TWI391708B - 極化色彩分光裝置 - Google Patents

Description

極化色彩分光裝置

本發明係有關於一種極化色彩分光裝置，尤指一種藉由具有極化物質之微/奈米複合結構來控制色彩分光、極化與開口率的裝置。

平面液晶顯示器整體之結構大致上可分為背光模組、極化偏光片、TFT液晶模組、彩色濾光膜片及極化檢偏器等等。以目前技術而言，傳統平面液晶顯示器整體之光能使用率只有百分之三~六，可見其能源之消耗非常嚴重。於平面液晶顯示器中，能源耗損最大的是彩色濾光膜片，其損耗率約為百分之七十，亦即傳統彩色濾光膜片之光效率只有百分之三十，此外，極化偏光片之損耗率也高達百分之六十，嚴重影響液晶顯示之能源消耗。

因此，全世界各前沿之學者專家無不竭盡所能地設法解決此現象，為了有效提升液晶顯示器之省電效率，紛紛提出各種新技術以提升其效率。

就習知專利而言，例如美國發明專利6867828號「Light guide apparatus,a backlight apparatus and a liquid crystal display apparatus」，以及發明專利7164454號「Color filterless display device,optical element,and manufacture」，其主要係利用特殊角度之微稜鏡陣列或變結構微光柵陣列製作分色元件，用以對白光進行分光，白光分光後，會在空間中進行一段遠場繞射，並將白光光源分解成紅、綠、藍三原色光；惟，其分光元件之製程繁複、結構複雜，良率與成本不易掌握；同樣地，被分解的紅、綠、藍三原色光之出射角度方向會隨著繞射角發散出去，進入面板後會繼續發散，造成雜光與鬼影，在實際面板應用上並不理想；此外，上述習知專利所提出之技術手段無法提高開口率(aperture ratio)與極化效率。

針對本案發明人林暉雄於2006年9月11日，由韓國首爾所舉辦的光學研討會(The Joint Conference on Plastic Optical Fiber & Microoptics)中，所發表的論文「DESIGN OF HYBRID GRATING FOR COLOR FILTER APPLICATION IN LIQUID CRYSTAL DISPLAY」，該論文揭露一種以雙面週期性三角結構元件搭配雙面凸透鏡元件，可導正入射之白光光束，並分離為紅、綠、藍三原色光，且分離出之紅、綠、藍光束可再被導正為準直方向，藉此克服傳統光柵受限於入射平行光之先天限制，以及因為元件組裝縱深與橫向誤差而影響靈敏度之缺失。

然而，由於一般光線係由比例約各佔50%之具有垂直與水平兩方向偏極特性之S偏振光及P偏振光構成，因此傳統液晶顯示器於光源由背光模組進入液晶面板之路徑中，設置一偏極片，藉由該偏極片使需要的偏極方向的光線(S偏振光)通過，而另一偏極方向的光線(P偏振光)則被吸收，而此論文之光柵分光設計所考慮之光源為一般非極化光線，並未考慮光線之極化特性，將導致的光損失率高達50%。

有鑑於習知技術之缺失，本發明之目的在於提出一種極化色彩分光裝置，藉由具有極化物質之微奈米複合結構來控制色彩分光、極化與開口率，不僅可提高光線準直性與縮束，同時，可使兩方向的偏極光行為分開，使會通過偏極片的偏極光線通過，另一偏極光線可返回、散射而重複被利用，可大幅提高光能使用效率。

為達到上述目的，本發明提出一種極化色彩分光裝置，其包含一透鏡元件及一三角結構元件；該透鏡元件具有一第一主體，於該第一主體內部設有極化物質或於該第一主體表面設有極化物質，該第一主體具有一第一入光面及一第一出光面，該第一入光面及第一出光面分別設有透鏡結構；該三角結構元件具有一第二入光面及一第二出光面，於該第二入光面及該第二出光面分別設有具微結構之三角形結構。

為使　貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如后。

以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利　貴審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。

