CN104298028B - 基于电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外波束控制芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外波束控制芯片。其包括电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列；电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、第一电隔离层、图形化电极层、第一基片和第一红外增透膜，以及依次设置在液晶材料层下表面的第二液晶初始取向层、第二电隔离层、公共电极层、第二基片和第二红外增透膜；公共电极层由一层匀质导电膜构成；图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的圆孔或方孔的一层匀质导电膜构成。本发明能实现微聚光点阵的电控构建与电调变，及电控匀质化远场红外透射波束，易与其它红外光学光电结构、电子和机械装置等匹配耦合，环境适应性好。

Description

基于电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外波束控制芯片
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，涉及一种基于阵列化的电控液晶红外汇聚平面微透镜，构建与调变红外微聚光点阵光场以及电控匀质化远场红外波束的控光芯片。
背景技术
迄今为止，基于固定轮廓的折射或衍射微透镜阵列，获取微米尺度的匀质化红外聚光点阵光场这一技术，已在多个领域获得应用，如红外高亮度微点阵基准源，红外光敏芯片光能利用率的微透镜聚光增强与降噪，红外芯片光敏视场的阵列化微透镜耦合提高，基于阵列化微米尺度汇聚亮斑有序排布的匀质红外光刻源，红外光波高聚集度离散排布的多重并行纤光耦合，匀质化高能态微激光束斑阵列等。随着相关技术的持续快速发展和应用领域的不断扩展与延伸，构建可调变焦长以及点扩散函数的微光学控光阵列，提升远场波束的匀质化程度，提高使用灵活性和环境适应能力，具备可调变加工效能和精度，显著增强与其他红外光学光电机械装置的耦合与匹配能力，降低红外光束变换架构的结构复杂性和成本等，已受到广泛关注。
目前，基于固定轮廓形态的折射或衍射微透镜阵列，获得红外微聚光点阵光场这一技术方式的明显缺陷包括：(一)固定轮廓的微透镜因其光学性能的不变性，仅能构建焦长及点扩散函数相对固定的微聚光点阵光场，无焦斑其能态和位形分布及结构尺寸的调变能力；(二)从形状固定的阵列化微透镜出射的远场红外波束其能态和形态的均匀化程度，由微透镜的固定光束变换能力决定，不具备可调性；(三)调变阵列化微聚光斑点的亮度及点扩散函数等操作，需要通过两组甚至多组级联布置的阵列化微透镜间的机械移动进行，响应慢，执行机构的体积、质量和惯性大，需配置较为繁杂的驱控装置，因机械运动的连续性无法执行任意的光学状态切入或快速跳变，难以灵活接入红外光路中或与其他红外光学光电机械结构耦合。
近些年来，基于可见光谱域的平面端面电控液晶微透镜进行光波的受控变换这一技术，已取得显著进展，已具备的典型功能包括：(一)阵列化电控液晶微透镜的光束变换可通过施加低功率的电驱控信号展开，光束的汇聚或发散操作可根据设定的电控方式依次进行、凝固或调变；(二)可通过调变电驱控信号对液晶微透镜的光束变换操作进行约束、干预或引导，具有智能化特征；(三)平面端面且具有微米级液晶材料厚度的液晶微透镜，具有可以灵活接入光路中或与其他光学光电机械结构耦合甚至集成这一特性；(四)液晶结构的驱动和调控功耗可低至微瓦级；(五)基于电场激励所构建的液晶折射率空间分布形态，可随电场变动进行变换。目前，通过借鉴可见光谱域的小微型化电控液晶微透镜技术，实现红外光波其特殊波束能态和形态的受控构建与调变，已成为红外波束精密测量与控制技术继续发展所需解决的瓶颈问题，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，本发明提供了一种基于电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外波束控制芯片，能实现微聚光点阵的电控构建与电调变，以及电控匀质化远场红外透射波束，控制精度高，易与其它红外光学光电结构、电子和机械装置等匹配耦合，环境适应性好。
为实现上述目的，本发明提供了一种红外波束控制芯片，其特征在于，包括电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列；所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列包括液晶材料层，依次设置在所述液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、第一电隔离层、图形化电极层、第一基片和第一红外增透膜，以及依次设置在所述液晶材料层下表面的第二液晶初始取向层、第二电隔离层、公共电极层、第二基片和第二红外增透膜；所述公共电极层由一层匀质导电膜构成；所述图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的圆孔或方孔的一层匀质导电膜构成，其中，m、n均为大于1的整数；所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜，所述单元电控液晶红外汇聚平面微透镜与所述圆孔或方孔一一对应，每个圆孔或方孔均位于对应的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的中心，形成单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的上电极，所有单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的下电极由所述公共电极层提供。
优选地，红外入射波束进入所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列后，被各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜离散为阵列化的子入射波束，各子入射波束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态，形成具有聚光点形态的子透射波束，从而形成聚光点阵光场从芯片输出；其中，各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜被驱控电压信号同步加电驱控，通过调节驱控电压信号的频率或均方幅度，调变各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外子出射汇聚波束的焦长和点扩散函数。
优选地，通过调变驱控电压信号调节微聚光点阵光场的光学参数，能抵抗目标或环境光场扰动以及电参数波动。
优选地，单个圆孔或方孔的面积与对应的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的光接收面积的比值为电极填充系数，所述电极填充系数为5％～25％。
