CN106895784B - 一种基于液晶材料的计算全息图及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于液晶材料的计算全息图及其制作方法，属于光电检测领域。本发明公开的基于液晶材料的计算全息图，包括透过率均匀的基底和涂于基底上的液晶材料。通过光控取向技术控制液晶材料相邻条纹的液晶分子朝向不同，入射激光通过固定厚度不同折射率的液晶材料后，会产生固定的相位差。基底与液晶材料构成具有补偿入射激光固定相位差功能的计算全息图。相位差通过调节液晶材料厚度或更换液晶材料改变液晶材料折射率实现。本发明还公开所述的计算全息图的制作方法。本发明的计算全息图精度高、廉价，制作方法制作周期短、工艺简单。本发明适用于高精度激光干涉法检测光学元件面形误差，尤其适用于激光干涉法检测复杂非球面面形。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光干涉法测量光学元件面形的计算全息图，属于光电检测领域。
背景技术
与球面相比，非球面因为具有更多的面形自由度，可以极大地减小光学系统的尺寸和质量，提高系统的成像质量，甚至可以达到衍射极限，在现代光学系统中应用的越来越广泛。但是因为其高自由度面形，高精度的非球面面形检测一直是光学检测领域的一大难题。
目前常用的非球面面形检测方法主要分为两种：接触式和非接触式测量方法。接触式方法使用专用探头对非球面进行接触式点对点的测量，不可避免会对表面造成划伤，而且速度很慢。光学测量方法是非接触式测量的主要方法，主要优点是瞬时、非接触。目前最常用的是补偿法测量，即设计补偿器补偿非球面产生的像差，将非球面的检测转化为平面或者球面面形的检测。补偿法可以分为非零补偿和零补偿方法。非零补偿法使用的补偿器部分补偿非球面的像差，补偿器结构比较简单，但由于剩余像差的存在，检测精度远低于零补偿法，目前只限于检测低精度、低非球面度的非球面。常用的零补偿测量方法中，得益于光刻技术的进步，计算全息图(CGH)补偿法是近些年来发展起来的检测手段，并逐渐成为最高精度的非球面面形检测手段之一。大麦哲伦望远镜、詹姆斯韦伯太空望远镜的主镜都是使用计算全息图进行检测。计算全息图可以认为是一种特殊分布的二元光栅，通过光栅的衍射效应，给入射光附加相位延迟，从而使得计算全息图的出射光波前与被测件面形完全匹配，通过分析其与参考光的干涉图案，可以达到高精度检测被测面面形的目的。
目前高精度的计算全息图都是利用大型光刻机进行制作，计算全息图的刻线间隔是最重要的参数。计算全息图的原理是将需要补偿的相位按照每半个波长(π)的相位差在计算全息图平面上刻蚀一条刻线，因此刻线的精确度会直接影响补偿相位的精确度。目前国内的刻线精度可以做到1微米，刻线误差和刻蚀深度误差可以控制在亚波长量级。但是大型光刻机价格非常昂贵，而且国内的光刻加工水平远低于美国、日本等国家，目前基于光刻技术的计算全息图制作加工周期长、步骤繁琐而且精度难以保证。
液晶是一种有机化合物材料，本身性质介于各向同性和晶体相之间，因为其特殊的电光特性，自被发现以来，就被广泛应用在显示技术中。近年来，由于液晶器件的诸多优势，比如成低本，能量损耗低，抗电磁干扰等，液晶器件的应用己经拓展到光通信，全息存储，光纤传感，光子晶体等等各个领域。
液晶分子通常可以看作盘状或者柱状分子，这里以柱状分子为例，分子取向相同的液晶材料可以视作单轴晶体，其对不同偏振方向光线的折射率可用折射率椭球描述，如图1所示，D矢量为入射线偏光的偏振方向。其XOZ剖面为圆形，半径为该方向的折射率记为no，XOY剖面为椭圆，短轴也为no，长轴记为ne。当入射光线为偏振光时，偏振方向为D矢量方向，D与折射率椭球的交点到原点的距离为该方向入射光的折射率大小。
