基于電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的紅外波束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紅外發(fā)散平面微透鏡的紅外波束控制芯片。其包括電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列；電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列包括液晶材料層，依次設(shè)置在液晶材料層上表面的第一液晶初始取向?qū)印⒌谝浑姼綦x層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，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)?、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(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(gè)子電極均由圓形或方形導(dǎo)電膜構(gòu)成。本實(shí)用新型能實(shí)現(xiàn)特定形態(tài)紅外波束的電控成形與精細(xì)調(diào)變，易與其它紅外光學(xué)光電結(jié)構(gòu)、電子和機(jī)械裝置等匹配耦合，環(huán)境適應(yīng)性好。
【專利說明】基于電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的紅外波束控制芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于紅外波束精密測量與控制【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種基于電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列調(diào)變紅外波束形態(tài)的控光芯片。

【背景技術(shù)】
[0002]波束是光場在傳播過程中其能流輸運(yùn)方向的可視化表征。管控紅外波束形態(tài)，是實(shí)現(xiàn)紅外能量高效傳輸，提高紅外激光加工效率，增強(qiáng)紅外成像探測效能，提升紅外抗干擾和攻擊能力以及環(huán)境適應(yīng)性等的一個(gè)基本環(huán)節(jié)。一般而言，紅外波束形態(tài)與其在時(shí)空域中的能量輸運(yùn)行為、效能和被利用方式等因素密切相關(guān)。典型的如高斯激光束可呈現(xiàn)較好的長程傳播性和較強(qiáng)的能量輸運(yùn)效能，等幅平面波顯示均勻一致的能流分布等情形。近些年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，構(gòu)建基于可調(diào)控的光場形態(tài)來管控波束，實(shí)現(xiàn)高效光加工、光通信、光探測、光對抗或光電信息轉(zhuǎn)換等，已受到廣泛關(guān)注和重視。
[0003]目前所普遍采用的紅外波束調(diào)控措施包括:(一)通過常規(guī)折射、衍射紅外光學(xué)透鏡或系統(tǒng)整形光束，得到形態(tài)相對固定的出射波束；(二)通過衍射結(jié)構(gòu)改變波前得到空間傳輸行為相對固定的出射波場；(三)通過相位型1213結(jié)構(gòu)或其陣列，基于所分割的子平面波前其相位延遲，得到特定形態(tài)的反射或透射波束；(四)通過多波束耦合或干涉，得到波束形態(tài)有限且相對固定的傳輸光場；(五)基于電控液晶相移器對光波的延遲作用調(diào)變波前，獲得有限形態(tài)的出射波束等。進(jìn)入新世紀(jì)以來，發(fā)展小微型化的紅外波束管控技術(shù)來靈活構(gòu)建和調(diào)變波束形態(tài)，已成為發(fā)展先進(jìn)紅外光學(xué)精密測量與控制技術(shù)的一個(gè)重要方向和研發(fā)熱點(diǎn)。
[0004]現(xiàn)有的紅外波束管控方法其缺陷主要表現(xiàn)在以下方面:(一)由形狀固定的透鏡或透鏡組構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，僅能構(gòu)建形態(tài)固定的出射波束，通過透鏡間的機(jī)械移動(dòng)進(jìn)行波束調(diào)變則具有響應(yīng)慢，功耗大，需要配置相對復(fù)雜的輔助驅(qū)控裝置；(二)空間光調(diào)制器基于對離散化操作形成的子平面波前進(jìn)行傾角調(diào)變或相位延遲，通過微機(jī)械移動(dòng)方式構(gòu)建有限形態(tài)的出射波束，存在響應(yīng)時(shí)間、機(jī)械慣性和機(jī)械運(yùn)動(dòng)需滿足連續(xù)性條件等方面的限制性影響；(三)衍射相位結(jié)構(gòu)基于對所劃分的子波前進(jìn)行有限程度的相位延遲，僅能形成形態(tài)有限且不可調(diào)變的出射波場；(四)通過構(gòu)建復(fù)雜光路進(jìn)行多波束干涉整形，僅能得到有限形態(tài)的復(fù)合波場；(五)由于體積、質(zhì)量和工作模式等原因，目前主流的波束管控裝置一般難以靈活接入光路中或與其他光學(xué)光電結(jié)構(gòu)耦合，無法用于復(fù)雜或特殊形態(tài)的波束構(gòu)建與動(dòng)態(tài)調(diào)變等。
[0005]近些年來，基于可見光譜域的電控液晶微透鏡進(jìn)行波束整形和變換這一技術(shù)，已取得顯著進(jìn)展，為解決上述紅外譜域的問題提供了一條新途徑。目前已具備的主要功能包括:(一)在陣列化液晶結(jié)構(gòu)上施加電驅(qū)控信號，光束的匯聚、發(fā)散或相位延遲等可在離散形成的任意子波束處展開、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(shí)或光束處理結(jié)果的約束、干預(yù)或引導(dǎo)。目前，如何借鑒可見光譜域的小微型化電控液晶微透鏡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紅外譜域的特殊波束形態(tài)的成形并具備調(diào)變能力，已成為紅外光學(xué)精密測量與控制技術(shù)繼續(xù)發(fā)展所面臨的突出問題，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紅外發(fā)散平面微透鏡的紅外波束控制芯片，能實(shí)現(xiàn)特定形態(tài)紅外波束的電控成形與精細(xì)調(diào)變，易與其它紅外光學(xué)光電結(jié)構(gòu)、電子和機(jī)械裝置等匹配耦合，環(huán)境適應(yīng)性好。