專利名稱：多入射方向的分光棱鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分光棱鏡(PBS)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，屬于光機系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用光線反射式原理顯示的微型顯示器件如數(shù)字微鏡顯示(DMD)、硅基液晶顯示(LCoS)等在工作時需要將光線入射到器件表面后由顯示器反射出來，通過光學(xué)系統(tǒng)后將小型2維顯示器所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大，并最終實現(xiàn)全像視覺效果。這類顯示器作為一種新型的圖像源，屬于新型的反射式顯示技術(shù)，具有高分辨率、高光利用效率、制造技術(shù)較成熟和低功耗等特點。
液晶具有部分晶體特性，會對入射光表現(xiàn)出晶體特有的各向異性，故在液晶顯示器件中幾乎都需要使用偏振光束工作，硅基液晶(LCoS)也不例外。在LCoS光學(xué)引擎中選用的LED光源發(fā)出的光為自然光，需要將此自然光經(jīng)起偏器轉(zhuǎn)化為偏振光。而偏振光又可以用兩個振動方向相互垂直、相位有關(guān)聯(lián)的線偏振光來描述，通常表示為P偏振光和S偏振光，其中P偏振光偏振方向平行于入射面，而S偏振光偏振方向垂直于入射面。在LCoS光學(xué)引擎中選用了偏振分光棱鏡(PBS)，偏振分光面可以將S偏振光反射，讓P偏振光通過。
由光學(xué)背景知識可知，當(dāng)光線從一種介質(zhì)斜入射到另一種介質(zhì)的情況下，隨著入射角的增大，S(senkrecht垂直)分量的光強反射率總是單調(diào)上升的，但P(parallel平行)分量的光強反射率先是下降，在某個特殊角度iB降到0，爾后再上升。使P分量反射率為零的入射角iB稱為布儒斯特角(D.Brewster，1815年)。由振幅反射率公式可知，當(dāng)光從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為n2的介質(zhì)時，布儒斯特角的表達(dá)式為iB=tan-1n2n1]]>對于空氣到玻璃的情況n2/n1～1.5，iB～57°。
棱鏡PBS是按照Mac Neille方法設(shè)計的，它的主要思想是使膜層內(nèi)每個膜面的入射角滿足布儒斯特角，這樣入射光線在這些膜面上的P偏振光的透過率接近100％；而對于S偏振光，這些膜層構(gòu)成一個高反射膜系，因而從理論上講可使S光的反射率為100％。
現(xiàn)在一般采用在偏振分光面上鍍制多層介質(zhì)偏振分光膜的方法使得分光面與底面呈45°角時PBS能夠起到很好的分光效果。
當(dāng)入射光進(jìn)入PBS后，PBS會將入射光(S偏振光)反射進(jìn)入LCoS成像模塊成像，又因為液晶的固有特性，進(jìn)入LCoS成像模塊的S偏振光被改變成P偏振光，從LCoS成像模塊反射出來，再經(jīng)PBS射出，再經(jīng)過透鏡成像系統(tǒng)得到LCoS上圖象的放大了的畫面。
為了實現(xiàn)高放大倍數(shù)、小像差顯示，要求透鏡系統(tǒng)有效焦距足夠小，而在透鏡系統(tǒng)最后一個鏡面與LCoS顯示屏面之間必須安置一個PBS，所以透鏡系統(tǒng)有效焦距必須要大于PBS的厚度，從而要減小透鏡系統(tǒng)有效焦距必須降低PBS的厚度。因此分光棱鏡(PBS)厚度d越小越好；同時，為了實現(xiàn)高亮度顯示，希望PBS投光面積S越大越好。
數(shù)字光處理器(DLP，Digital Light Processing)技術(shù)是顯示領(lǐng)域劃時代的革命，它將為視頻投影顯示翻開新的一頁。它以DMD(Digital Micromirror Device)作為成像器件。當(dāng)它在工作時，白光穿過TIR(Total Internal Reflrction)棱鏡。TIR棱鏡的作用是調(diào)整光線射到DMD上的入射角，使得DMD上的微鏡片轉(zhuǎn)動時，可以將光線準(zhǔn)確地射入或偏離投影透鏡?，F(xiàn)在TIR棱鏡的結(jié)構(gòu)比較單一，限制了DMD的應(yīng)用，有必要設(shè)計出新的棱鏡結(jié)構(gòu)，以改善DMD的性能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種新型的分光棱鏡的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與目前常用的傳統(tǒng)的分光棱鏡的結(jié)構(gòu)有很大的不同，使得分光面與傳統(tǒng)的立方體形PBS的分光面有了很大的改變，在同等光出射面積的情況下大大降低了PBS的厚度(厚度約為原來的一半)，并且使得光源投光面積增大，有助于實現(xiàn)高亮度顯示。
技術(shù)方案本發(fā)明涉及三種分光棱鏡新型結(jié)構(gòu)，它由入射體、分光體和偏振分光膜構(gòu)成，分光體位于入射體中的空腔內(nèi)，入射體和分光體的交界面是偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。
入射體和分光體共同構(gòu)成一個底面半徑與高相等的圓柱體，其中分光體是一個與圓柱體同軸及同一個底面的圓錐體，其底面半徑與高相等，分光體的錐面為偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。
入射體和分光體共同構(gòu)成一個底面為正方形、高度為正方形邊長一半的長方體，其中分光體是一個與長方體共正方形底面、共中心軸且底面邊長的一半與高相等的正四棱錐體，分光體的錐面為偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。
