CN112817183A - 基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置及方法，该装置包括照明组件、图案微缩组件、焦距伺服组件、运动控制部件、偏振图案生成组件、光路校准监测组件以及相位补偿组件，且相位补偿组件对偏振图案生成组件中的光路进行直接补偿。本发明利用相位型空间光调制器LCOS产生的相位差，控制圆偏振光的偏振信息，使得圆偏振光干涉形成的线偏振光的偏振方向精确可控，并且结合光取向材料对线偏振光偏振方向敏感的性质，可以实现液晶的定向排列。

Description

基于正交圆偏振光干涉的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，尤其涉及一种基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置及方法。

背景技术

液晶是兼有液体和晶体两方面性质的功能材料，广泛应用在各类液晶显示器中。但是液晶分子的排列并不像晶体结构那样牢固，在外部作用下(如电场、磁场、应力作用)，液晶分子会从初始排列转变到其他排列方式，从而导致其光学特性的变化，这就是液晶显示的基础。液晶的有序排列是通过取向膜提供足够的定向锚定力实现的，液晶取向技术就是为了达到这一目的而发展起来的技术。

目前产业界广泛使用的取向控制方式是摩擦取向技术，该技术通过摩擦取向膜来完成液晶的定向排列，但是它容易产生静电、尘埃以及损伤膜面等缺陷。为了解决摩擦取向的技术问题，斜蒸镀技术、表面化学处理技术等技术相继出现，但都存在部分基板不适用的问题。光控取向技术是近年来液晶取向发展的非接触取向方法，有着可以定域化、污染小、操作简便的优点。目前实现光控取向的方式主要有两大类。一类是需要掩模的，有接触式掩模曝光、投影式掩模曝光和投影式动态掩模曝光，其中接触式和投影式掩模曝光针对不同的图案都需要制作对应的掩模，具有生产成本高、效率低等缺点，而目前的投影式动态掩模曝光(基于DMD的动态掩膜曝光)无法实现单次曝光下的不同选区形成不同液晶取向图案，需要多次曝光，也具有效率低、套刻难等问题；另一类是无需掩模的，利用的是全息干涉，但只能生成一维或二维周期性且取向单一的液晶取向排列图案，难以制备复杂的图案。

具体地，在申请号为：201210225093.9，专利名称为：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的发明专利公开一种基于DMD动态掩模光控取向技术，通过控制DMD中微反射镜的偏转来实现动态掩模功能，虽然此方法无需更换掩模就可以实现液晶选区取向排列，但是无法在单次光控取向过程中实现液晶选区任意取向排列图案的记录，它每次光控取向操作只能实现单一方向偏振图案记录，若要实现不同选区不同方向偏振图案的记录，需要绘制多张设计图不断重复加载到DMD控制芯片来实现不同选区取向，而且每加载一次就需要旋转偏振片一次来控制光的偏振方向，造成了生产效率低，存在机械旋转误差等问题。

具体地，在申请号为：201820881217.1，专利名称为：一次曝光实现任意分布的光取向装置的实用新型专利公开一种基于LCOS动态掩模光控取向技术，通过电压来控制像素化电控相位延迟器件的每个像素的相位延迟，虽然此方法的光路简单，但是此方法采用的是透射式空间光调制器，能量损耗较大。而且由于LCOS工作区域的限制，无法实现大幅面、高精度的图案化液晶排列。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置及方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，包括：

照明组件，用于提供光源和实现准直均匀面光斑；

图案微缩组件，用于将调制后的光场微缩投影在感光材料上；

焦距伺服组件，包括垂直方向矫正组件，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感光材料的平台的空间位置，以实现光场拼接；

偏振图案生成组件，用于形成两个正交的圆偏振光，并将两个正交的圆偏振光进行干涉，形成满足偏振取向角要求的线偏振光；

光路校准监测组件，用于对偏振图案生成组件的整个干涉光路进行校准监测；

相位补偿组件，用于根据光路校准监测组件反馈的线偏振光偏振方向信息进行相位补偿，且相位补偿组件对偏振图案生成组件中的光路进行直接补偿。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，偏振图案生成组件包括：空间光调制器、第一分束镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片以及反射镜；

偏振图案生成组件的入射光经过第一分束镜形成第一光束和第二光束；

第一光束的线偏振光第一次经过第一四分之一波片后变为圆偏振光，反射镜对第一次经过第一四分之一波片的第一光束的入射光进行反射，反射后的第一光束的出射光第二次经过第一四分之一波片后变为线偏振光，且该线偏振光的偏振方向与第一光束初始的入射光的偏振方向垂直；

空间光调制器对第二光束的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束的出射光；

第一光束的出射光与第二光束的出射光再次经过第一分束镜出射后，经过第二四分之一波片变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光。

