一种点扫描图案化液晶光取向系统的制作方法

1.本实用新型涉及液晶取向排列控制领域，尤其涉及一种点扫描图案化液晶光取向系统。


背景技术：

2.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：
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
[0007]
专利号2012102250939公开了一种基于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。
[0008]
因此，亟待一种在液晶显示领域新的输出偏振图案的装置和方法。


技术实现要素：

[0009]
为了解决现有技术的问题，一方面，本实用新型公开了一种点扫描图案化液晶光取向系统，所述系统包括依次连接的光源模块、光学整形及微缩系统、成像检测组件、功率检测子系统、聚焦检测及校正子系统、偏振态调制子系统、运动控制子系统；
[0010]
所述光源模块，用于提供激光光源且将所述激光光源发出的光调制为均匀的偏振光；
[0011]
所述偏振态调制子系统，用于将所述光源模块的偏振光调整为任意角度的偏振光；
[0012]
所述成像检测组件，用于对输出到工件上的偏振图案的成像进行检测；
[0013]
所述光学整形及微缩系统，用于将所述光源模块发出的光源整形为固定形状的光斑，并微缩至指定倍率；
[0014]
所述功率检测子系统，用于实时检测光源能量的变化；
[0015]
所述聚焦检测及校正子系统，用于检测微缩光斑的聚焦位置，并调整显微物镜与待曝光的载有光偏振敏感材料的平台的距离，使所述平台的当前位置处于所述显微物镜聚焦清晰位置；
[0016]
所述运动控制子系统，与所述光学整形及微缩系统相连，用于调整载有光偏振敏感材料的平台的空间位置，且用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。
[0017]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述光源模块包括激光光源、光束匀光器、四分之一波片，所述激光光源为线偏振的光源；
[0018]
所述光束匀光器，用于将呈高斯分布的激光光源调制为近矩形分布；所述四分之一波片，用于将线偏振光源调制为圆偏振光。
[0019]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述光源模块包括激光光源、光束匀光器、偏振片，所述激光光源为非偏振的光源；所述偏振片用于将非偏振光调制为单一偏振光源；所述光束匀光器用于将呈高斯分布的所述激光光源调制为近矩形分布。
[0020]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述光学整形及微缩系统，包括光源整形部件和微缩部件，所述光源整形部件用于将所述激光光源形成可更换的、具有镂空形状的掩模；
[0021]
所述微缩部件包括用于对偏振态调制子系统输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振敏感材料中；
[0022]
所述微缩成像部件包括一组筒镜和显微物镜；所述筒镜构造为无限远矫正远心形式，所述显微物镜的光路的主轴方向垂直于所述平台，电机驱动所述显微物镜作竖直方向的上下移动，在所述平台上形成聚焦面。
[0023]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述功率检测子系统包括分光元件和功率探测器，所述分光元件构造为分光平片或分光棱镜；所述分光元件用于将整形后的光源分成两路，一路进入所述微缩部件进行微缩曝光，一路进入所述功率探测器以记录光源的功率变化。
[0024]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述聚焦检测及校正子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；
[0025]
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；
[0026]
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。
[0027]
作为本实用新型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、第一透镜、第一成像ccd；
[0028]
所述成像物镜组的前焦面位于所述筒镜的后焦面；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。
[0029]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述偏振态调制子系统，包括偏振片和旋转电机，所述旋转电机驱动所述偏振片旋转，且根据加工需求实时调整所述偏振片的角度，实现任意角度偏振光的调整。
[0030]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述运动控制子系统，包括平台及运动控制器，所述运动控制器用于根据用户需求控制所述平台在二维平面上移动，且采集和反馈所述平台的实时坐标位置和实时移动速度；
[0031]
所述平台设置于所述显微物镜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子系统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显微物镜的聚焦面。
[0032]
相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
[0033]
1、本实用新型通过平台的运动，结合实时可调节的微缩物镜系统所形成的拼接技术，可以实现在每个区域都能将干涉图案精确聚焦投影在感光材料表面，可以实现高质量大幅面图案化液晶光取向；
