CN2658765Y - 二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜 - Google Patents

Abstract

一种二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，由两排互为倒置关系的棱镜相对拼合构成，其中一排棱镜中的每个棱镜的两个侧面分别与另一排棱镜中相邻的两个棱镜对应的侧面契合在一起而形成两个契合面；相邻的两个契合面不平行，间隔一个契合面的两个契合面平行，两排棱镜拼合后形成两个平行契合面组，至少有一个平行契合面组中的每个契合面上镀有宽带偏振膜系而成为起偏面，构成起偏面的两个棱镜的侧面光胶在一起，宽带偏振膜系由多层高、低折射率的簿膜交替构成；未镀宽带偏振膜系的契合面构成反射面，通过输出反射面对输出光偏振方向的调整作用，可以使棱镜组输出偏振方向一致的偏振光。本实用新型可以解决现有的起偏器在耐温性能、面积和价格方面的问题，彻底解决眩光问题。

Description

二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜

技术领域

本实用新型属于交通运输载具、施工作业机械的照明灯具上安装的夜间防眩光装置。

背景技术

现行防眩技术是用几何光学方法，通过对灯具的发光体、反射镜、配光镜的结构与形状进行优化处理实现的，不能彻底解决眩光问题；现有试图运用偏振光防眩的技术方案，拟采用的起偏器分为三类：偏振片、液晶和偏振玻璃。偏振片和液晶的耐温上限过低，而偏振玻璃在生产技术上不能达到足够大的面积，并且价格昂贵，所以偏振防眩技术尚未能得以实现。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种新的防眩光起偏器方案，它是一种二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，以二次反射型宽带偏振棱镜组作为起偏器，可以解决现有的起偏器在耐温性能、面积和价格方面的问题，从而实现偏振防眩技术，彻底解决眩光问题。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，安装在灯具内发光体的前方；其特征在于：所述防眩分光镜由两排互为倒置关系的棱镜相对拼合构成，每排棱镜都是由若干个相互平行的棱镜组成，其拼合结构为：其中一排棱镜中的每个棱镜的两个侧面分别与另一排棱镜中相邻的两个棱镜对应的侧面契合在一起而形成两个契合面；相邻的两个契合面不平行，间隔一个契合面的两个契合面平行，两排棱镜拼合后形成两个平行契合面组，每个契合面组中的各个契合面相互平行，所述的两个平行契合面组中至少有一个平行契合面组中的每个契合面上镀有宽带偏振膜系而成为起偏面，所述构成起偏面的两个棱镜的侧面光胶在一起，所述宽带偏振膜系由多层高折射率和低折射率两种材料的簿膜交替构成，

棱镜材料的折射率n_p、高折射率膜层的折射率n_H、低折射率膜层的折射率n_L、光线在棱镜与膜层界面的入射角i_P之间的关系满足下述数学式：

$n_P\sin i_P=n_H{n}_L/\sqrt{{n_H}^2+{n_L}^2}$

偏振波带的中心波长为λ₀，高折射率膜层的几何厚度d_H，光线在高折射率膜层的折射角i_H之间的关系满足下述数学式：

                     n_Hd_Hcosi_H＝λ₀/4

偏振波带的中心波长为λ₀，低折射率膜层的几何厚度d_L，光线在低折射率膜层的折射角i_L之间的关系满足下述数学式：

                     n_Ld_Lcosi_L＝λ₀/4

所述构成宽带偏振膜系的总膜层数为奇数，两个最外侧的膜层均为高折射率膜层。

所述每个棱镜的两个侧面相互垂直，相邻的互为倒置关系的两个棱镜形成一个起偏单元，每个起偏单元中的两个棱镜相互光胶契合在一起的两个侧面中有一个侧面镀有所述宽带偏振膜系而成为起偏面，两个相邻起偏单元之间的契合面为反射面；构成每个起偏单元的两个棱镜中都有一个棱镜的底面朝向灯具的发光体，另一棱镜的底面背向灯具的发光体，所述两个相邻起偏单元之间的反射面对于所述底面朝向发光体的棱镜为输入反射面，所述两个相邻起偏单元之间的反射面对于所述底面背向发光体的棱镜为输出反射面，每个棱镜的两个底角的角度值分别为：45°+i′/2和45°-i′/2，其中：i′为发光体发出的光线在面向发光体的底面折射后的折射光线在棱镜横截面的投影与棱镜底面法线的夹角。

所述起偏单元之间的反射面的结构为：在作为输出反射面的棱镜侧面上镀反射层，反射层材料的折射率n_R＝n_r-in_i，该反射层的材料具有高消光系数n_i，折射率n_R的实部n_r满足下述两个数学式之一：

数学式一：n_P＜n_r＜n_Ptani_r，

数学式二：n_r＜n_P且n_Psini_r≤n_r＜n_Ptani_r。

其中n_P为棱镜的折射率，i_r为所述发光体发出的光线在棱镜内入射到反射面的入射角，所述相邻两个起偏单元相邻的两个侧面之间有空气隙。

所述起偏单元之间的反射面的结构为：在契合成反射面的两个棱镜侧面上有一个侧面镀反射层后光胶在一起，反射层材料的折射率n_R＝n_r-in_i，该反射层的材料具有高消光系数n_i，折射率n_R的实部n_r满足下述两个数学式之一：

数学式一：n_P＜n_r＜n_Ptani_r

数学式二：n_r＜n_P且n_Psini_r≤n_r＜n_Ptani_r

其中n_P为棱镜的折射率，i_r为所述发光体发出的光线在棱镜内入射到反射面的入射角。

所述起偏单元之间的反射面的结构为：在契合成反射面的两个棱镜侧面上都有反射层，作为输出反射面的反射层材料的折射率n_R＝n_r-in_i，该反射层的材料具有高消光系数n_i，折射率n_R的实部n_r满足下述两个数学式之一：