优选地，所述控制芯片还包括芯片外壳；所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列封装在所述芯片外壳内并与所述芯片外壳固连，其光入射面和光出射面通过所述芯片外壳的顶面和底面开口裸露在外；所述芯片外壳的侧面设置有驱控信号输入端口。
优选地，所述公共电极层和所述图形化电极层各通过一根导线引出；公共电极层引线和图形化电极层引线接入所述驱控信号输入端口，用于输入驱控和调变所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列的驱控电压信号。
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，具有以下有益效果：
1、微聚光点阵的电控成形与调变。本发明基于电驱控的液晶红外汇聚平面微透镜阵列，实现红外波束的阵列化分割与汇聚，具有微聚光点阵的电控构建与焦长及点扩散函数可电调的优点。
2、驱控灵活。通过对电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列执行受控加电操作，能够实现基于调频或调幅电压信号驱控的阵列化微聚光点的快速构建与调变，具有驱控灵活的特点。
3、远场红外波束的电控匀质化。通过施加电压信号激励和调变阵列化微腔电场，使基于红外微聚光点阵的透射光场发生形态和能态改变来匀质化远场波束。
4、智能化。通过调变加载在电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列上的电信号频率或幅度，可在先验知识或波束测量结果的约束、干预或引导下，对阵列化微聚光点其焦长和点扩散函数以及远场光束形态进行调变。
5、控制精度高。由于采用可精密电驱控的液晶红外汇聚平面微透镜阵列，具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性和控制精度，具有控制精度高的优点。
6、使用方便。本发明的红外波束控制芯片在红外光路中接插方便，易与常规红外光学光电机械结构等匹配耦合。
附图说明
图1是本发明实施例的基于电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外波束控制芯片的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列的结构示意图；
图3是本发明另一个实施例的电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列的结构示意图；
图4是电控液晶红外汇聚平面微透镜的剖面示意图；
图5是单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的工作原理示意图。
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-电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列，3-芯片外壳。
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，本发明实施例的基于电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外波束控制芯片包括芯片外壳3和电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列2。电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列2封装在芯片外壳3内并与芯片外壳3固连，其光入射面和光出射面通过芯片外壳3的顶面和底面开口裸露在外。在芯片外壳3的侧面设置有驱控信号输入端口1。
如图2～4所示，电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列2包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、第一电隔离层、图形化电极层、第一基片和第一红外增透膜，以及依次设置在液晶材料层下表面的第二液晶初始取向层、第二电隔离层、公共电极层、第二基片和第二红外增透膜。公共电极层由一层匀质导电膜构成。如图2和图3所示(图中上层结构面积小于下层结构，以清楚展示各层结构)，图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的微圆孔或微方孔的一层匀质导电膜构成，其中，m、n均为大于1的整数。公共电极层和图形化电极层各通过一根导线引出，公共电极层引线和图形化电极层引线接入驱控信号输入端口1，用于输入驱控和调变电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列的电信号。
优选地，图形化电极层和公共电极层材料为金或铝等，其厚度在几十至几百纳米范围内。第一基片和第二基片为同种光学材质。第一和第二电隔离层由电绝缘且具有高红外透过率的膜材料制成，典型的如SiO2膜等，其厚度同样在几十至几百纳米范围内。电隔离层用于阻断由图形化电极层和公共电极层材料中溢出的载流子(如电子等)通过渗过液晶初始取向层进入液晶材料层的通道，防止其与液晶分子的极性基团相互中和而导致液晶材料失效。
将上述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列2划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜，单元电控液晶红外汇聚平面微透镜与微圆孔或微方孔一一对应，每个微圆孔或微方孔均位于对应的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的中心，形成单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的上电极，所有单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的下电极由公共电极层提供。单个微圆孔或微方孔的面积与对应的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的光接收面积的比值被称为电极填充系数，其典型值在5％至25％间。
本发明实施例的基于电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外波束控制芯片可以被直接置于测试光路中，也可以被置于由主镜构成的光学系统的焦面处或进行弱离焦配置，实现对红外波束的控制。其工作原理如下。
液晶材料由具有极性的长链大分子构成。当存在空间电场时，液晶分子受电场力驱动会改变其空间分布形态，相应地改变与液晶分子空间分布形态密切相关的液晶材料的折射率。通过构建具有特定形态的空间电场，会驱使液晶分子形成基于空间电场的特定空间分布形态，从而构建出电场激励下的特定折射率分布形态。改变空间电场强度与形态，液晶折射率的空间分布形态将产生相应改变。
