TWI637199B

TWI637199B - 分光裝置

Info

Publication number: TWI637199B
Application number: TW106121980A
Authority: TW
Inventors: 鍾潤文
Original assignee: 奇景光電股份有限公司
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2018-10-01
Also published as: TW201905506A

Abstract

一種分光裝置，其包含第一玻璃基材、第二玻璃基材及第三玻璃基材。該第一玻璃基材將入射光之第一顏色光束導引至顯示元件，以及改變該入射光之第一中繼光束的極化方向以產生第二中繼光束。該第一顏色光束具有第一極化方向，該第二中繼光束包含第二顏色光束及第三顏色光束，該第二顏色光束具有第二極化方向。該第二玻璃基材將具有該第二極化方向之該第二顏色光束導引至該顯示元件，以及改變該第三顏色光束的極化方向，使得該第三顏色光束具有第三極化方向。該第三玻璃基材將具有該第三極化方向之該第三顏色光束導引至該顯示元件。

Description

分光裝置

本發明係關於分光（light splitting），尤指一種於具有偏光效果且可延遲相位之玻璃基材的分光裝置。

傳統的顯示裝置採用極化片（polarizer）、相位延遲板（phase retarder）或電致變色基板（electrochromic substrate）來控制顯示裝置之中各光束的傳輸路徑。然而，由於相位延遲片的材質為塑膠，故相位延遲片於短波長應用中的光學表現不佳。此外，當相位延遲板貼合至極化片時容易出現皺摺，且不易對準。再者，傳統的顯示裝置係採用壓敏膠（pressure-sensitive adhesive）來接合具有極化片及相位延遲板的各個晶片，但是為了避免損壞相位延遲板上的微結構（microstructure），卻不能緊密接合各晶片，導致各晶片相接合之後的可靠度不佳，且厚度過厚。

有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種具有偏光效果且可延遲相位之玻璃基材的分光裝置，來解決上述問題。

依據本發明之一實施例，其揭示一種分光裝置。該分光裝置包含有一第一玻璃基材、一第二玻璃基材以及一第三玻璃基材。該第一玻璃基材用以將一入射光之一第一顏色光束導引至一顯示元件，以及改變該入射光之一第一中繼光束的極化方向以產生一第二中繼光束，其中該第一顏色光束具有一第一極化方向，該第二中繼光束包含一第二顏色光束及一第三顏色光束，該第二顏色光束具有一第二極化方向。該第二玻璃基材對應該第一玻璃基材之一側來設置，用以將具有該第二極化方向之該第二顏色光束導引至該顯示元件，以及改變該第三顏色光束的極化方向，使得該第三顏色光束具有一第三極化方向。該第三玻璃基材對應該第二玻璃基材之一側來設置，用以將具有該第三極化方向之該第三顏色光束導引至該顯示元件，其中該第二玻璃基材係設置於該第一玻璃基材與該第三玻璃基材之間。

本發明所提供之分光裝置可包含具有偏光效果且可延遲相位的玻璃基材（諸如具有雙折射特性之玻璃基材）來將不同顏色光束分離，而無需設置相位延遲板，故可減少生產成本、提昇產品可靠度及減少分光裝置之中晶片堆疊的厚度。此外，由於本發明所提供之分光裝置可利用光學膠接著/接合不同的玻璃基材，故僅需進行一次的黑色塗佈操作即可防止邊緣漏光。

請參閱第1圖，其為本發明顯示裝置之一實施例的功能方塊示意圖。顯示裝置100可由各種顯示裝置來實施，諸如電視、投影顯示器、可攜式顯示器或穿戴式顯示器，並可包含（但不限於）一光源110、一分光裝置（light splitting apparatus）120以及一顯示元件130。光源110可產生一入射光LI至分光裝置120，而分光裝置120可利用複數個玻璃基板/玻璃基材（glass substrate）（或保護玻璃（cover lens）；未繪示於第1圖中）來將入射光LI分光為複數道顏色光束（color light beam）B1～BN（N為大於1之正整數），其中該複數個玻璃基材之至少其一可具有偏光效果並可延遲光束的相位。接下來，顯示元件130便可根據複數道顏色光束B1～BN來顯示影像。舉例來說（但本發明不限於此），複數道顏色光束B1～BN可以是三原色光束諸如紅光光束、綠光光束及藍光光束，顯示元件130便可依據紅光光束、綠光光束及藍光光束來顯示影像。