請參閱第一圖所示，本發明提供之極化色彩分光裝置，其包含一透鏡元件10及一三角結構元件20；該透鏡元件10具有一第一主體11，該第一主體11具有一第一入光面111以及一第一出光面112，於該第一入光面111及該第一出光面112分別設有週期性透鏡結構，該透鏡結構可為球面或非球面柱狀曲率之凸透鏡或凹透鏡；於本實施例中，該第一入光面111及該第一出光面112均設置凸透鏡結構113、114，且該第一入光面111之凸透鏡結構113之孔徑大於該第一出光面112之凸透鏡結構114之孔徑。

再者，於該第一本體11內設有極化物質12，該第一主體11可採用有機材料、玻璃、金屬、矽晶片或化合物半導體材料，該極化物質12可採用高分子分散型液晶(PDLC)、膽固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal)、聚二甲酸二乙酯(PEN)等具極化特性材料之一或其組合，可將該極化物質12與該第一主體11混合一體成型，或將該極化物質12設置於該第一主體11表面。

該三角結構元件20亦具有一第二主體21，該第二主體21具有一第二入光面211及一第二出光面212，於該第二入光面211及該第二出光面212分別設有具微結構之三角形結構213、214，該三角形微結構213、214可為二維(其中一維為高度)或三維結構，於本實施例中，該三角形微結構213、214為直角三角形，且為結構面對結構面組合；至於該三角形微結構213、214所具有之微結構，可為奈米尺寸微結構或微奈米複合微結構，配合不同的波長，然由於其尺寸設計並無限制，在此不予贅述。

藉由上述結構，請參閱第一圖，將一白色光束30由該第一入光面111射入該第一主體11，該白色光束30之光源可為冷陰極燈管(CCFL，Cold Cathode Fluorescent Lamp)CCFL，紅綠藍發光二極體(RGB LED)，紅綠藍雷射(RGB Laser)等光源；該白色光束30進入該第一主體11後，可由該極化物質12將該白色光束30偏極化，可使具有水平與垂直兩方向偏極特性之P偏振光及S偏振光(圖中未示出)行為分開，除了使P偏振光通過之外，S偏振光則可藉由該極化物質12返回、散射而重複被利用，可大幅提高光能使用效率；其次，偏極化之白色光束30再通過該第一出光面112射出，由凸透鏡結構114作用形成外徑縮小之小型白色光束30P。

接著，該小型白色光束30P射入該第二入光面211，當通過該第二入光面211之三角形微結構213後，可使該小型白色光束30P分離為紅、藍、綠三原色光束30R、30G、30B，再經由鄰近該第二出光面212之三角形微結構214導正該紅、藍、綠三原色光束30R、30G、30B為準直方向，亦即原始射入該透鏡元件10之白色光束30方向，再由該第二出光面212射出該三角結構元件20。

於第一圖實施例，其係將極化物質12設置於該第一主體11，除此之外，請參閱第二圖至第六圖所示其他實施態樣；如第二圖所示，該極化物質12係設置於該凸透鏡結構113、114內；如第三圖所示，該極化物質12係設置於該第一主體11及凸透鏡結構113、114內；如第四圖所示，該極化物質12係設置於該第一出光面112及凸透鏡結構114表面；如第五圖所示，該極化物質12係設置於該第一入光面111及凸透鏡結構113表面；如第六圖所示，該極化物質12係設置於該第一入光面111、凸透鏡結構113表面，以及該第一出光面112及凸透鏡結構114表面。

請參閱第七圖至第九圖所示不同型態之透鏡元件；如第七圖所示該透鏡元件10a，其具有一第一主體11a，該第一主體11a具有一第一入光面111a以及一第一出光面112a，本實施例之特點在於該第一入光面111a設置凸透鏡結構113a，而該第一出光面112a設置凹透鏡結構114a；如第八圖所示該透鏡元件10b，其具有一第一主體11b，該第一主體11b具有一第一入光面111b以及一第一出光面112b，本實施例之特點在於該第一入光面111b設置凹透鏡結構113b，而該第一出光面112b設置凸透鏡結構114b；再如第九圖所示該透鏡元件10c，其具有一第一主體11c，該第一主體11c具有一第一入光面111c以及一第一出光面112c，本實施例之特點在於該第一入光面111c及該第一出光面112c均設置凹透鏡結構113c、114c；由第七圖至第九圖所示該透鏡元件10、10a、10b、10c可知，本發明所提供之透鏡元件具有多種型態，無論凹透鏡或凸透鏡，其設計原則在於，位於入光面之透鏡結構之孔徑大於位於出光面之透徑結構之孔徑，藉此可將光束縮小；再次強調說明的是，該透鏡元件之重點在於具有極化物質，可將P偏振光及S偏振光行為分開，使S偏振光可返回、散射而重複被利用，因此可提高光能使用效率。

