基于單步曝光的光配向液晶器件研究及應(yīng)用

劉澍鑫， 莊仲森， 李 燕， 閻澤昆， 蘇翼凱

(上海交通大學(xué) 電子工程系， 上海 200240)

1 引 言

Pancharatnam-Berry(PB)相元件，也叫幾何相位元件，通過控制光學(xué)各向異性材料光軸的空間變化實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的調(diào)制，在顯示、成像、通訊等眾多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，近年來引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和研究[1-3]。目前，實(shí)現(xiàn)PB相調(diào)制材料主要包括超表面和液晶(LC)。 相比于人工精密制作的微納超表面材料，液晶是一種天然的雙折射材料，具備獨(dú)特的優(yōu)勢：電控可調(diào)、大雙折射率、易于加工等。近幾年隨著光配向技術(shù)的發(fā)展，使得液晶分子指向矢的任意排布成為可能[4-6]。通過液晶制作的PB相光學(xué)元件可應(yīng)用于光線偏轉(zhuǎn)、成像、光場調(diào)控等領(lǐng)域[7-14]。

具有光學(xué)各向異性吸收特性的光取向材料經(jīng)過偏振光照射之后發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生影響液晶分子排布的表面作用力，從而實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域液晶指向矢的有序排布，制備具有不同功能的PB相液晶器件[15]。目前的光取向材料包括順反異構(gòu)、光交聯(lián)、光降解、偶氮染料重排列等多種光敏材料[6,16]。本文主要針對(duì)甲基紅(Methyl Red, MR)和SD1兩種光敏材料進(jìn)行相應(yīng)的PB相器件研究和制備工作。

液晶PB相光學(xué)元件的光配向制作方法可以大致分為兩類：干涉法和非干涉法。干涉法通過兩束圓偏振光干涉，形成不同偏振方向的線偏振光場。利用干涉法雖然可實(shí)現(xiàn)高精度元器件制作，但光束干涉的過程中極易受到震動(dòng)、空氣擾動(dòng)等環(huán)境因素的影響，且需要相干光源，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求較高[17-18]。非干涉法則采用接觸或非接觸曝光的方法制作，如掩膜版曝光[19-20]、激光直寫[21-22]、數(shù)字微鏡陣列(Micro-mirror Device, DMD)動(dòng)態(tài)掩膜[23-24]、空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator, SLM)單步曝光等多種曝光方式[25-26]。其中，采用掩膜版曝光的光配向方法是最簡單的方式。這種方式通過對(duì)掩膜版樣式的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)一些簡單結(jié)構(gòu)的光學(xué)元器件制作，但對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的元件，往往需要制作不同的掩膜版并進(jìn)行多次曝光，增加了生產(chǎn)成本和時(shí)間周期。激光直寫的方法則是聚焦單束激光束，通過逐點(diǎn)掃描的方式完成圖案的結(jié)構(gòu)化處理，這種方法的優(yōu)勢在于可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜相位分布。但為實(shí)現(xiàn)高分辨率的結(jié)構(gòu)化圖案，需要精度極高的機(jī)械掃描裝置。南京大學(xué)提出的基于DMD的動(dòng)態(tài)掩膜投影曝光系統(tǒng)，通過切換DMD加載的圖案并配合外部偏振光源，可以實(shí)現(xiàn)任意圖形的設(shè)計(jì)、任意偏振態(tài)的投影輸出。其優(yōu)勢在于無需更換掩膜版、無機(jī)械掃描、制作成本低，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖案PB相元器件的便捷制作，但其缺點(diǎn)在于每次曝光只能輸出某一方向的線偏振光，對(duì)于包含多方位角取向的設(shè)計(jì)圖案，所需的曝光次數(shù)隨之增多[24]。為解決上述制作方法的弊端，上海交通大學(xué)提出一種基于SLM的單步光學(xué)投影曝光方法，通過控制任意像素的相位延遲，使不同像素點(diǎn)產(chǎn)生不同方向的線偏振光，因此對(duì)于任意復(fù)雜圖案都可以通過單次曝光的方式輕松實(shí)現(xiàn)[25-26]。

