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(jì)方法。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(zhǎng)波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm;短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差在整個(gè)工作波長(zhǎng)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(xué)投影顯示; 光學(xué)薄膜; 偏振像差; 濾波器
中圖分類(lèi)號(hào): O 484文獻(xiàn)標(biāo)志碼: Adoi: 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.009
引言當(dāng)光束傾斜入射時(shí),光學(xué)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(huì)降低光學(xué)系統(tǒng)的成像能力,故稱(chēng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)波通膜透射曲線的S、P偏振分離太大,因而不僅導(dǎo)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(guò)多次反射、折射后變成了雜散光,導(dǎo)致圖像清晰度和對(duì)比度下降;短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差太大,使一部分光經(jīng)過(guò)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(hào)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(dǎo)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(jì)了一種具有低偏振像差的偏振分色合色系統(tǒng)。首先推導(dǎo)了一個(gè)方程組以尋求光線在薄膜中可能的最小入射角,基于紅、藍(lán)、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(jì)了一個(gè)具有最小光線入射角的分色合色Philips棱鏡系統(tǒng)和一個(gè)寬角度寬波長(zhǎng)的梯形棱鏡薄膜偏振分束器;然后設(shè)計(jì)了一組用于分色合色棱鏡的短波通膜和長(zhǎng)波通膜,獲得了比現(xiàn)用短波通膜和長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(duì)比度。1設(shè)計(jì)方法圖1為常規(guī)設(shè)計(jì)的偏振分色合色系統(tǒng)光學(xué)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(lán)綠棱鏡、反藍(lán)透綠棱鏡和透綠棱鏡。在反紅透藍(lán)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(lán)綠光并入射至長(zhǎng)波通膜,使入射到長(zhǎng)波通膜上的S偏振藍(lán)、綠光再分為兩路,其中一路反射S偏振藍(lán)光,經(jīng)全反射后入射到藍(lán)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(lán)、綠光分別經(jīng)三個(gè)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(xué)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(zhǎng)波通膜中的入射角一般為30°左右,即2θ0可達(dá)60°,所以必然導(dǎo)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(duì)圖1所述的器件工作原理和圖2所示的器件設(shè)計(jì)參數(shù),要使偏振分色合色器件滿足紅、藍(lán)、綠三光路在Philips棱鏡中等光程正常工作,經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)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(zhǎng)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(duì)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(jì)中是無(wú)法得到的。進(jìn)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(guò)用一個(gè)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(shí)代替常規(guī)設(shè)計(jì)中的短波通膜G(0.5LH0.5L)12A和長(zhǎng)波通膜G(0.5HL0.5H)12A的初始結(jié)構(gòu)對(duì)短波通膜和長(zhǎng)波通膜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)一步降低短波通膜和長(zhǎng)波通膜透射曲線的S、P偏振分離以及進(jìn)一步減小短波通膜與長(zhǎng)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(gè)奇異的特性[10]:在反射帶的短波側(cè)或長(zhǎng)波側(cè),某些干涉級(jí)次的反射透射過(guò)渡區(qū)具有很小的S、P偏振分離,而另一些干涉級(jí)次的反射透射過(guò)渡區(qū)具有很大的S、P偏振分離,這一特性的發(fā)現(xiàn),對(duì)減小或增大偏振分離的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)的短波通膜系G(0.5LH0.5L)12A或長(zhǎng)波通膜系G(0.5HL0.5H)12A,然后用商用TFCal設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)表明,只要能設(shè)計(jì)出很小的偏振分離,就可獲得很低的偏振像差。2設(shè)計(jì)結(jié)果圖3是偏振分色合色器件短波通膜和長(zhǎng)波通膜改進(jìn)前后的S、P偏振光的透射曲線偏振分離比較,計(jì)算波長(zhǎng)為投影機(jī)使用波長(zhǎng)420~680 nm。其中圖3(a)中透射曲線1和2分別為經(jīng)過(guò)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(guò)優(yōu)化的常規(guī)長(zhǎng)波通膜的S、P偏振分離,初始結(jié)構(gòu)采用典型的長(zhǎng)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(guò)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(guò)優(yōu)化的新長(zhǎng)波通膜的S、P偏振分離,短波通膜和長(zhǎng)波通膜的初始結(jié)構(gòu)都選用一個(gè)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(zhǎng)為680 nm,短波通膜共由23層膜構(gòu)成,長(zhǎng)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(jì)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(jì)長(zhǎng)波通膜透射曲線的S、P偏振分離為12 nm。