基于掩模光刻的液晶波前校正器设计与制备.pdf

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：10.37188/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 ofPhysical 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:Liquidcrystalwavefrontcorrectors(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）SupportedbyJiangsuKeyDisciplinesoftheFourteenthFive-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,aliquidcrystalwavefrontcorrectorisfabricatedbyusingthemasklithographymethod.Firstly,a91-pixelpassiveliquidcrystaldrivingelectrodeisdesignedandpre-paredbasedonthemasklithographytechnologyandthen,packagedasaliquidcrystalopticalcorrectionunit.Acircuitboardfordriverconnectionisdesignedandpreparedtoconnecttheopticalcorrectionunitandthedrivingcircuitboard.Next,theresponsecharacteristicsoftheLCWFCaretested,andtheresultsshowthatthephasemodulationis5.5,andtheresponsetimeis224ms.Finally,thesphericalwavesareobtainedandthestatictiltaberrationsarecorrectedbasedonZygointerferometer.TheresultsshowthattheLCWFCcangeneratepositiveandnegativedefocusedwavefronts.Further,aftercorrectionofthehorizontaltiltaberration,thecoefficientofthefirsttermoftheZernikepolynomialsisdecreasedfrom1.18to0.16.Therefore,theab-errationiscorrectedwiththeamplitudeof86%.ThisworkmayprovidenewideasforthedevelopmentofLCWFCs,andthenexpandingtheirapplicationfieldsandscenarios.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、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 Meadowlark 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)，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 Holoeye 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、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)withoutappliedvoltageand(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（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:液晶波前校正器T:探测器L:凸透镜,f100,50TLP2P1HBSLCD correctorS图6液晶波前校正器响应特性测试光路Fig.6Opticallayoutfortestingtheresponsecharacteristicofliquidcrystalwavefrontcorrector利用上述光路，在探测器位置先放置一个COMS 相机，进行液晶驱动面板的成像，以检测每个像素是否能够正常驱动。通过控制计算机分别给每个像素施加 1023 灰度级，即 10V 电压。当施加 1023 灰度级时，液晶分子近似垂直站立，此时通过液晶波前校正器的光偏振方向与偏振片P2 垂直，在相机对应的区域是暗态。因此，可通过相应像素是否变暗，来判断能否对该像素进行驱动，如图 7（a）所示。利用该方法，依次给每个像素发送驱动电压，结果如图 7（b）所示，91 个像素都能够正常响应，且确认了驱动通道与像素位置的关系。为了利用上述光路进行液晶波前校正器的相位调制量和响应时间测量，把 CMOS 相机更换为光电探测器，并把光电探测器连接到示波器。当控制计算机给所有像素施加交替变化的 0 和 1023灰度级时，液晶分子会从水平排列连续变化到垂直排列。设 o 光和 e 光的光强分别为 I1和 I2，且I0=I1=I2，依据双光束干涉原理可知，其干涉强度会发生连续变化21：I=4I0cos22,（5）式中，是相位变化量。因此，依据测量得到的光强变化曲线，便可以求出相位变化量。对测量光强进行归一化后，利用式（6）求解相位调制量，其中，I是归一化光强。=2arcosI.（6）(a)(b)图7（a）单像素驱动响应结果；（b）驱动通道与像素对应位置关系Fig.7(a)Responseresultswithsinglepixeldriving;(b)co-rrespondingrelationshipbetweenthedrivingchan-nelandpixelpositionI利用上述方法，给液晶波前校正器施加 0 和1023 灰度级时，从示波器可以得到液晶波前校正器的下降强度响应曲线，如图 8（a）所示。