CN114942486A - 一种液晶全息片及制备方法与检测光路及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，公开了一种液晶全息片及制备方法与检测光路及检测方法；液晶全息片包括基底、配向层、液晶层；配向层中的偶氮染料分子通过光控取向技术被操控为与检测待测光学元件对应的计算全息图相同的取向；采用光控取向方法，控制配向层中相邻条纹的不同朝向，PB相位原理诱导的液晶分子不同朝向条纹则会对同一入射方向和偏振方向的入射光会产生不同的折射率，入射光通过固定厚度不同折射率的液晶材料后，就会形成固定的相位差；从而基底、配向层、液晶层构成具有补偿入射光固定相位差功能的液晶全息片；调节液晶材料厚度或更换液晶材料可改变液晶材料折射率，进而实现相位差的可控设计。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种液晶全息片、制备方法及非球面检测光路。
背景技术
当前，对非球面的检测方法有很多，可以分为接触测量法和非接触式测量法两大类，而在众多非接触式非球面面形测量方法中，计算全息法具有很大的优势，它可以测量非常复杂的面形，不需要使用价格昂贵的参考实体和零位透镜，是一种高精度的干涉检测法，它可以产生任意待测非球面所需的理想波前并对其进行相位补偿，因此，计算全息法被广泛应用于非球面检测中。
1）基于计算全息的检测原理
从干涉仪中发出的光波为标准球面波，经过设计好的与待测非球面对应的计算全息图后，标准球面波被全息片相位补偿，所有光线均沿非球面法线方向垂直入射待测非球面，再经待测非球面反射后的光波就携带了其面形信息，反射光波再一次经过全息片补偿后，变为球面波进入干涉仪，与干涉仪中的参考波形成干涉，产生干涉条纹图样，分析条纹的图样就可以得到非球面的面形偏差。
2）现有计算全息片检测存在的问题
计算全息片的图案与圆光栅类似，通常加工在玻璃或者熔石英的光学基板上。计算全息片因记录信息方式的不同可以分为两类：一类是振幅型全息片，另一类是位相型全息片。振幅型全息片通过传统的光刻工艺就可以获得，流程简单，加工精度虽高，但其衍射效率相比相位型全息片的衍射效率较低。相位型全息片，通过多台阶光刻来实现，理论上2台阶的衍射效率为42%，4台阶衍射效率为78%。但是多台阶光刻及蚀刻转移存在加工难度大，转移误差大的问题。
传统计算全息片在基板上进行图案蚀刻转移的过程中，若刻蚀深度过大，会导致刻蚀时间长，沟槽易受发热或者掩膜变形影响而发生变形，就会使刻蚀条纹的位置发生偏移，造成精度下降，影响光波通过全息片后的相位分布，进而影响非球面系统的检测精度。
发明内容
为解决背景技术中指出的问题，提出的技术方案如下。
一种液晶全息片，用于光学元件检测，包括基底、基底上设置的配向层、配向层上设置的液晶层；所述的配向层中包含偶氮染料分子，偶氮染料分子通过光控取向技术被操控为与检测待测光学元件对应的计算全息图相同的取向；液晶层选用液晶聚合材料通过紫外交联固化而成。
液晶全息片中配向层中偶氮染料分子排布为检测待测光学元件对应的计算全息图相同的取向，液晶层中的液晶分子利用PB相位原理被取向层中的偶氮染料分子诱导成计算全息图排布取向，通过紫外交联固化将液晶分子的计算全息图排布取向固化下来。
采用光控取向方法，控制配向层中相邻条纹的不同朝向，PB相位原理诱导的液晶分子不同朝向条纹则会对同一入射方向和偏振方向的入射光会产生不同的折射率，入射光通过固定厚度不同折射率的液晶材料后，就会形成固定的相位差；从而基底、配向层、液晶层构成具有补偿入射光固定相位差功能的液晶全息片；调节液晶材料厚度或更换液晶材料可改变液晶材料折射率，进而实现相位差的可控设计。液晶能利用液晶分子的光学各向异性产生偏振态及相位调制，形成“液晶位相型光栅”，实现计算全息片的功能。即通过对液晶分子的取向分布精确地调控，进而调制出射光波的相位分布。
