一種電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片的製作方法

2023-09-19 11:38:15

一種電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，包括：第一驅控信號輸入埠、第二驅控信號輸入埠、以及菲涅耳液晶聚束微透鏡，菲涅耳紅外聚束微透鏡有m級衍射相位環，菲涅耳液晶聚束微透鏡採用液晶夾層結構，且上下層之間順次設置有紅外增透膜系、第一基片、頂面圖案化電極、第一電隔離層、第一液晶定向層、液晶層、第二液晶定向層、第二電隔離層、頂層圖案化電極、電極間電絕緣層、公共電極、以及第二基片，頂面圖案化電極和公共電極分別製作在第一基片和第二基片上。本實用新型具有聚束效能高、聚束光斑的軸向位形、點擴散函數及波前等可電控調變、易與常規紅外光學光電機械結構耦合、環境適應性好等特點。
【專利說明】一種電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片

【技術領域】
[0001]本實用新型屬於紅外光波精密測量與控制【技術領域】，更具體地，涉及一種電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片。

【背景技術】
[0002]透鏡是用於變換光束傳輸形態如典型的匯聚光或發散光等的基礎光學元件，是構成光學系統的基本結構單元。典型的折射透鏡基於光線在界面處的彎折效應來改變光束傳播方向及其空間分布形態，體積質量相對較大，在特定材質和形貌輪廓約束下呈現固定的光束變換效能。典型的衍射透鏡則基於分布在平坦或彎曲表面上的浮雕相位圖案改變傳輸光波相位，執行基于波前變換的波束形貌及其能流輸運形態的變動操作，同樣呈現較大的結構尺寸和質量，基於所設定的相位結構產生相對有限的相位延遲或波前改變。近些年來，常規的折射、衍射透鏡以及基於透鏡的波束變換和成像光學架構，正向著小型化甚至晶片化方向發展。使折射透鏡具備球面或非球面輪廓的可調變能力，使衍射透鏡具備可調相反射或透射能力，以及可自適應校調色差和像差等需求，推動著透鏡以及光學系統技術的持續快速發展。
[0003]目前，實現如典型的變焦以及調變波前等波束變換功能，通常基於透鏡間的機械平動或轉動方式進行，其缺陷主要表現在以下方面:(一)光學系統由多個特定形貌結構的透鏡構成，通過改變透鏡位形來調變光束波前和能流輸運形態；(二)光學系統基於具有特定表面浮雕相位圖案的衍射透鏡構建，同樣基於透鏡間的位形變化來調變波前；(三)通過在常規光學系統中配置可移動的特定圖案形態衍射相位結構來調控波前以及減小像差與色差；(四)所依賴的機械式移動存在慣性大，響應慢，機械運動的本徵連續性所約束的不能執行光學狀態的任意切入與跳變，功耗大，輔助驅控裝置相對複雜；(五)由於體積、質量和工作模式等原因，難以靈活接入小微型化光路中或與其他微納光學光電機械結構耦合；(六)無法用於較為複雜或特殊形態的波束構建與波前動態調變等。通過電溼或其他方式調變光學功能結構的輪廓形貌實現折射效能變動的透鏡方案，同樣存在功耗大，響應慢，輪廓形貌變動需連續進行且極為有限等缺陷。進入新世紀以來，研發可快速調變波束形貌和能量輸運形態的晶片化控光技術，已成為發展先進光學精密測量與控制技術的一個重要方向和熱點。
[0004]近些年來，基於電控液晶微光學結構進行波束變換這一技術已取得顯著進展，為發展超薄、多功能、光學性能可動態調變、易於耦合甚至集成的透鏡技術提供了一條新途徑。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，光束的匯聚、發散或特徵相位變換等，可在任意波束狀態下展開、凝固或調變；(二)電控液晶微結構的光束變換作用受先驗知識或光束處理結果的約束、幹預或引導，具有智能化特徵；(三)基於耦合、層疊或套疊式的微納圖案化電極，可開展時序或空變模式下的電控光束變換、波前構建與調變；(四)執行控光操作的微米級厚度電控液晶材料其時間響應常數目前已達到亞毫秒級，實驗室級的已快至微秒級，可滿足常規動態控光需求。基於上述情況，如何通過小微型化的電控液晶控光結構來構建晶片化透鏡，實現傳輸光波其波束形貌和能流輸運形態的電控構建與調變，已成為透鏡和光學系統技術繼續發展所面臨的一個核心性問題，迫切需要新的突破。