本文將對(duì)基于SLM單步曝光的光配向方式實(shí)現(xiàn)PB相元器件制備的方法進(jìn)行介紹和分析。利用該方法實(shí)現(xiàn)了基于MR和SD1兩種光取向材料的光柵、透鏡、全息圖、q-plate等多種PB相元器件制作，并進(jìn)一步提出了應(yīng)用于抬頭顯示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)顯示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后對(duì)基于SLM單步曝光光配向法制備PB相器件的研究進(jìn)行總結(jié)。

2 基于SLM的單步曝光光配向法

如圖1(a) 所示，我們提出的單步曝光光路包括的主要元件有激光、擴(kuò)束器、偏振片、SLM、1/4波片和透鏡。其中偏振片、SLM 和1/4 波片的光軸夾角均為45°，其具體擺放方式如圖1(b)所示。由于SLM中液晶為反平行配向，當(dāng)加載不同灰度圖片時(shí)，液晶分子會(huì)在垂直于x-y的面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)o光和e光產(chǎn)生不同的相位調(diào)制，這里，我們將o光和e光的相位差記作相位延遲。根據(jù)瓊斯矩陣，可以將出射光的電場分量Eout表示為：

(1)

圖1 (a)單步曝光光學(xué)投影裝置示意圖；(b)關(guān)鍵器件的光軸方向。Fig.1 (a)Optical setup for the single-exposure photoalignment method; (b) Orientations of the key components.

式中，Exin和Eyin分別代表輸入光Ein的x和y分量，d是SLM 某一像素產(chǎn)生的相位延遲。根據(jù)公式得到，輸入的線偏振光，被轉(zhuǎn)換為偏振方向旋轉(zhuǎn)d/2 的線偏振光輸出。由于SLM中任意像素產(chǎn)生的相位延遲d可通過施加電壓的方式進(jìn)行精確控制，可實(shí)現(xiàn)任意偏轉(zhuǎn)角度的像素化偏振光場，即通過加載不同的灰度圖案，可實(shí)現(xiàn)不同方位角的線偏振光場的投影輸出。因此，該方法通過一步到位的單步曝光方式，能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜幾何圖案制作，既不需要?jiǎng)討B(tài)地更換掩膜版，也無需機(jī)械掃描，方法簡單、高效，有效降低了PB相元器件制作成本，縮短了生產(chǎn)的時(shí)間周期。

圖2所示是利用該光路系統(tǒng)使用457 nm激光測試得到的結(jié)果。當(dāng)SLM加載的灰度不斷變化時(shí)，輸出的線偏振的偏振方向也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。對(duì)應(yīng)于0～255灰階的均勻圖像，可以看出其輸出光的偏振角度呈線性變化的趨勢，與式(1)理論分析基本一致，并能夠?qū)崿F(xiàn)超過260°的偏振角度變化，足夠覆蓋輸出線偏振光的任意偏振角度。在具體制作過程中，只需選取0～180°連續(xù)范圍的輸出線偏振光所對(duì)應(yīng)的灰度值，就能實(shí)現(xiàn)液晶指向矢在二維平面內(nèi)各方向的任意取向。

圖2 不同灰階下的輸出光偏振方向Fig.2 Polarization angles of the output light at different gray levels

3 基于SLM單步曝光的光配向PB相器件

3.1 光取向材料MR和SD1

在眾多光取向材料中，偶氮染料分子因其穩(wěn)定的化學(xué)性能和光敏感特性得到了廣泛應(yīng)用。圖3為我們選取的兩種光取向材料MR和SD1的分子結(jié)構(gòu)，兩者的結(jié)構(gòu)中都包含連接苯環(huán)的氮氮雙鍵結(jié)構(gòu)[27]。

