CN104330931A - 一种红外液晶相控阵芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外液晶相控阵芯片。该芯片包括电控液晶调相微柱阵列；其包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的液晶初始取向层、电隔离层、图形化电极层、基片和红外增透膜，以及依次设置在液晶材料层下表面的液晶初始取向层、电隔离层、公共电极层、基片和红外增透膜；图形化电极层由阵列分布的子电极构成，每个子电极均由正方形或长方形导电膜构成；电控液晶调相微柱阵列被划分成阵列分布的电控液晶调相微柱，其与子电极一一对应，单个子电极的面积与对应的电控液晶调相微柱的光接收面积的比值为50％～95％。该芯片能实现电控扩束、缩束、散束、聚束、束调向以及束扫描等功能，易与其它红外光学光电机械结构耦合，光场适应性好。
Description
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，涉及一种红外液晶相控阵芯片。
背景技术
迄今为止，基于电磁波调相技术实现电磁波束的任意形态构建、可调向投送、电控空间扫描、特定方位或空域波束凝聚等的射频相控阵技术，在雷达领域显示出强大效能。寻找适用于红外波段的电磁波束调相手段，实现与射频电磁波具有类似的束构建、束投送与束空间扫描等功能，目前已成为红外波束工程的研发热点。随着红外波束技术的持续快速发展和应用领域的不断扩展，发展可有效构建特殊形态的聚能红外波束，灵活实现扩束、缩束、散束或聚束操作，将红外波束凝聚到特定方位或空域，随环境、目标以及需求灵活调变束指向，实现基于先验知识或目标情况的电控束空间扫描，增强与其他红外光学光电机械装置的耦合与匹配效能等的红外相控阵技术，受到了广泛关注和重视。
目前，已广泛应用的红外波束构建、整形与投送技术，大多基于常规的具有固定轮廓形态的折射或衍射透镜架构进行，可实现的束构建和束整形效能有限，可调向束投射一般通过机械摆动方式完成。主要技术缺陷表现在以下方面：(一)光学以及辅助执行机构的体积、质量和惯性大，功能相对单一，需配置较为繁杂的驱控装置，响应慢，状态转换时间长，因机械运动的固有连续性难以进行束状态的任意构建、切换或跳变；(二)所使用的红外光学组件如典型的棱镜、透镜、反射镜和散光镜，以及所制作的多种光学膜系如典型的增反、增透以及半反半透膜等，均具有相对狭窄的谱适用范围，存在随红外频谱成分的变化难以完全抵消的色差或像差。束空间扫描常基于摆镜或微透镜阵列间的往复式机械平动实现，存在特殊转动或平动所约束的扫描方式单一，性能指标有限，存在较大机械惯性，需配置相对复杂的辅助驱控装置，状态更替慢，束扫描操作仅能依照设定的顺序进行，不能实现任意形式的束扫描、区域性凝聚与扫描难以共存或快速切换等缺陷。
近些年来，基于低功耗的阵列化电控液晶微光学结构，进行特定形态红外波束的构建、整形、摆动与投送技术已取得显著进展，目前已实现的主要功能包括：(一)阵列化液晶微结构其折射率的电控激励与调变可通过施加低功率电驱控信号展开，折射率的稳态转换时间常数已低至亚毫秒级，实验室级的已低至微秒级；(二)可实现波束汇聚与发散模态的电控切换，可有效执行电控聚焦、调焦与摆焦操作，以及光束发散程度的电控调节；(三)可基于液晶折射率的电控构建与调变有效进行光波前的时序或空变调节；(四)对波束的调相以及整形变换可依据设定的电控顺序展开、凝固或调变，从而具备基于先验知识、波束情况或需求进行约束、干预或引导的能力；(五)平面端面且具有微米级液晶材料厚度的超薄液晶结构，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；(六)具有通过调控电参数来维持或变更波束形态，有效适应波束频谱变化、器件供电波动、环境因素改变以及目标特征变动这一特点。目前，如何基于小微型化的电控液晶结构对红外波束的电控变换作用，构建与射频相控阵类似的红外相控阵，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困难和瓶颈问题，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，本发明提供了一种红外液晶相控阵芯片，能灵活构建红外波束形态，有效实现电控扩束、缩束、散束、聚束、束调向以及束扫描等功能，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，本发明提供了一种红外液晶相控阵芯片，其特征在于，包括电控液晶调相微柱阵列；所述电控液晶调相微柱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m×n元阵列分布的子电极构成，每个子电极均由正方形或长方形导电膜构成，其中，m、n均为大于1的整数；所述电控液晶调相微柱阵列被划分成m×n元阵列分布的电控液晶调相微柱，所述电控液晶调相微柱与所述子电极一一对应，每个子电极均位于对应的电控液晶调相微柱的中心，形成电控液晶调相微柱的上电极，所有电控液晶调相微柱的下电极由所述公共电极层提供；单个子电极的面积与对应的电控液晶调相微柱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50％～95％。
