CN113534479A - 一种无偏振的倾斜入射平板分色系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无偏振的倾斜入射平板分色系统，包括分色镜、分色镜和反光镜。分色镜包括基底及反红透绿蓝分色膜，分色镜包括基底及反绿透蓝分色膜，反光镜包括基底及蓝反光膜。反红透绿蓝分色膜和反绿透蓝分色膜都是短波通滤光膜，其初始结构均由调谐带通滤光膜的基本周期(HLHqLHLHL)组成，每个基本周期均依次包含前反射镜、调谐间隔层和后反射镜。前反射镜、调谐间隔层和后反射镜由依次交替的高折射率TiO2膜和低折射率SiO2膜组成。由于该分色膜在透射‑反射过渡区的s、p偏振分离均小于0.3nm，偏振位相差均为0°，故能获得无偏振的平板分色系统。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜领域，具体涉及一种无偏振的倾斜入射平板分色系统。
背景技术
在投影显示系统中，彩色分色、合色系统至关重要，它直接影响显示图像的色饱和度、亮度和对比度等重要指标。
彩色分色、合色系统涉及混色原理，彩色混色原理包括两种：加法混色和减法混色。投影显示遵循加法混色原理，其三基色为红(R)、绿(G)和蓝(B)，若RGB三种颜色全部混合在一起，则产生白光。加法混色的应用很广，包括投影机、电视机、显示器、摄像机、照相机、扫描仪、舞台灯光和网络等。加法混色的颜色标准几乎包括人类视觉所能感知的所有颜色，是目前运用最广泛的色彩系统，其独特之处是色彩非常丰富鲜艳。彩色混色方法也包括两种：空间混色和时间混色。空间混色是利用人眼对空间细节的有限分辨力特性，而时间混色是利用人眼视觉的时间惰性。这二种混色方法也是彩色投影、彩色电视和彩色显示屏等的重要基础。
对投影分色系统，无吸收的光学薄膜滤光片是最受青睐的最佳选择，图1示出四种最常用的分色系统，其中图1(a)是色轮分色，在色轮上制备了RGB三色薄膜滤光膜，工作时色轮快速转动，显然它属于时间混色，其特点是常用于单芯片的无偏振系统，缺点是光能利用率低，转动噪声大。图1(b)是平板分色，平板薄膜二向分色镜(Dichroic Mirror，简称DM)把白光分成RGB。由二向分色镜构成的平板分色系统的特点是结构简单、成本低，因此，广泛应用于投影显示系统，特别是用作TFT-LCD芯片的液晶投影显示分色系统，缺点是偏振较大。为解决偏振分离，现有技术是在分色系统前加上“两个复眼透镜+PCS”复合系统使自然光转变成s-偏振光，从而避免偏振分离，但这会引入至少20％的光能损失(说明：PCS由金属栅条、偏振器和半波片组成)。图1(c)是菲力普棱镜分色，利用特殊设计的棱镜薄膜二向分色镜DM把白光分成RGB，其特点是由于棱镜中的入射角最小可降至16°，偏振较小，故广泛应用于DMD和LCoS芯片的投影系统，缺点是结构复杂、装校困难，成本高。图1(d)是立方棱镜分色，其特点是结构紧凑，体积小，用作合色系统时几乎无像差，且光能利用率较高，缺点是制造复杂，偏振非常大，故常在线偏振光中使用。上述图1(b)(c)(d)均属空间混色。需要说明的是，对图1的四种分色系统，当光线逆向入射时便成为合色系统，所以分色系统和合色系统是可以兼容的。
本发明主要聚焦于结构简单、应用广泛的图1(b)所示的平板分色系统消偏振问题。薄膜倾斜入射时的消偏振问题始终是薄膜设计的一个技术难题，早在上世纪80年代就被国际光学干涉薄膜会议列为八大未解决的薄膜难题之一，时至今日仍然无法从理论上和实验上取得实质性的突破，薄膜工程师们只能针对具体的薄膜系统巧妙地运用一些设计技巧来改进薄膜的偏振分离特性。
所谓偏振分离，就是当薄膜倾斜入射时，薄膜的偏振效应使s-偏振光和p-偏振光的透射或反射特性产生了分离。虽然偏振分离对各种薄膜应用造成的损害各不相同，但是对投影显示分色系统的损害主要包括：1)、色饱和度下降。偏振分离必然导致透射-反射过渡区中的色光对s-偏振光反射而对p-偏振光透射，因而使图像颜色产生失真；2)、光能损失且图像对比度下降。偏振分离必然导致分离区的光能损失，而且损失的那部分光在器件内多次反射和折射后变成杂散光，导致光学图像对比度和清晰度下降；3)、产生偏振像差。偏振分离必然导致s-偏振和p-偏振的位相差，使这部分光变成椭圆偏振光，因而在偏振成像系统中产生偏振像差。上述说明，投影显示分色系统的消偏振是非常重要的！
现有技术的投影显示分色系统常用短波通截止滤光膜的基本周期(0.5LH0.5L)和长波通截止滤光膜的基本周期(0.5HL0.5H)作为初始结构设计的，其偏振分离约为20nm左右，故中国发明专利201310438468.4曾提出采用带通滤光膜的基本周期(LHHLH)取代现有技术的截止滤光膜短波通(0.5LH0.5L)和长波通(0.5HL0.5H)的基本周期作为初始设计，得到了偏振分离为0.3nm的短波通分色膜和偏振分离为1.5nm的长波通分色膜。
需要顺便指出的是，在《薄膜光学》中，带通滤光膜是指某波段透射而其两旁截止的一类膜系，其透射带常称为通带；而截止滤光膜是指某波段透射而其相邻的另一波段截止的一类膜系，常有短波通和长波通之分。然而，在影像技术中，因为习惯于把截止滤光片称为二向分色镜或二向色镜DM，故把对应的截止滤光膜分别称为短波通分色膜和长波通分色膜，简称分色膜。
