CN201820038U - 一种具有低偏振像差的偏振分合色器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有低偏振像差的偏振分合色器件，其反红透兰绿分合色棱镜的第二棱镜面上镀有短波通膜，反兰透绿分合色棱镜的第二棱镜面上镀有长波通膜，反红透兰绿分合色棱镜的第二棱镜面上的短波通膜与反兰透绿分合色棱镜的第一棱镜面平行且相互之间存在空气隙，反红透兰绿分合色棱镜的第一棱镜面与所述反红透兰绿分合色棱镜的第二棱镜面的夹角为32°～40°；反兰透绿分合色棱镜的第一棱镜面与反兰透绿分合色棱镜的第二棱镜面的夹角为32°～40°；反兰透绿分合色棱镜第二棱镜面上的长波通膜与透绿分合色棱镜的入射面平行且相互之间存在空气隙。本实用新型具有低偏振像差，不仅提高光能利用率，且改善图像清晰度和对比度。

Description

一种具有低偏振像差的偏振分合色器件

技术领域

本实用新型涉及一种用于反射式投影机的具有低偏振像差的偏振分合色器件。

背景技术

数字投影显示的发展趋势是向两个“极端”发展，一方面是向所谓的“皮”投影(pico-projection)即微型显示系统发展，另一方面是向超高亮度和超高清晰度的大型显示系统发展。在诸如电影院、大型智能化指挥所、大型集会等各种场合，人们呼唤着一种超高亮度和超高清晰度的大屏幕投影显示技术。因此如何提高光能利用率，使显示亮度提高到1万流明以上是急待解决的一个问题；如何从2K象素的高清显示(1920×1280)提高到4K象素的超高清显示是急待解决的另一个问题。

现有反射式投影机的偏振分合色器件由于偏振像差较大，在超高亮度和超高清晰度的大型显示系统中已不敷应用，主要技术问题有：短波通膜和长波通膜透射分光曲线的S，P偏振分离大，不仅导致光能损失，而且损失的那一部分光在器件内通过多次反射、折射后变成了杂散光，导致图像清晰度和对比度下降；短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差太大，使一部分光由线偏振光变成扁椭圆偏振光，由于偏振分合色器件入射光是S线偏振光，调制后的信号光是P线偏振光，扁椭圆偏振光中的S偏振成分同样将导致光能量损失和引入杂散光；超高亮度工作时棱镜和薄膜之间温度过高会导致棱镜和薄膜胶合失效和薄膜表面的热变像差，甚至导致棱镜破裂。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种具有低偏振像差的偏振分合色器件。

为实现上述目的，本实用新型的发明人获得了减小光线在薄膜中的入射角是获得低偏振像差之关键所在的认识，首次推导了一个方程组以寻求光线在薄膜中的可能的最小入射角，在此基础上，根据红、兰、绿三路光在偏振分合色器件中的等光程原理，重新设计了一个偏振分合色器件；设计了一个未见过报道的短波通膜和长波通膜，获得了比现用短波通膜和长波通膜更小的透射分光曲线的S，P偏振分离以及短波通膜与长波通膜合成的S，P偏振位相差；把器件设计成全空气隙，控制每个空气隙的平行度和增大空气隙的间隔。这些突破使器件获得了很低的偏振像差，从而在偏振转换过程中不仅提高了光能利用率，而且改善了图像清晰度和对比度。

本实用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件不仅可以用于超高亮度和超高清晰度的大型投影机，而且同样可用于现有的反射式投影机以取得更好的投影效果。

