CN112241070A - 大幅面光学偏振图案生成装置及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大幅面光学偏振图案生成装置，包括依次连接的照明部件、偏振图案生成部件、微缩成像部件、成像检测及拼接部件；照明部件，用于实现单一偏振准直均匀面光斑；偏振图案生成部件包括四分之一波片和相位调制器，用于输出偏振图案；微缩成像部件用于对偏振图案生成部件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光敏材料中；成像检测及拼接部件包括成像检测子部件、焦距标定子部件；成像检测子部件包括双光路图案监测成像组件和图案拼接组件。本发明综合光学***、运动控制***及检测***，具有单次曝光偏振图案高精度任意可控、效率高、可实现大面积光学偏振图案等优点。

Description

大幅面光学偏振图案生成装置及生成方法

技术领域

本发明涉及液晶显示领域，尤其涉及一种大幅面光学偏振图案生成装置及生成方法。

背景技术

液晶在信息显示、光学及光子学器件等领域具有着广泛应用；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：

专利申请号CN201721714019.8公开了一种用于液晶显示屏生产的取向层摩擦装置；摩擦取向就是利用尼龙纤维或棉绒等材料按一定方向摩擦液晶显示器的取向膜，使薄膜表面状况发生改变，对液晶分子产生均一的锚定作用，从而使液晶分子在液晶显示器的两片玻璃板之间的某一区域内，以一定的预倾角呈现均匀一致的排列。但是存在以下问题：摩擦过程中容易产生静电，这会造成薄膜晶体管的击穿，由于摩擦过程产生绒毛尘埃，摩擦后必须增加清洗、干燥工序，降低了生产效率。

而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。

其中，掩模套刻偏振图案技术存在的问题是：套刻难度太大，效率低；精度低；难以制作大幅面；掩模与晶片上的感光胶层接触，引起损伤。

全息干涉的方法获得的周期性的液晶取向技术只能实现特定周期性偏振图案，无法实现任意偏振图案书写。

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，但是如果成像***是放大***，样品尺寸较大，像素单元尺寸也较大，无法输出高精度偏振图案。

因此，亟待一种在液晶显示领域新的能同时满足高精度和大幅面的输出偏振图案的装置和方法。

发明内容

为了解决现有技术的问题，一方面，本发明提供了一种大幅面光学偏振图案生成装置，包括依次连接的照明部件、偏振图案生成部件、微缩成像部件、成像检测及拼接部件；

照明部件，用于实现单一偏振准直均匀面光斑；

偏振图案生成部件包括四分之一波片和相位调制器，用于输出偏振图案；

微缩成像部件用于对偏振图案生成部件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光敏材料中；

成像检测及拼接部件包括成像检测子部件和焦距标定子部件；

焦距标定子部件，包括感光材料不敏感的常开光源及垂直方向矫正组件，用于矫正运动产生的离焦现象；成像检测子部件包括双光路图案监测成像组件和图案拼接组件；所述图案拼接组件，用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述照明部件，包括激光器、准直组件和起偏器；

所述准直组件用于将从所述激光器发出的线光源或点光源调整为平行的面光源并输出至所述偏振图像生成部件；

所述起偏片用于产生单一偏振光，所述起偏器与所述准直组件相连，用于控制光的初始偏振方向，生成0-179度范围内的任意偏振方向的面光源。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述偏振图案生成部件包括依次连接的旋光器和分光器；

所述旋光器，包括依次连接的四分之一波片和相位调制器，用于产生任意偏振分布的图形；所述相位调制器与所述分光器相连；

所述分光器与所述成像检测子部件相连，用于将从感光材料反射回来的图形投射进所述成像检测子部件。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述旋光器包括相位调制器和至少一个四分之一波片；

所述至少一个四分之一波片包括第一四分之一波片；

所述第一四分之一波片设置于所述相位调制器和所述分光器之间；

所述相位调制器为液晶空间光调制器，是相位差δ可调的像素型相位延迟器；所述相位调制器的液晶快轴与所述第一四分之一波片快轴方向成45度。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述至少一个四分之一波片包括第一四分之一波片和第二四分之一波片；

