CN112817182A - 高速曝光图案化液晶光取向装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速曝光图案化液晶光取向装置，包括依次相连的照明部件、偏振图案生成部件、成像检测组件、焦距伺服系统和运动控制部件；照明部件，用于提供进行连续频闪曝光的光源；偏振图案生成部件用于输出偏振图案；成像检测组件，用于对生成的图案成像进行检测；焦距伺服系统用于矫正运动产生的离焦现象；运动控制部件，用于调整载有光偏振敏感材料的平台的空间位置，以实现光场拼接。本发明利用脉冲激光能量大、脉宽短、重复频率高特点，基于单个或者多个脉冲实现单帧偏振图案记录，有着面积大，效率高，可靠性好的优点。

Description

高速曝光图案化液晶光取向装置及方法

技术领域

本发明涉及液晶取向排列控制领域，尤其涉及一种高速曝光图案化液晶光取向装置及方法。

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；液晶能够按照设计的取向排列进一步实现对光的振幅、相位以及偏振调制，在这些应用中发挥着重要的作用，因此液晶的取向排列控制方式成为了学术和工业生产的研究热点，目前公开的现有技术主要是摩擦取向技术和光控取向技术：

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得到所需的排列，目前光控取向技术分为四种：掩模套刻偏振图案技术、利用全息干涉的方法获得的周期性的液晶取向技术、基于DMD的动态掩模光取向技术，还有基于空间调制器的偏振取向技术。

基于液晶空间调制器的偏振取向技术是一种能够对入射光的相位和振幅进行调制的可编程控制器件，单次投影取向可以实现不同选区液晶不同取向排列的图案记录。

专利申请号CN201820881217.1公开了一次曝光实现任意分布的光取向装置，它介绍了一种采用像素化电控相位延迟器件进行单次曝光的光控取向方法，其中，像素化电控相位延迟器件的每个像素的相位延迟由对应的电压分别控制，用于产生任意图形分布的相位延迟，但是通过一次曝光来产生位相图案带来的问题是数据量与幅面大小成正比，这限制了所制备器件的幅面大小，而且也注定无法产生高精度高分辨率的光取向图案。

国外beam公司提供了一种使用连续激光照射LCOS位相调制器件进行光取向的装置和方法(De Sio L，Roberts D E，Liao Z，et al.Digital polarization holographyadvancing geometrical phase optics[J].Optics express，2016，24(16)：18297-18306.)，他们采用了低能量连续激光进行曝光，考虑到图像的信息量以及曝光均匀性和材料热容量、热扩散等性能，对单个视场曝光需要数十秒到数十分钟，而且曝光幅面受图像信息限制，无法对大面积幅面进行光取向。

因此，亟待一种在液晶显示领域新的利用脉冲激光照明的输出偏振图案的装置和方法。

发明内容

为了解决现有技术的问题，一方面，本发明提供了一种高速曝光图案化液晶光取向装置，所述装置包括依次相连的照明部件、偏振图案生成部件、成像检测组件、焦距伺服系统和运动控制部件；

所述照明部件，用于提供进行连续频闪曝光的光源和实现单一偏振准直均匀面光斑；

所述偏振图案生成部件，包括依次连接的四分之一波片和位相调制器，用于输出像素化可编程偏振图案到工件上；所述位相调制器与所述成像检测组件相连；所述位相调制器件为液晶位相调制器件，用于每个像素加载不同的相位；

所述成像检测组件，用于对生成的图案成像进行检测；所述焦距伺服系统包括光偏振敏感材料不敏感的常开光源和垂直方向矫正组件，用于矫正运动产生的离焦现象；

所述运动控制部件，用于调整载有光偏振敏感材料的平台的空间位置，以实现光场拼接。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述照明部件为脉冲光源或具有可控挡光片系统的连续光源；所述照明部件产生的脉冲激光脉宽为皮秒到秒级别，所述脉冲激光的波长为340nm到600nm；所述脉冲光源的单位面积能量高于液晶基片上光偏振敏感材料的阈值能量，且低于位相调制器件损伤阈值。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述脉冲激光的脉宽小于或等于所述位相调制器件的图像维持时间，当所述位相调制器件的一幅图像维持时，有至少一个脉冲激光峰照射到所述位相调制器件上。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述照明部件包括准直组件和起偏片；

