CN101266313B

CN101266313B - 空变液晶波片

Info

Publication number: CN101266313B
Application number: CN2008100077883A
Authority: CN
Inventors: 大卫·M.·西蒙; 斯科特·迈克尔东尼; 杰瑞·扎而巴
Original assignee: Flex Products Inc
Current assignee: Only Yahweh Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: TW200844546A; EP1970734A1; DK1970734T3; CN101266313A; ATE524754T1; US20080226844A1; KR20080083595A; JP2008233903A; JP5264219B2; EP1970734B1

Abstract

本发明提高一种空变液晶光定向波片，所述波片具有涡旋光轴模式，并且提供一种用于制造所述波片的装置和方法。所述方法的优选实施例包括当旋转偏振光的偏振方向、孔径以及定向层三者中的两者时，将涂敷由光定向材料的基底曝光于通过楔型孔径的线性偏振紫外线，所述光定向材料如线性光聚合聚合体，以便所述基底上的曝光区域绕中心点以选定的角速度完成一次全程旋转，以便形成预定量级的涡旋定向模式。然后将液晶材料通过直接接触光定向材料的方式沉积在所述基底上，以便所述液晶引导器根据光引发涡旋定向模式而进行定向。所述方法可以制造预定涡旋阶的涡旋波片。

Description

空变液晶波片

技术领域

[01]本发明涉及光轴方向随空间变化的波片，尤其涉及光定向空变(space-variant)液晶波片及其制造方法。

背景技术

[02]波片或光学延迟器是通过在入射光场的两个正交的偏振分量之间加入预定相移来改变入射光的偏振状态的光学设备。通常，所加入的相移被称为波片延迟并且以波长的分数来测量，因此，在两个正交偏振之间加入π相移的波片被称为二分之一波片，而在两个正交偏振之间加入π/2相移的波片被称为四分之一波片。

[03]波片可以由选定厚度的双折射材料制造，所述双折射材料的光轴位于波片的面内；这种波片被称为a-板。具有双折射特性的材料含有不同的折射率并且以不同方向(通常为正交方向)传输偏振光。在任何一种双折射材料中，至少有一个被称为光轴的轴，使得无论这些光的偏振状态如何，沿所述材料中光轴方向传播的光都具有相同的速度。当光束垂直于光轴穿过双折射材料并且与所述光轴成一定角度的线性偏振时，则所述双折射材料将光束分解为寻常光和非常光，所述寻常光和非常光在相互垂直的方向上具有线性偏振并且以不同的速度穿过所述双折射材料，从而在这些光束间产生相移。当入射到波片上的光沿所述波片的光轴或与所述光轴成90°角线性偏振时，即光束的电场矢量平行或垂直与波片光轴时，光的偏振是波片的本征偏振并且不能由波片改变。入射到二分之一波片的线性偏振光将具有一定偏转，其偏振状态不是波片的本征偏振，所述入射光的偏转角为线性偏振光的方向和延迟器的光轴之间夹角的两倍。

[04]传统应用中一般使用在空间分布均匀(spatiallyy-uniform)的波片来获得均匀偏振的光束，即偏振状态在光束截面上无改变的偏振光照射光束。然而，近来，人们认识到，在均匀偏振光束上引发偏振的空间变化是一种价值无法衡量的波前整形工具。确实，如果随后采用线性偏光器对所述具有空间变化的偏振光束进行分析，则净效果是在光束的横截面上加入了空变相移，如众所周知的Pancharatnam-Berry相位。造成对光束波前的特殊整形效果。因此，空变波片吸引到人们相当大的兴趣，因为可以使用空变波片来形成在光束的横截面上偏振方向变化的线性偏振光束，所述偏振方向即光照射的电场矢量方向；参见例如M.Stalder和M.Schadt的名称为“由液晶偏振转换器产生轴对称线性偏振光”的文章，Opt.Letts.，21卷，23号，1948-1950页，1996年12月1日。

[05]所述空变线性偏振光束的典型实例分别是径向偏振光束和切向偏振光束，有时也被分别简称为径向光束和切向光束。切向偏振光束也可被称为方位角偏振光束。这些光束的偏振模式(pattern)如图1A和图1B中所示，其中箭头示出光束偏振的局部定向。在这两种情况中，偏振方向都仅依赖于特定空间位置的方位角

并且与到光轴的径向距离r无关。这类偏振光束在本领域中有时被称为柱面矢量光束或偏振涡旋光束。术语“偏振涡旋”反映出偏振状态绕光束轴旋转并且在这类光束轴处未确定的事实，因此光束在光轴处的光强为零。这类偏振涡旋光束具有可在各种实际应用中使用的独特特性，例如用于粒子俘获(如作为光镊子)、微镜分辨率增强、自由空间通信以及光刻。

[06]如图1A和图1B中所示的切向和径向光束是偏振涡旋光束的两个示例。术语“偏振涡旋光束”在本文中指偏振空变的光束，所述光束在围绕光束轴通过闭合环路(如圆周轨迹)时，通过2π弧度或数倍2π弧度的方位角旋转，表现出偏振方向的持续改变。光涡旋是光束截面上的一个点，该点表现出异常相位，以便在围绕该点的任何圆周轨迹上，光辐射的电场以数倍2π弧度为周期变化。“偏振涡旋”为线性偏振状态，其中，类似地，偏振方向以数倍2π弧度为周期绕光轴变化。

