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TW202006408A - 光學裝置及其製造方法 - Google Patents

光學裝置及其製造方法 Download PDF

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TW202006408A
TW202006408A TW107124039A TW107124039A TW202006408A TW 202006408 A TW202006408 A TW 202006408A TW 107124039 A TW107124039 A TW 107124039A TW 107124039 A TW107124039 A TW 107124039A TW 202006408 A TW202006408 A TW 202006408A
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waveguide element
optical path
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許雅伶
蔡威弘
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揚明光學股份有限公司
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Abstract

一種光學裝置包括波導元件、反射式光閥及投影鏡頭。波導元件可接收偏振光且包括第一表面、第二表面及光柵。偏振光可依序經過第一表面、光柵和第二表面。反射式光閥可將偏振光轉換為影像光，且影像光可依序通過波導元件的第二表面、第一光柵和投影鏡頭。

Description

光學裝置及其製造方法
本發明關於一種光學裝置及光學裝置製造方法。
近年來，各種影像顯示技術已廣泛地應用於各種可攜式裝置上，因此如何提供微型化、薄型化的光學模組架構，實為一重要設計課題。
「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包括一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
根據本發明的一個觀點，提供一種光學裝置包括波導元件、反射式光閥及投影鏡頭。波導元件可接收第一偏振光且包括第一表面、第二表面及第一光柵。第一光柵設於第一偏振光的光路下游並可改變第一偏振光的行進方向，且第一偏振光可依序經過第一表面、第一光柵和第二表面。反射式光閥設於波導元件的第二表面的光路下游，且反射式光閥可將第一偏振光轉換為第一影像光。投影鏡頭設於反射式 光閥的光路下游，且第一影像光可依序通過波導元件的第二表面、第一光柵和投影鏡頭。
根據本發明的另一個觀點，提供一種光學裝置包括波導元件、相位延遲片、反射式光閥及投影鏡頭。波導元件包括可改變偏振光的行進方向的第一光柵，相位延遲片設於第一光柵的光路下游且可改變偏振光的偏振態。反射式光閥設於相位延遲片的光路下游，且投影鏡頭設於反射式光閥的光路下游。相位延遲片和第一光柵更設於反射式光閥與投影鏡頭的光路之間。
根據本發明的上述觀點，利用具繞射結構光柵的波導元件設於例如一投影光學系統所提供的光傳遞效果，可不再需要一偏振分光器來分開照明光路和成像光路，因此可獲得縮短光路、減小整體體積，縮短投影鏡頭背焦及設計長度等至少其中之一的效果，而有利於微型化或薄型化。再者，藉由調整光柵不同部位的繞射結構，例如使繞射結構的繞射效率呈現特定分佈，可獲得放大光路(或提高出光區域)及勻光的效果。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。
1‧‧‧投影光學系統
2‧‧‧偏振分光器
3、122‧‧‧矽基液晶面板
4、130‧‧‧投影鏡頭
5、22‧‧‧光源
10、30、110‧‧‧波導元件
10a、10b、10c、30a、30b、110a、110b‧‧‧表面
12、14、112、114‧‧‧光柵
16‧‧‧反射式光柵
100、150、170、200‧‧‧光學裝置
112a‧‧‧繞射結構
112b、112c‧‧‧玻璃基板
120‧‧‧反射式光閥
152‧‧‧數位微鏡元件
154‧‧‧雷射二極體
158‧‧‧1/4波片
210‧‧‧穿透式光閥
IP、IS‧‧‧偏振光
A‧‧‧入光量
I‧‧‧光線
θ1、θ2、θ3‧‧‧角度
圖1顯示一投影光學系統的示意圖。
圖2A為依本發明一實施例，顯示一波導元件的示意圖。圖2B為圖2A的左端的局部放大示意圖。
圖3A為本發明另一實施例的波導元件的示意圖。圖3B為圖3A的左端的局部放大示意圖，圖3C為圖3A的右端的局部放大示意圖。
圖4A為本發明另一實施例的波導元件的示意圖，圖4B為圖4A的光柵的繞射結構示意圖。
圖5為依本發明一實施例，顯示一光學裝置的示意圖。
圖6為本發明另一實施例的光學裝置的示意圖。
