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】本實(shí)用新型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(shè)置在液晶材料層上表面的第一液晶初始取向?qū)?、圖形化電極層、第一基片和第一增透膜，以及依次設(shè)置在液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)印⒐搽姌O層、第二基片和第二增透膜；公共電極層由一層勻質(zhì)導(dǎo)電膜構(gòu)成；圖形化電極層由m×n元陣列分布的子電極構(gòu)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(dǎo)電膜構(gòu)成，單個子電極內(nèi)的各條狀導(dǎo)電膜互不接觸。本實(shí)用新型能實(shí)現(xiàn)波前的受控調(diào)變、凝固、檢錄、搜索或跟蹤以及復(fù)雜波前的構(gòu)建，易與其它光學(xué)光電結(jié)構(gòu)以及電子和機(jī)械裝置耦合，環(huán)境適應(yīng)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)精密測量與控制【技術(shù)領(lǐng)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(jìn)行電控調(diào)節(jié)的波前控制芯片。

【背景技術(shù)】
[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(guān)鍵物理要素之一?；镜娜鐓R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(dǎo)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(fù)雜光波均可由基于上述球面、柱面或平面波前進(jìn)行局域化分割而成的子波前擬合來表征。擬合波前與真實(shí)波前間的形態(tài)差異，取決于子波前的分割方式、分割細(xì)膩程度以及擬合規(guī)則。在不改變子出射波前形態(tài)、結(jié)構(gòu)和擬合規(guī)則這一前提下，通過調(diào)變子波前的傾斜程度，將構(gòu)造出基于子波前擬合的新出射波前，實(shí)現(xiàn)基于波前控制的光束管控。
[0003]目前已廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)得到波前形態(tài)相對固定的波束；(三)通過相位型1213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(diào)變諧振腔體的特征尺寸或局域結(jié)構(gòu)，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(gòu)造波前形態(tài)相對有限的出射光束。進(jìn)入新世紀(jì)以來，發(fā)展小微型化的光學(xué)波前控制技術(shù)，具備基于光波相位的靈活和快捷調(diào)控來構(gòu)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(jié)構(gòu)，已成為發(fā)展先進(jìn)光學(xué)精密測量與控制技術(shù)的一個重要分支，受到廣泛關(guān)注和重視。
[0004]現(xiàn)有波前控制技術(shù)的缺陷主要表現(xiàn)在以下方面:(一)形狀固定的透鏡或透鏡組僅能構(gòu)建有限尺寸和形態(tài)的球面或非球面波前，無法進(jìn)行基于局域波前選擇和控制的調(diào)變操作；(二)1218相控器因基于調(diào)變離散化的子平面波前其傾斜或相位延遲程度，僅能構(gòu)建有限形態(tài)的出射波前；(三)衍射相位結(jié)構(gòu)基于對子波前進(jìn)行有限程度的相位調(diào)整，所能出射的波前形態(tài)相對固定；(四)基于多波束干涉構(gòu)建的復(fù)雜波前同樣無法進(jìn)行波前的局域控制和調(diào)變；(五)體積和質(zhì)量大，操作相對復(fù)雜，難以靈活接入光路中或與其他光學(xué)光電結(jié)構(gòu)耦合；(六)無法用于波前形態(tài)復(fù)雜的高速載荷或目標(biāo)，難以執(zhí)行局域視場的受控波前測調(diào)，難以對視場中的局域性波前執(zhí)行凝固或調(diào)變操作，難以對局域視場進(jìn)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(jìn)行波束變換技術(shù)已取得顯著進(jìn)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(jié)構(gòu)上施加電驅(qū)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(diào)變；(二)液晶微透鏡的光束變換作用受先驗(yàn)知識或波束處理結(jié)果的約束、干預(yù)或引導(dǎo)，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(jìn)行精細(xì)調(diào)控、變換以及基于小微型化手段構(gòu)建復(fù)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(shù)實(shí)現(xiàn)波前的受控調(diào)變和復(fù)雜波前構(gòu)建，已成為光學(xué)精密測量與控制技術(shù)繼續(xù)發(fā)展所面對的難點(diǎn)問題，迫切需要新的突破。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型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(shí)現(xiàn)波前的受控調(diào)變、凝固、檢錄、搜索或跟蹤以及復(fù)雜波前的構(gòu)建，易與其它光學(xué)光電結(jié)構(gòu)以及電子和機(jī)械裝置稱合，環(huán)境適應(yīng)性好。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型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(shè)置在所述液晶材料層上表面的第一液晶初始取向?qū)?