发明内容
本发明的目的是提供了一种无偏振的倾斜入射平板分色系统，使空气中以45°倾斜入射的平板分色系统近似达到零偏振分离，这种技术在彩色分色、合色系统中具有重要的应用价值，其应用不仅仅局限于投影显示，它可广泛应用于各种彩色工程。技术领域属于光学薄膜。
本发明的突破点主要包括：(1)、运用带通滤光膜(HLHqLHLHL)作为基本周期，并通过q对其通带长波侧透射-反射过渡区进行调谐，获得了接近于零的消偏振效果。最终使DM1和DM2达到极小的偏振分离和偏振位相差：其中反红透绿蓝分色膜在透射-反射过渡区T＝50％处的s、p偏振分离约为0.3nm，s、p偏振位相差约为0°；而反绿透蓝分色膜在透射-反射过渡区T＝50％处的s、p偏振分离约为0.2nm，s、p偏振位相差亦约为0°。需要指出的是，本发明不采用吸收材料，根据能量守恒，透射率(T％)+反射率(R％)＝1。(2).通过合理选取平板分色系统的入射光方向和分色次序，采用“双短波通型”膜系来构筑DM1和DM2的二向分色膜，这不仅因类型相同而使设计更加简单，而且还可直接选用折射率1.46的SiO2低折射率膜取代发明专利201310438468.4折射率1.673的Ti3O5和Al2O3的混合膜TixAlyO，更为甚者，“双短波通型”分色膜使透射带和反射带的透射和反射特性都得到了显著的改善，举例说，对人眼最敏感的G光反射带，漏光从发明专利201310438468.4的1.03％降低到本发明的0.06％。
为实现上述目的，本发明的构思如下：
一、深刻认识倾斜入射对薄膜特性的影响
图2具体给出本发明平板分色系统的示意图。入射光束的主光线在空气中的倾斜入射角为45°，故在一般情况下，需要评价光在45°入射角时的各种光学行为。考虑到在投影显示系统中，光学孔径范围常为f/2.8～f/5.6，对应于在空气中的孔径角为±10.3°～±5.1°。本发明仅考虑光学孔径f/5.6的情况，故二向分色镜边光的最大入射角为50.1°，而最小入射角为39.9°。遗憾的是，要计算入射角从39.9°到50.1°范围内每个角度下的特性是既繁琐又意义不大，因为以45°主光线为中心，向两侧边光的光强分布是不均匀的，故通常用入射角45°±5.1°的光锥角内的平均特性来表征。
那么，倾斜入射光对光学薄膜的特性会有哪些影响呢？对一个光学薄膜系统，最重要的设计参数是膜层厚度和折射率，所以不妨就先看看倾斜入射对光学薄膜膜层厚度和折射率的影响。第一，膜层的光学厚度是膜层折射率n和物理厚度d的乘积，当薄膜系统由垂直入射变成倾斜入射时，其光学厚度由nd变成nd×cosθ，θ是光在膜层中的折射角，折射角θ与入射角θ0成正比，并由正弦定律相联系，这就意味着倾斜入射时薄膜的光学厚度变薄、光学特性向短波移动，入射角越大，光学厚度变得越薄、光学特性向短波移动越多。对本发明由高折射率nH和低折射率nL两种薄膜交替组成的分色膜，高、低折射率两种薄膜的光学厚度由垂直入射时的λ0/4变成倾斜入射时的λ0/4cosθH和λ0/4cosθL，或膜厚监控波长由垂直入射时的λ0变成倾斜入射时的λ0/cosθH和λ0/cosθL，θH和θL分别是光在高、低折射率膜层中的折射角，这就是说，不同折射率的薄膜有效厚度由垂直入射时的相等变成倾斜入射时便完全不等了，这对薄膜的光学特性影响自然会非常大。第二，光在垂直入射薄膜时，电矢量垂直于入射面的振动分量(s-偏振光)和平行于入射面的振动分量(p-偏振光)对各薄膜界面是完全相同的，没有发生偏振效应，薄膜折射率可直接用n表示；而当光倾斜入射薄膜时，由于两种振动分量对各薄膜界面上完全不同，因此薄膜折射率需用有效折射率η来表示：对s-偏振光，ηs＝n cosθ，而对p-偏振光，ηp＝n/cosθ，这就是说，在倾斜入射时薄膜有效折射率会因不同偏振而产生差异，且ηs随折射角θ增大而减小，ηp随折射角θ增大而增大。对由高、低折射率两种薄膜交替组成的分色膜，其透射带和反射带的特性是由两种薄膜的有效折射率之比决定的，由于s-偏振光的有效折射率比值ηsH/ηsL总要比p-偏振光的比值ηpH/ηpL大，所以s-偏振光的反射率必定要比p-偏振光高，且s-偏振光的反射带宽必定要比p-偏振光宽，或者说，s-偏振光的透射率必定要比p-偏振光低，s-偏振光的透射带宽必定要比p-偏振光窄，这就意味着，对本发明的分色膜，s-偏振光和p-偏振光的特性总是分离的，尤其是对分色膜最关注的透射-反射过渡区，两个偏振分量的透射特性和反射特性必定都是分离的，这种分离称为偏振分离。
理论和实践都证明，当光由垂直入射变为倾斜入射时，薄膜的有效厚度变化尚可通过调节波长来得到校正，但薄膜的有效折射率变化是不可避免且无法校正的。这就是本发明倾斜入射平板分色系统不可克服的技术难题。
二、寻找最小偏振分离的初始膜系结构
现有技术的分色系统都是由短波通截止滤光膜和长波通截止滤光膜构成的，短波通截止滤光膜初始结构的基本周期为(0.5LH0.5L)，而长波通截止滤光膜初始结构的基本周期为(0.5HL0.5H)，国内外的《薄膜光学》教程都是这样描述的，这里，H和L分别表示光学厚度为四分之一波长的高折射率膜和低折射率膜。诚然，当光线垂直入射时，(0.5LH0.5L)和(0.5HL0.5H)分别作为短波通和长波通截止滤光膜初始设计的基本周期是简单而有效的；但当薄膜倾斜入射时，如图3～图4所示，由于其偏振分离和偏振位相差等问题无法避免，所以绝非再是简单而有效的了，只是因为苦于找不到其他替代膜系而无奈才勉强用作二向分色膜罢了。
