专利名称：可增强光线中某一偏极态的光学系统与具有此系统的光源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及可增强光线中某一偏极态的光学系统与具有此系统的光源系统。
背景技术：
随着信息技术时代的来临，各种电子光学显示器(如液晶投影式显示器)的需求不断增加。在这种类型的显示器，可能需要外部光源来辅助显示图像。随着高质量显示器需求的增加，加强光源的使用效率亦日渐重要。在传统提高效率的方法上，是把非偏极光束转换成为单一偏极态的线性偏极光束，例如，美国专利第512^95号所揭露，利用偏极转换器将随机偏极光转换成线性偏极光，其中揭露了一个所谓的P-S偏极转换器的传统转换器。该P型偏极光是指此光分量的电场振荡方向平行于入射光平面。而该S型偏极光是指此光分量的电场振荡方向垂直于入射光平面。一般而言，在液晶显示器或投影系统中，传统的偏极平板通常从入射非偏极光中吸收掉不需要的偏极光，以得到需要的偏极光，传统的偏极片的出光效率充其量只能达到 50%。若是以偏极分光器搭配偏极转换器来当作产生特定偏极光，之前的做法，除了转换效率不佳以外，传统的P-S偏极转换器的结构是复杂的，且通常所涉及生产成本相对较高。另外，结合该先前技术传统偏极转换器的显示器，其功率消耗相当高。另外，以往利用薄膜的干涉技术来对不同波长、入射角度与偏极态，来做强度与相位上的调制，以符合各种光学组件的需求，例如抗反射膜，高反射膜，分光镜以及带通滤光片，然而上述各种组件都受限于入射光与反射光的偏极态是一致的。针对上述问题，本申请提供一种可增强光线中某一偏极态的光学系统，其利用薄膜的方法来做简单的非均向膜系统，产生强烈的偏极转换，并且搭配偏极分光镜，不但可以提升偏极转换效率，亦可针对增强光线中某一偏极态的要求作设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种可增强光线中某一偏极态的光学系统。本发明的上述目的，采用一个结合偏极分光镜与偏极转换结构的系统达成。详言之，本发明为一种可增强光线中某一偏极态的光学系统，包含一偏极分光镜，用于将一输入光线分离成为一第一光线与一第二光线，该第一光线具有一第一偏极模态，该第二光线具有一第二偏极模态，该第一偏极模态不同于该第二偏极模态；一偏极转换器，输入该第二光线，供转换偏振模态而输出一第三光线，该第三光线具有显著较多的该第一偏极模态，其中偏极转换器提供全反射或高反射，该偏极转换器至少包含一非均向性光学薄膜，介于高折射率的一入射介质与低折射率的一介质之间。其中，根据一实施例，该偏极分光镜为一胶合分光镜，而该胶合分光镜包含二个三角棱镜间交错地夹多层高折射率薄膜与低折射率薄膜之光学薄膜堆栈，使该多层膜堆栈对入射之S偏极光为高反射作用，该多层膜堆栈对P偏极光为高透射作用。
此外，根据一实施例，该偏极转换器包含一棱镜，该棱镜的光线反射面上镀有第一均向膜(isotropic)/非均向性膜(anisotropic)/第二均向(isotropic)膜，而其所进行的转换为部分转换或为实质上的完全转换。根据一实施例，其中该光学系统进一步包含一合光组件，用于将该第一光线与第三光线进行完全合光、或部分合光(combination)。根据一实施例的光源系统，此光源系统具有可增强光线中某一偏极态的光学系统，可应用于各种光源，例如发光二极管(LED)之光输出端，使输出光线经此系统后增强光线的某一偏极态。
示意图；
图1为本发明第一实施例的光学系统1结构示意图加为图1实施例的高折射率的玻璃棱镜104中光线反射面112的一多层结构
图2b为本发明中非均向性薄膜210与对应的三主轴的关系示意图； 图3为本发明第二实施例的光学系统3结构示意图； 图4为本发明中光源系统的实施例的结构示意图。 主要元件符号说明 1 光学系统 10 偏极分光镜 14 合光组件 102 三角棱镜 110 多层膜 120 未极化的光 124: S偏极光分量 128 =P偏极光 204:第二均向膜 20 膜界面法线 22 第二主轴 220 沉积平面 3 光学系统