具体地说，本实用新型所采取的技术方案是：该具有低偏振像差的偏振分合色器件包括反红透兰绿分合色棱镜、反兰透绿分合色棱镜和透绿分合色棱镜，所述反红透兰绿分合色棱镜的第二棱镜面上镀有短波通膜，所述反兰透绿分合色棱镜的第二棱镜面上镀有长波通膜，所述反红透兰绿分合色棱镜的第二棱镜面上的短波通膜与所述反兰透绿分合色棱镜的第一棱镜面平行且相互之间存在空气隙，所述反红透兰绿分合色棱镜的第一棱镜面与所述反红透兰绿分合色棱镜的第二棱镜面的夹角为32°～40°；所述反兰透绿分合色棱镜的第一棱镜面与所述反兰透绿分合色棱镜的第二棱镜面的夹角为32°～40°；所述反兰透绿分合色棱镜第二棱镜面上的长波通膜与所述透绿分合色棱镜的入射面平行且相互之间存在空气隙。

进一步地，本实用新型所述反红透兰绿分合色棱镜的第一棱镜面与所述反红透兰绿分合色棱镜的第二棱镜面的夹角为32°，所述反兰透绿分合色棱镜的第一棱镜面与所述反兰透绿分合色棱镜的第二棱镜面的夹角为32°，以获得更优的效果。

进一步地，本实用新型所述短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9～3.1nm，所述长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8～1.2nm；短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差在整个工作波长上为大于-16度且小于49度。

进一步地，本实用新型所述短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9nm，所述长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8nm；短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差在整个工作波长上为大于-10度且小于29度。

进一步地，本实用新型所述反红透兰绿分合色棱镜的第二棱镜面上的短波通膜与所述反兰透绿分合色棱镜的第一棱镜面之间的空气隙的间距为30～35微米。

进一步地，本实用新型所述反兰透绿分合色棱镜的第二棱镜面上的长波通膜与所述透绿分合色棱镜的入射面之间的空气隙的间距为30～35微米。

进一步地，本实用新型用长波通膜替换所述反红透兰绿分合色棱镜的第二棱镜面上的短波通膜，用短波通膜替换所述反兰透绿分合色棱镜的第二棱镜面上的长波通膜。

进一步地，本实用新型所述长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8～1.2nm，所述短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9～3.1nm；短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差在整个工作波长上为大于-16度且小于49度。

进一步地，本实用新型所述长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8nm，所述短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9nm，短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差在整个工作波长上为大于-10度且小于29度。

进一步地，本实用新型还包括直角梯形偏振棱镜，所述直角梯形偏振棱镜的斜腰所在的棱镜面与所述反红透兰绿分合色棱镜的第一棱镜面平行且相互之间存在空气隙。

需要说明的是，本实用新型首次推导出了偏振分合色器件中反红透兰绿分合色棱镜、反兰透绿分合色棱镜和透绿分合色棱镜必须满足的条件如式(1)所示：

$\mathrm{\θ}>\frac{1}{3}[{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)+{\sin }^{-1}\mathrm{NA}]---\left(1\right)$

式(1)中，θ为棱镜中光线入射到短波通膜和长波通膜的入射角，n为棱镜的折射率，NA为数值孔径。

借助于式(1)求出光在短波通膜和长波通膜中最小的入射角，根据红、兰、绿三路光在偏振分合色器件中的等光程原理设计出一个新的偏振分合色器件，这是本实用新型减小偏振像差的重要技术关键；为了避免超高亮度工作时棱镜面和短波通膜或长波通膜之间温度过高而导致棱镜面和短波通膜或长波通膜之间的胶合失效以及短波通膜或长波通膜表面的热变像差，甚至导致棱镜热致破裂，同时为了满足光线的全反射条件，提出反红透兰绿分合色棱镜第二棱镜面上的短波通膜与反兰透绿分合色棱镜的第一棱镜面之间以及反兰透绿分合色棱镜的第二棱镜面上的长波通膜与透绿分合色棱镜的入射面之间都必须互相构成一定宽度的平行空气隙，这是本实用新型减小偏振像差所必须的。