数学式一：n_P＜n_r＜n_Ptani_r

数学式二：n_r＜n_P且n_Psini_r≤n_r＜n_Ptani_r其中n_P为棱镜的折射率，i_r为所述发光体发出的光线在棱镜内入射到反射面的入射角。

所述反射面的结构为：在构成该反射面的相邻两个起偏单元相邻的两个侧面之间有空气隙。

所述反射层外有耐高温保护层。

本实用新型有以下积极有益效果：

现行防眩技术的灯光组由发光体、反射镜、配光镜组成，采用远光、近光切换的方式防止眩目，其远光眩目强烈，近光虽然减少了眩光，但不能彻底消除眩目问题。眩光造成了光污染，影响交通速度，诱发交通事故。本实用新型的技术方案是在灯光组中增设防眩分光镜，防眩分光镜由二次反射型宽带偏振棱镜组构成，配有防眩镜的观察者迎光正视该光源，其亮度、颜色接近于普通汽车制动灯，且随观察角度变化，其亮度更低，颜色逐渐加深；而观察灯光下的景物，亮度影响很小，颜色不受影响。本实用新型的二次反射型宽带偏振棱镜组可以构成大面积的偏振器件，除用于防眩分光镜外还可用于其他用途。

附图说明

图1是本实用新型的防眩分光镜的一实施例的安装位置示意图；

图2是图1中沿A-A剖视图；

图3是图2中沿B-B剖视的一实施例的局部放大图；

图4是图2中沿B-B剖视的另一实施例局部放大图；

图5是图2中沿B-B剖视的再一实施例局部放大图；

图6是本实用新型的一个起偏单元一实施例的结构示意图；

图7是若干个起偏单元拼在一起构成的本实用新型的单元式二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜的一实施例结构示意图；

图8是若干个棱镜光胶拼在一起构成的本实用新型的一体式二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜的一实施例结构示意图；

图9是本实用新型的二次反射型宽带偏振棱镜组的起偏面局部放大结构示意图；

图10是本实用新型的单元式二次反射型宽带偏振棱镜组的横截面投影光路图，为空气隙内没有光胶层的实施例；

图11是本实用新型的一体式二次反射型宽带偏振棱镜组的一实施例光路图；

图12是以坐标系方式对本实用新型起偏单元反射面进行研究的示意图；

图13是光线由光疏介质射向光密介质的δ_p与入射角的关系曲线图；

图14是光线由光疏介质射向光密介质的δ_s与入射角的关系曲线图；

图15是光线由光密介质射向光疏介质的δ_p与入射角的关系曲线图；

图16是光线由光密介质射向光疏介质的δ_s与入射角的关系曲线图；

图17是反射光相对入射光δ_p＝0、δ_s＝π时，偏振方向变化情况图；

图18是反射光相对入射光δ_p＝π、δ_s＝0时，偏振方向变化情况图；

图19是没有反射层的反射面局部放大结构示意图；

图20是输出反射面镀反射层、侧面间有空气隙的反射面局部放大结构示意图；

图21是单侧面镀反射层、侧面光胶在一起的反射面局部放大结构示意图；

图22是双侧面镀反射层的反射面局部放大结构示意图；

图23是研究本实用新型的起偏单元各参数间关系的坐标系；

图24是由等腰直角棱镜组成的本实用新型的单元式二次反射型宽带偏振棱镜组的一实施例光路图；

图25是由等腰直角棱镜组成的本实用新型的一体式二次反射型宽带偏振棱镜组的光路图；

图26是由等边三棱镜组成的本实用新型的一体式二次反射型宽带偏振棱镜组的光路图；

图27是由四棱镜组成的本实用新型的单元式二次反射型宽带偏振棱镜组的一实施例横截面投影光路图；

图28是本实用新型的单元式二次反射型宽带偏振棱镜组的横截面投影光路图，为空气隙内局部有光胶层的一实施例。

具体实施方式

请参照图1，本实用新型的防眩分光镜30安装在汽车灯光组中发光体10的前方、反射镜20和配光镜40之间。50为反射镜20的轴线。60为防眩镜。70为观察者。

防眩分光镜30为一组二次反射型宽带偏振棱镜。防眩分光镜30作为起偏器，观察者70(载具机械的驾驶员和行人等)视线前方置一由偏振片制成的防眩镜60(眼镜或遮板)作为检偏器，且在迎光正视灯具时，防眩镜60与防眩分光镜30的透振方向(即透过的偏振光的偏振方向)垂直，从而由灯具发出的直接射向观察者70的偏振光将被防眩镜60吸收，达到防眩的目的。由于偏振光被漫反射后变成自然光，观察者70对景物的观察所受影响不大。

防眩分光镜30的透振方向可采取四种模式：水平透振模式和竖直透振模式的透振方向与水平夹角分别为0和π/2，特点是防眩镜60与顺、逆行载具机械的防眩分光镜30的透振方向均垂直，顺行载具机械灯光的镜面反射光和逆行载具机械灯光在水平面、竖直面的镜面反射光通常不能透过防眩镜60；斜上透振模式和斜下透振模式的透振方向与水平夹角分别为π/4和3π/4，特点是防眩镜60与逆行载具机械的防眩分光镜30的透振方向垂直，与顺行载具机械的防眩分光镜30的透振方向相同，顺行载具机械灯光的镜面反射光和逆行载具机械灯光在水平面、竖直面的镜面反射光通常能透过防眩镜60。

下面详细说明：

请参照图2、图3并结合参照图7、图8，本实用新型的防眩分光镜30由两排互为倒置关系的棱镜相对拼合构成，其中一排棱镜是由若干个相互平行的棱镜301、303、305、307……组成，另一排棱镜是由若干个相互平行的棱镜302、304、306……组成。所述拼合结构为：其中一排棱镜301、303、305、307……中的每个棱镜的两个侧面分别与另一排棱镜302、304、306、……中相邻的两个棱镜对应的侧面契合在一起而形成两个契合面；即棱镜302的两个侧面与相邻的两个棱镜301、303对应的侧面契合在一起而形成两个契合面312、323；棱镜304的两个侧面与相邻的两个棱镜303、305对应的侧面契合在一起而形成两个契合面334、345；棱镜306的两个侧面与相邻的两个棱镜305、307对应的侧面契合在一起而形成两个契合面356、367。相邻的两个契合面不平行，例如，契合面312与323相邻，所以契合面312与323不平行；间隔一个契合面的两个契合面平行，例如契合面312与334之间间隔有一个契合面323，所以契合面312与334平行。两排棱镜拼合后形成两个平行契合面组，其中一个平行契合面组由契合面312、334、356、……构成，另一个平行契合面组由契合面323、345、367、……构成，每个契合面组中的各个契合面相互平行。

