专利名称：偏振分光器以及光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种偏振分光器以及光学系统，且特别是涉及一种利用胆固醇液晶层来产生偏振化光线(polarized light)的偏振分光器(Polarization BeamSplitter, PBS) 以及光学系统。
背景技术：
偏振分光器已经广泛地应用在各种光学系统中，以提供光学系统所需使用的具有特定极化方向的偏振化光线。举例来说，目前市面上的液晶投影机使用偏振分光器、来将光源所产生的光转换成液晶光阀所能够利用的偏振化光线，从而利用这些偏极化光线来投射
出影像。一般而言，偏振分光器可采用下述设计如，金属线网偏振片 (Wire-GridPolarizer,WGP)、薄膜偏振片(Thin-Film Polarizer,TFP)、聚合物薄膜偏振片 (Polymer-Film Polarizer,PFP)等。然而，现有的偏振分光器的结构复杂、且制造成本高， 不利于偏振分光器的相关发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种偏振分光器，具有简单的结构，且能利用胆固醇液晶层来使得到偏振化光线。本发明又一目的在于提出一种光学系统，具有上述的偏振分光器，可产生偏振化的影像光线。基于上述，本发明提供一种偏振分光器，包括第一楞镜、第二楞镜、配向层以及胆固醇液晶层。第一楞镜具有相邻的两个第一面、及分别与两个第一面形成第一夹角的第一斜面。第二楞镜具有相邻的两个第二面、及分别与两个第二面形成第二夹角的第二斜面，且第二斜面对向于第一斜面。配向层配置于第一楞镜的第一斜面上。胆固醇液晶层配置于配向层与第二楞镜的第二斜面之间。在本发明的一实施例中，上述胆固醇液晶层的厚度介于0.5微米(μπι) 2微米之间。在本发明的一实施例中，上述胆固醇液晶层包括高分子材料以及多个胆固醇液晶分子。多个胆固醇液晶分子分布于高分子材料中。上述高分子材料可以是紫外光固化型高分子材料。在本发明的一实施例中，上述配向层具有一配向图案。在本发明的一实施例中，上述的偏振分光器更包括多层膜，设置于胆固醇液晶层上，且多层膜位于胆固醇液晶层与第二斜面之间。本发明又提供一种光学系统，包括偏振分光器、第一显示面板、第二显示面板以及光源。偏振分光器包括第一楞镜、第二楞镜、配向层以及胆固醇液晶层。第一楞镜具有相邻的两个第一面、及分别与两个第一面形成第一夹角的第一斜面。第二楞镜具有相邻的两个第二面、及分别与两个第二面形成第二夹角的第二斜面，且第二斜面对向于第一斜面。 配向层配置于第一楞镜的第一斜面上。胆固醇液晶层配置于配向层与第二楞镜的第二斜面之间。第一显示面板平行于第一楞镜的两个第一面其中之一而设置。第二显示面板平行于第二楞镜的两个第二面其中之一而设置，且第一显示面板相邻于第二显示面板。光源提供光线，入射于偏振分光器，光线具有第一偏振态及第二偏振态。入射到第一棱镜、具有第一偏振态的光线被胆固醇液晶层反射而往第一显示面板行进，具有第一偏振态的光线被第一显示面板转变成具有第二偏振态的第一影像光线，此第一影像光线返回第一楞镜、通过胆固醇液晶层且由第二楞镜出射；并且，入射到第一棱镜、具有第二偏振态的光线通过胆固醇液晶层与第二楞镜而往第二显示面板行进，具有第二偏振态的光线被第二显示面板转变为具有第一偏振态的第二影像光线，此第二影像光线返回第二楞镜、被胆固醇液晶层反射且由第二楞镜出射。本发明再提供一种光学系统，包括偏振分光器以及光源。偏振分光器包括硅基液晶反射式面板、配向层以及胆固醇液晶层。配向层配置于硅基液晶反射式面板上。