CN104298022A - 一种石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片 - Google Patents

一种石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列，包括阵列化控光架构、第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口，阵列化控光架构的上下层之间顺次设置有第一基片、微圆孔形图案化石墨烯电极、第一液晶定向层、第一液晶层、第二液晶定向层、石墨烯共地电极、第二基片、第三液晶定向层、第二液晶层、第四液晶定向层、微圆环孔形图案化石墨烯电极、第三基片，微圆孔形图案化石墨烯电极、石墨烯共地电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极分别固定在第一至第三基片上，微圆孔形图案化石墨烯电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极分别包括m×n个微圆孔和微圆环孔。本发明结构紧凑，光束变换效能高，易与常规光学光电机械结构耦合，环境适应性好。

Description

一种石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片
技术领域
本发明属于光学精密测量与控制技术领域，更具体地，涉及一种石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片。
背景技术
迄今为止，基于机械移动方式匹配光汇聚型和光发散型透镜的光学系统，已能够有效实现动态光波变换以及可调变构建成像探测光场等功能，其典型特征主要表现在以下方面：(一)调变光聚束参量包括焦长、点扩散函数和焦深；(二)增大或降低投射到光敏阵列如典型的CCD、CMOS或FPAs等光电传感器材光接收面上的光照度分布，提高光敏阵列的辐照适用范围、环境适应性以及辐射分辨率；(三)通过调变入射光场来有效提高焦平面上的光照均匀性以及典型光敏区域间的光辐照差异，提高图像数据的均匀性和对比度；(四)通过改变光敏元的感光视场，调变光敏阵列的信噪比、信杂比以及成像探测视场，提高抗干扰和环境适应能力；(五)耦合光束发散和汇聚功能来显著降低像差和色差等。通过持续优化和增强透镜材料的光学物性，扩展透镜轮廓面形加工精度，提高透镜间的匹配效能，增强机电驱控、协调和执行能力等措施，不断增强光学系统的动态适应性，减小体积质量功耗，提高电光和光电响应及变动效能，以及降低成本和使用复杂性。
近些年来，具有可调变能力的电子机械式光学系统的应用领域在不断扩展和延伸，通过耦合常规的光汇聚和光发散透镜进行功能化光波变换这一方式的缺陷也日渐突出，主要反映在以下方面：(一)因固定形貌轮廓的光学透镜呈现不可调变的波束变换能力，仅能通过调整透镜间距构建特定的束形貌和光能输运形态并进行调变操作；(二)通过机械运动改变透镜位形需要依照特定顺序展开，响应慢、耗时长、惯性大并需要匹配复杂驱控装置，因运动的本征连续性无法执行任意的光学状态切入或跳变；(三)难以灵活接入光路中或与其他光学光电机械装置耦合；(四)无法基于现代微电子和光电子工艺，面向如CCD、CMOS或FPAs等光敏阵列进行功能化光束变换，执行管控波前、波谱、波矢、偏振和能流等基础上的光学光电一体化成像探测架构构建，以及进行芯片化改造。
目前，基于金属电极微腔架构的电控液晶微透镜技术发展迅速，在光汇聚和光发散等模态的独立电控构建、转换与一体化等方面展示了极好的应用和发展前景，为解决上述问题提供了新思路。目前已具备的主要功能包括：(一)基于图案化电极驱控微米级厚度液晶材料，可对光波进行精细化电控汇聚或发散处理，对焦长、焦斑尺寸、焦深和视场等进行可调变操作；(二)液晶微透镜的光场构建可在任意的光学状态处电控展开或跳变；(三)可依照先验知识或光束变换特征，对微透镜的加电顺序进行约束、干预或引导；(四)轻薄和平面端面的液晶微透镜，可被灵活集成为灵巧电控光学架构插入光路中或被进一步集成进光敏阵列中。目前，如何基于石墨烯技术对液晶微透镜进行升级，利用二维纳米石墨烯材料极佳的电子学、光学、波谱学和结构学属性，发展光学性能更为优良、寿命更长、谱适应性更广、电光驱控效能更强、以及环境友好的电控液晶微透镜技术，已成为继续推动光学波束精密测量与控制技术获得持续快速发展所面临的难得机遇，迫切需要新的突破。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片，其可实现阵列化汇聚光波其焦长和焦深的电控精细延展、汇聚发散模态的电控转换、光发散程度的精细电控调变、以及透射波前其形态变动范围电控扩展等，易与其它光学光电机械结构耦合，环境适应性好。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列，包括阵列化控光架构、第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口，阵列化控光架构采用双层结构，上下层之间顺次设置有第一基片、微圆孔形图案化石墨烯电极、第一液晶定向层、第一液晶层、第二液晶定向层、石墨烯共地电极、第二基片、第三液晶定向层、第二液晶层、第四液晶定向层、微圆环孔形图案化石墨烯电极、第三基片，微圆孔形图案化石墨烯电极、石墨烯共地电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极分别固定在第一至第三基片上，微圆孔形图案化石墨烯电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极分别包括m×n个微圆孔和微圆环孔，其中m、n均为大于1的整数，且各微圆孔和各微圆环孔分别具有相同的中心线，从微圆孔形图案化石墨烯电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极上分别延伸出一根金属电极引线，并接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的一端，从石墨烯共地电极分别延伸出二根金属电极引线，并接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的另一端，第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口向微圆孔形图案化电极与石墨烯共地电极构成的液晶聚光微透镜提供第一电驱控信号，第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口向微圆环孔形图案化石墨烯电极与石墨烯共地电极构成的液晶散光微透镜提供第二电驱控信号。