如果棱镜301、302、303、304、305、306、307……中的每个棱镜的两个侧面互相垂直，也就是说，它们形成的相邻的契合面互相垂直，可以只有一个平行契合面组中的每个契合面构成起偏面，而另一个平行契合面组中的每个契合面构成反射面，即契合面312、334、356、……构成起偏面，契合面323、345、367、……构成反射面，例如图7；或者契合面323、345、367、……构成起偏面，契合面312、334、356、……构成反射面。这类二次反射型宽带偏振棱镜组为单元式类型。图7中用单线表示的契合面是起偏面，用双线表示的契合面是反射面。

如果棱镜301、302、303、304、305、306、307……之间形成的两个平行契合面组中的每个契合面312、334、356、……、323、345、367、……都构成起偏面，即每个棱镜的两个侧面都是起偏面，没有反射面，这类二次反射型宽带偏振棱镜组为一体式类型。

构成起偏面的契合面，都是由两个相邻棱镜对应的两个侧面光胶处理成半透明面，只是一个工作面即起偏面。起偏面对入射到该面上的光线起到起偏分光作用：偏振方向与入射面平行的光线(以下简称为P光)可以透过，偏振方向与入射面垂直的光线(以下简称为S光)被反射。

构成反射面的契合面，都是由两个相邻棱镜对应的两个侧面契合成不透明面，所以是两个工作面，对一侧的棱镜为输入反射面，对另一侧的棱镜为输出反射面。输入反射面对入射到该面上的光线起到反射作用，输出反射面对入射到该面上的光线除起到反射作用外，还起到调整偏振光偏振方向的作用。

请参照图4，在本实施例中，组成防眩分光镜的两排棱镜都是由连体棱镜构成；即棱镜301、303、305、307……不是分立的棱镜，而是连为一体的，棱镜302、304、306……也是连为一体的，该两排棱镜互为倒置关系，形状互补，相互拼接吻合。

请参照图5，在本实施例中，组成防眩分光镜的两排棱镜中的一排是由分立的棱镜构成；另一排是由连体的棱镜构成，即棱镜301、303、305、307……是分立的棱镜，棱镜302、304、306……是连体的棱镜，该两排棱镜互为倒置关系，形状互补，相互拼接吻合。

请参照图6，两支直角棱镜303、304光胶在一起构成一个起偏单元。每个起偏单元有三个工作面：

相互契合光胶在一起的棱镜303、304的对应的两个侧面为起偏面334，棱镜304的另一个侧面为工作面3450，棱镜303的另一个侧面为工作面3230。棱镜303底面3030与棱镜304底面3040相互平行。因为棱镜304的底面朝向灯具的发光体，也就是说发光体发出的光线是从棱镜304的底面3040进入，所以棱镜304的底面3040为输入底面，工作面3450为输入反射面；棱镜303底面3030背向灯具的发光体，也就是说，棱镜303的底面3030是光线射出的面，所以棱镜303的底面3030为输出底面，工作面3230为输出反射面。起偏面、输入反射面和输出反射面都是工作面。

请参照图7，由图6所示的若干个起偏单元组成一个单元式二次反射型宽带偏振棱镜组30。

请参照图10结合参照图7，图10是图7所示的单元式二次反射型宽带偏振棱镜组的光线在横截面投影的光路图。光线上标横线的表示的是偏振方向与入射面平行的光线，即为P光。标点的是偏振方向与入射面垂直的光线，即为S光，同时标有横线和点的表示的是自然光；棱镜303、304之间的契合面334用单线画出，表示契合面334是起偏面；棱镜302、303之间的契合面323用双线画出，表示契合面323是反射面，棱镜304、305之间的契合面345也用双线画出，表示契合面345是反射面。两个相邻反射面之间的两个棱镜是一个起偏单元。即棱镜301、302构成一个起偏单元，棱镜303、304构成另一个起偏单元，棱镜305、306构成再一个起偏单元。

请参照图10结合参照图6，光线1射入棱镜303、304构成的起偏单元，直接入射到起偏面334的光线，P光1_P透过，1_P代表光线1的光失量平行于入射面的分量的光线，S光1_S被起偏面334和输入反射面3450两次反射后返回，1_S代表光线1的光失量垂直于入射面的分量的光线。入射到输入反射面3450的光线2，被该面反射后入射到起偏面334，S光2_S被起偏面反射后返回，P光2_P透过起偏面334后被输出反射面3230调整偏振方向并反射出去。

请参照图8，由若干个棱镜光胶成一个一体式二次反射型宽带偏振棱镜组30。一体式二次反射型宽带偏振棱镜组的契合面都是起偏面，没有反射面。

请参照图11结合参照图8，图11是图8所示的一体式二次反射型宽带偏振棱镜组的横截面光路图。一体式二次反射型宽带偏振棱镜组仅适用于入射光线与棱镜的棱垂直的情形，光线在棱镜横截面内，可采用任意顶角和底角的棱镜，每个棱镜的两个底角分别与其它棱镜的两个对应底角相等，其透振方向与棱镜的棱垂直，如果光线在相互不平行的起偏面的入射角i_P不相等，则棱镜组须镀制两种不同的偏振膜系。

自然光线1从棱镜304的底面射入，光线1入射到起偏面334上，1_P透过，1_S被反射到另一起偏面345(1_S对起偏面345也是S光)上后被反射回来。自然光线2从棱镜304的底面射入，光线2入射到起偏面345上，2_P透过，2_S被反射到另一起偏面334(2_S对起偏面334也是S光)上后被反射回来。

