一种对投影显示分色器的梯度膜厚进行修正的挡板

摘要

本发明公开了一种对投影显示分色器的梯度膜厚进行修正的挡板，该挡板设有梯形遮挡修正区和安装区，梯形遮挡修正区的第一底边与第二底边的距离与所述投影显示分色器的长度相等，第一底边与第一腰的夹角为112.5°，第一底边与第二腰的夹角为58o~84°。本发明挡板可进一步设有安装区，安装区是梯形遮挡修正区第二底边向外延伸而形成的挡板固定区。修正挡板被设置于紧靠着投影显示分色器基板的正下方。经这种梯度膜厚修正挡板修正后的分色器可使整个投影显示屏幕实现色均匀，并具有效率高、成本低、适应性强的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对投影显示分色器的梯度膜厚进行修正的挡板，使投影显 示分色器的膜厚分布呈梯度变化，属光学薄膜领域。

背景技术

目前世界上以TFT-LCD为图像源的液晶投影机和以MEMS-DMD为图像 源的DLP投影机已成为两大主流机型。投影显示是目前单位显示面积最为节 能、成本最低的显示技术，可以说目前国际上这两大类数字投影机的消费热点 已经形成，高亮度、高分辨率和低成本的数字投影机已成为国内外大屏幕显示 的主流需求。在上述两大主流机型中，不管是何种投影机，光学薄膜器件都是 核心组件，由其构成的光学系统称为光学引擎，即投影机的“发动机”；也不管 是何种光学引擎，分色器和彩色图像合成器都是不可缺少的重要器件。分色器 将白光分解为红、绿、蓝三原色，分别照射在红、绿、蓝三块图像芯片上，经 图像芯片调制后的图像信号由彩色图像合成器合成，最后经投影物镜投射于屏 幕上形成彩色图像。

为使分色器分开的透射光和反射光互相垂直，分色器必须以45°角放置， 这样，当一个锥光束入射到分色器上时，分色器上不同的位置就会分出不同的 颜色，其原因是因为膜层的相位厚度与入射角的余弦成正比，因此，较大的入 射角导致膜层厚度变薄较多，较小的入射角则导致膜层厚度变薄较少，也即分 色器分出的颜色随分色器上的位置变化是不一致的，最终使屏幕上彩色图像的 色彩产生相应的渐变。随着投影机要求的不断提高，过去曾被一度搁置的这一 难题现在正在逐步得到解决。

目前已有的制造梯度膜厚的方法是：把分色器基板倾斜放置，其原理是因 为基板上的膜厚与蒸发源到基板的距离平方成反比，所以将基板倾斜放置后可 以产生梯度膜厚分布。但不幸的是，得到的膜厚梯度不正确，而且不适宜于尺 寸较小的分色器基板，更不适宜于膜厚梯度要求较大的分色器，例如膜厚梯度 要求3～4nm/cm时，用基板倾斜放置的方法就难以实现；此外，这种方法因每 块分色器基板需要设计一个专用的使其倾斜放置的夹具，试验复杂、成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种对投影显示分色器的梯度膜厚进行修正的挡板， 从而保证镀膜时，分色器的膜厚呈梯度变化，以补偿因分色器上光线的入射角 不同而引起的膜厚变化。

本发明的构思是：既然投影机中的分色器必须以45°角放置，而且入射到 分色器上的照明光一定是锥光束，那么分色器上不同的位置就必然会分出不同的 颜色，这种光学现象是无法对其改变的。但是这种颜色变化归根到底是因为膜层 的相位厚度与入射角的余弦成正比引起的，根据分色器不同位置上的入射角可以 得到相应基板位置上的膜层相位厚度或光学厚度变化。目前投影机照明系统的数 值孔径对应的F值为2.8-3.5，计算得到的膜厚梯度范围约为2～4nm/cm。如果选 择入射角45°的锥光束主光线作为参考点，则由于较大入射角(大于45°)的位置上 导致膜层厚度比参考点薄2～4nm/cm，那么可以在镀膜时预先有意增加其厚度， 其厚度的增加量恰好能补偿因入射角变大引起的厚度的减少量；类似地，较小入 射角(小于45°)的位置上导致膜层厚度比参考点厚2～4nm/cm，那么在镀膜时预 先故意减少其厚度，使厚度的减少量恰好能补偿因入射角变小引起的厚度的增加 量。

