CN209879043U - 一种消偏振的立方棱镜截止滤光片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种消偏振的立方棱镜截止滤光片，包括两个等腰直角棱镜和设置所述两个等腰直角棱镜之间的截止滤光多层膜，所述的截止滤光多层膜包括交替设置的低折射率膜、中间折射率膜和高折射率膜。所述的截止滤光多层膜由初始结构(0.795L 1.336M 1.12H 1.336M 0.795L)^q经厚度优化获得，或由初始结构(0.56H 1.336M 1.59L 1.336M 0.56H)^q经厚度优化获得。L表示四分之一中心波长厚度的低折射率膜，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率膜，M表示四分之一中心波长厚度的中间折射率膜。这种消偏振立方棱镜截止滤光片可广泛用于数字投影显示等光学、光电和激光仪器。

Description

一种消偏振的立方棱镜截止滤光片

技术领域

本实用新型涉及光学薄膜领域，具体涉及一种消偏振的立方棱镜截止滤光片。

背景技术

数字投影显示系统中的消偏振短波通截止滤光片和长波通截止滤光片是构成低偏振像差的彩色分离和彩色图像合成的基础薄膜器件。

为光路安排规整、方便，分色、合色或分束、合束系统的入射光常以45°入射角工作，如图1所示，通常系统釆用立方棱镜型(图1a)或平板玻璃型(图1b)来构成截止滤光片器件。棱镜型器件的主要优点是成像像差小、易装调，主要缺点是偏振效应大；而平板型器件的优缺点恰好与立方棱镜型相反：偏振效应较小，但因透射光产生偏折，球差和色差等成像像差较大。这就是说，在成像光路中必然选择立方棱镜型器件，以尽可能地减小图像的像差，而在诸如照明系统的非成像光路中才使用平板型的分合色(束)器件。

棱镜型截止滤光片之所以偏振效应比平板型器件大得多的原因，是因为棱镜型截止滤光片膜层中的折射角要比平板型滤光片膜层中的折射角大得多的缘故。现有技术常用高、低两种折射率膜构成截止滤光片来作为分合色(束)器件，对相同的高折射率膜n_H＝2.385和低折射率膜n_L＝1.382以及相同的入射角45°，应用正弦定律，棱镜型器件有1.52×sin45°＝2.385×sinθ_H＝1.382×sinθ_L，得到高、低折射率膜层中的折射角分别为θ_H＝26.8°和θ_L＝51.1°；同样用空气折射率1.0代替上式中的玻璃折射率1.52，即可同样算出平板型器件高、低折射率膜层中的折射角分别为θ_H＝16.9°和θ_L＝30.8°。可以看出，立方棱镜中膜层的折射角远远大于平板中相同膜层的折射角，入射媒质折射率越高，膜层中的折射角越大；从薄膜光学可知，当光线以θ角倾斜入射于薄膜时，折射率为n的薄膜对s偏振光和p偏振光的有效折射率(或称修正导纳)η是不同的，且有η_s＝n cosθ，η_p＝n/cosθ，θ为光在膜层中的折射角，故膜层中的折射角越大，s、p光的偏振分离和偏振位相差越严重，亦即偏振效应越大。由上述分析可知：1.只要入射光是倾斜入射到薄膜系统的，则薄膜系统的偏振效应是不可避免的；2.薄膜中的折射角越大，膜层的偏振效应越大；3.入射媒质折射率越高，薄膜中的折射角越大；4.入射角越大，薄膜中的折射角也越大；5.膜层的折射率越低，薄膜中的折射角亦越大。以上能很好地解释为什么迄今还是采用空气入射的平板型消偏振截止滤光片和小角度入射的Philips棱镜消偏振截止滤光片，而未见有立方棱镜型截止滤光片的根本原因所在。

现有平板型的短波通截止滤光片和长波通截止滤光片分别采用(0.5LH0.5L)和(0.5HL0.5H)作为对称基本元，遗憾的是，若把这些平板型设计设置到立方棱镜中，则其分合色(束)特性就会完全被破坏而不敷应用，更为甚者，不管如何优化，始终得不到可接受的s、p偏振分离及s、p偏振位相差。于是导致：1、造成光能损失，而且由于损失的那一部分光在器件内通过多次反射和折射后变成了杂散光，导致图像清晰度和对比度下降；2、s、p偏振位相差使一部分光由线偏振光变成扁椭圆偏振光，产生偏振像差，这种偏振像差不同于球差、色差等成像像差，最终同样导致光能量损失和引入杂散光。为此，本实用新型提出了一种新的构思，通过采用三种膜层材料的组合，使各对称基本元的等效折射率巧妙地达到Ε_s＝Ε_p，从而使透射-反射过渡区本质上就具有足够小的s、p偏振分离和s、p偏振位相差。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有平板截止滤光片和Philips棱镜截止滤光片的技术限制，在45°入射的立方棱镜中，提供了一种消偏振的立方棱镜截止滤光片，以应用于诸如数字投影显示之类的光学、光电和激光仪器中。

