專利名稱：對投影顯示分色器的梯度膜厚進行修正的擋板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種對投影顯示分色器的梯度膜厚進行修正的擋板，使投影顯示分色器的膜厚分布呈梯度變化，屬光學(xué)薄膜領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前世界上以TFT-IXD為圖像源的液晶投影機和以MEMS-DMD為圖像源的DLP投影機已成為兩大主流機型。投影顯示是目前單位顯示面積最為節(jié)能、成本最低的顯示技術(shù)，可以說目前國際上這兩大類數(shù)字投影機的消費熱點已經(jīng)形成，高亮度、高分辨率和低成本的數(shù)字投影機已成為國內(nèi)外大屏幕顯示的主流需求。在上述兩大主流機型中，不管是何種投影機，光學(xué)薄膜器件都是核心組件，由其構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)稱為光學(xué)引擎，即投影機的“發(fā)動機”；也不管是何種光學(xué)引擎，分色器和彩色圖像合成器都是不可缺少的重要器件。分色器將白光分解為紅、綠、藍(lán)三原色，分別照射在紅、綠、藍(lán)三塊圖像芯片上，經(jīng)圖像芯片調(diào)制后的圖像信號由彩色圖像合成器合成，最后經(jīng)投影物鏡投射于屏幕上形成彩色圖像。為使分色器分開的透射光和反射光互相垂直，分色器必須以45°角放置，這樣，當(dāng)一個錐光束入射到分色器上時，分色器上不同的位置就會分出不同的顏色，其原因是因為膜層的相位厚度與入射角的余弦成正比，因此，較大的入射角導(dǎo)致膜層厚度變薄較多，較小的入射角則導(dǎo)致膜層厚度變薄較少，也即分色器分出的顏色隨分色器上的位置變化是不一致的，最終使屏幕上彩色圖像的色彩產(chǎn)生相應(yīng)的漸變。隨著投影機要求的不斷提高，過去曾被一度擱置的這一難題現(xiàn)在正在逐步得到解決。目前已有的制造梯度膜厚的方法是把分色器基板傾斜放置，其原理是因為基板上的膜厚與蒸發(fā)源到基板的距離平方成反比，所以將基板傾斜放置后可以產(chǎn)生梯度膜厚分布。但不幸的是，得到的膜厚梯度不正確，而且不適宜于尺寸較小的分色器基板，更不適宜于膜厚梯度要求較大的分色器，例如膜厚梯度要求3 4nm/cm時，用基板傾斜放置的方法就難以實現(xiàn)；此外，這種方法因每塊分色器基板需要設(shè)計一個專用的使其傾斜放置的夾具，試驗復(fù)雜、成本高。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種對投影顯示分色器的梯度膜厚進行修正的擋板，從而保證鍍膜時，分色器的膜厚呈梯度變化，以補償因分色器上光線的入射角不同而引起的
膜厚變化。本實用新型的構(gòu)思是既然投影機中的分色器必須以45°角放置，而且入射到分色器上的照明光一定是錐光束，那么分色器上不同的位置就必然會分出不同的顏色，這種光學(xué)現(xiàn)象是無法對其改變的。但是這種顏色變化歸根到底是因為膜層的相位厚度與入射角的余弦成正比引起的，根據(jù)分色器不同位置上的入射角可以得到相應(yīng)基板位置上的膜層相位厚度或光學(xué)厚度變化。目前投影機照明系統(tǒng)的數(shù)值孔徑對應(yīng)的F值為2. 8-3. 5，計算得到的膜厚梯度范圍約為2 4nm/cm。如果選擇入射角45°的錐光束主光線作為參考點，則由于較大入射角(大于45° )的位置上導(dǎo)致膜層厚度比參考點薄2 4nm/cm，那么可以在鍍膜時預(yù)先有意增加其厚度，其厚度的增加量恰好能補償因入射角變大引起的厚度的減少量；類似地，較小入射角(小于45° )的位置上導(dǎo)致膜層厚度比參考點厚2 4nm/cm，那么在鍍膜時預(yù)先故意減少其厚度，使厚度的減少量恰好能補償因入射角變小引起的厚度的增加量。