液晶光控取向技术通过简单的偏振光照射，可以使得液晶材料(硫酸基偶氮材料)分子产生特定方向的排布。该技术已被应用到简单的一维、二维光栅制作、液晶透镜等领域，是一种简单廉价的控制液晶分子取向的新技术，应用前景广泛。
综上所述，现有技术中光刻法存在的主要问题有：(1)高精度光刻机价格昂贵；(2)传统计算全息图因为刻线相邻相位差为定值且刻线精度要求很高导致制作步骤繁琐、工艺复杂；(3)国内光刻技术加工精度较低。
发明内容
针对现有高精度激光干涉法检测光学元件面形误差中，传统基于光刻技术的高精度计算全息图的制作复杂、昂贵、周期长的问题，本发明公开的一种基于液晶材料的计算全息图及其制作方法，要解决的技术问题是提供一种高精度、廉价的计算全息图及其制作方法，所述的制作方法具有制作周期短、工艺简单的优点。本发明公开的一种基于液晶材料的计算全息图适用于高精度激光干涉法检测光学元件面形误差，尤其适用于激光干涉法检测复杂非球面面形。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于液晶材料的计算全息图，包括透过率均匀的基底和涂于基底之上的液晶材料。通过光控取向技术控制液晶材料相邻条纹的液晶分子朝向不同，所述的分子朝向不同的条纹对同一已知入射方向和偏振方向的入射光会产生不同的折射率，入射激光通过固定厚度不同折射率的液晶材料后，会产生固定的相位差。基底与涂覆之上的液晶材料构成具有补偿入射激光固定相位差功能的计算全息图。
所述的透过率均匀的基底材料优选玻璃，透过率均匀度根据光学元件面形误差测量精度而定，透过率越均匀，光学元件面形误差测量精度越高。
所述的相邻条纹补偿入射激光的相位差根据光学元件面形和制作工艺而定。所述的相邻条纹补偿入射激光相位差能够通过调节涂覆于基底之上的液晶材料厚度或更换不同液晶材料改变液晶材料折射率实现。调节液晶材料厚度更加方便而且选择更多，本发明可以通过控制液晶材料的厚度，使得相邻条纹补偿的相位差值大于光刻法相邻条纹补偿相位差值。此外，由于光刻法需重新刻蚀计算全息图，加工周期长，本发明只需调节涂覆的液晶材料厚度或者更换液晶材料，重新利用光控取向技术制作满足补偿激光相位差要求的计算全息图，制作工艺简单，加工周期短。
为实现相邻条纹具有最大的折射率差，通过光控取向技术控制液晶材料相邻条纹的液晶分子间朝向优选90°。
本发明公开的一种基于液晶材料计算全息图的制作方法，步骤如下：
步骤一：利用光线追迹和光波传播的菲涅尔衍射理论，求得计算全息图应该补偿的相位分布
步骤二：将液晶材料视作单轴晶体，根据入射激光的角度i1、偏振方向D和单轴晶体的折射率椭球性质计算液晶的相邻条纹间的相位差
步骤三：根据现有技术中计算全息图刻线计算方法和步骤二计算得到的相邻条纹间的相位差，即可求得计算全息图的图案分布。
步骤四：根据步骤三得到的计算全息图图案分布，通过光控取向技术控制液晶材料相邻条纹的液晶分子朝向，即形成具有补偿入射激光相位差功能的液晶计算全息图。
所述的步骤二液晶材料相邻条纹间的相位差求取方法，包括如下步骤：
步骤2.1：计算朝向正交的液晶分子的折射率差Δn。
所述的折射率差Δn的定义如下：将两者的折射率椭球放在同一坐标系下，两椭球表示分子取向相互垂直的情况下液晶分子的折射率椭球；D表示入射线偏光的偏振方向，ne和no分别为长轴和短轴的长度。当偏振方向为D时，相邻区域的折射率差为D与两折射率椭球交点之间的长度，记为Δn。
所述的折射率差Δn计算过程如下：
当D与x轴夹角为α时，设D与两椭球交点坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),
求解方程组(1)可得
即可求解折射率差Δn，
步骤2.2：根据光学元件面形误差测量精度和液晶材料工艺限制选定涂覆液晶材料厚度d。
步骤2.3：根据步骤2.1和步骤2.2计算相邻条纹相位差
当入射光入射液晶角度为i1时，若i1不太大，使用no代替液晶的折射率，折射角为i2，满足
