具有低偏振像差的偏振分色合色系统

艾曼灵+张梅骄+金波+郑臻荣+顾培夫

摘要： 提出了一种具有低偏振像差的偏振分色合色系统的设计方法。通过优化设计得到的结果为：短波通膜透射曲线的S、P偏振分离为1.9 nm，长波通膜透射曲线的S、P偏振分离为0.8 nm；短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差在整个工作波长420～680 nm为小于29°且大于-10°，相比常规的偏振分色合色系统，偏振像差得到了显著改善。

关键词： 光学投影显示； 光学薄膜； 偏振像差； 滤波器

中图分类号： O 484文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.009

引言当光束倾斜入射时，光学薄膜必然产生偏振效应，这种偏振效应同波前像差一样会降低光学系统的成像能力，故称偏振像差[12]。具有低偏振像差的偏振分色合色器件在硅基液晶（LCoS）投影显示中具有极其重要的应用，其与投影图像的显示亮度、分辨率、对比度，甚至色还原都密切相关[35]。偏振分色合色器件常由偏振器和分色合色器两大部分组成，偏振器常釆用宽角度宽波长的立方棱镜薄膜偏振分束器[67]，分色合色器采用Philips棱镜系统[89]。由于这种偏振分色合色器件的偏振像差较大，在高亮度和高清晰度的投影显示系统中已不敷应用，主要原因是：短波通膜和长波通膜透射曲线的S、P偏振分离太大，因而不仅导致一部分光能量损失，而且损失的那一部分光在器件内通过多次反射、折射后变成了杂散光，导致图像清晰度和对比度下降；短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差太大，使一部分光经过Philips棱镜系统分色合色后由线偏振光变成了椭圆偏振光，由于偏振分色合色器件的入射光是S线偏振光，调制后的信号光是P线偏振光，调制后的椭圆偏振光意味着S偏振成分将同样导致一部分光能量损失和引入杂散光。为了克服上述技术缺陷，设计了一种具有低偏振像差的偏振分色合色系统。首先推导了一个方程组以寻求光线在薄膜中可能的最小入射角，基于红、蓝、绿三路光在偏振分色合色系统中的等光程原理，重新设计了一个具有最小光线入射角的分色合色Philips棱镜系统和一个宽角度宽波长的梯形棱镜薄膜偏振分束器；然后设计了一组用于分色合色棱镜的短波通膜和长波通膜，获得了比现用短波通膜和长波通膜小得多的透射曲线S、P偏振分离以及短波通膜与长波通膜合成的S、P偏振位相差。这使器件获得了很低的偏振像差，从而在偏振转换过程中不仅提高了光能量利用率，而且改善了图像清晰度和对比度。1设计方法图1为常规设计的偏振分色合色系统光学示意图，它包括立方棱镜薄膜偏振分束器和Philips棱镜分色合色器。Philips棱镜分色合色器包括反红透蓝绿棱镜、反蓝透绿棱镜和透绿棱镜。在反红透蓝绿棱镜上镀短波通膜，使入射到短波通膜上的S偏振白光分为两路，其中一路反射S偏振红光，经全反射后入射到红光LCoS图像调制器；另一路透射S偏振蓝绿光并入射至长波通膜，使入射到长波通膜上的S偏振蓝、绿光再分为两路，其中一路反射S偏振蓝光，经全反射后入射到蓝光LCoS图像调制器，另一路透射S偏振绿光并入射至绿光LCoS图像调制器。S偏振的红、蓝、绿光分别经三个图像调制器调制后形成携带图像信息的P偏振光再各自沿原路返回形成全彩色合成，最后经偏振器检偏振后把彩色图像投射到屏幕上。光学仪器第36卷

第6期艾曼灵，等：具有低偏振像差的偏振分色合色系统

图1所示的常规偏振分色合色系统由于光线在短波通和长波通膜中的入射角一般为30°左右，即2θ0可达60°，所以必然导致较大的偏振像差。为降低分色合色薄膜的偏振像差，首先必须尽可能减小光线在分色合色薄膜上的光线入射角。根据对图1所述的器件工作原理和图2所示的器件设计参数，要使偏振分色合色器件满足红、蓝、绿三光路在Philips棱镜中等光程正常工作，经过公式推导必须满足以下条件，即3=90°-θ

