CN104298025A - 一种双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，包括双模一体化红外面阵电控液晶微透镜和驱控信号输入端口，双模一体化红外面阵电控液晶微透镜为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数，双模一体化红外面阵电控液晶微透镜采用液晶夹层结构，且上下层之间顺次设置有第一基片、第一平板电极层、第一电隔离层、图案化电极层、第二电隔离层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、第三电隔离层、第二平板电极层、第二基片，第一平板电极层和第二平板电极层分别固定在第一基片和第二基片上。本发明结构紧凑，可执行微光点阵或微光孔阵红外波场的电控成形与调变，控制精度高，易与常规红外光学光电机械结构耦合，光场适应性好。

Description

一种双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片
技术领域
本发明属于红外波束精密测量与控制技术领域，更具体地，涉及一种双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片。
背景技术
迄今为止，通过汇聚或发散微透镜阵列对红外波束进行整形变换这一技术，已在多个领域获得应用。典型的如基于汇聚微透镜阵列对光束进行汇聚式压缩，构建高能态微点、微线或微斑阵的基准源；基于发散微透镜阵列对光束进行发散排布，构建微点光孔、微线光孔或微面光孔阵的图案化基准辐射场源；集成红外汇聚微透镜阵列与光敏芯片，提高光敏响应的信噪比、感光视场并降噪；集成红外发散微透镜阵列与光敏芯片，构建抗强辐照的红外成像探测效能增强；基于微透镜阵列对激光束进行低能耗阵列化分割与整形来构建激光波束阵，基于汇聚微透镜阵列获得多重多姿态目标图像等。随着应用领域的扩展和技术水平的提升，构建通过单一光学架构进行阵列化可调变光汇聚、光发散处理，并具备通过快速切换完成汇聚与发散模态转换的阵列化微透镜技术，对提高技术适应性、提升控光效能、扩大适用范围、增强灵活性、提高与其他红外光学光电机械装置的耦合与匹配能力，以及降低成本等，具有广泛和迫切的需求。
基于特定形态的常规微透镜阵列，获得阵列化汇聚或发散波束这一技术方式的缺陷主要表现在以下方面：(一)因表面形貌固定的微透镜具有不可变动的光学整形性能，仅能构建特定的阵列化微聚束光场，无点扩散函数调变能力；(二)从表面形貌固定的阵列化发散微透镜仅能整形出射形态固定的图案化光场，不具备光场调变能力；(三)光束的阵列化汇聚或发散操作，分别由光汇聚或光发散微透镜阵列完成，汇聚和发散并存则需配置不同模态的光处理架构，汇聚和发散模态转换无法快速完成，适应性差；(四)调变或切换阵列化的束汇聚和束发散模态，需要通过多组级联布置的汇聚和发散微透镜阵列间的机械运动进行，响应慢、状态转换耗时长以及惯性大，需要匹配复杂的辅助驱控装置，因运动姿态的本征连续性无法执行任意的状态切入或跳变，光学变换能力极为有限，难以灵活接入光路中或与其他红外光学光电结构耦合。
近些年来，具备波束汇聚或发散的阵列化成形与调变的电控液晶微透镜技术发展迅速，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的微米厚度液晶材料，可对行进光波执行可调变的阵列化汇聚或发散操作；(二)基于液晶微透镜的光束阵列化再分布，可依照预定顺序在所选定的电控状态处展开或快速切换，可接受先验知识或束变换特征的约束、干预或引导；(三)平面端面的液晶微透镜可被灵活接入光路中或与其他红外结构耦合甚至集成；(四)液晶微透镜的驱控操作可基于低功率电压信号进行，液晶器件功耗可低至微瓦级，驱控装置可小微型化甚至与液晶结构集成。目前，如何构建汇聚与发散双模一体化的红外面阵电控液晶微透镜技术，实现特定波束形态的成形与快速切换，已成为红外波束精密测量与控制技术继续发展所面临的难点问题，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模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，其可实现红外波束的可调变阵列化整形以及汇聚和发散模态的快速切换，易与其它红外光学光电机械结构耦合，光场适应性好。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，包括双模一体化红外面阵电控液晶微透镜和驱控信号输入端口，双模一体化红外面阵电控液晶微透镜为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数，双模一体化红外面阵电控液晶微透镜采用液晶夹层结构，且上下层之间顺次设置有第一基片、第一平板电极层、第一电隔离层、图案化电极层、第二电隔离层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、第三电隔离层、第二平板电极层、第二基片，第一平板电极层和第二平板电极层分别固定在第一基片和第二基片上，在第一平板电极层上延伸出一根顶面电极引线，从图案化平板电极层上延伸出一根顶面图案化电极引线，从第二平板电极层延伸出一根底面电极引线，顶面电极引线和底面电极引线构成平板/平板电极对，顶面图案化电极引线和底面电极引线构成图案化平板/平板电极对，两个电极对均与驱控信号输入端口电连接，并由驱控信号输入端口加电驱控。
优选地，当加载在平板/平板电极对上的电压信号的均方幅度高于加载在图案化平板/平板电极对上的电压信号时，呈现发散微透镜模态；当加载在平板/平板电极对上的电压信号的均方幅度低于加载在图案化平板/平板电极对上的电压信号时，呈现汇聚微透镜模态。
优选地，红外入射光波进入双模一体化红外面阵电控液晶微透镜后，汇聚或发散模态的液晶微透镜将其离散化为子入射波束阵。各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子作用，被汇聚或发散成阵列化透射光场后输出。
