CN204129388U - 一种电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，包括：第一驱控信号输入端口、第二驱控信号输入端口、以及菲涅耳液晶聚束微透镜，菲涅耳红外聚束微透镜有m级衍射相位环，菲涅耳液晶聚束微透镜采用液晶夹层结构，且上下层之间顺次设置有红外增透膜系、第一基片、顶面图案化电极、第一电隔离层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、第二电隔离层、顶层图案化电极、电极间电绝缘层、公共电极、以及第二基片，顶面图案化电极和公共电极分别制作在第一基片和第二基片上。本实用新型具有聚束效能高、聚束光斑的轴向位形、点扩散函数及波前等可电控调变、易与常规红外光学光电机械结构耦合、环境适应性好等特点。
Description
技术领域
本实用新型属于红外光波精密测量与控制技术领域，更具体地，涉及一种电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片。
背景技术
透镜是用于变换光束传输形态如典型的汇聚光或发散光等的基础光学元件，是构成光学系统的基本结构单元。典型的折射透镜基于光线在界面处的弯折效应来改变光束传播方向及其空间分布形态，体积质量相对较大，在特定材质和形貌轮廓约束下呈现固定的光束变换效能。典型的衍射透镜则基于分布在平坦或弯曲表面上的浮雕相位图案改变传输光波相位，执行基于波前变换的波束形貌及其能流输运形态的变动操作，同样呈现较大的结构尺寸和质量，基于所设定的相位结构产生相对有限的相位延迟或波前改变。近些年来，常规的折射、衍射透镜以及基于透镜的波束变换和成像光学架构，正向着小型化甚至芯片化方向发展。使折射透镜具备球面或非球面轮廓的可调变能力，使衍射透镜具备可调相反射或透射能力，以及可自适应校调色差和像差等需求，推动着透镜以及光学系统技术的持续快速发展。
目前，实现如典型的变焦以及调变波前等波束变换功能，通常基于透镜间的机械平动或转动方式进行，其缺陷主要表现在以下方面：(一)光学系统由多个特定形貌结构的透镜构成，通过改变透镜位形来调变光束波前和能流输运形态；(二)光学系统基于具有特定表面浮雕相位图案的衍射透镜构建，同样基于透镜间的位形变化来调变波前；(三)通过在常规光学系统中配置可移动的特定图案形态衍射相位结构来调控波前以及减小像差与色差；(四)所依赖的机械式移动存在惯性大，响应慢，机械运动的本征连续性所约束的不能执行光学状态的任意切入与跳变，功耗大，辅助驱控装置相对复杂；(五)由于体积、质量和工作模式等原因，难以灵活接入小微型化光路中或与其他微纳光学光电机械结构耦合；(六)无法用于较为复杂或特殊形态的波束构建与波前动态调变等。通过电湿或其他方式调变光学功能结构的轮廓形貌实现折射效能变动的透镜方案，同样存在功耗大，响应慢，轮廓形貌变动需连续进行且极为有限等缺陷。进入新世纪以来，研发可快速调变波束形貌和能量输运形态的芯片化控光技术，已成为发展先进光学精密测量与控制技术的一个重要方向和热点。
近些年来，基于电控液晶微光学结构进行波束变换这一技术已取得显著进展，为发展超薄、多功能、光学性能可动态调变、易于耦合甚至集成的透镜技术提供了一条新途径。目前已具备的主要功能包括：(一)在阵列化液晶结构上施加电驱控信号，光束的汇聚、发散或特征相位变换等，可在任意波束状态下展开、凝固或调变；(二)电控液晶微结构的光束变换作用受先验知识或光束处理结果的约束、干预或引导，具有智能化特征；(三)基于耦合、层叠或套叠式的微纳图案化电极，可开展时序或空变模式下的电控光束变换、波前构建与调变；(四)执行控光操作的微米级厚度电控液晶材料其时间响应常数目前已达到亚毫秒级，实验室级的已快至微秒级，可满足常规动态控光需求。基于上述情况，如何通过小微型化的电控液晶控光结构来构建芯片化透镜，实现传输光波其波束形貌和能流输运形态的电控构建与调变，已成为透镜和光学系统技术继续发展所面临的一个核心性问题，迫切需要新的突破。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，其目的在于，实现基于同心圆环式放射状衍射相位结构变换红外入射波束，芯片光轴方向上的光矢量同相化振动聚束，以及焦长、点扩散函数和波前等的电控调变与精细调节，并具有结构轻薄平坦、易与其它红外光学光电机械结构耦合、环境适应性好的优点。
为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，包括：第一驱控信号输入端口、第二驱控信号输入端口、以及菲涅耳液晶聚束微透镜，菲涅耳红外聚束微透镜有m级衍射相位环，m为1大于的整数，菲涅耳液晶聚束微透镜采用液晶夹层结构，且上下层之间顺次设置有红外增透膜系、第一基片、顶面图案化电极、第一电隔离层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、第二电隔离层、顶层图案化电极、电极间电绝缘层、公共电极、以及第二基片，顶面图案化电极和公共电极分别制作在第一基片和第二基片上，顶面图案化电极和顶层图案化电极均有m级圆环形衍射相位环，从顶面图案化电极和顶层图案化电极上分别延伸出一根电极引线，并接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的一端，从公共电极上分别延伸出两根电极引线，并接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的另一端，第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口分别为顶面图案化电极和公共电极构成的电极对、以及顶层图案化电极和公共电极构成的电极对加载第一电压驱控信号V和第二电压驱控信号V。
