色彩分光系统的制作方法

专利名称：色彩分光系统的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种色彩分光系统，尤指一种可取代传统显示面板、图像传感器及 彩色摄影机所采用的彩色滤光片，增加光学使用效率、简化系统复杂度的色彩分光系统。
背景技术：
在平面显示器中，背光源常搭配液晶空间调制器(a spatial lightmodulator)及 彩色滤光片以呈现全彩化图像。而在数字相机中的图像传感器，亦需要彩色滤光片搭配色 彩差值的演算以呈现原物体的颜色。在较大型的系统中，如彩色摄影机及背投影电视，则采 用三板式或双板式菱镜组或彩色滤光片搭配准直光源以呈现全彩色化图像。当系统采用彩 色滤光片(color filter, CF)时，因彩色滤光片(color filter, CF)每一着色像素只能呈 现红、绿、蓝三原色(R，G，B)的其中单一原色，约有三分之二的入射白光能量被吸收，降低 了光学使用效率，也降低电池使用寿命。此外，彩色滤光片本身的制程极为繁琐，每一原色 至少需使用一道以上的半导体黄光制程，成本极高。请参阅图1至图3所示传统彩色摄影机常用的分光架构，其主要分为三类，如图1 所示的三板式菱镜分光架构，由变焦镜头1、红外滤光片2、三板式菱镜3、红光电荷耦合组 件(CXD)4、绿光电荷耦合组件5、蓝光电荷耦合组件6构成；如图2所示二板式二向色菱镜 分光架构，由变焦镜头1、红外滤光片2、二板式菱镜7、红蓝光滤光片8、红蓝光电荷耦合组 件9、绿光电荷耦合组件5构成；如图3所示单板式彩色滤光片架构，由变焦镜头1、红外滤 光片2、红绿蓝光彩色滤光片10、红绿蓝光电荷耦合组件11构成；其中图1及图2所示两种 结构，利用菱镜及干涉薄膜片分光，其缺点为所需体积大及光学组件多，而图3所示结构则 是直接采用彩色滤光片的光学结构，缺点为光学效率低。针对公开文献而言，例如Philips公司于2008年在Journal of SID 16/8,2008, 以及IBM公司于2002年在EUR0DISPLAY 2002第339 342页，均发表利用次波长结构作分 色，并搭配一微透镜阵列将各色光束聚焦于各次像素，以取代传统染料式光阻的功能，但其 共同存在的缺点为(1)次波长结构(PitCtT320nm)不易大面积制作；(2)出光均勻性差；(3)成本过高。针对专利而言，例如美国发明专利US5615024A《Color Display Devicewith Chirped Diffraction Gratings》，其公开了一种替代彩色滤光片的光学结构，主要是利用 闪耀式微光栅产生三原色分离，应用于面板时，每一原色可对应一像素(主要是一级穿透 绕射光)。由于使用一级穿透绕射光之故，入射光与出射光夹一大角度，为使出射光垂直进 入液晶层，入射光须大角度进入闪耀式微光栅。倘若以垂直入射光进入闪耀式微光栅，出射 光只能大角度进入液晶层将限制可使用性，除非搭配其它折射组件否则不适合应用于薄型 化的面板结构中。又如美国发明专利US4807978 《Color Display Device and MethodUsingHolographic Lenses》，其公开一种替代彩色滤光片的光学结构，主要是利用全像组 件镜组产生三原色分离，应用于面板时，每一原色可对应一像素(主要是一级穿透绕射 光)。由于使用三层的全像组件镜组，故制程难度极高，此外微折射透镜阵列间不易精密对 位，加上噪声仍高(亦即三原色间的cross talk严重)，均为其实际应用时须解决的难题。再如美国发明专利US5764389 《Holographic Color Filters for DisplayApplications, and Operating Method》，其公开了一种替代彩色滤光片的光学结 构，主要是先利用一组全像滤波组件镜组产生三原色分离，再利用另一组全像滤波且可偏 折组件镜组偏折光路以使每一原色可对应一像素。