TWI427322B - 色彩分光系統 - Google Patents

Description

色彩分光系統

本發明係有關於一種色彩分光系統，尤指一種可取代傳統顯示面板、影像感測器及彩色攝影機所採用之彩色濾光片，增加光學使用效率、簡化系統複雜度之色彩分光系統。

在平面顯示器中，背光源常搭配液晶空間調制器(a spatial light modulator)及彩色濾光片以呈現全彩化影像。而在數位相機中的影像感測器，亦需要彩色濾光片搭配色彩差值的演算以呈現原物體的顏色。在較大型的系統中，如彩色攝影機及背投影電視，則採用三板式或雙板式菱鏡組或彩色濾光片搭配準直光源以呈現全彩色化影像。當系統採用彩色濾光片(color filter，CF)時，因彩色濾光片(color filter，CF)每一著色畫素只能呈現紅、綠、藍三原色(R,G,B)的其中單一原色，約有三分之二的入射白光能量被吸收，降低了光學使用效率，也降低電池使用壽命。此外，彩色濾光片本身的製程極為繁瑣，每一原色至少需使用一道以上的半導體黃光製程，成本極高。

請參閱第一圖至第三圖所示傳統彩色攝影機常用之分光架構，其主要分為三類，如第一圖所示之三板式菱鏡分光架構，係由變焦鏡頭1、紅外濾光片2、三板式菱鏡3、紅光電荷耦合元件(CCD)4、綠光電荷耦合元件5、藍光電荷耦合元件6構成；如第二圖所示二板式二向色菱镜分光架構，係由變焦鏡頭1、紅外濾光片2、二板式菱鏡7、紅藍光濾光片8、紅藍光電荷耦合元件9、綠光電荷耦合元件5構成；如第三圖所示單板式彩色濾光片架構，係由變焦鏡頭1、紅外濾光片2、紅綠藍光彩色濾光片10、紅綠藍光電荷耦合元件11構成；其中第一圖及第二圖所示兩種結構，係利用菱鏡及干涉薄膜片分光，其缺點為所需體積大及光學元件多，而第三圖所示結構則是直接採用彩色濾光片的光學結構，缺點為光學效率低。

針對公開文獻而言，例如Philips公司於2008年在Journal of SID 16/8,2008，以及IBM公司於2002年在EURODISPLAY 2002第339~342頁，均發表利用次波長結構作分色，並搭配一微透鏡陣列將各色光束聚焦於各次畫素，以取代傳統染料式光阻的功能，惟其共同存在之缺點為：

(1)次波長結構(Pitch~320nm)不易大面積製作；

(2)出光均勻性差；

(3)成本過高。

針對專利而言，例如美國發明專利US5615024A「Color Display Device with Chirped Diffraction Gratings」，其揭露一種替代彩色濾光片的光學結構，主要是利用閃耀式微光柵產生三原色分離，應用於面板時，每一原色可對應一畫素(主要是一級穿透繞射光)。由於使用一級穿透繞射光之故，入射光與出射光夾一大角度，為使出射光垂直進入液晶層，入射光須大角度進入閃耀式微光柵。倘若以垂直入射光進入閃耀式微光柵，出射光只能大角度進入液晶層將限制可使用性，除非搭配其他折射元件否則不適合應用於薄型化的面板結構中。

又如美國發明專利US4807978「Color Display Device and Method Using Holographic Lenses」，其揭露一種替代彩色濾光片的光學結構，主要是利用全像元件鏡組產生三原色分離，應用於面板時，每一原色可對應一畫素(主要是一級穿透繞射光)。由於使用三層的全像元件鏡組，故製程難度極高，此外微折射透鏡陣列間不易精密對位，加上雜訊仍高(亦即三原色間的cross talk嚴重)，均為其實際應用時須解決的難題。

再如美國發明專利US5764389「Holographic Color Filters for Display Applications,and Operating Method」，其揭露一種替代彩色濾光片的光學結構，主要是先利用一組全像濾波元件鏡組產生三原色分離，再利用另一組全像濾波且可偏折元件鏡組偏折光路以使每一原色可對應一畫素。由於使用多層的全像元件鏡組，故光學效率極低，此外全像元件陣列間不易精密對位，均為其實際應用時須解決的難題。