實用新型內容
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，其目的在於，實現基於同心圓環式放射狀衍射相位結構變換紅外入射波束，晶片光軸方向上的光矢量同相化振動聚束，以及焦長、點擴散函數和波前等的電控調變與精細調節，並具有結構輕薄平坦、易與其它紅外光學光電機械結構耦合、環境適應性好的優點。
[0006]為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，包括:第一驅控信號輸入埠、第二驅控信號輸入埠、以及菲涅耳液晶聚束微透鏡，菲涅耳紅外聚束微透鏡有III級衍射相位環，III為1大於的整數，菲涅耳液晶聚束微透鏡採用液晶夾層結構，且上下層之間順次設置有紅外增透膜系、第一基片、頂面圖案化電極、第一電隔離層、第一液晶定向層、液晶層、第二液晶定向層、第二電隔離層、頂層圖案化電極、電極間電絕緣層、公共電極、以及第二基片，頂面圖案化電極和公共電極分別製作在第一基片和第二基片上，頂面圖案化電極和頂層圖案化電極均有III級圓環形衍射相位環，從頂面圖案化電極和頂層圖案化電極上分別延伸出一根電極引線，並接入第一驅控信號輸入埠和第二驅控信號輸入埠的一端，從公共電極上分別延伸出兩根電極引線，並接入第一驅控信號輸入埠和第二驅控信號輸入埠的另一端，第一驅控信號輸入埠和第二驅控信號輸入埠分別為頂面圖案化電極和公共電極構成的電極對、以及頂層圖案化電極和公共電極構成的電極對加載第一電壓驅控信號V和第二電壓驅控信號V。
[0007]優選地，紅外光波進入菲涅耳液晶聚束微透鏡後，在所加載的雙路電壓驅控信號激勵下形成的多級次菲涅耳衍射相位環作用下，被離散調節成多級次的具有X相差的衍射光束，並在光軸方向上形成同相光振動，經進一步合成構成具有高光束匯集度的銳化焦斑。
[0008]優選地，所述晶片還包括晶片殼體，菲涅耳液晶聚束微透鏡位於晶片殼體內並與其固連，菲涅耳紅外聚束微透鏡的光入射面和光出射面通過晶片殼體的頂面和底面開窗裸露出來，第一驅控信號輸入埠和第二驅控信號輸入埠設置在晶片殼體上，並通過晶片殼體的側面開孔裸露在外。
[0009]優選地，第一液晶定向層和第二液晶定向層均由聚醯亞胺製成。
[0010]優選地，第一電隔離層和第二電隔離層均由亞微米級厚度的3102製成。
[0011〕 優選地，第一基片和第二基片具有相同材質。
[0012]優選地，在第一基片的光入射面和第二基片的光出射面上均制有相同材質的紅外增透膜系。
[0013]總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0014]1、通過雙路電信號驅控形成菲涅耳聚束微透鏡:通過在相互套疊的兩個電極對上獨立加載雙路電壓信號，在液晶材料中激勵起具有菲涅耳型折射輪廓特徵的折射率空間分布形態，實現紅外入射波束的高能量利用率電控銳化聚束與調變。
[0015]2、匹配雙路電壓信號調變聚束參數:通過靈活配置和調節雙路電壓信號，對紅外光波在晶片光軸方向上的聚束形態進行電控構建，以及精細調變焦長、點擴散函數和波前坐寸ο
[0016]3、智能化:通過匹配及調變雙路電壓信號所實施的紅外光場聚束操作，可在先驗知識或波束處理效能的約束、幹預或引導下展開，具有智能化特徵。
[0017]4、控制方式靈活精度高:由於採用雙路電壓信號驅控體制，通過靈活配置和調節雙路電壓信號，可對紅外波束進行精細聚束操作，具有控制方式靈活多樣以及控制精度高的優點。
[0018]5、使用方便:本實用新型的控光晶片具有雙平面端面，其主體為基於2 π相差調節的多級次圓環形電控液晶衍射相位的菲涅耳液晶聚束微透鏡，在紅外光路中配置方便，易與其他紅外光學機械結構等匹配耦合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片的結構示意圖；
[0020]圖2是本實用新型菲涅耳液晶聚束微透鏡的結構示意圖；
[0021]圖3是本實用新型電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片的光束變換示意圖。