12=22≥arcsin-11n+arcsin-1NA由此可得θ>13arcsin-11n+arcsin-1NA（1）式（1）中，θ为棱镜中光线入射到短波通膜和长波通膜的入射角，n为棱镜的折射率，NA为数值孔径。1、2、3、4、12和22的意义如图2所示。对n=1.516的K9玻璃棱镜和数值孔径NA=1/7（即F数=3.5）的入射光，可求得最小的θ=16°，即2θ=32°，并得到关系式2θ=21=22和3=74°，这些结果在图1所示的常规设计中是无法得到的。进而，在确定分色合色器件各棱镜角度和分色合色膜中光线入射角的基础上，立方棱镜薄膜偏振分束器需随之修改为梯形棱镜薄膜偏振分束器，即图2中4应取29°。最后，通过用一个厚度可调谐的特殊滤波器G（HLH2L2H2LHLHL）2A作为初始结构，同时代替常规设计中的短波通膜G（0.5LH0.5L）12A和长波通膜G（0.5HL0.5H）12A的初始结构对短波通膜和长波通膜进行优化设计，进一步降低短波通膜和长波通膜透射曲线的S、P偏振分离以及进一步减小短波通膜与长波通膜的合成S、P偏振位相差，这里G、H、L、A均分别为K9玻璃、二氧化钛（TiO2）、二氧化硅（SiO2）和空气。这种特殊滤波器的初始结构有一个奇异的特性[10]：在反射带的短波侧或长波侧，某些干涉级次的反射透射过渡区具有很小的S、P偏振分离，而另一些干涉级次的反射透射过渡区具有很大的S、P偏振分离，这一特性的发现，对减小或增大偏振分离的设计具有重要的应用。

从上可知，为了减小Philips棱镜分色合色器的偏振像差，从设计出发，首先必须减小光在分色合色膜上的入射角，为此必须修改薄膜偏振分束器和Philips棱镜的结构，使光在分色合色膜上的入射角从大约30°减小到16°，这是设计的关键技术之一；其次，分色合色膜的初始结构需用G（HLH2L2H2LHLHL）2A代替常规设计的短波通膜系G（0.5LH0.5L）12A或长波通膜系G（0.5HL0.5H）12A，然后用商用TFCal设计软件优化，就可获得低的S、P偏振分离和低的偏振像差，这是另一个设计的关键技术。设计表明，只要能设计出很小的偏振分离，就可获得很低的偏振像差。2设计结果图3是偏振分色合色器件短波通膜和长波通膜改进前后的S、P偏振光的透射曲线偏振分离比较，计算波长为投影机使用波长420～680 nm。其中图3（a）中透射曲线1和2分别为经过优化的常规短波通膜的S、P偏振分离，初始结构采用典型的短波通膜G（0.5LH0.5L）12A；透射曲线3和4分别为经过优化的常规长波通膜的S、P偏振分离，初始结构采用典型的长波通膜G（0.5HL0.5H）12A。这些膜系中G、H、L、A分别为K9玻璃、二氧化钛（TiO2）、二氧化硅（SiO2）和空气。图3（b）中透射曲线1′和2′分别为经过优化的新短波通膜的S、P偏振分离，透射曲线3′和4′分别为经过优化的新长波通膜的S、P偏振分离，短波通膜和长波通膜的初始结构都选用一个特殊的滤波器结构G（HLH2L2H2LHLHL）2A，其中G、H、L、A仍然分别为K9玻璃、二氧化钛（TiO2）、二氧化硅（SiO2）和空气。设TiO2 的折射率为2.34，SiO2的折射率为1.46，中心波长为680 nm，短波通膜共由23层膜构成，长波通膜共由34层膜构成。由图3（a）可以看出，常规设计短波通膜透射曲线的S、P偏振分离为11.1 nm；常规设计长波通膜透射曲线的S、P偏振分离为12 nm。图3（b）中改进设计短波通膜透射曲线的S、P偏振分离为1.9 nm；改进设计长波通膜透射曲线的S、P偏振分离为0.8 nm。显然，改进设计的短波通膜和长波通膜透射曲线的S、P偏振分离远远小于常规设计的S、P偏振分离。由于偏振分色合色器件总的透射率为S、P偏振能量的乘积，这意味着S、P偏振之间的波长分离区域的光能量会无法利用而被损失，因此经改进后的器件可以大大提高光能利用率而显著提高投影显示亮度。更有甚者，S、P偏振分离造成的光能损失在器件内会形成大量杂散光，因此还可显著改善图像清晰度和对比度。图4是常规设计和改进设计的短波通膜和长波通膜的S、P偏振位相差比较。其中，图4（a）为常规设计短波通膜和长波通膜的S、P偏振位相差；图4（b）为改进设计短波通膜和长波通膜的S、P偏振位相差。从图4（a）中常规设计短波通膜的S、P偏振位相差曲线5和长波通膜的S、P偏振位相差曲线6以及短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差曲线7可以看出，常规设计短波通膜在波长590 nm的S、P偏振位相差达到-91°，常规设计长波通膜在波长500 nm的S、P偏振位相差达到107°，导致短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差有二个极值：在波长500 nm为87°，而在波长600 nm为-63°。从图4（b）中改进设计短波通膜的S、P偏振位相差曲线5′和长波通膜的S、P偏振位相差曲线6′以及短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差曲线7′可以看出，改进设计的短波通膜在波长600 nm的S、P偏振位相差为-14°，改进设计的长波通膜在波长495 nm的S、P偏振位相差为32°，短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差的二个极值为：在波长495 nm为29°，而在波长600 nm为-10°。相比常规设计的短波通膜和长波通膜，合成的S、P偏振位相差显著减小。图4短波通和长波通的S、P偏振位相差比较

