CN1632643A - 宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法，其特征在于它是采用受抑全反射原理设计和制作的，其透射光为S偏振光，而反射光为P偏振光。本发明宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法的具体步骤如下：①选定监控波长λ1；②选择高折射率为nH薄膜材料和低折射率为，nL薄膜材料和基底材料；③根据以上原理设计一个膜层按照高低折射率材料交错并且厚度呈近高斯对称分布的膜系结构：④根据以上设计进行镀膜。利用本发明方法制备的偏振分束膜具有宽角度宽光谱的特点，起偏角度可以达到空气中±13°，起偏光谱的宽度可以达到400nm或更宽。

Description

宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法

技术领域

本发明涉及偏振分束膜，特别是一种宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法。

背景技术

信息时代的网络技术，使共享信息和集合信息的需要日益突出，这造就了对超大屏幕显示的最大需求，传统的以CRT作为图像发生源的显示技术由于其大体积、大重量以及受自身亮度的限制，逐渐成为限制其发展的瓶颈，代之而来的是以LCD(Liquid Crystal Display)、DLP(DigitalLight Processing)、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)为机理的大屏幕投影显示系统。其中LCOS作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应用产品被广大消费者和业内人士看好，市场潜力无限。LCOS可能是HDTV的背投影技术发展的主要方向。随着成本的不断降低，LCOS应用产品及其大屏幕显示将会越来越多。其中LCOS系统中所需要的偏振分束膜的性能好坏直接影响到整个投影系统的颜色对比度、分辨率。

该偏振分束膜要求在可见波段420nm-680nm范围内，入射角度(θ)±11.5°范围内消光比(T_p/T_s)大于1000。现在用于这方面的薄膜元件都普遍基于MacNeille思想设计的：透射P偏振，反射S偏振光：如图1所示。

虽然这种原理的偏振分束棱镜一直被广泛使用，但是现在正在使用的元件性能离理想的要求还有很大的距离，宽角度和宽光谱两个指标往往都是相互牺牲为代价的，因此它一直是限制LCOS投影系统发展的“瓶颈”。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的困难，利用光学薄膜的受抑全反射原理(FTIR：frustrated total internal reflection)，提供一种宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法。

本发明的基本思想：

1、基本原理-受抑全反射(FTIR)概念

当光线从光密媒质进入光疏媒质且大于临界角的时候，在两媒质的界面处将发生光的全内反射。但是由电磁场的理论的边界条件可以断定，光波并非不进入光疏媒质，实贱和理论已经证明，光场在光疏媒质中随离边界面的垂直距离作指数衰减：

$E_t=E_0\exp (-\frac{w}{c}\mathrm{\γx})$

其中：γ＝[(n₁/n₂)²sin²θ-1]^1/2，c为光速，w为光的角频率，E₀和E_t分别为密媒质和疏媒质中电场的振幅，n₁和n₂分别为两介质的折射率，并且n₁＞n₂，θ为光的入射角，x为在光疏媒质中到两媒质界面的距离。

如果将光疏媒质的厚度控制的非常薄，例如使两块直角棱镜的底面靠的很近，那么，即便在全反射的情况下，透射光依然是可以取出的，亦即全反射受到抑制。

2、反射相移

本发明偏振分束膜就是基于受抑全反射原理来设计的，图2就是这种元件的典型结构，在两片折射率为n₀的基底之间镀制出高低折射率交替组合的膜层，每层膜的相位厚度为δ_i，相临的反射或透射光束的相位厚度差为Δ_i，可以描述为：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{2\mathrm{pi}}{\mathrm{\λ}}{n}_i{d}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i---\left(1\right)$

Δ_i＝δ_i+δ_i+1-_i                                (2)

其中_i和_i+1为第i膜层上下表面的反射相移。他们是入射角度、两媒质折射率的函数，通常对S和P两种偏振态的光有不同的值。图3和图4分别为S偏振光和P偏振光反射相移随入射角以及两折射率的比值之间关系的三维变化关系图。从图3和图4我们可以发现：