请参照图9，结合参照图10、图11，起偏面334的结构是在一个棱镜的相应侧面上镀有宽带偏振膜系，并与相邻棱镜的无镀膜侧面光胶在一起。膜系由多层高折射率簿膜H₁、H₂、……H_N、H_N+1和低折射率簿膜L₁、L₂、……L_N交替构成，总膜层数为奇数，两个最外侧的膜层H1、HN+1均为高折射率膜层。一个2N+1层的膜系可以表示为Q(HL)¹⁰HDQ，Q代表棱镜，H表示高折射率膜层，L表示低折射率膜层，D表示光胶层。

宽带偏振膜系是利用布儒斯特条件和光在膜层中多次反射并相互干涉的现象起起偏分光作用的。布儒斯特条件是光线在两种介质界面的入射角等于布儒斯特角i_B∶i_B＝tan^-1(n″/n′)，n′、n″分别是入射介质和折射介质的折射率。

为满足布儒斯特条件，棱镜材料的折射率n_p、高折射率膜层的折射率n_H、低折射率膜层的折射率n_L、光线在起偏面的入射角i_P满足下述关系：

$n_P{\sin i}_P=n_H{n}_L/\sqrt{{n_H}^2+{n_L}^2}$

如果偏振波带的中心波长为λ₀，为满足光在干涉中的位相关系，高、低折射率膜层的几何厚度d_H、d_L，与光线在高、低折射率膜层的折射角i_H、i_L应分别满足：

                        n_Hd_Hcosi_H＝λ₀/4

                        n_Ld_Lcosi_L＝λ₀/4

偏振膜系的分析可采用矩阵方法，2N+1层宽带偏振膜系的特征矩阵为：

$M=\left[\begin{array}{cc}0& i{(-n_L/n_H)}^N/n_H\\ i{(-n_H/n_L)}^N{n}_H& 0\end{array}\right]$

其中i为虚数单位，n_J表示J层介质的有效折射率，对P光n_J＝n_J/cosi_J；对S光n_J＝n_Jcosi_J。用n_A表示光胶层的有效折射率，则膜系的反射系数为：

            r＝[n_Pn_An_L ^2N-n_H ^2(N+1)]/[n_Pn_An_L ^2N+n_H ^2(N+1)]

由于光线在膜层与棱镜、光胶层的界面处均不满足布儒斯特条件，以及材料折射率随波长不同而不同等因素的影响，膜系的实际起偏效果与理论计算有所不同，膜系镀制方案应在试验基础上进行优化处理。宽带偏振膜系的偏振波带须基本覆盖可见光，其截止波长应以使佩有防眩镜的观察者既感觉舒适，又能醒目地观察到灯具的存在及位置为宜。宽带偏振膜系采用真空镀膜工艺镀制，光胶胶粘剂应采用耐高温透明胶，以保证防眩分光镜的热学性能。

请参照图10，两个相邻起偏单元的输入反射面与输出反射面为同一个契合面，即同一个反射面。反射面的结构因棱镜的材料、光线在反射面的入射角不同而不同。

请参照图10结合参照图6，光线在棱镜内以入射角i_r入射到反射面上，若光线在界面是由光密介质(折射率n_p)射向光疏介质(折射率n₁)，即n_p＞n₁，则当i_r≥i_c＝sinu^-1(n₁/n_P)时，将发生全反射，i_c为临界角。因为空气的折射率n₁＝n_G＝1，所以棱镜与空气界面的临界角i_cG为：

                     i_cG＝sin^-1(1/n_P)。

如果i_r大于、等于或接近于i_cG，输入反射面3450可以利用光的全反射，或接近全反射的高反射对光起反射作用；如果i_r小于且不接近于i_cG，输入反射面3450必须通过反射层起反射作用。

请参照图12，建立坐标系，xOz平面沿输入反射面N₂，yOz平面沿起偏面N₁。除特殊情形外，光线不在起偏单元横截面内，如果一束平行光在起偏单元内的折射光线方向余弦为l，m，n，设光线L₁以入射角i_p直接入射到N₁上的(x₁，y₁，z₁)点，入射面即透过的P光L_1p的偏振面(偏振面为偏振光光矢量的振动面，它的方向就是偏振光的偏振方向)M₁为：

                       n(y-y₁)-m(z-z₁)＝0

设光线L₂以入射角i_r入射到N₂，则反射光线L₂′的方向余弦为l，-m，n。反射光线L₂′在N₁的入射点为(x₂，y₂，z₂)点，入射面即透过的P光L₂′_p的偏振面M₂为：

              n(y-y₂)+m(z-z₂)＝0

可见两偏振面M₁与M₂不平行，如果不加调整，起偏单元由输出反射面反射出去的光，与从起偏面透出的光偏振方向通常并不相同。

光在反射时，反射光的P分量和S分量的位相会发生不同的变化，为使起偏单元输出的光具有一致的偏振方向，须利用这种现象在反射中进行调整。为此，在有些情况下需要镀反射层。反射层为在可见光区不透明材料，其折射率n_R是复数，可以表示为n_R＝n_r-in_i，其中i为虚数单位，实部n_r反映光在该材料中的传播速率，相当于透明材料的通常所指的折射率，虚部n_i反映该材料对光波吸收的快慢，称作消光系数。如果材料具有高消光系数n_i，则反射层有接近于1的高反射系数。

偏振光L₂′_p(以下称L₃)以入射角i_r′入射到输出反射面N₃上的(x₃，y₃，z₃)点，并在N₃上发生反射(因为输出反射面与输入反射面平行，所以i_r′＝i_r，以下将这两个角统称为光线在反射面的入射角i_r)。由于入射面的不同，对N₃而言，L₃已不再完全是P光，而是可以分解成P分量和S分量的线偏振光。

如果输出反射面镀有折射率实部为n_r的反射层，且n_p＜n_r(n_p为棱镜的折射率)，则光线是由光疏介质射向光密介质，反射光L₃′的P分量和S分量的位相变化δ_p、δ_s与入射角i_r的关系如图13、图14所示，i_B为布儒斯特角。由图中可知，当i_r＞i_B时，L₃′的P分量和S分量相对入射光L₃而言位相相反。