为此，发明专利201310438468.4曾试图采用基本周期(LHHLH)取代现有的短波通(0.5LH0.5L)和长波通(0.5HL0.5H)二向分色膜初始设计的基本周期，使倾斜入射的分色系统的偏振分离和偏振位相差显著降低。
而本发明为进一步改善倾斜入射平板分色系统的偏振特性，重新构思如下：
1.采用带通滤光膜(HLH2LHLHL)作为基本周期。
基本周期(HLH2LHLHL)的透射带虽比(LHHLH)窄，但反射带宽会得到改善，厚度调节的参数也会增加。高折射率(H)和低折射率(L)膜分别选择TiO2膜和SiO2膜，这两种薄膜可以说是最佳组合，不仅可获得优良的光、机特性，而且由于折射率差大，膜层数少，制备方便。更诱人的是，TiO2膜在可见光区具有最高的折射率，对减小偏振分离是十分有益的。本发明经过反复实践得到如下重要的认知：(1).虽然倾斜入射的平板分色系统设计需要解决多个技术问题，但是最重要的是寻找一种透射-反射过渡区无偏振分离的基本周期，且随着基本周期的多次重复仍能锁定无偏振分离特性基本不变，而本发明构思的带通滤光膜的基本周期(HLH2LHLHL)恰能满足这样的要求。(2).本发明选用的基本周期(HLH2LHLHL)是一个典型的带通滤光膜，但现有技术设计的DM1和DM2都是用截止滤光膜来实现二向分色的。带通滤光膜和截止滤光膜无论是设计还是制造都是截然不同的两类膜系，这种借助于“带通滤光”来实现“截止滤光”的方法看似矛盾，但却为本发明消除偏振分离创建了一条难能可贵的途径。
2.调谐带通滤光膜基本周期(HLHqLHLHL)的间隔层。
仅选用带通滤光膜(HLH2LHLHL)作为基本周期还是没有充分发挥其优势，欲获得优良的消偏振效果，还需实施对间隔层调谐。在间隔层未调谐时，带通滤光膜的基本周期(HLH2LHLHL)是由前反射镜HLH、间隔层2L和后反射镜HLHL组成的，这时消偏振分离的效果是有限的。现在若对间隔层调谐，设调谐系数为q，则间隔层由未调谐时的2L变成qL，调谐系数q根据消偏振分离过渡区的具体情况，可以小于2，也可以大于2。一般而言，对带通滤光膜通带短波侧调谐消偏振分离时，q应小于2；反之，对带通滤光膜通带长波侧调谐消偏振分离时，q应大于2。由于本发明构思釆用“双短波通型”基本周期来构筑DM1和DM2，拟对带通滤光膜通带长波侧调谐来实现无偏振分离，故应取q大于2。最后，用试探法不断调整调谐系数q，直至通带长波侧过渡区的偏振分离等于零为止。通过调谐实现消偏振分离的原理可简单描述为：因为每一个基本周期(HLHqLHLHL)非常类似于一个激光谐振微腔，光在前、后反射镜中来回多次反射，间隔层qL作为谐振腔的腔长起着非常重要的作用，通过对间隔层调谐可望调节不同偏振光的谐振波长，这就是本发明选择带通滤光膜作为基本周期的主要理由所在！简单地说，本发明之所以选择带通滤光膜(HLHqLHLHL)作为基本周期就是因为它可以找到一个消除偏振分离的“机关”，这种“机关”尤如一个杠杆，它能够撼动本来无法解决的难题。而这种“机关”在截止滤光膜基本周期(0.5LH0.5L)和(0.5HL0.5H)中是不存在的。因此本发明认为：若对间隔层膜厚进行调谐，就等于对谐振波长调谐；而且由于s-偏振光和p-偏振光的有效折射率和位相都不相同，调谐效果对s-偏振光和p-偏振光自然也不相同，因而可望实现完全消除偏振分离之目的。实际设计表明，理论上只要调谐系数q取值足够精准，偏振分离完全可以实现等于零，这是本发明的一个突破性的重要构思。
3.增加基本周期的周期数p，以增加(HLHqLHLHL)p透射-反射过渡区的陡度及反射带的反射率，其中p为正整数。
由于带通滤光膜叠加p个基本周期并不会改变滤光膜通带的宽度，而只会提高透射-反射过渡区的陡度及反射带的反射率。这就是说，增加基本周期数p不会改变透射-反射过渡区的位置，因而实现了透射-反射过渡区的无偏振分离区自动锁定。本发明基本周期的周期数p取9～15，视过渡区陡度和反射带的反射率要求而定。图5和图9分别表示本发明对应于DM1和DM2的未经厚度优化的调谐带通滤光膜(HLHqLHLHL)p的透射偏振分光特性曲线，其中q分别取2.57和2.53，p均取9，从图5和图9可以清楚看出，对应于DM1和DM2的透射-反射过渡波长分别约为600nm和500nm，在这两个波长上，透射-反射过渡区T＝50％处的偏振分离均已基本实现等于零。
4.最后，对(HLHqLHLHL)p的初始结构进行膜厚优化，使带通滤光膜(HLHqLHLHL)p按照二向分色膜的评价函数寻优。
优化过程实际上是带通滤光膜逐渐演变为二向分色膜的过程，最终使二向分色膜的透射带和反射带的透射率及其带宽均满足实际使用要求。由于带通滤光膜的透射带和反射带的特性明显不同于二向分色膜的透射带和反射带的特性，因此通过优化，带通滤光膜的膜层数和膜层厚度均会产生较大的变化，但由于透射-反射过渡区的无偏振分离区自动实现锁定，所以优化设计后过渡区的消偏振特性基本上保持不变。图7和图11分别表示本发明对应于DM1和DM2经厚度优化设计后二向分色膜的透射偏振分光特性曲线及位相差曲线。从图7和图11可以看出：优化过程使图5的带通滤光膜转变为图7的DM1二向分色膜，其透射分光特性曲线的变化简直是翻天复地的，但仍保持透射-反射过渡波长600nm处的偏振分离约为0.3nm；类似地，优化过程亦使图9的带通滤光膜转变为图11的DM2二向分色膜，但仍保持透射-反射过渡波长500nm处的偏振分离约为0.2nm。