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種紅外波束控制芯片，其特征在于，包括電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列；所述電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列包括液晶材料層，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)?、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(shè)置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)?、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(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(gè)子電極均由圓形或方形導(dǎo)電膜構(gòu)成，其中，m、η均為大于I的整數(shù)；所述電控液晶紅外發(fā)散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發(fā)散平面微透鏡，所述單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡與所述子電極一一對應(yīng)，每個(gè)子電極均位于對應(yīng)的單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的中心，形成單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外發(fā)散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(gè)子電極的面積與對應(yīng)的單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的光接收面積的比值被稱為電極填充系數(shù)，所述電極填充系數(shù)為4%?16%。
[0009]優(yōu)選地，所述控制芯片還包括芯片外殼；所述電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列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(gè)端面上正對的開孔裸露在外；所述芯片外殼的側(cè)面設(shè)置有驅(qū)控信號輸入端口。
[0010]優(yōu)選地，各子電極通過導(dǎo)線相互連通并引出，形成圖形化電極層引線；公共電極層引線和圖形化電極層引線接入所述驅(qū)控信號輸入端口。
[0011]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:
[0012]1、波束的快速發(fā)散成形與調(diào)變。本實(shí)用新型基于電驅(qū)控的液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列，實(shí)現(xiàn)紅外波束的離散化分割、發(fā)散與耦合出射，具有將出射波束凝固在特定形態(tài)或調(diào)變到預(yù)定形態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。
[0013]2、波束控制方式靈活。通過在液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列其圖形化金屬電極和公共金屬電極上的快速加電，可實(shí)現(xiàn)基于陣列化微光孔有序排布的出射光場其光能分布的快速調(diào)變。
[0014]3、智能化。通過調(diào)變加載在電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列上的電壓信號頻率或幅度，對波束形態(tài)進(jìn)行的調(diào)變操作可在先驗(yàn)知識(shí)或波束處理結(jié)果的約束、干預(yù)或引導(dǎo)下展開，具有智能化特征。
[0015]4、控制精度高。由于本實(shí)用新型采用電驅(qū)控的液晶平面微透鏡，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，具有控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0016]5、使用方便。本實(shí)用新型的芯片主體為封裝在芯片外殼內(nèi)的液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列，在紅外光路中接插方便，易與常規(guī)紅外光學(xué)光電機(jī)械結(jié)構(gòu)匹配f禹合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的紅外波束控制芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是本實(shí)用新型另一個(gè)實(shí)施例的電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列的剖面示意圖；
[0021]圖5是單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的工作原理示意圖。
[0022]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_驅(qū)控信號輸入端口，2-電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列,3-芯片外殼。

【具體實(shí)施方式】
[0023]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(gè)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。
