具有低偏振像差的偏振分色合色系統(tǒng)

艾曼靈+張梅驕+金波+鄭臻榮+顧培夫

摘要： 提出了一種具有低偏振像差的偏振分色合色系統(tǒng)的設(shè)計方法。通過優(yōu)化設(shè)計得到的結(jié)果為：短波通膜透射曲線的S、P偏振分離為1.9 nm，長波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm；短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差在整個工作波長420～680 nm為小于29°且大于-10°，相比常規(guī)的偏振分色合色系統(tǒng)，偏振像差得到了顯著改善。

關(guān)鍵詞： 光學投影顯示； 光學薄膜； 偏振像差； 濾波器

中圖分類號： O 484文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.009

引言當光束傾斜入射時，光學薄膜必然產(chǎn)生偏振效應(yīng)，這種偏振效應(yīng)同波前像差一樣會降低光學系統(tǒng)的成像能力，故稱偏振像差[12]。具有低偏振像差的偏振分色合色器件在硅基液晶（LCoS）投影顯示中具有極其重要的應(yīng)用，其與投影圖像的顯示亮度、分辨率、對比度，甚至色還原都密切相關(guān)[35]。偏振分色合色器件常由偏振器和分色合色器兩大部分組成，偏振器常釆用寬角度寬波長的立方棱鏡薄膜偏振分束器[67]，分色合色器采用Philips棱鏡系統(tǒng)[89]。由于這種偏振分色合色器件的偏振像差較大，在高亮度和高清晰度的投影顯示系統(tǒng)中已不敷應(yīng)用，主要原因是：短波通膜和長波通膜透射曲線的S、P偏振分離太大，因而不僅導致一部分光能量損失，而且損失的那一部分光在器件內(nèi)通過多次反射、折射后變成了雜散光，導致圖像清晰度和對比度下降；短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差太大，使一部分光經(jīng)過Philips棱鏡系統(tǒng)分色合色后由線偏振光變成了橢圓偏振光，由于偏振分色合色器件的入射光是S線偏振光，調(diào)制后的信號光是P線偏振光，調(diào)制后的橢圓偏振光意味著S偏振成分將同樣導致一部分光能量損失和引入雜散光。為了克服上述技術(shù)缺陷，設(shè)計了一種具有低偏振像差的偏振分色合色系統(tǒng)。首先推導了一個方程組以尋求光線在薄膜中可能的最小入射角，基于紅、藍、綠三路光在偏振分色合色系統(tǒng)中的等光程原理，重新設(shè)計了一個具有最小光線入射角的分色合色Philips棱鏡系統(tǒng)和一個寬角度寬波長的梯形棱鏡薄膜偏振分束器；然后設(shè)計了一組用于分色合色棱鏡的短波通膜和長波通膜，獲得了比現(xiàn)用短波通膜和長波通膜小得多的透射曲線S、P偏振分離以及短波通膜與長波通膜合成的S、P偏振位相差。這使器件獲得了很低的偏振像差，從而在偏振轉(zhuǎn)換過程中不僅提高了光能量利用率，而且改善了圖像清晰度和對比度。1設(shè)計方法圖1為常規(guī)設(shè)計的偏振分色合色系統(tǒng)光學示意圖，它包括立方棱鏡薄膜偏振分束器和Philips棱鏡分色合色器。Philips棱鏡分色合色器包括反紅透藍綠棱鏡、反藍透綠棱鏡和透綠棱鏡。在反紅透藍綠棱鏡上鍍短波通膜，使入射到短波通膜上的S偏振白光分為兩路，其中一路反射S偏振紅光，經(jīng)全反射后入射到紅光LCoS圖像調(diào)制器；另一路透射S偏振藍綠光并入射至長波通膜，使入射到長波通膜上的S偏振藍、綠光再分為兩路，其中一路反射S偏振藍光，經(jīng)全反射后入射到藍光LCoS圖像調(diào)制器，另一路透射S偏振綠光并入射至綠光LCoS圖像調(diào)制器。S偏振的紅、藍、綠光分別經(jīng)三個圖像調(diào)制器調(diào)制后形成攜帶圖像信息的P偏振光再各自沿原路返回形成全彩色合成，最后經(jīng)偏振器檢偏振后把彩色圖像投射到屏幕上。光學儀器第36卷

