CN109782496A - 电可调谐的偏振无关的液晶微透镜阵列 - Google Patents

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Abstract

一种偏振无关的液晶微透镜阵列，包括光学透明的介电平面板；光学透明的上平面电极，沉积在平面板顶面和底面上；顶部衬底，邻近平面板顶面进行定位；顶部图案电极，沉积在顶部衬底内表面上；顶部液晶层，设置于平面板顶面和顶部衬底内表面之间；顶部液晶层，具有第一偏振；底部衬底，邻近平面板底面进行定位；底部图案电极，沉积在底部衬底内表面上；底部液晶层，设置在平面板底面和底部衬底内表面之间；底部液晶层，具有与第一偏振正交的第二偏振。

Description

电可调谐的偏振无关的液晶微透镜阵列
技术领域
本公开内容涉及一种微透镜，特别是涉及一种偏振无关的液晶微透镜阵列。
背景技术
已经为各种光学系统探索过了液晶(LC)装置领域。单轴的双折射性质是向列型液晶(NLC)的基本性质之一。在LC装置中，相位分布被控制。相位分布由LC分子在外部电场或磁场下的重新取向决定。由于固有的单轴各向异性，LC装置取决于入射光的偏振。入射光束的利用效率由于这种特性而退化，特别是在液晶微透镜阵列(LCMLA)领域。具有垂直于LCMLA的光轴振动的电矢量的入射光束将通过LC单元而不会聚。这些光束被光学系统滤除。因此，在LCMLA前面安装偏振器，用于去除这些光束并改善LC装置的性能，这种方法限制了光学效率。
偏振无关的LCMLA可以改善光学系统的性能。为了消除对入射光束的偏振依赖性，现有系统提出了基于蓝相液晶(BPLC)和聚合物分散液晶(PDLC)的LCMLA。通过改变LC材料，产生了诸如操作温度范围窄和控制电压很高的缺点。为了降低驱动电压并扩大温度范围，尝试了一些方法来排布具有轴对称对齐的LC分子。这种方法的一个缺点是制造复杂和精确的对齐。
根据制造方法，偏振不敏感的LCMLA可以分为两类：基于LC材料的装置，例如蓝相液晶(BPLC)或聚合物分散液晶(PDLC)，以及基于普通LC分子预对齐的其他装置。
由这些微透镜阵列提供的改进基于以下事实，由于LC材料的各向同性性质，BPLC入射光束可以被聚焦。尽管这些方法表现出无偏振依赖性，但它们具有明显的缺点，例如BPLC的温度范围窄和信号电压很高。Ren等人展示了使用PDLC材料作为电光介质的无偏振器的微透镜阵列。可以在高电压状态下调节这种装置的可调谐焦距。
Fuh通过使用光对齐将径向对齐或方位角对齐的LC膜与梯度对齐组合来构建偏振无关LC透镜。这种方法的一个问题是光对齐在高温和UV光束照射下是不稳定的，因此由于构建的复杂性，该方法不适用于微透镜阵列。
具有正交二元配置的LC菲涅耳透镜也已经制造成具有偏振无关性。这种方法的明显缺点是衬底的两侧都需要在取向层上进行极其精确的对齐。
先前的LC装置具有偏振敏感性并因此表现出相对低的光束利用效率，并且偏振不敏感设计具有高工作电压，复杂的构建或具有有限的操作温度。所寻求的是一种能够偏振无关的LCMLA(PI-LCMLA)装置，用于改进克服这些限制的成像微装置和成像微系统。
发明内容
在一个实施例中，一种偏振无关的液晶微透镜阵列，包括光学透明的介电平面板，该平面板具有顶面和底面；光学透明的上平面电极，沉积在平面板顶面上；光学透明的下平面电极，沉积在平面板底面上；顶部衬底，具有顶部衬底外表面和顶部衬底内表面，顶部衬底邻近平面板顶面进行定位；顶部图案电极，沉积在顶部衬底内表面上，其中顶部图案电极图案化有微孔阵列；顶部间隔物，设置于平面板顶面和顶部衬底内表面之间；顶部液晶层，设置于平面板顶面和顶部衬底内表面之间，所述顶部液晶层具有第一偏振；底部衬底，具有底部衬底外表面和底部衬底内表面，所述底部衬底邻近平面板底面进行定位；底部图案电极，沉积在底部衬底内表面上，其中底部图案电极图案化有另一微孔阵列；底部间隔物，设置于平面板底面和底部衬底内表面之间；以及底部液晶层，设置于平面板底面和底部衬底内表面之间，所述底部液晶层具有与第一偏振正交的第二偏振。
