CN104298047A - 一种双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，包括：芯片壳体、电控散光液晶微透镜阵列、以及电控聚光液晶微透镜阵列，电控散光液晶微透镜阵列与电控聚光液晶微透镜阵列级联耦合构成双模复合电调架构，电控散光液晶微透镜阵列与电控聚光液晶微透镜阵列均设置在芯片壳体内部，二者彼此紧密贴合并与芯片壳体连接，且二者的光轴重合，电控散光液晶微透镜阵列的光入射面和电控聚光液晶微透镜阵列的光出射面分别通过芯片壳体顶面和底面的开口裸露出来。本发明的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片结构紧凑，可用于形成多种光束形态，具有较常规电控液晶微透镜更好的光场适应性，控制精度高，易与常规红外光学光电机械结构耦合。

Description

一种双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片
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，涉及一种双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片。
背景技术
近些年来，基于光汇聚和光发散微透镜阵列的耦合甚至集成，进行功能化光束变换这一技术快速发展，已在多个领域获得应用。典型的如基于级联配置的汇聚型微透镜阵列间的交错移动所构造的，灵巧光场扫描器和激光波束扫描投送器；耦合汇聚型与发散型微透镜阵列来减小像差，调节汇聚型和发散型微透镜阵列间距来调变视场、焦长、焦斑尺寸和焦深；有序调整交错排布的多微透镜阵列的分布形态和间距所构造的，灵巧高光谱分辨率谱波束选择和调变器；耦合阵列化LED光源与级联配置的微透镜阵列，调变辐射场亮度分布和光能输运形态；调节级联微透镜阵列间的位形排布实现激光束的可调变扩束、缩束或束出射方向改变等。随着应用领域的扩展和技术水平的提升，构建通过相互固连的微透镜阵列，实现可调变的束汇聚、束发散、束扩张、束收缩、束扫描、束变向、束形匀质化、束谱凝固和束谱调变等需求，对提高技术适应性、提升控光效能、扩大适用范围、增强使用灵活性、提高与其他红外光学光电装置的匹配能力以及降低成本等，均具有广泛和迫切的需求。
基于常规的汇聚型和发散型微透镜阵列的匹配耦合，进行功能化束整形和束变换这一技术方式的缺陷主要表现在以下方面：(一)固定形貌轮廓的常规微透镜因其光学性能的不变性，仅能通过改变微透镜阵列间距或相对位置来构建特定的光束形态和光能输运模式；(二)从表面形貌固定的阵列化微透镜出射的光场不具备能态及形态的精细调变能力；(三)通过机械运动方式调变微透镜阵列间的位置排布需要按照特定顺序展开，响应慢，状态转换耗时长，惯性大，需要匹配复杂的辅助驱控装置，因运动的本征连续性无法执行任意的状态切入或跳变；(四)难以灵活接入光路中或与其他红外光学光电结构耦合甚至集成。
近些年来，可电控调变光汇聚或光发散的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级厚度液晶材料，可对光波进行精细化汇聚或发散处理，对焦长、焦斑尺寸、焦深和视场进行可调变操作；(二)液晶微透镜的光场调控处理与所施加的电驱控信号存在一一对应关系，微透镜的控光操作可在电参数范围内通过随意选取，即随意选择某一电控状态展开，并可以通过调变电参数进行快速跳变；(三)由于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，具有明显的智能化特征；(四)轻薄和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；(五)液晶微透镜的功耗可低至微瓦级，驱控装置可小微型化甚至与液晶结构集成。目前，如何灵巧化耦合甚至集成汇聚型与发散型液晶微透镜阵列，实现特殊波束形态的功能化构建和调变，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复合红外电控液晶微透镜阵列芯片技术，其目的在于，实现特定形态红外波束的电控成形与精细调变以及光学参数可变动范围的显著扩展，易与其它红外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，提供了一种双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，包括：芯片壳体、电控散光液晶微透镜阵列、以及电控聚光液晶微透镜阵列，电控散光液晶微透镜阵列与电控聚光液晶微透镜阵列级联耦合构成双模复合电调架构，电控散光液晶微透镜阵列与电控聚光液晶微透镜阵列均设置在芯片壳体内部，二者彼此紧密贴合并与芯片壳体连接，且二者的光轴重合，电控散光液晶微透镜阵列的光入射面和电控聚光液晶微透镜阵列的光出射面分别通过芯片壳体顶面和底面的开口裸露出来，红外光波进入芯片的双模复合电调架构后，由电控散光液晶微透镜阵列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。