CN208636625U - 一次曝光实现任意分布的光取向装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一次曝光实现任意分布的光取向装置，包括在空间上顺序摆放的光源、线性极化膜、像素化电控相位延迟器件和相位延迟波片，光源用于提供光取向曝光所需的光；线性极化膜用于将光源发出的光变成极化方向与线性极化膜透光轴方向平行的线性极化光；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；相位延迟片用于产生非像素化的相位延迟。本实用新型通过设计线性极化膜、像素化电控相位延迟器件、相位延迟波片的相对光轴方向，和各个相位延迟器件的相位延迟值，可以生成任意形状的极化图，并在极化敏感介质上形成相应的排列轮廓。

Description

一次曝光实现任意分布的光取向装置

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一次曝光实现任意分布的光取向装置。

背景技术

液晶由于其大光学各向异性、低功耗、轻巧、容易进行电、光、磁等方式调控等优点被广泛应用于液晶显示技术、可调液晶光子学器件等领域。但是要实现对液晶的调控往往需要取向层帮助才能使液晶指向矢(局部液晶光轴的概率统计方向)按一定方向进行排列。传统的取向层一般靠在聚合物材料薄层材料上摩擦获得，该材料会造成污染环境，且摩擦取向均匀性较差。最近，光取向技术，利用光的极化方向控制极化敏感介质排列方向，并进一步控制液晶指向矢方向的方法，日益成熟，并开始在一些商业产品上得到应用(如面内驱动的小尺寸液晶面板)。用非接触式的光控制液晶的取向，具有环保、易于实现，均匀性更好等优点，是液晶取向未来发展趋势。

光取向，相比于传统摩擦取向的另一个优点是可以实现不同区域液晶沿不同方向取向，因此可以应用于基于图形化相位延迟片的三维显示、安全保密文件显示、几何相位液晶全息图等方面。

几何相位全息图(GPH)可以看作由很多光轴在空间变化的相位延迟片拼接而成。它依靠光轴在空间中分布来形成相位在空间中分布，具有衍射效率高，对波长、角度不敏感等优点，可广泛应用于光束偏转、全息成像、增强现实眼镜等领域。几何相位全息图主要有以下几种制备装置：

第一种装置是用两个旋性相反的圆极化光进行全息干涉的装置，生成空间上极化方向变化的线极化光。当极化敏感介质暴露于干涉图案时，就根据光的极化方向进行相应排列。该种装置难以生成任意图形分布的光轴空间排列。

第二种装置中由紫外光经过一个或多个掩膜板对极化敏感介质进行多次曝光实现。这种装置所形成的取向分布完全由掩膜板图案决定。设计新的取向分布需要更换或者移动掩膜板；紫外光的极化选择一般由机械转动线性极化膜实现；由于每次曝光只能实现一个极化方向的排列，需要的取向方向越多，需要曝光的次数越多。

另有一种采用数字微反射镜阵列器件(DMD)的装置，通过刷新DMD上的强度分布图，可以快速生成需要的掩膜板图形，而不需要物理地生产新的掩膜板，更容易实现各种形状的取向分布。但是他们仍然用机械旋转线性极化膜的方法来控制光的极化方向，因此仍然需要多次曝光才能完成复杂图案的光取向。

另有一种激光直写的光取向和几何相位全息图的制备装置。利用二维机械扫描和极性选择器，将全息图或者取向逐点曝光完成。全息图的分辨率越高，需要直写的次数越多。如分辨率为100x100，需要曝光10000次。

实用新型内容

为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一次曝光实现任意分布的光取向装置，通过设计线性极化膜、像素化电控相位延迟器件、相位延迟波片的相对光轴方向，和各个相位延迟器件的相位延迟值，可以生成任意形状的极化图，并在极化敏感介质上形成相应的排列轮廓。极化敏感介质又影响光学各向异性介质，生成任意形状的几何相位全息器件。

为了达到上述实用新型目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一次曝光实现任意分布的光取向装置，包括在空间上顺序摆放的光源、线性极化膜、像素化电控相位延迟器件和相位延迟波片，其中：