314 棱镜界面 3 第三 328 =P偏极光 330 第-332:第二棱镜夹角334:第三 40 发光组件
12 偏极转换器
100 三角棱镜
104 玻璃棱镜
112 光线反射平面
122 第一 P偏极光分量
126:第二 P偏极光分量
202:第一均向膜
210:非均向膜
21 第一主轴
23 第三主轴
222 入射面P偏极光分量 -棱镜夹角 棱镜夹角
具体实施例方式
将结合附图对本发明的各具体实施例进一步说明。虽然本发明结合了具体实施例进行说明，但是应当理解本发明可以有多种方式实施，而不仅限于这里所揭露的具体实施例；本发明提供的具体实施例使得本发明公开更加充分和完整，且使得本领域技术人员能够完全掌握本发明的范围。如图1所示，本发明一种可增强光线中某一偏极态的光学系统1的第一实施例，包含一偏极分光镜10、一偏极转换器12及一光学组件14。该偏极分光镜10可为一胶合分光镜，该胶合分光镜包含三角棱镜100与三角棱镜 102，此两个三角棱镜所组合而成的一立方体。其中，两三角棱镜间交错地夹多层高折射率薄膜与低折射率薄膜之光学薄膜堆栈的多层膜110，使该多层膜110对入射的S偏极光为高反射作用，对P偏极光为高透射作用。此外，在由三角棱镜100与三角棱镜102组成的立方体的其余表面镀上多层抗反射膜，减少光反射的损失。于某些实施例中，该偏极分光镜10可以是一宽带偏极分光镜(Broadband Polarizing Cube Beamsplitter)，例如 Newport (http://www, newport. com/)公司生产制造，型号为05FC16BP. 3，其材质为SF2，可提供高效率的寬频极化分光作用。详言之，该偏极转换器12是由一高折射率的玻璃棱镜104，于其光线反射面112镀上均向膜与非均向膜所组成。另外，在此玻璃棱镜104上，除了该光线反射面112以外，其它表面得镀有多层抗反射膜，用以减少光反射的损失。如图1所示，当一未极化的光120入射进入上述光学系统1中，首先，该未极化的光120通过该偏极分光镜10时，被多层膜110分成一第一 P偏极光分量122与一 S偏极光分量124。第一 P偏极光分量122会通过该多层膜110，进一步由该偏极分光镜10出射；而 S偏极光分量IM会由该多层膜110反射而离开此偏极分光镜10的立方体。接着，该S偏极光分量1 入射进入该偏极转换器12，即高折射率的玻璃棱镜104。入射的S偏极光分量IM于玻璃棱镜104之反射面112，转换为第二 P偏极光分量126，接着从该偏极转换器 12射出。该第二 P偏极光分量1 具有与第一 P偏极光分量122相同(或不同)的行进方向与相同的偏极态。利用一合光组件14，可供将该第二 P偏极光分量1 与第一 P偏极光分量122进行完全的合光、或部分的合光，形成一 P偏极光128。请参照图2a，为高折射率的玻璃棱镜104中光线反射面112的一多层结构。该多层结构包含玻璃棱镜104/第一均向膜202/非均向膜210/第二均向膜204的结构。依据一实施例，该高折射率的玻璃棱镜104折射率为1. 515，材质可为BK7。而第一均向膜202为 MgF2的薄膜材料，其厚度为200nm，于光线波长约为632. Snm时该薄膜材料折射约为1. 397 ； 相同的，第二均向膜204亦为MgF2的薄膜材料，而其厚度为30nm，于光线波长约为632. Snm 时该薄膜材料折射约亦为1. 