CN105717564A - 消偏振五角棱镜及其制作方法 - Google Patents

消偏振五角棱镜及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种消偏振五角棱镜，包括五角棱镜镜体和楔角片，所述五角棱镜镜体通过紧邻直角面的一个斜面与楔角片的最长斜边面连接。所述五角棱镜镜体和楔角片采用同一基板材料，所述五角棱镜镜体和楔角片的接合面之间还设有消偏振介质薄膜层和胶水层，消偏振介质薄膜层镀设于五角棱镜镜体上，胶水层胶合于消偏振介质薄膜层和楔角片之间。该发明克服了现有五角棱镜消偏振常用金属消偏振膜所存在的消偏振效果不佳、使用寿命不长、设计及生产控制难度大、与胶水匹配度差、重复性和稳定性不好的缺点，具有消偏振效果好、与各种胶水匹配度好、设计和生产精准控制难度低、重复性和稳定性高的优点。

Description

消偏振五角棱镜及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种消偏振五角棱镜及其制作方法，应用在五角棱镜的制作领域上。
背景技术
五角棱镜是指两反射面夹角为45°，入射光精确地实现90°反射的棱镜，它是光束定角度转向器之一。五角棱镜不同于直角棱镜，所成的像既无旋转也无镜面反射，利用这个特性可进行大平面的平面性测量，即把五角棱镜绕水平轴作旋转时的出射光线在垂直面内扫出一个平面，反之绕垂直轴旋转，则可测定水平面内的平面性。目前，五角棱镜被广泛应用在水准仪和测距仪上，也可用在单反相机上。当光线倾斜入射到光学薄膜时，由于电场和磁场在各个膜层的切向分量要保持连续，使得光线P-分量和S-分量的有效折射率出现差别，从而导致偏振效应的产生，即在薄膜系统倾斜使用时P偏振和S偏振的透射带都向短波移动，由于这两种偏振光透射带移动的量不一样，致使分光镜和滤光片在应用时曲线出现“台阶”，并使滤光片的带宽减小、峰值和透射率都降低。在大部分光学系统中，偏振效应带来的是光学系统性能的劣变，必须消除或减少。现有技术中多采用金属消偏振膜，其存在着消偏振效果不佳、使用寿命不长、设计及生产控制难度大的缺点。因此提供一种使用介质光学薄膜材料的消偏振膜，在光线倾斜入射情况下P光、S光的消偏振效果好，能提高器件平行度、降低光背离、提高器件精度、降低设计和生产精准控制难度、生产效率高、重复性和稳定性高的消偏振五角棱镜己成为当务之亟。
发明内容
为了克服现有五角棱镜消偏振常用金属消偏振膜所存在的消偏振效果不佳、使用寿命不长、设计及生产控制难度大、与胶水匹配度差、重复性和稳定性不好的缺点，本发明提供一种消偏振五角棱镜及其制作方法，其采用由高折射率介质材料和低折射率介质材料交叠而成的多层介质光学薄膜替代了传统的金属消偏振膜，具有消偏振效果好、与各种胶水匹配度好、设计和生产精准控制难度低、重复性和稳定性高的优点。
本发明的技术方案如下：
一种消偏振五角棱镜，包括五角棱镜镜体和楔角片，所述五角棱镜镜体通过紧邻直角面的一个斜面与楔角片的最长斜边面连接。所述五角棱镜镜体和楔角片采用同一基板材料，所述五角棱镜镜体和楔角片的接合面之间还设有消偏振介质薄膜层和胶水层，消偏振介质薄膜层镀设于五角棱镜镜体上，胶水层胶合于消偏振介质薄膜层和楔角片之间，所述消偏振介质薄膜层为由高折射率介质Nb2O5层和低折射率介质SiO2层依次交叠而成的多层介质薄膜结构，消偏振介质薄膜层包含的层数至少为29层，且该消偏振介质薄膜层的光谱指标为：T/R＝18/82±2％，|Tp-Ts|<4％，中心波长532±10nm，AOI＝22.5°，其中T表示透过率，R为反射率，Tp、Ts分别为透过光的P偏振态和S偏振态，AOI为光线入射角度。