圖7為依本發明一實施例，顯示繞射結構的角度設計的示意圖。
圖8為本發明另一實施例的光學裝置的示意圖。
圖9為本發明另一實施例的光學裝置的示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1顯示一投影光學系統(例如為投影光機)的示意圖。如圖1所示，投影光學系統1係利用一偏振分光器(PBS)2分開照明光路和成像光路，舉例而言，由光源5發出的S態偏振光IS(照明光)可被偏振分光器(PBS)2反射並入射至矽基液晶面板(LCoS)3，矽基液晶面板3反射S態偏振光IS同時將S態偏振光IS轉換成P態偏振光IP，因此離開矽基液晶面板3的P態偏振光IP(影像光)得以通過偏振分光器2，讓投影鏡頭4將矽基液晶面板3的影像投影至屏幕(未圖示)。需注意偏振分光器(PBS)和矽基液晶面板(LCoS)亦可用全內反射稜鏡(TIR prism)和數位微鏡元件(DMD)取代。
圖2A為依本發明一實施例，顯示一波導元件的示意圖。圖2B為圖2A的左端的局部放大示意圖。如圖2A所示，波導元件 (waveguide)10包括表面10a、表面10b、表面10c以及一光柵12，表面10a及表面10b例如可位於波導元件10沿其長軸方向的相對兩側。波導元件10例如是包含光柵12的導光板或波導管等，波導元件10的表面10c可接收一光線I，且光柵12設於光線I的光路下游。於本實施例中，光線I可由一光源22傳遞而來，光線I例如可來自合光裝置、光準直元件(例如準直器(collimator))、光勻化元件(例如積分柱(integral rod)或微透鏡陣列(lens array))、發光二極體、雷射二極體等等的光源22而不限定，且光線I例如可為偏振光(polarized light)或非偏振光(non-polarized light)均可。於本實施例中，光線I從波導元件10的側面入射後可藉由全反射傳遞到另一端，如圖2B所示，當光線傳遞到光柵12，光柵12可藉由布拉格繞射現象偏折光線I而破壞全反射條件，使光線I可朝下通過表面10b出光。再者，於本實施例中，藉由調整光柵12的不同部位的繞射結構，例如使繞射結構的繞射效率呈現特定分佈，可獲得放大光路及勻光的效果。舉例而言，如圖2A所示，當入光量為A時，光柵14由右至左的5個點位的繞射效率例如可分別設為20%、25%、33%、50%及100%，並使各個點位的出光量均為0.2A，獲得放大光路(或提高出光區域)及使出光較為均勻的效果。
圖3A為本發明另一實施例的波導元件的示意圖。圖3B為圖3A的左端的局部放大示意圖，圖3C為圖3A的右端的局部放大示意圖。於本實施例中，波導元件30包括設於出光端的一光柵12及入光端的另一光柵14。當光線I例如由表面30a向下進入波導元件30，光柵14可藉由繞射現象偏折光線I，被光柵14偏折預定角度的光線I與波導元件30的壁面間符合全反射條件，而於波導元件30中全反射傳遞，當光線I傳遞到光柵12時，光柵12可再偏折光線I破 壞全反射條件，使光線I可朝下通過表面30b出光。藉由入光端設置另一光柵14的設計，可提供例如使入光方向的選擇更具彈性且易於搭配不同的入光角度範圍的效果，且可調整光柵14的預設偏折角度以更確保全反射條件產生。再者，位於出光端的光柵12與位於入光端的光柵14的受光面積或尺寸可視需求任意調整，於本實施例中，光柵12的受光面積大於光柵14的受光面積，但本發明不限定於此。再者，於上述的實施例中，光柵12、14係為穿透式光柵，於另一實施例中，亦可使用圖4A所示的反射式光柵16代替穿透式光柵，同樣可獲得偏折光線產生全反射光傳遞的效果。如圖4B所示，反射式光柵16的結構排列方向或配向與圖3A、3B所示的穿透式光柵12、14的結構排列方向或配向不同。
圖5為依本發明一實施例，顯示一光學裝置(例如為投影光機)的示意圖。如圖5所示，光學裝置100可安裝於一殼體(未圖示)且包括一波導元件110、一反射式光閥120以及一投影鏡頭130。波導元件110可接收一偏振光(例如P態偏振光IP)且包括一第一表面110a、一第二表面110b及至少一光柵(例示為光柵112、114)。光柵112、114可設於P態偏振光IP的光路下游以改變P態偏振光IP的行進方向。於本實施例中，P態偏振光IP可通過波導元件110第一表面110a後先被光柵114偏折，再於波導元件110中全反射傳遞，當P態偏振光IP傳遞到光柵112，光柵112可偏折光線破壞全反射條件，使P態偏振光朝下通過表面110b出光並抵達反射式光閥120。於本實施例中，反射式光閥120例如可為矽基液晶面板(LCoS panel)122，矽基液晶面板122設於波導元件110的表面110b的光路下游，矽基液晶面板122反射通過光柵112的P態偏振光IP同時將P態偏振光IP轉換為S態偏振光IS出射，S態偏振光IS即為調變後的影像光且 可穿透波導元件110的光柵112，並進入位於反射式光閥120的光路下游的投影鏡頭130，之後通過投影鏡頭130的影像光可被投射至例如一屏幕(未圖示)。因此，藉由本實施例的設計，可利用波導元件取代偏振分光器或全內反射稜鏡，獲得縮短光路、減小整體體積，縮短投影鏡頭背焦等效果，而有利於薄型化及微型化。
