CN106647045A - 一种液晶选区光控取向装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶选区光控取向装置，包括光源模块、图案复制模块和工件姿态调整模块，光源模块，用于提供工件进行投影曝光的光源；图案复制模块，用于读取、投射和复制图像到工件上；其包括空间光调制器和投影光学系统，空间光调制器根据接收的信号，调制入射光，获得工件上所需光取向的偏振分布信息，光源模块投射在空间光调制器表面的均匀强度照明的光场分布被空间光调制器调制，调制后的光束通过投影光学系统使位于其像方工作面上的光敏材料变性；工件姿态调整模块，用于监控和调整工件的空间姿态，以使工件姿态满足曝光取向要求。本发明提供在不使用掩膜板情况下，实现对液晶选区任意图案和偏振状态的取向控制。

Description

一种液晶选区光控取向装置及其方法

技术领域

本发明涉及光学元器件制造领域，特别涉及一种液晶选区光控取向装置及其方法。

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、摩擦沟痕等缺陷，而且不适用于多畴取向及曲面和结构取向。

近年来随着科学技术发展，一种新的非接触式的液晶光控取向方法被提出，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，克服了传统方法不足，具有重要的应用前景。现有的液晶选区光控取向技术主要有两种：一种是利用全息干涉的方法获得周期性的液晶取向，该技术难以制备复杂图案，应用领域狭窄。另一种是基于投影光刻技术的偏振光曝光，存在以下缺点：需通过更换不同掩模板来实现不同图案的复制，复杂模板和大尺寸模板的制造成本高；模板的更换涉及精密对准，对加工装置机械要求高，产出效率低；由于光束经过模板基片后存在展宽现象，复制图形分辨率也受到限制；不能实现不同取向区域的任意偏振状态控制。

发明内容

发明目的：为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种基于空间光调制器实现液晶任意取向控制的光学装置，进而在不使用掩膜板情况下，实现对液晶选区任意图案和偏振状态的取向控制。

技术方案：一种液晶选区光控取向装置，包括光源模块、图案复制模块和工件姿态调整模块，

光源模块，用于提供工件进行投影曝光的光源；

图案复制模块，用于读取、投射和复制图像到工件上；其包括空间光调制器和投影光学系统，空间光调制器根据接收的信号，调制入射光，获得工件上所需光取向的偏振分布信息，光源模块投射在空间光调制器表面的均匀强度照明的光场分布被空间光调制器调制，调制后的光束通过投影光学系统使位于其像方工作面上的光敏材料变性；

工件姿态调整模块，用于监控和调整工件的空间姿态，以使工件姿态满足曝光取向要求。

进一步的，所述光源模块包括曝光光源、光束均匀化组件、中继镜组和光路转折组件，曝光光源出射光束经光束均匀化组件、中继镜组、光路转折组件投射到图案复制模块的工作面。

进一步的，所述光束均匀化组件包括聚光镜组和光学积分棒，聚光镜组将曝光光源出射光耦合到光学积分棒入射端面，光束在光学积分棒内部多次反射，光场强度在光学积分棒出射端面均匀化。

进一步的，所述中继镜组的光路是双远心光路，其包括前镜组、后镜组和孔径光阑；光束均匀化组件出射光束依次经前镜组、第一孔径光阑、后镜组出射，第一孔径光阑在后镜组的前焦平面上。

进一步的，所述光路转折组件包括光楔和平面反射镜，光束经过光楔后像面法线与中继镜组光轴成一夹角，再经平面反射镜转折投射到图案复制模块工作面上。

进一步的，所述的投影光学系统包括投影物镜组、起偏组件，空间光调制器根据接收的信号，调制入射光，经投影物镜组和起偏组件将图案投射复制到工件上。

进一步的，所述空间光调制器的工作面与光源模块的像面重合。

进一步的，所述投影物镜组的光路是双远心光路，包括准直镜组、聚焦镜组和第二孔径光阑；所述空间光调制器的工作面在准直镜组的前焦面上，工件在聚焦镜组的后焦面上；准直镜组后焦面与聚焦镜组前焦面重合，且与第二孔径光阑重合。

进一步的，所述起偏组件能沿表面法线方向任意角度旋转，且法线平行于投影物镜组光轴；起偏组件位于所述投影物镜组第二孔径光阑面上。

进一步的，所述工件姿态调整模块包括探测组件、变焦物镜组、二向色性分光镜、聚焦镜组和工件支撑组件；探测组件发出的探测光束依次经变焦物镜组、二向色性分光镜、聚焦镜组照射在工件表面，工件置于工件支撑组件上，工件的反射光沿逆向光路回到探测组件；工件支撑组件接收图案复制模块探测结果改变空间姿态。

