專利名稱：一種寬帶棱鏡多層膜偏振分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬帶棱鏡多層膜偏振分束器，屬于光學(xué)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于諸如LCoS頭盔、液晶投影機(jī)和偏振儀等之類的各種光學(xué)、光電和激光儀器。
背景技術(shù)：
在各種光學(xué)、光電和激光儀器中，棱鏡多層膜偏振分束器得到了極其廣泛的應(yīng)用，例如，在LCoS頭盔和液晶投影機(jī)中，由于液晶的電光效應(yīng)是建筑在對(duì)偏振光的調(diào)制作用上的，所以入射到液晶調(diào)制器件上的光線必須是高偏振度的偏振光。所謂棱鏡多層膜偏振分束器，就是鍍?cè)趦蓚€(gè)棱鏡之間的偏振多層膜分束器，它能使P-偏振光全部透射，S-偏振光全部反射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自然光的偏振分束。這與雙折射晶 體偏振分束器的工作原理是完全不同的。棱鏡多層膜偏振分束器是按照MacNeille方法設(shè)計(jì)的，這種方法的技術(shù)關(guān)鍵在于高、低兩種折射率的薄膜材料折射率IiinIk和棱鏡的折射率&構(gòu)成的所有界面都必須滿足布儒斯特角條件Sinej Yin2ff + //〗)=irHn\，其中0 s為入射光在偏振分束多層膜上的入射角。按此條件可見，IiinI^ns和93是互相制約的?，F(xiàn)有技術(shù)的棱鏡多層膜偏振分束器為了采用性能最優(yōu)良、價(jià)格最便宜的K9玻璃制作棱鏡，其折射率ns=l. 516;而且為把光路設(shè)計(jì)成反射的S-偏振光與透射的p_偏振光互相垂直，兩個(gè)棱鏡都采用等腰直角三角棱鏡，這樣入射光在偏振分束多層膜上的入射角0 s=45°。上述這兩個(gè)條件一旦限定，高、低折射率的兩種薄膜材料的折射率nH、rv就沒有什么選擇余地了，MgF2是一種優(yōu)良的低折射率薄膜材料，其折射率A=L 38，為滿足布儒斯特角條件，高折射率材料只能選MgO，其折射率％=1.69。雖然MgO薄膜材料有強(qiáng)的吸濕性，但從滿足布儒斯特角條件考慮，它仍被視為K9玻璃棱鏡多層膜偏振分束器的最佳高折射率薄膜材料。此外，這種偏振分束器由于偏振分束多層膜高、低折射率薄膜材料的折射率之差較小，因此不僅需要的偏振膜層數(shù)多、工藝復(fù)雜，更為甚者，偏振分束器的偏振帶很窄，大約只有l(wèi)OOnm，因而限制了其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種寬帶棱鏡多層膜偏振分束器。本發(fā)明的構(gòu)思是棱鏡多層膜偏振分束器都是按照MacNeille方法設(shè)計(jì)的，這種方法的設(shè)計(jì)原理是偏振分束多層膜的所有界面都必須滿足布儒斯特角條件，此時(shí)光在偏振分束多層膜中的傳播行為是P_偏振光在每個(gè)界面上全部透射，S-偏振光在每個(gè)界面上部分反射。為使S-偏振光也能全部反射，一個(gè)方法是增加多層膜的層數(shù)，也即增加界面的數(shù)目。但若高、低兩種折射率薄膜的折射率之差較小，則增加多層膜層數(shù)雖可增加S-偏振光的反射，但卻增加不了偏振帶的寬度。另一個(gè)方法是增加高、低折射率兩種薄膜材料的折射率之差，這種方法不僅可用較少的膜層數(shù)獲得很高的S-偏振光反射，而且可使偏振帶寬度大大展寬。