在另一个实施例中，一种偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，包括液晶微透镜，具有光学透明的介电平面板，该平面板具有顶面和底面；光学透明的上电极，沉积在平面板顶面上；光学透明的下平面电极，沉积在平面板底面上；顶部衬底，具有顶部衬底外表面和顶部衬底内表面，顶部衬底邻近平面板顶面进行定位；顶部图案电极，沉积在顶部衬底内表面上，其中顶部图案电极图案化有微孔阵列；顶部间隔物，设置于平面板顶面和顶部衬底内表面之间；顶部液晶层，设置于平面板顶面和顶部衬底内表面之间，所述顶部液晶层具有第一偏振；底部衬底，具有底部衬底外表面和底部衬底内表面，所述底部衬底邻近平面板底面进行定位；底部图案电极，沉积在底部衬底内表面上，其中底部图案电极图案化有另一微孔阵列；底部间隔物，设置于平面板底面和底部衬底内表面之间；以及底部液晶层，设置于平面板底面和底部衬底内表面之间，所述底部液晶层具有与第一偏振正交的第二偏振；顶部电压驱动器，电连接到上电极和顶部图案电极；以及底部电压驱动器，电连接到下平面电极和底部图案电极，其中底部电压驱动器和顶部电压驱动器同时被致动以允许非偏振光传送通过液晶微透镜。
在附图和以下说明书中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本发明的其他特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了根据本公开的至少一个实施例的基于可调焦距和电偏振无关的液晶微透镜阵列的光场相机的结构图。
图2示出了根据本公开的至少一个实施例的可调焦距和电偏振无关的液晶微透镜阵列成像检测芯片的结构图。
图3示出了根据本公开的至少一个实施例的偏振无关的液晶微透镜阵列的示意图，其中在各LC层上照射白光和特别折射分布。
图4示出了根据本公开的至少一个实施例的基于可调焦距和电偏振无关的液晶微透镜阵列的成像系统的示意图。
图5示出了可调焦距和电偏振无关的液晶微透镜阵列成像检测芯片的原理图。
各附图中相同的附图标记和名称表示相同的元件。
具体实施方式
液晶微透镜阵列(LCMLA)适用于各种微光学架构，例如光学开关、光学通信、全光相机和波前检测器。电可调谐的焦距可以用来代替固定焦距透镜，是它们的基本特性之一。该性质可归因于液晶(LC)分子在外部电场或磁场下的重新取向以形成梯度折射率分布。根据光刻法制造的LCMLA是偏振的，因此取决于由于LC分子的固有单轴各向异性引起的入射光束的电场矢量。因此，具有垂直于LCMLA的光轴的电场矢量的入射光束将通过LC膜而没有光束会聚。滤除这些光束以用于自适应光学设置或微系统。
因此，偏振器可以安装在LCMLA的前面，以选择适当偏振的光束，从而改善LC装置的性能。这种方法限制了入射光束的利用效率。因此，需要寻求如何实现偏振无关的LCMLA(PI-LCMLA)以改善成像微装置或微系统的性能。在本公开中，公开了使用具有正交对齐的双层向列液晶(NLC)的偏振无关的微透镜阵列。两个正交的LC层由双面氧化铟锡二氧化硅分隔。进一步的光学实验和研究表明，PILCMLA可以通过调制驱动电压在偏振和偏振不敏感模式下工作。归一化的聚焦强度对入射光没有偏振依赖性。由于高光学效率、简单制造、电可调谐焦距、低功耗、偏振无关和多操作模式的优点，本公开的装置可用于在成像和光学系统中具有许多潜在应用。
本公开中呈现的PI-LCMLA的微结构具有两个LC膜或LC单元，两者的光轴是正交的。级联微结构在入射光束的操纵中提供宽的操作范围，并且还合并用于成像应用的多种操作模式，例如具有自适应光束调整的平面成像，偏振成像模式和偏振无关的成像模式。