圖3 兩種取向材料MR和SD1的分子結(jié)構(gòu)Fig.3 Molecular structures of two photoalignment materials MR and SD1

其中，MR主要通過光致順反結(jié)構(gòu)的變換影響液晶分子的再取向。由于二向吸收特性，分子對(duì)光能的軸向和縱向吸收率不盡相同，當(dāng)MR分子受線偏振光照射時(shí)，分子吸收光能使其構(gòu)型在順式結(jié)構(gòu)和反式結(jié)構(gòu)之間多次轉(zhuǎn)化，并最終以MR分子的長軸垂直于入射偏振光的形式吸附在靠近入射光源的基底表面達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[28]。MR分子的吸收譜主要集中在可見光波段400～600 nm，其吸收峰在450 nm左右[29]。

SD1分子是包含兩個(gè)連接苯環(huán)的氮氮雙鍵的棒狀結(jié)構(gòu)。研究表明，SD1具有明顯的二向吸收特性，當(dāng)分子受到平行長軸偏振的線偏振光照射時(shí)，分子經(jīng)歷多次轉(zhuǎn)動(dòng)后由初始位置轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直于光偏振方向，此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到一種熱穩(wěn)定狀態(tài)[30]。SD1材料的吸收譜在300～500 nm之間，吸收峰值在370 nm左右[6]。

兩種材料的工作機(jī)理和吸收波長的不同，導(dǎo)致在處理方式上也有所不同。MR染料分子通過摻雜在液晶中，用綠色激光進(jìn)行照射使MR分子得到有序分布實(shí)現(xiàn)配向。SD1材料則是以旋涂的方式，在基板表面形成一層極薄的配向?qū)樱偻ㄟ^紫外光或藍(lán)光照射實(shí)現(xiàn)配向?qū)臃肿拥挠行蛉∠蚍植?。針?duì)以上兩種取向材料，我們成功實(shí)現(xiàn)了多種液晶PB相器件的制備和研究。

3.2 任意圖案設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

基于圖1(a)的光路，我們可以通過在SLM(分別率1 920×1 080，1.78 cm(0.7 in)英寸，像素大小8 mm)加載不同灰階圖，實(shí)現(xiàn)任意圖案偏振光場和PB相液晶器件設(shè)計(jì)。

首先，將重量比分別為99%和1%的LC/MR混合物，通過毛細(xì)管灌入3 mm的無配向液晶盒中。通過SLM加載如圖4(b)所示的曝光灰度圖，在532 nm的激光照射下調(diào)制相位信息，得到如圖4(a)所示的偏振光場。為避免樣品中的液晶分子引入不必要的相位差，影響再取向過程，在實(shí)驗(yàn)中需要將LC/MR混合物加熱至清亮點(diǎn)在各向同性狀態(tài)下，用光強(qiáng)為40 mW/cm2的激光對(duì)樣品曝光10 min，使MR分子能夠充分吸收光能，達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。曝光完成后，通過偏振片觀察可以看出不同區(qū)域的圖形呈現(xiàn)明顯不同的光學(xué)特性。如圖4(c)所示，由于樣品中不同區(qū)域的液晶指向矢方向不同，在透過正交偏振時(shí)，器件不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的亮度?？梢?，通過單步曝光方法制作的液晶光配向器件，不同區(qū)域的取向均勻，可實(shí)現(xiàn)液晶任意方位角的指向矢取向設(shè)計(jì)。

圖4 (a)SLM產(chǎn)生的偏振光場(透過水平線偏振片觀察)，其中紅色箭頭表示偏振片的透光軸方向，白色箭頭分別表示3個(gè)區(qū)域的偏振方向；(b)SLM上加載的曝光圖案；(c)正交偏振片下的液晶器件圖像[25]。Fig.4 (a) Polarization field generated by the SLM (observed behind a linear polarizer whose transmission axis is in the horizontal direction) where the red arrow is the direction of the transmission axis of the polarizer, and the white arrows indicate the linear polarization directions of the three regions; (b) Gray-level picture of the exposure pattern loaded on the SLM；(c) Image of the LC device captured under crossed polarizers.