进一步的，所述探测组件包括监测光源、分划板、分光元件、探测器；所述监测光源波长与所述光源模块波长不同。

进一步的，所述变焦物镜组的物面与分划板重合，且与探测器工作面重合；变焦物镜组的像面在变焦位置A与聚焦镜组前焦面重合，在变焦位置B位于无穷远处。

进一步的，所述聚焦镜组是针对光源模块波长和监测光源波长的消色差物镜组。

进一步的，所述工件支撑组件至少包含三个维度的调整结构：沿图案复制模块光轴的位移、与图案复制模块光轴垂直平面内的俯仰和偏摆。

本发明还提供了一种液晶选区光控取向方法，包括如下步骤：

首先，图案复制模块接收需复制的混合方向取向图案信息，将其分解为N个单一方向取向图案；

其次，工件姿态调整模块监控和调整工件的空间姿态，工件姿态调整模块中的探测光源打开后调节变焦距物镜组到变焦位置A，通过探测器接收图像判别工件支撑组件上工件的取向剂涂层是否垂直于光轴，若不垂直则进行调平过程；调平结束后调节变焦距物镜组到变焦位置B，通过探测器接收图像判别工件支撑组件上工件的取向剂涂层是否在聚焦镜组的后焦面上，若不在焦面进行调焦过程；调平、调焦过程结束后，关闭工件姿态调整模块中的监测光源；

然后，启动用于提供工件进行投影曝光光源的光源模块，打开光源模块中的曝光光源；

最后，图案复制模块中的空间光调制器读取第一幅子图像，旋转线偏振片使起偏方向与该子图像取向方向一致，依次进行图像复制直至所有子图像完成复制。

有益效果：相对于现有技术，本发明采用空间光调制器作为可变掩膜板，对于复杂取向分布的液晶制作来说减少了固定掩膜板使用；通过将复杂取向分布分解为多个线偏振分布，通过控制出射光的偏振状态，实现不同区域的任意液晶取向方向的控制；因为复杂取向分布的多次曝光仅需一次对准，分步曝光不会产生任何机械位移，降低了加工装置机械结构复杂性；工件姿态调整模块保证了被复制工件与系统光轴的垂直度和离焦量，提高了被复制工件上的图案的分辨率/精细程度。

附图说明

图1是本发明的液晶选区光控取向装置的结构示意图；

图2是本发明的液晶选区光控取向装置中光源模块的光路示意图；

图3是本发明的液晶选区光控取向装置中空间光调制器工作原理示意图；

图4是本发明的液晶选区光控取向装置中图案复制模块的光路示意图；

图5(a)是本发明的液晶选区光控取向装置中调平模式下工件姿态调整模块的光路示意图，图5(b)是本发明的液晶选区光控取向装置中调平模式的分划板图案和探测器接收图像；

图6(a)是本发明的液晶选区光控取向装置中调焦模式下工件姿态调整模块的光路示意图，图6(b)是本发明的液晶选区光控取向装置中调焦模式的分划板图案和探测器接收图像；

图7是本发明的液晶选区光控取向方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的实施案例进行详细的描述；

如图1所示，本发明所述的一种液晶选区光控取向装置，包括光源模块、图案复制模块和工件姿态调整模块三部分。图案复制模块中的空间光调制器接收计算机信号，获得工件15上所需光取向的偏振分布信息，光源模块投射在其表面的均匀强度照明的光场分布被空间光调制器调制。调制后的光束通过投影光学系统使位于其像方工作面上的光敏材料变性。在投影曝光流程前，工件姿态调整模块中的调平调焦光路监控被曝光工件的空间姿态，计算机控制工件支撑结构改变，使工件15姿态满足曝光取向要求。