為此，本發(fā)明試圖增加高、低折射率兩種薄膜材料的折射率之差。分析目前可供選用的薄膜材料，仍然選擇MgF2作為低折射率的薄膜材料，而高折射率材料選用折射率為
2.36的TiO2薄膜，此時(shí)為滿足布儒斯特角條件，入射光在偏振分束多層膜上的入射角應(yīng)9S=52°。為達(dá)到0S=52°，必須對(duì)棱鏡進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，由此，將第一棱鏡的第一面與第一棱鏡的第二面的夾角設(shè)計(jì)為52°，將第一棱鏡的第二面與第一棱鏡的第三面的夾角隨第一棱鏡和第二棱鏡的選用的材料的折射率從I. 85到I. 516的變化設(shè)計(jì)為65. 6° 77°。從而，自然光由偏振分束多層膜分成透射的p-偏振光和反射的S-偏振光后,反射的S-偏振光與透射的P-偏振光互相垂直。這種棱鏡多層膜偏振分束器所需的膜層數(shù)可望大大減少，而且偏振分束器的偏振帶寬和偏振消光比得到顯著改善。為制造和裝調(diào)方便起見，則可將現(xiàn)有技術(shù)的偏振分束器的 兩個(gè)等腰直角三角棱鏡中的第一個(gè)等腰直角三角棱鏡設(shè)計(jì)為梯形棱鏡，而把第二個(gè)等腰直角三角棱鏡設(shè)計(jì)為直角棱鏡；梯形棱鏡的第一面與梯形棱鏡的第二面的夾角為52°，梯形棱鏡的第二面與梯形棱鏡的第三面的夾角隨選用棱鏡玻璃的折射率從I. 85變化到I. 516時(shí)為65. 6° 77°。若要仍然滿足現(xiàn)有技術(shù)的偏振分束器的兩個(gè)基本特點(diǎn)一是采用性能最優(yōu)良、價(jià)格最便宜的K9玻璃棱鏡，二是反射的S-偏振光與透射的p_偏振光互相垂直,則直角棱鏡第一面與直角棱鏡的第二面夾角亦為52°，直角棱鏡的另一個(gè)銳角為38°。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采取的具體技術(shù)方案是寬帶棱鏡多層膜偏振分束器包括第一棱鏡、第二棱鏡和偏振分束多層膜，其中偏振分束多層膜鍍?cè)诘谝焕忡R的第二面和第二棱鏡的第一面之間，并且分別與第一棱鏡的第二面和第二棱鏡的第一面緊密接觸；入射光垂直入射到第一棱鏡的第一面后，經(jīng)第一棱鏡的第二面透射后進(jìn)入偏振分束多層膜，偏振分束多層膜將入射的自然光分成透射的p-偏振光和反射的S-偏振光,其中,透射的p-偏振光依次經(jīng)由第二棱鏡的第一面、第二棱鏡的第二面而出射，反射的S-偏振光依次經(jīng)由第一棱鏡的第二面、第一棱鏡的第三面而出射，且p-偏振出射光和S-偏振出射光互相垂直；第一棱鏡的第一面與第一棱鏡的第二面的夾角為52°，第一棱鏡的第二面與第一棱鏡的第三面的夾角為65.6° 77°，對(duì)應(yīng)于第一棱鏡和第二棱鏡的折射率I. 85 I. 516。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的第一棱鏡和第二棱鏡的材料常選用折射率為I. 516的K9玻璃，此時(shí)第一棱鏡的第二面與第一棱鏡的第三面的夾角為77°。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述偏振分束多層膜包括偏振膜，所述偏振膜由TiO2膜和MgF2膜交替的奇數(shù)層膜組成，且偏振膜兩側(cè)的膜層均是Ti02。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述偏振分束多層膜還包括SiO2過渡薄膜，偏振膜兩側(cè)的TiO2膜層上分別鍍有一層所述SiO2過渡薄膜，SiO2過渡薄膜的折射率同時(shí)與TiO2膜、第一棱鏡和第二棱鏡的折射率相匹配。