优选地，液晶聚光微透镜和液晶散光微透镜具有同样的阵列规模并投影重合。
优选地，光束进入阵列化控光架构后，被离散化为子入射波束阵。各子入射波束首先与受控电场激励下形成的液晶聚光微透镜相互作用完成聚束操作，进而进入受控电场激励下形成的液晶散光微透镜中，被进一步发散并经耦合后形成透射波场从芯片输出。
优选地，所述石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片还包括芯片壳体，阵列化控光架构位于芯片壳体内并与其固连，阵列化控光架构的光入射面和光出射面通过芯片壳体的顶面和底面开窗裸露出来，第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口设置在芯片壳体上，并通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。
优选地，在第一基片和第三基片的光入射面及光出射面上，分别设置有同种材质的光学增透膜系。
优选地，第一至第四液晶定向层均由聚酰亚胺制成。
优选地，第一至第三基片均由同种材质的光学材料制成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、电控延展聚束光焦长焦深：通过调节加载在液晶散光微透镜上的电压信号，对由聚光微透镜送出的聚束光进行精细的微发散处理，具有实现聚束光焦长和焦深的电控精细延展的优点。
2、匹配驱控信号实现模态转换：除通过断电关闭液晶散光或聚光微透镜实现模态转换外，还可以通过匹配加载在液晶聚光与散光微透镜上的电压信号实现模态转换，扩展器件适用范围。
3、精细电调波束发散态：通过精细调变加载在液晶聚光微透镜上的电压信号，具备粗调与精调结合的控制方式。
4、智能化：通过调变加载在液晶微透镜上的双路电信号，对波束形态进行的调变操作可在先验知识或处理结果的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。
5、控制精度高：通过匹配分别加载在液晶聚光和散光微透镜上的双路电压信号，可对芯片的光学参数进行精密调节，具有控制精度高的优点。
6、使用方便：本发明的控光主体为封装在芯片内的阵列化控光架构，在光路中配置方便，易与常规光学光电机械结构等匹配耦合。
附图说明
图1是本发明的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片的结构示意图；
图2是本发明的阵列化控光架构示意图；
图3是本发明的阵列化控光架构的光束变换示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-驱控信号输入端口，2-驱控信号输入端口，3-阵列化控光架构，4-芯片壳体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片包括：芯片壳体4、以及由石墨烯基双模(聚光、散光)电控液晶微透镜混合集成构建的阵列化控光架构3。
阵列化控光架构3位于芯片壳体4内并与其固连。
阵列化控光架构3的光入射面和光出射面通过芯片壳体4的顶面和底面开窗裸露出来。
石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数。液晶聚光微透镜和液晶散光微透镜阵列的石墨烯公共电极相互连接，在单模态液晶微透镜阵列中的各单元石墨烯微圆孔图案化电极以及微圆环图案化电极均被同步加电。
光束进入芯片中的阵列化控光架构后，按照微透镜的规模和排布情况被离散化为子入射波束阵。各子入射波束首先与受控电场激励下形成的聚光态液晶结构相互作用完成聚束操作，进而进入在受控电场激励下形成的散光态液晶结构中，被进一步发散并经耦合后形成透射波场从芯片输出。透射波场的汇聚或发散程度，由分别加载在液晶聚光和散光微透镜阵列上的双路电压信号协同控制。
芯片壳体4上设置有第一驱控信号输入端口1和第二驱控信号输入端口2，其通过芯片壳体4的侧面开孔裸露在外。
如图2所示，本发明的阵列化控光架构采用液晶聚光微透镜阵列与液晶散光微透镜阵列上下叠合式的双层结构，上下层之间顺次设置有第一基片、微圆孔形图案化石墨烯电极、第一液晶定向层、第一液晶层、第二液晶定向层、石墨烯共地电极、第二基片、第三液晶定向层、第二液晶层、第四液晶定向层、微圆环孔形图案化石墨烯电极、第三基片。
微圆孔形图案化石墨烯电极、石墨烯共地电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极分别固定在第一至第三基片上。
第一至第四液晶定向层均由聚酰亚胺制成，但应理解定向层材料并不局限于此，也可以是其它可形成纳米级深度和宽度的沟道材料。
第一和第二液晶层具有同样材质和厚度。
第一至第三基片均由同种材质的光学材料制成。
微圆孔形图案化石墨烯电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极分别包括m×n个微圆孔和微圆环孔，其中，m、n均为大于1的整数，且各微圆孔和各微圆环孔分别具有相同的中心线。
单模微透镜阵列中的各单元液晶结构均具有相同图案形态，如微圆孔形或微圆环孔形的石墨烯电极与石墨烯共地电极构成控光电极对。由微圆孔形图案化电极与石墨烯共地电极构成液晶聚光微透镜，微圆环孔形图案化石墨烯电极与石墨烯共地电极构成液晶散光微透镜，二者具有同样的阵列规模并可以投影重合。
微圆孔形图案化石墨烯电极、微圆环孔形图案化石墨烯电极以及石墨烯共地电极均由相同材质的石墨烯膜制成。从微圆孔形图案化石墨烯电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极上分别延伸出一根金属电极引线，并接入第一驱控信号输入端口1和第二驱控信号输入端口2的一端。从石墨烯共地电极分别延伸出二根金属电极引线，并接入第一驱控信号输入端口1和第二驱控信号输入端口2的另一端。