基于SLM的單步曝光法僅需要設(shè)計(jì)每個(gè)像素的顯示灰度，便可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的偏振方向變化。在制作連續(xù)幾何相位變化器件時(shí)，相比于掩膜版或者基于DMD投影的曝光方法，以一步到位的方式實(shí)現(xiàn)液晶指向矢的連續(xù)變化，制作時(shí)間得到大幅度降低。我們利用MR取向材料實(shí)現(xiàn)的橢圓圖案樣品，從中心到邊緣MR和LC取向從0°到90°呈線性變化。圖5是通過旋轉(zhuǎn)樣品在線偏振白光照射下得到的一組圖像，可以看出不同局部區(qū)域的液晶分子具有完美的連續(xù)取向變化特征。

圖5 在線偏振白光照明下旋轉(zhuǎn)液晶盒觀察到的不同圖像[25]Fig.5 Photos of the LC cell rotated at different orientations through linearly-polarized white light

利用SD1作為取向材料同樣可以實(shí)現(xiàn)任意圖案的自由化設(shè)計(jì)。相比于MR，器件的制作過程略有不同。在實(shí)驗(yàn)中，將SD1含量為0.5% 的SD1/DMF(二甲基甲酰胺)溶劑，首先在800 r/s低速下預(yù)旋 5 s，再在3 000 r/s的轉(zhuǎn)速下旋涂30 s。接著在100 ℃的高溫下烘干，然后進(jìn)行封盒，再在457 nm的偏振激光光場下對(duì)樣品進(jìn)行曝光處理，最后灌入液晶E7完成器件制作。我們?cè)赟LM加載圖6(a)所示的圖片，曝光后得到的一個(gè)簡單圖案的液晶器件，通過在線偏振白光下可以觀察到“ST”、“JU”和背景3個(gè)區(qū)域有顯而易見的不同透過率，如圖6(b，c)所示。樣品中的彩色環(huán)狀條紋是由盒厚控制不均勻造成的，可以通過工藝的優(yōu)化得到改進(jìn)。

圖6 (a)曝光圖案；(b)(c)在正交偏振片下旋轉(zhuǎn)液晶盒的照片。Fig.6 (a) Exposure pattern; (b, c) Photos of the LC cell rotated at different orientations under crossed polarizer.

3.3 PB相液晶器件制作

基于SLM的單步曝光方法，我們制作了多種PB相液晶光學(xué)元件，包含光柵、透鏡、q-plate和全息圖等。圖7所示是我們利用液晶E7/MR混合物實(shí)現(xiàn)的一維二值光柵、一維連續(xù)光柵結(jié)果圖。兩種光柵結(jié)構(gòu)周期都設(shè)定為48 mm(6個(gè)像素)，二值光柵相鄰區(qū)域的液晶指向矢相互垂直，而連續(xù)光柵的相鄰區(qū)域液晶指向矢從0°～180°以30°的梯度連續(xù)變化。

圖7 (a),(b)二值PB光柵在零電壓和施加電壓情況下的衍射圖樣;(c)二值PB光柵的顯微鏡圖；(d),(e)連續(xù)PB光柵在零電壓和施加電壓情況下的衍射圖樣；(f),(g)連續(xù)PB光柵顯微鏡圖和衍射效率曲線[25]。Fig.7 (a, b) Diffraction patterns of the binary PB grating with applied voltage off and on; (c) Micrograph of the binary PB grating; (d, e) Diffraction patterns of the continuous PB grating with applied voltage off and on; (f, g) Micrograph and diffraction efficiency curve of the continuous PB grating.

