一種基于電控液晶平面微透鏡的波前控制芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電控液晶平面微透鏡的波前控制芯片。芯片包括面陣電控液晶平面微透鏡，其包括液晶材料層，依次設置在液晶材料層上表面的第一液晶初始取向層、圖形化電極層、第一基片和第一增透膜，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、公共電極層、第二基片和第二增透膜；公共電極層由一層勻質導電膜構成；圖形化電極層由m×n元陣列分布的子電極構成，每個子電極均由繞圓周呈十字叉型均勻分布的四個條狀導電膜構成，單個子電極內的各條狀導電膜互不接觸。本發(fā)明能實現波前的受控調變、凝固、檢錄、搜索或跟蹤以及復雜波前的構建，易與其它光學光電結構以及電子和機械裝置耦合，環(huán)境適應性好。
【專利說明】—種基于電控液晶平面微透鏡的波前控制芯片

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光學精密測量與控制【技術領域】，更具體地，涉及一種基于面陣電控液晶平面微透鏡對入射波前進行電控調節(jié)的波前控制芯片。

【背景技術】
[0002]波前是表征光波的一個基本物理參量，是控制光束形態(tài)及其演化行為的關鍵物理要素之一。基本的如匯聚球面或柱面波前、發(fā)散球面或柱面波前或平面波前等，將引導和約束光波呈球面或柱面聚束形態(tài)、球面或柱面發(fā)散形態(tài)或平行束。一般而言，任何復雜光波均可由基于上述球面、柱面或平面波前進行局域化分割而成的子波前擬合來表征。擬合波前與真實波前間的形態(tài)差異，取決于子波前的分割方式、分割細膩程度以及擬合規(guī)則。在不改變子出射波前形態(tài)、結構和擬合規(guī)則這一前提下，通過調變子波前的傾斜程度，將構造出基于子波前擬合的新出射波前，實現基于波前控制的光束管控。
[0003]目前已廣泛應用的波前控制措施包括:(一)通過凸透鏡或凹透鏡或其組合，得到固定形態(tài)的匯聚或發(fā)散球面或非球面波前；(二)通過衍射相位結構得到波前形態(tài)相對固定的波束；(三)通過相位型MEMS或其陣列，基于子平面波前相位延遲得到具有特定波前形態(tài)的反射或透射光束；(四)通過波束耦合或干涉，得到波前形態(tài)相對有限的傳輸光場；(五)通過調變諧振腔體的特征尺寸或局域結構，出射波前形態(tài)有限的激光束；(六)基于電控液晶相移器對子平面波前的相位延遲作用，構造波前形態(tài)相對有限的出射光束。進入新世紀以來，發(fā)展小微型化的光學波前控制技術，具備基于光波相位的靈活和快捷調控來構建波束形態(tài)，發(fā)展成本相對低廉的小微型化波前控制結構，已成為發(fā)展先進光學精密測量與控制技術的一個重要分支，受到廣泛關注和重視。
[0004]現有波前控制技術的缺陷主要表現在以下方面:(一)形狀固定的透鏡或透鏡組僅能構建有限尺寸和形態(tài)的球面或非球面波前，無法進行基于局域波前選擇和控制的調變操作；(二)MEMS相控器因基于調變離散化的子平面波前其傾斜或相位延遲程度，僅能構建有限形態(tài)的出射波前；(三)衍射相位結構基于對子波前進行有限程度的相位調整，所能出射的波前形態(tài)相對固定；(四)基于多波束干涉構建的復雜波前同樣無法進行波前的局域控制和調變；(五)體積和質量大，操作相對復雜，難以靈活接入光路中或與其他光學光電結構耦合；(六)無法用于波前形態(tài)復雜的高速載荷或目標，難以執(zhí)行局域視場的受控波前測調，難以對視場中的局域性波前執(zhí)行凝固或調變操作，難以對局域視場進行快速波前檢錄、搜索或跟蹤，難以對全視場波前執(zhí)行局域化分割與處理等。