为实现相邻条纹具有最大的折射率差，相邻液晶分子区域的取向互为垂直；根据补偿的相位分布，计算全息图分布包括：光栅式分布和环带分布。
优选地，基于上述液晶全息片，本发明还公开一种液晶全息片，用于检测非球面，包括镜筒，以及在镜筒中沿着镜筒中心轴线依次装配的偏振器、四分之一波片、液晶全息片。使用时激光光源发出的入射检测光首先经过偏振器的调制作用，将入射检测光调制为线偏光，再经过四分之一波片的偏振调制而变成圆偏光，圆偏光入射液晶全息片就会使得入射光波得到相位补偿及偏振态反转，进而成为理想检测光波对非球面面形进行检测。
一种液晶全息片的制备方法，将偶氮染料作为配向层的材料，涂布在基底上；采用光控取向方法，使得偶氮染料分子被操控为与检测待测光学元件对应的计算全息图相同的取向形成配向层；在配向层表面涂覆液晶层，液晶层中的液晶分子利用PB相位原理被取向层中的偶氮染料分子诱导成计算全息图排布取向，使用UV灯照射，通过紫外交联固化将液晶分子的计算全息图排布取向固化下来。
液晶全息片相比传统全息片有诸多优势，工艺制作上，液晶全息片自平滑比传统全息片多台阶，因此，基于液晶的位相型光栅衍射效率值理论上要高于传统全息片衍射效率，也易达到检测精度要求。其次，液晶全息片不需要蚀刻转移，不会有精度或者条纹变形问题。制备流程上，传统全息片的制备需要光刻及蚀刻转移，而液晶全息片通过对取向剂的偏振曝光、液晶聚合物的旋涂及紫外固化来制备会相对容易。
使用液晶聚合物来做非球面检测全息片，液晶聚合物通过紫外交联形成稳定的光学层，具有可靠性高、透过率高、柔性等优点。
一种检测光路，用于检测光学元件面形误差，包括激光器、分束镜、液晶全息片；激光器发出的入射光经分束镜被分为两束，其中一束作为参考光，另一束光通过液晶全息片被调制为与待测光学元件表面吻合的标准检测光波，标准检测光波经待测光学元件反射后形成携带待测光学元件表面面形误差的检测光，检测光与参考光干涉形成干涉条纹。通过对干涉条纹的判读可以得知待测光学元件的表面面形误差。
优选地在检测光路中还设置有CCD，控制器；CCD用于接收干涉条纹图像，并将图像传输至控制器，控制器用于对干涉条纹进行解读并输出待测光学元件的表面面形误差分布图。
附图说明
图1为一种液晶全息片示意图；
图2为用于检测光学元件的液晶全息片补偿器示意图；
图3为液晶全息片补偿器的光波检测调制示意图；
图4为液晶全息片的制备方法流程图；
图5为光栅型液晶分子分布示意图；
图6为旋转对称圆环型液晶分子分布示意图；
图7为一种检测光路示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将合附图对本申请做进一步地详细描述。
实施例一
一种液晶全息片，用于光学元件检测，如图1所示包括基底1、基底上设置的配向层2、配向层上设置的液晶层3；所述的配向层中包含偶氮染料分子，偶氮染料分子通过光控取向技术被操控为与检测待测光学元件对应的计算全息图相同的取向；液晶层选用液晶聚合材料通过紫外交联固化而成。
液晶全息片偏振调制的作用会带来入射光偏振态的改变，对检测光路会产生影响，因此在液晶全息片前设置偏振器、四分之一波片；偏振器、四分之一波片、液晶全息片共同组成用于检测光学元件的补偿器液晶全息片补偿器。