請參閱第十圖，說明S偏振光與P偏振光由折射率n2之介質進入折射率n1之介質時之狀況；入射光L1以θ角入射，反射光L2之反射角為θ，折射光L3之折射角為φ；根據電磁學理論，介面處之電場與磁場需保持連續性，但由於S偏振光與P偏振光之電場與磁場偏振方向不同，因而造成S偏振光與P偏振光之振幅反射率r_s 、r_p ，以及穿透率t_s 、t_p 不同值。

依據下列公式：

如以上公式所示，S偏振光及P偏振光之振幅反射率r_s 與r_p ，以及S偏振光及P偏振光之穿透率t_s 與t_p 皆為入射角θ及介質折射率n1及n2之函數。

請參閱第十一圖所示，說明閃耀式光柵(Blazed Grating)繞射原理，閃耀式光柵是一種兼具分光效果和繞射效率之光柵，藉由調整入射光L1與光柵40小平面法線(Facet Normal)L4之相對角度(亦即夾角α+φ)，使得繞射光L5之方向和以光柵小平面(Facet)41為折射平面時之折射方向相同，此時，繞射光學效率在繞射方向(或光柵小平面41之折射方向，如圖所示與光柵法線L6夾角β之方向)可達最大。

若入射光L1為具偏極性之S偏振光及P偏振光時，穿透光之振幅與相位分布會進一步受到入射光與介面之夾角及光柵介面兩邊之折射率影響，故需進一步微調光柵40之形狀或角度(如圖所示該角度θ1及θ2)，以使繞射光學效率在特定繞射方向(或光柵小平面41之折射方向)可達最大。

依據上述原理，請參閱第十二圖及第十三圖所示，其中，第十二圖為針對S偏振光L7時，其光柵50底角分別可控制為θs及θs’；第十三圖為針對P偏振光L8時，其光柵60底角分別可控制為θp及θp’；當S偏振光L7及P偏振光L8分別由折射率n2之介質，通過光柵50、60進入折射率n1之介質時，其入射光與介面之夾角，以及光柵50、60介面兩邊之折射率均會影響該穿透光及反射光之振幅與相位分布；為增加光學利用效率於特定繞射級數，例如第十二圖及第十三圖所示該繞射級數-1T，即可經由控制光柵50、60之底角θs、θs’及θp及θp’而達成。

透過上述關於S偏振光及P偏振光之分光及繞射原理分析可知，當光柵面對具極化特性之光線與一般非極化特性之光線時在結構最佳化設計時所考量的不同，設計結果也會不一樣，由於本發明所面對之光線為具極化特性之光線，因此本發明所提供之三角形微結構光柵結構可作為極化光之最佳化設計。