397 ；此外，非均向膜210为MgF2的薄膜材料，厚度为SOOnmJi 应非均向性三主轴(21，22，23)，如图2b，第一主轴21、第二主轴22与第三主轴23互相垂直，其三主轴折射率n21、n22、nM的值分别为ri21 = 1.215、Ii22= 1.216,n23 = 1^60，其中第三主轴23与膜接口法线20形成一夹角α，α = 33度，第三主轴23与膜界面法线20所形成的平面称之为沉积平面(exposition plane) 220，第二主轴22位于沈积平面220上且与第三主轴23垂直，第一主轴21垂直于第二主轴22与第三主轴23，沉积平面220与入射面 222夹角90度。于某些实施例中，该多层膜110系可对波长范围在420nm到680nm之间的可见光通过。于某些实施例中，在偏极分光镜10中行进之光，例如未极化的入射光120、第一 P偏极光分量122、S偏极光分量124与第二 P偏极光分量126，其被材质的吸收的部分可被忽略不计。而穿透出棱镜的消光比(Extinction Ratio, Tp/Ts)在可见光范围，平均为 1000 1，Tp效率(即P偏极光穿透效率)平均大于90%，Rs效率(即S偏极光反射效率)平均大于99. 5%。于某些实施例中，该非均向膜210可以为一介质材料所形成之一斜向柱状阵列， 该柱状方向不在入射平面上，而会产生偏极转换效果。此外，该非均向膜210之介质材料选自由MgF2、SiO2、或TiO2所构成的群组。图3为本发明一光学系统3的第二实施例。示于图3中之偏极分光镜10、偏极转换器12及光学组件14与示于图1中之偏极分光镜10、偏极转换器12及合光组件14功能大致上相同。图3中之偏极转换器12，即高折射率的玻璃棱镜104，其第一棱镜夹角330、 第二棱镜夹角332与第三棱镜夹角334分别约为51. 5度、74. 09度与54. 41度。在入射角为51. 5度时，于可见光波长范围内，会有大于90 %的入射S极化光分量IM转换为第二 P 偏极光分量126。进一步，该第二 P偏极光分量126反射至该玻璃棱镜104之一棱镜界面 314折射出棱镜104外。该第二 P偏极光分量1 在棱镜界面314折射后，出射为一第三P 偏极光分量326。该第三P偏极光分量3 具有与第一 P偏极光分量122相同(或不同) 的行进方向与相同的偏极态。接着利用一合光组件14供将该第三P偏极光分量326与第一 P偏极光分量122进行完全合光、或部分合光，形成一 P偏极光328。在图3中具有与图 1相同号码标记之结构、组件，其同样执行图1中相对应结构、组件所具有之功能，在此不多做赘述。根据上述图1、图加、图2b或图3实施例的光学系统，将其应用于各种光源包含发光二极管的光输出端，使输出光线经此系统后增强光线的某一偏极态，用以提升光的偏极使用效率。如图4所示，一发光组件40，例如发光二极管，发射出一未极化的光120进入光学系统1中。首先，经过偏极分光镜10后分别形成第一 P偏极光分量122与S偏极光分量 124。接着，该S偏极光分量IM进入偏极转换器12后，形成第二 P偏极光分量126。最后， 由光学组件14将第一 P偏极光分量122与第二 P偏极光分量1 结合形成P偏极光128。 在图4中具有与图1相同号码标记的结构、组件，其同样执行图1中相对应结构、组件所具有之功能，在此不多做赘述。由于上述关于图1及图3与图4实施例的揭露，得以达成本发明前述的发明创作目的。虽然通过附图和前面的详细描述对本发明的各个实施例进行了说明，但是应该理解本发明不仅限于在此公开的实施例，而可以在不违背本发明实质的前提下进行多种组态、修饰和等效变换。例如一，偏极分光镜10也可以设计成所输出的偏极光122、124分别为S偏极光分量、P偏极光分量。此时，偏极转换器12的功能是将P偏极光分量转换成S偏极光分量。例如二，偏极分光镜10也可以设计成所输出的偏极光122、1M分别为左(椭)圆偏极光分量、右(椭)圆偏极光分量。此时，偏极转换器12的功能是将右(椭)圆偏极光分量转换成左(椭)圆偏极光分量。例如三，偏极转换器12中的薄膜202、204以及210可以用单一厚度为800nm，其三主轴折射率为n21 = 1. 897、n22 = 1. 685、n23 = 1. 751的非均向薄膜取代，亦可达到宽带偏极转换效果。