在液晶中的传播距离为
结合式(3)，(5)可得，液晶相邻的条纹引入的相位差为，
即
至此，获得相邻条纹的相位差
有益效果：
1、本发明公开的一种基于液晶材料的计算全息图及其制作方法，基于光控取向技术制作的液晶计算全息图具有较高的条纹分辨率，与国内的光刻加工水平相当。
2、本发明公开的一种基于液晶材料计算全息图及其制作方法，能够通过调节液晶材料厚度控制相邻条纹补偿入射激光的相位差值大于光刻法相邻条纹补偿入射激光相位差值。此外，由于光刻法需重新刻蚀计算全息图，加工周期长，本发明只需调节涂覆的液晶材料厚度或者更换液晶材料，重新利用光控取向技术制作满足补偿入射激光相位差要求的计算全息图，相比光刻法制作工艺简单，加工周期短。
3、本发明公开的一种基于液晶材料计算全息图及其制作方法，不需要使用大型高精度的光刻机，只需要简单的偏振激光以及液晶材料，制作工艺简单而廉价。
附图说明
图1是折射率椭球示意图；
图2是液晶计算全息图中相邻条纹液晶分子排布示意图,其中1—为透明基底，2—为液晶材料分子；
图3是液晶计算全息图中朝向为90°液晶分子的折射率椭球示意图；
图4是某一入射角i1情况下光线在液晶中传播距离示意图；
图5是基于新型液晶材料的计算全息图在斐索干涉仪中的应用图例，其中3—为准直激光，4—为参考平面镜，5—为会聚透镜，6—为液晶计算全息图，7—为被测非球面；
图6是实施例中计算全息图的补偿相位分布；
图7是实施例一中计算的计算全息图条纹分布；
图8是实施例二中计算的计算全息图条纹分布。
具体实施例：
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种基于液晶材料的计算全息图适用于高精度光学元件面形误差激光干涉法检测中，尤其适用于复杂非球面面形误差激光干涉法检测中。
本实施例公开的一种基于液晶材料计算全息图，包括透过率均匀的玻璃基底1和涂于基底1之上的液晶材料2。通过光控取向技术控制液晶材料2相邻条纹的液晶分子朝向不同，所述的条纹对同一已知入射方向和偏振方向的入射光会产生不同的折射率，入射激光通过固定厚度不同折射率液晶材料2会产生的相位差，即形成具有补偿入射激光固定相位差的计算全息图。
所述的透过率均匀的玻璃基底根据光学元件面形误差测量精度而定，透过率越均匀，光学元件面形误差测量精度越高。
所述的相邻条纹补偿入射激光的相位差值也根据光学元件面形误差测量精度而定。所述的相邻条纹补偿入射激光相位差能够通过调节涂覆于玻璃基底之上的液晶材料厚度或更换不同液晶材料2改变液晶材料2折射率实现。调节液晶材料2厚度更加方便而且选择更多，本发明可以通过控制液晶材料2的厚度，使得相邻条纹补偿的相位差值大于光刻法相邻条纹补偿相位差值。此外，由于光刻法需重新刻蚀计算全息图，加工周期长，本发明只需调节涂覆的液晶材料2厚度或者更换液晶材料2，重新利用光控取向技术制作满足补偿激光相位差要求的计算全息图，制作工艺简单，加工周期短。
为实现相邻条纹具有最大的折射率差，通过光控取向技术控制液晶材料2相邻条纹的液晶分子间朝向优选90°。
本实施例公开的一种基于液晶材料计算全息图的制作方法，包括如下步骤：
步骤一：利用光线追迹和光波传播的菲涅尔衍射理论，求得计算全息图应该补偿的相位分布。具体实现方法为：利用文献《超高精度非球面面形检测技术研究_高松涛》P25-26,2.5.2和2.5.3章节中传统计算全息图设计方法的步骤，由被测面参数、入射光波长使用光线追迹方法求得计算全息图应该补偿的相位分布基本求解方法为：首先在光学设计软件中对检测系统进行精确建模，设置计算全息图表面的补偿相位为变量，设置最终像面的波前相位为优化参数，以像面波前为零作为优化目标，使用非线性优化算法即可求得计算全息图的相位分布
步骤二：根据入射激光的角度i1、偏振方向D和单轴晶体的折射率椭球性质计算液晶的相邻条纹间的相位差
