CN104330929A - 基于电控液晶双模微透镜的控光芯片 - Google Patents

基于电控液晶双模微透镜的控光芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电控液晶双模微透镜的控光芯片。该芯片包括面阵电控液晶双模微透镜；其包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、第一电极层、电绝缘层、第二电极层、第一基片和第一增透膜，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、公共电极层、第二基片和第二增透膜；第一电极层由其上布有m×n元阵列分布的圆孔的一层匀质石墨烯膜构成，公共电极层和第二电极层分别由一层与第一电极层同质的匀质石墨烯膜构成。该芯片能执行波束的阵列化光汇聚或光发散变换操作，具有光学波束调变能力强，电光性能优越，环境适应性好，易与其它光学光电机械结构匹配等特点。

Description

基于电控液晶双模微透镜的控光芯片
技术领域
本发明属于光学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双模微透镜的控光芯片。
背景技术
近些年来，电控液晶微透镜技术快速发展，已展现出较强的电调焦、电摆焦、电控波前、电调点扩散函数、电控焦深、电选通光孔径、电调感光视场、电切换光汇聚与光发散模态、电调波束发散形态和程度等能效特征。液晶材料的稳定控光态间的时间常数，目前已低至亚毫秒级，实验室级的已低至微秒级。液晶微透镜的控光操作，已可以做到按照特定加电顺序有序展开，以及基于电学阈值以上的加电随意性所具备的智能化控光等。电控液晶微透镜因其仅使用微米级厚度的液晶材料所具有的轻薄特征，可被灵活置入光路中或基于标准微电子工艺构建的现代微光学光电架构中。其特征性的光学性能的电激励和电调变特性，已展现出通过调节电参数来有效维持或变更液晶材料折射率的特定空间分布形态，适应器件的供电波动、环境因素变化、目标特征变动以及需求变更等所意味的，在实现微纳光学自适应调控变换方面的极大发展潜力。目前，如何进一步发展性能更为优良的电控液晶微透镜技术，已受到广泛关注并成为研发热点。
目前主流的电控液晶微透镜架构为：增透膜+基片+图形化合金电极+液晶初始取向层+微米级厚度液晶材料+液晶初始取向层+公共合金电极+基片+增透膜。在可见光近红外谱域所广泛采用的合金电极材料多为氧化铟锡(ITO)。上述典型架构的缺陷主要包括：(一)光波透过率一般在85％左右，对更高透过率要求而言则需额外制作增透膜系；(二)膜合金电极材料存在谱透过率不均匀性，在若干光频处甚至会衰减到最大透过率值的一半以上；(三)合金材料中的载流子如阳离子和电子等，有时会穿透液晶初始取向层渗透进液晶材料中，通过与液晶分子的极性基团中和，使液晶分子丧失电控介电能力，从而显著降低控光效能并显著缩短器件寿命；(四)由于金属材料存在较大电阻，其热效应和较高频率电磁信号驱控下的趋肤效应，将严重影响施加在液晶材料中的空间电场的构建效能，从而显著降低器件控光能力。因此，进一步发展高性能电控液晶微透镜的一个重要着力点是：寻找光学和电学性能更为优良，与液晶材料匹配能力更强的电极材料。
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双模微透镜的控光芯片，能执行波束的阵列化光汇聚或光发散变换操作，该操作依双路驱控电压信号展开、凝固或切换，具有光学波束调变能力强，电光性能优越，环境适应性好，易与其它光学光电机械结构匹配等特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于电控液晶双模微透镜的控光芯片，其特征在于，包括面阵电控液晶双模微透镜；所述面阵电控液晶双模微透镜包括液晶材料层，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、第一电极层、电绝缘层、第二电极层、第一基片和第一增透膜，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、公共电极层、第二基片和第二增透膜；所述第一电极层由其上布有m×n元阵列分布的圆孔的一层匀质石墨烯膜构成，其中，m、n均为大于1的整数，所述公共电极层和第二电极层分别由一层与所述第一电极层同质的匀质石墨烯膜构成；所述面阵电控液晶双模微透镜被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶双模微透镜，所述单元电控液晶双模微透镜与所述圆孔一一对应，每个圆孔均位于对应的单元电控液晶双模微透镜的中心，形成单元电控液晶双模微透镜的第一上电极，所有单元电控液晶双模微透镜的第二上电极由所述第二电极层提供，所有单元电控液晶双模微透镜的下电极由所述公共电极层提供。