[07]同样成立的是，偏振平面波可以通过名为琼斯矢量(Jones Vector)的2维复合矢量进行描述。极坐标中线性偏振涡旋的琼斯矢量由以下等式(1)给出：

[08]其中，m既是涡旋的偏振阶(polarization order)，也表示每方位角旋转的电场方向的旋转数量；

_l是方位角。θ_l0是常量参数，所述常量参数对于径向光束为0，并且对于切向光束为π/2弧度。通常，由等式(1)所描述的涡旋光束被称为m阶偏振涡旋光束。

[09]偏振沿光束截面改变的光束可以通过将均匀线性偏振光通过空变二分之一波片的方式来形成，所述空变二分之一波片具有跨越波片的π弧度的均匀延迟和具有在波片平面内变化的光轴，所述波片垂直于光束传播的方向。本领域中已经采用了几种方法以形成这种空变波片。美国专利6,972,906、美国专利7,190,521以及名义为Erez的美国专利申请2006/0126183中描述了用于空间操作入射光束的偏振依赖几何相位的空变偏振光学元件。所述元件包括方向连续改变的次级波长偏振光栅的多个区域，所述元件在基底上形成，所述基底在工作波长具有光透性。这种方法的一个缺陷在于制造近红外波长可视范围内的具有次级波长特性的光栅具有困难；Erez所描述的试验是在便于制作光栅特性的远红外波长(10.6μm)范围中进行的。

[10]Spilman和Brown两人的美国专利申请2007/0115551揭示了用于偏振转换的空变波片，其中在光轴方向中的空变通过对玻璃片施加外力而引发。所述方法事实上提供了光轴方向连续变化的波片，但是仅可以制造非常小的具有π延迟的环面，并且对于热诱导压力非常敏感，从而使其应用受到显著的限制。

[11]一种用于制造空变波片的具有吸引力的方法是利用发展完善的液晶(LC)技术。Chen等人在标题为“通过线性偏振紫外光制造的径向方位角取向的液晶定向模式”的文章中，Appl.Phys.Lett.68(7)，1996年2月12日，第885-887页，以及Stadler等人在前面提到的文章中，揭示了基于扭转向列(TN)液晶(LC)元件的偏振转换器，所述元件具有由切向或径向定向模式所确定的空变光轴，所述元件可以通过Chen文章中所述的曝光于偏振紫外线以及Stadler文章中所述的基底打磨来获得。

[12]上述方法中具有共同的缺陷，即不能产生偏振涡旋阶数m大于2的涡旋光束，或需要多个光学元件来产生涡旋光束。另外的缺陷是使用扭转向列液晶材料来制作波片，其中每个波片需要两个预先定向的基底。此外，众所周知扭转向列液晶在光功率处理能力方面受到限制。

发明内容

[13]本发明的目的之一在于克服现有技术中的不足，而提供一种相对简单和廉价的方法以及系统，所述方法以及系统用于制造基于稳定液晶的空变波片，所述空变波片可以将均匀线性偏振光转换成任意预先设定阶的偏振涡旋光束。

[14]本发明的另外一个目的在于提供稳定的光定向空变液晶波片，所述波片可以将均匀线性偏振光转换成任意预先设定阶的偏振涡旋光束。

[15]本发明的另外一个目的在于提供相对简单和廉价的方法以及系统，所述方法和系统通过偏振光定向基底以在所述基底上形成空变液晶波片。

[16]根据本发明的一种制造空变波片的方法，包括以下步骤：(a)提供由光定向材料制成的第一定向层；(b)采用偏振光穿过孔径照射所述第一定向层的一部分，以形成从所述第一定向层上的中心点径向延伸的曝光区域，所述偏振光具有适于在所述第一定向层中引发定向的波长；(c)以选定的角速度旋转所述第一定向层、所述孔径和所述偏振光的偏振方向三者中的至少两者，使得所述曝光区域绕所述中心点完成至少一次旋转，得到所述光定向材料相对于所述第一定向层上方位角位置的空间变化定向；以及(d)在所述第一定向层上形成由液晶材料制成的波片层，以便所述波片层的光轴在所述波片层的面内根据所述空间变化定向而改变，以便提供所述光轴的预设取向模式，所述光轴的预设取向模式取决于所述角速度的比率。

[17]根据本发明的一个方面，其中所述孔径具有带顶点的楔型部分，并且其中如果在步骤(c)中所述孔径旋转，则所述顶点被置于所述孔径的旋转轴上，或者如果在步骤(c)中所述第一定向层旋转，则所述顶点被置于所述第一定向层的旋转轴上。

[18]根据本发明的另一个方面，其中所述步骤(c)可以包括：所述基底以第一角速度ω₁至少完成一次旋转，以便在不同的时刻通过所述孔径将所述第一定向层的不同部分曝光于所述偏振光照射，同时以第二角速度ω₂旋转所述偏振光照射的偏振方向，其中所述ω₂等于(1-n/2)·ω₁，其中n为整数，并且同时使所述孔径相对于其顶点保持静止，所述孔径的顶点被置于所述基底的旋转轴上；或者其中所述步骤(c)可以包括：所述孔径以第三角速度ω₃绕其顶点至少完成一次旋转，以便在不同的时刻通过所述孔径将所述第一定向层的不同部分曝光于所述偏振光照射，同时以以第四角速度ω₄旋转所述偏振光照射的偏振方向，其中，所述ω₄等于(n/2-1)·ω₃，其中n为整数；或者其中所述步骤(c)可以包括：所述孔径以第五角速度ω₅旋转，同时保持所述偏振光照射的所述偏振方向静止并且同时以第六角速度ω₆旋转所述基底，其中ω₆等于(1-2/n)·ω₅，其中n为整数，以使得所述孔径相对于所述基底至少完成一次全程旋转，并且使得所述第一定向层的不同部分在不同的时刻通过所述孔径曝光于所述偏振照射。

[19]根据本发明的另一个方面提供一种空变偏振波片，包括：第一定向层和波片层；其中所述第一定向层由光定向材料制成；所述波片层由液晶材料制成并且被设置在所述第一定向层上，所述波片层具有空间变化光轴，其中所述空间变化光轴的方向角θ由所述第一定向层确定并且根据关系式θ＝·n/2+θ₀在所述波片层的面内发生改变，其中

