CN1959467A - 多入射方向的分光棱镜 - Google Patents

Abstract

多入射方向的分光棱镜(PBS)结构的设计，属于光机系统应用设计的技术领域。根据物理学背景知识，在某种介质表面镀制介质偏振分光膜，在一定条件下可以达到将P偏振光和S偏振光分开的目的。它由入射体(1)、分光体(3)和偏振分光膜(4)构成，分光体(3)位于入射体(1)中的空腔内，入射体(1)和分光体(3)的交界面是偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。通过设计新型的分光棱镜结构，与传统的分光棱镜相比较，可以降低分光棱镜(PBS)的厚度，并且提高投光效果。它具有很强的技术应用背景。

Description

多入射方向的分光棱镜

技术领域

本发明涉及分光棱镜(PBS)结构的设计，属于光机系统应用设计的技术领域。

背景技术

利用光线反射式原理显示的微型显示器件如数字微镜显示(DMD)、硅基液晶显示(LCoS)等在工作时需要将光线入射到器件表面后由显示器反射出来，通过光学系统后将小型2维显示器所产生的影像藉由光学系统放大，并最终实现全像视觉效果。这类显示器作为一种新型的图像源，属于新型的反射式显示技术，具有高分辨率、高光利用效率、制造技术较成熟和低功耗等特点。

液晶具有部分晶体特性，会对入射光表现出晶体特有的各向异性，故在液晶显示器件中几乎都需要使用偏振光束工作，硅基液晶(LCoS)也不例外。在LCoS光学引擎中选用的LED光源发出的光为自然光，需要将此自然光经起偏器转化为偏振光。而偏振光又可以用两个振动方向相互垂直、相位有关联的线偏振光来描述，通常表示为P偏振光和S偏振光，其中P偏振光偏振方向平行于入射面，而S偏振光偏振方向垂直于入射面。在LCoS光学引擎中选用了偏振分光棱镜(PBS)，偏振分光面可以将S偏振光反射，让P偏振光通过。

由光学背景知识可知，当光线从一种介质斜入射到另一种介质的情况下，随着入射角的增大，S(senkrecht垂直)分量的光强反射率总是单调上升的，但P(parallel平行)分量的光强反射率先是下降，在某个特殊角度i_B降到0，尔后再上升。使P分量反射率为零的入射角i_B称为布儒斯特角(D.Brewster，1815年)。由振幅反射率公式可知，当光从折射率为n₁的介质入射到折射率为n₂的介质时，布儒斯特角的表达式为

$i_B={\tan }^{-1}\frac{n_2}{n_1}$

对于空气到玻璃的情况n₂/n₁～1.5，i_B～57°。

棱镜PBS是按照Mac Neille方法设计的，它的主要思想是使膜层内每个膜面的入射角满足布儒斯特角，这样入射光线在这些膜面上的P偏振光的透过率接近100％；而对于S偏振光，这些膜层构成一个高反射膜系，因而从理论上讲可使S光的反射率为100％。

现在一般采用在偏振分光面上镀制多层介质偏振分光膜的方法使得分光面与底面呈45°角时PBS能够起到很好的分光效果。

当入射光进入PBS后，PBS会将入射光(S偏振光)反射进入LCoS成像模块成像，又因为液晶的固有特性，进入LCoS成像模块的S偏振光被改变成P偏振光，从LCoS成像模块反射出来，再经PBS射出，再经过透镜成像系统得到LCoS上图象的放大了的画面。

为了实现高放大倍数、小像差显示，要求透镜系统有效焦距足够小，而在透镜系统最后一个镜面与LCoS显示屏面之间必须安置一个PBS，所以透镜系统有效焦距必须要大于PBS的厚度，从而要减小透镜系统有效焦距必须降低PBS的厚度。因此分光棱镜(PBS)厚度d越小越好；同时，为了实现高亮度显示，希望PBS投光面积S越大越好。

数字光处理器(DLP，Digital Light Processing)技术是显示领域划时代的革命，它将为视频投影显示翻开新的一页。它以DMD(Digital Micromirror Device)作为成像器件。当它在工作时，白光穿过TIR(Total Internal Reflrction)棱镜。TIR棱镜的作用是调整光线射到DMD上的入射角，使得DMD上的微镜片转动时，可以将光线准确地射入或偏离投影透镜。现在TIR棱镜的结构比较单一，限制了DMD的应用，有必要设计出新的棱镜结构，以改善DMD的性能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种新型的分光棱镜的结构，该结构与目前常用的传统的分光棱镜的结构有很大的不同，使得分光面与传统的立方体形PBS的分光面有了很大的改变，在同等光出射面积的情况下大大降低了PBS的厚度(厚度约为原来的一半)，并且使得光源投光面积增大，有助于实现高亮度显示。

