CN112394531B - 一种能够降低光程差的偏振分光棱镜 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种能够降低光程差的偏振分光棱镜，包括：第一直角棱镜，包括第一直角棱镜主体，以及形成于所述第一直角棱镜主体表面的第一直角面、第二直角面、第一偏振分光面，所述第一偏振分光面表面镀有偏振分光膜；第二直角棱镜，包括第二直角棱镜主体，以及形成于所述第二直角棱镜主体表面的第三直角面、第四直角面、第二偏振分光面，所述第二偏振分光面表面镀有偏振分光膜；以及胶合层，设置于相对设置的所述第一偏振分光面和所述第二偏振分光面之间。

Description

一种能够降低光程差的偏振分光棱镜

技术领域

本公开涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种能够降低光程差的偏振分光棱镜。

背景技术

偏振分光棱镜是一种常见的光学元件，在光学仪器、光学测量等领域有着广泛的应用。偏振分光棱镜由两片直角棱镜胶合而成，在其中一片直角棱镜的斜面镀上偏振分光膜实现了偏振分光的功能。

自然光入射到电介质界面时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当光以布儒斯特角入射时，反射光才是线偏振光且反射光与折射光互相垂直。偏振分光膜的膜层为多层膜堆，有效厚度为1/4波长的高折射率材料和低折射率材料交替叠加。入射光在该多层膜堆内的入射角满足布儒斯特角，因此P偏振光全部透射，而S偏振光则全部反射。

偏振分光棱镜常应用于偏振光干涉测量领域，偏振光干涉测量的基本原理是利用两束偏振光的相位变化产生光强变化，对探测到的光强信号进行数据处理得到被测量。常规的偏振分光棱镜只在其中一片直角棱镜的斜面上镀制偏振分光膜，然后将两片直角棱镜胶合在一起。这将导致偏振分光棱镜分出的S偏振光和P偏振光在胶合层内传播的物理路径相差若干个胶合层厚度。现有工艺的胶合厚度通常为20μm左右，此时P偏振光和S偏振光的光程差较大，将达到几十微米，对位置测量精度造成一定影响。

因此，如何减小P偏振光和S偏振光的光程差是一个亟需解决的课题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种能够降低光程差的偏振分光棱镜，以缓解现有技术中P偏振光和S偏振光的光程差较大，将达到几十微米，对位置测量精度造成一定影响等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种能够降低光程差的偏振分光棱镜，包括：第一直角棱镜，包括第一直角棱镜主体，以及形成于所述第一直角棱镜主体表面的第一直角面、第二直角面、第一偏振分光面，所述第一偏振分光面表面镀有偏振分光膜；第二直角棱镜，包括第二直角棱镜主体，以及形成于所述第二直角棱镜主体表面的第三直角面、第四直角面、第二偏振分光面，所述第二偏振分光面表面镀有偏振分光膜；以及胶合层，设置于相对设置的所述第一偏振分光面和所述第二偏振分光面之间。

在本公开实施例中，所述第一直角面上覆有第一胶合四分之一波片，所述第一胶合四分之一波片的上表面镀有第一高反膜。

在本公开实施例中，所述第二直角面上覆有第二胶合四分之一波片，所述第二胶合四分之一波片的上表面镀有第二高反膜。

在本公开实施例中，当入射偏振光从第二直角棱镜的第三直角面入射时，入射偏振光的偏振方向与第一偏振分光面或第二偏振分光面的P偏振方向成45°角，则所述入射偏振光经第二偏振分光面分为透射部分的第一偏振光和反射部分的第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光分别入射第一直角棱镜和第二直角棱镜。

在本公开实施例中，所述第一偏振光穿过胶合层，经第一直角棱镜主体后由第一直角面进入第一胶合四分之一波片，经第一高反膜反射后，依次经过第一胶合四分之一波片和第一直角棱镜主体，得到第三偏振光；第三偏振光再入射到第一偏振分光面，经第一偏振分光面的偏振分光膜反射后经第一直角棱镜主体射入第二直角面，得到第五偏振光。

在本公开实施例中，所述第二偏振光经第二直角棱镜主体后由第四直角面进入第二胶合四分之一波片，经第二高反膜反射后，依次经过第二胶合四分之一波片和第二直角棱镜主体，得到第四偏振光，第四偏振光再入射到胶合层，后经第一偏振分光面的偏振分光膜透射后射入第二直角面，得到第六偏振光。

