应用于显示光学中的偏振分束棱镜的研制

　　1　引　言

　　硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)属于微显示投影技术,是发展大屏幕数字高清电视的关键技术。LCOS产业链中的关键组件是光学引擎。目前LCOS光学引擎有三片式、单片式及方块结构,大多数光学设计中采用了偏振分束棱镜(polarizing beam splitter,PBS)。第一台商用前投影机由IBM,Nikon和Jvc设计。使用分色镜分开三色光,每色光由单独的PBS传输给相应的LCOS屏,但斜入射光要由PBS和屏之间的QWP校正。由于普通薄膜棱镜型PBS起偏原理决定了,当入射光光锥角比较大,即斜入射光线倾斜角度比较大的情况下,斜射光的偏振效果严重降低,导致系统的对比度降低。常规两种膜料设计的PBS,常出现使用角度不够大,工作带宽不够宽,或透射消光比不够高等问题。现介绍一款采用三种膜料设计的56层偏振分光膜,该膜系实现了宽波段、大角度和高消光比的要求。

　　2　薄膜偏振分束棱镜的基本原理

　　常用的偏振分束棱镜是MacNeille发明的,基于Bruster角原理实现起偏,这种原理可以工作在很宽的带宽,透射可以实现较高的消光比,但是其工作角度范围很小;另一种是基于斜入射时膜料对于P、S光折射率产生差异,反射带宽不同,p、s光产生偏振分离的原理,虽然其使用角度变大但是偏振分离波段很小,不能满足应用。

　　为了满足宽波段大视场的应用要求就出现相应的设计[1~3]。这些设计都基于MacNeille原理。一是减小工作波段提高使用角度范围;二是采用多于两种膜料的设计,这样可以拓展使用角度。但是膜层层数及膜料种类都将增多,制作难度相应增大。但随着计算机辅助设计及专用膜系设计软件的出现,为高性能薄膜偏振分光镜的设计提供了很好的方法和优化途径;薄膜制造设备的更新使实现高性能PBS成为可能。现讨论的PBS就是采用三种膜料,用TFCAL35优化设计得到的56层的薄膜的制备和测试。

　　3　膜系设计和镀制

　　棱镜材料选用SF57,在其中一片棱镜的斜面镀制PBS膜四个直角面镀制宽带AR膜(根据使用情况,针对不同入射介质的AR),该棱镜的使用条件为:锥光F数2.4,玻璃中入射角度为45°±6.5°,使用波段:420~680nm,要求p光透射尽可能大,s光尽可能反射。设计时分别给定不同角度的目标值进行优化45°、47.7°、42.3°、51.5°、38.5°,得出PBS设计曲线如图1所示,分别对应于玻璃中的角度51.5°、45°、38.5°。

　　从曲线可以看出,入射角度大时,P光的透射率会明显下降,这是由其原理决定的。但是S光的透射率很低,所以即使P光的透射率不高,仍然可以得到高的透射消光比,能够满足LCOS应用要求。因为膜系层数较多且各层比较薄,所以采用晶振控制在LELYBOLD-APS1104实现该膜系镀制。本底真空3×10-5Pa,基片温度180℃,APS离子辅助镀。