第6期艾曼靈，等：具有低偏振像差的偏振分色合色系統(tǒng)

圖1所示的常規(guī)偏振分色合色系統(tǒng)由于光線在短波通和長波通膜中的入射角一般為30°左右，即2θ0可達60°，所以必然導致較大的偏振像差。為降低分色合色薄膜的偏振像差，首先必須盡可能減小光線在分色合色薄膜上的光線入射角。根據(jù)對圖1所述的器件工作原理和圖2所示的器件設(shè)計參數(shù)，要使偏振分色合色器件滿足紅、藍、綠三光路在Philips棱鏡中等光程正常工作，經(jīng)過公式推導必須滿足以下條件，即3=90°-θ

12=22≥arcsin-11n+arcsin-1NA由此可得θ>13arcsin-11n+arcsin-1NA（1）式（1）中，θ為棱鏡中光線入射到短波通膜和長波通膜的入射角，n為棱鏡的折射率，NA為數(shù)值孔徑。1、2、3、4、12和22的意義如圖2所示。對n=1.516的K9玻璃棱鏡和數(shù)值孔徑NA=1/7（即F數(shù)=3.5）的入射光，可求得最小的θ=16°，即2θ=32°，并得到關(guān)系式2θ=21=22和3=74°，這些結(jié)果在圖1所示的常規(guī)設(shè)計中是無法得到的。進而，在確定分色合色器件各棱鏡角度和分色合色膜中光線入射角的基礎(chǔ)上，立方棱鏡薄膜偏振分束器需隨之修改為梯形棱鏡薄膜偏振分束器，即圖2中4應(yīng)取29°。最后，通過用一個厚度可調(diào)諧的特殊濾波器G（HLH2L2H2LHLHL）2A作為初始結(jié)構(gòu)，同時代替常規(guī)設(shè)計中的短波通膜G（0.5LH0.5L）12A和長波通膜G（0.5HL0.5H）12A的初始結(jié)構(gòu)對短波通膜和長波通膜進行優(yōu)化設(shè)計，進一步降低短波通膜和長波通膜透射曲線的S、P偏振分離以及進一步減小短波通膜與長波通膜的合成S、P偏振位相差，這里G、H、L、A均分別為K9玻璃、二氧化鈦（TiO2）、二氧化硅（SiO2）和空氣。這種特殊濾波器的初始結(jié)構(gòu)有一個奇異的特性[10]：在反射帶的短波側(cè)或長波側(cè)，某些干涉級次的反射透射過渡區(qū)具有很小的S、P偏振分離，而另一些干涉級次的反射透射過渡區(qū)具有很大的S、P偏振分離，這一特性的發(fā)現(xiàn)，對減小或增大偏振分離的設(shè)計具有重要的應(yīng)用。

