CN101430389A - 蓝色分光片的膜堆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于蓝色分光片的膜堆结构，该膜堆结构包括一透明基底和叠于其上的第一周期性膜堆、第二周期性膜堆。第一周期性膜堆由高折射率膜层和低折射率膜层堆叠而成，第二周期性膜堆由高折射率膜层和中间折射率膜层堆叠而成，中间折射率膜层的折射率高于低折射率膜层的折射率且低于高折射率膜层的折射率。第一周期性膜堆的周期性结构为两个高折射率膜层中间夹着低折射率膜层，第二周期性膜层的周期性结构为高折射率膜层和中间折射率膜层交替层叠。

Description

蓝色分光片的膜堆结构
技术领域
本发明涉及一种膜堆结构，尤指一种应用于投影机分光系统的蓝色分光片的膜堆结构。
背景技术
目前，光学镀膜已经被广泛地运用于投影机、传统相机、数码相机、手机、天文望远镜所用的镜头组、滤光片等，用来使得这些光学元件能够实现不同的光学功能，例如：吸收紫外线、减反射、彩色滤光、红外光截止等，本发明涉及一种应用于蓝色分光片上的膜堆结构。现以用于LED投影机中的蓝色分光片为例，说明目前较常见的蓝色分光片膜堆的分光效果。
投影机中的颜色分离系统大多数通过蓝色分光片来反射蓝光透过红和绿光，通过红色分光片来反射红光透过绿光从而达到从白光中分离出红、绿、蓝三原色光线的目的，通常蓝色分光片与入射光线呈45度角。请参照图1所示，其为参考波长470nm时两个高折射率膜层夹着一个低折射率膜层的周期性结构膜堆的透射光谱图，高折射率膜层的光学厚度为0.5低折射率膜层的厚度为1，光学厚度的物理意义为膜层物理厚度与膜层折射率的乘积，一个光学厚度等于参考波长的1/4，若以H表示高折射率膜层，L代表低折射率膜层则周期性结构可表示为(0.5HL0.5H)，参照图2所示，其为参考波长630nm时，两个高折射率膜层夹着一个低折射率膜层的第一周期性膜堆和叠于其上的高、低折射率膜层交替堆叠的第二周期性膜堆的透射光谱图，第一周期膜堆中的高折射率膜层的光学厚度为0.325低折射率膜层的光学厚度为0.65，第二周期性膜堆中的高折射率膜层的光学厚度为2，低折射率膜层的光学厚度为1，以H表示高折射率膜层，L代表低折射率膜层则第一周期性膜堆可以表示为(0.325H0.65L0.325H)，第二周期性膜层可以表示为(2HL)。
图1中的实曲线1为周期性结构(0.5HL0.5H)的蓝色分光片透射光光谱线，虚曲线1a为透射的平行偏振光(P-Polarized)的光谱线，点划线1b为透射的垂直偏振光(S-Polarized)的光谱线；图2中的实曲线2为周期性结构(2HL)(0.325H0.65L0.325H)的蓝色分光片透射光光谱线，虚曲线2a为其透射的平行偏振光的光谱线，点划线2b为其透射的垂直偏振光的光谱线。垂直偏振光为线偏振光，其偏振面垂直于由滤光片表面法线和入射光线所决定的平面，平行偏振光为线偏振光，其偏振面垂直于垂直偏振光的偏振面，而透射光谱为透过蓝色滤光片的垂直偏振光和平行偏振光的平均效果。从图1和图2中可知，垂直偏振光谱与平行偏振光谱存在一定的差距，因此透射光谱在半值波长(透过率为50％时所对应的波长)附近会出现非线性的不连续部分，在不连续处一部分蓝色波段的光被透射而一部分绿色波段的光被反射从而降低了所透射光的纯度。
发明内容
有鉴于此，有必要提供能提高蓝色分光片透射光纯度的一种蓝色分光片膜堆结构。
一种蓝色分光片的膜堆结构，该膜堆结构包括一个透明基底和叠于其上的第一周期性膜堆、第二周期性膜堆。第一周期性膜堆由多层高折射率膜层和低折射率膜层堆叠而成，第二周期性膜堆由多层高折射率膜层和中间折射率膜层堆叠而成。所述中间折射率膜层的折射率高于低折射率膜层的折射率且低于高折射率膜层的折射率。
相较于现有的技术，所述膜堆结构采用了中间折射率膜层代替第二周期性膜堆中的低折射率膜层，缩短了第二周期性膜堆的两膜层之间的折射率差，减少了透射垂直偏振光谱和透射平行偏振光谱的差距，达到提高蓝色分光片透射光纯度的目的。
附图说明
图1为入射角为45度，参考波长为470nm时，周期性结构为(0.5HL0.5H)的膜堆透射光谱图。
图2为入射角为45度，参考波长为630nm时，第一周期性结构为(0.325H0.65L0.325H)，第二周期性结构为(2HL)的膜堆透射光谱图。