进一步地，本实用新型通过对一个特殊滤光器HLH2L2H2LHLHL中的2L2H2L进行厚度调谐，H表示高折射率膜层TiO₂，L表示低折射率膜层SiO₂，发现一个奇异的特性：在反射带的短波侧或长波侧，某些干涉级次的反射-透射过渡区具有很小的S，P偏振分离，而另一些干涉级次的反射-透射过渡区具有很大的S，P偏振分离，这一特性的发现，对减小或增大偏振分离的设计极为重要，由此获得了一个未见报道过的新型短波通膜和长波通膜，与现有的短波通膜和长波通膜相比，不仅降低了短波通膜和长波通膜透射分光曲线的S，P偏振分离，而且减小了短波通膜与长波通膜合成的S，P偏振位相差，这是本实用新型进一步减小偏振像差的技术关键。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

针对现有的偏振分合色器件在偏振转换过程中还有进一步提高光能量利用率的潜力，以及S，P偏振位相差过大因而造成器件偏振像差太大而不能完全满足超高亮度和超高清晰度的投影机的应用要求，提出了一种具有低偏振像差的偏振分合色器件，以满足超高亮度和超高清晰度的反射式投影机的应用需求，它能同时为反射式投影机提供偏振光分色(分成三基色S偏振光)和偏振光合色(三基色S偏振光经调制变成P偏振信号光后合成彩色图像)的双重功能。

本实用新型器件的透射分光曲线的S，P偏振分离远远小于现有器件透射分光曲线的S，P偏振分离，本实用新型的器件S，P偏振分离的减小主要归功于短波通膜和长波通膜中光线入射角θ的减小；此外，新的短波通膜和长波通膜的使用也对本实用新型偏振分合色器件的S，P偏振分离的减小发挥重要作用。由于偏振分合色器件总的透射率为S，P偏振能量的乘积，这意味着S，P偏振之间的波长分离区域的光能量会无法利用而被损失，因此本实用新型的器件可以大大提高光能利用率而显著提高投影显示亮度。更有甚者，S，P偏振分离造成的光能损失在器件内会形成大量杂散光，因此本实用新型的器件还可显著改善图像清晰度和对比度。

本实用新型器件的短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差远远小于现有器件短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差，本实用新型的器件S，P偏振位相差的减小也归功于短波通膜和长波通膜中光线入射角θ的减小和新的短波通膜和长波通膜的使用。短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差较大时会导致部分线偏振光变成扁椭圆偏振光，而S偏振光是不能参与成像的，因此扁椭圆偏振光中的S偏振分量也会导致光能量损失和产生杂散光。

现有技术从未认识到通过把立方偏振棱镜改为直角梯形偏振棱镜可以显著减小偏振像差，现有技术也从未认识到可用一个特殊滤光器进行厚度调谐，获得反射-透射过渡区S，P偏振分离非常小的短波通膜和长波通膜，现有技术更从未认识到长波通膜和短波通膜合成的S，P位相差对偏振像差的重要影响。

附图说明

图1是本实用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件的工作原理示意图。

图2是现有偏振分合色器件与本实用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件的工作状态示意图的比较：

(a)现有的偏振分合色器件；

(b)本实用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器。

图3是现有偏振分合色器件短波通膜和长波通膜与本实用新型的偏振分合色器件短波通膜和长波通膜的S，P偏振光的透射分光曲线图的分离比较：

(a)现有偏振分合色器件短波通膜和长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离；

(b)本实用新型的偏振分合色器件短波通膜和长波通膜在2θ＝32度时透射分光曲线的S，P偏振分离；

(c)本实用新型的偏振分合色器件短波通膜和长波通膜在2θ＝40度时透射分光曲线的S，P偏振分离。

图4是现有偏振分合色器件短波通膜和长波通膜与本实用新型的偏振分合色器件短波通膜和长波通膜S，P偏振位相差与波长的关系图的比较：

(a)现有偏振分合色器件短波通膜和长波通膜的S，P偏振位相差；

(b)本实用新型偏振分合色器件短波通膜和长波通膜在2θ＝32度时的S，P偏振位相差；

(c)本实用新型偏振分合色器件短波通膜和长波通膜在2θ＝40度时的S，P偏振位相差。

图5是现有偏振分合色器件与本实用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件的偏振象差的示意图的比较：