所述第一四分之一波片设置于所述相位调制器和所述分光器之间，所述第二四分之一波片设置于所述起偏器和相位调制器之间；

所述第二四分之一波片快轴和第一四分之一波片快轴方向成90度。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述双光路图案监测成像组件包括第一光路图案监测成像组件和第二光路图案监测成像组件；

所述第一光路图案监测成像组件包括依次连接的第一分光片、管状透镜、微缩物镜、第一透镜、第一成像CCD；所述管状透镜与所述微缩物镜之间为设置第一平行光光路；

所述第二光路图案监测成像组件包括依次连接的检测光源、指定波段反射平片、第二分光片、第二透镜及第二成像CCD；

第一成像CCD通过第一光路图案监测成像组件将投射到感光材料面的像反射到第一成像CCD中，第一成像CCD与相位调制器成共轭像；所述成像检测子部件，用于检测并调整所述微缩物镜与感光材料的距离，使得所述微缩物镜的聚焦面始终保持在感光材料表面；

所述焦距标定子部件，通过第二成像CCD检测投射在感光材料面的光斑的大小来判断感光材料面是否在所述微缩物镜的聚焦面。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述检测光源出射光的波长为550nm到700nm之间的任意值；

所述指定波段反射平片为镀有检测光源波长反射膜的反射平片。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述大幅面光学偏振图案生成装置还包括控制器和电机驱动装置、检测装置，所述控制器用于将采集的光路数据转换成控制信号并发送给各执行部件；

所述控制器包括运动控制模块，所述运动控制模块包括聚焦平台运动控制单元和载样台运动控制单元；

所述电机驱动装置用于驱动电机带动所述聚焦平台和载样台运动，所述检测装置用于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；

所述聚焦平台运动控制单元控制所述微偏振图案微缩单元的微缩物镜作竖直方向的上下移动，通过成像检测子部件聚焦并将聚焦面始终保持在感光材料表面；

所述载样台运动控制单元，用于控制所述感光材料在二维平面运动，以通过图案拼接组件实现偏振光场拼接或者不同偏振光场之间的互联。

另一方面，本发明还提供了一种光学偏振图案生成方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将从激光器发出的线光源或点光源调整为准直的偏振面光源；

S2、照明光源以预设的角度均匀照射到相位调制器上，通过四分之一波片和相位调制器产生任意偏振分布的图形；

S3、通过管式透镜与微缩物镜的焦距之比形成固定的微缩倍率，对相位调制器输出的偏振图案进行微缩，进而输出偏振图案光场；

S4、检测并调整微缩物镜与感光材料面的距离，使得微缩物镜的焦面始终保持在感光材料面；

S5、检测投射在感光材料面的光斑的大小，判断感光材料面是否在物镜的聚焦面；

S6、将单次光控取向记录到感光材料上；

S7、将载有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；

S8、将每个取向单元拼接在一起，在感光材料上形成任意分布的光取向结构。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S4具体包括：

从感光材料表面反射的像依次经过微缩物镜、管式透镜、指定波段反射平片、第一分光片后，通过第一透镜进入第一成像CCD，相位调制器与第一成像CCD位于管式透镜前焦面，成共轭关系，通过控制微缩物镜的镜头的上下移动，调整第一成像CCD的像的清晰度，判断微缩物镜的焦面是否在感光材料面，标定第二成像CCD中激光光斑尺寸，对后续拼接进行聚焦监测；通过投影到感光材料的成像光斑的轮廓的对比度来判断物镜焦面是否在感光材料表面。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S5具体包括：

检测光源出射光的波长为550nm到650nm之间的任意值；

第二透镜将投射到感光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检测投射在感光材料面的光斑的大小来判断感光材料面是否在物镜的聚焦面。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S7中将载有感光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：

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聚焦平台和载样台的当前位置及速度反馈给所述控制器。

作为本发明实施方式的进一步改进，当所述步骤S6单次光控取向被记录到感光材料上之后，通过运动控制模块将载有感光材料的平台移动到下一个指定位置的移动距离为单次取向单元的尺寸，且移动方式为逐行依次移动扫描。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的光源采用扩束准直后的紫外或蓝光，用相位调制器调节光场，能够产生不同的偏振相位，再结合成像***进行微缩，最终实现单元像素内任意方向的偏振调制，有效克服了“偏振取向单一、灵活度低、加工效率低”的问题；