圖7(a)和(b)為二值光柵零電壓和施加電壓情況下用633 nm激光測試得到的衍射圖樣。其衍射效率較低，且有多個(gè)衍射級(jí)次。如圖7(e)所示，連續(xù)PB光柵的衍射能量幾乎全部集中在正一級(jí)且具有較高的衍射效率。圖7(g)為測得的連續(xù)PB光柵歸一化衍射效率隨電壓變化的曲線。PB相元件在零電壓下衍射效率為：

η=sin2(πΔnd/λ)，

(2)

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)后可得出：盒厚d約為3 μm，液晶E7的Δn約為0.225，波長λ為633 nm，得到πΔnd/λ～π[3]。所以，在零電壓的初始狀態(tài)下衍射效率接近于0。當(dāng)施加電壓時(shí)，液晶指向矢向平行于電場的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著施加電壓的增大，造成的相位差逐漸減小。當(dāng)相位延遲滿足“半波條件”時(shí)，達(dá)到峰值衍射效率約95.3%，此時(shí)外加電壓約1.6 Vrms。

類似地，我們用該方法進(jìn)行PB液晶透鏡的制備。首先，根據(jù)菲涅爾透鏡的計(jì)算公式，得到PB透鏡的相位分布：

(3)

其中：φ，λ，r，f分別為相位、波長、半徑、焦距，然后得到液晶指向矢的方位角分布φ/2，進(jìn)而根據(jù)圖2得到對(duì)應(yīng)灰度值的曝光圖案[31-32]。對(duì)E7/MR混合物曝光處理后得到的透鏡在顯微鏡下的圖像如圖8(a)所示。用633 nm的圓偏振光對(duì)PB透鏡進(jìn)行測試可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)施加電壓為0 V時(shí)，透鏡衍射效率為0，透鏡的焦距為∞，如圖8(b)所示；當(dāng)施加的電壓為1.6 Vrms時(shí)，衍射效率最高，透鏡對(duì)光進(jìn)行聚焦，焦距1 000 mm，其焦點(diǎn)光斑如圖8(c)所示。

圖8 (a) PB透鏡的顯微鏡圖；(b)(c)零電壓和施加電壓情況下PB透鏡在1 m處的衍射圖案。Fig.8 (a) Microscopic morphology of a PB lens; (b, c) Diffraction patterns of the PB lens with applied voltage off and on at 1 m.

q-plate是一種可以產(chǎn)生渦旋光束等特殊光束的光學(xué)元件[33]。通過橫向空間光場分布實(shí)現(xiàn)的復(fù)用技術(shù)為光通信技術(shù)的擴(kuò)容問題提供了一種新的解決方案[34]。液晶q-plate是利用光配向技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其本質(zhì)上是液晶指向矢在極坐標(biāo)系中隨方位角改變的半波片。液晶指向矢在徑向上在一個(gè)周期從0～2π連續(xù)變化q次，對(duì)應(yīng)地可產(chǎn)生拓?fù)浜蓴?shù)m=±2q的渦旋光束。如圖9 (a)～(d)所示，是我們利用MR取向材料制作的4個(gè)q-plate (q值分別為0.5，1，1.5，2)在偏光顯微鏡下的圖像。在633 nm圓偏振光照射下產(chǎn)生的渦旋光束如圖9 (e)～(h)所示。由于光學(xué)奇點(diǎn)的存在，光場中心光強(qiáng)為零，且隨著拓?fù)浜蓴?shù)的增大，中心暗斑也相應(yīng)變大，與理論結(jié)果一致。

利用液晶光配向技術(shù)，同樣可以實(shí)現(xiàn)PB全息圖的制作。我們首先利用Gerchberg-Saxton 迭代算法得到相位圖，使液晶指向矢根據(jù)所需的相位有序排布[35]。最后用激光照射PB全息圖得到的重建“小松鼠”圖像如圖9(i)所示。

圖9 (a)～(d) q=0.5，1，1.5，2的 q-plate在偏光顯微鏡下的圖像；(e)～(h)對(duì)應(yīng)生成的渦旋光束；(i)重建的PB全息圖[25]。Fig.9 (a) ～ (d) Textures of the PB q-plates under a polarized optical microscope, with q=0.5, 1, 1.5, 2, respectively; (e) ～ (h) Corresponding vortex beam patterns; (i) Reconstructed image from a PB hologram.

