CN112835263B - 一种液晶计算全息图的单步曝光方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种液晶计算全息图的单步曝光方法及装置，可以克服目前制作液晶计算全息图采取的掩膜版曝光法的缺陷，无需提前制作带有同样计算全息图图案的掩膜版，仅需一次曝光，不需中途调整线偏振器或待曝光基板的摆放角度，简化制作流程，缩短制作时间，降低制作成本，简化掩膜版处的固定装置，无需真空吸附装置缩减掩膜版与待曝光基板间的距离，避免对基板表面光敏材料的大面积破坏。方法包括：构建液晶计算全息图曝光装置；放入涂覆有光敏材料的待曝光基板并进行参数调整，所述参数包括空间位置、俯仰角度，平面镜与待曝光基板正交接触放置，构成洛埃镜结构，调整空间光调制器的输入电信号，入射至基板的一半光束对应的区域不加载输入电信号；进行曝光。
Description
技术领域
本发明涉及光学精密制造的技术领域，尤其涉及一种液晶计算全息图的单步曝光方法，以及液晶计算全息图的单步曝光装置。
背景技术
计算全息法是一种非球面检测方法，属于零位补偿干涉法的一种，其使用的零位补偿器件即为计算全息图。计算全息图是一种衍射元件，理论上可通过衍射原理实现球面波与任意非球面波之间的互相转换。液晶计算全息图是一种新型的计算全息图，基于液晶的双折射特性，通过液晶光控取向技术实现计算全息图的制作。
液晶计算全息图的制作步骤较多，其中关键一步即为光控取向。液晶光控取向技术的基本原理是利用某些光敏材料可以在紫外线偏振光的照射下发生物理或化学反应，从而能够产生各向异性的表面作用力，进而诱导液晶分子定向排列，即，使用紫外线偏振光对光敏材料进行足够剂量的曝光后，光敏材料能够产生各向异性的表面作用力，此时在光敏材料表面涂覆液晶溶液，光敏材料即可诱导液晶分子进行定向排列。
目前，液晶计算全息图的曝光方法为掩膜版曝光法，其思路为：待曝光基板表面涂覆有均匀厚度的光敏材料，使用紫外或蓝色灯作为光源，通过偏振片将光源发出的光调制为线偏振光，对整个待曝光基板表面进行第一次曝光；然后将线偏振光的方向调整至与上一次偏振方向垂直，将带有待曝光图案的掩膜版覆盖在基板表面，进行第二次曝光。曝光结束后在基板表面涂覆液晶溶液，光敏材料即可诱导液晶分子定向排列，完成液晶光控取向。
掩膜版曝光法存在一些固有限制，如制作液晶计算全息图前需先制作带有同样计算全息图图案的1∶1掩膜版，制作时间较长，制作成本较高。且掩膜版处需有固定装置，如真空吸附装置，用于缩减掩膜版与基板间的间隙。否则，若掩膜版与基板表面之间间隙过大，光经过掩膜版后会因为衍射等原因产生光路偏移，掩膜版不透光区域下本不应受到曝光的光敏材料也会受到曝光，导致无法获得预期图案的液晶计算全息图。此外，在掩膜版曝光法中，基板表面需要大面积与掩膜版接触，可能对涂敷在基板表面的光敏材料层造成破坏。
此外，掩膜版曝光法需要进行两次曝光，所需曝光时间较长。且两次曝光之间需要线偏振光的偏振方向和基板之间发生90°的角度旋转，为曝光精度增加了不确定度。
空间光调制器是一类可以调制光波的空间分布的器件，可在随时间变化的电驱动信号控制下，或在另一种空间光强分布的作用下改变入射光的相位、偏振态、振幅(或强度)，或是实现非相干光到相干光的转换。
两束正交圆偏振光，即一束左旋圆偏振光和一束右旋圆偏振光以相同入射角入射同一平面上同一区域时，产生的干涉光场的偏振态在任一位置为线偏振或椭圆偏振，产生的干涉光场的偏振态(线偏振光的偏振方向或椭圆偏振光的长轴方向)及光强均成周期性变化，两者空间周期相同并与入射光波长及入射角有关。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种液晶计算全息图的单步曝光方法，其可以克服目前制作液晶计算全息图采取的掩膜版曝光法的缺陷，无需提前制作带有同样计算全息图图案的掩膜版，且整个曝光过程仅需一次曝光，不需中途调整线偏振器或待曝光基板的摆放角度，简化制作流程，缩短制作时间，降低制作成本，简化掩膜版处的固定装置，无需真空吸附装置缩减掩膜版与待曝光基板间的距离，避免了对基板表面光敏材料的大面积破坏。
