基于掩模光刻的液晶波前校正器设计与制备.pdf
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1、文章编号2097-1842(2024)02-0324-10基于掩模光刻的液晶波前校正器设计与制备杜莹1,陈梅蕊1,刘禹彤1,曹宗新1,毛红敏1,李小平2,孙会娟3*,曹召良1*(1.苏州科技大学物理科学与技术学院江苏微纳热流技术与能源应用重点实验室,江苏苏州215009;2.济源职业技术学院基础部,河南济源454682;3.北京联合大学数理部,北京100101)摘要:液晶波前校正器通常基于液晶显示器的工艺制备而成,因此其研制成本高、定制难度大。本文基于掩模光刻法制备液晶波前校正器,以实现液晶波前校正器的专用化、低成本研制。基于掩模光刻技术设计并制备了 91 像素的无源液晶驱动电极,并封装成液晶
2、光学校正单元。设计并制备了驱动连接电路板,实现了液晶光学驱动单元和驱动电路板的匹配对接。对液晶波前校正器响应特性进行检测。结果显示,其相位调制量为 5.5 个波长,响应时间为 224ms。利用Zygo 干涉仪进行球面波的产生和静态倾斜像差的校正。结果显示,其可以产生正负离焦波前,且对水平倾斜像差校正后,Zernike 多项式中第一项的值从 1.18 降至 0.16,校正幅度达 86%,实现了像差的有效校正。本文的研究工作可为液晶波前校正器的研制提供新思路,进而拓宽其应用领域和场景。关键词:液晶波前校正器;掩模光刻;波前;响应特性;像差校正中图分类号:O436文献标志码:Adoi:10.3718
3、8/CO.2023-0137DesignandfabricationofliquidcrystalwavefrontcorrectorbasedonmasklithographyDUYing1,CHENMei-rui1,LIUYu-tong1,CAOZong-xin1,MAOHong-min1,LIXiao-ping2,SUNHui-juan3*,CAOZhao-liang1*(1.Jiangsu Key Laboratory of Micro and Nano Heat Fluid Flow Technology and Energy Application,School ofPhysica
4、l Science and Technology,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009,China;2.Basic Department,Jiyuan Vocational and Technical College,Jiyuan 454682,China;3.Institute of Mathematics and Physics,Beijing Union University,Beijing 100101,China)*Corresponding author,E-mail:;Abstract:Liquidcr
5、ystalwavefrontcorrectors(LCWFCs)exhibithighdevelopmentcostandcustomizationdifficultiesduetobeingfabricatedbasedontheprocesstechnologyofliquidcrystaldisplays.Toachievespe-收稿日期:2023-08-14;修订日期:2023-09-08基金项目:“十四五”江苏省重点学科资助(No.2021135);北京联合大学科研项目资助(No.ZK70202007);吉林省科技厅重点研发项目(No.20220203033SF)Supported
6、byJiangsuKeyDisciplinesoftheFourteenthFive-YearPlan(No.2021135);ResearchProjectsofBeijingUnionUniversity(No.ZK70202007);KeyR&DProjectsofJilinProvincialDepartmentofScienceandTechnology(No.20220203033SF)第17卷第2期中国光学(中英文)Vol.17No.22024 年 3 月ChineseOpticsMar.2024cializedandlow-costdevelopmentofLCWFCs,ali