[0005]近些年來，基于電控液晶微透鏡進行波束變換技術已取得顯著進展，為解決上述問題提供了一條可行途徑。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(fā)散和相位延遲等可在任意子波前處展開、凝固或調變；(二)液晶微透鏡的光束變換作用受先驗知識或波束處理結果的約束、干預或引導，具有對波前執(zhí)行受控管控的潛力。盡管如此，尚缺乏可對波前進行精細調控、變換以及基于小微型化手段構建復雜波前的能力。目前，如何基于小微型化的電控液晶微透鏡技術實現波前的受控調變和復雜波前構建，已成為光學精密測量與控制技術繼續(xù)發(fā)展所面對的難點問題，迫切需要新的突破。


【發(fā)明內容】

[0006]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于電控液晶平面微透鏡的波前控制芯片，能實現波前的受控調變、凝固、檢錄、搜索或跟蹤以及復雜波前的構建，易與其它光學光電結構以及電子和機械裝置耦合，環(huán)境適應性好。
[0007]為實現上述目的，本發(fā)明提供了一種波前控制芯片，其特征在于，包括面陣電控液晶平面微透鏡；所述面陣電控液晶平面微透鏡包括液晶材料層，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、圖形化電極層、第一基片和第一增透膜，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、公共電極層、第二基片和第二增透膜；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mXn元陣列分布的子電極構成，每個子電極均由繞圓周呈十字叉型均勻分布的四個條狀導電膜構成，單個子電極內的各條狀導電膜互不接觸，各子電極互不接觸，其中，m、η均為大于1的整數；所述面陣電控液晶平面微透鏡被劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶平面微透鏡，所述單元電控液晶平面微透鏡與所述子電極一一對應，每個子電極均位于對應的單元電控液晶平面微透鏡的中心，形成單元電控液晶平面微透鏡的上電極，所有單元電控液晶平面微透鏡的下電極由所述公共電極層提供。
[0008]優(yōu)選地，入射光束進入所述面陣電控液晶平面微透鏡后，被各單元電控液晶平面微透鏡離散為傾角各異的子平面波前，各子平面波前與受控電場激勵下的液晶分子相互作用，形成匯聚或者傾斜或者相移程度受到控制的子出射波前，各子出射波前在波前控制芯片外耦合成新的透射波前從芯片輸出；其中，單元電控液晶平面微透鏡的四個條狀導電膜被獨立加電驅控，通過獨立調節(jié)加載在單元電控液晶平面微透鏡的四個條狀導電膜上的驅控電壓信號的頻率或均方幅度，調變各單元電控液晶平面微透鏡的子出射波束的匯聚、傾斜或相位延遲程度；單元電控液晶平面微透鏡間的加電操作相互獨立和/或協同進行；其中，加電操作協同進行是指各單元電控液晶平面微透鏡內相同位置的條狀導電膜通過一個驅控電壓信號加電驅控。
[0009]優(yōu)選地，通過調變各驅控電壓信號調節(jié)入射光束波前，能抵抗目標或環(huán)境光場擾動以及芯片振動引入的入射光波前波動。
[0010]優(yōu)選地，通過所述面陣電控液晶平面微透鏡進行電調焦調變聚束波束形態(tài)，能擴大所述芯片對入射光輻照的適用范圍。
[0011]優(yōu)選地，通過所述面陣電控液晶平面微透鏡進行電擺焦增大或縮小視場，能調變所述芯片的光場作用范圍。
[0012]優(yōu)選地，單個子電極的四個條狀導電膜圍繞的圓周面積與對應的單元電控液晶平面微透鏡的光接收面積的比值為電極開孔系數，所述電極開孔系數為4%?16%。
[0013]優(yōu)選地，所述控制芯片還包括芯片外殼；所述面陣電控液晶平面微透鏡封裝在所述芯片外殼內并與所述芯片外殼固連，其光入射面和光出射面通過所述芯片外殼的前后兩個端面上正對的開孔裸露在外；所述芯片外殼的側面設置有多個驅控信號輸入端口，用作所述公共電極層和圖形化電極層的引線出口，用于輸入加載在所述面陣電控液晶平面微透鏡上的驅控電壓信號。
