專利名稱：色彩分光系統的制作方法
技術領域：
本發明有關于一種色彩分光系統，尤指一種可取代傳統顯示面板、圖像傳感器及 彩色攝影機所采用的彩色濾光片，增加光學使用效率、簡化系統復雜度的色彩分光系統。
背景技術：
在平面顯示器中，背光源常搭配液晶空間調制器(a spatial lightmodulator)及 彩色濾光片以呈現全彩化圖像。而在數字相機中的圖像傳感器，亦需要彩色濾光片搭配色 彩差值的演算以呈現原物體的顏色。在較大型的系統中，如彩色攝影機及背投影電視，則采 用三板式或雙板式菱鏡組或彩色濾光片搭配準直光源以呈現全彩色化圖像。當系統采用彩 色濾光片(color filter, CF)時，因彩色濾光片(color filter, CF)每一著色像素只能呈 現紅、綠、藍三原色(R，G，B)的其中單一原色，約有三分之二的入射白光能量被吸收，降低 了光學使用效率，也降低電池使用壽命。此外，彩色濾光片本身的制程極為繁瑣，每一原色 至少需使用一道以上的半導體黃光制程，成本極高。請參閱圖1至圖3所示傳統彩色攝影機常用的分光架構，其主要分為三類，如圖1 所示的三板式菱鏡分光架構，由變焦鏡頭1、紅外濾光片2、三板式菱鏡3、紅光電荷耦合組 件(CXD)4、綠光電荷耦合組件5、藍光電荷耦合組件6構成；如圖2所示二板式二向色菱鏡 分光架構，由變焦鏡頭1、紅外濾光片2、二板式菱鏡7、紅藍光濾光片8、紅藍光電荷耦合組 件9、綠光電荷耦合組件5構成；如圖3所示單板式彩色濾光片架構，由變焦鏡頭1、紅外濾 光片2、紅綠藍光彩色濾光片10、紅綠藍光電荷耦合組件11構成；其中圖1及圖2所示兩種 結構，利用菱鏡及干涉薄膜片分光，其缺點為所需體積大及光學組件多，而圖3所示結構則 是直接采用彩色濾光片的光學結構，缺點為光學效率低。針對公開文獻而言，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頁，均發表利用次波長結構作分 色，并搭配一微透鏡陣列將各色光束聚焦于各次像素，以取代傳統染料式光阻的功能，但其 共同存在的缺點為(1)次波長結構(PitCtT320nm)不易大面積制作；(2)出光均勻性差；(3)成本過高。針對專利而言，例如美國發明專利US5615024A《Color Display Devicewith Chirped Diffraction Gratings》，其公開了一種替代彩色濾光片的光學結構，主要是利用 閃耀式微光柵產生三原色分離，應用于面板時，每一原色可對應一像素(主要是一級穿透 繞射光)。由于使用一級穿透繞射光之故，入射光與出射光夾一大角度，為使出射光垂直進 入液晶層，入射光須大角度進入閃耀式微光柵。倘若以垂直入射光進入閃耀式微光柵，出射 光只能大角度進入液晶層將限制可使用性，除非搭配其它折射組件否則不適合應用于薄型 化的面板結構中。又如美國發明專利US4807978 《Color Display Device and MethodUsingHolographic Lenses》，其公開一種替代彩色濾光片的光學結構，主要是利用全像組 件鏡組產生三原色分離，應用于面板時，每一原色可對應一像素(主要是一級穿透繞射 光)。由于使用三層的全像組件鏡組，故制程難度極高，此外微折射透鏡陣列間不易精密對 位，加上噪聲仍高(亦即三原色間的cross talk嚴重)，均為其實際應用時須解決的難題。再如美國發明專利US5764389 《Holographic Color Filters for DisplayApplications, and Operating Method》，其公開了一種替代彩色濾光片的光學結 構，主要是先利用一組全像濾波組件鏡組產生三原色分離，再利用另一組全像濾波且可偏 折組件鏡組偏折光路以使每一原色可對應一像素。