7、quidcrystalwavefrontcorrectorisfabricatedbyusingthemasklithographymethod.Firstly,a91-pixelpassiveliquidcrystaldrivingelectrodeisdesignedandpre-paredbasedonthemasklithographytechnologyandthen,packagedasaliquidcrystalopticalcorrectionunit.Acircuitboardfordriverconnectionisdesignedandpreparedtoconnectt
8、heopticalcorrectionunitandthedrivingcircuitboard.Next,theresponsecharacteristicsoftheLCWFCaretested,andtheresultsshowthatthephasemodulationis5.5,andtheresponsetimeis224ms.Finally,thesphericalwavesareobtainedandthestatictiltaberrationsarecorrectedbasedonZygointerferometer.TheresultsshowthattheLCWFCca
9、ngeneratepositiveandnegativedefocusedwavefronts.Further,aftercorrectionofthehorizontaltiltaberration,thecoefficientofthefirsttermoftheZernikepolynomialsisdecreasedfrom1.18to0.16.Therefore,theab-errationiscorrectedwiththeamplitudeof86%.ThisworkmayprovidenewideasforthedevelopmentofLCWFCs,andthenexpand
10、ingtheirapplicationfieldsandscenarios.Keywords:liquidcrystalwavefrontcorrector;masklithography;wavefront;responsecharacteristic;aberra-tioncorrection1引言自适应光学系统广泛应用于像差的实时校正,从而提高成像质量和光学性能。目前,已经广泛应用于地基大口径望远镜1、空间激光通信2、生物显微镜成像3、人眼视网膜成像4等领域。波前校正器是自适应光学系统的核心器件之一,常见的波前校正器主要有液晶波前校正器和变形镜,其中,液晶波前校正器的成本低、空间分辨率高
11、、驱动电压低、相位调制量大、体积小、重量轻,因而备受关注5-6。液晶波前校正器分为透射式和反射式两种。1995 年,DouRSH 利用透射式液晶显示屏作为液晶校正器,实现了单色偏振光的像差校正7。2006 年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所与吉林彩晶数码公司合作,采用薄膜晶体管(Thinfilmtransistor,TFT)液晶显示器相关技术,研制出 640pixel480pixel 的透射式液晶波前校正器,实现了静态像差的高精度校正8-9。2008年,哈尔滨工业大学研制出了具有 1024 个独立可编程的一维透射式向列液晶光学相控阵10。目前,德国 Holoeye 公司、美国的 Mea
12、dowlark 公司都推出了透射式液晶校正器产品。总体而言,透射式液晶波前校正器主要采用 TFT 显示技术,其采用液晶显示器的制备工艺进行制备,可以进行批量生产。但所制备的液晶波前校正器的空间分辨率、像素尺寸以及相位调制量等都受显示器制备工艺的限制,无法依据像差校正需求进行批量生产。如果依据相位校正特性设计透射式液晶波前校正器,则需要专门在 TFT 工艺生产线进行开模试产,成本高昂。因此,到目前为止,市售的透射式液晶波前校正器都采用和液晶显示器相同的工艺进行制备,无法完全满足像差校正需求。目前,反射式液晶波前校正器主要采用硅基液晶技术(Liquidcrystalonsilicon,LCOS),