圖6為本發明另一實施例的光學裝置的示意圖。本實施例與圖5的實施例主要差別在於使用數位微鏡元件(DMD)代替矽基液晶面板作為一反射式光閥。於本實施例中，可利用紅光(R)、綠光(G)及藍光(B)雷射二極體154分別輸出雷射偏振光並經合光後形成例如一P態偏振光IP並入射至波導元件110，利用雷射光源的偏振特性搭配波導元件110可進一步提高繞射效率。再者，因光學裝置150使用數位微鏡元件152作為反射式光閥120，因數位微鏡元件152不會改變光線的偏振態，但可利用繞射結構僅對特定入射角度光線作用的特性，讓數位微鏡元件152調變後的影像光可穿透光柵112後進入投影鏡頭130。舉例而言，請參考圖7，光柵112的繞射結構112a可包夾於兩玻璃基板112b、112c之間，於一參考例中但不限定，例如可將光線入射至繞射結構112a的角度θ1設為70°，入射至玻璃基板112c與空氣的介面的角度θ2設為15.6°，且入射至數位微鏡元件152的角度θ3設為12°，藉由特定的入射角度設計可讓數位微鏡元件152反射後的P態偏振光IP(影像光)不被光柵112偏折而可進入投影鏡頭130。
圖8為本發明另一實施例的光學裝置的示意圖。本實施例與圖6的實施例主要差別在於使用一相位延遲片來改變影像光的偏振態。如圖8所示，光學裝置170的投影鏡頭130可設於例如數位微鏡元件152的反射式光閥120的光路下游，一1/4波片158可設於光 柵112的的光路下游，且1/4波片158和光柵112可設於數位微鏡元件152與投影鏡頭130的光路之間。當例如P態偏振光IP被光柵112偏折後可通過1/4波片158再被數位微鏡元件152反射，反射光會再通過1/4波片158一次，因此P態偏振光IP通過1/4波片158兩次後可轉換為S態偏振光IP，因此可穿透光柵112進入投影鏡頭130。於此需注意使用1/4波片158的方式僅為例示，僅需能達成轉換光線偏振態的效果即可，亦可採用其他形式或種類的相位延遲片。
圖9為本發明另一實施例的光學裝置的示意圖。如圖9所示，光學裝置200具有一穿透式光閥210，穿透式光閥210例如可為穿透式矽基液晶面板(T-LCoS panel)或穿透式液晶顯示面板(transmissive-type LCD)等而不限定，利用波導元件110搭配穿透式光閥210的光傳遞設計，可提供轉折光路的效果，利於進行不同投影模組尺寸間的調整。
再者，本發明一實施例提供一種光學裝置製造方法，其包括如下步驟。首先提供一殼體並安裝一波導元件於殼體內。波導元件可接收一第一偏振光且具有一第一表面、一第二表面及一第一光柵，第一光柵設於第一偏振光的光路下游以改變第一偏振光的行進方向，且第一偏振光可依序經過第一表面、第一光柵和第二表面。再者，安裝一反射式光閥於殼體內，反射式光閥設於波導元件的第二表面的光路下游，且反射式光閥可將第一偏振光轉換為一第一影像光，再安裝一投影鏡頭於殼體內，投影鏡頭設於反射式光閥的光路下游，且第一影像光可依序通過波導元件的第二表面、第一光柵和投影鏡頭。
藉由上述各個實施例的設計，利用具繞射結構光柵的波導元件設於例如一投影光學系統所提供的光傳遞效果，可不再需要一偏振分光器或全內反射稜鏡來分開照明光路和成像光路，因此可獲得縮 短光路、減小整體體積，縮短投影鏡頭背焦及設計長度等至少其中之一的效果，而有利於微型化或薄型化。再者，藉由調整光柵不同部位的繞射結構，例如使繞射結構的繞射效率呈現特定分佈，可獲得放大光路(或提高出光區域)及勻光的效果。
再者，上述實施例之光柵元件僅需能獲得利用繞射現象偏折入射光的效果，其結構完全不限定，例如可為利用感光樹脂薄膜，調整其表面的透光率或折射率形成的相位光柵，或者為全像聚合物分散液晶元件(H-PDLC)等等而不限定。
本發明之「光閥」用語，在此產業中大多可用來指一種空間光調變器(Spatial Light Modulator,SLM)中的一些獨立光學單元。所謂空間光調變器，含有許多獨立單元(獨立光學單元)，這些獨立單元在空間上排列成一維或二維陣列。每個單元都可獨立地接受光學信號或電學信號的控制，利用各種物理效應(泡克爾斯效應、克爾效應、聲光效應、磁光效應、半導體的自電光效應或光折變效應等)改變自身的光學特性，從而對照明在複數個獨立單元的照明光束進行調製，並輸出影像光束。獨立單元可為微型反射鏡或液晶單元等光學元件。於本發明的各個實施例中，光閥可以是例如數位微鏡元件及矽基液晶面板(LCoS)的反射式光閥，或者是例如穿透式矽基液晶面板(T-LCoS)panel)或穿透式液晶顯示面板的穿透式光閥。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
100‧‧‧光學裝置
110‧‧‧波導元件
110a、110b‧‧‧表面
112、114‧‧‧光柵
120‧‧‧反射式光閥
122‧‧‧矽基液晶面板
130‧‧‧投影鏡頭
IP、IS‧‧‧偏振光