由于使用多层的全像组件镜组，故光学 效率极低，此外全像组件阵列间不易精密对位，均为其实际应用时须解决的难题。另如台湾新型专利M249217《影像传感器》，其公开了一种替代彩色滤光片的光学 结构，主要是先利用一组透镜搭配菱镜产生三原色分离，且可偏折光路以使每一原色可对 应一次像素。由于使用的透镜置于菱镜之上，且菱镜的形状于整个影像传感器的光场范围 内大小不均，故光学效率虽佳，但实际上无法制造，为其实际应用时须解决的难题。有鉴于此，如何能够设计一种光学组件组以取代彩色滤光片，增加光学使用效率、 简化系统复杂度，同时，在维持高度光学效率的情况下，可产生对应于面板像素且垂直入射 液晶层的三原色，是相关技术领域急于解决的课题。

发明内容
有鉴于现有技术中存在的问题，本发明提出一种色彩分光系统，可取代传统显示 面板、图像传感器及彩色摄影机所采用的彩色滤光片，增加光学使用效率、简化系统复杂度。为达到上述目的，本发明提出一种色彩分光系统，包含一高准直背光源、一分色 模块与一分束模块。其中该高准直背光源用以提供一入射光。该分色模块，由一第一分色 膜片所构成，该第一分色膜片包含一第一入射面以及一第一出射面，该第一入射面具有周 期性分光微结构，用以将该入射光依波长分光，该第一出射面设有周期性多边形折光微结 构，该第一出射面用于提供经过该第一入射面分光的入射光通过，并偏折光路，使经过该第 一入射面分光的入射光偏折向该背光源的一出平面的一法线方向。该分束模块，包含至少 一分束膜片与一液晶层，该分束膜片具有周期性微结构，用以汇聚来自于该分色模块的入 射光，并将该入射光汇聚至所对应的该液晶层中的不同次像素位置，并以趋近平行于该法 线方向射出。为使贵审查委员对于本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，兹配合 附图详细说明如后。


图1为传统三板式菱镜分光架构示意图；图2为传统二板式二向色菱镜分光架构示意图；图3为传统单板式彩色滤光片架构示意图；图4为本发明第一实施例架构示意图；图5为本发明第二实施例架构示意图6为本发明第三实施例架构示意图；图7为本发明第四实施例架构示意图；图8为本发明第五实施例架构示意图；图9为本发明第六实施例架构示意图。其中，附图标记1-变焦镜头2-红外滤光片3-三板式菱镜4-红光电荷耦合组件(CXD)5-绿光电荷耦合组件6-蓝光电荷耦合组件7- 二板式菱镜8-红蓝光滤光片9-红蓝光电荷耦合组件10-红绿蓝光彩色滤光片11-红绿蓝光电荷耦合组件20-高准直背光源30、30a-分色模块31、31a-第一分色膜片311、31 Ia-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-分束模块41-第一分束膜片411-第三入射面412-第三出射面42-液晶层43-胶材4；31-空隙50-分束模块51-第二分束膜片511-第四入射面512-第四出射面52-液晶层53-第三分束膜片531-第五入射面532-第五出射面
54a、54b-胶材Ml-空隙L1 L8_入射光L9-出射光R、G、B_ 三原色θ -斜向入射角
具体实施例方式以下将参照附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图 所列举的实施例仅为辅助说明，以利贵审查委员了解，但本案的技术手段并不限于所列举 附图。以下描述中，“第一”、“第二”、“第三”等仅用以方便说明，并非用以限定指称特定 组件或顺序。