（光学工程专业论文）投影显示系统偏振分析及偏振器件研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 y 6 8 9 1 2 ! 摘要 本论文的研究工作主要围绕液晶投影显示系统的偏振分析和偏振器件开发 展开。 显示技术的发展方向 是大屏幕和高分辨率。 液晶 大屏幕投影显示系统具有 高效率， 高亮度， 低成本的特点， 因而得到广泛的应用。 偏振系统和偏振转换系 统是液晶大屏幕投影显示系统最为重要的部件之一， 它跟液晶投影显示的光能利 用率和对比度密切相关。 论文分析了 液晶大屏幕投影显示系统的 偏振特性。 设计和制作了应用于液晶 投影显示的p b s阵列和宽波段宽角度偏振分光膜，设计了 用于投影显示的消偏 振分色合色滤光片。 论文首先对投影光学系统中的偏振像差进行分析。 我们利用琼斯矩阵偏振光 线追迹的方法， 分析了 投影光学系统中由于两偏振分量位相差引起的偏振像差， 以及它与暗态泄漏光强和系统对比度的关系。 得出了系统出 射面上的光波偏振特 性， 以 及在不同大小孔径角的照明光束入射下偏振像差的变化。 分析了 膜厚监控 误差对光学系统偏振像差的影响， 发现膜厚监控误差对偏振像差和系统对比 度有 很大的影响。 为了 提高光能利用率、得到均匀的光学照明，我们设计和制作了p b s阵列 偏振转换系统。 为了提高投影光学系统的对比度， 设计和制备了宽波段宽角度的 偏振分光薄膜。设计采用三种膜料， 膜系采用计算机优化。 对于f 1 2 . 8 的照明光 束， 在s f 5 7 棱 镜 上 ， p 一 偏振 光的 平 均 透 过 率为9 3 % , s ， 偏 振 光的 平 均透 过率为 0 . 0 9 5 %. 为了减少投影显示系统的杂散光， 提高光能利用率， 设计了偏振分离几乎为 零的消偏振分色合色滤光片。 采用宽带法布里一 拍罗薄膜千涉滤光片中心波长两 侧的 干涉带作为长波通或短波通截止滤光片，可 实现5 一 和a 一 偏振分量的分离几 乎为零。采用这种方法，得到长波通和短波通分色滤光片的偏振分离为 0 . 1 6 n m 和 0 . 1 n m o 关键词:偏振分析:偏振分光镜;消偏振设计;投影显示 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e r e s e a r c h o f t h is d i s s e rt a t i o n f o c u s e s o n p o l a r i z a t i o n a n a ly s i s o f p r o j e c t i o n d i s p l a y s y s t e m a n d d e v e l o p m e n t o f p o l a r i z in g e l e m e n t . t h e d e v e l o p m e n t o f d i s p l a y t e c h n o l o g y w i l l b e l a r g e s c r e e n a n d h i g h r e s o l u t i o n . d u e t o it s h i g h e ff i c i e n c y , h i g h o u t p u tt i n g l u m i n a n c e a n d l o w c o s t , l iq u i d c r y s t a l p r o j e c t i o n d i s p l a y s y s t e m i s w i d e l y u s e d n o w a d a y s . p o l a r i z a t i o n c o n v e r s i o n s y s t e m i s a n i m p o r t a n t c o m p o n e n t o f p r o j e c t io n d i s p l a y s y s t e m , a n d i t i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e l i g h t u s a g e a n d c o n t r a s t o f p r o j e c t o r s . t h e d i s s e rt a t i o n g i v e s o f p r o j e c t i o n d i s p l a y f a b r i c a t e d w h i c h h a s a s p l i tt i n g f i l t e r s w h i c h s y s t e m. t h e d e t a i l a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n o f t h e p o l a r i z a t i o n a b e r r a t i o n s y s t e m . b r o a d b a n d , w i