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的第一棱鏡為梯形棱鏡，其中，第一棱鏡的第一面為梯形棱鏡的第一腰所在的工作面，第一棱鏡的第二面為梯形棱鏡的底邊所在的工作面，第一棱鏡的第三面為梯形棱鏡的第二腰所在的工作面。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的第二棱鏡為直角三角棱鏡，其中，第二棱鏡的第一面為直角三角棱鏡的斜邊所在的工作面，第二棱鏡的第二面為直角三角棱鏡的一個(gè)直角邊所在的工作面。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是現(xiàn)有技術(shù)的棱鏡多層膜偏振分束器由于兩個(gè)K9玻璃棱鏡都采用等腰直角三角棱鏡，入射光在偏振分束多層膜上的入射角為45°。為滿足布儒斯特角條件，選用MgO/MgF2作為高、低折射率薄膜材料，遺憾的是，MgO薄膜材料具有強(qiáng)的吸濕性，使偏振分束器的使用壽命受到限制；其次，由于偏振分束多層膜高、低折射率薄膜材料的折射率之差較小，因此偏振分束多層膜的層數(shù)多、工藝復(fù)雜；更有甚者，偏振分束器的偏振帶只有IOOnm左右。而本發(fā)明的棱鏡多層膜偏振分束器由于采用高硬度、高穩(wěn)定性的TiO2作為高折射率薄膜材料，因此大大延長(zhǎng)了偏振分束器的使用壽命；同時(shí)由于TiO2薄膜的折射率聞，與現(xiàn)有技術(shù)的偏振分束多層膜相比，在相同的S-偏振光反射率的情況下，本發(fā)明的偏振分束多層膜的高、低折射率薄膜材料的折射率之差可顯著增大，偏振分束多層膜的層數(shù)大大減少，因而制造成本大大降低；更重要的是，本發(fā)明的偏振分束器不僅偏振消光比顯著提高，而且偏振帶寬從現(xiàn)有技術(shù)的大約IOOnm增加到本發(fā)明的300nm以上。偏振帶寬從IOOnm增加到300nm的意義在于現(xiàn)有技術(shù)的偏振分束多層膜要復(fù)蓋整 個(gè)可見光區(qū)40(T700nm，至少需要三個(gè)不同波長(zhǎng)的偏振分束多層膜串接起來才能實(shí)現(xiàn)，但是由于三個(gè)串接的多層膜會(huì)互相干涉，因此會(huì)影響偏振特性；而本發(fā)明只需一個(gè)偏振分束多層膜就能復(fù)蓋整個(gè)可見光區(qū)，不僅簡(jiǎn)單，而且性能更加穩(wěn)定可靠，以便應(yīng)用于諸如LCoS頭盔、液晶投影機(jī)和偏振儀等之類的各種光學(xué)、光電和激光儀器。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)的棱鏡多層膜偏振分束器的工作原理圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的棱鏡多層膜偏振分束器的偏振特性曲線；圖3是本發(fā)明的棱鏡多層膜偏振分束器的工作原理圖；圖4是本發(fā)明的棱鏡多層膜偏振分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的K9玻璃棱鏡多層膜偏振分束器的偏振特性曲線；圖6是圖5所示的偏振特性曲線所對(duì)應(yīng)的K9玻璃棱鏡多層膜偏振分束器經(jīng)厚度優(yōu)化后的偏振特性曲線；圖7是本發(fā)明的SF57玻璃棱鏡多層膜偏振分束器的偏振特性曲線。