三、合理选择平板分色系统的入射光方向和分色次序
图7和图11之所以能得到如此优良的二向分色膜的透射及位相差分光特性曲线，还得益于合理选择了平板分色系统的入射光方向和分色次序。现今广为应用的平板分色系统总共不外乎如图13所示的四种情况，而且这四种情况对二向分色膜的要求是有很大差异的。在投影显示技术中，早先把波长400～500nm作为蓝光波段、500～600nm作为绿光波段、而600～700nm作为红光波段。考虑到可见光区两端波长大约20nm带宽的光对人眼刺激非常小，或者说对显示亮度的贡献可以忽略，为降低二向分色膜设计和制造的难度，故现今常把波长420～500nm、500～600nm和600～680nm分别定义为蓝(B)、绿(G)和红(R)光波段。从图13可以看出，平板分色系统的入射光方向有二种：序号Ⅰ、Ⅱ为沿主光轴方向入射，序号Ⅲ、Ⅳ为垂直主光轴方向入射；平板分色系统的分色次序也有二种：序号Ⅰ、Ⅲ为先分出红光，再分出绿光，而序号Ⅱ、Ⅳ为先分出蓝光，再分出绿光。这样的配置势必构成：序号Ⅰ的DM1和DM2均为短波通型二向分色，序号Ⅱ的DM1和DM2均为长波通型二向分色，Ⅲ是DM1为长波通型而DM2为短波通型二向分色，Ⅳ是DM1为短波通型而DM2为长波通型二向分色。从分色原理上讲，上述Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种分色原理都是合理的，但从二向分色膜的设计制造讲，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种二向分色膜却有很大的差异。本发明选择序号Ⅰ，序号Ⅰ的优越性可简述如下：(1).在RGB三基色系统中，获得宽反射带总是要比获得宽透射带的难度大得多。序号Ⅰ、Ⅱ的DM1和DM2的反射带都只含一种基色，而序号Ⅲ、Ⅳ的DM1反射带都含二种基色，因此序号Ⅰ、Ⅱ不仅可大大降低宽反射带的困难，而且可方便地消除反射带中出现的许多透射次峰。(2).由于反射带宽度正比于波长，因此位于长波侧的反射带宽度总是要比位于短波侧的反射带宽度更宽。序号Ⅰ的DM1和DM2的反射带恰都位于长波侧，而序号Ⅱ的DM1和DM2的反射带都位于短波侧，因此序号Ⅰ相比序号Ⅱ可获得更宽的反射带。以上两点是本发明选择序号Ⅰ的主要理由，而且，由于DM1和DM2均为短波通型二向分色膜，无论对设计还是制造，都会带来许多方便之处。
具体地说，本发明所采取的技术方案是：
一种无偏振的倾斜入射平板分色系统，包括依次设置的第一分色镜、第二分色镜和反光镜，所述的第一分色镜包括第一基底以及设置在所述第一基底表面上的第一分色膜；所述的第二分色镜包括第二基底以及设置在所述第二基底表面上的第二分色膜；所述的反光镜包括第三基底以及设置在所述第三基底表面上的反光膜；所述的第一分色膜为反红透绿蓝分色膜，所述的第二分色膜为反绿透蓝分色膜，所述的反光膜为蓝反光膜；倾斜入射是指在空气中主光线入射角为45°，且光学孔径为f/5.6，即在空气中对应的孔径角为±5.1°。第一基底、第二基底和第三基底均为耐高温光学玻璃。反红透绿蓝分色膜和反绿透蓝分色膜都属短波通分色膜，其初始结构均由调谐带通滤光膜的基本周期(HLHqLHLHL)组成，每个基本周期均依次包含前反射镜、调谐间隔层和后反射镜。前反射镜、调谐间隔层和后反射镜均由依次交替的高折射率TiO2膜和低折射率SiO2膜组成。蓝反光膜是长波通反射膜，亦由依次交替的高折射率TiO2膜和低折射率SiO2膜组成。
进一步地，反红透绿蓝分色膜包含9～15个基本周期，设计参考波长为574.5nm，每个基本周期的前反射镜为3层膜，调谐间隔层为调谐系数2～3(最优选为2.57)的单层膜，后反射镜为4层膜。
进一步地，反绿透蓝分色膜也包含9～15个基本周期，设计参考波长为481.5nm，每个基本周期的前反射镜亦为3层膜，调谐间隔层为调谐系数2～3(最优选为2.53)的单层膜，后反射镜亦为4层膜。
进一步地，前反射镜依次由高折射率膜、低折射率膜和高折射率膜构成。
进一步地，调谐间隔层由低折射率膜构成。
进一步地，后反射镜依次由高折射率膜、低折射率膜、高折射率膜和低折射率膜构成。
进一步地，光学玻璃基底在波长550nm的折射率为1.5。
进一步地，高折射率的TiO2膜和低折射率的SiO2膜在波长550nm的折射率分别为2.44和1.46。
更进一步地，在入射角为45°时，反红透绿蓝分色膜在透射-反射过渡区T＝50％处的s、p偏振分离为0.3nm，偏振位相差为0°；反绿透蓝分色膜在透射-反射过渡区T＝50％处的s、p偏振分离为0.2nm，偏振位相差亦为0°，偏振分离可比常规设计降低约30倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
