CN102169238A - 一种偏振分光器件及其在投影光学引擎中的应用 - Google Patents

Abstract

一种偏振分光器件及其在投影光学引擎中的应用，涉及一种偏振分光器件。提供一种可显著增大光束入射角度范围，并保证理想偏振度的偏振分光器件及其应用。设有偏振分光膜系和2块光学棱镜；偏振分光膜系由复数透明介质材料层叠加构成，偏振分光膜系镀制在2块光学棱镜的斜边表面之间，2块光学棱镜的斜边对接，所述2块光学棱镜为2块直角等腰三角形的光学棱镜。所述偏振分光器件可作为基于三色白光光源的投影光学引擎中的偏振分光器。

Description

一种偏振分光器件及其在投影光学引擎中的应用

技术领域

本发明涉及一种偏振分光器件，尤其是涉及一种用于三色白光光源投影显示的偏振分光器件及其在投影光学引擎中的应用。

背景技术

近来，基于三色光源(如LED、激光等)的新型投影仪已成为投影市场上的热点，被认为是下一代投影显示技术的发展方向。在投影光学引擎中，常用的光调制方式之一是通过转换被调制光的偏振态来实现的。偏振分光器件是此类微型投影显示系统中最为重要的器件之一，它的作用是将入射光束分离成透射光和反射光两束，且两束光具有互相垂直的偏振态。

目前，偏振分光器件的结构有多种。一种是利用晶体的双折射特性实现的偏振分光器件，如公开号“CN 1700057A”名称为“一种偏振分束方法及其装置”的发明专利申请公开的一种偏振分光器件，使用透明双折射晶体棱镜组成，根据晶体的性质确定该晶体的切割角，使得沿光轴方向正入射进入晶体的光，在晶体交界面发生全反射后在空间上分解出两束相互垂直振动的偏振光。然而，这种偏振分光器对晶体的切割角和装配均有精确的要求，而且双折射晶体代价高昂，不适用于投影光学引擎。

美国3M公司发明了用多层聚合物薄膜拉伸的方法，制作了新型的偏振分光器件(美国专利US5,962,114)。这种偏振分光器件虽然性能优越，但需要制备多层的聚合物薄膜，工艺复杂。另外聚合物材料不如无机介质材料稳定，长时间使用易老化，降低光学特性。

利用沉积多层透明介质材料制作偏振分光镜的方法，最早来自S.M.MacNeille的发明专利(美国专利US2,403,731)。这种偏振分光镜采用两种折射率满足布儒斯特角关系式的材料，在正入射时可以达到非常好的偏振度，但其性能对入射角度十分敏感，正常使用角度不能超过±2°，否则光谱恶化非常明显。此外，它对材料的折射率也有要求，若实际材料折射率不满足或者偏移布儒斯特角关系式，光谱中心区域的p光透射率都会降低。针对传统MacNeille型偏振分光器的问题，Li Li于1996年对其进行了改进设计(L Li，JA.Dobrowolski，Visible broadband，wide-angle thin-film multilayer polarizing beam splitter，Applied Optics，V.35，2221(1996))，采用四种材料，其中两两满足布儒斯特关系式，最终在较大角度范围内得到了较高的平均偏振度，将入射光允许角度扩大到了±6°。其不足之处是要求的折射率难以在自然界中寻找到对应的材料，且使用的膜层数目最多达72层。

发明内容

本发明的目的是提供一种可显著增大光束入射角度范围，并保证理想偏振度的偏振分光器件。

本发明的另一目的是提供所述偏振分光器件在投影光学引擎中的应用。

所述偏振分光器件设有偏振分光膜系和2块光学棱镜；偏振分光膜系由复数透明介质材料层叠加构成，偏振分光膜系镀制在2块光学棱镜的斜边表面之间，2块光学棱镜的斜边对接，所述2块光学棱镜为2块直角等腰三角形的光学棱镜。

所述复数透明介质材料层最好为20～60层透明介质材料层。

所述偏振分光膜系最好由氧化硅层、氟化镁层、氧化钛层、氧化钽层、氧化铌层、氧化铝层、氧化铪层和氧化锆层中的2～4种材料层组配而成。

所述偏振分光薄膜的总物理厚度最好为2～6μm。

所述2块光学棱镜最好尺寸相同，2块光学棱镜处于同一平面，2块光学棱镜的折射率均不小于1.7，2块光学棱镜的材质可相同或不同。

所述2块光学棱镜的斜边对接最好是2块光学棱镜的斜边通过光学胶粘接，2块光学棱镜形成一体。

所述偏振分光器件可作为基于三色白光光源的投影光学引擎中的偏振分光器。

与现有技术比较，本发明具有以下突出优点：

本发明可通过针对三色白光光源的光谱特点进行偏振分光膜系的设计，在保证偏振分光器性能的前提下，可大大减少透明介质材料层的层数和厚度，使其分光特性对入射光角度的敏感度大大降低，这样可显著增大光束的入射范围，并保证理想偏振度。此外，本发明结构简单，制作工艺简单，将本发明应用于投影光学引擎中，可使投影光学引擎使用的元件减少，结构简单，体积小巧，性能良好，成本降低，适合批量生产。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例所匹配的三色LED光源的归一化光谱分布图。在图2中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为归一化的光谱功率Relative Spectral Power。

