基于单步曝光的光配向液晶器件研究及应用

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Pancharatnam-Berry（PB）相元件，也叫几何相位元件，通过控制光学各向异性材料光轴的空间变化实现对相位的调制，在显示、成像、通讯等众多领域都有着广阔的应用前景，近年来引起学术界的广泛关注和研究。但目前制作PB相元件的光配向方法如掩膜版曝光、激光直写、数字微镜阵列动态掩膜曝光等在制作方法上仍存在一些局限性。

近日，上海交通大学李燕教授团队提出了一种基于空间光调制器（SLM）的可实现任意图案设计的单步曝光光配向方法，在《液晶与显示》（ESCI、核心期刊）发表了题为“基于单步曝光的光配向液晶器件研究及应用”文章。

通过像素级精确控制输出光的偏振方向，可完成对局部区域液晶指向矢的自由取向，从而实现具有任意图案设计的PB相液晶（LC）器件的制作。这种非干涉曝光投影光配向法不仅简单、高效，并且能大大降低环境扰动的影响。基于该方法，用两种光取向材料制备了多种PB相液晶器件：光栅、透镜、全息图和q-plate等。实验表明，制作的PB相液晶器件可实现连续的相位分布和较高的衍射效率。基于这些PB相器件，他们进一步提出了应用于增强现实显示领域的抬头显示和头戴式显示系统。

1 引言

液晶PB相光学元件的光配向制作方法可以大致分为两类：干涉法和非干涉法。干涉法通过两束圆偏振光干涉，虽可实现高精度元器件制作，但光束干涉的过程中极易受到震动、空气扰动等环境因素的影响，且需要相干光源，对实验环境的要求较高。非干涉法则采用接触或非接触曝光的方法制作，如掩膜版曝光、激光直写、数字微镜阵列（Micro-mirror Device, DMD）动态掩膜、空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）单步曝光等多种曝光方式。其中，采用掩膜版曝光的光配向方法是最简单的方式。这种方式通过对掩膜版样式的设计，可实现一些简单结构的光学元器件制作，但对于复杂结构的元件，往往需要制作不同的掩膜版并进行多次曝光，增加了生产成本和时间周期。激光直写的方法则是聚焦单束激光束，通过逐点扫描的方式完成图案的结构化处理，这种方法的优势在于可实现任意复杂相位分布。但为实现高分辨率的结构化图案，需要精度极高的机械扫描装置。基于DMD的动态掩膜投影曝光系统，通过切换DMD加载的图案并配合外部偏振光源，可以实现任意图形的设计、任意偏振态的投影输出。其优势在于无需更换掩膜版、无机械扫描、制作成本低，可实现复杂图案PB相元器件的便捷制作，但其缺点在于每次曝光只能输出某一方向的线偏振光，对于包含多方位角取向的设计图案，所需的曝光次数随之增多。为解决上述制作方法的弊端，上海交通大学提出一种基于SLM的单步光学投影曝光方法，通过控制任意像素的相位延迟，使不同像素点产生不同方向的线偏振光，因此对于任意复杂图案都可以通过单次曝光的方式轻松实现。

2 基于SLM的单步曝光光配向法

如图1所示，上海交通大学提出的单步曝光光路包括的主要元件有激光、扩束器、偏振片、SLM、1/4波片和透镜。其中偏振片、SLM 和1/4 波片的光轴夹角均为45度。由于SLM中液晶为反平行配向，当加载不同灰度图片时，液晶分子会转动，对o光和e光产生不同的相位调制，通过施加电压的方式进行精确控制，可实现任意偏转角度的像素化偏振光场，即通过加载不同的灰度图案，可实现不同方位角的线偏振光场的投影输出。因此，该方法通过一步到位的单步曝光方式，能够实现任意复杂几何图案制作，既不需要动态地更换掩膜版，也无需机械扫描，方法简单、高效，有效降低了PB相元器件制作成本，缩短了生产的时间周期。