本发明的技术方案是：这种液晶计算全息图的单步曝光方法，其包括以下步骤：
(1)构建液晶计算全息图曝光装置；
(2)放入涂覆有光敏材料的待曝光基板并进行参数调整，所述参数包括空间位置、俯仰角度，平面镜与待曝光基板正交接触放置，构成洛埃镜结构，调整空间光调制器的输入电信号，入射至基板的一半光束对应的区域不加载输入电信号；
(3)进行曝光。
本发明利用洛埃镜结构的干涉原理和空间光调制器对于光波相位的调制功能，可以克服目前制作液晶计算全息图采取的掩膜版曝光法的缺陷，无需提前制作带有同样计算全息图图案的掩膜版，且整个曝光过程仅需一次曝光，不需中途调整线偏振器或待曝光基板的摆放角度，简化制作流程，缩短制作时间，降低制作成本；相较于掩膜版曝光法的曝光装置，简化掩膜版处的固定装置，无需真空吸附装置缩减掩膜版与待曝光基板间的距离；基板与平面镜间接触面积较小，避免了对基板表面光敏材料的大面积破坏。
还提供了一种液晶计算全息图的曝光装置，其包括：其包括：激光器(1)、扩束器(2)、准直镜(3)、线偏振器(4)、空间光调制器(5)、第一λ/4波片(6)、第二λ/4波片(7)、待曝光基板(8)；激光器出射小口径平行激光束，经过扩束器及准直镜后，扩束为宽口径平行光束，这是平面光波；扩束后的光线经过线偏振器变为线偏振光，然后垂直入射空间光调制器；以光束截面的中线为界，平面光波的一半被空间光调制器进行波前调制，转换为预期波前的光波，另一半不受调制，仍以平面光波出射；出射空间光调制器的线偏振光被快轴与线偏振器主方向成45°的第一λ/4波片转换为左旋或右旋的圆偏振光；第二λ/4波片背面镀有高反膜，与待曝光基板正交接触放置，构成洛埃镜结构；光束中线通过两者交线，未受调制的一半左旋或右旋的圆偏振光直接入射基板表面，受到调制的一半左旋或右旋的圆偏振光入射第二λ/4波片后反射，被转换为右旋或左旋的圆偏振光后入射至基板表面；两部分光为正交圆偏振光，且在基板表面的照射范围完全重合，发生干涉，产生预期的干涉光场，实现对光敏材料的一次性曝光。
附图说明
图1是根据本发明的液晶计算全息图的单步曝光方法的流程图。
图2是根据本发明的液晶计算全息图的曝光装置的结构示意图。
其中，1-激光器、2-扩束器、3-准直镜、4-线偏振器、5-空间光调制器、6-第一λ/4波片、7-第二λ/4波片、8-待曝光基板。
具体实施方式
如图1所示，这种液晶计算全息图的单步曝光方法，其包括以下步骤：
(1)构建液晶计算全息图曝光装置；
(2)放入涂覆有光敏材料的待曝光基板并进行参数调整，所述参数包括空间位置、俯仰角度，平面镜与待曝光基板正交接触放置，构成洛埃镜结构，调整空间光调制器的输入电信号，入射至基板的一半光束对应的区域不加载输入电信号；
(3)进行曝光。
本发明利用洛埃镜结构的干涉原理和空间光调制器对于光波相位的调制功能，可以克服目前制作液晶计算全息图采取的掩膜版曝光法的缺陷，无需提前制作带有同样计算全息图图案的掩膜版，且整个曝光过程仅需一次曝光，不需中途调整线偏振器或待曝光基板的摆放角度，简化制作流程，缩短制作时间，降低制作成本；相较于掩膜版曝光法的曝光装置，简化掩膜版处的固定装置，无需真空吸附装置缩减掩膜版与待曝光基板间的距离；基板与平面镜间接触面积较小，避免了对基板表面光敏材料的大面积破坏。
优选地，所述步骤(2)中，激光器输出光束到达洛埃镜结构时，其中线与平面镜间夹角和与待曝光基板间夹角根据待曝光图案决定。
优选地，所述步骤(2)中，入射至平面镜的另一半光束对应的区域所加载的输入电信号根据待曝光图案决定。