所述光源用于提供光取向曝光所需的光；

所述线性极化膜用于将所述光源发出的光变成极化方向与线性极化膜透光轴方向平行的线性极化光；

所述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；

所述相位延迟片用于产生非像素化的相位延迟。

进一步的，所述线性极化膜、像素化电控相位延迟器件和相位延迟波片部件之前、之后、任意两者之间均可加入一个或多个光学元件。

优选的，所述光学元件为透镜、透镜组、反射镜、衰减片、孔阑、相位延迟器件、偏振片、扩束器、滤光片、棱镜、光学窗口、光学基底、光束位移光学元件、衍射光学元件和/或偏振旋转器件。

进一步的，所述相位延迟波片的相位延迟在π/4+mπ到3/4π+mπ之间，其中，m是整数。

优选的，所述相位延迟波片的相位延迟是π/2的奇数倍。

进一步的，所述线性极化膜的透光轴方向与垂直入射到所述像素化电控相位延迟器件中的非寻常光的极化方向成30度到60度范围的夹角，或者成负60度到负30度范围的夹角，或者成120度到150度范围的夹角，或者成负150度到负120度范围的夹角。

优选的，所述线性极化膜的透光轴方向与垂直入射到所述像素化电控相位延迟器件中的非寻常光的极化方向成45度、或者负45度、或者135度、或者负135度。

进一步的，所述线性极化膜的透光轴方向与所述相位延迟波片的慢轴方向成30度到60度范围的夹角，或者成负60度到负30度范围的夹角，或者成120度到180度范围的夹角，或者成负180度到负120度范围的夹角。

优选的，所述线性极化膜的透光轴方向与所述相位延迟波片的慢轴方向成45度、或者负45度、或者135度、或者负135度。

进一步的，所述像素化电控相位延迟器件为液晶器件，所述液晶器件的初始配相为两面水平配相、或者为两面竖直配相，或者一面是水平配相另一面是竖直配相。

进一步的，所述像素化电控相位延迟器件包括透射式和反射式。

进一步的，所述光源为紫外光或可见光。

进一步的，所述光源为激光或者LED。

本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

通过设计线性极化膜、像素化电控相位延迟器件、相位延迟波片的相对光轴方向，和各个相位延迟器件的相位延迟值，可以生成任意形状的极化图，并在极化敏感介质上形成相应的排列轮廓。极化敏感介质又影响光学各向异性介质，生成任意形状的几何相位全息器件。本实用新型只需要一次曝光就可以实现任意形状的极化图和几何相位全息器件，大大简化了器件制备工艺；本实用新型通过精确地用电压控制像素化电控相位延迟器件上电压分布，只需要一次曝光，就可以控制光极化和各向异性介质局部光轴在任意方向的连续变化。本实用新型的任意形状极化图可以通过计算机控制像素化电控相位延迟器件，进行实时更新，不需要每次重新做光掩膜板，大大降低了制作成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。附图中：

图1为本实用新型光取向装置的装置示意图；

图2为本实用新型一些实例的装置示意图；

图3为本实用新型一些实例的光取向过程；

图4为本实用新型另一些实例的光取向过程；

图5为本实用新型另一些实例中采用一6X5个像素的像素化电控液晶可调相位延迟器件生成的任意液晶光轴分布的几何相位全息图；

图6为本实用新型另一些实例中制备的一印有学校缩写的几何相位全息图照片；

图7为本实用新型可制备的具有连续变化的极化方向的几何相位光栅光轴分布图；

图8为本实用新型可制备的只有两个极化方向的几何相位光栅的光轴分布图。

【主要符号标记】

1-线性极化膜；

2-像素化电控相位延迟器件；

3-相位延迟波片；

4-极化敏感介质；

5-分光棱镜；

6-反射式像素化电控相位延迟器件；

51-光取向层；

52-ITO玻璃；

53-液晶；

54-极化敏感介质。

具体实施方式

以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本实用新型的一部分实例，并不是全部的实例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型公开了一种一次曝光实现任意分布的光取向装置，包括在空间上顺序摆放的光源、线性极化膜1、像素化电控相位延迟器件2和相位延迟波片3，其中：

所述光源用于提供光取向曝光所需的光；

所述线性极化膜1用于将所述光源发出的光变成极化方向与线性极化膜1透光轴方向平行的线性极化光；

所述像素化电控相位延迟器件2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；

所述相位延迟片用于产生非像素化的相位延迟。

本实施例中，所述光源出射的光依次经过线性极化膜(偏振片)1、像素化电控相位延迟器件2、相位延迟波片3，然后入射到极化敏感介质4。这里，图中用箭头画出了线性极化膜1的透光轴的方向，用箭头画出了在像素化电控相位延迟器件2中的非寻常光的极化方向，用箭头画出了相位延迟波片3的慢轴方向。以光的传播方向为z轴，以1/4波片的慢轴方向为y轴，以它的快轴方向为x轴，建立坐标系。线性极化片透光轴的方向也在y轴，像素化电控相位延迟器件2中的非寻常光的极化方向在xy平面内，且与y轴成45度角。

