现代光学薄膜设计实例-期末设计报告

现代光学薄膜技术
期末报告
学院信息科学与技术学院
系部电子工程系
专业 XXXXX 学号 XXXXXXXXXXXXXX 姓名 XXXXX 任课老师: XXXXX 完成时间 2014、6、8 现代光学薄膜技术
期末报告
图1-典型的LCOS引擎结构
请陈述上述LCOS投影光学引擎中方框中所使用到的光学薄膜器件类型,并将该类型的具体光学特性要求给出;请详细给出方框8中X-cube的具体膜系设计过程与设计结果(设计材料与设计方法不限)
答:按照图上数字标示:
1、光源,需要高亮度,长寿命的白色光源。

2、滤光镜,滤除光源中的紫外光与红外光部分,保留自然光(白光)。

3、匀光镜？得到均匀的平行光。

4、分色镜,通过反射与投射不同波长的光对光进行分色,最终分成红、绿、
蓝三种颜色。

5、反光镜,普通高反放光镜,控制光的路径。

6、偏极化分光镜,(PBS,Polarization Beam Spliter),作用:得到需要的
光,光分为P光与S光,PBS让P光通过,让S光反射。

7、LCOS(Liquid Crystal on Silicon),即液晶附硅,也叫硅基液晶,就是
一种基于反射模式,尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。

这种矩阵采用
CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。

在半导体材料上制作驱动电路,
并将主动像素(液晶)矩阵放置在半导体材料之上,在工作时,LCoS只会
对光线进行偏振处理,而不遮挡光线。

三色光分别通过各自的PBS后,
会反射S偏光进入LCOS面板,当液晶显示为亮态时,S偏光将改变成P
偏光,最后组合调变过的三道P偏极光,投射至屏幕处得到影像。

8、X-cube合光棱镜,来自三片LCOS调制过的三道P偏极光经过合光棱镜
会聚成一束光线。

9、投影镜,即成像透镜。

合成光束经过投影机镜头照射到屏幕上,形成彩
色的图像。

X-cube合光棱镜具体膜系设计
由LCOS引擎结构图分析可知,X-cube合光棱镜如下图,可以分成四个部分胶合,胶合面有1、2、3、4需要镀光学薄膜,且可知胶合面1、3的薄膜一致,膜系要求对长波红光部分高反,同时对绿光蓝光高透。

胶合面2、4的薄膜一致,应该对短波蓝光部分高反,同时对绿光红光高透。

这里我们取红绿蓝三个颜色的参考波长如下:
蓝光:430nm~450nm;绿光:490nm~580nm;红光:620nm~760nm。

图2-合色棱镜
长波通LPF的设计
红光:620nm~760nm;绿光:490nm~580nm;蓝光:430nm~450nm。

如图2,胶合面2、4上的设计的薄膜应满足通红光、绿光,反蓝光的长波通。

➢1、首先设定指标:由图可知工作环境,入射角度就是45°,入射介质与出射介质均为玻璃Glass,X-cube合光棱镜的入射光都就是P偏正光,所以在设计过程中就是针对P偏振光而非平均光。

膜系要求在420nm~450nm波段透射率低
于1%,在485nm以上波段透射率高于98%。

➢2、方案设计
●分析易得,可从设计一般的长波通膜系进行设计,采用长波通公式设计,以
【(0、5L H 0、5L)^m】的结构开始,材料选取常见的低折射率的SiO2与高折射率的TiO2。

●依据设计目标与环境【图3】,我们设计的长波通分界波长约在470nm,但
由于工作角度就是45度,设计时实际参考波长会向短波飘,所以参考波长经过探索取570nm,【(0、5L H 0、5L)^m】中的m值取15,其她具体的优化选项的详见【图4】。

初始设计结果未进行优化前如【图5】,显然在绿光波段不满足,需要进行优化。

图3 图4
●优化,短波端已满足要求,长波段需要进行进一步优化,经过一系列探索与
尝试,我们最后将优化参数设置成【图6】所示,优化结果如【图7】所示。

图5 LPF优化前结果
图6优化参数设定
图7 优化后结果
短波通SPF的设计
如图2,胶合面1、3上的设计的薄膜应满足通蓝光、绿光,反红光的短波通。

➢1、指标:入射角度就是45°,入射介质与出射介质均为玻璃Glass,入射光都就是P偏正光。

膜系要求在420nm~580nm波段透射率高于97%,在615nm以上波段透射率低于3%。

➢2、方案设计
●从设计一般的短波通膜系进行设计,采用短波通公式设计,以【(0、5H L 0、
5H)^m】的结构开始,材料选取常见的低折射率的SiO2与高折射率的TiO2。

●依据设计目标与环境【图8】,我们设计的长波通分界波长约在600nm,同
样由于工作角度就是45度,设计时实际参考波长会向短波飘,经过探索参考波长选取820nm,【(0、5H L 0、5H)^m】中的m值取25,其她具体的优化选项的详见【图9】。

初始设计结果未进行优化前如【图10】,显然需要进
行优化。

图8 图9
图10 SPF优化前
图11 最终优化参数选择
图12 SPF优化后
●优化,大概趋势满足要求,需要进行进一步优化,经过一系列探索与尝试,
我们最后将优化参数设置成【图11】所示,优化结果如【图12】所示。

设计总结与心得,
在设计时经过多次尝试之后发现,选好很多设计的参数以及公式很重要的,选好方案与参数往往使设计会更快甚至更好。

◆长波通LPF的设计
⏹在相同的优化方案下参考波长不同,优化的结果可能相差甚远。

在此次
设计中,其她设计不变,仅仅改变参考波长时,在500nm~570nm的都能得
到相对满意的结果,但就是当高于575nm时,优化结果就很差,经过几番
尝试570nm效果很好。

⏹优化间隔取值密度不同也可能使得结果相差甚远,甚至走向极端。

在此
次设计中,优化时选取的波长密度不够时就无法得到满意的结果。

⏹最终设计结果:在P偏正光下完全满足设计预设目标。

◆短波通SPF的设计
⏹有时候优化参数不能一步到位,所以可以循序渐进设计出满意的结果。

⏹发现自己理论不足或者说能力不足,在短波通设计时候没法想长波通
那样设计出比较满意的结果,很难兼顾两个波段的目标值。

⏹最终设计结果:在P偏正光下基本满足设计预设目标。

◆优化方式薄膜设计
优化方式薄膜设计仅仅以LPF为例,结果不就是很理想,具体不详述。

主要就是优化过程中的一些参数的限制设定。

结果如下:总层数27层。

总之,在此番设计中对薄膜设计有了更加具体的理解,通过这门课的学习进一步理解薄膜在生活中的应用,虽谈不上专业,但就是对很多生活中的薄膜应用应该大概可以说出个所以然来了,受益良多。

2014年6月8日星期日。