通常，当可以在级联LC微结构中的一个LC单元上施加电压信号时，也可以将偏振成像模式划分为o模式和e模式。如果可以在顶部LC层上施加电压信号，则平行于顶部LC层的光轴的部分线性偏振光会聚，这是e模式的情况。而且，o模式意味着具有垂直于顶部LC层摩擦方向的电场矢量的部分入射光束可以通过施加适当电压信号Vrms被底部LC层聚焦。在每种偏振成像模式中，可以通过改变所施加的信号电压的均方根(rms)值来调整具有LC微结构的成像微系统的焦距，这意味着可以通过调谐信号电压而容易地捕获不同距离处的目标，无需机械移动。基于LC材料的固有单轴各向异性和根据所构造的架构的两个LC单元之间的固定间隙，当装置在偏振成像模式中工作时，成像操作可以被视为依赖于不同光路的两个独立过程。因此，两个光路的聚焦范围是独立的，但有时会出现一些区域重叠。
通过调节施加在级联LC微结构上的两个信号电压，可以进一步扩展本成像机构的景深(DOF)。PI-LCMLA也可以在偏振不敏感模式中工作。当两个驱动电压信号施加在两个LC单元上时，同时地，入射光束被完全收集到图像，因此大大提高了光学效率。当去除施加在LC装置上的电压信号时，PI-LCMLA变为偏振不敏感的相位调制器，并且可以容易地获取强度图像。
在本公开中，证明了高光束利用效率和多功能成像能力是基于由具有正交对齐的双层LC材料构建的PI-LCMLA。根据UV-光刻、湿法蚀刻和两个具有正交取向的LC层的耦合过程有效地制造装置，所述两个LC层由双面ITO二氧化硅分开。光利用效率提高，几乎达到LCMLA的光利用效率的两倍，因此呈现出可调谐的复合聚焦。可以预期这种LCMLA将在许多潜在应用中发挥作用，因为它们可以基于级联LC微结构的两个独立驱动操作来提供执行偏振成像或偏振无关成像的选择。
LC是一类物质，其可以是固体和液体之间的中间状态。通常，向列型液晶(NLC)是一种单轴双折射晶体，并且呈现两个主折射率。通常，LC分子可以沿着LC层中激励的电场来重新取向。通过施加相对较低的信号电压可以容易地调节入射光束的有效折射率，但是对于普通光束信号电压保持恒定。因此，LC材料的固有单轴各向异性表现出对入射光的偏振依赖性。在本公开中，与普通偏振LCMLA的光利用效率相比，具有两个正交LC层的PI-LCMLA提高了光利用效率，因此实现了偏振模式和偏振无关模式之间的切换成像操作。
PI-LCMLA与传感器阵列耦合的工作原理，顶部LC层和底部LC层中的LC分子首先根据在电极表面上制造的PI对齐层的摩擦方向来取向，如通过坐标系的x轴和y轴来标记。在没有外部电压信号或施加的信号电压的均方根值小于特定阈值的情况下，它(PI-LCMLA)作为偏振无关的相位调制器，具有与入射光相对应的固定相移，所述入射光具有Ex和Ey的两个正交分量并直接通过LC单元的每个圆形孔径对。
通过在LC层中激励的空间电场的驱动作用，LC分子然后沿电场方向重新布置，以呈现梯度折射率分布。一旦一个LC单元通过合适的信号电压来加载，它将工作在会聚状态；而另一个LC单元，在没有任何信号电压或rms电压小于LC微结构阈值的情况下，将作为偏振依赖的相位延迟器。偏振光束沿初始移动方向传播。一个LC单元可用于对平行于x(y)轴的一个偏振分量进行聚焦，以形成阵列聚焦分布。垂直于x(y)轴的另一个偏振分量沿初始方向移动并覆盖孔径区域。
当两个LC单元上同时施加具有匹配的电压值的两个电压信号时。施加在顶部LC层和底部LC层上的驱动电压差是由夹在两个图案化的铝衬底之间的ITO衬底的厚度引起的。具有任意电场矢量的入射光束，可以根据聚集在同一点的坐标系分解，以便在PI-LCMLA的焦平面上形成复合焦点阵列。因为入射光原则上可以根据PI对齐层的正交摩擦分解为具有正交电场矢量的两个部分，所以具有对应于x轴或y轴的相同电场方向的那些光束可以通过独立地调整施加在两个LC单元上的电压信号的均方根值聚焦到同一点上，这意味着可以通过构造的LCMLA实现复合聚焦或偏振无关的光束聚焦。
制造