关键问题在于如何保证在分色器基板镀膜时能准确地获得预置的厚度增加 量或减少量，为此，本发明设计了一块挡板。在没有挡板的情况下，真空镀膜 机在整个镀膜区域内的膜厚分布是均匀的，即分色器上的膜厚是均匀的；如果 在分色器基板正下方加上一块夹角为45°的扇形挡板，虽然分色器的分色波长变 短了，但分色器上的膜厚分布依然是均匀的；要达到分色器的膜厚分布按要求 的梯度变化，需要进一步对此夹角为45°的扇形挡板进行修正。通过修正设计，此 挡板可使分色器的膜厚分布严格地按照要求的梯度变化，梯度变化的大小恰好 能抵消入射角变化引起的梯度厚度变化，这样便可有效地进行色补偿。

为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是：根据投影机分色器的膜 厚梯度要求，本发明的挡板设有梯形遮挡修正区DEFG，梯形遮挡修正区的第一 底边EF与第二底边DG的距离与投影显示分色器的长度相等，第一底边EF与 第一腰FG的夹角为112.5°，第一底边EF与第二腰DE的夹角为58°～84°。

进一步地，本发明的挡板还设有安装区HGNM，安装区是梯形遮挡修正区 第二底边DG向外延伸而形成的挡板固定区。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有投影机的分色器因大多尚未 使用梯度膜厚，故显示图像的颜色在屏幕的左右两侧会产生相应的色渐变，也 即屏幕上出现不同的色度坐标值；采用本发明的梯度膜厚修正挡板后，由于不 同入射角引起的膜厚变化得到了补偿，因而整个屏幕上能实现色均匀。目前已 有的制造梯度膜厚的方法因每块分色器基板需要设计一个专用的倾斜放置夹 具，试验复杂、成本高；而本发明用一块修正挡板即可同时对量产的分色膜一 次完成修正，既提高生产效率，又节省成本，不仅适用于各种尺寸的分色器基板， 而且能获得较大的膜厚梯度变化，得到的膜厚梯度精确、稳定、可靠。

附图说明

图1是短波通分色器和长波通分色器的工作原理图；

图2是具有不同入射角的锥光束入射到本发明的梯度膜厚分色器上的示意 图；

图3是本发明的修正挡板与被镀分色器基板、光学膜厚监控系统的配置示意 图；

图4是45°扇形挡板的制作示意图；

图5是本发明的梯度膜厚修正挡板设计制作过程的说明示意图，其中，(a) 为被镀分色器基板，(b)为梯度膜厚修正挡板；

图6是本发明梯度膜厚修正挡板的两种实施方式的示意图，其中，(a)第一底 边EF与第二腰DE的夹角为58°，用于膜厚梯度4nm/cm，(b)第一底边EF与第 二腰DE的夹角为84°，用于膜厚梯度2nm/cm；

图7是用本发明的修正挡板所获得的实测光谱透射率曲线，其中，(a)短波通 分色器，(b)长波通分色器；

图8是色度坐标测试点分布图。

具体实施方式

以下结合具体的实例对本发明作详细的说明。

以下实例的膜厚梯度要求如下：投影机分色器分为短波通分色器1和长波 通分色器2，对短波通(透蓝反红绿)分色器1要求的膜厚梯度为4.0±0.5nm/cm； 对长波通(透红反绿)分色器2要求的膜厚梯度为3.6±0.5nm/cm。

图1是短波通分色器1和长波通分色器2的工作原理图。图中照明白光(W) 的锥光束的主光线3以45°角入射至透蓝反红绿短波通分色器1，先分出蓝光 (B)；被分色器1反射的红绿光的锥光束的主光线再以45°角入射至透红反绿 长波通分色器2，再分出绿光(G)和红光(R)。

由于锥光束的主光线以45°角入射至分色器上，分色器上不同的位置就会 分出不同的颜色，这是因为膜层的相位厚度与入射角的余弦是成正比的。图2是 具有不同入射角的锥光束入射到本发明的梯度膜厚分色器上的示意图，图2中锥 光束的主光线3以θ₀＝45°角入射至镀在基板5上的梯度膜厚分色器多层膜4 上。由于在分束器上对应锥光束中较小入射角θ₁的位置上导致膜层厚度变薄较 少，故在镀膜时预置一厚度减小量，以补偿因较小入射角引起的厚度增加量；同 样，在分束器上对应锥光束较大入射角θ₂的位置上导致膜层厚度变薄较多，故 需在镀膜时预置一厚度增加量，以补偿因较大入射角引起的厚度减少量。为实现 此目的，需要引入一块本发明的能使膜厚分布产生梯度变化的修正挡板。