關(guān)鍵問題在于如何保證在分色器基板鍍膜時能準(zhǔn)確地獲得預(yù)置的厚度增加量或減少量，為此，本實用新型設(shè)計了一塊擋板。在沒有擋板的情況下，真空鍍膜機在整個鍍膜區(qū)域內(nèi)的膜厚分布是均勻的，即分色器上的膜厚是均勻的；如果在分色器基板正下方加上一塊夾角為45°的扇形擋板，雖然分色器的分色波長變短了，但分色器上的膜厚分布依然 是均勻的；要達到分色器的膜厚分布按要求的梯度變化，需要進一步對此夾角為45°的扇形擋板進行修正。通過修正設(shè)計，此擋板可使分色器的膜厚分布嚴(yán)格地按照要求的梯度變化，梯度變化的大小恰好能抵消入射角變化引起的梯度厚度變化，這樣便可有效地進行色補償。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采取的技術(shù)方案是根據(jù)投影機分色器的膜厚梯度要求，本實用新型的擋板設(shè)有梯形遮擋修正區(qū)DEFG，梯形遮擋修正區(qū)的第一底邊EF與第二底邊DG的距離與投影顯示分色器的長度相等，第一底邊EF與第一腰FG的夾角為112.5°，第一底邊EF與第二腰DE的夾角為58° 84°。進一步地，本實用新型的擋板還設(shè)有安裝區(qū)HGNM，安裝區(qū)是梯形遮擋修正區(qū)第二底邊DG向外延伸而形成的擋板固定區(qū)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是現(xiàn)有投影機的分色器因大多尚未使用梯度膜厚，故顯示圖像的顏色在屏幕的左右兩側(cè)會產(chǎn)生相應(yīng)的色漸變，也即屏幕上出現(xiàn)不同的色度坐標(biāo)值；采用本實用新型的梯度膜厚修正擋板后，由于不同入射角引起的膜厚變化得到了補償，因而整個屏幕上能實現(xiàn)色均勻。目前已有的制造梯度膜厚的方法因每塊分色器基板需要設(shè)計一個專用的傾斜放置夾具，試驗復(fù)雜、成本高；而本實用新型用一塊修正擋板即可同時對量產(chǎn)的分色膜一次完成修正，既提高生產(chǎn)效率，又節(jié)省成本，不僅適用于各種尺寸的分色器基板，而且能獲得較大的膜厚梯度變化，得到的膜厚梯度精確、穩(wěn)定、可
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圖I是短波通分色器和長波通分色器的工作原理圖；圖2是具有不同入射角的錐光束入射到本實用新型的梯度膜厚分色器上的示意圖；圖3是本實用新型的修正擋板與被鍍分色器基板、光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的配置示意圖；圖4是45°扇形擋板的制作示意圖；圖5是本實用新型的梯度膜厚修正擋板設(shè)計制作過程的說明示意圖，其中，(a)為被鍍分色器基板，(b)為梯度膜厚修正擋板；圖6是本實用新型梯度膜厚修正擋板的兩種實施方式的示意圖，其中，(a)第一底邊EF與第二腰DE的夾角為58°，用于膜厚梯度4nm/cm，(b)第一底邊EF與第二腰DE的夾角為84°，用于膜厚梯度2nm/cm;圖7是用本實用新型的修正擋板所獲得的實測光譜透射率曲線，其中，(a)短波通分色器，(b)長波通分色器圖8是色度坐標(biāo)測試點分布圖。
具體實施方式
以下結(jié)合具體的實例對本實用新型作詳細(xì)的說明。以下實例的膜厚梯度要求如下投影機分色器分為短波通分色器I和長波通分色器2，對短波通(透藍(lán)反紅綠)分色器I要求的膜厚梯度為4. 0±0. 5nm/cm ;對長波通(透紅反綠)分色器2要求的膜厚梯度為3. 6±0. 5nm/cm。圖I是短波通分色器I和長波通分色器2的工作原理圖。圖中照明白光(W)的錐光束的主光線3以45°角入射至透藍(lán)反紅綠短波通分色器1，先分出藍(lán)光(B);被分色器I反射的紅綠光的錐光束的主光線再以45°角入射至透紅反綠長波通分色器2，再分出綠光(G)和紅光(R)。