TWI625573B - Broadband linear polarization rotator - Google Patents

Abstract

本發明一種寬頻線性偏振旋轉器，包括一上基板與一下基板在相對側設有水平配向上膜，上基板的外圍結合環形轉框，下基板相對上基板的一側設有水平配向下膜，且以該側與一環狀邊牆的底部結合，環狀邊牆的上側設置一環狀滑槽，環形轉框設有環狀滑軌，環狀滑軌滑組於環狀邊牆的環狀滑槽，上基板、下基板、環狀邊牆與環形轉框之間填充單光軸材料，以及一密封環件環設於環狀滑軌與環狀滑槽之間；藉由環形轉框支撐上基板相對下基板地滑動旋轉，使上基板相對下基板間的單光軸材料形成不同旋轉角度的扭轉型液晶排列，以形成出射偏振光的偏振旋轉角度變化。

Description

寬頻線性偏振旋轉器

本發明涉及扭轉向列型液晶偏光元件結構的技術領域，尤其涉及一種寬頻線性偏振旋轉器。

偏振旋轉器為各種投影顯示系統所使用的元件，如中華民國公開第200617428號之「利用多光源之投影顯示系統，及用於該投影顯示系統之偏光元件」發明專利，即於其圖7示意性地顯示一僅使用兩個PBSs之投影系統700(圖中標號)之另一實例性實施例。該投影系統使用一與示意性顯示於圖1D中之預偏光器170(圖中標號)相同之預偏光器佈置。於此實施例中，來自第一光源404(圖中標號)之光414(圖中標號)係穿過預偏光器410(圖中標號)透射至第二PBS 412(圖中標號)，而來自第二光源406(圖中標號)之光416(圖中標號)係由預偏光器410(圖中標號)反射至第二PBS。此外，可視需要將一偏振旋轉器730(例如一半波延遲板)設置於預偏光器410(圖中標號)與第二PBS412(圖中標號)之間。偏振旋轉器730(圖中標號)將來自第一光源404(圖中標號)之p-偏振光轉化成被第二PBS 412(圖中標號)反射至第-成像儀420(圖中標號)之s-偏振光。同樣，偏振旋轉器將來自第二光源406(圖中標號)之s-偏振光轉換成透射穿過第二PBS 412(圖中標號)之p-偏振光。

如上揭習知專利又在說明書第18頁所述：「一合適之波長選擇偏振旋轉器之實例係一延遲薄膜之多層堆疊，其將一光譜光帶內光之偏振狀態轉換成一正交狀態而同時保持彼光帶外光之偏振狀態基本不變。」。

如上所述，上揭習知專利所使用偏振旋轉器僅能將「一光譜光帶內光之偏振狀態轉換成一正交狀態」，而無法控制出射光偏振旋轉角度達到更大角度範圍的變化調整。

另外，如美國專利號第US 6476966B1專利案件，專利如其專利說明書所述需要精確控制ring spacer(環形墊片/間隙物32)來決定液晶層的厚度，而此ring spacer(環形墊片/間隙物32)介於輸出透明窗口16(output transparent Window)和輸入透明窗口14(output transparent Window)之間。按照該專利液晶層的組合結構，當使用者旋轉輸出透明窗口16(output transparent Window)，可能會破壞ring spacer(環形墊片/間隙物32)和輸出透明窗口16(output transparent Window)之間的黏合，造成液晶層厚度的改變，以及液晶漏出。

所以，如何針對上述習知專利結構僅能形成有限的偏振轉換，無法達到更大範圍的轉換調整而造成使用上的侷限與不便，以及習知液晶層的組合結構容易在使用中造成液晶層厚度的改變，與造成液晶的外漏等缺點而創新發明者，是為本案所欲行解決的困難點所在。

本發明之主要目的，在提供一種寬頻線性偏振旋轉器，可以控制波長從400到800奈米的線性偏振光的偏振方向，此波長範圍內的線性偏振光的方向可以從0度連續的被旋轉到180度，達到寬頻調節的使用功能，又能在使用操作中保持液晶層的厚度不變，及避免液晶的外漏。

為了達成上述之目的與功效，本發明寬頻線性偏振旋轉器，包括一上基板與一下基板，該上基板在相對該下基板之一側設有一水平配向上膜，該上基板在靠近外圍的部分結合一環形轉框。

該下基板在相對上基板的一側設有一水平配向下膜，且該下基板以設置水平配向下膜的一側與一環狀邊牆的底部結合。

該環狀邊牆的上側設置一環狀滑槽。

該環形轉框設有一環狀滑軌，該環形轉框的環狀滑軌滑組於環狀邊牆的環狀滑槽，且於上基板、下基板、環狀邊牆與環形轉框之間形成的容置空間填充有單光軸材料。

以及一密封環件環設於環狀滑軌與環狀滑槽之間，用以防止單光軸材料的外漏。

該環形轉框帶動上基板相對下基板地滑動旋轉，該上基板相對下基板的水平配向方向透過相對旋轉形成一夾角，並形成不同旋轉角度的扭轉型液晶排列，以形成出射偏振光的偏振旋轉角度變化。