由于使用多層的全像組件鏡組，故光學 效率極低，此外全像組件陣列間不易精密對位，均為其實際應用時須解決的難題。另如臺灣新型專利M249217《影像傳感器》，其公開了一種替代彩色濾光片的光學 結構，主要是先利用一組透鏡搭配菱鏡產生三原色分離，且可偏折光路以使每一原色可對 應一次像素。由于使用的透鏡置于菱鏡之上，且菱鏡的形狀于整個影像傳感器的光場范圍 內大小不均，故光學效率雖佳，但實際上無法制造，為其實際應用時須解決的難題。有鑒于此，如何能夠設計一種光學組件組以取代彩色濾光片，增加光學使用效率、 簡化系統復雜度，同時，在維持高度光學效率的情況下，可產生對應于面板像素且垂直入射 液晶層的三原色，是相關技術領域急于解決的課題。

發明內容
有鑒于現有技術中存在的問題，本發明提出一種色彩分光系統，可取代傳統顯示 面板、圖像傳感器及彩色攝影機所采用的彩色濾光片，增加光學使用效率、簡化系統復雜度。為達到上述目的，本發明提出一種色彩分光系統，包含一高準直背光源、一分色 模塊與一分束模塊。其中該高準直背光源用以提供一入射光。該分色模塊，由一第一分色 膜片所構成，該第一分色膜片包含一第一入射面以及一第一出射面，該第一入射面具有周 期性分光微結構，用以將該入射光依波長分光，該第一出射面設有周期性多邊形折光微結 構，該第一出射面用于提供經過該第一入射面分光的入射光通過，并偏折光路，使經過該第 一入射面分光的入射光偏折向該背光源的一出平面的一法線方向。該分束模塊，包含至少 一分束膜片與一液晶層，該分束膜片具有周期性微結構，用以匯聚來自于該分色模塊的入 射光，并將該入射光匯聚至所對應的該液晶層中的不同次像素位置，并以趨近平行于該法 線方向射出。為使貴審查委員對于本發明的結構目的和功效有更進一步的了解與認同，茲配合 附圖詳細說明如后。


圖1為傳統三板式菱鏡分光架構示意圖；圖2為傳統二板式二向色菱鏡分光架構示意圖；圖3為傳統單板式彩色濾光片架構示意圖；圖4為本發明第一實施例架構示意圖；圖5為本發明第二實施例架構示意圖6為本發明第三實施例架構示意圖；圖7為本發明第四實施例架構示意圖；圖8為本發明第五實施例架構示意圖；圖9為本發明第六實施例架構示意圖。其中，附圖標記1-變焦鏡頭2-紅外濾光片3-三板式菱鏡4-紅光電荷耦合組件(CXD)5-綠光電荷耦合組件6-藍光電荷耦合組件7- 二板式菱鏡8-紅藍光濾光片9-紅藍光電荷耦合組件10-紅綠藍光彩色濾光片11-紅綠藍光電荷耦合組件20-高準直背光源30、30a-分色模塊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-分束模塊41-第一分束膜片411-第三入射面412-第三出射面42-液晶層43-膠材4；31-空隙50-分束模塊51-第二分束膜片511-第四入射面512-第四出射面52-液晶層53-第三分束膜片531-第五入射面532-第五出射面
54a、54b-膠材Ml-空隙L1 L8_入射光L9-出射光R、G、B_ 三原色θ -斜向入射角
具體實施例方式以下將參照附圖來描述本發明為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下附圖 所列舉的實施例僅為輔助說明，以利貴審查委員了解，但本案的技術手段并不限于所列舉 附圖。以下描述中，“第一”、“第二”、“第三”等僅用以方便說明，并非用以限定指稱特定 組件或順序。請參閱圖4所示本發明第一實施例結構示意圖，該色彩分光系統包含一高準直背 光源20、一分色模塊30以及一分束模塊40，該高準直背光源20用以提供一斜向入射光Li， 該入射光Ll的準直范圍為發散角低于半高全寬(FWHM，Full width at half-maximum) 10 度，相對于該高準直背光源20出平面的法線方向其斜向入射角θ為(Γ50度內；該分色模 塊30包括一第一分色膜片31以及一第二分色膜片32，該第一分色膜片31以及一第二分色 膜片32的折射率介于1. 