2、本发明采用聚焦伺服***的辅助，控制物镜作上下移动，实时聚焦，提高分辨率；

3、本发明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；

4、本发明采用由于光能量不集中，提出通过控制单视场尺寸和单次平移距离的关系，消除每个光控取向视场之间的拼缝，提高分辨率；

5、本发明具有单次曝光偏振图案高精度任意可控、大面积书写、效率高的优点，对于设计和制作大尺寸、高精度、多功能的液晶光学器件有着重要意义。

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是本发明实施例提供的一种大幅面光学偏振图案生成装置的照明部件及偏振图案生成部件结构示意图；

图2是本发明实施例提供的成像光路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光学偏振图案生成方法流程图；

图4是本发明实施例涉及的具体扫描的次序编号；

图5是本发明实施例涉及的大幅面光学偏振图案生成示例；

图中示例表示为：

1-部件照明部件；11-激光器；12-准直组件；121-聚焦透镜；122-小孔滤波器；123-准直透镜；13-起偏器；2-偏振图案生成部件；22-旋光器；221-四分之一波片；222-相位调制器；23-分光器；24-载样台；311-微缩成像部件；3-成像检测及拼接部件；31-成像检测子部件；3111-聚焦平台；3112-微缩物镜；312-第一分光片；313-管状透镜；314-第一透镜；315-第一成像CCD；32-焦距标定子部件；321-检测光源；322-指定波段反射平片；323-第二分光片；324-第二透镜；325-第二成像CCD；33-载样台；4-光学平台。

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。

本发明实施例提供了一种大幅面光学偏振图案生成装置，如图1和图2所示，该装置包括依次连接的部件照明部件1、偏振图案生成部件2、微缩成像部件311、成像检测及拼接部件3；

照明部件1，用于实现单一偏振准直均匀面光斑；

偏振图案生成部件2包括四分之一波片221和相位调制器222，用于输出偏振图案；

微缩成像部件311用于对偏振图案生成部件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光敏材料中；

成像检测及拼接部件3包括成像检测子部件31和焦距标定子部件32；

焦距标定子部件32，包括感光材料不敏感的常开光源及垂直方向矫正组件，用于矫正运动产生的离焦现象；

成像检测子部件31包括双光路图案监测成像组件和图案拼接组件；所述图案拼接组件，用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。

在某些实施例中，为了解决将从激光器发出的线光源或点光源调整为平行的面光源的问题照明部件1，包括激光器11、准直组件12、起偏器13；准直组件12用于将从激光器11发出的线光源或点光源调整为平行的面光源并输出至偏振图像生成部件2；

在本发明实施例中激光器11发出的光波长为442nm、功率为100mw，是连续光和S偏振，经过扩束***进行准直调整，光通过聚焦透镜121、小孔滤波器122、准直透镜123后，再经过起偏片P1后，形成一个光斑直径为2cm，发散角小于10mrad，S偏振，光强均匀性优于80％的准直均匀光斑。

起偏器13用于产生单一偏振光，起偏器13与准直组件12相连，用于控制光的初始偏振方向，生成0-179度范围内的任意偏振方向的面光源。

偏振图案生成部件2包括依次连接的旋光器22和分光器23；

在某些实施例中，为了解决生成任意偏振取向的问题，旋光器22，包括依次连接的四分之一波片221和相位调制器222，用于产生任意偏振分布的图形；相位调制器222与分光器23相连；进一步地，本发明实施例中，四分之一波片221设置有两个，分别为第一四分之一波片2211(QWP1)和第二四分之一波片2212(QWP2)，其中第一四分之一波片2211设置于起偏器21和相位调制器222之间，第二四分之一波片2212设置于相位调制器222和分光器23之间。