至少在一个应用实例中，如图2所示，将偏振器5、四分之一波片6、液晶全息片7装配在镜筒4中，形成用于检测光学元件的液晶全息片补偿器。如图3所示，在全息片前加入偏振器及四分之一波片，将入射光波先调制成圆偏光，再经液晶全息片的位相补偿作用，使得出射的光波是带有理想非球面面形信息的光波。
实施例二
一种液晶全息片的制备方法，包括如下步骤：
(a).将偶氮染料作为配向层的材料，在基底涂布0.5% 偶氮染料，涂布转速3000RPM，持续30 s，100度加热5分钟；
(b).采用光控取向方法，使得偶氮染料分子被操控为与检测待测光学元件对应的计算全息图相同的取向，
(c).涂覆液晶层，80度下UV灯照射5分钟，液晶层中的液晶分子利用PB相位原理被取向层中的偶氮染料分子诱导成计算全息图排布取向，通过紫外交联固化将液晶分子的计算全息图排布取向固化下来。
在一个具体实例中，一种液晶全息片的制备方法，如图4所示，全息图补偿相位为光栅式分布，步骤(b).中第一次线偏振光预照射取向，405nm光45 s；然后加入掩膜版，改变入射光偏振方向与第一次垂直，形成第二次取向；经过制作后，光栅型全息片的液晶分子分布如图5所示。在液晶分子朝向垂直的相邻区域，若用相同偏振态的激光入射，由于液晶分子的各向异性，在相邻区域对应的折射率不同，产生位相光栅的效果。
在另一个具体实例中，一种液晶全息片，若全息图为补偿相位为旋转对称式分布，则液晶偏振全息片就为旋转对称的中心圆环。全息片的液晶分子排布如图6所示，其中每个圆环表示液晶分子取向相同的区域，相邻的圆环液晶分子取向相互垂直。
实施例三
一种检测光路，用于检测光学元件面形误差，所述的检测光路为菲索型检测光路，如图7所示包括：激光器8、分束镜9、偏振器5、半透半反镜10、第一会聚透镜11、四分之一波片6、液晶全息片7、第二会聚透镜13、CCD14；
激光器出射的光波经分束镜，先通过偏振器，再经半透半反镜，半透半反镜的前表面返回的光为参考光，参考光被分束镜后表面反射透过第二会聚透镜进入CCD中；透过半透半反镜透射光依次通过第一透镜、四分之一波片、液晶全息片后被调制成使其沿待测光学元件12法线方向入射的标准检测光波，然后再经过待测光学元件反射；携带着待测光学元件的面形偏差信息的检测光按原路返回，并经分束镜后表面反射透过第二会聚透镜进入CCD中，检测光与参考光发生干涉，CCD接收干涉条纹。
菲索型检测光路检测光与参考光共光路，减少了误差源，解决了受环境中温度和振动影响不同所造成的干涉条纹不稳定的问题；检测光路中的偏振器，在光路中放置于分束镜与半透半反镜之间，使激光器出射光束调制为线偏振光，再经半透半反镜的分束作用后，参考光与检测光均成为线偏光；
所述的偏振器及四分之一波片，偏振器及四分之一波片对激光器出射的光波进行偏振态调制，使入射到液晶全息片的光波为圆偏振光，进而使全息片工作在检测光路中，来检测非球面面形的偏差；所述的参考光与检测光的干涉为偏振光干涉，在普通的检测光路中，由于没有偏振器及波片的调制，激光器出射的光波在光路中不会有偏振态的改变及检测影响，检测光与参考光均不是偏振光。而在液晶全息片的检测光路中，检测光与参考光均受到偏振器的调制，两束光波的干涉则为偏振光干涉；
偏振器：改变入射光的偏振态，得到线偏光；
四分之一波片：让四分之一波片的光轴和偏振光的振动方向成45度角，使入射线偏振光转为圆偏光；
液晶全息片：与偏振光栅对入射光偏振态的调制作用相同，以圆偏振光入射时，出射为相反旋性的圆偏振光，作为检测光波再作用于待测非球面以检测面形；
第二会聚透镜：将两束线偏振光经干涉后的条纹图样成像到CCD上。
在本实施例基础上，一种检测方法，用于检测非球面光学元件面形误差，按液晶全息片的制备方法制作二维光栅式的液晶全息片；选用口径为52*52*8mm石英基底，石英基底透射波前要求小于0.2倍波长；
