CN109643025B - 具有用于制造gpoe的应用的旋转几何相位全息图 - Google Patents

Abstract

旋转几何相位全息图具有几何相位光学元件(GPOE)，这些GPOE沿着公共光轴串行级联，以形成GPOE级联，该GPOE级联用于接收线性偏振光束并且在最后GPOE的出射面处生成输出光束。发生在输出光束中的干涉在出射面上产生偏振干涉图案。光对齐基板在被定位为紧密接近出射面时记录图案。有利地，各GPOE围绕公共光轴可旋转。GPOE的各旋转角根据被选择为对于偏振干涉图案生成的空间变化线性偏振方位分布来确定。具体地，各旋转角可重新配置为在保持各GPOE的空间变化光轴方位分布的周期性固定的同时提供一系列所允许周期性上的、空间变化线性偏振方位分布所需的周期性。

Description

具有用于制造GPOE的应用的旋转几何相位全息图

缩写列表

1D 一维的

2D 二维的

CP 圆偏振的

GP 几何相位

GPH 几何相位全息图

GPL 几何相位透镜

GPOE 几何相位光学元件

LC 液晶

LHCP 左旋圆偏振的

LP 线性偏振的

PG 偏振光栅

QWP 四分之一波片

RHCP 右旋圆偏振的

UV 紫外的

技术领域

本发明涉及一种用于生成偏振干涉图案的几何相位全息图。具体地，本发明涉及一种用于借助于相位掩模的旋转提供可选择空间变化偏振方位分布的旋转几何相位全息图。

背景技术

诸如PG和GPL的GPOE是修改光传播方向的平面圆偏振敏感衍射光学元件。GPOE的唯一圆偏振敏感衍射特性暗示衍射并且因此光传播的方向可以借助于改变CP入射波的旋向性来调制。作为一个应用示例，PG用作虚拟或增强现实显示器中用于眼睛跟踪的可重构束转向器(如由Haiwei CHEN、Yishi WENG、Daming XU、Nelson V.TABIRYAN以及Shin-TsonWU在“Beam steering for virtual/augmented reality displays with a cycloidaldiffractive waveplate，”Opt.Express，第24卷，第7287-7298页，2016年中公开的，此处以引证的方式将本公开并入)。GPOE以具有预定的空间变化光轴方位分布为特征。该预定分布通常由图1所描绘的制造工艺引入(或写)到GPOE。第一步骤101是将具有光对齐分子的光对齐层115涂布到基板110上。在第二步骤102中，通过用具有预定空间变化偏振方位分布的UV光束132照耀光对齐层115来在光对齐层115上形成空间对齐图案。该UV光束132通过将已偏振UV光束穿过固定或计算机生成振幅或相位掩模131来获得，该掩模调制已偏振UV光束的偏振方位。对于关于固定掩模的信息，参见：J.KIM等人，“Fabrication of idealgeometric-phase holograms with arbitrary wavefronts，”Optica，第2卷，第958-964页(2015年)，此处以引证的方式将本公开并入。对于关于计算机生成的掩模的信息，参见：B.WEI等人，“Generating Switchable and Reconfigurable Optical Vortices viaPhotopatterning of Liquid Crystals，”Adv.Mater.，第26卷，第1590-1595页(2014年)，doi：10.1002/adma.201305198，此处以引证的方式将本公开并入。(如以下将提及的，掩模131的一个示例是GPOE掩模。)它使得期望的对齐图案记录在光对齐层115上。在第三步骤103中，将LC分子145喷射到光对齐层115上。光对齐层115上的对齐图案引导LC分子145对齐，使得获得由LC分子145形成的LC层140上的期望空间变化光轴方位分布。从而，形成GPOE120。

然后，制造GPOE中的主要步骤是通过生成具有期望空间变化偏振方位分布的已偏振UV光束并且然后用已偏振UV光束照射光对齐基板来将期望的对齐分布记录到光对齐基板上，该光对齐基板是上面具有光对齐层的基板。对齐分布可以由各种方法写到光对齐基板上，诸如偏振干涉、直接偏振书写、使用数字微镜装置、以及使用GPH。使用GPH具有快速制造时间、低光学设置复杂度以及优良制造质量的明显优点。

经由GPH进行的GPOE制造具有三个基本元素：(i)具有互相正交偏振且处于同一功率水平的两个CP光束；(ii)作为用于修改两个CP光束的相位差的掩模的GPOE；以及(iii)用于记录光束的偏振干涉图案的光对齐基板。关于将GPH用于制造GPOE中的之前著作包括US5602661和US9383607。