[0022]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:
[0023]1-第一驅控信號輸入埠，2-第二驅控信號輸入埠，3-菲涅耳液晶聚束微透鏡，4-晶片殼體。

【具體實施方式】
[0024]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型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實用新型，並不用於限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型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，本實用新型的電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片包括:第一驅控信號輸入埠 1、第二驅控信號輸入埠 2、由基於多級次2π相差調節的電控液晶衍射相位環構成的菲涅耳液晶聚束微透鏡3、以及晶片殼體4。
[0026]菲涅耳液晶聚束微透鏡3位於晶片殼體4內並與其固連。
[0027]菲涅耳紅外聚束微透鏡3的光入射面和光出射面通過晶片殼體4的頂面和底面開窗裸露出來。
[0028]第一驅控信號輸入埠 I和第二驅控信號輸入埠 2設置在晶片殼體4上，並通過晶片殼體4的側面開孔裸露在外。
[0029]菲涅耳紅外聚束微透鏡3有m級衍射相位環，m為大於I的整數。菲涅耳紅外聚束微透鏡3的頂面圖案化電極中的各圓環電極圖案、以及頂層圖案化電極中的各圓環電極圖案均被同步加電。
[0030]紅外光波進入菲涅耳液晶聚束微透鏡後，在所加載的雙路電壓驅控信號激勵下形成的多級次菲涅耳衍射相位環作用下，被離散調節成多級次的具有2 π相差的衍射光束，並在光軸方向上形成同相光振動，經進一步合成構成具有高光束匯集度的銳化焦斑。靈活配置及調節所獨立加載的雙路電壓驅控信號，可對聚束焦斑的焦長、形態、能態和波前等進行精細調節。
[0031]如圖2所示，本實用新型的菲涅耳液晶聚束微透鏡採用液晶夾層結構，且上下層之間順次設置有紅外增透膜系、第一基片、頂面圖案化電極、第一電隔離層、第一液晶定向層、液晶層、第二液晶定向層、第二電隔離層、頂層圖案化電極、電極間電絕緣層、公共電極、
以及第二基片。
[0032]頂面圖案化電極和公共電極分別製作在第一基片和第二基片上。
[0033]第一基片和第二基片具有相同材質。
[0034]第一和第二液晶定向層均由聚醯亞胺製成，但應理解定向層材料並不局限於此，也可以是其它可形成納米級深度和寬度的溝道材料。
[0035]第一和第二電隔離層均由亞微米級厚度的S12製成，但應理解電隔離層材料並不局限於此，也可以是其它可形成電絕緣的材料。
[0036]在第一基片的光入射面和第二基片的光出射面上均制有相同材質的紅外增透膜系O
[0037]頂面圖案化電極和頂層圖案化電極均有m級圓環形衍射相位環。
[0038]從頂面圖案化電極和頂層圖案化電極上分別延伸出一根電極引線，並接入第一驅控信號輸入埠 I和第二驅控信號輸入埠 2的一端,從公共電極上分別延伸出兩根電極引線，並接入第一驅控信號輸入埠 I和第二驅控信號輸入埠 2的另一端。
[0039]第一驅控信號輸入埠 I和第二驅控信號輸入埠 2分別為頂面圖案化電極和公共電極構成的電極對、以及頂層圖案化電極和公共電極構成的電極對加載第一電壓驅控信號V1和第二電壓驅控信號v2。
[0040]如圖3所示，本實用新型的電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片通過匹配和調節加載在菲涅耳液晶聚束微透鏡的雙路電壓信號，控制和調節紅外聚束波束的銳化程度、焦長、焦深和波前，該操作等效於調變與其具有類似光聚束效能的常規菲涅耳折射微透鏡的冠高以及光滑鋸齒形相結構表面的彎折程度，如圖示的用虛線標註的等效常規凸折射輪廓。所得到的紅外出射聚束波束可通過雙路電壓信號其頻率或幅度的調變操作，被凝固在特定形態或調變到預定形態。