本發明進一步的技術特徵在於，該環狀邊牆徑向設置至少一填充開口及封閉填充開口的至少一塞蓋，且於單光軸材料填充完畢封 閉該至少一填充開口。

本發明進一步的技術特徵在於，該單光軸材料為液晶或聚合物材料，且透過真空及毛細現象均勻被吸入於容置空間完成填充。

本發明進一步的技術特徵在於，該環狀邊牆的中心和下基板的中心重合，且上基板的中心也和下基板的中心重合。

本發明進一步的技術特徵在於，該環狀邊牆為不透光材質。

本發明進一步的技術特徵在於，該密封環件為O形環。

(1)‧‧‧上基板

(11)‧‧‧水平配向上膜

(2)‧‧‧下基板

(21)‧‧‧水平配向下膜

(3)‧‧‧環狀邊牆

(31)‧‧‧環狀滑槽

(32)‧‧‧填充開口

(33)‧‧‧塞蓋

(4)‧‧‧環形轉框

(41)‧‧‧環狀滑軌

(5)‧‧‧密封環件

(6)‧‧‧真空室

(A)‧‧‧容置空間

(B)‧‧‧單光軸材料

(d)‧‧‧液晶層的厚度

第一圖為本發明未填充單光軸材料之立體分解示意圖。

第二圖為第一圖Ⅱ-II線段方向之組合剖面示意圖。

第三圖為本發明組合結構於一真空室內抽真空之剖面示意圖。

第四圖為本發明組合結構於一真空室內浸入單光軸材料(液晶或聚合物材料)內進行填充之剖面示意圖。

第五圖為本發明組合結構於一真空室內完成單光軸材料(液晶或聚合物材料)填充之剖面示意圖。

第六圖為本發明組合結構完成單光軸材料(液晶或聚合物材料)填充並以塞蓋封閉之剖面示意圖。

第七圖為本發明旋轉上基板使水平配向方向與下基板形成一夾角的扭轉型液晶排列的態樣立體示意圖。

第八圖為本發明出射光波長從400到800奈米所形成的穿透率對照 圖。

本發明為達成上述的目的與功效，以及所採用之技術手段與構造，茲搭配圖示就本創作的實施例加以詳細說明其特徵與功效。

請參閱第一至六圖所示本發明一種寬頻線性偏振旋轉器，包括：一上基板(1)與一下基板(2)，上基板(1)在相對該下基板之一側設有一水平配向上膜(11)，該上基板(1)在靠近外圍的部分結合一環形轉框(4)。

該下基板(2)在相對上基板(1)的一側設有一水平配向下膜(21)，且該下基板(2)以設置水平配向下膜(21)的一側與一環狀邊牆(3)的底部結合。

該環狀邊牆(3)的上側設置一環狀滑槽(31)。

該環形轉框(4)設有一環狀滑軌(41)，該環形轉框(4)的環狀滑軌(41)滑組於環狀邊牆(3)的環狀滑槽(31)，且於上基板(1)、下基板(2)、環狀邊牆(3)與環形轉框(4)之間形成的容置空間(A)填充有單光軸材料(B)。

以及一密封環件(50)環設於環狀滑軌(41)與環狀滑槽(31)之間，用以防止單光軸材料的外漏。

該環形轉框(4)帶動上基板(1)相對下基板(2)地滑動旋轉，該上基板(1)相對下基板(2)的水平配向方向透過相對旋轉形成一夾角，並形成不同旋轉角度的扭轉型液晶排列，以形成出射偏振光 的偏振旋轉角度變化。

前述為本發明主實施例之主要技術特徵，其對應本案申請專利範圍第一項的內容，得以詳知本發明之目的與實施型態，而其餘附屬申請專利範圍所述的技術特徵是為對申請專利範圍第一項內容的詳述或附加技術特徵，而非用以限制申請專利範圍第一項的界定範圍，應知本案申請專利範圍第一項不必要一定包含其餘附屬申請專利範圍所述的技術特徵。

於下進一步細述本發明的各元件之特徵，在上述第一至六圖中，該環狀邊牆(3)設置至少一填充開口(32)及封閉填充開口(32)的至少一塞蓋(33)，且於單光軸材料(B)填充完畢封閉該至少一填充開口(32)。其次，該單光軸材料(B)為液晶或聚合物材料，且透過真空及毛細現象均勻被吸入於容置空間(A)完成填充。再者，該環狀邊牆(3)為不透光材質。而且，該密封環件(5)為O形環。