步骤三：根据现有技术中计算全息图刻线计算方法和步骤二计算得到的相邻条纹间的相位差，即可求得计算全息图的图案分布。现有计算全息图刻线计算方法(《自由曲面零补偿计算全息图离散相位的B样条拟合_苏萍》P2-P4中的CGH刻线计算方法)基本步骤为：在已知计算全息图的相位分布和相邻条纹间的相位差后，使用迭代算法计算余数为零点的精确坐标值，所述的坐标中将的取整商相同的点进行连线，即为最终图案的分布。
步骤四：根据步骤三得到的计算全息图图案分布，通过光控取向技术控制液晶材料2相邻条纹的液晶分子朝向产生补偿激光的相位差，即液晶计算全息图制作完毕。
本实例针对一被测非球面，仿真设计了一例液晶计算全息图，系统光路图如图5所示。包括准直激光3、参考镜4、会聚透镜5、液晶计算全息图6、待测非球面7。准直激光3经过参考平面镜4，部分激光会反射，形成参考光，部分激光会透射，经过会聚透镜5转化为发散光。光束入射到液晶计算全息图6上，后经待测非球面7反射，反射光依次经过液晶计算全息图6、会聚透镜5、参考镜4后，与参考光产生干涉。
其中待测镜为口径110mm，顶点曲率半径500mm的抛物面。被测激光波长632.8nm。所用液晶材料2液晶的双折射系数为ne＝1.56,no＝1.4。根据本实施例公开的一种基于液晶材料计算全息图的制作方法，包括如下步骤：
步骤一：求解计算全息图应该补偿的相位分布。求得的补偿相位的分布用半径的偶次多项式系数表示，多项式分别为r2,r4,r6,r8,r10,r12。相应的系数为-3232.61，-76.44,，10.07，-1.06，0.016,0.033，最终分布如图6所示，纵轴表示相位大小，最大值为3306波长；
步骤二：计算液晶材料2相邻条纹间的相位差，包括如下步骤：
步骤2.1：计算朝向正交的液晶分子的折射率差Δn。
所述的折射率差Δn的定义如下：将两者的折射率椭球放在同一坐标系下，如图3所示，两椭球表示分子取向相互垂直的情况下液晶分子的折射率椭球；D表示入射线偏光的偏振方向，ne和no分别为长轴和短轴的长度。当偏振方向为D时，相邻区域的折射率差为D与两折射率椭球交点之间的长度，记为Δn。
所述的折射率差Δn计算过程如下：
当D与x轴夹角为α时，设D与两椭球交点坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),
求解方程组(1)可得
即可求解折射率差Δn，
实施例中设置D沿Y轴正方向，液晶材料液晶的双折射系数为ne＝1.56,no＝1.4，求得Δn为0.16。
步骤2.2：根据光学元件面形误差测量精度和液晶材料2工艺限制选定液晶材料2厚度d，本实施例选定d为2微米。
步骤2.3：根据步骤2.1和步骤2.2计算相邻条纹相位差
如图4所示，当入射光入射液晶角度为i1时，若i1不太大，设入射角i1为0～10°，使用no代替液晶的折射率，折射角为i2，满足
在液晶材料2中的传播距离为
结合式(3)，(5)可得，液晶相邻的条纹引入的相位差为，
即
至此，相邻条纹的相位差计算结束。
步骤三：根据步骤一求解的相位和步骤二中解得的相位差，求得液晶计算全息图的图案分布，如图7(a)所示。其中计算全息图相邻条纹的液晶分子相互垂直。因为图案分布过密，这里取中心区域放大，如图7(b)所示。至此，得到了液晶计算全息图的图案分布。
步骤四：根据步骤三得到的液晶计算全息图图案分布，通过光控取向技术控制液晶材料2相邻条纹的液晶分子朝向，即能完成最终的液晶计算全息图的制作。
实施例2：
本实施例待测非球面以及测量光路与实施例1中的相同，唯一不同是选择的液晶材料2厚度不同。实施例一中液晶材料2厚度选定为2微米，本实施例中选定液晶厚度为6微米。
制作方法与前文相同，经过四个步骤的计算和设计，最终的计算全息图如图8(a)和图8(b)所示。8(a)为液晶计算全息图的图案分布，图8(b)为中心区域放大。与实施例1中的设计结果对比，可以看到本实施例中因为液晶材料2厚度设置不同，最终的条纹分布明显稀疏，这会很大程度上降低液晶计算全息图的制作难度和加工成本。
