CN107966885A - 一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置及方法，包括曝光光源，其特征在于：还包括：偏振态控制器，用于将所述曝光光源的偏振态转化可旋转的线偏振状态；光束变换器，用于将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束；样片平移台：用于控制被曝光样片的平移扫描运动；其中，曝光光源、偏振态控制器、光束变换器以及样片平移台四个组件在空间上依次排列且保持间距，四个组件中所含的各个光学零件的通光口径沿着曝光光源向下的直线发射方向保持共轴关系；本发明的曝光装置结构简单，本发明的方法工艺方法简便，曝光口径大，光栅周期可精密调节的范围宽，本发明装置便于维修、维护。

Description

一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置及方法

技术领域

本发明属于光学元器件的制造技术领域，更具体地，涉及一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置及方法。

背景技术

液晶偏振光栅作为一种新型的光束偏转控制器件，具有偏转角度大、衍射效率高、体积小、重量轻、功耗低、可多片级联进行电控扫描等优异特性，在激光电扫描、光电成像与探测、目标跟瞄、激光传感与空间通信等领域具有重要的应用价值。

液晶偏振光栅器件是一种附着在透明平板玻璃基底或其他材料基底上的由多层薄膜所构成的平片状器件，它基于液晶光控取向材料薄膜对液晶薄膜中分子的面内周期性旋转控制而形成周期性光栅结构。液晶光控取向材料有一个特性，即在一定波长范围内的线偏振光的辐照曝光下，其分子排列方向会产生沿着线偏振光的偏振方向或与线偏振光的偏振方向相垂直的方向取向，不同的材料有平行或垂直等不同的方向，而液晶薄膜中液晶分子的排列方向因受到液晶光控取向材料分子的排列方向的控制，与液晶光控取向材料分子的排列方向相一致。因此，在液晶偏振光栅器件的制造流程中，首要的问题是要形成液晶分子呈面内周期性旋转的光栅结构，也即是对液晶光控取向材料薄膜分子形成具有面内周期性旋转的光栅结构，而其关键工艺，就是构建一种能让具有线偏振态的曝光光束在器件薄膜平面内其线偏振方向呈现周期性旋转的曝光装置。本发明的目的就是提供一种具有这样功能的曝光装置。

目前的曝光装置主要分为干涉曝光装置和直写曝光装置两大类。其中干涉曝光装置对曝光光源的功率、相干性、光束质量以及整个曝光光路的稳定性等要求都非常高，且不易做到大口径的尺寸。而直写曝光技术则可大大降低对曝光光源以及曝光光路的要求，较易做到百毫米以上的大口径，可以很精确地灵活地调节液晶偏振光栅器件的光栅周期，而且曝光时间大大缩短，这对液晶偏振光栅器件的制造来说是非常重要的。

本发明的曝光装置采用的是平移扫描直写曝光技术，它既含有直写曝光技术的优点，也结合了作为被曝光样片的液晶偏振光栅器件的一维周期性，整个曝光装置结构简单，曝光口径大，光栅周期可精密调节的范围宽，可维护性强。

发明内容

本发明的目的是提供一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置及方法，实现快速精密制造大口径液晶偏振光栅器件。

一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置及方法，其特征在于：包括

曝光光源：用于给曝光装置提供曝光光源；

偏振态控制器：用于将所述曝光光源的偏振态转化可旋转的线偏振状态；

光束变换器：用于将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束；

样片平移台：用于被曝光样片的平移扫描运动控制；

其中，曝光光源、偏振态控制器、光束变换器以及样片平移台等四个组件在空间上依次排列且保持一定的间距，四个组件中所含的各个光学零件的通光口径沿着曝光光源的直线发射方向保持共轴关系；

曝光装置中，曝光光源、偏振态控制器、光束变换器等三个组件的空间位置保持相对固定，而样片平移台承载被曝光样片，且与曝光光源、偏振态控制器、光束变换器作相对地匀速平移运动。

所述曝光光源放置在曝光装置的最前端，发射的平行光束沿直线传播，依次透过偏振态控制器和光束变换器后，照射到样片平移台所承载的被曝光样片上；

所述曝光光源的波长在液晶光取向材料的光敏响应光谱范围之内；

所述曝光光源的谱线宽度或相干长度没有特殊要求；

所述曝光光源的光功率与被曝光样片上液晶光取向材料的光敏响应剂量以及所述样片平移台的平移速度相关联。

所述偏振态控制器放置在所述曝光光源的后面，且两者之间保持一定的间隙；

所述偏振态控制器用于将所述曝光光源的偏振态转化可旋转的线偏振状态，可旋转的角度范围为0°～360°或者0°～180°，且连续匀速旋转，且旋转的速度可精确调节控制；