從上可知，為了減小Philips棱鏡分色合色器的偏振像差，從設(shè)計出發(fā)，首先必須減小光在分色合色膜上的入射角，為此必須修改薄膜偏振分束器和Philips棱鏡的結(jié)構(gòu)，使光在分色合色膜上的入射角從大約30°減小到16°，這是設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一；其次，分色合色膜的初始結(jié)構(gòu)需用G（HLH2L2H2LHLHL）2A代替常規(guī)設(shè)計的短波通膜系G（0.5LH0.5L）12A或長波通膜系G（0.5HL0.5H）12A，然后用商用TFCal設(shè)計軟件優(yōu)化，就可獲得低的S、P偏振分離和低的偏振像差，這是另一個設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計表明，只要能設(shè)計出很小的偏振分離，就可獲得很低的偏振像差。2設(shè)計結(jié)果圖3是偏振分色合色器件短波通膜和長波通膜改進前后的S、P偏振光的透射曲線偏振分離比較，計算波長為投影機使用波長420～680 nm。其中圖3（a）中透射曲線1和2分別為經(jīng)過優(yōu)化的常規(guī)短波通膜的S、P偏振分離，初始結(jié)構(gòu)采用典型的短波通膜G（0.5LH0.5L）12A；透射曲線3和4分別為經(jīng)過優(yōu)化的常規(guī)長波通膜的S、P偏振分離，初始結(jié)構(gòu)采用典型的長波通膜G（0.5HL0.5H）12A。這些膜系中G、H、L、A分別為K9玻璃、二氧化鈦（TiO2）、二氧化硅（SiO2）和空氣。圖3（b）中透射曲線1′和2′分別為經(jīng)過優(yōu)化的新短波通膜的S、P偏振分離，透射曲線3′和4′分別為經(jīng)過優(yōu)化的新長波通膜的S、P偏振分離，短波通膜和長波通膜的初始結(jié)構(gòu)都選用一個特殊的濾波器結(jié)構(gòu)G（HLH2L2H2LHLHL）2A，其中G、H、L、A仍然分別為K9玻璃、二氧化鈦（TiO2）、二氧化硅（SiO2）和空氣。設(shè)TiO2 的折射率為2.34，SiO2的折射率為1.46，中心波長為680 nm，短波通膜共由23層膜構(gòu)成，長波通膜共由34層膜構(gòu)成。由圖3（a）可以看出，常規(guī)設(shè)計短波通膜透射曲線的S、P偏振分離為11.1 nm；常規(guī)設(shè)計長波通膜透射曲線的S、P偏振分離為12 nm。圖3（b）中改進設(shè)計短波通膜透射曲線的S、P偏振分離為1.9 nm；改進設(shè)計長波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm。顯然，改進設(shè)計的短波通膜和長波通膜透射曲線的S、P偏振分離遠遠小于常規(guī)設(shè)計的S、P偏振分離。由于偏振分色合色器件總的透射率為S、P偏振能量的乘積，這意味著S、P偏振之間的波長分離區(qū)域的光能量會無法利用而被損失，因此經(jīng)改進后的器件可以大大提高光能利用率而顯著提高投影顯示亮度。更有甚者，S、P偏振分離造成的光能損失在器件內(nèi)會形成大量雜散光，因此還可顯著改善圖像清晰度和對比度。圖4是常規(guī)設(shè)計和改進設(shè)計的短波通膜和長波通膜的S、P偏振位相差比較。其中，圖4（a）為常規(guī)設(shè)計短波通膜和長波通膜的S、P偏振位相差；圖4（b）為改進設(shè)計短波通膜和長波通膜的S、P偏振位相差。從圖4（a）中常規(guī)設(shè)計短波通膜的S、P偏振位相差曲線5和長波通膜的S、P偏振位相差曲線6以及短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差曲線7可以看出，常規(guī)設(shè)計短波通膜在波長590 nm的S、P偏振位相差達到-91°，常規(guī)設(shè)計長波通膜在波長500 nm的S、P偏振位相差達到107°，導致短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差有二個極值：在波長500 nm為87°，而在波長600 nm為-63°。從圖4（b）中改進設(shè)計短波通膜的S、P偏振位相差曲線5′和長波通膜的S、P偏振位相差曲線6′以及短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差曲線7′可以看出，改進設(shè)計的短波通膜在波長600 nm的S、P偏振位相差為-14°，改進設(shè)計的長波通膜在波長495 nm的S、P偏振位相差為32°，短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差的二個極值為：在波長495 nm為29°，而在波長600 nm為-10°。相比常規(guī)設(shè)計的短波通膜和長波通膜，合成的S、P偏振位相差顯著減小。圖4短波通和長波通的S、P偏振位相差比較

Fig.4Comparison of the S/P polarization phase difference between the long pass filter and the short pass filter

通常，短波通膜具有負的S、P偏振位相差，而長波通膜具有正的S、P偏振位相差，所以改進設(shè)計時要使短波通膜具有絕對值最小的負的S、P偏振位相差，長波通膜具有最小的正的S、P偏振位相差，使短波通膜和長波通膜的S、P偏振位相差相互抵消，得到短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差較大時會導致部分線偏振光變成扁橢圓偏振光，而S偏振光是不能參與成像的，因此扁橢圓偏振光中的S偏振分量同樣會導致光能量損失和產(chǎn)生雜散光。3討論從圖4可以看出，短波通膜和長波通膜的S、P偏振位相差的極值都出現(xiàn)在截止帶與透射帶的過渡區(qū)，而且極值的大小分別與短波通膜的S、P偏振分離和長波通膜的S、P偏振分離直接相關(guān)。究其原因，就是兩個偏振分量在截止帶與透射帶的過渡區(qū)的特征導納有很大的差異。這意味著，只要能有效地減小截止帶與透射帶過渡區(qū)的偏振分離至最小，就可得到最小的偏振位相差極值，即最小的合成S、P偏振位相差。