为所述波片层上各位置的方位角，θ₀为常数参数，并且m为非零整数。

[20]本发明还提供一种在基底的定向层中产生空变定向模式的光学系统，包括偏振光源、孔径、旋转装置和控制装置；其中，所述偏振光源适于在所述定向层中引发定向；所述孔径位于所述偏振光源和所述定向层之间的偏振光的光路中，以便在所述定向层上形成从中心点径向延伸的曝光区域；所述旋转装置用于以选定的角速度旋转所述偏振光的偏振方向、所述孔径以及所述定向层三者中的至少两者，以便所述孔径的所述顶点位于所述孔径和所述定向层的相对旋转轴上；以及所述控制装置用于控制所述选定的角速度的比率。

附图说明

[21]下面将参考体现本发明优选实施方式的附图对本发明进行更详细的描述，所述附图中相同的元件标有相同的图标，其中：

[22]图1A是现有技术中径向偏振光束的示图；

[23]图1B是现有技术中切向偏振光束的示图；

[24]图2A是根据本发明的空变液晶波片的侧视图；

[25]图2B是具有切向光轴模式的图2A中空变液晶波片的一个实施例的平面图；

[26]图2C是具有径向光轴模式的图2A中空变液晶波片的另一个实施例的平面图；

[27]图3是根据本发明的空变液晶波片的光轴取向模式的示例；

[28]图4A是在空变液晶波片的定向层中用于引发连续空变定向的曝光装置的一个实施例的侧面示意图；

[29]图4B是图4A所述装置中的波片基底的横向定向示意图；

[30]图5是图4A所述装置中的定向层上的曝光区域的示图；

[31]图6是根据本发明方法在定向层中形成的涡旋阶(vortex order)为-1.5的涡旋定向模式示意图；

[32]图7是根据本发明的一个实施例的示例性波片制造方法的概括表；

[33]图8A是在空变液晶波片的定向层中用于引发连续空变定向的曝光装置的第二个实施例的侧面示意图；

[34]图8B是图8A所述装置中的波片基底的横向定向示意图；

[35]图9是本发明的空变液晶波片的总体方法步骤流程图；

[36]图10是本发明中空变液晶波片采用向列型液晶的另一个实施例的侧视示意图；

[37]图11是采用空变液晶波片的第一光学系统的示意图；

[38]图12是采用空变液晶波片的第二光学系统的示意图；

[39]图13是采用具有1/2、1和3/2阶的涡旋光轴模式的本发明的空变波片所获得的点扩散函数示意图。

具体实施例

[40]首先参考图2A，本发明提供一种用于制造空变光定向液晶(SVLC)波片10的装置以及方法，所述波片10可以形成基本上任何预定涡旋阶m的偏振涡旋光束。在图2A所示的实施例中，所述SVLC波片10采用液晶材料构成的波片层25，所述液晶材料如液晶高分子聚合物(LCP)，所述波片层25在此也被称作LC层25，其被设置在光定向材料构成的定向层20上，所述光定向材料如线性光聚合聚合物(LPP)，所述定向层20被依次设置在平面基底15上。LPP的一个实例是聚乙烯4-甲氧基-肉桂酸(polyvinyl 4-methoxy-cinnamate，PVMC)。LPP的分子取向通过曝光于线性偏振紫外线(LPUV)来设定，以形成LC材料的LC定向模式，从而获得波片层25的光轴(OA)的所需空间模式。在本发明说明书中，词组“光轴空间模式”或“空间光轴模式”意指，在感兴趣的平面中所定义的极坐标系

中，光轴取向对方位角的依赖关系，所述感兴趣的平面如波片层25的平面(如波片层表面)。所述SVLC波片10的光轴的方位角的改变可以通过同步的LPUV曝光旋转以及所述SVLC波片10相对于定向层20的偏振而实现。在LPUV曝光后，LPP层20被LCP涂覆达到特定厚度以便获得LCP镀膜的所需延迟性。在LPP层20中定向模式形成期间，LPUV光的方向不断地改变，并且由LCP镀膜形成的波片的光轴方向由LPP层中的光引发定向模式确定。

[41]本发明的方法可以制造具有空变光轴的光定向波片，在SVLC波片10上的每个位置处，所述空变光轴由以下等式(2)特定：

[42]等式(2)中，

代表各位置在波片的极坐标系统

中的方位角；θ代表方向角，所述方向角定义了相应于方位角

的位置处的光轴方向；α是光轴方向关于方位角

的角速率变化量；以及θ₀是相应于零方位角(即 )位置处的光轴方向角。

[43]图2B和图2C中示出了本发明的相应于α＝1的空变波片10的两个实施例，所述图2B和图2C为SVLC波片10的平面示图，即从波片层25的方向看。箭头33用于示出SVLC波片10的一些示例性位置处的光轴方向，所述位置距SVLC波片10的中心18的距离为r。图2C中的波片具有相应于θ₀＝0的径向定向光轴，图2B中的波片具有相应于θ₀＝π/2弧度的切向定向光轴。如图2B和图2C所示，对于波片上的特定位置“a”处，角

和θ关于波片面上的垂直坐标系(x，y)的x-轴而确定。在波片面内确定合适的x-轴和y-轴，以便所述(x，y)平面平行于基底/定向层的交界面。

[44]只有当α＝n/2时，光轴方向角θ对于所有的方位角是连续，其中n为整数。在本说明书中，由其中α＝n/2的等式(2)定义的2维方向模式被称为n/2阶的涡旋模式，其中系数α或者n/2被称为所述模式的涡旋阶。在本说明书中，具有由其中α＝n/2的等式(2)定义的空变光轴的波片也被称为n/2阶的涡旋波片、或被称为n/2-涡旋波片、或者被简单的称为涡旋波片，其中系数α或者n/2被称为所述波片的涡旋阶。如果使均匀线性偏振光束通过具有π延迟的n/2-涡旋波片，则可以形成阶m＝n的偏振涡旋光束。如图3所示为所述SVLC波片10的光轴的可能的涡旋取向模式，其中双向箭头示出相应于1.5、1.0、0.5、0、-0.5、-1.0以及-1.5阶的涡旋模式的局部光轴方向。