值得注意的是，分光裝置120所產生之複數道顏色光束B1～BN的光束種類與個數可依實際設計需求來決定。舉例來說，分光裝置120可將入射光LI分光為包含青光光束（cyan light beam）、洋紅光光束（magenta light beam）及黃光光束之三原色光束，並將其輸出以作為複數道顏色光束B1～BN。於另一範例中，分光裝置120可將入射光LI分光為四原色光束諸如紅光光束、綠光光束、藍光光束及黃光光束，並將其輸出以作為複數道顏色光束B1～BN。於又一範例中，分光裝置120可將入射光LI分光為六原色光束諸如紅光光束、綠光光束、藍光光束、青光光束、洋紅光光束及黃光光束，並將其輸出以作為複數道顏色光束B1～BN。此外，由於分光裝置120可無需採用相位延遲板即可對入射光LI進行分光，因此，分光裝置120（或顯示裝置100）可具有低生產成本與高可靠度。

為了便於理解本發明的技術特徵，以下係以分光裝置將入射光分光為三原色光束的實作範例來說明之。然而，本發明並不以此為限。只要是利用具有偏光效果且可延遲相位之玻璃基材的分光裝置，將入射光分光為多道顏色光束，設計上相關的變化均遵循本發明的範疇。請連同第1圖來參閱第2圖。第2圖為第1圖所示之分光裝置120之一實作範例的示意圖。於此實作範例中，分光裝置220可包含（但不限於）複數個玻璃基材222～226，其可將入射光LI分光為複數道顏色光束B1～B3，其中玻璃基材224係設置於玻璃基材222與玻璃基材226之間。玻璃基材222可將滿足一第一預定光學特性之光束（諸如具有一極化方向D11之光束）導引至顯示元件130、改變剩餘光束的極化方向，進而將經改變極化方向之剩餘光束傳遞至玻璃基材224。玻璃基材224可將滿足一第二預定光學特性之光束（諸如具有一極化方向D21之光束）導引至顯示元件130、改變剩餘光束的極化方向，進而將經改變極化方向之剩餘光束傳遞至玻璃基材226。玻璃基材226可將滿足一第三預定光學特性之光束（諸如具有一極化方向D31之光束）導引至顯示元件130。進一步的說明如下。

於此實施例中，玻璃基材222可將入射光LI之顏色光束B1導引至顯示元件130，以及改變入射光LI之一中繼光束M1的極化方向以產生一中繼光束M2，其中顏色光束B1可具有極化方向D11（滿足該第一預定光學特性），中繼光束M2可包含顏色光束B2與顏色光束B3，且顏色光束B2具有極化方向D21。換言之，由於玻璃基材222可改變中繼光束M1的極化方向，中繼光束M1所包含的顏色光束B2的極化方向可由一極化方向D22轉變為極化方向D21。如此一來，當具有極化方向D21之顏色光束B2入射至玻璃基材224時，玻璃基材224便可將具有極化方向D21之顏色光束B2（滿足該第二預定光學特性）導引至顯示元件130。另外，於此實施例中，中繼光束M1所包含的顏色光束B3可具有一極化方向D33，而玻璃基材222可將顏色光束B3的極化方向由極化方向D33轉變為一極化方向D32。

