CN204129398U - 一种红外聚光芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种红外聚光芯片。该芯片包括圆柱形的液晶调相架构，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、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；图形化电极层由圆形导电膜和同心设置在圆形导电膜外围的至少一个圆环形导电膜构成，圆形导电膜的直径大于与其相邻的圆环形导电膜的径向宽度；在圆环形导电膜为多个时，多个圆环形导电膜依次设置在圆形导电膜的外围，且其径向宽度递减。该芯片对红外波束的聚焦效能高，光场适应性好，体积和质量小，易与其它光学光电机械结构耦合。

Description

一种红外聚光芯片

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，涉及一种红外聚光芯片。

背景技术

迄今为止，通过特定形貌结构的圆对称同心波带片，对红外入射光波执行光轴线方向上的多焦点离散聚束这一技术，在实现常规光学结构或系统的性能指标提升与功能扩展，构建基于超薄芯片化以及光波相干式增强的聚束处理和变换架构，发展光能利用率衍射增强，以及基于衍射相位结构的特定空间排布进行多色光波的谱聚束式频谱空间分离等方面，已获得广泛应用。随着小型化甚至芯片式红外光学透镜与系统技术的持续快速发展和应用领域的不断扩展，发展可基于环境、目标、红外光波频谱和束形态等情况，及时调变轴向焦点的排布形态、点扩散函数以及实现较大间隔尺度的谱聚束分离，增强使用灵活性，具备基于先验知识或波束情况的可调变聚束功能，增强与其他光学光电机械装置的耦合与匹配能力以及降低结构复杂性等，已受到广泛关注和重视。

目前，通过特定形貌结构的圆对称同心波带片，对入射红外光波执行轴向多焦点离散式聚焦以及聚束式频谱空间分离技术，呈现若干明显缺陷，包括：(一)基于特定波长建立的特殊形貌轮廓和结构尺寸波带片，仅针对特定波长进行多焦点离散聚束操作，频谱的微弱变动会大幅降低离散聚束或频谱空间分离效能，谱适应性差；(二)光波的轴向聚束式多焦点构建或频谱分离不具备可调变功能，无法对焦长和点扩散函数进行调变操作，目标以及工作环境和电气环境的适应性差；(三)调焦或调变点扩散函数通常基于波带片与辅助透镜间的机械移动展开，执行机构的体积、质量和惯性大，需配置繁杂的驱控装置，响应慢，状态转换时间长，因机械运动原因无法进行红外光学状态的任意切入或跳变；(四)仅能执行波长差异较大的轴向频谱分离操作。

近些年来，基于轻薄和低功耗的电控液晶结构进行特定形态红外波束的电控构建与调变这一技术，已取得显著进展，目前已具备的主要功能包括：(一)基于阵列化液晶微结构的红外光波相位延迟，可通过施加低功率电驱控信号展开；(二)基于可调变相位结构间的匹配耦合进行波前构建，可依据所设定的电控顺序展开、凝固或调变；(三)可通过调变电驱控信号对红外光波相位的延迟操作进行约束、干预或引导，具有智能化特征；(四)平面端面且具有微米级液晶材料厚度的超薄液晶波带片，可被灵活接入红外光路中或与其他红外光学光电机械结构耦合甚至集成；(五)阵列化液晶微结构的驱动和调控操作可基于微瓦级功耗的驱控信号进行；(六)基于电场激励构建的液晶折射率空间分布形态可随电场变动进行变换，可通过电调变操作有效适应红外入射光波其频谱、液晶器件供电波动、环境变化、目标特征变动以及光波聚束指标的受控更改等。目前，如何基于小微型化的电控液晶结构进行红外光波的可调变聚束操作，实现具有特定空间分布形态的阵列化压缩光场构建，已成为红外光波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。