13、即利用大规模集成电路工艺进行制备。1995 年,BurnsDC 基于 LCOS 研制出 256256 的铁电液晶校正器11。1996 年,雷神公司研制出纯相位反射式液晶波前校正器12。2003 年,美国 BNS 公司研制出 256pixel256pixel、响应时间为亚毫秒级的双频液晶波前校正器13。到目前为止,美国 BNS 和Meadowlark 公司、日本滨松公司、德国 Holoeye公司都基于 LCOS 工艺,研发出多款反射式液晶校正器产品。这些产品大部分采用 LCOS 显示器的制备工艺进行制备,即通过改变制备液晶盒工艺,利用显示用的 LCOS 芯片制备出液晶波前校正器,如 Holoey
14、e 公司的部分产品。也有根据波前校正器的需求,设计专用的 LCOS 芯片,然后制备出液晶波前校正器,如 BNS公司和 Meadow-lark 公司的产品。前者研制液晶波前校正器的成本低,但是波前校正性能一般;后者波前校正性能高,但是由于需独立进行芯片设计和流片,研制成本高昂。综上所述,目前的液晶波前校正器大都采用液晶显示器的制备工艺进行制备,研制成本高第2期杜莹,等:基于掩模光刻的液晶波前校正器设计与制备325昂。这些因素限制了液晶波前校正器的进一步发展和推广应用。为此,本文提出基于掩模光刻法制备液晶波前校正器,以解决 TFT 和 LCOS 工艺研制成本高的问题,进而实现液晶波前校正器的专用化
15、、定制化14。2基于掩模光刻的液晶波前校正器设计nenone液晶是一种单轴双折射材料,具有寻常折射率和非寻常折射率。其中,的变化满足折射率椭球方程15:ne()=nenono2cos2+ne2sin2.(1)neno式中:是液晶分子的倾角。未施加电压时液晶分子呈如图 1(a)所示的水平方向排列,其折射率为。当施加电压时液晶分子会发生偏转,最终呈现垂直排列,如图 1(b)所示,此时其折射率为。(a)(b)盒厚 d盒厚 d电压图1(a)未施加电压及(b)施加电压的液晶分子排列Fig.1Arrangementofliquidcrystalmoleculesundertheconditions(a)w
16、ithoutappliedvoltageand(b)withappliedvoltagenonenenon通过控制施加电压,可以控制液晶的折射率从连续变化到。液晶波前校正器的相位调制范围由和的差值决定16,液晶波前校正器相位调制量可表示为:=2dw0ne(z)nodz,(2)其中,z 表示液晶的法线方向,d 表示液晶厚度,是工作波长。通过施加不同的电压,可以改变液晶的有效折射率,进而实现光的相位调制。对于反射式液晶波前校正器,当光垂直入射时,最大相位调制量与液晶盒厚 d 存在如下关系15:d=4n.(3)n可以看出,液晶盒厚与相位调制量、工作波长和液晶材料的有关。液晶的响应时间包括上升时间和下
17、降时间。通常下降时间大于上升时间。因此,采用液晶的下降时间作为液晶波前校正器的响应时间,其与液晶盒厚的关系如下15:=1d2k12,(4)1k11其中,和分别是液晶的粘度系数和弹性常数。若要获得更快的响应速度,可以通过减小粘度系数和液晶盒厚 d 来实现。当液晶材料选定时,反射式液晶波前校正器相比于透射式液晶波前校正器的盒厚减小一半,响应时间将减小为 1/4。因此,本文选用反射式液晶波前校正器进行研究。液晶波前校正器通常由光学校正单元和驱动控制电路两部分组成。其中,光学校正单元的核心是驱动电极和液晶材料。传统的 TFT 和 LCOS工艺都属于有源驱动电极。本文采用掩模光刻法制备液晶的无源驱动电极
18、(图 2,彩图见期刊电子版)。光学系统的有效口径通常为圆形,为使液晶驱动区域在圆形区域内占比最大化,将液晶驱动电极设计为六边形17。本文设计的驱动电极如图 2(a)所示,黄色部分表示液晶区域,其有 91 个像素。每个像素单元也呈六边形,像素尺寸为1mm,两个像素之间的电极间隔为 15m。红色部分表示金手指,在驱动电极基板上下两排分别设计了 46 个和 45 个金手指。青色部分表示邦定引线,用于液晶驱动电极和驱动电路之间的邦定。为避免金手指到驱动电极之间的引线发生短路和引线宽度过窄,设计每个电极间隔最多并排走三根线,如图 2(b)所示。液晶盒的封装结构设计如图 2(c)所示,在上下基板之间的边缘
19、处涂布封框胶(白色实线),胶框宽度为 1mm,同时预留灌注液晶口。上基板(橘红色)预留 5mm 宽度,用于焊接公共电极。最终设计的下基板尺寸为 18mm14mm,上基板尺寸为 16mm18mm。本文采用本课题组研制的低成本驱动电路进行液晶波前校正器的控制18。其采用 STM32、USB 和 SPI 的方式进行控制和数据通信。一块母板加载 6 块可插拔子板的连接方式,实现驱动路数的灵活控制。其中,每一块子板控制 32 路电326中国光学(中英文)第17卷压输出,最多可实现 192 路电压输出,且每一路电压都独立可控,其可输出 10bit(0-1023 灰度)、10V 的电压。关于该驱动电路的详细