玻璃基材224係對應玻璃基材222之一側來設置。除了可將具有極化方向D21之顏色光束B2導引至顯示元件130之外，玻璃基材224另可改變顏色光束B3的極化方向，使得顏色光束B3具有極化方向D31。換言之，玻璃基材224可將顏色光束B3的極化方向由極化方向D32轉變為極化方向D31。如此一來，當具有極化方向D31之顏色光束B3入射至玻璃基材226（對應玻璃基材224之一側來設置）時，玻璃基材226便可將具有極化方向D31之顏色光束B3（滿足該第三預定光學特性）導引至顯示元件130。

於某些實施例中，複數個玻璃基材222～226的至少其一之中可設置一光學微結構（optical microstructure）以將一特定極化方向（諸如極化方向D11/D21/D31）的光束導引至顯示元件130。請連同第2圖來參閱第3圖。第3圖為第2圖所示之玻璃基材222之一實作範例的示意圖。於此實作範例中，玻璃基材222可包含（但不限於）一入光區（light input region）R1、一光學微結構R2以及一出光區（light output region）R3。入光區R1可接收玻璃基材222之一入射光（諸如入射光LI），並將該入射光導引至光學微結構R2。接下來，光學微結構R2可將具有極化方向D11之光束（諸如顏色光束B1）導引至出光區R3，以使具有極化方向D11之光束可經由出光區R3傳遞至一顯示元件（諸如第1圖所示之顯示元件130）。該入射光之中的剩餘光束（未被導引至出光區R3之光束；諸如中繼光束M1）則是在其極化方向改變之後，可傳遞至玻璃基材224。值得注意的是，玻璃基材224及/或玻璃基材226也可採用第3圖所示之結構來實施。

此外，於某些實施例中，複數個玻璃基材222～226之至少其一可具有雙折射特性（birefringence characteristic），以將一入射光進行分光，並改變該入射光之一成份光束的極化方向。舉例來說（但本發明不限於此），複數個玻璃基材222～226之至少其一可以是一藍寶石基材（sapphire substrate）、石英基材（quartz substrate）、電氣石基材（tourmaline substrate）或金紅石基材（rutile substrate）。請注意，於一實施例中，具有較高折射率的玻璃基材可降低較多的紫外光入射量。於另一實施例中，在玻璃基材222/224/226係由藍寶石基材來實施的情形下，由於藍寶石基材具有高折射率（例如：大於1.7）、高硬度及高光穿透率（例如：大於85%）的優點，玻璃基材222/224/226的厚度可以減少（例如：0.4毫米～0.5毫米）而仍保有良好的光學表現。

再者，於某些實施例中，分別滿足該第一、第二、第三預定光學特性的極化方向D11、極化方向D21與極化方向D31之至少其二可彼此相同，使得導引至第1圖所示之顯示元件130的複數道顏色光束B1～B3之至少其二可具有相同的極化方向。請一併參閱第2圖與第4圖，第4圖為第3圖所示之入射至複數個玻璃基材222～226之其一的複數道顏色光束B1～B3各自具有的極化方向的一實施例的示意圖。於第4圖所示之實施例中，極化方向D11、極化方向D21及極化方向D31均可為線性極化之垂直極化方向，且複數道顏色光束B1～B3可分別由藍光光束、綠光光束及紅光光束（亦即，RGB三原色）來實施。換言之，第1圖所示之光源110所發射的入射光LI可包含複數道線性極化光束。然而，這只是方便說明而已，並非用來作為本發明的限制。

於此實施例中，在入射光LI入射至玻璃基材222之前，藍色光束（顏色光束B1）可具有線性極化之垂直極化方向（linearly polarized in a vertical direction）（極化方向D11）、綠色光束（顏色光束B2）可具有線性極化之水平極化方向（極化方向D22），以及紅色光束（顏色光束B3）之極化方向D33可具有線性極化之垂直極化方向（極化方向D33）。當入射光LI入射至玻璃基材222時，玻璃基材222可將具有垂直極化方向之藍色光束導引至顯示元件130、將綠色光束之極化方向轉變為垂直極化方向（極化方向D21），以及將紅色光束之極化方向轉變為水平極化方向（極化方向D32）。因此，當具有垂直極化方向（極化方向D21）之綠色光束入射至玻璃基材224時，玻璃基材224便可將綠色光束導引至第1圖所示之顯示元件130。此外，當具有水平極化方向（極化方向D32）之紅色光束入射至玻璃基材224時，玻璃基材224可將紅色光束的極化方向由水平極化方向轉變為垂直極化方向（極化方向D31），以使玻璃基材226可將紅色光束導引至第1圖所示之顯示元件130。

