基于数字微反射镜的大幅面任意分布的光取向装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于数字微反射镜的大幅面图案化液晶光取向装置，包括依次设置的光源组件、动态掩模生成组件、成像检测组件、焦距伺服系统和运动控制部件；动态掩模生成组件包括数控微镜DMD、可电动调节偏振片和计算机控制系统，用于动态调控入射光偏振态；所述计算机控制系统的图像信号输至所述数控微镜DMD的信号输入端。本发明综合光学系统、运动控制系统及检测系统，可实现大面积复杂图案的光取向和偏振图案高精度任意可控、效率高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及液晶显示领域，尤其涉及一种基于数字微反射镜的大幅面任意分布的光取向装置及方法。

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：

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，但是如果成像系统是放大系统，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。

基于DMD的动态掩模光取向技术，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。

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，本发明公开了一种基于数字微反射镜的大幅面图案化液晶光取向装置，所述装置包括依次设置的光源组件、动态掩模生成组件、成像检测组件、焦距伺服系统和运动控制部件；

所述光源组件包括依次连接的紫外或蓝光光源、准直扩束系统和起偏器，所述起偏器与所述准直扩束系统相连，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；

所述动态掩模生成组件包括数控微镜DMD、可电动调节偏振片和计算机控制系统，用于动态调控入射光偏振态；所述计算机控制系统的图像信号输至所述数控微镜DMD的信号输入端；

所述成像检测组件，用于对生成的图案成像进行检测；所述焦距伺服系统包括光偏振敏感材料不敏感的常开光源和垂直方向矫正组件，用于矫正运动产生的离焦现象；

所述运动控制部件，用于调整载有光偏振敏感材料的平台的空间位置，以实现光场拼接。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述成像检测组件还包括微缩成像部件；

所述微缩成像部件，用于对偏振图案生成部件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振敏感材料中；

所述微缩成像部件包括成像物镜组，所述成像物镜组的光路的主轴方向垂直于所述平台，电机驱动所述成像物镜组作竖直方向的上下移动，在所述平台上形成聚焦面；

所述成像物镜组包括管状透镜和显微物镜；所述数控微镜DMD设置于所述管状透镜的前方。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述微缩成像部件连接所述可电动调节偏振片和分光棱镜，所述可电动调节偏振片与所述分光棱镜设置于所述数控微镜DMD的水平中轴线上；所述分光棱镜用于将带有偏振信息的光线传导至成像检测组件。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述装置还包括平台，用于承载光偏振敏感材料；所述平台设置于所述成像物镜组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部件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成像物镜组的聚焦面；

所述运动控制部件与所述微缩成像部件相连，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、偏振片、第一透镜、第一成像CCD；

所述成像物镜组的前焦面位于所述筒镜的后焦面的附近；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。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述焦距伺服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；

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；

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与生成的偏振图形成共轭像。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述光源为脉冲光源或具有可控挡光片系统的连续光源；所述光源产生的脉冲激光脉宽为皮秒到秒级别，所述脉冲激光的波长为340nm到600nm。

另一方面，本发明实施例公开了一种基于数字微反射镜的大幅面任意分布的光取向方法，所述光取向方法包括以下步骤：

S1、光源发出的光经准直扩束系统调整为准直的光束；

S2、准直后的光束以预设角度均匀照射到数控微镜阵DMD面板表面；

S3、计算机输出图形信号控制DMD各个微镜呈现不同反射状态实现掩模，DMD面板刷新曝光图形；

S4、形成所述曝光图形的光束通过显微物镜缩微后，经偏振片投射至表面涂有光控取向材料的液晶基片上，控制光强和时间完成曝光，对曝光图案区域的液晶进行重新取向。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S4具体包括：

S401、根据DMD刷新图形，偏振片旋转到对应的偏振角，使通过偏振片后的光为具有预设固定偏振角的偏振光；

S402、在水平中轴线上的偏振光通过分光棱镜反射，形成垂直向下的偏振光，并依次通过管状透镜和微缩物镜照射到光偏振敏感材料的表面，所述分光棱镜将带有偏振信息的光线传导至成像检测组件。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S4中微缩成像部件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，对偏振图案进行微缩，进而输出偏振图案光场。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S4之后还包括：

S5、成像检测部件检测并调整微缩物镜与光偏振敏感材料面的距离，使得微缩物镜的聚焦面始终保持在光偏振敏感材料面；

S6、将单个偏振光图案记录到光偏振敏感材料上；

S7、将任意图案化偏振信息，等分为多个不同偏振光图案，进行多次图案刷新和偏振控制，形成图案记录过程。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S7之后还包括：