在本公开实施例中，所述第五偏振光与第六偏振光同轴出射，合成第七偏振光。

在本公开实施例中，第一偏振光在第一直角棱镜和胶合层之间传播生成第五偏振光的光路和所述第二偏振光在第二直角棱镜和胶合层之间传播生成第六偏振光的光路之间的光程差为

倍的胶合层厚度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开能够降低光程差的偏振分光棱镜至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)不需改变偏振分光棱镜的结构的前提下可有效减小P偏振光和S偏振光在胶合层内传播中所产生的光程差；

(2)能够进一步提高偏振分光棱镜的消光比。

附图说明

图1为现有技术中的偏振分光棱镜的结构示意图；

图2为本公开实施例的能够降低广成查的偏振分光棱镜的结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-第一直角棱镜；

101-第一直角面；

102-第二直角面；

103-第一偏振分光面；

200-第二直角棱镜；

201-第三直角面；

202-第四直角面；

203-第二偏振分光面；

300-胶合层；

400-第一胶合四分之一波片；

401-第一高反膜；

500-第二胶合四分之一波片；

501-第二高反膜；

600-入射偏振光；

601-第一偏振光；

602-第二偏振光；

603-第三偏振光；

604-第四偏振光；

605-第五偏振光；

606-第六偏振光；

607-第七偏振光。

具体实施方式

本公开提供了一种能够降低光程差的偏振分光棱镜，不需改变偏振分光棱镜的结构，可有效减小P(平行)偏振光和S(垂直)偏振光在胶合层内传播中所产生的光程差，同时提高偏振分光棱镜的消光比。

在实现本公开的过程中发明人发现，在高精度位置测量领域，为提高信噪比，保证测量精度，通常需要将P偏振光和S偏振光的光程差控制在一定范围内，因此，需要减小P偏振光和S偏振光在胶合层内传播中所产生的光程差。针对现有偏振分光棱镜采用常规的镀膜方法而引起较大光程差的问题，本发明提供一种能够降低光程差的偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜两直角棱镜斜面上均镀制偏振分光膜，然后再通过胶水胶合，不需改变偏振分光棱镜自身的结构，可有效减小P偏振光和S偏振光在胶合层内传播中所产生的光程差。该方法还可进一步提高偏振分光棱镜的消光比。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种能够降低光程差的偏振分光棱镜，如图2所示，所述偏振分光棱镜，包括：

第一直角棱镜，包括第一直角面，第二直角面，以及第一偏振分光面；以及

第二直角棱镜，包括第三直角面，第四直角面，以及第二偏振分光面。

所述第一直角面上覆有第一胶合四分之一波片，所述第一胶合四分之一波片的上表面镀有第一高反膜。

所述第二直角面上覆有第二胶合四分之一波片，所述第二胶合四分之一波片的上表面镀有第二高反膜。

所述第一偏振分光面与第二偏振分光面之间镀有偏振分光膜并胶合在一起。

工作时，入射偏振光从第二直角棱镜的第三直角面入射，经偏振分光膜分为透射部分的第一偏振光和反射部分的第二偏振光，所述第一偏振光和第二偏振光分别入射第一直角棱镜和第二直角棱镜，其中所述第一偏振光由第一直角面进入第一胶合四分之一波片，经第一高反膜反射后返回，依次经过第一胶合四分之一波片和第一直角棱镜，得到第三偏振光，再次入射到第一偏振分光面，经偏振分光膜反射后射入第二直角面，得到第五偏振光。

所述第二偏振光经第二直角棱镜主体由第四直角面进入第二胶合四分之一波片，经第二高反膜反射后，依次经过第二胶合四分之一波片和第二直角棱镜主体，得到第四偏振光，再次入射到第二偏振分光面，经偏振分光膜透射后经第一直角棱镜主体射入第二直角面，得到第六偏振光。所述第五偏振光与第六偏振光合成第七偏振光。

本公开实施例中，当只在第二直角棱镜的第二偏振分光面镀上偏振分光膜后，光线在第一直角棱镜或第二直角棱镜内光线传播的路径长度相等，但在胶合层中有差异。第一偏振光的光线传播经过3次胶合层后得到第五偏振光，第二偏振光的光线传播经过1次胶合层后得到第六偏振光学，故二者传播的路径长度相差

个胶合层厚度。

当在第一直角棱镜的第一偏振分光面和第二直角棱镜的第二偏振分光面都镀上偏振分光膜后，第一偏振光和第二偏振光的光线都只经过一次胶合层，但在第一直角棱镜的第一偏振分光面反射或透射后的光线传播的路径长度有差异，二者传播的路径长度相差