作为优选的方案，偏振图案生成组件包括：空间光调制器、偏振分束镜、四分之一波片以及反射镜；

偏振图案生成组件的入射光为非偏振光，该入射光经过偏振分束镜形成第一光束和第二光束，第一光束为s偏振光，第二光束为p偏振光；

第一光束的入射光被反射镜反射，反射镜反射后的第一光束的出射光的偏振方向和p偏振光的偏振方向垂直；

空间光调制器对第二光束的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束的出射光，且空间光调制器的晶轴方向与第二光束的偏振方向平行；

第一光束的出射光与第二光束的出射光再次经过偏振分束镜出射后，经过四分之一波片变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光。

作为优选的方案，相位补偿组件包括：步进电机以及设置于步进电机伸缩杆上的压电陶瓷，压电陶瓷与反射镜连接；

步进电机的伸缩杆用以粗调，压电陶瓷用以细调；

相位补偿组件根据光路校准监测组件的反馈信息，通过改变反射镜的位置来改变光程，进行相位补偿，使得在空间光调制器未对入射光场进行相位调制的情况下，第一光束和第二光束的相位差为0。

作为优选的方案，偏振图案生成组件的出射光经过第二分束镜后分别进入图案微缩组件、光路校准监测组件以及焦距伺服组件。

作为优选的方案，光路校准监测组件包括：检偏器、第一聚焦透镜和光电探测器，第一聚焦透镜设置于检偏器和光电探测器之间，光路校准监测组件的入射光依次经过检偏器和第一聚焦透镜后，被光电探测器进行监测。

作为优选的方案，焦距伺服组件包括：第二聚焦透镜、CCD、监视光源以及第三分束镜；

第二聚焦透镜设置于第三分束镜和CCD之间。

作为优选的方案，第二分束镜到达CCD接收面的光程与第二分束镜到达工件的光程相等。

另一方面，本发明还提供了基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向方法，具体包括以下步骤：

S1、照明组件提供准直的偏振面光源；

S2、干涉光路先进行初始化校准，偏振面光源进入偏振图案生成组件，其入射光经过第一分束镜形成第一光束和第二光束，空间光调制器未对第二光束的光场施加相位调制；

S3、光路校准监测组件对偏振图案生成组件的整个干涉光路进行校准监测，在空间光调制器未对第二光束的光场施加相位调制的情况下，通过驱动精密步进电机带动检偏器的旋转，通过光电探测器监测通过检偏器的最大光强，记录下此时该检偏器的检偏方向角θ，由检偏方向角可以得出第一光束与第二光束之间的相位差为2θ，然后将其发送给相位补偿组件；

S4、相位补偿组件根据光路校准监测组件反馈的线偏振光偏振方向信息进行相位补偿，相位补偿组件根据光路校准监测组件的反馈信息，通过改变偏振图案生成组件中反射镜的位置来改变光程，实现相位补偿，使得在空间光调制器未对入射光场进行相位调制的情况下，第一光束和第二光束的相位差为0，完成初始化校准；

S5、正式开始图案化液晶光取向工作，此时光路校准监测组件无需工作，空间光调制器对第二光束的光场施加相位调制，第一光束的线偏振光第一次经过第一四分之一波片后变为圆偏振光，反射镜对第一次经过第一四分之一波片的第一光束的入射光进行反射，反射后的第一光束的出射光第二次经过第一四分之一波片后变为线偏振光，且该线偏振光的偏振方向与第一光束初始的入射光的偏振方向垂直；空间光调制器对第二光束的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束的出射光；

第一光束的出射光与第二光束的出射光再次经过第一分束镜出射后，经过第二四分之一波片变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光；

S6、图案微缩组件将偏振图案生成组件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振感光材料中；

S7、伺服聚焦组件调整成像物镜组与光偏振感光材料面的距离，使得成像物镜组的焦面始终保持在光偏振感光材料面；

S8、将单次光控取向记录到光偏振感光材料上；

S9、将载有光偏振感光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。

另一方面，本发明还提供了另一种基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向方法，具体包括以下步骤：

S1、照明组件提供准直的非偏振面光源；

S2、干涉光路先进行初始化校准，非偏振面光源进入偏振图案生成组件，其入射光经过偏振分束镜形成第一光束和第二光束，第一光束为s偏振光，第二光束为p偏振光，空间光调制器未对第二光束的光场施加相位调制；

S3、光路校准监测组件对偏振图案生成组件的整个干涉光路进行校准监测，在空间光调制器未对第二光束的光场施加相位调制的情况下，通过驱动精密步进电机带动检偏器的旋转，通过光电探测器监测通过检偏器的最大光强，记录下此时该检偏器的检偏方向角θ，由检偏方向角可以得出第一光束与第二光束之间的相位差为2θ，然后将其发送给相位补偿组件；