所述的光源模块包括曝光光源1、光束均匀化组件、中继镜组和光路转折组件。光源模块中曝光光源1出射光束经均匀化组件、中继镜组、光路转折组件投射到工作面。所述的光束均匀化组件包括聚光镜组和光学积分棒3。聚光镜组将曝光光源1出射光耦合到光学积分棒3入射端面，光束在光学积分棒3内部多次反射，光场强度在光学积分棒3出射端面均匀化。所述中继镜组的光路是像方远心光路，包括前镜组、后镜组和第一孔径光阑5。光学积分棒3出射光束依次经前镜组、第一孔径光阑5、后镜组出射，第一孔径光阑5在后镜组的前焦平面上。所述光路转折组件包括光楔和平面反射镜9，光束经过光楔后像面法线与中继镜组光轴成一夹角，再经平面反射镜9转折投射到工作面上。所述的图案复制模块包括空间光调制器、投影物镜组、起偏组件和计算机。图案复制模块中空间光调制器接收计算机信号，调制入射光，经投影物镜组和起偏组件将图案投射复制到工件15。所述空间光调制器的工作面与光源模块的像面重合。所述投影物镜组的光路是双远心光路，包括准直镜组10、聚焦镜组14和第二孔径光阑12。上述空间光调制器的工作面在准直镜组10的前焦面上，工件15在聚焦镜组14的后焦面上。准直镜组10后焦面与聚焦镜组14前焦面重合，且与第二孔径光阑12重合。所述起偏组件能沿表面法线方向任意角度旋转，且法线平行于投影物镜组光轴。起偏组件位于上述投影物镜组第二孔径光阑12面上。所述的工件姿态调整模块包括探测组件、变焦物镜组、二向色性分光镜、聚焦镜组14和工件支撑组件16。探测组件发出的探测光束依次经变焦物镜组、二向色性分光镜、聚焦镜组14照射在工件15表面，工件15置于工件支撑组件16上，工件15的反射光沿逆向光路回到探测组件。工件支撑组件16接收计算机的探测结果改变空间姿态。所述探测组件包括监测光源、分划板18、分光元件、探测器。所述监测光源波长与上述光源模块波长不同。所述变焦物镜组的物面与分划板18重合，且与探测器工作面重合。变焦物镜组的像面在变焦位置A与聚焦镜组14前焦面重合，在变焦位置B位于无穷远处。所述工件姿态调整模块内的聚焦镜组14与图案复制模块的聚焦镜组14是同一组件。所述聚焦镜组14是针对光源模块波长和监测光源波长的消色差物镜组。所述工件支撑组件16至少包含三个维度的调整结构：沿图案复制模块光轴的位移、与图案复制模块光轴垂直平面内的俯仰和偏摆。

本实施例中所使用的空间光调制器是微反射镜阵列装置8(Digital MicromirrorDevice，DMD)。该实例中的二向色性分光片11具有对405nm光高反射率、对520nm光高透射率的光学性质。光源模块中的曝光光源1为波长405nm的LED经聚光反射镜2会聚照射在光学积分棒3的前端面上。光束在光学积分棒3中经多次内反射，在出射端面均匀化。均匀化的光束经耦合镜组4、第一孔径光阑5、投影物镜6在微反射镜阵列装置8表面。在投影物镜6和微反射镜阵列装置8之间有光楔7和平面反射镜9转折光路。工作状态下微反射镜阵列装置8反射光束经准直镜组10准直，光束被二向色性分光片11反射，经第二孔径光阑12面上线偏振片13和聚焦镜组14投射在工件15上。图案复制前，波长为520nm的监测光源17发出的光照亮分划板18，透射经过分划板18的光束被50:50分光片19反射，依次经变焦距物镜组20、二向色性分光片11、线偏振片13、聚焦物镜14投射到工件15表面。工件15的反射回光依次经聚焦物镜14、线偏振片13、二向色性分光片11、变焦距物镜组20、分光片19透射成像在CCD探测器21的工作面上。计算机接收CCD探测器21的探测图像反馈工件15的空间姿态，控制工件支撑组件16的上支撑面发生竖直位移、俯仰和偏摆的运动变化。

如图2所示，波长为405nm的曝光光源1在自由空间中发光，其光强分布不均匀，曝光光源1的发光中心与椭球面反射镜2的一个焦点重合。光束在椭球面反射镜2的另一个焦点处聚焦，与光学积分棒3的一个端面重合。光学积分棒3内满足全反射条件的光线多次反射，在另一端面处得到均匀化光强。耦合镜组4与投影物镜6组成的光学系统的物面与光学积分棒3的端面重合，两镜组间的第一孔径光阑5位于投影物镜6的焦平面上，通过调节第一孔径光阑5的大小可以改变出射光束光强。投影物镜6出射光束经过光楔7后主光轴发生偏折，光束经平面反射镜9所成像面与微反射镜阵列装置8芯片表面重合。