在US5602661中，GPH包括满足关于被使用的入射LP光束的半波条件的构图缓凝剂或GPOE掩模。入射LP光束根据图案缓凝剂或GPOE掩模旋转。出射LP光束的空间分布记录在光对齐基板上。旋转是由于主一阶衍射波和共轭一阶衍射波之间的干涉而引起。然而，所制造GPOE的周期性总是是原始GPOE掩模的一半。在实际情况下，经常需要制造具有不同周期性的GPOE。US5602661所公开的GPHE不灵活适于GPOE的大规模制造。

在US9383607中，GPH包括QWP和四分之一波GPOE掩模。入射LP光束被旋转与GPOE掩模的空间对齐分布对齐的角度。旋转是由于作为空间GP调制的结果的、零阶非衍射束与一阶衍射束之间的干涉而引起。然而，结果GPOE的制造周期性与原始GPOE掩模相同。与US5602661类似，US9383607所公开的GPH导致GPOE的大规模制造的缺乏灵活性。

在US5602661和US9383607这两者中，GPOE掩模的周期确定所制造GPOE的周期性。因为制造具有不同周期性的GPOE需要具有特定掩模周期的不同GPOE掩模，所以由这两个参考文献所公开的GPH制造具有不同周期性的GPOE的成本高。

领域中需要在使用具有固定周期的同一组一个或更多个GPOE掩模的同时制造具有不同周期性的GPOE的基于GPH的技术。除了GPOE制造之外，该技术还用于生成具有不同周期性的偏振干涉图案的其他应用。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供了一种用于生成用于偏振干涉图案的空间变化线性偏振方位分布的设备。设备被提供为旋转GPH的形式。

设备包括多个GPOE，该多个GPOE沿着公共光轴串行级联，以形成GPOE级联。GPOE级联具有第一和最后GPOE，该第一和最后GPOE用于在第一GPOE处接收LP光束(等效于相等强度的RHCP和LHCP光束的叠加)并且理想地生成从最后GPOE的出射面离开的、具有相对于彼此正交的圆偏振的两个衍射的一阶输出光束。设备的发明特征是GPOE级联中的各GPOE围绕公共光轴可旋转，借此，各GPOE具有从与公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角。发生在多个输出光束中的偏振干涉在出射面上产生偏振干涉图案。有利地，GPOE级联中的GPOE的各旋转角可重配置并且根据所选的空间变化的线性偏振方位分布来确定。

设备中通常包括光源，该光源用于向第一GPOE提供LP光束。光源可以被设置为使得LP光源的偏振方位与公共光轴和参考轴线这两者正交。在LP光束为单色时，GPOE级联中的各GPOE通常满足关于LP光束的波长的半波条件。

设备中通常包括处理器，该处理器用于确定实现高准确度的各旋转角。

在设备中，光对齐基板可以被定位为紧密接近出射面(通常为1mm或更少)，用于接收偏振干涉图案。光对齐基板被构造为在被多个输出光束照射时记录空间变化的线性偏振方位分布。

各GPOE具有可以随着周期性一维变化的空间变化的光轴方位分布。GPOE的各空间变化的光轴方位分布可以相同或可以不相同。

有利且优选地，设备还包括空间滤波***，该空间滤波***用于对从最后GPOE接收的多个输出光束滤波，以形成多个已滤波光束，该多个已滤波光束用于产生具有空间变化的线性偏振方位分布的第二偏振干涉图案。空间滤波***被构造为：(1)从多个输出光束阻止在产生第二偏振干涉图案时使空间变化的线性偏振方位分布失真的不想要光束；并且(2)允许有助于建立偏振干涉图案的两个一阶正交CP衍射光束通过。在设备中，光对齐基板可以被定位为并且被设置为接收第二偏振干涉图案。光对齐基板被构造为在被多个已滤波光束照射时记录空间变化的线性偏振方位分布。

在一个实施方式中，空间滤波***包括第一透镜、第一孔径光阑、第二孔径光阑以及第二透镜。第一和第二透镜具有由第一距离给出的相同焦距。第一透镜被定位为离最后GPOE第一距离，用于接收多个输出光束并且将其引导到第一孔径光阑。第一孔径光阑被定位为离第一透镜第一距离，并且被构造为阻止不想要光束中的多个更高阶衍射光束到达第二透镜，其中，各更高阶衍射光束具有大于一的衍射阶。第二孔径光阑位于第一孔径光阑与第二透镜之间，并且被设置为阻止不想要光束中的零阶衍射光束到达第二透镜。第二透镜被定位为离第一孔径光阑第一距离，用于接收两个一阶衍射光束并且引导两个一阶衍射光束，以在被定位为离第二透镜第一距离的平面上干涉，从而生成第二偏振干涉图案。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种设备，该设备可重新构造为生成具有空间变化线性偏振方位分布的偏振干涉图案，该空间变化线性偏振方位分布随着从一系列所允许周期性选择的周期性一维地变化。设备包括GPOE，该多个GPOE沿着公共光轴串行级联，以形成GPOE级联。GPOE级联具有第一和最后GPOE，该第一和最后GPOE用于在第一GPOE处接收LP光束并且生成从最后GPOE的出射面出射的多个CP输出光束，其中，多个输出光束包括衍射CP光束。GPOE级联中的各GPOE围绕公共光轴可旋转，并且具有从与公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角。GPOE级联中的各GPOE的空间变化光轴方位分布随着固定并且展示奇对称的周期性一维地变化。发生在多个输出光束中的偏振干涉在出射面上产生空间变化的LP束。在设备中，GPOE级联中的GPOE的各旋转角根据空间变化的线性偏振方位分布来确定。各旋转角可重新配置为在保持GPOE级联中的各GPOE的空间变化光轴方位分布的周期性固定的同时提供一系列所允许周期性上的、空间变化线性偏振方位所需的周期性。