如第三至五圖所示，本發明進行該單光軸材料(B，液晶或聚合物材料)的填充操作，係將本發明上基板(1)、下基板(2)、環狀邊牆(3)、環形轉框(4)及密封環件(5)組構成具有容置空間(A)的組合結構先置於一真空室(6)，接著沿第三圖箭頭方向以真空幫浦吸氣讓真空室(6)以及容置空間(A)皆呈真空狀態，再如第四圖所示，將本發明組合結構浸入單光軸材料(B，液晶或聚合物材料)內，並沿第四圖中箭頭方向在真空室(6)內灌入氮氣，利用壓力差和毛細現象，使單光軸材料(B，液晶或聚合物材料)經由填充開口(32)被吸入由上基板(1)、下基板(2)、環狀邊牆(3)、環形轉框(4)及密封環件(5) 所形成的容置空間(A)內，如第五圖所示，最後再如第六圖所示以塞蓋(33)封閉填充開口(32)，而組成本發明寬頻線性偏振旋轉器的立體結構，如第七圖所示，本發明藉此結構組合，能在使用操作中保持液晶層的厚度(d)不變，及避免液晶的外漏。

如第六、七圖平行X軸的箭頭(第七圖)所示，上基板(1)的水平配向上膜(11)和下基板(2)的水平配向下膜(21)的水平配向方向均為沿著X軸的方向，其水平配向上膜(11)和水平配向下膜(21)所提供的錨定能(anchoring energy，固定液晶的能力)至少要大於10^-5J/m²。環狀邊牆(3)厚度為0.3公分，邊牆為不透光材質。

如第七圖弧狀箭頭所示，環狀邊牆(3)的圓中心和下基板(2)的圓中心重合，且上基板(1)的圓中心也和下基板(2)的圓中心重合。當逆時針或順時針旋轉環形轉框(4)，使得上基板(1)也可以在環狀邊牆(3)上逆時針或順時針轉動。液晶層的厚度(d)為60微米。為了使波長從400到90奈米的線性偏振光的偏振方向可以從0度連續的被旋轉到180度，此扭轉向列型液晶線性偏振轉換器的液晶光學特性必須符合Mauguin condition(毛根條件)。

ψ<<2π△nd/λ (1)

其中ψ,△n,d和λ分別是圓形上部玻璃基板旋轉角度、液晶的雙折射差、上基板(1)到下基板(2)的距離以及入射光波長。為了符合Mauguin condition此實施例所使用的液晶為MDA-00-3461(from Merck,△n=0.2578,589.3nm,20℃)。以下的計算假設所有波長對應到相同的△n，本案線性偏振轉換器的最大入射 光波長800奈米，最小是400奈米；上基板(1)的旋轉角度ψ最大值是0.5π。將以上這些參數代入公式(1)的右邊部分：2π(0.2578)60/0.9=34.4π (2)

2π(0.2578)60/0.4=77.3π (3)

77.3π和34.4π都遠大於0.5π，公式(1)成立。進一步說明波長從400到800奈米的線性偏振光都可使用此扭轉向列型液晶線性偏振轉換器旋轉，以90度旋轉的扭轉向列型液晶為例，引進公式(4)、(5)：

如第六圖所示，上述由上基板(1)、下基板(2)、環狀邊牆(3)、環形轉框(4)及密封環件(5)組成的本發明寬頻線性偏振旋轉器，將上基板(1)相對下基板(2)旋轉90度形成90度旋轉的扭轉向列型液晶，並且置於穿透軸互相平行的兩個偏振片(圖中未示)之間進行出射光模擬。

則公式(4)說明第六圖中箭頭方向所示將一特定波長的線性偏振光，則箭頭方向入射至一被放置在穿透軸互相平行的兩個偏振片(圖中未示)之間的出射光的穿透率T的最大值是1。因為入射面在接觸下基板(2)水平配向下膜(21)的第一層液晶之長軸方向和x軸平行，兩個偏振片(圖中未示)的穿透軸也和x軸平行。入射光垂直入射至此線性偏振旋轉器，如果出射光的穿透率T為0，則可以確定 此波長的線性偏振被旋轉90度至平行y軸。將△n=0.2578和d=60微米帶入公式(4)，並且將本發明寬頻線性偏振旋轉器的出射光波長從400到800奈米所形成的穿透率以横座標與縱座標對照做成圖表，如第八圖所示。圖中說明波長從400到800奈米的出射光之穿透率T都非常接近0，所以，顯示波長從400到800奈米範圍內的線性偏振光均被旋轉90度至平行y軸。

以下使用公式(6)和公式(7)說明當一Φ度旋轉的扭轉向列型液晶被放置在穿透軸互相平行的兩個偏振片之間，出射光V的偏振狀態。兩個偏振片的穿透軸的方向和入射面上在接觸下基板(2)水平配向下膜(21)的第一層液晶之長軸方向都和x軸平行，入射光垂直入射至本發明線性偏振旋轉器。

