具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，偏振周期角度连续可调的图案化液晶光取向装置及方法的其中一些实施例中，

如图1所示，偏振周期角度连续可调的图案化液晶光取向装置，包括：

光源组件1，光源组件1用于提供光源和产生准直的偏振角度可调的线偏振光；

焦距伺服组件7，用于矫正运动产生的离焦现象；

运动控制部件8，用于调整载有光偏振敏感材料的工作台10的空间位置，以实现光场拼接；

偏振光栅202，光源组件1射出的线偏振光经过偏振光栅202形成周期性的偏振光栅图案，新产生的偏振光栅图案周期为其中：λ为线偏振光的波长，当线偏振光垂直入射至偏振光栅202会在正负一级衍射角方向上分别产生一束左旋圆偏振光和一束右旋圆偏振光，两束圆偏振光可进行干涉，其中两束圆偏振光夹角为2β；

视场光阑3，视场光阑3用于选取周期性的偏振光栅图案的形状大小，并可将其组合为可设计的任意图形。

本发明还公开一种偏振周期角度连续可调的图案化液晶光取向方法，具体包括以下步骤：

S1、光源组件1提供光源和产生准直的偏振角度可调的线偏振光；

S2、线偏振光垂直入射至偏振光栅202，在正负一级衍射角方向上分别产生一束左旋圆偏振光和一束右旋圆偏振光，两束圆偏振光进行干涉，产生新的偏振光栅图案，新产生的偏振光栅202周期 其中：λ为线偏振光的波长，2β为两束圆偏振光的夹角；

S3、偏振光栅图案经过视场光阑3，视场光阑3选取偏振光栅图案的形状大小，并可将其组合为可设计的任意图形；

S4、光偏振敏感材料表面反射的光斑经成像物镜组9反射至焦距伺服组件7，进行焦距负反馈调节，焦距伺服组件7调整成像物镜组9与光偏振敏感材料面的距离，使得成像物镜组9的焦面始终保持在光偏振敏感材料面，且新产生的偏振光栅图案经后续微缩成像系统，空频进一步提高；

S5、将写入光偏振取向信息记录到光偏振敏感材料上；

S6、运动控制部件8将载有光偏振敏感材料的工作台10移动到下一个指定位置进行下一次图案光场记录或者可以控制曝光和移动参数，在平台移动时候进行连续曝光。

S7、将每个取向单元拼接在一起，在光偏振敏感材料上形成大幅面偏振光图案的光取向结构。

进一步，偏振光栅202可绕光轴旋转角度来等角度改变新生成的偏振光栅图案取向。如偏振光栅202顺时针旋转pi/6，则新生成的光栅图案偏振角与竖直方向也成pi/6。

进一步，光源组件1可包括：线偏振光源以及光束整形扩束系统；或，包括：无偏振的光源、光束整形扩束系统以及起偏片。

如图2所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，还包括：第一傅立叶透镜201和第二傅立叶透镜202，第一傅立叶透镜201、偏振光栅202以及第二傅立叶透镜202形成傅立叶变换系统2；

光源组件1的线偏振光依次经过第一傅立叶透镜201、偏振光栅202以及第二傅立叶透镜202，傅立叶变换系统2用于实现连续可调偏振光栅图案的输出，通过调整偏振光栅202到第一傅立叶透镜201的距离来生成周期可连续调控的偏振光栅图案，新生成的偏振光栅图案周期为其中：P为偏振光栅202的周期，f为傅立叶变换系统2的焦距，d为偏振光栅202与第一傅立叶透镜201之间的距离。

如图3所示，具体推导过程如下：

线偏振光经第一傅立叶透镜201后入射到偏振光栅202上产生的正负一级衍射光与光轴夹角为α，经第二傅立叶透镜202后，与光轴夹角为β，其中偏振光栅202周期为P，正负一级圆偏振衍射光在输出平面的光场内产生干涉得到的光栅图案周期为P₁，傅立叶变换系统2的焦距为f，偏振光栅202与第一傅立叶透镜201距离为d，照明光垂直焦平面入射，h为一级衍射光传播至焦平面处时与光轴的垂直方向上的偏移量；

上述参数有以下关系：

P*sinα＝λ.