根据本发明的另一个实施方式，提供了一种设备，该设备用于生成具有空间变化线性偏振方位分布的偏振干涉图案，该分布被选择为使得当在光对齐基板上压印偏振干涉图案且制造结果GPOE时，结果制造的GPOE为展示2D衍射的2D GPOE。在该实施方式中，设备与对于紧接的最后实施方式描述的一个设备相同，除了GPOE级联中的各GPOE的空间变化光轴方位分布随着固定并且展示偶对称的周期性一维地变化。

在本发明的第二方面中，提供了一种用于将偏振干涉图案的空间变化线性偏振方位分布记录到光对齐基板上的方法。

方法包括以下步骤：沿着公共光轴串行级联多个GPOE，以形成GPOE级联。GPOE级联具有第一和最后GPOE。GPOE级联中的各GPOE围绕公共光轴可旋转，并且具有从与公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角。方法还包括以下步骤：根据空间变化线性偏振方位分布确定GPOE级联中的GPOE的各旋转角；将GPOE级联中的GPOE构造为具有如所确定的各旋转角；以及将光对齐基板定位在产生偏振干涉图案的位置上。另外，方法还包括以下步骤：向第一GPOE提供LP光束，以生成从最后GPOE的出射面出射的多个输出光束。多个输出光束直接或间接产生偏振干涉图案，并且照射光对齐基板，使得光对齐基板记录空间变化的线性偏振方位分布。

优选地，方法还包括以下步骤：设置空间滤波***，该空间滤波***对从最后GPOE接收的多个输出光束滤波，以形成多个已滤波光束，该多个已滤波光束用于产生偏振干涉图案。空间滤波***被构造为：(1)从多个输出光束阻止在产生偏振干涉图案时使空间变化的线性偏振方位分布失真的不想要光束；并且(2)允许有助于建立偏振干涉图案的两个一阶衍射光束通过。

本发明的其他方面如由下文中的实施方式例示。

附图说明

图1描绘了典型GPOE制造工艺。

图2描绘了用于生成具有空间变化线性偏振方位分布的偏振干涉图案的示例性设备。

图3描绘了在两个干涉CP光束之间的不同相位差下获得的结果LP方位的示例。

图4根据本发明的一个实施方式描绘了用于生成二维变化的偏振干涉图案的对应设备，其中，所生成的偏振干涉图案适于制造2D GPOE。

图5根据本发明的一个实施方式描绘了用于生成具有被选择的空间变化线性偏振方位分布的第二偏振干涉图案的设备，其中，设备并入空间滤波***。

图6根据本发明的一个实施方式描绘了用于将空间变化线性偏振方位分布记录到光对齐基板上的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的第一方面是提供一种用于生成用于偏振干涉图案的空间变化线性偏振方位分布的设备。设备被提供为旋转GPH的形式。旋转GPH是GPOE掩模可旋转的GPH。如下文中演示的，可旋转的GPOE掩模的特征使得所公开设备能够通过使用固定周期的一组GPOE掩模来生成具有不同周期性的偏振干涉图案。

所公开设备的一个特别有用的应用是通过用所生成的偏振干涉图案照射光对齐层来将期望对齐图案压印在光对齐层上。它允许GPOE的随后制造。虽然所公开设备对在光对齐层上压印对齐图案的应用特别有用，但本发明不仅限于该应用。本发明适用于需要生成具有期望或所选空间变化线性偏振方位分布的偏振干涉图案的任意应用。

图2根据本发明的示例性实施方式描绘了用于生成具有空间变化线性偏振方位分布的偏振干涉图案的设备200。

设备200包括多个(即，至少两个)GPOE 211-1：N，该多个GPOE沿着公共光轴280串行级联，以形成GPOE级联210，其中，N是用于设备200中的GPOE的数量。注意，GPOE级联210具有第一GPOE 211-1和最后GPOE211-N。第一GPOE 211-1被设置为接收具有偏振分布252的LP光束251。GPOE级联210中的各GPOE例如可以从PG、GPL、Q板、叉形光栅、双焦漩涡透镜以及艾里(airy)光束生成器选择。

