CN104298023B - 一种双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片 - Google Patents

一种双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片，包括电控液晶散光微透镜阵列、第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口，面阵电控液晶散光微透镜为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数，电控液晶散光微透镜阵列采用液晶夹层结构，且下上层之间顺次设置有第一基片、共地电极层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、顶面图案化电极层、顶层电极间绝缘层、顶面电极层、第二基片，共地电极层和顶面电极层分别固定在第一基片和第二基片上，顶面图案化电极由m×n个孔有序排布构成。本发明结构紧凑，通过独立加载双路驱控信号快速构建微光孔阵光场并可对其作进一步精细修形，易与常规光学光电机械结构耦合，环境适应性好。

Description

一种双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片
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，涉及一种双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片。
背景技术
迄今为止，随着电控液晶微透镜技术的迅速发展，基于折射率空间分布形态可电控构建与调变的液晶散光微透镜，产生与球面或非球面凹形轮廓常规光发散微透镜等效的控光效能，用以构建可调变波束形态及像差的灵巧光学系统方面，已显示出日益重要的作用。其典型特征表现在以下方面：(一)基于与光汇聚微透镜耦合这一模式下的可电调光发散效能这一属性，对聚束波的光参量包括焦长、点扩散函数和焦深等进行电控构建、维持与调节；(二)调控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、环境和目标适应性；(三)通过对主光学系统构建的压缩光场进一步执行阵列化的可调变微发散操作，调整用于焦平面光电转换的光照均匀性，增强目标特征以及降低光扰动，执行光电图像信号的光学预处理式的快速非均匀性校正；(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，提高目标可探测性、抗干扰和环境适应能力；(五)与光汇聚微透镜耦合执行可调变的像差、色差补偿与校正，景深扩展以及基于单一焦面可调控变动的视场层析式清晰化等。阵列化电控液晶发散型微透镜所显示的广泛用途和发展前景，在近些年已演变成一个进一步扩展和增强波束变换及成像光学系统性能的热门课题，受到广泛关注。
尽管电控液晶散光微透镜在发展小尺寸轻量化多功能光学波束变换和成像系统，以及构建基于微纳控光的阵列化成像探测光敏芯片等方面已取得显著进步，但在用于特殊光场生成及其快速和精细化调控等方面，仍表现出明显不足，诸如：(一)基于电压信号调控图案化电极驱控微米级厚度液晶材料，对传输光波进行电控发散这一操作仍显粗糙，作为构建、修正或调变光场其空间相位和能量输运形态的关键性执行因素的功能化液晶材料，其折射率空间分布形态仍缺乏精细调控能力，尚未将其控光潜力完全发挥出来；(二)无法将电压信号与光发散液晶微透镜的光学参量如焦长、点扩散函数、焦深和视场等，基于控制目的建立精细的一一对应式的量化比对关系；(三)液晶光发散微透镜其非球面的折射率分布形态，对进行成像过程中的电控像差补偿和校正，缺乏可量化的电压信号参数表征，无法通过精细调控精确校正像差从而真正发挥技术优势。目前，如何基于图案化电极技术，建立液晶光发散式的微透镜其控光效能可进行量化精细调控的技术措施，建立液晶散光微透镜其光学参量包括像差、视场、点扩散函数、焦长以及焦深等，与液晶器件的电学控制参量间的可寻址一一对应关系，以及将光学参量进一步通过电学参数进行精细化表征来快速和精细调控液晶器件，已成为继续推动电控液晶光发散型微透镜技术，以及以其为基础的光学精密测量与控制技术，获得进一步发展所面临的关键性问题，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，本发明提供了一种双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片，其可实现阵列化发散光场的电控构建与精细调变，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，提供了一种双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片，包括电控液晶散光微透镜阵列、第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口，面阵电控液晶散光微透镜为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数，电控液晶散光微透镜阵列采用液晶夹层结构，且下上层之间顺次设置有第一基片、共地电极层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、顶面图案化电极层、顶层电极间绝缘层、顶面电极层、第二基片，共地电极层和顶面电极层分别固定在第一基片和第二基片上，顶面图案化电极由m×n个孔有序排布构成，从共地电极层延伸出一根共地电极引线，从顶面图案化电极层延伸出一根顶面图案化电极引线，从顶面电极层延伸出一根顶面电极引线，顶面电极引线与共地电极引线与第一驱控信号输入端口电连接，并由其提供电压V1，顶面图案化电极引线与共地电极引线与第二驱控信号输入端口电连接，并由其提供电压V2，且V1＞V2。