本申请的消偏振五角棱镜采用介质光学薄膜层来替代传统的金属消偏振膜，不仅使用该膜的寿命大大提升，而且该膜的重复性和稳定性高，在光线倾斜入射的情况下，该消偏振五角棱镜消除P光、S光偏振效应的效果更佳。Nb2O5膜料折射率高，可见光透过率高，在膜系设计过程中所需使用的层数较少，并且设计的带宽容差大，能大大降低生产难度。选择Nb2O5和SiO2作为介质薄膜材料其结合的膜层应力小，稳定性更好，且这两种膜料能与各种透明胶水匹配，降低了设计和生产控制的难度，便于制备出生产易控制且稳定性好的介质消偏振薄膜。
所述消偏振介质薄膜层的层数为29层，各层依照距五角棱镜镜体从近到远的顺序依次为：1.000H、1.1338L、1.23H、1.5752L、1.2721H、1.1065L、0.9383H、0.9955L、0.8955H、0.9601L、0.8379H、0.8403L、0.6624H、0.6573L、0.587H、0.7079L、0.7061H、0.8478L、0.8212H、0.9102L、0.8033H、0.5246L、2.2512H、0.8212L、0.836H、0.7775L、0.5054H、0.4454L、0.6143H，其中数值+H代表对应1/4波长光学厚度的Nb2O5层，数值+L代表对应1/4波长光学厚度的SiO2层，该消偏振介质薄膜层的中心波长为590nm。特别设计的由29层高折射率Nb2O5层和低折射率SiO2层交叠构成的消偏振介质薄膜层的消偏振效果更佳。
所述基板材料为无杂质、无气泡、无包络且出射光光背离小于30＂的基板材料。
所述基板材料为K9玻璃、BK7玻璃或熔石英FS。上述基板材料保证了本消偏振五角棱镜良好的透明性以及消偏振的效果。
所述五角棱镜镜体的纵剖面轴对称，该纵剖面具有四个112.5°的内角和一个90°的内角，该五角棱镜镜体的两个直角面及紧邻直角面的两个斜面均为经抛光处理的面；所述楔角片的纵剖面为具有一个22.5°内角的直角三角形。
所述五角棱镜镜体的两个直角面均镀有增透膜，相对于与楔角片连接的斜面的另一紧邻直角面的斜面镀有高反膜，该设计使得入射光的入射及反射效果更佳。
所述胶水层在可见光范围内是透明的，无吸收且折射率为1.39-1.6，该胶水层保证了入射光的透射及反射效果。
所述楔角片的出射面与五角棱镜镜体的入射面的平行度＜10＂，保证了消偏振的良好效果。
所述消偏振五角棱镜的制作方法，依次包括以下步骤：
①五角棱镜镜体的抛光：对五角棱镜镜体的两个直角面及紧邻直角面的两个斜面进行抛光处理；
②镀消偏振介质薄膜层：选用高真空度的镀膜机在590nm的监控波长下，在五角棱镜镜体紧邻直角面的一个斜面上依次交替蒸镀上高折射率介质Nb2O5层和低折射率介质SiO2层构成消偏振介质薄膜层，其中蒸镀光强变化＜5％的层时该镀膜机采用晶振控制，而镀其他层时镀膜机采用直接光控控制；
③胶水层粘合：在楔角片的最长斜边面上涂上胶水层，并通过胶水层让楔角片与镀上消偏振介质薄膜层的五角棱镜镜体斜面粘合；
④粘合的后抛光：对粘合后的楔角片进行重新定位抛光，使得楔角片的出射面与五角棱镜镜体的入射面的平行度＜10＂；
⑤五角棱镜镜体其他面的镀膜处理：在五角棱镜镜体的两个直角面上均镀上增透膜，在相对于与楔角片粘合连接的斜面的另一紧邻直角面的斜面上镀上高反膜。
本申请消偏振五角棱镜通过直接在五角棱镜镜体紧邻直角面的一个斜面上依次分层交叠镀上高折射率介质Nb2O5层和低折射率介质SiO2层的方式形成了消偏振介质薄膜层，再通过胶水层将五角棱镜镜体与楔角片粘结在一起。由于采用了高折射率介质材料Nb2O5和低折射率介质材料SiO2降低了设计难度和生产制作难度。同时镀消偏振介质薄膜层时镀膜机采用直接光控系统对镀膜的厚度进行控制，即在新的一层时对前一层的厚度误差实现自我补偿，重新确认蒸镀停止点。而对部分光强变化较小的层数选择晶振控制来判定。通过直接光控和晶振控制实现了镀膜厚度的精准控制，也降低了加工难度，提高了器件平行度，降低了光背离，提高了器件精度和生产效益。