(a)现有偏振分合色器件的透射光偏振象差；

(b)本实用新型偏振分合色器件的透射光偏振象差。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型偏振分合色器件包括反红透兰绿分合色棱镜1、反兰透绿分合色棱镜2和透绿分合色棱镜3。

在反红透兰绿分合色棱镜1的第二棱镜面上镀上短波通膜系4，使入射到反红透兰绿分合色棱镜1的S偏振白光分为二路：

其中一路是：反射的S偏振红光经反红透兰绿分合色棱镜1的第一棱镜面全反射后经反红透兰绿分合色棱镜1的第三棱镜面入射到红光图像调制器8；S偏振红光经红光图像调制器8调制后形成P偏振红光再沿原路返回，P偏振红光依次经由反红透兰绿分合色棱镜1的第一棱镜面和第二棱镜面的短波通膜4反射，最后经反红透兰绿分合色棱镜1的第一棱镜面出射。

另一路是：透射的S偏振兰绿光进入反兰透绿分合色棱镜2的第一棱镜面后由反兰透绿分合色棱镜2的第二棱镜面的长波通膜5再分为两路：其中一路是，反射的S偏振蓝光经反兰透绿分合色棱镜2的第一棱镜面全反射后经反兰透绿分合色棱镜2的第三棱镜面入射到蓝光图像调制器9，S偏振蓝光经蓝光图像调制器9调制后形成P偏振蓝光再沿原路返回；P偏振蓝光依次经由反兰透绿分合色棱镜2的第一棱镜面和第二棱镜面上的长波通膜5反射后，再依次透过反兰透绿分合色棱镜2的第一棱镜面和反红透兰绿分合色棱镜1的第二棱镜面上的短波通膜4，最后经反红透兰绿分合色棱镜1的第一棱镜面出射。另一路是，透射的S偏振绿光依次透过透绿分合色棱镜3的入射面和出射面到绿光图像调制器10，S偏振绿光经绿光图像调制器10调制后形成P偏振绿光再沿原路返回，P偏振绿光依次经由透绿分合色棱镜3的出射面和入射面、反兰透绿分合色棱镜2第二棱镜面上的长波通膜5和第一棱镜面、反红透兰绿分合色棱镜1的第二棱镜面上的短波通膜4，最后经反红透兰绿分合色棱镜1的第一棱镜面出射。

这样，由反红透兰绿分合色棱镜1的第一棱镜面出射的P偏振红光、P偏振蓝光和P偏振绿光就可合成彩色图像，经直角梯形偏振棱镜检偏振后最后由投影物镜投射到屏幕上。

而根据图1所示的工作原理和参数，要使本实用新型偏振分合色器件正常工作，经过公式推导必须满足式(1)所示的条件，即：

φ₃＝90°-θ

${\mathrm{\φ}}_{12}\≥{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)+{\sin }^{-1}\mathrm{NA}$

${\mathrm{\φ}}_{22}\≥{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)+{\sin }^{-1}\mathrm{NA}$

由此可得：

$\mathrm{\θ}>\frac{1}{3}[{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)+{\sin }^{-1}\mathrm{NA}]---\left(1\right)$