胆固醇液晶层配置于配向层上。光源提供光线，入射于偏振分光器，而光线具有第一偏振态及第二偏振态。当光线入射于偏振分光器时，硅基液晶反射式面板将光线转变为影像光线，而影像光线具有第一偏振态或第二偏振态。并且，硅基液晶反射式面板使具有第一偏振态或第二偏振态的影像光线通过胆固醇液晶层而出射。本发明更提供一种光学系统，包括穿透式液晶面板、第一偏振分光器、第二偏振分光器以及光源。穿透式液晶面板具有彼此对向的第一表面与第二表面。第一偏振分光器配置于穿透式液晶面板的第一表面上。第一偏振分光器包括第一配向层以及第一胆固醇液晶层。第一配向层配置于第一表面上，而第一胆固醇液晶层配置于第一配向层上。第二偏振分光器配置于穿透式液晶面板的第二表面上。第二偏振分光器包括第二配向层以及第二胆固醇液晶层。第二配向层配置于第二表面上，而第二胆固醇液晶层配置于第二配向层上。光源提供光线，此光线具有第一偏振态及第二偏振态，且光线从第一表面侧入射于第一偏振分光器、穿透式液晶面板与第二偏振分光器。第一偏振态的光线通过第一偏振分光器，且具有第一偏振态的光线经由穿透式液晶面板转变为具有第二偏振态的影像光线。具有第二偏振态的影像光线通过第二偏振分光器而出射。综上所述，本发明的偏振分光器采用胆固醇液晶层，使得进入到胆固醇液晶层的光线能产生偏振化效果。可以利用旋转涂布法来将胆固醇液晶层制作于基板上，所以偏振分光器的制作相当容易且简单。并且，控制胆固醇液晶层的厚度，可得到所需波长的偏振化光线。本发明的光学系统采用上述的偏振分光器，可简化光学系统的相关制作工艺。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
图1为本发明较佳实施例的一种偏振分光器的示意图；图2为本发明较佳实施例的另一种偏振分光器的示意图；图3为本发明较佳实施例的一种光学系统的示意图；图4为本发明较佳实施例的另一种光学系统的示意图5A与图5B为本发明较佳实施例的另外两种光学系统的示意图；图6为本发明较佳实施例的又一种光学系统的示意图。主要元件符号说明200,200a,410 偏振分光器210 第一棱镜212 第一面214 第一斜面220 第二棱镜222 第二面224 第二斜面230 配向层M0、416 胆固醇液晶层242,417,525,535 高分子材料244,418,526,536 胆固醇液晶分子250、F:多层膜300、400、500 光学系统310 第一显示面板320 第二显示面板330,420,540 光源332、422、542 光线33加、4223、讨加第一偏振态33^、422bj^b 第二偏振态340 投影镜头412 硅基液晶反射式面板414 配向层510:穿透式液晶面板512 第一表面514 第二表面520 第一偏振分光器522 第一配向层524 第一胆固醇液晶层530:第二偏振分光器532 第二配向层534 第二胆固醇液晶层M 影像光线Ml 第一影像光线M2 第二影像光线P 保护层t、tl、t2 胆固醇液晶层的厚度
θ 1 第一夹角θ 2 第二夹角
具体实施例方式偏振分光器图1为本发明较佳实施例的一种偏振分光器的示意图。请参照图1，偏振分光器 200包括第一棱镜210、第二棱镜220、配向层230以及胆固醇液晶层Μ0。第一棱镜210 具有相邻的两个第一面212、及分别与两个第一面212形成第一夹角θ 1的第一斜面214。 第二棱镜220具有相邻的两个第二面222、及分别与两个第二面222形成第二夹角θ 2的第二斜面224，且第二斜面2 对向于第一斜面214。配向层230配置于第一棱镜210的第一斜面214上。