CN113835273A - 一种液晶微光学结构以及液晶基电调光场成像探测芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液晶微光学结构以及液晶基电调光场成像探测芯片，属于光学成像探测领域，液晶微光学结构包括液晶材料层以及分别设置在其两侧的图案化电极层和公共电极层；图案化电极层由导电膜构成，导电膜中设置有阵列分布的电极微孔，不同孔径的电极微孔交替排列，相同孔径的电极微孔周期排列；当图案化电极层和公共电极层间施加的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，不同孔径电极微孔下液晶材料层中的液晶分子呈不同空间排布形态，以在液晶材料层中形成与周期交替阵列分布对应的梯度折射率分布，使得液晶微光学结构在同一时刻具有多个焦距。多焦距可二次扩展景深范围，从而对视场中更广阔深度范围内的物体进行清晰成像。

Description

一种液晶微光学结构以及液晶基电调光场成像探测芯片
技术领域
本发明属于光学成像探测领域，更具体地，涉及一种液晶微光学结构以及液晶基电调光场成像探测芯片。
背景技术
光场成像技术作为一种新兴的成像模式，引发了新一轮的研究热潮，并于2012年进入消费市场。常规成像方法利用主镜头将三维场景投影到二维探测器平面上，直接造成原始深度信息的丢失。光场成像通过在主镜头和探测器之间增加一层微透镜阵列，可以获得三维物空间场景的四维空间、角度信息。光场成像具有“先拍摄、后对焦”的独特优势，可通过计算成像实现多视角成像、数字重对焦、全对焦成像、深度估计、三维重构等多种成像应用。尽管成像模式不同，但不可避免地，这些应用的实现仍然受限于光场成像系统的景深范围。如果能扩展光场成像系统的景深范围，那么光场成像技术的竞争力可以得到极大的加强。
目前，作为市场上的主流商业化光场相机代表，美国Lytro公司与德国Raytrix公司的商业化光场相机中所采用的微透镜阵列均为固定轮廓型微透镜阵列，其焦距为固定值。在其他几何参数不变的情况下，这两种光场相机只能对物空间中特定深度范围内的目标进行光场成像，这在一定程度上限制了它的应用。液晶微透镜具有电可调谐焦距的优异性能，使其可以对物空间中多种深度范围内的目标进行光场成像。然而，现有液晶微透镜一次光学成像过程中只能实现一种焦距，景深扩展能力相对较低。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种液晶微光学结构以及液晶基电调光场成像探测芯片，其目的在于形成梯度折射率分布以实现多焦距微透镜阵列，二次扩展景深范围，以对视场中更广阔深度范围内的物体进行清晰成像。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液晶微光学结构，包括液晶材料层以及分别设置在所述液晶材料层两侧的图案化电极层和公共电极层；所述图案化电极层由导电膜构成，所述导电膜中设置有阵列分布的电极微孔，且不同孔径的电极微孔交替排列，相同孔径的电极微孔周期排列；当所述图案化电极层和所述公共电极层之间施加的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，不同孔径的电极微孔下，液晶材料层中的液晶分子呈不同空间排布形态，以在所述液晶材料层中形成与周期交替阵列分布对应的梯度折射率分布，使得所述液晶微光学结构在同一时刻具有多个焦距。
更进一步地，还包括：第一液晶定向层、第一基片、保护增透膜、第二液晶定向层和第二基片；所述第一液晶定向层、图案化电极层、第一基片和保护增透膜依次设置在所述液晶材料层的上表面侧；所述第二液晶定向层、公共电极层和第二基片依次设置在所述液晶材料层的下表面侧。
更进一步地，所述第一液晶定向层和第二液晶定向层的厚度为纳米级，所述第一基片和第二基片为数百微米厚的石英晶片。
更进一步地，所述液晶材料层的厚度为微米级。
按照本发明的一个方面，提供了一种液晶基电调光场成像探测芯片，包括如上所述的液晶微光学结构、面阵光电探测器和驱控预处理模块；所述液晶微光学结构被电极微孔划分为多个单元电控液晶微透镜，各所述电极微孔位于对应单元电控液晶微透镜的中心；所述面阵光电探测器包括多个子面阵光电探测器，所述子面阵光电探测器与所述单元电控液晶微透镜一一对应匹配耦合以形成相应的成像单眼；各所述单元电控液晶微透镜用于将光束入射到相应的子面阵光电探测器；各所述子面阵光电探测器用于将接收到的光束转换为电信号；所述驱控预处理模块用于对各所述电信号进行单眼成像，以得到相应的序列子图像数据。
