CN104298029B - 基于电控液晶红外发散平面微柱镜的红外波束控制芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电控液晶红外发散平面微柱镜的红外波束控制芯片。其包括电控液晶红外发散平面微柱镜阵列；电控液晶红外发散平面微柱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元阵列分布的长方孔对的一层匀质导电膜构成。本发明能实现微长方光孔阵图形化光场的电控成形与调变，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

基于电控液晶红外发散平面微柱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，涉及一种基于电控液晶红外发散平面微柱镜阵列，电控构建可调变的由阵列化微长方光孔有序排布构成的图形化光场的控光芯片。

背景技术

近些年来，基于表面浮雕轮廓的柱折射或柱衍射光发散微透镜阵列，产生由阵列化微长方光孔有序排布构建的特定形态光场这一技术，已在多个领域获得应用。典型的如大规模集成电路光刻工艺中的阵列化微长方光孔红外光刻源，用于MEMS和MEOMS器件中的微长方形结构阵列制作的红外直写光刻源，匀质化的微长方光孔阵基准红外辐射源，强功率激光束基于微长方光孔分隔的图形化构建，红外光电芯片非光敏区域红外入射辐射的阵列化驱离、感光效能增强与信噪比提高等。随着应用领域的延伸和技术适用程度的扩展，构建可电调阵列化微长方光孔其边界亮度、清晰度、孔宽、提高孔内漏光的消光比等的微长方光孔阵图形化光场这一方面的需求，持续推动着该技术的发展和创新。

目前已获得广泛应用的构建微长方光孔阵红外光场的典型方式包括：(一)通过表面浮雕轮廓固定的常规凹折射透镜，得到结构尺寸固定的微长方光孔阵光场，微长方光孔其形貌、孔宽、孔内消光比和阵列化排布形态等均被固化；(二)通过衍射相位结构基于波前调节得到远场微长方光孔阵光场，所构建的微长方光孔其图形规则性差、边界模糊以及孔内消光比低，并随衍射级次的变化显示不同的结构尺寸；(三)通过多波束干涉构建的微长方光孔阵光场其微孔图案近似线形、边界模糊且孔内消光比低，不具备微光孔结构尺寸和形态的精细调变能力；(四)通过在光学系统中设置特殊的图形架构得到微长方光孔阵光场这一方式，受红外光学系统更为明显的本征衍射限约束，在微米尺度上存在微长方光孔的边界模糊，孔内存在较强漏光且无法调变微长方光孔结构尺寸等问题；(五)目前在精细调变所构造的阵列化微长方光孔其孔宽以及减少孔内漏光等方面，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、状态转换时间长且惯性大，需要配置相对复杂的辅助装置，因机械运动的本征连续性而无法执行任意的光学状态切入或跳变，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。进入新世纪以来，发展小微型化的可调变微长方光孔阵红外光场技术，受到广泛关注。

近些年来，基于可见光谱域的电控液晶微透镜进行波束调控这一技术方式已取得显著进展，为解决上述红外谱域内的问题提供了一条可能途径。目前已具备的主要功能包括：(一)在阵列化液晶结构上施加电驱控信号，光束发散可在所设定的状态下展开、凝固或调变；(二)液晶微透镜的光发散作用受先验知识或光束变换结果的约束、干预或引导；(三)平面端面的阵列化液晶微透镜可被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；(四)液晶结构的驱控操作可基于极低功率电压信号进行。目前，如何借鉴可见光谱域的小微型化电控液晶微透镜技术，实现特殊形态红外光场的可调变构建，已成为继续发展红外波束精密测量与控制技术所面临的难点和瓶颈问题，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发散平面微柱镜的红外波束控制芯片，能实现微长方光孔阵图形化光场的电控成形与调变，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，包括电控液晶红外发散平面微柱镜阵列；所述电控液晶红外发散平面微柱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元阵列分布的长方孔对的一层匀质导电膜构成，所述长方孔对由两个并排的长方形孔构成，其中，m、n均为大于1的整数；所述电控液晶红外发散平面微柱镜阵列被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶红外发散平面微柱镜，所述单元电控液晶红外发散平面微柱镜与所述长方孔对一一对应，每个长方孔对均位于对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的中心，形成单元电控液晶红外发散平面微柱镜的上电极，所有单元电控液晶红外发散平面微柱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发散平面微柱镜阵列后，被各单元电控液晶红外发散平面微柱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呈发散态，形成具有长方光孔形态的子透射波束，阵列化的子透射波束耦合形成由阵列化的长方光孔有序排布构成的图形化红外透射波场；其中，各单元电控液晶红外发散平面微柱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发散平面微柱镜的红外子出射波束的发散程度。

