专利名称：一种具有低偏振像差的偏振分合色器件的制作方法
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I象素的高清显示(1920X1280)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. lnm，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. Snm ；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度且小于四度。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. Inm ；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度且小于四度。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
Z5 1 θ > ~
3
sm
+ sin “1 NA
⑴η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，η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Ti02，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。
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2 θ = 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2 θ = 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2 θ = 32度时的S，ρ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2 θ = 40度时的S，ρ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
7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
权利要求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( 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G)，所述反兰透绿分合色棱镜O)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( 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O)的第二棱镜面上的长波通膜( 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O)的第一棱镜面与所述反兰透绿分合色棱镜O)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 波通膜的透射分光曲线的S，P偏振分离为1.9 3. lnm，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⑷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⑷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( 合成的S，P偏振位相差在整个工作波长 上为大于-10度且小于四度。
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( 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。
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O)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. Inm ；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 且小于四度。
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(1 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。
专利摘要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。
文档编号G02B27/18GK201820038SQ20102052185
公开日2011年5月4日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者唐晋发, 张梅骄, 艾曼灵, 金波, 陶占辉, 顾培夫 申请人:杭州科汀光学技术有限公司