基于光敏液晶超结构的光学器件、全息成像系统及方法

本发明涉及液晶微结构和全息成像，尤其涉及一种基于光敏液晶超结构的光学器件、全息成像系统及方法。

背景技术：

1、全息成像技术在工业无损检测、全息显微镜、干涉度量学等领域有广泛的应用，不仅推动了工业医疗等领域的技术进步，也为人类的视觉体验带来了变革。

2、但是传统全息成像技术因材料和工艺限制，存在信息容量受限、工作波长单一以及全息成像图案固定等问题，局限了全息成像的应用发展。光寻址技术相较于电寻址技术具有非接触、并行能力强等优点，但是传统光寻址技术在光寻址电位传感器、光寻址空间光调制器等应用中涉及光电和电光转化，这增加了系统复杂度降低了系统灵活度。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种基于光敏液晶超结构的光学器件、全息成像系统及方法，该光学器件依靠光敏液晶超结构实现了大容量彩色全息成像图案的存储和复现，突破传统全息成像的局限，实现多张彩色全息图案成像。

2、根据本发明的一方面，提供一种基于光敏液晶超结构的光学器件，用于存储全息成像图案，所述光学器件包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的光敏胆甾相液晶层；

3、其中，所述第一基板朝向所述第二基板的一侧设置有第一取向层，所述第二基板朝向所述第一基板的一侧设置有第二取向层，所述第一取向层和所述第二取向层具有相同的取向方向；

4、所述第一取向层和所述第二取向层包括阵列排布的多个子区域，每个所述子区域存储一个全息相位结构，使所述光敏胆甾相液晶层形成储存有全息相位结构的光敏液晶超结构。

5、可选的，所述光敏胆甾相液晶层中包括光敏手性分子和胆甾相液晶，在紫外光刺激下，所述光敏手性分子发生反式-顺式变换，螺旋扭曲力变小，所述胆甾相液晶的螺距变大，反射光中心波长变大；在绿光刺激下，所述光敏手性分子发生顺式-反式变换，螺旋扭曲力变大，所述胆甾相液晶的螺距变小，反射光中心波长变小。

6、可选的，还包括设置于所述第一基板和所述第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板，形成所述光敏胆甾相液晶层的填充空间。

7、可选的，所述全息相位结构由gerchberg saxton算法计算得到。

8、根据本发明的另一方面，提供一种全息成像系统，包括彩色全息图光寻址单元、彩色全息图成像单元以及上述的基于光敏液晶超结构的光学器件，所述彩色全息图光寻址单元和所述彩色全息图成像单元分别设置于所述光学器件的两侧；

9、所述彩色全息图光寻址单元用于对所述光学器件的光敏液晶超结构中对应目标彩色全息成像的区域进行工作波长调节，所述彩色全息图成像单元用于由多波长读出光实现彩色全息成像。

10、可选的，所述彩色全息图光寻址单元包括沿第一方向共光轴依次排布的led光源、第一透镜、第二透镜、光阑和数字微镜设备，沿第二方向依次排布的分束器、第三透镜以及沿第三方向排布的第一接收屏，所述第一方向和所述第二方向交叉，所述第一方向和所述第三方向相反；

11、所述led光源输出的光束依次经过所述第一透镜、所述第二透镜、所述光阑后经过所述数字微镜设备反射，反射光束经过所述分束器、所述第三透镜后被所述光学器件反射，反射光束经过所述第三透镜被所述分束器反射后被所述第一接收屏接收。

12、可选的，所述led光源用于输出紫外光束或绿色光束，所述数字微镜设备将所述led光源的输出光束调制为与所述光敏液晶超结构的阵列结构相对应的阵列寻址光，控制所述阵列寻址光独立调控各个阵列子区域。

13、可选的，所述彩色全息图光寻址单元采用分步寻址法实现彩色全息寻址；

14、控制所述数字微镜设备切换多个光学掩模版，多个所述光学掩模版切换产生多个所述阵列寻址光，用切换光学掩模版在每一步寻址过程中切换不同的阵列寻址光，实现对所述光敏液晶超结构的不同阵列子区域的独立波长调节，实现彩色全息图光寻址。

15、可选的，所述彩色全息图成像单元包括沿第四方向依次排布的超连续激光光源、偏振片、第四透镜、第五透镜以及沿第五方向排布的第六透镜和第二接收屏，所述第四方向和所述第五方向交叉；

16、所述超连续激光光源输出的多波长读出光依次经过所述偏振片、所述第四透镜和所述第五透镜后入射至所述光学器件，经过光寻址后的所述光学器件反射，反射光经过所述第六透镜将彩色全息成像图投影到所述第二接收屏。

