基於電控液晶紅外發散平面微柱鏡的紅外波束控制晶片的製作方法

2023-05-30 22:32:11

基於電控液晶紅外發散平面微柱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發散平面微柱鏡的紅外波束控制晶片。其包括電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列；電控液晶紅外發散平面微柱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元陣列分布的長方孔對的一層勻質導電膜構成。本發明能實現微長方光孔陣圖形化光場的電控成形與調變，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】基於電控液晶紅外發散平面微柱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，涉及一種基於電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列，電控構建可調變的由陣列化微長方光孔有序排布構成的圖形化光場的控光晶片。

【背景技術】
[0002]近些年來，基於表面浮雕輪廓的柱折射或柱衍射光發散微透鏡陣列，產生由陣列化微長方光孔有序排布構建的特定形態光場這一技術，已在多個領域獲得應用。典型的如大規模集成電路光刻工藝中的陣列化微長方光孔紅外光刻源，用於MEMS和MEOMS器件中的微長方形結構陣列製作的紅外直寫光刻源，勻質化的微長方光孔陣基準紅外輻射源，強功率雷射束基於微長方光孔分隔的圖形化構建，紅外光電晶片非光敏區域紅外入射福射的陣列化驅離、感光效能增強與信噪比提高等。隨著應用領域的延伸和技術適用程度的擴展，構建可電調陣列化微長方光孔其邊界亮度、清晰度、孔寬、提高孔內漏光的消光比等的微長方光孔陣圖形化光場這一方面的需求，持續推動著該技術的發展和創新。
[0003]目前已獲得廣泛應用的構建微長方光孔陣紅外光場的典型方式包括:(一)通過表面浮雕輪廓固定的常規凹折射透鏡，得到結構尺寸固定的微長方光孔陣光場，微長方光孔其形貌、孔寬、孔內消光比和陣列化排布形態等均被固化；(二)通過衍射相位結構基于波前調節得到遠場微長方光孔陣光場，所構建的微長方光孔其圖形規則性差、邊界模糊以及孔內消光比低，並隨衍射級次的變化顯示不同的結構尺寸；(三)通過多波束幹涉構建的微長方光孔陣光場其微孔圖案近似線形、邊界模糊且孔內消光比低，不具備微光孔結構尺寸和形態的精細調變能力；(四)通過在光學系統中設置特殊的圖形架構得到微長方光孔陣光場這一方式，受紅外光學系統更為明顯的本徵衍射限約束，在微米尺度上存在微長方光孔的邊界模糊，孔內存在較強漏光且無法調變微長方光孔結構尺寸等問題；(五)目前在精細調變所構造的陣列化微長方光孔其孔寬以及減少孔內漏光等方面，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、狀態轉換時間長且慣性大，需要配置相對複雜的輔助裝置，因機械運動的本徵連續性而無法執行任意的光學狀態切入或跳變，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耦合。進入新世紀以來，發展小微型化的可調變微長方光孔陣紅外光場技術，受到廣泛關注。
[0004]近些年來，基於可見光譜域的電控液晶微透鏡進行波束調控這一技術方式已取得顯著進展，為解決上述紅外譜域內的問題提供了一條可能途徑。目前已具備的主要功能包括:(一)在陣列化液晶結構上施加電驅控信號，光束髮散可在所設定的狀態下展開、凝固或調變；(二)液晶微透鏡的光發散作用受先驗知識或光束變換結果的約束、幹預或引導；(三)平面端面的陣列化液晶微透鏡可被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；(四)液晶結構的驅控操作可基於極低功率電壓信號進行。