(a)首先，将光刻胶分别以2000rpm持续10秒和另外4000rpm持续60秒旋转涂覆在两个铝沉积的二氧化硅衬底的表面上。进行UV光刻工艺以显影光刻胶掩模。在化学蚀刻期间，蚀刻掉直接暴露于化学溶剂的二氧化硅衬底表面上的部分铝微结构，并留下微孔图案化的电极。
(b)为了消除有机污染物，将两个图案化的铝二氧化硅衬底和双面ITO二氧化硅衬底分别通过丙酮、乙醇和去离子水彻底清洁5分钟。
(c)在微孔图案化电极的表面以及双面ITO电极的两侧上涂覆厚度为～1μm的PI对齐膜层。将上述二氧化硅衬底在230℃下烘烤30分钟，以加强PI层与电极表面的结合。
(d)摩擦PI层以形成锚定沟槽，其平均宽度为～750nm，深度为～50nm。
(e)将具有顶部图案电极的顶部衬底和具有ITO膜的平面板面对面密封，使用20μm直径的玻璃微球间隔物以保持～20μm的间隔，从而导致初始微腔或顶部微腔。微腔中的LC锚定方向是正交的。
(f)平面板的背面与底部微孔图案化的电极面对面耦合，以形成具有～20μm相同深度的底部微腔。请记住，微腔的初始LC锚定方向也是正交的，但垂直于顶部微腔的LC锚定方向。在顶部微腔和底部微腔中使用的微孔图案化电极通过使用光刻设备的对齐标记具有中心对称性。
可以通过改变空间电场激励的LC分子的倾斜角度来灵活地调节PI-LCMLA的焦距，这对应于顶部微腔和底部微腔中密封的LC材料的等效折射率的空间分布的变化。
在所公开的LC层布置中存在阵列的梯度折射率布置，其对应于形成的阵列LC微透镜，以便离散地会聚入射光束。在由两个相对较大的电极夹着的向列LC层中，具有间隔为～20μm，根据在两个电极的表面上制造的初始对齐沟槽，向列LC分子首先逐层对齐。
具有任意偏振态的入射光束可以被分解成两个基本线性偏振分量，并且分别通过具有正交LC对齐的分层LC单元会聚。为了提高光束利用效率，可以同时在LC装置的顶部LC单元和底部LC单元上施加双向电压信号，然后精细地调节电压值以便收集尽可能多的入射光束。入射光的e光束首先由顶部LC单元会聚，同时o光束通过该单元，然后变换成对应于底部LC单元的e光束，以便有效地会聚。但是，由顶部LC单元处理的会聚e光束被转换成o光束，以呈现总光束利用效率大于90％的值。当加载在顶部LC单元上的信号电压达到～5.5Vrms时，入射光的e光束被充分聚焦，然后归一化聚焦增加。通过调节加载在底部LC单元上的另一个信号电压并且在～2.8Vrms，剩余的光或o光束然后由LC单元聚焦，以导致100％的归一化强度。因此，结果表明入射光束理论上可以通过PI-LCMLA会聚。
当在PI-LCMLA的顶部LC单元上加载大于～10.0Vrms的信号电压时，具有几乎不变的尺寸的类似圆形束斑将出现在大于～4.0Vrms的相对较宽的电压区域中，但是，如果在同一装置的底部LC单元上加载类似的信号电压，则不会观察到类似的效果。该效果可归因于在底部LC单元的图案化电极上成形的阵列微圆孔的夫琅禾费(Fraunhofer)衍射。当在顶部LC单元上施加的信号电压高于阈值时，顶部LC单元的内部LC分子的指向矢(directors)(远离PI层的初始取向沟槽)将沿着激励的强空间电场对齐，然后几乎垂直于电极的内表面。因此，不可以通过顶部LC单元执行聚焦。在通过底部LC单元之后，其中LC分子平行于PI层的摩擦方向，这是由于基于底部LC单元的PI层中的成形沟槽的强锚定。因此，在底部LC单元的一个电极中成形的阵列微孔充当微圆形图案化板以产生远场衍射。
衍射表示对图像质量的最终限制。当两个相等辐照度的点源不相干时，由成像系统形成的点源图像将由部分重叠的艾里(Airy)图案的分布组成。根据瑞利(Rayleighs)准则，当一个艾里斑(disk)的中心落在另一个艾里斑的艾里图案的第一最小值时，两个相邻的艾里斑可能会分开。
根据夫琅禾费衍射的基本原理，可以使用物镜来缩短成像光路，然后CCD相机可以位于焦平面上作为观察屏。水平偏振光束首先通过由相对较高的信号电压(例如～14.0Vrms)施加的顶部LC单元，然后进入PI-LCMLA的底部LC单元，最后从微孔图案化的电极退出而没有任何信号电压。根据夫琅禾费衍射理论，从衍射屏衍射出的衍射光束被微孔彼此相互作用均匀分布，然后在透镜焦平面上形成类似的远场衍射光斑图案，这也可以被位于透镜的焦平面的CCD相机捕获。