图3为本发明实施例的折射率剖面分布图。在图3中，横坐标为物理厚度Physical Thickness(pm)，纵坐标为折射率Refractive Index。

图4为本发明实施例针对光束正入射进入棱镜时p光的透射率曲线Tp。在图4中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为透射率Transmittance(％)。

图5为本发明实施例针对光束正入射进入棱镜时s光的透射率曲线Ts。在图5中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为透射率Transmittance(％)。

图6为本发明实施例针对光束偏离垂直角度±7.4°斜入射进入棱镜时p光的透射率曲线Tp。在图6中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为透射率Transmittance(％)；-表示-7.4°Tp，---表示+7.4°Tp。

图7为本发明实施例针对光束偏离垂直角度±7.4°斜入射进入棱镜时s光的透射率曲线Ts。在图7中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为透射率Transmittance(％)；-表示-7.4°Tp，---表示+7.4°Tp。

图8为采用本发明实施例的投影光学引擎的构造示意图。

具体实施方式

参见图1，偏振分光器件A设有偏振分光膜系3和2块直角等腰三角形光学棱镜1和2。偏振分光膜系由多层透明介质材料堆叠而成，偏振分光膜系镀制在2块光学棱镜1和2的斜边表面之间，2块光学棱镜1和2的斜边通过光学胶对合粘接，2块光学棱镜1和2形成一体，2块光学棱镜1和2尺寸相同且共处于同一平面。图1中的箭头表示光路方向。

2块光学棱镜1和2均由折射率不低于1.7的玻璃制成(也可为其他有机透明材料，2块光学棱镜1和2的材质也可不同)。2个光学棱镜的直角面可根据需要镀制增透膜(图1中未画出)。

本实施例的偏振分光膜系3由氧化钛层、氧化钽层、氧化铝层和氟化镁层4种透明介质材料层组合构成，膜系总层数为41层，膜系总厚度仅为约3.2μm(每种透明介质材料层所需要的层数及4种透明介质材料层叠加组合的顺序均可根据实际需要来设计)。制作偏振分光膜系3时，将不同折射率的透明介质材料层一层一层沉积到1块光学棱镜1上，沉积完成之后，就可将镀有偏振分光膜系的光学棱镜1和另1块无镀膜的光学棱镜2用光学胶粘合到一起，从而构成上述偏振分光器件。

以下给出本实施例的透明介质材料层的排列、每一层材料的厚度和偏振分光器件整体的偏振分光特性。

选择的2块光学棱镜的折射率均为1.85。选择的氧化钛层、氧化钽层、氧化铝层和氟化镁层对应的折射率分别为2.4、2.2、1.67和1.38，为简化起见分别记为H、M1、M2和L。膜系的初始结构由折射率最高和最低的两种材料H和L交替组成，每一层的厚度由以下公式确定：

$d_m=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}}{4\sqrt{n_m^2-\frac{n_{\mathrm{sub}}^2}{2}}}$

其中λ_ref为550nm，n_m为沉积材料的折射率，n_sub为光学棱镜的折射率(本实施例为1.85)。二者交替堆叠的周期数目一股为15个。建立如下的评价函数：

$F={\left(\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\frac{C_j-T_j}{{\mathrm{Tol}}_j}\right|}^2\right)}^{1/2}$

其中，N为目标值的个数，C为当前结构的光谱特性，由当前结构计算而来。T为理想目标的光谱特性，即偏振态平行于入射面的光(p光)在可见光范围内透射率达100％，偏振态垂直于入射面的光(s光)在可见光范围内反射率达100％。Tol为理想目标所允许的容差，其倒数为该目标值的权重。