所述偏振态控制器仅调节所述曝光光束的偏振状态，不调节曝光光束的光功率。

所述光束变换器放置在所述偏振态控制器的后面，且两者之间保持一定的间隙；

所述光束变换器将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束，配合所述的样片平移台较长工作行程的线性平移扫描，实现大口径液晶偏振光栅器件的曝光；

所述光束变换器将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束的宽度小于被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期；

所述光束变换器将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束，可通过匀光器进行匀光，通过柱透镜或衍射光学元件形成较粗的细长条状光束，然后通过在光束变化器与被曝光样片之间而临近被曝光样片的位置放置狭缝形掩膜板等装置或方法，最终形成宽度与掩膜板缝宽相当的均匀的细长条形光束；

所述的狭缝形掩膜板的位置与所述的曝光光源、偏振态控制器、光束变换器保持相对固定，保证了所述的细长条形曝光光束在被曝光样片上相对平移扫描曝光的均匀性；

所述的狭缝形掩膜板的狭缝宽度小于被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期，也小于从所述曝光光源方向投射过来落在狭缝形掩膜板上的细长条形光束的宽度。

所述样片平移台放置在所述光束变换器的后面，且两者之间保持一定的距离，以保证曝光光束经过所述光束变换器整形后的最细的部分落在所述样片平移台所承载的被曝光样片上；

所述曝光装置工作时，所述被曝光液晶偏振光栅器件样片被放置并固定在所述样片平移台上，所述样片平移台的平移运动带动所述被曝光液晶偏振光栅器件样片一起平移运动；

所述样片平移台的平移运动方式为连续匀速平移，且平移的速度可精确调节控制。

所述样片平移台的线性平移扫描速度v与曝光光源的光功率P之间满足如下关系：

其中，t为所述样片平移台的线性平移扫描时间，a和b分别为平行四边形曝光区域的长度和宽度，更具体地，a为沿所述样片平移台的平移方向的平移距离，b为所述曝光光源经过光束整形为均匀的细长条形光束的长度，θ为平行四边形曝光区域中平行四边形两个相邻边的夹角，也即细长条形光束的长度方向与样片平移台的平移方向的夹角，T为所述曝光光源经过所述偏振态控制器和光束变换器等光学系统后落在样片有效区域上的有效光功率P_eff与所述曝光光源的总输出光功率P之比，即为透过率，即有P_eff＝P×T，Γ为所述被曝光样片上液晶光取向材料的光敏响应剂量。

所述曝光装置可制造的液晶偏振光栅器件的光栅周期Λ满足如下关系：

其中，v为所述样片平移台的线性平移扫描速度，ω为所述偏振控制器控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度，θ为平行四边形曝光区域中平行四边形两个相邻边的夹角，也即细长条形光束的长度方向与样片平移台的平移方向的夹角。通过所述样片平移台的线性平移扫描速度v和所述偏振控制器控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度ω两个参数的调节控制，可实现所述液晶偏振光栅器件样片的不同光栅周期的曝光。

本发明的曝光装置结构简单，本发明的方法工艺方法简便，曝光口径大，光栅周期可精密调节的范围宽，本发明装置便于维修、维护。

附图说明

图1、为本发明装置总体结构示意图；

图2、为本发明制作的液晶偏振光栅器件结构示意图(θ＝90°时)；

图3a、为本发明细长条形光束整形及曝光示意图；

图3b、图3a俯视图；

图4、为本发明液晶偏振光栅器件结构示意图(θ≠90°时)；

其中，100为曝光光源，200为偏振态控制器，300为光束变换器，400为样片平移台，500为被曝光样片，301为狭缝形掩膜板，501液晶分子，502为细长条形光束。

具体实施方式

根据本发明的一些实施例，平移扫描直写曝光装置包括曝光光源、偏振态控制器、光束变换器以及样片平移台等四个组件。其中，曝光光源、偏振态控制器、光束变换器以及样片平移台等四个组件在空间上依次排列且保持一定的间距，四个组件中所含的各个光学零件的通光口径沿着曝光光源的直线发射方向保持共轴关系。