因為最大值為0.5π，將37.7π、77.3π和0.5π分別帶入公式(7)

公式(8)和公式(9)的左右所算出的值約略相等，所以公式(7) 可以減化成：

把公式(10)代入公式(6)可以得到公式(11)，

根據公式(10)，<<，所以或是 的值趨近於零，將公式(11)整理成公式(12)，

表示一線性偏振的偏振方向相對於 x 軸旋轉度，其 光強度為1，和入射光的強度一樣。當波長從400到800奈米的線性偏振 光入射至度旋轉的扭轉向列型液晶，出射的線性偏振的偏振方向相對 於 x 軸旋轉度。因為本案的設計使用者可手動旋轉上基板(1)使其成為度旋轉的扭轉向列型液晶，而出射的線性偏振的偏振方向就會相對於 x 軸旋轉度。當上基板(1)旋轉超過90度，出射光的線性偏振的偏振方向相對於 x 軸旋轉的角會大於90度，最大可達180度。

根據以上說明，本案所提出的寬頻扭轉向列型液晶線 性偏振旋轉器可以控制波長從400到800奈米的線性偏振光的偏振方向，而在此波長範圍內的線性偏振光的方向可以從0度連續的被旋轉到180度。

上述本案所提出的實施例可適用波長範圍為400奈米到800奈米，而如果可以使用到更高雙折射率差△n的液晶，則本案可適用的波長可以大於800奈米。

如上所述本發明，能確實突破目前偏振旋轉器技術發展上面臨的困境及缺點，而達到以下優點：

1、可以控制波長從400到800奈米的線性偏振光的偏振方向，此波長範圍內的線性偏振光的方向可以從0度連續的被旋轉到180度，達到寬頻調節的使用功能。

2、本發明結構組合，能在使用操作中保持液晶層的厚度(d)不變，及避免液晶的外漏，而且，如果可以使用到更高雙折射率差△n的液晶，本案所提出的線性偏振旋轉器可適用的波長可以大於800奈米。

由上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之創作精神下所做有關本發明之任何修飾或變更者，為其他可據以實施之型態且具有相同效果者，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇內。

綜上所述，本發明「寬頻線性偏振旋轉器」，其實用性及成本效益上，確實是完全符合產業上發展所需，且所揭露之結構創作亦是具有前所未有的創新構造，所以其具有「新穎性」應無疑慮，又本發明可 較習用之結構更具功效之增進，因此亦具有「進步性」，其完全符合我國專利法有關發明專利之申請要件的規定，乃依法提起專利申請，並敬請 鈞局早日審查，並給予肯定。

Claims (7)

1. 一種寬頻線性偏振旋轉器，包括：一上基板與一下基板，該上基板在相對該下基板之一側設有一水平配向上膜，該上基板在靠近外圍的部分結合一環形轉框；該下基板在相對上基板的一側設有一水平配向下膜，且該下基板以設置水平配向下膜的一側與一環狀邊牆的底部結合；該環狀邊牆的上側設置一環狀滑槽；該環形轉框相對環狀邊牆的一側設有一環狀滑軌，該環形轉框的環狀滑軌滑組於環狀邊牆的環狀滑槽，且於上基板、下基板、環狀邊牆與環形轉框之間形成的容置空間填充有單光軸材料；以及一密封環件環設於環狀滑軌與環狀滑槽之間，用以防止單光軸材料的外漏；該環形轉框帶動上基板相對下基板地滑動旋轉，該上基板相對下基板的水平配向方向透過相對旋轉形成一夾角，並形成不同旋轉角度的扭轉型液晶排列，以形成出射偏振光的偏振旋轉角度變化。
2. 如請求項1所述之寬頻線性偏振旋轉器，其中該環狀邊牆設置至少一填充開口及封閉填充開口的至少一塞蓋，且於單光軸材料填充完畢封閉該至少一填充開口。
3. 如請求項1所述之寬頻線性偏振旋轉器，其中該單光軸材料為液晶或聚合物材料，且透過真空及毛細現象均勻被吸入於容置空間完成填充。
4. 如請求項2所述之寬頻線性偏振旋轉器，其中該單光軸材料為液晶或聚合物材料，且透過真空及毛細現象均勻被吸入於容置空間完成填充。
5. 如請求項1所述之寬頻線性偏振旋轉器，其中該環狀邊牆的中心和下基板的中心重合，且上基板的中心也和下基板的中心重合。
6. 如請求項1至5中任一項所述之寬頻線性偏振旋轉器，其中該環狀邊牆的形狀為不透光材質。
7. 如請求項6所述之寬頻線性偏振旋轉器，其中該密封環件為O形環。