35^1. 65的范圍內，該第一分色膜片31包含一第一入射面311以 及一第一出射面312，該第一入射面311設有周期性分光微結構，該分光微結構可采用周期 介于2飛微米的范圍內的分光光柵，該第一出射面312設有周期性折光微結構，該折光微結 構可采用周期介于1(Γ150微米的范圍內的多邊形結構，所述周期指相鄰二結構的中心點 之間的距離。該第一入射面311提供來自于該高準直背光源20的原始入射光Ll通過，并 將該入射光Ll依波長分光，于該第一分色膜片31內形成二次入射光L2 (亦即繞射光)，該 第一出射面312提供該二次入射光L2通過，并偏折其光路后射出該第一分色膜片31，以形 成三次入射光L3，該第一出射面312的目的在于使得該二次入射光L2偏向該第一分色膜 片31的法線方向，亦即偏折向該背光源20的出平面的法線方向；該第二分色膜片32包含 一第二入射面321以及一第二出射面322，該第二入射面321為一平面，該第二出射面322 設有周期性折光微結構，該周期性折光微結構可采用周期介于1(Γ150微米的范圍內的多 邊形結構，該第二入射面321提供該三次入射光L3通過，并于該第二分色膜片32內形成四 次入射光L4，該第二出射面322提供該四次入射光L4通過，并偏折其光路后射出該第二分 色膜片32，亦即偏折向該背光源20的出平面的法線方向射出，以形成五次入射光L5，該第 二出射面322的目的在于使得該四次入射光L4偏向該第二分色膜片32的法線方向，換言 之，該入射光Ll經過該第一出射面312、該第二出射面322兩次偏折，以確實偏向該分色模 塊30的法線方向，即向該高準直背光源20出平面的法線方向偏折。要說的是，該第一分色膜片31以及一第二分色膜片32的折射率的選擇并不限定， 無論是第一分色膜片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 該第一分色膜片31以及一第二分色膜片32上的結構的設計，來達到光路行進方向的調整，使 光線能夠偏向該分色模塊30的法線方向，亦即向該高準直背光源20出平面的法線方向偏折。
該分束模塊40包括一第一分束膜片41以及一液晶層42，該第一分束膜片41具有 周期性微結構，用以匯聚來自于該分色模塊30的入射光，并將該入射光匯聚至所對應的該 液晶層42中的不同次像素位置，并以平行于該高準直背光源20出平面的法線方向射出。該 第一分束膜片41的折射率介于1. 35^1. 65的范圍內，該第一分束膜片41包含一第三入射 面411以及一第三出射面412，該第三入射面411設有周期介于6(Γ500微米的范圍內的周 期性球面或非球面折射微結構。要說的是，此處所述的非球面折射微結構，是指一弧面，不 同于球面具有固定的曲率半徑，該弧面不具有固定的曲率半徑。于第三出射面412設有周 期性折光微結構，該折光微結構可采用周期介于6(Γ500微米的范圍內的多邊形結構，該第 三入射面411用以匯聚來自于該分色模塊30的該五次入射光L5，并于該第一分束膜片41 內形成六次入射光L6，該第三出射面412用于提供該六次入射光L6通過，并偏折其光路后， 使該六次入射光L6偏折向該高準直背光源20出平面的法線方向偏折射出于該第一分束膜 片41，以形成七次入射光L7，進入至該液晶層42中，該液晶層42用于提供該七次入射光L7 通過，且該七次入射光L7可依波長或入射角度匯聚到所對應的液晶層42中的不同次像素 位置，亦即，透過該第三出射面412的偏折作用，可使經由該第三入射面411所匯聚的各色 光可平行于該第一分束膜片41的法線方向進入該液晶層42，再由該液晶層42分色(例如 尺、6、8三原色)形成出射光L9射出該液晶層42，使該出射光L9以趨近平行于該高準直背 光源20出平面的法線方向射出。