具體實(shí)施例方式圖I是現(xiàn)有技術(shù)的棱鏡多層膜偏振分束器的工作原理圖。它由兩個(gè)K9玻璃的等腰直角三角棱鏡1、2和鍍?cè)谒鼈冎g的偏振分束多層膜3組成。等腰直角三角棱鏡1、2的兩個(gè)內(nèi)角均設(shè)計(jì)為45°，因而入射光4在偏振分束多層膜3上的入射角0S=45°，為光路配置方便，透射的P-偏振光5和反射的S-偏振光6設(shè)計(jì)成互相垂直。為滿足布儒斯特角條件，當(dāng)?shù)驼凵渎时∧?yōu)先采用折射率％=1. 38的MgF2后，高折射率薄膜就只能選MgO，其折射率nH=1.69。這種現(xiàn)有技術(shù)的偏振分束器有三個(gè)明顯的缺點(diǎn)I). MgO薄膜有強(qiáng)的吸濕性，因而器件使用壽命較短；2).為使S-偏振光有足夠高的反射率，偏振分束多層膜的層數(shù)很多，工藝復(fù)雜；3).偏振分束器的偏振帶寬大約只有l(wèi)OOnm，如圖2所示。圖2是現(xiàn)有技術(shù)的棱鏡多層膜偏振分束器的偏振特性曲線，計(jì)算得到在400-500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，33層的MgO/MgF2偏振分束多層膜3達(dá)到的P-偏振光平均透射率為99. 76%, s-偏振光的平均反射率為99. 94%o
圖3是本發(fā)明的棱鏡多層膜偏振分束器的工作原理圖。入射光13由第一棱鏡的第一面垂直入射后，經(jīng)第一棱鏡的第二面透射而進(jìn)入偏振分束多層膜9，并由偏振分束多層膜9分成透射的p_偏振光和反射的S-偏振光,其中，p-偏振光依次經(jīng)由第二棱鏡的第一面、第二棱鏡的第二面透射后而出射，S-偏振光依次經(jīng)由第一棱鏡的第二面、第一棱鏡的第三面透射后而出射，且由第二棱鏡的第二面出射的p-偏振光與由第一棱鏡的第三面出射的S-偏振光互相垂直。與圖I所不的棱鏡多層膜偏振分束器相比,在同樣米用K9玻璃棱鏡和保持透射的p-偏振光14與反射的S-偏振光15互相垂直的前提下，由于選擇TiO2/MgF2作為偏振分束多層膜的高、低折射率材料，其中TiO2膜的折射率nH=2. 36，MgF2膜的折射率％=1. 38，因此在滿足布儒斯特角條件時(shí)，入射光13在偏振分束多層膜上的入射角0S=52°。為此把現(xiàn)有技術(shù)中的等腰直角三角棱鏡I設(shè)計(jì)為梯形棱鏡7 (即本發(fā)明的第一棱鏡)。雖然第一棱鏡可以設(shè)計(jì)成任意形狀，但為制造和裝調(diào)方便，第一棱鏡優(yōu)選設(shè)計(jì)為梯形棱鏡，第一棱鏡的第一面為梯形棱鏡7的第一腰所在的工作面，第一棱鏡的第二面為梯形棱鏡7的底邊所在的工作面，第一棱鏡的第三面為梯形棱鏡的第二腰所在的工作面，這時(shí)棱鏡角Z EDG=128°。同時(shí)把現(xiàn)有技術(shù)中的等腰直角三角棱鏡2設(shè)計(jì)為直角三角棱鏡8(即本發(fā)明的第二棱鏡)。同樣，第二棱鏡也可以做成任意形狀，但為制造和裝調(diào)方便，第二 棱鏡優(yōu)選設(shè)計(jì)為直角棱鏡，第二棱鏡的第一面為直角三角棱鏡8的斜邊所在的工作面，第二棱鏡的第二面為直角三角棱鏡8的一個(gè)直角邊所在的工作面，這時(shí)棱鏡角Z ACB=38°。為了滿足入射光13在偏振分束多層膜上的入射角0s=52°，梯形棱鏡7的第一面與第二面的夾角Z DGF設(shè)計(jì)為52°，它與直角三角棱鏡8的棱鏡角Z ACB=38°共同構(gòu)成直角；同時(shí)為保持透射的P-偏振光14與反射的S-偏振光15互相垂直,梯形棱鏡7的第二面與第三面的夾角Z EFG設(shè)計(jì)為65. 