优选地，相位调制器222为液晶空间光调制器，是相位差δ可调的像素型相位延迟器；相位调制器222的液晶快轴与第一四分之一波片快轴方向成45度。

第二四分之一波片快轴和第一四分之一波片快轴方向成90度。

在其他可实施的方式中，旋光器22可以包括单个四分之一波片或者同时包括多个四分之一波片；

单个四分之一波片设置于相位调制器222和分光器23之间；当存在多个四分之一波片时，其他四分之一波片设置于起偏器13和相位调制器222之间，一个四分之一波片设置于相位调制器222和分光器23之间；

QWP1为快轴在x方向的

波片，相位调制器222为液晶空间光调制器，是快轴与x轴成45度、相位差为δ的相位延迟器，QWP2为快轴在y方向的

波片。所以***的变换矩阵为

其作用相当于一个旋转器，假设入射光为沿x方向的线偏振光

则经过***后的出射光为

偏振方向顺时针旋转了

通过控制每个像素单元的相位调制，可以控制像素单元内光场的偏振方向，从而输出任意偏振图案，原始偏振光场的分辨率由液晶空间光调制器的像素尺寸决定。

基于相位调制器222的偏振图案形成的具体过程为：QWP1和QWP2快轴方向正交，与相位调制器222液晶排列主轴方向分别成45°角。准直光斑经过QWP1后，以和相位调制器222法线夹角3°入射，把相位调制器222照射均匀，采用的相位调制器222，像素数为1920*1080，单个像素尺寸为8微米，整个相位调制器222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。

分光器23与成像检测子部件31相连，用于将从感光材料反射回来的图形投射进所述成像检测子部件31；

微缩成像部件311，用于对相位调制器222输出的偏振图案进行微缩，具体地，微缩成像部件311包括聚焦平台3111和微缩物镜3112，聚焦平台3111平行设置于微缩物镜3112，且带动微缩物镜3112作竖直方向的上下移动，在聚焦平台3111上形成聚焦面。

成像检测子部件31还包括图案拼接组件，图案拼接组件用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。

进一步地，偏振光生成部件2包括载样台23，载样台23具有二维运动轨道；载样台23设置于微缩物镜3112下方，用于承载感光材料且带动感光材料在二维平面运动，使感光材料的表面始终保持在微缩物镜3112的聚焦面。

具体地，在本发明实施例中，双光路图案监测成像组件包括第一光路图案监测成像组件和第二光路图案监测成像组件；

本发明实施例中还包括光学平台4；

第一光路图案监测成像组件包括依次连接的第一分光片312、管状透镜313、微缩物镜3112、第一透镜314、第一成像CCD315；管状透镜313与微缩物镜3112之间为设置第一平行光光路；

第二光路图案监测成像组件包括第二分光片323、第二透镜324及第二成像CCD325；

成像检测子部件31，用于检测并调整微缩物镜3112与感光材料的距离，使得微缩物镜3112的聚焦面始终保持在感光材料表面。

在本发明实施例中，管状透镜313焦距为200mm，微缩物镜3112焦距为4mm，焦距比为50∶1，实现成像图形的50倍微缩，具体地：相位调制器222LCOS面板像素分辨率为1920*1080，单个像素尺寸为8um，则全幅面成像尺寸为15360um*8640um，通过管状透镜313和微缩物镜3112后投影到感光材料的成像尺寸为307.2um*172.8um，理论分辨率为0.16um。

进一步地，焦距标定子部件32包括依次连接的检测光源321、指定波段反射平片322；

第一成像CCD通过第一光路图案监测成像组件将投射到感光材料面的像反射到第一成像CCD中，第一成像CCD与相位调制器成共轭像；所述成像检测子部件，用于检测并调整所述微缩物镜与感光材料的距离，使得所述微缩物镜的聚焦面始终保持在感光材料表面；

