TWI406011B - 可增強光線中某一偏極態之光學系統與具有此系統之光源系統 - Google Patents

可增強光線中某一偏極態之光學系統與具有此系統之光源系統 Download PDF

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Description

可增強光線中某一偏極態之光學系統與具有此系統之光源系統
本發明係有關於可以增強光線中某一偏極態之光學系統與具有此系統之光源系統。
隨著信息技術時代的來臨,各種電子光學顯示器(如液晶投影式顯示器)的需求不斷增加。在這種類型的顯示器,可能需要外部光源來輔助顯示圖像。隨著高品質顯示器需求的增加,加強光源的使用效率亦日漸重要。在傳統提高效率的方法上,是把非偏極光束轉換成為單一偏極態的線性偏極光束,例如,美國專利第5122895號所揭露,利用偏極轉換器將隨機偏極光轉換成線性偏極光,其中揭露了一個所謂的P-S偏極轉換器之傳統轉換器。該P型偏極光是指此光分量的電場振盪方向平行於入射光平面。而該S型偏極光是指此光分量的電場振盪方向垂直於入射光平面。
一般而言,在液晶顯示器或投影系統中,傳統的偏極平板通常從入射非偏極光中吸收掉不需要的偏極光,以得到需要的偏極光,傳統的偏極片的出光效率充其量只能達到50%。若是以偏極分光器搭配偏極轉換器來當作產生特定偏極光,之前的做法,除了轉換效率不佳以外,傳統的P-S偏極轉換器的組態是複雜的,且通常所涉及生產成本相對較高。另外,結合該先前技術傳統偏極轉換器的顯示器,其功率消耗相當高。
另外,以往利用薄膜的干涉技術來對不同波長、入射角度與偏極態,來做強度與相位上的調製,以符合各種光學元件的需求,例如抗反射膜,高反射膜,分光鏡以及帶通濾光片,然而上述各種元件都受限於入射光與反射光的偏極態是一致的。
針對上述,本案提供一種可增強光線中某一偏極態之光學系統,其中利用薄膜的方法來做簡單的非均向膜系統,產生強烈的偏極轉換,並且搭配偏極分光鏡,不但可以提升偏極轉換效率,亦可針對增強光線中某一偏極態的要求作設計。
本發明的主要目的,乃係提供一種可增強光線中某一偏極態之光學系統。
本發明的上述目的,得藉由一個結合偏極分光鏡與偏極轉換組態的系統達成。
詳言之,本發明為一種可增強光線中某一偏極態之光學系統,包含:一偏極分光鏡,供將一輸入光線分離成為一第一光線與一第二光線,該第一光線具有一第一偏極模態,該第二光線具有一第二偏極模態,該第一偏極模態不同於該第二偏極模態;一偏極轉換器,輸入該第二光線,供轉換偏振模態而輸出一第三光線,該第三光線具有顯著較多的該第一偏極模態,其中偏極轉換器為可提供全反射或高反射的一組態,該組態至少包含一非均向性光學薄膜,介於高折射率的一入射介質與低折射率的一介質之間。
針對上述實施例的更具體的實施方式與細節技術,可參考申請專利範圍中各附屬項的附加敘述。
其中,根據一實施例,該偏極分光鏡為一膠合分光鏡,而該膠合分光鏡包含二個三角稜鏡間交錯地夾多層高折射率薄膜與低折射率薄膜之光學薄膜堆疊,使該多層膜堆疊對入射之S偏極光為高反射作用,該多層膜堆疊對P偏極光為高透射作用。
此外,根據一實施例,該偏極轉換器包含一稜鏡,該稜鏡的光線反射面上鍍有第一均向膜(isotropic)/非均向性膜(anisotropic)/第二均向(isotropic)膜,而其所進行的轉換為部分轉換或為實質上的完全轉換。
根據一實施例,其中該光學系統進一步包含一合光元件,供將該第一光線與第三光線進行完全合光、或部分合光(combination)。
根據一實施例之光源系統,此光源系統具有可增強光線中某一偏極態之光學系統,可應用於各種光源,例如發光二極體(LED)之光輸出端,使輸出光線經此系統後增強光線的某一偏極態。
上述本發明的發明簡要內容並涵蓋本發明的每一種實施方式或本發明的所有面向。
