一种消偏振的立方棱镜截止滤光片制造技术

本发明专利技术公开了一种消偏振的立方棱镜截止滤光片，包括两个等腰直角棱镜和设置所述两个等腰直角棱镜之间的截止滤光多层膜，所述的截止滤光多层膜包括交替设置的低折射率膜、中间折射率膜和高折射率膜。所述的截止滤光多层膜由初始结构(0.795L 1.336M 1.12H 1.336M 0.795L)

A depolarized cubic prism cut-off filter

【技术实现步骤摘要】
一种消偏振的立方棱镜截止滤光片
本专利技术涉及光学薄膜领域，具体涉及一种消偏振的立方棱镜截止滤光片。
技术介绍
数字投影显示系统中的消偏振短波通截止滤光片和长波通截止滤光片是构成低偏振像差的彩色分离和彩色图像合成的基础薄膜器件。为光路安排规整、方便，分色、合色或分束、合束系统的入射光常以45°入射角工作，如图1所示，通常系统釆用立方棱镜型(图1a)或平板玻璃型(图1b)来构成截止滤光片器件。棱镜型器件的主要优点是成像像差小、易装调，主要缺点是偏振效应大；而平板型器件的优缺点恰好与立方棱镜型相反：偏振效应较小，但因透射光产生偏折，球差和色差等成像像差较大。这就是说，在成像光路中必然选择立方棱镜型器件，以尽可能地减小图像的像差，而在诸如照明系统的非成像光路中才使用平板型的分合色(束)器件。棱镜型截止滤光片之所以偏振效应比平板型器件大得多的原因，是因为棱镜型截止滤光片膜层中的折射角要比平板型滤光片膜层中的折射角大得多的缘故。现有技术常用高、低两种折射率膜构成截止滤光片来作为分合色(束)器件，对相同的高折射率膜nH＝2.385和低折射率膜nL＝1.382以及相同的入射角45°，应用正弦定律，棱镜型器件有1.52×sin45°＝2.385×sinθH＝1.382×sinθL，得到高、低折射率膜层中的折射角分别为θH＝26.8°和θL＝51.1°；同样用空气折射率1.0代替上式中的玻璃折射率1.52，即可同样算出平板型器件高、低折射率膜层中的折射角分别为θH＝16.9°和θL＝30.8°。可以看出，立方棱镜中膜层的折射角远远大于平板中相同膜层的折射角，入射媒质折射率越高，膜层中的折射角越大；从薄膜光学可知，当光线以θ角倾斜入射于薄膜时，折射率为n的薄膜对s偏振光和p偏振光的有效折射率(或称修正导纳)η是不同的，且有ηs＝ncosθ，ηp＝n/cosθ，θ为光在膜层中的折射角，故膜层中的折射角越大，s、p光的偏振分离和偏振位相差越严重，亦即偏振效应越大。由上述分析可知：1.只要入射光是倾斜入射到薄膜系统的，则薄膜系统的偏振效应是不可避免的；2.薄膜中的折射角越大，膜层的偏振效应越大；3.入射媒质折射率越高，薄膜中的折射角越大；4.入射角越大，薄膜中的折射角也越大；5.膜层的折射率越低，薄膜中的折射角亦越大。以上能很好地解释为什么迄今还是采用空气入射的平板型消偏振截止滤光片和小角度入射的Philips棱镜消偏振截止滤光片，而未见有立方棱镜型截止滤光片的根本原因所在。现有平板型的短波通截止滤光片和长波通截止滤光片分别采用(0.5LH0.5L)和(0.5HL0.5H)作为对称基本元，遗憾的是，若把这些平板型设计设置到立方棱镜中，则其分合色(束)特性就会完全被破坏而不敷应用，更为甚者，不管如何优化，始终得不到可接受的s、p偏振分离及s、p偏振位相差。于是导致：1、造成光能损失，而且由于损失的那一部分光在器件内通过多次反射和折射后变成了杂散光，导致图像清晰度和对比度下降；2、s、p偏振位相差使一部分光由线偏振光变成扁椭圆偏振光，产生偏振像差，这种偏振像差不同于球差、色差等成像像差，最终同样导致光能量损失和引入杂散光。为此，本专利技术提出了一种新的构思，通过采用三种膜层材料的组合，使各对称基本元的等效折射率巧妙地达到Εs＝Εp，从而使透射-反射过渡区本质上就具有足够小的s、p偏振分离和s、p偏振位相差。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有平板截止滤光片和Philips棱镜截止滤光片的技术限制，在45°入射的立方棱镜中，提供了一种消偏振的立方棱镜截止滤光片，以应用于诸如数字投影显示之类的光学、光电和激光仪器中。为实现上述目的，本专利技术在分析现有倾斜入射截止滤光片的基础上，提出了一种新的构思，使消偏振的立方棱镜截止滤光片得以成功，大大减小了立方棱镜截止滤光片的s、p偏振分离和s、p偏振位相差。应用最广泛的平板型截止滤光片由于入射媒质为空气，其折射率为1.0，因而即使在45°入射角的情况下仍可有效地抑制偏振效应。不幸的是，平板玻璃即使在主光线垂直入射时也会产生较大的球差和色差等成像像差，在45°入射角入射的情况下还会产生光路偏折，引入更大的像差，故平板型截止滤光片通常只能用于非成像光路中。