个胶合层厚度。

如图1和图2所示，偏振分光棱镜由第一直角棱镜100和第二直角棱镜200组成，其中第一直角棱镜100包括第一直角面101、第二直角面102、第一偏振分光面103，第二直角棱镜200包括第三直角面201、第四直角面202、第二偏振分光面203，第二偏振分光面203镀有偏振分光膜，图1所示结构中第一偏振分光面103未镀有偏振分光膜，图2所示结构中第一偏振分光面103镀有偏振分光膜，第一偏振分光面与第二偏振分光面胶合在一起。第一直角棱镜100上胶合第一胶合四分之一波片400，第一胶合四分之一波片400的上表面镀有第一高反膜401。第二直角棱镜200上胶合第二胶合四分之一波片500，第二胶合四分之一波片500的上表面镀有第二高反膜501。

入射偏振光600从第二直角棱镜200的第三直角面201入射，经第二偏振分光面203分为透射部分的第一偏振光601和反射部分的第二偏振光602，并分别入射第一直角棱镜100和第二直角棱镜200；

其中，在图1和图2所示的结构中，第二偏振光602由第四直角面202进入第二胶合四分之一波片500，经第二高反膜501反射后，依次经过第二胶合四分之一波片500和第二直角棱镜主体，得到第四偏振光604，再次入射到第二偏振分光面的偏振分光膜，经偏振分光膜透射后射入第二直角面102，得到第六偏振光606；

其中，在如图1所示的的结构中，第一偏振光601经过胶合层后由第一直角面101进入第一胶合四分之一波片400，经第一高反膜401反射后，依次经过第一胶合四分之一波片400和第一直角棱镜主体，得到第三偏振光603。第三偏振光再次经胶合层入射到第二偏振分光面，经第二偏振分光面反射后射入第二直角面102，得到第五偏振光605；而在如图2所示的结构中，得到的第三偏振光入射到第一偏振分光面，经第一偏振分光面反射后射入第二直角面102，得到第五偏振光605；第五偏振光605与第六偏振光606同向，合成第七偏振光607。

入射偏振光的偏振方向与偏振分光膜的P偏振方向成45°角，第一偏振光、第二偏振光的偏振方向分别为平行(P)、垂直(S)于入射偏振光与偏振分光膜形成的入射面。第一偏振光和第二偏振光经四分之一波片反射后，再次经过四分之一波片，偏振方向均发生90°旋转，形成第五偏振光、第六偏振光，二者同轴出射合成第七偏振光。

当只在第二直角棱镜的第二偏振分光面镀上偏振分光膜后，第二直角棱镜中光线传播的路径为：BC→CB→BF→FG，其中，BC为第二偏振光，CB为第四偏振光，BF为胶合层中传输的光线，FG为第六偏振光。

第一直角棱镜中光线传播的路径为：BE→ED→DE→EB→BF→FG，其中，BE为胶合层中传输的光线，ED为第一偏振光，DE为第三偏振光，EB和BF为胶合层中传输的光线，FG为第五偏振光。

在这些路径的长度中，BC＝CB＝DE＝ED，BE＝EB＝BF。设胶合层厚度为d，则

故第一直角棱镜与第二直角棱镜路径的差值(光传播物理长度的差值)为

当在第一直角棱镜的第一偏振分光面103和第二直角棱镜的第二偏振分光面203都镀上偏振分光膜后，第二直角棱镜中光线传播的路径仍为：BC→CB→BF→FG。

第一偏振光经过一次胶合层并在第一直角棱镜中的光线传播的路径为：BE→ED→DE→EH。在这些路径的长度中，EH＝BF+FG，故第一直角棱镜与第二直角棱镜路径的差值(光传播物理长度的差值)为

光程差OPD的计算公式为：

OPD＝nΔl

其中，n为光的折射率，Δl为光传播物理长度的差值。

由此可以看出，与只在第二直角棱镜的第二偏振分光面镀上偏振分光膜相比，当在第一直角棱镜的第一偏振分光面和第二直角棱镜的第二偏振分光面均镀上偏振分光膜后，光线在第一直角棱镜和第二直角棱镜传播的光路之间的物理长度差值更小，则其光程差更小。

