CN101625458A - 复合式分光元件 - Google Patents

Abstract

一种复合式分光元件，可接收至少有混合多个波段光的光束。分光元件包括一第一光学膜片与一第二光学膜片。第一光学膜片具有形状相同的多个微结构透镜，以对入射光产生一聚集程度的偏折。第二光学膜片具有多个周期性多边形结构，接收该些偏折光以将该光束的组成波段光依波长在空间分离而分别向在一平面上的一预定区域射出。

Description

复合式分光元件

技术领域

本发明是关于一种复合式分光元件，能将多个波段光分离，可应用于图象显示装置。

背景技术

分光元件的主要功用其一例如是可以将白光分光(dividing)成红(R)、绿(G)、蓝(B)三个色光，或是其他颜色的多种色光。分光元件的机制与结构会依使用的装置，而有不同的设计。传统技术中，红、绿、蓝的光，可借由不同颜色的彩色滤光片(color filter，CF)来达成。

在平面显示器中，背光源常搭配液晶空间调制器(spatial light modulator)及彩色滤光片以呈现全彩化图象。而在数字相机中的图象传感器，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***中，如彩色摄影机及背投影电视则采用三板式或双板式棱镜组或彩色滤光片，搭配准直光源以呈现全彩色化图象。当***采用彩色滤光片时，因彩色滤光片的每一着色像素只能呈现红绿蓝三原色的其中单一原色，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。

业者仍继续研发光学元件组，例如希望可以取代彩色滤光片，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的三原色。

发明内容

本发明提供一种复合式分光元件，无需彩色滤光片，即可将入射光依照色光的波长差异分离出多种原色光，例如可以供图象显示装置的使用。

本发明提供一种复合式分光元件，接收一光束。此光束至少有混合的多个波段光。分光元件包括一第一光学膜片与一第二光学膜片。第一光学膜片具有形状相同的多个微结构透镜，每一该微结构透镜接收该光束以产生具有一聚集程度的一偏折光。第二光学膜片具有多个周期性多边形结构，接收该些偏折光以将该光束的该些波段光分离，又依照该些波段光的多个波长，使分别向在一平面上的一预定区域射出。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如被该第二光学膜片分离的该些波段光与该光束是实质上平行。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该第二光学膜片将该些波段光分离后，依照设定的一绕射效应，将该些波段光对应一象素的多个子象素的该预定区域射出。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该第二光学膜片是一棱镜光栅片。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该第一光学膜片的该些微结构透镜，分别对应一阵列的多个象素来设置。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该第一光学膜片包括：一微透镜片，有多个微透镜；以及一光栅片，有多个微光栅单元分别与该些微透镜组合成该些微结构透镜。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，再例如该些微透镜的每一个是中心对称的微透镜，该些光栅单元的每一个是折光的光学结构。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，再例如该微透镜片与该光栅是结构整体的一单一光学膜片。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，再例如该微透镜片与该光栅是结构分离的二个光学膜片。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该第一光学膜片包括一微透镜片，有多个微透镜，其中该些微透镜的每一个具有一第一表面与一第二表面，同时对该光束产生该聚集程度的该偏折光。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，再例如该第一光学膜片的该些微透镜的该第一表面与该第二表面包括一平滑曲面与一平面。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，再例如该第一光学膜片的该些微透镜的该第一表面与该第二表面是对应一平滑曲面的一减厚结构。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该第一光学膜片与该第二光学膜片是结构整体的一单一光学膜片。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如从该第二光学膜片出射的该些波段光是对一显示器的每一个子象素提供一色光源。

本发明也提供一种复合式分光元件，接收一入射光束。此光束至少有混合的多个波段光。复合式分光元件包括一光学膜片，具有一光入射表面及一光出射表面。其中、该光入射表面上具有形状相同的多个微结构透镜，每个微结构透镜对该入射光束，产生聚集及偏折。该光出射表面上具有周期性的多个多边形结构，其对经过入射表面的入射光束，使其在空间中按不同波长分离。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该光入射表面上的该些微结构透镜的形状，是一平滑曲面或是对应一平滑曲面分割减厚的一结构面。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该些微结构透镜是对应一显示象素阵列的多个象素来设置。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该光出射表面的该些多边形结构是直角棱镜结构。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该光出射表面的该些多边形结构将通过该些微结构透镜的该光束，借由光学绕射机制分离出该些波段光，向在一平面上的多个预定区域射出。