該第一分束膜片41與該液晶層42之間采用透明平面膠 材43相互貼合，該膠材43為乾膠，折射率介于1. 43^1. 62的范圍內，且厚度低于200微米。 該乾膠與該第一分束膜片41之間部分范圍具有空隙431，空隙431內可為空氣、真空其中之 一或其組合，以空氣為例，其折射率為1。要說的是，當膠材43與第一分束膜片41之間部分 范圍具有空隙431，因為空隙431中的材料(空氣)折射率小于第一分束膜片41，所以可以 使光線偏折向該高準直背光源20出平面的法線方向，此時膠材43作為六次入射光L6通過 的路徑，該膠材43的折射率大小并不受限。然而在另一實施例中，膠材43完全的貼合于該 第一分束膜片41，使該膠材43與第一分束膜片41之間并不具有空隙，此時該膠材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偏折向該高準直背光源 20出平面的法線方向。請參閱圖5所示本發明第二實施例結構示意圖，該色彩分光系統包含一高準直背 光源20、一分色模塊30以及一分束模塊50，該高準直背光源20及分色模塊30的結構與圖 4所示該實施例相同，在此不再予以贅述，本實施例的差異點在于分束模塊50包括一第二 分束膜片51、一液晶層52、一第三分束膜片53，該第二分束膜片51及該第三分束膜片53的 折射率介于1. 35^1. 65的范圍內，該第二分束膜片51包含一第四入射面511以及一第四出 射面512，該第三分束膜片53包含一第五入射面531以及一第五出射面532，該第四入射面 511設有周期介于6(Γ500微米的范圍內的球面或非球面折射微結構，該第四出射面512、第 五入射面531為平面，于第五出射面532設有周期性折光微結構，該折光微結構可采用周期 介于6(Γ500微米的范圍內的多邊形結構，該第四入射面511用以匯聚來自于該分色模塊30 的該五次入射光L5，并于該第二分束膜片51內形成六次入射光L6，該六次入射光L6再通 過該第四出射面512，進入該液晶層52，且該六次入射光L6可依波長或入射角度匯聚到所 對應的液晶層52中的不同次像素位置，以形成七次入射光L7A，該七次入射光L7A再通過該 第五入射面531，并于該第三分束膜片53內形成八次入射光L8，再由該第五出射面532承接該八次入射光L8并偏折其光路，使該八次入射光L8以趨近平行于高準直背光源20出平 面的法線方方向射出，形成出射光L9射出該第三分束膜片53;此外，該第五出射面532涂 布有透明膠材Ma，用于提供經過該第五出射面532偏折的出射光L9通過，該膠材可為乾膠 或濕膠，例如圖5所示該膠材5 采用乾膠，該乾膠為一平坦膠層，該膠材5 與第五出射 面532每一周期內部份范圍直接貼合，每一周期內其余范圍具有空隙M1，該空隙Ml內為 空氣、真空其中之一或其組合，在一實施例中以空氣為例，其折射率為1。該膠材Ma的折 射率介于1. 43^1. 62的范圍內，且厚度低于200微米。要說的是，當膠材5 與第三分束膜 片53之間部分范圍具有空隙M1，因為空隙Ml中的材料(空氣)折射率小于第三分束膜 片53，所以可以使光線偏折向該高準直背光源20出平面的法線方向，此時膠材5 作為八 次入射光L8通過的路徑，該膠材Ma的折射率大小并不受限。至于如圖6所示該實施例，本實施例與圖5實施例的不同點在于，本實施例該膠材 54b采用透明濕膠，該濕膠的折射率介于1. 43 1. 62的范圍內。此外，膠材54b涂布于第五 出射面532上，使該膠材54b與第五出射面532之間能夠直接貼合，而沒有空隙的產生。此 時該膠材54b的折射率需小于或等于第三分束膜片53的折射率。該第三分束膜片53與膠 材5 折射率的差值可為0. 05 0. 6的范圍。