另如中華民國新型專利M249217「影像感測器」，其揭露一種替代彩色濾光片的光學結構，主要是先利用一組透鏡搭配菱鏡產生三原色分離，且可偏折光路以使每一原色可對應一次畫素。由於使用的透鏡置於菱鏡之上，且菱鏡的形狀於整個影像感測器的光場範圍內大小不均，故光學效率雖佳，但實際上無法製造，為其實際應用時須解決的難題。

有鑑於此，如何能夠設計一種光學元件組以取代彩色濾光片，增加光學使用效率、簡化系統複雜度，同時，在維持高度光學效率的情況下，可產生對應於面板畫素且垂直入射液晶層的三原色，是相關技術領域急於解決之課題。

有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一種色彩分光系統，可取代傳統顯示面板、影像感測器及彩色攝影機所採用之彩色濾光片，增加光學使用效率、簡化系統複雜度。

為達到上述目的，本發明提出一種色彩分光系統，包含：一高準直背光源、一分色模組與一分束模組。其中該高準直背光源用以提供一入射光。該分色模組，係由一第一分色膜片所構成，該第一分色膜片包含一第一入射面以及一第一出射面，該第一入射面具有周期性分光微結構，用以將該入射光依波長分光，該第一出射面係設有周期性多邊形折光微結構，該第一出射面係提供經過該第一入射面分光之入射光通過，並偏折光路，使經過該第一入射面分光之入射光偏折向該背光源之一出平面的一法線方向。該分束模組，係包含至少一分束膜片與一液晶層，該分束膜片具有周期性微結構，用以匯聚來自於該分色模組之入射光，並將該入射光匯聚至所對應的該液晶層中之不同次畫素位置，並以趨近平行於該法線方向射出。

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。

以下描述中，「第一」、「第二」、「第三」…等僅用以方便說明，並非用以限定指稱特定元件或順序。

請參閱第四圖所示本發明第一實施例結構示意圖，該色彩分光系統包含一高準直背光源20、一分色模組30以及一分束模組40，該高準直背光源20係用以提供一斜向入射光L1，該入射光L1之準直範圍為發散角低於半高全寬(FWHM，Full width at half-maximum)10度，相對於該高準直背光源20出平面的法線方向其斜向入射角θ為0~50度內；該分色模組30包括一第一分色膜片31以及一第二分色膜片32，該第一分色膜片31以及一第二分色膜片32之折射率係介於1.35~1.65之範圍內，該第一分色膜片31包含一第一入射面311以及一第一出射面312，該第一入射面311設有周期性分光微結構，該分光微結構可採用周期介於2~5微米之範圍內之分光光柵，該第一出射面312設有周期性折光微結構，該折光微結構可採用周期介於10~150微米之範圍內之多邊形結構，所述周期係指相鄰二結構的中心點之間的距離。該第一入射面311係提供來自於該高準直背光源20之原始入射光L1通過，並將該入射光L1依波長分光，於該第一分色膜片31內形成二次入射光L2(亦即繞射光)，該第一出射面312係提供該二次入射光L2通過，並偏折其光路後射出該第一分色膜片31，以形成三次入射光L3，該第一出射面312之目的在於使得該二次入射光L2偏向該第一分色膜片31之法線方向，亦即偏折向該背光源20之出平面的法線方向；該第二分色膜片32包含一第二入射面321以及一第二出射面322，該第二入射面321為一平面，該第二出射面322設有周期性折光微結構，該周期性折光微結構可採用周期介於10~150微米之範圍內之多邊形結構，該第二入射面321係提供該三次入射光L3通過，並於該第二分色膜片32內形成四次入射光L4，該第二出射面322係提供該四次入射光L4通過，並偏折其光路後射出該第二分色膜片32，亦即偏折向該背光源20之出平面的法線方向射出，以形成五次入射光L5，該第二出射面322之目的在於使得該四次入射光L4偏向該第二分色膜片32之法線方向，換言之，該入射光L1經過該第一出射面312、該第二出射面322兩次偏折，以確實偏向該分色模組30之法線方向，即向該高準直背光源20出平面的法線方向偏折。