GPOE 211-1：N中的每一个的透射函数可以以矩阵形式表达为：

其中，T(x，y)是透射函数，

是单位矩阵，

是圆偏振矩阵，Γ是延迟量，并且α(x，y)是LC层的空间变化光轴方位分布。参见：Alwin Ming Wai TAM等人，“Bifocal optical-vortex lens with sorting of thegenerated non-separable spin-orbital angular-momentum states，”Phys.Rev.Appl.，第7卷，034010(2017)，此处以引证的方式将其公开并入本文。如果GPOE的类型是沿x方向衍射入射束的PG或1D GPL二者之一，则光轴方位分布分别是α_PG(x)＝πx/P或α_GPL(x)＝πx²/2fλ，其中，P是PG的周期，f是GPL的焦距，并且λ与入射波长对应。在实际实施方案中，GPOE211-1：N中的每一个通常由双折射LC制成。在方程(1)中，与GP对应的复指数受LC层的空间光轴分布控制，并且是圆偏振独立的(对于LHCP为正，并且对于RHCP为负)。

LC-GPOE经由方位面(即，与LC-GPOE的光轴垂直的平面)中的不同LC方位利用空间变化GP的使用来控制入射束的波形的形状。另外，LC-GPOE是圆偏振敏感的。例如，PG根据CP光束的旋向性将CP光束引导到左向或右向。此外，σ的表达指示在具有一个旋向性的入射CP光束透过LC-GPOE时，出射CP光束具有相反的旋向性。即，如果入射CP光束是RHCP，则出射CP光束是LHCP。

考虑LP光束251。LP光束251等效于相等强度的LHCP光束和RHCP光束的叠加。LHCP和RHCP光束在两个CP光束穿过GPOE 211-1：N时经历不同的相移。此外，GPOE 211-1：N中的每一个具有空间变化光轴方位分布。两个CP光束进入独立GPOE的空间不均匀光轴方位管理对两个CP光束进行的相移。然后在LP光束251穿过第一GPOE 211-1时，具有相反旋向性的两个CP光束离开第一GPOE 211-1。在所有N个GPOE 211-1：N被经过之后，形成多个输出光束265，并且该多个输出光束从最后GPOE 211：N的出射面213出射。多个输出光束265包括在出射面的特定位置处从出射面213出射的、具有相反旋向性的两个CP光束261、262。具体地，这两个CP光束261、262是最后GPOE 211-N的一阶衍射波，并且通常具有相等强度。(作为图2所示的示例，LHCP光束261是具有+1阶的主一阶衍射波，并且RHCP光束262是具有-1阶的共轭一阶衍射波。)这两个CP光束261、262在出射面213的前述特定位置处干涉。因为这两个CP光束261、262通常具有相等强度，所以这两个CP光束261、262的干涉导致LP电场，该电场的偏振方位取决于两个CP光束261、262的相位差。图3描绘了在两个干涉CP光束之间的不同相位差下的LP方位的示例。因为GPOE 211-1：N中的每一个通常具有空间变化的光轴方位，所以线性偏振方位通常在出射面213上方变化。然后在出射面213上形成的偏振干涉图案具有空间变化线性偏振方位分布。

参照图2。设备200的发明特征是GPOE级联210中的GPOE 211-1：N围绕公共光轴280独立可旋转。各GPOE具有从与公共光轴280正交的参考轴线测量的旋转角。在图2中，公共光轴280是z轴203，并且x轴202被选择为参考轴线208。另选地，y轴201也可以被选择为参考轴线。GPOE 211-1：N分别具有旋转角

具有独立可旋转的GPOE 211-1：N的明显优点是偏振干涉图案的周期性通过选择适当旋转角211-1：N可调节。

考虑期望生成具有一维变化的空间变化线性偏振方位分布的偏振干涉图案的设备200的一个应用，其中，分布在该维数上展示奇对称。在将偏振干涉图案压印在光对齐基板220上时，光对齐基板具有一维的奇对称对齐分布。结果制造的GPOE是1D GPOE。作为示例，PG可以由该方法形成。为了在本申请的即将到来的例示中方便起见，PG被选择为GPOE211-1：N，作为掩模；在本申请的实际实现中，可以使用除了PG之外的GPOE。

在设备200的一个构造中，GPOE 211-1：N中的每一个具有随着周期性一维变化的空间变化光轴方位分布。GPOE 211-1：N的各空间变化的光轴方位分布可以相同或可以不相同。不管这些分布是相同还是不同，都需要GPOE 211-1：N使它们的各空间变化光轴方位分布展示奇对称，即，如果该维数是沿着x轴202，则T(x，y)＝-T(-x，y)。以