基于LC材料的固有各向异性，可以有效地聚焦具有平行于光轴的电场矢量的入射光，然后剩余光束直接传播通过功能LC结构，而没有任何光束会聚在LCMLA中。可以滤除残留光用于光学成像，因为它们不会影响光束处理效率，但也会导致额外的噪声，从而降低信噪比。通常，偏振器放置在LC装置的前面。由于可以选择与偏振器具有相同偏振取向的部分入射光束穿过插入测量光路中的偏振器，因此光束利用效率受到限制。为了提高光利用效率，可以使用通过堆叠两个具有正交偏振取向的LC微透镜或LC单元构建的PI-LCMLA，以便同时使用入射光的e光束和o光束，因此突出了增加或调整光束利用效率的方法。
PI-LCMLA中的双面ITO二氧化硅衬底的厚度可能对偏振无关模式中的图像质量产生影响。如果双面ITO二氧化硅相对于两个LC单元的焦距足够薄，则水平偏振图像和垂直偏振图像都可以叠加在PI-LCMLA的焦平面上。因此，通过有效地减小双面ITO二氧化硅衬底的厚度，可以显着改善偏振无关模式中的成像质量。
透镜的F数(透镜焦距除以入射光瞳或有效光圈的直径)可用于评估透镜系统。通常，基于PI-LCMLA的成像系统的空间分辨率由耦合到传感器的每个LC微透镜的孔径和清晰度确定。
成像质量可能受到主透镜系统的F数和LC微透镜的F数的选择的影响。在顶部LC微透镜和底部LC微透镜的F数之间存在权衡，以提高光敏传感器的利用效率。当每个LC微透镜的相邻成像区域是相切的时，发生最佳成像过程。在本公开中，调整主透镜系统的F数以匹配底部LC微透镜的F数。由主透镜系统会聚的光束传播以成形虚拟图像点，其由两个LC微透镜进一步会聚。当顶部LC单元和底部LC单元之间的距离足够小时，主透镜系统的F数和顶部LC单元的F数和底部LC单元的F数将近似相等。因此，具有中心对称性的顶部LC单元和底部LC单元的实像点将完美地叠加。
在成像系统的一个实施例中，偏振不敏感光场信息将由顶部LC层和底部LC层之间的单元间隙引起的F数的差异而衰减。
总之，已经公开了具有正交对齐和双模式特征的基于双层LC材料的PI-LCMLA。对应于电驱动的普通LCMLA，PI-LCMLA的光利用效率可以已经提高。所公开的装置可适用于偏振不敏感应用和电可选择偏振应用。基于光利用效率高、制造流程简单、电可调焦距、功耗低和双模式构建的优点，可以预期PI-LCMLA装置可能在未来的应用中发挥作用。
图1公开了基于可调节焦距和电偏振无关的液晶微透镜阵列的光场相机。所述相机包括相机外壳(5)、相机上的图像数据接口(6)、相机前方的主镜头(1)、图像传感器(3)，图像传感器与主镜头之间的焦距，可调节液晶微透镜阵列(2)，以及液晶微透镜阵列的电源模块(4)。液晶微透镜阵列可以形成具有电源的梯度折射率(GRIN)透镜，并且可以通过调节电压来改变其焦距。基于液晶层的取向层的锚定方向，可以将液晶微透镜阵列的不同层应用于相应的e光。来自目标对象的入射光进入相机，并且首先由主透镜会聚以形成目标对象的实像或虚像。通过液晶微透镜阵列的微透镜将实像或虚像处理为二次成像，并且由图像传感器接收和输出成像数据。光场相机可以执行目标对象的三维成像，并获得垂直偏振无关和不敏感的偏振无关的光场信息。其成像范围具有电可调节的特征。
图2描绘了PI-LCMLA的一个实施例。该装置由两个LC层组成，其具有由堆叠LC单元限定的正交初始锚定方向。顶部衬底和底部衬底的表面包括涂覆有铝层的微孔阵列。两个孔图案化的铝衬底的直径为128μm，像素间距为160μm，分别用作顶部图案电极和底部图案电极。两侧涂覆有氧化铟锡(ITO)膜的中二氧化硅(medium silica)夹在上述两个孔图案化的电极之间以形成平面电极。为了获得正交的均匀LC层，两个LC单元上的聚酰亚胺对齐层的主摩擦方向彼此垂直布置。向列型液晶可以是单轴双折射晶体，并且具有两个主折射率，每个折射率具有正交的摩擦微腔。