更进一步地，所述子面阵光电探测器包括多个呈阵列分布的光敏元。
更进一步地，所述驱控预处理模块还用于为所述液晶微光学结构提供驱动信号和可调节的调控信号。
更进一步地，还包括陶瓷外壳，所述液晶微光学结构和面阵光电探测器同轴顺序封装在所述陶瓷外壳中；所述陶瓷外壳中与所述液晶微光学结构相接触的一面设置有入射窗口，用于将外界入射光束传输至所述液晶微光学结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：通过设计具有周期性交叠电极微孔结构的图案化电极层，当图案化电极层和公共电极层之间加载的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，液晶材料层的液晶分子在电场驱控下形成特定的空间排布形态，对应于不同孔径电极微孔下的液晶分子将会产生不同的空间排布形态，宏观上可形成梯度折射率分布，一种梯度折射率对应一种等效焦距，从而产生不同的宏观焦距，此时液晶微光学结构等效为面阵多焦距液晶微透镜阵列，等效于对景深范围进行二次扩展，可获取更大的景深范围，使得光场相机可以对视场中更广阔深度范围内的三维物空间场景进行清晰成像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的液晶微光学结构的结构示意图；
图2为图1所示液晶微光学结构中图案化电极层的电极微孔示意图；
图3为本发明实施例提供的液晶基电调光场成像探测芯片的结构示意图；
图4为图3所示液晶基电调光场成像探测芯片中液晶微光学结构和面阵光电探测器的组合示意图；
图5为图3所示液晶基电调光场成像探测芯片的光学成像应用配置示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为液晶微光学结构，11为第二基片，12为公共电极层，13为第二液晶定向层，14为液晶材料层，15为第一液晶定向层，16为图案化电极层，161为电极微孔，162为导电膜，17为第一基片，18为保护增透膜，2为面阵光电探测器，3为陶瓷外壳，31为入射窗口，32为端口，33为指示灯。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的液晶微光学结构的结构示意图。参阅图1，结合图2，对本实施例中液晶微光学结构进行详细说明。
液晶微光学结构1包括液晶材料层14以及分别设置在液晶材料层14两侧的图案化电极层16和公共电极层12。图案化电极层16由导电膜162构成，导电膜中设置有阵列分布的电极微孔161，且不同孔径的电极微孔交替排列，相同孔径的电极微孔周期排列。导电膜中设置有两种及两种以上孔径的电极微孔，如图2所示两种不同孔径的电极微孔周期交替排列形成的图案化电极层16。需要说明的是，本实施例中周期交替排列的电极微孔可由两种及两种以上不同孔径的微孔组成；此外，微孔既可以为圆孔，也可以为三角形孔、正方形孔、正五边形孔、正六边形孔等。
当图案化电极层16和公共电极层12之间施加的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，不同孔径电极微孔下液晶材料层14中的液晶分子呈不同空间排布形态，因而其产生的宏观焦距并不相同，以在液晶材料层14中形成与周期交替阵列分布对应的梯度折射率分布，一种梯度折射率对应于一种等效焦距，使得液晶微光学结构在同一时刻具有多个焦距，多焦距可二次扩展景深范围，从而对视场中更广阔深度范围内的物体进行清晰成像。电控的液晶微光学结构清晰成像的空间分辨率由其规模决定，可以通过调节信号电压的均方幅值改变液晶分子的空间排布形态，进而调节面阵多焦距液晶微透镜阵列的单元电控液晶微透镜的聚光能力，使得此种三维光场成像具备电控调变的效能。