值得注意的是，於此實施例中，玻璃基材222所涉及之該第一預定光學特性可包含一預定極化方向與一預定波長範圍。也就是說，當具有該預定極化方向（極化方向D11）且波長位於該預定波長範圍內的一光束入射至玻璃基材222時，該光束可被導引置顯示元件130。因此，雖然紅色光束具有垂直極化方向，但是因為紅色光束的波長超過該預定波長範圍的緣故，玻璃基材222可以不將紅色光束導引至顯示元件130。

此外，玻璃基材222的厚度可依據極化方向D22與極化方向D21之間的角度差（angular difference）以及顏色光束B2的波長來決定，及/或玻璃基材224的厚度可依據極化方向D32與極化方向D31之間的角度差以及顏色光束B3的波長來決定。換言之，於此實施例中，玻璃基材222的厚度可依據極化方向的改變量以及綠光光束的波長來決定，及/或玻璃基材224之厚度可依據極化方向的改變量以及紅光光束的波長來決定。舉例來說，在玻璃基材222將線性極化之顏色光束B2（綠光光束）由水平極化方向轉變為垂直極化方向的情形下，極化方向的角度差為90度，其意味著顏色光束B2所具有的兩相垂直之電場分量的相位差的改變量為180度。玻璃基材222的厚度可依據下列式子來決定：

THK ₁=(1/2+2k ₁)×(λ ₂/n _eff1)，

其中THK ₁為玻璃基材222的厚度，k ₁為大於或等於0的整數，λ ₂為顏色光束B2的波長，n _eff1為玻璃基材222的等效折射率。舉例來說，在玻璃基材222係由一雙折射材料來實施的情形下，n _eff1可等於玻璃基材222之非尋常折射率（extraordinary refraction index）與尋常折射率（ordinary refraction index）兩者之間的差值。

相似地，在玻璃基材224將線性極化之顏色光束B3（紅光光束）由水平極化方向轉變為垂直極化方向的情形下，由於極化方向的角度差為90度（顏色光束B3所具有的兩相垂直之電場分量的相位差的改變量為180度），玻璃基材224的厚度可由下列式子來決定：

THK ₂=(1/2+2k ₂)×(λ ₃/n _eff2)。

其中THK ₂為玻璃基材224的厚度，k ₂為大於或等於0的整數，λ ₃為顏色光束B3的波長，n _eff2為玻璃基材224的等效折射率。舉例來說，在玻璃基材224係由一雙折射材料來實施的情形下，n _eff2可等於玻璃基材224之非尋常折射率與尋常折射率兩者之間的差值。

請注意，以上僅供說明之需，並非用來作為本發明的限制。於一設計變化中，分別滿足該第一、第二、第三預定光學特性的極化方向D11、極化方向D21及極化方向D31可彼此不同。於另一設計變化中，入射至玻璃基材222之顏色光束B2的極化方向D22不一定要垂直於顏色光束B1的極化方向D11、入射至玻璃基材222之顏色光束B3的極化方向D33不一定相同於顏色光束B1的極化方向D11、及/或中繼光束M1之中顏色光束B2與顏色光束B3各自的極化方向D22與極化方向D33不一定要互相垂直。於又一設計變化中，入射至玻璃基材224之顏色光束B3的極化方向D32不一定要垂直於入射至玻璃基材224之顏色光束B2的極化方向D21。