胆固醇液晶层240配置于配向层230与第二棱镜220的第二斜面2 之间。请继续参照图1，偏振分光器200采用胆固醇液晶层MO的偏振化性质，从而可以得到偏振化光线。更详细而言，胆固醇液晶层240可包括高分子材料M2以及多个胆固醇液晶分子M4，而多个胆固醇液晶分子244分布于高分子材料M2中。另外，高分子材料 242例如为紫外光固化型高分子材料。值得注意的是，胆固醇液晶层240内的胆固醇液晶分子244具有不对称向列相(chiral nematic phase)，可使光线在经过胆固醇液晶层240后产生偏振化现象。当高分子材料242受到紫外光照射而固化时，可使胆固醇液晶层MO内的胆固醇液晶分子244保持在不对称向列的状态。在偏振分光器200中，胆固醇液晶层230的厚度t例如是介于0. 5微米 2微米之间。这里要说明的是，当胆固醇液晶层230的厚度t越厚时，胆固醇液晶层230可过滤出波长较长的光线。反之，当胆固醇液晶层230的厚度t越薄时，胆固醇液晶层230可过滤出波长较短的光线。通过控制胆固醇液晶层230的厚度t，胆固醇液晶层230可过滤出所需的各种不同波长的偏振化光线。另外，在偏振分光器200中，配向层230例如具有一配向图案(未绘示)。配向层 230上的配向图案可用来控制胆固醇液晶分子244的倾倒角度。更详细而言，在配向层230 上利用旋转涂布法制作胆固醇液晶层M0，可同时控制胆固醇液晶分子M4的倾倒角度及胆固醇液晶层240的厚度t。如此一来，可使胆固醇液晶层240能够过滤出特定波长的偏振化光线。另外，请再参照图1，第一棱镜210或第二棱镜220的材质例如是透明有机材料或透明玻璃。就第一棱镜210而言，两个第一面212与第一斜面214所形成的第一夹角可为 45度。就第二棱镜220而言，两个第二面222与第二斜面2 所形成的第二夹角可为45 度。换言之，第一棱镜210或第二棱镜220例如是形状为等腰直角三角形的棱镜。图2为本发明较佳实施例的另一种偏振分光器的示意图。请参照图2，偏振分光器 200a与偏振分光器200大致相同，相同的构件以相同的标号表示，且不再重述相同的内容。请参照图2，偏振分光器200a更包括多层膜250，设置于胆固醇液晶层240上，且此多层膜250位于胆固醇液晶层240与第二斜面2M之间。多层膜250可保护胆固醇液晶层对0，且能提升通过胆固醇液晶层MO的偏振化光线的穿透率。另外，多层膜250还能增加偏振分光器200a所能过滤的光线的波长范围。在上述的实施例中，由于偏振分光器200、200a均具有胆固醇液晶层M0，所以可使用胆固醇液晶层MO的光学特性来产生偏振化光线。特别是，利用胆固醇液晶层240搭配第一棱镜210与第二棱镜220，可制作出结构相当简单的偏振分光器200、200a。再者，在胆固醇液晶层240未固化前，可以利用旋转涂布法在第一楞镜210的第一斜面214、或第二棱镜220的第二斜面2M上制作特定厚度的胆固醇液晶层M0，亦即，可容易地控制胆固醇液晶层MO的厚度，而能够得到所需偏振化光线的波长波段。光学系统图3为本发明较佳实施例的一种光学系统的示意图。请参照图3，光学系统300包括上述的偏振分光器200、第一显示面板310、第二显示面板320以及光源330。偏振分光器200可参照上述的说明，此处不再重述。请参照图3，第一显示面板310平行于第一棱镜210的两个第一面212其中之一而设置。第二显示面板320平行于第二棱镜220的两个第二面222其中之一而设置，且第一显示面板310相邻于第二显示面板320。光源330提供光线332，入射于偏振分光器200，此光线332具有第一偏振态33 及第二偏振态332b。