在本公开实施例中，仅以偏振分光棱镜(采用SF2玻璃材料)作为例进行说明，其他棱镜中涉及本发明中提出的镀膜方法的仍然属于本发明的保护范围。

将胶合层厚度d设为0.02mm，SF2玻璃材料的折射率n_d为1.6477，紫外光学胶的折射率n_d为1.5597。

在两种镀膜方式中，第二直角棱镜光线传播的路径均为：BC→CB→BF→FG，BC＝CB＝12.5mm，BF＝0.028mm，FG＝25mm。

当只在第二直角棱镜的第二偏振分光面镀上偏振分光膜后，第一直角棱镜中光线传播的路径为：BE→ED→DE→EB→BF→FG，BE＝EB＝BF＝0.028mm，ED＝DE＝12.5mm，FG＝25mm，故第一直角棱镜与第二直角棱镜光线传播路径长度的差值为0.056mm，光程差为0.0873mm。

当在第一直角棱镜的第一偏振分光面和第二直角棱镜的第二偏振分光面均镀上偏振分光膜后，第一直角棱镜中光线传播的路径为：BE→ED→DE→EH，BE＝0.028mm，ED＝DE＝12.5mm，EH＝25.028mm，故第一直角棱镜与第二直角棱镜光线传播路径长度的差值为0.028mm，光程差为0.0461mm。

由以上数据可以看出，当在第一直角棱镜的第一偏振分光面和第二直角棱镜的第二偏振分光面镀上偏振分光膜后，第一直角棱镜和第二直角棱镜光路之间的物理长度差值更小。

由上述实例证实，在自参考干涉仪棱镜的第一直角棱镜和第二直角棱镜的偏振分光面均镀上偏振分光膜可以使光传播物理长度的差值变小，可以有效的减小光程差。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开能够降低光程差的偏振分光棱镜有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种能够降低光程差的偏振分光棱镜，不需改变偏振分光棱镜的自身的结构，在偏振分光棱镜两直角棱镜斜面上均镀制偏振分光膜，然后再通过胶水胶合，可有效减小P偏振光和S偏振光在胶合层内传播中所产生的光程差，同时提高偏振分光棱镜的消光比。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种能够降低光程差的偏振分光棱镜，包括：

第一直角棱镜，包括第一直角棱镜主体，以及形成于所述第一直角棱镜主体表面的第一直角面、第二直角面、第一偏振分光面，所述第一偏振分光面表面镀有偏振分光膜，所述第一直角面上覆有第一胶合四分之一波片，所述第一胶合四分之一波片的上表面镀有第一高反膜；

第二直角棱镜，包括第二直角棱镜主体，以及形成于所述第二直角棱镜主体表面的第三直角面、第四直角面、第二偏振分光面，所述第二偏振分光面表面镀有偏振分光膜，所述第四直角面上覆有第二胶合四分之一波片，所述第二胶合四分之一波片的上表面镀有第二高反膜；以及

胶合层，设置于相对设置的所述第一偏振分光面和所述第二偏振分光面之间；

当入射偏振光从第二直角棱镜的第三直角面入射时，入射偏振光的偏振方向与第一偏振分光面或第二偏振分光面的P偏振方向成45°角，则所述入射偏振光经第二偏振分光面分为透射部分的第一偏振光和反射部分的第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光分别入射第一直角棱镜和第二直角棱镜；第一偏振光在第一直角棱镜和胶合层之间传播生成第五偏振光的光路和所述第二偏振光在第二直角棱镜和胶合层之间传播生成第六偏振光的光路之间的光程差为

倍的胶合层厚度。

2.根据权利要求1所述的偏振分光棱镜，其中，所述第一偏振光穿过胶合层，经第一直角棱镜主体后由第一直角面进入第一胶合四分之一波片，经第一高反膜反射后，依次经过第一胶合四分之一波片和第一直角棱镜主体，得到第三偏振光；第三偏振光再入射到第一偏振分光面，经第一偏振分光面的偏振分光膜反射后经第一直角棱镜主体射入第二直角面，得到第五偏振光。

3.根据权利要求2所述的偏振分光棱镜，其中，所述第二偏振光经第二直角棱镜主体后由第四直角面进入第二胶合四分之一波片，经第二高反膜反射后，依次经过第二胶合四分之一波片和第二直角棱镜主体，得到第四偏振光，第四偏振光再入射到胶合层，后经第一偏振分光面的偏振分光膜透射后射入第二直角面，得到第六偏振光。

4.根据权利要求3所述的偏振分光棱镜，所述第五偏振光与第六偏振光同轴出射，合成第七偏振光。

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