由于錐光束的主光線以45°角入射至分色器上，分色器上不同的位置就會分出不同的顏色，這是因為膜層的相位厚度與入射角的余弦是成正比的。圖2是具有不同入射角的錐光束入射到本實用新型的梯度膜厚分色器上的示意圖，圖2中錐光束的主光線3以％= 45°角入射至鍍在基板5上的梯度膜厚分色器多層膜4上。由于在分束器上對應(yīng)錐光束中較小入射角9 !的位置上導(dǎo)致膜層厚度變薄較少，故在鍍膜時預(yù)置一厚度減小量，以補償因較小入射角引起的厚度增加量；同樣，在分束器上對應(yīng)錐光束較大入射角0 2的位置上導(dǎo)致膜層厚度變薄較多，故需在鍍膜時預(yù)置一厚度增加量，以補償因較大入射角引起的厚度減少量。為實現(xiàn)此目的，需要引入一塊本實用新型的能使膜厚分布產(chǎn)生梯度變化的修正擋板。圖3是本實用新型所用的修正擋板與被鍍分色器基板、光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的配置示意圖。如圖3所示，光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)主要由光源6、聚焦透鏡7、膜厚監(jiān)控片8、濾光片9和接收器10等組成。每層薄膜的厚度均用監(jiān)控片8測量。用蒸發(fā)源11或12分別依次蒸發(fā)高、低折射率薄膜材料。被鍍分色器基板13、14置于工件夾具盤15上(實際上，在工件夾具盤15上放滿一圈的基板，不僅僅只有基板13、14)，由鍍膜時工件夾具盤15快速轉(zhuǎn)動，所以所有分色器基板上的特性是一樣的。梯度膜厚修正擋板16就緊靠著置于被鍍分色器基板(例如被鍍分色器基板13)的正下方，以遮擋蒸發(fā)源11或12分別蒸發(fā)時的一部分薄膜材料分子，得到要求的膜厚梯度。那么如何制作滿足膜厚梯度要求的分色器修正擋板呢？為說明此問題，下面以透藍(lán)反紅綠的短波通分色器I為例，其要求的膜厚梯度為4. 0±0. 5nm/cm。圖4和圖5示出了本實用新型修正擋板的一種制作方法。它是利用45°扇形擋板17作為初始擋板，如圖4的陰影區(qū)所示，其扇形半徑等于圖3中鍍膜機工件夾具盤15的半徑。若將此45°初始擋板緊靠著置于被鍍分色器基板13或14的正下方，則被鍍分色器基板上的膜層厚度會比沒有設(shè)置45°初始擋板時的厚度均勻地減薄45/360(即1/8)，但沒有形成梯度厚度分布。接著對45°初始擋板進行修正設(shè)計，以形成4. Onm/cm的梯度膜厚分布。如圖5所示，對45°初始擋板的修正設(shè)計按如下方法進行首先要明確設(shè)計要求，圖5(a)是厚度為Imm的被鍍分色器I的基板示意圖，設(shè)計要求從分色器基板ST邊開始到UV邊為止，膜厚以4.0nm/cm的梯度線性增加；并且膜厚梯度檢測點設(shè)為A’、B’、C’三點，若以B’點作為參考點，則A，點膜厚應(yīng)比B，點薄4. Onm,Cj點膜厚應(yīng)比B，點厚4. Onm。0 5(b)是本實用新型對短波通分色器I梯度膜厚為4. Onm/cm的修正擋板設(shè)計制作過程的說明，擋板設(shè)有梯形遮擋修正區(qū)DEFG和安裝區(qū)HGNM，設(shè)計的關(guān)鍵是梯形遮擋修正區(qū)，梯形遮擋修正區(qū)的第一底邊EF與第二底邊DG的距離與投影顯示分色器基板的長度SU或TV相等(本實例的分色器I的基板長度為4cm);由于采用45°扇形初始擋板，故梯形遮擋修正區(qū)的第一底邊EF與第一腰FG的夾角Z EFG為112. 5°。下面說明如何確定梯形遮擋修正區(qū)的第二底邊DG和第二腰DE :由于對本實例進行修正的短波通膜的設(shè)計波長入^為610nm，即每層膜的厚度為Ao/4，故45°扇形擋板在所有位置上擋去的膜厚均為(^/4) X (45° /360° )=19. 