同樣地，通過單步曝光的方法，我們利用SD1取向材料制作了相應(yīng)的PB相液晶器件：PB連續(xù)光柵、PB透鏡和PB q-plate。如圖10所示，(a)、(b)分別為PB連續(xù)光柵的曝光圖和偏光顯微鏡下的圖樣，其測得的衍射效率達(dá)到90%以上；(c)、(d)分別是PB液晶透鏡的曝光圖和微光織構(gòu)圖；(e)～(g)分別為拓?fù)浜蓴?shù)為16的PB q-plate的曝光圖案、偏光顯微鏡下的圖樣及其產(chǎn)生的渦旋光斑圖。從圖中可以看出，利用SLM單步曝光法，可以“一步到位”地實(shí)現(xiàn)連續(xù)相位PB相器件的制作，實(shí)驗(yàn)表明，制作的PB相器件具有連續(xù)的相位變化特征，并表現(xiàn)出優(yōu)異的光電特性。

圖10 (a)(b)PB連續(xù)光柵的曝光圖和微觀結(jié)構(gòu)；(c)(d)PB液晶透鏡的曝光圖和顯微圖；(e)(f)PB q-plate的曝光圖和偏光顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)；(g)其產(chǎn)生的渦旋光束光斑。Fig.10 (a, b) Exposure pattern and micrograph of a PB continuous grating; (c, d) Exposure pattern and micrograph of a PB LC lens; (e, f) Exposure pattern and micrograph of a PB q-plate under a polarization microscope; and (g) vortex beam generated by the PB q-plate.

4 基于PB相元件的顯示系統(tǒng)應(yīng)用

PB相液晶元件的高衍射效率、電控可調(diào)、大折射率調(diào)制、偏振選擇性等優(yōu)勢，使其成為顯示系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。液晶PB相器件一般有兩種驅(qū)動(dòng)方式：主動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式和被動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。以PB液晶透鏡為例，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)即以直接在PB相器件兩端施加電壓的方式，來驅(qū)動(dòng)液晶器件，改變液晶的指向矢方向及其光學(xué)特性。當(dāng)無外加電壓時(shí)，PB透鏡對(duì)輸入某一圓偏振光實(shí)現(xiàn)聚焦/發(fā)散功能；施加足夠高的電壓后使液晶指向矢全部垂直于基板排列，PB相器件表現(xiàn)為透明狀態(tài)，如圖11(a)所示。被動(dòng)驅(qū)動(dòng)即通過添加一個(gè)外部偏振切換器的方式使輸入光在左旋圓偏振光和右旋圓偏振光之間進(jìn)行切換，從而使輸出光在聚焦?fàn)顟B(tài)和散焦?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換，如圖11(b)所示。

圖11 PB透鏡的兩種驅(qū)動(dòng)方式。(a)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式；(b)被動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。Fig.11 Two driving methods for a PB lens. (a) Active driving method； (b) Passive driving method.

