CN204129391U - 一种基于电控液晶平面微透镜的波前控制芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电控液晶平面微透镜的波前控制芯片。芯片包括面阵电控液晶平面微透镜，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、图形化电极层、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；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，每个子电极均由绕圆周呈十字叉型均匀分布的四个条状导电膜构成，单个子电极内的各条状导电膜互不接触。本实用新型能实现波前的受控调变、凝固、检录、搜索或跟踪以及复杂波前的构建，易与其它光学光电结构以及电子和机械装置耦合，环境适应性好。

Description

一种基于电控液晶平面微透镜的波前控制芯片

技术领域

本实用新型属于光学精密测量与控制技术领域，更具体地，涉及一种基于面阵电控液晶平面微透镜对入射波前进行电控调节的波前控制芯片。

背景技术

波前是表征光波的一个基本物理参量，是控制光束形态及其演化行为的关键物理要素之一。基本的如汇聚球面或柱面波前、发散球面或柱面波前或平面波前等，将引导和约束光波呈球面或柱面聚束形态、球面或柱面发散形态或平行束。一般而言，任何复杂光波均可由基于上述球面、柱面或平面波前进行局域化分割而成的子波前拟合来表征。拟合波前与真实波前间的形态差异，取决于子波前的分割方式、分割细腻程度以及拟合规则。在不改变子出射波前形态、结构和拟合规则这一前提下，通过调变子波前的倾斜程度，将构造出基于子波前拟合的新出射波前，实现基于波前控制的光束管控。

目前已广泛应用的波前控制措施包括：(一)通过凸透镜或凹透镜或其组合，得到固定形态的汇聚或发散球面或非球面波前；(二)通过衍射相位结构得到波前形态相对固定的波束；(三)通过相位型MEMS或其阵列，基于子平面波前相位延迟得到具有特定波前形态的反射或透射光束；(四)通过波束耦合或干涉，得到波前形态相对有限的传输光场；(五)通过调变谐振腔体的特征尺寸或局域结构，出射波前形态有限的激光束；(六)基于电控液晶相移器对子平面波前的相位延迟作用，构造波前形态相对有限的出射光束。进入新世纪以来，发展小微型化的光学波前控制技术，具备基于光波相位的灵活和快捷调控来构建波束形态，发展成本相对低廉的小微型化波前控制结构，已成为发展先进光学精密测量与控制技术的一个重要分支，受到广泛关注和重视。

现有波前控制技术的缺陷主要表现在以下方面：(一)形状固定的透镜或透镜组仅能构建有限尺寸和形态的球面或非球面波前，无法进行基于局域波前选择和控制的调变操作；(二)MEMS相控器因基于调变离散化的子平面波前其倾斜或相位延迟程度，仅能构建有限形态的出射波前；(三)衍射相位结构基于对子波前进行有限程度的相位调整，所能出射的波前形态相对固定；(四)基于多波束干涉构建的复杂波前同样无法进行波前的局域控制和调变；(五)体积和质量大，操作相对复杂，难以灵活接入光路中或与其他光学光电结构耦合；(六)无法用于波前形态复杂的高速载荷或目标，难以执行局域视场的受控波前测调，难以对视场中的局域性波前执行凝固或调变操作，难以对局域视场进行快速波前检录、搜索或跟踪，难以对全视场波前执行局域化分割与处理等。

近些年来，基于电控液晶微透镜进行波束变换技术已取得显著进展，为解决上述问题提供了一条可行途径。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、发散和相位延迟等可在任意子波前处展开、凝固或调变；(二)液晶微透镜的光束变换作用受先验知识或波束处理结果的约束、干预或引导，具有对波前执行受控管控的潜力。尽管如此，尚缺乏可对波前进行精细调控、变换以及基于小微型化手段构建复杂波前的能力。目前，如何基于小微型化的电控液晶微透镜技术实现波前的受控调变和复杂波前构建，已成为光学精密测量与控制技术继续发展所面对的难点问题，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基于电控液晶平面微透镜的波前控制芯片，能实现波前的受控调变、凝固、检录、搜索或跟踪以及复杂波前的构建，易与其它光学光电结构以及电子和机械装置耦合，环境适应性好。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种波前控制芯片，其特征在于，包括面阵电控液晶平面微透镜；所述面阵电控液晶平面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、图形化电极层、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，每个子电极均由绕圆周呈十字叉型均匀分布的四个条状导电膜构成，单个子电极内的各条状导电膜互不接触，各子电极互不接触，其中，m、n均为大于1的整数；所述面阵电控液晶平面微透镜被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶平面微透镜，所述单元电控液晶平面微透镜与所述子电极一一对应，每个子电极均位于对应的单元电控液晶平面微透镜的中心，形成单元电控液晶平面微透镜的上电极，所有单元电控液晶平面微透镜的下电极由所述公共电极层提供。