在本发明一实施例的复合式分光元件中，例如该平面上的该预定区域是一液晶显示面板的多个子象素位置。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举若干实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A～图1C示出依据本发明一实施例，复合式分光元件应用在图象显示装置***的剖面示意图。

图2示出依据本发明一实施例，对应图1的分光机制示意图。

图3示出据本发明实施例，一简化模拟结果示意图。

图4A～图4C示出依据本发明另一实施例，复合式分光元件应用在图象显示装置***的剖面示意图。

图5示出依据本发明另一实施例，复合式分光元件应用在图象显示装置***的剖面示意图。

图6A～图6D示出依据本发明又另一实施例，复合式分光元件应用在图象显示装置***的剖面示意图。

图7A～图7B示出依据本发明实施例所采用的绕射机制示意图。

图8A～-10B示出依据本发明又另一些实施例，复合式分光元件的微透镜结构的剖面示意图。

图11A～图11C示出依据二元光学原理的微透镜结构减厚过程的剖面示意图。

图12A～图12C示出依据本发明又另一些实施例，复合式分光元件应用在图象显示装置***的剖面示意图。

图13示出依据本发明实施例，图象装置***的剖面结构示意图。

主要元件符号说明

100：微透镜片

100a：微透镜

102、122：光栅片

104、124：绕射光栅片

100m、102m：绕射的光栅结构

106、126：图象显示装置

108：光束

110、116：光学膜片

112：第一光学膜片

114：第二光学膜片

120：平行光束

130：光栅单元

132：微透镜单元

134、136、140、150、160：微透镜单元

134a、136a、140a、150a、160a：非对称曲面

134b、136b、140b、150b、160b：平坦面

170：背光模块

172：偏振层

174：光学膜片

176：绕射光栅片

178：图象装置

180：光源

200：入射角

202：红光

204：绿光

206：蓝光

具体实施方式

本发明的复合式分光元件，其分光机制例如可由两层周期性的多边形结构的光学膜片所组成。第一层周期性的多边形结构对入射光产生一预定程度的聚集效果以及对光线行进方向的偏折。第二层周期性的多边形结构对偏折光光源的不同组成波长进行分谱，使不同波长组成的光束，在空间上按波长分开，且被分谱的光束例如仍可大致上平行于原入射光方向出射。本发明的多种应用上，例如利用含两层多边形结构的光学膜片取代显示面板、图象传感器或是彩色摄影机中的彩色滤光片(color filter，CF)，如此至少可以增加光学使用效率与简化原***的复杂度。

第一层的周期性多边形结构，构成为多个微结构透镜，分别将通过的光束适当地偏折与聚集，再借由第二层的周期性多边形结构，根据光学绕射机制将光束中的不同波段光分离到预定的方向或是位置。周期性多边形结构例如与一般周期性的多边形光学用结构，再例如光栅。本发明的光栅结构也例如是闪耀式光栅，其是一种兼具分光效果和绕射效率的光栅。其借由调整入射光与光栅斜面的相对角度，使得绕射光的方向和以光栅刻面(Facet)为折射平面时的折射方向相同，此时绕射光学效率在绕射方向(或Facet的折射方向)可达最大。

本发明也例如结合周期性的多边形非球面镜与闪耀式光栅，可控制在不影响光的行进方向之前提下得到高效率的分谱光束。在应用上，本发明例如可以取代传统的彩色滤光片，并提高效率。本发明也可以进一步可利用入射光的偏振性，使其应用于面板或光机***时，相较于传统使用彩色滤光片的***，可以提高光的使用效率。