圖3(b)中改進(jìn)設(shè)計(jì)短波通膜透射曲線的S、P偏振分離為1.9 nm;改進(jìn)設(shè)計(jì)長(zhǎng)波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm。顯然,改進(jìn)設(shè)計(jì)的短波通膜和長(zhǎng)波通膜透射曲線的S、P偏振分離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)設(shè)計(jì)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(zhǎng)分離區(qū)域的光能量會(huì)無(wú)法利用而被損失,因此經(jīng)改進(jìn)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(huì)形成大量雜散光,因此還可顯著改善圖像清晰度和對(duì)比度。圖4是常規(guī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的短波通膜和長(zhǎng)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(jì)短波通膜和長(zhǎng)波通膜的S、P偏振位相差;圖4(b)為改進(jìn)設(shè)計(jì)短波通膜和長(zhǎng)波通膜的S、P偏振位相差。從圖4(a)中常規(guī)設(shè)計(jì)短波通膜的S、P偏振位相差曲線5和長(zhǎng)波通膜的S、P偏振位相差曲線6以及短波通膜和長(zhǎng)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(jì)短波通膜在波長(zhǎng)590 nm的S、P偏振位相差達(dá)到-91°,常規(guī)設(shè)計(jì)長(zhǎng)波通膜在波長(zhǎng)500 nm的S、P偏振位相差達(dá)到107°,導(dǎo)致短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差有二個(gè)極值:在波長(zhǎng)500 nm為87°,而在波長(zhǎng)600 nm為-63°。從圖4(b)中改進(jìn)設(shè)計(jì)短波通膜的S、P偏振位相差曲線5′和長(zhǎng)波通膜的S、P偏振位相差曲線6′以及短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差曲線7′可以看出,改進(jìn)設(shè)計(jì)的短波通膜在波長(zhǎng)600 nm的S、P偏振位相差為-14°,改進(jìn)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)波通膜在波長(zhǎng)495 nm的S、P偏振位相差為32°,短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差的二個(gè)極值為:在波長(zhǎng)495 nm為29°,而在波長(zhǎng)600 nm為-10°。相比常規(guī)設(shè)計(jì)的短波通膜和長(zhǎng)波通膜,合成的S、P偏振位相差顯著減小。圖4短波通和長(zhǎng)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(fù)的S、P偏振位相差,而長(zhǎng)波通膜具有正的S、P偏振位相差,所以改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)要使短波通膜具有絕對(duì)值最小的負(fù)的S、P偏振位相差,長(zhǎng)波通膜具有最小的正的S、P偏振位相差,使短波通膜和長(zhǎng)波通膜的S、P偏振位相差相互抵消,得到短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差較大時(shí)會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)波通膜的S、P偏振分離直接相關(guān)。究其原因,就是兩個(gè)偏振分量在截止帶與透射帶的過(guò)渡區(qū)的特征導(dǎo)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(guò)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(jì)的偏振分色合色器件和改進(jìn)設(shè)計(jì)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(duì)偏振分合色器件的偏振像差進(jìn)行計(jì)算。為了計(jì)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(duì)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(zhǎng)波通膜對(duì)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(jì)算表明,對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)的偏振分色合色器件,雖然在x軸方向由于偏振面沒(méi)有旋轉(zhuǎn),所以仍然為線偏振光,但是對(duì)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(lái)越大。對(duì)于改進(jìn)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(shí)偏振面基本上沒(méi)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(jì)方法,得到了分色合色短波通膜和長(zhǎng)波通膜中的最小光線入射角為16°,用一個(gè)特殊濾波器作為初始結(jié)構(gòu)取代典型的短波通膜和長(zhǎng)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(zhǎng)波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm;短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差在整個(gè)工作波長(zhǎng)420~680 nm為小于29°且大于-10°。 由于改進(jìn)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(duì)比度。
參考文獻(xiàn):
[1]BRUEGGE T J.Analysis of Polarization effects in optical systems[J].SPIE,1989,1166:165176.