优选地，单个子电极的四个条状导电膜围绕的圆周面积与对应的单元电控液晶平面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4％～16％。

优选地，所述控制芯片还包括芯片外壳；所述面阵电控液晶平面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。

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，具有以下有益效果：

1、波前快速调变与凝固。本实用新型基于独立或协同加电驱控的面阵电控液晶平面微透镜，实现入射光束的波前分割、调变与耦合出射，具有将出射波前凝固在特定形态或调变到预定形态的优点。

2、波前控制方式灵活。通过对单元电控液晶平面微透镜中的各条状导电膜执行独立的加电操作，可对光束执行局域波前凝固或调变操作，具有波前电控调节方式灵活的特点。

3、智能化。通过调变面阵电控液晶平面微透镜的加电模式和电信号频率或幅度，对波前的控制操作可在先验知识或波前测量处理结果的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。

4、控制精度高。由于采用可精密进行电调焦电摆焦操作的面阵液晶平面微透镜，具有极高的结构、电学及电光参数的稳定性和控制精度，具有波前控制精度高的优点。

5、使用方便。本实用新型的一种基于电控液晶平面微透镜的波前控制芯片由封装在芯片外壳内的面阵电控液晶平面微透镜构成，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是本实用新型实施例的基于电控平面液晶微透镜的波前控制芯片的结构示意图；

图2是面阵电控液晶平面微透镜的结构示意图；

图3是图形化电极层的结构示意图；

图4是本实用新型实施例的基于电控液晶平面微透镜的波前控制芯片在测试光路中的配置示意图；

图5是单元电控液晶平面微透镜的加电操作示意图；

图6是本实用新型实施例的基于电控液晶平面微透镜的波前控制芯片的工作原理示意图；

图7是本实用新型一个实施例的透射波前测试图。

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-芯片外壳，10-面阵电控液晶平面微透镜。

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，本实用新型实施例的基于电控液晶平面微透镜的波前控制芯片包括芯片外壳9和面阵电控液晶平面微透镜10。面阵电控液晶平面微透镜10封装在芯片外壳9内并与芯片外壳9固连，其光入射面和光出射面通过芯片外壳9的前后两个端面上正对的开孔裸露在外。芯片外壳9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所示，面阵电控液晶平面微透镜10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、图形化电极层、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。公共电极层由一层匀质导电膜构成。如图3所示，图形化电极层由m×n元阵列分布的子电极构成(m、n均为大于1的整数)，每个子电极均由绕圆周呈十字叉型均匀分布的四个条状导电膜构成，单个子电极内的各条状导电膜互不接触，各子电极互不接触。

优选地，图形化电极层和公共电极层材料为氧化铟锡(ITO)，其厚度在几十至几百纳米范围内。第一和第二液晶初始取向层由具有较高光透过率的膜材料制成，典型的如聚酰亚胺(PI)，其厚度为微米量级。第一基片和第二基片为同种光学材质。

将上述面阵电控液晶平面微透镜10划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶平面微透镜，单元电控液晶平面微透镜与子电极一一对应，每个子电极均位于对应的单元电控液晶平面微透镜的中心，形成单元电控液晶平面微透镜的上电极，所有单元电控液晶平面微透镜的下电极由公共电极层提供。单个子电极的四个条状导电膜围绕的圆周面积与对应的单元电控液晶平面微透镜的光接收面积的比值被称为电极开孔系数，其典型值在4％至16％间。