液晶微光学结构1还包括第一液晶定向层15、第一基片17、保护增透膜18、第二液晶定向层13和第二基片11，如图1所示。第一液晶定向层15、图案化电极层16、第一基片17和保护增透膜18依次设置在液晶材料层14的上表面侧。第二液晶定向层13、公共电极层12和第二基片11依次设置在液晶材料层14的下表面侧。第一液晶定向层15和第二液晶定向层13的厚度为纳米级。第一基片17和第二基片11为数百微米厚的石英晶片。液晶材料层14的厚度为微米级。
本实施例中的液晶微光学结构为电控结构，其随所施加的电压信号情况可表现为面阵多焦距液晶微透镜阵列。其主要功能结构包括：在两个外表面分别制有保护膜/光增透膜以及图案电极的顶层基片结构；在单侧外表面制有公共电极的底层基片结构；在两个基片间所充满的微米级厚度液晶材料。当图案化电极层16与公共电极层12之间所加载的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，信号电压激励出的空间电场可对液晶分子施加转向作用，液晶分子的转向程度受电场强弱及其空间指向的影响，电控的液晶微光学结构将表现为面阵多焦距液晶微透镜阵列，图2中利用具有凸轮廓形态的折射微透镜阵列来形象地显示液晶汇聚微透镜的折射率分布特征。面阵多焦距液晶微透镜阵列由m×n元阵列分布的单元电控液晶微透镜构成，m×n为电极微孔组成的阵列分布的尺寸。单元电控液晶微透镜与电极微孔一一对应，每个电极微孔位于对应的单元电控液晶微透镜的中心，形成单元电控液晶微透镜的上电极，所有单元电控液晶微透镜的下电极由公共电极层12提供。
图3为本发明实施例提供的液晶基电调光场成像探测芯片的结构示意图。参阅图3，结合图4-图5，对本实施例中液晶基电调光场成像探测芯片进行详细说明。
液晶基电调光场成像探测芯片包括如图1-图2所示实施例中的液晶微光学结构1、面阵光电探测器2和驱控预处理模块。液晶微光学结构1由电极微孔划分为多个单元电控液晶微透镜，各电极微孔位于对应单元电控液晶微透镜的中心。面阵光电探测器包括多个子面阵光电探测器，子面阵光电探测器与单元电控液晶微透镜一一对应匹配耦合以形成电控复眼成像探测模态下相应的成像单眼。面阵光电探测器被划分为m×n元阵列分布的子面阵光电探测器，子面阵光电探测器与单元电控液晶微透镜一一对应，电控的液晶微光学结构与面阵光电探测器之间的结构配置情况如图4和图5所示。
子面阵光电探测器包括多个呈阵列分布的光敏元，各单元电控液晶微透镜用于将光束入射到相应的子面阵光电探测器的光敏元上。具体地，液晶微光学结构对不同方向的目标光束进行离散化排布，并定向汇聚到各单元电控液晶微透镜对应的子面阵光电探测器的相应的光敏元上。各子面阵光电探测器用于将接收到的光束转换为电信号。驱控预处理模块用于对各电信号进行单眼成像，以得到相应的包含三维空间信息的序列子图像数据。驱控预处理模块还用于为液晶微光学结构提供驱动信号和可调节的调控信号，以驱动液晶微光学结构工作，该调控信号即为图1-图2所示实施例中的信号电压，以对液晶微光学结构进行与幅值和频率相关的信号调控。
根据本发明的实施例，液晶基电调光场成像探测芯片还包括陶瓷外壳3，如图3所示。液晶微光学结构和面阵光电探测器同轴顺序封装在陶瓷外壳中。陶瓷外壳中与液晶微光学结构相接触的一面设置有入射窗口31，液晶微光学结构的保护增透膜通过该入射窗口裸露在外，用于将外界入射光场传输至液晶微光学结构并执行控光操作。
陶瓷外壳的表面还设置有端口32，驱控预处理模块中用于提供驱动信号和调控信号的并行线由端口2接入陶瓷外壳内部，并进一步连接至液晶微光学结构和面阵光电探测器。陶瓷外壳的表面还可以设置有指示灯33，用于指示液晶基电调光场成像探测芯片的工作状态，当液晶基电调光场成像探测芯片处于正常工作状态时，指示灯闪烁。
参阅图5，示出了液晶基电调光场成像探测芯片的光学成像应用配置。主透镜位于物体和液晶基电调光场成像探测芯片之间，且液晶基电调光场成像探测芯片中的微光学结构位于柱透镜和面阵光电探测器之间，主透镜压缩后的外界入射光场由液晶微光学结构进一步汇聚并透射到与其对应的子面阵光电探测器上。
液晶基电调光场成像探测芯片的工作过程为：首先，一组可提供驱控信号、调控信号和数据传输的并行线接入端口；然后分别输入驱控面阵光电探测器工作的电子学信号，以及驱控液晶微光学结构工作的具有特征频率、幅值、占空比的时序电压信号，此时，液晶基电调光场成像探测芯片工作在三维光场成像模式，其采集的图像数据通过接入到端口上的并行线输出。上述工作过程中，指示灯持续闪烁。