技术方案：本发明涉及三种分光棱镜新型结构，它由入射体、分光体和偏振分光膜构成，分光体位于入射体中的空腔内，入射体和分光体的交界面是偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。

入射体和分光体共同构成一个底面半径与高相等的圆柱体，其中分光体是一个与圆柱体同轴及同一个底面的圆锥体，其底面半径与高相等，分光体的锥面为偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。

入射体和分光体共同构成一个底面为正方形、高度为正方形边长一半的长方体，其中分光体是一个与长方体共正方形底面、共中心轴且底面边长的一半与高相等的正四棱锥体，分光体的锥面为偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。

入射体和分光体共同构成一个底面为矩形、高度为底面矩形长边长度一半的长方体，其中分光体是一个底面是矩形，主视侧面是一个等腰直角三角形的屋脊状三棱柱，构成直角的两个屋脊面为偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。

有益效果：本发明改变了传统立方体形PBS光线从一侧入射的情况，使得在不减少总的分光面面积的前提下，既大大降低了分光棱镜(PBS)的厚度(大约降低一半)，又增加了入射光的投光面积。光线可以从不同方向进入偏振分光面，可以采用多个光源提高反射光的光通量。该技术可以应用到LCoS、DMD等反射式显示器件中。

附图说明

图1是制作完成的圆柱体形分光棱镜的示意图，其中有入射体1、偏振分光面2、分光体3、偏振分光膜4、入射光5、通光面6、增透膜7、P偏振光8、S偏振光9。

图2是制作完成的第一种长方体形分光棱镜的示意图。

图3是制作完成的第二种长方体形分光棱镜的示意图，其中有底面矩形的长边10。

具体实施方式

本发明的实施例分别是：如图1所示，入射体和分光体共同构成一个底面半径与高相等的圆柱体，其中分光体是一个与圆柱体同轴及同一个底面的圆锥体，其底面半径与高相等，分光体的锥面为偏振分光面，分光面上制作有偏振分光膜。

如图2所示，入射体和分光体共同构成一个底面为正方形、高度为正方形边长一半的长方体，其中分光体是一个与长方体共正方形底面、共中心轴且底面边长的一半与高相等的正四棱锥体，分光体的锥面为偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。

如图3所示，入射体和分光体共同构成一个底面为矩形、高度为底面矩形长边长度一半的长方体，其中分光体是一个底面是矩形，主视侧面是一个等腰直角三角形的屋脊状三棱柱，构成直角的两个屋脊面为偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。

入射体和分光体之间的胶合面是偏振分光面，偏振分光面上镀制有多层介质偏振分光膜；偏振分光面与底面的夹角为45°。当任意偏振态的入射光垂直于入射体的通光面射入棱镜后，在偏振分光面上，入射光被偏振分光膜分成两束不同的光束，分别具有平行态和垂直态偏振方向，通常分别表示为P偏振光和S偏振光，其中P偏振光透过偏振分光面，而S偏振光被偏振分光面反射，从而使P偏振光和S偏振光分开。

这种新型分光棱镜，其特征是其偏振分光面不是由一个平面构成，光线不再从单一方向进入分光棱镜，从而可以采用多个光源提高反射光的光通量。

在分光棱镜的通光面上镀制有增透膜，以降低光进入分光棱镜时的反射损耗。

Claims (4)

1.一种多入射方向的分光棱镜，其特征是：它由入射体(1)、分光体(3)和偏振分光膜(4)构成，分光体(3)位于入射体(1)中的空腔内，入射体(1)和分光体(3)的交界面是偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。

2.根据权利要求1所述的多入射方向的分光棱镜，其特征是入射体(1)和分光体(3)共同构成一个底面半径与高相等的圆柱体，其中分光体(3)是一个与圆柱体同轴及同一个底面的圆锥体，其底面半径与高相等，分光体(3)的锥面为偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。

3.根据权利要求1所述的多入射方向的分光棱镜，其特征是入射体(1)和分光体(3)共同构成一个底面为正方形、高度为正方形边长一半的长方体，其中分光体(3)是一个与长方体共正方形底面、共中心轴且底面边长的一半与高相等的正四棱锥体，分光体(3)的锥面为偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。

4.根据权利要求1所述的多入射方向的分光棱镜，其特征是入射体(1)和分光体(3)共同构成一个底面为矩形、高度为底面矩形长边(10)长度一半的长方体，其中分光体(3)是一个底面是矩形，主视侧面是一个等腰直角三角形的屋脊状三棱柱，构成直角的两个屋脊面为偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。

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