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红外聚光芯片，具有波束聚焦效能高，光场适应性好，体积和质量小，易与其它光学光电机械结构耦合的优点。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种红外聚光芯片，其特征在于，包括圆柱形的液晶调相架构；所述液晶调相架构包括液晶材料层，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圆形导电膜和同心设置在所述圆形导电膜外围的至少一个圆环形导电膜构成，所述圆形导电膜的圆心与所述液晶调相架构的轴心重合，所述圆形导电膜的直径大于与其相邻的圆环形导电膜的径向宽度；在所述圆环形导电膜为多个时，多个圆环形导电膜依次设置在所述圆形导电膜的外围，且其径向宽度递减，相邻导电膜的径向间距相等，其中，相邻导电膜包括相邻的圆环形导电膜以及相邻的圆环形导电膜和圆形导电膜；所述液晶调相架构被划分成圆柱形液晶调相单元和至少一个圆筒形液晶调相单元，圆形导电膜对应圆柱形液晶调相单元且位于圆柱形液晶调相单元的中心，形成圆柱形液晶调相单元的上电极，圆环形导电膜与圆筒形液晶调相单元一一对应，每个圆环形导电膜均位于与其对应的圆筒形液晶调相单元的中心，形成圆筒形液晶调相单元的上电极，所有液晶调相单元的下电极由公共电极层提供。

优选地，所述芯片还包括芯片外壳；所述液晶调相架构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顶部和底部开孔裸露在外；所述芯片外壳的侧面设置有第一和第二驱控信号输入端口。

优选地，每个圆形导电膜和圆环形导电膜均通过一根导线独立引出，形成上电极引线，这些上电极引线分组两组分别接入所述第一和第二驱控信号输入端口的一端；所述公共电极层通过两根导线引出，形成两根公共电极层引线分别接入所述第一和第二驱控信号输入端口的另一端。

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、电控离散式级联聚光与调变。本实用新型基于电驱控的多个同心设置的圆筒形液晶调相单元，实现红外光波在光轴方向上的多级次离散汇聚，具有基于环形子波前相位匹配构建与调变透射光场执行级联聚束这一优点。

2、电控排布轴向级联焦斑。通过对各同心设置的圆筒形液晶调相单元执行独立的加电操作，能对轴向级联焦点的位形和点扩散函数进行调节。

3、红外光能利用率高。通过电控调变基于多个同心设置的圆筒形液晶调相单元的子平面出射波前的相位，将相邻液晶调相单元的子平面出射波前调变到同向矢量态而实现光能利用率的最大化。

4、智能化驱控。液晶调相架构的加电操作能在先验知识或波束汇聚情况的约束、干预或引导下进行，具有智能化特征。

5、控制精度高。由于本实用新型采用可精密电驱控的液晶调相单元，具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性，具有控制精度高的优点。

6、使用方便。本实用新型的芯片主体为封装在芯片外壳内的液晶调相架构，在光路中接插方便，易与常规红外光学光电和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红外聚光芯片的结构示意图；

图2是液晶调相架构的图形化电极层的结构示意图；

图3是本实用新型实施例的红外聚光芯片进行级联聚光的示意图。

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-液晶调相架构，4-芯片外壳，31-第一导电膜，32-第二导电膜，33-第三导电膜，34-第四导电膜，35-第五导电膜，36-第六导电膜，3m-第m导电膜。

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红外聚光芯片包括芯片外壳4和圆柱形的液晶调相架构3。液晶调相架构3封装在芯片外壳4内并与芯片外壳4固连，其光入射面和光出射面通过芯片外壳4的顶部和底部开孔裸露在外。芯片外壳4的侧面设置有第一驱控信号输入端口1和第二驱控信号输入端口2。

如图2和图3所示，液晶调相架构3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。图形化电极层由微圆形的第一导电膜31以及依次设置在第一导电膜31外围且与其同心的微圆环形的第二至第m导电膜32至3m构成，其中，m为大于1的整数。具体地，第二导电膜32设置在第一导电膜31的外围，第三导电膜33设置在第二导电膜32的外围，第四导电膜34设置在第三导电膜33的外围，依此类推。第一导电膜31的圆心与液晶调相架构3的轴心重合。第二导电膜32的径向宽度小于第一导电膜31的直径，第二至第m导电膜32至3m的径向宽度递减，具体地，第三导电膜33的径向宽度小于第二导电膜32，第四导电膜34的径向宽度小于第三导电膜33，依此类推；相邻导电膜的径向间距相等，为微米级大小，以有效隔离对各导电膜所实施的独立加电操作；其中，相邻导电膜包括第二至第m导电膜32至3m中相邻的导电膜以及相邻的第一导电膜31和第二导电膜32。