优选地，所述面阵电控液晶光发散微透镜芯片还包括芯片壳体，电控液晶散光微透镜阵列位于芯片壳体内并与其固连，电控液晶散光微透镜阵列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通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。
优选地，光波电控液晶散光微透镜阵列后，按照微透镜的阵列规模和排布情况被离散成子入射波束阵，子入射波束与双路电压激励下构建的具有特定折射率空间分布形态的液晶分子相互作用，被发散成微光孔阵波场，并经耦合形成图案化出射波束。
优选地，第一液晶定向层和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成。
优选地，顶层电极间绝缘层由厚度在亚微米级的SiO2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、发散光场的双路电控成形与调变：通过在面阵电控液晶光发散微透镜芯片其相互套叠的双电极对上执行独立加电操作，进行液晶材料其特定折射率空间分布形态的电控成形与精细调变，实现透射波束特定光发散形态的快速构建。
2、精细调变波束发散形态：所构建的阵列化发散光场其波束形态，可通过调变加载在电控液晶散光微透镜阵列其图案化电极板与底面电极上的电压信号进行精细调变，从而具备更佳的光场适应性。
3、量化调变阵列化发散光波前：通过调变加载在电控液晶散光微透镜阵列其图案化电极板与底面电极对上的电压信号，可对液晶材料的折射率空间分布形态进行精细调变，使球面或非球面发散波前具有可量化的精细调节效能。
4、智能化：通过调变加载在电控液晶散光微透镜阵列上的电驱控信号，对阵列化发散光场的调变操作可在先验知识或控光效果的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。
5、控制能力强精度高：本发明采用独立加载双路电压信号方式控制液晶微透镜的阵列化光发散，具有更强和精度更高的将出射波束凝固在特定形态或调变到预定形态的驱控能力。
6、使用方便：本发明的控光芯片在光路中配置方便，易与常规光学光电机械结构匹配耦合。
附图说明
图1是本发明的双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片的结构示意图；
图2是本发明的电控液晶散光微透镜阵列的结构示意图；
图3是本发明的电控液晶散光微透镜的光束变换示意图；
图4是本发明的电控液晶散光微透镜的电结构示意图；
图5是本发明的电控液晶散光微透镜的常规凹折射轮廓等效示意图。
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-第一驱控信号输入端口，2-第二驱控信号输入端口，3-电控液晶散光微透镜阵列，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，本发明的双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片包括：芯片壳体4、以及由双路电压信号驱控的电控液晶散光微透镜阵列3。
电控液晶散光微透镜阵列3位于芯片壳体4内并与其固连。
电控液晶散光微透镜阵列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。
面阵电控液晶散光微透镜为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数。各元液晶散光微透镜分别互连的顶面双层互绝缘电极板与底面公共电极被同步加电。
光波进入芯片中的电控液晶散光微透镜阵列3后，按照微透镜的阵列规模和排布情况被离散成子入射波束阵。子入射波束与双路电压信号激励下构建的具有特定折射率空间分布形态的液晶分子相互作用，被发散成由微圆环(或微方环)界定的微光孔阵波场，并经耦合形成图案化出射波束。通过调变单路电压信号实现特定图案化光场的构建，在此基础上通过调变另一路电压信号，对图案化光场进行精细修形。
在芯片壳体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，并通过芯片壳体4的侧面开孔裸露在外。
如图2所示，本发明实施例的电控液晶散光微透镜阵列采用液晶夹层结构，且下上层之间顺次设置有第一基片、共地电极层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、顶面图案化电极层、顶层电极间绝缘层、顶面电极层、第二基片。共地电极层和顶面电极层分别固定在第一基片和第二基片上。第一和第二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。顶层电极间绝缘层由厚度(d1)在亚微米级的SiO2制成，但应理解电隔离层材料并不局限于此，也可以是其它可形成电绝缘的材料。电控液晶散光微透镜阵列中的顶面图案化电极由m×n个微圆孔(或微方孔)有序排布构成，其中，m、n均为大于1的整数。从共地电极层延伸出一根共地电极引线，从顶面图案化电极层延伸出一根顶面图案化电极引线，从顶面电极层延伸出一根顶面电极引线。
如图3所示，本发明实施例的电控液晶散光微透镜的光束发散作用，通过加载在顶面电极层(A)和共地电极层(G)间的电压信号V1，以及顶面图案化电极层(B)和共地电极层上加载的V2信号实现。其光束变换作用可用常规发散微透镜的凹曲面折射轮廓等效，图中也给出了典型的微圆形(或微近方形)光孔的测试图片。具有压差的V1和V2信号叠合加载在厚度(d1)为亚微米级的SiO2绝缘层上，d2间距的顶面图案化电极层和共地电极层间所填充的液晶层厚度在微米级。A电极板和B电极板间的电容用CAB表征，B电极板和G电极板间的电容用CAB表征，A电极板和B电极板间的穿过板间微孔所形成的电容用CAB表征。