(1)当光线从低折射率媒质入射到高折射率媒质(γ＜1)或者入射角度小于临界角的时候，反射相移对两个偏振态来说是固定值，或者是0度或者是180度；传统的Macnille型偏振分束膜就是在该条件下设计的，  因此一旦材料选择以后，唯一可以优化的薄膜参数就是膜层的数目和每层膜的厚度。

(2)当入射角大于临界角的时候(γ＞1)，反射相移将随着入射角和折射率的比值的不同而不同。并且两种不同的偏振态的值也不一样，这就是本发明宽角度宽光谱偏振分束膜设计的理论基础。

在这种设计中，低折射率层和高折射率层对薄膜的性能的作用是不同的，对低折射率层来说，入射角大于临界角，其等效倒纳和相位厚度δ是一个虚数，当膜层很薄的时候，FTIR将在高低折射率膜层的界面发生，因此低折射率层相当于一个没有吸收的金属层，它的厚度只会影响反射光的振幅。而对高折射率膜层来说，其等效倒纳和相位厚度δ是一个实数，其作用只是用于调节相位而不会使光衰减。

(3)具体设计

按照薄膜光学的基本原理，三层对称薄膜结构可以等效为一个单层膜。也就是n₀|ABA|n₀可以表示为n₀|(E，Γ)|n₀，

其中：n₀为基底的折射率；

A，B代表两种折射率分别为n₁，n₂对应物理厚度d₁，d₂的两种膜层；

E，Γ为等效倒纳和等效相位厚度；

$E={\left\{\frac{{{\mathrm{\η}}_1}^2[\sin 2{\mathrm{\δ}}_1\cos {\mathrm{\δ}}_2+1/2({\mathrm{\η}}_1/{\mathrm{\η}}_2+{\mathrm{\η}}_2/{\mathrm{\η}}_1)\cos {2\mathrm{\δ}}_1\sin {\mathrm{\δ}}_2-1/2({\mathrm{\η}}_1/{\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_2/{\mathrm{\η}}_1)\sin {\mathrm{\δ}}_2]}{[\sin {2\mathrm{\δ}}_1\cos {\mathrm{\δ}}_2+1/2({\mathrm{\η}}_1/{\mathrm{\η}}_2+{\mathrm{\η}}_2/{\mathrm{\η}}_1)\cos {2\mathrm{\δ}}_1\sin {\mathrm{\δ}}_2+1/2({\mathrm{\η}}_1/{\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_2/{\mathrm{\η}}_1)\sin {\mathrm{\δ}}_2]}\right\}}^{1/2}$

Γ＝arccos[cos2δ₁cosδ₂+(η₁/η₂+η₂/η₁)sin₂δ₁sinδ₂]，        (3)

η₀＝n₀cosθ₀，

η₁＝n₁cosθ₁，

η₂＝n₂cosθ₂(s polarization)，

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\η}}_0=n_0/\cos {\mathrm{\θ}}_0,& \\ {\mathrm{\η}}_1=n_1/\cos {\mathrm{\θ}}_1,& \\ {\mathrm{\η}}_2=n_2/\cos {\mathrm{\θ}}_2,& \left(\mathrm{ppolarization}\right)\end{array}\right.;---\left(4\right)$

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_1{d}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}g{n}_1{d}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1,$

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{gn}}_2{d}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2;---\left(5\right)$

n₀sinθ₀＝n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂                         (6)

为了方便，上式中使用了波数的概念，即 $g=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\λ}},$ 其中λ₀为参考波长，并且假设n₁＜n₂：

当然n₀|(ABA)^N|n₀可以等效为如下形式的单层膜n₀|(E，NΓ)|n₀。

当FTIR发生的时候，d₁必须很小，假设d₂也很小的话，则(6)中：cos(δ₁)＝cos(δ₂)＝1sin(δ₁)＝δ₁，并且sin(δ₂)＝δ₂。这样(3)式可以按照P，S两个不同的偏振分量，有着不同的简化结果：

$E_s={[\frac{{2d}_1({n_1}^2-{n_0}^2)+d_2({n_2}^2-{n_0}^2)}{({2d}_1+d_2)}+{n_0}^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_0]}^{1/2},$

${\mathrm{\Γ}}_s=\arccos [1-\frac{{4\mathrm{\π}}^2{d}_1{d}_2({n_1}^2+{n_2}^2-{{2n}_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0)}{{\mathrm{\λ}}^2}];---\left(7\right)$