再請參閱第十四圖至第十七圖所示不同態樣之三角結構元件；如第十四圖所示該三角結構元件20a，本實施例之特點在於具有二第二主體21a、21a’，該第二主體21a、21a’分別具有一第二入光面211a以及一第二出光面212a，於該第二主體21a、21a’之間設有結構面與結構面相對之三角形微結構213a、214a，該三角形微結構213a、214a均為直角三角形，至於圖示該三角形微結構213a、214a呈現多層階梯狀，用以顯示該三角形微結構213a、214a係由多層階梯狀微結構所形成；再如第十五圖所示該三角結構元件20b，其具有二第二主體21b、21b’，本實施例之特點在於該第二主體21b、21b’相遠離之面上分別設有結構背與結構背相對之三角形微結構213b、214b，該三角形微結構213b、214b均為直角三角形，由該三角形微結構213b之結構面作為入光面，而另一三角形微結構214b之結構面作為出光面；再如第十六圖所示該三角結構元件20c，本實施例與第十四圖相仿，其具有二第二主體21c、21c’，該第二主體21c、21c’分別具有一第二入光面211c以及一第二出光面212c，於該第二主體21c、21c’之間設有結構面與結構面相對之三角形微結構213c、214c，本實施例之特點在於，該三角形微結構213c、214c均為等腰三角形；再如第十七圖所示該三角結構元件20d，本實施例與第十五圖相仿，其具有二第二主體21d、21d’，該第二主體21d、21d’相遠離之面上分別設有結構背與結構背相對之三角形微結構213d、214d，該三角形微結構213d、214d均為等腰三角形，由該三角形微結構213d之結構面作為入光面，而另一三角形微結構214d之結構面作為出光面。

由第一圖、第十四圖至第十七圖所示該三角結構元件20、20a~20d可知，本發明所提供之三角結構元件具有多種態樣，其主體可設置為單一個(如第一圖所示)，亦可為分離兩主體(如第十四至第十七圖所示)，其三角形微結構可為直角三角形(如第一圖、第十四圖及第十五圖所示)，或等腰三角形(如第十六、十七圖所示)，且其三角形微結構可為結構面對結構面組合(如第一圖、第十四圖及第十六圖所示)，亦可為結構背對結構背組合(如第十五圖及第十七圖所示)。至於上述不同實施例之透鏡結構，以及該三角微形結構，均為週期性結構，其係依據下列公式設計：

其中，θ為繞射角度，λ是波長、p是結構週期，m為不同的繞射級數；其中，該繞射級數m是一個整數，同樣地，視實際所需設定適當之角度、波長、結構週期或繞射級數，並無一定限制。

請參閱第十八圖，三角結構元件中的三角形微結構以結構面與對結構面相對組合之架構實驗分析，當三角形微結構深度為1.4um，以極化光與非極化光做為入射光，分別計算三角形微結構週期由0.5um至5um時，以極化光為光源與以非極化光為光源之各別繞射效率，其結果如第十九圖所示，其中該曲線η₁ 代表入射光為極化光之繞射效率，曲線η₂ 代表入射光為非極化光之繞射效率，當三角形微結構週期為0.8um時，可得到最較佳繞射效率，其中，入射光為該極化光之最較佳繞射效率為78.193%，該入射光為非極化光之最較佳繞射效率為73.248%；以上實驗說明，當透鏡元件加入極化物質，使入射光線轉變為極化光時，在三角結構元件設計條件上也會不相同，當應用於液晶面板時，不僅可降低光線在液晶面板偏光片之吸收，同時在三角結構元件設計效率上也會有所提昇。

綜上所述，本發明所提供之極化色彩分光裝置，藉由極性物質將P偏振光及S偏振光行為分開，使S偏振光可反回、散射而重複被利用，因此可提高光能使用效率；而特殊設計之週期性透鏡元件及具有微結構之三角結構元件，可將色光束分離為紅、藍、綠三原色光束，且可導正光束為準直方向，據實驗驗證，其角度誤差≦±0.1度，可克服傳統光柵受限於入射平行光之先天限制，以及因為元件組裝縱深與橫向誤差而影響靈敏度之缺失，應用於平面顯示器與背光模組之製程，可大幅提升良率與光能使用效率至少百分之十六。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

10、10a、10b、10c．．．透鏡元件

11、11a、11b、11c．．．第一主體

111、111a、111b、111c．．．第一入光面

112、112a、112b、112c．．．第一出光面

113、、113a、114、114b．．．凸透鏡結構

113b、114a、113c、114c．．．凹透鏡結構

12．．．極化物質

20、20a、20b、20c、20d．．．三角結構元件

21、21a、21a’、21b、21b’、21c、21c’、21d、21d’．．．第二主體

211、211a、211c．．．第二入光面

212、212a、212c．．．第二出光面

213、214、213a、214a、213b、214b、213c、214c、213d、214d．．．三角形微結構

30．．．白色光束

30P．．．小型白色光束

30R、30G、30B．．．紅、藍、綠三原色光束

40、50、60．．．光柵

41．．．光柵小平面

L1．．．入射光

L2．．．反射光

L3．．．折射光

L4．．．小平面法線(Facet Normal)