请继续参照图3，在此光学系统300中，入射到第一棱镜210、具有第一偏振态33 的光线332被胆固醇液晶层240反射而往第一显示面板310行进。具有第一偏振态33 的光线332被第一显示面板310转变成具有第二偏振态332b的第一影像光线Ml。第一影像光线Ml返回第一楞镜210、通过胆固醇液晶层240且由第二棱镜220出射。另一方面，入射到第一楞镜210、具有第二偏振态332b的光线332通过胆固醇液晶层240与第二棱镜220而往第二显示面板320行进。具有第二偏振态332b的光线332被第二显示面板320转变为具有第一偏振态33 的第二影像光线M2。第二影像光线M2返回第二楞镜220、被胆固醇液晶层240反射且由第二棱镜220出射。光学系统300还可包括投影镜头340，配置于第一影像光线Ml与第二影像光线 M2的光路上。换言之，图3所绘示的光学系统300例如是两片液晶面板式的液晶投影机，可投射出影像。在其他的实施例中，光学系统300中的偏振分光器200也可以替换成图2的偏振分光器200a，用于使得光学系统300可对波长范围较大的光线进行过滤，或是使胆固醇液晶层240得到较佳的保护。图4为本发明较佳实施例的另一种光学系统的示意图。请参照图4，光学系统400 包括偏振分光器410以及光源420。偏振分光器410包括硅基液晶反射式面板412、配向层414以及胆固醇液晶层416。配向层414配置于硅基液晶反射式面板412上，胆固醇液晶层416配置于配向层414上。请继续参照图4，光源420提供光线422，入射于偏振分光器410，而光线422具有第一偏振态42 及第二偏振态422b。当光线422入射于偏振分光器410时，硅基液晶反射式面板412将光线422转变为影像光线M,而影像光线M具有第一偏振态42 或第二偏振态422b (图中绘示为第一偏振态422a)。并且，在图4所绘示的实施例中，硅基液晶反射式面板412使具有第一偏振态42 的影像光线M通过胆固醇液晶层416而出射。在其他的实施例中，硅基液晶反射式面板412则会使具有第二偏振态422b的影像光线M通过胆固醇液晶层416而出射。类似地，在光学系统400中，关于胆固醇液晶层416的材料、厚度、配向层414的配向图案(未绘示)等已在图1的相关内容中叙述，在此不予以重述。值得一提的是，通过控制胆固醇液晶层416的厚度与胆固醇液晶分子M4的倾倒角度，可使胆固醇液晶层416过滤出所需的不同波长的偏极化光线。请继续参考图4，光学系统400更包括投影镜头430，配置于出射的、具有第一偏振态42 的影像光线M的光路上。换言之，图4所绘示的光学系统400例如是反射式液晶投影机，可投射出影像。图5A与图5B为本发明较佳实施例的另外两种光学系统的示意图。在图5A的实施例中，偏振分光器410还可包括保护层P，设置于胆固醇液晶层416上。保护层P可保护胆固醇液晶层416免于受到水气或是外力所造成的损伤。保护层P的材质例如为玻璃或是其他具有保护功效的材质。在图5B的实施例中，偏振分光器410则是具有多层膜F，设置于胆固醇液晶层416上。多层膜F可提供偏振分光器410额外的光学效果，例如增加偏振分光器410所能过滤的光线的波长范围，或是提高偏振分光器410的整体穿透率。由上述可知，可将胆固醇液晶层416直接制作在硅基液晶反射式面板412上，而得到能投射出偏振化的影像光线M的光学系统400。图6为本发明较佳实施例的又一种光学系统的示意图。请参照图6，光学系统500 包括穿透式液晶面板510、第一偏振分光器520、第二偏振分光器530以及光源M0。请参照图6，穿透式液晶面板510具有彼此对向的第一表面512与第二表面514。 