式(1)中，θ为棱镜中光线入射到短波通膜4和长波通膜5的入射角，n为棱镜的折射率，NA为数值孔径。φ₃为光线入射到透绿分合色棱镜3的入射角的补角，φ₁₂为反红透兰绿分合色棱镜1的第一棱镜面上的入射光与反射光的夹角，φ₂₂为反兰透绿分合色棱镜2的第一棱镜面上的入射光与反射光的夹角；对n＝1.516的K₉玻璃棱镜和数值孔径NA＝1/7(即F＝3.5)的入射光，可求得最小的θ＝16度，即2θ＝32度，并得到关系式2θ＝2φ₁＝2φ₂和φ₃＝74度，这些结果在下面图2(a)所示的现有偏振分合色器件中是无法得到的。如图1所示，2θ为棱镜中光线入射到短波通膜4和长波通膜5的入射角和反射角之和；2φ₁为反红透兰绿分合色棱镜1的第一棱镜面和第二棱镜面的夹角；2φ₂为反兰透绿分合色棱镜2的第一棱镜面和第二棱镜面的夹角。

图2是现有偏振分合色器件与本实用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件工作状态示意图的比较，其中，图2(a)为现有偏振分合色器件；图2(b)为本实用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器。首先，由于现有偏振分合色器件采用立方偏振棱镜11，因而允许的最小2θ＝60°，即棱镜中入射到短波通膜4’和长波通膜5’的最小入射角θ＝30度。而本实用新型具有低偏振像差的偏振分合色器改用直角梯形偏振棱镜12，因而允许的最小2θ＝32度，即棱镜中入射到短波通膜4和长波通膜5的最小入射角θ＝16度。其次，由于现有偏振分合色器件只用于亮度不高于6000流明的反射式投影机，因此偏振分合色器件不会因温度过高而带来胶合失效的问题，也不会因透光区热量过高导致反红透兰绿分合色棱镜1’的第二棱镜面上的短波通膜4’和反兰透绿分合色棱镜2’的第二棱镜面上的长波通膜5’的表面热变像差，甚至导致棱镜热致破裂的问题。这样，虽然反红透兰绿分合色棱镜1’的第二棱镜面上的短波通膜4’和反兰透绿分合色棱镜2’之间因全反射需要保留空气隙6’外，反兰透绿分合色棱镜2’的第二棱镜面上的长波通膜5’和透绿分合色棱镜3’之间却可以直接胶合，不用空气隙。因此，现有偏振分合色器件只有一个空气隙6’，且间隙只需10微米左右(间隔越大，棱镜固定越难)。当偏振分合色器用于超高亮度投影机时，因高温引起的胶合失效、短波通膜4和长波通膜5的表面热变像差和棱镜热致破裂的问题会变得非常突出，因此，为使本实用新型具有低偏振像差的偏振分合色器能够应用于超高亮度投影机，在反红透兰绿分合色棱镜1的第二棱镜面上的短波通膜4和反兰透绿分合色棱镜2的第一棱镜面之间必须有空气隙6，反兰透绿分合色棱镜2第二面上的长波通膜5和透绿分合色棱镜3入射面之间必须有空气隙7，且空气隙6和空气隙7的厚度以不小于30微米为宜，以防止因短波通膜4和长波通膜5的表面热变形导致两个表面接触而破坏全反射条件。此外，为便于固定反红透兰绿分合色棱镜1、反兰透绿分合色棱镜2和透绿分合色棱镜3，空气隙6和空气隙7的厚度优选为30～35微米之间。当空气隙6和空气隙7的厚度为30微米时，本实用新型的偏振分合色器件能够同时满足全反射条件并具有优良的强度。