为实现上述目的，本实用新型在分析现有倾斜入射截止滤光片的基础上，提出了一种新的构思，使消偏振的立方棱镜截止滤光片得以成功，大大减小了立方棱镜截止滤光片的s、p偏振分离和s、p偏振位相差。

应用最广泛的平板型截止滤光片由于入射媒质为空气，其折射率为1.0，因而即使在45°入射角的情况下仍可有效地抑制偏振效应。不幸的是，平板玻璃即使在主光线垂直入射时也会产生较大的球差和色差等成像像差，在45°入射角入射的情况下还会产生光路偏折，引入更大的像差，故平板型截止滤光片通常只能用于非成像光路中。

对Philips棱镜型截止滤光片也顺便提及一下，由于其入射角可限制在30°以内，现有的最佳设计甚至可低达16°，加上入射(或出射)媒质也可以设计成空气，所以Philips棱镜型截止滤光片的偏振效应自然是不大的，加上它也不会引入成像像差，因而Phillips棱镜型截止滤光片常用作诸如LCoS反射式图像芯片的分合色系统，使入射的非成像光路具有分色功能，而经反射式图像芯片调制后的出射成像光路具有合色功能，成为迄今唯一能结合两个功能的器件。不幸的是，Philips棱镜的入射光和出射光都需线偏振光，所以必须用一个偏振器进行起偏振和检偏振。可以看出，Philips棱镜型截止滤光片的器件结构、工作原理和应用场合都是特殊的，它与自然光以45°入射的平板型截止滤光片和立方棱镜型截止滤光片截然不同，与本实用新型的立方棱镜消偏振截止滤光片没有可比性。

虽然平板型截止滤光片和立方棱镜型截止滤光片的入射光均为自然光，且入射角均为45°，但若将平板型截止滤光片应用于立方棱镜时就会产生完全不可接受的偏振效应，原因就是入射媒质的折射率由平板的空气1.0上升为立方棱镜K9玻璃的1.52之缘故。虽然立方棱镜K9玻璃的折射率已算很低，但依然使薄膜中的折射角或偏振效应显著增加。由此可见，设计立方棱镜型截止滤光片就是要在入射角45°和入射媒质K9确定的前提下把偏振效应减至最小。正如背景技术中所述的那样，实际上设计时可能调节的因素非常少，现在只剩下膜层的折射率，即应尽可能选用高的折射率材料，但遗憾的是，本实用新型已选择了最高折射率的二氧化钛，而低折射率材料实际上也是制约的，否则会影响截止滤光片的截止度和截止带宽。为此，本实用新型提出如下新的构思：一、提出采用高折射率(H)、中间折射率(M)和低折射率(L)三种薄膜材料来构成立方棱镜截止滤光片，以增加设计的调节因素，提高灵活性。二、类似于平板型短波通滤光片(0.5LH0.5L)和平板型长波通滤光片(0.5HL0.5H)的对称基本元，提出构建对应于立方棱镜型短波通滤光片(0.5LMHM0.5L)和立方棱镜型长波通滤光片(0.5HMLM0.5H)的对称基本元，由于这些基本元都是对称的，所以每个基本元都可用等效折射率为E的等效单层膜来表示。三、因为一个基本元的截止度非常低，所以必须把对称基本元的重复周期数提高到q：(0.5LMHM0.5L)^q和(0.5HMLM0.5H)^q，根据对称等效膜性质，只要对称基本元是消偏振的，重复q次后只是滤光片的有效膜层厚度乘上q倍，其等效折射率E保持不变，消偏振条件依然满足。四、因(0.5LMHM0.5L)^q对称基本元头尾含有两层八分之一波长厚度的薄膜，分析比较复杂，故对其进行近似处理如下：把(0.5LMHM0.5L)^q展开成0.5LMHML MHML MHML MHML……MHM0.5L，可以看出，除第一个和最后一个基本周期分别多了0.5L和少了0.5L以外，其余中间的q－2个都是基本周期MHML，由于MHML都是四分之一波长厚度的薄膜，故只要满足△＝△_p/△_s＝△_H*△_L/△² _M＝1，就可很好地消除偏振效应，式中，△＝△_p/△_s表示基本周期MHML的p偏振与s偏振的导纳比，△_H＝η_p/η_s表示高折射率膜层的p偏振与s偏振的导纳比，△_L和△_M亦以此类推；对应地，(0.5HMLM0.5H)^q的处理方法类同，不再重述。从上式△＝△_p/△_s＝△_H*△_L/△² _M＝1不难知道，高、低折射率两种材料是绝对不可能使此等式成立的，这就是必须采用三种材料的依据所在。五、在确定低折射率膜为氟化镁(在波长550nm的折射率1.382)、高折射率膜为二氧化钛(在波长550nm的折射率2.385)的前提下，由△_H*△_L/△² _M＝1可以求得中间折射率膜的折射率约为1.62，故选用三氧化二铝膜；下面表一列出了K9玻璃中45°入射角时对这三种材料计算的修正导纳及其导纳比，从表一可得△＝△_H*△_L/△² _M＝1.2548*2.5308/1.7844²＝0.9974，此值已非常接近于1，预示具备很好的消偏振效果。六、确定了基本元及三种膜层材料后，根据表一的有效1/4波长膜厚，得到最终立方棱镜短波通截止滤光片的初始结构(0.795L 1.336M 1.12H 1.336M 0.795L)^q和立方棱镜长波通截止滤光片的初始结构(0.56H 1.336M 1.59L 1.336M 0.56H)^q，q是正整数。七、对初始结构(0.795L 1.336M1.12H 1.336M 0.795L)^q和(0.56H 1.336M 1.59L 1.336M 0.56H)^q进行最终膜厚优化，便可获得性能优良的消偏振立方棱镜截止滤光片和负滤光片。

