CN1834694A - 分光镜的膜层结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分光镜的膜层结构，该膜层是由高、低折射率材料堆叠而成，膜层结构为(HL) ⁿHLH(LH) ⁿ，其中H表示由高折射率材料制成的膜层，其折射率是在2.5～4之间；L表示由低折射率材料制成的膜层，其折射率是在1.4～1.7之间；及n为整数，将该膜层结构进行优化后，可以得到相位差90度且P偏光的反射率与S偏光的反射率的分离量小的分光镜，对膜层结构优化后的数据为：高折射率膜层的折射率为3.86，低折射率膜层的折射率为1.45，n等于4。

Description

分光镜的膜层结构

【技术领域】

本发明涉及一种分光镜的膜层结构，尤指一种非偏振化分光镜的膜层结构。

【背景技术】

分光镜(Beam Splitter)是用来反射或透射光线，依照光谱特性的不同，分光镜可分为中性分光镜及双色分光镜，中性分光镜可以将一束光分成光谱成份相同的两束光；双色分光镜则可以将光谱的其中一部份反射而其它部份透射。依照光线的偏振性，分光镜还可以设计为偏振分光镜，可将光束分成一束为其电场垂直于入射平面的S偏振光，另一束为其电场平行于入射平面的P偏振光。理想的中性分光镜的主要特性是反射率与透射率因波长及角度不同而引起的改变很小及偏振性小，但由于多层膜的材料总具有色散及吸收等性质，且若入射角不为零度时，则不同偏振性的光线的反射率与透射率会不一样，当入射角越大，R_S(S偏光的反射率)与R_P(P偏光的反射率)、T_S(S偏光的透射率)与T_P(P偏光的透射率)的差异也会越大，因此需要对光学膜层进行特别设计使得该分光镜成为一非偏振化的分光镜。

现有分光镜的膜层设计是采用了交替型的周期结构，并由高、低折射率材料堆叠而成，如图1所示，膜层8的结构为(HL)^m，其直接设置于基板N_S上，其中H表示高折射率膜层，L表示低折射率膜层，m为整数，当用λ₀表示入射光的中心波长时，高折射率膜层H与低折射率膜层L均设置为具有约等于λ₀/4的光学厚度(光学厚度等于折射率乘以厚度)。但是，该膜层8的S偏振光与P偏振光的反射波的相位差仅能局限于0度，要设计成90度是很难达到的，且极易造成S偏振光与P偏振光的分离量过大，如图2所示的该膜层结构的波长-反射率-相位分布的特性曲线。

可见，有必要对现有膜层结构做出改进，以提高分光镜的非偏振化的特性。

【发明内容】

 本发明的目的在于提供一种分光镜的膜层结构，可以使得该分光镜在相位上的设计及应用更为宽广，而且S偏振光与P偏振光的分离量也会达到很小。

依据本发明的上述目的，本发明提供一种分光镜的膜层结构，该膜层是由高、低折射率材料堆叠而成，膜层结构为(HL)ⁿHLH(LH)ⁿ，其中H表示由高折射率材料制成的膜层，其折射率是在2.5～4之间；L表示由低折射率材料制成的膜层，其折射率是在1.4～1.7之间；及n为整数，将该膜层结构进行优化后，可以得到相位差90度且P偏光的反射率与S偏光的反射率的分离量小的分光镜，膜层结构优化后的数据为：高折射率膜层的折射率为3.86，低折射率膜层的折射率为1.45，n等于4。

上述由高折射率材料制成的膜层H与由低折射率材料制成的膜层L均具有约等于λ₀/4的光学厚度，其中λ₀表示入射光的中心波长。

对上述膜层结构进行优化之后，高折射率膜层H的总厚度小于80nm，低折射率膜层L的总厚度小于1500nm。

上述高折射率膜层采用的是吸收性材料。

相较于现有技术，本发明分光镜的膜层结构为(HL)ⁿHLH(LH)ⁿ，其高折射率膜层的折射率采用3.86，低折射率膜层的折射率采用1.45，n等于4，通过该膜层设计可以得到相位差90度且R_P(P偏光的反射率)及R_S(S偏光的反射率)分离量小的分光镜，即本发明分光镜克服了现有分光镜的膜层结构对反射波的相位设计局限性大的缺点，通过这种设计提高产品性能。