d e - a n g l e p o l a r i z a t i o n b e a m s p l i t t e r i s l a r g e a c c e p t a n c e . s u b s e q u e n t l y , w e d e s i g n n o n p o l a r i z i n g c o l o r c a n g r e a t l y i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f p r o j e c t i o n d i s p l a y f i r s t l y , p o l a r i z a t i o n a b e r r a t i o n i n p r o j e c t i o n d i s p l a y s y s t e m i s a n a l y z e d i n d e t a i l . p o l a r i z a t i o n a b e r r a t i o n i s c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e t h e o r y o f j o n e s p o l a r i z a t i o n r a y t r a c i n g . t h e d a r k - s t a t e o u t p u t a n d e x t i n c t i o n r a t i o o f s y s t e m a r e a l s o c a l c u l a t e d . f u rt h e r m o r e , t h e c h a r a c t e r i s t i c o f p o l a r i z e d l i g h t o n t h e e x i t p u p i l i s g i v e n o u t , a n d t h e v a r i a t i o n o f p o l a r i z a t i o n a b e r r a t i o n a t d i f f e r e n t f / # i l l u m i n a t i o n l i g h t i s a n a l y z e d . a t l a s t , t h e in fl u e n c e o f m o n i t o r i n g e r r o r s o f t h i n fi l m o n t h e p o la r i z a t i o n a b e r r a t i o n i s a n a l y z e d . f r o m t h e s e d a t a , it i s c o n c l u d e t h a t t h e m o n it o r i n g e r r o r s h a v e g r e a t i m p a c t o n t h e p o l a r i z a t i o n a b e r r a t i o n a n d c o n t r a s t o f t h e s y s t e m . t h e a n a l y s i s m e t h o d c a n a l s o b e a p p l i e d t o o t h e r l a r g e a p e r tu r e o p t i c a l s y s t e m s i n o r d e r t o i n c r e a s e t h e u s a g e o f l i g h t e n e r g y a n d i m p r o v e t h e e q u a l i t y o f i l l u m i n a t i o n o n t h e s c r e e n , w e d e s i g n a n d f a b r i c a t e t h e p o l a r i z i n g b e a m s p l i t t e r a r r a y . i n o r d e r t o i m p r o v e t h e c o n t r as t o f p r o j e c t i o n d i s p l a y s y s t e m , w e d e s i g n a n d f a b r i c a t e a b r o a d b a n d , w i d e - a n g l e p o l a r i z i n g b e a m , s p l i tt e r w h i c h h as a l a r g e a c c e p t a n c e . t h e d e s i g n w as b as e d o n c o m p u t e r a i d e d d e s i g n m e t h o d . t h e a v e r a g e t r a n s m i t t a n c e o f p - p o l a r i z a t i o n i s l a r g e r t h a n 9 3 %, a n d t h e a v e r a g e t r a n s m i tt a n c e o f s - p o l a r i z a t i o n i s 0 . 