优选地，所述步骤(3)中，曝光时间根据光敏材料所需的曝光剂量和激光器的输出功率决定。
如图2所示，还提供了一种液晶计算全息图的曝光装置，其包括：其包括：激光器1、扩束器2、准直镜3、线偏振器4、空间光调制器5、第一λ/4波片6、第二λ/4波片7、待曝光基板8；激光器出射小口径平行激光束，经过扩束器及准直镜后，扩束为宽口径平行光束，这是平面光波；扩束后的光线经过线偏振器变为线偏振光，然后垂直入射空间光调制器；以光束截面的中线为界，平面光波的一半被空间光调制器进行波前调制，转换为预期波前的光波，另一半不受调制，仍以平面光波出射；出射空间光调制器的线偏振光被快轴与线偏振器主方向成45°的第一λ/4波片转换为左旋(或右旋)的圆偏振光；第二λ/4波片背面镀有高反膜，与待曝光基板正交接触放置，构成洛埃镜结构；光束中线通过两者交线，未受调制的一半左旋(或右旋)的圆偏振光直接入射基板表面，受到调制的一半左旋(或右旋)的圆偏振光入射第二λ/4波片后反射，被转换为右旋(或左旋)的圆偏振光后入射至基板表面；两部分光为正交圆偏振光，且在基板表面的照射范围完全重合，发生干涉，产生预期的干涉光场，实现对光敏材料的一次性曝光。
优选地，所述激光器为紫外或蓝光波段单波长激光器，具体波长根据光敏材料的吸收特性确定。
优选地，所述扩束器及准直镜的工作光谱范围随激光器进行调整。
优选地，所述线偏振器，其消光比不小于500∶1。
优选地，所述空间光调制器为透射型、相位型空间光调制器，其像面尺寸不小于扩束后的光束口径；所述第一λ/4波片，其快轴方向与线偏振器主方向成45°，所述第二λ/4波片背面镀有高反膜，其快轴方向与第一λ/4波片的快轴方向重合，两波片的工作波长根据激光器的波长确定，其尺寸综合待曝光基板尺寸及扩束后光束口径进行选择。
优选地，所述待曝光基板，其表面涂覆有能够对液晶进行光控取向的光敏材料。
以下详细说明本发明的一个具体实施例。
本实施例所述待曝光液晶计算全息图图案为周期405.130mm的等距直条纹。曝光过程中，激光器1为中心波长405.130nm的蓝光波段激光器，输出功率为44mW，经扩束器2及准直镜3后光斑直径为20mm；线偏振器4的消光比为500∶1，透过率大于50％；空间光调制器5为电寻址透射型液晶空间光调制器，像面尺寸为1.3英寸；第一λ/4波片6直径为1英寸，工作波长为405nm；第二λ/4波片7直径为2英寸，工作波长为405nm；待曝光基板尺寸为32mm×32mm；光敏材料为SD1，所需曝光剂量为1焦耳。
根据待曝光液晶计算全息图图案及器材，确定曝光方案：激光器输出光束到达洛埃镜结构时，其中线与平面镜间夹角为30°，与待曝光基板夹角为60°。空间光调制器像面内，入射至平面镜的一半光束对应的区域和入射至基板的一半光束对应的区域均不需加载输入电信号。曝光时间为十分钟。曝光步骤如下：
步骤一：构建液晶计算全息图曝光装置，将空间光调制器的输入电信号置零。
步骤二：放入涂覆有光敏材料的待曝光基板并进行参数调整，所述参数包括空间位置、俯仰角度，使基板与平面镜间的夹角为90°、基板与平面镜的交线和光束中线垂直、光束中线与平面镜间夹角为30°，与待曝光基板夹角为60°。
步骤三：进行曝光，曝光时间为十分钟。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明所述方法首次提出了一种基于洛埃镜和空间光调制器的液晶计算全息图单步曝光方法，其特点在于利用洛埃镜结构的干涉原理和空间光调制器对于光波相位的调制功能，可以克服目前制作液晶计算全息图采取的掩膜版曝光法的缺陷，无需提前制作带有同样计算全息图图案的掩膜版，且整个曝光过程仅需一次曝光，不需中途调整线偏振器或待曝光基板的摆放角度，简化制作流程，缩短制作时间，降低制作成本。
