CN102768472A - 一种数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法，利用一套基于DMD的投影式光刻系统，令准直后的紫外或蓝光束均匀照射到数控微镜阵DMD表面，计算机输出图形信号控制DMD各像素即单个微镜呈现不同反射状态实现掩模，即DMD各像素反射光实行图形信号的控制；所述光束通过显微物镜缩微后，经偏振片投射至表面涂有光控取向材料的基片上，控制光强、时间完成曝光，对曝光图案区域的液晶进行重新取向；与另一片基片组成液晶盒并灌晶，实现预定取向。该发明实现任意图形和取向方向的控制制备，在广视角液晶显示、可调光通讯器件、波前矫正、光束操纵等领域都具有潜在的重要应用。
Description
技术领域
本发明属于一种实现液晶选区取向控制的方法。具体的，利用数控微镜阵DMD作为动态掩模对光束不同区域反射状态的选择控制，实现对光控取向材料的无掩模曝光，进而实现对液晶的选区取向控制。涉及微光刻系统、液晶取向控制、电光可调元器件制备等若干技术领域。
背景技术
液晶在信息显示、光学及光子学器件等领域具有广泛应用。高质量的液晶取向控制是向列相液晶所有应用的一个先决条件。摩擦取向是产业界使用最广泛的技术，但是传统的摩擦取向方法容易产生静电、尘埃、摩擦沟痕等缺限，而且不适用多畴取向及曲面和结构取向。而光控取向是新近发展起来的一种非接触式的液晶取向方法，它利用光敏材料在紫外或蓝光偏光照射下发生定向光交联、异构化或光裂解反应而取向，克服了上述不足，具有重要的应用前景。
利用光控取向技术制备液晶器件可以实现相位调制、偏振调制、振幅控制等，适用于光开关、滤波器、可调光衰减器、可调焦透镜、液晶光栅以及空间光调制器等的制备，可广泛应用于通讯、成像、显示、传感和光学控制等领域。相比于机械调节或传统电光、磁光技术，液晶器件具有低电压、低能耗、无机械移动部件和高可靠性等优势。
现有的液晶选取光控取向技术主要有两种：一种是基于投影光刻技术的偏振光曝光。投影光刻技术是一种将掩模图案复制图形的微加工技术，需要特定的掩模板，图形的转换必须通过更换掩模版来实现，更换模版会涉及系列机械对准，因而工艺成本高，效率较低。由于光束经过基片后存在展宽现象，图形分辨率受到限制；而且不能够实现不同取向区域的任意偏振状态控制。另一种是利用全息干涉的方法获得周期性的液晶取向，其缺陷在于难以制备复杂图案。
本发明提出基于数控微镜阵（DMD）投影式光刻系统的任意图形和偏振状态的液晶取向技术方法。能够完全克服上述技术的缺陷，丰富完善图形结构的设计及器件的调谐操控维度，既满足现有元器件的制备需求，又打开了全新器件设计的大门。
发明内容
本发明的目的是，提出一种数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法与装置，设计一套基于DMD的投影式光刻系统，进而实现任意图形和偏振状态的液晶取向控制。
本发明的技术方案是，一种数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法，利用一套基于DMD的投影式光刻系统，令准直后的紫外或蓝光束均匀照射到DMD表面，计算机输出图形信号控制DMD各像素即单个微镜呈现不同反射状态实现掩模，即DMD各像素反射光实行图形信号的控制；所述光束通过显微物镜缩微后，经偏振片投射至曝光图案所在的表面涂有光控取向材料的灌液晶的基片，对曝光图案区域的液晶进行取向控制；控制光强、时间完成曝光；基片组合成液晶盒并灌晶，实现液晶的选区取向。
将涂有光控取向材料（光敏材料）的灌液晶基片置于像平面处曝光，控制光强、时间完成曝光。光控取向材料为偶氮染料、聚酰亚胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯类等在线偏光照射下能够引发分子排布的各向异性，并可取向液晶分子的材料。紫外或蓝光光束被透镜准直后，均匀入射在DMD表面。DMD作为反射式动态掩模，对入射光进行微区调制，然后缩微成像在基片表面。将微图案和偏振信息记录到光控取向材料上，实现液晶分子的取向控制。光控取向材料在紫外或蓝光线偏光照射下发生异构化、定向光交联或光裂解反应而引发分子排布的各向异性，并能够进一步通过分子间相互作用的传递取向液晶分子。