0 9 5 %. i n o r d e r t o r e d u c e s t r a y l i g h t a n d d a r k - s t a t e o u t p u t , i t i s n e c e s s a r y t o d e i g n 1 1 浙江大学硕士 学位论文 n o n p o l a r i z i n g t h i n f i l m e d g e f i l t e r s f o r c o l o r s e p a r a t i o n a n d c o l o r r e c o m b i n a t i o n i n p r o j e c t i o n d i s p l a y s y s t e m . t h e n o v e l d e s i g n m e t h o d i s b a s e d o n a b r o a d - b a n d f a b r y - p e r o t t h i n f i l m i n t e r f e r e n c e f i l t e r i n w h i c h b o t h s i d e s o f t r a n s m i tt a n c e b a n d c a n b e u s e d a s i n it i a l d e s i g n s o f l o n g - w a v e - p a s s f i l t e r o r s h o r t - w a v e - p a s s f i l t e r , a n d t h r o u g h s u i t a b l e r e f i n e m e n t i t i s p o s s i b l e t o a c h i e v e z e r o s e p a r a t i o n b e t w e e n t w o p o l a r i z a t i o n c o m p o n e n t s . t h e s p e c t r a l s p l i tt i n g a t 5 0 % t r a n s m itt a n c e i s 0 . 1 6 n m f o r l o n g w a v e p a s s f i l t e r a n d 0 . l n m f o r s h o r t w a v e p a s s f i l t e r . k e y w o r d : p o l a r i z a t i o n a n a l y s i s ; p o l a r i z i n g b e a m s p l itt e r ; n o n p o l a r i z i n g d e s i g n ; p r o j e c t i o n d i s p l a y i i i 浙江大学硕士学位论文 1 1 投影显示技术简介 第一章绪论 随着计算机技术和多媒体高清晰电视的发展。彩色图像的大屏幕投影显示应 用前景会愈来愈广阔。它不仅仅是学术报告、医学、遥感等图像图片的投影显示， 面且还会在课堂教学、民用娱乐等方面有着广泛的应用。因此，进一步开发和研 究图像大屏幕投影显示技术是非常有意义的，并且有很强的实用价值。 近几年来，l e d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 投影显示技术发展极为迅速，大屏幕、 高清晰度图像是l c d 投影显示受到广泛重视的重要原因。它不仅具有高亮度、 高分辨率、高信息容量等优点，而且体积小、灵巧、方便、易携，是一种受欢迎 的显示设备，可广泛应用于多媒体教学、家庭影院、会议演示，甚至军事指挥系 统中，前景十分看好。 在现有的投影显示系统中，主要有四种投影显示方法：1 ) 采用阴极射线管 作为图像发生源的大屏幕投影系统；2 ) 采用液晶显示( l c d ) 作为图像发生源 的大屏幕投影显示系统；3 ) 采用数字微反射镜( d m d ) 作为图像发生源的数字 光处理器( d l p ) 大屏幕显示系统；4 ) 采用硅基液晶显示( l c o s ) 作为图像发 生源的大屏幕投影显示系统，如图1 - 1 所示。除了数字光处理器之外，投影显示 系统都要用到含有偏振分光镜的光学元件。偏振分光镜是上述投影显示系统中最 为重要的薄膜元件之一，它的性能直接影响到图像的对比度、色彩的一致性和光 能的利用率。 按液晶调制的工作方式，液晶投影显示可以分为透射式液晶投影显示和反射 式液晶投影显示。