所述步骤②按照以下顺序依次在五角棱镜镜体紧邻直角面的一个斜面上交替蒸镀上29层由高折射率介质Nb2O5层和低折射率介质SiO2层构成消偏振介质薄膜层：1.000H、1.1338L、1.23H、1.5752L、1.2721H、1.1065L、0.9383H、0.9955L、0.8955H、0.9601L、0.8379H、0.8403L、0.6624H、0.6573L、0.587H、0.7079L、0.7061H、0.8478L、0.8212H、0.9102L、0.8033H、0.5246L、2.2512H、0.8212L、0.836H、0.7775L、0.5054H、0.4454L、0.6143H，其中数值+H代表对应1/4波长光学厚度的Nb2O5层，数值+L代表对应1/4波长光学厚度的SiO2层，该消偏振介质薄膜层的中心波长为590nm；其中，镀第8、22、27-29层时该镀膜机采用晶振控制。
与现有技术相比，本发明申请具有以下优点：
1)本申请采用由高折射率介质材料Nb2O5和低折射率介质材料SiO2依次交叠构成的消偏振介质薄膜层，不仅相对传统所使用的金属消偏振膜而言大大提升了使用寿命，而且膜层应力小，重复性和稳定性高，消偏振效应的效果更佳，这两种膜料能与各种透明胶水匹配，降低了设计和生产控制的难度，便于制备出生产易控制且稳定性好的介质消偏振薄膜；
2)特别设计的由29层消偏振介质薄膜层的消偏振效果更佳；
3)本申请的消偏振五角棱镜通过直接光控和晶振控制实现了镀膜厚度的精准控制消偏振介质薄膜层镀膜，不仅降低了加工难度，提高器件平行度，降低光背离，提高器件精度，提高了生产效益。
本消偏振五角棱镜将入射光束分成垂直的两束出射光，其中透射光束作为参考信号，所成的像既无旋转也无镜面反射，光背离小于30＂，平行度可控制在＜10＂，出射光强比偏差小于2％，偏振光S-分量和P-分量可精确的控制在＜4％，带宽可达30nm，消偏振效果佳。
附图说明
图1是本发明所述的消偏振五角棱镜的结构示意图；
图2是本发明所述的消偏振五角棱镜的分光曲线图。
标号说明：
五角棱镜镜体1、楔角片2、胶水层3、消偏振介质薄膜层4。
具体实施方式
下面结合说明书附图1-2对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
如图1-2所示，本发明所述的一种消偏振五角棱镜，包括五角棱镜镜体1和楔角片2，所述五角棱镜镜体1通过紧邻直角面的一个斜面与楔角片2的最长斜边面连接。所述五角棱镜镜体1和楔角片2采用同一基板材料，所述五角棱镜镜体1和楔角片2的接合面之间还设有消偏振介质薄膜层4和胶水层3，消偏振介质薄膜层4镀设于五角棱镜镜体1上，胶水层3胶合于消偏振介质薄膜层4和楔角片2之间，所述消偏振介质薄膜层4为由高折射率介质Nb2O5层和低折射率介质SiO2层依次交叠而成的多层介质薄膜结构，消偏振介质薄膜层4包含的层数至少为29层，且该消偏振介质薄膜层4的光谱指标为：T/R＝18/82±2％，|Tp-Ts|<4％，中心波长532±10nm，AOI＝22.5°，其中T表示透过率，R为反射率，Tp、Ts分别为透过光的P偏振态和S偏振态，AOI为光线入射角度。所述基板材料为无杂质、无气泡、无包络且出射光光背离小于30＂的基板材料。该基板材料为K9玻璃、BK7玻璃或熔石英FS。所述五角棱镜镜体1的纵剖面轴对称，该纵剖面具有四个112.5°的内角和一个90°的内角，该五角棱镜镜体1的两个直角面及紧邻直角面的两个斜面均为经抛光处理的面；所述楔角片2的纵剖面为具有一个22.5°内角的直角三角形。所述五角棱镜镜体1的两个直角面均镀有增透膜，相对于与楔角片2连接的斜面的另一紧邻直角面的斜面镀有高反膜。所述胶水层3在可见光范围内是透明的，无吸收且折射率为1.39-1.6。所述楔角片2的出射面与五角棱镜镜体1的入射面的平行度＜10＂。