表一

膜层及折射率n	cosθ	有效1/4波长膜厚	η<sub>p</sub>＝n/cosθ	η<sub>s</sub>＝n cosθ	△＝η<sub>p</sub>/η<sub>s</sub>
						二氧化钛(2.385)	0.8927	1.12	2.6716	2.1291	1.2548
氟化镁(1.382)	0.6286	1.59	2.1985	0.8687	2.5308
						三氧化二铝(1.621)	0.7486	1.336	2.1654	1.2135	1.7844

具体地说，本实用新型所采取的技术方案是：

一种消偏振的立方棱镜截止滤光片，包括两个等腰直角棱镜和设置所述两个等腰直角棱镜之间的截止滤光多层膜，可应用于偏振效应较大的立方棱镜型截止滤光片，滤光片被设置在组成立方棱镜的两个等腰直角棱镜的斜面之间。

所述的截止滤光多层膜包括交替设置的低折射率膜、中间折射率膜和高折射率膜。

截止滤光片由对称的基本元(0.5L M H M 0.5L)或(0.5H M L M 0.5H)组成，其中，L表示四分之一中心波长厚度的低折射率膜，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率膜，M表示四分之一中心波长厚度的中间折射率膜，其中心波长根据截止滤光片的截止波长确定，所述基本元的对称性可使基本元等效于一单层膜，其对应的折射率称之为等效折射率，通过选择L、M、H的折射率可使基本元具有消偏振的设计特征。

两个等腰直角棱镜的斜边相互平行，所述的截止滤光多层膜设置在所述两个等腰直角棱镜的两个斜边之间。即所述的截止滤光多层膜的第一层膜紧贴在一个等腰直角棱镜的斜边上，所述的截止滤光多层膜的第一层膜紧贴在一个等腰直角棱镜的斜边上，所述的截止滤光多层膜的最后一层膜紧贴在另一个等腰直角棱镜的斜边上。

两个等腰直角棱镜由K9光学玻璃制成，光在所述等腰直角棱镜的其中一个直角面的空气-玻璃界面上的入射角为0°，而在玻璃-膜层界面上的入射角为45°，因基本元中各层膜的有效膜层厚度与光在该膜层中折射角的余弦成反比，故上述两个对称基本元分别修正为(0.795L 1.336M 1.12H 1.336M0.795L)或(0.56H 1.336M 1.59L 1.336M 0.56H)。

为提高所述截止滤光片的截止度，把对称基本元重复q次：(0.795L1.336M 1.12H1.336M 0.795L)^q或(0.56H 1.336M 1.59L 1.336M 0.56H)^q，q是正整数，表示对称基本元的周期数，由于对称基本元是消偏振的，重复q次后只是滤光片的有效膜层厚度乘上q倍，其等效折射率保持不变，因而整个截止滤光片的消偏振条件依然成立。

进一步地，由对称基本元(0.5L M H M 0.5L)构成的截止滤光片初始结构(0.795L1.336M 1.12H 1.336M 0.795L)^q经厚度优化获得长波截止、短波高透射的消偏振短波通截止滤光片；由对称基本元(0.5H M L M 0.5H)构成的截止滤光片初始结构(0.56H 1.336M1.59L 1.336M 0.56H)^q经厚度优化获得短波截止、长波高透射的消偏振长波通截止滤光片；对上述短波通或长波通截止滤光片经厚度优化还可获得截止带两侧均高透射的特殊滤光片，这种特殊滤光片称之为负滤光片。

