本发明涉及光学材料，特别涉及一种偏振分光棱镜、偏振分光板及其制备方法和应用。
背景技术：
1、光具有偏振态，如果光线的偏振矢量在入射光和反射光所在的平面内，称为p偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s偏振。当光以非垂直角度入射膜片的时候，可以分解为p光和s光，偏振分光膜是用于实现p光透过，s光截止的薄膜，在激光技术、光纤通信技术和光电仪器等领域得到了广泛应用。
2、一种应用方式是将偏振分光膜层叠在光学基材(例如光学玻璃)表面制成偏振分光棱镜，将多个偏振分光棱镜胶合形成偏振分光板使用。现有商业化使用的偏振分光板大多使用高透光率的b270玻璃或bk7玻璃，其配套的膜系均较厚，在镀膜过程中容易引入缺陷，且镀膜后容易造成基板变形，导致后续胶合工艺容易出现气泡，影响光学性能。
3、因此，需要开发一种光学性能更优的偏振分光板。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种偏振分光棱镜，能够提高包括上述偏振分光棱镜的光学元件(例如偏振分光板)的偏振分光性能。
2、本发明还提出一种偏振分光板。
3、本发明还提出上述偏振分光板的制备方法。
4、本发明还提出上述偏振分光棱镜或上述偏振分光板的应用。
5、本发明第一方面实施方式涉及一种偏振分光棱镜，包括：第一基层，材质为h-lak7光学玻璃；形成于所述基层的至少一侧表面的第一分光膜，所述第一分光膜的膜层结构为：从所述第一基层侧起包括依次交替层叠的ta2o5层和sio2层共23层，层厚从所述第一基层侧起依次为26.65～28.65nm、283.08～287.08nm、109.67～111.67nm、218.28～222.28nm、91.28～93.28nm、177.06～181.06nm、84.37～86.37nm、204.95～208.95nm、66.32～68.32nm、127.51～131.51nm、52.63～54.63nm、226.66～230.66nm、68.04～70.04nm、107.92～111.92nm、
6、50.9～52.9nm、106.58～110.58nm、55.85～57.85nm、101.03～105.03nm、50.27～52.27nm、85.08～89.08nm、52.44～54.44nm、94.43～98.43nm、33.18～35.18nm。
7、根据本发明第一方面实施方式的偏振分光棱镜，至少具有如下有益效果：
8、h-lak7是一种镧冕玻璃，主要成分包括二氧化硅(sio2)、氧化铝(al2o3)、氧化钙(cao)、氧化镧(la2o3)等氧化物，与常用的b270或bk7玻璃相比，h-lak7折射率更高，在1.71～1.72范围，利于在更宽的波段范围内实现优异的偏振分光效果。通过h-lak7基材及适配的膜系设计，极大地降低了膜层厚度，膜层总厚度约2500nm，膜厚较常规的b270或bk7基材所适配的膜系(约9000nm)明显降低，膜层薄，基板不容易变形，也更容易胶合，减少气泡、溅点等外观缺陷。
9、偏振分光棱镜的适用波段为425nm-650nm，空气入射角度为0±8°，在工作波段，当入射角为0°时，分光膜对s光的平均透过率≤0.1％，对p光的平均透过率≥97％；当入射角为0°±8°时，分光膜对s光的平均透过率≤2％，对p光的平均透过率≥94％，具有优异的光学性能。
10、h-lak7材料的加工性较好，硬度fa值是76，比较适合平面加工。h-lak7紫外光透光率高，适用于光固化胶合工艺，同时分光膜的膜层薄更利于紫外光透过，实现快速光固化，提高加工效率。
11、成本方面，h-lak7材料略贵，但分光膜的膜层更薄，生产时间短，基本不会增加综合成本，同时性能更优，具有更高的性价比。
12、在一些实施方式中，所述第一分光膜的膜层结构为：从所述第一基层侧起包括依次交替层叠的ta2o5层和sio2层共23层，层厚从所述第一基层侧起依次为27.65nm、285.08nm、110.67nm、220.28nm、92.28nm、179.06nm、85.37nm、206.95nm、67.32nm、129.51nm、
13、53.63nm、228.66nm、69.04nm、109.92nm、51.9nm、108.58nm、56.85nm、103.03nm、
14、51.27nm、87.08nm、53.44nm、96.43nm、34.18nm。