本发明举一些实施例做为描述，但是本发明不仅仅限制在所举的一些实施例。另外、所举的一些实施例之间也可以相互做适当的结合改变。

图1A～图1C示出本发明三片式架构的实施例，为复合式分光元件应用在图象显示装置***的剖面示意图。参阅图1A，复合式分光元件例如分为第一光学膜片与第二光学膜片。在本实施例中，第一光学膜片例如是由一微透镜片100与一棱镜片102所组成。其中，棱镜片102的结构例如是光栅的结构，可依照象素的解析度来设计成为周期较大的光栅。微透镜片100有多个微透镜100a，其例如是以透镜曲面为中心对称的微透镜，其再例如是圆柱面或是球面的微透镜。此曲面用以产生聚集效果。微透镜例如是对应设置在后面的多个象素位置来设置。其可以是一维或是二维分布的柱状或条状/球面透镜单元。图1A是例如针对一扫瞄线上的多个象素的示意图。棱镜片102有多个微棱镜单元分别与微透镜100a组合成微结构透镜。微结构透镜接收光束108以产生具有一聚集程度的一偏折光。图中光线的路径乃是用以表示有一些程度的聚集与对光行进方向偏折的功能。棱镜片102的棱镜单元是多边型的结构，其例如是直角棱镜。然而，微透镜片100与棱镜片102所构成的微结构透镜，可依所需要的功能做其他变化设计，无须限制在所举实施例。例如后述也会描述在所要功能下的几种设计变化。

入射的光束108例如是由多个原色光混合的光，例如是白光。多个原色光依照波长分成多个波段光，其例如是红绿蓝(RGB)的三原色光，但是依实际需要，其他原色光也可以适用。

经过微透镜片100与棱镜片102的光束108会入射到第二光学膜片、例如是绕射光栅片104。绕射光栅片104具多个周期性多边形结构，接收聚集与偏折的光束108，以将光束108的多个波段光分离。例如依照波段光的多个波长R、G、B，使分别向在一平面上的一预定区域射出。其平面例如是一图象显示装置106的入射面，在此入射面的预定区域例如是一象素阵列的多个象素的多个子象素位置。

一般可以了解，一个彩色象素是由几个子象素所组成、例如是由R、G、B的三个子象素所组成，依其个别的灰阶度混合出所要的色彩光。本发明无需彩色滤光片，直接借由绕射光栅片104的光学绕射效果与波长的相互关系，将多个波段光分离，但是被分离的多个波段光仍能大致上维持相同的行进方向，在预定的子象素位置入射。

参阅图1B，与图1A比较，微透镜片100的透镜曲面并不局限于下表面(下表面定义为光入射面)，亦可置于上表面(上表面定义为光出射面)，视制程或设计所需而定。棱镜片102的结构面并不局限于下表面，亦可置于上表面，视制程或设计所需而定。绕射光栅片104的结构面亦不局限于下表面，亦可置于上表面，视制程或设计所需而定。参阅图1C，本实施例中，微透镜片100与棱镜片102位置可以互换，其中微透镜片100的透镜曲面与棱镜片102的结构面均可置于上表面或下表面(下表面定义为光入射面)，同时，绕射光栅片104的结构面亦不局限于下表面，亦可置于上表面，视制程或设计所需而定。图1A、1B与1C的架构均为本发明的可能实施方式，在维持高度光学效率的情况下，可产生对应于面板像素且接近垂直入射液晶层的的三原色。

图2示出本发明的分光机制示意图。参阅图2，当入射的白光通过微透镜片100与棱镜片102的光束会进入绕射光栅片104。绕射光栅片104将白光分离出红蓝绿的三原色光，其入射到图象显示装置106，对应到每个象素的三个子象素。图3示出本发明实施例，为一简化模拟结果示意图。参阅图3，平行光束120入射到透镜片122，透镜片122的光入射面为一曲面，此曲面曲率半径值甚大，不易由图示看出，其功能在于使光聚集，而光出射面为一斜面，使光偏折。而产生偏折与聚集效果，如图3上部分的放大图所示。接着入射到绕射光栅片124。由于透镜片122的作用，光束入射到绕射光栅片124会有一入射角，以调整绕射光栅片124的出射方向。因此出射的原色光的行进方向也大致上维持与入光束120的行进方向相同。

绕射的现象请先参阅图7A。图7A示出本发明实施例所采用的绕射机制示意图。以微直角棱镜为单元的光栅为例，一个微直角棱镜单元具有固定的周期。微直角棱镜的周期会决定绕射的角度，深度会决定绕射效率的分配方向。例如、当入射光进入第二组周期性的多边形结构时，被分为RGB三种原色光。若周期为p，红光(R)202、绿光(G)204与蓝光(B)206的波长分别为λr，λg，及λb来表示。根据光栅公式，假设入射光是垂直入射，此三色光取第m绕射阶时，绕射角度分别为：