所述准直组件用于将线光源或点光源调整为平行的面光源并输出至所述偏振图像生成部件；

所述起偏片用于产生单一偏振光，所述起偏器与所述准直组件相连，用于控制光的初始偏振方向，生成0-179度范围内的任意偏振方向的面光源。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述位相调制器件是相位差可调的像素型相位延迟器；并将偏振面光源反射为包含不同偏振信息的光斑传递到分光部件；

所述位相调制器件对脉冲光源的相位延迟量调制大于2π；

由电脑程序控制的单个灰度级对其相位调制精度优于0.01π，以实现一个周期内的任意相位延迟调制；所述位相调制器件位相延迟量漂移小于0.005π。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述成像检测组件还包括微缩成像部件；

所述微缩成像部件，用于对偏振图案生成部件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振敏感材料中；

所述微缩成像部件包括成像物镜组，所述成像物镜组的光路的主轴方向垂直于所述平台，电机驱动所述成像物镜组作竖直方向的上下移动，在所述平台上形成聚焦面。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述平台设置于所述成像物镜组下方且具有二维运动轨道，用于承载光偏振敏感材料且在所述运动控制部件驱动下带动光偏振敏感材料在二维平面运动，使光偏振敏感材料的表面始终保持在所述成像物镜组的聚焦面；

所述运动控制部件与所述微缩成像部件相连，用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述成像检测组件包括依次连接的第一分光片、筒镜、成像物镜组、偏振片、第一透镜、第一成像CCD；

所述成像物镜组的前焦面位于所述筒镜的后焦面的附近；所述第一成像CCD的成像面位于所述第一透镜的前焦面；所述第一透镜的后焦面位于所述筒镜的前焦面。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述焦距伺服系统包括依次连接的检测光源、第二透镜、第二分光片、成像物镜组、第二成像CCD、电机；

所述检测光源位于所述第二透镜的前焦面；所述第二分光片位于所述第二透镜的后焦面；所述第二成像CCD的成像面位于所述第二透镜的前焦面；所述电机驱动所述成像物镜组；

所述第一成像CCD接收投射到光偏振敏感材料面的反射像，第一成像CCD与位相调制器成共轭像。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述四分之一波片设置于所述位相调制器和所述分光器之间；

所述位相调制器为液晶空间光调制器，是相位差δ可调的像素型相位延迟器；偏振旋转方向是δ/2；入射光偏振方向、所述位相调制器件晶轴方向和所述四分之一波片晶轴方向成0、45、90度夹角。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述偏振图案生成部件包括依次连接的第一四分之一波片、位相调制器件、第二四分之一波片；

所述第一四分之一波片长轴方向、所述位相调制器件晶轴方向、所述第一四分之一波片晶轴方向成0、45、90度夹角。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述运动控制部件还包括控制器和电机驱动装置，所述控制器用于将采集的光路数据转换成控制信号并发送给各执行部件；

所述控制器包括运动控制模块，所述运动控制模块包括平台运动控制单元；

所述电机驱动装置用于驱动电机带动所述聚焦平台和平台运动，所述检测装置用于实时监测电机的运动，并将电机的运动位置及速度发送给运动控制模块；

所述平台运动控制单元，用于控制所述光偏振敏感材料在二维平面运动，以通过图案拼接组件实现偏振光场拼接或者不同偏振光场之间的互联。

另一方面，本发明还提供了一种高速曝光图案化液晶光取向方法，所述方法包括以下步骤：

S1、光源发出的线光源或点光源经起偏准直器件调整为准直的偏振面光源；

S2、偏振图案生成部件的位相调制器件根据图案信息加载相应相位，将偏振面光源反射为包含不同偏振信息的光斑传递到分光部件；

S3、分光部件将带有偏振信息的光线传导至成像检测组件；

S4、伺服聚焦系统调整成像物镜组与光偏振敏感材料面的距离，使得成像物镜组的焦面始终保持在光偏振敏感材料面；

S5、将单次光控取向记录到光偏振敏感材料上；

S6、将载有光偏振敏感材料的平台移动到下一个指定位置进行下一次图案光场记录。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S3之后还包括以下步骤：所述微缩成像部件通过筒镜与成像物镜组的焦距之比形成固定的微缩倍率，对位相调制器件输出的偏振图案进行微缩，进而输出偏振图案光场。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S6之后还包括：