现有技术的平板分色系统都是由短波通截止滤光膜和长波通截止滤光膜组成的，根据《薄膜光学》，短波通截止滤光膜初始结构的基本周期为(0.5LH0.5L)，而长波通截止滤光膜初始结构的基本周期为(0.5HL0.5H)。当光线垂直入射时，(0.5LH0.5L)和(0.5HL0.5H)分别作为短波通和长波通截止滤光膜初始设计的基本周期确是简单而有效的，因为它们都是对称周期，所以可以用等效折射率概念把(0.5LH0.5L)和(0.5HL0.5H)表示成单层膜，使设计变得直截了当而且有的放矢。但当薄膜45°倾斜入射时，由于s-偏振光和p-偏振光的等效折射率不同，产生了偏振分离和偏振位相差，所以使等效折射率概念的使用变得极其复杂化。迄今，因为尚找不到消偏振DM1和DM2分色膜的设计方法，因此仍然经常采用基本周期(0.5LH0.5L)和(0.5HL0.5H)来设计二向分色膜，这时其偏振分离和偏振位相差是不可避免的。如图3和图4所示，现有技术设计的DM1和DM2分色膜虽经精心优化，其偏振分离仍分别为9nm和6nm，偏振位相差分别约为－135°和－120°。为了尽可能地消除这种偏振影响，目前常用的方法是让光线在入射到平板分色系统之前先转换成s线偏振光，显然，这不仅使系统复杂化，成本大大提高，而且还产生至少20％的光能损失。
本发明提出与现有技术完全不同的带通滤光膜(HLHqLHLHL)作为基本周期，并通过对调谐系数q的精准调谐，实现透射-反射过渡区T＝50％处的偏振分离和偏振位相差均等于零，获得极佳的消偏振效果。然后通过增加基本周期的周期数，来增加透射-反射过渡区的陡度和反射带的反射率，最后再实施厚度优化来实现满足使用要求的透射带带宽和带内平均透射率以及反射带带宽和带内平均反射率。本发明最终设计的DM1和DM2分色膜达到的偏振分离和偏振位相差为：反红透绿蓝分色膜DM1在λ≈600nm过渡区T＝50％处的s、p偏振分离为0.3nm，甚至更小；s、p偏振位相差为0°。而反绿透蓝分色膜DM2在λ≈500nm过渡区T＝50％处的s、p偏振分离为0.2nm，甚至更小；s、p偏振位相差亦为0°。偏振分离可比常规设计降低约30倍，偏振位相差分别由常规设计的－135°和－120°下降到0°，基本上实现了无偏振的倾斜入射平板分色系统。
本发明还通过合理选取平板分色系统的入射光方向和分色次序，优先采用“双短波通型”膜系来构筑DM1和DM2的二向分色膜，这不仅因二个分色膜类型相同而使设计更加简单，而且还可直接选用折射率1.46的SiO2低折射率膜取代发明专利201310438468.4折射率1.673的TixAlyO低折射率混合膜，更为甚者，“双短波通型”分色膜使透射带和反射带的透射和反射特性都得到了显著的改善。由于发明专利201310438468.4采用“短通-长通型”膜系来构筑DM1和DM2二向分色膜，故不能与本发明直接一一比较透射和反射特性，但是从对人眼最敏感的G光反射带看，漏光从发明专利201310438468.4的1.03％降低到本发明的0.06％。
附图说明
图1表示四种最常用的分色系统，其中，(a)是色轮分色，(b)是平板分色，(c)是菲力普棱镜分色，(d)是立方棱镜分色。
图2具体给出本发明无偏振倾斜入射平板分色系统的示意图。
图3是现有技术采用短波通截止滤光膜基本周期(0.5LH0.5L)作为初始结构优化设计后的DM1在45°时的透射偏振分光特性曲线和透射偏振位相差曲线，其中，(a)表示透射偏振分光特性曲线，(b)表示透射偏振位相差曲线。
图4是现有技术采用短波通截止滤光膜基本周期(0.5LH0.5L)作为初始结构优化设计后的DM2在45°时的透射偏振分光特性曲线和透射偏振位相差曲线，其中，(a)表示透射偏振分光特性曲线，(b)表示透射偏振位相差曲线。
图5是本发明DM1分色膜初始结构S|(HLH2.57LHLHL)9|A在未经厚度优化时的透射偏振分光特性曲线。
图6是本发明DM1分色膜初始结构经厚度优化后各层膜的折射率和物理厚度。
图7是本发明DM1分色膜初始结构经厚度优化设计后在45°时的透射偏振分光特性曲线和透射偏振位相差曲线，其中，(a)表示透射偏振分光特性曲线，(b)表示透射偏振位相差曲线。
图8是本发明图7(a)所示的DM1分色膜在45°±5.1°光锥角内的平均透射偏振分光特性曲线。
图9是本发明DM2分色膜初始结构S|(HLH2.53LHLHL)9|A在未经厚度优化时的透射偏振分光特性曲线。
图10是本发明DM2分色膜初始结构经厚度优化后各层膜的折射率和物理厚度。
图11是本发明DM2分色膜初始结构经厚度优化设计后在45°时的透射偏振分光特性曲线和透射偏振位相差曲线，其中，(a)表示透射偏振分光特性曲线，(b)表示透射偏振位相差曲线。
图12是本发明图11(a)所示的DM2分色膜在45°±5.1°光锥角内的平均透射偏振分光特性曲线。
图13是平板分色系统对不同入射光方向和分色次序的四种情况。
图14是本发明长波通蓝反射膜在45°时的透射偏振分光特性曲线。
具体实施方式
本发明无偏振倾斜入射平板分色系统的示意图如图2所示，入射光束的主光线在空气中的倾斜入射角为45°，考虑到在投影显示系统中，光学孔径常为f/5.6，对应于在空气中的孔径角为±5.1°，故二向分色镜边光的最大入射角为50.1°，而最小入射角为39.9°。分色镜DM1包括基底1-1以及设置在基底1-1表面A上的分色膜2-1，分色膜2-1为反红透绿蓝分色膜；分色镜DM2包括基底1-2以及设置在基底1-2表面B上的分色膜2-2，分色膜2-2为反绿透蓝分色膜；反光镜M包括基底1-3以及设置在基底1-3表面C上的反光膜2-3，反光膜2-3为长波通型蓝反光膜。