优选地，入射波束进入所述面阵电控液晶双模微透镜后，面阵电控液晶双模微透镜按照其中单元电控液晶双模微透镜的阵列规模和位置情况，将入射波束进行离散化分割，形成与各单元电控液晶双模微透镜对应的子入射波束各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子相互作用，被执行特定程度的汇聚或发散处理，得到具有聚光点形态的汇聚子出射波束或具有光环形态的发散子出射波束，各子出射波束耦合形成特定形态的出射波束从所述芯片输出；其中，所述公共电极层和第一电极层作为第一电极对，所述公共电极层和第二电极层作为第二电极对，所述第一电极对和所述第二电极对上分别加载第一和第二驱控电压信号V2；通过调节V1和V2的频率或均方幅度，能使各单元电控液晶双模微透镜工作在光汇聚模态或光发散模态，并在各单元电控液晶双模微透镜工作在光汇聚模态时，调变各汇聚子出射波束的焦长和点扩散函数，在各单元电控液晶双模微透镜工作在光发散模态时，调变各发散子出射波束的光环孔径、亮度和孔内消光比。
优选地，单个圆孔的面积与对应的单元电控液晶双模微透镜的光接收面积的比值为电极开孔系数，所述电极开孔系数为5％～25％。
优选地，所述控光芯片还包括芯片外壳；所述面阵电控液晶双模微透镜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部和底部开口裸露在外；所述芯片外壳的侧面设置有驱控信号输入端口，用于输入加载在所述面阵电控液晶双模微透镜上的驱控电压信号。
优选地，所述第一电极层、第二电极层和公共电极层各通过一根导线引出，形成的第一电极层引线、第二电极层引线和公共电极层引线均接入所述驱控信号输入端口，其中，第一电极层引线和公共电极层引线用于加载第一驱控电压信号，第二电极层引线和公共电极层引线用于加载第二驱控电压信号。
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、控光能力强。基于石墨烯材料极佳的电传导和空间电场构建能力，以及其极高的光透过和导热效能，使本发明的控光芯片具备极为优良的电学和电光控制能力以及光学变换效能。
2、液晶基二维电驱控。通过独立调控加载在面阵电控液晶双模微透镜的两个电极层上的双路驱控电压信号，能灵活地完成光汇聚与光发散模态的切换以及光束的阵列化调变。
3、液晶电学物性长效化。由于采用石墨烯作为电极层材料，彻底摆脱了贵金属电极材料可能引入的对液晶离子化基团的影响，显著延长了器件寿命。
4、智能化。对面阵电控液晶双模微透镜的加电操作，可在先验知识或阵列化波束处理结果的约束、干预或引导下进行，具有智能化特征。
5、控制精度高。由于采用石墨烯作为电极层材料进行面阵电控液晶双模微透镜的精密电驱控操作，具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性，具有控制精度高的优点。
6、使用方便。本发明的芯片主体为封装在芯片外壳内的面阵电控液晶双模微透镜，在光路中接插方便，易与常规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双模微透镜的控光芯片的结构示意图；
图2是面阵电控液晶双模微透镜的结构示意图；
图3是单元电控液晶双模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-面阵电控液晶双模微透镜，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。
近些年来，石墨烯技术取得了突飞猛进的发展，所显示的若干突出特性为发展新一代的电控液晶微透镜技术带来了曙光。其典型特征包括：具有超强导电性，超高透光率(～>97％)，是目前电子迁移率最高的材料，结构极为稳定牢固，具有基于碳原子耦合的超强耐腐蚀性，特征性的六边形网状碳原子连接架构使其极为柔韧，抗静电能力极强，已显示出与多种光学光电材料极好的结构匹配与耦合性，不会产生影响液晶材料固有极性的离子基团等。用石墨烯替代目前电控液晶微透镜中的贵金属合金材料来制作电极，将有望彻底摆脱基于贵金属电极材料制作液晶微透镜所显示的多项限制性约束，对进一步提升液晶微透镜的控光效能，延长器件寿命以及扩展功能，进一步推动光学波束精密测量与控制技术的持续快速发展具有重要意义。