优选地，所述双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片还包括芯片壳体，双模一体化红外面阵电控液晶微透镜设置在芯片壳体内部并与芯片壳体固连，驱控信号输入端口设置在芯片壳体的侧面上，双模一体化红外面阵电控液晶微透镜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。
优选地，在第一基片的光入射面和第二基片的光出射面上分别制作有第一红外增透膜系和第二红外增透膜系，二者材质相同。
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，第一电隔离层、第二电隔离层以及第三电隔离层均由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、液晶微透镜的聚光、散光模态一体化：本发明基于双套叠电极架构，通过双路加电耦合方式，构造光汇聚和光发散相兼容的液晶微透镜阵列，具有聚光和散光双模一体化并可电控切换的优点。
2、控制方式灵活：通过匹配独立加载在液晶微透镜控制电极对上的双路电信号，可对液晶微透镜的阵列化光汇聚、光发散能力进行电控调变。
3、智能化：通过调变加载在液晶微透镜控制电极上的双路调幅或调频电信号，对红外波束形态所进行的整形和调变可在先验知识或波束特征的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。
4、控制精度高：由于本发明采用可精密电驱控的液晶平面微透镜，具有极高的结构、电学及电光参数的稳定性和控制精度，以及采用双路独立信号协同方式驱动和调控芯片，所以本发明具有控制精度高的优点。
5、使用方便：本发明的芯片主体为封装在芯片壳体内的双模一体化红外面阵电控液晶微透镜，在红外光路中接插方便，易与常规红外光学光电机械结构匹配耦合。
附图说明
图1是本发明双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片的结构示意图；
图2是本发明双模一体化红外面阵电控液晶微透镜的结构示意图；
图3是本发明双模一体化红外面阵电控液晶微透镜的电结构示意图；
图4是本发明双模一体化红外面阵电控液晶微透镜的光束变换示意图。
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-双模一体化红外面阵电控液晶微透镜，3-芯片壳体，4-第一基片，5-第一平板电极层，6-第一电隔离层，7-图案化电极层，8-第二电隔离层，9-第一液晶定向层，10-液晶层，11-第二液晶定向层，12-第三电隔离层，13-第二平板电极层，14-第二基片，15-第一红外增透膜系，16-第二红外增透膜系。
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，本发明的双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片包括：芯片壳体3、双模一体化红外面阵电控液晶微透镜2、以及驱控信号输入端口1。
双模一体化红外面阵电控液晶微透镜设置在芯片壳体3内部并与芯片壳体3固连，驱控信号输入端口1设置在芯片壳体3的侧面上。
双模一体化红外面阵电控液晶微透镜2的光入射面和光出射面通过芯片壳体3的顶面和底面开窗裸露出来。
如图2所示，红外入射光波进入双模一体化红外面阵电控液晶微透镜2后，汇聚或发散模态的液晶微透镜将其按照微透镜的阵列规模和位置情况，离散化为子入射波束阵。各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子作用，被汇聚或发散成阵列化透射光场并经耦合由芯片输出。在双模一体化红外面阵电控液晶微透镜中的平板/平板电极对、以及图案化平板/平板电极对上所独立加载的V1和V2驱控信号，在两个电极对间激励起驱控液晶材料的空间电场。
如图3所示，双模一体化红外面阵电控液晶微透镜为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数。在顶面双层电极结构中的顶面平板电极上延伸出一根顶面电极引线，以及由微圆孔(或微方孔)构成的图案化平板电极上延伸出一根顶面图案化电极引线，从底面平板电极上延伸出一根底面电极引线。各元微透镜中相互连通的微圆孔(或微方孔)图案化电极被同步加电。顶面电极引线、顶面图案化电极引线和底面电极引线，均被连接到驱控信号输入端口1中的相应位置。顶面双层电极结构中的顶面平板电极与图案化平板电极间的电绝缘层由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。
如图4所示，双模一体化红外面阵电控液晶微透镜采用液晶夹层结构，且上下层之间顺次设置有第一基片4、第一平板电极层5、第一电隔离层6、图案化电极层7、第二电隔离层8、第一液晶定向层9、液晶层10、第二液晶定向层11、第三电隔离层12、第二平板电极层13、第二基片14。第一平板电极层5和第二平板电极层分别固定在第一基片4和第二基片14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。第一电隔离层、第二电隔离层以及第三电隔离层均由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。在第一基片4的光入射面和第二基片14的光出射面上分别制作有第一红外增透膜系15和第二红外增透膜系16，它们材质相同。
红外光波进入芯片中的双模一体化红外面阵电控液晶微透镜2后，首先由液晶微透镜将其按照微透镜的阵列规模和位置情况，离散化为阵列化子入射波束。各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子作用被汇聚压缩，再经耦合形成具有特定图案形态的红外出射波束并经芯片的光出射窗口输出。