下方將結合附圖對本發明的各具體實施例進一步說明。雖然本發明結合了具體實施例進行說明,但是應當理解本發明可以有多種方式實施,而不僅限於這裏所揭露的具體實施例;本發明提供的具體實施例使得本發明公開更加充分和完整,且使得本領域技術人員能夠完全掌握本發明的範圍。
如圖1所示,本發明一種可增強光線中某一偏極態之光學系統1的第一實施例,包含一偏極分光鏡10、一偏極轉換器12及一合光元件14。
該偏極分光鏡10可為一膠合分光鏡,該膠合分光鏡包含三角稜鏡100與三角稜鏡102,此兩個三角稜鏡所組合而成的一立方體。其中,兩三角稜鏡間交錯地夾多層高折射率薄膜與低折射率薄膜之光學薄膜堆疊的多層膜110,使該多層膜110對入射之S偏極光為高反射作用,對P偏極光為高透射作用。此外,在由三角 稜鏡100與三角稜鏡102組成的立方體之其餘表面鍍上多層抗反射膜,減少光反射的損失。
於某些實施例中,該偏極分光鏡10可以是一寬頻偏極分光鏡(Broadband Polarizing Cube Beamsplitter),例如Newport(http://www.newport.com/)公司生產製造,型號為05FC16BP.3,其材質為SF2,可提供高效率之寛頻極化分光作用。
詳言之,該偏極轉換器12是由一高折射率的玻璃稜鏡104,於其光線反射面112鍍上均向膜與非均向膜所組成。另外,在此玻璃稜鏡104上,除了該光線反射面112以外,其他表面得鍍有多層抗反射膜,用以減少光反射的損失。
如圖1所示,當一未極化的光120入射進入上述光學系統1中,首先,該未極化的光120通過該偏極分光鏡10時,被多層膜110分成一第一P偏極光分量122與一S偏極光分量124。第一P偏極光分量122會通過該多層膜110,進一步由該偏極分光鏡10出射;而S偏極光分量124會由該多層膜110反射而離開此偏極分光鏡10之立方體。接著,該S偏極光分量124入射進入該偏極轉換器12,即高折射率的玻璃稜鏡104。入射的S偏極光分量124於玻璃稜鏡104之反射面112,轉換為第二P偏極光分量126,接著從該偏極轉換器12射出。該第二P偏極光分量126具有與第一P偏極光分量122相同(或不同)的行進方向與相同的偏極態。利用一合光元件14,可供將該第二P偏極光分量126與第一P偏極光分量122進行完全的合光、或部分的合光,形成一P偏極光128。
請參照圖2a,為高折射率的玻璃稜鏡104中光線反射面112的一多層結構。該多層結構包含玻璃稜鏡104/第一均向膜202/非均向膜210/第二均向膜204的結構。依據一實施例,該高折射率的玻璃稜鏡104折射率為1.515,材質可為BK7。而第一均向膜202為MgF2 的薄膜材料,其厚度為200nm,於光線波長約為 632.8nm時該薄膜材料折射約為1.397;相同的,第二均向膜204亦為MgF2 的薄膜材料,而其厚度為30nm,於光線波長約為632.8nm時該薄膜材料折射約亦為1.397;此外,非均向膜210為MgF2 的薄膜材料,厚度為800nm,對應非均向性三主軸(21,22,23),如圖2b,第一主軸21、第二主軸22與第三主軸23互相垂直,其三主軸折射率n21 、n22 、n23 的值分別為n21 =1.215、n22 =1.216、n23 =1.260,其中第三主軸23與膜介面法線20形成一夾角α,α=33度,第三主軸23與膜介面法線20所形成的平面稱之為沉積平面(deposition plane)220,第二主軸22位於沈積平面220上且與第三主軸23垂直,第一主軸21垂直於第二主軸22與第三主軸23,沉積平面220與入射面222夾角90度。
於某些實施例中,該多層膜110係可對波長範圍在420nm到680nm之間的可見光通過。