S4、相位补偿组件根据光路校准监测组件反馈的线偏振光偏振方向信息进行相位补偿，相位补偿组件根据光路校准监测组件的反馈信息，通过改变偏振图案生成组件中反射镜的位置来改变光程，实现相位补偿，使得在空间光调制器未对入射光场进行相位调制的情况下，第一光束和第二光束的相位差为0，完成初始化校准；

S5、正式开始图案化液晶光取向工作，此时光路校准监测组件无需工作，空间光调制器对第二光束的光场施加相位调制，第一光束的入射光被反射镜反射，反射镜反射后的第一光束的出射光的偏振方向和p偏振光的偏振方向垂直；空间光调制器对第二光束的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束的出射光，且空间光调制器的晶轴方向与第二光束的偏振方向平行；第一光束的出射光与第二光束的出射光再次经过偏振分束镜出射后，经过四分之一波片变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光；

S6、图案微缩组件将偏振图案生成组件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振感光材料中；

S7、伺服聚焦组件调整成像物镜组与光偏振感光材料面的距离，使得成像物镜组的焦面始终保持在光偏振感光材料面；

S8、将单次光控取向记录到光偏振感光材料上；

S9、将载有光偏振感光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。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

第一，与DMD加波片的技术相比较而言，单次曝光可以控制曝光区域里与空间光调制器像素相对应区域的液晶任意取向排列，无需多次更换掩模和使用DMD刷新动态掩模，以及旋转偏振片来改变光的偏振方向。

第二，与LCOS加波片的技术方案相比较而言，空间光调制器LCOS不需要成一定角度反射，可以做到完全正入射，与LCOS反射式光路相比，没有近轴光线产生的误差，LCOS反射式光路对近轴光线有严格的要求，要求小于五度，正入射就避免了近轴误差。

第三，正交圆偏振光干涉形成线偏振光，实现了光强的叠加，与LCOS加波片光路的技术方案相比，降低了对光源部件功率的要求。

第四，利用负反馈自动校准光路，校准精度更高，其他专利中所提到的补偿均为利用空间光调制器进行相位补偿，而本专利中所用的补偿为对光路直接进行补偿，减小了空间光调制器进行相位调制的误差(电压的波动会导致空间光调制器的工作误差)，而且不需要每次重新启动装置后重新进行空间光调制器的校准。

第五，采用精密步进电机与压电陶瓷相结合的方式对反射镜进行调整，精密步进电机对光程进行粗调，压电陶瓷对光程进行细调，使光路的校准精确度更高，而更高的光路精度可以实现更高的液晶取向排列的精度，提高制备出的偏振光学器件的精度。

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为本发明实施例提供的基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置的光路图。

图2为本发明实施例提供的照明组件与偏振图案生成组件的部分光路图。

图3为本发明实施例提供的基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置的工作流程图。

图4为本发明实施例提供的光路校准监测组件的校准流程图。

其中：

1-照明组件，11-光源部件，12-准直扩束组件，13-起偏器，

2-图案微缩组件，

3-焦距伺服组件，31-第二聚焦透镜，32-CCD，33-监视光源，34-第三分束镜，

4-偏振图案生成组件，41-第一分束镜，42-反射镜，43-第二分束镜，44-空间光调制器，45-第一四分之一波片，46-第二四分之一波片，47-偏振分束镜，48-四分之一波片，

5-光路校准监测组件，51-检偏器，52-第一聚焦透镜，53-光电探测器，

6-相位补偿组件，61-压电陶瓷，62-精密步进电机，621-伸缩杆，

7-平台，8-成像透镜组，a-第一光束，b-第二光束。

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。

为了达到本发明的目的，基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置及方法的其中一些实施例中，

如图1和3所示，基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，包括：

照明组件1，用于提供光源和实现准直均匀面光斑；

图案微缩组件2，用于将调制后的光场微缩投影在感光材料上；

焦距伺服组件3，包括垂直方向矫正组件，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感光材料的平台7的空间位置，以实现光场拼接；