[0014]總體而言，通過本發(fā)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:
[0015]1、波前快速調變與凝固。本發(fā)明基于獨立或協同加電驅控的面陣電控液晶平面微透鏡，實現入射光束的波前分割、調變與耦合出射，具有將出射波前凝固在特定形態(tài)或調變到預定形態(tài)的優(yōu)點。
[0016]2、波前控制方式靈活。通過對單元電控液晶平面微透鏡中的各條狀導電膜執(zhí)行獨立的加電操作，可對光束執(zhí)行局域波前凝固或調變操作，具有波前電控調節(jié)方式靈活的特點。
[0017]3、智能化。通過調變面陣電控液晶平面微透鏡的加電模式和電信號頻率或幅度，對波前的控制操作可在先驗知識或波前測量處理結果的約束、干預或引導下展開，具有智能化特征。
[0018]4、控制精度高。由于采用可精密進行電調焦電擺焦操作的面陣液晶平面微透鏡，具有極高的結構、電學及電光參數的穩(wěn)定性和控制精度，具有波前控制精度高的優(yōu)點。
[0019]5、使用方便。本發(fā)明的一種基于電控液晶平面微透鏡的波前控制芯片由封裝在芯片外殼內的面陣電控液晶平面微透鏡構成，接插方便，易與常規(guī)光學光電機械結構等匹配耦合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明實施例的基于電控平面液晶微透鏡的波前控制芯片的結構示意圖；
[0021]圖2是面陣電控液晶平面微透鏡的結構示意圖；
[0022]圖3是圖形化電極層的結構示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明實施例的基于電控液晶平面微透鏡的波前控制芯片在測試光路中的配置示意圖；
[0024]圖5是單元電控液晶平面微透鏡的加電操作示意圖；
[0025]圖6是本發(fā)明實施例的基于電控液晶平面微透鏡的波前控制芯片的工作原理示意圖；
[0026]圖7是本發(fā)明一個實施例的透射波前測試圖。
[0027]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-第一驅控信號輸入端口，2-第二驅控信號輸入端口，3-第三驅控信號輸入端口，4-第四驅控信號輸入端口，5-第五驅控信號輸入端口，6-第六驅控信號輸入端口，7-第七驅控信號輸入端口，8-第八驅控信號輸入端口，9-芯片外殼，10-面陣電控液晶平面微透鏡。

【具體實施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)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(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于電控液晶平面微透鏡的波前控制芯片包括芯片外殼9和面陣電控液晶平面微透鏡10。面陣電控液晶平面微透鏡10封裝在芯片外殼9內并與芯片外殼9固連，其光入射面和光出射面通過芯片外殼9的前后兩個端面上正對的開孔裸露在外。芯片外殼9的側面設置有第一至第八驅控信號輸入端口 1至8，其中，每個側面設置兩個驅控信號輸入端口。
[0030]如圖2所示，面陣電控液晶平面微透鏡10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、圖形化電極層、第一基片和第一增透膜，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、公共電極層、第二基片和第二增透膜。公共電極層由一層勻質導電膜構成。如圖3所示，圖形化電極層由mXn元陣列分布的子電極構成(m、η均為大于1的整數)，每個子電極均由繞圓周呈十字叉型均勻分布的四個條狀導電膜構成，單個子電極內的各條狀導電膜互不接觸，各子電極互不接觸。