如果输出反射面镀有折射率实部为n_r的反射层，且n_p＞n_r，或没有反射层(界面另一侧为空气，n_p＞n_G＝1)，则光线是由光密介质射向光疏介质，P分量和S分量的位相变化δ_p、δ_s与入射角i_r的关系如图15、图16所示，i_B为布儒斯特角，i_c为临界角。由图中可知，当i_B＜i_r＜i_c时，L₃′的P分量与S分量相对L₃而言位相相反；当i_r＞i_c，即发生全反射时，反射光与入射光的位相差为：

${\mathrm{\δ}}_p=\mathrm{\π}-{2\tan }^{-1}(n_p\sqrt{{n_p}^2{\sin }^2{i}_r/{n_1}^2-1}/n_1{\cos i}_r)$

${\mathrm{\δ}}_s=-2{\tan }^{-1}(\sqrt{{n_p}^1{\sin }^2{i}_r/{n_1}^2-1}/n_p{\cos i}_r)$

其中n₁为光疏介质的折射率，镀反射层时n₁＝n_r，不镀反射层时n₁＝n_G＝1。

偏振光L₃(方向余弦为l，-m，n)在输出反射面N₃上的入射面M₃为：

               -n(x-x₃)+l(z-z₃)＝0如果反射偏振光L₃′的P分量与S分量相对L₃而言位相相反，且反射系数等于或接近于1，则如图17、图18所示，L₃′的偏振面将以M₃为对称面、以L₃′为轴线作镜象反转，图中E为电矢量，即光矢量。设平面M₄为：

                n(y-y₃)-m(z-z₃)＝0M₂与M₃的夹角Δ₂₃和M₄与M₃的夹角Δ₄₃分别满足：

${\cos \mathrm{\Δ}}_{23}=\mathrm{ml}/\sqrt{(m^2+n^2)(l^2+n^2)}$

${\cos \mathrm{\Δ}}_{43}=-\mathrm{ml}/\sqrt{(m^2+n^2)(l^2+n^2)}$

可见          Δ₄₃＝π-Δ₂₃

又：可以证明L₃′是M₂、M₃、M₄的交线，所以，M₃恰为上述的镜象平面，即L₃′的偏振面。

从平面的方程可以看出，偏振面M₄与偏振面M₁平行，说明当被输出反射面反射的光线相对于入射光而言，P分量与S分量位相相反，且反射系数等于或接近于1时，起偏单元输出光的偏振方向一致。因此，由前所述的L₃′的P分量和S分量相对入射光L₃而言位相相反的条件，并考虑输出反射面须对光线有高反射系数，可以得出：若光线在反射面的入射角i_r等于棱镜与空气界面的临界角i_cG，输出反射面不需镀反射层；若i_r≠i_cG，输出反射面需镀反射层，反射层材料应具有高消光系数n_i，如果折射率实部n_r＞n_P，应有i_B＜i_r，如果n_r＜n_P，应有i_B＜i_r≤i_c。

结合输入反射面、输出反射面的要求，得到反射面的结构为：

若i_r＝i_cG，请参照图19，结合参照图10，反射面323由两个棱镜302、303的侧面和空气隙G构成；也可以按i_r≠i_cG情况下的结构形式构成。空气隙G是相邻起偏单元侧面自然拼靠在一起而形成，例如，棱镜301、302组成了一个起偏单元，棱镜303、304组成了相邻的另一个起偏单元，空气隙G就是该两个相邻的起偏单元中的两个相邻侧面自然拼靠在一起而形成的缝隙。

若i_r＞i_cG，请参照图20，结合参照图10，反射面的结构是在作为输出反射面的棱镜303的侧面镀反射层R，在反射层R外加耐高温保护层K，与相邻作为输入反射面的棱镜302的侧面自然拼靠形成空气隙G；也可以按i_r＜i_cG情况下的结构形式构成。

若i_r＜i_cG，请参照图21、图22，结合参照图10，反射面的结构是在起偏单元的一个侧面(例如棱镜302的侧面)上镀反射层R，与相邻起偏单元的未镀反射层侧面光胶在一起，光胶层以D表示；或者在相邻起偏单元的两个侧面都镀反射层R，并在反射层外加耐高温保护层K，两个侧面契合起来。

反射层使用对可见光具有高消光系数n_i的材料，其折射率实部n_r应满足：

                       n_P＜n_r＜n_Ptani_r

        或者n_r＜n_P且n_Psini_r≤n_r＜n_Ptani_r

如果i_r≈i_cG，可视为i_r＝i_cG。耐高温保护层的作用是防止反射层物质的升华，如果反射层为不易升华的物质，可不用保护层。空气隙的厚度不得小于0.2μm，以避免因产生光子隧道效应而降低反射率。

需要注意到的是，由L₁的方向余弦l，m，n，L₂′的方向余弦l，-m，n和N₂法线的方向余弦1，0，0，很容易证明：i_p′＝i_p，说明由于起偏面与输入反射面相互垂直，匹配于直接入射到起偏面的光线的偏振膜系，同时匹配于经输入反射面反射到起偏面的光线。

下面说明起偏单元的几何光学参数间的关系

请参照图23，设入射光线沿水平方向。建立坐标系，使xOy平面沿水平面，y轴在输出反射面所在棱镜的底面内，在该底面和起偏面上的棱过原点O，该棱与y轴的夹角为φ(0≤φ＜π，φ角即起偏单元与防眩分光镜上的水平线的夹角)，底面法线T(在xOz平面内)与x轴夹角为Θ(-π/2＜Θ＜π/2，Θ角即防眩分光镜法线与水平面的夹角)，x轴与反射镜轴线的夹角为θ(-π/2＜θ＜π/2，θ角即防眩分光镜法线与反射镜轴线在水平方向的夹角)，起偏面的透振方向与水平面夹角为ψ(0≤ψ＜π)，起偏单元的透振方向与水平面夹角为Ω(0≤Ω＜π)。设一条平行于反射镜轴线的入射光线L的折射光线L′入射到O点。