参见图2，本发明的用于三色白光光源投影显示的偏振分光器件，通过针对三色白光光源光谱的特点进行膜系设计。由图2中可以看出，光谱在可见光范围内并不是近似均匀分布的，而是在a(红)、b(绿)和c(蓝)三个波段存在三个一定宽度的发射峰，其半宽高为20nm到50nm。将三种颜色的光谱峰进行功率配比，使其合成白光，再将合成后的相对功率谱作为不同波长处目标值的权重，建立针对三色光源光谱的新的评价函数。采用针式算法优化膜层层数和厚度，将两种中间折射率的材料M1、M2之一或者同时作为“针”层插入到原始膜系结构中(若只允许两种材料也可直接采用此两种材料作为“针”层)。计算仿真表明，利用这种引入三色光源光谱的评价函数配合针式算法进行优化，对材料折射率无固定数值关系的要求，且其优化设计的膜系可以在较少层数条件下获得高的偏振度，并有更大的角度接受范围。

参见图3，由图3可以看出，偏振分光膜系由氧化钛、氧化钽、氧化铝和氟化镁4种材料构成，膜系总层数为41层，总厚度仅为约32微米。

参见图4和5，可以看出，针对正入射进入光学棱镜的光束，在三色LED发射波长范围内具有高的p光透射率和低的s光透射率(高的s光反射率)，且光源发射波长的相对功率越高，偏振分光器件在此波长处的性能越接近理想目标。经计算，其平均偏振度可达0.997。

参见图6和7，可以看出，针对光束偏离垂直角度±7.4°斜入射进入光学棱镜的光束，其在三色LED发射波长范围内仍具有高的p光透射率和低的s光透射率(高的s光反射率)，其光谱对于光束角度有14.8°的接受范围。经计算，在此范围内，其平均偏振度仍可达0.992。

本发明的偏振分光器件A应用于三色LED光源和激光光源照明下可达到的角度应用范围以及偏振度指标参见表1。

表1

由表1可以看出，角度应用范围有显著增大，偏振度十分理想(普通的偏振分光器件的角度应用范围一股在±2.0°，超出此范围后，反射光的偏振度一股会急剧下降到0.950以下)。

参见图8，三色光源4发出三色光，作为投影显示光学引擎的光源。光束整形装置5用于将三色光源4的光转化成均匀矩形光束出射，其包括对三色光源4发出的光束进行合色变换的各种镜组(图8中未画出)。光束整形装置5出射到偏振分光器件A的光是具有一定会聚角的s偏振光或者自然光。由光束整型装置5出射的光照射到偏振分光器件A上，其包含的s偏振光被反射到LCoS调制板7上。被LCoS调制板7调制后的光由s偏振光转化为p偏振光，并携带了图像信息。携带图像信息的p偏振光再次进入偏振分光器件7上，并出射到投影镜头8，将图像投射出去。

由于入射到偏振分光器件A上的光并不是垂直于光学棱镜面入射，而是具有一定会聚角度的会聚光束，所以除了偏振分光器件A垂直入射时的偏振度以外，偏振分光器件A所适用的角度范围也大大影响到投影系统的成像质量和光能效率，尤其是在应于大会聚角光束的投影系统中。本发明的偏振分光器件A通过针对三色光源4的光谱特点进行膜系设计，在保证偏振分光器性能的前提下，减小了所需膜层的层数和厚度，使其特性对入射光角度的敏感度大大降低，可应于大角度范围光束的入射。因此，应用此偏振分光器件A的投影光学引擎，可降低投影系统对其他光学元件的参数要求，降低投影系统的生产成本，满足市场微型化、轻量化的需求。

Claims (7)

1.一种偏振分光器件，其特征在于设有偏振分光膜系和2块光学棱镜；偏振分光膜系由复数透明介质材料层叠加构成，偏振分光膜系镀制在2块光学棱镜的斜边表面之间，2块光学棱镜的斜边对接，所述2块光学棱镜为2块直角等腰三角形的光学棱镜。

2.如权利要求1所述的一种偏振分光器件，其特征在于所述复数透明介质材料层为20～60层透明介质材料层。

3.如权利要求1所述的一种偏振分光器件，其特征在于所述偏振分光膜系由氧化硅层、氟化镁层、氧化钛层、氧化钽层、氧化铌层、氧化铝层、氧化铪层和氧化锆层中的2～4种材料层组配叠加构成。

4.如权利要求1所述的一种偏振分光器件，其特征在于所述偏振分光薄膜的总物理厚度为2～6μm。

5.如权利要求1所述的一种偏振分光器件，其特征在于所述2块光学棱镜尺寸相同，2块光学棱镜处于同一平面，2块光学棱镜的折射率均不小于1.7。

6.如权利要求1所述的一种偏振分光器件，其特征在于所述2块光学棱镜的斜边对接是2块光学棱镜的斜边通过光学胶粘接，2块光学棱镜形成一体。

7.如权利要求1～6所述偏振分光器件作为基于三色白光光源的投影光学引擎中的偏振分光器。

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