第一偏振分光器520配置于穿透式液晶面板510的第一表面512上。第一偏振分光器520 包括第一配向层522以及第一胆固醇液晶层524。第一配向层522配置于第一表面512 上，而第一胆固醇液晶层5M配置于第一配向层522上。另外，第二偏振分光器530配置于穿透式液晶面板510的第二表面514上。第二偏振分光器530包括第二配向层532以及第二胆固醇液晶层534。第二配向层532配置于第二表面514上，而第二胆固醇液晶层534 配置于第二配向层532上。请继续参照图6，光源540提供光线M2，此光线542具有第一偏振态Mh及第二偏振态M2b，且光线542从第一表面512侧入射于第一偏振分光器520、穿透式液晶面板 510与第二偏振分光器530。第一偏振态Mh的光线542通过第一偏振分光器520，且具有第一偏振态讨加的光线542经由穿透式液晶面板510转变为具有第二偏振态M2b的影像光线M。具有第二偏振态M2b的影像光线M通过第二偏振分光器530而出射。在光学系统500中，第一或第二胆固醇液晶层524、534的厚度tl、t2例如介于0. 5 微米 2微米之间。通过控制第一或第二胆固醇液晶层524、534的厚度tl、t2，第一或第二胆固醇液晶层524、534便可过滤出所需波长的偏振化光线。第一胆固醇液晶层5 包括高分子材料525以及多个胆固醇液晶分子526，而多个胆固醇液晶分子5 分布于高分子材料525中。第二胆固醇液晶层534包括高分子材料535以及多个胆固醇液晶分子536，而多个胆固醇液晶分子536分布于高分子材料535 中。高分子材料525、535例如为紫外光固化型高分子材料。此外，在光学系统500中，第一配向层522或第二配向层532可分别具有一配向图案(未绘示)。可通过第一或第二配向层522、532上的配向图案来控制胆固醇液晶分子 526,536的倾倒角度。由此可知，光学系统500的第一、第二胆固醇液晶层524、534可用来取代传统上设置在液晶面板两侧的偏光片，从而能根据穿透式液晶面板510中的液晶层的偏转状态，而投射出影像光线M。综上所述，本发明的偏振分光器及光学系统至少具有以下特点偏振分光器采用胆固醇液晶层，通过胆固醇液晶层的光学特性而可使光线偏振化。另外，通过旋转涂布法可容易地控制胆固醇液晶层的厚度，而能够容易地制作出可过滤不同波长的偏振化光线的偏振分光器。由于光学系统具有上述的偏振分光器，所以光学系统可将光源所提供的光线转换为偏振化的影像光线。虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
权利要求
1. 一种偏振分光器，包括第一棱镜，具有相邻的两个第一面、及分别与该两个第一面形成第一夹角的第一斜第二棱镜，具有相邻的两个第二面、及分别与该两个第二面形成第二夹角的第二斜面， 且该第二斜面对向于该第一斜面；配向层，配置于该第一棱镜的该第一斜面上；以及胆固醇液晶层，配置于该配向层与该第二棱镜的该第二斜面之间。
2.如权利要求1所述的偏振分光器，其中，该胆固醇液晶层的厚度介于0.5微米 2微米之间。
3.如权利要求1所述的偏振分光器，其中，该胆固醇液晶层包括 高分子材料；以及多个胆固醇液晶分子，该些胆固醇液晶分子分布于该高分子材料中。
4.如权利要求3所述的偏振分光器，其中，该高分子材料包括紫外光固化型高分子材料。
5.如权利要求1所述的偏振分光器，其中，该配向层具有一配向图案。
6.如权利要求1所述的偏振分光器，还包括多层膜，设置于该胆固醇液晶层上，且该多层膜位于该胆固醇液晶层与该第二斜面之间。