[0034]
2、本实用新型具有光效利用率高的优点，现有技术中采用空间光调制器的系统而空间光调制器的衍射效率不足40％；
[0035]
3、本实用新型具有偏振态调控精确且线性的优点，通过旋转电机精确控制偏振片的角度，可以实现高精度的偏振态调控，采用lcos的系统不仅需要校正灰度，且偏振态的调控线性度与lcos本身的产品特性有关，不同的lcos 调整的线性度不同；
[0036]
4、本实用新型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；
[0037]
5、本实用新型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。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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。
[0039]
图1是本实用新型实施例提供的点扫描图案化液晶光取向系统结构示意图；
[0040]
图2是本实用新型实施例中光阑形状及偏转角度示意图；
[0041]
图中示例表示为：
[0042]1‑
照明部件；11脉冲激光；2
‑
偏振态调制子系统；22
‑
位相调制器；3
‑
成像检测组件；32
‑
第一分光片；4
‑
聚焦检测及校正子系统；42
‑
第二分光片；5
‑
运动控制子系统；6
‑
平台；7
‑
准直起偏部件。
具体实施方式
[0043]
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0044]
为了解决现有技术的问题，一方面，本实用新型公开了一种点扫描图案化液晶光取向系统，所述系统包括依次连接的光源模块、光学整形及微缩系统、成像检测组件、功率检测子系统、聚焦检测及校正子系统、偏振态调制子系统、运动控制子系统；
[0045]
所述光源模块，用于提供激光光源且将所述激光光源发出的光调制为均匀的偏振光；
[0046]
所述偏振态调制子系统，用于将所述光源模块的偏振光调整为任意角度的偏振光；
[0047]
所述成像检测组件，用于对输出到工件上的偏振图案的成像进行检测；
[0048]
所述光学整形及微缩系统，用于将所述光源模块发出的光源整形为固定形状的光斑，并微缩至指定倍率；
[0049]
所述功率检测子系统，用于实时检测光源能量的变化；
[0050]
所述聚焦检测及校正子系统，用于检测微缩光斑的聚焦位置，并调整显微物镜与待曝光的载有光偏振敏感材料的平台的距离，使所述平台的当前位置处于所述显微物镜聚焦清晰位置；
[0051]
所述运动控制子系统，与所述光学整形及微缩系统相连，用于调整载有光偏振敏感材料的平台的空间位置，且用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。
[0052]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述光源模块包括激光光源、光束匀光器、四分之一波片，所述激光光源为线偏振的光源；
[0053]
所述光束匀光器，用于将呈高斯分布的激光光源调制为近矩形分布；所述四分之一波片，用于将线偏振光源调制为圆偏振光。
[0054]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述光源模块包括激光光源、光束匀光器、偏振片，所述激光光源为非偏振的光源；所述偏振片用于将非偏振光调制为单一偏振光源；所述光束匀光器用于将呈高斯分布的所述激光光源调制为近矩形分布。
[0055]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述光学整形及微缩系统，包括光源整形部件和微缩部件，所述光源整形部件用于将所述激光光源形成可更换的、具有镂空形状的掩模；
[0056]
所述微缩部件包括用于对偏振态调制子系统输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振敏感材料中；
[0057]
所述微缩成像部件包括一组筒镜和显微物镜；所述筒镜构造为无限远矫正远心形
式，所述显微物镜的光路的主轴方向垂直于所述平台，电机驱动所述显微物镜作竖直方向的上下移动，在所述平台上形成聚焦面。
[0058]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述功率检测子系统包括分光元件和功率探测器，所述分光元件构造为分光平片或分光棱镜；所述分光元件用于将整形后的光源分成两路，一路进入所述微缩部件进行微缩曝光，一路进入所述功率探测器以记录光源的功率变化。
[0059]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述聚焦检测及校正子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；
[0060]
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；
[0061]
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。
[0062]
作为本实用新型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、第一透镜、第一成像ccd；
[0063]
所述成像物镜组的前焦面位于所述筒镜的后焦面；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。
[0064]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述偏振态调制子系统，包括偏振片和旋转电机，所述旋转电机驱动所述偏振片旋转，且根据加工需求实时调整所述偏振片的角度，实现任意角度偏振光的调整。