图2示出了可调节焦距和电偏振无关的液晶微透镜阵列成像检测芯片的结构图。所述芯片包括两个液晶层，它们在两个初始化方向上彼此垂直。这两个液晶层用作顶部图案电极和底部图案电极，在每个液晶层上具有两个孔。两侧上涂敷有氧化铟锡(ITO)膜的玻璃衬底夹在这两个液晶之间。液晶微透镜阵列可以形成具有电源的(GRIN)透镜。另外，可以通过改变加载电压来调节其焦距和偏振状态。液晶微透镜阵列中不同层的锚定方向可以应用于相应的e光。当驱动电压可以施加到上部液晶时，来自目标的入射光进入所述芯片。入射光电场的振动方向平行于顶部液晶层的取向方向，以及顶部液晶微透镜阵列聚焦光以形成目标图像图2(b)。当底部液晶加载有驱动电压时，垂直于顶部液晶方向的入射光被下面的液晶层聚焦(图2(c))。当两个液晶层同时加载有驱动电压时，每个电场的振动方向上的入射光由成像检测芯片聚焦(图2(d))。
图2(a)示出了偏振无关的液晶微透镜阵列的一个实施例，其具有光学透明的介电平面板210，所述平面板210具有顶面和底面；光学透明的上平面电极212，沉积在平面板顶面上；和光学透明的下平面电极214，沉积在平面板底面上。顶部衬底216具有外表面和内表面，并且顶部衬底邻近平面板顶面定位并与平面板顶面对齐。顶部图案电极218沉积在顶部衬底内表面上并且图案化有微孔阵列。顶部间隔物220设置于平面板顶面和顶部衬底内表面之间。顶部液晶层222保持于平面板顶面和顶部衬底内表面之间，所述顶部液晶层具有第一偏振。底部衬底224具有外表面和内表面，并且邻近平面板底表面进行定位。底部图案电极226沉积在底部衬底内表面上并且图案化有另一微孔阵列。底部间隔物228将平面板底面和底部衬底内表面分隔开。底部液晶层230保持于平面板底面和底部衬底内表面之间，并具有与第一偏振正交的第二偏振。
非偏振白光透射通过PI-LCML的耦合LC层。CCD相机焦平面接收的入射光束的强度分布取决于光的偏振方向，并由LC分子的取向确定，而LC分子的取向又通过施加于PI-LCMLA上的驱动电压模式控制。可以将光分解成具有正交振动方向的两个主线性偏振分量，所述光由样品调制。图2示出了样品与非偏振光在不同工作模式下相互作用的样品的示意图。根据图2(a)中示出的PI-LCMLA的结构，施加在LC单元上的外部电压将受到微孔图案电极的影响。电场强度从微孔电极的边缘到微孔中心区域递减。LC分子趋向于随着驱动电压的方向重新取向，通过由微孔图案电极成形的非均匀电场将形成梯度折射率分布。如果在LC单元上没有施加电压，则光的折射率保持恒定。当驱动电压施加在一个LC单元上时，该LC层形成透镜效应而另一个LC层是相位延迟器。当样品工作在e模式中时(图2(b))，水平偏振光由顶部LC层会聚，而剩余光分布在聚焦光斑周围。类似地，当样品在o模式中工作时(图2(c))，垂直偏振光由底部LC层聚焦，而水平偏振光束通过装置而不会聚。根据图2(d)，入射光束在偏振不敏感(PI)模式中被样品聚焦。每个单元上的微孔图案的折射率分布如图3的左侧所描绘。聚焦模式在图3的右侧示出。
图4中示出了PI-LCMLA成像系统的实施例的示意图，其具有主透镜系统，PI-LCMLA和图像传感器。成像过程遵循伽利略模型。在该模型中，由主透镜产生的虚像在PI-LCMLA和成像传感器后面。然后，由具有光场信息的PILCMLA形成的微图像被重新映射到CCD相机的焦平面上。根据该架构，这种成像系统由三个子系统组成，这三个子系统可以实现多种成像模式，例如偏振和偏振不敏感模式。因此，当成像系统在偏振模式(o模式，e模式)中工作时，PI-LCMLA可以获取包含光场信息的两个正交偏振图像。