优选地，红外入射光波进入所述电控液晶调相微柱阵列后，所述电控液晶调相微柱阵列按照其中电控液晶调相微柱的阵列规模和排布情况，将红外入射光波分割成阵列化的子平面入射波前，各子平面入射波前与电场驱控下呈特定折射率分布形态的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延迟的阵列化的子平面出射波前，阵列化的子平面出射波前经耦合形成出射波前从所述芯片输出；其中，各电控液晶调相微柱被独立加电驱控，通过独立调节加载在各电控液晶调相微柱上的驱控电压信号的频率或均方幅度，调变各子平面出射波前的相位延迟程度。
优选地，所述芯片还包括芯片外壳；所述电控液晶调相微柱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多个驱控信号输入端口，用于输入加载在各电控液晶调相微柱上的驱控电压信号。
优选地，所述芯片外壳的侧面设置有第一至第八驱控信号输入端口；每个电控液晶调相微柱的上电极均通过一根导线独立引出，这些上电极引线分组接入所述第一至第八驱控信号输入端口；所述公共电极层通过八根导线引出，这八根公共电极层引线分别接入所述第一至第八驱控信号输入端口；每个驱控信号输入端口内的上电极引线和公共电极层引线分别位于该端口的两端；根据各电控液晶调相微柱在所述电控液晶调相微柱阵列中的位置，通过所述第一至第八驱控信号输入端口内的上电极引线和公共电极层引线，能对各电控液晶调相微柱实现可寻址的驱控电压信号加载。
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、基于调相的束构建、束调向与束扫描。本发明通过电控液晶调相微柱阵列基于波前调制构建红外波束的特定形态和投向。
2、控制方式灵活。通过对电控液晶调相微柱阵列中的各电控液晶调相微柱执行独立的加电操作，可灵活构建光波相位分布形态，具有控制方式灵活的优点。
3智能化。通过调变加载在电控液晶调相微柱阵列上的驱控电压信号的频率或幅度所进行的红外出射波场的成形和调变操作，可在先验知识或波束作用效果的约束、干预或引导下进行，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调相架构，具有极高的结构、电学以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调相微柱阵列，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是本发明实施例的红外液晶相控阵芯片的结构示意图；
图2是电控液晶调相微柱阵列的结构示意图；
图3是本发明实施例的红外液晶相控阵芯片的光波变换示意图。
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-第一驱控信号输入端口，2-第二驱控信号输入端口，3-第三驱控信号输入端口，4-第四驱控信号输入端口，5-第五驱控信号输入端口，6-第六驱控信号输入端口，7-第七驱控信号输入端口，8-第八驱控信号输入端口，9-电控液晶调相微柱阵列，10-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，本发明实施例的红外液晶相控阵芯片包括芯片外壳10和电控液晶调相微柱阵列9。电控液晶调相微柱阵列9封装在芯片外壳10内并与芯片外壳10固连，其光入射面和光出射面通过芯片外壳10的前后两个端面上正对的开孔裸露在外。芯片外壳10的侧面设置有第一至第八驱控信号输入端口1至8，其中，每个侧面设置两个驱控信号输入端口。
如图2和图3所示，电控液晶调相微柱阵列9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m×n元阵列分布的子电极构成，每个子电极均由微正方形或微长方形导电膜构成，其中，m、n均为大于1的整数。
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。
将上述电控液晶调相微柱阵列9划分成m×n元阵列分布的电控液晶调相微柱，电控液晶调相微柱与子电极一一对应，每个子电极均位于对应的电控液晶调相微柱的中心，形成电控液晶调相微柱的上电极，所有电控液晶调相微柱的下电极由公共电极层提供。单个子电极的面积与对应的电控液晶调相微柱的光接收面积的比值被称为电极填充系数，其典型值在50％至95％之间。
工作时，各电控液晶调相微柱被独立加电驱控。具体地，每个电控液晶调相微柱的上电极均通过一根导线独立引出，将这些上电极引线分组接入第一至第八驱控信号输入端口1至8，同时将公共电极层通过八根导线引出，将这八根公共电极层引线分别接入第一至第八驱控信号输入端口1至8，每个驱控信号输入端口内的上电极引线和公共电极层引线分别位于该端口的两端。根据各电控液晶调相微柱在电控液晶调相微柱阵列9中的位置，通过第一至第八驱控信号输入端口1至8对各电控液晶调相微柱实现可寻址的驱控电压信号加载。如图2所示，对电控液晶调相微柱阵列9中第六行第n列的电控液晶调相微柱，加载在其上的驱控电压信号记为V6n，对电控液晶调相微柱阵列9中第m行第n列的电控液晶调相微柱，加载在其上的驱控电压信号记为Vmn。