L5．．．繞射光

L6．．．光柵法線

L7．．．S偏振光

L8．．．P偏振光

n1．．．折射率

n2．．．折射率

r_s 、r_p ．．．振幅反射率

t_s 、t_p ．．．穿透率

θ、θ1、θ2、β、φ．．．角度、夾角

θs、θs’θp、θp’．．．光柵底角

η₁ 、η₂ ．．．曲線

第一圖係本發明之一實施例之結構示意圖。

第二圖至第六圖係本發明之極化物質不同設置態樣之示意圖。

第七圖至第九圖係本發明不同態樣之透鏡元件之結構示意圖。

第十圖係S偏振光及P偏振光通過不同介質介面時之折射及反射狀態示意圖。

第十一圖係閃耀式光柵(Blazed Grating)繞射原理示意圖。

第十二圖係S偏振光光通過三角形微結構光柵時之折射及反射狀態示意圖。

第十三圖係P偏振光通過三角形微結構光柵時之折射及反射狀態示意圖。

第十四圖至第十七圖係本發明不同態樣之三角結構元件之結構示意圖。

第十八圖係三角形微結構以結構面對結構面相對組合之實驗架構示意圖。

第十九圖係以第十八圖架構進行實驗分析所得繞射效率曲線圖。

10．．．透鏡元件

11．．．第一主體

111．．．第一入光面

112．．．第一出光面

113、114．．．凸透鏡結構

12．．．極化物質

20．．．三角結構元件

21．．．第二主體

211．．．第二入光面

212．．．第二出光面

213、214．．．三角形微結構

30．．．白色光束

30P．．．小型白色光束

30R、30G、30B．．．紅、藍、綠三原色光束

Claims (12)

1. 一種極化色彩分光裝置，包含：一透鏡元件，其具有一第一主體，該第一主體具有一第一入光面以及一第一出光面，於該第一入光面及該第一出光面分別設有透鏡結構，於該第一主體設有極化物質；一三角結構元件，其具有一第二主體，該第二主體具有一第二入光面以及一第二出光面，於該第二入光面及該第二出光面分別設有三角形微結構；將一白色光束由該第一入光面射入該第一主體，該白色光束經該極化物質偏極化後，由該透鏡結構縮小該白色光束並經由該第一出光面射出後，再由該第二入光面進入該三角結構元件，並由該第二入光面之該三角形微結構將該白色光束分離為紅、綠、藍三原色光束，再經由該第二出光面之該三角形微結構導正該紅、綠、藍三原色光束為一準直方向，並由該第二出光面射出；其中，該第二入光面及該第二出光面分別所設置之三角形微結構週期係由0.5um至5um。
2. 如申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該極化物質可為高分子分散型液晶(PDLC)、膽固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal)、聚二甲酸二乙酯(PEN)等具極化特性材料之一或其組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該極化物質可與該第一主體一體成型。
4. 如申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該透鏡結構可為球面柱狀或非球面柱狀之凸透鏡或凹透 鏡。
5. 如申請專利範圍第4項所述之極化色彩分光裝置，其中該第一入光面之透鏡結構之孔徑大於該第一出光面之透鏡結構之孔徑。
6. 如申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該第一主體可為有機材料、玻璃、金屬、矽晶片或化合物半導體材料。
7. 如申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該透鏡元件之透鏡結構，以及該三角結構元件之三角形微結構，均為週期性結構。
8. 如申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該極化物質係可設置於該第一主體內部或表面。
9. 如申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該三角形微結構可為等腰三角形或直角三角形。
10. 如申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該第二入光面及該第二出光面可設置於同一該第二主體之相對兩面，或分別設置於不同之該第二主體。
11. 如申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該三角形微結構可為結構面對結構面組合，或結構背對結構背組合。
12. 申請專利範圍第1項所述之極化色彩分光裝置，其中該三角形微結構為微/奈米等級之微結構。