$E_P={\left[\frac{({2d}_1{n_1}^2+d_2{n_2}^2){n_1}^2{n_2}^2}{({2d}_1+d_2){n_1}^2{n_2}^2-({2d}_1{n_2}^2+d_2{n_1}^2){n_0}^{2}s{\mathrm{in}}^2{\mathrm{\θ}}_0}\right]}^{1/2},$

${\mathrm{\Γ}}_p=\arccos$

$\×[1-{4\mathrm{\π}}^2{d}_1{d}_2\frac{({n_1}^2+{n_2}^2)-(\frac{{n_1}^2}{{n_2}^2}+\frac{{n_2}^2}{{n_1}^2}){n_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0}{{\mathrm{\λ}}^2}]---\left(8\right)$

总的来讲，一个组成PBS(polarizing beam splitter)薄膜的理想条件就是：对一个偏振态来说，对称结构的等效倒纳等于基底的等效倒纳，因此所有的光将会被透过；而对于另外一个偏振态来说，其等效倒纳只有一个虚部，因此对称结构相当于性能优良的金属层，当周期N足够大的时候，光线将全部被反射。

按照这种设计思想，从(7)式可以得到：

E_s＝η_0s， $\mathrm{if}{d}_2=\frac{({n_1}^2-{n_0}^2)}{({n_0}^2-{n_2}^2)}2d_1,$

${\mathrm{\Γ}}_s=\arccos$

$\×[1-\frac{{8\mathrm{\π}}^2{d_1}^2({n_1}^2+{n_2}^2-{{2n}_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0)}{{\mathrm{\λ}}^2}\frac{({n_1}^2-{n_0}^2)}{({n_0}^2-{n_2}^2)}]---\left(9\right)$

这样S光的等效倒纳和基底非常匹配，因此可以全部透过。从上式可以发现，只要满足n1＜n0＜n2或者n2＜n0＜n1的话，d₂永远有一个正解。

对于P光只要将(9)代替(8)就可以得到

${E_P}^2<0,\mathrm{if}\sin {\mathrm{\&theta;}}_0>\frac{n_1{n}_2}{n_0{\left[({n_1}^2+{n_2}^2-{n_0}^2\right]}^{1/2}}=\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{LL}},$

${\mathrm{\&Gamma;}}_P=\arccos \{1-\frac{{8\mathrm{\&pi;}}^2{d_1}^2({n_1}^2-{n_2}^2)({n_1}^2-{n_0}^2)[1-\left(\frac{{n_1}^2+{n_2}^2}{{n_1}^2{n_2}^2}\right){n_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_0]}{{\mathrm{\&lambda;}}^2({n_0}^2-{n_2}^2)}\}---\left(10\right)$

因为光波不能被非增益介质放大，因此设E_p的解为负虚数。其中θ_LL被定义为角度的下限，可以推出它是大于临界角的。(10)式表明对称膜堆对P光相当于一个纯金属膜层，实际的反射率是入射角、周期N、以及等效相位厚度的函数。因此只要相位厚度足够大的话，所有的P光都能被反射。

一旦n₁，n₂选定以后，我们可以按照以下的关系式得到最优基底折射率：

${n_0}^{\&prime;}={\left(\frac{{n_1}^2+{n_2}^2}{2}\right)}^{1/2}$

根据以上原理可以设计结构如下的膜系：

g₁Hg₂Lg₃Hg₄Lg₅Hg₆L...............g₆Lg₅Hg₄Lg₃Hg₂Lg₁H

是一个膜层按照高低折射率交错并且厚度呈近高斯对称分布的的膜系结构，其中：g₁，g₂，g₃........g_n是膜层厚度系数；

H，L代表高低折射率两种材料，光学厚度是1/4监控波长；

g₁，g₂，g₃........g_n的取值范围在0-∝之间，视参考波长而决定；

高折射率材料折射率n_H范围：1.8-2.8；低折射率材料折射率n_L范围：1.3-1.8；

总之，本发明的技术解决方案可以归纳如下：

一种宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法，其特征在于它是采用受抑全反射原理设计和制作的，其透射光为S偏振光，而反射光为P偏振光。