入射體和分光體共同構(gòu)成一個底面為矩形、高度為底面矩形長邊長度一半的長方體，其中分光體是一個底面是矩形，主視側(cè)面是一個等腰直角三角形的屋脊?fàn)钊庵?，?gòu)成直角的兩個屋脊面為偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。
有益效果本發(fā)明改變了傳統(tǒng)立方體形PBS光線從一側(cè)入射的情況，使得在不減少總的分光面面積的前提下，既大大降低了分光棱鏡(PBS)的厚度(大約降低一半)，又增加了入射光的投光面積。光線可以從不同方向進(jìn)入偏振分光面，可以采用多個光源提高反射光的光通量。該技術(shù)可以應(yīng)用到LCoS、DMD等反射式顯示器件中。


圖1是制作完成的圓柱體形分光棱鏡的示意圖，其中有入射體1、偏振分光面2、分光體3、偏振分光膜4、入射光5、通光面6、增透膜7、P偏振光8、S偏振光9。
圖2是制作完成的第一種長方體形分光棱鏡的示意圖。
圖3是制作完成的第二種長方體形分光棱鏡的示意圖，其中有底面矩形的長邊10。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例分別是如圖1所示，入射體和分光體共同構(gòu)成一個底面半徑與高相等的圓柱體，其中分光體是一個與圓柱體同軸及同一個底面的圓錐體，其底面半徑與高相等，分光體的錐面為偏振分光面，分光面上制作有偏振分光膜。
如圖2所示，入射體和分光體共同構(gòu)成一個底面為正方形、高度為正方形邊長一半的長方體，其中分光體是一個與長方體共正方形底面、共中心軸且底面邊長的一半與高相等的正四棱錐體，分光體的錐面為偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。
如圖3所示，入射體和分光體共同構(gòu)成一個底面為矩形、高度為底面矩形長邊長度一半的長方體，其中分光體是一個底面是矩形，主視側(cè)面是一個等腰直角三角形的屋脊?fàn)钊庵瑯?gòu)成直角的兩個屋脊面為偏振分光面，偏振分光面上制作有偏振分光膜。
入射體和分光體之間的膠合面是偏振分光面，偏振分光面上鍍制有多層介質(zhì)偏振分光膜；偏振分光面與底面的夾角為45°。當(dāng)任意偏振態(tài)的入射光垂直于入射體的通光面射入棱鏡后，在偏振分光面上，入射光被偏振分光膜分成兩束不同的光束，分別具有平行態(tài)和垂直態(tài)偏振方向，通常分別表示為P偏振光和S偏振光，其中P偏振光透過偏振分光面，而S偏振光被偏振分光面反射，從而使P偏振光和S偏振光分開。
這種新型分光棱鏡，其特征是其偏振分光面不是由一個平面構(gòu)成，光線不再從單一方向進(jìn)入分光棱鏡，從而可以采用多個光源提高反射光的光通量。
在分光棱鏡的通光面上鍍制有增透膜，以降低光進(jìn)入分光棱鏡時的反射損耗。
權(quán)利要求
1.一種多入射方向的分光棱鏡，其特征是它由入射體(1)、分光體(3)和偏振分光膜(4)構(gòu)成，分光體(3)位于入射體(1)中的空腔內(nèi)，入射體(1)和分光體(3)的交界面是偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多入射方向的分光棱鏡，其特征是入射體(1)和分光體(3)共同構(gòu)成一個底面半徑與高相等的圓柱體，其中分光體(3)是一個與圓柱體同軸及同一個底面的圓錐體，其底面半徑與高相等，分光體(3)的錐面為偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多入射方向的分光棱鏡，其特征是入射體(1)和分光體(3)共同構(gòu)成一個底面為正方形、高度為正方形邊長一半的長方體，其中分光體(3)是一個與長方體共正方形底面、共中心軸且底面邊長的一半與高相等的正四棱錐體，分光體(3)的錐面為偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多入射方向的分光棱鏡，其特征是入射體(1)和分光體(3)共同構(gòu)成一個底面為矩形、高度為底面矩形長邊(10)長度一半的長方體，其中分光體(3)是一個底面是矩形，主視側(cè)面是一個等腰直角三角形的屋脊?fàn)钊庵?，?gòu)成直角的兩個屋脊面為偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。
全文摘要
多入射方向的分光棱鏡(PBS)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，屬于光機系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)物理學(xué)背景知識，在某種介質(zhì)表面鍍制介質(zhì)偏振分光膜，在一定條件下可以達(dá)到將P偏振光和S偏振光分開的目的。它由入射體(1)、分光體(3)和偏振分光膜(4)構(gòu)成，分光體(3)位于入射體(1)中的空腔內(nèi)，入射體(1)和分光體(3)的交界面是偏振分光面(2)，偏振分光面(2)上制作有偏振分光膜(4)。通過設(shè)計新型的分光棱鏡結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的分光棱鏡相比較，可以降低分光棱鏡(PBS)的厚度，并且提高投光效果。它具有很強的技術(shù)應(yīng)用背景。
文檔編號G02B27/28GK1959467SQ20061009789
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月20日
發(fā)明者孫遠(yuǎn)航, 張曉兵, 雷威, 張宇寧 申請人:東南大學(xué)