在本公开中，针孔模型可以用于估计对象的深度信息。如图4所示，由主透镜产生的虚点P'位于成像传感器的后面。来自主透镜和底部LC层上的两个相邻LC微透镜之间的对象点P的光线被重新聚焦到作为PI-LCMLA的像平面的成像传感器的焦平面的点P1和P2上。类似地，由顶部LC层形成的图像点也可以在图像传感器上重新映射。如果顶部LC层和底部LC层之间的间隙足够薄，则可以叠加由不同层获取的图像点。
在本公开中，描绘了基于电可调谐的偏振无关的液晶微透镜阵列的成像系统。使用具有两个正交LC层的PI-LCMLA，与PI-LCMLA集成的光学成像系统可以通过调谐电压设置在多种模式中工作，这使得能够获取在不同深度和在不同偏振态的目标的光场信息。
如图5所示，液晶微透镜阵列成像检测芯片与主成像检测器的焦平面集成，以形成芯片中具有可调节偏振态的光场成像检测架构。下面是微透镜装置和成像探测器焦平面的组合：在设定的阵列尺度或空间分辨率模式下，每个折射微透镜单元与多元的检测器匹配，如2×2,4×4,8×8，或者甚至与一系列较大的子检测器阵列(匹配耦合)相匹配。对于单折射微透镜，红外入射波被离散化并形成具有不同倾斜度的子平面波前(wavefront)。子平面波前由微透镜聚焦在相应的子检测器阵列中的特定光敏单元上。通过放置于光敏单元中的红外检测器转换聚焦光斑并将其转换为光电响应信号。
应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。应当理解，前面的描述旨在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围定义，并且其他实施例在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种偏振无关的液晶微透镜阵列，包括：
光学透明的介电平面板，所述平面板具有顶面和底面；
光学透明的上平面电极，被沉积在平面板顶面上；
光学透明的下平面电极，被沉积在平面板底面上；
顶部衬底，其具有顶部衬底外表面和顶部衬底内表面，所述顶部衬底邻近所述平面板顶面进行定位；
顶部图案电极，被沉积在所述顶部衬底内表面上，其中所述顶部图案电极被图案化有微孔阵列；
顶部间隔物，被设置于所述平面板顶面和所述顶部衬底内表面之间；
顶部液晶层，被设置于所述平面板顶面和所述顶部衬底内表面之间，所述顶部液晶层具有第一偏振；
底部衬底，其具有底部衬底外表面和底部衬底内表面，所述底部衬底邻近所述平面板底面进行定位；
底部图案电极，被沉积在所述底部衬底内表面上，其中所述底部图案电极被图案化有另一微孔阵列；
底部间隔物，被设置于所述平面板底面和所述底部衬底内表面之间；以及
底部液晶层，被设置于所述平面板底面和所述底部衬底内表面之间，所述底部液晶层具有与所述第一偏振正交的第二偏振。
2.如权利要求1所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，所述顶部衬底是二氧化硅。
3.如权利要求1所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，所述底部衬底是二氧化硅。
4.如权利要求1所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，所述顶部图案电极可以是铝。
5.如权利要求1所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，所述底部图案电极可以是铝。
6.如权利要求1所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，所述上平面电极是氧化铟锡。
7.如权利要求1所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，所述下平面电极是氧化铟锡。
8.如权利要求1所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，还包括微透镜，所述微透镜连接到所述顶部衬底外表面。