S7、将每个取向单元拼接在一起，在光偏振敏感材料上形成大幅面偏振光图案的光取向结构。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S2通过灰度图像调整每幅子图中每个像素点的偏振信息，具体包括所述位相调制器件通过电压调控每个像素点的偏振级别，每个像素点又通过不同灰度信息确定电压的大小，从而实现灰度图像对偏振信息的调控；

所述灰度图为实时写入或预先加载；

所述位相调制器件为高速液晶位相调制器件，作为实时可编程相位板对线偏振光进行波前校正，从而实现对偏振图案的像素化控制。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S4具体包括：

检测光源出射光的波长在偏振光敏吸收波长区域以外值；

第二透镜将投射到光偏振敏感材料面的光斑反射到第二成像CCD中，通过光斑直径映射Z轴伺服调焦位置，调整Z轴镜头的上下高度，可以使第二成像CCD中的光斑直径始终保持为R，以通过第二成像CCD检测投射在光偏振敏感材料面的光斑的大小来判断光偏振敏感材料面是否在物镜的聚焦面。

作为本发明实施方式的进一步改进，当所述步骤S6单次偏振图案被记录到光偏振敏感材料上之后将载有光偏振敏感材料的平台移动到下一个指定位置进行下一次取向，通过以下步骤具体实现：

控制器将位置数据传输给运动控制模块，运动控制模块将收到的数据转换成控制信号并发送给电机驱动器，所述电机驱动器根据接收的控制信号对电机进行运动控制，检测装置负责实时监测电机的运动，并将电机的运动位置及速度发送给运动控制模块；然后运动控制模块将平台的当前位置及速度反馈给所述控制器。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用脉冲激光照明的高速曝光图案化液晶光取向方法可以实时控制单个曝光区域的位相变化，做到高精度高分辨率曝光，同时，利用脉冲激光能量大、脉宽短、重复频率高特点，基于单个或者多个脉冲实现单帧偏振图案记录，有着面积大，效率高，可靠性好的优点；

2、本发明的光源采用扩束准直后的紫外或蓝光，用位相调制器调节光场，能够产生不同的偏振相位，再结合成像系统进行微缩，最终实现单元像素内任意方向的偏振调制，有效克服了“偏振取向单一、灵活度低、加工效率低”的问题；

3、本发明采用聚焦伺服系统的辅助，控制物镜作上下移动，实时聚焦，提高分辨率；

4、本发明采用高精度平台精确控制样品做二维平面移动，为实现大幅面书写提供有利条件；

5、本发明采用由于光能量不集中，提出通过控制单视场尺寸和单次平移距离的关系，消除每个光控取向视场之间的拼缝，提高分辨率；

6、本发明具有单次曝光偏振图案高精度任意可控、大面积书写、效率高的优点，对于设计和制作大尺寸、高精度、多功能的液晶光学器件有着重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高速曝光图案化液晶光取向装置结构示意图；

图2是本发明实施例中高速曝光图案化液晶光取向装置的脉冲激光频率与位相调制器件刷新频率的选取示意图；

图3是本发明实施例中采用的一种光偏振敏感材料的峰值吸收特性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种高速曝光图案化液晶光取向装置，如图1所示，包括依次相连的照明部件、偏振图案生成部件、成像检测组件、焦距伺服系统和运动控制部件；

照明部件，用于提供进行连续频闪曝光的光源和实现单一偏振准直均匀面光斑；

偏振图案生成部件，包括依次连接的四分之一波片和位相调制器，用于输出像素化可编程偏振图案到工件上；位相调制器与成像检测组件相连；位相调制器件为液晶位相调制器件，用于每个像素加载不同的相位；