目前，如何借鑑可見光譜域的小微型化電控液晶微透鏡技術，實現特殊形態紅外光場的可調變構建，已成為繼續發展紅外波束精密測量與控制技術所面臨的難點和瓶頸問題，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發散平面微柱鏡的紅外波束控制晶片，能實現微長方光孔陣圖形化光場的電控成形與調變，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，包括電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列；所述電控液晶紅外發散平面微柱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元陣列分布的長方孔對的一層勻質導電膜構成，所述長方孔對由兩個並排的長方形孔構成，其中，m、n均為大於I的整數；所述電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列被劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡，所述單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡與所述長方孔對一一對應，每個長方孔對均位於對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的中心，形成單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外發散平面微柱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發散平面微柱鏡陣列後，被各單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡尚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呈發散態，形成具有長方光孔形態的子透射波束，陣列化的子透射波束耦合形成由陣列化的長方光孔有序排布構成的圖形化紅外透射波場；其中，各單元電控液晶紅外發散平面微柱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發散平面微柱鏡的紅外子出射波束的發散程度。
[0008]優選地，通過調變驅控電壓信號調節發散光場的光學參數，能抵抗目標或環境光場擾動以及電參數波動。
[0009]優選地，單個長方孔對的面積與對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的光接收面積的比值為開孔係數，所述開孔係數為25%?50%。
[0010]優選地，單個長方孔對的兩個長方形孔之間的金屬條的面積與對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的光接收面積的比值為中心電極填充係數，所述中心電極填充係數為4%?16%。
[0011]優選地，所述控制晶片還包括晶片外殼；所述電控液晶紅外發散平面微柱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前後兩個端面上正對的開孔裸露在外；所述晶片外殼的側面設置有驅控信號輸入埠。
[0012]優選地，所述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發散平面微柱鏡陣列的驅控電壓信號。
[0013]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:
[0014]1、圖形化波束的快速成形與調變。本發明基於電驅控的液晶紅外發散微柱鏡陣列，實現紅外入射波束的陣列化分割、發散與耦合出射，具有將出射波束凝固在特定形態或調變到預定形態的優點。
[0015]2、控制方式靈活。通過對電控液晶紅外發散微柱鏡陣列執行基於調頻或調幅電壓信號的快速加電操作，可實現基於陣列化微長方光孔排布的圖形化出射光場的快速構建與調變。
[0016]3、智能化。通過調節加載在電控液晶紅外發散微柱鏡陣列上的電驅控信號，對圖形化光場的構建和調變操作可在先驗知識或波束處理結果的約束、幹預或引導下展開，具有智能化特徵。
[0017]4、控制精度高。由於採用可精密電驅控的液晶微透鏡，具有極高的結構、電學及電光參數的穩定性和控制精度。
[0018]5、使用方便。本發明的晶片主體為封裝在晶片外殼內的電控液晶紅外發散微柱鏡陣列，在紅外光路中配置方便，易與常規紅外光學光電機械結構等匹配耦合。