此外，本实施例中提供的液晶基电调光场成像探测芯片还可用于测量目标物体的深度。测量之前应该通过实验获取该液晶基电调光场成像探测芯片的电信号均方幅值-最佳物平面深度之间的关系。具体地，通过搭建光学测试系统，可以有效获取液晶微透镜阵列的焦距与驱控电压信号均方幅值的关系；当单元液晶微透镜的聚光能力发生改变时，由几何光学知识可知，成像系统所对应的最佳物平面也会发生改变，因此，可以相应地获取驱控电压信号均方幅值与最佳物平面深度的关系，从而建立电信号均方幅值-最佳物平面深度之间的数学关系。测量目标物体的深度，根据对该目标物体进行成像时所需要施加的电信号的均方幅值，确定目标物体各层的平面深度，计算最大平面深度与最小平面深度之间的差值，从而得到该目标物体的深度。
综上所述，本发明实施例中提供的液晶微光学结构以及液晶基电调光场成像探测芯片具有以下优点：基于多焦距微透镜阵列与电控调焦进行景深扩展，可显著扩展景深范围；通过约束、干预或引导外加电压控制焦距，使其具有智能化驱控的特征；具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性，控制精度高；通过电场驱动液晶分子形成特定排布以实现入射光汇聚，而液晶分子在宽谱域(如可见、近红外乃至中红外波段)具有双折射特性，因而具有宽谱域成像探测的特点；芯片的主体为封装在芯片外壳内的液晶微透镜阵列，其功能化厚度仅在微米量级，在光路中接插方便，易与常规光学光电机械结构匹配耦合，使用方便。
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)

1.一种液晶微光学结构，其特征在于，包括液晶材料层以及分别设置在所述液晶材料层两侧的图案化电极层和公共电极层；
所述图案化电极层由导电膜构成，所述导电膜中设置有阵列分布的电极微孔，且不同孔径的电极微孔交替排列，相同孔径的电极微孔周期排列；
当所述图案化电极层和所述公共电极层之间施加的信号电压的均方幅值高于均方幅值阈值时，不同孔径的电极微孔下，液晶材料层中的液晶分子呈不同空间排布形态，以在所述液晶材料层中形成与周期交替阵列分布对应的梯度折射率分布，使得所述液晶微光学结构在同一时刻具有多个焦距。
2.如权利要求1所述的液晶微光学结构，其特征在于，还包括：第一液晶定向层、第一基片、保护增透膜、第二液晶定向层和第二基片；
所述第一液晶定向层、图案化电极层、第一基片和保护增透膜依次设置在所述液晶材料层的上表面侧；所述第二液晶定向层、公共电极层和第二基片依次设置在所述液晶材料层的下表面侧。
3.如权利要求2所述的液晶微光学结构，其特征在于，所述第一液晶定向层和第二液晶定向层的厚度为纳米级，所述第一基片和第二基片为数百微米厚的石英晶片。
4.如权利要求1-3任一项所述的液晶微光学结构，其特征在于，所述液晶材料层的厚度为微米级。
5.一种液晶基电调光场成像探测芯片，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的液晶微光学结构、面阵光电探测器和驱控预处理模块；
所述液晶微光学结构被电极微孔划分为多个单元电控液晶微透镜，各所述电极微孔位于对应单元电控液晶微透镜的中心；
所述面阵光电探测器包括多个子面阵光电探测器，所述子面阵光电探测器与所述单元电控液晶微透镜一一对应匹配耦合以形成相应的成像单眼；
各所述单元电控液晶微透镜用于将光束入射到相应的子面阵光电探测器；各所述子面阵光电探测器用于将接收到的光束转换为电信号；所述驱控预处理模块用于对各所述电信号进行单眼成像，以得到相应的序列子图像数据。
6.如权利要求5所述的液晶基电调光场成像探测芯片，其特征在于，所述子面阵光电探测器包括多个呈阵列分布的光敏元。
7.如权利要求5所述的液晶基电调光场成像探测芯片，其特征在于，所述驱控预处理模块还用于为所述液晶微光学结构提供驱动信号和可调节的调控信号。
8.如权利要求5-7任一项所述的液晶基电调光场成像探测芯片，其特征在于，还包括陶瓷外壳，所述液晶微光学结构和面阵光电探测器同轴顺序封装在所述陶瓷外壳中；
所述陶瓷外壳中与所述液晶微光学结构相接触的一面设置有入射窗口，用于将外界入射光束传输至所述液晶微光学结构。
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