如图1所示，本发明实施例的基于电控液晶双模微透镜的控光芯片包括芯片外壳3和面阵电控液晶双模微透镜2。面阵电控液晶双模微透镜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的顶部和底部开口裸露在外。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，面阵电控液晶双模微透镜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、第一电极层、电绝缘层、第二电极层、第一基片和第一增透膜，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、公共电极层、第二基片和第二增透膜。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)，第一电极层由其上布有m×n元阵列分布的微圆孔的一层匀质石墨烯膜构成，其中，m、n均为大于1的整数。公共电极层和第二电极层分别由一层与第一电极层同质的匀质石墨烯膜构成。第一电极层、第二电极层和公共电极层各通过一根导线引出，形成的第一电极层引线、第二电极层引线和公共电极层引线均接入驱控信号输入端口1，用于输入加载在面阵电控液晶双模微透镜2上的驱控电压信号。
第一电极层、第二电极层和公共电极层的厚度均在十几至几十纳米范围内。第一和第二液晶初始取向层由具有电隔离作用的材料制成，典型的如聚酰亚胺，其厚度在微米量级。第一基片和第二基片为同种光学材质。电绝缘层采用电绝缘且与基片能有效耦合的材料制成，典型的如SiO2。
将上述面阵电控液晶双模微透镜2划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶双模微透镜，单元电控液晶双模微透镜与微圆孔一一对应，每个微圆孔均位于对应的单元电控液晶双模微透镜的中心，形成单元电控液晶双模微透镜的第一上电极，所有单元电控液晶双模微透镜的第二上电极由第二电极层提供，所有单元电控液晶双模微透镜的下电极由公共电极层提供。单个微圆孔的面积与对应的单元电控液晶双模微透镜的光接收面积的比值为电极开孔系数，其典型值在5％至25％间。
本发明实施例的基于电控液晶双模微透镜的控光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。其工作原理如下。
如图3所示，公共电极层和第一电极层作为第一电极对，公共电极层和第二电极层作为第二电极对，通过驱控信号输入端口1内的第一电极层引线、第二电极层引线和公共电极层引线，分别在第一电极对和第二电极对上加载第一驱控电压信号V1和第二驱控电压信号V2，使各单元电控液晶双模微透镜同时被第一和第二驱控电压信号V1和V2加电驱控。分布在构成液晶微腔的双层平面电极板(上层平面电极板包括第一液晶初始取向层、第一电极层、电绝缘层、第二电极层、第一基片和第一增透膜；下层平面电极板包括第二液晶初始取向层、公共电极层、第二基片和第二增透膜)内表面附近的液晶分子，被制作在两个相对的平面电极板表面并具有平行沟槽取向的液晶初始取向层牢固锚定，高于液晶材料驱控信号阈值的驱控电压信号，将在液晶材料中激励起可调变的空间电场，在液晶材料层中的液晶分子则通过双层平面电极板所激励的空间电场驱动，形成与对入射光束执行受控的汇聚或发散束变换相适应的折射率空间分布形态。
在第一电极对上加载第一驱控电压信号V1后，将构成从微圆孔边缘指向对应的单元电控液晶双模微透镜的下电极中心的汇聚状电场，激励液晶分子形成在对应的单元电控液晶双模微透镜的中心轴处折射率大，边缘处折射率小，由中心轴到边缘折射率递减的折射率空间分布形态，从而使单元电控液晶双模微透镜形成光汇聚模态。在第二电极对上加载第二驱控电压信号V2后，将使穿过微圆孔中心处的电场强于穿过孔边缘处的电场并呈由中心到边缘径向递减的形态，从而使单元电控液晶双模微透镜形成光发散模态。微圆孔电极将形成对应的单元电控液晶双模微透镜的微圆通光孔。微圆孔电极的结构尺寸与填充液晶材料的微腔深度共同决定对应的单元电控液晶双模微透镜的通光孔径。
入射波束进入芯片中的面阵电控液晶双模微透镜后，面阵电控液晶双模微透镜按照其中单元电控液晶双模微透镜的阵列规模和位置情况，将入射波束进行离散化分割，形成与各单元电控液晶双模微透镜对应的子入射波束。各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子相互作用，被执行特定程度的汇聚或发散处理，其中，在第一驱控电压信号V1和第二驱控电压信号V2满足如下条件时，各单元电控液晶双模微透镜形成光汇聚模态：0≤V1＜V2，各子入射波束经过对应的单元电控液晶双模微透镜后，形成如图3所示的具有微聚光点形态的汇聚子出射波束；在第一驱控电压信号V1和第二驱控电压信号V2满足如下条件时，各单元电控液晶双模微透镜形成光发散模态：V1＞V2≥0，各子入射波束经过对应的单元电控液晶双模微透镜后，形成如图3所示的具有微光环形态的发散子出射波束。各子出射波束进一步耦合形成具有特定形态的出射波束从芯片输出。