对Philips棱镜型截止滤光片也顺便提及一下，由于其入射角可限制在30°以内，现有的最佳设计甚至可低达16°，加上入射(或出射)媒质也可以设计成空气，所以Philips棱镜型截止滤光片的偏振效应自然是不大的，加上它也不会引入成像像差，因而Phillips棱镜型截止滤光片常用作诸如LCoS反射式图像芯片的分合色系统，使入射的非成像光路具有分色功能，而经反射式图像芯片调制后的出射成像光路具有合色功能，成为迄今唯一能结合两个功能的器件。不幸的是，Philips棱镜的入射光和出射光都需线偏振光，所以必须用一个偏振器进行起偏振和检偏振。可以看出，Philips棱镜型截止滤光片的器件结构、工作原理和应用场合都是特殊的，它与自然光以45°入射的平板型截止滤光片和立方棱镜型截止滤光片截然不同，与本专利技术的立方棱镜消偏振截止滤光片没有可比性。虽然平板型截止滤光片和立方棱镜型截止滤光片的入射光均为自然光，且入射角均为45°，但若将平板型截止滤光片应用于立方棱镜时就会产生完全不可接受的偏振效应，原因就是入射媒质的折射率由平板的空气1.0上升为立方棱镜K9玻璃的1.52之缘故。虽然立方棱镜K9玻璃的折射率已算很低，但依然使薄膜中的折射角或偏振效应显著增加。由此可见，设计立方棱镜型截止滤光片就是要在入射角45°和入射媒质K9确定的前提下把偏振效应减至最小。正如
技术介绍
中所述的那样，实际上设计时可能调节的因素非常少，现在只剩下膜层的折射率，即应尽可能选用高的折射率材料，但遗憾的是，本专利技术已选择了最高折射率的二氧化钛，而低折射率材料实际上也是制约的，否则会影响截止滤光片的截止度和截止带宽。为此，本专利技术提出如下新的构思：一、提出采用高折射率(H)、中间折射率(M)和低折射率(L)三种薄膜材料来构成立方棱镜截止滤光片，以增加设计的调节因素，提高灵活性。二、类似于平板型短波通滤光片(0.5LH0.5L)和平板型长波通滤光片(0.5HL0.5H)的对称基本元，提出构建对应于立方棱镜型短波通滤光片(0.5LMHM0.5L)和立方棱镜型长波通滤光片(0.5HMLM0.5H)的对称基本元，由于这些基本元都是对称的，所以每个基本元都可用等效折射率为E的等效单层膜来表示。三、因为一个基本元的截止度非常低，所以必须把对称基本元的重复周期数提高到q：(0.5LMHM0.5L)q和(0.5HMLM0.5H)q，根据对称等效膜性质，只要对称基本元是消偏振的，重复q次后只是滤光片的有效膜层厚度乘上q倍，其等效折射率E保持不变，消偏振条件依然满足。四、因(0.5LMHM0.5L)q对称基本元头尾含有两层八分之一波长厚度的薄膜，分析比较复杂，故对其进行近似处理如下：把(0.5LMHM0.5L)q展开成0.5LMHMLMHMLMHMLMHML……MHM0.5L，可以看出，除第一个和最后一个基本周期分别多了0.5L和少了0.5L以外，其余中间的q－2个都是基本周期MHML，由于MHML都是四分之一波长厚度的薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种消偏振的立方棱镜截止滤光片，包括两个等腰直角棱镜和设置所述两个等腰直角棱镜之间的截止滤光多层膜，其特征在于，所述的截止滤光多层膜包括交替设置的低折射率膜、中间折射率膜和高折射率膜。

【技术特征摘要】
1.一种消偏振的立方棱镜截止滤光片，包括两个等腰直角棱镜和设置所述两个等腰直角棱镜之间的截止滤光多层膜，其特征在于，所述的截止滤光多层膜包括交替设置的低折射率膜、中间折射率膜和高折射率膜。2.根据权利要求1所述的消偏振的立方棱镜截止滤光片，其特征在于，两个等腰直角棱镜的斜边相互平行，所述的截止滤光多层膜设置在所述两个等腰直角棱镜的两个斜边之间。3.根据权利要求1所述的消偏振的立方棱镜截止滤光片，其特征在于，所述的截止滤光多层膜由初始结构(0.795L1.336M1.12H1.336M0.795L)q经厚度优化获得，或由初始结构(0.56H1.336M1.59L1.336M0.56H)q经厚度优化获得，q是正整数，表示对称基本元的周期数，L表示四分之一中心波长厚度的低折射率膜，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率膜，M表示四分之一中心...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾曼灵，金波，郑臻荣，顾培夫，
申请(专利权)人：杭州科汀光学技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33