优选地，红外光波进入菲涅耳液晶聚束微透镜后，在所加载的双路电压驱控信号激励下形成的多级次菲涅耳衍射相位环作用下，被离散调节成多级次的具有π相差的衍射光束，并在光轴方向上形成同相光振动，经进一步合成构成具有高光束汇集度的锐化焦斑。
优选地，所述芯片还包括芯片壳体，菲涅耳液晶聚束微透镜位于芯片壳体内并与其固连，菲涅耳红外聚束微透镜的光入射面和光出射面通过芯片壳体的顶面和底面开窗裸露出来，第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口设置在芯片壳体上，并通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。
优选地，第一液晶定向层和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成。
优选地，第一电隔离层和第二电隔离层均由亚微米级厚度的SiO2制成。
优选地，第一基片和第二基片具有相同材质。
优选地，在第一基片的光入射面和第二基片的光出射面上均制有相同材质的红外增透膜系。
总体而言，通过本实用新型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、通过双路电信号驱控形成菲涅耳聚束微透镜：通过在相互套叠的两个电极对上独立加载双路电压信号，在液晶材料中激励起具有菲涅耳型折射轮廓特征的折射率空间分布形态，实现红外入射波束的高能量利用率电控锐化聚束与调变。
2、匹配双路电压信号调变聚束参数：通过灵活配置和调节双路电压信号，对红外光波在芯片光轴方向上的聚束形态进行电控构建，以及精细调变焦长、点扩散函数和波前等。
3、智能化：通过匹配及调变双路电压信号所实施的红外光场聚束操作，可在先验知识或波束处理效能的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。
4、控制方式灵活精度高：由于采用双路电压信号驱控体制，通过灵活配置和调节双路电压信号，可对红外波束进行精细聚束操作，具有控制方式灵活多样以及控制精度高的优点。
5、使用方便：本实用新型的控光芯片具有双平面端面，其主体为基于2π相差调节的多级次圆环形电控液晶衍射相位的菲涅耳液晶聚束微透镜，在红外光路中配置方便，易与其他红外光学机械结构等匹配耦合。
附图说明
图1是本实用新型电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片的结构示意图；
图2是本实用新型菲涅耳液晶聚束微透镜的结构示意图；
图3是本实用新型电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片的光束变换示意图。
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-第一驱控信号输入端口，2-第二驱控信号输入端口，3-菲涅耳液晶聚束微透镜，4-芯片壳体。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型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，本实用新型的电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片包括：第一驱控信号输入端口1、第二驱控信号输入端口2、由基于多级次2π相差调节的电控液晶衍射相位环构成的菲涅耳液晶聚束微透镜3、以及芯片壳体4。
菲涅耳液晶聚束微透镜3位于芯片壳体4内并与其固连。
菲涅耳红外聚束微透镜3的光入射面和光出射面通过芯片壳体4的顶面和底面开窗裸露出来。
第一驱控信号输入端口1和第二驱控信号输入端口2设置在芯片壳体4上，并通过芯片壳体4的侧面开孔裸露在外。
菲涅耳红外聚束微透镜3有m级衍射相位环，m为大于1的整数。菲涅耳红外聚束微透镜3的顶面图案化电极中的各圆环电极图案、以及顶层图案化电极中的各圆环电极图案均被同步加电。
红外光波进入菲涅耳液晶聚束微透镜后，在所加载的双路电压驱控信号激励下形成的多级次菲涅耳衍射相位环作用下，被离散调节成多级次的具有2π相差的衍射光束，并在光轴方向上形成同相光振动，经进一步合成构成具有高光束汇集度的锐化焦斑。灵活配置及调节所独立加载的双路电压驱控信号，可对聚束焦斑的焦长、形态、能态和波前等进行精细调节。
如图2所示，本实用新型的菲涅耳液晶聚束微透镜采用液晶夹层结构，且上下层之间顺次设置有红外增透膜系、第一基片、顶面图案化电极、第一电隔离层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、第二电隔离层、顶层图案化电极、电极间电绝缘层、公共电极、以及第二基片。
顶面图案化电极和公共电极分别制作在第一基片和第二基片上。
第一基片和第二基片具有相同材质。
第一和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成，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。
第一和第二电隔离层均由亚微米级厚度的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。
在第一基片的光入射面和第二基片的光出射面上均制有相同材质的红外增透膜系。
顶面图案化电极和顶层图案化电极均有m级圆环形衍射相位环。