[2]陳衛(wèi)斌,顧培夫,鄭臻榮.投影光學(xué)系統(tǒng)中的偏振像差分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(5):696700.
[3]SHARP G,ROBINSON M,CHEN J M,et al.LCoS projection color management using retarder stack technology[J].Displays,2002,23(3):139144.
[4]KIKUCHI H,TAKIZAWA K.Liquid crystal light valve technologies for display applications[J].SPIE,2001,4457:122136.
[5]CHEN W B,GU P F.Design of nonpolarizing color splitting filters used for projection display system[J].Displays,2005,26(2):6570.
[6]LI H L,HUANG H C,KWOK H S.Broadband,largeacceptanceangle polarizing beam splitters for reflective LCD projectors[J].SPIE,2000,3954:186196.
[7]CHEN W B,ZHEN Z R,GU P F,et al.Performance measurement of broadband,wideangle polarizing beam splitter[J].Journal of Zhejiang University Science,2007,8(2):173179.
[8]LI L,DOBROWOLSKI J A,SULLIVAN B T,et al.Novel thin film polarizing beamsplitter and its application in high efficiency projection displays[J].SPIE,1999,3634:5262.
[9]KWOK H S,CHEN P W,HUANG H C,et al.Trichroic prism assembly for separating and recombining colors in a compact projection display[J].Applied Optics,2000,39(1):168172.
[10]GU P F,ZHENG Z R.Design of nonpolarizing thin film edge filters[J].Journal of Zhejiang University Science,2006,7(6):10371040.第36卷第6期2014年12月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.6December, 2014
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(fù)的S、P偏振位相差,而長(zhǎng)波通膜具有正的S、P偏振位相差,所以改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)要使短波通膜具有絕對(duì)值最小的負(fù)的S、P偏振位相差,長(zhǎng)波通膜具有最小的正的S、P偏振位相差,使短波通膜和長(zhǎng)波通膜的S、P偏振位相差相互抵消,得到短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差較大時(shí)會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)波通膜的S、P偏振分離直接相關(guān)。究其原因,就是兩個(gè)偏振分量在截止帶與透射帶的過(guò)渡區(qū)的特征導(dǎo)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(guò)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(jì)的偏振分色合色器件和改進(jìn)設(shè)計(jì)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(duì)偏振分合色器件的偏振像差進(jìn)行計(jì)算。為了計(jì)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(duì)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(zhǎng)波通膜對(duì)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(jì)算表明,對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)的偏振分色合色器件,雖然在x軸方向由于偏振面沒(méi)有旋轉(zhuǎn),所以仍然為線偏振光,但是對(duì)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(lái)越大。對(duì)于改進(jìn)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(shí)偏振面基本上沒(méi)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(jì)方法,得到了分色合色短波通膜和長(zhǎng)波通膜中的最小光線入射角為16°,用一個(gè)特殊濾波器作為初始結(jié)構(gòu)取代典型的短波通膜和長(zhǎng)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(zhǎng)波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm;短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差在整個(gè)工作波長(zhǎng)420~680 nm為小于29°且大于-10°。 由于改進(jìn)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(duì)比度。
參考文獻(xiàn):
[1]BRUEGGE T J.Analysis of Polarization effects in optical systems[J].SPIE,1989,1166:165176.
[2]陳衛(wèi)斌,顧培夫,鄭臻榮.投影光學(xué)系統(tǒng)中的偏振像差分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(5):696700.
[3]SHARP G,ROBINSON M,CHEN J M,et al.LCoS projection color management using retarder stack technology[J].Displays,2002,23(3):139144.
[4]KIKUCHI H,TAKIZAWA K.Liquid crystal light valve technologies for display applications[J].SPIE,2001,4457:122136.
[5]CHEN W B,GU P F.Design of nonpolarizing color splitting filters used for projection display system[J].Displays,2005,26(2):6570.
[6]LI H L,HUANG H C,KWOK H S.Broadband,largeacceptanceangle polarizing beam splitters for reflective LCD projectors[J].SPIE,2000,3954:186196.