7.一种光学系统，包括 偏振分光器，包括第一棱镜，具有相邻的两个第一面、及分别与该两个第一面形成第一夹角的第一斜第二棱镜，具有相邻的两个第二面、及分别与该两个第二面形成第二夹角的第二斜面， 且该第二斜面对向于该第一斜面；配向层，配置于该第一棱镜的该第一斜面上； 胆固醇液晶层，配置于该配向层与该第二棱镜的该第二斜面之间； 第一显示面板，平行于该第一棱镜的该两个第一面其中之一而设置； 第二显示面板，平行于该第二棱镜的该两个第二面其中之一而设置，且该第一显示面板相邻于该第二显示面板；光源，提供一光线，入射于该偏振分光器，该光线具有第一偏振态及第二偏振态， 其中，入射到该第一棱镜、具有该第一偏振态的该光线被该胆固醇液晶层反射而往该第一显示面板行进，具有该第一偏振态的该光线被该第一显示面板转变成具有该第二偏振态的第一影像光线，该第一影像光线返回该第一棱镜、通过该胆固醇液晶层且由该第二棱镜出射，且入射到该第一棱镜、具有该第二偏振态的该光线通过该胆固醇液晶层与该第二棱镜而往该第二显示面板行进，具有该第二偏振态的该光线被该第二显示面板转变为具有该第一偏振态的第二影像光线，该第二影像光线返回该第二棱镜、被该胆固醇液晶层反射且由该第二棱镜出射。
8.如权利要求7所述的光学系统，其中，该胆固醇液晶层的厚度介于0. 5微米 2微米之间。
9.如权利要求7所述的光学系统，其中，该偏振分光器还包括多层膜，设置于该胆固醇液晶层上，且该多层膜位于该胆固醇液晶层与该第二斜面之间。
10.一种光学系统，包括 偏振分光器，包括 硅基液晶反射式面板；配向层，配置于该硅基液晶反射式面板上； 胆固醇液晶层，配置于该配向层上；以及光源，提供一光线，入射于该偏振分光器，该光线具有第一偏振态及第二偏振态； 其中，当该光线入射于该偏振分光器时，该硅基液晶反射式面板将该光线转变为一影像光线，该影像光线具有该第一偏振态或该第二偏振态，且使具有该第一偏振态或该第二偏振态的该影像光线通过该胆固醇液晶层而出射。
11.如权利要求10所述的光学系统，其中，该偏振分光器还包括保护层，设置于该胆固醇液晶层上。
12.一种光学系统，包括穿透式液晶面板，具有彼此对向的第一表面与第二表面；第一偏振分光器，配置于该穿透式液晶面板的该第一表面上，该第一偏振分光器包括第一配向层，配置于该第一表面上； 第一胆固醇液晶层，配置于该第一配向层上；第二偏振分光器，配置于该穿透式液晶面板的该第二表面上，该第二偏振分光器包括第二配向层，配置于该第二表面上； 第二胆固醇液晶层，配置于该第二配向层上；以及光源，提供一光线，该光线具有第一偏振态及第二偏振态，且该光线从该第一表面侧入射于该第一偏振分光器、该穿透式液晶面板与该第二偏振分光器，其中，该第一偏振态的该光线通过该第一偏振分光器，且具有该第一偏振态的该光线经由该穿透式液晶面板转变为具有该第二偏振态的影像光线，且该影像光线通过该第二偏振分光器而出射。
全文摘要
本发明公开一种偏振分光器以及光学系统，该偏振分光器包括第一棱镜、第二棱镜、配向层以及胆固醇液晶层。第一棱镜具有相邻的两个第一面、及分别与两个第一面形成第一夹角的第一斜面。第二棱镜具有相邻的两个第二面、及分别与两个第二面形成第二夹角的第二斜面，且第二斜面对向于第一斜面。配向层配置于第一棱镜的第一斜面上。胆固醇液晶层配置于配向层与第二棱镜的第二斜面之间。
文档编号G02B27/28GK102298218SQ201010215478
公开日2011年12月28日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者王建堂, 范姜冠旭, 陈燕晟 申请人:立景光电股份有限公司