、圖形化電極層、第一基片和第一增透膜，以及依次設(shè)置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)印⒐搽姌O層、第二基片和第二增透膜；所述公共電極層由一層勻質(zhì)導(dǎo)電膜構(gòu)成；所述圖形化電極層由mXn元陣列分布的子電極構(gòu)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(dǎo)電膜構(gòu)成，單個子電極內(nèi)的各條狀導(dǎo)電膜互不接觸，各子電極互不接觸，其中，m、n均為大于I的整數(shù)；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(yīng)，每個子電極均位于對應(yīng)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，單個子電極的四個條狀導(dǎo)電膜圍繞的圓周面積與對應(yīng)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(shù)，所述電極開孔系數(shù)為4%?16%。
[0009]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(nèi)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(cè)面設(shè)置有多個驅(qū)控信號輸入端口。
[0010]總體而言，通過本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0011]1、波前快速調(diào)變與凝固。本實(shí)用新型基于獨(dú)立或協(xié)同加電驅(qū)控的面陣電控液晶平面微透鏡，實(shí)現(xiàn)入射光束的波前分割、調(diào)變與耦合出射，具有將出射波前凝固在特定形態(tài)或調(diào)變到預(yù)定形態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。
[0012]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(dǎo)電膜執(zhí)行獨(dú)立的加電操作，可對光束執(zhí)行局域波前凝固或調(diào)變操作，具有波前電控調(diào)節(jié)方式靈活的特點(diǎn)。
[0013]3、智能化。通過調(diào)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(yàn)知識或波前測量處理結(jié)果的約束、干預(yù)或引導(dǎo)下展開，具有智能化特征。
[0014]4、控制精度高。由于采用可精密進(jìn)行電調(diào)焦電擺焦操作的面陣液晶平面微透鏡，具有極高的結(jié)構(gòu)、電學(xué)及電光參數(shù)的穩(wěn)定性和控制精度，具有波前控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0015]5、使用方便。本實(shí)用新型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(nèi)的面陣電控液晶平面微透鏡構(gòu)成，接插方便，易與常規(guī)光學(xué)光電機(jī)械結(jié)構(gòu)等匹配耦合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于電控平面液晶微透鏡的波前控制芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是面陣電控液晶平面微透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是圖形化電極層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是本實(shí)用新型實(shí)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不意圖；
[0020]圖5是單元電控液晶平面微透鏡的加電操作示意圖；
[0021]圖6是本實(shí)用新型實(shí)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；
[0022]圖7是本實(shí)用新型一個實(shí)施例的透射波前測試圖。
[0023]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1-第一驅(qū)控信號輸入端口，2-第二驅(qū)控信號輸入端口，3-第三驅(qū)控信號輸入端口，4-第四驅(qū)控信號輸入端口，5-第五驅(qū)控信號輸入端口，6-第六驅(qū)控信號輸入端口，7-第七驅(qū)控信號輸入端口，8-第八驅(qū)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(shí)施方式】
[0024]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025]如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)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(nèi)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(cè)面設(shè)置有第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 I至8，其中，每個側(cè)面設(shè)置兩個驅(qū)控信號輸入端口。
[0026]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(shè)置在液晶材料層上表面的第一液晶初始取向?qū)?、圖形化電極層、第一基片和第一增透膜，以及依次設(shè)置在液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)印⒐搽姌O層、第二基片和第二增透膜。公共電極層由一層勻質(zhì)導(dǎo)電膜構(gòu)成。如圖3所示，圖形化電極層由mXn元陣列分布的子電極構(gòu)成(m、η均為大于I的整數(shù))，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(dǎo)電膜構(gòu)成，單個子電極內(nèi)的各條狀導(dǎo)電膜互不接觸，各子電極互不接觸。
[0027]優(yōu)選地，圖形化電極層和公共電極層材料為氧化銦錫(ITO)，其厚度在幾十至幾百納米范圍內(nèi)。第一和第二液晶初始取向?qū)佑删哂休^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(xué)材質(zhì)。