偏振图案生成组件4，用于形成两个正交的圆偏振光，并将两个正交的圆偏振光进行干涉，形成满足偏振取向角要求的线偏振光；

光路校准监测组件5，用于对偏振图案生成组件4的整个干涉光路进行校准监测；

相位补偿组件6，用于根据光路校准监测组件5反馈的线偏振光偏振方向信息进行相位补偿，且相位补偿组件6对偏振图案生成组件中的光路进行直接补偿。

在本发明一些实施例中，照明组件1包括：

光源部件11，用于提供光源，且该光源的波长在光控取向材料的吸收波长范围内；

准直扩束组件12，用于将从光源部件发出的线光源或点光源调整为能量均匀分布的平行的面光源，并将其输送至所述正交圆偏振光干涉组件；

起偏器13，用于将光源转变为所要求偏振方向的线偏振光或提高偏振光的偏振度。

光源部件11用于提供投影曝光的光源，光源波长在光控取向材料的吸收波长范围内。光源部件11提供脉冲光源，其工作于恒温恒湿环境中，其中心波长漂移幅度小于3nm，光源半波宽小于5nm，高于百分之八十的能量集中于中心波长半波宽内。脉冲光源脉宽为皮秒到秒级别，单个脉冲能量在纳焦到毫焦量级，单位面积能量高于感光材料阈值能量，低于相位调制器件LCOS损伤阈值，波长在340nm至600nm之间，半宽小于5nm，根据感光材料感光特性选取，脉冲光源重复频率在1Hz到10kHz和相位调制器件LCOS刷新速率匹配。

起偏器13，用于将光源部件11出射的光变为线偏振光，确定入射光的偏振方向。光源部件11发出脉冲光经过准直扩束组件12和起偏器13后形成发散角小于10mrad，光强均匀性优于80％的准直均匀光斑。脉冲光源中心波长漂移以及半宽、温度、波片误差对偏振图案生成部件输出图案的偏振度相位误差小于1％；光源部件11发出的线光源或点光源经准直扩束组件12和起偏器13后调整为准直的线偏振面光源，经过偏振图案生成组件44进行相位调制后，偏振方向和与其垂直方向强度比需要大于10比1。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，偏振图案生成组件4包括：空间光调制器44、第一分束镜41、第一四分之一波片45、第二四分之一波片46以及反射镜42；

偏振图案生成组件4的入射光经过第一分束镜41形成第一光束a和第二光束b；

第一光束a的线偏振光第一次经过第一四分之一波片45后变为圆偏振光，反射镜42对第一次经过第一四分之一波片45的第一光束a的入射光进行反射，反射后的第一光束a的出射光第二次经过第一四分之一波片45后变为线偏振光，且该线偏振光的偏振方向与第一光束a初始的入射光的偏振方向垂直；

空间光调制器44对第二光束b的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束b的出射光；

第一光束a的出射光与第二光束b的出射光再次经过第一分束镜41出射后，经过第二四分之一波片46变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光。

采用的空间光调制器44为LCOS器件，工作频率为1Hz到10kHz，选取工作频率为100Hz，脉冲光源损伤阈值大于300mJ/cm2，像素数为1920*1080，单个像素尺寸为8微米，整个空间光调制器44的尺寸为1.54cm*0.86cm，对于442nm相位调制量大于2pi，相位调制精度优于0.03pi。第一分束镜41用于第一光束a和第二光束b的分离，实现双光束干涉，空间光调制器44用于对第二光束b的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射。

作为本发明实施方式的进一步改进，相位补偿组件6包括：步进电机62以及设置于步进电机伸缩杆621上的压电陶瓷61，压电陶瓷61与反射镜42连接；

步进电机62的伸缩杆621用以粗调，压电陶瓷61用以细调；

相位补偿组件6根据光路校准监测组件5的反馈信息，通过改变反射镜42的位置来改变光程，进行相位补偿，使得在空间光调制器44未对入射光场进行相位调制的情况下，第一光束a和第二光束b的相位差为0。

作为本发明实施方式的进一步改进，偏振图案生成组件4的出射光经过第二分束镜43后分别进入图案微缩组件2、光路校准监测组件5以及焦距伺服组件3。

作为本发明实施方式的进一步改进，光路校准监测组件5包括：检偏器51、第一聚焦透镜52和光电探测器53，第一聚焦透镜52设置于检偏器51和光电探测器53之间，光路校准监测组件5的入射光依次经过检偏器51和第一聚焦透镜52后，被光电探测器53进行监测。

如图4所示，光路校准监测组件5对偏振图案生成组件4的整个干涉光路进行校准监测，在空间光调制器44未对第二光束b的光场施加相位调制的情况下，通过驱动精密步进电机带动检偏器51的旋转，通过光电探测器53监测通过检偏器51的最大光强，记录下此时该检偏器51的检偏方向角θ，由检偏方向角可以得出第一光束a与第二光束b之间的相位差为2θ，完成初始化。

作为本发明实施方式的进一步改进，焦距伺服组件3包括：第二聚焦透镜31、CCD32、监视光源33以及第三分束镜34；

第二聚焦透镜31设置于第三分束镜34和CCD32之间。

作为本发明实施方式的进一步改进，第二分束镜43到达CCD接收面的光程与第二分束镜43到达工件的光程相等。

焦距伺服组件3根据CCD获取的监视光源投影在工件上的光斑判断是否存在离焦，若存在离焦，则成像透镜组8进行上下运动，使得干涉光斑准确聚焦在感光材料表面，在准确聚焦后，光源部件11发出光，对感光材料进行图案化液晶光取向。