焦距标定子部件，通过第二成像CCD检测投射在感光材料面的光斑的大小来判断感光材料面是否在微缩物镜的聚焦面。

其中，检测光源321的出射光的波长为550nm到650nm之间的任意值；

指定波段反射平片322为镀有检测光源波长反射膜的反射平片；

第二透镜324，用于将投射到感光材料面的像反射到第二成像CCD325中；

焦距标定子部件32，通过第二成像CCD325检测投射在感光材料面的光斑的大小来判断感光材料面是否在微缩物镜3112的聚焦面。

本发明实施例中，大幅面光学偏振图案生成装置还包括控制器和电机驱动装置、检测装置，控制器用于将采集的光路数据转换成控制信号并发送给各执行部件；

具体地，控制器包括运动控制模块，控制运动模块进一步包括聚焦平台运动控制单元和载样台运动控制单元；

电机驱动装置用于驱动电机带动聚焦平台和载样台运动，检测装置用于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；

聚焦平台运动控制单元控制微缩物镜作竖直方向的上下移动，在聚焦平台上形成聚焦面；

载样台运动控制单元，用于控制感光材料在二维平面运动，以通过图案拼接组件实现偏振光场拼接或者不同偏振光场之间的互联

在本发明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。

光学***中的相位调制器LCOS通过数据传输线与工控机相连，使得控制软件能够向LCOS传输相位图数据。运动控制卡通过触发线与激光器相连，通过发送脉冲信号来控制激光器的出光。

又一方面，本发明实施例进一步公开了上述光学偏振图案生成的方法，如图3示，包括以下步骤：

S1、将从激光器发出的线光源或点光源调整为准直的偏振面光源；

S2、照明光源以预设的角度均匀照射到相位调制器上，通过四分之一波片和相位调制器产生任意偏振分布的图形；

S3、通过管式透镜与微缩物镜的焦距之比形成固定的微缩倍率，对相位调制器输出的偏振图案进行微缩，进而输出偏振图案光场；

S4、检测并调整微缩物镜与感光材料面的距离，使得微缩物镜的焦面始终保持在感光材料面；

S5、检测投射在感光材料面的光斑的大小，判断感光材料面是否在物镜的聚焦面；

需要说明的是，准直光源或者激光扩束准直后的光斑能量存在差异，例如，由激光光斑扩束准直后形成的光斑中心能量强，边缘能量小。在执行大幅面结构取向时，单个视场下的一次取向的光能量不一致，不仅会使单个视场下的结构的特征存在差异，还会造成多个取向视场之间出现拼缝；

S6、将单次光控取向记录到感光材料上；

单次光控取向被记录到感光材料上之后，通过运动控制模块将载有感光材料的平台移动到下一个指定位置的移动距离为单次取向单元的尺寸，且移动方式为逐行依次移动扫描，具体扫描的次序见图4注的数字编号；

S7、将载有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；

S8、将每个取向单元拼接在一起，在感光材料上形成任意分布的光取向结构。如图5所示大幅面光学偏振图案。

其中，步骤S4具体包括：

从感光材料表面反射的像依次经过微缩物镜、管式透镜、指定波段反射平片、第一分光片后，通过第一透镜进入第一成像CCD，相位调制器与第一成像CCD位于管式透镜313的前焦面，成共轭关系，通过控制微缩物镜的镜头的上下移动，调整第一成像CCD内的像的清晰度，判断微缩物镜的焦面是否在感光面，标定第二成像CCD中激光光斑尺寸，对后续拼接进行聚焦监测；通过投影到感光材料的成像光斑的轮廓的对比度来判断物镜焦面是否在感光材料表面。

优选地，步骤S5具体包括：

检测光源出射光的波长为550nm到650nm之间的任意值；

第二透镜将投射到感光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检测投射在感光材料面的光斑的大小来判断感光材料面是否在物镜的聚焦面。

具体地，步骤S7中将载有感光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：

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聚焦平台和载样台的当前位置及速度反馈给所述控制器。

当所述步骤S6单次光控取向被记录到感光材料上之后，通过运动控制模块将载有感光材料的平台移动到下一个指定位置的移动距离为单次取向单元的尺寸，且移动方式为逐行依次移动扫描。

最终形成的整体幅面的感光材料的具有任意分布光取向的结构，具体如图4所示。这种方法就克服了现有技术中的通过DMD输出动态掩模图案中所有偏振方向都相同，需要通过多次曝光以实现特性偏振分布图案的缺陷，无需多次刷新DMD书写，显著提升了效率。