通过调节第一驱控电压信号V1和第二驱控电压信号V2的频率或均方幅度，使各单元电控液晶双模微透镜工作在光汇聚模态或光发散模态。具体地，在各单元电控液晶双模微透镜工作在光汇聚模态时，调变各汇聚子出射波束的焦长和点扩散函数，聚焦形成的微聚光点数目，由参与光束汇聚的单元电控液晶双模微透镜的阵列规模决定，在正入射条件下，每个微聚光点落在与其对应的单元电控液晶双模微透镜的中心轴上；在各单元电控液晶双模微透镜工作在光发散模态时，调变各发散子出射波束的微光环的孔径、亮度和孔内消光比等，发散形成的微光环数目，由参与光束发散的单元电控液晶双模微透镜的阵列规模决定，在正入射条件下，每个微光环的中心落在与其对应的单元电控液晶双模微透镜的中心轴上。通过上述方式，使出射波束被凝固在特定形态或调变到预定形态。
基于纳米石墨烯与光学基片的良好耦合特性，芯片具备长效稳定可靠的透光、导电、导热、抗强电流和高频电磁信号冲击的能力。在双模复合模态下，根据入射光强和阵列化出射光场要求，通过匹配和协同调变独立加载的两路驱控电压信号，芯片具备精细调变阵列化汇聚或发散程度、扩展或压缩景深以及适应光场被扰动的能力。芯片断电后其束变换功能消失，光束通过芯片后保持其束特征不变。
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)

1.一种基于电控液晶双模微透镜的控光芯片，其特征在于，包括面阵电控液晶双模微透镜；所述面阵电控液晶双模微透镜包括液晶材料层，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、第一电极层、电绝缘层、第二电极层、第一基片和第一增透膜，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、公共电极层、第二基片和第二增透膜；所述第一电极层由其上布有m×n元阵列分布的圆孔的一层匀质石墨烯膜构成，其中，m、n均为大于1的整数，所述公共电极层和第二电极层分别由一层与所述第一电极层同质的匀质石墨烯膜构成；
所述面阵电控液晶双模微透镜被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶双模微透镜，所述单元电控液晶双模微透镜与所述圆孔一一对应，每个圆孔均位于对应的单元电控液晶双模微透镜的中心，形成单元电控液晶双模微透镜的第一上电极，所有单元电控液晶双模微透镜的第二上电极由所述第二电极层提供，所有单元电控液晶双模微透镜的下电极由所述公共电极层提供。
2.如权利要求1所述的基于电控液晶双模微透镜的控光芯片，其特征在于，入射波束进入所述面阵电控液晶双模微透镜后，所述面阵电控液晶双模微透镜按照其中单元电控液晶双模微透镜的阵列规模和位置情况，将入射波束进行离散化分割，形成与各单元电控液晶双模微透镜对应的子入射波束各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子相互作用，被执行特定程度的汇聚或发散处理，得到具有聚光点形态的汇聚子出射波束或具有光环形态的发散子出射波束，各子出射波束耦合形成特定形态的出射波束从所述芯片输出；
其中，所述公共电极层和第一电极层作为第一电极对，所述公共电极层和第二电极层作为第二电极对，所述第一电极对和所述第二电极对上分别加载第一和第二驱控电压信号V1和V2；通过调节V1和V2的频率或均方幅度，能使各单元电控液晶双模微透镜工作在光汇聚模态或光发散模态，并在各单元电控液晶双模微透镜工作在光汇聚模态时，调变各汇聚子出射波束的焦长和点扩散函数，在各单元电控液晶双模微透镜工作在光发散模态时，调变各发散子出射波束的光环孔径、亮度和孔内消光比。
3.如权利要求1或2所述的基于电控液晶双模微透镜的控光芯片，其特征在于，单个圆孔的面积与对应的单元电控液晶双模微透镜的光接收面积的比值为电极开孔系数，所述电极开孔系数为5％～25％。
4.如权利要求1至3中任一项所述的基于电控液晶双模微透镜的控光芯片，其特征在于，所述控光芯片还包括芯片外壳；所述面阵电控液晶双模微透镜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部和底部开口裸露在外；所述芯片外壳的侧面设置有驱控信号输入端口，用于输入加载在所述面阵电控液晶双模微透镜上的驱控电压信号。
5.如权利要求4所述的基于电控液晶双模微透镜的控光芯片，其特征在于，所述第一电极层、第二电极层和公共电极层各通过一根导线引出，形成的第一电极层引线、第二电极层引线和公共电极层引线均接入所述驱控信号输入端口，其中，第一电极层引线和公共电极层引线用于加载第一驱控电压信号，第二电极层引线和公共电极层引线用于加载第二驱控电压信号。
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