图3为本发明所提供的蓝色分光片膜堆结构的剖面图，包括第一周期性膜堆和第二周期性膜堆。
图4为第一周期性膜堆的透射光谱图。
图5a和图5b为第二周期性膜堆与周期性结构为(2HL)的膜堆的透射光谱比较图。
图6为图4和图5中的两个周期性膜堆叠加优化后的透射光谱图。
图7a、图7b和图7c以比较的方式说明了保持第二周期性膜堆的高折射率为2.45，其透射光谱图随中间折射率改变而发生的变化情况。
图8为本发明所述的周期性膜堆与图1和图2中所述的周期性膜堆在入射角分别为40度、45度和50度的条件下半值波长平行偏振光谱和垂直偏振光谱差距的比较情况。
具体实施方式
请参阅图3，其为本发明实施方式所提供的蓝色分光片膜堆结构的剖面图。蓝色分光片膜堆包括透明基底3和叠于其上的第一周期性膜堆7、第二周期性膜堆8，第一周期性膜堆7和第二周期性膜堆8相互之间的堆叠次序不影响整体的光学效果，如第一周期性膜堆7在基底3上或第二周期性膜堆8在基底3上。第一周期性膜堆7由两个高折射率层4夹着一个低折射率层5的周期性结构堆叠而成，第二周期性膜堆8由高折射率层4和中间折射率层6交替层叠的周期性结构堆叠而成。
所述第一周期性膜堆的周期数变化范围为8至12，第二周期性膜堆的周期数变化范围为12至16。如果周期性膜堆的周期数超过变化范围的上限，透射光谱穿透部分的波纹起伏较大，影响透过光的纯度。如果周期性膜堆的周期数低于变化范围的下限，透射光谱反射部分的效果较差，影响分光片的滤光效果。
本实施方式中，第一周期性膜堆的周期性结构为(0.33H0.66L0.33H)，周期数为10，其表示参考波长为645nm时光学厚度为0.33的两个高折射率层夹着一个光学厚度为0.66的低折射率层的3层周期性结构重复堆叠10次，所以第一周期性膜堆的总膜层数为30。第二周期性结构膜堆的周期性结构为(2HL)，周期数为14，其表示参考波长为645nm时光学厚度为2的高折射率层和光学厚度为1的中间折射率交替层叠的双层周期性结构重复堆叠14次，所以第一周期性膜堆的总膜层数为28。因此，整个蓝色分光片膜堆的总膜层数为58。上述光学厚度的物理意义为膜层物理厚度与膜层折射率的乘积，一个光学厚度等于参考波长的1/4。
基底3为透明玻璃材质，其材料可为无色高度透明的冕玻璃(B270)或者青板玻璃。高折射率膜层4在波长550nm处的折射率为2.0至2.5，其材料可为二氧化钛、五氧化二钽和五氧化二铌中的一种。中间折射率膜层6在波长550nm处的折射率为1.6至1.9，其材料可为三氧化二铝、氧化镁、三氧化二钇和默克材料(M1)中的一种。低折射率膜层5在波长550nm处的折射率为1.4至1.5，其材料可为二氧化硅。除了本实施方式所提到的材料外，其他能满足各膜层折射率要求的材料也可以采用，各膜层通过物理气相沉积的方法制得。
请参阅图4，其为第一周期性膜堆7在入射角为45度，参考波长为645nm条件下的透射光谱图，虚线9a为该膜堆透射的平行偏振光的光谱线，点划线9b为该膜堆透射的垂直偏振光的光谱线，实线9为第一周期性膜堆的透射光谱线。从图中可知，第一周期性膜堆透射的平行偏振光谱和垂直偏振光谱的差距较大，因此在透射光谱的半值波长附近出现较明显的非线性不连续部分，该膜堆的作用为将整个蓝色分光片膜堆的反射区域扩展到400nm。
请参阅图5a和图5b，其为在入射角为45度，参考波长为630nm的条件下第二周期性膜堆8的透射光谱与周期性结构为(2HL)的膜堆透射光谱的比较图。虚线10a为第二周期性膜堆8透射的平行偏振光的光谱线，点划线10b为第二周期性膜堆8透射的垂直偏振光的光谱线，10为第二周期性膜堆8的透射光谱线；虚线11a为周期性结构为(2HL)膜堆透射的平行偏振光谱，11b为周期性结构为(2HL)膜堆透射的垂直偏振光谱，11为周期性结构为(2HL)膜堆的透射光谱。从图中可知，相对于周期性结构为(2HL)的膜堆，第二周期性膜堆8缩小了所透射的平行偏振光谱线10a和垂直偏振光谱线10b之间的差距，使得其半值波长处透射光谱的线性度更高，在这种情况下，原来周期性结构为(2HL)的膜堆透射光谱半值波长附近的线性度较差处所透射的一部分蓝色光被反射而所反射的一部分绿色光被透射，从而提高了蓝色分光片透射光的纯度。
