基於電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外波束控制晶片的製作方法

2023-09-24 00:39:05 1

基於電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外波束控制晶片的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外波束控制晶片。其包括電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列；電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列包括液晶材料層，依次設置在液晶材料層上表面的第一液晶初始取向層、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設置在液晶材料層下表面的第二液晶初始取向層、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜；公共電極層由一層勻質導電膜構成；圖形化電極層由其上布有m×n元陣列分布的圓孔或方孔的一層勻質導電膜構成。本發明能實現微聚光點陣的電控構建與電調變，及電控勻質化遠場紅外透射波束，易與其它紅外光學光電結構、電子和機械裝置等匹配耦合，環境適應性好。
【專利說明】基於電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外波束控制晶片

【技術領域】
[0001]本發明屬於紅外波束精密測量與控制【技術領域】，更具體地，涉及一種基於陣列化的電控液晶紅外匯聚平面微透鏡，構建與調變紅外微聚光點陣光場以及電控勻質化遠場紅外波束的控光晶片。

【背景技術】
[0002]迄今為止，基於固定輪廓的折射或衍射微透鏡陣列，獲取微米尺度的勻質化紅外聚光點陣光場這一技術，已在多個領域獲得應用，如紅外高亮度微點陣基準源，紅外光敏晶片光能利用率的微透鏡聚光增強與降噪，紅外晶片光敏視場的陣列化微透鏡耦合提高，基於陣列化微米尺度匯聚亮斑有序排布的勻質紅外光刻源，紅外光波高聚集度離散排布的多重並行纖光耦合，勻質化高能態微雷射束斑陣列等。隨著相關技術的持續快速發展和應用領域的不斷擴展與延伸，構建可調變焦長以及點擴散函數的微光學控光陣列，提升遠場波束的勻質化程度，提高使用靈活性和環境適應能力，具備可調變加工效能和精度，顯著增強與其他紅外光學光電機械裝置的耦合與匹配能力，降低紅外光束變換架構的結構複雜性和成本等，已受到廣泛關注。
[0003]目前，基於固定輪廓形態的折射或衍射微透鏡陣列，獲得紅外微聚光點陣光場這一技術方式的明顯缺陷包括:(一)固定輪廓的微透鏡因其光學性能的不變性，僅能構建焦長及點擴散函數相對固定的微聚光點陣光場，無焦斑其能態和位形分布及結構尺寸的調變能力；(二)從形狀固定的陣列化微透鏡出射的遠場紅外波束其能態和形態的均勻化程度，由微透鏡的固定光束變換能力決定，不具備可調性；(三)調變陣列化微聚光斑點的亮度及點擴散函數等操作，需要通過兩組甚至多組級聯布置的陣列化微透鏡間的機械移動進行，響應慢，執行機構的體積、質量和慣性大，需配置較為繁雜的驅控裝置，因機械運動的連續性無法執行任意的光學狀態切入或快速跳變，難以靈活接入紅外光路中或與其他紅外光學光電機械結構f禹合。
[0004]近些年來，基於可見光譜域的平面端面電控液晶微透鏡進行光波的受控變換這一技術，已取得顯著進展，已具備的典型功能包括:(一)陣列化電控液晶微透鏡的光束變換可通過施加低功率的電驅控信號展開，光束的匯聚或發散操作可根據設定的電控方式依次進行、凝固或調變；(二)可通過調變電驅控信號對液晶微透鏡的光束變換操作進行約束、幹預或引導，具有智能化特徵；(三)平面端面且具有微米級液晶材料厚度的液晶微透鏡，具有可以靈活接入光路中或與其他光學光電機械結構耦合甚至集成這一特性；(四)液晶結構的驅動和調控功耗可低至微瓦級；(五)基於電場激勵所構建的液晶折射率空間分布形態，可隨電場變動進行變換。目前，通過借鑑可見光譜域的小微型化電控液晶微透鏡技術，實現紅外光波其特殊波束能態和形態的受控構建與調變，已成為紅外波束精密測量與控制技術繼續發展所需解決的瓶頸問題，迫切需要新的突破。