反射式液晶投影显示主要有液晶光阀( l c l v ) 和硅基液晶 ( l c o s ) 方式。和透射式液晶板相比，反射式液晶板的主要技术优势有：首先， 能够实现高的开口率( 可以达到9 3 ) 以上，因此，可以实现更高的亮度；其 次反射式液晶板在全开时可以实现全反射；全关时反射输出几乎为零，因此可以 达到更高的对比度：另外，反射式液晶板的制造技术( 尤其是l c o s 技术) 接近 半导体集成电路的加工技术，容易实现批量生产。反射式液晶投影显示是液晶投 影显示的发展趋势。 浙江大学硕士学位论文 反射式液晶投影显示的光学引擎器件主要有：p h i l i p s 棱镜系统，x - c u b e 正 方棱镜系统，星形棱镜系统，复眼与p b s ，方棒，l c d 板等等。这些元件表面 都镀有光学薄膜，经多次反射和透射后，光线就会产生一定的偏振效应或退偏振 效应，因此必须加以考虑l 。 图1 - 1l c o s 投影光学系统 1 2 传统m a c n e i l l ep b s 的局限性 1 9 4 6 年，s t e p h e nm a c n e i l l e 申请了p b s ( p o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r ，偏振分光 镜) 的专利发明1 4 】，此后，p b s 就广泛应用在各种偏振光学系统中，包括近年来 的l c d 和l c o s 等投影光学系统中。这种p b s 是基于这样一个理论基础：当光 以布儒斯特( b r e w s t e r ) 角入射时。对s 一光有着较高的反射率，而对p 光反射率为 零，入射光全部透射。因此，只要适当增加膜层数，并使所有这些薄膜界面都满 足b r e w s t e r 角，则就可实现s 一光全反射，而p 光全透射，这就是典型的p b s 。 m a c n e i l l e 和b a n n i n g 在棱镜斜面上镀上多层无机薄膜，使p b s 获得了较好的光 学性能。最初用的材料是z n s 和m g f 2 ，真空淀积了七层薄膜，这在当时是一流 的。这种结构可以在可见光区使s 光的反射率大于9 7 ，而p 光的透射率也很 高。现在，由于薄膜技术的进步，在b r e w s t e r 角附近( 如空气中2 0 ) ，可使可见 光区s - 光的透射率小于0 i ，而p 光的透射率大予9 7 。不仅如此，经过改进 2 浙江大学硕士学位论文 甚至可以在一定的入射角度范围内( 如空气中1 0 。) ，使得可见光区s 偏振光的 透射率小于0 1 ，而p - 光的透射率大于9 5 。通常所用的薄膜材料为s i 0 2 ， t i 0 2 ，1 l a 2 0 5 ，m g o 和m g f 2 - m a e n e i l l ep b s 的优点是稳定性好。制造方便。它的稳定性是由于镀膜所用 的材料以及制造的工艺已非常成熟。m a c n e i l l ep b s 可以用普遍使用的真空淀积 技术实现，所以可以容易由许多制造商生产。由于这些原因，这种p b s 在投影 机光学引擎中常常作为偏振转换系统。 m a c n e i l l ep b s 的不足之处是p 偏振光透射率和s 偏振光的反射率受到入射 角度和带宽的限制。虽然在垂直入射的时候p 偏振光的透射率可以大于9 5 ， 但当入射角增大的时候，透射率将明显下降。m a c n e i l l ep b s 的另外一个缺点是 反射和透射跟光线的入射面有关。如图l - 2 所示，图中反映了光从p b s 反射后 的偏振态。其中照明光束f 1 0 ，最大入射角为3 0 0 。l c o s 投影系统要求反射光 为同一方向的线偏振光，而反射光却有不同方向的偏振光。当然，这个不足之处 可以在p b s 后加1 4 波片来改善。但是如何调整波片使得系统对比度最大非常麻 烦，而且这也增加了系统的复杂程度。 c o m p u t e dp o l a r i z a t i o ne l l i p s e sv sv i e w i n ga n g l e ， 1 f 。fi !0 ，。 。1 l i t ：l l j 4 0- 3 0- 2 0- 1 001 02 03 0 图1 - 2m a c n e i l l ep b s 偏振态琏入射角度的变化曲线 蚰 弘 竹 o 船 浙江大学硕士学位论文 这种p b s 光能利用率、对比度低，色彩一致性差，暗态泄漏光强随入射面 的变化而变化。光能利用率低主要有三个原因：p - 偏振光的透过率不高，偏振片 的使用，随着入射角的增加，反射率迅速下降。应该透射的部分p 一偏振光被反射 使得系统的光通量下降。为了改善对比度而引入另外偏振片，由于偏振片的吸收 特性，也使得光通量下降。当入射角变大的时候，系统的性能迅速下降，特别是 对于非对称光学元件( 在角度小的时候更容易性能受到影响) ，由于这个原因限 制了照明系统的的数值孔径。这些不足迫使设计者牺牲光亮度去追求高的对比度 和暗态稳定性。如果光束要经过多个p b s ，将使得这些缺陷变得更为显著。 图1 - 3 各向异性薄膜的反射 1 。