CN113031138B - 一种基于合色且消偏振分光棱镜模组装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于合色且消偏振分光棱镜模组装置，包括：第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜、第四棱镜、第五棱镜、第一高反膜、第一二向色滤光膜、第二二向色滤光膜、消偏振分光膜；本发明的五个棱镜之间的斜面通过光胶或者胶合连接，每个棱镜互相连接面分别镀有对红蓝绿光的合光膜和消偏振膜，采用光学冷加工和镀膜技术，以实现红蓝绿三基色光的先合色后对三基色光同时进行消偏振分光，结构紧凑，合光效率高，制造成本低廉。

Description

一种基于合色且消偏振分光棱镜模组装置
技术领域
本发明属于光学技术产品领域，特别是涉及一种基于合色且消偏振分光棱镜模组装置。
背景技术
随着LED和LD应用普及，其红绿蓝光源的应用渗透到在光电各个领域，特别是光学显示及光电仪器系统领域，红绿蓝光源如何合色再应用到各种场景里显得尤为重要；而且在分光的应用场合里，当光线斜入射时，由于其两种偏振态P光和S光的等效折射率不一样，会造成两种偏振态光的透射率或者反射率不一样，分光偏振效应明显，这一现象在光学某些分光应用时，需要去设法消除这种偏振分离的负面效应。
三基色光(红绿蓝)在光器件应用中，斜入射时也存在偏振效应，目前常规解决方法是对红绿蓝波段分别镀制消偏振分光膜，一般对三基色光需要使用3对消偏振分光棱镜分别进行消偏振分光，这样不仅镀膜成本高，而且使用3对棱镜，材料成本高，使用不方便。
因此，寻找一种节省使用空间、材料成本低廉、使用方便的合色且消偏振分光棱镜模组装置成为研究人员关注的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于合色且消偏振分光棱镜模组装置，起到对三基色光先合色再同时消偏振分光的作用，合色后只使用一对棱镜就能够同时进行消偏振分光，结构紧凑，节省使用空间，材料成本低廉，使用方便。
为实现上述目的，本发明提出一种基于合色且消偏振分光棱镜模组装置，包括：
两个等腰直角三棱镜、若干个斜方棱镜和若干层膜；
所述两个等腰直角三棱镜之间设有若干个斜方棱镜，且每个棱镜连接处均镀有一层膜。
优选地，所述两个等腰直角三棱镜包括第一棱镜和第五棱镜，且所述第一棱镜和所述第五棱镜之间依次设有三个斜方棱镜，分别为第三棱镜、第四棱镜和第五棱镜；所述第一棱镜包括三个面：1a、1b、 1c；所述第五棱镜包括三个面5a、5b、5c；所述第二棱镜包括四个面： 2a、2b、2c、2d；所述第三棱镜包括四个面：3a、3b、3c、3d；所述第四棱镜包括四个面：4a、4b、4c、4d。
优选地，所述第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜、第四棱镜和所述第五棱镜依长边排列且通过光胶或者胶合的方式相连，且连接处依次形成界面1b～2d、界面2b～3d、界面3b～4d和界面4b～5b。
优选地，所述界面1b～2d镀有对红光反射的第一高反膜；所述界面2b～3d镀有对红光透过，且对绿光反射的第一二向色滤光膜；所述界面3b～4d镀有对红光绿光透过，且对蓝光反射的第二二向色滤光膜，所述界面4b～5b镀有对红光绿光蓝光的消偏振分光膜。
优选地，所述第二棱镜、第三棱镜和所述第四棱镜的截面均为同等大小的内角分别为45°和135°的斜方棱镜。
优选地，所述消偏振分光膜采用TiO2、Y2O3、SiO2、Al2O3、Ag 共5种膜料，且由13层膜层构成。
优选地，所述消偏振分光膜采用Ta2O5、Y2O3、SiO2、Al2O3、 Ag共5种膜料，且由12层膜层构成。