[0028]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(yīng)，每個子電極均位于對應(yīng)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(dǎo)電膜圍繞的圓周面積與對應(yīng)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(shù)，其典型值在4%至16% 間。
[0029]利用本實(shí)用新型實(shí)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(jìn)行電控調(diào)節(jié)以及執(zhí)行復(fù)雜波前構(gòu)建的原理如下。
[0030]在強(qiáng)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(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的焦面處或進(jìn)行弱離焦配置，執(zhí)行波前調(diào)變與復(fù)雜波前構(gòu)建操作，如圖4所示。
[0031]如圖5所示，單元電控液晶平面微透鏡的四個條狀導(dǎo)電膜被驅(qū)控電壓信號V” \、%和^獨(dú)立加電驅(qū)控，單元電控液晶平面微透鏡間的加電操作相互獨(dú)立和/或協(xié)同進(jìn)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(nèi)的單元電控液晶平面微透鏡的加電操作協(xié)同進(jìn)行，即同一區(qū)域內(nèi)，各單元電控液晶平面微透鏡內(nèi)相同位置的條狀導(dǎo)電膜通過一個驅(qū)控電壓信號加電驅(qū)控；不同區(qū)域內(nèi)的單元電控液晶平面微透鏡的加電操作相互獨(dú)立。具體地，在同一區(qū)域內(nèi)，各單元電控液晶平面微透鏡內(nèi)相同位置的條狀導(dǎo)電膜通過導(dǎo)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(qū)控信號輸入端口。每個驅(qū)控信號輸入端口內(nèi)的公共電極層引線與條狀導(dǎo)電膜引線組成控制線對，通過第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 1至8執(zhí)行上述加電操作。
[0032]液晶材料層中，靠近液晶初始取向?qū)拥囊壕Х肿颖痪哂衅叫袦喜廴∠虻囊壕С跏既∠驅(qū)永喂体^定，液晶材料層中部的液晶分子在空間電場的驅(qū)動下，形成對入射光波前執(zhí)行調(diào)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(jìn)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(dú)立調(diào)節(jié)加載在單元電控液晶平面微透鏡的四個條狀導(dǎo)電膜上的驅(qū)控電壓信號的頻率或均方幅度，調(diào)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。
[0033]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(diào)變等。得到的出射光波前可被凝固在特定形態(tài)或調(diào)變到預(yù)定形態(tài)，典型的出射波前如圖7所示。
[0034]此外，針對目標(biāo)或環(huán)境光場擾動以及芯片振動引入的波前波動，通過調(diào)變加載在芯片上的多路驅(qū)控電壓信號調(diào)節(jié)波前，使芯片具備抗光場擾動及振動的能力。針對強(qiáng)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(diào)焦功能調(diào)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(diào)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(zhuǎn)、檢錄、搜索或跟蹤等操作。
[0035]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)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(shè)置在所述液晶材料層上表面的第一液晶初始取向?qū)?、圖形化電極層、第一基片和第一增透膜，以及依次設(shè)置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)?、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(zhì)導(dǎo)電膜構(gòu)成；所述圖形化電極層由mXn元陣列分布的子電極構(gòu)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(dǎo)電膜構(gòu)成，單個子電極內(nèi)的各條狀導(dǎo)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(shù)； 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(yīng)，每個子電極均位于對應(yīng)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(quán)利要求1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(dǎo)電膜圍繞的圓周面積與對應(yīng)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(shù)，所述電極開孔系數(shù)為4%?16%。
3.如權(quán)利要求1或2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(nèi)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(cè)面設(shè)置有多個驅(qū)控信號輸入端口。
【文檔編號】G02F1/1343GK204129391SQ201420621628
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)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(xué)