【附图说明】

图1是膜层结构为(HL)^m的分光镜。

图2是现有膜层结构为(HL)^m的波长-反射率-相位分布的特性曲线。

图3是本发明分光镜的膜层结构。

图4是本发明膜层结构为(HL)ⁿHLH(LH)ⁿ的波长-反射率-相位分布的特性曲线。

【具体实施方式】

本发明分光镜是应用于DVD、CD等光电产品中，其膜层设计可以使得该分光镜在相位上的设计及应用更为宽广，且不会因为温飘有明显变化，通过这种设计提高光电产品的性能。

请参图3所示，本发明分光镜的膜层1是采用了对称膜系，膜层结构为(HL)ⁿHLH(LH)ⁿ，其直接设置于一基板N_S上，该膜层1具有一对称中心层HLH，其中H表示由高折射率材料制成的膜层，其折射率是在2.5～4之间，且材料为吸收性材料；L表示由低折射率材料制成的膜层，其折射率是在1.4～1.7之间；n为整数，当用λ₀表示入射光的中心波长时，高折射率膜层H与低折射率膜层L均设置为具有约等于λ₀/4的光学厚度(光学厚度等于折射率乘以厚度)。

现以S偏振光与P偏振光的反射波的相位差可达到90度为例对本发明膜层结构的设计理论做出详细说明。

根据相位差Δ＝Ψ_S-Ψ_P

得出下列公式：

$\mathrm{\Δ}=2{\tan }^{-1}\left[\frac{N_S{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0}{\cos {\mathrm{\θ}}_0\sqrt{N_S^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0-N_1^2}}\right]---\left(1\right)$

上述Ψ_S表示S偏振光的反射波相位变化，Ψ_P表示P偏振光的反射波相位变化，N_S表示基板折射率，θ₀表示光线入射角。

将Δ＝π/2，θ₀＝45°代入公式(1)可得到 $N_S=\sqrt{2}{N}_1,$ 当N_S＝1.512时，N₁＝1.0693。因膜层的折射率N₁在数值上与其等效导纳Y相等，即 $N_1=Y=\frac{C}{B},$ 将其代入下列公式(2)至(5)，即可求得透射系数τ、反射系数ρ、透射率T及反射率R。

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\η}0B-C}{\mathrm{\η}0B+C}---\left(2\right)$

$\mathrm{\τ}=\frac{2\mathrm{\η}0}{\mathrm{\η}0B+C}---\left(3\right)$

$R=\left[\frac{\mathrm{\η}0B-C}{\mathrm{\η}0B+C}\right]\left[\frac{\mathrm{\η}0B-C}{\mathrm{\η}0B+C}\right]---\left(4\right)$

$T=\frac{4\mathrm{\η}0\mathrm{Re}\left(\mathrm{Ys}\right)}{(\mathrm{\η}0B+C)(\mathrm{\η}0B+C)}---\left(5\right)$

但因目前并没有折射率为1.0693的材料，因此在设计膜层结构时，需要依靠数层高、低折射率材料进行匹配而得到相同的透射系数τ、反射系数ρ、透射率T及反射率R，而在多层膜的设计过程中，将会使用到下列膜矩阵：

$\left[\begin{array}{c}E\left(z0\right)\\ H\left(z0\right)\end{array}\right]=M1M2\·\·\·\mathrm{Mm}\left[\begin{array}{c}E\left(\mathrm{zm}\right)\\ H\left(\mathrm{zm}\right)\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}E\left(\mathrm{zm}\right)\\ H\left(\mathrm{zm}\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中

$M=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}\mathrm{Mj}=\underset{j=1}{\overset{m}{X}}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δj}& \frac{i}{j}\sin \mathrm{\δj}\\ \mathrm{i\η}\sin \mathrm{\δj}& \cos \mathrm{\δj}\end{array}\right];$