所述曝光光源放置在曝光装置的最前端，发射的平行光束沿直线传播，依次透过偏振态控制器和光束变换器后，照射到样片平移台所承载的被曝光样片上；所述偏振态控制器放置在所述曝光光源的后面，且两者之间保持一定的间隙；所述光束变换器放置在所述偏振态控制器的后面，且两者之间保持一定的间隙；所述样片平移台放置在所述光束变换器的后面，且两者之间保持一定的距离，以保证曝光光束经过所述光束变换器整形后的最细的部分落在所述样片平移台所承载的被曝光样片上。

所述曝光光源用于给曝光装置提供曝光光源，所述偏振态控制器用于将所述曝光光源的偏振态转化可旋转的线偏振状态，所述光束变换器用于将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束，所述样片平移台用于被曝光样片的平移扫描运动控制。

曝光装置中，曝光光源、偏振态控制器、光束变换器等三个组件的空间位置保持相对固定，而样片平移台承载被曝光样片，且与曝光光源、偏振态控制器、光束变换器作相对地匀速平移运动。

第一方面，曝光光源。

在一些实施例中，所述曝光光源的波长在液晶光取向材料的光敏响应光谱范围之内。

在一些实施例中，所述曝光光源的谱线宽度或相干长度没有特殊要求；优选地，所述曝光光源的谱线宽度小于1nm即可。

在一些实施例中，所述曝光光源的输出光功率与被曝光样片上液晶光取向材料的光敏响应剂量以及所述样片平移台的平移速度相关联。

在一些实施例中，所述曝光光源的输出光的偏振态没有特殊要求。优选地，所述曝光光源的输出光的偏振态为线偏振光。

第二方面，偏振态控制器。

在一些实施例中，所述偏振态控制器用于将所述曝光光源的偏振态转化可旋转的线偏振状态，可旋转的角度范围为0°～360°或者0°～180°，且连续匀速旋转，且旋转的速度可精确调节控制；

在一些实施例中，所述偏振态控制器仅调节所述曝光光束的偏振状态，不调节曝光光束的光功率。

在一些实施例中，所述曝光光源的输出光为非线偏振光，所述偏振态控制器首先通过一个起偏器将所述曝光光源输出的非线偏振光转化为线偏振光，然后再将线偏振光的偏振方向沿着光轴进行匀速的旋转控制。

在一些实施例中，所述曝光光源输出的非线偏振光转化为线偏振光后，再将线偏振光的偏振方向沿着光轴进行匀速的旋转控制，其匀速旋转控制有多种方法实现。

第一种方法是：在所述起偏器的后面放置一个二分之一波片，通过均匀旋转二分之一波片，可以将入射的线偏振光的偏振方向沿着光轴进行匀速的旋转控制。

第二种方法是：在所述起偏器的后面放置一个四分之一波片，且四分之一波片的慢轴方向与所述起偏器的透光轴方向呈+45°或－45°，这样入射的线偏振光通过四分之一波片后转化为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；然后在四分之一波片的后面放置一个可匀速旋转的检偏器，通过旋转所述的检偏器后，可以将入射的左旋或右旋圆偏振光的偏振方向转变为线偏振光，所述线偏振光的偏振方向与所述检偏器的透光轴方向一致，且线偏振光的偏振方向根据所述检偏器的匀速旋转控制，同步地沿着光轴进行匀速的旋转。

第三种方法是：在所述起偏器的后面按顺序先后放置一个普克尔斯盒和一个四分之一波片，所述普克尔斯盒的慢轴方向与所述起偏器的透光轴方向呈+45°或－45°，所述四分之一波片的慢轴方向与所述起偏器的透光轴方向呈0°，即保持平行。通过合适地电控调节所述普克尔斯盒在慢轴方向的折射率，即可将所述线偏振光先后通过所述普克尔斯盒和所述四分之一波片后其线偏振的方向沿着光轴进行匀速的旋转控制。

第三方面，光束变换器。

在一些实施例中，所述光束变换器将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束，配合所述的样片平移台较长工作行程的线性平移扫描，实现大口径液晶偏振光栅器件的曝光。

在一些实施例中，所述光束变换器将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束的宽度小于被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期。

在一些实施例中，所述光束变换器将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束，可通过匀光器匀光、柱透镜或衍射光学元件形成较粗的细长条状光束，然后通过在光束变化器与被曝光样片之间而临近被曝光样片的位置放置狭缝形掩膜板等装置或方法，最终形成宽度与掩膜板缝宽相当的均匀的细长条形光束。