图3是本发明所用的修正挡板与被镀分色器基板、光学膜厚监控系统的配置 示意图。如图3所示，光学膜厚监控系统主要由光源6、聚焦透镜7、膜厚监控 片8、滤光片9和接收器10等组成。每层薄膜的厚度均用监控片8测量。用蒸 发源11或12分别依次蒸发高、低折射率薄膜材料。被镀分色器基板13、14置 于工件夹具盘15上(实际上，在工件夾具盘15上放满一圈的基板，不仅仅只有 基板13、14)，由镀膜时工件夹具盘15快速转动，所以所有分色器基板上的特性 是一样的。梯度膜厚修正挡板16就紧靠着置于被镀分色器基板(例如被镀分色器 基板13)的正下方，以遮挡蒸发源11或12分别蒸发时的一部分薄膜材料分子， 得到要求的膜厚梯度。

那么如何制作满足膜厚梯度要求的分色器修正挡板呢？为说明此问题，下 面以透蓝反红绿的短波通分色器1为例，其要求的膜厚梯度为4.0±0.5nm/cm。

图4和图5示出了本发明修正挡板的一种制作方法。它是利用45°扇形挡板 17作为初始挡板，如图4的阴影区所示，其扇形半径等于图3中镀膜机工件夹 具盘15的半径。若将此45°初始挡板紧靠着置于被镀分色器基板13或14的正 下方，则被镀分色器基板上的膜层厚度会比没有设置45°初始挡板时的厚度均 匀地减薄45/360(即1/8)，但没有形成梯度厚度分布。

接着对45°初始挡板进行修正设计，以形成4.0nm/cm的梯度膜厚分布。 如图5所示，对45°初始挡板的修正设计按如下方法进行：首先要明确设计要 求，图5(a)是厚度为1mm的被镀分色器1的基板示意图，设计要求从分色器基 板ST边开始到UV边为止，膜厚以4.0nm/cm的梯度线性增加；并且膜厚梯度 检测点设为A’、B’、C’三点，若以B’点作为参考点，则A’点膜厚应比B’点薄 4.0nm，C’点膜厚应比B’点厚4.0nm。图5(b)是本发明对短波通分色器1梯度膜 厚为4.0nm/cm的修正挡板设计制作过程的说明，挡板设有梯形遮挡修正区 DEFG和安装区HGNM，设计的关键是梯形遮挡修正区，梯形遮挡修正区的第 一底边EF与第二底边DG的距离与投影显示分色器基板的长度SU或TV相等 (本实例的分色器1的基板长度为4cm)；由于采用45°扇形初始挡板，故梯形 遮挡修正区的第一底边EF与第一腰FG的夹角∠EFG为112.5°。下面说明如 何确定梯形遮挡修正区的第二底边DG和第二腰DE：由于对本实例进行修正的 短波通膜的设计波长λ₀为610nm，即每层膜的厚度为λ₀/4，故45°扇形挡板在 所有位置上挡去的膜厚均为：(λ₀/4)×(45°/360°)＝19.06nm，这就是说，对应分 色器基板ST边的梯形遮挡修正区的第一底边EF把膜厚遮挡去了19.06nm；根 据设计要求，对应分色器基板UV边的梯形遮挡修正区的第二底边DG对膜厚遮 挡的减少量应为：膜厚梯度要求4.0nm/cm×分色器基板长度4cm＝16nm，但由 于未经修正的45°扇形挡板在对应分色器基板UV边的HG处膜厚也遮挡了 19.06nm，要使分色器基板UV边的膜厚遮挡减少16nm，应把HG切去一部分， 切去的量应为HD，剩下的DG所挡去的膜厚应为：(λ₀/4)×(45°/360°)×DG/HG ＝19.06nm-16nm＝3.06nm。这就是说，第一底边EF挡去的膜厚19.06nm和第二 底边DG挡去的膜厚3.06nm之差除以投影显示分色器基板的长度4cm便得到所 要求的膜厚梯度4nm/cm，由此得到DG/HG＝3.06/19.06＝0.16，这样就确定了D 点，也即确定了梯形遮挡修正区的第二底边DG；将D点与E点连接即得到梯形 遮挡修正区的第二腰DE。接着进一步确定第一底边EF与第二腰DE的夹角∠ DEF，由图5(b)可知：EF＝16.56mm，GH＝49.71mm，即得GD＝49.71×0.16≈8mm； 作EQ⊥HG，于是在ΔDEQ中，得到DQ＝25.13mm，∠DEQ＝32.1°，即第一底 边EF与第二腰DE的夹角∠DEF＝90°-32.1°≈58°，它对应于4.0nm/cm的膜厚 梯度要求。