为了得到相位调制量随时间的变化曲线，需要对测量的电压信号进行归一化处理，得到，接着，根据式（6）计算出位相调制量，其与时间的对应关系如图 8（b）所示。由图 8 可知，液晶波前校正器的相位调制量为 5.5（=525nm），液晶的下降响应时间为 224ms，响应频率为 4.5Hz。从图 8（b）中可以看出，液晶波前校正器的响应频率和校正的相位量有关。例如，当相位调制量为 1 时，其响应时间为 12ms，响应频率为 83Hz。本文所采用的液晶为普通液晶材料，其响应速度较慢，若想获得更快的响应速度可以考虑使用快速响应液晶材料22或者双频液晶23。利用上述的相位调制量测量方法，依次施加不同灰度级，便可以得到不同灰度级下的相位调制量24，如图 9（a）所示。可以看出，当电压灰度级小于 100 时，由于存在阈值电压，相位调制量为328中国光学（中英文）第17卷0。施加最大灰度级 1023 时，可以实现 5.5 个波长的最大调制量。00123Phase/45650100150Time/ms200250M 100 ms/Delay:490 ms(a)(b)图8（a）示波器测量的光强变化曲线；（b）时间与相位关系曲线Fig.8(a)Intensitycurvemeasuredbyoscilloscope;(b)phaseasafunctionofresponsetime60.100.080.060.040.0200100200Data point300400(a)(b)543Phase/Phase error/2100200400600800Gray scale1 0001 200图9（a）灰度级与相位关系曲线及（b）相位调制误差Fig.9(a)Phaseasafunctionofgraylevel;(b)phasemodulationerror由于对液晶波前校正器施加电压的不连续，导致其对应的相位调制量也是离散的，这会产生相位校正误差。针对图 9（a）的测量结果，其相邻相位的差如图 9（b）所示，最大差值为 0.081。因此，利用该液晶波前校正器校正像差时，由离散电压导致的最大校正误差为 0.081。该误差与驱动电压的位数、液晶波前校正器的最大调制量有关。为了降低该校正误差，可以采取增大电压的位数，例如采用 16bit 驱动电压，也可以通过减小液晶波前校正器的校正量，变向提高其相位控制精度。5静态像差校正实验5.1实验光路本文使用 Zygo 干涉仪进行像差测量，其实验光路如图 10 所示。图中 J 为可调衰减片，P 为偏振片。Zygo 干涉仪发出的平行光束，经过偏振片和衰减片后到达反射式液晶波前校正器，被反射后再次进入 Zygo 干涉仪以进行相位测量。为了验证液晶波前校正器的相位校正能力，首先利用其产生一个球面波。LCD correctorJPZygo图10像差校正实验设备Fig.10Opticalsetupforaberrationcorrection5.2球面波的产生调整好光路后，不给液晶波前校正器施加电压，利用 Zygo 干涉仪进行初始波面测量，其工作波长=532nm，结果如图 11（a）和 11（b）（彩图见期刊电子版）所示。其中，图 11（a）是干涉条纹图，图 11（b）是波前分布图。其 PV 值为 1.11，RMS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329值为 0.25。把该波前存储为参考波前，然后利用 Zygo 干涉仪的相对测量功能，就可以获得接近理想波前的平面波前，如图 11（c）（彩图见期刊电子版）所示，其 PV=0.028，RMS=0.003。在此基础上，根据图 8 中灰度值与相位调制量的对应关系，给液晶波前校正器施加球面波前电压25。本文分别施加了正负离焦像差，测量结果如图 12（彩图见期刊电子版）所示。图中第一行为正离焦，第二行为负离焦。第一列为干涉条纹，第二列为相位三维分布，第三列为离焦波前。从图中可以看出，施加电压后，液晶波前校正器能够产生球形波面，正负离焦量分别为 0.63、0.35。(a)(b)113194382463+0.413 00.702 0wavepixpix111198383470+0.015 80.012 3wavepixpix(c)图11Zygo 干涉仪的初始测量结果及产生的平面波。（a）干涉条纹；（b）原始波面；（c）相对测量波面Fig.11InitialwavemeasurementresultsbyZygointerferometerandtheresultingplanewave.(a)Interferencefringe,(b)ini-tialwavesurfaceand(c)relativemeasuredwavefront(a)(b)(f)(e)(d)1.21.41.60.200.150.100.0500.100.0520010000100200X0100200XY2001000YWavefront error0.20.20Wavefront error(c)0.50.40.30.20.102040608010012020 40 60 80 10012020 40 60 80 10012020406080100120图12正负离焦像差球面波。（a）、（b）、（c）为施加正离焦的干涉条纹、立体波面及波前；（d）、（e）、（f）为施加负离焦的干涉条纹、立体波面及波前Fig.12Positiveandnegativedefocusedaberrationspher-icalwave.(a)Interferencefringe,(b)stereoscopicwavefrontand(c)two-dimensionalwavefrontun-derpositivedefocus;(d)interferencefringe,(e)ste-reoscopicwavefrontand(f)two-dimensionalwave-frontundernegativedefocus5.3静态倾斜像差校正基于液晶波前校正器的自适应光学系统非常复杂，其需要利用闭环控制算法进行控制，同时要求波前探测器和液晶波前校正器进行严格光学对准。