利用本实用新型实施例的基于电控液晶平面微透镜的波前控制芯片，对入射光波前进行电控调节以及执行复杂波前构建的原理如下。

在强光场环境中，可将波前控制芯片直接置于测试光路中执行波前控制操作；在弱辐射光场环境中，可将波前控制芯片置于由主镜构成的光学系统的焦面处或进行弱离焦配置，执行波前调变与复杂波前构建操作，如图4所示。

如图5所示，单元电控液晶平面微透镜的四个条状导电膜被驱控电压信号V₁、V₂、V₃和V₄独立加电驱控，单元电控液晶平面微透镜间的加电操作相互独立和/或协同进行。例如，基于芯片横向和纵向中心线将单元电控液晶平面微透镜划分在四个不同的区域，同一区域内的单元电控液晶平面微透镜的加电操作协同进行，即同一区域内，各单元电控液晶平面微透镜内相同位置的条状导电膜通过一个驱控电压信号加电驱控；不同区域内的单元电控液晶平面微透镜的加电操作相互独立。具体地，在同一区域内，各单元电控液晶平面微透镜内相同位置的条状导电膜通过导线互连并引出，四根引线每两根一组，分别被接入与该区域相邻的两个驱控信号输入端口。每个驱控信号输入端口内的公共电极层引线与条状导电膜引线组成控制线对，通过第一至第八驱控信号输入端口1至8执行上述加电操作。

液晶材料层中，靠近液晶初始取向层的液晶分子被具有平行沟槽取向的液晶初始取向层牢固锚定，液晶材料层中部的液晶分子在空间电场的驱动下，形成对入射光波前执行调变操作的特定折射率空间分布形态。如图6所示，入射光束进入面阵电控液晶平面微透镜后，被各单元电控液晶平面微透镜离散为倾角各异的子平面波前，各子平面波前与受控电场激励下的液晶分子相互作用，形成汇聚或者倾斜或者相移程度受到控制的子出射波前，各子出射波前在波前控制芯片外耦合成新的透射波前从芯片输出。通过独立调节加载在单元电控液晶平面微透镜的四个条状导电膜上的驱控电压信号的频率或均方幅度，调变各单元电控液晶平面微透镜的子出射波束的汇聚、倾斜或相位延迟程度，如图6所示的等效电控状态-1和等效电控状态-2。

通过上述加电操作，完成对入射光波前的离散式平面化分割，以及子平面入射波前的形态或姿态调变等。得到的出射光波前可被凝固在特定形态或调变到预定形态，典型的出射波前如图7所示。

此外，针对目标或环境光场扰动以及芯片振动引入的波前波动，通过调变加载在芯片上的多路驱控电压信号调节波前，使芯片具备抗光场扰动及振动的能力。针对强光场或弱辐射光场，通过芯片中的面阵电控液晶平面微透镜的电调焦功能调变聚束波束形态，使芯片具备较宽的光辐照适用范围。通过芯片中的面阵电控液晶平面微透镜的电摆焦功能增大或缩小视场，使芯片具备可调变的光场作用范围。通过该波前控制芯片也可以执行局域波前的凝固、跳转、检录、搜索或跟踪等操作。

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 (3)

1.一种波前控制芯片，其特征在于，包括面阵电控液晶平面微透镜；所述面阵电控液晶平面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、图形化电极层、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，每个子电极均由绕圆周呈十字叉型均匀分布的四个条状导电膜构成，单个子电极内的各条状导电膜互不接触，各子电极互不接触，其中，m、n均为大于1的整数；

所述面阵电控液晶平面微透镜被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶平面微透镜，所述单元电控液晶平面微透镜与所述子电极一一对应，每个子电极均位于对应的单元电控液晶平面微透镜的中心，形成单元电控液晶平面微透镜的上电极，所有单元电控液晶平面微透镜的下电极由所述公共电极层提供。

2.如权利要求1所述的波前控制芯片，其特征在于，单个子电极的四个条状导电膜围绕的圆周面积与对应的单元电控液晶平面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4％～16％。

3.如权利要求1或2所述的波前控制芯片，其特征在于，所述控制芯片还包括芯片外壳；所述面阵电控液晶平面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。