优选地，所述消偏振分光膜采用Nb2O5、Y2O3、SiO2、Al2O3、 Ag共5种膜料，且由12层膜层构成。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过镀有对红蓝绿光的合光膜和消偏振膜，使三基色光先合色再同时消偏振分光，且合色后仅使用一对棱镜就能够同时进行消偏振分光，结构紧凑，节省使用空间，材料成本低廉，使用方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明第一高反膜的反射率光谱图；
图3为本发明第一二色向滤光膜的透过率光谱图；
图4为本发明第二二色向滤光膜的透过率光谱图；
图5(a)为本发明实施例1的三基色光的P偏振光透过率光谱图；
图5(b)为本发明实施例1的三基色光的S偏振光透过率光谱图；
图6(a)为本发明实施例2的三基色光的P偏振光透过率光谱图；
图6(b)为本发明实施例2三基色光的S偏振光透过率光谱图；
图7(a)为本发明实施例3的三基色光的P偏振光透过率光谱图；
图7(b)为本发明实施例3三基色光的S偏振光透过率光谱图；
图中：1-第一棱镜、2-第二棱镜、3-第三棱镜、4-第四棱镜、5- 第五棱镜、6-第一高反膜、7-第一二向色滤光膜、8-第二二向色滤光膜、9-消偏振分光膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参照图1所示，为合色且消偏振分光棱镜模组装置结构示意图，其中，R为红光，G为绿光，B为蓝光，1为第一棱镜，2为第二棱镜，3为第三棱镜，4为第四棱镜，5为第五棱镜，镀有对红光反射的第一高反膜6，镀有对红光透过、对绿光反射的第一二向色滤光膜 7，镀有对红光绿光透过、对蓝光反射的第二二向色滤光膜8，镀有对红光绿光蓝光的消偏振分光膜9，U为反射合色光、T为透过合色光。
本发明提供一种基于合色且消偏振分光棱镜模组装置，包括：第一棱镜1、第二棱镜2、第三棱镜3、第四棱镜4、第五棱镜5、第一高反膜6、第一二向色滤光膜7、第二二向色滤光膜8、消偏振分光膜9；
第一棱镜1和第五棱镜5的截面均为同等大小的等腰直角三角形；第二棱镜2、第三棱镜3和第四棱镜4的截面为同等大小内角分别为45°和135°的斜方棱镜；第一棱镜1、第二棱镜2、第三棱镜3、第四棱镜4和第五棱镜5依长边相依，长边排列胶合在一起，形成整个合色且消偏振分光棱镜模组。
所述第一棱镜1、第二棱镜2、第三棱镜3、第四棱镜4和第五棱镜5的各个部分胶合或者光胶后包括若干个面1a、1b、1c、2a、2b、 2c、2d、3a、3b、3c、3d、4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c；且每个棱镜依次排列胶合形成的界面1b～2d、2b～3d、3b～4d、4b～5b分别镀有不同的膜系，所述界面1b～2d镀有对红光的第一高反膜6，所述界面 2b～3d镀有对红光透过绿光反射的第一二向色滤光膜7，所述界面 3b～4d镀有对红光绿光透过蓝光反射的第二二向色滤光膜8，所述界面4b～5b镀有对红光绿光蓝光的消偏振分光膜9。
将发红、绿、蓝光的光源分别置于第二棱镜2、第三棱镜3、第四棱镜4的面2a、3a、4a正上方，三种光发射分别进入棱镜后，红色光从面2a入射，经过第一高反膜6反射，透过第一二向色滤光膜 7及第二二向色滤光膜8后，在第四棱镜4内跟绿、蓝合色后，再到消偏振分光膜9分成互相垂直的反射合色光Rs、Rp和透过合色光Tp、 Ts，反射合色光Rs、Rp从4c面出射，透过合色光Tp、Ts再从5c 出射。
绿色光从面3a入射，经过第一二向色滤光膜7反射，再经过第二二向色滤光膜8透射后，在棱镜4内跟红、蓝合色后，再到消偏振分光膜9分成互相垂直的反射合色光Rs、Rp和透过合色光Tp、Ts，反射合色光Rs、Rp从4c面出射，透过合色光Tp、Ts再从5c出射。