请参阅图6，其为第一周期性膜堆7和第二周期性膜堆8叠加优化后在入射角为45度，参考波长为645nm条件下的透射光谱图。从图中可知，透射光谱13在400nm至495nm波段的透射率接近为0，在505nm至700nm波段的透射率接近100％，而在495nm至505nm波段处有一线性度较好的阶跃变化。因此可知，由第一周期性膜堆7和第二周期性膜堆8叠加形成的蓝色分光片膜堆可以较好地过滤掉蓝色波段的光，透过绿色和红色波段的光。
请参阅图7a、图7b和图7c，其为保持第一周期性膜堆中高折射率为2.45的条件下，周期性结构(2HM)的膜堆其透射光谱图随中间折射率变化的情况，其中图7a的透射光谱图为周期性结构(2HM)的膜堆中间折射率为1.81时的情况，图7b的透射光谱图为周期性结构(2HM)的膜堆中间折射率为1.71时的情况，图7c的透射光谱图为周期性结构(2HM)的膜堆中间折射率为1.62时的情况。从其对比中可知，当周期性结构(2HM)的高折射率与低折射率相差较大时透射光谱图的反射区域较大，平行偏振光谱(虚曲线)和垂直偏振光谱(点划曲线)的差距也较大，透射光谱半值波长处的线性度较差；当周期周期性结构(2HM)的高折射率与低折射率相差较小时透射光谱图的反射区域较小，平行偏振光谱(虚曲线)和垂直偏振光谱(点划曲线)的差距较小，透射光谱半值波长处的线性度较好。为了改善蓝色分光片的滤光效果，应令周期性结构(2HM)膜堆透射光谱图的反射区域尽可能地大，而平行偏振光谱和垂直偏振光谱的差距尽可能小，但从上面的分析可知，在一定的折射率情况下，这两个要求是相互制约的，本实施方式权衡两方面的要求确定周期性结构(2HM)的高折射率为2.25，低折射率为1.45。
请参阅图8，其为本实施方式所述的周期性膜堆与图1和图2中所述的周期性膜堆在入射角分别为40度、45度和50度的条件下半值波长处平行偏振光谱和垂直偏振光谱差距的比较情况。从图中可知，本实施方式所述的周期性膜堆相对于现有技术能有效地减少透射光谱在半值波长处平行偏振光谱和垂直偏振光谱的差距，提高了透射光谱在半值波长处的线性度使得镀有此膜堆的蓝色分光片所透射的光纯度较高。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

  1. 【权利要求1】一种蓝色分光片的膜堆结构，该膜堆结构包括一个透明基底和叠于其上的第一周期性膜堆、第二周期性膜堆，其特征在于：所述第一周期性膜堆由多层高折射率膜层和低折射率膜层堆叠而成，所述第二周期性膜堆由多层高折射率膜层和中间折射率膜层堆叠而成，所述中间折射率膜层的折射率高于低折射率膜层的折射率且低于高折射率膜层的折射率。
  2. 【权利要求2】如权利要求1所述的蓝色分光片的膜堆结构，其特征在于：以645nm波长为参考波长，所述第一周期性膜堆的高折射率膜层的光学厚度为0.33，低折射率膜层的光学厚度为0.66，所述第二周期性膜堆的高折射率膜层的光学厚度为2，中间折射率膜层的光学厚度为1。
  3. 【权利要求3】如权利要求1所述的蓝色分光片的膜堆结构，其特征在于：所述第一周期性膜堆的周期性结构为两个高折射率膜层中间夹着低折射率膜层，所述第二周期性膜堆的周期性结构为高折射率膜层和中间折射率膜层交替层叠。
  4. 【权利要求4】如权利要求3所述的蓝色分光片的膜堆结构，其特征在于：所述第一周期性膜堆的周期数为8到12，所述第二周期性膜堆的周期数为12到16。
  5. 【权利要求5】如权利要求1所述的蓝色分光片的膜堆结构，其特征在于：所述高折射率膜层的折射率为2.0至2.5。
  6. 【权利要求6】如权利要求5所述的蓝色分光片膜堆结构，其特征在于：所述高折射率膜层采用二氧化钛、五氧化二钽或五氧化二铌中的一种。
  7. 【权利要求7】如权利要求1所述的蓝色分光片的膜堆结构，其特征在于：所述中间折射率膜层的折射率为1.6至1.9。
  8. 【权利要求8】如权利要求7所述的蓝色分光片的膜堆结构，其特征在于：所述中间折射率膜层采用三氧化二铝、氧化镁、三氧化二钇或默克材料M1中的一种。
  9. 【权利要求9】如权利要求1所述的蓝色分光片的膜堆结构，其特征在于：所述低折射率膜层的折射率为1.4至1.5。
  10. 【权利要求10】如权利要求9所述的蓝色分光片的膜堆结构，其特征在于：所述低折射率膜层采用二氧化硅。
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