第三分束膜片53與膠材Ma皆用以控制該 出射光L9的出光方向，使出射光L9能夠趨向平行于分色模塊30的法線方向偏折而射出， 亦即向平行于該高準直背光源20出平面的法線方向偏折。請參閱圖7本發明第四實施例，其以圖4該第一實施例為基礎，本實施例包含一高 準直背光源20、一分色模塊30a以及一分束模塊40，本實施例的特點在于，該分色模塊30a 僅設有一片分色膜片，亦即該第一分色膜片31a，來自于該高準直背光源20的原始入射光 Ll通過其第一入射面311a后，可將該入射光Ll依波長分光，并于該第一分色膜片31a內形 成二次入射光L2 (亦即繞射光)，該二次入射光L2再通過其第一出射面312a，并偏折其光 路后射出該第一分色膜片31a，以形成三次入射光L3，藉由該第一出射面312使得該二次入 射光L2可偏向該第一分色膜片31a的法線方向；本實施例的作用在于說明，本發明所提供 的分色模塊可設置一片或二片分色膜片，且分色膜片的使用數量并不以此為限。請參閱圖8本發明第五實施例，其綜合圖5該第二實施例與圖7該第四實施例的 架構為基礎，本實施例說明，該僅設有該第一分色膜片31a的分色模塊30a的架構，亦可適 用于由一第二分束膜片51、一液晶層52、一第三分束膜片53構成的分束模塊50的架構，同 樣地，本實施例所采用的平坦乾膠的透明膠材5 亦可替換為如圖6所示該膠材Mb，該膠 材54b為透明濕膠，其態樣如圖9該六實施例所示。要說的是，于圖9中，膠材54b完全的 貼合于該第三分束膜片53，使該膠材54b與第三分束膜片53之間并不具有空隙，此時該膠 材Mb的折射率需小于或等于第三分束膜片53的折射率。該第三分束膜片53與膠材54b 折射率的差值可為0. 05 0. 6的范圍。此外，以上所述第一至第六不同實施例均可與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。綜上所述，本發明提供的色彩分光系統，確實具有可增加光學使用效率、簡化系統 復雜度等功能，可取代傳統顯示面板、圖像傳感器及彩色攝影機所采用的彩色濾光片。以上所述，僅為本發明的實施例而已，當不能以的限定本發明所實施的范圍。即大 凡依本發明權利要求所作的均等變化與修改，皆應仍屬于本發明專利涵蓋的范圍內。
權利要求
1.一種色彩分光系統，其特征在于，包含一高準直背光源，用以提供一入射光；一分色模塊，由一第一分色膜片所構成，該第一分色膜片包含一第一入射面以及一第 一出射面，該第一入射面具有周期性分光微結構，用以將該入射光依波長分光，該第一出射 面設有周期性多邊形折光微結構，該第一出射面用于提供經過該第一入射面分光的入射光 通過，并偏折光路，使經過該第一入射面分光的入射光偏折向該背光源的一出平面的一法 線方向；以及一分束模塊，包含至少一分束膜片與一液晶層，該分束膜片具有周期性微結構，用以匯 聚來自于該分色模塊的入射光，并將該入射光匯聚至所對應的該液晶層中的不同次像素位 置，并以趨近平行于該法線方向射出。
2.如權利要求1所述的色彩分光系統，其特征在于，該高準直背光源的準直范圍為發 散角低于半高全寬10度，相對于該法線方向其斜向入射角度為(Γ50度。
3.如權利要求1所述的色彩分光系統，其特征在于，該第一分色膜片的折射率介于 1. 35^1. 65的范圍內，且該第一入射面的分光微結構的周期介于2飛微米的范圍內，該第一 出射面的多邊形折光微結構的周期介于1(Γ150微米的范圍內。
4.如權利要求1所述的色彩分光系統，其特征在于，還包括一第二分色膜片，該第二分 色膜片包含一第二入射面，為一平面，該第二入射面用于提供經過該第一出射面偏折的入射光通 過；以及一第二出射面，設有周期性多邊形折光微結構，該第二出射面用于提供經過該第二入 射面的入射光通過，并偏折其光路，使經過該第二入射面分光的入射光偏折向該法線方向 射出。