图3是现有技术采用短波通截止滤光膜基本周期(0.5LH0.5L)作为初始结构优化设计后的DM1在45°时的透射偏振分光特性曲线和透射偏振位相差曲线，其中，(a)表示透射偏振分光特性曲线，(b)表示透射偏振位相差曲线。为了便于比较，图3(a)所示的DM1特性曲线与下面图7(a)所示的本发明的DM1特性曲线相似：即都是反红透绿蓝的短波通分色膜，都对透射带的透射率、过渡区的偏振分离、反射带的反射率进行了精心的优化设计，而且都采用相同的薄膜材料：高折射率的TiO2和低折射率的SiO2，所不同的仅是初始结构的基本周期不同：图3的基本周期是(0.5LH0.5L)，而图7的基本周期是(HLHqLHLHL)。对比图3和图7，差异主要出现在透射-反射过渡区的偏振特性：图3(a)的透射偏振分离约为9nm，图3(b)的透射偏振位相差约为－135°(说明：这里位相差用0°-360°全周期表示，360°等同于0°，0°到180°位相差为正，360°到180°位相差为负，故图3(b)所示225°等于－135°)；而图7(a)的透射偏振分离为0.3nm，图7(b)的透射偏振位相差为0°。
图4是现有技术采用短波通截止滤光膜基本周期(0.5LH0.5L)作为初始结构优化设计后的DM2在45°时的透射偏振分光特性曲线和透射偏振位相差曲线，其中，(a)表示透射偏振分光特性曲线，(b)表示透射偏振位相差曲线。类似地，图4(a)所示的DM2特性曲线与下面图11(a)所示的本发明的DM2特性曲线亦相似：都是反绿透蓝的短波通分色膜，同样都对透射带的透射率、过渡区的偏振分离、反射带的反射率进行精心的优化设计，都采用相同的薄膜材料：TiO2和SiO2，所不同的亦仅是初始结构的基本周期不同：图4的基本周期是(0.5LH0.5L)，而图11的基本周期是(HLHqLHLHL)。对比图4和图11，在透射-反射过渡区的偏振特性为：图4(a)的透射偏振分离约为6nm，图4(b)的透射偏振位相差约为－120°；而图11(a)的透射偏振分离为0.2nm，图11(b)的透射偏振位相差为0°。
从图3和图4可以看出，采用现有技术设计的短波通分色膜，无论是DM1还是DM2，透射带的透射率以及反射带的反射率都可以优化得到满意的结果，唯独透射-反射过渡区的偏振分离和偏振位相差是无法优化校正的。
下面以本发明无偏振的DM1和DM2分色膜作为实施例来进一步说明。
实施例一
如图2所示，作为实施例一，本发明的无偏振倾斜入射平板分色系统的第一块分色镜DM1包括基底1-1以及设置在基底1-1表面A上的分色膜2-1，分色膜2-1为反红透绿蓝分色膜。倾斜入射的主光线在空气中的入射角为45°，且光学孔径为f/5.6，即在空气中对应的孔径角为±5.1°。基底1-1为耐高温光学玻璃。
反红透绿蓝分色膜属于短波通分色膜，构筑步骤如下：
第一步，确定基本周期。分色膜2-1的基本周期由调谐带通滤光膜(HLHqLHLHL)组成，这里，q为调谐系数，H和L分别表示光学厚度为四分之一波长的高折射率TiO2膜和低折射率SiO2膜。高折射率的TiO2膜和低折射率的SiO2膜在波长550nm的折射率分别为2.44和1.46。每个基本周期均包含依次层叠的前反射镜、调谐间隔层和后反射镜，其中前反射镜为3层HLH膜，调谐间隔层是调谐系数为q的单层qL膜，后反射镜为4层HLHL膜。
第二步，确定基本周期数p和调谐系数q。为了增加透射-反射过渡区的陡度和反射带的反射率，需要增加基本周期(HLHqLHLHL)的周期数p，p为正整数，对DM1分色膜(HLHqLHLHL)p，通常p取9～15。周期数p主要取决于透射-反射过渡区的陡度和反射带的反射率等技术要求。对本实施例一，初始结构取p＝9。接着再进一步确定调谐系数q，由于DM1分色膜是采用调谐带通滤光膜基本周期(HLHqLHLHL)的短波通来构成的，即必须对带通滤光膜通带的长波侧过渡区实施消偏振，故调谐间隔层的调谐系数q必须大于2。具体做法可用试探法不断调整调谐系数q，直至带通滤光膜通带的长波侧过渡区的偏振分离等于零为止。一般情况下，q保持小数点后2～3位就足够了。在确定调谐系数q的过程中，透射-反射过渡区波长会产生前后移动，故需同时修正参考波长，以确保过渡波长600nm恰好位于透射-反射过渡区T50％处。对本实施例一，得到q＝2.57，参考波长为574.5nm。
第三步，获取DM1分色膜的初始结构。通过第二步确定q＝2.57，p＝9，故获取DM1分色膜的初始结构为S|(HLH2.57LHLHL)9|A，这里，S表示耐高温光学玻璃基底，其折射率在波长550nm为1.5，A表示入射媒质空气，且设计的参考波长为574.5nm。
第四步，计算DM1分色膜初始结构S|(HLH2.57LHLHL)9|A的透射偏振分光特性曲线。图5所示就是本发明DM1分色膜初始结构在未经厚度优化时的透射偏振分光特性曲线。从图5可以看出，在透射-反射过渡区波长600nm已实现完全消偏振，偏振分离基本为零，但是短波通带420～600nm的透射带尚未形成，透射次峰非常大，同样，长波反射带600～680nm的宽度尚嫌不足，所以必须对初始结构进行优化。