即所述的截止滤光多层膜由初始结构(0.795L 1.336M 1.12H 1.336M0.795L)^q经厚度优化获得，或由初始结构(0.56H 1.336M 1.59L 1.336M 0.56H)^q经厚度优化获得，q是正整数，表示对称基本元的周期数，L表示四分之一中心波长厚度的低折射率膜，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率膜，M表示四分之一中心波长厚度的中间折射率膜，其中心波长根据截止滤光片的截止波长确定。厚度优化通过商用优化软件“Essential Macleod”、“TFCal”等均可实现此优化目的。

(0.795L 1.336M 1.12H 1.336M 0.795L)^q中，(0.795L 1.336M 1.12H1.336M0.795L)作为对称基本元，该对称基本元的最后一个0.795L作为后面的对称基本元的第一个0.795L，又可以写作(0.795L 1.336M 1.12H 1.336M)^q0.795L，如q是18，(0.795L 1.336M1.12H 1.336M 0.795L)¹⁸表示为73层，即(0.795L 1.336M 1.12H 1.336M)¹⁸ 0.795L。

(0.56H 1.336M 1.59L 1.336M 0.56H)^q中，(0.56H 1.336M 1.59L 1.336M0.56H)作为对称基本元，该对称基本元的最后一个0.56H作为后面的对称基本元的第一个0.56H，又可以写作(0.56H 1.336M 1.59L 1.336M)^q 0.56H，如q是18，(0.56H 1.336M 1.59L1.336M 0.56H)¹⁸表示为73层，即(0.56H 1.336M1.59L 1.336M)¹⁸ 0.56H。

优选地，所述的低折射率膜为氟化镁膜，高折射率膜为二氧化钛膜，中间折射率膜为三氧化二铝膜。当中心波长为550nm，所述的氟化镁膜在波长550nm的折射率为1.382，所述的二氧化钛膜在波长550nm的折射率为2.385，所述的三氧化二铝膜在波长550nm的折射率为1.621。

优选地，两个等腰直角棱镜为K9光学玻璃，它在波长550nm的折射率为1.52。

优选地，对称基本元的周期数q为16～20，优选值为18。

经过优化后，所述的截止滤光多层膜为73层，总厚度为7675.5nm，从入射光所在等腰直角棱镜的斜边到另一个等腰直角棱镜的斜边方向的第1至73层中，第1、5、9、13、17、21、25、29、33、37、41、45、49、53、57、61、65、69、73层为低折射率氟化镁膜，第2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72层为中间折射率三氧化二铝膜，第3、7、11、15、19、23、27、31、35、39、43、47、51、55、59、63、67、71层为高折射率二氧化钛膜。截止滤光多层膜具有以下优点：1).截止区短波侧反射-透射过渡区没有偏振分离；2).短波透射带基本无波纹，且具有较好的透射特性，在波长400～495nm，Tp平均值为99.6％，Ts平均值为96.1％，Tav平均值为97.9％。

经过优化后，所述的截止滤光多层膜为75层，总厚度为7750.5nm，从入射光所在等腰直角棱镜的斜边到另一个等腰直角棱镜的斜边方向的第1至75层中，第1、6、10、14、18、22、26、30、34、38、42、46、50、54、58、62、66、70、75层为高折射率二氧化钛膜，第2、4、8、12、16、20、24、28、32、36、40、44、48、52、56、60、64、68、72、74层为低折射率氟化镁膜，第3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47、49、51、53、55、57、59、61、63、65、67、69、71、73层为中间折射率三氧化二铝膜。截止滤光多层膜具有以下优点：1).截止区长波侧反射-透射过渡区基本没有偏振分离；2).长波透射带基本无波纹，且具有较好的透射特性，在波长545～700nm，Tp平均值为99.9％，Ts平均值为97.5％，Tav平均值为98.7％。

本实用新型的消偏振的立方棱镜截止滤光片可广泛应用于诸如数字投影显示之类的光学、光电和激光仪器。

进一步地，本实用新型的设计可应用于偏振效应较大的立方棱镜消偏振截止滤光片，利用同样的设计原理，本设计方法亦可推广到偏振效应较小的平板型截止滤光片中，以获得更优良的平板型截止滤光片的消偏振特性。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、当自然光在空气中(对应于平板)或玻璃中(对应于立方棱镜)以45°入射角倾斜入射到截止滤光片时，由于s偏振光和p偏振光的光学导纳在本质上势必发生很大的差异，从而导致截止滤光片的分光曲线产生很大的s、p偏振分离和s、p偏振位相差，特别是立方棱镜型截止滤光片，偏振分离和偏振位相差会导致截止滤光片完全不敷使用。正因为如此，现有截止滤光片多局限于平板型结构，对成像像差要求较高的光学系统而必须采用立方棱镜型结构时，只能借助于额外的偏振系统先把入射自然光转换成偏振光(常为s偏振光)，然后再入射到立方棱镜型截止滤光片中，避免产生偏振分离和偏振位相差，如常见的透射式LCD投影显示系统就是如此。遗憾的是，迄今为止，现有技术还未认识到直接设计立方棱镜截止滤光片的方法。