本发明保护范围不仅局限于实施例，实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于液晶材料计算全息图的制作方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：利用光线追迹和光波传播的菲涅尔衍射理论，求得计算全息图应该补偿的相位分布
首先在光学设计软件中对检测系统进行精确建模，设置计算全息图表面的补偿相位为变量，设置最终像面的波前相位为优化参数，以像面波前为零作为优化目标，使用非线性优化算法即能够求得计算全息图的相位分布
步骤二：将液晶材料(2)视作单轴晶体，根据入射激光的角度i1、偏振方向D和单轴晶体的折射率椭球性质计算液晶材料(2)的相邻条纹间的相位差
步骤三：在已知计算全息图的相位分布和相邻条纹间的相位差后，使用迭代算法计算余数为零点的精确坐标值，所述的坐标中将的取整商相同的点进行连线，即为最终图案的分布；
步骤四：根据步骤三得到的计算全息图图案分布，通过光控取向技术控制液晶材料(2)相邻条纹的液晶分子朝向，即形成具有补偿入射激光相位差功能的液晶计算全息图。
2.如权利要求1所述的一种基于液晶材料计算全息图的制作方法，其特征在于：所述的步骤二包括如下步骤，
步骤2.1：计算朝向正交的液晶分子的折射率差Δn；
所述的折射率差Δn的定义如下：将两者的折射率椭球放在同一坐标系下，两椭球表示分子取向相互垂直的情况下液晶分子的折射率椭球；D表示入射线偏光的偏振方向，ne和no分别为长轴和短轴的长度；当偏振方向为D时，相邻区域的折射率差为D与两折射率椭球交点之间的长度，记为Δn；
所述的折射率差Δn计算过程如下：
当D与x轴夹角为α时，设D与两椭球交点坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),
求解方程组(1)可得
即可求解折射率差Δn，
步骤2.2：根据光学元件面形误差测量精度和液晶材料(2)工艺限制选定涂覆液晶材料(2)厚度d；
步骤2.3：根据步骤2.1和步骤2.2计算相邻条纹相位差
当入射光入射液晶角度为i1时，设i1为0°～10°，使用no代替液晶的折射率，折射角为i2，满足
在液晶材料(2)中的传播距离为
结合式(3)，(5)可得，液晶相邻的条纹引入的相位差为，
即
至此，获得相邻条纹的相位差
3.如权利要求1或2任意一项方法所制备的全息图，其特征在于：包括透过率均匀的玻璃基底(1)和涂于基底(1)之上的液晶材料(2)；通过光控取向技术控制液晶材料(2)相邻条纹的液晶分子朝向不同，所述的分子朝向不同的条纹对同一已知入射方向和偏振方向的入射光会产生不同的折射率，入射激光通过固定厚度不同折射率的液晶材料(2)后，会产生固定的相位差；所述的基底(1)与涂覆之上的液晶材料(2)构成具有补偿入射激光固定相位差功能的计算全息图。
4.如权利要求3所述的全息图，其特征在于：所述的相邻条纹补偿入射激光的相位差根据光学元件面形和制作工艺而定；所述的相邻条纹补偿入射激光相位差能够通过调节涂覆于基底(1)之上的液晶材料(2)厚度或更换不同液晶材料(2)改变液晶材料(2)折射率实现。
5.如权利要求3所述的全息图，其特征在于：所述的透过率均匀的基底(1)材料选用玻璃，透过率均匀度根据光学元件面形误差测量精度而定，透过率越均匀，光学元件面形误差测量精度越高。
6.如权利要求3所述的全息图，其特征在于：为实现相邻条纹具有最大的折射率差，通过光控取向技术控制液晶材料(2)相邻条纹的液晶分子间朝向为90°。
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