在相同数值孔径的照明系统中，透蓝反红绿的短波通分色器1与透红反绿 的长波通分色器2的膜厚梯度要求会稍有不同，在本实例中，分色器2的膜厚 梯度要求为3.6nm/cm，用同样的方法可以设计制作分色器2的修正挡板，得到 DG/HG＝0.244，GD＝49.71×0.244≈12.13mm，此时，第一底边EF与第二腰DE 的夹角∠DEF≈62.3°。

同理，可把本发明的方法推广到其它数值孔径的投影机照明系统中，若最 小膜厚梯度要求为2nm/cm，此时可以得到DG/HG＝0.58，GD＝49.71×0.58≈ 28.8mm，即对应的第一底边EF与第二腰DE的夹角∠DEF≈84°，它对应于 2nm/cm的膜厚梯度要求。显而易见，对目前常用的梯度膜厚要求2～4nm/cm来 说，对应的第一底边EF与第二腰DE的夹角在58°～84°之间。并且，当梯形遮 挡修正区DEFG的第一底边EF与第二腰DE的夹角为67.5°时，修正档板为平 行四边形(一种特殊的梯形)。

本发明修正挡板的安装区是用于方便将本发明的修正挡板固定于镀膜机机 架上的附属区域。通常，该安装区可以是梯形遮挡修正区第二底边DG向外延 伸而形成的修正挡板固定区。如图3、5、6所示，安装区上设有两个固定孔18， 以便把挡板16固定在镀膜机架上的附属区域。挡板的材料用304不锈钢板，厚 度取0.5～1.5mm，主要考虑有足够的机械强度。

将本发明的上述修正挡板设置于紧靠分色器基板(例如13)的正下方，要求修 正挡板的第一底边EF的中垂线OP与分色器基板的短边ST的中垂线O’P’上下对 准，挡板第一底边EF与分色器基板的短边ST边上下对准，挡板的第二底边DG 与分色器基板的短边UV边上下对准，这样就能保证挡板设计时的A、B、C三 点分别与分色器的测试点A’、B’、C’三点上下对准。

加上本发明的修正挡板后，整个分色器的膜厚梯度已能满足要求，实现了 对因分色器上光线的入射角不同而引起的膜层厚度变化的补偿。但是，此时对 应分色器上B’点的过渡波长因遮挡作用使膜厚减薄而向短波移动，故还需调大 膜厚监控片8上的监控波长，监控波长的增量应为：参考点B’的遮挡量乘以4， 对分色器1为：(19.06nm-8nm)×4＝44.2nm。

图6是本发明梯度膜厚修正挡板的两种实施方式的示意图，其中，(a)第一底 边EF与第二腰DE的夹角为58°，用于最大膜厚梯度4nm/cm，(b)第一底边EF 与第二腰DE的夹角为84°，用于最小膜厚梯度2nm/cm。

图7是用本发明的修正挡板所获得的(a)短波通分色器1和(b)长波通分色器 2的实测光谱透射率曲线。由图7(a)所示的短波通(透蓝反红绿)分色器1可知， 实测膜厚梯度为4.1nm/cm，满足梯度要求4.0±0.5nm/cm。由图7(b)所示的长波 通(透红反绿)分色器2可知，实测膜厚梯度为3.6nm/cm，满足梯度要求3.6± 0.5nm/cm。图7中两个例子说明：修正挡板取得了非常精确、稳定、可靠的膜 厚梯度修正效果。

把光谱透射率测试结果如图7所示的短波通分色器1和长波通分色器2装 配到对应数值孔径的投影机上，按国家测试标准进行色度坐标测量，如图8所 示，把屏幕分成9个点，在100％白场的情况下，9个点的色度坐标偏离量为 x＝0.325±0.003，y＝0.319±0.004，在整个显示屏幕上用肉眼已观察不出颜色差异， 比未经膜厚梯度修正的分色器得到了显著的改善。在未经膜厚梯度修正前，从 屏幕左侧向右侧可用肉眼观察到颜色从淡白-白-微黄的逐渐变化，同样在 100％白场时测量，9个点的色度坐标偏离量为x＝0.329±0.023，y＝0.320±0.028， 可见色度坐标偏离量比膜厚梯度修正后约大7倍。实验表明，镀膜时分色器1、 2的膜厚梯度变化已较好地补偿了因分色器上光线的入射角不同而引起的膜厚 变化。