TWI409501B - 線性極化光轉換器 - Google Patents

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Description

線性極化光轉換器
本發明是有關於一種線性極化光轉換器(linearly polarized light converter)，特別是指一種應用於微晶投影機(micro-liquid-crystal projector)的線性極化光轉換器。
因應科技產業的發展，光電技術領域的相關產業需藉由提昇背光模組(backlight module)中之極化效率(polarization efficiency)來滿足微晶投影技術[即，矽基液晶(liquid crystal on silicon，簡稱LCOS)]所應具備的高顯示對比(contrast ratio)的需求。
參圖1，US 2009/0040608 A1揭露一種極化轉換器1，包含：一週期性(periodic)排列的凸條與溝渠之金屬繞射光柵(diffraction grating)11，及一與該金屬繞射光柵11間隔設置的極化分光器(polarization beam splitter，簡稱PBS)12。
在微晶投影技術相關領域中，微晶投影技術相關領域者可利用該極化轉換器1來增加線性極化光的輸出量，並藉此提昇微晶投影機的能源效率。一般而言，自一微晶投影機之一背光模組(圖未示)所產生之非極化的光波(unpolarized waves)主要是由隨機偏振之光波所構成。而前述的線性極化光所指者即是光的偏振方向固定在一直線上的光波，如，橫磁波(transverse magnetic waves，簡稱TM波)或橫電波(transverse electric waves，簡稱TE波)。
再參圖1，此處值得說明的是，當一非極化的光波10 在接觸到該極化分光器12後，會使得TM波及TE波其中一者通過並反射其中另一者。經前述說明可知，以背光模組所產生之光源總量為100%來計算，將有50%的光源在極化轉換的過程中被犧牲掉。因此，該金屬繞射光柵11於該極化轉換器1的主要作用是在於，將被反射回該金屬繞射光柵11的線性極化光(如TE波)101轉變成橢圓極化的光波10’[即極化可分解成含有線性極化光(TE波)101與線性極化光(TM波)102之組合]，並將此被轉變為橢圓極化的光波10’再度地反射回該極化分光器12，供該極化分光器12將線性極化光(如TM波)102傳遞出該極化分光器12，經由如此的極化回收循環(polarization recycling)進而提昇該極化轉換器1的極化轉換效率，並滿足微晶投影技術對於節能的需求。
又，此處亦需說明的是，由於金屬繞射光柵主要是由多數的凸條與溝渠以週期性排列的方式所構成的陣列；因此，對於冷陰極螢光燈管(cold-cathode fluorescent lamp，簡稱CCFL)所產生之圓柱電磁波(cylindrical wave)而言，直線偏極光的極化轉換(polarization conversion)效率將受金屬繞射光柵所擺的方位角所影響。換句話說，金屬繞射光柵的光柵向量(grating vector)需與圓柱電磁波的入射平面(incident plane)約成45度夾角，才會有較高的極化轉換效率。在此，圓柱電磁波有唯一的入射平面。然而，對於其他非長管狀光源所產生的電磁波而言，其入射平面並非唯一，所以無法調整光柵向量方位角以求得最佳極化轉換效 率。因此，對於US 2009/0040608 A1所揭露之極化轉換器1來說，該極化轉換器1因使用該金屬繞射光柵11，所以比較適合搭配使用CCFL來做為背光源。
經上述說明可知，為了提昇極化效率，此技術領域需透過多道精準且交替的微影程序與蝕刻程序來製作金屬繞射光柵，不僅需花費大量的時間成本與設備成本，此外，礙於金屬繞射光柵本身的外觀結構又僅能侷限於搭配使用以CCFL做為光源之背光模組；因此，降低極化轉換器的生產成本並增加其可搭配使用之非管狀光源的選擇性，是此技術領域所需突破的主要課題。
因此，本發明之目的，即在提供一種線性極化光轉換器。
於是，本發明之線性極化光轉換器，是自一光源所產生之含有互相正交的第一線性極化波與第二線性極化波的非極化波中，利用一極化回收循環的機制分出該第一線性極化波。該線性極化光轉換器包含：一極化分光單元及一金屬反射鏡。該極化分光單元設置於該光源的一第一側用以接受該非極化波。該極化分光單元使該非極化波之第一線性極化波通過，並反射該非極化波之第二線性極化波。該金屬反射鏡設置於相反於該光源之第一側的一第二側。該金屬反射鏡具有一金屬層及複數散佈且接觸於該金屬層上的金屬粒子，該等金屬粒子定義出一面向該光源的粗化表面。藉該粗化表面以將該第二線性極化波轉換成橢圓偏 振波並反射該橢圓偏振波至該極化分光單元。