第五步，优化DM1分色膜的初始结构。本发明采用商用TFCal薄膜设计软件进行优化，优化过程中的评价函数包括二部分：第一部分是短波通带420～600nm的s偏振光、p偏振光和平均透射率均设置为100％；第二部分是长波反射带600～680nm的s偏振光、p偏振光和平均反射率亦均设置为100％。在透射-反射过渡区波长600nm处由于已完全消偏振，加上基本周期本身对已产生的消偏振特性具有自锁定效果，故可不设评价函数。图6是本发明DM1分色膜的初始结构经厚度优化后各层膜的折射率和物理厚度，从图6可知，DM1分色膜经优化设计后的膜层数为107层，总物理厚度为5407.9nm。图7是本发明DM1分色膜经厚度优化设计后在45°时的透射偏振分光特性曲线和透射偏振位相差曲线，其中，图7(a)表示透射偏振分光特性曲线，图7(b)表示透射偏振位相差曲线。从图7(a)可以得到，经厚度优化设计后DM1分色膜的短波通带420～595nm的s偏振光和p偏振光的平均透射率为99.43％，长波反射带605～680nm的s偏振光和p偏振光的平均反射率为99.79％，在λ＝600nm透射-反射过渡区T＝50％处s偏振光和p偏振光的偏振分离为0.3nm，此值虽比图5所示略有增加，但这既是可以接受的也是符合预期的。从图7(b)可以得到，经厚度优化设计后DM1分色膜在λ＝600nm处的s、p偏振光的透射偏振位相差为0°，这里，随着波长从小于600nm向600nm靠近时，偏振位相差从正值缓慢下降到0°，接着位相差还要继续下降，计算软件采用跳到360°来表示0°，当波长大于600nm时，偏振位相差以负值形式继续下降，这就是说，在λ＝600nm偏振位相差恰好为0°，而在λ＝600nm两侧，偏振位相差为0°±很小的值，这与现有技术的DM1分色膜图3(b)相比，本发明的DM1分色膜的偏振位相差完全可以忽略不计。图8是本发明图7(a)所示的DM1分色膜在45°±5.1°光锥角内的平均透射偏振分光特性曲线。从图8可以看出，±5.1°光锥角的影响主要在于过渡区的陡度变差，短波通带420～595nm上s偏振光和p偏振光的平均透射率、长波反射带605～680nm上s偏振光和p偏振光的平均反射率以及在λ＝600nm透射-反射过渡区T＝50％处s偏振光和p偏振光的偏振分离均并未变差，这种不同角度的平均效果是可以理解的。
实施例二
与实施例一相似，作为实施例二，本发明的无偏振倾斜入射平板分色系统的第二块分色镜DM2包括基底1-2以及设置在基底1-2表面B上的分色膜2-2，分色膜2-2为反绿透蓝分色膜。同样，主光线在空气中的入射角为45°，孔径角为±5.1°。基底1-2为耐高温光学玻璃。
反绿透蓝分色膜也属于短波通分色膜，构筑步骤如下：
第一步，确定基本周期。分色膜2-2的基本周期亦由调谐带通滤光膜(HLHqLHLHL)组成，q为调谐系数，H和L分别表示光学厚度为四分之一波长的折射率为2.44的高折射率TiO2膜和折射率为1.46的低折射率SiO2膜。每个基本周期仍均包含依次层叠的前反射镜、调谐间隔层和后反射镜，其中前反射镜为3层HLH膜，调谐间隔层是调谐系数为q的单层qL膜，后反射镜为4层HLHL膜。
第二步，确定基本周期数p和调谐系数q。对DM2分色膜(HLHqLHLHL)p，p亦取9，但q应取2.53，且参考波长为481.5nm。
第三步，获取DM2分色膜的初始结构。由第二步确定p＝9，q＝2.53，故获得DM2分色膜的初始结构为S|(HLH2.53LHLHL)9|A，设计参考波长为481.5nm。
第四步，计算DM2分色膜初始结构S|(HLH2.53LHLHL)9|A的透射偏振分光特性曲线。图9所示是本发明DM2分色膜初始结构在未经厚度优化时的透射偏振分光特性曲线。从图9可以看出，在透射-反射过渡区波长500nm已实现完全消偏振，偏振分离基本为零，但是短波通带420～500nm的透射带尚未形成，同样，长波反射带500～600nm的宽度明显不足，所以必须对初始结构进行优化。
第五步，优化DM2分色膜的初始结构。本实施例二仍采用商用TFCal薄膜设计软件进行优化，其评价函数包括：短波通带420～500nm的s偏振光、p偏振光和平均透射率均设置为100％；长波反射带500～600nm的s偏振光、p偏振光和平均反射率亦均设置为100％。在透射-反射过渡区波长500nm处由于已完全消偏振，加上基本周期本身对消偏振特性的自锁定效果，故不设评价函数。图10是本发明DM2分色膜的初始结构经厚度优化后各层膜的折射率和物理厚度，从图10可知，DM2分色膜经优化设计后的膜层数为102层，总物理厚度为5313.3nm。图11是本发明DM2分色膜经厚度优化设计后在45°时的透射偏振分光特性曲线和透射偏振位相差曲线，其中，图11(a)表示透射偏振分光特性曲线，图11(b)表示透射偏振位相差曲线。从图11(a)可以得到，经厚度优化设计后DM2分色膜的短波通带420～495nm的s偏振光和p偏振光的平均透射率为99.62％，长波反射带505～595nm的s偏振光和p偏振光的平均反射率为99.50％，在λ＝500nm透射-反射过渡区T＝50％处，s偏振光和p偏振光的偏振分离为0.2nm。从图11(b)可以得到，经厚度优化设计后DM2分色膜在λ＝500nm处的s、p偏振光的透射偏振位相差为0°，而在λ＝500nm两侧，偏振位相差为0°±很小的值，这与现有技术的DM2分色膜图4(b)相比，本发明的DM2分色膜的偏振位相差亦完全可以忽略不计。图12是本实施例二图11(a)所示的DM2分色膜在45°±5.1°光锥角内的平均透射偏振分光特性曲线。从图12可以看出，与实施例一一样，±5.1°光锥角的影响主要使过渡区的陡度变差，短波通带420～495nm上s偏振光和p偏振光的平均透射率、长波反射带505～595nm上s偏振光和p偏振光的平均反射率以及在λ＝500nm透射-反射过渡区T＝50％处s偏振光和p偏振光的偏振分离均并未明显改变。