起偏单元底面法线的方向余弦为：cosΘ，0，sinΘ，光线L的方向余弦为：cosθ，sinθ，0，所以光线L在底面上的入射角I和折射角i分别为：

                  I＝cos^-1(cosθcosΘ)

$i={\sin }^{-1}[\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\Θ}}/n_P]$

根据折射定律和底面法线的方向余弦，得光线L′的方向余弦l，m，n为：

$l=\cos \mathrm{\Θ}\cos i+{\sin }^2\mathrm{\Θ}\sin i/\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\Θ}+{\tan }^2\mathrm{\θ}}$

$m=\tan \mathrm{\θ}\sin i/\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\Θ}+{\tan }^2\mathrm{\θ}}$

$n=\sin \mathrm{\Θ}\cos i-\sin \mathrm{\Θ}\cos \mathrm{\Θ}\sin i/\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\Θ}+{\tan }^2\mathrm{\θ}}$

由起偏单元的横截面方程-sinφsinΘx+cosφy+sinφcosΘz＝0得折射光线L′在横截面的投影的方向数l′，m′，n′为：

l′＝l(1-sin²φsin²Θ)+m sinφcosφsinΘ+n sin²φsinΘcosΘ

m′＝l sinφcosφsinΘ+m sin²φ-n sinφcosφcosΘ

n′＝l sin²φsinΘcosΘ-m sinφcosφcosΘ+n(1-sin²φcos²Θ)

折射光线L′在横截面的投影与底面法线的夹角i′为：

$i^{\′}={\cos }^{-1}[(l\cos \mathrm{\Θ}+n\sin \mathrm{\Θ})/\sqrt{l^{\′2}+m^{\′2}+n^{\′2}}]$

为避免光损失，输入反射面反射向起偏面的光线在横截面内的投影应与起偏单元横截面底边平行，起偏面相应的棱镜底角α应满足：

                  α＝45°±i′/2

式中，如果以对应较大底角的棱镜侧面作为起偏面取“+”号，相反则取“-”号。反射面相应的棱镜底角为π/2-α。

起偏面法线的方向余弦p₁，q₁，k₁为：p₁＝干sinαcosφsinΘ+cosαcosΘ，q₁＝干sinαsinφ，k₁＝±sinαcosφcosΘ+cosαsinΘ

请参照图23，若如图中输入反射面、起偏面和输出反射面依次沿上半周顺时针方向排列，取上运算符；否则取下运算符。以下未作说明则与此相同。

反射面法线的方向余弦p₂，q₂，k₂为：p₂＝±cosαcosφsinΘ+sinαcosΘ，q₂＝±cosαsinφ，k₂＝干cosαcosφcosΘ+sinαsinΘ

折射光线L′在起偏面的入射角i_p和在反射面的入射角i_r分别为：

               i_p＝cos^-1(lp₁+mq₁+nk₁)

               i_r＝cos^-1(lp₂+mq₂+nk₂)

由折射光线L′的方向余弦l，m，n和起偏面法线的方向余弦p₁，q₁，k₁得起偏面的透振面的法线方向数为mkX-nq₁，np₁-lk₁，lq₁-mp，结合水平面法线的方向余弦0，0，1得起偏面的透振面与水平面的夹角ψ为：

$\mathrm{\ψ}={\cos }^{-1}[({\mathrm{lq}}_1-{\mathrm{mp}}_1)/\sqrt{{({\mathrm{mk}}_1-{\mathrm{nq}}_1)}^2+{({\mathrm{np}}_1-{\mathrm{lk}}_1)}^2+{({\mathrm{lq}}_1-{\mathrm{mp}}_1)}^2}]$

若n_p、θ、Θ为已知参数，且ψ取确定角ψ，则关于φ的解为：

     φ＝lim_j→∞Φ_j＝lim_j→∞∑^j _k＝0(ψ-ψ_k)

              ψ₀＝±π/2，  ψ_k＝ψ|_φ＝φk-1j、k均为自然数，此处“±”的选取应使0≤φ0＜π。φ的j级近似解为：

                  φ＝Φ_j＝∑^j _k＝0(ψ-ψ_k)

经过起偏面的偏振光入射到起偏单元输出底面发生反射和折射，因为起偏单元的两个底面平行，入射角等于光线L在输入底面的折射角i，折射角等于光线L在输入底面的入射角I，入射面与水平面的夹角Δ为：

$\mathrm{\Δ}={\cos }^{-1}(\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\Θ}/\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\θs}{\mathrm{in}}^2\mathrm{\Θ}+{\sin }^2}\mathrm{\θ})$

由于界面对P光和S光的透射系数不同，使得折射出去的偏振光与入射的偏振光的方位角(即偏振面与入射面的夹角)不同，即起偏单元与起偏面的透振方向不同。折射光的方位角γ与入射光的方位角β的关系是：tanγ＝cos(I-i)tanβ，而起偏面的透振方向与水平面夹角ψ＝β+Δ，起偏单元的透振方向与水平面夹角Ω＝γ+Δ，所以对确定的防眩分光镜的透振模式的Ω值，ψ角的取值ψ应满足：

           tan(Ω-Δ)＝cos(I-i)tan(ψ-Δ)

综上所述，由防眩分光镜的透振模式(Ω)和安装方位(θ、Θ)及棱镜材料(n_p)，即可确定起偏单元的加工底角(α)和安装倾角(φ)，从而进一步通过确定起偏面入射角(i_p)、反射面入射角(i_r)，设计起偏面和入射面的结构。

若防眩分光镜在水平方向与反射镜轴线垂直，则θ＝0，光线L的入射角I＝Θ，折射角i＝sin^-1(sinΘ/n_p)，光线各有关角度的表达式可化简为：

$i^{\′}={\cos }^{-1}\sqrt{({n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\Θ})/({n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\φ}{\sin }^2\mathrm{\Θ})}$