於某些實施例中,在偏極分光鏡10中行進之光,例如:未極化之入射光120、第一P偏極光分量122、S偏極光分量124與第二P偏極光分量126,其被材質的吸收的部分可被忽略不計。而穿透出稜鏡的消光比(Extinction Ratio,Tp/Ts)在可見光範圍,平均為1000:1,Tp效率(即P偏極光穿透效率)平均大於90%,Rs效率(即S偏極光反射效率)平均大於99.5%。
於某些實施例中,該非均向膜210可以為一介電材料所形成之一斜向柱狀陣列,該柱狀方向不在入射平面上,而會產生偏極轉換效果。此外,該非均向膜210之介電材料選自由MgF2 、SiO2 、或TiO2 所構成的群組。
圖3為本發明一光學系統3之第二實施例。示於圖3中之偏極分光鏡10、偏極轉換器12及合光元件14與示於圖1中之偏極分光鏡10、偏極轉換器12及合光元件14功能大致上相同。圖3中之偏極轉換器12,即高折射率的玻璃稜鏡104,其第一稜鏡夾 角330、第二稜鏡夾角332與第三稜鏡夾角334分別約為51.5度、74.09度與54.41度。在入射角為51.5度時,於可見光波長範圍內,會有大於90%的入射S極化光分量124轉換為第二P偏極光分量126。進一步,該第二P偏極光分量126反射至該玻璃稜鏡104之一稜鏡介面314折射出稜鏡104外。該第二P偏極光分量126在稜鏡介面314折射後,出射為一第三P偏極光分量326。該第三P偏極光分量326具有與第一P偏極光分量122相同(或不同)的行進方向與相同的偏極態。接著利用一合光元件14供將該第三P偏極光分量326與第一P偏極光分量122進行完全合光、或部分合光,形成一P偏極光328。在圖3中具有與圖1相同號碼標記之結構、元件,其同樣執行圖1中相對應結構、元件所具有之功能,在此不多做贅述。
根據上述圖1、圖2a、圖2b或圖3實施例之光學系統,將其應用於各種光源包含發光二極體之光輸出端,使輸出光線經此系統後增強光線的某一偏極態,用以提升光的偏極使用效率。如圖4所示,一發光元件40,例如:發光二極體,發射出一未極化的光120進入光學系統1中。首先,經過偏極分光鏡10後分別形成第一P偏極光分量122與S偏極光分量124。接著,該S偏極光分量124進入偏極轉換器12後,形成第二P偏極光分量126。最後,由合光元件14將第一P偏極光分量122與第二P偏極光分量126結合形成P偏極光128。在圖4中具有與圖1相同號碼標記之結構、元件,其同樣執行圖1中相對應結構、元件所具有之功能,在此不多做贅述。
由於上述關於圖1及圖3與圖4實施例的揭露,得以達成本發明前述的發明創作目的。
雖然通過附圖和前面的詳細描述對本發明的各個實施例進行了說明,但是應該理解本發明不僅限於在此公開的實施例,而可以在不違背本發明實質的前提下進行多種組態、修飾和等效變換。
例如一,偏極分光鏡10也可以設計成所輸出的偏極光122、124分別為S偏極光分量、P偏極光分量。此時,偏極轉換器12的功能是將P偏極光分量轉換成S偏極光分量。
例如二,偏極分光鏡10也可以設計成所輸出的偏極光122、124分別為左(橢)圓偏極光分量、右(橢)圓偏極光分量。此時,偏極轉換器12的功能是將右(橢)圓偏極光分量轉換成左(橢)圓偏極光分量。
例如三,偏極轉換器12中的薄膜202、204以及210可以用單一厚度為800nm,其三主軸折射率為n21 =1.751、n22 =1.685、n23 =1.897的非均向薄膜取代,亦可達到寬頻偏極轉換效果。
例如四,偏極轉換器12中的薄膜202、204以及210可以用多層非均向薄膜堆疊取代,可達到寬頻與廣角的偏極轉換效果。
1‧‧‧光學系統
10‧‧‧偏極分光鏡
12‧‧‧偏極轉換器
14‧‧‧合光元件
100‧‧‧三角稜鏡
102‧‧‧三角稜鏡
104‧‧‧玻璃稜鏡
110‧‧‧多層膜
112‧‧‧光線反射平面
120‧‧‧未極化的光
122‧‧‧第一P偏極光分量
124‧‧‧S偏極光分量
126‧‧‧第二P偏極光分量
128‧‧‧P偏極光
202‧‧‧第一均向膜
204‧‧‧第二均向膜
210‧‧‧非均向膜
20‧‧‧膜介面法線
21‧‧‧第一主軸