新产生的光栅图案的周期为：

采用近轴近似得：α≈sinα≈tanα，β≈sinβ≈tanβ；

则有：

即可通过调整偏振光栅202到第一傅立叶透镜201的距离来生成周期可连续调控的光栅图案。

采用偏振光栅202结合傅立叶变换系统2的想法及光路，可实现周期连续可调且角度任意变化的偏振光栅202，并可将其拼接为大幅面的任意图形，图形中任意区域的偏振角度和周期可自由设定

进一步，傅立叶变换系统2中的偏振光栅202的空频可为25lp/mm至3333lp/mm，对应周期为40μm至0.3μm。

进一步，傅立叶变换系统2中的偏振光栅202与运动控制部件8相连，可根据设定改变偏振光栅202与第一傅立叶透镜201之间的距离以及偏振光栅202与水平方向之间的角度；

其中，距离调节范围为0～f，最小调节量为0.5μm，角度调节范围为0～pi°，最小调节量为0.05pi。

进一步，经过傅立叶变换系统2后的光场经后续微缩成像系统后，空频进一步提高，新生成的偏振光栅图案的空频为

其中：设微缩成像系统微缩倍数为M，F为傅立叶变换系统2中偏振光栅202的空频，空频＝1mm/周期，通过改变偏振光栅202到第一傅立叶透镜201之间距离取得的新光栅图案的空频范围为[0，2FM]lp/mm；

偏振光栅202平移Δd带来的偏振敏感材料表面的光栅图案空频变化ΔF₁＝|2*Δd*F*M/f|。

进一步，光源组件1的光源可为脉冲光源或连续光源，光源产生的光束在傅立叶变换系统2中偏振光栅202表面累积能量密度低于偏振光栅202的损伤阈值，且经过成像微缩系统后，在样品表面，累积能量密度高于光偏振敏感材料的阈值能量。

光源组件1的光源可以为，但不限于激光器和LED光源，光源波长可为紫外光至可见光波段。

进一步，偏振光栅202可绕光轴旋转角度来等角度改变新生成的偏振光栅图案取向。如偏振光栅202顺时针旋转pi/6，则新生成的光栅图案偏振角与竖直方向也成pi/6。

进一步，光源组件1可包括：线偏振光源以及光束整形扩束系统；或，包括：无偏振的光源、光束整形扩束系统以及起偏片。

本发明还公开一种偏振周期角度连续可调的图案化液晶光取向方法，具体包括以下步骤：

S1、光源组件1提供光源和产生准直的偏振角度可调的线偏振光；

S2、线偏振光垂直入射至傅立叶变换系统2的第一傅立叶透镜201、偏振光栅202以及第二傅立叶透镜202，线偏振光垂直入射至偏振光栅202时，在正负一级衍射角方向上分别产生一束左旋圆偏振光和一束右旋圆偏振光，两束圆偏振光进行干涉，产生新的偏振光栅图案，新产生的偏振光栅202周期其中：P为偏振光栅202的周期，f为傅立叶变换系统2的焦距，d为偏振光栅202与第一傅立叶透镜201之间的距离；

S3、偏振光栅图案经过视场光阑3，视场光阑3选取偏振光栅图案的形状大小，并可将其组合为可设计的任意图形；

S4、光偏振敏感材料表面反射的光斑经成像物镜组9反射至焦距伺服组件7，进行焦距负反馈调节，焦距伺服组件7调整成像物镜组9与光偏振敏感材料面的距离，使得成像物镜组9的焦面始终保持在光偏振敏感材料面，且新产生的偏振光栅图案经后续微缩成像系统，空频进一步提高，新生成的光栅图案的空频为其中：设微缩成像系统微缩倍数为M，F为傅立叶变换系统2中偏振光栅202的空频，空频＝1mm/周期，通过改变偏振光栅202到第一傅立叶透镜201之间距离取得的新光栅图案的空频范围为[0，2FM]lp/mm，偏振光栅202平移Δd带来的偏振敏感材料表面的光栅图案空频变化ΔF₁＝|2*Δd*F*M/f|；

S5、将写入光偏振取向信息记录到光偏振敏感材料上；

S6、傅立叶变换系统2中的偏振光栅202与运动控制部件8相连，根据设定改变偏振光栅202与第一傅立叶透镜201的距离以及偏振光栅202与水平方向的角度，距离调节范围为0～f₁，最小调节量为0.5μm，角度调节范围为0～pi°，最小调节量为0.05pi。

S7、运动控制部件8将载有光偏振敏感材料的工作台10移动到下一个指定位置进行下一次图案光场记录或者可以控制曝光和移动参数，在平台移动时候进行连续曝光。

S8、将每个取向单元拼接在一起，在光偏振敏感材料上形成大幅面偏振光图案的光取向结构。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，焦距伺服组件7依次包括：检测光源、第二透镜、第二分光片、成像物镜组9、第二成像CCD、电机；