请参阅图4所示本发明第一实施例结构示意图，该色彩分光系统包含一高准直背 光源20、一分色模块30以及一分束模块40，该高准直背光源20用以提供一斜向入射光Li， 该入射光Ll的准直范围为发散角低于半高全宽(FWHM，Full width at half-maximum) 10 度，相对于该高准直背光源20出平面的法线方向其斜向入射角θ为(Γ50度内；该分色模 块30包括一第一分色膜片31以及一第二分色膜片32，该第一分色膜片31以及一第二分色 膜片32的折射率介于1. 35^1. 65的范围内，该第一分色膜片31包含一第一入射面311以 及一第一出射面312，该第一入射面311设有周期性分光微结构，该分光微结构可采用周期 介于2飞微米的范围内的分光光栅，该第一出射面312设有周期性折光微结构，该折光微结 构可采用周期介于1(Γ150微米的范围内的多边形结构，所述周期指相邻二结构的中心点 之间的距离。该第一入射面311提供来自于该高准直背光源20的原始入射光Ll通过，并 将该入射光Ll依波长分光，于该第一分色膜片31内形成二次入射光L2 (亦即绕射光)，该 第一出射面312提供该二次入射光L2通过，并偏折其光路后射出该第一分色膜片31，以形 成三次入射光L3，该第一出射面312的目的在于使得该二次入射光L2偏向该第一分色膜 片31的法线方向，亦即偏折向该背光源20的出平面的法线方向；该第二分色膜片32包含 一第二入射面321以及一第二出射面322，该第二入射面321为一平面，该第二出射面322 设有周期性折光微结构，该周期性折光微结构可采用周期介于1(Γ150微米的范围内的多 边形结构，该第二入射面321提供该三次入射光L3通过，并于该第二分色膜片32内形成四 次入射光L4，该第二出射面322提供该四次入射光L4通过，并偏折其光路后射出该第二分 色膜片32，亦即偏折向该背光源20的出平面的法线方向射出，以形成五次入射光L5，该第 二出射面322的目的在于使得该四次入射光L4偏向该第二分色膜片32的法线方向，换言 之，该入射光Ll经过该第一出射面312、该第二出射面322两次偏折，以确实偏向该分色模 块30的法线方向，即向该高准直背光源20出平面的法线方向偏折。要说的是，该第一分色膜片31以及一第二分色膜片32的折射率的选择并不限定， 无论是第一分色膜片31的折射率是大于、等于或是小于第二分色膜片32的折射率，皆可藉由 该第一分色膜片31以及一第二分色膜片32上的结构的设计，来达到光路行进方向的调整，使 光线能够偏向该分色模块30的法线方向，亦即向该高准直背光源20出平面的法线方向偏折。
该分束模块40包括一第一分束膜片41以及一液晶层42，该第一分束膜片41具有 周期性微结构，用以汇聚来自于该分色模块30的入射光，并将该入射光汇聚至所对应的该 液晶层42中的不同次像素位置，并以平行于该高准直背光源20出平面的法线方向射出。该 第一分束膜片41的折射率介于1. 35^1. 65的范围内，该第一分束膜片41包含一第三入射 面411以及一第三出射面412，该第三入射面411设有周期介于6(Γ500微米的范围内的周 期性球面或非球面折射微结构。要说的是，此处所述的非球面折射微结构，是指一弧面，不 同于球面具有固定的曲率半径，该弧面不具有固定的曲率半径。于第三出射面412设有周 期性折光微结构，该折光微结构可采用周期介于6(Γ500微米的范围内的多边形结构，该第 三入射面411用以汇聚来自于该分色模块30的该五次入射光L5，并于该第一分束膜片41 内形成六次入射光L6，该第三出射面412用于提供该六次入射光L6通过，并偏折其光路后， 使该六次入射光L6偏折向该高准直背光源20出平面的法线方向偏折射出于该第一分束膜 片41，以形成七次入射光L7，进入至该液晶层42中，该液晶层42用于提供该七次入射光L7 通过，且该七次入射光L7可依波长或入射角度汇聚到所对应的液晶层42中的不同次像素 位置，亦即，透过该第三出射面412的偏折作用，可使经由该第三入射面411所汇聚的各色 光可平行于该第一分束膜片41的法线方向进入该液晶层42，再由该液晶层42分色(例如 尺、6、8三原色)形成出射光L9射出该液晶层42，使该出射光L9以趋近平行于该高准直背 光源20出平面的法线方向射出。