在一些实施例中，所述的狭缝形掩膜板的位置与所述的曝光光源、偏振态控制器、光束变换器保持相对固定，保证了所述的细长条形曝光光束在被曝光样片上相对平移扫描曝光的均匀性。

在一些实施例中，所述的狭缝形掩膜板的狭缝宽度小于被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期，也小于从所述曝光光源方向投射过来落在狭缝形掩膜板上的较粗的细长条形光束的宽度。

第四方面，样片平移台。

所述曝光装置工作时，所述被曝光液晶偏振光栅器件样片被放置并固定在所述样片平移台上，所述样片平移台的平移运动带动所述被曝光液晶偏振光栅器件样片一起平移运动。

在一些实施例中，所述样片平移台的平移运动方式为连续匀速平移，且平移的速度可精确调节控制。

在一些实施例中，所述样片平移台的平移运动的方向与所述的狭缝形掩膜板的狭缝长度方向保持垂直或一个其他的角度θ，当角度θ不为90°时，曝光装置能曝光的最大有效区域为一个边长分别为a和b的平行四边形，其中a为沿所述样片平移台的平移方向的平移距离，b为所述曝光光源经过光束整形为均匀的细长条形光束的长度。

第五方面，样片平移台的线性平移扫描速度。

在一些实施例中，所述样片平移台的线性平移扫描速度v与曝光光源的光功率P之间满足如下关系：

其中，t为所述样片平移台的线性平移扫描时间，a和b分别为平行四边形曝光区域的长度和宽度，更具体地，a为沿所述样片平移台的平移方向的平移距离，b为所述曝光光源经过光束整形为均匀的细长条形光束的长度，θ为平行四边形曝光区域中平行四边形两个相邻边的夹角，也即细长条形光束的长度方向与样片平移台的平移方向的夹角，T为所述曝光光源经过所述偏振态控制器和光束变换器等光学系统后落在样片有效区域上的有效光功率P_eff与所述曝光光源的总输出光功率P之比，即为透过率，即有P_eff＝P×T，Γ为所述被曝光样片上液晶光取向材料的光敏响应剂量。

第六方面，曝光装置可制造的液晶偏振光栅器件的光栅周期。

所述曝光装置可制造的液晶偏振光栅器件的光栅周期Λ满足如下关系：

其中，v为所述样片平移台的线性平移扫描速度，ω为所述偏振控制器控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度，θ为平行四边形曝光区域中平行四边形两个相邻边的夹角，也即细长条形光束的长度方向与样片平移台的平移方向的夹角。通过所述样片平移台的线性平移扫描速度v和所述偏振控制器控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度ω两个参数的调节控制，可实现所述液晶偏振光栅器件样片的不同光栅周期的曝光。

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所述的一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置，包括曝光光源100、偏振态控制器200、光束变换器300以及样片平移台400等四个组件。其中，曝光光源100、偏振态控制器200、光束变换器300以及样片平移台400等四个组件在空间上依次排列且保持一定的间距，四个组件中所含的各个光学零件的通光口径沿着曝光光源的直线发射方向保持共轴关系。

所述曝光装置中，曝光光源100、偏振态控制器200、光束变换器300等三个组件的空间位置保持相对固定，具体可由支架或共轴圆筒等机械件连接而成；而样片平移台400承载被曝光样片500，且与曝光光源100、偏振态控制器200以及光束变换器300等三个组件之间作相对地匀速平移运动，具体由样片平移台400的平移执行机构完成。

所述曝光光源100放置在曝光装置的最前端，发射的平行光束沿直线传播，依次透过偏振态控制器200和光束变换器300后，照射到样片平移台400所承载的被曝光样片500上；所述偏振态控制器200放置在所述曝光光源100的后面，且两者之间保持一定的间隙；所述光束变换器300放置在所述偏振态控制器200的后面，且两者之间保持一定的间隙；所述样片平移台400放置在所述光束变换器300的后面，且两者之间保持一定的距离，以保证曝光光束经过所述光束变换器300整形后的最细的部分落在所述样片平移台400所承载的被曝光样片500上。

在所述曝光装置中，所述曝光光源100用于给曝光装置提供曝光光源，所述偏振态控制器200用于将所述曝光光源100的偏振态转化可旋转的线偏振状态，所述光束变换器300用于将入射的所述曝光光源100的光束整形为均匀的细长条形光束502(图2，图3)，所述样片平移台400用于被曝光样片的平移扫描运动控制。所述曝光装置工作时，曝光光源100、偏振态控制器200、光束变换器300的空间位置保持相对固定，而样片平移台400承载被曝光样片，且与曝光光源100、偏振态控制器200、光束变换器300作相对地匀速平移运动。