(其中，n∈{1：N})的角度的旋转意味着分布在第n个GPOE 211-n上的光栅向量也被旋转

的角度。最后GPOE 211-N的出射面213上的空间变化线性偏振方位分布被导出为：

其中，E(x，y)是位置(x，y)处的E场向量，用于表示空间变化线性偏振方位分布，并且P_n是第n个PG 211-n的周期。周期P_n具有符号，并且可以为正或负。对于正周期，LHCP/RHCP输出束被偏转到左/右。对于负周期，LHCP/RHCP输出束被偏转到右/左。第n个PG 211-n的周期性215-n(其中，n∈{1：N})由P_n的绝对值给出。

在一个实施方式中，两个PG以P₁＝-P₂和

使用。偏振干涉图案的周期P_s由下式给出：

其中，P＝|P₁|，并且

因此，偏振干涉图案的周期并且因此所制造装置的周期在P/4至∞内。即，所允许周期性的范围是从P/4到∞。该范围显著宽于由US5602661和US9383607所公开的技术支持的范围。

通常，在存在N个PG时，所允许周期性的范围是从P/2^N到∞。同样注意，如所生成的偏振干涉图案一维地变化。因此，设备200可重构为通过以下方式在偏振干涉图案中具有不同周期性：使GPOE级联210中的GPOE 211-1：N的各旋转角根据被选择为对于偏振干涉图案生成的空间变化线性偏振方位分布来可重配置并确定。注意，不同周期性从所允许周期性的范围选择。同样注意，GPOE 211-1：N中的每一个的空间变化光轴方位分布随着固定的周期性一维地变化。因此，各旋转角可重新配置为在保持GPOE级联中的GPOE 211-1：N中的每一个的空间变化光轴方位分布的周期性固定的同时提供一系列所允许周期性上的、空间变化线性偏振方位所需的周期性。

为了记录偏振干涉图案，使用光对齐基板220。光对齐基板220被定位为紧密接近出射面213(通常离出射面2131mm或更小)，以便接收偏振干涉图案。光对齐基板220被构造为在被多个输出光束265照射时记录空间变化的线性偏振方位分布。通常，光对齐基板220与出射面213之间的更近距离对于光对齐基板220准确记录空间变化线性偏振方位分布更佳。然而，如果最后GPOE 211-N与光对齐基板220直接接触，则可能导致最后GPOE 211-N上的划伤。因此，实际上，在最后GPOE 211-N的图案对齐的LC/LC聚合物层的顶部上通常存在薄各向同性保护层，例如，500μm玻璃基板或～10μm二氧化硅层。

考虑另一个应用，该应用期望生成具有一维空间变化线性偏振方位分布的偏振干涉图案，该分布被选择为使得当在光对齐基板上压印偏振干涉图案且制造结果GPOE时，结果制造的GPOE为2D GPOE(即，展示2D衍射的GPOE)。这种应用可以用于制造例如GPL，该GPL聚焦具有一个旋向性的CP光束，但散焦具有相反旋向性的另一个CP光束。图4根据本发明的一个实施方式描绘了被构造为生成这种偏振干涉图案的对应设备400。为了演示，设备400被构造为产生用于制造焦距通过旋转设备400中的GPOE可控的散光GPL中的空间变化线性偏振方位分布。

设备400与如图2所示的所公开设备200相同，除了制定GPOE级联上的一些特殊条件。如图4所描绘的设备400包括GPOE级联410，该GPOE级联仅具有两个GPOE，即，第一GPOE411-1和最后GPOE 411-2。此外，两个GPOE 411-1∶2是具有周期的并且展示偶对称(即，如果对称是沿着x轴202，则T(x，y)＝T(-x，y))的各空间变化光轴方位分布的1D GPOE。仅为了例示，两个GPOE 411-1：2的空间变化光轴方位分布被定位为几乎彼此垂直，一个沿着x轴202，并且另一个沿着y轴201。然而，实际上，因为两个GPOE 411-1：2可旋转，所以两个GPOE 411-1：2不需要被定位为互相正交。在两个GPOE 411-1：2以各旋转角

和

旋转时，使α₁(x)和α₂(y)分别为第一GPOE 411-1和最后GPOE 411-2的1D空间变化光轴方位分布。作为例示性示例，考虑α₁(x)和α₂(y)由下式给出：

并且

其中，f₁和f₂分别是第一GPOE 411-1和最后GPOE 411-2的焦距；并且λ是考虑中的波长(即，入射LP光束451的波长)。用LP光束451照耀第一GPOE 411-1引起二维变化的偏振干涉图案430。为了记录偏振干涉图案430，使用光对齐基板413。作为用于例示的示例，图4所描绘的偏振干涉图案430由下式给出：