优选地，通过调变驱控电压信号调节发散光场的光学参数，能抵抗目标或环境光场扰动以及电参数波动。

优选地，单个长方孔对的面积与对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的光接收面积的比值为开孔系数，所述开孔系数为25％～50％。

优选地，单个长方孔对的两个长方形孔之间的金属条的面积与对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的光接收面积的比值为中心电极填充系数，所述中心电极填充系数为4％～16％。

优选地，所述控制芯片还包括芯片外壳；所述电控液晶红外发散平面微柱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前后两个端面上正对的开孔裸露在外；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发散平面微柱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、图形化波束的快速成形与调变。本发明基于电驱控的液晶红外发散微柱镜阵列，实现红外入射波束的阵列化分割、发散与耦合出射，具有将出射波束凝固在特定形态或调变到预定形态的优点。

2、控制方式灵活。通过对电控液晶红外发散微柱镜阵列执行基于调频或调幅电压信号的快速加电操作，可实现基于阵列化微长方光孔排布的图形化出射光场的快速构建与调变。

3、智能化。通过调节加载在电控液晶红外发散微柱镜阵列上的电驱控信号，对图形化光场的构建和调变操作可在先验知识或波束处理结果的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。

4、控制精度高。由于采用可精密电驱控的液晶微透镜，具有极高的结构、电学及电光参数的稳定性和控制精度。

5、使用方便。本发明的芯片主体为封装在芯片外壳内的电控液晶红外发散微柱镜阵列，在红外光路中配置方便，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发散平面微柱镜的红外波束控制芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例的电控液晶红外发散平面微柱镜阵列的结构示意图；

图3是电控液晶红外发散平面微柱镜阵列的剖面示意图；

图4是单元电控液晶红外发散平面微柱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-电控液晶红外发散平面微柱镜阵列，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发散平面微柱镜的红外波束控制芯片包括芯片外壳3和电控液晶红外发散平面微柱镜阵列2。电控液晶红外发散平面微柱镜阵列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的前后两个端面上正对的开孔裸露在外。芯片外壳3的侧面设置有驱控信号输入端口1。

如图2和图3所示，电控液晶红外发散平面微柱镜阵列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元阵列分布的微长方孔对的一层匀质导电膜构成，微长方孔对由两个并排的长方形孔构成，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发散平面微柱镜阵列2的电信号。

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，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发散平面微柱镜阵列2划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶红外发散平面微柱镜，单元电控液晶红外发散平面微柱镜与微长方孔对一一对应，每个微长方孔对均位于对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的中心，形成单元电控液晶红外发散平面微柱镜的上电极，所有单元电控液晶红外发散平面微柱镜的下电极由公共电极层提供。单个微长方孔对的面积与对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的光接收面积的比值被称为开孔系数，单个微长方孔对的两个长方形孔之间的金属条的面积与对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的光接收面积的比值被称为中心电极填充系数，开孔系数的典型值在25％至50％间，中心电极填充系数的典型值在4％至16％间。单个微长方孔对的两个长方形孔之间的金属条的长宽比的典型值一般应在10以上。

本发明实施例的基于电控液晶红外发散平面微柱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。

通常情况下，液晶分子对强度相对较低的空间电场呈现较为明显的电驱控响应行为，其固有电矩在外电场驱动下呈现不同程度的摆动或扭转。电场强度过低，将无法驱动质量相对较大的长链大分子液晶来产生电矩摆动。电场强度过高，液晶分子将被迅速偏摆并进入不再产生随电场强度的变化而改变的稳定态。因此，液晶分子的电场驱动偏摆效应对外加电场而言，存在一个有效的作用范围以及该范围约束下的液晶分子其空间角偏摆与驱动液晶分子变动的空间电场间的一一对应关系。液晶分子的不同空间排布取向，对应液晶材料所呈现的不同折射率状态。因此，具有特定空间分布形态的电场，会驱使液晶分子产生趋向于场强方向的变动，从而在电场激励下产生特定的折射率空间分布形态。电场其强度以及空间分布形态的变化，将导致液晶材料其折射率空间分布形态的改变。