作为本发明实施方式的进一步改进，图案微缩组件2由成像透镜组8构成，用于将被空间光调制器44调制后的光场投影在光控取向材料上，根据不同的需求，可以更换不同倍数的物镜，成像透镜组8可以进行移动调焦。

另一方面，本发明还提供了基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向方法，具体包括以下步骤：

S1、照明组件1提供准直的偏振面光源；

S2、干涉光路先进行初始化校准，偏振面光源进入偏振图案生成组件4，其入射光经过第一分束镜41形成第一光束a和第二光束b，空间光调制器44未对第二光束b的光场施加相位调制；

S3、光路校准监测组件5对偏振图案生成组件4的整个干涉光路进行校准监测，在空间光调制器44未对第二光束b的光场施加相位调制的情况下，通过驱动精密步进电机带动检偏器51的旋转，通过光电探测器53监测通过检偏器51的最大光强，记录下此时该检偏器51的检偏方向角θ，由检偏方向角可以得出第一光束a与第二光束b之间的相位差为2θ，如图4所示，然后将其发送给相位补偿组件6；

S4、相位补偿组件6根据光路校准监测组件5反馈的线偏振光偏振方向信息进行相位补偿，相位补偿组件6根据光路校准监测组件5的反馈信息，通过改变偏振图案生成组件4中反射镜42的位置来改变光程，实现相位补偿，使得在空间光调制器44未对入射光场进行相位调制的情况下，第一光束a和第二光束b的相位差为0；

S5、正式开始图案化液晶光取向工作，此时光路校准监测组件无需工作，空间光调制器44对第二光束b的光场施加相位调制，第一光束a的线偏振光第一次经过第一四分之一波片45后变为圆偏振光，反射镜42对第一次经过第一四分之一波片45的第一光束a的入射光进行反射，反射后的第一光束a的出射光第二次经过第一四分之一波片45后变为线偏振光，且该线偏振光的偏振方向与第一光束a初始的入射光的偏振方向垂直；空间光调制器44对第二光束b的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束b的出射光；

第一光束a的出射光与第二光束b的出射光再次经过第一分束镜41出射后，经过第二四分之一波片46变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光；

S6、图案微缩组件2将偏振图案生成组件4输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振感光材料中；

S7、伺服聚焦组件调整成像物镜组与光偏振感光材料面的距离，使得成像物镜组的焦面始终保持在光偏振感光材料面；

S8、将单次光控取向记录到光偏振感光材料上；

S9、将载有光偏振感光材料的平台7移动到下一个指定位置进行下一次图案光场记录。

步骤S9之后还可以包括：

S10、将每个取向单元拼接在一起，在光偏振感光材料上形成大幅面偏振光图案的光取向结构。

在具体的实施例中，入射光偏振方向为

第一分束镜41的分光比为6∶4，第一光束a和第二光束b的线偏振光仍为x方向。第一四分之一波片45的快轴和x方向成+45度，第一光束a的线偏振光第一次经过第一四分之一波片45后变为圆偏振光，第二次经过第一四分之一波片45后变为线偏振光

偏振方向为y方向。经过反射镜42的移动后，调节光程差使得第一光束a存在一个

的相位补偿，此时出射光为

空间光调制器44的晶轴方向和x方向平行，空间光调制器44对第二光束b的入射光进行调制，反射后出射光为

其中δ为空间光调制器44形成的相位延迟，偏振方向仍为x方向。此时从第一分束镜41出射的两束线偏振光的光强相等。第二四分之一波片46的快轴和x方向成-45度，第一光束a的光束

和第二光束b的光束

在第一分束镜41出射后，经过第二四分之一波片46变为两束正交的圆偏振光，其中

两束正交的圆偏振光形成干涉，变为线偏振光

此时偏振图案生成组件4的出射光相较于入射光顺时针偏转了

度。

在具体的另一实施例中，假设入射光为自然光。第一分束镜41的分光比为1∶1，第一光束a和第二光束b的线偏振光仍为x方向。第一四分之一波片45的快轴和x方向成+45度，第一光束a的线偏振光第一次经过第一四分之一波片45后变为圆偏振光，第二次经过第一四分之一波片45后变为线偏振光

偏振方向为y方向。空间光调制器44的晶轴方向和x方向平行，空间光调制器44对第二光束b的入射光进行调制，反射后出射光为

其中δ为空间光调制器44形成的相位延迟，偏振方向仍为x方向。第二四分之一波片46的快轴和x方向成-45度，第一光束a的光束

和第二光束b的光束

在分束镜1出射后，经过第二四分之一波片46变为两束正交的圆偏振光，其中

两束正交的圆偏振光形成干涉，变为线偏振光

此时偏振图案生成组件4的出射光相较于入射光偏转了

度。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，如图2所示，偏振图案生成组件4包括：空间光调制器44、偏振分束镜47、四分之一波片以及反射镜42；