如图4所示，本发明实施例的电控液晶散光微透镜其顶层电极中的顶面电极板和顶面图案化电极板，被厚度为d1的电绝缘膜隔离，极间场强极间电容为CAB，其中的V1为加载在顶层电极中的顶面电极板与共地电极间的电压信号，V2为加载在顶面图案化电极板与共地电极间的电压信号，并满足V1＞V2关系；顶面图案化电极板与共地电极间距为d2，极间场强极间电容为CBG；顶层电极中的局域顶面电极板通过顶面图案化电极板中的镂空结构，与公共电极构成的局域化电容其极间场强电容为CAG。
如图5所示，本发明实施例的电控液晶散光微透镜当选取某一V2信号均方值并保持不变时，通过施加V1电压信号，可在图案化电极板与公共电极间的微腔中所填充的液晶材料内，快速构建起与常规凹折射微透镜具有等效光发散效能的折射率空间分布形态。通过调变V1电压，可对所构建的液晶材料其折射率空间分布形态进行调变，该操作等效于调变常规凹折射微透镜的表面下弯程度，如图示的V1等效轮廓-1和V1等效轮廓-2等，从而粗线条地快速获得特定的光发散形态。通过加载V1信号而粗略获得某一液晶折射率空间分布形态后，如图示的的V1等效轮廓-2所显示的情形，精细调变V2信号，将对由V1等效轮廓-2等效的液晶材料的折射率空间分布形态进行弱调整，得到如图示的V2等效轮廓，从而对基于V1信号的光束发散形态进行精细调节。
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5说明本发明实施例的双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片的工作原理。
双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜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。
首先将双路电压信号线分别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，将电压信号加载在电控液晶散光微透镜阵列的双路控制电极上。
入射光束进入芯片中的面阵电控液晶光发散微透镜后，与双路电压信号驱控下构建的具有特定折射率分布形态的液晶分子相互作用而呈图案化发散态，形成由阵列化微圆(或方)光孔构建的透射光场。微光孔的线边界亮度、孔径、孔内消光比和发散波前等，随双路驱控信号均方幅度或频率的变化而改变。电控液晶散光微透镜包括液晶材料、液晶定向层、金属电极、基片和光增透膜系，液晶材料的下表面依次覆盖液晶定向层、金属电极、基片和光增透膜系，上表面依次覆盖液晶定向层、金属电极、基片、电绝缘层、金属电极、基片和光增透膜系。所述双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片用于产生特定形态图案化光场，以及使光束形态包括阵列化微圆(或方)光孔的线边界亮度、孔径、孔内消光比和发散波前等产生可精确控制的改变。
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 (5)

1.一种双路电压信号驱控的面阵电控液晶光发散微透镜芯片，包括电控液晶散光微透镜阵列、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，
面阵电控液晶散光微透镜为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数；
电控液晶散光微透镜阵列采用液晶夹层结构，且下上层之间顺次设置有第一基片、共地电极层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、顶面图案化电极层、顶层电极间绝缘层、顶面电极层、第二基片；
共地电极层和顶面电极层分别固定在第一基片和第二基片上；
顶面图案化电极由m×n个孔有序排布构成；
从共地电极层延伸出一根共地电极引线，从顶面图案化电极层延伸出一根顶面图案化电极引线，从顶面电极层延伸出一根顶面电极引线；
顶面电极引线与共地电极引线与第一驱控信号输入端口电连接，并由其提供电压V1，顶面图案化电极引线与共地电极引线与第二驱控信号输入端口电连接，并由其提供电压V2，且V1＞V2。
2.根据权利要求1所述的面阵电控液晶光发散微透镜芯片，其特征在于，
所述面阵电控液晶光发散微透镜芯片还包括芯片壳体；
电控液晶散光微透镜阵列位于芯片壳体内并与其固连，电控液晶散光微透镜阵列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通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。
3.根据权利要求1所述的面阵电控液晶光发散微透镜芯片，其特征在于，光波电控液晶散光微透镜阵列后，按照微透镜的阵列规模和排布情况被离散成子入射波束阵，子入射波束与双路电压激励下构建的具有特定折射率空间分布形态的液晶分子相互作用，被发散成微光孔阵波场，并经耦合形成图案化出射波束。
4.根据权利要求1所述的面阵电控液晶光发散微透镜芯片，其特征在于，第一液晶定向层和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成。
5.根据权利要求1所述的面阵电控液晶光发散微透镜芯片，其特征在于，顶层电极间绝缘层由厚度在亚微米级的SiO2制成。
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