采用上述光取向装置后，只需要一次曝光就可实现极化敏感介质4中创建局部光轴定向轮廓，像素化电控相位延迟器件2的每个像素的相位延迟由对应的电压分别控制，入射到极化敏感介质4的为线偏振或椭圆偏振，其偏振方向或者椭圆极化长轴方向可以由像素化电控相位延迟器件2实现像素级控制。

进一步的，所述线性极化膜1、像素化电控相位延迟器件2和相位延迟波片3部件之前、之后、任意两者之间均可加入一个或多个光学元件，其本质并不影响本装置实现任意形状的极化图。优选的，所述光学元件为透镜、透镜组、反射镜、衰减片、孔阑、相位延迟器件、偏振片、扩束器、滤光片、棱镜、光学窗口、光学基底、光束位移光学元件、衍射光学元件和/或偏振旋转器件。特别地，当在像素化电控相位延迟器件2之后任意位置加入透镜组，可以将像素化电控相位延迟器件2出射的光斑进行放大和缩小。尤其缩小其光斑，也可以缩小像素化电控相位延迟器件2的像素的像，使得制备的几何相位全息图的空间分辨率得到提高。

进一步的，所述相位延迟波片3的相位延迟在π/4+mπ到3/4π+mπ之间，其中，m是整数。优选的，所述相位延迟波片3的相位延迟是π/2的奇数倍，即其为1/4λ波片。

进一步的，所述线性极化膜1的透光轴方向与垂直入射到所述像素化电控相位延迟器件2中的非寻常光的极化方向成30度到60度范围的夹角，或者成负60度到负30度范围的夹角，或者成120度到150度范围的夹角，或者成负150度到负120度范围的夹角。优选的，所述线性极化膜1的透光轴方向与垂直入射到所述像素化电控相位延迟器件2中的非寻常光的极化方向成45度、或者负45度、或者135度、或者负135度。

进一步的，所述线性极化膜1的透光轴方向与所述相位延迟波片3的慢轴方向成30度到60度范围的夹角，或者成负60度到负30度范围的夹角，或者成120度到180度范围的夹角，或者成负180度到负120度范围的夹角。优选的，所述线性极化膜1的透光轴方向与所述相位延迟波片3的慢轴方向成45度、或者负45度、或者135度、或者负135度。

进一步的，所述像素化电控相位延迟器件2为液晶器件，所述液晶器件的初始配相为两面水平配相、或者为两面竖直配相，或者一面是水平配相另一面是竖直配相。

进一步的，所述光源为紫外光或可见光，可实现极化敏感介质4的曝光。

进一步的，所述光源为激光或者LED。当所述光源选用激光时，其光源准直性好，能量高。当所述光源选用LED时，其光源为非准直光，具有体积小、价格低的特点。

进一步的，所述像素化电控相位延迟器件2包括透射式和反射式。本实施例中，所述像素化电控相位延迟器件2可连接计算机进行相位延迟分布设计，并可进行实时刷新。

在一些实施例中，像素化电控相位延迟器件2为水平配相的透射式液晶器件，且液晶为Δε＞0的正性液晶，则：

当电压为零时，相位延迟，即非常光和寻常光的相位差是最大值。其值约为δ＝2πΔn d/λ，其中，Δn是液晶的双折射率，d是液晶盒厚，λ是入射光的波长；

随着某个像素对应的电压的逐渐增大时，液晶指向矢越来越从水平排列逐渐转向竖直排列，使得该像素相位延迟δ随着电压逐渐减小；

当电压足够大时，液晶指向矢完全竖直排列，相位延迟δ为0。

对于入射光来说，经过了极化片、像素化电控相位延迟器件2的相位延迟为δ的一像素、1/4波片后，其偏振的琼斯矩阵表达为：

根据计算结果可以发现，出射光为线性极化光，它的极化方向相对于线性极化片的透光轴方向(y轴)转过了-δ/2的角度，它的强度由入射光的y分量决定。

当像素化电控相位延迟器件2的最大相位延迟为2π，最小相位延迟为0的时候，就可以实现0-180度的任意角度的极化旋转。

因此根据上面计算结果，就可以使出射光形成像素化的任意极化分布。即出射光局部区域(一个像素对应的区域)是具有相同极化方向的线性极化光，不同局部区域(不同像素对应的区域)，可以实现不同方向极化的线性极化光。