蓝色光从面4a入射，经过第二二向色滤光膜8反射后，在棱镜 4内跟红、绿合色后，再到消偏振分光膜9分成互相垂直的反射合色光Rs、Rp和透过合色光Tp、Ts，反射合色光Rs、Rp从4c面出射，透过合色光Tp、Ts再从5c出射。
其中，所述的第一高反膜6由34层膜层组成，分别用到TiO2、 SiO2共2种膜料，34层膜的结构为：奇数层为TiO2层、即第一层、第三层、…、第三十三层；偶数层为SiO2层，即第二层、第四层、…、第三十四层；所有奇数层跟所有偶数层的厚度都相等，即奇数层TiO2层厚度都为85.5nm；偶数层SiO2层厚度都为136.79nm。
所述的第一二向色滤光膜7由28层膜层组成，分别用到TiO2、SiO2共2种膜料，28层膜厚度依次为：第一层TiO2膜层，厚度43.59nm；第二层SiO2膜层，厚度132.15nm；第三层TiO2层，厚度178.42nm；第四层SiO2层，厚度141.64nm；第五层TiO2膜层，厚度60.37nm；第六层SiO2膜层，厚度145.81nm；第七层TiO2层，厚度36.74nm；第八层SiO2层，厚度145.5nm；第九层TiO2膜层，厚度185.37nm；第十层SiO2膜层，厚度142.47nm；第十一层TiO2层，厚度64.71nm；第十二层SiO2层，厚度145.59nm；第十三层TiO2膜层，厚度89.97nm；第十四层SiO2膜层，厚度20.83nm；第十五层TiO2层，厚度71.03nm；第十六层SiO2层，厚度137.48nm；第十七层TiO2膜层，厚度69.37nm；第十八层SiO2膜层，厚度77.26nm；第十九层TiO2层，厚度70.74nm；第二十层SiO2层，厚度137.74nm；第二十一层TiO2膜层，厚度 181.06nm；第二十二层SiO2膜层，厚度139.18nm；第二十三层TiO2层，厚度62.72nm；第二十四层SiO2层，厚度149.18nm；第二十五层TiO2层，厚度42.82nm；第二十六层SiO2层，厚度64.44nm；第二十七层TiO2层，厚度215.26nm；第二十八层SiO2层，厚度142.97nm。
所述的第二二向色滤光膜8由28层膜层组成，分别用到TiO2、 SiO2共2种膜料，28层膜厚度依次为：第一层TiO2膜层，厚度 162.09nm；第二层SiO2膜层，厚度40.54nm；第三层TiO2层，厚度 64.61nm；第四层SiO2层，厚度48.24nm；第五层TiO2膜层，厚度 59.58nm；第六层SiO2膜层，厚度148.88nm；第七层TiO2层，厚度12.11nm；第八层SiO2层，厚度152.84nm；第九层TiO2膜层，厚度 144.54nm；第十层SiO2膜层，厚度124.4nm；第十一层TiO2层，厚度42.7nm；第十二层SiO2层，厚度120.34nm；第十三层TiO2膜层，厚度23.16nm；第十四层SiO2膜层，厚度138.52nm；第十五层TiO2层，厚度145.03nm；第十六层SiO2层，厚度125.81nm；第十七层 TiO2膜层，厚度56.91nm；第十八层SiO2膜层，厚度49.92nm；第十九层TiO2层，厚度48.29nm；第二十层SiO2层，厚度124.66nm；第二十一层TiO2膜层，厚度144.82nm；第二十二层SiO2膜层，厚度 116.53nm；第二十三层TiO2层，厚度61.86nm；第二十四层SiO2层，厚度18.83nm；第二十五层TiO2层，厚度71.49nm；第二十六层SiO2层，厚度89.43nm；第二十七层TiO2层，厚度16.95nm；第二十八层 SiO2层，厚度110.74nm。
为了验证技术效果，本发明通过特定的膜料组合，分别得到如图 2～4所示的第一高反膜、第一二色向滤光膜、第二二色向滤光膜的透过率光谱图，由图2～4可知，本发明的第一高反膜6对红光(650±10nm) 有99％以上的反射；第一二向色滤光膜7对红光有98％以上的透过，且对绿光(532±10nm)有98％以上的反射；第二二向色滤光膜8对绿光和红光有98％以上的透过，且对蓝光(440±10nm)有98％以上的反射。