本实用新型提出采用高、中、低折射率的三种材料来构成立方棱镜截止滤光片，使设计参数更具灵活性，因而实现了立方棱镜型截止滤光片的消偏振设计。这种消偏振技术简单易懂，其核心之一就是利用等效对称基本元(0.5LMHM0.5L)和(0.5HMLM0.5H)，由于这些基本元都是对称的，所以每个基本元都可等效于一个单层膜，这样，等效膜的全部性质都可被利用。核心之二是对(0.5LMHM0.5L)^q进行近似处理，以便在确定高、低折射率膜的情况下求出中间折射率材料的折射率。核心之三是对基本周期施行消偏振设计，只要基本周期MHML满足△＝△_p/△_s＝△_H*△_L/△² _M＝1，就可很好地消除偏振效应。这为设计光学系统和仪器带来颠覆性的进展，特别是在投影显示等领域中不仅可节约成本、减小体积和重量，而且可显著提高光学性能。此外，本实用新型直接设计了自然光以45°入射的立方棱镜型截止滤光片器件，了解这一设计原理后，设计性能更优良的自然光以45°入射的平板截止滤光片就轻而易举了。

2、设计负滤光片本身就是一件很困难的事，它同时要求截止带的短波侧和长波侧都具有很高的透射率。这样的要求，那怕在光线垂直入射的情况下，由于两种交替的高、低折射率材料折射率差较小，故为得到较高的反射率，势必膜层数远远超过100层以上。若要设计自然光以45°入射的立方棱镜型负滤光片器件，其难度简直不可设想，因为s、p偏振的两个截止带会产生严重分离，现有技术根本还没有这种负滤光片设计方法的思路。

由于本实用新型是针对自然光以45°入射于立方棱镜型截止滤光片的消偏振设计，所以设计已具备：1)、透射-反射过渡区几乎没有偏振分离，s、p偏振的两个截止带基本上重叠在一起；2)、截止带的长波侧(对应长波通截止滤光片)或短波侧(对应短波通截止滤光片)已具有很高的透射率。在这种情况下，只要适当优化膜层厚度，就可使截止带的短波侧和长波侧同时都具有很高的透射率，这就是光线斜入射情况下优良的负滤光片器件，这是本实用新型获得的一个额外成果。