$i_r={\cos }^{-1}[(\sin \mathrm{\α}\sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\Θ}}\±\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\Θ})/n_p]$

$\mathrm{\ψ}={\cos }^{-1}\{\±\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\α}({\sin }^2\mathrm{\Θ}+\cos \mathrm{\Θ}\sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\Θ}})/[{n_p}^2{\sin }^2\mathrm{\φsi}{n}^2\mathrm{\α}+$

${(\sin \mathrm{\Θ}\cos \mathrm{\α}\±\cos \mathrm{\φ\α}\sin \sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\Θ}})}^2{]}^{1/2}\}$

若防眩分光镜在竖直方向与反射镜轴线垂直，则Θ＝0，光线L的入射角I＝θ，折射角i＝sin^-1(sinθ/n_p)，光线各有关角度的表达式可化简为：

$i^{\′}={\cos }^{-1}\sqrt{({n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ})/({n_p}^2-{\cos }^2\mathrm{\φs}{\mathrm{in}}^2\mathrm{\θ})}$

$i_r={\cos }^{-1}[(\sin \mathrm{\α}\sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}\±\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ})/n_p]$

$\mathrm{\ψ}={\cos }^{-1}\{(\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}\±\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\α}\sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}})/[{n_p}^2{\cos }^2\mathrm{\φ}{\sin }^2\mathrm{\α}+$

${(\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}\±\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\α}\sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}})}^2{]}^{1/2}\}$

请参照图24：若防眩分光镜与反射镜轴线垂直，将θ＝Θ＝0代入上述有关公式，得α＝π/4，i_p＝i_r＝π/4，φ＝Ω+π/2。即棱镜为图24所示的等腰直角棱镜，本实施例中，起偏单元是由两个等腰直角棱镜(例如303、304)组成，光线在起偏单元横截面内，经输入反射面反射后透过起偏面的P光对输出反射面也全部为P光，输出反射面不用对反射光的偏振面进行调整，即可保证起偏单元输出的偏振光具有一致的偏振方向，起偏单元的透振方向与棱垂直。

请参照图24并结合参照图6，自然光线1从棱镜304的底面3040射入，直接入射到起偏面334的光线中的P光1_P直接透过，S光1_S被起偏面334和输入反射面3450两次反射后返回；自然光线2从棱镜304的底面3040射入，入射到输入反射面3450，被该面反射后入射到起偏面334，其中的S光2_S被起偏面反射后返回，P光2_P透过起偏面334后被输出反射面3230从棱镜303的底面3030反射出去。

请参照图25，本实施例是采用等腰直角棱镜构成的一体式二次反射型宽带偏振棱镜组。自然光线1从棱镜304的底面垂直射入，光线1入射到起偏面334上，1_P透过，1_S被反射到另一起偏面345上后被反射回来。自然光线2从棱镜304的底面垂直射入，光线2入射到起偏面345上，2_P透过，2_S被反射到另一起偏面334上后被反射回来。

请参照图26，本实施例是采用等边三棱镜构成的一体式二次反射型宽带偏振棱镜组。自然光线1从棱镜304的底面垂直射入，入射到起偏面334上，1_P透过，1_S被反射后垂直入射到另一起偏面345上，然后沿原光路反射回来。

自然光线2从棱镜304的底面垂直射入，入射到起偏面345上，2_P透过，2_S被反射后垂直入射到另一起偏面334上，然后沿原光路反射回来。

请参照图27：本实施例是采用四棱镜构成的单元式二次反射型宽带偏振棱镜组。自然光线1、光线2的四棱镜组横截面内投影的光路与图10相同。自然光线3和光线4不经过任何起偏面或反射面而直接透过。

应用四棱镜组可以使通过四棱镜顶面的自然光不经过起偏面直接透过如图27所示，图27可视为将图10中的三棱镜相应改为四棱镜后的结果，适当确定棱镜顶面的宽度，可以在对防眩效果影响较小的情况下提高灯光组的发光效率，降低生产成本。这种处理方案适于所有形式的二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜。

请参照图28，图28中所示棱镜组与图10所示棱镜组相似，区别在于图28中空气隙的局部有光胶层9。与光胶层9无关的光线1、光线2光路与图10相同。光线3、光线4经过光胶层9而直接透过。光线5入射到起偏面上，5_P透过，5_S被反射后通过光胶层9，再被另一起偏面反射出去；光线6入射到另一起偏面与5_S相同的入射点上，6_P透过，与5_S合成为自然光，6_S被该起偏面和输入反射面反射回来。光线7、光线8的光路和光线5、光线6同理。

在起偏单元间的反射面没有反射层、空气隙中有光胶层的情况下，有光胶层部分的侧面不再是反射面，使起偏单元存在局部自然光透过(如图28所示)。适当控制空气隙中光胶层的面积，可以在对防眩效果影响较小的情况下提高灯光组的发光效率和防眩分光镜的机械强度。

为避免偏振光的起偏面发生偏转，棱镜材料不能为光学各向异性材料。

防眩分光镜的作用为选择透过能量，无须成象，因而对棱镜的材质和加工精度要求不高。棱镜可以通过冷加工成形，也可以采用压制工艺成形。每支棱镜可由数段胶接而成。

下面是本实用新型的一具体实施方案。

1、防眩分光镜结构：采用单体单元式二次反射型宽带偏振棱镜组。如图24所示，棱镜高(防眩分光镜厚度)8mm，底角α＝π/4。

2、棱镜材料：玻璃，牌号F₅，折射率n_p＝1.63。

3、高折射率膜料：钛酸镨，折射率n_H＝2.08。

4、低折射率膜料：氟化镁，折射率n_L＝1.38。

5、胶粘剂：加成型室温硫化透明硅橡胶，折射率n_A＝1.5。

6、宽带偏振膜系：Q(HL)¹⁰HDQ，Q代表棱镜，D代表光胶层，高折射率膜层H的厚度d_H＝72nm，低折射率膜层L的厚度d_L＝169nm，起偏波带390nm～660nm，λ₀＝510nm。