(1) ${\mathrm{\θ}}_r={\sin }^{-1}\frac{m{\mathrm{\λ}}_r}{p},$ ${\mathrm{\θ}}_g={\sin }^{-1}\frac{m{\mathrm{\λ}}_g}{p},$ ${\mathrm{\θ}}_b={\sin }^{-1}\frac{m{\mathrm{\λ}}_b}{p}.$

由于入射光经第一组周期性多边形结构后为一会聚并偏折的光束，因此有一入射角θi200。根据上述关系式以及调整其参数，可控制第二组周期性多边形结构的周期使得出射的各色光会偏折回与原初始入射光路的方向接***行。亦即三色光接近互相平行但间隔一段距离，而分别接近垂直入射所对应的液晶层象素。

实际应用时可根据***的需求，控制周期性的多边形结构的外型。例如参阅图7B，本实施例中，改变光栅结构可使RGB分布顺序与图7B的RGB分布相反。例如当多边形结构为周期4微米的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的材料所构成的闪耀式光栅，其折射率约1.5。对一入射角θi200为-7.81o的斜向入射光而言，若利用此光栅的负一阶绕射束，则光栅最深处约为1微米。根据模拟显示，入射光波长分别是436nm、544nm、611nm时，其在负一阶绕射束的效率分别约为75％，84％及79％，而负一阶的绕射角度θb，θg，θr则分别为1.56o，0o，及0.97o。配合入射角的选取，出射的角度依实际设计而有不同，其较佳地例如是在0度到60度之间。

根据上述设计所要的光学功能，在光学元件的设计上可以有多种设计变化。以下再举一些实施例来描述。图4A～图4C示出本发明两片式架构的实施例，复合式分光元件应用在图象显示装置***的剖面示意图。参阅图4A，其与图1A～图1C的机制相似，然而对于微透镜片100与棱镜片102是整合成单一结构体的光学膜片110。换句话说，以相同的材质，在一面制作成透镜的曲面，另一面直接形成棱镜片所需要的几何形状的结构，如此可简化光学膜片的组装结构，且维持预定的效果。本实施例的微透镜面100的曲面提供聚集光的功能，棱镜面是以一倾斜的平面为主，以提供偏折的效果。此外本实施例中，绕射光栅片104的结构面除图4A所示的位于下表面(亦即光入射面)之外亦可置于上表面(亦即光出射面)。参阅图4B，其与图4A的机制相似，本实施例中，微透镜面100与棱镜面102位置可以互换。参阅图4C，其与图4B的机制相似，本实施例中，绕射光栅片104的结构面置于上表面(亦即光出射面)。

图5示出本发明两片式架构的另一实施例，复合式分光元件应用在图象显示装置***的剖面示意图。参阅图5，对于光学膜片112，例如又称为第一光学膜片112，依照所要的功能再做设计变化。本实施例的第一光学膜片112也是以整合的单体结构为例，然而透镜的一面，例如光入射面，是不对称的柱状曲面，且另外一面(亦即光出射面)例如可以是维持没有倾斜的平面。不对称的柱状曲面同时对入射光束产生聚集与偏折的效果。另外，对于光学膜片114，例如又称为第二光学膜片114，其绕射光栅的结构，可以设置在基板上的一面，例如是较远离光学膜片112的背面上(亦即光出射面)。也就是说，第二光学膜片114的方向是与图4的第二光学膜片104的方向相反，但是绕射效果仍可维持，将RGB的三个波段光分离。

图6A～图6D示出依据本发明的单片式架构的实施例，复合式分光元件应用在图象装置***的剖面示意图。参阅图6A，在本实施例中，再度将前述的二个光学膜片整合成单体结构，以形成单一的光学膜片116。单一的光学膜片116例如是将图5的光学膜片112与光学膜片114整合在一起。产生绕射的光栅结构可以直接形成于光学膜片116的另一面，或是将前述的光学膜片114的平面基板粘贴在光学膜片112的平面上，以形成整体的光学膜片116。参阅图6B，在本实施例中，若改变单一的光学膜片116其上表面的绕射光栅的结构方式，可间接控制RGB分光的方向，此种改变绕射光栅的结构方式以间接控制RGB分光方向的方式亦可应用于上述所有实施例中。

