用于制造幾何相位全息圖的直寫式光刻法
【專利說明】用于制造幾何相位全息圖的直寫式光刻法
[0001]政府支持的聲明
本發明至少部分地在由國家科學基金授權號0955127授予的美國政府支持下完成。美國政府在本發明中具有某些權利。
[0002]優先權的要求
本申請要求2012年10月15日提交的美國臨時專利申請號61/713，770的優先權，其公開通過引用被全部并入本文。
技術領域
[0003]本發明涉及雙折射光學元件和相關的制造方法。
【背景技術】
[0004]已對許多應用(包括顯示器、光通信、天文學、極化全息術和極化測定法)研究了圖案化雙折射元件。具體實施非均勻雙折射元件的一種方式是使用與液晶材料組合的光取向技術。
[0005]光取向聚合物已被發展來用在液晶顯示器和其它光學元件中，其中在樣本上的不同區域處具有光軸的不同定向可能是合乎需要的。可使用UV燈或激光器發光通過一個或多個固定陰影掩模或使用全息強度干涉來暴露(即，圖案化)光取向聚合物，以創建取向域，其內可能存在占優勢地均勻的光軸定向。極化全息術也可用于創建具有光軸定向的連續變化的取向輪廓(profile)以形成極化光柵。這個極化全息光刻方法可擴展到一般情況，其中任意線性極化圖(例如空間上變化的極化圖案)可被產生并從許多物理元件的波前被記錄。這些方法一般涉及具有固定圖案的小數目的暴露(例如一個或兩個暴露)，而沒有照明光或陰影掩模(如果被使用的話)的掃描。
[0006]使用光取向原理制造特定圖案化延遲器的其它方法可涉及以某種方式掃描，并可被稱為直寫式光刻法。例如，可使用線形或楔形孔徑和/或透鏡來創建被稱為q_板(或渦流延遲器)的一類波片以創建被旋轉地掃描的照明光束，同時記錄介質也可被旋轉地掃描。這種方法可使用掃描的一個(或二個)維度，并可將其限制到旋轉對稱的空間圖案和徑向均勻的極化圖案。類似地，圓柱形透鏡和旋轉波片可布置成創建線形光束，同時記錄介質在一維上被線性地掃描以產生極化光柵(PG)。這種方法也可使用掃描的兩個維度，并可被限制到一維的空間圖案。
[0007]極化敏感介質的其它直寫方法可掃描已由透鏡聚焦的小極化斑點。在一種情況下，這個極化斑點可使用一個線性和一個旋轉級來跨極化敏感板的區域被掃描，且表面浮凸圖案可按照每個位置被照亮多長時間來被記錄。
[0008]在另一直寫方法中，極化斑點可在三維中被掃描，但所有三維可出現在單個元件(即記錄介質底座)中。也就是說，空間掃描和極化選擇可內在地被耦合。矩形孔徑也可直接地布置在記錄介質之前以迫使照明斑點具有階形強度輪廓。這個配置可用于制造平面光波導。
[0009]又一直寫方法提供用于計算機生成的極化全息圖的制造方法。雖然這個方法可包括三維的計算機控制，它也可以要求正方形孔徑光闌(stop)來在具有階形強度輪廓的樣本處產生斑點。這也可用于創建被稱為“單元”的離散暴露正方形的陣列，在其內，極化可以是均勻的，且其中相鄰“單元”的重疊可能是有害的。因此，逐步的/離散掃描可能是必要的。
[0010]在又一直寫方法中，脈沖激光器可用于在玻璃中創建空間上變化的形式雙折射。“微波片”因此可被形成為離散的斑點。還可能需要具有階形強度的均勻斑點。
【發明內容】
[0011]根據本文描述的一些實施例，用于圖案化極化圖的直寫的裝置可包括配置成提供至少部分地準直的光束的光源、配置成允許至少極化定向角的計算機控制的掃描的極化選擇器、配置成在焦平面處將光束聚焦到有具有大致高斯形狀的平穩地變化的強度的斑點中的透鏡、配置成由計算機控制的二維掃描系統、和布置在透鏡的焦平面附近的極化敏感記錄介質。掃描系統配置成在記錄介質上連續地掃描光束，使得相鄰掃描在空間上重疊，以在時間平均的極化圖中創建連續的變化。
[0012]在一些實施例中，傳送到極化敏感記錄介質的來自光源的光的強度對于一直到整個記錄參數空間可以大致是均勻的。
[0013]在一些實施例中，極化敏感記錄介質可實質上是各向同性的(如同許多光取向材料一樣)或雙折射的(如同許多偶氮苯聚合物一樣)。
[0014]在一些實施例中，光源可以是配置成提供具有線性極化的準直光束的紫外(UV)激光器。
[0015]在一些實施例中，極化選擇器可以是布置在旋轉級內的半波延遲器。
[0016]在一些實施例中，極化選擇器可包括電光設備。在一些實施例中，電光設備可以是普克爾斯盒。在一些實施例中，電光設備可以是法拉第旋轉器。在一些實施例中，電光設備可以是液晶盒。
[0017]在一些實施例中，透鏡可以是具有至少5倍(5X)的放大率的物鏡。
[0018]在一些實施例中，二維掃描系統可包括一對線性平移級。
[0019]在一些實施例中，記錄介質可以是對線性極化光敏感的光取向聚合物的薄層，雙折射材料層可隨后布置到其上，使得雙折射材料層的相應的局部光軸可根據在光取向聚合物中的圖案而取向。這可導致具有不變的局部延遲的光學元件和在空間上變化的局部光軸。
[0020]在一些實施例中，記錄介質可以是光取向聚合物，且涂覆在頂部上的雙折射層可以是液晶層。
[0021]在其它實施例中，記錄介質可以本身是極化敏感的，并允許感生雙折射兩者，例如具有包括含偶氮苯聚合物的異構化化學性質的一類聚合物。
[0022]在一些實施例中，元件以下列順序布置:UV激光器、極化選擇器、物鏡、記錄介質、和線性平移級。
[0023]在另外的實施例中，光源可以是產生具有線性極化的準直光束的UV激光器。
[0024]在另外的實施例中，極化選擇器可以是布置在旋轉級內的半波延遲器。
[0025]在另外的實施例中，極化選擇器可以是普克爾斯盒和四分之一波片，其中四分之一波片可布置成從普克爾斯盒接收光輸出。
[0026]在另外的實施例中，球形透鏡可配置成提供直徑大約I mm或更小的焦斑。
[0027]在另外的實施例中，二維掃描系統可包括轉向到包括仰角和方位角兩者的立體角中的一對成角度傾斜的反射鏡。
[0028]在另外的實施例中，記錄介質可以是對線性極化光敏感的光取向聚合物的薄層，液晶層可隨后布置到其上。
[0029]在另外的實施例中，元件以下列順序布置:UV激光器、透鏡、角掃描反射鏡、極化選擇器和記錄介質。
[0030]在又一些實施例中，第二透鏡可被提供在極化選擇器和記錄介質之間，這可提供另外的光束調節。
[0031]根據本文描述的另外的實施例，裝置包括配置成改變在多個極化當中的來自光源的光的極化的極化選擇器級、配置成將來自光源的光聚焦到在其焦平面處的斑點中的聚焦元件、以及配置成相對于彼此掃描斑點和極化敏感記錄介質的表面的掃描級，其中記錄介質布置成接近焦平面。掃描級配置成在至少兩個維度中沿著記錄介質的表面掃描斑點，使得相鄰的掃描實質上重疊。極化選擇器級和掃描級配置成獨立地操作以分別改變極化并掃描斑點。
[0032]在一些實施例中，掃描級可配置成以小于斑點的大小的空間分辨率沿著記錄介質的表面掃描斑點。
[0033]在一些實施例中，掃描級可配置成沿著記錄介質的表面連續掃描斑點。
[0034]在一些實施例中，裝置可配置成在記錄介質中創建光軸定向輪廓。光軸定向輪廓可基于多個極化中的一些的時間平均沿著記錄介質的表面在至少一個方向上改變。
[0035]在一些實施例中，聚焦元件可配置成提供具有大約I毫米或更小的直徑或其它尺寸的斑點。在其它實施例中，斑點可具有大約200微米或更小的直徑或其它尺寸。在又一些實施例中，斑點可具有大約50微米或更小的直徑或其它尺寸。
[0036]在一些實施例中，極化選擇器級可配置成獨立于掃描級而被控制以提供可選擇的極化定向角。
[0037]在一些實施例中，極化選擇器級可包括可旋轉的延遲器元件，且極化定向角響應于延遲器元件的旋轉在由至少兩個維度限定的平面內可以是可選擇的。
[0038]在一些實施例中，掃描級可包括配置成相對于斑點在至少兩個維度中移動記錄介質的至少兩個線性平移級。
[0039]在一些實施例中，極化選擇器可布置在光源和聚焦元件之間。
[0040]在一些實施例中，掃描級可包括配置成繞著對應于至少兩個維度的相應軸旋轉的至少一個反射鏡。
[0041 ] 在一些實施例中，掃描級可布置在聚焦元件和聚焦元件的焦平面之間，且延遲器元件可布置在掃描級和聚焦元件的焦平面之間。
[0042]在一些實施例中，裝置可配置成獨立于極化選擇器級和掃描級的操作而改變來自光源的光的強度。
[0043]在一些實施例中，來自光源的光可以是具有線性極化