实际中，由于误差的原因，出射光的每一点可能是一个椭圆极化光，但是其椭圆极化光的长轴方向类似地由像素化电控相位可调器件，实现任意图形化的分布。

现在的液晶显示技术、硅基液晶技术可以用薄膜晶体管阵列驱动几百万个像素电控液晶可调相位延迟器件，并且与计算机高度兼容，可以直接在计算机上指定任意像素的灰度，使得像素化电控相位延迟器件2中生成相应的电压分配，并进一步生成任意相撞的相位延迟δ分布，最终生成任意极化方向分布的出射光。

极化敏感介质4，在足够光强曝光后，如甲基红分子在各个方向随机分布，但最终吸收长轴会与往极化方向(或者椭圆极化的长轴方向)垂直，以获得最稳定的状态，进而在极化敏感记录介质上分子排列轮廓也由前述的像素化电控相位延迟器件2决定。

在一些实施例中，像素化电控相位延迟器件2为垂直配相的透射式液晶器件，且液晶为Δε＜0的负性液晶。同样不同电压可以产生不同的相位延迟δ。

在本实用新型的一些实施例中像素化电控相位延迟器件2可以是反射式的，如图2所示。光经过图2中所示的装置，光源发出的光依次经过线性极化膜1、分光棱镜5、反射式像素化电控相位延迟器件(硅基液晶调制器)6、分光棱镜5、1/4波片3后，在极化敏感记录介质4处生成任意图形化的排列轮廓。这里反射式像素化电控可调相位延迟器件相比于图1中的透射式像素化电控可调相位延迟器件，在相同材料、液晶盒厚条件下，产生2倍的极化旋转。

具体实施例中，我们用上述光取向装置来制备具有光轴定向轮廓的光学元件。该光学元件制备过程为，将液晶53和极化敏感介质54的混合物，如E7和甲基红的混合物，混合均匀后灌入成品液晶盒接受实施例1中的装置的曝光。这里，甲基红作为极化敏感介质54，而E7液晶作为光学各向异性介质，成品液晶盒由两层氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)玻璃用间隔子控制盒厚，并用胶封住有效区域，留出前后两个小孔，用来注入液晶53。由于从实施例1中形成的光具有偏振分布轮廓，导致液晶盒中不同区域的甲基红，也有不同的排列方向，并进而带动液晶E7指向矢有不同的排列方向。这样就可以制成液晶光轴在玻璃基板平面内任意形状变化的器件。这个曝光过程如图4所示，其中，52是ITO玻璃，53是液晶，54是极化敏感介质。

特别地，当液晶盒的盒厚控制得当，当任意位置液晶的相位差均为固定值时，且液晶光轴方向在玻璃基板的二维平面中随着空间变化，就形成了一种几何相位全息图。

如图5所示为由一6X5个像素的像素化电控液晶可调相位延迟器件生成的任意局部光轴分布的几何相位全息图。

图6所示为一印有学校缩写的几何相位全息图。它的生成方法如下我们用计算机生成“S”“J”“T”“U”和背景。每个字母或背景都有不同的灰度。当这个灰度图投影到像素化可调相位延迟器件，不同字母或背景就对应有了不同极化方向的线性极化光。我们用E7和甲基红混合后灌入的液晶盒在接受曝光后，形成了不同区域有不同液晶光轴排列的图案。图6液晶盒是在互相垂直的偏振片下进行转动得到的。我们可以看到，转到不同区域，“S”“J”“T”“U”和背景的亮度会随着液晶盒旋转的角度发生变化，这是因为甲基红和液晶均按照我们给定的灰度图进行光轴方向排列的结果。因为所用光源是白光，而不是单色光，所以对比度不太高。

图7所示该方法可制备的具有连续变化的极化方向的几何相位光栅光轴分布图。如图8所示是只有两个极化方向的几何相位光栅的光轴分布图。我们用图2的装置，将E7和甲基红混合后的液晶盒曝光，得到如图8的光轴分布。为了证明液晶光轴确实有如此周期性排列，我们用不被甲基红吸收的红光(633nm)进行照射，观察到了明显的光栅衍射现象。