[0024]如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的基于電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的紅外波束控制芯片包括芯片外殼3和電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列2。電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列2封裝在芯片外殼3內(nèi)并與芯片外殼3固連，其光入射面和光出射面通過芯片外殼3的前后兩個(gè)端面上正對的開孔裸露在外。在芯片外殼3的側(cè)面設(shè)置有驅(qū)控信號輸入端口 I。
[0025]如圖2?4所示，電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列2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)?、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(shè)置在液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)?、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(zhì)導(dǎo)電膜構(gòu)成。如圖2和圖3所示(圖中上層結(jié)構(gòu)面積小于下層結(jié)構(gòu)，以清楚展示各層結(jié)構(gòu))，圖形化電極層由mXn元陣列分布的子電極構(gòu)成，每個(gè)子電極均由微圓形或微方形導(dǎo)電膜構(gòu)成，其中，m、η均為大于I的整數(shù)。各子電極通過導(dǎo)線相互連通并引出，形成圖形化電極層引線。公共電極層引線和圖形化電極層引線接入驅(qū)控信號輸入端口 1，用于輸入驅(qū)控和調(diào)變電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列的電信號。
[0026]優(yōu)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范圍內(nèi)。第一基片和第二基片為同種光學(xué)材質(zhì)。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制成，典型的如S12膜等，其厚度同樣在幾十至幾百納米范圍內(nèi)。電隔離層用于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?qū)舆M(jìn)入液晶材料層的通道，防止其與液晶分子的極性基團(tuán)相互中和而導(dǎo)致液晶材料失效。
[0027]將上述電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列2劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡，單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡與子電極一一對應(yīng)，每個(gè)子電極均位于對應(yīng)的單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的中心，形成單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的下電極由公共電極層提供。單個(gè)子電極的面積與對應(yīng)的單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的光接收面積的比值被稱為電極填充系數(shù)，其典型值在4%至16%間。
[0028]本實(shí)用新型實(shí)施例的基于電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的紅外波束控制芯片可以被直接置于測試光路中，也可以被置于由主鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的焦面處或進(jìn)行弱離焦配置，實(shí)現(xiàn)對紅外波束的控制。其工作原理如下。
[0029]液晶分子具有極性，極易在空間電場中受電場力驅(qū)動(dòng)改變其指向矢的空間取向，從而改變液晶材料的折射率。具有特定空間分布形態(tài)的電場會(huì)驅(qū)使液晶分子產(chǎn)生趨向于場強(qiáng)方向的指向矢變動(dòng)，從而在電場激勵(lì)下產(chǎn)生特定的折射率空間分布形態(tài)。電場強(qiáng)度及其空間分布形態(tài)的變化，將導(dǎo)致電場作用下的液晶材料其折射率空間分布形態(tài)的改變。
[0030]將液晶材料封裝在雙層電極板相向平行間隔排布構(gòu)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(lì)起特定空間分布形態(tài)的電場，驅(qū)使液晶材料呈現(xiàn)特定的折射率分布形態(tài)。分布在腔內(nèi)電極板內(nèi)表面附近的液晶分子，被在電極板內(nèi)表面上所預(yù)制的液晶分子初始取向?qū)渝^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。將一層電極板制作成周期性排布并互連的子電極陣列形態(tài)并與另一層電極板耦合，將構(gòu)成與子電極有相同陣列規(guī)模的電控液晶微功能結(jié)構(gòu)陣列。
[0031]在子電極為微圓形或微方形并與另一層平面公共電極板耦合時(shí)，通過加載電壓信號將構(gòu)成從子電極指向平面公共電極的發(fā)散狀電場，激勵(lì)液晶分子形成在子電極中心線處的折射率小，外緣處折射率大并徑向漸進(jìn)增大的分布形態(tài)，從而構(gòu)成光發(fā)散微透鏡。微圓形子電極將形成圓對稱微透鏡的微圓通光孔，微方形子電極將形成近似方形的微透鏡通光孔。微圓形或微方形子電極的結(jié)構(gòu)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，微圓通光孔的有效控光面積小于微方形通光孔的有效控光面積。其他具有復(fù)雜形貌特征的平面電極，均可由基本的微圓或微方形電極圖案復(fù)合而成。