最后再提及一下本发明无偏振倾斜入射平板分色系统的第三块反光镜M，它包括基底1-3以及设置在基底1-3表面C上的反光膜2-3。反光膜为蓝反光膜，蓝反光膜选择长波通反射膜，其基本周期为(0.5HL0.5H)，H和L分别表示光学厚度为四分之一波长的高折射率TiO2膜和低折射率SiO2膜。这种长波通反射膜设计制造就象常规反射膜一样简单，之所以选择长波通反射膜，目的是让DM1和DM2反射带中的红、绿漏光能透过反射镜M，以得到更纯的蓝光。图14是长波通蓝反射膜S|(0.5HL0.5H)11|A在45°时的透射偏振分光特性曲线。从图14可以看出，反射带波长420～500nm的透射率几乎为0，反射率可高达99.9％。顺便可以看到的是，其s、p偏振分离大约为30nm，这就是常规长波通(0.5HL0.5H)p和短波通(0.5LH0.5L)p的偏振分离，而且过渡波长越长，偏振分离越大。
至此，不妨简单归纳如下。
采用现有截止滤光膜的基本周期(0.5HL0.5H)和(0.5LH0.5L)作为初始结构，在未采取任何消偏振措施时，分色膜的偏振分离大约为30nm；在发明专利201310438468.4中，一般优化的消偏振分色膜的偏振分离约为20nm；在本发明中，经过精心优化的分色膜DM1和DM2的偏振分离分别为9nm和6nm。可见，釆用现有技术的截止滤光膜的基本周期来设计分色膜，消偏振效果是比较有限的。
采用带通滤光膜的基本周期作为初始结构能显著改善消偏振效果，在发明专利201310438468.4中，采用基本周期(LHHLH)优化，DM1和DM2的偏振分离分别降为0.3nm和1.5nm；在本发明中，采用调谐基本周期(HLHqLHLHL)进行调谐并优化，DM1和DM2的偏振分离分别为0.3nm和0.2nm，偏振位相差均为零，而且使透射带和反射带的透射和反射特性均大大改善。可见，用本发明的调谐带通滤光膜的基本周期来设计分色膜，消偏振效果是比较理想的。
Claims (10)
1.一种无偏振的倾斜入射平板分色系统，包括依次设置的第一分色镜、第二分色镜和反光镜，其特征在于，所述的第一分色镜包括第一基底以及设置在所述第一基底表面上的第一分色膜；
所述的第二分色镜包括第二基底以及设置在所述第二基底表面上的第二分色膜；
所述的反光镜包括第三基底以及设置在所述第三基底表面上的反光膜；
所述的第一分色膜为反红透绿蓝分色膜，所述的第二分色膜为反绿透蓝分色膜，所述的反光膜为蓝反光膜；
所述的反红透绿蓝分色膜和反绿透蓝分色膜都是短波通滤光膜，其初始结构均由调谐带通滤光膜的基本周期组成，每个基本周期均包含依次层叠的前反射镜、调谐间隔层和后反射镜；
所述的前反射镜、调谐间隔层和后反射镜均由依次交替的高折射率膜和低折射率膜组成；
所述的调谐间隔层为低折射率膜；
所述的蓝反光膜是长波通反射膜，由依次交替的高折射率膜和低折射率膜组成。
2.根据权利要求1所述的无偏振的倾斜入射平板分色系统，其特征在于，所述的高折射率膜为TiO2膜，所述的低折射率膜为SiO2膜。
3.根据权利要求1所述的无偏振的倾斜入射平板分色系统，其特征在于，所述的前反射镜依次由高折射率TiO2膜、低折射率SiO2膜和高折射率TiO2膜构成。
4.根据权利要求1所述的无偏振的倾斜入射平板分色系统，其特征在于，所述的调谐间隔层由低折射率SiO2膜构成。
5.根据权利要求1所述的无偏振的倾斜入射平板分色系统，其特征在于，所述的后反射镜依次由高折射率TiO2膜、低折射率SiO2膜、高折射率TiO2膜和低折射率SiO2膜构成。
6.根据权利要求1所述的无偏振的倾斜入射平板分色系统，其特征在于，所述的反红透绿蓝分色膜包含9～15个基本周期。
7.根据权利要求6所述的无偏振的倾斜入射平板分色系统，其特征在于，所述的反红透绿蓝分色膜中，每个基本周期的前反射镜为3层膜，调谐间隔层为调谐系数2～3的单层膜，后反射镜为4层膜。
8.根据权利要求1所述的无偏振的倾斜入射平板分色系统，其特征在于，所述的反绿透蓝分色膜包含9～15个基本周期。
9.根据权利要求8所述的无偏振的倾斜入射平板分色系统，其特征在于，所述的反绿透蓝分色膜中，每个基本周期的前反射镜为3层膜，调谐间隔层为调谐系数2～3的单层膜，后反射镜为4层膜。
10.根据权利要求1所述的无偏振的倾斜入射平板分色系统，其特征在于，所述的第一基底、第二基底和第三基底均为光学玻璃，在波长550nm的折射率为1.5；
所述高折射率的TiO2膜和低折射率的SiO2膜在波长550nm的折射率分别为2.44和1.46。
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