要說的是，該第一分色膜片31以及一第二分色膜片32之折射率的選擇並不限定，無論是第一分色膜片31的折射率是大於、等於或是小於第二分色膜片32的折射率，皆可藉由該第一分色膜片31以及一第二分色膜片32上之結構的設計，來達到光路行進方向的調整，使光線能夠偏向該分色模組30之法線方向，亦即向該高準直背光源20出平面的法線方向偏折。

該分束模組40包括一第一分束膜片41以及一液晶層42，該第一分束膜片41具有周期性微結構，用以匯聚來自於該分色模組30之入射光，並將該入射光匯聚至所對應的該液晶層42中之不同次畫素位置，並以平行於該高準直背光源20出平面的法線方向射出。該第一分束膜片41之折射率係介於1.35~1.65之範圍內，該第一分束膜片41包含一第三入射面411以及一第三出射面412，該第三入射面411設有周期介於60~500微米之範圍內之周期性球面或非球面折射微結構。要說的是，此處所述的非球面折射微結構，係指一弧面，不同於球面具有固定的曲率半徑，該弧面係不具有固定的曲率半徑。於第三出射面412設有周期性折光微結構，該折光微結構可採用周期介於60~500微米之範圍內之多邊形結構，該第三入射面411係用以匯聚來自於該分色模組30之該五次入射光L5，並於該第一分束膜片41內形成六次入射光L6，該第三出射面412係提供該六次入射光L6通過，並偏折其光路後，使該六次入射光L6偏折向該高準直背光源20出平面的法線方向偏折射出於該第一分束膜片41，以形成七次入射光L7，進入至該液晶層42中，該液晶層42係提供該七次入射光L7通過，且該七次入射光L7可依波長或入射角度匯聚到所對應的液晶層42中之不同次畫素位置，亦即，透過該第三出射面412之偏折作用，可使經由該第三入射面411所匯聚之各色光可平行於該第一分束膜片41之法線方向進入該液晶層42，再由該液晶層42分色(例如R、G、B三原色)形成出射光L9射出該液晶層42，使該出射光L9以趨近平行於該高準直背光源20出平面的法線方向射出。該第一分束膜片41與該液晶層42之間係採用透明平面膠材43相互貼合，該膠材43為乾膠，折射率介於1.43~1.62之範圍內，且厚度低於200微米。該乾膠與該第一分束膜片41之間部分範圍具有空隙431，空隙431內可為空氣、真空其中之一或其組合，以空氣為例，其折射率為1。要說的是，當膠材43與第一分束膜片41之間部分範圍具有空隙431，因為空隙431中的材料(空氣)折射率小於第一分束膜片41，所以可以使光線偏折向該高準直背光源20出平面的法線方向，此時膠材43作為六次入射光L6通過的路徑，該膠材43的折射率大小並不受限。然而在另一實施例中，膠材43完全的貼合於該第一分束膜片41，使該膠材43與第一分束膜片41之間並不具有空隙，此時該膠材43之折射率需小於或等於第一分束膜片41之折射率，以使六次入射光L6偏折向該高準直背光源20出平面的法線方向。