所述的宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法的具体步骤如下：

①选定监控波长λ1；

②高折射率为nH薄膜材料和低折射率为，nL薄膜材料，按照以下关系式得到最优基底折射率n0’：

${n_0}^{\&prime;}={\left(\frac{{n_H}^2+{n_L}^2}{2}\right)}^{1/2}$

选定基底材料；

③根据以上原理设计一个膜层按照高低折射率材料交错并且厚度呈近高斯对称分布的的膜系结构：

g1Hg2Lg3Hg4Lg5Hg6L...gmHgmL....g6Lg5Hg4Lg3Hg2Lg1H

其中：(1)g1，g2，g3........gm是膜层厚度系数，g1，g2，g3........gm组成半高斯分布，而且g1，g2，g3........gm的取值范围在0.01-3；

(2)H，L分别代表高低折射率两种材料；而且H和L膜层的光学厚度为1/4监控波长λ₁；

④根据以上设计进行镀膜。

所述的监控波长由具体的镀膜机决定。也就是说所述的监控波长λ₁＝280nm，所述的光学厚度是1/4监控波长为70nm。

高折射率材料折射率n_H的取值范围为1.8-2.8。

所述的低折射率材料折射率n_L的取值范围为1.3-1.8。

所述的膜层数，最少层数为5层，m的最小取值为3，m的取值范围为：3＜m＜100。

本发明具有以下几个方面的优点：

1、该宽角度宽光谱偏振分束膜是采用了受抑全反射的原理设计出来的：一束自然光经过该元件反射的是P偏振光，透射的是S偏振光。这和传统的Macnille原理设计的反射S偏振光，透射P偏振光的元件是不一样的。

2、该偏振分束元件的起偏角度可以达到空气中±13°，起偏光谱的宽度可以达到400nm或更宽。

3、薄膜元件的基底选材和膜料选材范围宽：

适合基底的材料有：基本上所有高折射率(1.65～1.85之间)的玻璃基材都可以采用，比如说ZF₁，ZF₂........ZF₁₈系列材料、所有重钡火石玻璃(ZBaF)等

可供选择的适合镀制的薄膜材料有：

Ta₂O₅，ZrO₂，HfO₂，ZnS，ZnSe，TiO₂，SiO₂，MgF₂，Al₂O₃等

附图说明

图1是一般偏振分束膜的工作原理

图2是受抑全反射原理

图3是S偏振光的相移关系图

图4是P偏振光的相移关系图

图5是本发明膜系的结构几何厚度分布图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

本发明宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法的具体步骤如下：

①整个薄膜元件的制备是在美国VEECO公司的离子束辅助溅射设备上进行的，监控波长λ₁＝2800nm，所述的光学厚度是1/4监控波长为70nm；

②高折射率为n_H薄膜材料和低折射率为，n_L薄膜材料，按照以下关系式得到最优基底折射率n₀’：

${n_0}^{\&prime;}={\left(\frac{{n_H}^2+{n_L}^2}{2}\right)}^{1/2}$

选定基底材料；选择了折射率为1.79的ZF7玻璃作薄膜元件的基底选材，两种薄膜材料分别选择折射率为2.07的五氧化二钽和折射率1.46的二氧化硅的；

③根据以上原理设计一个膜层按照高低折射率材料交错并且厚度呈近高斯对称分布的的膜系结构：

g1Hg2Lg3Hg4Lg5Hg6L...gmHgmL....g6Lg5Hg4Lg3Hg2Lg1H

其中：(1)g1，g2，g3........gm是膜层厚度系数，g1，g2，g3........gm组成半高斯分布，而且g1，g2，g3........gm的取值范围在0.01-3；

(2)H，L分别代表高低折射率两种材料；而且H和L膜层的光学厚度为1/4监控波长λ₁；m＝45；膜层结构见表1。

④根据以上设计进行镀膜。

经测试，我们所制作的宽角度宽光谱偏振分束膜的指标能够达到：在空气中±13°入射角范围光谱范围：420nm-680nm，消光比＝2000。膜系的结构几何厚度分布如图5所示。