【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發散平面微柱鏡的紅外波束控制晶片的結構不意圖；
[0020]圖2是本發明實施例的電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列的結構示意圖；
[0021]圖3是電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列的剖面示意圖；
[0022]圖4是單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的工作原理示意圖。
[0023]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-電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列,3-晶片外殼。

【具體實施方式】
[0024]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。
[0025]如圖1所示，本發明實施例的基於電控液晶紅外發散平面微柱鏡的紅外波束控制晶片包括晶片外殼3和電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列2。電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列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的前後兩個端面上正對的開孔裸露在外。晶片外殼3的側面設置有驅控信號輸入埠 I。
[0026]如圖2和圖3所示，電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列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元陣列分布的微長方孔對的一層勻質導電膜構成，微長方孔對由兩個並排的長方形孔構成，其中，m、η均為大於I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發散平面微柱鏡陣列2的電信號。
[0027]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S12膜，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。
[0028]將上述電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列2劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡，單兀電控液晶紅外發散平面微柱鏡與微長方孔對對應，每個微長方孔對均位於對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的中心，形成單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的下電極由公共電極層提供。單個微長方孔對的面積與對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的光接收面積的比值被稱為開孔係數，單個微長方孔對的兩個長方形孔之間的金屬條的面積與對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的光接收面積的比值被稱為中心電極填充係數，開孔係數的典型值在25%至50%間，中心電極填充係數的典型值在4%至16%間。單個微長方孔對的兩個長方形孔之間的金屬條的長寬比的典型值一般應在10以上。
[0029]本發明實施例的基於電控液晶紅外發散平面微柱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。
[0030]通常情況下，液晶分子對強度相對較低的空間電場呈現較為明顯的電驅控響應行為，其固有電矩在外電場驅動下呈現不同程度的擺動或扭轉。電場強度過低，將無法驅動質量相對較大的長鏈大分子液晶來產生電矩擺動。電場強度過高，液晶分子將被迅速偏擺並進入不再產生隨電場強度的變化而改變的穩定態。因此，液晶分子的電場驅動偏擺效應對外加電場而言，存在一個有效的作用範圍以及該範圍約束下的液晶分子其空間角偏擺與驅動液晶分子變動的空間電場間的對應關係。液晶分子的不同空間排布取向，對應液晶材料所呈現的不同折射率狀態。因此，具有特定空間分布形態的電場，會驅使液晶分子產生趨向於場強方向的變動，從而在電場激勵下產生特定的折射率空間分布形態。電場其強度以及空間分布形態的變化，將導致液晶材料其折射率空間分布形態的改變。
[0031 ] 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，通過圖形化雕刻的電極板，可在液晶材料中激勵起特定空間分布形態的電場，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，其指向矢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形態並與另一層公共電極板耦合，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。
[0032]在微長方孔對子電極與另一層平面公共電極耦合時，通過加載電壓信號將構成從子電極指向平面公共電極的柱形發散狀電場，激勵液晶分子形成在兩個長方形孔間的中線處的折射率小，外緣處的折射率大，並沿中線到外緣的方向漸進增大這樣一種柱形分布形態，從而構成光發散微柱鏡。微長方孔對子電極的結構尺寸與填充液晶材料的微腔深度，共同決定微柱鏡的通光孔徑。
[0033]通過驅控信號輸入埠 I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發散平面微柱鏡陣列上，各單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡被驅控電壓信號V同步加電驅控。紅外入射波束進入電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列後，電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列按照其單元電控液晶紅外發散平面微柱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發散平面微柱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呈發散態，形成具有微長方光孔形態的子透射波束，進而形成微光孔孔徑、線邊界亮度、孔清晰度以及孔內漏光消光比等隨驅控信號頻率或幅度變化的微長方光孔陣。由各單元液晶紅外發散平面微柱鏡輸出的陣列化的子透射波束耦合形成由陣列化的微長方光孔有序排布構成的圖形化紅外透射波場。
[0034]各子透射波束與單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡一一對應，在正入射條件下，微長方光孔的中心軸線與對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的中心線光軸重合。子透射波束的發散程度(對應微長方光孔的寬度、長方環的亮度、光孔清晰度和孔內消光比等)隨施加在各單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡上的電壓信號頻率或幅度變化，該操作等效於調變與單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡具有類似光發散效能的常規凹折射微柱鏡的表面彎折程度與下彎深度即光線發散能力，如圖4所示的與電控柱形散光態-1和電控柱形散光態-2粗略對應的等效電控態-1和等效電控態_2。
[0035]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發散平面微柱鏡的紅外子出射波束的發散程度，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，對發散光場的光學參數進行校正調節，使晶片具備抗擾動能力。晶片斷電後光發散功能消失，光束通過晶片後其形態不變。
[0036]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，包括電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列；所述電控液晶紅外發散平面微柱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兀陣列分布的長方孔對的一層勻質導電膜構成,所述長方孔對由兩個並排的長方形孔構成，其中，m、η均為大於I的整數； 所述電控液晶紅外發散平面微柱鏡陣列被劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡，所述單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡與所述長方孔對一一對應，每個長方孔對均位於對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的中心，形成單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外發散平面微柱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發散平面微柱鏡陣列後，被各單元電控液晶紅外發散平面微柱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呈發散態，形成具有長方光孔形態的子透射波束，陣列化的子透射波束耦合形成由陣列化的長方光孔有序排布構成的圖形化紅外透射波場； 其中，各單元電控液晶紅外發散平面微柱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發散平面微柱鏡的紅外子出射波束的發散程度。
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發散光場的光學參數，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，單個長方孔對的面積與對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的光接收面積的比值為開孔係數，所述開孔係數為25%?50%。
5.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，單個長方孔對的兩個長方形孔之間的金屬條的面積與對應的單元電控液晶紅外發散平面微柱鏡的光接收面積的比值為中心電極填充係數，所述中心電極填充係數為4%?16%。
6.如權利要求1至5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；所述電控液晶紅外發散平面微柱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前後兩個端面上正對的開孔裸露在外；所述晶片外殼的側面設置有驅控信號輸入埠。
7.如權利要求6所述的紅外波束控制晶片，其特徵在於，所述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發散平面微柱鏡陣列的驅控電壓信號。
【文檔編號】G02F1/29GK104298029SQ201410579907
【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, 佟慶, 羅俊, 桑紅石, 謝長生 申請人:華中科技大學