参阅图6C及图6D，绕射的光栅结构100m、102m亦可以直接形成于光学膜片110的上表面。换句话说，绕射光栅结构100m、102m，也可以直接制作在有结构的曲面或是棱镜斜面上。

图8～图10示出依据本发明的实施例，复合式分光元件的微透镜结构的剖面示意图，用以说明不同的搭配组合变化。参阅图8A，偏折入射光的棱镜单元130，例如可以安排在光入射端，以接收入射光束，而对称的微透镜单元132则置放于其后。如此的安排也可达到偏折与聚光的效果。参阅图8B，与图8A相比较，棱镜单元130与微透镜单元132的顺序调换，但仍可以维持类似的偏折与聚光的效果，其虽然二者的实际光路径会略有差异而产生不同程度的偏折与聚光效果，然而依实际需设计的需求也是本发明多种变化选择之一，其余变化则可例如参阅图8C～图8H所示出的几种组合，或是依据相同光学原则下的其他组合变化。此外图1中的绕射光栅片104与图5中的光学膜片114是作为分光单元，若改变分光结构的方向及位于基板的上表面或下表面均可造成所需的光学分光效果，参阅图9A～图9D，使用时可依实际需设计的需求也是多种变化选择之一。

参阅图10A，微透镜单元134例如是整合的单体结构，其有一非对称曲面134a与一平坦面134b。平坦面134b可倾斜或是不倾斜，其中不倾斜的设计较有利于与后续的光学膜片做对位与整合。另外，例如还基于元件厚度的考虑，图10A的结构可以再度设计变化，以减少透镜厚度。参阅图10B，微透镜单元136以图10A的结构为基础做变化。微透镜单元136的平坦面136b与微透镜单元134的平坦面134b例如是相同。然而，凹凸的结构面136a是对应一平滑曲面，例如非对称曲面134a，可根据二元光学的原理做分割且减厚的结构面。此微透镜单元136对光偏折与聚集效果仍可维持，同时可以维持较小且大体上是较薄的厚度，可减轻***重量与体积。其二元光学的原理如下所述。光学设计时，一透镜表面的起伏可控制入射光通过后的光场分布，其原因为透镜表面的起伏提供入射光一相位变化。

图11A所示为一连续相位函数所对应的透镜高度变化。根据光学绕射理论，此连续相位函数可针对中心波长减去2π整数倍的相位值而被调制到0～2π之间，结果请参阅图11B，此种结构表面的最大高度可由公式dmax＝λ/(n-1)给出，其中n为透镜材料在λ的折射率。为了简化制造过程，相位分布可被量化成N个离散的高度，为2π/N的相位分布，它近似于具有多阶结构的表面分布。N个台阶中每一个台阶的高度为dM＝dmax/2M，其中例如N＝2M，M是自然数，如图11C所示。此种结构的其一特征为微透镜单元对光出射后的分布效果仍可维持，但是可以维持较小且大体上是较薄的厚度。

又请参阅图12A，对于二个光学膜片的安排，其微结构透镜例如是包括微透镜单元140与绕射光栅片142。微透镜单元140例如采用图4中的结构，其平滑曲面140a是对称曲面，平坦面140b是倾斜的平坦面。绕射光栅片142是与微透镜单元140分开设置。再参阅图12B，微透镜单元150例如是采用图10A的结构，其平滑曲面150a是非对称设计，平坦面150b例如是不倾斜。在此可了解的是平坦面150b是否倾斜取决于配合绕射光栅片152的操作件做整体调整。本实施例的微透镜单元150设计有足够程度的偏折与聚集功能，因此平滑曲面150a为非对称设计。相邻的微透镜单元150的平坦面150b是一致的，因此光栅片152可直接制作或是粘贴在平滑曲面150b上，以达到单体结构的设计。参图12C，微透镜单元160例如是采用图10B的结构，具有平坦面160b与非平滑曲面160a。如前述，光栅片162可以与微透镜单元160整合成单体结构。

综上所述，本发明所举多个实施例之间可以做适当的结合，依实际需要做设计变化。本发明也不仅限于所举的多个实施例。

接着考虑在图象显示装置的应用上，例如可以配合增加一偏振层(polarizer)。图13示出依据本发明的另一实施例，图象显示装置***的剖面结构示意图。参阅图13，图象显示装置178例如是以液晶显示装置为例来说明。若应用于其他***例如是数字相机或彩色摄影机的彩色电荷耦合元件(charge coupled device，CCD)时，其原理仍同，而其间的差异为光源来自外界物体，其余架构类似。