[45]在本发明方法的一个实施例中，采用LPP材料以形成定向层20，所述LPP材料例如是可以从ROLIC科技公司获得的ROLIC LPP ROP108/2CP；相应地，在本实施例中，所述定向层20也将被称为下文中的LPP层20。基底15优选采用在SVLC波片10的工作波长范围内具有光透性的材料制作。作为举例，所述SVLC波片10的工作波长范围可以被设计在540～550nm之间，尽管也可以选用其他波长范围。如下文中所述，工作波长范围的选取将确定LC层的所需厚度。作为举例，所述基底15采用玻璃衬底，更为优选的是采用具有2平方英寸的康宁1737F型玻璃，所述玻璃在其背面具有宽波段抗反射(AR)涂层。

[46]首先可以将基底15用可选的助粘剂旋转涂敷，所述助粘剂如合适的硅烷偶联剂，然后将LPP材料施加到助粘剂上以形成所述定向层20，或者直接将LPP材料施加到基底15上以形成所述定向层20，例如以液体形式通过旋转涂敷而成，或任何本领域人员所熟知的其他合适的方法。然后将所获得的结构(该结构在下文中一般被称为LPP涂敷基片15/20)在150～200℃温度下经过几分钟的热退火，或者烘焙，或者在合适的情况下将溶剂蒸发并且固定所述LPP层20，或者通过其他适当的方式。烘焙后的LPP层20的厚度通常在1～100nm之间，例如40nm。

[47]在下一步中，LPP涂敷基底15/20被转移入本发明的光学曝光装置中，其中定向层20经过LPUV曝光以在LPP层20中形成所需的取向模式。

[48]图4A中示出了一个根据本发明的LPUV曝光装置的实施例，图4B示出了涂敷LPP的基底15/20相对于装置100内的孔径125和偏光器115的横向(即，在所述SVLC波片10的平面内)定向。

[49]如图4A所示，LPUV曝光装置100包括紫外光源105，所述紫外光源105用于提供波长范围在280～400nm之间的非偏振紫外光110。使紫外光110通过如Moxtek线栅偏光器(WGP)的偏光器115，并且从所述偏光器115中导出LPUV光111，所述偏光器115被置于第一旋转台130的通孔中。举例来说，示出的紫外光源105包括紫外光(UV)灯103和椭圆或类似椭圆的反射器101，所述紫外光灯103如1kW汞弧光灯，所述反射器101用于收集紫外光灯103发出的紫外线。紫外线发光二极管、紫外线激光器(如氩激光器)、紫外线荧光灯以及Fusion紫外线灯是可以用于曝光系统100中代替紫外光源105的其他可选装置。

[50]涂敷有定向层20的基底15被置于第二旋转台150上，以使LPP定向层20的一部分曝光于所述LPUV光111。第一旋转台和第二旋转台可以采用但不限于纽波特(Newport)URM100PP、URS100BPP和URS150BPP旋转台，所述纽波特旋转台具有如UE41PP的步进电动机以及具有2英寸和3.5英寸的通孔。

[51]含有通光孔径125的孔径板120被设置在固定位置上，所述固定位置在所述LPUV光111的光路径中相邻于LPP定向层20。孔径板120优选平行于基底15设置并且与基底15邻近，例如相距1～3mm。图4B是将LPP层20、偏光器115以及孔径板120的楔型孔径125对准的平面示意图。在本发明的一个优选实施例中，孔径125成楔型或至少孔径125邻近定向层20的部分成楔型，并且具有顶点128，所述顶点128在平面视图中可以与定向层20的旋转中心点137a重合。举例来说，楔型孔径的顶角为5度，但在本发明的其他实施例中所述顶角角度可以在小于1度至90度的范围内，优选小于10度。合适顶角的最低限可以由例如孔径的制造能力、紫外光源的亮度以及LPUV曝光时间等限制因素决定。

[52]所述第一旋转台130和第二旋转台150通过控制线138电连接至运动控制器132，依次将所述运动控制器132通过通信线路连接至处理器190。所述运动控制器132被编程以控制第一和第二旋转台的旋转并且根据处理器190传送来的参数设置旋转角速度，所述参数包括第一和第二旋转台的初始位置设置参数，基底旋转台的结束位置参数或旋转角度参数，基底旋转台的旋转速度和旋转方向，偏光旋转台相对于基底旋转台的角速度比率。在一些实施例中，在紫外光110的光路径中可以具有光闸107以便控制曝光过程的开始和结束，其中，光闸107的开启或关闭可以通过控制器132响应来自处理器190的控制信号的方式触发。举例来说，所述控制器132可以采用纽波特通用运动控制器(NewportUniversal Motion Controller)ESP7000，并且处理器190可以采用通用计算机，其间具有USB连接。

[53]在操作中，含有LPP层20的基底15被设置在如上文所述的第二旋转台150上，并且第一旋转台130和第二旋转台150被设置在初始位置上。选择所述旋转台的初始位置以便提供偏光器115相对于LPP层20的所需初始方位，这将确定等式(2)中零方位角光轴方向角θ₀的值。

[54]一旦设置好第一旋转台130、第二旋转台150以及偏光器115的初始位置，所速第二旋转台150以第一角速度ω₁绕转轴126完成一次或多次基底15的全程转动。从紫外光源105射出的LPUV光111通过孔径125照射到定向层20的一部分上，以在定向层20上形成自中心点137a径向延伸的曝光区域170。图5示出定向层20的被照射面和从中心点137a径向延伸的曝光区域170。注意，中心点137a既可以与定向层20的几何中心对准，也可以不与定向层20的几何中心对准。当通过偏振紫外光照射时，LPP材料在平行于入射偏振光的方向有选择的聚合，如双向箭头166所示方向。当波片层25的LC材料随后与LPP层20直接接触时，所述LC材料与平均LC指向矢对准，所述LC指向矢平行于LPP层20中的聚合链的方向；所述过程可以辅以将LCP加热至50-55℃。换句话说，LPUV曝光引发定向层20中的分子定向模式，所述分子定向模式可以锁定LC波片层25中的分子，因而在定向层20的LPUV曝光期间，可以设置最终得到的LC波片10的局部光轴方向，使在各自位置处的光轴方向与LPUV光的偏振方向平行。该方法是本领域中已知的光引发LC定向，并且该方法被用于LCD的制造以及用于制造其他光定向偏振元件。在例如Schadt等人的美国专利号5,602,661和Chigrinov的等人的美国专利号5,389,689的专利文件中描述了这样的层结构，所述层结构包括各向异性的LCP薄膜，该薄膜与线性光聚合聚合体网络(LPP)的定向层相接触。在例如美国专利号5,539,074、6,201,087以及6,107,427的专利文件中公开了合适的LPP材料，并且该LPP材料包含了肉桂酸衍生物和阿魏酸衍生物。在本发明中，所述方法被用于在所述LPP层20中形成通常任意预定涡旋阶的涡旋定向模式，并且随后在LC波片层25中将这种涡旋定向模式转换成基本一致的涡旋光轴取向模式，因此形成预设涡旋阶的涡旋波片。