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

通常，短波通膜具有负的S、P偏振位相差，而长波通膜具有正的S、P偏振位相差，所以改进设计时要使短波通膜具有绝对值最小的负的S、P偏振位相差，长波通膜具有最小的正的S、P偏振位相差，使短波通膜和长波通膜的S、P偏振位相差相互抵消，得到短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差较大时会导致部分线偏振光变成扁椭圆偏振光，而S偏振光是不能参与成像的，因此扁椭圆偏振光中的S偏振分量同样会导致光能量损失和产生杂散光。3讨论从图4可以看出，短波通膜和长波通膜的S、P偏振位相差的极值都出现在截止带与透射带的过渡区，而且极值的大小分别与短波通膜的S、P偏振分离和长波通膜的S、P偏振分离直接相关。究其原因，就是两个偏振分量在截止带与透射带的过渡区的特征导纳有很大的差异。这意味着，只要能有效地减小截止带与透射带过渡区的偏振分离至最小，就可得到最小的偏振位相差极值，即最小的合成S、P偏振位相差。

图5是常规设计的偏振分色合色器件和改进设计的具有低偏振像差的偏振分色合色器件的偏振像差比较，利用琼斯偏振光线追迹的方法可对偏振分合色器件的偏振像差进行计算。为了计算方便，假设各棱镜之间的空气隙平行，并以等角度间隔选取入射光线。对应不同θ角的入射光线，有着不同的S偏振面方向，短波通膜和长波通膜对S、P偏振有着不同的透射曲线偏振分离和S、P偏振位相差。计算表明，对常规设计的偏振分色合色器件，虽然在x轴方向由于偏振面没有旋转，所以仍然为线偏振光，但是对于偏离x轴的光线，随着入射角θ的增大，线偏振光逐渐变为扁椭圆偏振光，且椭圆度随入射角θ增大越来越大。对于改进后的偏振分色合色器件，不仅在x轴方向，而且即使入射角θ较大时偏振面基本上没有旋转，仍然保持线偏振光，具有很低的偏振像差。4结论提出了一种具有低偏振像差的偏振分色合色器件的设计方法，得到了分色合色短波通膜和长波通膜中的最小光线入射角为16°，用一个特殊滤波器作为初始结构取代典型的短波通膜和长波通膜的初始结构，得到了很低的偏振像差：短波通膜透射曲线的S、P偏振分离为1.9 nm，长波通膜透射曲线的S、P偏振分离为0.8 nm；短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差在整个工作波长420～680 nm为小于29°且大于-10°。 由于改进后的偏振分色合色器件偏振像差比常规器件显著减小，因此不仅显著提高了投影显示的图像亮度，而且改善了图像清晰度和对比度。

参考文献：

[1]BRUEGGE T J.Analysis of Polarization effects in optical systems[J].SPIE，1989，1166：165176.

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[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月光学仪器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，短波通膜具有负的S、P偏振位相差，而长波通膜具有正的S、P偏振位相差，所以改进设计时要使短波通膜具有绝对值最小的负的S、P偏振位相差，长波通膜具有最小的正的S、P偏振位相差，使短波通膜和长波通膜的S、P偏振位相差相互抵消，得到短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差较大时会导致部分线偏振光变成扁椭圆偏振光，而S偏振光是不能参与成像的，因此扁椭圆偏振光中的S偏振分量同样会导致光能量损失和产生杂散光。3讨论从图4可以看出，短波通膜和长波通膜的S、P偏振位相差的极值都出现在截止带与透射带的过渡区，而且极值的大小分别与短波通膜的S、P偏振分离和长波通膜的S、P偏振分离直接相关。究其原因，就是两个偏振分量在截止带与透射带的过渡区的特征导纳有很大的差异。这意味着，只要能有效地减小截止带与透射带过渡区的偏振分离至最小，就可得到最小的偏振位相差极值，即最小的合成S、P偏振位相差。