图3是现有偏振分合色器件短波通膜4’和长波通膜5’与本实用新型的偏振分合色器件短波通膜4和长波通膜5的S，P偏振光的透射分光曲线的分离比较，计算波长为投影机工作波长420～680nm；其中图3(a)为现有偏振分合色器件的透射分光曲线的S，P偏振分离；图3(b)和3(c)分别为本实用新型的偏振分合色器件在2θ＝32度和40度时的透射分光曲线的S，P偏振分离，本实用新型的偏振分合色器件所用的新型短波通膜4和长波通膜5的结构参见表1。图3(a)中现有偏振分合色器件透射分光曲线13和14为经过优化的短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离，短波通膜透射分光曲线的S，P偏振分离为11.1nm；透射分光曲线15和16为经过优化的长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离，长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为12nm。图3(b)中本实用新型的器件在2θ＝32度时的透射分光曲线17和18为短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离，短波通膜在2θ＝32度时透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9nm；在2θ＝32度时的透射分光曲线19和20为长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离，长波通膜在2θ＝32度时透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8nm。图3(c)中本实用新型的器件在2θ＝40度时的透射分光曲线21和22为短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离，在2θ＝40度时透射分光曲线的S，P偏振分离为3.1nm；在2θ＝40度时透射分光曲线23和24为长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离，在2θ＝40度时透射分光曲线的S，P偏振分离为1.2nm。这说明本实用新型的短波通膜和长波通膜在入射角为16～20度(2θ＝32～40度)范围内的S，P偏振分离分别小于3.1nm和1.2nm，其中，当O＝16度时，透射分光曲线的S，P偏振分离最小。

表1列出本实用新型的短波通膜和长波通膜各层膜的厚度。表1中，第1层膜与K₉玻璃接触，H表示高折射率膜层TiO₂，其折射率为2.34；L表示低折射率膜层SiO₂，折射率为1.46。“短波通膜厚”和“长波通膜厚”分别表示短波通膜和长波通膜各层膜中心波长的1/4波长的倍数，中心波长为680nm。短波通膜共有23层膜构成，长波通膜共有34层膜构成。

表1

膜层序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
												膜层材料	H	L	H	L	H	L	H	L	H	L	H
短波通膜厚	0.10	3.18	1.34	2.38	0.04	0.25	1.19	2.66	1.09	1.15	1.23
												长波通膜厚	0.58	0.31	0.66	0.65	0.58	0.51	0.55	0.62	0.61	2.04	0.66

续表1

膜层序号	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
												膜层材料	L	H	L	H	L	H	L	H	L	H	L
短波通膜厚	0.21	1.31	1.09	1.14	2.57	1.22	2.63	1.12	1.17	0.98	0.32
												长波通膜厚	2.19	0.49	0.51	0.68	2.08	0.59	2.11	1.90	1.13	1.64	0.92

续表1

膜层序号	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34
													膜层材料	H	L	H	L	H	L	H	L	H	L	H	L
短波通膜厚	0.11
													长波通膜厚	1.86	2.12	1.04	0.29	0.15	1.26	0.89	1.74	0.94	1.96	0.49	1.15

可以看出，无论是短波通膜还是长波通膜，本实用新型器件的透射分光曲线的S，P偏振分离远远小于现有器件透射分光曲线的S，P偏振分离，本实用新型的器件S，P偏振分离的减小主要归功于短波通膜和长波通膜中光线入射角θ的减小；此外，表1所示的新的短波通膜和长波通膜的使用也对本实用新型偏振分合色器件的S，P偏振分离的减小发挥重要作用。由于偏振分合色器件总的透射率为S，P偏振能量的乘积，这意味着S，P偏振之间的波长分离区域的光能量会无法利用而被损失，因此本实用新型的器件可以大大提高光能利用率而显著提高投影显示亮度。更有甚者，S，P偏振分离造成的光能损失在器件内会形成大量杂散光，因此本实用新型的器件还可显著改善图像清晰度和对比度。