我們利用PB透鏡，分別提出了抬頭顯示系統(tǒng)和頭戴式AR顯示系統(tǒng)，下文將對(duì)它們做進(jìn)一步介紹。

4.1 抬頭顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

抬頭顯示可為駕駛員提供各項(xiàng)行駛數(shù)據(jù)，如車速、導(dǎo)航、路況信息、系統(tǒng)警告等，在安全駕駛中起著重要作用。在行駛過程中，外部環(huán)境亮度的動(dòng)態(tài)變化會(huì)直接影響到抬頭顯示的視覺效果。如汽車在陽光照射較強(qiáng)的路面行駛時(shí)，抬頭顯示的虛擬信息會(huì)因亮度不夠而無法辨別；而汽車在夜晚照明狀況較差的路面行駛時(shí)，虛擬圖像較高的亮度又會(huì)干擾視線。因此，顯示系統(tǒng)需要應(yīng)對(duì)不同的照明環(huán)境，平衡環(huán)境光和虛擬光的亮度，為駕駛員提供最佳的視覺效果。為此，我們提出了一種基于PB透鏡的抬頭顯示系統(tǒng)。

我們?cè)O(shè)計(jì)的抬頭顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示，由圖像源、左旋圓偏振片、PB液晶透鏡和右旋膽甾相(RHCLC)反射膜組成。由于RHCLC的特殊螺旋結(jié)構(gòu)，使其具備偏振選擇特性，能夠反射幾乎全部右旋圓偏振光而使左旋圓偏振光全部透過[36]。虛擬圖像光由圖像源發(fā)出經(jīng)過左旋圓偏振片后轉(zhuǎn)換為左旋圓偏振光，再經(jīng)過PB液晶透鏡聚焦后變?yōu)橛倚?，因此能被RHCLC反射回來，再次經(jīng)過PB透鏡轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮?，最后透過左旋圓偏振片以放大虛像的形式進(jìn)入人眼。對(duì)來自外部真實(shí)世界的環(huán)境光，首先，經(jīng)過RHCLC反射膜透射后，僅有左旋圓偏振光經(jīng)過PB透鏡，形成無聚焦的左旋零級(jí)光和有聚焦效果的右旋一級(jí)衍射光，透過左旋圓偏振片后一級(jí)光被濾除，僅無聚焦作用的真實(shí)光進(jìn)入人眼，從而實(shí)現(xiàn)車載抬頭顯示的效果[37-38]。

圖12 基于PB透鏡的抬頭顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.12 System design of the head-up display based on a PB lens

在此系統(tǒng)中，最終進(jìn)入人眼的只有虛擬光源的一級(jí)衍射光和環(huán)境光源的零級(jí)光。因此，通過對(duì)PB透鏡施加電壓，可調(diào)節(jié)一級(jí)和零級(jí)光的衍射效率，從而調(diào)節(jié)虛擬光和真實(shí)光的亮度，使抬頭顯示在不同照明環(huán)境中都能提供較好的對(duì)比度和視覺效果。

4.2 頭戴式AR顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)舒適、無視覺疲勞的AR三維顯示系統(tǒng)，需要解決傳統(tǒng)雙目視差式AR智能眼鏡中調(diào)焦-輻輳沖突的問題[39]。在眾多真三維顯示技術(shù)中，如超多視角、全息顯示、集成成像、體三維顯示，多平面體三維顯示可通過構(gòu)建多個(gè)平面的方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)的三維畫面顯示，是目前研究較多的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維顯示方法之一[40-42]。

PB透鏡的電控可調(diào)節(jié)特性、 偏振選擇特性，使其可以應(yīng)用于AR顯示中，實(shí)現(xiàn)基于時(shí)分復(fù)用的多平面顯示。然而為了實(shí)現(xiàn)變焦的多平面顯示，需要PB透鏡具備更快的響應(yīng)速度在不同深度的平面進(jìn)行切換。為此，我們?cè)赑B相器件中進(jìn)一步引入了聚合物網(wǎng)絡(luò)，使PB液晶器件更快地進(jìn)行焦距切換。實(shí)驗(yàn)中，配制的預(yù)聚物中單體RM257含量在6%～8%之間，紫外引發(fā)劑IRG651含量為1%，MR含量為1%，其余為液晶E7[43]。由于MR和引發(fā)劑IGR651對(duì)光都有敏感的吸收，為避免光配向、單體聚合兩過程相互干擾，我們采用了用兩種波長激光分別進(jìn)行操作。首先采用532 nm的激光進(jìn)行光配向處理，此時(shí)MR對(duì)綠光吸收較強(qiáng)，而IRG651對(duì)綠光幾乎沒有吸收，因此不會(huì)引發(fā)聚合物聚合；而后，采用360 nm的紫外光，在常溫下對(duì)已配向好的器件進(jìn)行光致聚合反應(yīng)，形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時(shí)由于MR對(duì)紫外光幾乎沒有吸收，所以不會(huì)影響到配向?qū)拥娜∠蚍植?。制作完成后，PB相器件的響應(yīng)速度由未加聚合物時(shí)的80 ms，加快到802，701，619 μs(分別對(duì)應(yīng)RM257含量為6%、7%、8%的情況)。