圖5是常規(guī)設(shè)計的偏振分色合色器件和改進設(shè)計的具有低偏振像差的偏振分色合色器件的偏振像差比較，利用瓊斯偏振光線追跡的方法可對偏振分合色器件的偏振像差進行計算。為了計算方便，假設(shè)各棱鏡之間的空氣隙平行，并以等角度間隔選取入射光線。對應(yīng)不同θ角的入射光線，有著不同的S偏振面方向，短波通膜和長波通膜對S、P偏振有著不同的透射曲線偏振分離和S、P偏振位相差。計算表明，對常規(guī)設(shè)計的偏振分色合色器件，雖然在x軸方向由于偏振面沒有旋轉(zhuǎn)，所以仍然為線偏振光，但是對于偏離x軸的光線，隨著入射角θ的增大，線偏振光逐漸變?yōu)楸鈾E圓偏振光，且橢圓度隨入射角θ增大越來越大。對于改進后的偏振分色合色器件，不僅在x軸方向，而且即使入射角θ較大時偏振面基本上沒有旋轉(zhuǎn)，仍然保持線偏振光，具有很低的偏振像差。4結(jié)論提出了一種具有低偏振像差的偏振分色合色器件的設(shè)計方法，得到了分色合色短波通膜和長波通膜中的最小光線入射角為16°，用一個特殊濾波器作為初始結(jié)構(gòu)取代典型的短波通膜和長波通膜的初始結(jié)構(gòu)，得到了很低的偏振像差：短波通膜透射曲線的S、P偏振分離為1.9 nm，長波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm；短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差在整個工作波長420～680 nm為小于29°且大于-10°。 由于改進后的偏振分色合色器件偏振像差比常規(guī)器件顯著減小，因此不僅顯著提高了投影顯示的圖像亮度，而且改善了圖像清晰度和對比度。

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Fig.4Comparison of the S/P polarization phase difference between the long pass filter and the short pass filter

通常，短波通膜具有負的S、P偏振位相差，而長波通膜具有正的S、P偏振位相差，所以改進設(shè)計時要使短波通膜具有絕對值最小的負的S、P偏振位相差，長波通膜具有最小的正的S、P偏振位相差，使短波通膜和長波通膜的S、P偏振位相差相互抵消，得到短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差較大時會導致部分線偏振光變成扁橢圓偏振光，而S偏振光是不能參與成像的，因此扁橢圓偏振光中的S偏振分量同樣會導致光能量損失和產(chǎn)生雜散光。3討論從圖4可以看出，短波通膜和長波通膜的S、P偏振位相差的極值都出現(xiàn)在截止帶與透射帶的過渡區(qū)，而且極值的大小分別與短波通膜的S、P偏振分離和長波通膜的S、P偏振分離直接相關(guān)。究其原因，就是兩個偏振分量在截止帶與透射帶的過渡區(qū)的特征導納有很大的差異。這意味著，只要能有效地減小截止帶與透射帶過渡區(qū)的偏振分離至最小，就可得到最小的偏振位相差極值，即最小的合成S、P偏振位相差。