在一些实例中，所制备的几何相位全息图中的光学各向异性层是正性的液晶，可以施加垂直于基板的电压，让原本平行于基板的液晶光轴逐渐往平行于电场方向转动。这样就可以用电压调节几何相位全息图的局部相位差，从而调节其的电光特性。当电压加的很大时候，液晶光轴几乎垂直于基板，不产生任何相位延迟，因此几何相位全息图消失。但这种制作方法不局限于制备液晶器件。

在本实用新型的另一些制备方法实例中，记录物质极化敏感介质为光取向层51，而光学各向异性介质为液晶。光取向层51被旋涂在ITO玻璃52上。两块涂了光取向层51的ITO玻璃52，用间隔子控制间隔，再用UV胶封住，构成一个空液晶盒。光取向层51均在该空液晶盒内侧，用来排列液晶。将一个这样的空液晶盒子放在图1或者图2中极化敏感记录介质4处。就可以用计算机控制像素化电控相位延迟器件2每个像素的电压，进而控制光取向层51分子局部排列方向。曝光过程如图3所示，其中51为光取向层，52为ITO玻璃。再将液晶灌入盒中，液晶就会根据光取向层的局部排列方向，而进行相应的液晶指向矢排列轮廓。液晶指向矢基本上平行于玻璃基板排列，而在面内的排列方向，由其对应区域的光取向层51排列决定。这样，我们可以制成液晶光轴在玻璃基板平面内任意形状变化的器件。

在本实用新型的一些实例中，在像素化电控相位调制器件与极化敏感介质之间，有光学系统，以将光束大小进行调整，以得到所需的曝光精度和面积。

一些实例中，用极化敏感聚合物即作为极化敏感介质，又具有光学各向异性特性，也可以类似地生成几何相位全息图。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，包括在空间上顺序摆放的光源、线性极化膜、像素化电控相位延迟器件和相位延迟波片，其中：

所述光源用于提供光取向曝光所需的光；

所述线性极化膜用于将所述光源发出的光变成极化方向与线性极化膜透光轴方向平行的线性极化光；

所述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；

所述相位延迟波片用于产生非像素化的相位延迟。

2.根据权利要求1所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述线性极化膜、像素化电控相位延迟器件和相位延迟波片部件之前、之后、任意两者之间均可加入一个或多个光学元件。

3.根据权利要求2所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述光学元件为透镜、透镜组、反射镜、衰减片、孔阑、相位延迟器件、偏振片、扩束器、滤光片、棱镜、光学窗口、光学基底、光束位移光学元件、衍射光学元件和/或偏振旋转器件。

4.根据权利要求1所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述相位延迟波片的相位延迟在π/4+mπ到3/4π+mπ之间，其中，m是整数。

5.根据权利要求4所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述相位延迟波片的相位延迟是π/2的奇数倍。

6.根据权利要求1所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述线性极化膜的透光轴方向与垂直入射到所述像素化电控相位延迟器件中的非寻常光的极化方向成30度到60度范围的夹角，或者成负60度到负30度范围的夹角，或者成120度到150度范围的夹角，或者成负150度到负120度范围的夹角。

7.根据权利要求6所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述线性极化膜的透光轴方向与垂直入射到所述像素化电控相位延迟器件中的非寻常光的极化方向成45度、或者负45度、或者135度、或者负135度。

8.根据权利要求1所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述线性极化膜的透光轴方向与所述相位延迟波片的慢轴方向成30度到60度范围的夹角，或者成负60度到负30度范围的夹角，或者成120度到180度范围的夹角，或者成负180度到负120度范围的夹角。

9.根据权利要求8所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述线性极化膜的透光轴方向与所述相位延迟波片的慢轴方向成45度、或者负45度、或者135度、或者负135度。

10.根据权利要求1所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述像素化电控相位延迟器件为液晶器件，所述液晶器件的初始配相为两面水平配相、或者为两面竖直配相，或者一面是水平配相另一面是竖直配相。

11.根据权利要求1所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述像素化电控相位延迟器件包括透射式和反射式。

12.根据权利要求1所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述光源为紫外光或可见光。

13.根据权利要求1所述一次曝光实现任意分布的光取向装置，其特征在于，所述光源为激光或者LED。