图4是现有偏振分合色器件短波通膜和长波通膜与本实用新型的偏振分合色器件短波通膜和长波通膜的S，P偏振位相差与波长的关系图的比较。其中，图4(a)为现有偏振分合色器件短波通膜和长波通膜的S，P偏振位相差；图4(b)和4(c)分别为本实用新型偏振分合色器件短波通膜4和长波通膜5在2θ＝32度和40度时的S，P偏振位相差，本实用新型的偏振分合色器件的短波通膜4和长波通膜5的结构参见表1。从图4(a)中现有偏振分合色器件短波通膜的S，P偏振位相差曲线25和长波通膜的S，P偏振位相差曲线26以及短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差曲线27可以看出，现有的短波通膜在波长590nm的S，P偏振位相差达到-91度，而现有的长波通膜在波长500nm的S，P偏振位相差达到107度，导致短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差有二个极值：在波长500nm为87度，而在波长600nm为-63度，现有偏振分合色器件所用的短波通膜和长波通膜的S，P偏振位相差之间未见有人作过分析计算。从图4(b)本实用新型的偏振分合色器件在2θ＝32度时的短波通膜的S，P偏振位相差曲线28和长波通膜的S，P偏振位相差曲线29以及短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差曲线30可以看出，本实用新型的短波通膜在波长600nm的S，P偏振位相差为-14度，长波通膜在波长495nm的S，P偏振位相差为32度，短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差的二个极值为：在波长495nm为29度，而在波长600nm为-10度，相比现有器件的短波通膜和长波通膜，合成的S，P偏振位相差显著减小。从图4(c)本实用新型的偏振分合色器件在2θ＝40度时的短波通膜的S，P偏振位相差曲线31和长波通膜的S，P偏振位相差曲线32以及短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差曲线33可以看出，本实用新型的短波通膜在波长595nm的S，P偏振位相差为-22度，本实用新型的长波通膜在波长495nm的S，P偏振位相差为51度，短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差的二个极值为：在波长495nm为49度，而在波长595nm为-16度。从图4(c)本实用新型的偏振分合色器件在2θ＝40度时的短波通膜和长波通膜的合成S，P偏振位相差曲线33可以看出，即使2θ增加到40度，本实用新型的短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差尚处于较小的水平。当θ＝32°时，合成的S，P偏振偏振位相差最小。通常，短波通膜具有负的S，P偏振位相差，而长波通膜具有正的S，P偏振位相差，所以本实用新型在设计时使短波通膜具有绝对值最小的负的S，P偏振位相差，长波通膜具有最小的正的S，P偏振位相差，这使短波通膜和长波通膜的S，P偏振位相差相互抵消，得到最小的合成S，P偏振位相差。本实用新型器件的短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差远远小于现有器件短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差，本实用新型的器件S，P偏振位相差的减小也归功于短波通膜和长波通膜中光线入射角θ的减小和新的短波通膜和长波通膜的使用。短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差较大时会导致部分线偏振光变成扁椭圆偏振光，而S偏振光是不能参与成像的，因此扁椭圆偏振光中的S偏振分量也会导致光能量损失和产生杂散光。

本实用新型也可用长波通膜替换反红透兰绿分合色棱镜1的第二棱镜面上的短波通膜，并且用短波通膜替换反兰透绿分合色棱镜2的第二棱镜面上的长波通膜。并且，同样优选短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9～3.1nm(更优选1.9nm)，长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8～1.2nm(更优选0.8nm)；短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差在整个工作波长上为大于-16度且小于49度(更优选大于-10度且小于29度)。

引入偏振像差还有一个原因就是反红透兰绿分合色棱镜1的第二棱镜面上的短波通膜4与反兰透绿分合色棱镜2的第一棱镜面之间的空气隙6以及反兰透绿分合色棱镜2的第二棱镜面上的长波通膜5与透绿分合色棱镜3的入射面之间的空气隙7的楔角和宽度，为此，本实用新型中通过采用30微米的微粒控制空气隙的平行度和增大空气隙的间隔至30微米以减小偏振像差。