可利用本发明DMD微光刻系统将微图案和偏振信息记录到基片的光控取向材料上，然后将曝光后的基片组合成液晶盒并灌入液晶，即实现了液晶分子的取向控制。
数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的系统，即基于DMD的投影式光刻系统，其特征在于包括：光源组件、动态掩模生成组件、图形缩微组件、聚焦监控组件及精密调节载物台几个部分；光源组件由紫外或蓝光灯及光导管（也可为LED），准直透镜，可变光阑组成并依次通过光路连接；动态掩模生成组件由数控微镜DMD和计算机控制系统组成，计算机控制系统的图像信号输至DMD信号输入端；图形缩微组件由会聚透镜，显微物镜，偏振片组成；聚焦监控组件即实时监控系统由分束棱镜、CCD成像器件和连接CCD成像器件信号的计算机终端（监控电脑终端，与上述计算机控制系统终端是同一台电脑）组成；精密调节载物台由承载灌液晶基片的载物台，精密位移调节杆和固定支架组成。
紫外或蓝光光源发出的光经过光导管，以一定发散角出射。出射紫外或蓝光光束被透镜准直后，均匀入射在DMD表面。DMD为数控微镜阵器件，本发明中所使用的DMD共有1024×768个像素，也就是1024×768个独立可控的微小反射镜。如图2所示，每个像素（微镜，每个像素为边长13.68μm的正方形反射镜）可以通过由计算机控制加电来独立的绕轴偏转，使反射光进入和折出光路。计算机的图形输入即可使DMD成为反射式的动态掩模的信号源。入射光被DMD调制后反射，通过分光棱镜和显微物镜（实施例的光路中显微物镜数值孔径为0.3，放大倍率为10）后，缩微成像在置于像平面上的载物台固定的样品上。
依曝光环节分为一步曝光法和分步曝光法。一步曝光法为，将涂有光控取向材料的基片或液晶盒按照预设图形一步曝光，曝光区域取向相同，但与非曝光区域不同；
一步曝光法具体操作流程如下：
（a）清洗基片，然后涂布光取向材料，退火处理形成均匀薄膜；
（b）对两片基片用均匀的线偏光曝光获得初始取向；
（c）用DMD光刻系统对其中一片基片进行选区图形曝光，或组立成盒后两片基片同时曝光，旋转偏光片控制偏振方向与初始曝光偏振方向不同；
（d）在其中一片基片上喷涂空间粉，然后将两片基片胶合成盒，在清亮点以上灌入液晶。
分步曝光法为，利用DMD动态掩模不同区域的控制结合偏振片转角控制，对涂有光控取向材料的基片或液晶盒的不同区域分步曝光，可实现不同区域的液晶取向的分别控制。具体操作流程如下（如图3所示）：
（a）清洗基片，然后涂布光取向材料，退火处理形成均匀薄膜；
（b）对两片基片用均匀的线偏光曝光获得初始取向；
（c）用DMD光刻系统结合偏振片转角控制，对涂有光控取向材料的基片或组立成盒后两片基片的不同区域分步曝光；
（d）在其中一片基片上喷涂空间粉，然后将两片基片胶合成盒，在清亮点以上灌入液晶。
本发明的有益效果是：该发明提供了一种便捷实用的液晶选区光控取向方法，可以实现任意图形和取向方向的控制制备，并无需机械对准，在广视角液晶显示、可调光通讯器件、波前矫正、光束操纵等领域都具有潜在的重要应用。与传统掩模光照相比，本发明方法和系统可实现任意图形光刻而无需更换掩模，节约了掩模制作成本，全数字化操作，灵活方便。该系统用于液晶光控取向，可实现任意图形的液晶取向控制。由于是投影式曝光，可避免光束展宽造成的图形变形，并大大提高了分辨率。
本发明提出基于DMD投影式光刻系统的任意图形和偏振状态的液晶取向技术方法。由于分步曝光不会产生任何机械位移，因此多次曝光无需对准，并能实现不同区域的任意液晶取向方向的控制，进而控制出射光的偏振状态。能够完全克服上述技术的缺陷，丰富完善图形结构的设计及器件的调谐操控维度，既满足现有元器件的制备需求，又打开了全新器件设计的大门。
附图说明
图1DMD投影式光刻系统示意图。
图2DMD工作原理示意图。
图3一步曝光法制备液晶结构取向样品的示意图。
图4不同取向结构的液晶样品的显微镜照片，其中图4（a）展示了线宽为6.5μm的一维相位光栅，图4（b）展示了具有十二重对称性的二维准晶结构。
图5不同取向方向的液晶样品的显微镜照片。
图6不同取向方向的液晶样品的显微镜照片。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，而不是要用这些实施例来限制本发明。