从顶面图案化电极和顶层图案化电极上分别延伸出一根电极引线，并接入第一驱控信号输入端口1和第二驱控信号输入端口2的一端，从公共电极上分别延伸出两根电极引线，并接入第一驱控信号输入端口1和第二驱控信号输入端口2的另一端。
第一驱控信号输入端口1和第二驱控信号输入端口2分别为顶面图案化电极和公共电极构成的电极对、以及顶层图案化电极和公共电极构成的电极对加载第一电压驱控信号V1和第二电压驱控信号V2。
如图3所示，本实用新型的电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片通过匹配和调节加载在菲涅耳液晶聚束微透镜的双路电压信号，控制和调节红外聚束波束的锐化程度、焦长、焦深和波前，该操作等效于调变与其具有类似光聚束效能的常规菲涅耳折射微透镜的冠高以及光滑锯齿形相结构表面的弯折程度，如图示的用虚线标注的等效常规凸折射轮廓。所得到的红外出射聚束波束可通过双路电压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实用新型，下面结合图1至图3说明本实用新型的电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片的工作原理。
电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜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。
将双路驱控信号线接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口，将电压信号输入和加载在菲涅耳液晶聚束微透镜上。
红外光束进入芯片中的菲涅耳液晶聚束微透镜后，与受控电场激励下构建的具有特定折射率空间分布形态的液晶分子相互作用而呈高度聚束态，在芯片光轴方向上形成锐化焦斑。所形成的折射率空间分布形态，可用常规的多级次光滑锯齿状轮廓的菲涅耳折射微透镜等效。通过灵活匹配及调节加载在微透镜两个套叠式电极上的双路独立电压信号，可对轴向聚束光斑的位置、形态、能态及波前等，进行电控构建与精细调变。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，包括：第一驱控信号输入端口、第二驱控信号输入端口、以及菲涅耳液晶聚束微透镜，其特征在于，
菲涅耳红外聚束微透镜有m级衍射相位环，m为1大于的整数；
菲涅耳液晶聚束微透镜采用液晶夹层结构，且上下层之间顺次设置有红外增透膜系、第一基片、顶面图案化电极、第一电隔离层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、第二电隔离层、顶层图案化电极、电极间电绝缘层、公共电极、以及第二基片；
顶面图案化电极和公共电极分别制作在第一基片和第二基片上；
顶面图案化电极和顶层图案化电极均有m级圆环形衍射相位环；
从顶面图案化电极和顶层图案化电极上分别延伸出一根电极引线，并接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的一端，从公共电极上分别延伸出两根电极引线，并接入第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口的另一端；
第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口分别为顶面图案化电极和公共电极构成的电极对、以及顶层图案化电极和公共电极构成的电极对加载第一电压驱控信号V1和第二电压驱控信号V2。
2.根据权利要求1所述的电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，其特征在于，红外光波进入菲涅耳液晶聚束微透镜后，在所加载的双路电压驱控信号激励下形成的多级次菲涅耳衍射相位环作用下，被离散调节成多级次的具有π相差的衍射光束，并在光轴方向上形成同相光振动，经进一步合成构成具有高光束汇集度的锐化焦斑。
3.根据权利要求1所述的电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，其特征在于，
所述芯片还包括芯片壳体；
菲涅耳液晶聚束微透镜位于芯片壳体内并与其固连；
菲涅耳红外聚束微透镜的光入射面和光出射面通过芯片壳体的顶面和底面开窗裸露出来；
第一驱控信号输入端口和第二驱控信号输入端口设置在芯片壳体上，并通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。
4.根据权利要求1所述的电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，其特征在于，第一液晶定向层和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成。
5.根据权利要求1所述的电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，其特征在于，第一电隔离层和第二电隔离层均由亚微米级厚度的SiO2制成。
6.根据权利要求1所述的电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，其特征在于，第一基片和第二基片具有相同材质。
7.根据权利要求1所述的电控液晶菲涅耳红外聚束微透镜芯片，其特征在于，在第一基片的光入射面和第二基片的光出射面上均制有相同材质的红外增透膜系。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |