用于制造几何相位全息图的直写式光刻法
【专利说明】用于制造几何相位全息图的直写式光刻法
[0001]政府支持的声明
本发明至少部分地在由国家科学基金授权号0955127授予的美国政府支持下完成。美国政府在本发明中具有某些权利。
[0002]优先权的要求
本申请要求2012年10月15日提交的美国临时专利申请号61/713，770的优先权，其公开通过引用被全部并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及双折射光学元件和相关的制造方法。
【背景技术】
[0004]已对许多应用(包括显示器、光通信、天文学、极化全息术和极化测定法)研究了图案化双折射元件。具体实施非均匀双折射元件的一种方式是使用与液晶材料组合的光取向技术。
[0005]光取向聚合物已被发展来用在液晶显示器和其它光学元件中，其中在样本上的不同区域处具有光轴的不同定向可能是合乎需要的。可使用UV灯或激光器发光通过一个或多个固定阴影掩模或使用全息强度干涉来暴露(即，图案化)光取向聚合物，以创建取向域，其内可能存在占优势地均匀的光轴定向。极化全息术也可用于创建具有光轴定向的连续变化的取向轮廓(profile)以形成极化光栅。这个极化全息光刻方法可扩展到一般情况，其中任意线性极化图(例如空间上变化的极化图案)可被产生并从许多物理元件的波前被记录。这些方法一般涉及具有固定图案的小数目的暴露(例如一个或两个暴露)，而没有照明光或阴影掩模(如果被使用的话)的扫描。
[0006]使用光取向原理制造特定图案化延迟器的其它方法可涉及以某种方式扫描，并可被称为直写式光刻法。例如，可使用线形或楔形孔径和/或透镜来创建被称为q_板(或涡流延迟器)的一类波片以创建被旋转地扫描的照明光束，同时记录介质也可被旋转地扫描。这种方法可使用扫描的一个(或二个)维度，并可将其限制到旋转对称的空间图案和径向均匀的极化图案。类似地，圆柱形透镜和旋转波片可布置成创建线形光束，同时记录介质在一维上被线性地扫描以产生极化光栅(PG)。这种方法也可使用扫描的两个维度，并可被限制到一维的空间图案。
[0007]极化敏感介质的其它直写方法可扫描已由透镜聚焦的小极化斑点。在一种情况下，这个极化斑点可使用一个线性和一个旋转级来跨极化敏感板的区域被扫描，且表面浮凸图案可按照每个位置被照亮多长时间来被记录。
[0008]在另一直写方法中，极化斑点可在三维中被扫描，但所有三维可出现在单个元件(即记录介质底座)中。也就是说，空间扫描和极化选择可内在地被耦合。矩形孔径也可直接地布置在记录介质之前以迫使照明斑点具有阶形强度轮廓。这个配置可用于制造平面光波导。
[0009]又一直写方法提供用于计算机生成的极化全息图的制造方法。虽然这个方法可包括三维的计算机控制，它也可以要求正方形孔径光阑(stop)来在具有阶形强度轮廓的样本处产生斑点。这也可用于创建被称为“单元”的离散暴露正方形的阵列，在其内，极化可以是均匀的，且其中相邻“单元”的重叠可能是有害的。因此，逐步的/离散扫描可能是必要的。
[0010]在又一直写方法中，脉冲激光器可用于在玻璃中创建空间上变化的形式双折射。“微波片”因此可被形成为离散的斑点。还可能需要具有阶形强度的均匀斑点。
【发明内容】
[0011]根据本文描述的一些实施例，用于图案化极化图的直写的装置可包括配置成提供至少部分地准直的光束的光源、配置成允许至少极化定向角的计算机控制的扫描的极化选择器、配置成在焦平面处将光束聚焦到有具有大致高斯形状的平稳地变化的强度的斑点中的透镜、配置成由计算机控制的二维扫描系统、和布置在透镜的焦平面附近的极化敏感记录介质。扫描系统配置成在记录介质上连续地扫描光束，使得相邻扫描在空间上重叠，以在时间平均的极化图中创建连续的变化。
[0012]在一些实施例中，传送到极化敏感记录介质的来自光源的光的强度对于一直到整个记录参数空间可以大致是均匀的。
[0013]在一些实施例中，极化敏感记录介质可实质上是各向同性的(如同许多光取向材料一样)或双折射的(如同许多偶氮苯聚合物一样)。
[0014]在一些实施例中，光源可以是配置成提供具有线性极化的准直光束的紫外(UV)激光器。