所述消偏振分光膜9由13层膜层组成，分别用到TiO2、Y2O3、 SiO2、Al2O3、Ag共5种膜料，13层膜厚度依次为：第1层AL2O3膜层，厚度72.04nm；第二层Ag膜层，厚度24.92nm；第三层TiO2层，厚度38.55nm；第四层SiO2层，厚度25.02nm；第五层Y2O3层，厚度72.91nm；第六层SiO2层，厚度25.87nm；第七层TiO2层，厚度102.42nm；第八层Y2O3层，厚度46.83nm；第九层SiO2层，厚度 241.42nm；第十层TiO2层，厚度6.07nm；第十一层Y2O3层，厚度 190.15nm；第十二层SiO2层，厚度51.59nm；第十三层Y2O3层，厚度25.24nm。
实施例2
其装置结构与实施例1相同，区别在于：所述消偏振分光膜9由 12层膜层组成，分别用到Ta2O5、Y2O3、SiO2、Al2O3、Ag共5种膜料，12层膜厚度依次为：第1层AL2O3膜层，厚度74.98nm；第二层 Ag膜层，厚度23.57nm；第三层Ta2O5层，厚度57.32nm；第四层SiO2层，厚度35.54nm；第五层Y2O3层，厚度68.81nm；第六层Ta2O5层，厚度107.23nm；第七层Y2O3层，厚度40.02nm；第八层SiO2层，厚度243.04nm；第九层Ta2O5层，厚度6.45nm；第十层Y2O3层，厚度184.3nm；第十一层SiO2层，厚度48.54nm；第十二层Y2O3层，厚度 22.35nm。
实施例3
其装置结构与实施例1相同，区别在于：所述消偏振分光膜9由 12层膜层组成，分别用到Nb2O5、Y2O3、SiO2、Al2O3、Ag共5种膜料，13层膜厚度依次为：第1层AL2O3膜层，厚度14.64nm；第二层 Ag膜层，厚度23.75nm；第三层Nb2O5层，厚度41.78nm；第四层 SiO2层，厚度81.84nm；第五层Y2O3层，厚度76.49nm；第六层Nb2O5层，厚度88.05nm；第七层Y2O3层，厚度23.42nm；第八层SiO2层，厚度87.27nm；第九层Nb2O5层，厚度9.18nm；第十层SiO2层，厚度92.79nm；第十一层Nb2O5层，厚度138.19nm；第十二层SiO2层，厚度51.24nm；第十三层Nb2O5层，厚度13.46nm。
为了验证技术效果，本发明通过膜系设计软件，用不同磨料组合，计算出三种不同消偏振分光膜；并基于此三种不同消偏振分光膜，分别进行三基色光的透过率试验，得到如图5-7所示的针对三基色光的透过率光谱图。其中，图5(a)、图5(b)分别为实施例1的三基色光的P偏振和S偏振透过率光谱图；图6(a)、图6(b)分别为实施例2的三基色光的P偏振和S偏振透过率光谱图；图7(a)、图7(b) 分别为实施例3的三基色光的P偏振和S偏振透过率光谱图。
由图5-7可知，本发明提供的三种实施方案能够把430-670nm波段的三基色光分成两束S、P分量能量均等的透射光和反射光。消偏振分光膜对红、绿、蓝光有Rp＝Rs＝45％±2％的反射率和 Tp＝Ts＝45％±2％透过率，并且反射光跟透射光出射方向互相垂直，从而达到三基色的先合色后消偏振的效果，其中各束光，在各个入射斜面上的入射角都为45°。
综上，本发明通过镀有对红蓝绿光的合光膜和消偏振膜，使三基色光先合色再同时消偏振分光，且合色后仅使用一对棱镜就能够同时进行消偏振分光，结构紧凑，节省使用空间，材料成本低廉，使用方便。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于合色且消偏振分光棱镜模组装置，其特征在于，包括：
两个等腰直角三棱镜、若干个斜方棱镜和若干层膜；