图象装置178所需要的光源180是由一背光模块170产生。背光模块170产生面的光源180一般是不具有偏振效应，其例如是由S偏振态与P偏振态混合的光。光源180通过一偏振层172后例如被偏振成S偏振态的光源180。接着、光源180再通过一光学膜片174。光学膜片174如前述具有微透镜结构，将分别通过微透镜结构的光源180聚集与偏折。光源180接着通过绕射光栅片176。依照绕射光栅片176的设计，配合偏折入射角的大小，通过绕射光栅片176的光源180，会分离出RGB三个波段光，往图象显示装置178以大致上相同方向进入图象显示装置178。图象显示装置178上的子象素位置配合RGB波段光的入射位置，构成一彩色象素。因此，本实施例无需使用彩色滤光片即可达成。

就偏振层172而言，原未偏振化的入射光有P光及S光成份。因来回多次往返于极化层与反射层间，使出射光为特定偏振方向，例如S光。此时可针对此种极化光将周期性的多边形结构做最佳化(optimization)，以进一步提高某一偏振方向的分谱出射光的效率。

本发明的微结构光学元件的实现可利用黄光制程或超精密加工技术以成形单晶钻石刀加工在金属模仁上，利用射出成形，制作出微光学元件的成品。

关键元件是形成周期性多边形结构。以应用到面板为例，此元件的第一组周期性多边形结构兼具缩小光束直径及偏折入射光方向的功能，而第二组可以产生分光效果。而此时所使用的光源较佳地是以三原色为主的光束，其再例如可为RGB的LED或是CCFL，具有三原色的光谱，例如分别为R(611nm)，G(544nm)，及B(436nm)。

光出射背光模块170后，以平行光进入图象显示***。就作用而言，每一小单位，对应象素的位置相当于一折射棱镜及一聚集透镜的合成。在考虑简化制程上，例如将其设计成一非球面型式的透镜型式。聚集光束的目的为使入射光在分光后各色光的焦点位于液晶层或感光元件附近，以利光信号的处理并减少串扰(cross-talk)。例如应用于面板***时，若其象素大小为219X219μm²，则经第一组周期性多边形结构进行聚集缩束。

就实际的功能而言，在本发明的一实施例，高效率分光元件，可以包括第一光学膜片，具多个形状相同的微结构透镜，对入射光具会聚与偏折光束的功能。第二光学膜片，具多个周期性多边形结构，其对经第一光学膜片的入射光源组成的不同波长进行分谱，使光束在空间中按不同波长分开，且被分谱的各波长光束可平行于原入射光方向出射或与原入射光的行进方向夹一特定角度出射，角度范围例如是0°～60°。

其中例如，第一光学膜片具光入射表面与光出射表面，形状相同的微结构透镜可依需求成形于光入射表面上或光出射表面上。

其中例如，第一光学膜片上形状相同的微结构透镜可为一平滑曲面或为一绕射微结构面，其形状随材料光学折射率而不同，具会聚与偏折光线的功能。

其中例如，第二光学膜片具光入射表面与光出射表面，周期性多边形结构可依需求在成形于光入射表面上或光出射表面上。

其中例如，第二光学膜片上的周期性多边形结构可为闪耀式光栅、多边形光栅或次波长光栅，其光栅周期介于0.1λ～10λ。

其中例如，第一光学膜片上形状相同的微结构透镜与第二光学膜片上的周期性多边形结构均为一维结构。

其中例如，第一光学膜片上形状相同的微结构透镜与第二光学膜片上的周期性多边形结构均为二维结构。

其中例如，当应用于与TFT-LCD搭配的光机***时，此复合分光元件对入射光源处理后所出射的彩色分光光束的焦点可安排在液晶层内。其例如可以增加在组装对位时，此复合分光元件与液晶层的公差范围。

其中例如，此复合分光元件可应用于面板、彩色摄影机、数字相机等光机***。

另外高效率分光元件，也可设计成单体结构，包括一光学膜片具光入射表面及光出射表面。光入射表面上例如具多个形状相同的微结构透镜，对入射光具会聚及偏折光束的功能。光出射表面上例如具多个周期性多边形结构，其对经入射表面的入射光源组成的不同波长进行分谱，使光束在空间中按不同波长分开，且被分谱的各波长光束可平行于原入射光方向出射或与原入射光的行进方向夹一特定角度出射。角度范围例如是0°～60°。