06nm,這就是說，對應(yīng)分色器基板ST邊的梯形遮擋修正區(qū)的第一底邊EF把膜厚遮擋去了 19. 06nm ;根據(jù)設(shè)計要求，對應(yīng)分色器基板UV邊的梯形遮擋修正區(qū)的第二底邊DG對膜厚遮擋的減少量應(yīng)為膜厚梯度要求4. Onm/cmX分色器基板長度4cm = 16nm,但由于未經(jīng)修正的45°扇形擋板在對應(yīng)分色器基板UV邊的HG處膜厚也遮擋了 19.06nm，要使分色器基板UV邊的膜厚遮擋減少16nm，應(yīng)把HG切去一部分，切去的量應(yīng)為HD，剩下的DG所擋去的膜厚應(yīng)為U。/4) X (45° /360。) XDG/HG = 19. 06nm-16nm = 3. 06nm。這就是說，第一底邊EF擋去的膜厚19. 06nm和第二底邊DG擋去的膜厚3. 06nm之差除以投影顯示分色器基板的長度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,這樣就確定了 D點，也即確定了梯形遮擋修正區(qū)的第二底邊DG ;將D點與E點連接即得到梯形遮擋修正區(qū)的第二腰DE。接著進一步確定第一底邊EF與第二腰DE的夾角Z DEF,由圖 5(b)可知EF = 16. 56mm，GH = 49. 71mm，即得 GD = 49. 71X0. 16 ^ 8mm ;作 EQ 丄 HG，于是在ADEQ中，得到DQ = 25. 13mm, Z DEQ = 32. 1°，即第一底邊EF與第二腰DE的夾角Z DEF = 90° -32. 1° ^ 58°，它對應(yīng)于4. Onm/cm的膜厚梯度要求。在相同數(shù)值孔徑的照明系統(tǒng)中，透藍(lán)反紅綠的短波通分色器I與透紅反綠的長波通分色器2的膜厚梯度要求會稍有不同，在本實例中，分色器2的膜厚梯度要求為3. 6nm/cm,用同樣的方法可以設(shè)計制作分色器2的修正擋板,得到DG/HG = 0. 244,⑶=49. 71X0. 244 ^ 12. 13_，此時，第一底邊 EF 與第二腰 DE 的夾角Z DEF ^ 62. 3°。同理，可把本實用新型的方法推廣到其它數(shù)值孔徑的投影機照明系統(tǒng)中，若最小膜厚梯度要求為2nm/cm，此時可以得到DG/HG = 0. 58，GD = 49. 71X0. 58 ^ 28. 8mm,即對應(yīng)的第一底邊EF與第二腰DE的夾角Z DEF 84°，它對應(yīng)于2nm/cm的膜厚梯度要求。顯而易見，對目前常用的梯度膜厚要求2 4nm/cm來說，對應(yīng)的第一底邊EF與第二腰DE的夾角在58° 84°之間。并且，當(dāng)梯形遮擋修正區(qū)DEFG的第一底邊EF與第二腰DE的夾角為67. 5°時，修正檔板為平行四邊形(一種特殊的梯形)。本實用新型修正擋板的安裝區(qū)是用于方便將本實用新型的修正擋板固定于鍍膜機機架上的附屬區(qū)域。通常，該安裝區(qū)可以是梯形遮擋修正區(qū)第二底邊DG向外延伸而形成的修正擋板固定區(qū)。如圖3、5、6所示，安裝區(qū)上設(shè)有兩個固定孔18，以便把擋板16固定在鍍膜機架上的附屬區(qū)域。擋板的材料用304不銹鋼板，厚度取0. 5 I. 5mm，主要考慮有足夠的機械強度。[0030]將本實用新型的上述修正擋板設(shè)置于緊靠分色器基板(例如13)的正下方，要求修正擋板的第一底邊EF的中垂線OP與分色器基板的短邊ST的中垂線0’ P’上下對準(zhǔn)，擋板第一底邊EF與分色器基板的短邊ST邊上下對準(zhǔn)，擋板的第二底邊DG與分色器基板的短邊UV邊上下對準(zhǔn)，這樣就能保證擋板設(shè)計時的A、B、C三點分別與分色器的測試點A’、B’、C’三點上下對準(zhǔn)。加上本實用新型的修正擋板后，整個分色器的膜厚梯度已能滿足要求，實現(xiàn)了對因分色器上光線的入射角不同而引起的膜層厚度變化的補償。