该第一分束膜片41与该液晶层42之间采用透明平面胶 材43相互贴合，该胶材43为乾胶，折射率介于1. 43^1. 62的范围内，且厚度低于200微米。 该乾胶与该第一分束膜片41之间部分范围具有空隙431，空隙431内可为空气、真空其中之 一或其组合，以空气为例，其折射率为1。要说的是，当胶材43与第一分束膜片41之间部分 范围具有空隙431，因为空隙431中的材料(空气)折射率小于第一分束膜片41，所以可以 使光线偏折向该高准直背光源20出平面的法线方向，此时胶材43作为六次入射光L6通过 的路径，该胶材43的折射率大小并不受限。然而在另一实施例中，胶材43完全的贴合于该 第一分束膜片41，使该胶材43与第一分束膜片41之间并不具有空隙，此时该胶材43的折 射率需小于或等于第一分束膜片41的折射率，以使六次入射光L6偏折向该高准直背光源 20出平面的法线方向。请参阅图5所示本发明第二实施例结构示意图，该色彩分光系统包含一高准直背 光源20、一分色模块30以及一分束模块50，该高准直背光源20及分色模块30的结构与图 4所示该实施例相同，在此不再予以赘述，本实施例的差异点在于分束模块50包括一第二 分束膜片51、一液晶层52、一第三分束膜片53，该第二分束膜片51及该第三分束膜片53的 折射率介于1. 35^1. 65的范围内，该第二分束膜片51包含一第四入射面511以及一第四出 射面512，该第三分束膜片53包含一第五入射面531以及一第五出射面532，该第四入射面 511设有周期介于6(Γ500微米的范围内的球面或非球面折射微结构，该第四出射面512、第 五入射面531为平面，于第五出射面532设有周期性折光微结构，该折光微结构可采用周期 介于6(Γ500微米的范围内的多边形结构，该第四入射面511用以汇聚来自于该分色模块30 的该五次入射光L5，并于该第二分束膜片51内形成六次入射光L6，该六次入射光L6再通 过该第四出射面512，进入该液晶层52，且该六次入射光L6可依波长或入射角度汇聚到所 对应的液晶层52中的不同次像素位置，以形成七次入射光L7A，该七次入射光L7A再通过该 第五入射面531，并于该第三分束膜片53内形成八次入射光L8，再由该第五出射面532承接该八次入射光L8并偏折其光路，使该八次入射光L8以趋近平行于高准直背光源20出平 面的法线方方向射出，形成出射光L9射出该第三分束膜片53;此外，该第五出射面532涂 布有透明胶材Ma，用于提供经过该第五出射面532偏折的出射光L9通过，该胶材可为乾胶 或湿胶，例如图5所示该胶材5 采用乾胶，该乾胶为一平坦胶层，该胶材5 与第五出射 面532每一周期内部份范围直接贴合，每一周期内其余范围具有空隙M1，该空隙Ml内为 空气、真空其中之一或其组合，在一实施例中以空气为例，其折射率为1。该胶材Ma的折 射率介于1. 43^1. 62的范围内，且厚度低于200微米。要说的是，当胶材5 与第三分束膜 片53之间部分范围具有空隙M1，因为空隙Ml中的材料(空气)折射率小于第三分束膜 片53，所以可以使光线偏折向该高准直背光源20出平面的法线方向，此时胶材5 作为八 次入射光L8通过的路径，该胶材Ma的折射率大小并不受限。至于如图6所示该实施例，本实施例与图5实施例的不同点在于，本实施例该胶材 54b采用透明湿胶，该湿胶的折射率介于1. 43 1. 62的范围内。此外，胶材54b涂布于第五 出射面532上，使该胶材54b与第五出射面532之间能够直接贴合，而没有空隙的产生。此 时该胶材54b的折射率需小于或等于第三分束膜片53的折射率。该第三分束膜片53与胶 材5 折射率的差值可为0. 05 0. 6的范围。