[0031]優(yōu)選地，圖形化電極層和公共電極層材料為氧化銦錫(ΙΤ0)，其厚度在幾十至幾百納米范圍內。第一和第二液晶初始取向層由具有較高光透過率的膜材料制成，典型的如聚酰亞胺(ΡΙ)，其厚度為微米量級。第一基片和第二基片為同種光學材質。
[0032]將上述面陣電控液晶平面微透鏡10劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶平面微透鏡，單元電控液晶平面微透鏡與子電極一一對應，每個子電極均位于對應的單元電控液晶平面微透鏡的中心，形成單元電控液晶平面微透鏡的上電極，所有單元電控液晶平面微透鏡的下電極由公共電極層提供。單個子電極的四個條狀導電膜圍繞的圓周面積與對應的單元電控液晶平面微透鏡的光接收面積的比值被稱為電極開孔系數，其典型值在4%至16% 間。
[0033]利用本發(fā)明實施例的基于電控液晶平面微透鏡的波前控制芯片，對入射光波前進行電控調節(jié)以及執(zhí)行復雜波前構建的原理如下。
[0034]在強光場環(huán)境中，可將波前控制芯片直接置于測試光路中執(zhí)行波前控制操作；在弱輻射光場環(huán)境中，可將波前控制芯片置于由主鏡構成的光學系統的焦面處或進行弱離焦配置，執(zhí)行波前調變與復雜波前構建操作，如圖4所示。
[0035]如圖5所示，單元電控液晶平面微透鏡的四個條狀導電膜被驅控電壓信號Vp \、v3和v4獨立加電驅控，單元電控液晶平面微透鏡間的加電操作相互獨立和/或協同進行。例如，基于芯片橫向和縱向中心線將單元電控液晶平面微透鏡劃分在四個不同的區(qū)域，同一區(qū)域內的單元電控液晶平面微透鏡的加電操作協同進行，即同一區(qū)域內，各單元電控液晶平面微透鏡內相同位置的條狀導電膜通過一個驅控電壓信號加電驅控；不同區(qū)域內的單元電控液晶平面微透鏡的加電操作相互獨立。具體地，在同一區(qū)域內，各單元電控液晶平面微透鏡內相同位置的條狀導電膜通過導線互連并引出，四根引線每兩根一組，分別被接入與該區(qū)域相鄰的兩個驅控信號輸入端口。每個驅控信號輸入端口內的公共電極層引線與條狀導電膜引線組成控制線對，通過第一至第八驅控信號輸入端口 1至8執(zhí)行上述加電操作。
[0036]液晶材料層中，靠近液晶初始取向層的液晶分子被具有平行溝槽取向的液晶初始取向層牢固錨定，液晶材料層中部的液晶分子在空間電場的驅動下，形成對入射光波前執(zhí)行調變操作的特定折射率空間分布形態(tài)。如圖6所示，入射光束進入面陣電控液晶平面微透鏡后，被各單元電控液晶平面微透鏡離散為傾角各異的子平面波前，各子平面波前與受控電場激勵下的液晶分子相互作用，形成匯聚或者傾斜或者相移程度受到控制的子出射波前，各子出射波前在波前控制芯片外耦合成新的透射波前從芯片輸出。通過獨立調節(jié)加載在單元電控液晶平面微透鏡的四個條狀導電膜上的驅控電壓信號的頻率或均方幅度，調變各單元電控液晶平面微透鏡的子出射波束的匯聚、傾斜或相位延遲程度，如圖6所示的等效電控狀態(tài)-1和等效電控狀態(tài)_2。
[0037]通過上述加電操作，完成對入射光波前的離散式平面化分割，以及子平面入射波前的形態(tài)或姿態(tài)調變等。得到的出射光波前可被凝固在特定形態(tài)或調變到預定形態(tài)，典型的出射波前如圖7所示。
[0038]此外，針對目標或環(huán)境光場擾動以及芯片振動引入的波前波動，通過調變加載在芯片上的多路驅控電壓信號調節(jié)波前，使芯片具備抗光場擾動及振動的能力。針對強光場或弱輻射光場，通過芯片中的面陣電控液晶平面微透鏡的電調焦功能調變聚束波束形態(tài)，使芯片具備較寬的光輻照適用范圍。通過芯片中的面陣電控液晶平面微透鏡的電擺焦功能增大或縮小視場，使芯片具備可調變的光場作用范圍。通過該波前控制芯片也可以執(zhí)行局域波前的凝固、跳轉、檢錄、搜索或跟蹤等操作。