附图说明

图1表示45°入射于立方棱镜截止滤光片和平板截止滤光片的示意图，其中，(a)立方棱镜型，(b)平板型。

图2是现有技术的平板型短波通截止滤光片和长波通截止滤光片在45°入射时的s、p偏振和平均透射分光曲线，其中，(a)短波通，(b)长波通。

图3是图2平板型截止滤光片移植到立方棱镜时的s、p偏振和平均透射分光曲线，其中，(a)短波通，(b)长波通。

图4是图3立方棱镜短波通截止滤光片的s、p偏振位相差曲线。

图5是本实用新型立方棱镜短波通截止滤光片的结构示意图。

图6是本实用新型立方棱镜短波通截止滤光片和长波通截止滤光片的s、p偏振和平均透射分光曲线，其中，(a)短波通，(b)长波通。

图7是本实用新型图6(a)所示的立方棱镜短波通截止滤光片经厚度优化后的s、p偏振和平均透射分光曲线。

图8是图7所示的立方棱镜短波通截止滤光片的s、p偏振位相差曲线。

图9是图7所示的立方棱镜短波通截止滤光片每层膜的膜厚和折射率的对应关系图。

图10是本实用新型图6(b)所示的立方棱镜长波通截止滤光片经厚度优化后的s、p偏振和平均透射分光曲线。

图11是图10所示的立方棱镜长波通截止滤光片的s、p偏振位相差曲线。

图12是图10所示的立方棱镜长波通截止滤光片每层膜的膜厚和折射率的对应关系图。

图13是本实用新型的立方棱镜负滤光片的s、p偏振和平均透射分光曲线。

图14是图13所示的立方棱镜负滤光片每层膜的膜厚和折射率的对应关系图。

具体实施方式

图1是本实用新型的立方棱镜截止滤光片和现有的平板截止滤光片的工作原理示意图，其中图1(a)是本实用新型的立方棱镜截止滤光片示意图，截止滤光片2(即截止滤光多层膜)被夹在构成立方棱镜的等腰直角棱镜1和等腰直角棱镜3的斜面之间。作为优选的实施方式，等腰直角棱镜1和等腰直角棱镜3由折射率较低的K9玻璃制成，它在波长550nm的折射率为1.52。入射自然光在等腰直角棱镜1的其中一个直角面的空气-玻璃界面上入射，入射角为0°，进入玻璃后，在玻璃-膜层界面上的入射角为45°，经截止滤光片后，透射光谱由等腰直角棱镜3的其中一个直角面出射，反射光谱被截止滤光片反射后，由等腰直角棱镜1的另一个直角面出射。图1(b)是现有的平板截止滤光片的示意图，截止滤光片2’被镀制在平板玻璃3’的其中一个面上。作为优选的实施方式，平板玻璃亦由K9玻璃制成，其折射率为1.52。入射光由折射率为1.0的空气1’直接入射到截止滤光片2’，入射角为45°。反射光谱被截止滤光片反射后，由空气1’出射；透射光谱出射因平板3’折射产生一个与入射光方向的y偏离，这种偏折会造成更大的成像像差。

图2是现有技术的平板型短波通截止滤光片和长波通截止滤光片在空气中45°入射时的s、p偏振和平均透射分光曲线，其中，(a)短波通，(b)长波通。现有技术的平板型短波通截止滤光片和长波通滤光片分别采用典型的对称周期(0.5LH0.5L)和(0.5HL0.5H)作为基本元，由于空气中以45°入射，无论是短波通还是长波通，Ts和Tp光谱曲线之间都必然产生偏振分离，这是光线倾斜入射时固有的光学现象，虽说现有技术已可减小这种平板截止滤光片的偏振分离，但这种消偏技术不仅难度大，而且不可能完全消除。由于Ts、Tp偏振曲线的偏振分离，造成Tav＝(Ts+Tp)/2在透射-反射过渡区出现台阶，这是实际使用所不允许的。有幸的是，现有技术已可通过优化膜层数目和各层膜厚度来基本消除透射带中的波纹。

图3是把图2平板型截止滤光片移植到立方棱镜时的s、p偏振和平均透射分光曲线，其中，(a)短波通，(b)长波通。若把图2所示的两种平板型截止滤光片分别设置到立方棱镜中，则分光曲线就会遭到致命性的破坏：不仅偏振分离从平板型短波通的26nm和长波通的28nm上升到立方棱镜型短波通的93nm和长波通的116nm，而且透射带中的波纹也显著增大。这种特征是固有的，即使把A(0.5LH0.5L)¹⁸G和A(0.5HL0.5H)¹⁸G修正为有效1/4波长膜厚G(0.795L1.12H 0.795L)¹⁸G和G(0.56H1.59L0.56H)¹⁸G，曲线形状仍几乎不变，只是波长移动而已(波长移动可用参考波长方便地校正)。立方棱镜截止滤光片不仅偏振分离非常大，而且偏振位相差也非常大，图4是图3立方棱镜短波通截止滤光片的s、p偏振位相差曲线，可以看出，在波长400～700nm范围内，随着波长增加，位相差几乎一直在上升：位相差上升到360°的A点，还要继续升，但图4纵坐标只给出0～360°的范围，所以只能回到0°的B点开始新的周期，然后从B点继续上升至360°的C点，再回到D点……这样一直上升到波长700nm附近，可见，不同波长之间的位相差非常大。对立方棱镜长波通截止滤光片的偏振位相差曲线也是类似的，故这里不再给出。立方棱镜型截止滤光片的偏振效应比平板型大许多，两者的差异仅仅是入射媒质不一样，入射媒质的影响竟是如此之大！这种偏振效应若用现有技术的两种薄膜材料是难以消除的，在平板型截止滤光片中运用消偏振技术还可作一些改善，在立方棱镜中简直就是束手无策，正因为这样，“消偏振”一直被美国著名薄膜专家A.Macleod认定为迄今《薄膜光学》末解决的六大难题之一。

为解决上述问题，本实用新型提出选用高、中、低折射率的三种材料来构成立方棱镜截止滤光片，图5是本实用新型立方棱镜短波通截止滤光片的结构示意图，图中4和4’是两个K9玻璃的等腰直角棱镜，5表示等效对称基本元(0.5LMHM0.5L)，由于基本元是对称的，所以每个基本元都可等效于一个单层膜，这样，(0.5LMHM0.5L)^q就相当于q个等效单层膜6，这就是说，(0.5LMHM0.5L)^q的等效折射率等于(0.5LMHM0.5L)的等效折射率，(0.5LMHM0.5L)^q的等效膜厚等于(0.5LMHM0.5L)等效膜厚的q倍。考虑到(0.5LMHM0.5L)处理较麻烦，故用基本周期MHML近似，这样就可写出△＝△_p/△_s＝△_H*△_L/△² _M，若能使△_p＝△_s，则表示s、p之间没有偏振分离。显然，通过选择△_M，是可以达到目的的，可以很好地消除偏振效应的。对本实用新型立方棱镜长波通截止滤光片的结构示意图没有给出，这只要将基本元(0.5LMHM0.5L)换成(0.5HMLM 0.5H)即可。