实施例二、实施例三的制备过程和实施例一基本相同，在此不再赘述，其膜系结构参数如表1所示。

表1

序号	nH	nL	n0	m	每层膜厚度
						案例一	2.07	1.46	1.47	45	7nmH，32.3nmL，14.5nmH，24nmL，12nmH，25.5nmL，13nmH，38nmL，20.5nmH，47.5nmL，22nmH，56nmL，26nmH，65nmL，28nmH，74.5nmL，30.5nmH，78nmL，31.5nmH，81nmL，32nmH，82nmL，32nmH，81nmL，.5nmH，79nmL，30.5nmH，74.5nmL，28nmH，65nmL，26nmH，56nmL，22nmH，47.5nm，20.5nmH，38nmL，13nmH，25.5nmL，12nmH，24nmL，14.5nmH，32.3nmL，7nmH
案例二	1.8	1.3	2.22	3	6nmH，15nmL，6nmH
						案例三	2.8	1.8	3.3	100	5nmH，25.5nmL，14.5nmH，24nmL，11.5nmH，27nmL，14nmH，32nmL，19nmH，40nmL，22nmH，54.5nmL，26nmH，70nmL，28nmH，75nmL，30.5nmH，79nmL，31.5nmH，81nmL，33nmH，82nmL，34.5nmH，84nmL，35nmH，86nmL，36nmH，87nmL，38nmH，88.5nmL，39nmH，90nmL，39.5nmH，91nm40nmH，92nmL，42nmH，93nmL，42.5nmH，94nmL，43.5nmH，95nmL，44nmH，95.5nmL，44.5nmH，96nmL，45nmH，97nmL，45.5nmH，99nmL，45.5nmH97nmL，45nmH，96nmL，44.5nmH，95.5nmL，44nmH，95.5nmL，43 5nmH，94nmL，42.5nmH，93nmL，42nmH，92nmL，40nmH，91nmL，39.5nmH，90nmL，39nmH，88.5nmL，38nmH，87nmL，36nmH，86nmL，35nmH，84nmL34.5nmH，82nmL，33nmH，81nmL，31.5nmH，78nmL，30.5nmH，75nmL，28nmH，70nmL，26nmH，54.5nmL，22nmH，40nmL，19nmH，32nmL，14nmH，27nmL11.5nmH，24nmL，14.5nmH，25.5nmL，5nmH

Claims (7)

1、一种宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法，其特征在于它是采用受抑全反射原理设计和制作的，其透射光为S偏振光，而反射光为P偏振光。

2、根据权利要求1所述的宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法，其特征在于具体步骤如下：

①选定监控波长λ1；

②高折射率为n_H薄膜材料和低折射率为，n_L薄膜材料，按照以下关系式得到最优基底折射率n₀’：

${n_0}^{\&prime;}={\left(\frac{{n_H}^2+{n_L}^2}{2}\right)}^{1/2}$

选定基底材料；

③根据以上原理设计一个膜层按照高低折射率材料交错并且厚度呈近高斯对称分布的的膜系结构：

g1H g2L g3H g4L g5H g6L...gmHgmL....g6L g5H g4L g3H g2L g1H

其中：(1)g1，g2，g3........gm是膜层厚度系数，g1，g2，g3........gm组成半高斯分布，而且g1，g2，g3........gm的取值范围在0.01-3；

(2)H，L分别代表高低折射率两种材料；而且H和L膜层的光学厚度为1/4监控波长λ₁；

④根据以上设计进行镀膜。

3、根据权利要求2所述的宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法，其特征在于所述的监控波长由具体的镀膜机决定。

4、根据权利要求3所述的宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法，其特征在于所述的监控波长λ₁＝280nm，所述的光学厚度是1/4监控波长为70nm。

5、根据权利要求2所述的宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法，其特征在于所述的高低折射率材料折射率n_H的取值范围为1.8-2.8。

6、根据权利要求2所述的宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法，其特征在于所述的低低折射率材料折射率n_L的取值范围为1.3-1.8。

7、根据权利要求2所述的宽角度宽光谱偏振分束膜的制作方法，其特征在于所述的膜层数，最少层数为5层，m的最小取值为3，m的取值范围为：3＜m＜100。

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