各阵列化子入射波束与受控电场激励下的液晶分子作用并进入电控聚光液晶微透镜阵列，经由其微透镜进行汇聚压缩，再经耦合形成红外出射波束输出。
优选地，电控聚光液晶微透镜阵列采用双层结构，且上下层之间顺次设置有第一基片、第一电极层、第一电隔离层、第一定向层、第一液晶层、第二定向层、第二基片、以及第二电极层，第一电极层和第二电极层分别固定在第一基片和第二基片上，第一电极层包括m×n个孔，其中m、n均为大于的整数，第一电极层的其余部分作为电极，且从第一电极层延伸出一根第一电极引线，第二电极层整体为电极，从该第二电极层延伸出一根第二电极引线和一根第三电极引线。
优选地，第一定向层和第二定向层均由聚酰亚胺制成，第一电隔离层由SiO2制成。
优选地，电控散光液晶微透镜阵列采用双层结构，且上下层之间顺次设置有第三基片、第三定向层、第二液晶层、第四定向层、第二电隔离层、第三电极层、以及第四基片，第三电极层包括m×n个均匀分布且彼此电连接的子电极，子电极的中心与电控聚光液晶微透镜阵列的第一电极层对应的孔的孔心投影重合，且从一个子电极延伸出一根第四电极引线。
优选地，第三定向层和第四定向层均由聚酰亚胺制成，第二电隔离层由SiO2制成。
优选地，本发明的芯片还包括第一驱控信号输入端口以及第二驱控信号输入端口，其均设置在芯片壳体的侧面上。
优选地，第二电极引线和第三电极引线相连，并连接到第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的一端，然后与第一电极引线和第一驱控信号输入端口的另一端连接，第四电极引线和第二驱控信号输入端口的另一端连接。
优选地，在第一基片的光出射面和第四基片的光入射面上设置有红外增透膜系和红外增透膜系，它们材质相同。
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、相对较宽的光学参数变动范围：本发明基于独立加电驱控的发散和聚光液晶微透镜阵列的级联耦合，进行红外波束的整形和调变处理，具有较常规电控液晶微透镜其光学参数，诸如焦长、焦斑尺寸、焦深和可有效响应的光照度等，具有更宽的变动范围。
2、控制方式灵活：通过对芯片中的发散和聚光液晶微透镜阵列进行独立加电驱控，可实现基于发散/汇聚、单一发散或单一汇聚等模式下的波束构建，因此可以灵活控制芯片的光束处理操作。
3、智能化：通过调变加载在发散和聚光液晶微透镜阵列上的电信号频率或幅度，对红外波束进行的形态构建和调变，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：由于本发明采用可精密电驱控的液晶微透镜，具有极高的结构、电学与电光参数的稳定性和控制精度，以及采用双路信号协同对芯片进行驱动和调控，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，由电控散光液晶微透镜阵列与电控聚光液晶微透镜阵列级联耦合构成的双模复合电调架构，芯片在红外光路中接插方便，易与常规红外光学光电结构、电子和机械装置等匹配耦合。
附图说明
图1是本发明双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片的结构示意图；
图2是本发明双模复合红外电控液晶微透镜阵列的结构示意图；
图3是本发明双模复合红外电控液晶微透镜阵列的电结构示意图；
图4是本发明双模复合红外电控液晶微透镜阵列的光束变换示意图。
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-芯片壳体，2-电控散光液晶微透镜阵列，3-电控聚光液晶微透镜阵列，4-第一驱控信号输入端口，5-第二驱控信号输入端口，6-双模复合电调架构。