[55]当LPP涂敷基底15/20相对于孔径125旋转，或者在其他实施例中孔径125相对于基底15/20旋转时，曝光区域170也相对于中心点137a旋转，在图5中由弯箭头172示出，并且随后曝光区域移动至定向层20的不同部分，可以移动到如图中所示出的170a处。一旦曝光区域170绕中心点137a完成一次全程旋转后，盘型区域165被暴露于LPUV光111下，在不同时刻而曝光其不同的部分。基于这一特点，紫外光灯105可以被关闭以使得曝光过程停止，或者可以继续开启直到达到所需的照射剂量。

[56]取决于紫外光的强度，旋转台150(曝光区域170因而)可以进行两次或更多次全程旋转，以获得适于LPP定向的照射剂量。可选地，控制器132可以触发紫外光灯闸107使灯闸在曝光过程开始时开启，并且使灯闸在曝光过程结束时关闭。为了确保LPP层20的均匀曝光，楔型孔径125的顶点128优选定位于第二旋转台150的旋转轴137，所述LPP涂敷基底15/20绕所述旋转轴137旋转，中心点137a对应于所述旋转轴137与定向层20的曝光面的交点。为了方便对孔径顶点相对于基底旋转轴的位置进行精确调整，孔径板120可以被置于x-y显微测量台上(未示出)。

[57]举例来说，孔径125的孔径角123为5度，基底旋转的角速度ω₁为0.2rpm(转数/分)，以及相对于LPP涂敷基底15/20一次全程旋转的曝光过程持续为300秒，因此这种方式等于将LPP层20的全部方位角的位置暴露于LPUV111下。采用1kW汞弧光灯用于发射波长范围在300～340nm的光并且提供直径为大约100mm的曝光区域，则在300～340nm的波长范围内，LPP层20的每个曝光位置获得大约40mJ/cm²的紫外光照射量，我们发现这适合于引发所需的LPP层定向。对于定向层20的具体光定向材料，如果需要的话，采用更高强度的紫外光照射或者较慢的基底旋转将提供更高的紫外光剂量。

[58]通过第二旋转台150使得基底旋转的同时，偏光器115也可以第二角速度ω₂旋转。结果，曝光区域170上的各个紫外光偏振方向通常将会彼此不同，如图5中双向箭头166和167所示，并且因此在那些区域内将会引发不同的LPP材料定向取向。通过选择第二角速度ω₂使得其与第一角速度具有预定比率R，即使得第二角速度满足如下等式(3)：

ω₂＝R·ω₁， (3)

[59]预定的空变定向模式可以通过LPUV光在定向层20中被引发。通过选择角速度比率：

R＝1-n/2， (4)

[60]其中，n为整数，可以在LPP层20中产生用于制造n/2-涡旋波片所需的定向模式。注意，当基底和偏光器的旋转方向相反时，比率R为负值；当基底和偏光器的旋转方向相同时，比率R为正值。有利地，通过前述LPUV光曝光过程得到的涡旋定向模式，以及下述由图8A和图8B中所示方式得到的涡旋定向模式基本上是连续的，即光轴方向的空间取向平滑而没有方向突变。如图6所示，举例来说，涡旋定向模式195通过具有角速度比率R＝2.5的前述方式在定向层20中形成，即使得偏光器115的旋转速度相比基底150更快，为2.5倍。

[61]一旦空变定向模式通过前述紫外线曝光方法在LPP层20中被光引发，则将含有LPP定向层20的基底15从曝光装置100中取出，并且将合适的LCP前驱材料(precursormaterial)旋转涂敷于LPP定向层20，或者以其他方式将合适的LCP前驱材料沉积、涂敷或印刷在LPP定向层20上。在装置100中通过LPUV光曝光引发LPP层20中的空变定向模式，并根据所述空变定向模式，所述LPP定向层20使得LCP前驱材料和其光轴对准。所获得的结构可以首先通过提高温度被退火，并且随后LCP前驱层通过曝光于具有适合波长的非偏振紫外光而固化，以成为交联状态，使得LPP前驱材料聚合进入LCP中并且形成如图2A所示的LC波片层25。该过程通过后烘焙(post-bake)步骤而结束。一个合适的LCP材料例子是ROF-5151 LCP材料，所述材料可从ROLIC科技公司得到。图7中以表格的形式总结了根据本发明的空变光定向波片的制作过程的示例。

[62]LC层25的厚度d取决于涂敷于LPP层20的LCP前驱材料的数量，并且根据以下的等式(5)选择所述厚度d以得到当工作波长为λ的SVLC波片10的所需延迟：

d＝(λ/Δn)(N+Γ/2π)， (5)

[63]其中，Δn为双折射率，即当波长为λ时的LC波片层25的寻常折射率和非寻常折射率之差，以及作为波片阶数的N为非负整数。则通过公式(5)可得到零阶二分之一波片的LC层的厚度为d＝λ/Δn(N+1/2)。如果采用示例中的LCP材料，当λ＝550nm时，Δn值大约为0.103；因此，当工作波长λ＝550nm下的延迟为275nm时，波片25的物理厚度大约为2.7微米。