如图1所示，工业CCD1、输入图形信号2、DMD3、光阑4、准直透镜5、光导管6、光源7、会聚透镜8、显微物镜9、偏振片10、基片11、载物台12、图形成像13、计算机输14、分束棱镜15、基片二16、基片一17。
利用基于DMD的光刻系统实现液晶选区光控取向。
数控微镜阵光刻系统组成为：405±10nm蓝光LED光源，通过直径50mm的平凸透镜，经可变光阑后均匀照射至DMD（1024×768个像素，最佳匹配紫外及蓝光波段），计算机通过CAD软件将图像控制信号输至DMD信号输入端；图形缩微透镜孔径50mm，焦距150mm，显微物镜数值孔径0.3，工作距离34mm，焦深3μm，放大倍率10倍，样品载物台前5cm处放置亚波长金属线栅偏振片（直径50mm，消光比大于2000：1）；聚焦监控组件即实时监控系统中的分束棱镜尺寸25mm×25mm、CCD成像器件选用工业紫外可见近红外成像CCD并通过USB与计算机终端连接；载物台精密位移调节杆行程均为25mm，精度1μm。
ITO玻璃切成合适大小，两边长分别为1.4cm和2cm，然后用丙酮或酒精进行超声清洗30分钟以上。在100C烘箱里烘干100分钟后，进行UVO清洗以增加浸润性和粘附性。将偶氮类光取向材料SD1，旋涂在基片上，旋涂参数为：低速旋涂5秒，转速800转/分钟，高速旋涂30秒，转速3000转/分钟。旋涂完毕后放在热台上以70C烘干10分钟。
用蓝光405nm LED透过偏振片垂直曝光（5J/cm2），在两片上获得均匀的初始取向。然后，将其中一片基片放置在DMD光刻系统的焦平面上。选择需要曝光的图形，用电脑将其输出到DMD表面，并将偏振片的偏振方向调节为与原曝光方向垂直，再次曝光（5J/cm2）。二次曝光的区域的取向方向将于其余区域垂直。
在其中一片基片上均匀喷涂直径为6μm的空间粉，然后将两片基片做成液晶盒，在清亮点以上灌入液晶E7。自然冷却至室温后，液晶分子将重新取向，两片基板取向层方向相同的区域，液晶分子呈平行取向(PA取向)；取向层方向相互垂直的区域，液晶分子将呈90°扭转向列向(TN取向)。如图4所示，在垂直偏振片的观测下，TN区域呈亮态，PA区域呈暗态。
用以上方法制备的液晶盒，部分区域的液晶分子为平行取向，其余部分为扭转向列取向。图4a展示了线宽为6.5μm的一维相位光栅，图4b展示了具有十二重对称性的二维准晶结构。
实施例2
利用基于DMD的光刻系统实现偏振控制器阵列的制备。
利用DMD光刻系统以及与实施例1相似的步骤，使用1000W紫外光源，肉桂酸酯类光控取向剂。在对基片2进行曝光的时候，如图5所示，首先让DMD输出图形“NJU”字样，调整偏振片方向，使得曝光区域的取向方向与基片1的取向方向垂直。然后改变DMD的输出图形，依次曝光图5中的各圆形区域，每次曝光的时候选用不同的偏振片方向。曝光结束后依照实例1的步骤(4)将两片基片组成液晶盒。通过这种方法，在液晶盒的不同区域，液晶分子将具有不同的扭转角度。此处，“NJU”字样和右上角的圆形图案为90°TN区域，这些区域在垂直偏振片下亮度最高。其余的8个圆环依次为80°、70°、60°…10°TN区域，其灰度也依次递减，这是因为线性偏振光通过这些区域后，被扭转的液晶分子改变了偏振方向，最终只有和检偏片方向相同的光分量才能被观测到，因此在偏光显微镜下这些区域呈现不同灰度。液晶盒的这些区域将对垂直入射的线性偏振光有不同角度的偏振旋转作用，举例说明，对扭转角度为50°的TN区域而言，入射偏振光的偏振方向将被扭转50°后从下基板出射。
实施例3
利用基于DMD的光刻系统实现相位延迟器阵列的制备。
利用DMD光刻系统以及与实施例1及2相似的步骤，使用1000W紫外光源，聚酰亚胺类光控取向剂。先将两片同向取向的基片制成液晶盒。然后利用DMD光刻系统逐步曝光，首先让DMD输出图形“NJU”字样，调整偏振片方向，使得曝光区域的取向方向与两基片的取向方向垂直。然后改变DMD的输出图形，依次曝光图6中的各数字区域，每次曝光旋转不同的偏振片方向。如图中数字所示，液晶取向与预设取向的夹角依次为90°、80°、70°、60°…10°。曝光结束后在清亮点附近灌入液晶。这样，曝光区域和未曝光区域均为PA取向，但是各曝光区域的取向方向均不同。对线性入射的偏振光而言，这些区域会引发不同的相位延迟。
Claims (9)