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，本发明的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片包括：芯片壳体1、电控散光液晶微透镜阵列2、电控聚光液晶微透镜阵列3、第一驱控信号输入端口4以及第二驱控信号输入端口5，其中电控散光液晶微透镜阵列2与电控聚光液晶微透镜阵列3级联耦合构成双模复合电调架构6，电控散光液晶微透镜阵列2与电控聚光液晶微透镜阵列3均设置在芯片壳体1内部，二者彼此紧密贴合并与芯片壳体1连接，且二者的光轴重合，第一驱控信号输入端口4和第二驱控信号输入端口5设置在芯片壳体1的侧面上。
电控散光液晶微透镜阵列2的光入射面和电控聚光液晶微透镜阵列3的光出射面分别通过芯片壳体1顶面和底面的开口裸露出来。
红外光波进入芯片的双模复合电调架构6后，首先由电控散光液晶微透镜阵列2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，被发散出射并进入电控聚光液晶微透镜阵列3，经由相应微透镜进行汇聚压缩，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。
如图2和图3所示，电控聚光液晶微透镜阵列3采用双层结构，且上下层之间顺次设置有第一基片7、第一电极层8、第一电隔离层9、第一定向层10、第一液晶层11、第二定向层12、第二基片13、以及第二电极层14。
第一电极层7和第二电极层8分别固定在第一基片7和第二基片13上。第一电极层7包括m×n个微圆孔(或微方孔)，其中，m、n均为大于1的整数，第一电极层7的其余部分作为电极，且从第一电极层7延伸出一根第一电极引线，第二电极层8整体为电极，从该第二电极层8延伸出一根第二电极引线和一根第三电极引线。
第一定向层10和第二定向层12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9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且与基片和液晶定向层可有效耦合的材料。
电控散光液晶微透镜阵列2采用双层结构，且上下层之间顺次设置有第三基片15、第三定向层16、第二液晶层17、第四定向层18、第二电隔离层19、第三电极层20、以及第四基片21，第三电极层20包括m×n个均匀分布且彼此电连接的微圆形(或微方形)子电极，微圆形(或微方形)子电极的圆心(或中心)与电控聚光液晶微透镜阵列3的第一电极层8对应的微圆孔(或微方孔)的孔心投影重合，且从一个微圆形(或微方形)子电极延伸出一根第四电极引线。
第二电极引线和第三电极引线相连，并连接到第一驱控信号输入端口4和第二驱控信号输入端口5的一端，然后与第一电极引线和第一驱控信号输入端口4的另一端连接，第四电极引线和第二驱控信号输入端口5的另一端连接。
第三定向层16和第四定向层18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。
第二电隔离层由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。
芯片中的电控散光微透镜阵列其微圆形(或微方形)图案化电极，以及电控聚光微透镜阵列中的微圆孔(或微方孔)图案化电极，因分别相互连通被同步加电。在第一基片7的光出射面和第四基片21的光入射面上设置有红外增透膜系22和红外增透膜系23，它们材质相同。
如图4所示，所述双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片用于形成特定的光束形态，以及在较常规液晶微透镜阵列更为宽大的光学参数变动范围内，对红外光束形态和能量输运模式进行调变。通过调节加载在电控散光液晶微透镜阵列上的电压信号调变阵列化子出射波束的发散程度，该操作等效于调变如图所示的，与平面液晶微透镜具有类似光发散效能的常规凹折射微透镜其表面弯曲程度和下弯深度，即光线发散能力；通过调节加载在电控聚光液晶微透镜阵列上的电压信号调变阵列化红外子出射光束的汇聚式压缩程度，该操作等效于调变如图所示的，与平面液晶微透镜具有类似光汇聚效能的常规凸折射微透镜其表面弯曲程度和上凸高度，即光线汇聚能力。最终输出基于被调变子波束耦合形成的特定形态红外透射波束。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。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合图1、图2、图3和图4说明本发明实施例的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片的工作过程。