S8、将载有光偏振敏感材料的平台移动到下一个指定视场位置进行下一次图案光场记录；

其中，一个拼接单元的偏振图案由多个不同偏振图案构成，其中单个偏振图案中，所有偏振态固定。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S1光源准直方式包括使用LED光源，通过一组准直透镜形成准直光或使用激光光源，通过物镜将激光光源扩束，经过透镜形成准直光。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S3不同反射状态为DMD面板将入射的准直光分成两路进行反射，包括在形成有曝光图形的区域形成开态反射光，在没有形成曝光图形的区域形成关态反射光；

所述开态反射光垂直于DMD面板，并位于的水平中轴线上。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S402具体包括：

从光偏振敏感材料表面反射的像依次经过显微物镜、管状透镜、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，生成的偏振图形与第一成像CCD位于管状透镜前焦面，成共轭关系；通过控制显微物镜的镜头的上下移动，调整第一成像CCD内像的清晰度，判断显微物镜的焦面是否在光偏振敏感材料面，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；通过投影到光偏振敏感材料的成像光斑的轮廓的对比度来判断物镜焦面是否在光偏振敏感材料表面。

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。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S8中单次曝光区域可通过运动控制部件控制平台的步进移动拼接成完整图案光场，形成大幅面高精度的曝光图案；

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运动控制部件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光取向通过以下步骤具体实现：

计算机控制系统将位置数据传输给运动控制部件，运动控制部件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部件；然后运动控制部件将聚焦平台和载样台的当前位置及速度反馈给所述计算机控制系统。

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，用生成的偏振图形调节光场，能够产生不同的偏振相位，再结合成像系统进行微缩，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系统的辅助，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基于数字微反射镜的大幅面图案化液晶光取向装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的成像检测组件结构示意图；

图3是本发明实施例提供的聚焦伺服系统结构示意图；

图4是本发明实施例涉及的入射的准直光光路示意图；

图5是本发明实施例涉及的灰度等级与偏振角度示意图；

图6是本发明实施例涉及的光取向生成示例。

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基于数字微反射镜的大幅面图案化液晶光取向装置，如图1所示，包括依次设置的光源组件、动态掩模生成组件、成像检测组件、焦距伺服系统和运动控制部件；

其中，光源组件包括依次连接的紫外或蓝光光源、准直扩束系统和起偏器，所述起偏器与所述准直扩束系统相连，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；

动态掩模生成组件包括数控微镜DMD、可电动调节偏振片和计算机控制系统，用于动态调控入射光偏振态；其中，计算机控制系统的图像信号输至所述数控微镜DMD的信号输入端；

成像检测组件，用于对生成的图案成像进行检测；

焦距伺服系统包括光偏振敏感材料不敏感的常开光源和垂直方向矫正组件，用于矫正运动产生的离焦现象；

运动控制部件，用于调整载有光偏振敏感材料的平台的空间位置，以实现光场拼接。

在一些实施例中，成像检测组件还包括微缩成像部件，用于对偏振图案生成部件输出的偏振图案进行微缩，并写入到光偏振敏感材料中；

其中，微缩成像部件包括成像物镜组，成像物镜组的光路的主轴方向垂直于平台，电机驱动所述成像物镜组作竖直方向的上下移动，在平台上形成聚焦面；

成像物镜组包括管状透镜和显微物镜；数控微镜DMD设置于管状透镜的前方。

具体地，微缩成像部件连接可电动调节偏振片和分光棱镜，可电动调节偏振片与分光棱镜设置于数控微镜DMD的水平中轴线上；分光棱镜用于将带有偏振信息的光线传导至成像检测组件。

装置还包括平台，用于承载光偏振敏感材料；平台设置于成像物镜组下方且具有二维运动轨道，用于承载光偏振敏感材料且在运动控制部件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成像物镜组的聚焦面；