【發明內容】

[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基於電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外波束控制晶片，能實現微聚光點陣的電控構建與電調變，以及電控勻質化遠場紅外透射波束，控制精度高，易與其它紅外光學光電結構、電子和機械裝置等匹配耦合，環境適應性好。
[0006]為實現上述目的，本發明提供了一種紅外波束控制晶片，其特徵在於，包括電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列；所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列包括液晶材料層，依次設置在所述液晶材料層上表面的第一液晶初始取向層、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向層、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜；所述公共電極層由一層勻質導電膜構成；所述圖形化電極層由其上布有mXn元陣列分布的圓孔或方孔的一層勻質導電膜構成，其中，m、η均為大於1的整數；所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列被劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡，所述單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡與所述圓孔或方孔一一對應，每個圓孔或方孔均位於對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的中心，形成單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的下電極由所述公共電極層提供。
[0007]優選地，紅外入射波束進入所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列後，被各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡離散為陣列化的子入射波束，各子入射波束與受控電場激勵下構建的具有特定折射率分布形態的液晶分子相互作用而呈匯聚態，形成具有聚光點形態的子透射波束，從而形成聚光點陣光場從晶片輸出；其中，各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡被驅控電壓信號同步加電驅控，通過調節驅控電壓信號的頻率或均方幅度，調變各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外子出射匯聚波束的焦長和點擴散函數。
[0008]優選地，通過調變驅控電壓信號調節微聚光點陣光場的光學參數，能抵抗目標或環境光場擾動以及電參數波動。
[0009]優選地，單個圓孔或方孔的面積與對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的光接收面積的比值為電極填充係數，所述電極填充係數為5%?25%。
[0010]優選地，所述控制晶片還包括晶片外殼；所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列封裝在所述晶片外殼內並與所述晶片外殼固連，其光入射面和光出射面通過所述晶片外殼的頂面和底面開口裸露在外；所述晶片外殼的側面設置有驅控信號輸入埠。
[0011]優選地，所述公共電極層和所述圖形化電極層各通過一根導線引出；公共電極層引線和圖形化電極層引線接入所述驅控信號輸入埠，用於輸入驅控和調變所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列的驅控電壓信號。
[0012]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果:
[0013]1、微聚光點陣的電控成形與調變。本發明基於電驅控的液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列，實現紅外波束的陣列化分割與匯聚，具有微聚光點陣的電控構建與焦長及點擴散函數可電調的優點。
[0014]2、驅控靈活。通過對電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列執行受控加電操作，能夠實現基於調頻或調幅電壓信號驅控的陣列化微聚光點的快速構建與調變，具有驅控靈活的特點。
[0015]3、遠場紅外波束的電控勻質化。通過施加電壓信號激勵和調變陣列化微腔電場，使基於紅外微聚光點陣的透射光場發生形態和能態改變來勻質化遠場波束。
[0016]4、智能化。通過調變加載在電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列上的電信號頻率或幅度，可在先驗知識或波束測量結果的約束、幹預或引導下，對陣列化微聚光點其焦長和點擴散函數以及遠場光束形態進行調變。
[0017]5、控制精度高。由於採用可精密電驅控的液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列，具有極高的結構、電學以及電光參數的穩定性和控制精度，具有控制精度高的優點。
[0018]6、使用方便。本發明的紅外波束控制晶片在紅外光路中接插方便，易與常規紅外光學光電機械結構等匹配f禹合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發明實施例的基於電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外波束控制晶片的結構不意圖；
[0020]圖2是本發明一個實施例的電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列的結構示意圖；
[0021]圖3是本發明另一個實施例的電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列的結構示意圖；
[0022]圖4是電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的剖面示意圖；
[0023]圖5是單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的工作原理示意圖。
[0024]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:1_驅控信號輸入埠，2-電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列，3-晶片外殼。