本发明实施例提出一种投影取向的位图尺寸大于平台的移动步距的方式，用于消除传统技术中每个取向视场之间的拼缝，例如：平台的移动步距为256*256um，但是上载到LCOS上的位相图的像素尺寸为512*512像素，即相邻的取向视场之间存在256个像素的重叠取向区域，每个区域都出现了4次重复取向。当平台的移动步距是一次曝光视场尺寸的三分之一时，重叠取向的次数就变为9次。通过改变重叠取向的次数，可以消除光斑能量的差异性，使基片上每个光控取向区域的光能量都相同，保证最终的结构一致。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的光源采用扩束准直后的紫外或蓝光，用相位调制器222调节光场，能够产生不同的偏振相位，再结合成像***进行微缩，最终实现单元像素内任意方向的偏振调制，有效克服了“偏振取向单一、灵活度低、加工效率低”的问题；

2、本发明采用聚焦伺服***的辅助，控制物镜作上下移动，实时聚焦，提高分辨率；

3、本发明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；

4、本发明采用由于光能量不集中，提出通过控制单视场尺寸和单次平移距离的关系，消除每个光控取向视场之间的拼缝，提高分辨率；

5、本发明具有单次曝光偏振图案高精度任意可控、大面积书写、效率高的优点，对于设计和制作大尺寸、高精度、多功能的液晶光学器件有着重要意义。

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大幅面光学偏振图案生成装置及***在执行一种光学偏振图案生成方法时，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***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大幅面光学偏振图案生成装置以及光学偏振图案生成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。

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。

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。

Claims (13)

1.一种大幅面光学偏振图案生成装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的照明部件、偏振图案生成部件、微缩成像部件、成像检测及拼接部件；

照明部件，用于实现单一偏振准直均匀面光斑；

偏振图案生成部件包括波片和相位调制器，用于输出偏振图案；

微缩成像部件用于对偏振图案生成部件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光敏材料中；

成像检测及拼接部件包括成像检测子部件和焦距标定子部件；

焦距标定子部件，包括感光材料不敏感的常开光源及垂直方向矫正组件，用于矫正运动产生的离焦现象；成像检测子部件包括双光路图案监测成像组件和图案拼接组件；所述图案拼接组件，用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。