[0065]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述运动控制子系统，包括平台及运动控制器，所述运动控制器用于根据用户需求控制所述平台在二维平面上移动，且采集和反馈所述平台的实时坐标位置和实时移动速度；
[0066]
所述平台设置于所述显微物镜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子系统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显微物镜的聚焦面。
[0067]
在本实用新型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。
[0068]
本实用新型中点扫描图案化液晶光取向系统的光取向方法包括以下步骤：
[0069]
s1、激光光源发出的高斯分布的光束，经过光束匀光器整形后，调制为平行的均匀偏振光；
[0070]
s2、将所述偏振光调制成为任意角度的偏振光；
[0071]
s3、分光片将偏振光传导至成像检测组件，对输出到工件上的偏振图案的成像进行检测；
[0072]
s4、聚焦检测及校正子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；
[0073]
s5、将单次光控取向记录到光偏振敏感材料上；
[0074]
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。
[0075]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述步骤s2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，对输出的偏振图案进行微缩，进而输出偏振图案光场。
[0076]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述步骤s6之后还包括：
[0077]
s7、将每个图案光场记录拼接在一起，在光偏振敏感材料上形成大幅面偏振光图案的光场。
[0078]
作为本实用新型实施方式的进一步改进，所述步骤s4具体包括以下步骤：
[0079]
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。
[0080]
作为本实用新型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：
[0081]
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。
[0082]
具体例
[0083]
在本实用新型具体例中，偏振态调节子系统具体构造为光阑，定义光阑扫描方向的尺寸y除以扫描速度为曝光剂量，光阑垂直扫描方向的尺寸x为扫描线条的宽度。平台在开始一行扫描曝光前，需要通过控制器先控制偏振片旋转到指定的角度，然后再打开激光器，最后以指定的速度匀速平移运动平台的扫描轴y，形成一行曝光；根据扫描线条的宽度移动x轴；指定的角度可以选自 0
°
、45
°
、90
°
、135
°
、180
°
、225
°
、270
°
、315
°
和360
°
；
[0084]
如图1所示，光阑形状为矩形，也可以选自三角形、伞形等其他任意形状，通过控制光阑的形状来控制每次扫描行中同一水平线上的曝光剂量。
[0085]
本实用新型实施例采用搭接错位扫描曝光，如图2所示例，即通过步进方向光阑的部分重叠扫描曝光，可以实现周期小于光阑x方向尺寸的光栅。任意灰度图形曝光：设定灰度图的0
‑
255灰度与偏振片角度的对应关系，例如：灰度0对应偏振角度0
°
，灰度255对应偏振角度359
°
。灰度图中的灰度值g对应的偏振角度为g*359/255.设定灰度图中每个像素点的大小为s(dpi),则可以将灰度图中每个像素点的坐标计算出来为x,y，再将对应位置的偏振角度一起存储为一个三维数组文件，通过控制程序控制平台的x,y及z三个轴运动，依次曝光。其中 z为对应电动可调旋转偏振片的角度。
[0086]
相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
[0087]
1、本实用新型通过平台的运动，结合实时可调节的微缩物镜系统所形成的拼接技术，可以实现在每个区域都能将干涉图案精确聚焦投影在感光材料表面，可以实现高质量
大幅面图案化液晶光取向；
[0088]
2、本实用新型具有光效利用率高的优点，现有技术中采用空间光调制器的系统而空间光调制器的衍射效率不足40％；
[0089]
3、本实用新型具有偏振态调控精确且线性的优点，通过旋转电机精确控制偏振片的角度，可以实现高精度的偏振态调控，采用lcos的系统不仅需要校正灰度，且偏振态的调控线性度与lcos本身的产品特性有关，不同的lcos 调整的线性度不同；
[0090]
4、本实用新型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；
[0091]
5、本实用新型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。
[0092]
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本实用新型的可选实施例，在此不再一一赘述。
[0093]
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。
[0094]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0095]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。