圖5是常規(guī)設(shè)計的偏振分色合色器件和改進設(shè)計的具有低偏振像差的偏振分色合色器件的偏振像差比較，利用瓊斯偏振光線追跡的方法可對偏振分合色器件的偏振像差進行計算。為了計算方便，假設(shè)各棱鏡之間的空氣隙平行，并以等角度間隔選取入射光線。對應(yīng)不同θ角的入射光線，有著不同的S偏振面方向，短波通膜和長波通膜對S、P偏振有著不同的透射曲線偏振分離和S、P偏振位相差。計算表明，對常規(guī)設(shè)計的偏振分色合色器件，雖然在x軸方向由于偏振面沒有旋轉(zhuǎn)，所以仍然為線偏振光，但是對于偏離x軸的光線，隨著入射角θ的增大，線偏振光逐漸變?yōu)楸鈾E圓偏振光，且橢圓度隨入射角θ增大越來越大。對于改進后的偏振分色合色器件，不僅在x軸方向，而且即使入射角θ較大時偏振面基本上沒有旋轉(zhuǎn)，仍然保持線偏振光，具有很低的偏振像差。4結(jié)論提出了一種具有低偏振像差的偏振分色合色器件的設(shè)計方法，得到了分色合色短波通膜和長波通膜中的最小光線入射角為16°，用一個特殊濾波器作為初始結(jié)構(gòu)取代典型的短波通膜和長波通膜的初始結(jié)構(gòu)，得到了很低的偏振像差：短波通膜透射曲線的S、P偏振分離為1.9 nm，長波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm；短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差在整個工作波長420～680 nm為小于29°且大于-10°。 由于改進后的偏振分色合色器件偏振像差比常規(guī)器件顯著減小，因此不僅顯著提高了投影顯示的圖像亮度，而且改善了圖像清晰度和對比度。

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Fig.4Comparison of the S/P polarization phase difference between the long pass filter and the short pass filter

通常，短波通膜具有負的S、P偏振位相差，而長波通膜具有正的S、P偏振位相差，所以改進設(shè)計時要使短波通膜具有絕對值最小的負的S、P偏振位相差，長波通膜具有最小的正的S、P偏振位相差，使短波通膜和長波通膜的S、P偏振位相差相互抵消，得到短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差較大時會導致部分線偏振光變成扁橢圓偏振光，而S偏振光是不能參與成像的，因此扁橢圓偏振光中的S偏振分量同樣會導致光能量損失和產(chǎn)生雜散光。3討論從圖4可以看出，短波通膜和長波通膜的S、P偏振位相差的極值都出現(xiàn)在截止帶與透射帶的過渡區(qū)，而且極值的大小分別與短波通膜的S、P偏振分離和長波通膜的S、P偏振分離直接相關(guān)。究其原因，就是兩個偏振分量在截止帶與透射帶的過渡區(qū)的特征導納有很大的差異。這意味著，只要能有效地減小截止帶與透射帶過渡區(qū)的偏振分離至最小，就可得到最小的偏振位相差極值，即最小的合成S、P偏振位相差。

圖5是常規(guī)設(shè)計的偏振分色合色器件和改進設(shè)計的具有低偏振像差的偏振分色合色器件的偏振像差比較，利用瓊斯偏振光線追跡的方法可對偏振分合色器件的偏振像差進行計算。為了計算方便，假設(shè)各棱鏡之間的空氣隙平行，并以等角度間隔選取入射光線。對應(yīng)不同θ角的入射光線，有著不同的S偏振面方向，短波通膜和長波通膜對S、P偏振有著不同的透射曲線偏振分離和S、P偏振位相差。計算表明，對常規(guī)設(shè)計的偏振分色合色器件，雖然在x軸方向由于偏振面沒有旋轉(zhuǎn)，所以仍然為線偏振光，但是對于偏離x軸的光線，隨著入射角θ的增大，線偏振光逐漸變?yōu)楸鈾E圓偏振光，且橢圓度隨入射角θ增大越來越大。對于改進后的偏振分色合色器件，不僅在x軸方向，而且即使入射角θ較大時偏振面基本上沒有旋轉(zhuǎn)，仍然保持線偏振光，具有很低的偏振像差。4結(jié)論提出了一種具有低偏振像差的偏振分色合色器件的設(shè)計方法，得到了分色合色短波通膜和長波通膜中的最小光線入射角為16°，用一個特殊濾波器作為初始結(jié)構(gòu)取代典型的短波通膜和長波通膜的初始結(jié)構(gòu)，得到了很低的偏振像差：短波通膜透射曲線的S、P偏振分離為1.9 nm，長波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm；短波通膜和長波通膜合成的S、P偏振位相差在整個工作波長420～680 nm為小于29°且大于-10°。 由于改進后的偏振分色合色器件偏振像差比常規(guī)器件顯著減小，因此不僅顯著提高了投影顯示的圖像亮度，而且改善了圖像清晰度和對比度。

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