15、在一些实施方式中，所述第一基层具有三棱柱或四棱柱结构。三棱柱，即具有两个平行且全等的三角形底面，以及连接这些底面的三个四边形侧面。四棱柱，即具有两个平行且全等的四边形底面，以及连接这些底面的四个四边形侧面。其中，四边形可选为矩形、平行四边形或正方形。
16、在一些实施方式中，所述第一分光膜形成于所述三棱柱或四棱柱的至少一个侧面表面。
17、在一些实施方式中，所述第一基层为直三棱柱，即具有两个平行且全等的三角形底面，连接这些底面的侧面均为矩形或正方形。
18、在一些实施方式中，所述第一基层为直三棱柱，且具有两个平行且全等的直角三角形底面，所述第一分光膜形成于连接两个直角三角形底面的斜边的侧面表面。
19、在一些实施方式中，所述直角三角形底面为等边直角三角形底面。
20、在一些实施方式中，所述等边直角三角形底面的直角边长为0.5～1mm，所述等边直角三角形底面之间的距离为14～16mm。
21、在一些实施方式中，所述第一基层具有四棱柱结构，且具有两个平行且全等的矩形底面，连接该底面的长边的一组侧面为矩形，所述第一分光膜形成于其中一个该矩形侧面表面。
22、在一些实施方式中，所述第一基层中，连接所述底面的短边的一组侧面为锐角45°的平行四边形。
23、在一些实施方式中，所述第一基层中，所述底面的长为14～16mm，宽为0.5～1mm，所述底面之间的距离为0.5～1mm。
24、本发明第二方面实施方式涉及一种偏振分光板，包括上述的偏振分光棱镜。
25、鉴于上述的偏振分光棱镜的特性，使得偏振分光板具有更优的光学特性和可加工特性。
26、在一些实施方式中，所述偏振分光板包括：胶合四棱镜，包括依次胶合的多个第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜具有第二基层，所述第二基层具有四棱柱结构，所述第二基层的一侧侧面上形成有第二分光膜，一个所述第一偏振分光棱镜的所述第二分光膜与相邻的所述第一偏振分光棱镜的所述第二分光膜相对的另一侧表面胶合，所述第二基层的同侧底面以及连接底面的另一组侧面分别位于同一平面；
27、第二偏振分光棱镜，具有直三棱柱的第三基层，所述第三基层的一侧侧面形成有第三分光膜，所述第三分光膜与所述胶合四棱镜最外侧的所述第二分光膜相对的一侧表面胶合；
28、第三偏振分光棱镜，具有直三棱柱的第四基层，所述第四基层的一侧侧面与所述胶合四棱镜最外侧的所述第二分光膜胶合；
29、所述第二基层、第三基层、第四基层的材质均为h-lak7光学玻璃，所述第二分光膜从所述第二基层侧起、以及所述第三分光膜从所述第三基层侧起的膜层结构均同前文所定义的所述第一分光膜从所述第一基层侧起的膜层结构；所述胶合四棱镜、所述第二偏振分光棱镜和所述第三偏振分光棱镜胶合形成长方体结构。
30、在一些实施方式中，所述第一偏振分光棱镜为16个。
31、在一些实施方式中，所述偏振分光板还包括8个1/2波长板，所述第二基层的其中一侧底面为入射面，另一侧底面为出射面，8个所述1/2波长板分别位于所述胶合四棱镜中的8个所述第一偏振分光棱镜的出射面一侧，相邻的两个1/2波长板之间间隔一个第一偏振分光棱镜。当线偏振光通过1/2波长板时，其相位会延迟半个波长，进而能够调节光的偏振方向，以更好地适配工作角度。1/2波长板的材质可以是石英晶体或树脂材料等，厚度例如0.05～0.2mm。
32、在一些实施方式中，所述1/2波长板与所述第一偏振分光棱镜胶合连接。
33、在一些实施方式中，所述偏振分光板的入射面一侧设有第一增透膜，所述偏振分光板上与入射面相对的一侧表面设有第二增透膜。
34、在一些实施方式中，所述第一增透膜、第二增透膜的厚度独立为250～300nm。增透膜用于减少光的反射，提高透光率。增透膜的材质可以是依次交替沉积的ta2o5膜和sio2膜，或者为依次交替沉积的tio2膜和sio2膜。总膜层数的非限制性实例有：5～9层，具体可以是5层、6层、7层、8层或9层。各层厚度可以根据本领域经验选取，例如为依次交替沉积的ta2o5膜和sio2膜(共计6层)时，层厚的非限制性实例，依次为：11.3nm、42.31nm、45.36nm、8.41nm、69.75nm、87.72nm；若为依次交替沉积的tio2膜和sio2膜(共计6层)时，层厚的非限制性实例，依次为：13.62nm、32.69nm、52.91nm、10nm、37.95nm、89.65nm。