下面结合图1、图2、图3和图4说明本发明双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片的工作过程。
首先通过信号线接入端口将电压信号输入和加载在双模一体化红外面阵电控液晶微透镜上。
双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片被置于测试光路中，或被置于由主镜构成的红外光学系统的焦面处，也可弱离焦配置。
红外光波通过芯片的光入射窗口进入双模一体化红外面阵电控液晶微透镜后，与受控电场激励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汇聚或发散态，形成因汇聚作用所构建的随驱控信号频率或幅度变化的微焦点阵，或因发散作用所构建的同样随驱控信号频率或幅度变化的微光孔阵。聚焦点其点扩散函数或微光孔其边界亮度与孔内消光比，由施加在液晶微透镜其平板/平板电极对、以及图案化平板/平板电极对上的双路电压信号调变。
双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片通过相互匹配的双路电驱控信号形成特定模态的液晶微透镜，并对微透镜的光束处理效能进行电控调变。相互套叠的平板/平板电极对及图案化平板/平板电极对被分别同步加电。电控液晶平面微透镜包括液晶材料、液晶初始定向结构、金属电极、基片和红外增透膜系，液晶材料的上下两表面依次覆盖液晶初始定向结构、金属电极、基片和红外增透膜系。顶面双层电极板间以微米级层厚的绝缘介质相互隔离。所述工作在发散模态的面阵电控液晶微透镜用于产生微光孔阵红外出射光场。通过调节加载在电控液晶发散微透镜上的电压信号均方幅度或频率来调变阵列化红外子出射光束的发散程度，该操作等效于调变如图所示的与平面微透镜具有类似光发散效能的常规凹折射微透镜的表面弯折程度即光线发散能力。所述工作在汇聚模态的面阵电控液晶红外微透镜用于产生微光点阵红外出射光场。同样通过调节加载在电控液晶汇聚微透镜上的电压信号均方幅度或频率来调变阵列化子红外汇聚光束的空间压缩程度，该操作等效于调变如图所示的与平面微透镜具有类似光汇聚效能的常规凸折射微透镜的表面弯曲程度即光线汇聚能力。通过匹配加载在微透镜其相互套叠的双电极对上的电压信号，可以完成微透镜的汇聚和发散模态转换。所得到的出射波束可通过电信号其频率或幅度的调变操作，被凝固在特定形态或调变到预定形态。
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)

1.一种双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，包括双模一体化红外面阵电控液晶微透镜和驱控信号输入端口，其特征在于，
双模一体化红外面阵电控液晶微透镜为m×n元，其中，m、n均为大于1的整数；
双模一体化红外面阵电控液晶微透镜采用液晶夹层结构，且上下层之间顺次设置有第一基片、第一平板电极层、第一电隔离层、图案化电极层、第二电隔离层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、第三电隔离层、第二平板电极层、第二基片；
第一平板电极层和第二平板电极层分别固定在第一基片和第二基片上；
在第一平板电极层上延伸出一根顶面电极引线；
从图案化平板电极层上延伸出一根顶面图案化电极引线；
从第二平板电极层延伸出一根底面电极引线；
顶面电极引线和底面电极引线构成平板/平板电极对，顶面图案化电极引线和底面电极引线构成图案化平板/平板电极对，两个电极对均与驱控信号输入端口电连接，并由驱控信号输入端口加电驱控。
2.根据权利要求1所述的双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，其特征在于，当加载在平板/平板电极对上的电压信号的均方幅度高于加载在图案化平板/平板电极对上的电压信号时，呈现发散微透镜模态；当加载在平板/平板电极对上的电压信号的均方幅度低于加载在图案化平板/平板电极对上的电压信号时，呈现汇聚微透镜模态。
3.根据权利要求2所述的双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，其特征在于，红外入射光波进入双模一体化红外面阵电控液晶微透镜后，汇聚或发散模态的液晶微透镜将其离散化为子入射波束阵。各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子作用，被汇聚或发散成阵列化透射光场后输出。
4.根据权利要求1所述的双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，其特征在于，
所述双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片还包括芯片壳体；
双模一体化红外面阵电控液晶微透镜设置在芯片壳体内部并与芯片壳体固连，驱控信号输入端口设置在芯片壳体的侧面上；
双模一体化红外面阵电控液晶微透镜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。
5.根据权利要求1所述的双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，其特征在于，在第一基片的光入射面和第二基片的光出射面上分别制作有第一红外增透膜系和第二红外增透膜系，二者材质相同。
6.根据权利要求1所述的双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，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。
7.根据权利要求1所述的双模一体化红外面阵电控液晶微透镜芯片，其特征在于，第一电隔离层、第二电隔离层以及第三电隔离层均由SiO2制成。
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