1.一种数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法，其特征是利用一套基于DMD的投影式光刻系统，令准直后的紫外或蓝光束均匀照射到数控微镜阵DMD表面，计算机输出图形信号控制DMD各像素即单个微镜呈现不同反射状态实现掩模，即DMD各像素反射光实行图形信号的控制；所述光束通过显微物镜缩微后，经偏振片投射至表面涂有光控取向材料的基片上，控制光强、时间完成曝光，对曝光图案区域的液晶进行重新取向；与另一片基片组成液晶盒并灌晶，实现预定取向。
2.由权利要求1所述的数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法，其特征是将涂有光控取向材料即光敏材料的灌液晶基片置于像平面处曝光，控制光强、时间完成曝光；光控取向材料为偶氮染料、聚酰亚胺、聚乙烯醇或肉桂酸酯；
由权利要求1或2所述的数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法，其特征是DMD作为反射式动态掩模，对入射光进行微区调制，然后缩微成像在基片表面；将微图案和偏振信息记录到光控取向材料上，实现液晶分子的取向控制。
3.由权利要求1所述的数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法，其特征是依曝光环节分为一步曝光法和分步曝光法；一步曝光法为，将涂有光控取向材料的基片或液晶盒按照预设图形一步曝光，曝光区域取向相同，但与非曝光区域不同；操作流程如下：
清洗基片，然后涂布光取向材料，退火处理形成均匀薄膜；
对两片基片用均匀的线偏光曝光获得初始取向；
用DMD光刻系统对其中一片基片进行选区图形曝光，或组立成盒后两片基片同时曝光，旋转偏光片控制偏振方向与初始曝光偏振方向不同；
在其中一片基片上喷涂空间粉，然后将两片基片胶合成盒，在清亮点以上灌入液晶。
4.由权利要求4所述的数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法，其特征是分步曝光法为，利用DMD动态掩模不同区域的控制结合偏振片转角控制，对涂有光控取向材料的基片或液晶盒的不同区域分步曝光，实现不同区域的液晶取向的分别控制，操作流程如下：
清洗基片，然后涂布光取向材料，退火处理形成均匀薄膜；
对两片基片用均匀的线偏光曝光获得初始取向；
用DMD光刻系统结合偏振片转角控制，对涂有光控取向材料的基片或组立成盒后两片基片的不同区域分步曝光；
在其中一片基片上喷涂空间粉，然后将两片基片胶合成盒，在清亮点以上灌入液晶。
5.由权利要求1-3之1所述的数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法，其特征是通过分光棱镜的另一路光由工业CCD用来做实施监控，确保CCD和DMD相对于分光棱镜等光程，当基片处在像平面时，基片表面的反射光将被显微物镜接收并在CCD上形成清晰的像。
6.数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的系统，其特征在于包括：光源组件、动态掩模生成组件、图形缩微组件、聚焦监控组件及精密调节载物台几个部分；光源组件依次由紫外或蓝光光源及光导管，准直透镜，可变光阑组成；动态掩模生成组件由数控微镜DMD和计算机控制系统组成，计算机控制系统的图像信号输至DMD信号输入端；图形缩微组件由会聚透镜，显微物镜，偏振片组成；聚焦监控组件即实时监控系统由分束棱镜、CCD成像器件和连接CCD成像器件信号的计算机终端组成；精密调节载物台由承载液晶基片的载物台，精密位移调节杆和固定支架组成。
7.紫外或蓝光光源发出的光经过光导管，出射紫外或蓝光光束被透镜准直后，均匀入射在DMD表面；DMD为数控微镜阵器件，DMD共有1024×768个像素，也就是1024×768个独立可控的微小反射镜。
8.每个像素（微镜，每个像素为边长13.68μm的正方形反射镜）通过由计算机控制加电来独立的绕轴偏转，使反射光进入和折出光路；计算机的图形输入即可使DMD成为反射式的动态掩模的信号源。
9.利用基于DMD的光刻系统实现液晶选区光控取向的方法，在广视角液晶显示、可调光通讯器件、波前矫正、光束操纵领域的应用。
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