如图3所示，微反射镜阵列装置8是由微小杠杆驱动的微反射镜组成的阵列，工作时微反射镜有两种翻转状态，其中接收二值图像像素值为“1”的微反射镜将一定角度入射的光束沿微反射镜阵列装置8法线方向反射，而像素值为“0”的微反射镜则将入射光反射偏离法线方向。

如图4所示，微反射镜阵列装置8上微反射镜反射的光束经准直镜组10准直，光束被405nm高反射率的二向色性分光片11反射经过位于孔径光阑面12上的线偏振片13起偏。线偏振光经聚焦镜组14在涂有液晶取向剂的工件15表面成像。其中准直镜组10、第二孔径光阑12和聚焦镜组14构成双远心光路，即微反射镜阵列装置8在准直镜组10的前焦面，准直镜组10的后焦面与聚焦镜组14的前焦面重合，且与第二孔径光阑12重合，工件上的液晶取向剂涂层与聚焦镜组14的后焦面重合。

如图5a所示，工件15加工前应保证取向剂涂层面与图案复制模块的光轴垂直，因此工件姿态调整模块采用辅助探测手段驱动支撑工件的载物台的水平度，其过程称之为调平。调平模式下波长为520nm的监测光源照亮分划板18，调平过程中使用的一种分划板18如图5b所示的分划板部分18a，分划板18白色部分为透光区域。经过分划板部分18a的光束被50:50分光片19反射进入变焦距透镜组20，此时透镜组20的变焦状态为像面在孔径光阑面12上，记为变焦位置A。光束依次经线偏振片13、聚焦镜组14准直为平行光束。聚焦镜组14针对405nm和520nm消色差，保证双波长下的聚焦镜组14的焦点位置不变。若工件15上的取向剂涂层面与图案复制模块的光轴垂直，光线沿原路返回经分光片19聚焦在CCD探测器21工作面上，呈现上下左右对称的图像。若工件15上的取向剂涂层面与图案复制模块的光轴不垂直，光线发生小角度偏折，经分光片19聚焦在CCD探测器21工作面上的图像不再呈现对称现象，此时通过调整工件支撑组件16的俯仰、偏摆角度使CCD探测器21接收图像对称。

如图6a所示，工件15加工前应保证取向剂涂层面与聚焦镜组14的后焦面重合，因此工件姿态调整模块采用辅助探测手段驱动支撑工件的载物台的垂直位置，其过程称之为调焦。调焦模式下波长为520nm的监测光源照亮分划板18，调平过程中使用的一种分划板18如图6b所示的分划板部分18b，分划板18白色部分为透光区域。经过分划板部分18b的光束被50:50分光片19反射进入变焦距透镜组20，此时透镜组20的变焦状态为像面在无穷远处，记为变焦位置B。光束依次经线偏振片13、聚焦透镜组14聚焦。若工件15上的取向剂涂层面与聚焦镜组14的后焦面重合，反射回光经分光片19聚焦在CCD探测器21工作面上成像清晰。若工件15上的取向剂涂层面与聚焦镜组14的后焦面不重合，经分光片19聚焦在CCD探测器21工作面上的图像线条将展宽模糊，此时通过调整工件支撑组件16的垂直高度使CCD探测器21接收图像清晰。

如图7所示，一种液晶选区光控取向方法包括：图案复制模块中的计算机接收需复制的混合方向取向图案信息，将其分解为N个单一方向取向图案。工件姿态调整模块中的探测光源17打开后调节变焦距物镜组20到变焦位置A，通过CCD探测器21接收图像判别工件支撑组件16上工件15的取向剂涂层是否垂直于光轴，若不垂直则进行调平过程。调平结束后调节变焦距物镜组20到变焦位置B，通过CCD探测器21接收图像判别工件支撑组件16上工件15的取向剂涂层是否在聚焦镜组14的后焦面上，若不在焦面进行调焦过程。调平、调焦过程结束后，关闭监测光源17，打开光源模块中的曝光光源1，微反射镜阵列装置8读取第一幅子图像，旋转线偏振片13使起偏方向与该子图像取向方向一致。依次进行图像复制直至所有子图像完成复制。

Claims (15)