[0032]通過驅(qū)控信號輸入端口 1內(nèi)的公共電極層引線和圖形化電極層引線，將驅(qū)控電壓信號卩加載在電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列上，各單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡被驅(qū)控電壓信號卩同步加電驅(qū)控。紅外入射波束進(jìn)入電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列后，電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列按照其單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的陣列規(guī)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(diào)節(jié)加載在各單元電控液晶紅外發(fā)散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(tài)，各子入射波束與受控電場激勵(lì)下構(gòu)建的具有特定折射率分布形態(tài)的液晶分子相互作用而呈發(fā)散態(tài)，形成具有微光環(huán)形態(tài)的子透射波束。
[0033]各子透射波束與單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡一一對應(yīng)。在正入射條件下，微光環(huán)中心落在對應(yīng)的單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的光軸上。子透射波束的發(fā)散程度(對應(yīng)微圓形或微方形光環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸、亮度及其與環(huán)內(nèi)外光場的亮度差等)隨施加在各單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡上的電壓信號頻率或幅度變化，該操作等效于調(diào)變與單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡具有類似光發(fā)散效能的常規(guī)凹折射微透鏡的表面彎折程度與下彎深度即光線發(fā)散能力，如圖5所示，電控散光態(tài)-1和電控散光態(tài)-2分別對應(yīng)等效電控態(tài)-1和等效電控態(tài)-2。陣列化的子透射波束耦合形成具有特定形態(tài)特征的紅外透射波束。
[0034]因此，通過調(diào)節(jié)驅(qū)控電壓信號V的頻率或均方幅度，調(diào)變各單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的紅外子出射波束的發(fā)散程度，從而使紅外透射波束凝固在特定形態(tài)或調(diào)變到預(yù)定形態(tài)。此外，針對目標(biāo)或環(huán)境光場擾動(dòng)以及電參數(shù)波動(dòng)，通過及時(shí)調(diào)變加載在芯片上的驅(qū)控電壓信號，對發(fā)散光場的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行校正調(diào)節(jié)，使芯片具備抗擾動(dòng)能力。芯片斷電后光發(fā)散功能消失，光束通過芯片后其形態(tài)不變。
[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】
1.一種紅外波束控制芯片，其特征在于，包括電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列；所述電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列包括液晶材料層，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)?、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(shè)置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)?、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(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(gè)子電極均由圓形或方形導(dǎo)電膜構(gòu)成，其中，m、n均為大于I的整數(shù)； 所述電控液晶紅外發(fā)散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發(fā)散平面微透鏡，所述單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡與所述子電極一一對應(yīng)，每個(gè)子電極均位于對應(yīng)的單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的中心，形成單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外發(fā)散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所述的紅外波束控制芯片，其特征在于，單個(gè)子電極的面積與對應(yīng)的單元電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡的光接收面積的比值被稱為電極填充系數(shù)，所述電極填充系數(shù)為4%?16%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的紅外波束控制芯片，其特征在于，所述控制芯片還包括芯片外殼；所述電控液晶紅外發(fā)散平面微透鏡陣列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(gè)端面上正對的開孔裸露在外；所述芯片外殼的側(cè)面設(shè)置有驅(qū)控信號輸入端口。
4.如權(quán)利要求3所述的紅外波束控制芯片，其特征在于，各子電極通過導(dǎo)線相互連通并引出，形成圖形化電極層引線；公共電極層引線和圖形化電極層引線接入所述驅(qū)控信號輸入端口。
【文檔編號】G02F1/133GK204129394SQ201420624023
【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, 雷宇, 羅俊, 佟慶, 桑紅石, 謝長生 申請人:華中科技大學(xué)