该消偏振五角棱镜的制作方法，依次包括以下步骤：
①五角棱镜镜体的抛光：对五角棱镜镜体1的两个直角面及紧邻直角面的两个斜面进行经抛光处理；
②镀消偏振介质薄膜层：选用高真空度的镀膜机在590nm的监控波长下，在五角棱镜镜体1紧邻直角面的一个斜面上依次分层镀上消偏振介质薄膜层4，其中镀消偏振介质薄膜层4中光强变化＜5％的层时该镀膜机采用晶振控制，而镀其他层时镀膜机采用直接光控控制；
③胶水层粘合：在楔角片2的最长斜边面上涂上胶水层3，并通过胶水层3让楔角片2与镀上消偏振介质薄膜层4的五角棱镜镜体1斜面粘合；
④粘合的后抛光：对粘合后的楔角片2进行重新定位抛光，使得楔角片2的出射面与五角棱镜镜体1的入射面的平行度＜10＂；
⑤五角棱镜镜体其他面的镀膜处理：在五角棱镜镜体1的两个直角面上均镀上增透膜，在相对于与楔角片2粘合连接的斜面的另一紧邻直角面的斜面上镀上高反膜。
实施例2
其与实施例1的区别在于：所述消偏振介质薄膜层4的层数为29层，各层依照距五角棱镜镜体1从近到远的顺序依次为：1.000H、1.1338L、1.23H、1.5752L、1.2721H、1.1065L、0.9383H、0.9955L、0.8955H、0.9601L、0.8379H、0.8403L、0.6624H、0.6573L、0.587H、0.7079L、0.7061H、0.8478L、0.8212H、0.9102L、0.8033H、0.5246L、2.2512H、0.8212L、0.836H、0.7775L、0.5054H、0.4454L、0.6143H，其中数值+H代表对应1/4波长光学厚度的Nb2O5层，数值+L代表对应1/4波长光学厚度的SiO2层，该消偏振介质薄膜层4的中心波长为590nm。
本实施例消偏振五角棱镜的制作方法中，所述步骤②中镀该消偏振介质薄膜层4的第8、22、27-29层时该镀膜机采用晶振控制。
本发明所述的消偏振五角棱镜及其制作方法并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消偏振五角棱镜，包括五角棱镜镜体(1)和楔角片(2)，所述五角棱镜镜体(1)通过紧邻直角面的一个斜面与楔角片(2)的最长斜边面连接；其特征在于：所述五角棱镜镜体(1)和楔角片(2)采用同一基板材料，所述五角棱镜镜体(1)和楔角片(2)的接合面之间还设有消偏振介质薄膜层(4)和胶水层(3)，消偏振介质薄膜层(4)镀设于五角棱镜镜体(1)上，胶水层(3)胶合于消偏振介质薄膜层(4)和楔角片(2)之间，所述消偏振介质薄膜层(4)为由高折射率介质Nb2O5层和低折射率介质SiO2层依次交叠而成的多层介质薄膜结构，消偏振介质薄膜层(4)包含的层数至少为29层，且该消偏振介质薄膜层(4)的光谱指标为：T/R＝18/82±2％，|Tp-Ts|<4％，中心波长532±10nm，AOI＝22.5°，其中T表示透过率，R为反射率，Tp、Ts分别为透过光的P偏振态和S偏振态，AOI为光线入射角度。
2.根据权利要求1所述的消偏振五角棱镜，其特征在于：所述消偏振介质薄膜层(4)的层数为29层，各层依照距五角棱镜镜体(1)从近到远的顺序依次为：1.000H、1.1338L、1.23H、1.5752L、1.2721H、1.1065L、0.9383H、0.9955L、0.8955H、0.9601L、0.8379H、0.8403L、0.6624H、0.6573L、0.587H、0.7079L、0.7061H、0.8478L、0.8212H、0.9102L、0.8033H、0.5246L、2.2512H、0.8212L、0.836H、0.7775L、0.5054H、0.4454L、0.6143H，其中数值+H代表对应1/4波长光学厚度的Nb2O5层，数值+L代表对应1/4波长光学厚度的SiO2层，该消偏振介质薄膜层(4)的中心波长为590nm。