该式对于f₁＝f₂＝f、

以及

计算。通常，偏振干涉图案430由于不同聚焦行为对在x轴202和y轴201上入射的光展示而导致散光的所制造GPL。可以表明：分别被表示为f_x和f_y的、用于在x轴202和y轴201上入射的光的有效焦距由下式给出：

并且

虽然图4描绘了设备400仅具有两个GPOE 411-1：2，但可允许在设备400中具有多于两个GPOE，作为掩模，以产生二维变化并且通过调节GPOE的旋转角可控的偏振干涉图案430。唯一要求是GPOE掩模的空间变化光轴方位分布是周期性的并且展示偶对称。

参照图2。设备200中通常包括光源250，该光源用于提供LP光束251。光源250被设置为向第一GPOE 211-1发射LP光束251。可选地，光源250还被设置为使得LP光束251的偏振方位252与公共光轴280和参考轴线208这两者正交。(作为例示性示例，在图2中，偏振方位252是与y轴201平行的方向。)如果设备200用于将对齐分布压印到光对齐基板，则光源250通常被构造为使得LP光束251是UV光。在一些情况下，使用可见光。光源250然后被构造为生成用于LP光束的可见光。在大多数情况下，激光用于生成偏振干涉图案，并且LP光束251是单色的。在LP光束251凭借特定波长而为单色时，通常GPOE 211-1：N中的每一个满足关于上述波长的半波条件。

通常，设备200中包括计算处理器255，以高准确度地确定旋转角212-1：N。在确定旋转角212-1：N之后，使用一个或更多个致动器(图2未示出)来以如所确定的各旋转角212-1：N定位GPOE 211-1：N。

如以上所提及的，一个位置处的偏振干涉图案通过使为一阶衍射波的两个CP光束261、262(一个为主要的，并且一个为共轭的)干涉来生成。然而，由于掩模缺陷，典型的GPOE不仅产生两个一阶衍射光束，还产生不想要的光束。不想要光束中的主要分量是衍射阶大于一的更高阶衍射光束以及零阶泄露(非衍射)光束。期望在借助两个一阶衍射光束生成偏振干涉图案之前滤除这些不想要的光束。

优选且有利的是通过并入用于滤除遭受掩模缺陷的不想要衍射阶光束的空间滤波***来对设备200提供改进。图5根据本发明的一个实施方式描绘了用于生成具有被选择的空间变化线性偏振方位分布的第二偏振干涉图案的设备500，其中，设备500并入空间滤波***590。与以上所公开的设备200类似，设备500包括具有最后GPOE 511-N的GPOE级联510，多个输出光束565从该最后GPOE出射。空间滤波***590用于对多个输出光束565滤波，以形成多个已滤波光束525。多个已滤波光束525用于产生第二偏振干涉图案。在图5中，第二偏振干涉图案在与光对齐基板520的位置一致的平面527上产生，并且距离最后GPOE 4F，其中，F为透镜的焦距(因为光对齐基板520旨在记录第二偏振干涉图案的空间变化线性偏振方位分布)。具体地，空间滤波***590被构造为从多个输出光束565阻止在产生第二偏振干涉图案时使空间变化的线性偏振方位分布失真的不想要光束，同时允许有助于产生偏振干涉图案的两个一阶衍射光束561、571通过。

空间滤波***590的操作的细节给出如下。多个输出光束565包括不想要的光束和两个一阶衍射光束561、571。两个一阶衍射光束561、571用于产生最后GPOE 511-N上的特定位置处的偏振干涉图案以及第二偏振干涉图案。如以上所提及的，不想要的光束包括零阶泄露光束560以及多个更高阶衍射光束562、572。空间滤波***590包括第一透镜530、第一孔径光阑540、第二孔径光阑545以及第二透镜535。第一和第二透镜530、535具有相同焦距。将该焦距表示为第一距离F。第一透镜530被定位为离最后GPOE 511-N第一间隔581，并且用于接收多个输出光束565并且将其引导到第一孔径光阑540。第一孔径光阑540被定位为离第一透镜530第二间隔582。第一孔径光阑540被构造为阻止不想要光束中的多个更高阶衍射光束562、572到达第二透镜535。第二孔径光阑545位于第一孔径光阑540与第二透镜535之间。第二孔径光阑545被设置为阻止不想要光束中的零阶泄露光束560到达第二透镜535。因此，第二透镜535主要接收不想要光束被减少或去除的两个一阶衍射光束561、571。通过聚焦由第二透镜535接收的光束，第二透镜产生并且发出多个已滤波光束525。第二透镜535被定位为离第一孔径光阑540第三间隔583，用于接收两个一阶衍射光束561、571并且引导两个一阶衍射光束561、571，以在被定位为离第二透镜535第四间隔584的平面527上干涉，从而生成第二偏振干涉图案。在空间滤波***590中，第一、第二、第三以及第四间隔581-584中的每一个等于第一距离F。

