一种偏振分光器件及其在投影光学引擎中的应用制造技术

一种偏振分光器件及其在投影光学引擎中的应用，涉及一种偏振分光器件。提供一种可显著增大光束入射角度范围，并保证理想偏振度的偏振分光器件及其应用。设有偏振分光膜系和2块光学棱镜；偏振分光膜系由复数透明介质材料层叠加构成，偏振分光膜系镀制在2块光学棱镜的斜边表面之间，2块光学棱镜的斜边对接，所述2块光学棱镜为2块直角等腰三角形的光学棱镜。所述偏振分光器件可作为基于三色白光光源的投影光学引擎中的偏振分光器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种偏振分光器件，尤其是涉及一种用于三色白光光源投影显示的偏振分光器件及其在投影光学弓I擎中的应用。
技术介绍
近来，基于三色光源(如LED、激光等)的新型投影仪已成为投影市场上的热点，被认为是下一代投影显示技术的发展方向。在投影光学引擎中，常用的光调制方式之一是通过转换被调制光的偏振态来实现的。偏振分光器件是此类微型投影显示系统中最为重要的器件之一，它的作用是将入射光束分离成透射光和反射光两束，且两束光具有互相垂直的偏振态。目前，偏振分光器件的结构有多种。一种是利用晶体的双折射特性实现的偏振分光器件，如公开号“CN 1700057A”名称为“一种偏振分束方法及其装置”的专利技术专利申请公开的一种偏振分光器件，使用透明双折射晶体棱镜组成，根据晶体的性质确定该晶体的切割角，使得沿光轴方向正入射进入晶体的光，在晶体交界面发生全反射后在空间上分解出两束相互垂直振动的偏振光。然而，这种偏振分光器对晶体的切割角和装配均有精确的要求，而且双折射晶体代价高昂，不适用于投影光学引擎。美国3M公司专利技术了用多层聚合物薄膜拉伸的方法，制作了新型的偏振分光器件 (美国专利US5，962，114)。这种偏振分光器件虽然性能优越，但需要制备多层的聚合物薄膜，工艺复杂。另外聚合物材料不如无机介质材料稳定，长时间使用易老化，降低光学特性。利用沉积多层透明介质材料制作偏振分光镜的方法，最早来自S. MMacNeille的专利技术专利(美国专利US2，403，731)。这种偏振分光镜采用两种折射率满足布儒斯特角关系式的材料，在正入射时可以达到非常好的偏振度，但其性能对入射角度十分敏感，正常使用角度不能超过士 2°，否则光谱恶化非常明显。此外，它对材料的折射率也有要求，若实际材料折射率不满足或者偏移布儒斯特角关系式，光谱中心区域的P光透射率都会降低。 针对传统MacNeille型偏振分光器的问题，Li Li于1996年对其进行了改进设计(L Li， JA. Dobrowolski, Visible broadband, wide-angle thin-film multilayer polarizing beam splitter, Applied Optics, V. 35,2221 (1996))，采用四种材料，其中两两满足布儒斯特关系式，最终在较大角度范围内得到了较高的平均偏振度，将入射光允许角度扩大到了士6°。其不足之处是要求的折射率难以在自然界中寻找到对应的材料，且使用的膜层数目最多达72层。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可显著增大光束入射角度范围，并保证理想偏振度的偏振分光器件。本专利技术的另一目的是提供所述偏振分光器件在投影光学引擎中的应用。所述偏振分光器件设有偏振分光膜系和2块光学棱镜；偏振分光膜系由复数透明介质材料层叠加构成，偏振分光膜系镀制在2块光学棱镜的斜边表面之间，2块光学棱镜的斜边对接，所述2块光学棱镜为2块直角等腰三角形的光学棱镜。所述复数透明介质材料层最好为20 60层透明介质材料层。所述偏振分光膜系最好由氧化硅层、氟化镁层、氧化钛层、氧化钽层、氧化铌层、氧化铝层、氧化铪层和氧化锆层中的2 4种材料层组配而成。所述偏振分光薄膜的总物理厚度最好为2 6μπι。所述2块光学棱镜最好尺寸相同，2块光学棱镜处于同一平面，2块光学棱镜的折射率均不小于1.7，2块光学棱镜的材质可相同或不同。所述2块光学棱镜的斜边对接最好是2块光学棱镜的斜边通过光学胶粘接，2块光学棱镜形成一体。所述偏振分光器件可作为基于三色白光光源的投影光学引擎中的偏振分光器。