5.如權利要求4所述的色彩分光系統，其特征在于，該第二分色膜片的折射率介于 1. 35^1. 65的范圍內，且該第二出射面的多邊形折光微結構的周期介于1(Γ150微米的范圍 內。
6.如權利要求1所述的色彩分光系統，其特征在于，該分束模塊包括一第一分束膜片， 該第一分束膜片包含一第三入射面，設有周期性折射微結構，該第三入射面用以匯聚來自于該分色模塊的 入射光；以及一第三出射面，設有周期性折光微結構，該第三出射面提供經過該第三入射面匯聚的 入射光通過，并偏折其光路，使經過該第三入射面分光的入射光偏折向該法線方向射出，進 入至該液晶層中。
7.如權利要求6所述的色彩分光系統，其特征在于，該第三入射面的折射微結構的周 期介于6(Γ500微米的范圍內，且該第三出射面的折光微結構的周期介于6(Γ500微米的范 圍內。
8.如權利要求6所述的色彩分光系統，其特征在于，該第一分束膜片的折射率介于 1.35^1.65的范圍內。
9.如權利要求6所述的色彩分光系統，其特征在于，該分束模塊包括一膠材，該第一 分束膜片與該液晶層之間以該膠材相互貼合，其中該膠材的折射率介于1. 43^1. 62的范圍內，且厚度低于200微米。
10.如權利要求9所述的色彩分光系統，其特征在于，該膠材的折射率小于或等于該第 一分束膜片的折射率。
11.如權利要求9所述的色彩分光系統，其特征在于，該膠材與該第一分束膜片之間部 分范圍具有一空隙，該空隙內為空氣、真空其中之一或其組合。
12.如權利要求1所述的色彩分光系統，其特征在于，該分束模塊包括一第二分束膜 片、一第三分束膜片，該第二分束膜片包含一第四入射面，設有周期性折射微結構，該第四入射面用以匯聚來自于該分色模塊的 入射光；以及一第四出射面，為一平面，該第四出射面用于提供經過該第四入射面匯聚的入射光通 過，并入射至該液晶層中；該第三分束膜片包含一第五入射面，為一平面，該第五入射面用于提供通過該液晶層的入射光通過；以及一第五出射面，設有周期性折光微結構，該第五出射面用于提供經過該第五入射面的 入射光通過，并偏折其光路，使經過該第五入射面分光的入射光以趨近平行于該法線方向 射出。
13.如權利要求12所述的色彩分光系統，其特征在于，該第二分束膜片折射率介于 1. 35^1. 65的范圍內，且該第四入射面的折射微結構的周期介于6(Γ500微米的范圍內。
14.如權利要求12所述的色彩分光系統，其特征在于，該第三分束膜片的折射率介于 1. 35 1. 65的范圍內，且該第五出射面的折光微結構的周期介于6(Γ500微米的范圍內。
15.如權利要求12所述的色彩分光系統，其特征在于，該第五出射面涂布有一膠材，其 中該膠材的折射率介于1. 43^1. 62的范圍內，且厚度低于200微米。
16.如權利要求15所述的色彩分光系統，其特征在于，該膠材的折射率小于或等于該 第三分束膜片的折射率。
17.如權利要求15所述的色彩分光系統，其特征在于，該膠材與該第三分束膜片之間 部分范圍具有一空隙，該空隙內為空氣、真空其中之一或其組合。
18.如權利要求16所述的色彩分光系統，其特征在于，該第三分束膜片與該膠材的折 射率的差值為0. 05 0. 6的范圍。
全文摘要
本發明公開了一種色彩分光系統，包含一高準直背光源、一分色模塊及一分束模塊，該高準直背光源提供一入射光，該分色模塊包含一第一分色膜片，將入射光依波長分光并偏折其光路，該分束模塊包含至少一分束膜片與一液晶層，該分束膜片用以會聚來自于該分色模塊的入射光并偏折其光路，并以趨近于該高準直背光源的一出平面的法線方向射出。
文檔編號G02B27/10GK102109681SQ20091026550
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者李企桓, 林暉雄, 蔡禎輝, 許沁如, 鮑友南 申請人:財團法人工業技術研究院