通过将光对齐基板520定位在前述平面527上，光对齐基板520被设置为接收第二偏振干涉图案。然后光对齐基板520在被多个已滤波光束525照射时记录空间变化的线性偏振方位分布。

本发明的第二方面是提供一种用于将偏振干涉图案的空间变化线性偏振方位分布记录到光对齐基板上的方法。空间变化线性偏振方位分布被选择为对于偏振干涉图案生成。方法通过使用以上在本发明的第一方面中公开的设备来在实践中实施。

所公开的方法在图6的帮助下被示例性描述如下，图6描绘了流程图，该流程图示出了在用于将空间变化线性偏振方位分布记录到光对齐基板上的曝光工艺中涉及的步骤。

在第一步骤610中，沿着公共光轴串行级联多个GPOE，以形成GPOE级联。在形成GPOE级联时，GPOE级联中的各GPOE被使得围绕公共光轴可旋转。与以上所公开的设备200类似，GPOE级联具有第一GPOE和最后GPOE。最后GPOE旨在生成多个输出光束。GPOE级联中的各GPOE具有从与公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角。

在步骤620中，根据空间变化线性偏振方位分布确定GPOE级联中的GPOE的各旋转角。

在步骤630中，将GPOE级联中的GPOE构造为具有如步骤620中确定的各旋转角。

可选地，空间滤波***用于在步骤640中对从最后GPOE接收的多个输出光束滤波，以形成多个已滤波光束，该多个已滤波光束用于产生偏振干涉图案。空间滤波***被构造为从多个输出光束阻止在产生偏振干涉图案时使空间变化的线性偏振方位分布失真的不想要光束。空间滤波***还被构造为允许有助于产生偏振干涉图案的两个一阶衍射光束通过。

在步骤650中，将光对齐基板定位在产生偏振干涉图案的位置上。在没有空间滤波***时，偏振干涉图案产生在最后GPOE(图2中的出射面213)上。在存在空间滤波***时，偏振干涉图案产生在如图5所示的平面527上。

其后，在步骤660中，将LP光束提供到第一GPOE，以生成多个输出光束。在没有空间滤波***时，多个输出光束直接产生偏振干涉图案，并且照射光对齐基板，使得光对齐基板记录空间变化的线性偏振方位分布。在存在空间滤波***时，多个输出光束间接产生偏振干涉图案，而且间接照射光对齐基板，从而使得光对齐基板能够记录空间变化的线性偏振方位分布。

作为备注，本发明在以下方面与US2012/0188467的技术不同。US2012/0188467演示了在具有固定光栅周期的两个或更多个PG相对于彼此旋转时可以调节CP束的衍射转向角。在本发明中，不同地，GPOE级联中的GPOE的旋转角可重配置并且根据空间变化的线性偏振方位分布来确定，该分布被选择为对于GPOE级联的最后GPOE上的偏振干涉图案生成。

本发明在不偏离本发明的精神或必要特性的情况下可以以其他具体形式来具体实施。因此，本实施方式在所有方面上被认为是例示性且不限制的。本发明的范围由所附权利要求来指示，而不是由前述描述来指示，因此预期在权利要求的等效意义和范围内的所有变更被包含在本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种设备，该设备包括：

多个几何相位光学元件GPOE，该多个GPOE沿着公共光轴串行级联，以形成GPOE级联，所述GPOE级联具有第一和最后GPOE，该第一和最后GPOE用于在所述第一GPOE处接收线性偏振光束并且生成从所述最后GPOE的出射面出射的多个输出光束，所述GPOE级联中的各GPOE围绕所述公共光轴可旋转，并且具有从与所述公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角，其中，发生在所述多个输出光束中的干涉在所述出射面上产生偏振干涉图案，并且所述GPOE级联中的所述GPOE的各旋转角可重配置并且根据空间变化的线性偏振方位分布来确定，该分布被选择为对于所述偏振干涉图案生成。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括：

光源，该光源用于向所述第一GPOE提供所述线性偏振光束。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光源被构造为使得所述线性偏振光束为紫外(UV)光。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光源被构造为使得所述线性偏振光束为可见光。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述线性偏振光束是单色的。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述GPOE级联中的各GPOE满足关于所述线性偏振光束的波长的半波条件。

7.根据权利要求1所述的设备，还包括：

处理器，该处理器用于确定所述各旋转角。

8.根据权利要求1所述的设备，还包括：

光对齐基板，该光对齐基板紧密接近所述出射面，用于接收所述偏振干涉图案，其中，所述光对齐基板被构造为在被所述多个输出光束照射时记录所述空间变化的线性偏振方位分布。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，

各GPOE具有随着周期性而一维变化并且展示奇对称的空间变化的光轴方位分布。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，