成像检测组件，用于对生成的图案成像进行检测；焦距伺服系统包括对光偏振敏感材料不敏感的常开光源和垂直方向矫正组件，用于矫正运动产生的离焦现象；

运动控制部件，用于调整载有光偏振敏感材料的平台的空间位置，以实现光场拼接。

在本发明实施例中，照明部件为脉冲光源，具体地，为脉冲激光；在其他可选的实施例中照明部件也可以为具有可控挡光片系统的连续光源；照明部件产生的脉冲激光脉宽为皮秒到秒级别，脉冲激光的波长为340nm到600nm；脉冲光源的单位面积能量高于液晶基片上光偏振敏感材料的阈值能量，且低于位相调制器件损伤阈值。

在其他可选的实施方式中，脉冲光源也可以为连续激光器加上机械或光电挡光片产生，或采用脉冲LED或连续LED加可控挡光片系统。

优选地，脉冲激光的脉宽小于或等于位相调制器件的图像维持时间，当位相调制器件的一幅图像维持时，有至少一个脉冲激光峰照射到位相调制器件上。

在本发明实施例中激光器发出的光波长为442nm、单脉冲能量为0.2mJ，脉宽为10ns，是脉冲光和S偏振，经过扩束系统进行准直调整，再经过起偏片后，形成一个光斑直径为2cm，发散角小于10mrad，S偏振，光强均匀性优于80％的准直均匀光斑。

具体地，在本发明实施例中，照明部件包括准直组件和起偏片；准直组件和起偏片组成准直起偏部件。

准直组件用于将线光源或点光源调整为平行的面光源并输出至偏振图像生成部件；

起偏片用于产生单一偏振光，起偏器与准直组件相连，用于控制光的初始偏振方向，生成0-179度范围内的任意偏振方向的面光源。

在本发明实施例中，位相调制器件是相位差可调的像素型相位延迟器；并将偏振面光源反射为包含不同偏振信息的光斑传递到分光部件；位相调制器件对脉冲光源的相位延迟量调制大于2π；由电脑程序控制的单个灰度级对其相位调制精度优于0.01π，以实现一个周期内的任意相位延迟调制；所述位相调制器件位相延迟量漂移小于0.005π。

进一步地，成像检测组件还包括微缩成像部件；

微缩成像部件，用于对偏振图案生成部件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振敏感材料中；

微缩成像部件包括成像物镜组，成像物镜组的光路的主轴方向垂直于平台，电机驱动成像物镜组作竖直方向的上下移动，在平台上形成聚焦面。

在本发明实施例中，平台设置于成像物镜组下方且具有二维运动轨道，用于承载光偏振敏感材料且在运动控制部件驱动下带动光偏振敏感材料在二维平面运动，使光偏振敏感材料的表面始终保持在成像物镜组的聚焦面；

运动控制部件与微缩成像部件相连，用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。

成像检测组件包括依次连接的第一分光片、筒镜、成像物镜组、偏振片、第一透镜、第一成像CCD；

成像物镜组的前焦面位于筒镜的后焦面；第一成像CCD的成像面位于所述第一透镜的前焦面；所述第一透镜的后焦面位于所述筒镜的前焦面。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述焦距伺服系统包括依次连接的检测光源、第二透镜、第二分光片、成像物镜组、第二成像CCD、电机；

检测光源位于第二透镜的前焦面；第二分光片位于第二透镜的后焦面；第二成像CCD的成像面位于第二透镜的前焦面；电机驱动成像物镜组；

第一成像CCD接收投射到光偏振敏感材料面的反射像，第一成像CCD与位相调制器成共轭像。

在本发明实施例中，四分之一波片设置于位相调制器和成像检测组件之间；位相调制器为液晶空间光调制器，是相位差δ可调的像素型相位延迟器；偏振旋转方向是二分之一δ/2；入射光偏振方向、所述位相调制器件晶轴方向和所述四分之一波片晶轴方向成0、45、90度夹角。