因此，利用 ZYGO 干涉仪很难实现复杂像差的动态校正。为了验证液晶波前校正器的像差校正能力，本文仅进行静态倾斜像差的校正实验，后续的工作重点将放在动态像差的自适应校正研究方面。由于实际像差比较复杂，为了评价其对倾斜像差的校正效果，采用 Zernike 多项式对像差进行分解，波前像差可用 Zernike 多项式表示为：R(x,y)=ni=1aiZi(x,y),（7）aiinZi(x,y)i其中，是第 项 Zernike 多项式的系数，是 Zer-nike 多项式的项数，是第 项 Zernike 多项式26。其中，第 1 项和第 2 项分别为水平和垂直倾斜像差。为此，首先利用 Zygo 干涉仪测量得到畸变波面，然后对畸变波面进行 Zernike 多项式分解，得到倾斜像差；然后，利用灰度值与位相调制量的对应关系，在液晶波前校正器上施加和倾斜像差共轭的相位分布，进行像差校正27-28。本文中，仅校正水平倾斜像差，即第 1 项 Zer-nike 多项式对应的像差。校正前后的结果如图 13（彩图见期刊电子版）所示。校正前，测量得到的干涉条纹和倾斜波前如图 13（a）和 13（b）所示，其倾斜的 PV 值为2.23，RMS 值为 0.71。然后，根据灰度值与位相调制量的关系，对 91 个像素施加330中国光学（中英文）第17卷校正的灰度分布。校正后结果如图 13（c）和 13（d）所示。可以看出，校正后水平方向的干涉条纹消失，只剩下垂直方向上的干涉条纹。同时，波前也明显变得平整，PV 值降低到 0.68，RMS 值降低到 0.18。(a)(b)501.41.00.60.20.20.61.41.00.60.20.20.6100150200200150100502001501005050100150200(d)(c)图13水平倾斜像差校正结果。校正前的（a）干涉条纹及（b）波前；校正后的（c）干涉条纹及（d）波前Fig.13Correction results of horizontal tilt aberration.(a)Interference fringe and(b)wavefront beforecorrection;(c)interference fringe and(d)wave-frontaftercorrection为了进一步评价校正效果，分别给出校正前后 Zernike 系数的变化情况，如图 14（彩图见期刊电子版）所示。可以看出，除第一项以外，其他Zernike 项的系数在校正前后几乎保持一致。校正后，Zernike 第一项的系数从 1.18 减小至 0.16，一次校正后，像差的下降幅度达 86%。可以看出单次校正后，还剩余 14%的像差没有得到有效校正。分析主要有以下两方面原因：一是没有测量液晶波前校正器的响应矩阵，导致产生的校正量出现偏差；二是液晶波前校正器和 ZYGO 干涉仪的光学位置没有严格对应，导致校正出现错位，从而产生误差。这些误差都可以在自适应光学系统中得到解决。因此，初步校正结果说明制备的液晶波前校正器可以实现像差的有效校正。x 倾斜y 倾斜离焦 x 轴像散 y 轴像散0.200.20.40.60.81.01.2校正前校正后图14校正前后泽尼克多项式系数Fig.14Zernikecoefficientswithoutandwithcorrection6结论本文采用掩模光刻法制备了 91 像素驱动电极，然后将其封装成液晶盒并与驱动电路连接从而制备成液晶波前校正器。经过测试，该液晶波前校正器 91 路像素均有响应，且响应时间为224 毫秒，相位调制量为 5.5 个波长。利用 Zygo干涉仪进行波前测量，并根据灰度级与相位的关系，分别给液晶波前校正器施加不同灰度值，测量结果显示液晶波前校正器能够产生球形波面，正负离焦量分别为 0.63 和 0.35。最后，进行水平方向的倾斜像差校正，校正后，倾斜波前的 PV值从2.23 降至0.68，RMS 值从0.71 降至0.18。综上所述，经过掩模光刻制备的液晶波前校正器能够实现像差的有效校正。这种制备方式使得液晶波前校正器能够根据特定需求进行个性化定制，从而满足不同领域的研究需求。此外，这种制备方式的低成本特性也解决了传统 TFT 和 LCOS 工艺成本高的问题，进一步促进了液晶波前校正器的广泛应用。参考文献：SHAHS,SUBRAMANIANS,ANUPAMAGC,et al.TowardsthedevelopmentoftheInfraredGuideStarCataloguefortheadaptiveopticsobservationsbytheThirtyMeterTelescopeJ.Proceedings of SPIE,2022,12185:1218506.1WALSHSM,KARPATHAKISSFE,MCCANNAS,et al.Demonstrationof100Gbpscoherentfree-spaceopticalcommunicationsatLEOtrackingratesJ.Scientific Reports,2022,12（1）:18345.2KWONY,HONGJH,KANGS,et al.Computationalconjugateadaptiveopticsmicroscopyforlongitudinalthrough-skullimagingofcorticalmyelinJ.Nature Communications,2023,14（1）:105.3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331BURNSSA,ELSNERAE,SAPOZNIKKA,et al.AdaptiveopticsimagingofthehumanretinaJ.Progress inRetinal and Eye 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