如图2所示，本发明所述曝光装置可制造的液晶偏振光栅器件的有效区域500为一长方形，其长度为a，宽度为b。其中，器件长度方向与样片平移台400的平移运动方向一致，器件宽度方向与样片平移台400的平移运动方向相垂直。所述光束变换器300将入射的所述曝光光源100的光束整形为均匀的细长条形光束502，细长条形光束502的长度方向与样片平移台400的平移运动方向相垂直。细长条形光束502内的偏振态经过所述偏振态控制器200的调控后，变换为均匀分布的线偏振态。线偏振态的旋转(旋转速度为ω)和样片的一维平移(平移速度为v)两种运动的共同作用，在样片的表面形成并记录了线偏振态的面内周期性旋转结构。由于液晶光取向薄膜材料分子的偏振响应特性，曝光光束的线偏振态决定了液晶光取向薄膜材料分子的排列方向，最终决定了液晶分子501的排列方向。液晶分子501的排列方向与样片的一维平移方向的夹角为Φ(x)，x为样片有效区域内建立的平面直角坐标系的横坐标，横坐标的方向与样片的一维平移方向相一致。因此，在样片的液晶层内将形成液晶分子501排列方向呈面内周期性旋转的光栅结构，光栅周期为Λ。

下面结合所述曝光装置的各组成部分叙述本发明装置的具体实施方式。

第一方面，曝光光源100。

所述曝光光源100的波长在液晶光取向材料的光敏响应光谱范围之内。例如，对于型号为SD1光取向材料，所述的曝光光源的波长可选365nm，405nm,450nm等，都在SD1材料的光敏范围之内。

所述曝光光源100的谱线宽度或相干长度没有特殊要求；但为满足偏振态控制器200的要求，优选地，所述曝光光源的谱线宽度小于1nm。

所述曝光光源100的输出光功率与被曝光样片上液晶光取向材料的光敏响应剂量以及所述样片平移台400的平移速度相关联。也即，若曝光光源100的输出光功率较大，对于固定的被曝光样片上液晶光取向材料的光敏响应剂量来说，则所述样片平移台400的平移速度将变快，缩短整个曝光装置的曝光时间。具体定量关系见后续“第四方面，样片平移台400”的描述。

所述曝光光源100的输出光的偏振态没有特殊要求，可为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光或非偏振光等。为方便偏振态控制器200的控制，优选地，所述曝光光源100的输出光的偏振态为线偏振光。

第二方面，偏振态控制器200。

所述偏振态控制器200用于将所述曝光光源100的偏振态转化可旋转的线偏振状态，可旋转的角度范围为0°～360°或者0°～180°，且连续匀速旋转，且旋转的速度可精确调节控制。例如，线偏振状态旋转的角速度为ω＝2π·rad/s，表示所述偏振态控制器200将所述曝光光源100的偏振态转化为匀速旋转的线偏振状态，旋转的速度为1秒钟旋转一圈。

所述偏振态控制器200仅调节所述曝光光束的偏振状态，不调节曝光光束的光功率。

假如所述曝光光源100的输出光为非线偏振光，所述偏振态控制器200首先通过一个起偏器将所述曝光光源100输出的非线偏振光转化为线偏振光，然后再将线偏振光的偏振方向沿着光轴进行匀速的旋转控制。

在一些实施例中，所述曝光光源100输出的非线偏振光转化为线偏振光后，再将线偏振光的偏振方向沿着光轴进行匀速的旋转控制，其匀速旋转控制有多种方法实现。

第一种方法是：在所述起偏器的后面放置一个二分之一波片，通过均匀旋转二分之一波片，可以将入射的线偏振光的偏振方向沿着光轴进行匀速的旋转控制。

第二种方法是：在所述起偏器的后面放置一个四分之一波片，且四分之一波片的慢轴方向与所述起偏器的透光轴方向呈+45°或－45°，这样入射的线偏振光通过四分之一波片后转化为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；然后在四分之一波片的后面放置一个可匀速旋转的检偏器，通过旋转所述的检偏器后，可以将入射的左旋或右旋圆偏振光的偏振方向转变为线偏振光，所述线偏振光的偏振方向与所述检偏器的透光轴方向一致，且线偏振光的偏振方向根据所述检偏器的匀速旋转控制，同步地沿着光轴进行匀速的旋转。