3 新型偏振器件的研究 1 3 1 有机膜偏振分光镜 如图l - 3 所示，对于o b o ( g i a n tb i r e f r i n g c n to p t i c s ) 5 】，每一个双折射层都是单 轴晶，z 方向的折射率跟x 、y 方向的折射率不同( x 、y 向的折射率相同) 。 大部分膜系的光学性能跟入射角有关，图1 - 4 比较了各种膜系菲涅尔反射系 数随入射角变化的情况。曲线c 表示了传统膜系s i 0 2 t i 0 2 的反射率随入射角变 化的曲线，b r e w s t e r 角oa = 5 2 0 0 其他在可见光区透明的各向同性材料的b r e w s t e r 角，如图l 一4 阴影所示( 当i l o = 1 6 0 的时候，一般4 0 0 到7 0 0 ) ；当膜层材料折射 4 浙江大学硕士学位论文 这种 p b s光能 利用率、 对比 度低，色彩一 致性差，暗态泄漏光强随入射面 的 变化而变化。 光能 利用率 低主要有 三个原因: p 一 偏 振光的 透过率不高， 偏振片 的 使 用， 随 着入 射 角的 增 加， 反 射 率 迅 速下 降。 应该 透 射的 部 分p - 偏 振 光 被反 射 使得系统的光通量下降。 为了改善对比 度而引入另外偏振片， 由于偏振片的吸收 特性， 也使得光通量下降。 当入射角变大的时候， 系统的性能迅速下降， 特别是 对于非对称光学元件 ( 在角度小的时候更容易性能受到影响) ，由于这个原因限 制了照明系统的的数值孔径。 这些不足迫使设计者牺牲光亮度去追求高的对比 度 和暗态稳定性.如果光束要经过多个p b s ，将使得这些缺陷变得更为显著。 e x 扭门目me i u 价 人 环m l r e fl e c t e d w a v e s 尸呀厂 脚me e f i n c i d e n c e 才声 争/ 一/ 厂a1 1扛, , 、认。 图1 - 3各向 异性薄膜的反 射 1 . 3新型偏振器件的研究 1 . 3 . 1有机膜偏振分光镜 如图1 一所 示， 对 于g b o ( g i a n t b ir e f r i n g e n t o p t i c s ) 15 1, 每 一 个 双 折 射 层 都 是 单 轴晶， z 方向 的 折 射率 跟x , y 方向 的 折射 率不同( x , y 向的 折射率相同) 。 大部分膜系的光学性能跟入射角有关， 图1 - 4比较了各种膜系菲涅尔反射系 数随入射角变化的 情况。曲 线c 表示了 传统膜系s i 0 2 - t i o : 的反射率随入射角变 化的曲 线， b r e w s t e r 角 9 b = 5 2 0 。 其他在可见光区 透明的 各向同 性材料的b r e w s t e r 角， 如图1 - 4 阴影所示 ( 当n o =1 . 6 0 的时 候， 一般4 0 0 到7 0 0 ) :当 膜层材料折射 浙江大学硕士学位论文 率为1 .3 5 跟1 . 5 0 的时候， b r e w s t e r 角 。 a 为这个范围的最小值4 0 0 ， 当膜层材料 折射率为 1 . 9 5跟 2 .4的时候， b r e w s t e r角 。 b 接近 7 0 0 。最近经常报道的 t e llu r i u m - p o ly s t y re n e 这种 仅 仅 在中 红 外 透明 的 材 料， 它的 反 射率 随 入 射 角变化 如曲线d 所示。 曲 线a , b , e , f 表示了 不同 双折射膜系的界面反射特性。曲 线e 表示了两 种材 料的z 向 折 射 率相同 时 的 特性。 当 膜 系 两 种 材 料z 方向 的 折 射率 差 跟y 方向 的 折 射 率 差 符 号 相反 的 时 候， s 一 跟p 一 偏 振 光的 反 射 特 性 相 似。 a 和b 曲 线表 示 只 要选择适当的z 方向折射率， b r e w s t e r 角可以为任何值。 1戈健月石p.必e仁j七n 劫幽o f ir d ft rm ( t 加叼 图1 - 4各种膜系的反射率曲 线 ( a ) g b o n ,y = 1 .6 3 , n l .= 1 .5 , n 2 y = 1 .6 3 , n 2 i = 1 .6 3 双 折 射 聚 酣 一 各 向 同 性 聚 醋 ( b ) g b o n a y = 1 .5 4 , n t i = 1 .6 3 , n 2 y = 1 .5 , n 2 . = 1 .5 ( 间 同 聚 苯己 烯 - p m m a ) ( c ) 各 向 同 性n ,y n u 2 .4 , n 2 y - n 2 j = 1 .4 6 ( t io 2 - s io 2 ) ( d ) 各 向 同 性n ,y n , . 5 .0 , n 2 y = n 2 i = 1 .5 8 ( q - 聚 苯 乙 烯 ) ( e ) g b o m y 1 .8 , n ip = 1 .5 , n 2 y 1 .5 , n 2 . = 1 .5 ( 双 折 射 聚 酷 - p m m a ) 。 g b o n ,y = 1 .8 , n ,z 1 . 