35、在一些实施方式中，所述第一偏振分光棱镜中，所述第二基层的底面为矩形，连接该底面的长边的一组侧面为矩形，所述第二分光膜形成于其中一个该矩形侧面表面。
36、在一些实施方式中，所述第一偏振分光棱镜中，连接所述底面的短边的一组侧面为锐角45°的平行四边形。
37、在一些实施方式中，所述第一偏振分光棱镜中，所述底面的长为14～16mm，宽为0.5～1mm，所述底面之间的距离为0.5～1mm。
38、在一些实施方式中，所述第二偏振分光棱镜中，所述第三基层的底面为等边直角三角形，所述第三分光膜形成于连接该底面的斜边的侧面表面。
39、在一些实施方式中，所述等边直角三角形的直角边长为0.5～1mm，所述底面之间的距离为14～16mm。
40、本发明第三方面实施方式涉及上述偏振分光棱镜的制备方法，包括：在所述第一基层表面交替镀所述ta2o5层和所述sio2层，形成所述第一分光膜，得到偏振分光棱镜。
41、该方法生产效率高，所制得的偏振分光棱镜偏振分光效果好。
42、在一些实施方式中，形成所述第一分光膜的方法为电子束蒸发与rf离子源辅助沉积。采用rf离子源及加温方式镀膜，保证光谱稳定的同时，确保膜层牢固。具体沉积工艺为公知技术，可以通过镀膜温度、气氛、压强、蒸发速度等调节镀膜质量和膜层厚度。
43、在一些实施方式中，在形成所述第一分光膜之前，还包括对第一基层进行清洗和抛光。
44、可以理解，上述的偏振分光棱镜的制备方法可用于制备上述实施方式的偏振分光棱镜，因此，关于所制备的偏振分光棱镜的具体结构，参见上述偏振分光棱镜的实施方式。
45、本发明第四方面实施方式涉及一种偏振分光板的制备方法，包括步骤：
46、在第五基层表面交替镀ta2o5层和sio2层，得到镀膜基层；将多个镀膜基层依次胶合，其中一个所述镀膜基层的镀膜面与相邻的所述镀膜基层的镀膜面相对的另一面胶合，得到胶合板；对所述胶合板进行切割，得到多个所述偏振分光板；其中，第五基层的材质为h-lak7光学玻璃，镀膜基层从第五基层侧起的镀膜结构同前文所定义的所述第一分光膜从所述第一基层侧起的膜层结构。
47、可以理解，上述偏振分光板的制备方法中，第五基层对应前述偏振分光棱镜的第一基层，胶合板中第五基层的不同位置还对应前述偏振分光板的实施方式中，第二基层、第三基层和第四基层的位置，区别仅在于尺寸不同，由此可以通过进一步切割得到包含所述第二基层、第三基层和第四基层的所述偏振分光板。
48、该方法生产效率高，所制得的偏振分光板偏振分光效果好。
49、除此以外，还可以采用以下方法制备偏振分光板：在第五基层表面镀膜后，先制成目标尺寸的偏振分光棱镜(可以进行切割、打磨等)，将多个偏振分光棱镜进行胶合，得到偏正分光板，即该方法是先切割制得小尺寸的棱镜，再进行胶合。与该方法相比，先胶合成大板再切割，可以通过更少的胶合次数得到多个偏振分光板，提高加工效率。
50、在一些实施方式中，所述切割为多级切割。
51、h-lak7材料的加工性较好，适合平面加工，可以使用大尺寸基层，经多极切割得到目标尺寸，进一步提高加工效率。例如，对于两级切割，如经第一级切割形成n个中间板、第二级切割使每一中间板细化为m个，则可以得到n×m个偏振分光板。
52、在一些实施方式中，所述镀ta2o5层和sio2层的方法为电子束蒸发与rf离子源辅助沉积，参考前述第一分光膜的形成方法。
53、在一些实施方式中，所述切割采用内圆切割机和/或外圆切割机。其中，若采用多级切割，可以使用外圆切割机进行末级切割，使用内圆切割机进行其他分级切割。
54、在一些实施方式中，在镀所述ta2o5层和所述sio2层之前，还包括对所述第五基层进行清洗和抛光。
55、在一些实施方式中，所述偏振分光板的制备方法还包括：在所述切割后，进行抛光和清洗。
56、在一些实施方式中，所述胶合为分段胶合，即先将部分镀膜基层胶合成子部件，再将所有子部件胶合成整体。胶合一般采用紫外光(uv)固化胶粘剂，分段胶合减少了前段固化的叠层厚度，利于光线穿透，能够提高整体固化效率。
57、在一些实施方式中，所述胶合为均分的三段式胶合。例如，当共计需要胶合18个镀膜基层时，分为3段，每段6层单独胶合成子块，再将3个子块胶合。
58、在一些实施方式中，所述胶合根据镀膜基层的厚度偏差，采用正负偏差配合胶合，以抵消部分公差，减少累计尺寸误差。考虑合理误差，镀膜基层的厚度偏差可以为正偏差或负偏差，在选择镀膜基层进行组合胶合时，尽可能地使其中所有的镀膜基层的正负偏差相抵消，有效减小成品的尺寸误差。