第三种方法是：在所述起偏器的后面按顺序先后放置一个普克尔斯盒和一个四分之一波片，所述普克尔斯盒的慢轴方向与所述起偏器的透光轴方向呈+45°或－45°，所述四分之一波片的慢轴方向与所述起偏器的透光轴方向呈0°，即保持平行。通过合适地电控调节所述普克尔斯盒在慢轴方向的折射率，即可将所述线偏振光先后通过所述普克尔斯盒和所述四分之一波片后其线偏振的方向沿着光轴进行匀速的旋转控制。

第三方面，光束变换器300。

所述光束变换器300将入射的所述曝光光源100的光束整形为均匀的细长条形光束502，配合所述的样片平移台400较长工作行程的线性平移扫描，从而实现大口径液晶偏振光栅器件的曝光。

在一些实施例中，所述光束变换器300将入射的所述曝光光源100的光束整形为均匀的细长条形光束502，可通过匀光器匀光、柱透镜或衍射光学元件形成较粗的细长条状光束，然后通过在光束变化器与被曝光样片之间而临近被曝光样片的位置放置狭缝形掩膜板301等装置或方法，最终形成宽度与掩膜板缝宽相当的均匀的细长条形光束502，如图3所示。

所述的狭缝形掩膜板的位置与所述的曝光光源100、偏振态控制器200、光束变换器300保持相对固定，保证了所述的细长条形曝光光束502在被曝光样片上相对平移扫描曝光的均匀性。

在一些实施例中，如图3所示，所述的狭缝形掩膜板301的狭缝宽度w2小于被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期Λ，也小于从所述曝光光源方向投射过来落在狭缝形掩膜板上的较粗的细长条形光束的宽度w1。例如，所述被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期为Λ＝2μm，所述曝光光源方向投射过来落在狭缝形掩膜板上的较粗的细长条形光束的宽度为w1＝1.5μm，则狭缝形掩膜板的狭缝宽度为w2<Λ＝2μm，且w2<w1＝1.5μm，可选地，w2＝1μm，或w2＝1.2μm，或者其他可选值。

所述光束变换器300将入射的所述曝光光源100的光束整形为均匀的细长条形光束502的宽度w约等于所述的狭缝形掩膜板301的狭缝宽度w2，即有w≈w2。那么细长条形光束502的宽度w小于被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期Λ，也小于从所述曝光光源方向投射过来落在狭缝形掩膜板上的较粗的细长条形光束的宽度w1。例如，所述被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期为Λ＝2μm，所述曝光光源方向投射过来落在狭缝形掩膜板上的较粗的细长条形光束的宽度为w1＝1.5μm，则细长条形光束502的宽度为w2<Λ＝2μm，且w2<w1＝1.5μm，可选地，w2＝1μm，或w2＝1.2μm，或者其他可选值。

第四方面，样片平移台400。

所述曝光装置工作时，所述被曝光液晶偏振光栅器件样片被放置并固定在所述样片平移台400上，所述样片平移台400的平移运动带动所述被曝光液晶偏振光栅器件样片一起平移运动。所述样片平移台400的平移运动方式为连续匀速平移，且平移的速度可精确调节控制。

所述样片平移台400的平移运动的方向与所述的狭缝形掩膜板301的狭缝长度方向保持垂直或一个其他的角度θ，当角度θ为90°时，曝光装置能曝光的有效区域500为一长方形，其长度为a，宽度为b。当角度θ不为90°时，如图4所示，曝光装置能曝光的有效区域500为一个边长分别为a和b的平行四边形，其中a为沿所述样片平移台400的平移方向的平移距离，b为所述曝光光源100经过光束整形为均匀的细长条形光束502的长度。这种情况下，若保持所述样片平移台400的线性平移扫描速度v和所述偏振控制器200控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度ω都不变，则当角度θ≠90°时曝光的光栅周期与θ＝90°时曝光的光栅周期相比会相应减小，具体定量关系见“第六方面，曝光装置可制造的液晶偏振光栅器件的光栅周期Λ”的描述。

第五方面，样片平移台400的线性平移扫描速度v。

所述样片平移台400的线性平移扫描速度v与曝光光源的光功率P之间满足如下关系：

其中，t为所述样片平移台400的线性平移扫描时间，a和b分别为平行四边形曝光区域的长度和宽度，更具体地，a为沿所述样片平移台400的平移方向的平移距离，b为所述曝光光源100经过光束整形为均匀的细长条形光束502的长度，θ为平行四边形曝光区域中平行四边形两个相邻边的夹角，也即细长条形光束502的长度方向与样片平移台400的平移方向的夹角，T为所述曝光光源100经过所述偏振态控制器200和光束变换器300等光学系统后落在样片有效区域500上的有效光功率P_eff与所述曝光光源100的总输出光功率P之比，即透过率，即有P_eff＝P×T，Γ为所述被曝光样片上液晶光取向材料所需的光敏响应辐射剂量。