偏振图案生成组件4的入射光为非偏振光，该入射光经过偏振分束镜47形成第一光束a和第二光束b，第一光束a为s偏振光，第二光束b为p偏振光；

第一光束a的入射光被反射镜42反射，反射镜42反射后的第一光束a的出射光的偏振方向和p偏振光的偏振方向垂直；

空间光调制器44对第二光束b的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束b的出射光，且空间光调制器44的晶轴方向与第二光束b的偏振方向平行；

第一光束a的出射光与第二光束b的出射光再次经过偏振分束镜47出射后，经过四分之一波片48变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光。

由于偏振图案生成组件4采用了偏振分束镜47，故照明组件1可以只包括：光源部件11和准直扩束组件12。

另一方面，本发明还提供了另一种基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向方法，具体包括以下步骤：

S1、照明组件1提供准直的非偏振面光源；

S2、干涉光路先进行初始化校准，非偏振面光源进入偏振图案生成组件4，其入射光经过偏振分束镜47形成第一光束a和第二光束b，第一光束a为s偏振光，第二光束b为p偏振光，空间光调制器44未对第二光束b的光场施加相位调制；

S3、光路校准监测组件5对偏振图案生成组件4的整个干涉光路进行校准监测，在空间光调制器44未对第二光束b的光场施加相位调制的情况下，通过驱动精密步进电机带动检偏器51的旋转，通过光电探测器53监测通过检偏器51的最大光强，记录下此时该检偏器51的检偏方向角θ，由检偏方向角可以得出第一光束a与第二光束b之间的相位差为2θ，然后将其发送给相位补偿组件6；

S4、相位补偿组件6根据光路校准监测组件5反馈的线偏振光偏振方向信息进行相位补偿，相位补偿组件6根据光路校准监测组件5的反馈信息，通过改变偏振图案生成组件4中反射镜42的位置来改变光程，实现相位补偿，使得在空间光调制器44未对入射光场进行相位调制的情况下，第一光束a和第二光束b的相位差为0；

S5、正式开始图案化液晶光取向工作，此时光路校准监测组件无需工作，空间光调制器44对第二光束b的光场施加相位调制，第一光束a的入射光被反射镜42反射，反射镜42反射后的第一光束a的出射光的偏振方向和p偏振光的偏振方向垂直；空间光调制器44对第二光束b的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束b的出射光，且空间光调制器44的晶轴方向与第二光束b的偏振方向平行；第一光束a的出射光与第二光束b的出射光再次经过偏振分束镜47出射后，经过四分之一波片变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光；

S6、图案微缩组件2将偏振图案生成组件4输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振感光材料中；

S7、伺服聚焦组件调整成像物镜组与光偏振感光材料面的距离，使得成像物镜组的焦面始终保持在光偏振感光材料面；

S8、将单次光控取向记录到光偏振感光材料上；

S9、将载有光偏振感光材料的平台7移动到下一个指定位置进行下一次图案光场记录。

步骤S9之后还可以包括：

S10、将每个取向单元拼接在一起，在光偏振感光材料上形成大幅面偏振光图案的光取向结构。

本发明提出了一种基于圆偏振光干涉原理的投影式液晶光控取向装置及方法，利用相位型空间光调制器LCOS产生的相位差，控制圆偏振光的偏振信息，使得圆偏振光干涉形成的线偏振光的偏振方向精确可控。并且结合光取向材料对线偏振光偏振方向敏感的性质，可以实现液晶的定向排列。此装置能够在单次曝光情况下，完成曝光区域内任意像素空间里的液晶任意取向排列。并且通过二维工件平台的移动，能够完成多个曝光幅面的拼接，实现大幅面液晶取向排列的控制。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

第一，与DMD加波片的技术相比较而言，单次曝光可以控制曝光区域里与空间光调制器44像素相对应区域的液晶任意取向排列，无需多次更换掩模和使用DMD刷新动态掩模，以及旋转偏振片来改变光的偏振方向。

第二，与LCOS加波片的技术方案相比较而言，空间光调制器44LCOS不需要成一定角度反射，可以做到完全正入射，与LCOS反射式光路相比，没有近轴光线产生的误差，LCOS反射式光路对近轴光线有严格的要求，要求小于五度，正入射就避免了近轴误差。