【具體實施方式】
[0025]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0026]如圖1所示，本發明實施例的基於電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外波束控制晶片包括晶片外殼3和電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列2。電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列2封裝在晶片外殼3內並與晶片外殼3固連，其光入射面和光出射面通過晶片外殼3的頂面和底面開口裸露在外。在晶片外殼3的側面設置有驅控信號輸入埠 1。
[0027]如圖2?4所示，電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列2包括液晶材料層，依次設置在液晶材料層上表面的第一液晶初始取向層、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設置在液晶材料層下表面的第二液晶初始取向層、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜。公共電極層由一層勻質導電膜構成。如圖2和圖3所示(圖中上層結構面積小於下層結構，以清楚展示各層結構)，圖形化電極層由其上布有mXn兀陣列分布的微圓孔或微方孔的一層勻質導電膜構成,其中，m、η均為大於1的整數。公共電極層和圖形化電極層各通過一根導線引出，公共電極層引線和圖形化電極層引線接入驅控信號輸入埠 1，用於輸入驅控和調變電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列的電信號。
[0028]優選地，圖形化電極層和公共電極層材料為金或鋁等，其厚度在幾十至幾百納米範圍內。第一基片和第二基片為同種光學材質。第一和第二電隔離層由電絕緣且具有高紅外透過率的膜材料製成，典型的如Si02膜等，其厚度同樣在幾十至幾百納米範圍內。電隔離層用於阻斷由圖形化電極層和公共電極層材料中溢出的載流子(如電子等)通過滲過液晶初始取向層進入液晶材料層的通道，防止其與液晶分子的極性基團相互中和而導致液晶材料失效。
[0029]將上述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列2劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡，單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡與微圓孔或微方孔一一對應，每個微圓孔或微方孔均位於對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的中心，形成單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的下電極由公共電極層提供。單個微圓孔或微方孔的面積與對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的光接收面積的比值被稱為電極填充係數，其典型值在5 %至25%間。
[0030]本發明實施例的基於電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外波束控制晶片可以被直接置於測試光路中，也可以被置於由主鏡構成的光學系統的焦面處或進行弱離焦配置，實現對紅外波束的控制。其工作原理如下。
[0031]液晶材料由具有極性的長鏈大分子構成。當存在空間電場時，液晶分子受電場力驅動會改變其空間分布形態，相應地改變與液晶分子空間分布形態密切相關的液晶材料的折射率。通過構建具有特定形態的空間電場，會驅使液晶分子形成基於空間電場的特定空間分布形態，從而構建出電場激勵下的特定折射率分布形態。改變空間電場強度與形態，液晶折射率的空間分布形態將產生相應改變。
[0032]將液晶材料封裝在雙層電極板相向平行間隔排布構成的微米級深度微腔中，通過圖形化電極板在液晶材料中激勵的特定空間電場，將驅使液晶材料呈現特定的折射率分布形態。分布在腔內電極板內表面附近的液晶分子被電極板內表面上所預製的液晶分子初始取向層錨定，其分布形態將不隨加載在液晶材料中的空間電場的變化而改變。將一層電極板製作成周期性排布並互連的子電極陣並與另一層電極板耦合，將構成與子電極有相同陣列規模的電控液晶微功能結構陣列。
[0033]在微圓孔或微方孔子電極與另一層平面公共電極板耦合時，通過加載電壓信號將構成從孔指向平面公共電極的匯聚狀電場，激勵液晶分子形成在孔電極中心線處的折射率大，外緣處折射率小並徑向漸進減小這樣一種分布形態，從而構成液晶光匯聚微透鏡。微圓孔子電極將形成圓對稱微透鏡的微圓通光孔，微方孔子電極將形成近似方形的微透鏡通光孔。微圓孔或微方孔子電極的結構尺寸與填充液晶材料的微腔深度共同決定微透鏡的通光孔徑，微圓形通光孔的有效控光面積小於微方形通光孔的有效控光面積。其他具有複雜形貌特徵的平面電極，均可由基本的微圓孔或微方孔電極圖案複合而成。
[0034]通過驅控信號輸入埠 1內的公共電極層引線和圖形化電極層引線，將驅控電壓信號V加載在電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列上，各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡被驅控電壓信號V同步加電驅控。紅外入射波束進入電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列後，電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列按照其單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的陣列規模和位置，將紅外波束離散化為陣列化的子入射波束。通過調節加載在各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡上的電壓信號頻率或幅度，改變液晶材料的折射率及其空間分布形態，各子入射波束與受控電場激勵下構建的具有特定折射率分布形態的液晶分子相互作用而呈匯聚態，形成具有微聚光點形態的子透射波束。