具体举例来说，对于SD1材料，所需的光敏响应辐射剂量为Γ≈5J/cm²。对于输出光功率比较大的波长为405nm的曝光光源100来说，可选总输出光功率P＝1W。所述曝光光源100经过所述偏振态控制器200和光束变换器300等光学系统后的总透过率，选取T＝10％。选取液晶偏振光栅器件曝光区域500为长方形，其边长分别为a＝200mm，b＝200mm，且有θ＝90°。于是得到所述样片平移台400的线性平移扫描速度v为：

第六方面，曝光装置可制造的液晶偏振光栅器件的光栅周期Λ。

所述曝光装置可制造的液晶偏振光栅器件的光栅周期Λ满足如下关系：

其中，v为所述样片平移台400的线性平移扫描速度，ω为所述偏振控制器200控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度，θ为平行四边形曝光区域500中平行四边形两个相邻边的夹角，也即细长条形光束502的长度方向与样片平移台400的平移方向的夹角。通过所述样片平移台400的线性平移扫描速度v和所述偏振控制器200控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度ω两个参数的调节控制，可实现所述液晶偏振光栅器件样片的不同光栅周期的曝光。

具体举例来说，选取所述样片平移台400的线性平移扫描速度为v＝10μm/s，所述偏振控制器200控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度为ω＝2πrad/s，所述平行四边形曝光区域500中平行四边形两个相邻边的夹角θ＝90°，则可得到曝光装置制造的液晶偏振光栅器件的光栅周期Λ为：

本发明公开了一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置及方法，包括曝光光源、偏振态控制器、光束变换器以及样片平移台。本发明通过设置偏振态控制器将曝光光束的偏振态变换为匀速旋转运动的线偏振状态，通过设置样片平移台对被曝光样片进行匀速平移控制，通过偏振态控制器的偏振态旋转速度参数和样片平移台的匀速平移速度参数等两个参数的精确配合，实现样片光栅周期的精确调节；通过光束变换器将曝光光束整形为均匀的细长条形光束，配合样片平移台较长工作行程的线性扫描，实现大口径液晶偏振光栅器件的曝光。本发明的曝光装置结构简单，工艺方法简便，曝光口径大，光栅周期可精密调节的范围宽，可维护性强。

Claims (9)

1.一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置，包括曝光光源，其特征在于：还包括：

偏振态控制器，用于将所述曝光光源的偏振态转化可旋转的线偏振状态；

光束变换器，用于将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束；

样片平移台：用于控制被曝光样片的平移扫描运动；

其中，曝光光源、偏振态控制器、光束变换器以及样片平移台四个组件在空间上依次排列且保持间距，四个组件中所含的各个光学零件的通光口径沿着曝光光源向下的直线发射方向保持共轴关系；

曝光光源、偏振态控制器、光束变换器三个组件的空间位置保持相对固定，而样片平移台承载被曝光样片，在工作时与曝光光源、偏振态控制器、光束变换器作相对地匀速平移运动。

2.根据权利要求书1所述的一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置，其特征在于：

所述的曝光光源放置在最上端，发射的平行光束沿直线向正下方传播，依次透过偏振态控制器和光束变换器后，照射到样片平移台所承载的被曝光样片上；

所述曝光光源的波长在液晶光取向材料的光敏响应光谱范围之内；

所述曝光光源的谱线宽度或相干长度没有特殊要求；

所述曝光光源的光功率与被曝光样片上液晶光取向材料的光敏响应剂量以及所述样片平移台的平移速度相关联。

3.根据权利要求书1或2所述的一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置，其特征在于：

所述偏振态控制器放置在所述曝光光源的下面，且两者之间保持一定的间隙；

所述偏振态控制器用于将所述曝光光源的偏振态转化可旋转的线偏振状态，偏振态控制器可旋转的角度范围为0°～360°或者0°～180°，偏振态控制器连续匀速旋转，且旋转的速度可精确调节控制；