第三分束膜片53与胶材Ma皆用以控制该 出射光L9的出光方向，使出射光L9能够趋向平行于分色模块30的法线方向偏折而射出， 亦即向平行于该高准直背光源20出平面的法线方向偏折。请参阅图7本发明第四实施例，其以图4该第一实施例为基础，本实施例包含一高 准直背光源20、一分色模块30a以及一分束模块40，本实施例的特点在于，该分色模块30a 仅设有一片分色膜片，亦即该第一分色膜片31a，来自于该高准直背光源20的原始入射光 Ll通过其第一入射面311a后，可将该入射光Ll依波长分光，并于该第一分色膜片31a内形 成二次入射光L2 (亦即绕射光)，该二次入射光L2再通过其第一出射面312a，并偏折其光 路后射出该第一分色膜片31a，以形成三次入射光L3，藉由该第一出射面312使得该二次入 射光L2可偏向该第一分色膜片31a的法线方向；本实施例的作用在于说明，本发明所提供 的分色模块可设置一片或二片分色膜片，且分色膜片的使用数量并不以此为限。请参阅图8本发明第五实施例，其综合图5该第二实施例与图7该第四实施例的 架构为基础，本实施例说明，该仅设有该第一分色膜片31a的分色模块30a的架构，亦可适 用于由一第二分束膜片51、一液晶层52、一第三分束膜片53构成的分束模块50的架构，同 样地，本实施例所采用的平坦乾胶的透明胶材5 亦可替换为如图6所示该胶材Mb，该胶 材54b为透明湿胶，其态样如图9该六实施例所示。要说的是，于图9中，胶材54b完全的 贴合于该第三分束膜片53，使该胶材54b与第三分束膜片53之间并不具有空隙，此时该胶 材Mb的折射率需小于或等于第三分束膜片53的折射率。该第三分束膜片53与胶材54b 折射率的差值可为0. 05 0. 6的范围。此外，以上所述第一至第六不同实施例均可与IXD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。综上所述，本发明提供的色彩分光系统，确实具有可增加光学使用效率、简化系统 复杂度等功能，可取代传统显示面板、图像传感器及彩色摄影机所采用的彩色滤光片。以上所述，仅为本发明的实施例而已，当不能以的限定本发明所实施的范围。即大 凡依本发明权利要求所作的均等变化与修改，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。
权利要求
1.一种色彩分光系统，其特征在于，包含一高准直背光源，用以提供一入射光；一分色模块，由一第一分色膜片所构成，该第一分色膜片包含一第一入射面以及一第 一出射面，该第一入射面具有周期性分光微结构，用以将该入射光依波长分光，该第一出射 面设有周期性多边形折光微结构，该第一出射面用于提供经过该第一入射面分光的入射光 通过，并偏折光路，使经过该第一入射面分光的入射光偏折向该背光源的一出平面的一法 线方向；以及一分束模块，包含至少一分束膜片与一液晶层，该分束膜片具有周期性微结构，用以汇 聚来自于该分色模块的入射光，并将该入射光汇聚至所对应的该液晶层中的不同次像素位 置，并以趋近平行于该法线方向射出。
2.如权利要求1所述的色彩分光系统，其特征在于，该高准直背光源的准直范围为发 散角低于半高全宽10度，相对于该法线方向其斜向入射角度为(Γ50度。
3.如权利要求1所述的色彩分光系统，其特征在于，该第一分色膜片的折射率介于 1. 35^1. 65的范围内，且该第一入射面的分光微结构的周期介于2飞微米的范围内，该第一 出射面的多边形折光微结构的周期介于1(Γ150微米的范围内。
4.如权利要求1所述的色彩分光系统，其特征在于，还包括一第二分色膜片，该第二分 色膜片包含一第二入射面，为一平面，该第二入射面用于提供经过该第一出射面偏折的入射光通 过；以及一第二出射面，设有周期性多边形折光微结构，该第二出射面用于提供经过该第二入 射面的入射光通过，并偏折其光路，使经过该第二入射面分光的入射光偏折向该法线方向 射出。