第三，正交圆偏振光干涉形成线偏振光，实现了光强的叠加，与LCOS加波片光路的技术方案相比，降低了对光源部件11功率的要求。

第四，采用正交圆偏振光干涉曝光光路，利用正交圆偏振光干涉形成线偏振光的原理，对两束正交圆偏振光进行相位调制进而实现线偏振光偏振方向的任意变化，基于反射式相位空间光调制器44，控制像素内相位差δ，经过正交圆偏振光干涉后，相应像素内的线偏振光偏振旋转角度为

第五，利用负反馈系统自动校准光路，校准精度更高，其他专利中所提到的补偿均为利用空间光调制器44进行相位补偿，而本专利中所用的补偿为对光路直接进行补偿，减小了空间光调制器44进行相位调制的误差(电压的波动会导致空间光调制器44的工作误差)，而且不需要每次重新启动装置后重新进行空间光调制器44的校准。

第六，采用精密步进电机62与压电陶瓷61相结合的方式对反射镜42进行调整，精密步进电机62对光程进行粗调，压电陶瓷61对光程进行细调，使光路的校准精确度更高，而更高的光路精度可以实现更高的液晶取向排列的精度，提高制备出的偏振光学器件的精度。

第七，通过成像透镜组8对相位空间光调制器44偏振图案进行微缩或者放大，可以平衡写入精度和效率；

第八，可以使用偏振分光镜得到不同的正交圆偏振光干涉曝光光路，不需要起偏器13和改变线偏振光偏振方向的四分之一波片。

第九，通过平台7的运动，可以实现高质量大幅面图案化液晶光取向。

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基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置在执行一种基于正交圆偏振光干涉的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，即将装置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基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置以及基于正交圆偏振光干涉的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。对于本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，包括：

照明组件，用于提供光源和实现准直均匀面光斑；

图案微缩组件，用于将调制后的光场微缩投影在感光材料上；

焦距伺服组件，包括垂直方向矫正组件，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感光材料的平台的空间位置，以实现光场拼接；

其特征在于，还包括：

偏振图案生成组件，用于形成两个正交的圆偏振光，并将两个正交的圆偏振光进行干涉，形成满足偏振取向角要求的线偏振光；

光路校准监测组件，用于对所述偏振图案生成组件的整个干涉光路进行校准监测；

相位补偿组件，用于根据所述光路校准监测组件反馈的线偏振光偏振方向信息进行相位补偿，且所述相位补偿组件对所述偏振图案生成组件中的光路进行直接补偿。

2.根据权利要求1所述的基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述偏振图案生成组件包括：空间光调制器、第一分束镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片以及反射镜；

所述偏振图案生成组件的入射光经过所述第一分束镜形成第一光束和第二光束；

第一光束的线偏振光第一次经过所述第一四分之一波片后变为圆偏振光，所述反射镜对第一次经过所述第一四分之一波片的第一光束的入射光进行反射，反射后的第一光束的出射光第二次经过所述第一四分之一波片后变为线偏振光，且该线偏振光的偏振方向与第一光束初始的入射光的偏振方向垂直；

所述空间光调制器对第二光束的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束的出射光；

第一光束的出射光与第二光束的出射光再次经过所述第一分束镜出射后，经过所述第二四分之一波片变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光。

3.根据权利要求1所述的基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述偏振图案生成组件包括：空间光调制器、偏振分束镜、四分之一波片以及反射镜；

所述偏振图案生成组件的入射光为非偏振光，该入射光经过所述偏振分束镜形成第一光束和第二光束，第一光束为s偏振光，第二光束为p偏振光；

第一光束的入射光被所述反射镜反射，所述反射镜反射后的第一光束的出射光的偏振方向和p偏振光的偏振方向垂直；

所述空间光调制器对第二光束的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束的出射光，且所述空间光调制器的晶轴方向与第二光束的偏振方向平行；

第一光束的出射光与第二光束的出射光再次经过所述偏振分束镜出射后，经过所述四分之一波片变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光。

4.根据权利要求2或3所述的基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述相位补偿组件包括：步进电机以及设置于所述步进电机伸缩杆上的压电陶瓷，所述压电陶瓷与所述反射镜连接；

所述步进电机的伸缩杆用以粗调，所述压电陶瓷用以细调；

所述相位补偿组件根据所述光路校准监测组件的反馈信息，通过改变所述反射镜的位置来改变光程，进行相位补偿，使得在所述空间光调制器未对入射光场进行相位调制的情况下，第一光束和第二光束的相位差为0。

5.根据权利要求4所述的基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述偏振图案生成组件的出射光经过第二分束镜后分别进入所述图案微缩组件、光路校准监测组件以及焦距伺服组件。

6.根据权利要求5所述的基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述光路校准监测组件包括：检偏器、第一聚焦透镜和光电探测器，所述第一聚焦透镜设置于所述检偏器和光电探测器之间，所述光路校准监测组件的入射光依次经过所述检偏器和第一聚焦透镜后，被所述光电探测器进行监测。