例如四，偏极转换器12中的薄膜202、204以及210可以用多层非均向薄膜堆栈取代，可达到宽带与广角的偏极转换效果。
权利要求
1.一种可增强光线中某一偏极态的光学系统，其特征在于，包含一偏极分光镜，用于将一输入光线分离成为一第一光线与一第二光线，该第一光线具有一第一偏极模态，该第二光线具有一第二偏极模态，该第一偏极模态不同于该第二偏极模态；一偏极转换器，输入该第二光线，供转换偏振模态而输出一第三光线，该第三光线具有显著较多的该第一偏极模态，其中偏极转换器可提供全反射或高反射，该偏极转换器至少包含一非均向性光学薄膜，介于高折射率的一入射介质与低折射率的一介质之间。
2.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述偏极分光镜为一胶合分光镜， 该胶合分光镜包含两三角棱镜间交错地夹有多层高折射率薄膜与低折射率薄膜的光学薄膜堆栈，使该多层膜堆栈对入射的S偏极光为高反射作用，该多层膜堆栈对P偏极光为高透射作用。
3.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，该偏极转换器所进行的转换为部分转换或为完全转换。
4.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，该系统进一步包含一组件，用于将该第一光线与第三光线进行完全合光或部分合光。
5.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述第一偏极模态为P偏极，该第二偏极模态为S偏极。
6.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述非均向光学薄膜为一介质材料所形成的一斜向柱状阵列，该柱状方向不在入射平面上，而会产生偏极转换效果。
7.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述入射介质为一玻璃棱镜。
8.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述非均向性光学薄膜介质材料选自MgF2、SiO2、或TiO2中的一种。
9.一种具有可增强光线中某一偏极态的光学系统的一光源系统，可应用于光电产品中所需的各种光源包含发光二极管之光输出端，使输出光线经此系统后增强光线的某一偏极态，其特征在于，包含一偏极分光镜，用于将一输入光线分离成为一第一光线与一第二光线，该第一光线具有一第一偏极模态，该第二光线具有一第二偏极模态，该第一偏极模态不同于该第二偏极模态；一偏极转换器，输入该第二光线，供转换偏极模态而输出一第三光线，该第三光线具有显著较多的该第一偏极模态，其中偏极转换器提供全反射或高反射，所述偏极转换器至少包含一非均向性光学薄膜，介于高折射率的一入射介质与低折射率的一介质之间。
全文摘要
本发明涉及一种可增强光线中某一偏极态的光学系统，其包含一偏极分光镜，用于将一输入光线分离成为一第一光线与一第二光线，该第一光线具有一第一偏极模态，该第二光线具有一第二偏极模态，该第一偏极模态不同于该第二偏极模态；一偏极转换器，输入该第二光线并转换其偏振模态而输出一第三光线，该第三光线具有显着较多的该第一偏极模态，其中所述偏极转换器可提供全反射或高反射，该偏极转换器至少包含一非均向性光学薄膜，介于高折射率的一入射介质与低折射率的一介质之间。
文档编号G02B27/28GK102331628SQ201010225758
公开日2012年1月25日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者任贻均 申请人:任贻均