检测光源位于第二透镜的前焦面；

第二分光片位于第二透镜的后焦面；

第二成像CCD的成像面位于第二透镜的前焦面；

成像物镜组9的光路的主轴方向垂直于载有光偏振敏感材料的工作台10，电机用于驱动成像物镜组9作竖直方向的上下移动，在工作台10上形成聚焦面。

进一步，在上一个实施例的基础上，检测光源出射光的波长在偏振光敏吸收波长区域以外值；

第二透镜，用于将投射到光偏振敏感材料面的光斑反射到第二成像CCD中；

第二成像CCD，用于通过光斑直径映射Z轴伺服调焦位置；

电机，用于调整Z轴镜头的上下高度，可以使第二成像CCD中的光斑直径始终保持为R，以通过第二成像CCD检测投射在光偏振敏感材料面的光斑的大小来判断光偏振敏感材料面是否在物镜的聚焦面。

检测光源可以为，但是不限于激光或LED。

进一步，在上一个实施例的基础上，工作台10设置于成像物镜组9下方且具有二维运动轨道，在运动控制部件8驱动下带动光偏振敏感材料在二维平面运动，以实现光场拼接。

进一步，在上一个实施例的基础上，焦距伺服组件7与成像检测组件4相连，且共用成像物镜组9和工作台10；

成像检测组件4，包括依次连接的第一分光片、筒镜、成像物镜组9、偏振片、第一透镜、第一成像CCD；成像物镜组9的前焦面位于筒镜的后焦面的附近；第一成像CCD的成像面位于第一透镜的前焦面；第一透镜的后焦面位于筒镜的前焦面；成像检测组件4用于对生成的液晶光取向图案的成像进行检测，筒镜与成像物镜组9构成双远心光学系统，通过微调筒镜与成像物镜组9之间的距离实现调整聚焦面的位置。

光束通过分束镜，透射光进入成像透镜组，成像透镜组可对飞秒激光斑进行微缩，可以平衡写入精度和效率。分束镜采用消偏振分束镜6，不会改变透射光和反射光的偏振态。

具体地举例如下：

光源采用线偏振激光器，激光波长与光偏振敏感材料波长对应，经扩束准直后入射到傅立叶变换系统2，在傅立叶变换系统2中的偏振光栅202表面，累积能量密度低于偏振光栅202的损伤阈值；再经过后续成像微缩步骤后，在样品表面，累积能量密度高于光偏振敏感材料的阈值能量，线偏振光照射到偏振光栅202上产生的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生干涉，干涉光场经筒镜、微缩物镜聚焦后在偏振敏感材料表面产生另外一组偏振光栅图案，运动控制部件8根据设计实时调节傅立叶变换系统2中偏振光栅202的位置和偏转角来调控新产生偏振光栅图案的周期和偏振角度。

本实施例中，取偏振光栅202F＝100lp/mm，傅立叶变换系统2中，第一傅立叶透镜201和第二傅立叶透镜202焦距为200mm，物镜微缩倍数为20倍，则可产生的干涉图案的空频为[0，4000]lp/mm。

成像检测组件4通过接收从光偏振敏感材料表面反射的成像光斑的轮廓的对比度来判断物镜焦面是否在感光材料表面。

光偏振敏感材料表面反射的光斑经成像物镜组9反射至焦距伺服组件7，进行焦距负反馈调节，避免因感光材料涂布不均匀或机械运动引起的聚焦误差。运动控制部件8用于调整载有光偏振敏感材料的工作台10的空间位置且将图案光场进行拼接。运动控制部件8还可根据设计旋转傅立叶偏振光取向，配合后续制盒以及灌注液晶即可制得一系列高分辨率的液晶器件。

本发明提出的一种偏振周期连续可调的图案化液晶光取向技术，采用偏振光栅202，或，偏振光栅202结合傅立叶变换系统2，能够制备周期从十微米级至毫米级，大小从几百纳米至几十微米可调的周期光栅结构，周期结构的形状大小可根据视场光阑3进行选取，并可将其组合为可设计的任意图形，其中每个小周期光栅结构的偏振角度和周期自由可取，可实现大幅面高自由度的的偏振光刻图案，相较于目前技术所提供的微米级光取向精度，具有明显的优势，为液晶器件的应用打开了新的大门。

以上多种实施方式可交叉并行实现。

对于本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。