5 , n 2 y = 1 .5 6 , n 2 = 1 .5 6 ( ,y sl 折 射 聚 酣一 各 向 同 性 聚 酩 ) 对于图1 - 4 所示的 膜系， 其s - 和p - 偏振光的反射系数为 2-n 2sin200-nlz斋n 2sin2b02 -n02 sing e0 +nlznly 2z2 -n 2 sing 80 ( 1 - 1 ) 气-一、 ， - (,2, n 2 y ( 气 z 勺 y 浙江大学硕士学位论文 noz一犷 ，=， xl一x r s= 、 x 2x n ix 2 一 n o 2 s in g 凡 - 一 n 2 sin 2 b o + sin g b o sin 2 00 ( 1 - 2 ) 美国 3 m 公司利用双折射聚合物材料挤压成型的数百层塑料薄膜制作的 p b s 。 其基本原理是: 塑料薄膜所用聚合物材料的 折射率在某个方向匹配， 而在 另外方向不匹配。 在不匹配的方向， 形成了高反射率的1 / 4 膜堆， 而在匹配的方 向 可以 看 成是 各向 同 性、 透明 的 塑 料 板 6 1 这种有机膜 p b s的优点是线偏振性好，在宽波段宽角度内 有较好的性能。 由于是由 取向 聚合物制作， p b s 有着跟偏振器、 延迟器一样的偏光轴。 这使得它 可以有较好的线偏振性，如图1 - 5 所示。图1 - e 给出了3 m p b s 的 透射率曲线， 图 1 - 7为对比 度曲 线。但这种有机膜p b s 有两个缺点， 一是散射较大，二是寿 命较短。 c o m p u t e d p o l a r iz a t io n e l lip s e s v s v i e w i n g a n g l e 403020100-10-2d-30-40 - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 03 0 4 0 图1 - 5 3 m p b s 偏振态随 入 射角 度的 变化曲 线 浙江大学硕士学位论文 3人 1 1 bs l mn s n l i s s 沁na l 盯 2 。 0 皿 0 0 恺 勺 9 0 件 乞 台 0 今 知 7 0 。 讼 下 6 0 件 乞 草 一5 0 0 访 月 . 吮 尸4 0 嗯 ， 3 0 % 2 9 任 . 1 0 0 勺 0 电 乞 . 口 自 lll，l 卜 一一 i!l!l 厂 一l 一l 一i 1 5 0 05 4 0多 9 06 2 0 wa 代卜 几l g th， t ， 飞 n l ， 6 州冲7 6 0 图1 一 6对于f 12 .0 的照明光束。透射率随波长的变化曲线 3 m p s s z p ”， c o n t r a ， t w舀 比 皿t p o dl， . 1 一 的 留 . 犷 ， 肠 田忱扭 泪l m . 皿 .，的刀 .夭 内公 _了、 协、 州 . 川 卜， 、 、 了叭气了，划 i 、翻， . 砂柯妙妙砂1500:撇500:众 -，巴-uoq 5 加5 匆日拍6 匆 w，d .种 加. ) ， 0 0乃0 图1 一 7对于f 瓜0 的照明光束， 对比 度随波长的变化曲 线 1 .3. 2堆栈延迟膜技术 colo rli nk新改 进的色彩管理系统c of o rqt la d 能 够在低f/#下具有高 对比 度和 高 亮度。c ol o rqu ad是专门 为 三片 式l c os反 射式投影 仪而设 计的。 它的 独特优 点 是 在低f /# 下能 够保证高 性能。 c ol o rqua d 是堆栈 延迟膜专利技术 (cof or se le ct) 浙江大学硕士学位论文 4 0 0 0 = | i 3 5 0 0 l 3 0 0 0 ：i 。2 5 0 0 ：i 2 0 0 0 ：1 。1 5 0 0 ：l t 0 0 0 l 5 0 0 ：l 0 ：i 3 mp b s i m n s m i ss i o i la tf 2 0 ，一 4 2 0460d05 4 05 8 06 2 06 椭7 0 0 w a 、e l e n g t h ( 1 1 1 1 1 ) 图1 6 对于f 2 0 的照明光束透射率随波长的变化曲线 3 mp b s2 - p a s sc o n t r a s t w i t h o u tp m tp 艄a f i a e r r e f l e c t e dl m l l l e , 0 2 0 一 一 一，r驯l 【 ij 11 、 芒”。l 。 l 4 0 04 5 05 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 07 0 07 5 0 图l 一7 对于f 2 0 的照明光束，对比度随波长的变化曲线 1 3 2 堆栈延迟膜技术 c o l o r l i n k 新改进的色彩管理系统c o l o r q u a d 能够在低f # t 具有高对比度和 高亮度。c o l o r q u a d 是专门为三片式l c o s 反射式投影仪而设计的。