LBTEK 消色差六分区波片——技术说明

一、概述

LBTEK消色差六分区波片（Achromatic Six-segmented Waveplate）采用N-BK7玻璃基底和液晶聚合物（Liquid Crystal Polymers，LCP）材料，由3层液晶真零级六分区波片以一定角度设计组合而成。单层LCP薄膜中每个区域的液晶分子快轴取向一致，3层LCP薄膜按照设计角度各个区域对应叠加构成消色差六分区波片的整体快轴取向，通过控制每层液晶聚合物薄膜的膜层厚度及每个对应区域的相对快轴角度来控制各个区域总体的延迟量。

LBTEK消色差六分区波片常用于实现不同区域入射光偏振态的不同变化，其具有近似真零级特性，支持大入射角，对波长和温度变化敏感度较低。与真零级六分区波片相比，不限制于特定工作波长，可在某一波段范围内对不同入射区域光束实现不同的偏振态改变。因此，消色差六分区波片可应用于结构照明显微系统中，相比于传统六分区波片，其能够适配宽谱光源，使光源选择不再受限于单波长。

二、产品结构

1. 外观结构

LBTEK 消色差六分区波片基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物双折射材料，通过光控取向工艺制成，呈现为“3层辅助玻璃衬底+3层LCP功能膜层”的多层叠加结构，光学元件带有D型切边设计，方便贴合对准以及区分0°快轴区域。液晶消色差波片安装于标准SM1透镜套筒中，套筒里带有D型台阶方便安装定位，套筒表面标注了产品的型号及名称，并用2条相对刻线来标记波片0°快轴区域（刻线与D型切边平行），方便用户在光路系统中快速区分产品参数、进行元件调试及使用。

图1 LBTEK液晶消色差波片产品结构图（与消色差六分区波片结构一致）

2. 结构原理

LBTEK液晶聚合物波片是利用液晶聚合物的双折射特性制做而成，入射光经过波片后产生两束折射光（o光和e光），由于两束光的折射率不同从而产生相位差，以此来实现入射光偏振方向的变化或偏振态的改变。根据公式 δ=2πΔnd/λ ，同种材料的折射率差Δn（Δn=n_o-n_e）不变，液晶聚合物薄膜厚度d一定时，不同波长的相位延迟存在差异，这对于宽光谱范围应用场景就不适用。因此对于宽光谱、多波段的使用场景，液晶聚合物消色差波片更能满足需求。

通过已有文献可知，由同种双折射材料组成消色差波片的条件为：①组合波片个数为奇数个；②位于中间的波片在中心波长下的相位延迟为π；③以中间片为对称轴，位于两边的波片延迟量和快轴方向一致。依据这一原理，LBTEK液晶聚合物消色差波片是由三层液晶聚合物波片以固定角度贴合而成，顶层和底层液晶分子快轴方向一致，中间层液晶分子快轴偏转一定角度，通过控制每层薄膜的延迟量及中间层快轴偏转角度来实现需要波段的消色差。

图2 LBTEK消色差六分区波片单个区域结构原理图

三、偏振调制特性

消色差六分区波片相当于6个快轴方向不同的液晶消色差二分之一波片拼接而成，其作用机理与液晶消色差二分之一波片一致：当入射光的偏振方向与波片快轴夹角为θ时，经过波片出射后，线偏振光的偏振方向朝着快轴一侧偏转2θ角度。

图3 液晶消色差1/2波片偏振态调制图

图4 消色差六分区波片偏振态调制图

四、参数说明

1.外观及尺寸

基于消色差六分区波片本身特性以及客户使用的便捷性，我们对产品做了以下设计：

• 元件采用D型玻璃衬底，直径Ø25.4 mm，切边宽度0.7 mm，一是为了方便多层组合时对准，二是为了在未安装套筒时更方便的找到0°快轴区域（0°快轴区域与切边平行）；
• 标品安装有机械外壳（SM1-8A-SP透镜套筒，参数规格在SM1-8A 的基础上增加了D型台阶，方便安装），表面刻有产品型号及0°快轴区域标识线，易于辨别和使用。

2.相邻区域间隙宽度

相邻区域间隙宽度指的是六个分区之间相邻两分区的接缝宽度，三层贴合后总体接缝宽度误差在150 μm以内：

• 单片六分区相邻区域间隙误差在20 μm以内，主要是曝光时候引入；
• 三层贴合后相邻区域间隙在150 μm以内，主要为贴合时候引入，因手动贴合对准且要保证较好的平行度而导致引入较大误差。

2.入射角（AOI）

消色差六分区波片和其他液晶聚合物波片一样，其作用原理是利用双折射材料本身的双折射特性，因此膜层厚度是影响延迟量的关键因素：

• 为了保证最好的延迟量精度及使用性能，该产品一般在正入射条件下使用；
• 非正入射时，光入射的膜层厚度会发生变化，导致延迟量发生变化，经测试，入射光在±15°范围内入射，波片的延迟量误差均在允许范围内。

3.快轴精度

消色差六分区波片的主要功能结构是三层液晶聚合物薄膜，由于每层LCP薄膜的延迟量、设计快轴角度对准及各个区域对准贴合都存在些许误差，导致设计波段内不同波长的快轴也存在些许偏差：

• 经过对标品测试，在400-700 nm波段，不同波长快轴偏差在±5°；
• 为了方便在系统中进行快轴调节，推荐和我们的旋转调整架CRM-1AS/CRM-1ADS/CPRM-1A搭配使用，具体可参考相关详情页。

LBTEK 消色差六分区波片——应用案例

消色差六分区波片常应用于结构照明显微成像技术中，在调制结构光偏振态的同时，又能保证高的透过率不影响光强，且相比于真零级六分区波片不受波长限制，可采用混合光源来提高显微系统分辨率。如下图为基于数字微镜器件（DMD，Digital Micro-mirror Device）的结构照明显微镜原理图，通过DMD衍射出六束光及中心零级光，经MASK后出射两束相对衍射光，分别入射在六分区波片的两个相对区域，出射后两束光偏振态方向如图中箭头所示。利用这种偏振调制方法，光束的偏振方向可以始终平行于干涉条纹方向，且能保证干涉条纹的高对比度； 可在一定宽谱范围内保证良好的偏振调制特性，使光源选择不受限于单一波长，提高分辨率；整个偏振调制模块中，没有运用运动或电光调制模块，减少了更换硬件的时间，与传统方法相比，该方法的偏振调制成本更低，成像性能更稳定。

LBTEK消色差六分区波片——定制能力

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