖7A的RGB分佈相反。例如當多邊形結構為週期4微米的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的材料所構成的閃耀式光柵，其折射率約1.5。對一入射角θ_i 200例如為－7.81°的斜向入射光而言，若利用此光柵的負一階繞射束，則光柵最深處約為1微米。根據模擬顯示，入射光波長分別是436 nm、544 nm、611 nm時，其在負一階繞射束的效率分別約為75%,84%及79%，而負一階的繞射角度θb,θg,θr則分別為1.56°，0°，及0.97°。配合入射角的選取，出射的角度依實際設計而有不同，其較佳地例如是在0度到60度之間。

根據上述設計所要的光學功能，在光學元件的設計上可以有多種設計變化。以下再舉一些實施例來描述。

圖3A~3C繪示本發明兩片式架構的實施例，複合式分光元件應用在影像顯示裝置系統的剖面示意圖。參閱圖3A，其與圖1的機制相似，然而對於微結構透鏡片100與稜鏡片102是整合成單一結構體的光學膜片110。換句話 說，以相同的材質，在一面製作成透鏡的曲面，另一面直接形成稜鏡片所需要的幾何形狀的結構，如此可簡化光學膜片的組裝結構，且維持預定的效果。本實施例的微結構透鏡片100的曲面提供聚集光的功能，稜鏡片102是以一傾斜的平面為主，以提供偏折的效果。參閱圖3B，其與圖3A的機制相較，本實施例中，微結構透鏡片100與稜鏡片102位置互換。圖3C繪示本發明兩片式架構的另一實施例，複合式分光元件應用在影像顯示裝置系統的剖面示意圖。光學膜片116為圖3A的光學膜片110，依照所要的功能再做設計變化。本實施例的光學膜片116也是以整合的單體結構為例，然而透鏡的一面，例如入射面，是不對稱的柱狀曲面，且另外一面做例如可以是維持沒有傾斜的平面。不對稱的柱狀曲面同時對入射光束產生聚集與偏折的效果。又，對於第二光學膜片104，其繞射光柵與傾斜稜鏡面的結構，可以設置在基板上的上表面，例如是較遠離光學膜片116的面上，也可以置在基板上的下表面，例如是較接近光學膜片116的面上。兩者的光學效果仍可維持，可繞射出RGB次畫素區與折射出W次畫素區。

圖4繪示依據本發明之單片式架構的實施例，複合式分光元件應用在影像裝置系統的剖面示意圖。參閱圖3C之光學膜片104與光學膜片116，於本實施例，再度將前述的二個光學膜片整合成單體結構，為單一的光學膜片117。單一的光學膜片117例如是將圖3C的光學膜片104與光學膜片116整合在一起。產生繞射的光柵結構與折射 斜面可以直接形成於光學膜片116的另一面，又或是將前述的光學膜片116的平面基板黏貼在光學膜片104的平面上，形成整體的光學膜片117。

上述三片式、兩片式與單片式架構的實施例所得的RGBW將有多種形式，圖5A~5D僅繪示本發明繞射的光柵結構與折射斜面的排列方式與所對應的RGBW次畫素區關係圖。由此些繪示圖可看出RGB的分佈順序與繞射的光柵結構及入射光方向有關。而W區則較單純由折射斜面的位置所決定。圖6A~6B繪示本發明繞射的光柵結構與折射斜面的排列方式與所對應的RGBW次畫素區另一種二維關係上視與立體圖。同理，由此些繪示圖可看出RGB的分佈順序與繞射的光柵結構及入射光方向有關。而W區則較單純由折射斜面的位置所決定。更例如，W區域與RGB區域的面積約相等而串列或並列。換句說W區域與RGB區域是可以依實際需要做組合變化。

換句話說，W區不需用來分離出色光，而是以混合光輸出，配合分離出的色光例如提供亮度調整。因此W區的元件不需要光柵的分離機制。

又針對微結構透鏡的設計，其厚度也可例如藉由減厚的設計來達成。圖7A－7B繪示依據本發明實施例，微結構透鏡結構示意圖。參閱圖7A，微結構透鏡134例如是整合的單體結構，其有一非對稱曲面134a與一平坦面134b。平坦面134b可傾斜或是不傾斜，其中不傾斜的設計較有利於與後續的光學膜片做對位與整合。又，例如更基於元件 厚度的考量，圖7A的結構可以再度設計變化，以減少透鏡厚度。參閱圖7B，微結構透鏡136以圖7A的結構為基礎做變化。微結構透鏡136的平坦面136b與微透鏡單元134的平坦面134b例如是相同。然而，凹凸的結構面136a是對應一平滑曲面，例如非對稱曲面134a，可根據二元光學的原理做分割且減厚的結構面。此微透鏡單元136對光偏折與聚集效果仍可維持，同時可以維持較小且大體上是較薄的厚度，可減輕系統重量與體積。其二元光學的原理如下所述。光學設計時，一透鏡表面的起伏可控制入射光通過後的光場分佈，其原因為透鏡表面的起伏提供入射光一相位變化。