图1 单步曝光光学投影装置示意图

图2所示是利用该光路系统使用457 nm激光测试得到的结果：当SLM加载的灰度不断变化时，输出的线偏振的偏振方向也产生相应的变化。对应于0-255灰阶的均匀图像，可以看出其输出光的偏振角度呈线性变化的趋势，并能够实现超过260度的偏振角度变化，足够覆盖输出线偏振光的任意偏振角度。在具体制作过程中，只需选取0到180度连续范围的输出线偏振光所对应的灰度值，就能实现液晶指向矢在二维平面内各方向的任意取向。

图2不同灰阶下的输出光偏振方向

3 基于SLM单步曝光的光配向PB相器件

在众多光取向材料中，偶氮染料分子因其稳定的化学性能和光敏感特性得到了广泛应用。文中选取的两种光取向材料MR和SD1。两种材料的工作机理和吸收波长的不同，导致在处理方式上也有所不同。MR染料分子通过掺杂在液晶中，用绿色激光进行照射使MR分子得到有序分布实现配向。SD1材料则是以旋涂的方式，在基板表面形成一层极薄的配向层，再通过紫外光或蓝光照射实现配向层分子的有序取向分布。

通过在SLM加载不同灰阶图，实现任意图案偏振光场和PB相液晶器件设计。基于SLM的单步曝光法仅需要设计每个像素的显示灰度，便可以实现连续的偏振方向变化。在制作连续几何相位变化器件时，相比于掩膜版或者基于DMD投影的曝光方法，以一步到位的方式实现液晶指向矢的连续变化，制作时间得到大幅度降低。利用MR取向材料实现的椭圆图案样品，从中心到边缘MR和LC取向从0°到90°呈线性变化。图3是通过旋转样品在线偏振白光照射下得到的一组图像，可以看出不同局部区域的液晶分子具有完美的连续取向变化特征。

图3在线偏振白光照明下旋转液晶盒观察到的不同图像

利用SD1作为取向材料同样可以实现任意图案的自由化设计。在SLM加载图4（a）所示的图片，曝光后得到的一个简单图案的液晶器件，通过在线偏振白光下可以观察到“ST”、“JU”和背景三个区域有显而易见的不同透过率。

图4（a）曝光图案；（b）（c）在正交偏振片下旋转液晶盒的照片

基于SLM的单步曝光方法，上海交通大学利用MR和SD1作为取向材料制作了多种PB相液晶光学元件，包含光栅、透镜、q-plate和全息图（如图5-7所示）等。

图5（a）（b）二值PB光栅在零电压和施加电压情况下的衍射图样;（c）二值PB光栅的显微镜图；(d）（e）连续PB光栅在零电压和施加电压情况下的衍射图样；（f）（g）连续PB光栅显微镜图和衍射效率曲线

图6 (a) PB透镜的显微镜图；（b）（c）零电压和施加电压情况下PB透镜在1 m处的衍射图案

图7（a）~（d） q=0.5、1、1.5、2的 q-plate在偏光显微镜下的图像，及（e）~（h）对应生成的涡旋光束；（i）重建的PB全息图

同样地，通过单步曝光的方法，利用SD1取向材料制作了相应的PB相液晶器件：PB连续光栅、PB透镜和PB q-plate。从图中可以看出，利用SLM单步曝光法，可以“一步到位”地实现连续相位PB相器件的制作，实验表明，制作的PB相器件具有连续的相位变化特征，并表现出优异的光电特性。

图8（a）（b）PB连续光栅的曝光图和微观结构；（c）（d）PB液晶透镜的曝光图和显微图；（e）（f）PB q-plate的曝光图和偏光显微镜下的微观结构；(g)其产生的涡旋光束光斑

4 基于PB相元件的显示系统应用

PB相液晶元件的高衍射效率、电控可调、大折射率调制、偏振选择性等优势，使其成为显示系统中的关键器件。液晶PB相器件一般有两种驱动方式：主动驱动方式和被动驱动方式。上海交通大学利用PB透镜，分别提出了抬头显示系统和头戴式AR显示系统。