[64]上述制造过程用于制造光引发空变LC波片。在一个优选的实施例中，控制器132单独或与处理器128一起，被编程以控制第一旋转台130和第二旋转台150，使得第一角速度和第二角速度的比率R＝ω₁/ω₂可以维持在预定的数值。在更进一步的优选实施例中，通过等式(6)控制所述比率，即：

R＝(1-n/2)， (6)

[65]其中，用于某种具体波片的n可以是任意整数，即可以为0、正数或者负数。如果满足等式(6)的条件，通过前述曝光方法制造的SVLC波片10为n/2-涡旋波片。注意，选择n＝0相应于偏光器115和LPP涂敷基底15/20以相同的方向具有相同的角速度，并且所获得的波片具有单向光轴方向。

[66]如果偏光器115在紫外曝光时保持静止，即R＝0并且n＝2，则如图2B和图2C所示，在LPP层20中引发的定向模式和光轴方向模式都呈现出圆形对称，并且适于制造二阶偏振涡旋光束。有利地，通过同时旋转偏光器115和LPP涂敷基底15/20，可以制造具有n/2阶的空变涡旋波片，其中n不等于2。

[67]如前所述，光曝装置100采用穿过静止的楔型窄孔径的紫外线对LPP定向层20进行曝光，同时旋转LPP定向层20以及入射在其上的偏振紫外光111；结果是定向层的不同部分在不同时刻曝光于偏振紫外光中，其中在具体方位角处的LPUV曝光的偏振方向取决于各角速度的比率R。通过如下文中表格1所示数据举例说明，角速度比率R、所获得波片的涡旋阶α＝dθ/d

以及偏振涡旋光束的涡旋阶m之间的对应关系，所述偏振涡旋光束可以通过使均匀偏振光束通过所获得的空变波片而得到。

表格1

R	α	m
			-0.5	1.5	3
0	1.0	2
			+0.5	0.5	1
+1.0	0	0
			+1.5	-0.5	-1
+2.0	-1.0	-2
			+2.5	-1.5	-3

[68]在LPUV曝光过程中保持孔径125静止在本发明中并非必要条件。我们发现任意涡旋阶的空变涡旋定向模式可以在类似于装置100的曝光装置中，以所选的角速度旋转第一定向层20、孔径125以及LPUV光111的偏振方向的三者中的任意两者而得到。相应地，LPUV曝光装置的其他实施例可以包括旋转装置，在LPUV曝光期间，所述装置在保持基底15和偏光器115的其中之一静止的同时旋转孔径，或者所述装置旋转所述孔径，使所述偏光器115、孔径125以及基底15三者以所选相应的角速度旋转。

[69]图8A示出了根据本发明的LPUV曝光装置的第二个实施例200。类似于图4B，图8B示出了(从图8A中紫外光源205的方向看)定向层20、偏光器115以及孔径板120的瞬间相对位置的平面视图。注意，为了说明书的描述清楚，在图4A、图4B、图8A以及图8B中相同的元件标有相同的标号。曝光装置100和曝光装置200之间的不同之处在于，在曝光装置200中，孔径板120被置于第三旋转台131的透孔内，也称为孔径旋转台131。在工作中，孔径旋转台131由运动控制器132控制，以便楔型孔径125在曝光过程中以第三角速度ω3绕旋转轴141旋转；在图8B中以弯箭头151示出了该旋转。

[70]由于孔径125在LPUV曝光过程中旋转，从紫外光源205中发出的紫外光210必须照在孔径125的相对于定向层20的任意方位角位置上。如图8A所示的实施例中，相比从如图4A中装置100的紫外光源205中射出的紫外光束110，通过采用从紫外光源205发射出的具有较大直径的准直紫外光210来实现。可以作为替换地，具有偏光器115的紫外光源205可以被安装在孔径旋转台131上，相对于孔径125的固定位置处，以便所述孔径在旋转期间总是可以被照射到。在其他实施例中，可以采用与孔径旋转同步的光束扫描技术。

[71]LPUV曝光方法的一个实施例可以包括以下步骤：通过旋转孔径125同时保持基底15(LPP层20因而)静止，将定向层20的不同部分曝光于曝光装置200中。如果偏光器115在曝光过程中也保持静止，孔径125的一次全程旋转将在LPP层20中形成圆形对称定向模式，假设选定LPUV功率、孔径角速度以及孔径角区域，使得LPP层获得适当的紫外光照射量；如果孔径单次旋转不能提供足够的LPUV光照射量，则可以按需要进行孔径的多次旋转。

[72]不具有完全圆形对称的定向模式可以通过旋转偏光器115或者基底15，同时旋转孔径125而得到。在本方法的一个实施例中，LPUV曝光过程包括以下步骤：孔径125以第三角速度ω₃绕顶点128至少完成一次全程旋转，以使得在不同时刻将第一定向层的不同部分曝光于穿过所述孔径的偏振光中，同时通过以第四角速度ω₄旋转偏光器115而旋转LPUV光211的偏振方向，所述第四角速度ω₄满足下列等式(7)：

ω₄＝(n/2-1)·ω₃，(7)

[73]其中，n为整数。在本实施例中，基底保持静止，因此第二旋转台150是可选的并可以用基底支架所取代。随后当LC波片层25在定向层20的上部形成时，由在LPP层20中的LPUV曝光引发的定向模式锁定LC波片层25的光轴，因而获得的结构为n/2-涡旋波片，即其特征为空变光轴模式，所述模式满足等式(2)，其中α＝n/2。

[74]在另一个实施例中，采用曝光装置200的LPUV曝光方法包括以下步骤：以第五角速度ω₅旋转孔径125，同时保持偏光器115静止，并且因此偏振紫外光211的偏振方向静止并且以第六角速度ω₆旋转基底，所述第六角速度ω₆满足以下等式(8)：

ω₆＝(1-2/n)·ω₅，(8)