7、反射面结构：如图19所示，侧面没有反射层，侧面间为空气隙。

8、配装灯具：非封闭型车灯，口径160×100mm²，发光体工作实际功率70w。装配方位θ＝Θ＝0，φ＝π/4(Ω＝3π/4)。

9、工作状态温度：环境温度30℃，车灯静止工作45min后防眩分光镜达到最高温度，其中心最高温度为103℃。

10、防眩效果：佩防眩镜迎光正视车灯呈红色，亮度较一般汽车制动灯略高；随视角变化渐呈黄、蓝条纹，亮度变低。

11、环境照度：约相当于未装防眩分光镜、灯泡功率为58W时灯光组对环境的照度。

Claims (7)

1.一种二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，安装在灯具内发光体的前方；其特征在于：所述防眩分光镜由两排互为倒置关系的棱镜相对拼合构成，每排棱镜都是由若干个相互平行的棱镜组成，其拼合结构为：其中一排棱镜中的每个棱镜的两个侧面分别与另一排棱镜中相邻的两个棱镜对应的侧面契合在一起而形成两个契合面；相邻的两个契合面不平行，间隔一个契合面的两个契合面平行，两排棱镜拼合后形成两个平行契合面组，每个契合面组中的各个契合面相互平行，所述的两个平行契合面组中至少有一个平行契合面组中的每个契合面上镀有宽带偏振膜系而成为起偏面，所述构成起偏面的两个棱镜的侧面光胶在一起，所述宽带偏振膜系由多层高折射率和低折射率两种材料的簿膜交替构成，

棱镜材料的折射率(n_p)、高折射率膜层的折射率(n_H)、低折射率膜层的折射率(n_L)、光线在棱镜与膜层界面的入射角(i_P)之间的关系满足下述数学式：

$\left(n_P\right)\sin \left(i_P\right)=\left(n_H\right)\left(n_L\right)/\sqrt{{\left(n_H\right)}^2+{\left(n_L\right)}^2}$

偏振波带的中心波长为(λ₀)，高折射率膜层的几何厚度(d_H)，光线在高折射率膜层的折射角(i_H)之间的关系满足下述数学式：

           (n_H)(d_H)cos(i_H)＝(λ₀)/4

偏振波带的中心波长为(λ₀)，低折射率膜层的几何厚度(d_L)，光线在低折射率膜层的折射角(i_L)之间的关系满足下述数学式：

           (n_L)(d_L)cos(i_L)＝(λ₀)/4

所述构成宽带偏振膜系的总膜层数为奇数，两个最外侧的膜层均为高折射率膜层。

2.如权利要求1所述的二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，其特征在于：所述每个棱镜的两个侧面相互垂直，相邻的互为倒置关系的两个棱镜形成一个起偏单元，每个起偏单元中的两个棱镜相互光胶契合在一起的两个侧面中有一个侧面镀有所述宽带偏振膜系而成为起偏面，两个相邻起偏单元之间的契合面为反射面；构成每个起偏单元的两个棱镜中都有一个棱镜的底面朝向灯具的发光体，另一棱镜的底面背向灯具的发光体，所述两个相邻起偏单元之间的反射面对于所述底面朝向发光体的棱镜为输入反射面，所述两个相邻起偏单元之间的反射面对于所述底面背向发光体的棱镜为输出反射面，每个棱镜的两个底角的角度值分别为：45°+(i′)/2和45°-(i′)/2，其中：(i′)为发光体发出的光线在面向发光体的底面折射后的折射光线在棱镜横截面的投影与棱镜底面法线的夹角。

3.如权利要求2所述的二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，其特征在于：所述起偏单元之间的反射面的结构为：在作为输出反射面的棱镜侧面上镀反射层，反射层材料的折射率(n_R)＝(n_r)-i(n_i)，该反射层的材料具有高消光系数(n_i)，折射率(n_R)的实部(n_r)满足下述两个数学式之一：

数学式一：(n_P)＜(n_r)＜(n_P)tan(i_r)，

数学式二：(n_r)＜(n_P)且(n_P)sin(i_r)≤(n_r)＜(n_P)tan(i_r)。

其中(n_P)为棱镜的折射率，(i_r)为所述发光体发出的光线在棱镜内入射到反射面的入射角，所述相邻两个起偏单元相邻的两个侧面之间有空气隙。

4.如权利要求2所述的二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，其特征在于：所述起偏单元之间的反射面的结构为：在契合成反射面的两个棱镜侧面上有一个侧面镀反射层后光胶在一起，反射层材料的折射率(n_R)＝(n_r)-i(n_i)，该反射层的材料具有高消光系数(n_i)，折射率(n_R)的实部(n_r)满足下述两个数学式之一：

数学式一：(n_P)＜(n_r)＜(n_P)tan(i_r)

数学式二：(n_r)＜(n_P)且(n_P)sin(i_r)≤(n_r)＜(n_P)tan(i_r)

其中(n_P)为棱镜的折射率，(i_r)为所述发光体发出的光线在棱镜内入射到反射面的入射角。

5.如权利要求2所述的二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，其特征在于：所述起偏单元之间的反射面的结构为：在契合成反射面的两个棱镜侧面上都有反射层，作为输出反射面的反射层材料的折射率(n_R)＝(n_r)-i(n_i)，该反射层的材料具有高消光系数(n_i)，折射率(n_R)的实部(n_r)满足下述两个数学式之一：

数学式一：(n_P)＜(n_r)＜(n_P)tan(i_r)

数学式二：(n_r)＜(n_P)且(n_P)sin(i_r)≤(n_r)＜(n_P)tan(i_r)

其中(n_P)为棱镜的折射率，(i_r)为所述发光体发出的光线在棱镜内入射到反射面的入射角。

6.如权利要求2所述的二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，其特征在于：所述反射面的结构为：在构成该反射面的相邻两个起偏单元相邻的两个侧面之间有空气隙。

7.如权利要求3或5所述的二次反射型宽带偏振棱镜组防眩分光镜，其特征在于：所述反射层外有耐高温保护层。

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