运动控制部件与微缩成像部件相连，用于将微缩后的偏振图案光场进行拼接。

其中，如图2所示，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、偏振片、第一透镜、第一成像CCD；

具体地，成像物镜组的前焦面位于筒镜的后焦面的附近；第一成像CCD的成像面位于第一透镜的前焦面；第一透镜的后焦面位于筒镜的前焦面。

如图3所示，焦距伺服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；

其中，检测光源位于第二透镜的前焦面；第二分光片位于第二透镜的后焦面；第二成像CCD的成像面位于第二透镜的前焦面；电机驱动成像物镜组；

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与生成的偏振图形成共轭像。

在本发明实施例中，光源为脉冲光源或具有可控挡光片系统的连续光源；光源产生的脉冲激光脉宽为皮秒到秒级别，脉冲激光的波长为340nm到600nm。

另一方面，本发明实施例公开了一种基于数字微反射镜的大幅面任意分布的光取向方法，包括以下步骤：

S1、光源发出的光经准直扩束系统调整为准直的光束；

S2、准直后的光束以预设角度均匀照射到数控微镜阵DMD面板表面；

S3、计算机输出图形信号控制DMD各个微镜呈现不同反射状态实现掩模，DMD面板刷新曝光图形；

S4、形成所述曝光图形的光束通过显微物镜缩微后，经偏振片投射至表面涂有光控取向材料的液晶基片上，控制光强和时间完成曝光，对曝光图案区域的液晶进行重新取向。

其中，步骤S4具体包括：

S401、根据DMD刷新图形，偏振片旋转到对应的偏振角，使通过偏振片后的光为具有预设固定偏振角的偏振光；

S402、在水平中轴线上的偏振光通过分光棱镜反射，形成垂直向下的偏振光，并依次通过管状透镜和微缩物镜照射到光偏振敏感材料的表面，所述分光棱镜将带有偏振信息的光线传导至成像检测组件。

具体地，步骤S4中微缩成像部件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，对偏振图案进行微缩，进而输出偏振图案光场。

进一步地，步骤S402具体包括：

从光偏振敏感材料表面反射的像依次经过显微物镜、管状透镜、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，生成的偏振图形与第一成像CCD位于管状透镜前焦面，成共轭关系；通过控制显微物镜的镜头的上下移动，调整第一成像CCD内像的清晰度，判断显微物镜的焦面是否在光偏振敏感材料面，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；通过投影到光偏振敏感材料的成像光斑的轮廓的对比度来判断物镜焦面是否在光偏振敏感材料表面。

进一步地，步骤S4之后还包括：

S5、成像检测部件检测并调整微缩物镜与光偏振敏感材料面的距离，使得微缩物镜的聚焦面始终保持在光偏振敏感材料面；具体地，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。

S6、将单个偏振光图案记录到光偏振敏感材料上；

S7、将任意图案化偏振信息，等分为多个不同偏振光图案，进行多次图案刷新和偏振控制，形成图案记录过程。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S7之后还包括：

S8、将载有光偏振敏感材料的平台移动到下一个指定视场位置进行下一次图案光场记录；

其中，一个拼接单元的偏振图案由多个不同偏振图案构成，其中单个偏振图案中，所有偏振态固定。

在本发明实施例中，步骤S1光源准直方式包括使用LED光源，通过一组准直透镜形成准直光或使用激光光源，通过物镜将激光光源扩束，经过透镜形成准直光。

进一步地，如图4所示，步骤S3不同反射状态为DMD面板将入射的准直光分成两路进行反射，包括在形成有曝光图形的区域形成开态反射光，在没有形成曝光图形的区域形成关态反射光；

其中，开态反射光垂直于DMD面板，并位于的水平中轴线上；准直光通过反射镜片后，入射到DMD面板上；入射角为12度。

步骤S8中单次曝光区域可通过运动控制部件控制平台的步进移动拼接成完整图案光场，形成大幅面高精度的曝光图案；

进一步地，当步骤S6单次偏振图案被记录到光偏振敏感材料上之后运动控制部件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光取向通过以下步骤具体实现：

计算机控制系统将位置数据传输给运动控制部件，运动控制部件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部件；然后运动控制部件将聚焦平台和载样台的当前位置及速度反馈给所述计算机控制系统。

本发明还包含一套数据处理及运动控制方法，将灰度等级与偏振角度建立映射函数关系：a＝(255-g)*180/256，其中g为图像像素点位置的灰度值，a为对应的偏振角度。将灰度图像按灰度值分解。如图5所示，一个灰度图中含有3个灰度，按灰度值将原图分解为3个单色位图，每个单色位图都只有0，1两个值，1代表白，0代表黑，单色位图中的1与该单色位图所代表的灰度值在原图中该灰度值的位置相同，不是该灰度值的位置的像素值都为0。每个单色位图对应一个偏振角，255灰度对应偏振角度为0度，128灰度对应偏振角度为90度，0灰度对应偏振角度为180。对应灰度值位置的单色位图像素值为1，其余位置为0。将3个单色位图依次上载到DMD控制板卡后，通过控制系统控制DMD面板按固定的时间间隔依次刷新这3幅单色位图，每刷一幅单色位图，控制系统就通过控制旋转电机，旋转偏振片到指定的角度。DMD面板刷新的单色位图，像素值为1的位置处于开态，像素值为0的位置处于关态。开态位置的光经过调整好角度的偏振片后，投影到感光材料上，形成一次固定取向的曝光。保持二维运动平台位置不变，DMD刷新3幅单色位图，偏振片旋转3次偏振角，便可形成3个取向的曝光，如图6所示。

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，用生成的偏振图形调节光场，能够产生不同的偏振相位，再结合成像系统进行微缩，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系统的辅助，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基于数字微反射镜的大幅面任意分布的光取向装置在执行一种基于数字微反射镜的大幅面任意分布的光取向方法时，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基于数字微反射镜的大幅面任意分布的光取向装置以及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。

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。