20、描述见文献 18。(a)(b)(c)图2本文制备的液晶无源驱动电极。(a)驱动电极结构;(b)液晶盒封装结构;(c)电极间走线Fig.2Theliquid crystal passive driving electrode pre-paredin this paper.(a)Structure of driving elec-trode;(b)packagingstructureofliquidcrystalcell;(c)wiringbetweenelectrodes为将光学校正单元和驱动控制电路相连接,设计了驱动连接板,如图 3(彩图见期刊电子版)所示。在连接板的右侧与液晶盒相对应的位置设
21、计上下两排金手指,通过邦定技术实现电路板与液晶盒的连接。金手指宽度为 100m,间隔为50m。连接板的左侧设计和驱动电路板配套的BTB100 接口,通过插拔的方式把连接板与驱动控制电路的母板连接在一起。为了便于液晶波前校正器的安装与应用,中间设计了长度为 60mm的FPC 柔性电路板。转接口FPC 软板光学校正单元图3驱动连接板设计图Fig.3Designdrawingofthedrivingconnectionboard3液晶波前校正器的制备本文采用掩模光刻法制备液晶波前校正器,首先根据图 2 的设计结果制备掩模版19。然后利用该掩模版进行电极的制备。由于液晶盒和驱动电路之间需要采用邦定技术
22、进行连接,因此其邦定焊盘必须为金基底。同时,考虑到金的反射率在可见波段和红外波段都较高,且引线宽度较窄,因此液晶的驱动电极、引线和邦定焊盘都使用金制备。这样,能够同时满足高反射率、引线高导电率和焊盘的邦定要求。此外,为了简化制备流程,先利用光刻胶在基板上形成掩模图案,然后再镀金,最后在基板上形成金电极。因此,首先在平整的玻璃基板表面涂布光刻胶,并利用掩模光刻技术将掩模版上的图案转移到玻璃基板上20。接着,采用热蒸发镀膜工艺进行镀金,并清洗掉光刻胶,便可以获得金电极图案。制备出的驱动金电极的显微镜图像如图 4(a)和 4(b)所示。最后,基于制备的液晶驱动电极,进行液晶盒封装。在驱动电极和公共电
23、极上分别旋涂 PI 取向膜,并采用反平行摩擦法对上下基板进行处理,以实现液晶分子的反平行排列。涂边框胶并进行液晶盒的压制。为保证灌注液晶盒无气泡,采用真空灌注技术将液晶注入液晶盒内,并在灌注口涂封口胶,防止液晶泄露。制备的液晶盒如图 4(c)所示。(a)(b)(c)图4(a)、(b)镀金驱动电极不同位置的显微镜照片;(c)封装的液晶盒Fig.4(a),(b)Different location pictures of gold-plateddrivingelectrodescapturedbythemicroscope;(c)pa-ckagedliquidcrystalcell制备好的液晶盒通
24、过邦定技术与连接板进行连接,并把连接板插在驱动电路母版上,最终制备的液晶波前校正器如图 5 所示。电源USB图5制备的液晶波前校正器Fig.5Fabricatedliquidcrystalwavefrontcorrector4液晶波前校正器的响应特性为了测试液晶波前校正器的相位调制特性,设计了如图 6 所示的检测光路。其中,光源 S 为第2期杜莹,等:基于掩模光刻的液晶波前校正器设计与制备327OPTOENGINEERING 公司的准直光源(LTCLHP-144-G),中心波长为525nm,光束口径为 200mm。其发出的平行光经过偏振片 P1 和分束器 BS 后到达反射式液晶波前校正器,经校
25、正器反射后,光再次经过分束器到达偏振片 P2 和凸透镜 L,最后进入探测器 T。透镜 L 的焦距为 100mm,直径为 50mm,可变光阑 H 用于调整光束入射孔径大小。其中,偏振片 P1 的偏振方向和液晶分子排列方向呈 45放置,偏振片 P2和 P1 的偏振方向垂直。这样,经过偏振片 P1 的线偏振光,再经过液晶波前校正器后,就形成 o 光和 e 光,它们经过偏振片 P2 后发生双光束干涉。其干涉强度的大小取决于 o 光和 e 光的相位差。因此,通过检测干涉强度的变化,可以测量液晶波前校正器的相位调制特性。S:平行光光源P1、P2:偏振片H:小孔BS:分束立方体LCD corrector:液
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