首先将信号线接入第一驱控信号输入端口以及第二驱控信号输入端口，将两路电压信号独立输入和加载在电控散光和聚光液晶微透镜阵列上。双模复合红外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电控散光液晶微透镜阵列后，与受控电场激励下构建的具有特定阵列化折射率分布形态的液晶分子相互作用而呈发散态，形成微光孔形图案化出射光场，微光孔的边界亮度及孔内消光比，随驱控信号频率或幅度的变化而改变，或者说由施加在液晶微透镜其图案化电极上的电压信号调变。所出射的阵列化子发散波束进一步进入与电控散光液晶微透镜阵列级联耦合的电控聚光液晶微透镜阵列，按照发散与聚光液晶微透镜间已固化的一一对应关系，被进一步执行汇聚式的压缩处理，从电控聚光液晶微透镜出射的子波束经耦合，形成新的红外透射波束并从芯片的光出射窗口输出。
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 (8)

1.一种双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，包括：芯片壳体、电控散光液晶微透镜阵列、以及电控聚光液晶微透镜阵列，电控散光液晶微透镜阵列与电控聚光液晶微透镜阵列级联耦合构成双模复合电调架构，电控散光液晶微透镜阵列与电控聚光液晶微透镜阵列均设置在芯片壳体内部，二者彼此紧密贴合并与芯片壳体连接，且二者的光轴重合，电控散光液晶微透镜阵列的光入射面和电控聚光液晶微透镜阵列的光出射面分别通过芯片壳体顶面和底面的开口裸露出来，其特征在于，
红外光波进入芯片的双模复合电调架构后，由电控散光液晶微透镜阵列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。各阵列化子入射波束与受控电场激励下的液晶分子作用并进入电控聚光液晶微透镜阵列，经由其微透镜进行汇聚压缩，再经耦合形成红外出射波束输出。
2.根据权利要求1所述的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，
电控聚光液晶微透镜阵列采用双层结构，且上下层之间顺次设置有第一基片、第一电极层、第一电隔离层、第一定向层、第一液晶层、第二定向层、第二基片、以及第二电极层；
第一电极层和第二电极层分别固定在第一基片和第二基片上，第一电极层包括m×n个孔，其中m、n均为大于的整数，第一电极层的其余部分作为电极，且从第一电极层延伸出一根第一电极引线；
第二电极层整体为电极，从该第二电极层延伸出一根第二电极引线和一根第三电极引线。
3.根据权利要求2所述的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，
第一定向层和第二定向层均由聚酰亚胺制成；
第一电隔离层由SiO2制成。
4.根据权利要求2所述的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，
电控散光液晶微透镜阵列采用双层结构，且上下层之间顺次设置有第三基片、第三定向层、第二液晶层、第四定向层、第二电隔离层、第三电极层、以及第四基片；
第三电极层包括m×n个均匀分布且彼此电连接的子电极，子电极的中心与电控聚光液晶微透镜阵列的第一电极层对应的孔的孔心投影重合，且从一个子电极延伸出一根第四电极引线。
5.根据权利要求4所述的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，
第三定向层和第四定向层均由聚酰亚胺制成；
第二电隔离层由SiO2制成。
6.根据权利要求4所述的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，还包括第一驱控信号输入端口以及第二驱控信号输入端口，其均设置在芯片壳体的侧面上。
7.根据权利要求6所述的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，
第二电极引线和第三电极引线相连，并连接到第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的一端，然后与第一电极引线和第一驱控信号输入端口的另一端连接；
第四电极引线和第二驱控信号输入端口的另一端连接。
8.根据权利要求4所述的双模复合红外电控液晶微透镜阵列芯片，其特征在于，在第一基片的光出射面和第四基片的光入射面上设置有红外增透膜系和红外增透膜系，它们材质相同。
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