本发明实施例的红外液晶相控阵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红外光学系统的焦面处或进行弱离焦配置。其工作原理如下。
通过第一至第八驱控信号输入端口1至8内的上电极引线和图形化电极层引线，将驱控电压信号Vij加载在第i行第j列的电控液晶调相微柱上，使各电控液晶调相微柱被独立加电驱控，其中，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n。分布在构成液晶微腔的双层平面电极板(包括红外增透膜、基片、电极层、电隔离层和液晶初始取向层)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，形成特定的折射率分布形态。
红外入射光波进入电控液晶调相微柱阵列后，电控液晶调相微柱阵列按照其中电控液晶调相微柱的阵列规模和排布情况，将红外入射光波分割成阵列化的子平面入射波前，各子平面入射波前与电场驱控下呈特定折射率分布形态的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延迟的阵列化的子平面出射波前，阵列化的子平面出射波前经耦合形成出射波前从芯片输出。
如图3所示，通过调节加载在第i行第j列的电控液晶调相微柱上的驱控电压信号Vij的频率或均方幅度，调变液晶材料层中的液晶分子的折射率分布形态，使通过液晶材料层的光波的光程因折射率变动而改变，进而使各子平面出射波前产生受驱控电压信号调节的特定程度的相位延迟，各子平面出射波前耦合形成出射波前，得到基于特定形态的出射波前的出射波束。所输出的光波前其形态变动约束诸如束成形、束形调变、束调向或束扫描等操作。具体地，给芯片加载电驱控信号后，通过芯片的阵列化相位调节作用可灵活构建波束形态，以及执行电控扩束、缩束、散束、聚束、束调向或束扫描等操作。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多路并行驱控电压信号，可对出射波束的光学参数进行校调，芯片具备抗扰动能力。芯片断电后阵列化相位调变功能消失，光波通过芯片后其束特征不变。
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 (4)
1.一种红外液晶相控阵芯片，其特征在于，包括电控液晶调相微柱阵列；所述电控液晶调相微柱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m×n元阵列分布的子电极构成，每个子电极均由正方形或长方形导电膜构成，其中，m、n均为大于1的整数；
所述电控液晶调相微柱阵列被划分成m×n元阵列分布的电控液晶调相微柱，所述电控液晶调相微柱与所述子电极一一对应，每个子电极均位于对应的电控液晶调相微柱的中心，形成电控液晶调相微柱的上电极，所有电控液晶调相微柱的下电极由所述公共电极层提供；单个子电极的面积与对应的电控液晶调相微柱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50％～95％。
2.如权利要求1所述的红外液晶相控阵芯片，其特征在于，红外入射光波进入所述电控液晶调相微柱阵列后，所述电控液晶调相微柱阵列按照其中电控液晶调相微柱的阵列规模和排布情况，将红外入射光波分割成阵列化的子平面入射波前，各子平面入射波前与电场驱控下呈特定折射率分布形态的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延迟的阵列化的子平面出射波前，阵列化的子平面出射波前经耦合形成出射波前从所述芯片输出；
其中，各电控液晶调相微柱被独立加电驱控，通过独立调节加载在各电控液晶调相微柱上的驱控电压信号的频率或均方幅度，调变各子平面出射波前的相位延迟程度。
3.如权利要求1或2所述的红外液晶相控阵芯片，其特征在于，所述芯片还包括芯片外壳；所述电控液晶调相微柱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多个驱控信号输入端口，用于输入加载在各电控液晶调相微柱上的驱控电压信号。
4.如权利要求3所述的红外液晶相控阵芯片，其特征在于，所述芯片外壳的侧面设置有第一至第八驱控信号输入端口；每个电控液晶调相微柱的上电极均通过一根导线独立引出，这些上电极引线分组接入所述第一至第八驱控信号输入端口；所述公共电极层通过八根导线引出，这八根公共电极层引线分别接入所述第一至第八驱控信号输入端口；每个驱控信号输入端口内的上电极引线和公共电极层引线分别位于该端口的两端；根据各电控液晶调相微柱在所述电控液晶调相微柱阵列中的位置，通过所述第一至第八驱控信号输入端口内的上电极引线和公共电极层引线，能对各电控液晶调相微柱实现可寻址的驱控电压信号加载。
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