(2)本发明所述装置，相较于掩膜版曝光法的曝光装置，简化掩膜版处的固定装置，无需真空吸附装置缩减掩膜版与待曝光基板间的距离。
(3)本发明所述装置，基板与平面镜间接触面积较小，避免了对基板表面光敏材料的大面积破坏。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种液晶计算全息图的曝光装置，其特征在于：其包括：激光器(1)、扩束器(2)、准直镜(3)、线偏振器(4)、空间光调制器(5)、第一λ/4波片(6)、第二λ/4波片(7)、待曝光基板(8)；激光器出射小口径平行激光束，经过扩束器及准直镜后，扩束为宽口径平行光束，这是平面光波；扩束后的光线经过线偏振器变为线偏振光，然后垂直入射空间光调制器；以光束截面的中线为界，平面光波的一半被空间光调制器进行波前调制，转换为预期波前的光波，另一半不受调制，仍以平面光波出射；出射空间光调制器的线偏振光被快轴与线偏振器主方向成45°的第一λ/4波片转换为左旋或右旋的圆偏振光；第二λ/4波片背面镀有高反膜，与待曝光基板正交接触放置，构成洛埃镜结构；光束中线通过两者交线，未受调制的一半左旋或右旋的圆偏振光直接入射基板表面，受到调制的一半左旋或右旋的圆偏振光入射第二λ/4波片后反射，被转换为右旋或左旋的圆偏振光后入射至基板表面；两部分光为正交圆偏振光，且在基板表面的照射范围完全重合，发生干涉，产生预期的干涉光场，实现对光敏材料的一次性曝光。
2.根据权利要求1所述的液晶计算全息图的曝光装置，其特征在于：所述激光器为紫外或蓝光波段单波长激光器，具体波长根据光敏材料的吸收特性确定。
3.根据权利要求2所述的液晶计算全息图的曝光装置，其特征在于：所述扩束器及准直镜的工作光谱范围随激光器进行调整。
4.根据权利要求3所述的液晶计算全息图的曝光装置，其特征在于：所述线偏振器，其消光比不小于500:1。
5.根据权利要求4所述的液晶计算全息图的曝光装置，其特征在于：所述空间光调制器为透射型、相位型空间光调制器，其像面尺寸不小于扩束后的光束口径；所述第一λ/4波片，其快轴方向与线偏振器主方向成45°，所述第二λ/4波片背面镀有高反膜，其快轴方向与第一λ/4波片的快轴方向重合，两波片的工作波长根据激光器的波长确定，其尺寸综合待曝光基板尺寸及扩束后光束口径进行选择。
6.根据权利要求5所述的液晶计算全息图的曝光装置，其特征在于：所述待曝光基板，其表面涂覆有能够对液晶进行光控取向的光敏材料。
7.使用根据权利要求1所述的液晶计算全息图的曝光装置的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)构建液晶计算全息图曝光装置；
(2)放入涂覆有光敏材料的待曝光基板并进行参数调整，所述参数包括空间位置、俯仰角度，平面镜与待曝光基板正交接触放置，构成洛埃镜结构，调整空间光调制器的输入电信号，入射至基板的一半光束对应的区域不加载输入电信号；
(3)进行曝光。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，激光器输出光束到达洛埃镜结构时，其中线与平面镜间夹角和与待曝光基板间夹角根据待曝光图案决定。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，入射至平面镜的另一半光束对应的区域所加载的输入电信号根据待曝光图案决定。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，曝光时间根据光敏材料所需的曝光剂量和激光器的输出功率决定。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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