如图3所示，本发明的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片中的阵列化控光架构分别通过液晶聚光微透镜和液晶散光微透镜，对入射波束执行可调变的级联式光汇聚和光发散操作，最终形成可精细调变汇聚或发散程度，以及可完成汇聚与发散模态转换的透射光场。单模液晶微透镜阵列中的各元微透镜其石墨烯电极对被同步加电，如图示的分别加载在液晶聚光和散光微透镜的石墨烯电极对上的电驱控信号V1和V2等。图中也给出了典型的微光孔阵发散光场和微光点阵汇聚光场的局部结构特征。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合图1至图3说明本发明实施例的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片的工作原理。
石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片被置于测试光路中，或被置于由主镜构成的光学系统的焦面处也可弱离焦配置。
首先将两根信号线分别接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口，将电压信号输入加载在石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列上。
光波进入芯片中的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列后，与受控电场激励下构建的，具有特定折射率空间分布形态的功能化级联液晶结构相互作用而呈阵列化汇聚或发散态。从芯片出射的透射波束其汇聚或发散程度及波前，受双路驱控信号的配置情况约束。通过对特定汇聚波束进一步执行可调变的发散操作，可完成聚束光其焦长、焦深与波前的精细调控，以及汇聚到发散模态的转换。通过对聚束波执行可调变的汇聚操作，可完成发散式透射波束其发散度和发散波前的精细调控。
电控液晶微透镜包括液晶材料、液晶初始定向层、石墨烯电极及金属电极引线、基片和光学增透膜。液晶材料的上下两表面依次覆盖液晶定向层、石墨烯电极、基片和光学增透膜系。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列，包括阵列化控光架构、第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口，其特征在于，
阵列化控光架构采用双层结构，上下层之间顺次设置有第一基片、微圆孔形图案化石墨烯电极、第一液晶定向层、第一液晶层、第二液晶定向层、石墨烯共地电极、第二基片、第三液晶定向层、第二液晶层、第四液晶定向层、微圆环孔形图案化石墨烯电极、第三基片；
微圆孔形图案化石墨烯电极、石墨烯共地电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极分别固定在第一至第三基片上。
微圆孔形图案化石墨烯电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极分别包括m×n个微圆孔和微圆环孔，其中m、n均为大于1的整数，且各微圆孔和各微圆环孔分别具有相同的中心线；
从微圆孔形图案化石墨烯电极和微圆环孔形图案化石墨烯电极上分别延伸出一根金属电极引线，并接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的一端；
从石墨烯共地电极分别延伸出二根金属电极引线，并接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的另一端；
第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口向微圆孔形图案化电极与石墨烯共地电极构成的液晶聚光微透镜提供第一电驱控信号，第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口向微圆环孔形图案化石墨烯电极与石墨烯共地电极构成的液晶散光微透镜提供第二电驱控信号。
2.根据权利要求1所述的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，液晶聚光微透镜和液晶散光微透镜具有同样的阵列规模并投影重合。
3.根据权利要求2所述的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，光束进入阵列化控光架构后，被离散化为子入射波束阵。各子入射波束首先与受控电场激励下形成的液晶聚光微透镜相互作用完成聚束操作，进而进入受控电场激励下形成的液晶散光微透镜中，被进一步发散并经耦合后形成透射波场从芯片输出。
4.根据权利要求1所述的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，
所述石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片还包括芯片壳体；
阵列化控光架构位于芯片壳体内并与其固连；
阵列化控光架构的光入射面和光出射面通过芯片壳体的顶面和底面开窗裸露出来；
第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口设置在芯片壳体上，并通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。
5.根据权利要求1所述的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，在第一基片和第三基片的光入射面及光出射面上，分别设置有同种材质的光学增透膜系。
6.根据权利要求1所述的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，第一至第四液晶定向层均由聚酰亚胺制成。
7.根据权利要求1所述的石墨烯基双模混合集成电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，第一至第三基片均由同种材质的光学材料制成。
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