基于上述快速響應(yīng)的聚合物穩(wěn)定PB液晶透鏡，我們?cè)O(shè)計(jì)了多平面AR顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PB透鏡設(shè)計(jì)工作波長為633 nm，焦距為100 cm。如圖13所示，多焦距PB透鏡由兩個(gè)相同的PB透鏡組成，通過分別控制兩個(gè)PB透鏡的開關(guān)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)4種不同狀態(tài)(on/on，on/off，off/off，off/on)，對(duì)應(yīng)于圖13(a)、(b)、(c)、(d)的焦距分別為50，100，∞，-100 cm，此時(shí)在接收屏(RS)上得到的圖像分別如圖(e)、(f)、(g)、(h)所示。利用時(shí)分復(fù)用的方法快速切換兩個(gè)透鏡的狀態(tài)便可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)平面的AR顯示效果。為此我們搭建了基于圖14(e)的系統(tǒng)裝置，實(shí)現(xiàn)虛擬圖像“SJTU”分別顯示在28，40，67，200 cm處的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示效果[43]。

圖13 (a)～(d)變焦透鏡分別實(shí)現(xiàn)50，100，∞，-100 cm焦距;(e)～(h)在接收屏上的圖像[43]。Fig.13 (a)～(d) Realization of four focal lengths of 50, 100, ∞， -100 cm，respectively; (e)～ (h) Captured images on the receiving screen.

圖14 “SJTU”分別成像在(a)28 cm、(b)40 cm、(c)67 cm、(d)200 cm的位置；(e)AR顯示系統(tǒng)圖[43]。Fig.14 “SJTU” is rendered at (a) 28 cm, (b) 40 cm, (c) 67 cm, and (d) 200 cm depth planes, respectively; (e) AR display system.

5 結(jié) 論

本文介紹和分析了基于SLM的單步曝光光配向法，在此基礎(chǔ)上展開了任意相位分布的PB相元器件的制備和研究。該光配向法用非干涉投影方式，用SLM像素精確控制輸出光的線偏振方向，只需一次曝光，即可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜圖案設(shè)計(jì)，極大地減小了環(huán)境擾動(dòng)的影響，以簡單、高效的方式降低了復(fù)雜PB相液晶器件研制的成本和時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)中，我們利用該方法，以MR和SD1兩種光配向材料分別實(shí)現(xiàn)了光柵、透鏡、全息圖、q-plate等多種PB相元器件的制作。實(shí)驗(yàn)表明，基于SLM的單步曝光方法在制作連續(xù)相位變化PB相器件中具有很大的優(yōu)勢，能夠一步到位地實(shí)現(xiàn)高衍射效率的PB相元器件制作。最后，展示了基于PB相液晶器件的抬頭顯示系統(tǒng)和頭戴式AR顯示系統(tǒng)。通過選用更高分辨率的SLM，用高質(zhì)量鏡頭或加入成像檢測系統(tǒng)等方法，可以對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加精細(xì)的PB相元器件制備。我們提出的單步曝光光配向法制備的幾何相位光學(xué)器件能夠性能更好、結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，在未來顯示、通訊、成像等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。