7.根据权利要求6所述的基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述焦距伺服组件包括：第二聚焦透镜、CCD、监视光源以及第三分束镜；

所述第二聚焦透镜设置于所述第三分束镜和CCD之间。

8.根据权利要求7所述的基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向装置，其特征在于，所述第二分束镜到达所述CCD接收面的光程与所述第二分束镜到达工件的光程相等。

9.基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、照明组件提供准直的偏振面光源；

S2、干涉光路先进行初始化校准，偏振面光源进入偏振图案生成组件，其入射光经过第一分束镜形成第一光束和第二光束，空间光调制器未对第二光束的光场施加相位调制；

S3、光路校准监测组件对偏振图案生成组件的整个干涉光路进行校准监测，在空间光调制器未对第二光束的光场施加相位调制的情况下，通过驱动精密步进电机带动检偏器的旋转，通过光电探测器监测通过检偏器的最大光强，记录下此时该检偏器的检偏方向角θ，由检偏方向角可以得出第一光束与第二光束之间的相位差为2θ，然后将其发送给相位补偿组件；

S4、相位补偿组件根据光路校准监测组件反馈的线偏振光偏振方向信息进行相位补偿，相位补偿组件根据光路校准监测组件的反馈信息，通过改变偏振图案生成组件中反射镜的位置来改变光程，实现相位补偿，使得在空间光调制器未对入射光场进行相位调制的情况下，第一光束和第二光束的相位差为0，完成初始化校准；

S5、正式开始图案化液晶光取向工作，此时光路校准监测组件无需工作，空间光调制器对第二光束的光场施加相位调制，第一光束的线偏振光第一次经过第一四分之一波片后变为圆偏振光，反射镜对第一次经过第一四分之一波片的第一光束的入射光进行反射，反射后的第一光束的出射光第二次经过第一四分之一波片后变为线偏振光，且该线偏振光的偏振方向与第一光束初始的入射光的偏振方向垂直；空间光调制器对第二光束的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束的出射光；

第一光束的出射光与第二光束的出射光再次经过第一分束镜出射后，经过第二四分之一波片变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光；

S6、图案微缩组件将偏振图案生成组件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振感光材料中；

S7、伺服聚焦组件调整成像物镜组与光偏振感光材料面的距离，使得成像物镜组的焦面始终保持在光偏振感光材料面；

S8、将单次光控取向记录到光偏振感光材料上；

S9、将载有光偏振感光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。

10.基于正交圆偏振光干涉的图案化液晶光取向方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、照明组件提供准直的非偏振面光源；

S2、干涉光路先进行初始化校准，非偏振面光源进入偏振图案生成组件，其入射光经过偏振分束镜形成第一光束和第二光束，第一光束为s偏振光，第二光束为p偏振光，空间光调制器未对第二光束的光场施加相位调制；

S3、光路校准监测组件对偏振图案生成组件的整个干涉光路进行校准监测，在空间光调制器未对第二光束的光场施加相位调制的情况下，通过驱动精密步进电机带动检偏器的旋转，通过光电探测器监测通过检偏器的最大光强，记录下此时该检偏器的检偏方向角θ，由检偏方向角可以得出第一光束与第二光束之间的相位差为2θ，然后将其发送给相位补偿组件；

S4、相位补偿组件根据光路校准监测组件反馈的线偏振光偏振方向信息进行相位补偿，相位补偿组件根据光路校准监测组件的反馈信息，通过改变偏振图案生成组件中反射镜的位置来改变光程，实现相位补偿，使得在空间光调制器未对入射光场进行相位调制的情况下，第一光束和第二光束的相位差为0，完成初始化校准；

S5、正式开始图案化液晶光取向工作，此时光路校准监测组件无需工作，空间光调制器对第二光束的光场施加相位调制，第一光束的入射光被反射镜反射，反射镜反射后的第一光束的出射光的偏振方向和p偏振光的偏振方向垂直；空间光调制器对第二光束的入射光进行调制，对入射其工作面上的光场进行相位调制并反射，形成第二光束的出射光，且空间光调制器的晶轴方向与第二光束的偏振方向平行；第一光束的出射光与第二光束的出射光再次经过偏振分束镜出射后，经过四分之一波片变为两束正交的圆偏振光，实现两束圆偏振光的干涉，形成线偏振光；

S6、图案微缩组件将偏振图案生成组件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振感光材料中；

S7、伺服聚焦组件调整成像物镜组与光偏振感光材料面的距离，使得成像物镜组的焦面始终保持在光偏振感光材料面；

S8、将单次光控取向记录到光偏振感光材料上；

S9、将载有光偏振感光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。

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