但是，此時對應(yīng)分色器上B’點的過渡波長因遮擋作用使膜厚減薄而向短波移動，故還需調(diào)大膜厚監(jiān)控片8上的監(jiān)控波長，監(jiān)控波長的增量應(yīng)為參考點B’的遮擋量乘以4，對分色器I為(19. 06nm-8nm) X4 =44. 2nm。 圖6是本實用新型梯度膜厚修正擋板的兩種實施方式的示意圖，其中，(a)第一底邊EF與第二腰DE的夾角為58°，用于最大膜厚梯度4nm/cm，(b)第一底邊EF與第二腰DE的夾角為84° ,用于最小膜厚梯度2nm/cm。圖7是用本實用新型的修正擋板所獲得的(a)短波通分色器I和(b)長波通分色器2的實測光譜透射率曲線。由圖7(a)所示的短波通(透藍(lán)反紅綠)分色器I可知，實測膜厚梯度為4. lnm/cm,滿足梯度要求4. 0±0. 5nm/cm。由圖7 (b)所示的長波通(透紅反綠)分色器2可知，實測膜厚梯度為3. 6nm/cm,滿足梯度要求3. 6±0. 5nm/cm。圖7中兩個例子說明修正擋板取得了非常精確、穩(wěn)定、可靠的膜厚梯度修正效果。把光譜透射率測試結(jié)果如圖7所示的短波通分色器I和長波通分色器2裝配到對應(yīng)數(shù)值孔徑的投影機上，按國家測試標(biāo)準(zhǔn)進行色度坐標(biāo)測量，如圖8所示，把屏幕分成9個點，在100%白場的情況下，9個點的色度坐標(biāo)偏離量為X = 0. 325±0. 003，y =0.319±0. 004，在整個顯示屏幕上用肉眼已觀察不出顏色差異，比未經(jīng)膜厚梯度修正的分色器得到了顯著的改善。在未經(jīng)膜厚梯度修正前，從屏幕左側(cè)向右側(cè)可用肉眼觀察到顏色從淡白-白-微黃的逐漸變化，同樣在100%白場時測量，9個點的色度坐標(biāo)偏離量為X =0. 329±0. 023，y = 0. 320±0. 028，可見色度坐標(biāo)偏離量比膜厚梯度修正后約大7倍。實驗表明，鍍膜時分色器1、2的膜厚梯度變化已較好地補償了因分色器上光線的入射角不同而引起的膜厚變化。
權(quán)利要求1.一種對投影顯示分色器的梯度膜厚進行修正的擋板，其特征在于所述擋板設(shè)有梯形遮擋修正區(qū)，梯形遮擋修正區(qū)的第一底邊與第二底邊的距離與所述投影顯示分色器的長度相等，所述第一底邊與第一腰的夾角為112.5°，所述第一底邊與第二腰的夾角為58°"84° 。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于投影顯示分色器梯度膜厚的修正擋板，其特征在于所述修正擋板還設(shè)有安裝區(qū)，所述安裝區(qū)是所述梯形遮擋修正區(qū)的第二底邊向外延伸的區(qū)域。
專利摘要本實用新型公開了一種對投影顯示分色器的梯度膜厚進行修正的擋板，該擋板設(shè)有梯形遮擋修正區(qū)和安裝區(qū)，梯形遮擋修正區(qū)的第一底邊與第二底邊的距離與所述投影顯示分色器的長度相等，第一底邊與第一腰的夾角為112.5°，第一底邊與第二腰的夾角為58o~84°。本實用新型擋板可進一步設(shè)有安裝區(qū)，安裝區(qū)是梯形遮擋修正區(qū)第二底邊向外延伸而形成的擋板固定區(qū)。修正擋板被設(shè)置于緊靠著投影顯示分色器基板的正下方。經(jīng)這種梯度膜厚修正擋板修正后的分色器可使整個投影顯示屏幕實現(xiàn)色均勻,并具有效率高、成本低、適應(yīng)性強的特點。
文檔編號C23C14/04GK202380071SQ20112053772
公開日2012年8月15日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者吳江波, 唐晉發(fā), 艾曼靈, 金波, 陳建國, 顧培夫 申請人:杭州科汀光學(xué)技術(shù)有限公司