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，通过图形化雕刻的电极板，可在液晶材料中激励起特定空间分布形态的电场，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，其指向矢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形态并与另一层公共电极板耦合，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。

在微长方孔对子电极与另一层平面公共电极耦合时，通过加载电压信号将构成从子电极指向平面公共电极的柱形发散状电场，激励液晶分子形成在两个长方形孔间的中线处的折射率小，外缘处的折射率大，并沿中线到外缘的方向渐进增大这样一种柱形分布形态，从而构成光发散微柱镜。微长方孔对子电极的结构尺寸与填充液晶材料的微腔深度，共同决定微柱镜的通光孔径。

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发散平面微柱镜阵列上，各单元电控液晶红外发散平面微柱镜被驱控电压信号V同步加电驱控。红外入射波束进入电控液晶红外发散平面微柱镜阵列后，电控液晶红外发散平面微柱镜阵列按照其单元电控液晶红外发散平面微柱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发散平面微柱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呈发散态，形成具有微长方光孔形态的子透射波束，进而形成微光孔孔径、线边界亮度、孔清晰度以及孔内漏光消光比等随驱控信号频率或幅度变化的微长方光孔阵。由各单元液晶红外发散平面微柱镜输出的阵列化的子透射波束耦合形成由阵列化的微长方光孔有序排布构成的图形化红外透射波场。

各子透射波束与单元电控液晶红外发散平面微柱镜一一对应，在正入射条件下，微长方光孔的中心轴线与对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的中心线光轴重合。子透射波束的发散程度(对应微长方光孔的宽度、长方环的亮度、光孔清晰度和孔内消光比等)随施加在各单元电控液晶红外发散平面微柱镜上的电压信号频率或幅度变化，该操作等效于调变与单元电控液晶红外发散平面微柱镜具有类似光发散效能的常规凹折射微柱镜的表面弯折程度与下弯深度即光线发散能力，如图4所示的与电控柱形散光态-1和电控柱形散光态-2粗略对应的等效电控态-1和等效电控态-2。

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发散平面微柱镜的红外子出射波束的发散程度，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，对发散光场的光学参数进行校正调节，使芯片具备抗扰动能力。芯片断电后光发散功能消失，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 (6)

1.一种红外波束控制芯片，其特征在于，包括电控液晶红外发散平面微柱镜阵列；所述电控液晶红外发散平面微柱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元阵列分布的长方孔对的一层匀质导电膜构成，所述长方孔对由两个并排的长方形孔构成，其中，m、n均为大于1的整数；

所述电控液晶红外发散平面微柱镜阵列被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶红外发散平面微柱镜，所述单元电控液晶红外发散平面微柱镜与所述长方孔对一一对应，每个长方孔对均位于对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的中心，形成单元电控液晶红外发散平面微柱镜的上电极，所有单元电控液晶红外发散平面微柱镜的下电极由所述公共电极层提供；

红外入射波束进入所述电控液晶红外发散平面微柱镜阵列后，被各单元电控液晶红外发散平面微柱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呈发散态，形成具有长方光孔形态的子透射波束，阵列化的子透射波束耦合形成由阵列化的长方光孔有序排布构成的图形化红外透射波场；

其中，各单元电控液晶红外发散平面微柱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发散平面微柱镜的红外子出射波束的发散程度。

2.如权利要求1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发散光场的光学参数，能抵抗目标或环境光场扰动以及电参数波动。

3.如权利要求1至2中任一项所述的红外波束控制芯片，其特征在于，单个长方孔对的面积与对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的光接收面积的比值为开孔系数，所述开孔系数为25％～50％。

4.如权利要求1至2中任一项所述的红外波束控制芯片，其特征在于，单个长方孔对的两个长方形孔之间的金属条的面积与对应的单元电控液晶红外发散平面微柱镜的光接收面积的比值为中心电极填充系数，所述中心电极填充系数为4％～16％。

5.如权利要求4所述的红外波束控制芯片，其特征在于，所述控制芯片还包括芯片外壳；所述电控液晶红外发散平面微柱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前后两个端面上正对的开孔裸露在外；所述芯片外壳的侧面设置有驱控信号输入端口。

6.如权利要求5所述的红外波束控制芯片，其特征在于，所述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发散平面微柱镜阵列的驱控电压信号。