22‧‧‧第二主軸
23‧‧‧第三主軸
220‧‧‧沉積平面
222‧‧‧入射面
3‧‧‧光學系統
314‧‧‧稜鏡介面
326‧‧‧第三P偏極光分量
328‧‧‧P偏極光
330‧‧‧第一稜鏡夾角
332‧‧‧第二稜鏡夾角
334‧‧‧第三稜鏡夾角
40‧‧‧發光元件
通過參照以下詳細說明並結合附圖可對本發明的各項實施例有一個較完整的理解。
圖1揭露本發明第一實施例的光學系統1;圖2a揭露圖1實施例之高折射率的玻璃稜鏡104中光線反射面112的一多層結構;圖2b揭露非均向性薄膜210與對應的三主軸之關係;圖3揭露本發明第二實施例的光學系統3;圖4揭露本發明中光源系統的實施例。
1...光學系統
10...偏極分光鏡
12...偏極轉換器
14...合光元件
100...三角稜鏡
102...三角稜鏡
104...玻璃稜鏡
110...多層膜
112...光線反射平面
120...未極化的光
122...第一P偏極光分量
124...S偏極光分量
126...第二P偏極光分量
128...P偏極光

Claims (8)

  1. 一種可增強光線中某一偏極態之光學系統,包含:一偏極分光鏡(polarization beam splitter),供將一輸入光線分離成為一第一光線與一第二光線,該第一光線具有一第一偏極模態,該第二光線具有一第二偏極模態,該第一偏極模態不同於該第二偏極模態;一偏極轉換器(polarization state converter),輸入該第二光線,供轉換偏振模態而輸出一第三光線,該第三光線具有顯著較多的該第一偏極模態,其中偏極轉換器為可提供全反射或高反射的一組態,該組態至少包含一非均向性光學薄膜(anisotropic optical thin film),介於高折射率的一入射介質與低折射率的一介質之間,其中之非均向光學薄膜可以為一介電材料所形成之的一斜向柱狀陣列,該柱狀方向不在入射平面上,而會產生偏極轉換效果。
  2. 如請求項1所述之一種光學系統,其中偏極分光鏡為一膠合分光鏡,該膠合分光鏡包含兩三角稜鏡間交錯地夾多層高折射率薄膜與低折射率薄膜之光學薄膜堆疊,使該多層膜堆疊對入射之S偏極光為高反射作用,該多層膜堆疊對P偏極光為高透射作用。
  3. 如請求項1所述之一種光學系統,其中該偏極轉換器所進行的轉換為部分轉換或為實質上的完全轉換。
  4. 如請求項1所述之一種光學系統,其中進一步包含一元件,供將該第一光線與第三光線進行完全合光、或部分合光(combination)。
  5. 如請求項1所述之一種光學系統,其中該第一偏極模態為P偏極,該第二偏極模態為S偏極。
  6. 如請求項1所述之一種光學系統,其中之入射介質為一玻璃稜鏡。
  7. 如請求項1所述之一種光學系統,其中之非均向性光學薄膜介電材料選自由MgF2 、SiO2 、或TiO2 所構成的群組。
  8. 一種具有可增強光線中某一偏極態之光學系統之一光源系統,可應用於投影機、顯示器等光電產品中所需之各種光源包含發光二極體(LED)之光輸出端,使輸出光線經此系統後增強光線的某一偏極態,包含:一偏極分光鏡,供將一輸入光線分離成為一第一光線與一第二光線,該第一光線具有一第一偏極模態,該第二光線具有一第二偏極模態,該第一偏極模態不同於該第二偏極模態;一偏極轉換器,輸入該第二光線,供轉換偏極模態而輸出一第三光線,該第三光線具有顯著較多的該第一偏極模態,其中偏極轉換器為可提供全反射或高反射的一組態,該組態至少包含一非均向性光學薄膜(anisotropic optical thin film),介於高折射率的一入射介質與低折射率的一介質之間,其中之非均向光學薄膜可以為一介電材料所形成之的一斜向柱狀陣列,該柱狀方向不在入射平面上,而會產生偏極轉換效果。
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