所述偏振态控制器仅调节所述曝光光束的偏振状态，不调节曝光光束的光功率。

4.根据权利要求书1或2或3所述的一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置，其特征在于：

所述光束变换器放置在所述偏振态控制器的下面，且两者之间保持一定的间隙；

所述光束变换器将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束，用于配合所述的样片平移台较长工作行程的线性平移扫描，实现大口径液晶偏振光栅器件的曝光；

所述光束变换器将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束的宽度小于被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期。

5.根据权利要求书1或2或3或4所述的一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置，其特征在于：

所述样片平移台放置在所述光束变换器的下面，且两者之间保持一定的距离，以保证曝光光束经过所述光束变换器整形后的最细的部分落在所述样片平移台所承载的被曝光样片上；

当工作时，所述被曝光液晶偏振光栅器件样片被放置并固定在所述样片平移台上，所述样片平移台的平移运动载着所述被曝光液晶偏振光栅器件样片一起平移运动；

所述样片平移台的平移运动方式为连续匀速平移，且平移的速度可精确调节控制。

6.根据权利要求4或5所述的一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置，其特征在于，所述的光束变换器将入射的所述曝光光源的光束整形为均匀的细长条形光束，是通过匀光器进行匀光，通过柱透镜或衍射光学元件形成细长条状光束，然后通过在光束变化器与被曝光样片之间而临近被曝光样片的位置放置狭缝形掩膜板装置，最终形成宽度与掩膜板缝宽相当的均匀的细长条形光束；

所述的狭缝形掩膜板的位置与所述的曝光光源、偏振态控制器、光束变换器保持相对固定，保证了所述的细长条形曝光光束在被曝光样片上相对平移扫描曝光的均匀性；

所述的狭缝形掩膜板的狭缝宽度小于被曝光液晶偏振光栅器件样片的光栅周期，也小于从所述曝光光源方向投射过来落在狭缝形掩膜板上的较粗的细长条形光束的宽度。

7.一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光方法，使用权利要求书1所述的曝光装置，其特征在于，包括下列步骤，

步骤一，将曝光光源、偏振态控制器、光束变换器以及样片平移台四个组件在空间上依次排列且保持间距，四个组件中所含的各个光学零件的通光口径沿着曝光光源向下的直线发射方向保持共轴关系；

步骤二，工作时，所述的曝光光源发射的平行光束沿直线向正下方传播，，透过偏振态控制器将曝光光源发射的平行的偏振态光束转化成旋转的线偏振状态光束，偏振态控制器可旋转的角度范围为0°～360°或者0°～180°，偏振态控制器连续匀速旋转，且旋转的速度可精确调节控制；

步骤三，将步骤二得到的旋转的线偏振状态光束，通过光束变换器后整形为均匀的细长条形光束，用于配合所述的样片平移台较长工作行程的线性平移扫描，实现大口径液晶偏振光栅器件的曝光；

步骤四，步骤三所得到的整形为均匀的细长条形光束照射到样片平移台所承载的被曝光样片上，同时样片平移台以设定速度匀速向垂直于来光方向直线运动，载着被曝光样片以同样的速度和方向匀速运动。

8.根据权利要求7所述的一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光方法，其特征在于，所述样片平移台的线性平移扫描速度v与曝光光源的光功率P之间满足如下关系：

其中，t为所述样片平移台的线性平移扫描时间，a和b分别为平行四边形曝光区域的长度和宽度，更具体地，a为沿所述样片平移台的平移方向的平移距离，b为所述曝光光源经过光束整形为均匀的细长条形光束的长度，θ为平行四边形曝光区域中平行四边形两个相邻边的夹角，也即细长条形光束的长度方向与样片平移台的平移方向的夹角，T为所述曝光光源经过所述偏振态控制器和光束变换器等光学系统后落在样片有效区域上的有效光功率P_eff与所述曝光光源的总输出光功率P之比，即为透过率，即有P_eff＝P×T，Γ为所述被曝光样片上液晶光取向材料的光敏响应剂量。

9.根据权利要求书7所述的一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光方法，其特征在于：所述曝光装置可制造的液晶偏振光栅器件的光栅周期Λ满足如下关系：

其中，v为所述样片平移台的线性平移扫描速度，ω为所述偏振控制器控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度，θ为平行四边形曝光区域中平行四边形两个相邻边的夹角，也即细长条形光束的长度方向与样片平移台的平移方向的夹角。通过所述样片平移台的线性平移扫描速度v和所述偏振控制器控制所述曝光光束线偏振态旋转的角速度ω两个参数的调节控制，可实现所述液晶偏振光栅器件样片的不同光栅周期的曝光。