抬头显示可为驾驶员提供各项行驶数据，如车速、导航、路况信息、系统警告等，在安全驾驶中起着重要作用。在行驶过程中，外部环境亮度的动态变化会直接影响到抬头显示的视觉效果。如汽车在阳光照射较强的路面行驶时，抬头显示的虚拟信息会因亮度不够而无法辨别；而汽车在夜晚照明状况较差的路面行驶时，虚拟图像较高的亮度又会干扰视线。因此，显示系统需要应对不同的照明环境，平衡环境光和虚拟光的亮度，为驾驶员提供最佳的视觉效果。为此，上海交通大学提出了一种基于PB透镜的抬头显示系统。如图9所示，由图像源、左旋圆偏振片、PB液晶透镜和右旋胆甾相（RHCLC）反射膜组成。在此系统中，最终进入人眼的只有虚拟光源的一级衍射光和环境光源的零级光。因此，通过对PB透镜施加电压，可调节一级和零级光的衍射效率，从而调节虚拟光和真实光的亮度，使抬头显示在不同照明环境中都能提供较好的对比度和视觉效果。

图9基于PB透镜的抬头显示系统设计

基于上速响应的聚合物稳定PB液晶透镜，设计了多平面增强现实显示系统。上海交通大学在PB相器件中进一步引入了聚合物网络，使PB液晶器件更快地进行焦距切换。实现具有小于1ms的响应时间。通过组合两个相同的PB透镜，分别控制两个PB透镜的开关状态，可实现四种不同状态（on/on，on/off，off/off，off/on），对应的焦距分别为50、100、∞、-100 cm。利用时分复用的方法快速切换两个透镜的状态便可以实现四个平面的AR显示效果。搭建了基于图10（e）的系统装置，实现虚拟图像“SJTU”分别显示在28、40、67、200 cm处的增强现实显示效果。

图10 “SJTU”分别成像在（a）28 cm、（b）40 cm、（c）67 cm、（d）200 cm的位置；（e）AR显示系统图

5 结论

本文介绍和分析了基于SLM的单步曝光光配向法，在此基础上展开了任意相位分布的PB相元器件的制备和研究。该光配向法用非干涉投影方式，用SLM像素精确控制输出光的线偏振方向，只需一次曝光，即可实现任意复杂图案设计，极大地减小了环境扰动的影响，以简单、高效的方式降低了复杂PB相液晶器件研制的成本和时间。在实验中，利用该方法，以MR和SD1两种光配向材料分别实现了光栅、透镜、全息图、q-plate等多种PB相元器件的制作。实验表明，基于SLM的单步曝光方法在制作连续相位变化PB相器件中具有很大的优势，能够一步到位地实现高衍射效率的PB相元器件制作。最后，展示了基于PB相液晶器件的抬头显示系统和头戴式AR显示系统。通过选用更高分辨率的SLM，用高质量镜头或加入成像检测系统等方法，可以对成像质量进行进一步优化，实现结构更加精细的PB相元器件制备。提出的单步曝光光配向法制备的几何相位光学器件能够性能更好、结构更加精细，在未来显示、通讯、成像等众多领域具有广泛的应用前景。

论文信息

刘澍鑫,庄仲森,李燕,等. 基于单步曝光的光配向液晶器件研究及应用[J].液晶与显示,2021, 36(6):761-771. DOI：10.37188/CJLCD.2021-0032

论文地址

http://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2021-0032&graphicAbstract=0

通讯作者简介

李燕, 博士，副教授，硕士生导师， 2005年、2007年于浙江大学光电系获得学士和硕士学位，2012年于美国中佛罗里达大学光学学院获得光学博士学位。博士毕业后加入美国Magic Leap公司，担任高级工程师，作为项目负责人，开发增强现实三维显示项目。2014年加入上海交通大学，主要研究方向为液晶器件、三维显示与增强现实显示，担任Optics Express, Photonics Journal和Journal of The Society For Information Display副编辑及《液晶与显示》青年编委，担任SID Display Week和ICDT的程序委员会委员。

编辑 | 赵阳

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