請參閱第五圖所示本發明第二實施例結構示意圖，該色彩分光系統包含一高準直背光源20、一分色模組30以及一分束模組50，該高準直背光源20及分色模組30之結構與第四圖所示該實施例相同，在此不再予以贅述，本實施例之差異點在於分束模組50包括一第二分束膜片51、一液晶層52、一第三分束膜片53，該第二分束膜片51及該第三分束膜片53之折射率係介於1.35~1.65之範圍內，該第二分束膜片51包含一第四入射面511以及一第四出射面512，該第三分束膜片53包含一第五入射面531以及一第五出射面532，該第四入射面511設有周期介於60~500微米之範圍內之球面或非球面折射微結構，該第四出射面512、第五入射面531為平面，於第五出射面532設有周期性折光微結構，該折光微結構可採用周期介於60~500微米之範圍內之多邊形結構，該第四入射面511係用以匯聚來自於該分色模組30之該五次入射光L5，並於該第二分束膜片51內形成六次入射光L6，該六次入射光L6再通過該第四出射面512，進入該液晶層52，且該六次入射光L6可依波長或入射角度匯聚到所對應的液晶層52中之不同次畫素位置，以形成七次入射光L7A，該七次入射光L7A再通過該第五入射面531，並於該第三分束膜片53內形成八次入射光L8，再由該第五出射面532承接該八次入射光L8並偏折其光路，使該八次入射光L8以趨近平行於高準直背光源20出平面的法線方方向射出，形成出射光L9射出該第三分束膜片53；此外，該第五出射面532塗佈有透明膠材54a，係提供經過該第五出射面532偏折之出射光L9通過，該膠材可為乾膠或濕膠，例如第五圖所示該膠材54a係採用乾膠，該乾膠係為一平坦膠層，該膠材54a與第五出射面532每一周期內部份範圍直接貼合，每一周期內其餘範圍具有空隙541，該空隙541內為空氣、真空其中之一或其組合，在一實施例中以空氣為例，其折射率為1。該膠材54a之折射率係介於1.43~1.62之範圍內，且厚度低於200微米。要說的是，當膠材54a與第三分束膜片53之間部分範圍具有空隙541，因為空隙541中的材料(空氣)折射率小於第三分束膜片53，所以可以使光線偏折向該高準直背光源20出平面的法線方向，此時膠材54a作為八次入射光L8通過的路徑，該膠材54a的折射率大小並不受限。

至於如第六圖所示該實施例，本實施例與第五圖實施例之不同點在於，本實施例該膠材54b係採用透明濕膠，該濕膠之折射率係介於1.43~1.62之範圍內。此外，膠材54b塗佈於第五出射面532上，使該膠材54b與第五出射面532之間能夠直接貼合，而沒有空隙的產生。此時該膠材54b之折射率需小於或等於第三分束膜片53之折射率。該第三分束膜片53與膠材54a折射率之差值可為0.05～0.6之範圍。第三分束膜片53與膠材54a皆用以控制該出射光L9之出光方向，使出射光L9能夠趨向平行於分色模組30之法線方向偏折而射出，亦即向平行於該高準直背光源20出平面的法線方向偏折。

請參閱第七圖本發明第四實施例，其係以第四圖該第一實施例為基礎，本實施例包含一高準直背光源20、一分色模組30a以及一分束模組40，本實施例之特點在於，該分色模組30a僅設有一片分色膜片，亦即該第一分色膜片31a，來自於該高準直背光源20之原始入射光L1通過其第一入射面311a後，可將該入射光L1依波長分光，並於該第一分色膜片31a內形成二次入射光L2(亦即繞射光)，該二次入射光L2再通過其第一出射面312a，並偏折其光路後射出該第一分色膜片31a，以形成三次入射光L3，藉由該第一出射面312使得該二次入射光L2可偏向該第一分色膜片31a之法線方向；本實施例之作用在於說明，本發明所提供之分色模組可設置一片或二片分色膜片，且分色膜片的使用數量並不以此為限。

請參閱第八圖本發明第五實施例，其係綜合第五圖該第二實施例與第七圖該第四實施例之架構為基礎，本實施例說明，該僅設有該第一分色膜片31a之分色模組30a之架構，亦可適用於由一第二分束膜片51、一液晶層52、一第三分束膜片53構成之分束模組50之架構，同樣地，本實施例所採用之平坦乾膠之透明膠材54a亦可替換為如第六圖所示該膠材54b，該膠材54b係透明濕膠，其態樣如第九圖該六實施例所示。要說的是，於第九圖中，膠材54b完全的貼合於該第三分束膜片53，使該膠材54b與第三分束膜片53之間並不具有空隙，此時該膠材54b之折射率需小於或等於第三分束膜片53之折射率。該第三分束膜片53與膠材54b折射率之差值可為0.05～0.6之範圍。