在其他可实施的方式中，偏振图案生成部件包括依次连接的第一四分之一波片、位相调制器件、第二四分之一波片；四分之一波片的数量可以不唯一。

其中，第一四分之一波片长轴方向、位相调制器件晶轴方向、第一四分之一波片晶轴方向成0、45、90度夹角。

在本发明实施例中，运动控制部件还包括控制器和电机驱动装置、电机检测装置，所述控制器用于将采集的光路数据转换成控制信号并发送给各执行部件；

控制器包括运动控制模块，运动控制模块包括平台运动控制单元；

电机驱动装置用于驱动电机带动平台运动，电机检测装置用于实时监测电机的运动，并将电机的运动位置及速度发送给运动控制模块；

平台运动控制单元，用于控制光偏振敏感材料在二维平面运动，以通过图案拼接组件实现偏振光场拼接或者不同偏振光场之间的互联。

在某些实施例中，为了解决生成任意偏振取向的问题，偏振图案生成部件，包括依次连接的四分之一波片和位相调制器，用于产生任意偏振分布的图形；位相调制器件通过电压调控每个像素点的偏振级别，每个像素点又通过不同灰度信息确定电压的大小，从而实现灰度图像对偏振信息的调控。灰度图可以实时写入或者预先加载；位相调制器件可以是但不限于是超高速液晶空间光调制器，可作为实时可编程相位板对线偏振光进行波前校正，从而实现对偏振图案的像素化控制。原始偏振光场的分辨率由液晶空间光调制器的像素尺寸决定。

基于位相调制器件的偏振图案形成的具体过程为：第一四分之一波片和第二四分之一波片快轴方向正交，与位相调制器液晶排列主轴方向分别成45°角。准直光斑经过第一四分之一波片后，以和位相调制器件法线夹角3°入射，把位相调制器件照射均匀，实施例中采用的位相调制器件为LCOS器件，工作频率为50Hz到400Hz，脉冲激光损伤阈值大于300mJ/cm²，10ns，像素数为1920*1080，单个像素尺寸为8微米，整个位相调制器件的尺寸为1.54cm*0.86cm，对于442nm相位调制量大于2π，相位调制精度优于0.03π。

分光部件分别与微缩成像部件和成像检测部件相连，用于过滤指定波段的光分别进入微缩成像部件和成像检测部件；

运动控制部件还包括图案拼接组件，图案拼接组件用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。

需要说明的是，本发明实施例为基于反射式位相调制器件(LCOS)的快速光取向装置，在其他可选的实施例中，也可以为基于透射式LCOS快速光取向装置；即偏振图案生成部件包括依次连接的第一四分之一波片、位相调制器件、第二四分之一波片；其中，第一四分之一波片长轴方向、位相调制器件晶轴方向、第一四分之一波片晶轴方向在同一方向上。

在本发明实施例中的控制逻辑具体为：工控机中的控制软件将位置数据传输给运动控制模块，运动控制模块将收到的数据转换成控制信号并发送给电机驱动器，电机驱动器根据接收的控制信号对电机进行运动控制；检测装置负责实时监测电机的运动，并将电机的运动位置及速度发送给运动控制模块；运动控制模块将平台当前的位置及速度反馈给软件。

光学系统中的位相调制器LCOS通过数据传输线与工控机相连，使得控制软件能够向LCOS传输相位图数据。运动控制卡通过触发线与激光器相连，通过发送脉冲信号来控制激光器的出光。

另一方面，本发明还提供了一种高速曝光图案化液晶光取向方法，所述方法包括以下步骤：

S1、光源发出的线光源或点光源经起偏准直器件调整为准直的偏振面光源；

S2、偏振图案生成部件的位相调制器件根据图案信息加载相应相位，将偏振面光源反射为包含不同偏振信息的光斑传递到分光部件；

S3、分光部件将带有偏振信息的光线传导至成像检测组件；

S4、伺服聚焦系统调整成像物镜组与光偏振敏感材料面的距离，使得成像物镜组的焦面始终保持在光偏振敏感材料面；

S5、将单次光控取向记录到光偏振敏感材料上；

S6、将载有光偏振敏感材料的平台移动到下一个指定位置进行下一次图案光场记录。

在本发明实施例中，步骤S3之后还包括以下步骤：微缩成像部件通过筒镜与成像物镜组的焦距之比形成固定的微缩倍率，对位相调制器件输出的偏振图案进行微缩，进而输出偏振图案光场。