Claims (10)

  1. 一種光學裝置，包括：一波導元件，可接收一第一偏振光，包括：一第一表面及一第二表面；及一第一光柵，設於該第一偏振光的光路下游，可改變該第一偏振光的行進方向，其中該第一偏振光可依序經過該第一表面、該第一光柵和該第二表面；一反射式光閥，設於該波導元件的該第二表面的光路下游，且該反射式光閥可將該第一偏振光轉換為一第一影像光；以及一投影鏡頭，設於該反射式光閥的光路下游，且該第一影像光可依序通過該波導元件的該第二表面、該第一光柵和該投影鏡頭。
  2. 一光學裝置，包括：一波導元件，該波導元件包括可改變偏振光的行進方向的一第一光柵；一相位延遲片，設於該第一光柵的光路下游；一反射式光閥，設於該相位延遲片的光路下游；以及一投影鏡頭，設於該反射式光閥的光路下游，其中該相位延遲片和該第一光柵更設於該反射式光閥與該投影鏡頭的光路之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學裝置，其中該相位延遲片為一1/4波片。
  4. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之光學裝置，更包含：一第二光柵，可改變偏振光的行進方向，其中該第一光柵與第二光柵分別設於該波導元件的兩端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光學裝置，其中該偏振光被該第二光柵偏折後於該波導元件中全反射傳遞至該第一光柵，且該第一 光柵偏折該偏振光以破壞全反射條件，使該偏振光由該波導元件出射並抵達該反射式光閥。
  6. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之光學裝置，其中該第一光柵為一反射式光柵或一穿透式光柵。
  7. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之光學裝置，其中該第一光柵的不同部位具有不同的繞射效率。
  8. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之光學裝置，其中該反射式光閥為一數位微鏡元件(DMD)或一矽基液晶面板(LCoS panel)。
  9. 一種光學裝置，包括：一波導元件，可接收一第一偏振光，包括：一第一表面及一第二表面；及一第一光柵，設於該第一偏振光的光路下游，可改變該第一偏振光的行進方向，其中該第一偏振光可經過該第一表面、該第一光柵和該第二表面；一穿透式光閥，設於該波導元件的光路下游，且該穿透式光閥可將該第一偏振光轉換為一第一影像光；以及一投影鏡頭，設於該穿透式光閥的光路下游。
  10. 一種光學裝置製造方法，包括：提供一殼體；安裝一波導元件於該殼體內，該波導元件可接收一第一偏振光且具有一第一表面、一第二表面及一第一光柵，該第一光柵設於該第一偏振光的光路下游以改變該第一偏振光的行進方向，且該第一偏振光可依序經過該第一表面、該第一光柵和該第二表面；安裝一反射式光閥於該殼體內，該光閥設於該波導元件的該第二表面的光路下游，且該反射式光閥可將該第一偏振光轉換為一第一 影像光；以及安裝一投影鏡頭於該殼體內，該投影鏡頭設於該反射式光閥的光路下游，且該第一影像光可依序通過該波導元件的該第二表面、該第一光柵和該投影鏡頭。
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