[0039]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)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(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種波前控制芯片，其特征在于，包括面陣電控液晶平面微透鏡；所述面陣電控液晶平面微透鏡包括液晶材料層，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、圖形化電極層、第一基片和第一增透膜，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、公共電極層、第二基片和第二增透膜；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mXn元陣列分布的子電極構成，每個子電極均由繞圓周呈十字叉型均勻分布的四個條狀導電膜構成，單個子電極內的各條狀導電膜互不接觸，各子電極互不接觸，其中，m、η均為大于I的整數； 所述面陣電控液晶平面微透鏡被劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶平面微透鏡，所述單元電控液晶平面微透鏡與所述子電極一一對應，每個子電極均位于對應的單元電控液晶平面微透鏡的中心，形成單元電控液晶平面微透鏡的上電極，所有單元電控液晶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所述的波前控制芯片，其特征在于，入射光束進入所述面陣電控液晶平面微透鏡后，被各單元電控液晶平面微透鏡離散為傾角各異的子平面波前，各子平面波前與受控電場激勵下的液晶分子相互作用，形成匯聚或者傾斜或者相移程度受到控制的子出射波前，各子出射波前在波前控制芯片外耦合成新的透射波前從芯片輸出； 其中，單元電控液晶平面微透鏡的四個條狀導電膜被獨立加電驅控，通過獨立調節(jié)加載在單元電控液晶平面微透鏡的四個條狀導電膜上的驅控電壓信號的頻率或均方幅度，調變各單元電控液晶平面微透鏡的子出射波束的匯聚、傾斜或相位延遲程度；單元電控液晶平面微透鏡間的加電操作相互獨立和/或協同進行；其中，加電操作協同進行是指各單元電控液晶平面微透鏡內相同位置的條狀導電膜通過一個驅控電壓信號加電驅控。
3.如權利要求2所述的波前控制芯片，其特征在于，通過調變各驅控電壓信號調節(jié)入射光束波前，能抵抗目標或環(huán)境光場擾動以及芯片振動引入的入射光波前波動。
4.如權利要求2所述的波前控制芯片，其特征在于，通過所述面陣電控液晶平面微透鏡進行電調焦調變聚束波束形態(tài)，能擴大所述芯片對入射光輻照的適用范圍。
5.如權利要求2所述的波前控制芯片，其特征在于，通過所述面陣電控液晶平面微透鏡進行電擺焦增大或縮小視場，能調變所述芯片的光場作用范圍。
6.如權利要求1至5中任一項所述的波前控制芯片，其特征在于，單個子電極的四個條狀導電膜圍繞的圓周面積與對應的單元電控液晶平面微透鏡的光接收面積的比值為電極開孔系數，所述電極開孔系數為4%?16%。
7.如權利要求1至6中任一項所述的波前控制芯片，其特征在于，所述控制芯片還包括芯片外殼；所述面陣電控液晶平面微透鏡封裝在所述芯片外殼內并與所述芯片外殼固連，其光入射面和光出射面通過所述芯片外殼的前后兩個端面上正對的開孔裸露在外；所述芯片外殼的側面設置有多個驅控信號輸入端口，用作所述公共電極層和圖形化電極層的引線出口，用于輸入加載在所述面陣電控液晶平面微透鏡上的驅控電壓信號。
【文檔編號】G02F1/29GK104298026SQ201410577290
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權日:2014年10月24日
【發(fā)明者】張新宇, 佟慶, 雷宇, 羅俊, 桑紅石, 謝長生 申請人:華中科技大學