进一步地，高速曝光图案化液晶光取向方法在所述步骤S6之后还包括：

S7、将每个取向单元拼接在一起，在光偏振敏感材料上形成大幅面偏振光图案的光取向结构。

其中，步骤S2通过灰度图像调整每幅子图中每个像素点的偏振信息，具体包括所述位相调制器件通过电压调控每个像素点的偏振级别，每个像素点又通过不同灰度信息确定电压的大小，从而实现灰度图像对偏振信息的调控；

所述灰度图为实时写入或预先加载；

所述位相调制器件为高速液晶位相调制器件，作为实时可编程相位板对线偏振光进行波前校正，从而实现对偏振图案的像素化控制。

优选地，检测光源出射光的波长在偏振光敏吸收波长区域以外值；步骤S4中检测光源出射光的波长为550nm到650nm之间的任意值；

第二透镜将投射到光偏振敏感材料面的光斑反射到第二成像CCD中，通过光斑直径映射Z轴伺服调焦位置，调整Z轴镜头的上下高度，可以使第二成像CCD中的光斑直径始终保持为R，以通过第二成像CCD检测投射在光偏振敏感材料面的光斑的大小来判断光偏振敏感材料面是否在物镜的聚焦面。

在本发明实施例中，步骤S6单次偏振图案被记录到光偏振敏感材料上之后将载有光偏振敏感材料的平台移动到下一个指定位置进行下一次取向，通过以下步骤具体实现：

控制器将位置数据传输给运动控制模块，运动控制模块将收到的数据转换成控制信号并发送给电机驱动器，所述电机驱动器根据接收的控制信号对电机进行运动控制，检测装置负责实时监测电机的运动，并将电机的运动位置及速度发送给运动控制模块；然后运动控制模块将平台的当前位置及速度反馈给所述控制器。

当单次光控取向被记录到光偏振敏感材料上之后，通过运动控制模块将载有光偏振敏感材料的平台移动到下一个指定位置的移动距离为单次取向单元的尺寸，且移动方式为逐行依次移动扫描；具体地，每次移动步距的时间为脉冲激光脉宽的整数倍，可用多次激光脉冲曝光同一图案光场。

其中，脉冲激光器频率和位相调制器件刷新频率关系如图2所示，所诉脉冲激光器，其脉冲激光频率与位相调制器件频率对应，且脉宽小于等于位相调制器件的图像维持时间，即当位相调制器件的一幅图像维持时，有一个脉冲激光峰照射到位相调制器件上。

位相调制器件图像维持时间内，也可有多个脉冲激光峰照射到位相调制器件接收窗口上，可以加强单次曝光能量。

本实施例中所使用的光控取向材料的波长吸收特性如图3所示；所采用的材料为偶氮类光取向材料，对应图3中材料3，使用波长为442nm的激光照明时可获得较好的光控取向效果，也可根据光取向材料选择不同波长的脉冲激光光源，或根据不同波长的脉冲激光光源选择相应的光取向材料，微缩部件采用20倍微缩物镜，即光斑面积缩小400倍，能量密度提高400倍，微缩之后单个像素尺寸仅为0.4微米，可实现高精度的图案信息曝光直写。此时，光取向材料的感光量为50mJ/cm²，高于光控取向能量阈值，低于其损伤阈值。

需要说明的是，本发明中定义的“频闪”为按照一定预设频率发光和/猝灭。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用脉冲激光照明的高速曝光图案化液晶光取向方法可以实时控制单个曝光区域的位相变化，做到高精度高分辨率曝光，同时，利用脉冲激光能量大、脉宽短、重复频率高特点，基于单个或者多个脉冲实现单帧偏振图案记录，有着面积大，效率高，可靠性好的优点；