本发明就基本的特征来看，是借由透镜的结构将光束对应象素的位置偏折与聚集，利用绕射光栅结构将不同颜色光分离。透镜结构与绕射光栅结构可以有多种组合，更可以是单体的光学结构。本发明可以减少滤光片的使用。

虽然本发明已以诸项实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (20)

1.一种复合式分光元件，接收一光束，该光束至少具有混合的多个波段光，该复合式分光元件包括：

一第一光学膜片，具有形状相同的多个微结构透镜，每一该微结构透镜接收该光束以产生具有一聚集程度的一偏折光；

一第二光学膜片，具有多个周期性多边形结构，接收该些偏折光，将该光束的该些波段光分离，且依照该些波段光的多个波长，使分别向在一平面上的一预定区域射出。

2.根据权利要求1所述的复合式分光元件，其中被该第二光学膜片分离的该些波段光与该光束中心波段是实质上平行。

3.根据权利要求1所述的复合式分光元件，其中该第二光学膜片将该些波段光分离后，依照设定的一绕射效应，将该些波段光对应一象素的多个子象素的该预定区域射出。

4.根据权利要求1所述的复合式分光元件，其中该第二光学膜片是一棱镜片。

5.根据权利要求1所述的复合式分光元件，其中该第一光学膜片的该些微结构透镜，分别对应一阵列的多个象素来设置。

6.根据权利要求1所述的复合式分光元件，其中该第一光学膜片包括：

一微透镜片，有多个微透镜；以及

一光栅片，有多个微光栅单元分别与该些微透镜组合成该些微结构透镜。

7.根据权利要求6所述的复合式分光元件，其中该些微透镜的每一个是中心对称的微透镜，该些光栅单元的每一个是折光的光学结构。

8.根据权利要求6所述的复合式分光元件，其中该微透镜片与该光栅是结构整体的一单一光学膜片。

9.根据权利要求6所述的复合式分光元件，其中该微透镜片与该光栅是结构分离的二个光学膜片。

10.根据权利要求1所述的复合式分光元件，其中该第一光学膜片包括一微透镜片，有多个微透镜，其中该些微透镜的每一个具有一第一表面与一第二表面，同时对该光束产生该聚集程度的该偏折光。

11.根据权利要求10所述的复合式分光元件，其中该第一光学膜片的该些微透镜的该第一表面与该第二表面包括一平滑曲面与一平面。

12.根据权利要求10所述的复合式分光元件，其中该第一光学膜片的该些微透镜的该第一表面与该第二表面是对应一平滑曲面的一减厚结构。

13.根据权利要求1所述的复合式分光元件，其中该第一光学膜片与该第二光学膜片是结构整体的一单一光学膜片。

14.根据权利要求1所述的复合式分光元件，其中从该第二光学膜片出射的该些波段光是对一显示器的每一个子象素提供一色光源。

15.一种复合式分光元件，接收一入射光束，该光束至少有混合的多个波段光，该复合式分光元件包括：

一光学膜片，具有一光入射表面及一光出射表面，

其中该光入射表面上具有形状相同的多个微结构透镜，每个该微结构透镜对该入射光束，产生聚集及偏折，

其中该光出射表面上具有周期性的多个多边形结构，接收经过该入射表面的该入射光束，使该入射光束在空间中按不同波长分离。

16.根据权利要求15所述的复合式分光元件，其中该光入射表面上的该些微结构透镜的形状，是一平滑曲面或是对应一平滑曲面分割减厚的一结构面。

17.根据权利要求15所述的复合式分光元件，其中该些微结构透镜是对应一显示象素阵列的多个象素来设置。

18.根据权利要求15所述的复合式分光元件，其中该光出射表面的该些多边形结构是直角棱镜结构。

19.根据权利要求15所述的复合式分光元件，其中该光出射表面的该些多边形结构将通过该些微结构透镜的该光束，借由光学绕射机制分离出该些波段光，向在一平面上的多个预定区域射出。

20.根据权利要求19所述的复合式分光元件，其中该平面上的该预定区域是一液晶显示面板的多个子象素位置。

Images