2.根据权利要求1所述的大幅面光学偏振图案生成装置，其特征在于，所述照明部件，包括激光器、准直组件和起偏器；

所述准直组件用于将从所述激光器发出的线光源或点光源调整为平行的面光源并输出至所述偏振图像生成部件；

所述起偏片用于产生单一偏振光，所述起偏器与所述准直组件相连，用于控制光的初始偏振方向，生成0-179度范围内的任意偏振方向的面光源。

3.根据权利要求1所述的大幅面光学偏振图案生成装置，其特征在于，所述偏振图案生成部件包括依次连接的旋光器和分光器；

所述旋光器，包括依次连接的四分之一波片和相位调制器，用于产生任意偏振分布的图形；所述相位调制器与所述分光器相连；

所述分光器与所述成像检测子部件相连，用于将从感光材料反射回来的图形投射进所述成像检测子部件。

4.根据权利要求3所述的大幅面光学偏振图案生成装置，其特征在于，所述旋光器包括相位调制器和至少一个四分之一波片；

所述至少一个四分之一波片包括第一四分之一波片；

所述第一四分之一波片设置于所述相位调制器和所述分光器之间；

所述相位调制器为液晶空间光调制器，是相位差δ可调的像素型相位延迟器；所述相位调制器的液晶快轴与所述第一四分之一波片快轴方向成45度。

5.根据权利要求4所述的大幅面光学偏振图案生成装置，其特征在于，所述至少一个四分之一波片包括第一四分之一波片和第二四分之一波片；

所述第一四分之一波片设置于所述相位调制器和所述分光器之间，所述第二四分之一波片设置于所述起偏器和相位调制器之间；

所述第二四分之一波片快轴和第一四分之一波片快轴方向成90度。

6.根据权利要求1所述的大幅面光学偏振图案生成装置，其特征在于，所述双光路图案监测成像组件包括第一光路图案监测成像组件和第二光路图案监测成像组件；

所述第一光路图案监测成像组件包括依次连接的第一分光片、管状透镜、微缩物镜、第一透镜、第一成像CCD；所述管状透镜与所述微缩物镜之间为设置第一平行光光路；

所述第二光路图案监测成像组件包括依次连接的检测光源、指定波段反射平片、第二分光片、第二透镜及第二成像CCD；

第一成像CCD通过第一光路图案监测成像组件将投射到感光材料面的像反射到第一成像CCD中，第一成像CCD与相位调制器成共轭像；所述成像检测子部件，用于检测并调整所述微缩物镜与感光材料的距离，使得所述微缩物镜的聚焦面始终保持在感光材料表面；

所述焦距标定子部件，通过第二成像CCD检测投射在感光材料面的光斑的大小来判断感光材料面是否在所述微缩物镜的聚焦面。

7.根据权利要求6所述的大幅面光学偏振图案生成装置，其特征在于，

所述检测光源出射光的波长为550nm到700nm之间的任意值；

所述指定波段反射平片为镀有检测光源波长反射膜的反射平片。

8.根据权利要求1所述的大幅面光学偏振图案生成装置，其特征在于，所述大幅面光学偏振图案生成装置还包括控制器和电机驱动装置、检测装置，所述控制器用于将采集的光路数据转换成控制信号并发送给各执行部件；

所述控制器包括运动控制模块，所述运动控制模块包括聚焦平台运动控制单元和载样台运动控制单元；

所述电机驱动装置用于驱动电机带动所述聚焦平台和载样台运动，所述检测装置用于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；

所述聚焦平台运动控制单元控制所述微偏振图案微缩单元的微缩物镜作竖直方向的上下移动，通过成像检测子部件聚焦并将聚焦面始终保持在感光材料表面；

所述载样台运动控制单元，用于控制所述感光材料在二维平面运动，以通过图案拼接组件实现偏振光场拼接或者不同偏振光场之间的互联。

9.一种光学偏振图案生成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将从激光器发出的线光源或点光源调整为准直的偏振面光源；

S2、照明光源以预设的角度均匀照射到相位调制器上，通过四分之一波片和相位调制器产生任意偏振分布的图形；

S3、通过管式透镜与微缩物镜的焦距之比形成固定的微缩倍率，对相位调制器输出的偏振图案进行微缩，进而输出偏振图案光场；

S4、检测并调整微缩物镜与感光材料面的距离，使得微缩物镜的焦面始终保持在感光材料面；

S5、检测投射在感光材料面的光斑的大小，判断感光材料面是否在物镜的聚焦面；

S6、将单次光控取向记录到感光材料上；

S7、将载有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；

S8、将每个取向单元拼接在一起，在感光材料上形成任意分布的光取向结构。

10.根据权利要求9所述的光学偏振图案生成方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

从感光材料表面反射的像依次经过微缩物镜、管式透镜、指定波段反射平片、第一分光片后，通过第一透镜进入第一成像CCD，相位调制器与第一成像CCD位于管式透镜前焦面，成共轭关系；通过控制微缩物镜的镜头的上下移动，调整第一成像CCD内像的清晰度，判断微缩物镜的焦面是否在感光材料面，标定第二成像CCD中激光光斑尺寸，对后续拼接进行聚焦监测；通过投影到感光材料的成像光斑的轮廓的对比度来判断物镜焦面是否在感光材料表面。

11.根据权利要求9所述的光学偏振图案生成方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

检测光源出射光的波长为550nm到650nm之间的任意值；

第二透镜将投射到感光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检测投射在感光材料面的光斑的大小来判断感光材料面是否在物镜的聚焦面。

12.根据权利要求9所述的光学偏振图案生成方法，其特征在于，所述步骤S7中将载有感光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：

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聚焦平台和载样台的当前位置及速度反馈给所述控制器。

13.根据权利要求12所述的光学偏振图案生成方法，其特征在于，当所述步骤S6单次光控取向被记录到感光材料上之后，通过运动控制模块将载有感光材料的平台移动到下一个指定位置的移动距离为单次取向单元的尺寸，且移动方式为逐行依次移动扫描。

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