2、本发明的光源采用扩束准直后的紫外或蓝光，用位相调制器调节光场，能够产生不同的偏振相位，再结合成像系统进行微缩，最终实现单元像素内任意方向的偏振调制，有效克服了“偏振取向单一、灵活度低、加工效率低”的问题；

3、本发明采用聚焦伺服系统的辅助，控制物镜作上下移动，实时聚焦，提高分辨率；

4、本发明采用高精度平台精确控制样品做二维平面移动，为实现大幅面书写提供有利条件；

5、本发明采用由于光能量不集中，提出通过控制单视场尺寸和单次平移距离的关系，消除每个光控取向视场之间的拼缝，提高分辨率；

6、本发明具有单次曝光偏振图案高精度任意可控、大面积书写、效率高的优点，对于设计和制作大尺寸、高精度、多功能的液晶光学器件有着重要意义。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本发明的可选实施例，在此不再一一赘述。

需要说明的是：上述实施例提供的一种高速曝光图案化液晶光取向装置及系统在执行一种高速曝光图案化液晶光取向方法时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的一种高速曝光图案化液晶光取向装置以及高速曝光图案化液晶光取向方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的照明部件、偏振图案生成部件、成像检测组件、焦距伺服系统和运动控制部件；

所述照明部件，用于提供进行连续频闪曝光的光源和实现单一偏振准直均匀面光斑；

所述偏振图案生成部件，包括依次连接的四分之一波片和位相调制器，用于输出像素化可编程偏振图案到工件上；所述位相调制器与所述成像检测组件相连；所述位相调制器件为液晶位相调制器件，用于每个像素加载不同的相位；

所述成像检测组件，用于对生成的图案成像进行检测；所述焦距伺服系统包括光偏振敏感材料不敏感的常开光源和垂直方向矫正组件，用于矫正运动产生的离焦现象；

所述运动控制部件，用于调整载有光偏振敏感材料的平台的空间位置，以实现光场拼接。

2.根据权利要求1所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述照明部件为脉冲光源或具有可控挡光片系统的连续光源；所述照明部件产生的脉冲激光脉宽为皮秒到秒级别，所述脉冲激光的波长为340nm到600nm；所述脉冲光源，单个或者多个脉冲经过扩束准直，分束步骤后，在相位调制器位置，累积能量密度低于位相调制器件损伤阈值；经过后续成像步骤后，在样品表面累积能量密度高于光偏振敏感材料的阈值能量。

3.根据权利要求2所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述脉冲激光的脉宽小于或等于所述位相调制器件的图像维持时间，当所述位相调制器件的一幅图像维持时，有至少一个脉冲激光峰照射到所述位相调制器件上。

4.根据权利要求1所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述照明部件包括准直组件和起偏片；

所述准直组件用于将线光源或点光源调整为平行的面光源并输出至所述偏振图像生成部件；

所述起偏片用于产生单一偏振光，所述起偏器与所述准直组件相连，用于控制光的初始偏振方向，生成0-179度范围内的任意偏振方向的面光源。

5.根据权利要求1所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述位相调制器件是相位差可调的像素型相位延迟器；并将偏振面光源反射为包含不同偏振信息的光斑传递到分光部件；

所述位相调制器件对脉冲光源波长的相位延迟量调制大于2π；

由电脑程序控制的单个灰度级对其相位调制精度优于0.01π，以实现一个周期内的任意相位延迟调制；所述位相调制器件位相延迟量漂移小于0.005π。

6.根据权利要求1所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述成像检测组件还包括微缩成像部件；

所述微缩成像部件，用于对偏振图案生成部件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振敏感材料中；

所述微缩成像部件包括成像物镜组，所述成像物镜组的光路的主轴方向垂直于所述平台，电机驱动所述成像物镜组作竖直方向的上下移动，在所述平台上形成聚焦面。

7.根据权利要求1所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述平台设置于所述成像物镜组下方且具有二维运动轨道，用于承载光偏振敏感材料且在所述运动控制部件驱动下带动光偏振敏感材料在二维平面运动，使光偏振敏感材料的表面始终保持在所述成像物镜组的聚焦面；