此外，玻璃基材222/224並不限於將一顏色光束由線性極化之水平極化方向與線性極化之垂直極化方向之其一轉變為線性極化之水平極化方向與線性極化之垂直極化方向之另一。簡言之，只要是利用具有偏光效果且可延遲相位的玻璃基材來將一入射光分光為多道顏色光束而無需額外設置相位延遲板，設計上相關的變化均遵循本發明的範疇。

由於本發明所提供之分光裝置中各玻璃基材之間可無需設置相位延遲板，因此，可利用光學膠（optical adhesive）來接著/接合不同的玻璃基材，進而封裝該些玻璃基材。請參閱第5圖，其為第1圖所示之分光裝置120之另一實作範例的示意圖。分光裝置520可包含（但不限於）複數個玻璃基材522～526、一光學膠532及一光學膠534，其中複數個玻璃基材522～526可分別由第2圖所示之複數個玻璃基材222～226來實施。於此實施例中，分光裝置520可利用光學膠532及光學膠534來堆疊複數個玻璃基材522～526，其中光學膠532可將玻璃基材522與玻璃基材524相接合，而光學膠534可將玻璃基材524與玻璃基材526相接合。光學膠532與光學膠534之至少其一可採用熱固化膠/樹脂（heat curing adhesive/resin）或光固化膠（light curing adhesive）（諸如紫外光固化膠（ultraviolet curing adhesive））。

第5圖所示之分光裝置520的結構係僅供說明之需，並非用來作為本發明的限制。舉例來說，分光裝置520可包含一抗反射膜（anti-reflection coating，ARC）或一光學微結構（未繪示於第5圖中），其係形成於至少一玻璃基材上以提昇光穿透率（light transmission/transparency）。於另一範例中，在形成第5圖所示之堆疊結構之後，可對分光裝置520進行一次黑色塗佈操作（black coating process）以使塗佈層形成於複數個玻璃基材522～526的邊緣（未繪示於第5圖中），防止邊緣漏光。

值得注意的是，對於傳統的分光裝置來說，一旦一晶片（包含極化片與相位延遲板）製備完成之後，需於該晶片的邊緣進行一次黑色塗佈操作以防止邊緣漏光。所有的晶片均需進行黑色塗佈操作，接著才進行封裝。也就是說，若傳統的分光裝置包含三個晶片，則需進行三次的黑色塗佈操作以防止邊緣漏光。相較之下，由於本發明所提供之分光裝置可無需相位延遲板，進而可採用光學膠來接著不同的玻璃基材，因此，可於所有的玻璃基材（或晶片）完成堆疊之後，僅對分光裝置進行一次黑色塗佈操作即可防止邊緣漏光。換言之，本發明所提供之分光裝置不僅可具有較薄的總厚度，並可降低黑色塗佈所涉及的生產成本。

綜上所述，本發明所提供之分光裝置可包含具有偏光效果且可延遲相位的玻璃基材（諸如具有雙折射特性之玻璃基材）來將不同顏色光束分離，而無需設置相位延遲板，故可減少生產成本、提昇產品可靠度及減少分光裝置之中晶片堆疊的總厚度。此外，由於本發明所提供之分光裝置可利用光學膠接著/接合不同的玻璃基材，故僅需進行一次的黑色塗佈操作即可防止邊緣漏光以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧顯示裝置

110‧‧‧光源

120、220、520‧‧‧分光裝置

130‧‧‧顯示元件

222、224、226、522、524、526‧‧‧玻璃基材

532、534‧‧‧光學膠

LI‧‧‧入射光

B1、B2、B3、BN‧‧‧顏色光束

M1、M2‧‧‧中繼光束

D11、D21、D22、D31、D32、D33‧‧‧極化方向

THK₁、THK₂‧‧‧厚度

R1‧‧‧入光區

R2‧‧‧光學微結構

R3‧‧‧出光區

第1圖為本發明顯示裝置之一實施例的功能方塊示意圖。第2圖為第1圖所示之分光裝置之一實作範例的示意圖。第3圖為第2圖所示之玻璃基材之一實作範例的示意圖。第4圖為第3圖所示之入射至複數個玻璃基材之其一的複數道顏色光束各自具有的極化方向的一實施例的示意圖。第5圖為第1圖所示之分光裝置之另一實作範例的示意圖。