图6是本实用新型立方棱镜短波通截止滤光片和长波通截止滤光片的s、p偏振和平均透射分光曲线，其中，(a)短波通，(b)长波通。可以看出，由于本实用新型能够满足△＝△_p/△_s＝△_H*△_L/△² _M＝1，所以在截止区两侧的透射-反射过渡区Ts和Tp曲线几乎是重合的，或者说是完全消偏振分离的。而在截止区两侧的透射带中，Ts和Tp曲线仍有分离，这主要是膜系结构和折射率色散造成的，一般说来，这可借助于膜层厚度优化而得到改善，而不象透射-反射过渡区的分离，膜层厚度优化是无效的。图6所示的本实用新型立方棱镜截止滤光片相比于图3现有的立方棱镜截止滤光片主要有两大期望的变化：一是透射-反射过渡区Ts和Tp分离显著减小，二是透射带中的波纹变小。但缺点是截止带宽度也随之变窄，这在要求宽截止带的场合需要二个膜系前后迭加来展宽，因而膜层数会大大增加。

实施例一

作为实施例一，图7给出本实用新型图6(a)所示的立方棱镜短波通截止滤光片经厚度优化后的s、p偏振和平均透射分光曲线。膜厚优化的初始膜系结构为图6(a)给出的：G(0.795L1.336M1.12H1.336M0.795L)¹⁸G，即G[(0.795L1.336M1.12H1.336M)¹⁸0.795L]G，总膜层数为73层，L表示四分之一中心波长厚度的低折射率膜氟化镁(MgF₂)，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率膜二氧化钛(TiO₂)，M表示四分之一中心波长厚度的中间折射率膜三氧化二铝(Al₂O₃)，中心波长根据滤光片的截止波长定为518nm。商用优化软件“Essential Macleod”、“TFCal”等均可实现此优化目的。经简单优化后的总膜层数仍为73层，优化后的s、p偏振和平均透射分光曲线如图7所示，从图7可见：1).截止区短波侧反射-透射过渡区没有偏振分离；2).短波透射带基本无波纹，且具有较好的透射特性，在波长400～495nm，Tp平均值为99.6％，Ts平均值为96.1％，Tav平均值为97.9％。

图8给出图7所示的立方棱镜短波通截止滤光片的s、p偏振位相差曲线。从图8可见，随着波长从400nm增加，位相差下降，位相差下降到0°的A’点，还要继续下降，所以只能回到360°的B’点开始继续下降至约300°的C’点，然后开始上升振荡，可以知道，整个波长区的偏振位相差实际上都在0°±120°以内，在中心波长附近，更是小于0°±60°。相比图4的偏振位相差远超10倍以上。

图9是图7所示的立方棱镜短波通截止滤光片每层膜的膜厚和折射率的对应关系图，图9中，纵坐标表示基底和各膜层的折射率，横坐标表示膜厚，所以对应各膜层的折射率和厚度均可从图中获得。

实施例二

图10是本实用新型图6(b)所示的立方棱镜长波通截止滤光片经厚度优化后的s、p偏振和平均透射分光曲线。初始膜系结构已由图6(b)给出：G(0.56H1.336M1.59L1.336M0.56H)¹⁸G，即G[(0.56H1.336M1.59L1.336M)¹⁸0.56H]G，总膜层数为73层，L表示四分之一中心波长厚度的低折射率膜氟化镁(MgF₂)，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率膜二氧化钛(TiO₂)，M表示四分之一中心波长厚度的中间折射率膜三氧化二铝(Al₂O₃)，中心波长根据滤光片的截止波长定为518nm。用商用优化软件经简单优化后的总膜层数为75层，优化后的s、p偏振和平均透射分光曲线如图10所示，从图10可见：1).截止区长波侧反射-透射过渡区基本没有偏振分离；2).长波透射带基本无波纹，且具有较好的透射特性，在波长545～700nm，Tp平均值为99.9％，Ts平均值为97.5％，Tav平均值为98.7％。类似地，图11是图10所示的立方棱镜长波通截止滤光片的s、p偏振位相差曲线，图12是图10所示的立方棱镜长波通截止滤光片每层膜的膜厚和折射率的对应关系图，具体不再详述。