17、根据本发明的又一方面，提供一种全息成像方法，适用于上述的全息成像系统，所述全息成像方法包括：

18、根据gerchberg saxton算法计算得到全息成像图案的全息相位结构；

19、将所述全息相位结构以阵列排布形式存储于光敏胆甾相液晶中，形成基于光敏液晶超结构的光学器件；

20、通过彩色全息图光寻址单元实现多波长彩色全息图寻址；

21、通过彩色全息图成像单元实现彩色全息图成像；

22、通过数字微镜设备切换光学掩模版、通过led光源切换寻址光波长以及超连续激光光源切换多波长读出光，实现不同彩色全息图成像的切换。

23、本发明实施例提供的基于光敏液晶超结构的光学器件，用于存储全息成像图案，光学器件包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间的光敏胆甾相液晶层；其中，第一基板朝向第二基板的一侧设置有第一取向层，第二基板朝向第一基板的一侧设置有第二取向层，第一取向层和第二取向层具有相同的取向方向；第一取向层和第二取向层包括阵列排布的多个子区域，每个子区域存储一个全息相位结构，使光敏胆甾相液晶层形成储存有全息相位结构的光敏液晶超结构。本发明实施例的技术方案，利用光敏胆甾相液晶的光刺激响应特性，其布拉格反射带在光刺激下发生红/蓝移，可覆盖可见至近红外超宽波段，为动态光场调控奠定了基础；且光敏胆甾相液晶的布拉格反射光携带几何相位信息，这为纯相位全息成像的发展提供了一个新平台。光敏材料既可以被光刺激也可以调控全息光场，有望为全光调控的发展提供新思路和新方法，实现大容量彩色全息成像图案的存储和复现，突破传统全息成像的局限，实现多张彩色全息图案成像。

24、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

技术特征：

1.一种基于光敏液晶超结构的光学器件，其特征在于，用于存储全息成像图案，所述光学器件包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的光敏胆甾相液晶层；

2.根据权利要求1所述的基于光敏液晶超结构的光学器件，其特征在于，所述光敏胆甾相液晶层中包括光敏手性分子和胆甾相液晶，在紫外光刺激下，所述光敏手性分子发生反式-顺式变换，螺旋扭曲力变小，所述胆甾相液晶的螺距变大，反射光中心波长变大；在绿光刺激下，所述光敏手性分子发生顺式-反式变换，螺旋扭曲力变大，所述胆甾相液晶的螺距变小，反射光中心波长变小。

3.根据权利要求1所述的基于光敏液晶超结构的光学器件，其特征在于，还包括设置于所述第一基板和所述第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板，形成所述光敏胆甾相液晶层的填充空间。

4.根据权利要求1所述的基于光敏液晶超结构的光学器件，其特征在于，所述全息相位结构由gerchberg saxton算法计算得到。

5.一种全息成像系统，其特征在于，包括彩色全息图光寻址单元、彩色全息图成像单元以及权利要求1～4任一所述的基于光敏液晶超结构的光学器件，所述彩色全息图光寻址单元和所述彩色全息图成像单元分别设置于所述光学器件的两侧；

6.根据权利要求5所述的全息成像系统，其特征在于，所述彩色全息图光寻址单元包括沿第一方向共光轴依次排布的led光源、第一透镜、第二透镜、光阑和数字微镜设备，沿第二方向依次排布的分束器、第三透镜以及沿第三方向排布的第一接收屏，所述第一方向和所述第二方向交叉，所述第一方向和所述第三方向相反；

7.根据权利要求6所述的全息成像系统，其特征在于，所述led光源用于输出紫外光束或绿色光束，所述数字微镜设备将所述led光源的输出光束调制为与所述光敏液晶超结构的阵列结构相对应的阵列寻址光，控制所述阵列寻址光独立调控各个阵列子区域。

8.根据权利要求7所述的全息成像系统，其特征在于，所述彩色全息图光寻址单元采用分步寻址法实现彩色全息寻址；

9.根据权利要求5所述的全息成像系统，其特征在于，所述彩色全息图成像单元包括沿第四方向依次排布的超连续激光光源、偏振片、第四透镜、第五透镜以及沿第五方向排布的第六透镜和第二接收屏，所述第四方向和所述第五方向交叉；

10.一种全息成像方法，其特征在于，适用于权利要求5～9任一所述的全息成像系统，所述全息成像方法包括：

技术总结
本发明公开了一种基于光敏液晶超结构的光学器件、全息成像系统及方法。光学器件用于存储全息成像图案，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间的光敏胆甾相液晶层；其中，第一基板朝向第二基板的一侧设置有第一取向层，第二基板朝向第一基板的一侧设置有第二取向层，第一取向层和第二取向层具有相同的取向方向；第一取向层和第二取向层包括阵列排布的多个子区域，每个子区域存储一个全息相位结构，使光敏胆甾相液晶层形成储存有全息相位结构的光敏液晶超结构。本发明提供的光学器件依靠光敏液晶超结构实现了大容量彩色全息成像图案的存储和复现，突破传统全息成像的局限，实现多张彩色全息图案成像。

技术研发人员：陈鹏,朱琳,葛士军,胡伟,陆延青
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/17