此外，以上所述第一至第六不同實施例均可與LCD反射式增亮膜DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)及偏光片做整合，以提高光能使用效率。

綜上所述，本發明提供之色彩分光系統，確實具有可增加光學使用效率、簡化系統複雜度等功能，可取代傳統顯示面板、影像感測器及彩色攝影機所採用之彩色濾光片。

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。

先前技術：

1．．．變焦鏡頭

2．．．紅外濾光片

3．．．三板式菱鏡

4．．．紅光電荷耦合元件(CCD)

5．．．綠光電荷耦合元件

6．．．藍光電荷耦合元件

7．．．二板式菱鏡

8．．．紅藍光濾光片

9．．．紅藍光電荷耦合元件

10．．．紅綠藍光彩色濾光片

11．．．紅綠藍光電荷耦合元件

本發明：

20．．．高準直背光源

30、30a．．．分色模組

31、31a．．．第一分色膜片

311、311a．．．第一入射面

312、312a．．．第一出射面

32．．．第二分色膜片

321．．．第二入射面

322．．．第二出射面

40．．．分束模組

41．．．第一分束膜片

411．．．第三入射面

412．．．第三出射面

42．．．液晶層

43．．．膠材

431．．．空隙

50．．．分束模組

51．．．第二分束膜片

511．．．第四入射面

512．．．第四出射面

52．．．液晶層

53．．．第三分束膜片

531．．．第五入射面

532．．．第五出射面

54a、54b．．．膠材

541．．．空隙

L1~L8．．．入射光

L9．．．出射光

R、G、B．．．三原色

θ．．．斜向入射角

第一圖係傳統三板式菱鏡分光架構示意圖。

第二圖係傳統二板式二向色菱镜分光架構示意圖。

第三圖係傳統單板式彩色濾光片架構示意圖。

第四圖係本發明第一實施例架構示意圖。

第五圖係本發明第二實施例架構示意圖。

第六圖係本發明第三實施例架構示意圖。

第七圖係本發明第四實施例架構示意圖。

第八圖係本發明第五實施例架構示意圖。

第九圖係本發明第六實施例架構示意圖。

20．．．高準直背光源

30．．．分色模組

31．．．第一分色膜片

311．．．第一入射面

312．．．第一出射面

32．．．第二分色膜片

321．．．第二入射面

322．．．第二出射面

40．．．分束模組

41．．．第一分束膜片

411．．．第三入射面

412．．．第三出射面

42．．．液晶層

43．．．膠材

431．．．空隙

L1~L7．．．入射光

L9．．．出射光

R、G、B．．．三原色

θ．．．斜向入射角

Claims (18)