[0015]在一些实施例中，极化选择器可以是布置在旋转级内的半波延迟器。
[0016]在一些实施例中，极化选择器可包括电光设备。在一些实施例中，电光设备可以是普克尔斯盒。在一些实施例中，电光设备可以是法拉第旋转器。在一些实施例中，电光设备可以是液晶盒。
[0017]在一些实施例中，透镜可以是具有至少5倍(5X)的放大率的物镜。
[0018]在一些实施例中，二维扫描系统可包括一对线性平移级。
[0019]在一些实施例中，记录介质可以是对线性极化光敏感的光取向聚合物的薄层，双折射材料层可随后布置到其上，使得双折射材料层的相应的局部光轴可根据在光取向聚合物中的图案而取向。这可导致具有不变的局部延迟的光学元件和在空间上变化的局部光轴。
[0020]在一些实施例中，记录介质可以是光取向聚合物，且涂覆在顶部上的双折射层可以是液晶层。
[0021]在其它实施例中，记录介质可以本身是极化敏感的，并允许感生双折射两者，例如具有包括含偶氮苯聚合物的异构化化学性质的一类聚合物。
[0022]在一些实施例中，元件以下列顺序布置:UV激光器、极化选择器、物镜、记录介质、和线性平移级。
[0023]在另外的实施例中，光源可以是产生具有线性极化的准直光束的UV激光器。
[0024]在另外的实施例中，极化选择器可以是布置在旋转级内的半波延迟器。
[0025]在另外的实施例中，极化选择器可以是普克尔斯盒和四分之一波片，其中四分之一波片可布置成从普克尔斯盒接收光输出。
[0026]在另外的实施例中，球形透镜可配置成提供直径大约I mm或更小的焦斑。
[0027]在另外的实施例中，二维扫描系统可包括转向到包括仰角和方位角两者的立体角中的一对成角度倾斜的反射镜。
[0028]在另外的实施例中，记录介质可以是对线性极化光敏感的光取向聚合物的薄层，液晶层可随后布置到其上。
[0029]在另外的实施例中，元件以下列顺序布置:UV激光器、透镜、角扫描反射镜、极化选择器和记录介质。
[0030]在又一些实施例中，第二透镜可被提供在极化选择器和记录介质之间，这可提供另外的光束调节。
[0031]根据本文描述的另外的实施例，装置包括配置成改变在多个极化当中的来自光源的光的极化的极化选择器级、配置成将来自光源的光聚焦到在其焦平面处的斑点中的聚焦元件、以及配置成相对于彼此扫描斑点和极化敏感记录介质的表面的扫描级，其中记录介质布置成接近焦平面。扫描级配置成在至少两个维度中沿着记录介质的表面扫描斑点，使得相邻的扫描实质上重叠。极化选择器级和扫描级配置成独立地操作以分别改变极化并扫描斑点。
[0032]在一些实施例中，扫描级可配置成以小于斑点的大小的空间分辨率沿着记录介质的表面扫描斑点。
[0033]在一些实施例中，扫描级可配置成沿着记录介质的表面连续扫描斑点。
[0034]在一些实施例中，装置可配置成在记录介质中创建光轴定向轮廓。光轴定向轮廓可基于多个极化中的一些的时间平均沿着记录介质的表面在至少一个方向上改变。
[0035]在一些实施例中，聚焦元件可配置成提供具有大约I毫米或更小的直径或其它尺寸的斑点。在其它实施例中，斑点可具有大约200微米或更小的直径或其它尺寸。在又一些实施例中，斑点可具有大约50微米或更小的直径或其它尺寸。
[0036]在一些实施例中，极化选择器级可配置成独立于扫描级而被控制以提供可选择的极化定向角。
[0037]在一些实施例中，极化选择器级可包括可旋转的延迟器元件，且极化定向角响应于延迟器元件的旋转在由至少两个维度限定的平面内可以是可选择的。
[0038]在一些实施例中，扫描级可包括配置成相对于斑点在至少两个维度中移动记录介质的至少两个线性平移级。
[0039]在一些实施例中，极化选择器可布置在光源和聚焦元件之间。
[0040]在一些实施例中，扫描级可包括配置成绕着对应于至少两个维度的相应轴旋转的至少一个反射镜。
[0041 ] 在一些实施例中，扫描级可布置在聚焦元件和聚焦元件的焦平面之间，且延迟器元件可布置在扫描级和聚焦元件的焦平面之间。
[0042]在一些实施例中，装置可配置成独立于极化选择器级和扫描级的操作而改变来自光源的光的强度。
[0043]在一些实施例中，来自光源的光可以是具有线性极化