[0041]為使本領域技術人員更好地理解本實用新型，下面結合圖1至圖3說明本實用新型的電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片的工作原理。
[0042]電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片被置於測試光路中，或被置於由主鏡構成的紅外光學系統的焦面處也可弱離焦配置。
[0043]將雙路驅控信號線接入第一驅控信號輸入埠和第二驅控信號輸入埠，將電壓信號輸入和加載在菲涅耳液晶聚束微透鏡上。
[0044]紅外光束進入晶片中的菲涅耳液晶聚束微透鏡後，與受控電場激勵下構建的具有特定折射率空間分布形態的液晶分子相互作用而呈高度聚束態，在晶片光軸方向上形成銳化焦斑。所形成的折射率空間分布形態，可用常規的多級次光滑鋸齒狀輪廓的菲涅耳折射微透鏡等效。通過靈活匹配及調節加載在微透鏡兩個套疊式電極上的雙路獨立電壓信號，可對軸向聚束光斑的位置、形態、能態及波前等，進行電控構建與精細調變。
[0045] 本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，包括:第一驅控信號輸入埠、第二驅控信號輸入埠、以及菲涅耳液晶聚束微透鏡，其特徵在於， 菲涅耳紅外聚束微透鏡有m級衍射相位環，m為I大於的整數； 菲涅耳液晶聚束微透鏡採用液晶夾層結構，且上下層之間順次設置有紅外增透膜系、第一基片、頂面圖案化電極、第一電隔離層、第一液晶定向層、液晶層、第二液晶定向層、第二電隔離層、頂層圖案化電極、電極間電絕緣層、公共電極、以及第二基片； 頂面圖案化電極和公共電極分別製作在第一基片和第二基片上； 頂面圖案化電極和頂層圖案化電極均有m級圓環形衍射相位環； 從頂面圖案化電極和頂層圖案化電極上分別延伸出一根電極引線，並接入第一驅控信號輸入埠和第二驅控信號輸入埠的一端，從公共電極上分別延伸出兩根電極引線，並接入第一驅控信號輸入埠和第二驅控信號輸入埠的另一端； 第一驅控信號輸入埠和第二驅控信號輸入埠分別為頂面圖案化電極和公共電極構成的電極對、以及頂層圖案化電極和公共電極構成的電極對加載第一電壓驅控信號V1和第二電壓驅控信號V2。
2.根據權利要求1所述的電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，其特徵在於，紅外光波進入菲涅耳液晶聚束微透鏡後，在所加載的雙路電壓驅控信號激勵下形成的多級次菲涅耳衍射相位環作用下，被離散調節成多級次的具有η相差的衍射光束，並在光軸方向上形成同相光振動，經進一步合成構成具有高光束匯集度的銳化焦斑。
3.根據權利要求1所述的電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，其特徵在於， 所述晶片還包括晶片殼體； 菲涅耳液晶聚束微透鏡位於晶片殼體內並與其固連； 菲涅耳紅外聚束微透鏡的光入射面和光出射面通過晶片殼體的頂面和底面開窗裸露出來； 第一驅控信號輸入埠和第二驅控信號輸入埠設置在晶片殼體上，並通過晶片殼體的側面開孔裸露在外。
4.根據權利要求1所述的電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，其特徵在於，第一液晶定向層和第二液晶定向層均由聚醯亞胺製成。
5.根據權利要求1所述的電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，其特徵在於，第一電隔離層和第二電隔離層均由亞微米級厚度的S12製成。
6.根據權利要求1所述的電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，其特徵在於，第一基片和第~■基片具有相同材質。
7.根據權利要求1所述的電控液晶菲涅耳紅外聚束微透鏡晶片，其特徵在於，在第一基片的光入射面和第二基片的光出射面上均制有相同材質的紅外增透膜系。
【文檔編號】G02F1/1337GK204129388SQ201420621402
【公開日】2015年1月28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