将液晶材料封装在双层电极板相向平行间隔排布构成的微米级深度微腔中，通过图形化电极板在液晶材料中激励的特定空间电场，将驱使液晶材料呈现特定的折射率分布形态。分布在腔内电极板内表面附近的液晶分子被电极板内表面上所预制的液晶分子初始取向层锚定，其分布形态将不随加载在液晶材料中的空间电场的变化而改变。将一层电极板制作成周期性排布并互连的子电极阵并与另一层电极板耦合，将构成与子电极有相同阵列规模的电控液晶微功能结构阵列。
在微圆孔或微方孔子电极与另一层平面公共电极板耦合时，通过加载电压信号将构成从孔指向平面公共电极的汇聚状电场，激励液晶分子形成在孔电极中心线处的折射率大，外缘处折射率小并径向渐进减小这样一种分布形态，从而构成液晶光汇聚微透镜。微圆孔子电极将形成圆对称微透镜的微圆通光孔，微方孔子电极将形成近似方形的微透镜通光孔。微圆孔或微方孔子电极的结构尺寸与填充液晶材料的微腔深度共同决定微透镜的通光孔径，微圆形通光孔的有效控光面积小于微方形通光孔的有效控光面积。其他具有复杂形貌特征的平面电极，均可由基本的微圆孔或微方孔电极图案复合而成。
通过驱控信号输入端口1内的公共电极层引线和图形化电极层引线，将驱控电压信号V加载在电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列上，各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜被驱控电压信号V同步加电驱控。红外入射波束进入电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列后，电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列按照其单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的阵列规模和位置，将红外波束离散化为阵列化的子入射波束。通过调节加载在各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜上的电压信号频率或幅度，改变液晶材料的折射率及其空间分布形态，各子入射波束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态，形成具有微聚光点形态的子透射波束。
各子透射波束与单元电控液晶红外汇聚平面微透镜一一对应。在正入射条件下，微聚光点中心落在对应的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的光轴上。子汇聚波束的汇聚程度(对应微圆形或微方形焦斑的亮度及焦斑尺寸)随施加在各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜上的电压信号频率或幅度变化，该操作等效于调变与电控液晶红外汇聚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，如图5所示的等效电控态-1和等效电控态-2。微聚光点阵光场既可以被直接利用，也可以用于电控匀质化远场红外波束。
因此，通过调节驱控电压信号V的频率或均方幅度，调变各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外子出射汇聚波束的焦长和点扩散函数，从而使红外透射波束凝固在特定形态或调变到预定形态。此外，针对目标或环境光场扰动以及电参数波动，通过及时调变加载在芯片上的驱控电压信号，对微聚光点阵光场的光学参数进行校正调节，使芯片具备抗扰动能力。芯片断电后光汇聚功能消失，光束通过芯片后其形态不变。
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)

1.一种红外波束控制芯片，其特征在于，包括电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列；所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列包括液晶材料层，依次设置在所述液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、第一电隔离层、图形化电极层、第一基片和第一红外增透膜，以及依次设置在所述液晶材料层下表面的第二液晶初始取向层、第二电隔离层、公共电极层、第二基片和第二红外增透膜；所述公共电极层由一层匀质导电膜构成；所述图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的圆孔或方孔的一层匀质导电膜构成，其中，m、n均为大于1的整数；
所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜，所述单元电控液晶红外汇聚平面微透镜与所述圆孔或方孔一一对应，每个圆孔或方孔均位于对应的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的中心，形成单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的上电极，所有单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的下电极由所述公共电极层提供；
单个圆孔或方孔的面积与对应的单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的光接收面积的比值为电极填充系数，所述电极填充系数为5％～25％。
2.如权利要求1所述的红外波束控制芯片，其特征在于，红外入射波束进入所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列后，被各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜离散为阵列化的子入射波束，各子入射波束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态，形成具有聚光点形态的子透射波束，从而形成聚光点阵光场从芯片输出；
其中，各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜被驱控电压信号同步加电驱控，通过调节驱控电压信号的频率或均方幅度，调变各单元电控液晶红外汇聚平面微透镜的红外子出射汇聚波束的焦长和点扩散函数。
3.如权利要求2所述的红外波束控制芯片，其特征在于，通过调变驱控电压信号调节聚光点阵光场的光学参数，能抵抗目标或环境光场扰动以及电参数波动。
4.如权利要求1至3中任一项所述的红外波束控制芯片，其特征在于，所述控制芯片还包括芯片外壳；所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列封装在所述芯片外壳内并与所述芯片外壳固连，其光入射面和光出射面通过所述芯片外壳的顶面和底面开口裸露在外；所述芯片外壳的侧面设置有驱控信号输入端口。
5.如权利要求4所述的红外波束控制芯片，其特征在于，所述公共电极层和所述图形化电极层各通过一根导线引出；公共电极层引线和图形化电极层引线接入所述驱控信号输入端口，用于输入驱控和调变所述电控液晶红外汇聚平面微透镜阵列的驱控电压信号。
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