6° 77°，對(duì)應(yīng)于梯形棱鏡7和直角三角棱鏡8的折射率I. 85 I. 516?？紤]到K9玻璃性能優(yōu)良、價(jià)格便宜，故偏振分束器的梯形棱鏡7和直角三角棱鏡8常選用折射率為I. 516的K9玻璃，此時(shí)梯形棱鏡7的第二面與第三面的夾角Z EFG為 77。。圖4所示是本發(fā)明的棱鏡多層膜偏振分束器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，鍍?cè)谔菪卫忡R7和直角三角棱鏡8之間的偏振分束多層膜9是由高折射率的TiO2膜10和低折射率的MgF2膜11交替組成的奇數(shù)層偏振膜，且偏振膜兩側(cè)的膜層均是Ti02。作為優(yōu)選方案，偏振膜的兩側(cè)還可分別鍍有一層SiO2過渡薄膜12，SiO2過渡薄膜的折射率要與偏振膜的高折射率TiO2膜10、梯形棱鏡7和直角三角棱鏡8的折射率相匹配，以減少P-偏振光在TiO2膜10與梯形棱鏡7和直角三角棱鏡8的交界面的殘余反射；并且，通過膜厚調(diào)節(jié)來消除玻璃棱鏡和TiO2薄膜界面上的折射率的輕微失配。在圖4所示的實(shí)施例中，棱鏡偏振分束多層膜共有13層，包括偏振膜11層和過渡膜2層，膜層的光學(xué)厚度表示為設(shè)計(jì)參考波長(zhǎng)的四分之一倍，而本實(shí)施例中的設(shè)計(jì)參考波長(zhǎng)為745nm。本發(fā)明的這種偏振分束器可有效地克服現(xiàn)有技術(shù)偏振分束器的缺陷而具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)偏振分束多層膜沒有吸濕性；(2 )偏振分束多層膜用較少的膜層數(shù)就可使S-偏振光獲得足夠高的反射率；(3)偏振帶寬可達(dá)到300nm以上。圖5是本發(fā)明使用K9玻璃棱鏡制作的多層膜偏振分束器的偏振特性曲線。如圖5所示，當(dāng)偏振分束多層膜9為11層Ti02/MgF2交替偏振膜和2層SiO2過渡膜時(shí)，計(jì)算得到在400-700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)偏振分束多層膜的p_偏振光平均透射率為99. 85%, s-偏振光的平均反射率為99. 94%。顯然，如果采用現(xiàn)有技術(shù)的棱鏡多層膜偏振分束器，則如圖2所示，需要三個(gè)33層的MgO/MgF2偏振分束多層膜3串接起來才能復(fù)蓋波長(zhǎng)400-700nm的偏振帶寬，總膜層數(shù)至少需要99層。由圖5可知，本發(fā)明的K9玻璃棱鏡多層膜偏振分束器的偏振特性實(shí)際上已非常優(yōu)良，但若用商用薄膜設(shè)計(jì)程序TFCal稍作厚度優(yōu)化，其偏振特性還可進(jìn)一步優(yōu)化。圖6是將K9玻璃棱鏡偏振分束多層膜經(jīng)過簡(jiǎn)單厚度優(yōu)化后的偏振特性曲線。如圖6所示，在400-710nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，偏振分束多層膜的p_偏振光平均透射率為99. 93%，S-偏振光的平均反射率為99. 98%。優(yōu)化后的偏振分束多層膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表I所示，表I中的X為設(shè)計(jì)參考波長(zhǎng)，其值為745nm。表I
權(quán)利要求