[75]其中，n为整数。在本实施例中，旋转基底和孔径直到孔径125相对于基底完成至少一次全程旋转，即如图5中示出的曝光区域170绕中心点137a完成一次全程旋转，以使第一定向层20的所有方位角位置都曝光于LPUV光，其中第一定向层20的不同部分在不同时刻被曝光。由于偏光器115保持静止，因此在本实施例中第一旋转台130为可选元件。

[76] 本领域技术人员可以领悟到，本文中所描述的如图4A、图4B、图8A以及图8B中的光学系统的实施例100和200仅仅作为举例说明之用，所述各图仅用于示出便于理解和实践本发明所需元件的示意性的代表实施例。所述本领域技术人员可以根据其特定需要修改实施例，并且许多这种所述的修改都是根据本发明的精神得到启示。例如，上述的光学系统100和200采用非偏振光的紫外光源105(如弧光灯)和偏光器115的组合。然而，可以采用线性偏振紫外光源(如紫外激光)，以省去偏光器115；如果那样的话，LPUV光的偏振方向可以通过旋转其自身光轴而使其旋转，或者采用偏振旋转器代替偏光器115。此外，如图4A和图8A中的汞弧光灯105和103仅仅作为示例，并且可以包括如紫外光反射镜、匀化器(集成器)、孔径、准直元件、电源以及光闸计时器等其他元件。

[77]尽管在前述实施例中，涡旋定向模式可以通过旋转孔径、基底和偏光器三个元件中的两者产生，并且第三个元件静止，但也可通过以选定角速度比率同时旋转全部三个元件使得在定向层20中得到所需的涡旋定向模式，以便引发满足等式(2)的定向模式。下一步，尽管在所示实施例中，LPUV光射垂直(成90度角)照到定向层20上，在其他实施例中，LPUV光可以不垂直方式照到定向层20上，例如在SVLC波片中需要O-板延迟器或者C-板延迟器组件的情况中。在具有O-板延迟器情况中，适于制造所述延迟器的LPP和LC材料可以被选择用于制造定向层20以及波片层25。O-板LC材料的光轴通常相对基底面具有倾斜角，因此可以作为面内(C-板)和面外(O-板)延迟件。

[78]如上所述，在一个优选实施例中，如果孔径125在LPUV曝光过程中旋转，则孔径125成楔型形状，其顶点位于孔径旋转轴141处；或者如果定向层20在LPUV曝光过程中旋转，则孔径125成楔型形状，其顶点位于定向层20的选转轴137处。尽管优选楔型孔径125，但是其他形状的孔径也具有潜在应用价值，如宽度远小于其长度的窄缝，所述窄缝的一端位于或靠近于孔径和基底的相对旋转轴。然而，所述孔径可能会产生偏差于等式(2)所确定的真涡旋模式的定向模式，所述偏差在涡旋中心相对较大，并且窄缝越宽则偏差越大。

[79]如图9所示，本发明用于制造如SVLC波片10的空变波片的方法，通常包括如下步骤：

[80]第一步310，在基底15上提供光定向材料的定向层20。如果所获得的波片用于透射，基底15优选为在波片的目标工作波长范围内至少具有光透性；但是在其他实施例中，如果所获得的波片用于反射，也可以选取具有光反射性的基底15。

[81]第二步320，定向层20的一部分由穿过孔径125的LPUV光照射，以形成自定向层20上的中心点径向延伸的曝光区域170，所述LPUV光的照射具有适于在定向层20内引发定向的波长和光强。

[82]第三步330，定向层20、孔径125以及LPUV光偏振三者中的至少两者被旋转，同时穿过所述孔径连续曝光定向层20的多个部分，以便曝光区域170绕定向层20上的中心点完成至少一次旋转，并且定向层20的盘状区域165被曝光于LPUV光照射。在优选实施例中，以一定的角速度完成旋转，所述角速度比率根据等式(4)、(7)或(8)得到，以便在定向层20内引发涡旋定向模式。

[83]第四步340，LC材料的波片层25在定向层上形成，以便液晶材料在定向层20中根据光引发涡旋定向模式进行定向。

[84]如上所述的实施例中，其中波片层的LC材料为LCP，步骤340可完成根据本发明的空变波片10的制造。

[85]然而，如应用于LCD领域的非聚合LC材料也可以被用于波片层25，并且在定向层20中采用合适的光定向材料。例如，在一个可替换实施例中，波片层25可由向列型液晶材料或扭转向列(TN)液晶材料制成，并且被插入在第一定向层20和第二定向层30之间，所述第二定向层30在第二基底35上形成，以获得如图10中所示的SVLC波片10a。因此在本实施例中，形成波片层25的步骤340可以包括：将LC材料放入在第一定向层20和第二定向层30之间形成的空腔内。第一定向层20和第二定向层30可以具有基本上如上文所述的定向结构。可以替换地，第二定向层30可以具有单向定向模式，使得邻接第二定向层30的波片层25的LC分子的方向一致。

[86]注意，在本领域中，例如聚酰亚胺的光定向材料而不是LPP被用于LC装置中LC分子的定向，因此这些材料也可以被用于本发明中以形成定向层20。

[87]图11示出采用根据本发明的空变波片10的简单光学系统400。在所述光学系统400中，空变波片10被设置在线性偏振光的准直光束401的光路径中，并将线性偏振光转换成偏振涡旋光束。波片10随后紧接着是准直镜410，并且准直镜410随后紧接着是偏光器420；线性偏振的会聚光束411在偏光器420的输出端形成。屏幕430或暗箱440可以被置于准直镜410的焦距位置上，以使得光学系统400的点扩散函数(PSF)可视化；PSF被理解为给定点光源对象的光学系统聚焦面内的光强度分布。

[88]有利地，空变波片10和偏光器420的结合将空变的Pancharatnam-Berry相位加入光束401，并且在某种程度上而言光学系统400的PSF形状很难通过其他方法实现。