图5是现有偏振分合色器件与本实用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件的偏振象差示意图比较，其中图5(a)为现有偏振分合色器件的透射光偏振象差，图5(b)为本实用新型偏振分合色器件的透射光偏振象差。利用琼斯偏振光线追迹的方法可对偏振分合色器件的偏振像差进行计算。如图1所示，短波通膜和长波通膜中的入射角由θ定义。为了计算方便，假设空气隙平行，并以等角度间隔选取光线。对应不同θ角的入射光线，有着不同的s偏振面方向，短波通膜和长波通膜对S，P偏振有着不同的透射分光曲线偏振分离和S，P偏振位相差。计算表明，对现有偏振分合色器件，虽然在x轴方向由于偏振面没有旋转，所以仍然为线偏振光，但是对于偏离x轴的光线，随着入射角θ的增大，线偏振光逐渐变为扁椭圆偏振光，且椭圆度随入射角θ增大越来越大。而对本实用新型的偏振分合色器件，不仅在x轴方向，而且即使入射角θ较大时偏振面基本上没有旋转，仍然保持线偏振光。

在超高亮度和超高清晰度的反射式投影机中，由于本实用新型的偏振分合色器件具有很低的偏振像差，因而不仅增加了输出图像的亮度，而且因杂散光显著减少而大大提高了图像清晰度和对比度，它在亮度大于1万流明的超高亮度和分辨率高于2K的超高清晰度的大型反射式投影显示中具有无可取代的特殊应用。

Claims (10)

1.一种具有低偏振像差的偏振分合色器件，它包括反红透兰绿分合色棱镜(1)、反兰透绿分合色棱镜(2)和透绿分合色棱镜(3)，所述反红透兰绿分合色棱镜(1)的第二棱镜面上镀有短波通膜(4)，所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第二棱镜面上镀有长波通膜(5)，所述反红透兰绿分合色棱镜(1)的第二棱镜面上的短波通膜(4)与所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第一棱镜面平行且相互之间存在空气隙，其特征在于：所述反红透兰绿分合色棱镜(1)的第一棱镜面与所述反红透兰绿分合色棱镜(1)的第二棱镜面的夹角为32°～40°；所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第一棱镜面与所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第二棱镜面的夹角为32°～40°；所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第二棱镜面上的长波通膜(5)与所述透绿分合色棱镜(3)的入射面平行且相互之间存在空气隙。

2.根据权利要求1所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是：所述反红透兰绿分合色棱镜(1)的第一棱镜面与所述反红透兰绿分合色棱镜(1)的第二棱镜面的夹角为32°，所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第一棱镜面与所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第二棱镜面的夹角为32°。

3.根据权利要求1或2所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是：所述短波通膜(4)的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9～3.1nm，所述长波通膜(5)的透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8～1.2nm；短波通膜(4)和长波通膜(5)合成的S，P偏振位相差在整个工作波长上为大于-16度且小于49度。

4.根据权利要求3所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是：所述短波通膜(4)的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9nm，所述长波通膜(5)的透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8nm；短波通膜(4)和长波通膜(5)合成的S，P偏振位相差在整个工作波长上为大于-10度且小于29度。

5.根据权利要求1或2所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是：所述反红透兰绿分合色棱镜(1)的第二棱镜面上的短波通膜(4)与所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第一棱镜面之间的空气隙的间距为30～35微米。

6.根据权利要求1或2所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是：所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第二棱镜面上的长波通膜(5)与所述透绿分合色棱镜(3)的入射面之间的空气隙的间距为30～35微米。

7.根据权利要求1或2所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是：用长波通膜替换所述反红透兰绿分合色棱镜(1)的第二棱镜面上的短波通膜，用短波通膜替换所述反兰透绿分合色棱镜(2)的第二棱镜面上的长波通膜。

8.根据权利要求7所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是：所述长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8～1.2nm，所述短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9～3.1nm；短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差在整个工作波长上为大于-16度且小于49度。

9.根据权利要求8所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是：所述长波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为0.8nm，所述短波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9nm，短波通膜和长波通膜合成的S，P偏振位相差在整个工作波长上为大于-10度且小于29度。

10.根据权利要求1所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是：该偏振分合色器件还包括直角梯形偏振棱镜(12)，所述直角梯形偏振棱镜(12)的斜腰所在的棱镜面与所述反红透兰绿分合色棱镜(1)的第一棱镜面平行且相互之间存在空气隙。

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