3.根据权利要求1所述的消偏振五角棱镜，其特征在于：所述基板材料为无杂质、无气泡、无包络且出射光光背离小于30＂的基板材料。
4.根据权利要求3所述的消偏振五角棱镜，其特征在于：该基板材料为K9玻璃、BK7玻璃或熔石英FS。
5.根据权利要求1所述的消偏振五角棱镜，其特征在于：所述五角棱镜镜体(1)的纵剖面轴对称，该纵剖面具有四个112.5°的内角和一个90°的内角，该五角棱镜镜体(1)的两个直角面及紧邻直角面的两个斜面均为经抛光处理的面；所述楔角片(2)的纵剖面为具有一个22.5°内角的直角三角形。
6.根据权利要求5所述的消偏振五角棱镜，其特征在于：所述五角棱镜镜体(1)的两个直角面均镀有增透膜，相对于与楔角片(2)连接的斜面的另一紧邻直角面的斜面镀有高反膜。
7.根据权利要求1所述的消偏振五角棱镜，其特征在于：所述胶水层(3)在可见光范围内是透明的，无吸收且折射率为1.39-1.6。
8.根据权利要求1所述的消偏振五角棱镜，其特征在于：所述楔角片(2)的出射面与五角棱镜镜体(1)的入射面的平行度＜10＂。
9.根据权利要求1-8任一项所述的消偏振五角棱镜的制作方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
①五角棱镜镜体的抛光：对五角棱镜镜体(1)的两个直角面及紧邻直角面的两个斜面进行抛光处理；
②镀消偏振介质薄膜层：选用高真空度的镀膜机在590nm的监控波长下，在五角棱镜镜体(1)紧邻直角面的一个斜面上依次交替蒸镀上高折射率介质Nb2O5层和低折射率介质SiO2层构成消偏振介质薄膜层(4)，其中蒸镀光强变化＜5％的膜层选用晶振控制，而镀其他层时镀膜机采用直接光控控制；
③胶水层粘合：在楔角片(2)的最长斜边面上涂上胶水层(3)，并通过胶水层(3)让楔角片(2)与镀上消偏振介质薄膜层(4)的五角棱镜镜体(1)斜面粘合；
④粘合的后抛光：对粘合后的楔角片(2)进行重新定位抛光，使得楔角片(2)的出射面与五角棱镜镜体(1)的入射面的平行度＜10＂；
⑤五角棱镜镜体其他面的镀膜处理：在五角棱镜镜体(1)的两个直角面上均镀上增透膜，在相对于与楔角片(2)粘合连接的斜面的另一紧邻直角面的斜面上镀上高反膜。
10.根据权利要求9所述的消偏振五角棱镜的制作方法，其特征在于：所述步骤②按照以下顺序依次在五角棱镜镜体(1)紧邻直角面的一个斜面上交替蒸镀上29层由高折射率介质Nb2O5层和低折射率介质SiO2层构成消偏振介质薄膜层(4)：1.000H、1.1338L、1.23H、1.5752L、1.2721H、1.1065L、0.9383H、0.9955L、0.8955H、0.9601L、0.8379H、0.8403L、0.6624H、0.6573L、0.587H、0.7079L、0.7061H、0.8478L、0.8212H、0.9102L、0.8033H、0.5246L、2.2512H、0.8212L、0.836H、0.7775L、0.5054H、0.4454L、0.6143H，其中数值+H代表对应1/4波长光学厚度的Nb2O5层，数值+L代表对应1/4波长光学厚度的SiO2层，该消偏振介质薄膜层(4)的中心波长为590nm；其中，镀第8、22、27-29层时该镀膜机采用晶振控制。
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