[89]光学系统400中的准直镜410可以通过如图12所示的锥镜510代替，获得如图12所示的系统500。所述系统500将线性偏振光束410转变成贝赛耳(Bessel)光束511，即所述光束在光束截面的光强轮廓将通过贝赛耳(Bessel)函数描述。所述光束为非衍射光束，即在光的传播过程中光束的光强轮廓保持不变。有利地是，光束511的特性可被用于粒子的光学捕获，即所述光束511可被用作光镊子。

[90]图13示出在光学系统400中采用根据本发明的三种不同空变波片获得的九种PSF图像。最上面一行的图像对应通过涡旋阶为0.5的空变LC波片10得到的m＝1的一阶偏振涡旋光束；中间一行的图像对应通过第一涡旋阶的空变LC波片10得到的m＝2的二阶偏振涡旋光束；以及最下面一行的图像对应通过涡旋阶为1.5的空变LC波片10得到的m＝3的三阶偏振涡旋光束。左列、中列以及右列用于分别说明偏振器420对应于无偏振、平行偏振以及垂直偏振的效果。

[91]这些图像也说明当在光学系统500中采用各波片获得的贝赛耳光束的光强轮廓的质量。当所述贝赛耳光束被用作光镊子时，在如图13中左下部分的视图中，粒子可以在高光强可视亮点间的暗区内被捕获并且通过旋转偏光器420进行操作以便捕获所述粒子，所述偏光器420具有高阶涡旋光束可以同时捕获和操作大量的粒子。有利地，根据本发明的所述方法和装置可以提供任意涡旋阶的空变波片，以便高涡旋阶(m≥3)的偏振涡旋光束可以通过单个所述波片被制造出。

[92]注意，如上所述的根据本发明的具体实施例只是用于举例说明，并且相对于本领域技术人员显而易见的是，许多元件和步骤可以采用其他方法替代以适用于具体应用。

[93]在不超过本发明精神和范围的条件下，可以设计大量的其他实施方式。

Claims

1.一种制造空变波片的方法，包括以下步骤：

(a)提供由光定向材料制成的第一定向层；

(b)采用偏振光穿过孔径照射所述第一定向层的一部分，以形成从所述第一定向层上的中心点径向延伸的曝光区域，所述偏振光具有适于在所述第一定向层中引发定向的波长；

(c)以选定的角速度旋转所述第一定向层、所述孔径和所述偏振光的偏振方向三者中的至少两者，使得所述曝光区域绕所述中心点完成至少一次全程旋转，得到所述光定向材料相对于所述第一定向层上方位角位置的空间变化定向；以及

(d)在所述第一定向层上形成由液晶材料制成的波片层，以便所述波片层的光轴在所述波片层的面内根据所述空间变化定向而改变，以便提供所述光轴的预设取向模式，所述光轴的预设取向模式取决于所述角速度的比率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括：在基底上形成所述第一定向层，所述基底在工作波长范围内相对于光照射实质上具有光透性或者光反射性。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述孔径具有带顶点的楔型部分，并且其中如果在步骤(c)中所述孔径旋转，则所述顶点被置于所述孔径的旋转轴上，或者如果在步骤(c)中所述第一定向层旋转，则所述顶点被置于所述第一定向层的旋转轴上。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述步骤(c)包括：所述基底以第一角速度ω₁至少完成一次全程旋转，以便在不同的时刻通过所述孔径将所述第一定向层的不同部分曝光于所述偏振光照射，同时以第二角速度ω₂旋转所述偏振光照射的偏振方向，其中所述ω₂等于(1-n/2)·ω₁，其中n为整数，并且同时使所述孔径相对于其顶点保持静止，所述孔径的顶点被置于所述基底的旋转轴上。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述步骤(c)包括：所述孔径以第三角速度ω₃绕其顶点至少完成一次全程旋转，以便在不同的时刻通过所述孔径将所述第一定向层的不同部分曝光于所述偏振光照射，同时以第四角速度ω₄旋转所述偏振光照射的偏振方向，其中，所述ω₄等于(n/2-1)·ω₃，其中n为整数。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述步骤(c)包括：所述孔径以第五角速度ω₅旋转，同时保持所述偏振光照射的所述偏振方向静止并且同时以第六角速度ω₆旋转所述基底，其中ω₆等于(1-2/n)·ω₅，其中n为整数，以使得所述孔径相对于所述基底至少完成一次全程旋转，并且使得在不同的时刻通过所述孔径将所述第一定向层的不同部分曝光于所述偏振光照射。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述步骤(b)包括：使紫外光穿过偏光器而形成所述偏振光，并且所述步骤(c)包括旋转所述偏光器。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述步骤(b)包括：使紫外光穿过偏光器而形成所述偏振光，并且所述步骤(c)包括旋转所述偏光器。

9.根据权利要求2所述的方法，其中所述光定向材料包括：线性光聚合聚合体，并且所述偏振光为线性偏振紫外线光。

10.根据权利要求2所述的方法，其中所述液晶材料包括液晶聚合体。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述步骤(d)包括以下步骤：

在所述第一定向层上沉积液晶聚合体前驱材料；并且

通过将所述液晶聚合体前驱材料曝光于紫外光而使其进行聚合以形成所述波片层。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述液晶材料包括向列型液晶。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述步骤(d)包括：提供第二定向层，以便所述波片层被插入在所述第一定向层和所述第二定向层之间。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述液晶材料包括扭转向列型液晶，并且所述第二定向层具有单向定向方向特征，所述单向定向方向特征在所述第二定向层的面内不发生改变。

15.一种在基底的定向层中产生空变定向模式的光学系统，包括：

偏振光源，所述偏振光源适于在所述定向层中引发定向；

孔径，所述孔径位于所述偏振光源和所述定向层之间的偏振光的光路中，其中所述孔径具有带顶点的楔型部分，以便在所述定向层上形成从中心点径向延伸的曝光区域；

旋转装置，用于以选定的角速度旋转所述偏振光的偏振方向、所述孔径以及所述定向层三者中的至少两者，以便所述孔径的所述顶点位于所述孔径和所述定向层的相对旋转轴上；以及

控制装置，用于控制所述选定的角速度的比率。