1.一种液晶选区光控取向装置，其特征在于，包括光源模块、图案复制模块和工件姿态调整模块，

光源模块，用于提供工件进行投影曝光的光源；

图案复制模块，用于读取、投射和复制图像到工件上；其包括空间光调制器和投影光学系统，空间光调制器根据接收的信号，调制入射光，获得工件上所需光取向的偏振分布信息，光源模块投射在空间光调制器表面的均匀强度照明的光场分布被空间光调制器调制，调制后的光束通过投影光学系统使位于其像方工作面上的光敏材料变性；

工件姿态调整模块，用于监控和调整工件的空间姿态，以使工件姿态满足曝光取向要求。

2.根据权利要求1所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述光源模块包括曝光光源、光束均匀化组件、中继镜组和光路转折组件，曝光光源出射光束经光束均匀化组件、中继镜组、光路转折组件投射到图案复制模块的工作面。

3.根据权利要求2所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述光束均匀化组件包括聚光镜组和光学积分棒，聚光镜组将曝光光源出射光耦合到光学积分棒入射端面，光束在光学积分棒内部多次反射，光场强度在光学积分棒出射端面均匀化。

4.根据权利要求2所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述中继镜组的光路是双远心光路，其包括前镜组、后镜组和孔径光阑；光束均匀化组件出射光束依次经前镜组、第一孔径光阑、后镜组出射，第一孔径光阑在后镜组的前焦平面上。

5.根据权利要求2所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述光路转折组件包括光楔和平面反射镜，光束经过光楔后像面法线与中继镜组光轴成一夹角，再经平面反射镜转折投射到图案复制模块工作面上。

6.根据权利要求1所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述的投影光学系统包括投影物镜组、起偏组件，空间光调制器根据接收的信号，调制入射光，经投影物镜组和起偏组件将图案投射复制到工件上。

7.根据权利要求6所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述空间光调制器的工作面与光源模块的像面重合。

8.根据权利要求6所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述投影物镜组的光路是双远心光路，包括准直镜组、聚焦镜组和第二孔径光阑；所述空间光调制器的工作面在准直镜组的前焦面上，工件在聚焦镜组的后焦面上；准直镜组后焦面与聚焦镜组前焦面重合，且与第二孔径光阑重合。

9.根据权利要求8所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述起偏组件能沿表面法线方向任意角度旋转，且法线平行于投影物镜组光轴；起偏组件位于所述投影物镜组第二孔径光阑面上。

10.根据权利要求1所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述工件姿态调整模块包括探测组件、变焦物镜组、二向色性分光镜、聚焦镜组和工件支撑组件；探测组件发出的探测光束依次经变焦物镜组、二向色性分光镜、聚焦镜组照射在工件表面，工件置于工件支撑组件上，工件的反射光沿逆向光路回到探测组件；工件支撑组件接收图案复制模块探测结果改变空间姿态。

11.根据权利要求10所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述探测组件包括监测光源、分划板、分光元件、探测器；所述监测光源波长与所述光源模块波长不同。

12.根据权利要求10所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述变焦物镜组的物面与分划板重合，且与探测器工作面重合；变焦物镜组的像面在变焦位置A与聚焦镜组前焦面重合，在变焦位置B位于无穷远处。

13.根据权利要求11所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述聚焦镜组是针对光源模块波长和监测光源波长的消色差物镜组。

14.根据权利要求10所述的液晶选区光控取向装置，其特征在于，所述工件支撑组件至少包含三个维度的调整结构：沿图案复制模块光轴的位移、与图案复制模块光轴垂直平面内的俯仰和偏摆。

15.一种液晶选区光控取向方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先，图案复制模块接收需复制的混合方向取向图案信息，将其分解为N个单一方向取向图案；

其次，工件姿态调整模块监控和调整工件的空间姿态，工件姿态调整模块中的探测光源打开后调节变焦距物镜组到变焦位置A，通过探测器接收图像判别工件支撑组件上工件的取向剂涂层是否垂直于光轴，若不垂直则进行调平过程；调平结束后调节变焦距物镜组到变焦位置B，通过探测器接收图像判别工件支撑组件上工件的取向剂涂层是否在聚焦镜组的后焦面上，若不在焦面进行调焦过程；调平、调焦过程结束后，关闭工件姿态调整模块中的监测光源；

然后，启动用于提供工件进行投影曝光光源的光源模块，打开光源模块中的曝光光源；

最后，图案复制模块中的空间光调制器读取第一幅子图像，旋转线偏振片使起偏方向与该子图像取向方向一致，依次进行图像复制直至所有子图像完成复制。