本發明之功效在於：提供生產成本較低以及適用於非管狀的光源，比如以產生球形電磁波(spherical electromagnetic wave)的LED背光光源等的線性極化光轉換器。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。
參閱圖2，本發明線性極化光轉換器的一較佳實施例，是用以自一光源2所產生之含有互相正交的第一線性極化波201與第二線性極化波202的非極化波20中，利用一極化回收循環的機制分出該第一線性極化波201。本發明該較佳實施例之線性極化光轉換器，包含：一間隔設置於該光源2的一第一側21的極化分光單元3，及一間隔設置於相反於該光源2之第一側21的一第二側22的金屬反射鏡4。
此處值得說明的是，當本發明該第一線性極化波201是橫磁波(TM波)時，則該第二線性極化波202是橫電波(TE波)；相反地，當本發明該第一線性極化波201是橫電波(TE波)時，則該第二線性極化波202是橫磁波(TM波)。此因橫電波與橫磁波為互相正交的兩線性極化波，而任何光波均可分解成互相正交的兩線性極化波。在本發明該較佳實施例中，該第一線性極化波201是橫磁波(TM波)；該第二線性極化波202是橫電波(TE波)。本發明適用之光源2可以 是一單色(monochromatic)或彩色(chromatic)的燈泡、一冷陰極螢光燈管(CCFL)，或是一發光二極體(LED)。
該極化分光單元3是用以傳輸該第一線性極化波201(即，TM波)並反射該第二線性極化波202(即，TE波)。
適用於本發明之極化分光單元3可以是一寬頻帶廣角極化分光器(broadband wide-angle polarization beam splitter)；亦可以是一稜鏡、一多層膜、一介電光柵(dielectric grating)、一線柵結構，或前述的組合。較佳地，該極化分光單元3具有一面對該光源2的表面31。該極化分光單元3之表面31為一拋物面、一球面、一錐面，或前述之組合。
較佳地，分別設置於該光源2之第一、二側21、22的極化分光單元3與金屬反射鏡4是包圍住該光源2。更佳地，該金屬反射鏡4具有一具有一表面411的基材41、一形成於該基材41之表面411上的金屬層42，及複數散佈且接觸於該金屬層42上且是由金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)，或前述金屬的合金(alloy)所製成的金屬粒子43。該基材41的表面411具有至少一光學焦點F。該基材41之表面411是一拋物面、一球面，或前述之組合。
舉例來說，當本發明該金屬反射鏡4之基材41的表面411是由n個相連接的拋物面所構成時，則該表面411具有n個光學焦點F，並可選擇性地在鄰近前述n個光學焦點F處搭配使用n個光源2(圖未示)。在本發明該較佳實施例中，該光源2是一設置在該基材41之表面411的焦點F處 的發光二極體。適用於本發明該等金屬粒子43的形狀是球體、三角錐、正方錐、橢球體、不規則多邊錐，或前述形狀的組合。在本發明該較佳實施例中，該等金屬粒子43是球體，且該非極化波20的波長是屬於可見光波長的範圍(介於400 nm~700 nm之間)，定義該非極化波20的波長為λ。
參閱圖3，更佳地，該等金屬粒子43的粒徑d是介於0.1λ~100λ之間；該等金屬粒子43之兩相鄰金屬粒子43間的距離D是介於0.1λ~100λ之間。此處值得說明的是，該等金屬粒子43是經由噴塗(spraying)等方式形成於該金屬層42的一表面421。在本發明該較佳實施例中，該金屬反射鏡4的金屬粒子43定義出一面向該光源2的粗化表面40。再參閱圖2可知，藉該粗化表面40來接受該第二線性極化波202以將其轉換成橢圓偏振波20’，並反射該橢圓偏振波20’至該極化分光單元3。
在本發明該較佳實施例中，以球型金屬粒子之粒徑d為0.0022 mm為例，取金屬粒子之間的距離D為0.005 mm，可計算出此一粗化表面40之平均極化轉換率(average polarization conversion efficiency)為0.65，如圖4所示。因此，經由一次的反射之總線性極化發射效率(power efficiency)可達82.5%，[即，總線性極化發射效率
本發明利用該等金屬粒子43所構成之粗化表面40來代替習知的金屬繞射光柵11，可節省掉微影技術與蝕刻技 術所需耗費的時間成本與設備成本；此外，本發明之線性極化光轉換器因其金屬反射鏡4之金屬粒子所構成的粗化表面40，而使得其整體元件之極化效率不受電磁波之入射平面的方位角所影響(即，不受圓柱電磁波的限制)；因此，本發明之線性極化光轉換器亦可適用於球形電磁波光源(如，LED背光光源)，並適合被整合應用至微晶投影機中。