1.一種寬帶棱鏡多層膜偏振分束器，其特征在于它包括第一棱鏡、第二棱鏡和偏振分束多層膜，偏振分束多層膜在第一棱鏡的第二面和第二棱鏡的第一面之間，并且偏振分束多層膜分別與第一棱鏡的第二面、第二棱鏡的第一面緊密接觸；入射光由第一棱鏡的第一面垂直入射后，經(jīng)第一棱鏡的第二面透射而進(jìn)入偏振分束多層膜，并由偏振分束多層膜分成透射的p-偏振光和反射的S-偏振光,其中，p-偏振光依次經(jīng)由第二棱鏡的第一面、第二棱鏡的第二面透射后而出射，S-偏振光依次經(jīng)由第一棱鏡的第二面、第一棱鏡的第三面透射后而出射，且由第二棱鏡的第二面出射的P-偏振光與由第一棱鏡的第三面出射的S-偏振光互相垂直；第一棱鏡的第一面與第一棱鏡的第二面的夾角為52°，第一棱鏡的第二面與第一棱鏡的第三面的夾角為65. 6° 77°，第一棱鏡和第二棱鏡的折射率I. 85 I.516。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬帶棱鏡多層膜偏振分束器，其特征在于所述第一棱鏡和第二棱鏡的折射率為I. 516，第一棱鏡的第二面與第一棱鏡的第三面的夾角為77°。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的寬帶棱鏡多層膜偏振分束器，其特征在于所述偏振分束多層膜包括偏振膜，所述偏振膜由TiO2膜和MgF2膜交替的奇數(shù)層膜組成，且偏振膜的兩側(cè)的膜層均是TiO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬帶棱鏡多層膜偏振分束器，其特征在于所述偏振分束多層膜還包括SiO2過渡薄膜，偏振膜兩側(cè)的TiO2膜層上分別鍍有一層所述SiO2過渡薄膜，SiO2過渡薄膜的折射率同時(shí)與TiO2膜、第一棱鏡和第二棱鏡的折射率相匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的寬帶棱鏡多層膜偏振分束器，其特征在于所述第一棱鏡為梯形棱鏡，其中，第一棱鏡的第一面為梯形棱鏡的第一腰所在的工作面，第一棱鏡的第二面為梯形棱鏡的底邊所在的工作面，第一棱鏡的第三面為梯形棱鏡的第二腰所在的工作面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的寬帶棱鏡多層膜偏振分束器，其特征在于所述第二棱鏡為直角三角棱鏡，其中，第二棱鏡的第一面為直角三角棱鏡的斜邊所在的工作面，第二棱鏡的第二面為直角三角棱鏡的一個(gè)直角邊所在的工作面。
全文摘要
本發(fā)明公開一種寬帶棱鏡多層膜偏振分束器，包括第一棱鏡、第二棱鏡和偏振分束多層膜。入射光由第一棱鏡的第一面垂直入射后，經(jīng)第一棱鏡的第二面透射進(jìn)入偏振分束多層膜，由偏振分束多層膜分成透射的p-偏振光和反射的s-偏振光，p-偏振光依次經(jīng)由第二棱鏡的第一面、第二棱鏡的第二面透射后出射，s-偏振光依次經(jīng)由第一棱鏡的第二面、第一棱鏡的第三面透射后出射，且由第二棱鏡的第二面出射的光與由第一棱鏡的第三面出射的光垂直；第一棱鏡的第一面與第一棱鏡的第二面的夾角為52o，第一棱鏡的第二面與第一棱鏡的第三面的夾角為65.6o～77o，第一棱鏡和第二棱鏡的折射率1.85～1.516。本發(fā)明偏振分束器不僅制造簡(jiǎn)單，且具有很寬的偏振帶寬和優(yōu)良的偏振消光比。
文檔編號(hào)G02B5/30GK102749670SQ201210230220
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者艾曼靈, 金波, 顧培夫 申請(qǐng)人:杭州科汀光學(xué)技術(shù)有限公司