它的独特优 点是在低f 膊下能够保证高性能ac o l o r q u a d 是堆栈延迟膜专利技术( c 0 1 0 r s e l e c t ) 7 盼和睁吩怕如啊吩 蚰蚰加础如；如如m o j 【i r 浙江大学硕士学位论文 和偏振分光镜( p b s ) 的组合，从而实现高密集型和高对比度的光学结构。 c o l o r q u a d 是采用c o l o r s e l e c t 滤色片。c o l o r s e l e c t 滤色片的作用是旋转其相 对于补色光的偏振方向。如果与p b s 结合，这些滤色片可以通过正轴照明实现 色彩分离和合并。把色彩合并和偏振管理结合在一起，高对比度和优异的色域同 时得以实现。不同于二向色性的光管理方法，c o l o r s e l e c t 具有对入射光不敏感和 在低f 脂下保持色彩度的特性，这些使得低f # 照明系统下0 5 英寸l c o s 芯片低 成本的下一代投影技术成为可能。 c o l o r s e l e c t 滤色片不是采用薄膜干涉或吸收效应，而是通过控制偏振态而获 得色彩控制。它是采用了堆栈延迟膜专利技术。堆栈延迟膜能高效率地使主色带 的偏振状态旋转9 0 度，同时保持补色带光偏振状态不变。 图l - 8c o l o r l i n k 高对比度色彩管理系统 c o l o r q u a d 的结构如图1 8 所示。四个p b s 将入射白偏振光分为红绿蓝三色。 滤色片可以改变某种颜色光的偏振态，这种颜色的补色光的偏振态保持不变。这 样，p b s 就可以实现分色。红绿蓝三色光经过l c o s 板调制后，最后透过滤色片 合色，且三色光的偏振态一致。系统中用到的是绿，品红滤光片。c o l o r s e l e c t 滤 8 浙江大学硕士学位论文 光片的结构如图1 - 9 所示。图1 1 0 是这种滤光片的光谱曲线7 舯。 p o l a r c o r r e c t 是c o l o f l i n k 开发的高性能偏振补偿光学器件，是一种能够补偿 光学系统偏振效率低的偏振光控制器。p o l a r c o r r e c t 光器件不是采用晶体材料， 而是使用双折射聚合物制造的。 图1 9c o l o r s e l e c t 滤光片结构 g r e e n ，矾砖e n 协c o l o r , s e l e c t * 。，_ 1 ， 幻 r j 1 ， a 饿s e dp c4 甜证e fs i p a ni t e i p oa r i z e r = il l。71 l 4 0 04 2 5 4 5 0 4 7 55 0 05 2 55 5 05 7 56 0 06 2 5 06 7 5 7 0 0 w 爿哦嘲对哟m m 、 ( a ) 1 8 6 4 2 o o o o o 芏廖一pb捌点od芍cois s!芝l上 r e d ，b l u ec o l o r s e l e c t e _ 、，一、 ， 1 n | 、 ，：沁s s ed p o i i i r 啪 、 j | v j| pa f a l l e ip o l a rz e r s | | ， i ， ， 一一 4 0 04 2 54 5 04 7 5 o6 2 55 5 05 7 5 6 0 0 6 2 5 6 5 06 7 57 0 0 w a v e l e n a i bf n m ) 图1 - 1 0 ( a ) g r e e n m a g e n t a c o ) r e d b l u e c o l o r s e l e c t 滤光片光谱曲线 1 3 3 基于受抑全反射和薄膜干涉效应的偏振分光镜 l il i 等人利用受抑全反射和薄膜中光的干涉效应设计了新型的p b s 9 。跟 传统的p b s 不同的是，这种p b s 在入射角度大于全反射临界角的条件下工作， s 一光透射而p - 光反射。 l b n i h n a n j 血 图1 - 1 1 基于受抑全反射的新型p b s 示意图 图1 1 1 是这种新型薄膜偏振分光镜的示意图。高折射率棱镜n o 上交替镀上 高折射率膜层n l 和低折射率膜层n 2 ，然后再胶合一个相同的棱镜。光束入射角0 0 大于临界角o c - - t a n 1 ( n 2 硒) 。全反射将发生在n l n 2 和n o n 2 界面，倏逝波将在低折 1 0 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o a n o o o o o o 0 芏黛j pazl毫芍也jo6is蚺一e芒理卜 鱼 红 鑫 塾些望丝生一一一一 一一一 r e d 1 b lu e c o lo r s e le c e 洲、产口 洲k/ 沪沪户护. 、比 气 洲、， 、 e / 、 ni a i! i 户 畜a 四 e ll / . !1 p o 怕r . i 比e r s / ni/ /1入 踌 j产丫 f- 叻0.807“0.50.40.302川 赶9-j习烈她万o-jo5工ss一w性巴卜 4 0 0 4 2 5 4 5 0 4 7 5 5 0 0 5 2 5 5 5 0 5 7 5 6 0 0 6 2 5 6 5 0 6 7 5 7 0 0 wa v e le n c o h ( n m) ( b ) 图1 - 1 0 ( a ) g r e e n / m a g e n t a ( b ) r e d / b l u e c o lo r s e l e c t 滤光片光谱曲 线 1 .3 . 