图5是常规设计的偏振分色合色器件和改进设计的具有低偏振像差的偏振分色合色器件的偏振像差比较，利用琼斯偏振光线追迹的方法可对偏振分合色器件的偏振像差进行计算。为了计算方便，假设各棱镜之间的空气隙平行，并以等角度间隔选取入射光线。对应不同θ角的入射光线，有着不同的S偏振面方向，短波通膜和长波通膜对S、P偏振有着不同的透射曲线偏振分离和S、P偏振位相差。计算表明，对常规设计的偏振分色合色器件，虽然在x轴方向由于偏振面没有旋转，所以仍然为线偏振光，但是对于偏离x轴的光线，随着入射角θ的增大，线偏振光逐渐变为扁椭圆偏振光，且椭圆度随入射角θ增大越来越大。对于改进后的偏振分色合色器件，不仅在x轴方向，而且即使入射角θ较大时偏振面基本上没有旋转，仍然保持线偏振光，具有很低的偏振像差。4结论提出了一种具有低偏振像差的偏振分色合色器件的设计方法，得到了分色合色短波通膜和长波通膜中的最小光线入射角为16°，用一个特殊滤波器作为初始结构取代典型的短波通膜和长波通膜的初始结构，得到了很低的偏振像差：短波通膜透射曲线的S、P偏振分离为1.9 nm，长波通膜透射曲线的S、P偏振分离为0.8 nm；短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差在整个工作波长420～680 nm为小于29°且大于-10°。 由于改进后的偏振分色合色器件偏振像差比常规器件显著减小，因此不仅显著提高了投影显示的图像亮度，而且改善了图像清晰度和对比度。

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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，短波通膜具有负的S、P偏振位相差，而长波通膜具有正的S、P偏振位相差，所以改进设计时要使短波通膜具有绝对值最小的负的S、P偏振位相差，长波通膜具有最小的正的S、P偏振位相差，使短波通膜和长波通膜的S、P偏振位相差相互抵消，得到短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差较大时会导致部分线偏振光变成扁椭圆偏振光，而S偏振光是不能参与成像的，因此扁椭圆偏振光中的S偏振分量同样会导致光能量损失和产生杂散光。3讨论从图4可以看出，短波通膜和长波通膜的S、P偏振位相差的极值都出现在截止带与透射带的过渡区，而且极值的大小分别与短波通膜的S、P偏振分离和长波通膜的S、P偏振分离直接相关。究其原因，就是两个偏振分量在截止带与透射带的过渡区的特征导纳有很大的差异。这意味着，只要能有效地减小截止带与透射带过渡区的偏振分离至最小，就可得到最小的偏振位相差极值，即最小的合成S、P偏振位相差。

图5是常规设计的偏振分色合色器件和改进设计的具有低偏振像差的偏振分色合色器件的偏振像差比较，利用琼斯偏振光线追迹的方法可对偏振分合色器件的偏振像差进行计算。为了计算方便，假设各棱镜之间的空气隙平行，并以等角度间隔选取入射光线。对应不同θ角的入射光线，有着不同的S偏振面方向，短波通膜和长波通膜对S、P偏振有着不同的透射曲线偏振分离和S、P偏振位相差。计算表明，对常规设计的偏振分色合色器件，虽然在x轴方向由于偏振面没有旋转，所以仍然为线偏振光，但是对于偏离x轴的光线，随着入射角θ的增大，线偏振光逐渐变为扁椭圆偏振光，且椭圆度随入射角θ增大越来越大。对于改进后的偏振分色合色器件，不仅在x轴方向，而且即使入射角θ较大时偏振面基本上没有旋转，仍然保持线偏振光，具有很低的偏振像差。4结论提出了一种具有低偏振像差的偏振分色合色器件的设计方法，得到了分色合色短波通膜和长波通膜中的最小光线入射角为16°，用一个特殊滤波器作为初始结构取代典型的短波通膜和长波通膜的初始结构，得到了很低的偏振像差：短波通膜透射曲线的S、P偏振分离为1.9 nm，长波通膜透射曲线的S、P偏振分离为0.8 nm；短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差在整个工作波长420～680 nm为小于29°且大于-10°。 由于改进后的偏振分色合色器件偏振像差比常规器件显著减小，因此不仅显著提高了投影显示的图像亮度，而且改善了图像清晰度和对比度。

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