与现有技术比较，本专利技术具有以下突出优点本专利技术可通过针对三色白光光源的光谱特点进行偏振分光膜系的设计，在保证偏振分光器性能的前提下，可大大减少透明介质材料层的层数和厚度，使其分光特性对入射光角度的敏感度大大降低，这样可显著增大光束的入射范围，并保证理想偏振度。此外，本专利技术结构简单，制作工艺简单，将本专利技术应用于投影光学引擎中，可使投影光学引擎使用的元件减少，结构简单，体积小巧，性能良好，成本降低，适合批量生产。附图说明图1为本专利技术实施例的结构示意图。图2为本专利技术实施例所匹配的三色LED光源的归一化光谱分布图。在图2中，横坐标为波长Wavelength (nm)，纵坐标为归一化的光谱功率Relative Spectral Power。图3为本专利技术实施例的折射率剖面分布图。在图3中，横坐标为物理厚度!Physical Thickness (pm)，纵坐标为折射率 Refractive Index0图4为本专利技术实施例针对光束正入射进入棱镜时ρ光的透射率曲线Tp。在图4 中，横坐标为波长Wavelength (nm)，纵坐标为透射率Transmittance )。图5为本专利技术实施例针对光束正入射进入棱镜时s光的透射率曲线Ts。在图5 中，横坐标为波长Wavelength (nm)，纵坐标为透射率Transmittance )。图6为本专利技术实施例针对光束偏离垂直角度士7.4°斜入射进入棱镜时 P光的透射率曲线Tp。在图6中，横坐标为波长Wavelength (nm)，纵坐标为透射率 Transmittance (% )；—表Tj^4° Tp,---表Tj^+7. 4° Tp0图7为本专利技术实施例针对光束偏离垂直角度士7.4°斜入射进入棱镜时 s光的透射率曲线Ts。在图7中，横坐标为波长Wavelength (nm)，纵坐标为透射率 Transmittance (% )；—表Tj^4° Tp,---表Tj^+7. 4° Tp0图8为采用本专利技术实施例的投影光学引擎的构造示意图。具体实施例方式参见图1，偏振分光器件A设有偏振分光膜系3和2块直角等腰三角形光学棱镜1 和2。偏振分光膜系由多层透明介质材料堆叠而成，偏振分光膜系镀制在2块光学棱镜1和2的斜边表面之间，2块光学棱镜1和2的斜边通过光学胶对合粘接，2块光学棱镜1和2形成一体，2块光学棱镜1和2尺寸相同且共处于同一平面。图1中的箭头表示光路方向。2块光学棱镜1和2均由折射率不低于1. 7的玻璃制成(也可为其他有机透明材料，2块光学棱镜1和2的材质也可不同)。2个光学棱镜的直角面可根据需要镀制增透膜 (图1中未画出)。本实施例的偏振分光膜系3由氧化钛层、氧化钽层、氧化铝层和氟化镁层4种透明介质材料层组合构成，膜系总层数为41层，膜系总厚度仅为约3. 2 μ m(每种透明介质材料层所需要的层数及4种透明介质材料层叠加组合的顺序均可根据实际需要来设计)。制作偏振分光膜系3时，将不同折射率的透明介质材料层一层一层沉积到1块光学棱镜1上，沉积完成之后，就可将镀有偏振分光膜系的光学棱镜1和另1块无镀膜的光学棱镜2用光学胶粘合到一起，从而构成上述偏振分光器件。以下给出本实施例的透明介质材料层的排列、每一层材料的厚度和偏振分光器件整体的偏振分光特性。选择的2块光学棱镜的折射率均为1. 85。选择的氧化钛层、氧化钽层、氧化铝层和氟化镁层对应的折射率分别为2. 4,2. 2,1. 67和1. 38，为简化起见分别记为H、M1、M2和L。 膜系的初始结构由折射率最高和最低的两种材料H和L交替组成，每一层的厚度由以下公式确定权利要求1.一种偏振分光器件，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种偏振分光器件，其特征在于设有偏振分光膜系和２块光学棱镜；偏振分光膜系由复数透明介质材料层叠加构成，偏振分光膜系镀制在２块光学棱镜的斜边表面之间，２块光学棱镜的斜边对接，所述２块光学棱镜为２块直角等腰三角形的光学棱镜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘哲，谢章熠，周梦超，钟建龙，黄莎玲，卜轶坤，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92