宽波长宽角度偏振分光镜设计

　　1　概　述

　　在光电仪器中,棱镜偏振分光镜得到广泛应用,特别是在液晶投影机中,由于液晶的电光效应是建筑在对偏振光的调制作用上的,所以入射到液晶板上的光线需要高偏振度的偏振光,液晶投影机的输出图象的对比度主要决定于偏振光的偏振度。

　　常规的棱镜偏振分光镜是按照MacNeille方法设计的。这种方法只需两种薄膜材料nL和nH,由于nH、nL和棱镜的折射率nS构成的所有界面都必须满足布儒斯特角条件,故有

　　据此,一旦选中nS和玻璃中的入射角θS后,可以选定薄膜折射率;或反之。假设nH=2.356,nL=1.38,且θS=45°,则nS=1.69;若θS=45°,nS=1.52,则nH和nL分别为1.7和1.38。由于高折射率玻璃短波吸收非常大,使投影机蓝光输出能量大大降低,这是非常致命的;不仅如此,这种玻璃的均匀性、应力等特性也都远不及K9玻璃。所以在投影机中常选用K9玻璃棱镜。

　　用K9玻璃棱镜组成的偏振分光镜,基于MacNeille方法设计的膜系,其角度宽度都很小[1]。本文的目的就是要设计K9玻璃上的宽波长宽角度偏振分光镜。

　　2　设　计

　　欲设计宽角度偏振分光镜,可以考虑利用双折射棱镜作成的偏振镜。由于它们是利用晶体的全反射原理制成的,所以不仅偏振波长区宽,而且使用角度范围大。缺点是这种棱镜不可能做成大尺寸,价格非常昂贵,加在其反射光和透射光的角度不互成直角,所以不能用于液晶投影机。利用拉伸方法制成的有机薄膜偏振片,因其偏振效应是通过吸收一个偏振分量的光而形成的,故只能用于单向透射,而不能用于反射式液晶器件;此外,它不适于强光下使用,对比之下,多层薄膜偏振镜是最具实用价值的。问题是干涉薄膜的角度灵敏度很大,以至于稍偏离于设计角度的入射光偏振度就会急剧下降,通常在空气中容许的角度为±2°,而液晶投影显示通常要求±4°～5°。

　　对于宽波长、宽角度偏振镜的设计,Li[2]等用一种新的方法设计了一种新的偏振分束镜,他是利用光在倾斜入射时是有效折射率ηP,ηS的差异,使P分量满足全反射条件,而S分量仍保持透射。显然他既利用了全反射原理,又利用了光的干涉原理,从而使偏振带宽和角度效应都非常大。报导的结果是在400～700nm波长区,空气中的入射角变化达到±9°。但是这种偏振器件在玻璃中的入射角非常大,特别是使用低折射率的K9玻璃棱镜时可能接近掠入射。此外,反射的P分量和透射的S分量夹角较小,使用甚为不便。Baumeister[3]也设计了一种宽角度的偏振片,在玻璃中的入射角为51°,玻璃的折射率为1.62,在420～680nm的波段上获得了玻璃中的入射角±7°的宽角效果。这个设计的主要缺点是膜层材料多达8种,层数多达90层,给制造带来难度,其反射光和透射光的夹角为78°。