3基于受抑全反射和薄膜干涉效应的偏振分光镜 l i l i 等人利用受抑全反 射和薄膜中光的 千涉效应设计了 新型的p b s 19 1 。跟 传统的p b s 不同的是，这种p b s 在入射角 度大于全反射临界角的条件下工作， s 一 光 透 射而p 一 光反 射. 肠一几一几 . . . . . . . . . . . ， . n. 几一几一几 图1 - 1 1基于受抑全反射的新型p b s 示意图 图1 - 1 1 是这种新型薄膜偏振分光镜的示意图。高折射率棱镜n o 上交替镀上 高折射率膜层n i 和低折射率膜层n 2 ， 然后再胶合一个相同的棱镜. 光束入射角0 o 大于 临 界 角o c - ta ri (n 2 1 n o ) 。 全 反 射 将 发生 在n t/ n 2 和n o / n 2 界面， 倏 逝波 将在 低折 浙江大学硕士学位论文 射率膜层表面传播。 这种现象称为受抑全反 射。 由于受抑全反射效应， 这种偏振 薄膜在n i / n 2 和n o / n 2 界面透射和反 射位相改 变不再是0 0 或者1 8 0 0 。 位相改变随着 入射角的不同在0 0 和 1 8 0 0 之内变化。这种情况下位相改变对干涉效应的影响跟 入射角小于全反射临界角时 折射率、 膜厚对干涉效应的影响一样。 这种受抑全反 射效应是薄膜设计额外的自由 度， 可以 用来设计高性能的偏振分光镜。 新 型 的 偏 振 分 光 膜的 结 构 是n o / ( n i, d i ) ( n 2 , d 2 ) ( n i ,d i) n / n o ，其 中n 是 对 称 结构的周期数， d ; 和d 2 是高折射率n ， 膜层和低折射率n 2 膜层的物理厚度。 d ; 和 d : 相对波长来说非常小。 偏振分光膜各个参数的关系可以由 对称膜系等效折射率 的有关公式来推出，可表示为: n 2 n 0 气( 1 - 3 ) ( n , 2 一 n 2 ) d . , =一丰 r， - 卫 认 甲2 d , 乙j_乙_ _、i l 0一 2， ( 1 - 4 ) b l l _ 0 0 0 为右旋，13 0 为左旋。 第二种表达方式是: cosa s i n a e a o ( 2 - 3 ) 一!.l .肠 e l- ，.万十 j.少 osin cs r.eeesesesll 刁.j 乓盯 式中 浙江大学硕士学位论文 ( 2 - 4 ) 称为 零。 tg a 二 逸 e x 0 y 分童与二 分得，* a的定义域为 ( 0 ，二 / 2 ) ， 这是因为振幅恒大于 n=w- (p r ， 是y 分量超前 于x 分 量的 位相差。 图2 - 1椭圆偏振光的特征参量 2 .2 . 2用琼斯矩阵表示薄膜的偏振特性 假设光从一介质到另一介质的 折射率是突变的， 而且设两介质均是各向同性 的， 界面是平面. 如果入射介质折射率为n i ，出 射介质折射率为n 2 ，入射光电 场矢量平行入射面的分童为p 一 分量， 垂直于入射面的为s 一 分量.如图2 - 2 所示。 根据菲涅尔公式，反射系数r 和透射系数t 为: 气c o s i 一 气 c o s t n 1 c o s i + n 2 c o s t e . ， 一 尝 = 望n 2 c o s i + n 1 c o s t e . _ ， ，一于 红 . p一 e , _ 岁 2 n 1 c o s i n 2 c o s i + ? l c o s t 2 1 1 c o s i 气 c o s i + 气c o s t ( 2 - 5 ) 对于反射率和透射率有 0一口 c-0 ，-1 n-n r s = s 2 r p 一 ， 2 t _ = 兰 三 三 竺 ， 2 s n lc o s l t p = ，2 . p ( 2 - 6 ) 反射、 透射系数随入射角度变化的 特性如图2 - 3 所示。 反射率和透射率随入 射角度变化的特性如图2 - 4 所示. 浙江大学硕士学位论文 图2 一 光从一种介质入射到另一种介质时的反射与透射 !一!一一! 一l一! ， . . . . . . 自 ， =标 泛 、 二丈之之之之之 ，. - . .， 、-礼 ，众 泛 响 减 鱿 、 卜、 ，砂一 、 rs 一 ， 、 、 、 、 、 、 、 认 ll一l一ll1 廿功洲儿句勿翻， .曰田 图2 一 3反 射 系 数rs， 介 和 透 射系 数 ，tv 对于 入 射角。 的 依 赖关 系 一llll l一 卜-尸， 、 、 一、 t 万 一留二竺 卜一一一l一l 一、蚝、 1 洲 b佗ws t 叮an 筑l 卜一 x / / 拟 丸 曰 沪 洲 尹. 尸 /d 一洲洲洲浪 ， ，侣 昌目 翻留 二二 一一一 ) 一lll.l卜-一 010洲湘们， 肠翻拍四物 图2 一 4 反射率r