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{Njdj}\cos \mathrm{\θj};$

$\left[\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right]=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δj}& \frac{i}{\mathrm{\η}}\sin \mathrm{\δj}\\ \mathrm{i\η}\sin \mathrm{\δj}& \cos \mathrm{\δj}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ \mathrm{\ηs}\end{array}\right]$

上述M_j表示第j层薄膜的特征矩阵，δ_j、N_j及d_j分别表示第j层薄膜的相厚度、折射率及膜厚。

通过以上公式计算的数值均为理论值，在实际应用中，因材料成份比例等特性的影响，理论值往往难以被直接使用，而需要根据该理论值对膜层层数及其厚度进行优化才能够得到相位差90度且R_P(P偏光的反射率)及R_S(S偏光的反射率)分离量小的分光镜，如图4所示，与图2中所示的现有曲线图相比较，在图4中所示的R_P与R_S的分离量可以达到最小。在本实施例中，高折射率材料的折射率(N_H)采用3.86，高折射率膜层的总厚度小于80nm；低折射率材料的折射率(N_L)采用1.45，低折射率膜层的总厚度小于1500nm；整数n等于4，即高折射率膜层共有十层，而低折射率膜层共有九层。

Claims (13)

1.一种分光镜的膜层结构，该膜层是由高、低折射率材料堆叠而成，其特征在于：膜层结构为(HL)ⁿHLH(LH)ⁿ，其中H表示由高折射率材料制成的膜层，其折射率是在2.5～4之间；L表示由低折射率材料制成的膜层，其折射率是在1.4～1.7之间；及n为整数，将该膜层结构进行优化后，便可以得到相位差90度且P偏光的反射率与S偏光的反射率的分离量小的分光镜，对膜层结构优化后的数据为：高折射率膜层H的折射率为3.86，低折射率膜层L的折射率为1.45，n等于4。

2.如权利要求1所述的分光镜的膜层结构，其特征在于：高折射率膜层H与低折射率膜层L均具有约等于λ₀/4的光学厚度，其中λ₀表示入射光的中心波长。

3.如权利要求1所述的分光镜的膜层结构，其特征在于：对膜层厚度进行优化之后，高折射率膜层H的总厚度小于80nm，低折射率膜层L的总厚度小于1500nm。

4.如权利要求1所述的分光镜的膜层结构，其特征在于：高折射率膜层采用的是吸收性材料。

5.一种分光镜，其具有一基板及设置于基板上的对称膜层，其特征在于：膜层结构为(HL)ⁿHLH(LH)ⁿ，其中H表示由高折射率材料制成的膜层，其折射率是在2.5～4之间，在该膜层结构中的该高折射率膜层的总厚度小于80nm；L表示由低折射率材料制成的膜层，其折射率是在1.4～1.7之间，在该膜层结构中的该低折射率膜层的总厚度小于1500nm；及n为整数，该膜层结构可以使得分光镜在相位上的设计及应用更为宽广。

6.如权利要求5所述的分光镜，其特征在于：高折射率膜层材料的折射率为3.86，低折射率膜层材料的折射率为1.45，n等于4。

7.如权利要求6所述的分光镜，其特征在于：高折射率膜层采用的是吸收性材料。

8.一种具有对称膜系的光学镜片，该膜系是设置于一基板上，其特征在于：该膜系具有一个结构为HLH的对称中心层及由该对称中心层的两个H层分别向两侧延伸且结构为(LH)ⁿ的延伸层，其中H表示由高折射率材料制成的膜层，其折射率是在2.5～4之间；L表示由低折射率材料制成的膜层，其折射率是在1.4～1.7之间。

9.如权利要求8所述的光学镜片，其特征在于：所述的H层为一种吸收性材料。

10.如权利要求9所述的光学镜片，其特征在于：所述的H层其折射率为3.86。

11.如权利要求10所述的光学镜片，其特征在于：所述的L层其折射率为1.45。

12.如权利要求11所述的光学镜片，其特征在于：所述的结构为(LH)ⁿ的延伸层中的n等于4。

13.如权利要求8或12所述的光学镜片，其特征在于：所述的H及L膜层均具有约等于λ₀/4的光学厚度，其中λ₀为入射光的中心波长。

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