綜上所述，本發明之線性極化光轉換器可提供生產節能以及成本較低的線性極化光，並增加其可搭配使用之光源的選擇性，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧光源
20‧‧‧非極化波
20’‧‧‧橢圓偏振波
201‧‧‧第一線性極化波
202‧‧‧第二線性極化波
21‧‧‧第一側
22‧‧‧第二側
3‧‧‧極化分光單元
31‧‧‧表面
4‧‧‧金屬反射鏡
40‧‧‧粗化表面
41‧‧‧基材
411‧‧‧表面
42‧‧‧金屬層
421‧‧‧表面
43‧‧‧金屬粒子
F‧‧‧光學焦點
D‧‧‧相鄰金屬粒子的距離
d‧‧‧金屬粒子的粒徑
圖1是一正視示意圖，說明US 2009/0040608 A1所揭露的一極化轉換器；圖2是一正視示意圖，說明本發明之線性極化光轉換器的一較佳實施例；圖3是圖2之局部放大示意圖，說明本發明該較佳實施例之一金屬反射鏡的一粗化表面；及圖4是一示意圖，說明本發明該較佳實施例之線性極化光轉換器在不同入射角(度)與不同波長(λ)的極化轉換率。
2‧‧‧光源
20‧‧‧非極化波
20’‧‧‧橢圓偏振波
201‧‧‧第一線性極化波
202‧‧‧第二線性極化波
21‧‧‧第一側
22‧‧‧第二側
3‧‧‧極化分光單元
31‧‧‧表面
4‧‧‧金屬反射鏡
40‧‧‧粗化表面
41‧‧‧基材
411‧‧‧表面
42‧‧‧金屬層
43‧‧‧金屬粒子
F‧‧‧光學焦點

Claims (12)

  1. 一種線性極化光轉換器，是自一光源所產生之含有互相正交的第一線性極化波與第二線性極化波之非極化波中，利用一極化回收循環的機制分出該第一線性極化波，該線性極化光轉換器包含：一極化分光單元，設置於該光源的一第一側用以接受該非極化波，該極化分光單元使該非極化波之第一線性極化波通過，並反射該非極化波之第二線性極化波；及一金屬反射鏡，設置於相反於該光源之第一側的一第二側，該金屬反射鏡具有一金屬層及複數散佈且接觸於該金屬層上的金屬粒子，該等金屬粒子定義出一面向該光源的粗化表面，藉該粗化表面以將該第二線性極化波轉換成橢圓偏振波並反射該橢圓偏振波至該極化分光單元。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之線性極化光轉換器，其中，該等金屬粒子的形狀是球體、三角錐、正方錐、橢球體、不規則多邊錐，或前述形狀的組合。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之線性極化光轉換器，其中，該等金屬粒子是由金、銀、銅、鋁，或前述金屬的合金所製成。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之線性極化光轉換器，其中，定義該非極化波的波長為λ；該等金屬粒子的粒徑是介於0.1λ~100λ之間；該等金屬粒子之兩相鄰金屬粒 子間的距離是介於0.1λ~100λ之間。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之線性極化光轉換器，其中，該非極化波的波長屬於可見光波長範圍。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之線性極化光轉換器，其中，該極化分光單元為一寬頻帶廣角極化分光器。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之線性極化光轉換器，其中，該極化分光單元是一稜鏡、一多層膜、一介電光柵、一線柵結構，或前述的組合。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之線性極化光轉換器，其中，該極化分光單元具有一面對該光源的表面，該極化分光單元的表面為一拋物面、一球面、一錐面，或前述之組合。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之線性極化光轉換器，其中，該光源為一燈泡或一發光二極體。
  10. 依據申請專利範圍第1項所述之線性極化光轉換器，其中，分別設置於該光源之第一、二側的極化分光單元與金屬反射鏡是包圍住該光源。
  11. 依據申請專利範圍第10項所述之線性極化光轉換器，其中，該金屬反射鏡更具有一具有一表面的基材，該金屬層是形成在該基材上，該基材的表面具有至少一光學焦點，該光源是設置在臨近於該焦點處。
  12. 依據申請專利範圍第11項所述之線性極化光轉換器，其中，該基材之表面為一拋物面、一球面，或前述之組合。
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