9.如权利要求1所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，还包括图像传感器，所述图像传感器邻近所述底部衬底外表面进行定位。
10.如权利要求1所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，所述顶部图案电极被图案化以具有128微米的微孔直径和160微米的像素间距。
11.如权利要求10所述的偏振无关的液晶微透镜阵列，其特征在于，所述底部图案电极与所述顶部图案电极匹配。
12.一种偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，包括：
液晶微透镜，其具有：
光学透明的介电平面板，所述平面板具有顶面和底面；
光学透明的上平面电极，被沉积在平面板顶面上；
光学透明的下平面电极，被沉积在平面板底面上；
顶部衬底，其具有顶部衬底外表面和顶部衬底内表面，所述顶部衬底邻近所述平面板顶面进行定位；
顶部图案电极，被沉积在所述顶部衬底内表面上，其中所述顶部图案电极被图案化有微孔阵列；
顶部间隔物，被设置于所述平面板顶面和所述顶部衬底内表面之间；
顶部液晶层，被设置于所述平面板顶面和所述顶部衬底内表面之间，所述顶部液晶层具有第一偏振；
底部衬底，其具有底部衬底外表面和底部衬底内表面，所述底部衬底邻近所述平面板底面进行定位；
底部图案电极，被沉积在所述底部衬底内表面上，其中所述顶部图案电极被图案化有另一微孔阵列；
底部间隔物，被设置于所述平面板底面和所述底部衬底内表面之间；
底部液晶层，被设置于所述平面板底面和所述底部衬底内表面之间，所述底部液晶层具有与所述第一偏振正交的第二偏振；
顶部电压驱动器，被电连接到所述上平面电极和所述顶部图案电极；以及
底部电压驱动器，被电连接到所述下平面电极和所述底部图案电极，
其中所述底部电压驱动器和顶部电压驱动器同时被致动以允许非偏振光传送通过所述液晶微透镜。
13.如权利要求12所述的偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，其特征在于，还包括微透镜，其被连接到所述顶部衬底外表面。
14.如权利要求13所述的偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，其特征在于，还包括图像传感器，其邻近所述底部衬底外表面进行定位。
15.如权利要求14所述的偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，其特征在于，还包括主透镜，其邻近所述微透镜进行定位。
16.如权利要求15所述的偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，其特征在于，还包括壳体，其封装所述主透镜、所述微透镜、所述液晶微透镜和所述图像传感器。
17.如权利要求12所述的偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，其特征在于，所述顶部衬底和所述底部衬底是二氧化硅。
18.如权利要求12所述的偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，其特征在于，所述顶部图案电极和所述底部图案电极为具有图案的铝，所述图案具有128微米的微孔直径和160微米的像素间距。
19.如权利要求12所述的偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，其特征在于，所述上平面电极和底部电极是氧化铟锡。
20.如权利要求12所述的偏振无关的液晶微透镜阵列光学系统，其特征在于，所述顶部图案电极和所述底部图案电极图案被垂直对齐。
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