59、在一些实施方式中，所述胶合采用uv固化光学胶粘剂。光学胶粘剂适用于光学或光电产品，具有高透明度、折射率稳定、纯度高、耐久性好的特点，对光学性能的影响小。uv固化光学胶粘剂固化速率快，生产效率高。
60、在一些实施方式中，所述偏振分光板具有入射面和出射面，所述偏振分光板的制备方法还包括：在所述入射面形成第一增透膜，在所述出射面的部分区域贴为1/2波长板，在所述1/2波长板所在的一侧表面形成第二增透膜。
61、在一些实施方式中，形成所述第一增透膜和/或第二增透膜的方法为电子束蒸发与rf离子源辅助沉积。
62、可以理解，上述的偏振分光板的制备方法可用于制备上述实施方式的偏振分光板，因此，关于偏振分光板具体结构，参见上述偏振分光板的实施方式。根据偏正分光板的结构，容易选择适宜的材料胶合，并通过切割得到目标产品。
63、本发明第五方面实施方式涉及一种投影仪，包括上述偏振分光棱镜或上述偏振分光板。
64、在一些实施方式中，所述投影仪包括lcos(硅基液晶)投影仪、或lcd(液晶)投影仪。
65、本发明第六方面实施方式涉及一种抬头显示器，包括上述偏振分光棱镜或上述偏振分光板。
66、在一些实施方式中，所述抬头显示器包括车载抬头显示器。
67、本发明第七方面实施方式涉及上述偏振分光棱镜或上述偏振分光板在投影仪或抬头显示器中的应用。
68、本文中，涉及数值范围，均包括端值，以及该范围内任意的子集范围。“多个”表示两个或更多个，“以上”均包括本数，例如两个以上包括两个。
69、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
70、说明书附图
71、图1为实施例1的偏振分光板沿入射面的俯视示意图。
72、图2为实施例1的偏振分光板的侧视图。
73、图3为实施例1的偏振分光板的光谱曲线。
74、图4为对比例1的偏振分光板的光谱曲线。
75、附图标记：
76、第一偏振分光棱镜110；第二分光膜111；第二偏振分光棱镜120；第三分光膜121；
77、第三偏振分光棱镜130；1/2波长板140；第一增透膜150；第二增透膜160。
1.一种偏振分光棱镜，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的偏振分光棱镜，其特征在于，所述第一基层具有三棱柱或四棱柱结构；和/或，所述第一分光膜的膜层结构为：从所述第一基层侧起包括依次交替层叠的ta2o5层和sio2层共23层，层厚从所述第一基层侧起依次为27.65nm、285.08nm、110.67nm、220.28nm、92.28nm、179.06nm、85.37nm、206.95nm、67.32nm、129.51nm、53.63nm、228.66nm、69.04nm、109.92nm、51.9nm、108.58nm、56.85nm、103.03nm、51.27nm、87.08nm、53.44nm、96.43nm、34.18nm。
3.一种偏振分光板，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的偏振分光棱镜。
4.根据权利要求3所述的偏振分光板，其特征在于，所述偏振分光板包括：
5.根据权利要求4所述的偏振分光板，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜为16个；
6.根据权利要求4所述的偏振分光板，其特征在于，所述偏振分光板还包括8个1/2波长板，所述第二基层的其中一侧底面为入射面，另一侧底面为出射面，8个所述1/2波长板分别位于所述胶合四棱镜中的8个所述第一偏振分光棱镜的出射面一侧，相邻的两个1/2波长板之间间隔一个第一偏振分光棱镜。
7.根据权利要求6所述的偏振分光板，其特征在于，所述偏振分光板的入射面一侧设有第一增透膜，所述偏振分光板上与入射面相对的一侧表面设有第二增透膜；
8.一种偏振分光板的制备方法，其特征在于，包括步骤：
9.根据权利要求8所述的偏振分光板的制备方法，其特征在于，所述偏振分光板具有入射面和出射面，所述偏振分光板的制备方法还包括：在所述入射面形成第一增透膜，在所述出射面的部分区域贴1/2波长板，在所述1/2波长板所在的一侧表面形成第二增透膜；
10.如权利要求1或2所述的偏振分光棱镜，或如权利要求3-7任一项所述的偏振分光板在投影仪或抬头显示器中的应用。