[7]CHEN W B,ZHEN Z R,GU P F,et al.Performance measurement of broadband,wideangle polarizing beam splitter[J].Journal of Zhejiang University Science,2007,8(2):173179.
[8]LI L,DOBROWOLSKI J A,SULLIVAN B T,et al.Novel thin film polarizing beamsplitter and its application in high efficiency projection displays[J].SPIE,1999,3634:5262.
[9]KWOK H S,CHEN P W,HUANG H C,et al.Trichroic prism assembly for separating and recombining colors in a compact projection display[J].Applied Optics,2000,39(1):168172.
[10]GU P F,ZHENG Z R.Design of nonpolarizing thin film edge filters[J].Journal of Zhejiang University Science,2006,7(6):10371040.第36卷第6期2014年12月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.6December, 2014
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(fù)的S、P偏振位相差,而長(zhǎng)波通膜具有正的S、P偏振位相差,所以改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)要使短波通膜具有絕對(duì)值最小的負(fù)的S、P偏振位相差,長(zhǎng)波通膜具有最小的正的S、P偏振位相差,使短波通膜和長(zhǎng)波通膜的S、P偏振位相差相互抵消,得到短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差較大時(shí)會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)波通膜的S、P偏振分離直接相關(guān)。究其原因,就是兩個(gè)偏振分量在截止帶與透射帶的過(guò)渡區(qū)的特征導(dǎo)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(guò)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(jì)的偏振分色合色器件和改進(jìn)設(shè)計(jì)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(duì)偏振分合色器件的偏振像差進(jìn)行計(jì)算。為了計(jì)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(duì)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(zhǎng)波通膜對(duì)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(jì)算表明,對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)的偏振分色合色器件,雖然在x軸方向由于偏振面沒(méi)有旋轉(zhuǎn),所以仍然為線偏振光,但是對(duì)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(lái)越大。對(duì)于改進(jìn)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(shí)偏振面基本上沒(méi)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(jì)方法,得到了分色合色短波通膜和長(zhǎng)波通膜中的最小光線入射角為16°,用一個(gè)特殊濾波器作為初始結(jié)構(gòu)取代典型的短波通膜和長(zhǎng)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(zhǎng)波通膜透射曲線的S、P偏振分離為0.8 nm;短波通膜和長(zhǎng)波通膜合成的S、P偏振位相差在整個(gè)工作波長(zhǎng)420~680 nm為小于29°且大于-10°。 由于改進(jìn)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(duì)比度。
參考文獻(xiàn):
[1]BRUEGGE T J.Analysis of Polarization effects in optical systems[J].SPIE,1989,1166:165176.
[2]陳衛(wèi)斌,顧培夫,鄭臻榮.投影光學(xué)系統(tǒng)中的偏振像差分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(5):696700.
[3]SHARP G,ROBINSON M,CHEN J M,et al.LCoS projection color management using retarder stack technology[J].Displays,2002,23(3):139144.
[4]KIKUCHI H,TAKIZAWA K.Liquid crystal light valve technologies for display applications[J].SPIE,2001,4457:122136.
[5]CHEN W B,GU P F.Design of nonpolarizing color splitting filters used for projection display system[J].Displays,2005,26(2):6570.
[6]LI H L,HUANG H C,KWOK H S.Broadband,largeacceptanceangle polarizing beam splitters for reflective LCD projectors[J].SPIE,2000,3954:186196.
[7]CHEN W B,ZHEN Z R,GU P F,et al.Performance measurement of broadband,wideangle polarizing beam splitter[J].Journal of Zhejiang University Science,2007,8(2):173179.
[8]LI L,DOBROWOLSKI J A,SULLIVAN B T,et al.Novel thin film polarizing beamsplitter and its application in high efficiency projection displays[J].SPIE,1999,3634:5262.
[9]KWOK H S,CHEN P W,HUANG H C,et al.Trichroic prism assembly for separating and recombining colors in a compact projection display[J].Applied Optics,2000,39(1):168172.
[10]GU P F,ZHENG Z R.Design of nonpolarizing thin film edge filters[J].Journal of Zhejiang University Science,2006,7(6):10371040.第36卷第6期2014年12月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.6December, 2014