5.如权利要求4所述的色彩分光系统，其特征在于，该第二分色膜片的折射率介于 1. 35^1. 65的范围内，且该第二出射面的多边形折光微结构的周期介于1(Γ150微米的范围 内。
6.如权利要求1所述的色彩分光系统，其特征在于，该分束模块包括一第一分束膜片， 该第一分束膜片包含一第三入射面，设有周期性折射微结构，该第三入射面用以汇聚来自于该分色模块的 入射光；以及一第三出射面，设有周期性折光微结构，该第三出射面提供经过该第三入射面汇聚的 入射光通过，并偏折其光路，使经过该第三入射面分光的入射光偏折向该法线方向射出，进 入至该液晶层中。
7.如权利要求6所述的色彩分光系统，其特征在于，该第三入射面的折射微结构的周 期介于6(Γ500微米的范围内，且该第三出射面的折光微结构的周期介于6(Γ500微米的范 围内。
8.如权利要求6所述的色彩分光系统，其特征在于，该第一分束膜片的折射率介于 1.35^1.65的范围内。
9.如权利要求6所述的色彩分光系统，其特征在于，该分束模块包括一胶材，该第一 分束膜片与该液晶层之间以该胶材相互贴合，其中该胶材的折射率介于1. 43^1. 62的范围内，且厚度低于200微米。
10.如权利要求9所述的色彩分光系统，其特征在于，该胶材的折射率小于或等于该第 一分束膜片的折射率。
11.如权利要求9所述的色彩分光系统，其特征在于，该胶材与该第一分束膜片之间部 分范围具有一空隙，该空隙内为空气、真空其中之一或其组合。
12.如权利要求1所述的色彩分光系统，其特征在于，该分束模块包括一第二分束膜 片、一第三分束膜片，该第二分束膜片包含一第四入射面，设有周期性折射微结构，该第四入射面用以汇聚来自于该分色模块的 入射光；以及一第四出射面，为一平面，该第四出射面用于提供经过该第四入射面汇聚的入射光通 过，并入射至该液晶层中；该第三分束膜片包含一第五入射面，为一平面，该第五入射面用于提供通过该液晶层的入射光通过；以及一第五出射面，设有周期性折光微结构，该第五出射面用于提供经过该第五入射面的 入射光通过，并偏折其光路，使经过该第五入射面分光的入射光以趋近平行于该法线方向 射出。
13.如权利要求12所述的色彩分光系统，其特征在于，该第二分束膜片折射率介于 1. 35^1. 65的范围内，且该第四入射面的折射微结构的周期介于6(Γ500微米的范围内。
14.如权利要求12所述的色彩分光系统，其特征在于，该第三分束膜片的折射率介于 1. 35 1. 65的范围内，且该第五出射面的折光微结构的周期介于6(Γ500微米的范围内。
15.如权利要求12所述的色彩分光系统，其特征在于，该第五出射面涂布有一胶材，其 中该胶材的折射率介于1. 43^1. 62的范围内，且厚度低于200微米。
16.如权利要求15所述的色彩分光系统，其特征在于，该胶材的折射率小于或等于该 第三分束膜片的折射率。
17.如权利要求15所述的色彩分光系统，其特征在于，该胶材与该第三分束膜片之间 部分范围具有一空隙，该空隙内为空气、真空其中之一或其组合。
18.如权利要求16所述的色彩分光系统，其特征在于，该第三分束膜片与该胶材的折 射率的差值为0. 05 0. 6的范围。
全文摘要
本发明公开了一种色彩分光系统，包含一高准直背光源、一分色模块及一分束模块，该高准直背光源提供一入射光，该分色模块包含一第一分色膜片，将入射光依波长分光并偏折其光路，该分束模块包含至少一分束膜片与一液晶层，该分束膜片用以会聚来自于该分色模块的入射光并偏折其光路，并以趋近于该高准直背光源的一出平面的法线方向射出。
文档编号G02B27/10GK102109681SQ20091026550
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者李企桓, 林晖雄, 蔡祯辉, 许沁如, 鲍友南 申请人:财团法人工业技术研究院