100‧‧‧微結構透鏡片

100a‧‧‧微結構透鏡

102‧‧‧稜鏡片

102a‧‧‧微稜鏡單元

104‧‧‧光學膜片

104a‧‧‧多邊形結構單元

104b‧‧‧多邊形結構單元

106‧‧‧顯示面板

108‧‧‧光束

110‧‧‧光學膜片

116‧‧‧光學膜片

117‧‧‧光學膜片

134、136‧‧‧微結構透鏡

134a‧‧‧非對稱曲面

134b‧‧‧平坦面

136a‧‧‧凹凸的結構面

136b‧‧‧平坦面

200‧‧‧入射光

202‧‧‧紅光

204‧‧‧綠光

206‧‧‧藍光

圖1繪示本發明三片式架構的實施例，為複合式分光元件應用在影像顯示裝置系統的剖面示意圖。

圖2A~2B繪示本發明實施例所採用的繞射機制示意圖。

圖3A~3C繪示本發明兩片式架構的實施例

圖4繪示依據本發明之單片式架構的實施例，複合式分光元件應用在影像裝置系統的剖面示意圖。

圖5A~5D僅繪示本發明繞射的光柵結構與折射斜面的排列方式與所對應的RGBW次畫素區關係圖。

圖6A~6B繪示本發明繞射的光柵結構與折射斜面的排列方式與所對應的RGBW次畫素區另一種二維關係圖。

圖7A－7B繪示依據本發明實施例，微結構透鏡結構示 意圖。

100‧‧‧微結構透鏡片

100a‧‧‧微結構透鏡

102‧‧‧稜鏡片

102a‧‧‧微稜鏡單元

104‧‧‧光學膜片

104a‧‧‧多邊形結構單元

104b‧‧‧多邊形結構單元

106‧‧‧顯示面板

108‧‧‧光束

Claims (19)

1. 一種複合式分光元件，接收一光束，該光束至少具有混合的多個波段光，該複合式分光元件包括：一第一光學膜片具有形狀相同的多個微結構透鏡，該些微結構透鏡接收該光束以產生具有一聚集程度的一偏折光；以及一第二光學膜片具有一第一區域與一第二區域，其中該第一區域有多個週期性的多邊形結構，接收通過的該偏折光以將該些波段光分離，又依照該些波段光的個別波長，使分別往在一平面上的一預定區域射出，其中該第二區域有一多邊形結構，接收通過的該偏折光，產生偏折但是不使該些波段光分離，使往在一平面上的一預定區域射出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複合式分光元件，其中通過該第一區域的該偏折光被分離成紅光、綠光、藍光，且通過該第二區域的該偏折光是白光。
3. 如申請專利範圍第1項所述之複合式分光元件，其中被該第二光學膜片分離的該些波段光的分別行進方向與該光束的一中心波段的行進方向接近平行。
4. 如申請專利範圍第1項所述之複合式分光元件，其中該第二光學膜片的該第一區域與該第二區域分別是一光柵與一稜鏡。
5. 如申請專利範圍第1項所述之複合式分光元件，其中該第一光學膜片的該些微結構透鏡，分別對應一陣列的多個畫素來設置。
6. 如申請專利範圍第5項所述之複合式分光元件，其中該些微結構透鏡的每一個是中心非對稱的微結構透鏡，且是折光的一光學結構，或是非球面微結構透鏡。
7. 如申請專利範圍第1項所述之複合式分光元件，其中該第一光學膜片與該第二光學膜片是結構整體的一單一光學膜片。
8. 如申請專利範圍第1項所述之複合式分光元件，其中該第一光學膜片與該第二光學膜片是分離的二膜片。
9. 如申請專利範圍第1項所述之複合式分光元件，其中該第一光學膜片的該些微結構透鏡的每一個具有一第一表面與一第二表面，同時對該光束產生聚集程度的該些偏折光。
10. 如申請專利範圍第9項所述之複合式分光元件，其中該第一光學膜片的該些微結構透鏡的該第一表面與該第二表面包括一平滑曲面與一平面。
11. 如申請專利範圍第10項所述之複合式分光元件，其中該第一光學膜片的該些微結構透鏡的該第一表面與該第二表面是對應一平滑曲面的一減厚結構。
12. 如申請專利範圍第1項所述之複合式分光元件，其中該第二光學膜片的該第一區域與該第二區域是串列或是並列。
13. 如申請專利範圍第1項所述之複合式分光元件，其中從該第二光學膜片出射的該些被繞射的波段光及該些被折射的波段光是對一顯示器的每一個次畫素提供一色光源。
14. 一種複合式分光元件，接收一入射光束，該光束至少有混合的多個波段光，該複合式分光元件包括：一光學膜片，具有一光入射表面及一光出射表面，其中該光入射表面上具有形狀相同的多個微結構透鏡，該些微結構透鏡對該入射光束，產生聚集及偏折，其中該光出射表面上具有週期性的多個多邊形結構，接收經過該入射表面的該入射光束的一第一部份，使該些波段光被繞射且在空間中按不同波長分離，且接收該入射光束的一第二部份，使該些波段光被折射但是不分離。
15. 如申請專利範圍第14項所述之複合式分光元件，其中該光入射表面上的該些微結構透鏡之形狀，是一平滑曲面或是對應一平滑曲面分割減厚的一結構面。
16. 如申請專利範圍第14項所述之複合式分光元件，其中該些微結構透鏡是對應一顯示畫素陣列的多個畫素來設置。
17. 如申請專利範圍第14項所述之複合式分光元件，其中該光出射表面的該些多邊形結構包含稜鏡結構產生折射用及包含微型稜鏡結構產生繞射。
18. 如申請專利範圍第14項所述之複合式分光元件，其中該光出射表面的該些多邊形結構將通過該些微結構透鏡的該光束，藉由光學繞射機制分離出該些波段光，其餘部分該些波段光藉由光學折射機制折射，皆往在一平面上的多個預定區域射出。
19. 如申請專利範圍第18項所述之複合式分光元件，其中該平面上的該些預定區域是一液晶顯示面板的多個次畫素位置。