1. 一種色彩分光系統，包含：一高準直背光源，用以提供一入射光；一分色模組，係由一第一分色膜片所構成，該第一分色膜片包含一第一入射面以及一第一出射面，該第一入射面具有周期性分光微結構，用以將該入射光依波長分光，該第一出射面係設有周期性多邊形折光微結構，該第一出射面係提供經過該第一入射面分光之入射光通過，並偏折光路，使經過該第一入射面分光之入射光偏折向該背光源之一出平面的一法線方向；以及一分束模組，係包含至少一分束膜片與一液晶層，該分束膜片具有周期性徵結構，用以匯聚來自於該分色模組之入射光，並將該入射光匯聚至所對應的該液晶層中之不同次畫素位置，並以趨近平行於該法線方向射出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之色彩分光系統，其中該高準直背光源之準直範圍為發散角低於半高全寬(FWHM，Full width at half-maximum)10度，相對於該法線方向其斜向入射角度為0~50度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之色彩分光系統，其中該第一分色膜片之折射率係介於1.35~1.65之範圍內，且該第一入射面之分光微結構之周期係介於2~5微米之範圍內，該第一出射面之多邊形折光微結構之周期係介於10~150微米之範圍內。
4. 如申請專利範圍第1項所述之色彩分光系統，其更包括一第二分色膜片，該第二分色膜片包含：一第二入射面，係為一平面，該第二入射面係提供經過該第一出射面偏折之入射光通過；以及一第二出射面，係設有周期性多邊形折光微結構，該第二出射面係提供經過該第二入射面之入射光通過，並偏折其光路，使經過該第二入射面分光之入射光偏折向該法線方向射出。
5. 如申請專利範圍第4項所述之色彩分光系統，其中該第二分色膜片之折射率係介於1.35~1.65之範圍內，且該第二出射面之多邊形折光微結構之周期係介於10~150微米之範圍內。
6. 如申請專利範圍第1項所述之色彩分光系統，其中該分束模組包括一第一分束膜片，該第一分束膜片包含：一第三入射面，係設有周期性折射微結構，該第三入射面係用以匯聚來自於該分色模組之入射光；以及一第三出射面，係設有周期性折光微結構，該第三出射面係提供經過該第三入射面匯聚之入射光通過，並偏折其光路，使經過該第三入射面分光之入射光偏折向該法線方向射出，進入至該液晶層中。
7. 如申請專利範圍第6項所述之色彩分光系統，其中該第三入射面之折射微結構之周期係介於60~500微米之範圍內，且該第三出射面之折光微結構之周期係介於60~500微米之範圍內。
8. 如申請專利範圍第6項所述之色彩分光系統，其中該第一分束膜片之折射率係介於1.35~1.65之範圍內。
9. 如申請專利範圍第6項所述之色彩分光系統，其中該分束模組包括一膠材，該第一分束膜片與該液晶層之間係以該膠材相互貼合，其中該膠材之折射率係介於1.43~1.62之範圍內，且厚度低於200微米。
10. 如申請專利範圍第9項所述之色彩分光系統，其中該膠材之折射率係小於或等於該第一分束膜片之折射率。
11. 如申請專利範圍第9項所述之色彩分光系統，其中該膠材與該第一分束膜片之間部分範圍具有一空隙，該空隙內為空氣、真空其中之一或其組合。
12. 如申請專利範圍第1項所述之色彩分光系統，其中該分束模組包括一第二分束膜片、一第三分束膜片，該第二分束膜片包含：一第四入射面，係設有周期性折射微結構，該第四入射面係用以匯聚來自於該分色模組之入射光；以及一第四出射面，係為一平面，該第四出射面係提供經過該第四入射面匯聚之入射光通過，並入射至該液晶層中；該第三分束膜片包含：一第五入射面，係為一平面，該第五入射面係提供通過該液晶層之入射光通過；以及一第五出射面，係設有周期性折光微結構，該第五出射面係提供經過該第五入射面之入射光通過，並偏折其光路，使經過該第五入射面分光之入射光以趨近平行於該法線方向射出。
13. 如申請專利範圍第12項所述之色彩分光系統，其中該第二分束膜片折射率係介於1.35~1.65之範圍內，且該第四入射面之折射微結構之周期係介於60~500微米之範圍內。
14. 如申請專利範圍第12項所述之色彩分光系統，其中該第三分束膜片之折射率係介於1.35~1.65之範圍內，且該第五出射面之折光微結構之周期係介於60~500微米之範圍內。
15. 如申請專利範圍第12項所述之色彩分光系統，其中該第五出射面塗佈有一膠材，其中該膠材之折射率係介於1.43~1.62之範圍內，且厚度低於200微米。
16. 如申請專利範圍第15項所述之色彩分光系統，其中該膠材之折射率係小於或等於該第三分束膜片之折射率。
17. 如申請專利範圍第15項所述之色彩分光系統，其中該膠材與該第三分束膜片之間部分範圍具有一空隙，該空隙內為空氣、真空其中之一或其組合。
18. 如申請專利範圍第16項所述之色彩分光系統，其中該第三分束膜片與該膠材之折射率的差值可為0.05～0.6之範圍。