所述两个等腰直角三棱镜之间设有若干个斜方棱镜，且每个棱镜连接处均镀有一层膜；
所述两个等腰直角三棱镜包括第一棱镜(1)和第五棱镜(5)，且所述第一棱镜(1)和所述第五棱镜(5)之间依次设有三个斜方棱镜，分别为第二棱镜(3)、第三棱镜(4)和第四棱镜(5)；所述第一棱镜(1)包括三个面：1a、1b、1c；所述第五棱镜(5)包括三个面5a、5b、5c；所述第二棱镜(2)包括四个面：2a、2b、2c、2d；所述第三棱镜(3)包括四个面：3a、3b、3c、3d；所述第四棱镜(4)包括四个面：4a、4b、4c、4d；
所述第一棱镜(1)、第二棱镜(2)、第三棱镜(3)、第四棱镜(4)和所述第五棱镜(5)依长边排列且通过光胶或者胶合的方式相连，且连接处依次形成界面1b～2d、界面2b～3d、界面3b～4d和界面4b～5b；
所述界面1b～2d镀有对红光反射的第一高反膜(6)；所述界面2b～3d镀有对红光透过，且对绿光反射的第一二向色滤光膜(7)；所述界面3b～4d镀有对红光绿光透过，且对蓝光反射的第二二向色滤光膜(8)，所述界面4b～5b镀有对红光绿光蓝光的消偏振分光膜(9)；
所述消偏振分光膜(9)采用TiO2、Y2O3、SiO2、Al2O3、Ag共5种膜料，且由13层膜层构成，包括：第1层AL203膜层，厚度72.04nm；第二层Ag膜层，厚度24.92nm；第三层Ti02层,厚度38.55nm；第四层Si02层,厚度25.02nm；第五层Y203层,厚度72.91nm；第六层Si02层,厚度25.87nm；第七层Ti02层,厚度102.42nm；第八层Y203层,厚度46.83nm；第九层Si02层,厚度241.42nm；第十层Ti02层,厚度6.07nm；第十一层Y203层,厚度190.15nm；第十二层Si02层，厚度51.59nm；第十三层Y203层，厚度25.24nm；
所述消偏振分光膜(9)采用Ta2O5、Y2O3、SiO2、Al2O3、Ag共5种膜料，且由12层膜层构成，包括：第1层AL203膜层，厚度74.98nm；第二层Ag膜层,厚度23.57nm；第三层Ta205层,厚度57.32nm；第四层Si02层,厚度35.54nm；第五层Y203层,厚度68.81nm；第六层Ta205层，厚度107.23nm；第七层Y203层,厚度40.02nm；第八层Si02层,厚度243.04nm；第九层Ta205层,厚度6.45nm；第十层Y203层,厚度184.3nm；第十一层Si02层，厚度48.54nm；第十二层Y203层，厚度22.35nm；
所述消偏振分光膜(9)采用Nb2O5、Y2O3、SiO2、Al2O3、Ag共5种膜料，且由12层膜层构成，包括：第1层AL203膜层，厚度14.64nm；第二层Ag膜层，厚度23.75nm；第三层Nb205层，厚度41.78nm；第四层Si02层，厚度81.84nm；第五层Y203层,厚度76.49nm；第六层Nb205层,厚度88.05nm；第七层Y203层,厚度23.42nm；第八层Si02层,厚度87.27nm；第九层Nb205层,厚度9.18nm；第十层Si02层,厚度92.79nm；第十一层Nb205层，厚度138.19nm；第十二层Si02层，厚度51.24nm；第十三层Nb205层，厚度13.46nm。
2.根据权利要求1所述的基于合色且消偏振分光棱镜模组装置，其特征在于，所述第二棱镜(2)、第三棱镜(3)和所述第四棱镜(4)的截面均为同等大小的内角分别为45°和135°的斜方棱镜。
CN202110300932.8A 2021-03-22 2021-03-22 一种基于合色且消偏振分光棱镜模组装置 Active CN113031138B (zh)

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