Claims

一種分光裝置，包含有：一第一玻璃基材，用以將一入射光之一第一顏色光束導引至一顯示元件，以及改變該入射光之一第一中繼光束的極化方向以產生一第二中繼光束，其中該第一顏色光束具有一第一極化方向，該第二中繼光束包含一第二顏色光束及一第三顏色光束，該第二顏色光束具有一第二極化方向；一第二玻璃基材，對應該第一玻璃基材之一側來設置，用以將具有該第二極化方向之該第二顏色光束導引至該顯示元件，以及改變該第三顏色光束的極化方向，使得該第三顏色光束具有一第三極化方向；以及一第三玻璃基材，對應該第二玻璃基材之一側來設置，用以將具有該第三極化方向之該第三顏色光束導引至該顯示元件，其中該第二玻璃基材係設置於該第一玻璃基材與該第三玻璃基材之間；其中該第一玻璃基材、該第二玻璃基材以及該第三玻璃基材之至少其一具有雙折射特性。
如申請專利範圍第1項所述之分光裝置，其中該第一中繼光束包含具有一第四極化方向之該第二顏色光束，而該第一玻璃基材係將該第二顏色光束的極化方向由該第四極化方向轉變為該第二極化方向；該第一玻璃基材的厚度係依據該第四極化方向與該第二極化方向之間的角度差以及該第二顏色光束的波長來決定。
如申請專利範圍第1項所述之分光裝置，其中該第一中繼光束包含具有一第四極化方向之該第二顏色光束以及具有該第一極化方向之該第三顏色光束，該第四極化方向係垂直於該第一極化方向；該第一玻璃基材係將該第二顏色光束的極化方向由該第四極化方向轉變為該第二極化方向，以及將該第三顏色光束的極化方向由該第一極化方向轉變為垂直於該第二極化方向的一第五極化方向。
如申請專利範圍第1項所述之分光裝置，其中該第二玻璃基材係將該第三顏色光束的極化方向由一第四極化方向轉變為該第三極化方向；該第二玻璃基材的厚度係依據該第四極化方向與該第三極化方向之間的角度差以及該第三顏色光束的波長來決定。
如申請專利範圍第1項所述之分光裝置，其中該第二玻璃基材係將該第三顏色光束的極化方向由一第四極化方向轉變為該第三極化方向，該第四極化方向係垂直於該第二極化方向。
如申請專利範圍第1項所述之分光裝置，其中該第一極化方向、該第二極化方向以及該第三極化方向之至少其二係彼此相同。
如申請專利範圍第1項所述之分光裝置，其中該第一顏色光束係為一藍光光束，該第二顏色光束係為一綠光光束，以及該第三顏色光束係為一紅光光束。
如申請專利範圍第1項所述之分光裝置，其中該第一玻璃基材、該第二玻璃基材以及該第三玻璃基材之至少其一係為藍寶石基材、石英基材、電氣石基材或金紅石基材。
如申請專利範圍第1項所述之分光裝置，其中該第二玻璃基材係堆疊於該第一玻璃基材與該第三玻璃基材之間；該分光裝置另包含：一第一光學膠，用以將該第一玻璃基材與該第二玻璃基材相接合；以及一第二光學膠，用以將該第二玻璃基材與該第三玻璃基材相接合。
如申請專利範圍第9項所述之分光裝置，其中該第一光學膠與該第二光學膠之至少其一係為紫外光固化膠。
如申請專利範圍第9項所述之分光裝置，其中該第一光學膠與該第二光學膠之至少其一係為熱固化膠。