所述运动控制部件与所述微缩成像部件相连，用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。

8.根据权利要求1所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述成像检测组件包括依次连接的第一分光片、筒镜、成像物镜组、偏振片、第一透镜、第一成像CCD；

所述成像物镜组的前焦面位于所述筒镜的后焦面的附近；所述第一成像CCD的成像面位于所述第一透镜的前焦面；所述第一透镜的后焦面位于所述筒镜的前焦面。

9.根据权利要求1所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述焦距伺服系统包括依次连接的检测光源、第二透镜、第二分光片、成像物镜组、第二成像CCD、电机；

所述检测光源位于所述第二透镜的前焦面；所述第二分光片位于所述第二透镜的后焦面；所述第二成像CCD的成像面位于所述第二透镜的前焦面；所述电机驱动所述成像物镜组；

所述第一成像CCD接收投射到光偏振敏感材料面的反射像，第一成像CCD与位相调制器成共轭像。

10.根据权利要求1所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述四分之一波片设置于所述位相调制器和所述分光器之间；

所述位相调制器为液晶空间光调制器，是相位差δ可调的像素型相位延迟器；偏振旋转方向是δ/2；入射光偏振方向、所述位相调制器件晶轴方向和所述四分之一波片晶轴方向成0、45、90度夹角。

11.根据权利要求1所述的高速曝光图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述偏振图案生成部件包括依次连接的第一四分之一波片、位相调制器件、第二四分之一波片；

所述第一四分之一波片长轴方向、所述位相调制器件晶轴方向、所述第一四分之一波片晶轴方向成0、45、90度夹角。

12.一种高速曝光图案化液晶光取向方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、光源发出的线光源或点光源经起偏准直器件调整为准直的偏振面光源；

S2、偏振图案生成部件的位相调制器件根据图案信息加载相应相位，将偏振面光源反射为包含不同偏振信息的光斑传递到分光部件；

S3、分光部件将带有偏振信息的光线传导至成像检测组件；

S4、伺服聚焦系统调整成像物镜组与光偏振敏感材料面的距离，使得成像物镜组的焦面始终保持在光偏振敏感材料面；

S5、将单次光控取向记录到光偏振敏感材料上；

S6、将载有光偏振敏感材料的平台移动到下一个指定位置进行下一次图案光场记录。

13.根据权利要求12所述的高速曝光图案化液晶光取向方法，其特征在于，所述步骤S3之后还包括以下步骤：所述微缩成像部件通过筒镜与成像物镜组的焦距之比形成固定的微缩倍率，对位相调制器件输出的偏振图案进行微缩，进而输出偏振图案光场。

14.根据权利要求12所述的高速曝光图案化液晶光取向方法，其特征在于，所述步骤S6之后还包括：

S7、将每个取向单元拼接在一起，在光偏振敏感材料上形成大幅面偏振光图案的光取向结构。

15.根据权利要求12所述的高速曝光图案化液晶光取向方法，其特征在于，所述步骤S2通过灰度图像调整每幅子图中每个像素点的偏振信息，具体包括所述位相调制器件通过电压调控每个像素点的偏振级别，每个像素点又通过不同灰度信息确定电压的大小，从而实现灰度图像对偏振信息的调控；

所述灰度图为实时写入或预先加载；

所述位相调制器件为高速液晶位相调制器件，作为实时可编程相位板对线偏振光进行波前校正，从而实现对偏振图案的像素化控制。

16.根据权利要求12所述的高速曝光图案化液晶光取向方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

检测光源出射光的波长在偏振光敏吸收波长区域以外值；

第二透镜将投射到光偏振敏感材料面的光斑反射到第二成像CCD中，通过光斑直径映射Z轴伺服调焦位置，调整Z轴镜头的上下高度，可以使第二成像CCD中的光斑直径始终保持为R，以通过第二成像CCD检测投射在光偏振敏感材料面的光斑的大小来判断光偏振敏感材料面是否在物镜的聚焦面。

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