[0035]各子透射波束與單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡一一對應。在正入射條件下，微聚光點中心落在對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的光軸上。子匯聚波束的匯聚程度(對應微圓形或微方形焦斑的亮度及焦斑尺寸)隨施加在各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡上的電壓信號頻率或幅度變化，該操作等效於調變與電控液晶紅外匯聚平面微透鏡具有類似光匯聚效能的，常規凸折射微透鏡的表面彎曲程度即光線匯聚能力，如圖5所示的等效電控態-1和等效電控態-2。微聚光點陣光場既可以被直接利用，也可以用於電控勻質化遠場紅外波束。
[0036]因此，通過調節驅控電壓信號V的頻率或均方幅度，調變各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外子出射匯聚波束的焦長和點擴散函數，從而使紅外透射波束凝固在特定形態或調變到預定形態。此外，針對目標或環境光場擾動以及電參數波動，通過及時調變加載在晶片上的驅控電壓信號，對微聚光點陣光場的光學參數進行校正調節，使晶片具備抗擾動能力。晶片斷電後光匯聚功能消失，光束通過晶片後其形態不變。
[0037]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種紅外波束控制晶片，其特徵在於，包括電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列；所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列包括液晶材料層，依次設置在所述液晶材料層上表面的第一液晶初始取向層、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向層、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜；所述公共電極層由一層勻質導電膜構成；所述圖形化電極層由其上布有mXn兀陣列分布的圓孔或方孔的一層勻質導電膜構成,其中，m、η均為大於I的整數； 所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列被劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡，所述單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡與所述圓孔或方孔一一對應，每個圓孔或方孔均位於對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的中心，形成單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的下電極由所述公共電極層提供。
2.如權利要求1所述的紅外波束控制晶片，其特徵在於，紅外入射波束進入所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列後，被各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡離散為陣列化的子入射波束，各子入射波束與受控電場激勵下構建的具有特定折射率分布形態的液晶分子相互作用而呈匯聚態，形成具有聚光點形態的子透射波束，從而形成聚光點陣光場從晶片輸出； 其中，各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡被驅控電壓信號同步加電驅控，通過調節驅控電壓信號的頻率或均方幅度，調變各單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的紅外子出射匯聚波束的焦長和點擴散函數。
3.如權利要求2所述的紅外波束控制晶片，其特徵在於，通過調變驅控電壓信號調節聚光點陣光場的光學參數，能抵抗目標或環境光場擾動以及電參數波動。
4.如權利要求1至3中任一項所述的紅外波束控制晶片，其特徵在於，單個圓孔或方孔的面積與對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微透鏡的光接收面積的比值為電極填充係數，所述電極填充係數為5%?25%。
5.如權利要求1至4中任一項所述的紅外波束控制晶片，其特徵在於，所述控制晶片還包括晶片外殼；所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列封裝在所述晶片外殼內並與所述晶片外殼固連，其光入射面和光出射面通過所述晶片外殼的頂面和底面開口裸露在外；所述晶片外殼的側面設置有驅控信號輸入埠。
6.如權利要求5所述的紅外波束控制晶片，其特徵在於，所述公共電極層和所述圖形化電極層各通過一根導線引出；公共電極層引線和圖形化電極層引線接入所述驅控信號輸入埠，用於輸入驅控和調變所述電控液晶紅外匯聚平面微透鏡陣列的驅控電壓信號。
【文檔編號】G02F1/29GK104298028SQ201410577423
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】張新宇, 雷宇, 羅俊, 佟慶, 桑紅石, 謝長生 申請人:華中科技大學