实施例三

图13是本实用新型的立方棱镜负滤光片的s、p偏振和平均透射分光曲线。初始膜系结构亦为图6(a)给出的：G(0.795L1.336M1.12H1.336M0.795L)¹⁸G，总膜层数为73层，L表示四分之一中心波长厚度的低折射率膜氟化镁(MgF₂)，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率膜二氧化钛(TiO₂)，M表示四分之一中心波长厚度的中间折射率膜三氧化二铝(Al₂O₃)，中心波长根据滤光片的截止波长定为518nm。经商用优化软件优化后的总膜层数为76层，从图13的最终优化结果可以看出：1).截止区两侧反射-透射过渡区几乎没有偏振分离，特别是短波侧Tp和Ts曲线基本上完全重合；2).截止区两侧的透射带波纹很小，且具有较好的透射特性，在波长400～495nm，Tp平均值为98.7％，Ts平均值为95.7％，Tav平均值为97.2％，在波长545～700nm，Tp平均值为99.0％，Ts平均值为97.0％，Tav平均值为98.0％。这是一个典型的立方棱镜负滤光片。

负滤光片设计本身就是一件很困难的事，那怕在光线垂直入射的情况下，由于两种交替的高、低折射率材料折射率差较小，故为了得到较高的反射率，势必膜层数非常非常多。若要设计自然光以45°入射的立方棱镜型负滤光片器件，其难度不可设想，是无从着手的。由于本实用新型是针对自然光以45°入射于立方棱镜型截止滤光片的消偏振设计，所以设计已具备：1)、透射-反射过渡区几乎没有偏振分离，s、p偏振的两个截止带基本上重叠在一起；2)、截止带的长波侧(对应长波通截止滤光片)或短波侧(对应短波通截止滤光片)已具有很高的透射率。在这种情况下，只要适当优化膜层厚度，就可使截止带的短波侧和长波侧同时都具有很高的透射率，这就是光线斜入射情况下性能优良的负滤光片器件。

图14是图13所示的立方棱镜负滤光片每层膜的膜厚和折射率的对应关系图。

本实用新型的消偏振立方棱镜截止滤光片在玻璃-滤光片界面上以45°角倾斜入射时获得了很小的s、p偏振分离和很低的s、p偏振透射位相差，因而不仅可用于诸如数字投影显示和光通讯等领域，而且可广泛应用于各种光学、光电、激光仪器和技术中。

Claims (8)

1.一种消偏振的立方棱镜截止滤光片，包括两个等腰直角棱镜和设置所述两个等腰直角棱镜之间的截止滤光多层膜，其特征在于，所述的截止滤光多层膜包括交替设置的低折射率膜、中间折射率膜和高折射率膜。

2.根据权利要求1所述的消偏振的立方棱镜截止滤光片，其特征在于，两个等腰直角棱镜的斜边相互平行，所述的截止滤光多层膜设置在所述两个等腰直角棱镜的两个斜边之间。

3.根据权利要求1所述的消偏振的立方棱镜截止滤光片，其特征在于，所述的截止滤光多层膜由初始结构(0.795L1.336M1.12H1.336M0.795L)^q经厚度优化获得，或由初始结构(0.56H1.336M1.59L1.336M0.56H)^q经厚度优化获得，q是正整数，表示对称基本元的周期数，L表示四分之一中心波长厚度的低折射率膜，H表示四分之一中心波长厚度的高折射率膜，M表示四分之一中心波长厚度的中间折射率膜。

4.根据权利要求1所述的消偏振的立方棱镜截止滤光片，其特征在于，所述的低折射率膜为氟化镁膜，高折射率膜为二氧化钛膜，中间折射率膜为三氧化二铝膜。

5.根据权利要求3所述的消偏振的立方棱镜截止滤光片，其特征在于，对称基本元的周期数q为16～20。

6.根据权利要求5所述的消偏振的立方棱镜截止滤光片，其特征在于，对称基本元的周期数q为18。

7.根据权利要求1所述的消偏振的立方棱镜截止滤光片，其特征在于，所述的截止滤光多层膜为73层，总厚度为7675.5nm，从入射光所在等腰直角棱镜的斜边到另一个等腰直角棱镜的斜边方向的第1至73层中，第1、5、9、13、17、21、25、29、33、37、41、45、49、53、57、61、65、69、73层为低折射率氟化镁膜，第2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72层为中间折射率三氧化二铝膜，第3、7、11、15、19、23、27、31、35、39、43、47、51、55、59、63、67、71层为高折射率二氧化钛膜。

8.根据权利要求1所述的消偏振的立方棱镜截止滤光片，其特征在于，所述的截止滤光多层膜为75层，总厚度为7750.5nm，从入射光所在等腰直角棱镜的斜边到另一个等腰直角棱镜的斜边方向的第1至75层中，第1、6、10、14、18、22、26、30、34、38、42、46、50、54、58、62、66、70、75层为高折射率二氧化钛膜，第2、4、8、12、16、20、24、28、32、36、40、44、48、52、56、60、64、68、72、74层为低折射率氟化镁膜，第3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47、49、51、53、55、57、59、61、63、65、67、69、71、73层为中间折射率三氧化二铝膜。