所述GPOE的各空间变化的光轴方位分布相同。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，

各GPOE具有随着周期性而一维变化并且展示偶对称的空间变化的光轴方位分布。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，

所述GPOE的各空间变化的光轴方位分布相同。

13.根据权利要求1所述的设备，还包括：

空间滤波***，该空间滤波***用于对从所述最后GPOE接收的所述多个输出光束滤波，以形成多个已滤波光束，该多个已滤波光束用于产生具有空间变化的线性偏振方位分布的第二偏振干涉图案，其中，所述空间滤波***被构造为：

从所述多个输出光束阻止在产生所述第二偏振干涉图案时使所述空间变化的线性偏振方位分布失真的不想要光束；并且

允许有助于产生所述偏振干涉图案的两个一阶衍射光束通过。

14.根据权利要求13所述的设备，还包括：

光对齐基板，该光对齐基板被定位为并且被设置为接收所述第二偏振干涉图案，其中，所述光对齐基板被构造为在被所述多个已滤波光束照射时记录所述空间变化的线性偏振方位分布。

15.根据权利要求13所述的设备，其中，

所述空间滤波***包括第一透镜、第一孔径光阑、第二孔径光阑以及第二透镜，所述第一和第二透镜具有由第一距离给出的相同焦距；

所述第一透镜被定位为离所述最后GPOE所述第一距离，用于接收所述多个输出光束并且将其引导到所述第一孔径光阑；

所述第一孔径光阑被定位为离所述第一透镜所述第一距离；

所述第二孔径光阑位于所述第一孔径光阑与所述第二透镜之间；以及

所述第二透镜被定位为离所述第一孔径光阑所述第一距离，用于接收所述两个一阶衍射光束并且引导所述两个一阶衍射光束，以在被定位为离所述第二透镜所述第一距离的平面上干涉，从而生成所述第二偏振干涉图案。

16.根据权利要求15所述的设备，还包括：

光对齐基板，该光对齐基板位于用于接收所述第二偏振干涉图案的平面上，其中，所述光对齐基板被构造为在被从所述第二透镜发出的所述多个已滤波光束照射时记录所述空间变化的线性偏振方位分布。

17.一种用于将偏振干涉图案的空间变化线性偏振方位分布记录到光对齐基板上的方法，所述方法包括以下步骤：

沿着公共光轴串行级联多个几何相位光学元件GPOE，以形成GPOE级联，所述GPOE级联具有第一和最后GPOE，其中，所述GPOE级联中的各GPOE围绕所述公共光轴可旋转，并且具有从与所述公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角；

根据所述空间变化线性偏振方位分布确定所述GPOE级联中的所述GPOE的各旋转角；

将所述GPOE级联中的所述GPOE构造为具有如所确定的所述各旋转角；

将所述光对齐基板定位在产生所述偏振干涉图案的位置上；以及

向所述第一GPOE提供线性偏振光束，以生成从所述最后GPOE的出射面出射的多个输出光束，其中，所述多个输出光束直接或间接产生所述偏振干涉图案，并且照射所述光对齐基板，使得所述光对齐基板记录所述空间变化的线性偏振方位分布。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

设置空间滤波***，该空间滤波***对从所述最后GPOE接收的所述多个输出光束滤波，以形成多个已滤波光束，该多个已滤波光束用于产生所述偏振干涉图案，其中，所述空间滤波***被构造为：

从所述多个输出光束阻止在产生所述偏振干涉图案时使所述空间变化的线性偏振方位分布失真的不想要光束；并且

允许有助于产生所述偏振干涉图案的两个一阶衍射光束通过。

19.一种设备，该设备可重新构造为生成具有空间变化线性偏振方位分布的偏振干涉图案，该空间变化线性偏振方位分布随着从一系列所允许周期性中选择的周期性而一维地变化，所述设备包括：

多个几何相位光学元件GPOE，该多个GPOE沿着公共光轴串行级联，以形成GPOE级联，所述GPOE级联具有第一和最后GPOE，该第一和最后GPOE用于在所述第一GPOE处接收线性偏振光束并且生成从所述最后GPOE的出射面出射的多个输出光束，所述GPOE级联中的各GPOE围绕所述公共光轴可旋转，并且具有从与所述公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角，其中，

发生在所述多个输出光束中的干涉在所述出射面上产生偏振干涉图案；

所述GPOE级联中的各GPOE的空间变化光轴方位分布随着固定并且展示奇对称的周期性而一维地变化；

所述GPOE级联中的所述GPOE的各旋转角根据空间变化的线性偏振方位分布来确定；并且

所述各旋转角可重新配置为：在保持所述GPOE级联中的各GPOE的所述空间变化光轴方位分布的所述周期性被固定的同时，提供所述一系列所允许周期性上的、所述空间变化线性偏振方位分布所需的周期性。

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