之后按照偶氮染料涂覆、一次曝光、覆盖掩模、二次曝光、涂覆液晶材料和UV灯固化的顺序加工液晶全息片，光栅周期为2微米至20微米。这里以光栅周期为2微米的全息片为例，将制作的实际全息片用于非球面检测光路。
满足全息片使用条件，实验使用激光波长为632.8nm。可以模拟旋转对称的非球面，产生旋转对称的剩余波前。
被测非球面面形的参数为：通光口径50.8mm，曲率半径为155.04mm。真值面形误差为0.16倍波长，波面误差值为0.084倍波长。
基于液晶偏振的计算全息图利用激光干涉法光路对非球面光学元件检测面形误差数据值为0.17倍波长，波面误差值为0.080倍波长。通过与实际非球面真值面形误差及波面误差值比较，液晶全息片对非球面面形检测精度较高，说明基于液晶偏振的计算全息图对非球面面形检测可行有效。
Claims (10)
1.一种液晶全息片，用于光学元件检测，其特征在于：包括基底、基底上设置的配向层、配向层上设置的液晶层；所述的配向层中包含偶氮染料分子，偶氮染料分子通过光控取向技术被操控为与检测待测光学元件对应的计算全息图相同的取向；液晶层选用液晶聚合材料通过紫外交联固化而成。
2.根据权利要求1所述的一种液晶全息片，其特征在于：液晶层中相邻液晶分子区域的取向互为垂直。
3.根据权利要求1所述的一种液晶全息片，其特征在于：与待测光学元件对应的计算全息图包括：光栅式分布和环带分布。
4.根据权利要求1所述的一种液晶全息片，其特征在于：液晶层中的液晶分子利用PB相位原理被取向层中的偶氮染料分子诱导成计算全息图排布取向。
5.根据权利要求1所述的一种液晶全息片，其特征在于：采用光控取向方法控制配向层中相邻条纹的不同朝向。
6.一种液晶全息片，用于检测非球面，其特征在于：包括镜筒，以及在镜筒中沿着镜筒中心轴线依次装配的偏振器、四分之一波片、权利要求1至5之一所述的液晶全息片。
7.根据权利要求6所述的一种液晶全息片其特征在于：四分之一波片的光轴和偏振光的振动方向成45度角。
8.一种液晶全息片的制备方法，其特征在于：将偶氮染料作为配向层的材料，涂布在基底上；采用光控取向方法，使得偶氮染料分子被操控为与检测待测光学元件对应的计算全息图相同的取向形成配向层；在配向层表面涂覆液晶层，液晶层中的液晶分子利用PB相位原理被取向层中的偶氮染料分子诱导成计算全息图排布取向，使用UV灯照射，通过紫外交联固化将液晶分子的计算全息图排布取向固化下来。
9.一种检测光路，用于检测光学元件面形误差，其特征在于：包括激光器、分束镜、权利要求1至5之一所述的液晶全息片；激光器发出的入射光经分束镜被分为两束，其中一束作为参考光，另一束光通过液晶全息片被调制为与待测光学元件表面吻合的标准检测光波，标准检测光波经待测光学元件反射后形成携带待测光学元件表面面形误差的检测光，检测光与参考光干涉形成干涉条纹，通过对干涉条纹的判读可以得知待测光学元件的表面面形误差。
10.根据权利要求9所述的一种检测光路，其特征在于：还设置有CCD，控制器；CCD用于接收干涉条纹图像，并将图像传输至控制器，控制器用于对干涉条纹进行解读并输出待测光学元件的表面面形误差分布图。
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- 2022-06-06 CN CN202210630259.9A patent/CN114942486A/zh active Pending
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