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。

将上述液晶调相架构3进行划分，得到微圆柱形的第一液晶调相单元以及依次设置在第一液晶调相单元外围且与其同轴的微圆筒形的第二至第m液晶调相单元。第一至第m导电膜与第一至第m液晶调相单元一一对应，形成液晶调相单元的上电极，所有液晶调相单元的下电极由公共电极层提供。其中，第一导电膜31位于第一液晶调相单元的中心，第二导电膜32位于第二液晶调相单元的中心，第三导电膜33位于第三液晶调相单元的中心，依次类推，第m导电膜3m位于第m液晶调相单元的中心。各液晶调相单元被独立加电驱控，具体地，第一至第m导电膜分别通过一根导线独立引出，形成上电极引线，将这些上电极引线按照第一至第m导电膜的排列顺序分成两组后，分别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；公共电极层通过两根导线引出，形成两根公共电极层引线分别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。通过上电极引线和公共电极层引线对各液晶调相单元独立加载驱控电压信号。

本实用新型实施例的红外聚光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。

通过第一驱控信号输入端口1和第二驱控信号输入端口2输入加载在各液晶调相单元上的驱控电压信号，使各液晶调相单元被独立加电驱控。如图3所示，第i液晶调相单元的驱控电压信号为V_i，其中，i＝1,2,…,m。分布在构成液晶微腔的双层平面电极板(包括增透膜、基片、电极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圆柱和圆筒形空间电场驱动，形成可调变红外入射波束的特定同心圆柱和圆筒形折射率空间分布形态。

红外入射波束进入液晶调相架构后，液晶调相架构按照其中液晶调相单元的规模和排布情况，将红外入射波束分割成与各液晶调相单元对应的同心圆和圆环形子平面入射波前，各子平面入射波前与各自对应的液晶调相单元中呈特定折射率空间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同心圆和圆环形子平面出射波前，各子平面出射波前耦合形成在液晶调相架构的轴心上呈离散式级联聚焦态的红外透射波束从芯片输出。

通过调节加载在各液晶调相单元上的驱控电压信号的频率或均方幅度，调变各液晶调相单元中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，调变各子平面出射波前的相位延迟程度，进而调变由各子平面出射波前耦合形成的红外透射波束的相位分布形态，调变红外透射波束的离散式级联焦斑(如图3所示的焦斑B1和焦斑B2)的位形及点扩散函数，使其被凝固在特定形态或调变到预定形态。

随红外入射波束其波长的变化，可相应调整第一导电膜的直径、第二至第m导电膜的径向宽度以及相邻导电膜的径向间距等参数配置。针对电参数扰动以及芯片振动引入的波前变动，可通过调变加载在芯片上的多路驱控电压信号调节波前，芯片具备抗扰动或抗振动的聚光能力。针对入射波束形态变动或需求情况，通过及时调变加载在芯片上的驱控电压信号进行波前调节，芯片具备动态聚光能力。芯片断电后级联聚焦作用消失，光束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)

1.一种红外聚光芯片，其特征在于，包括圆柱形的液晶调相架构；所述液晶调相架构包括液晶材料层，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圆形导电膜和同心设置在所述圆形导电膜外围的至少一个圆环形导电膜构成，所述圆形导电膜的圆心与所述液晶调相架构的轴心重合，所述圆形导电膜的直径大于与其相邻的圆环形导电膜的径向宽度；在所述圆环形导电膜为多个时，多个圆环形导电膜依次设置在所述圆形导电膜的外围，且其径向宽度递减，相邻导电膜的径向间距相等，其中，相邻导电膜包括相邻的圆环形导电膜以及相邻的圆环形导电膜和圆形导电膜；

所述液晶调相架构被划分成圆柱形液晶调相单元和至少一个圆筒形液晶调相单元，圆形导电膜对应圆柱形液晶调相单元且位于圆柱形液晶调相单元的中心，形成圆柱形液晶调相单元的上电极，圆环形导电膜与圆筒形液晶调相单元一一对应，每个圆环形导电膜均位于与其对应的圆筒形液晶调相单元的中心，形成圆筒形液晶调相单元的上电极，所有液晶调相单元的下电极由公共电极层提供。

2.如权利要求1所述的红外聚光芯片，其特征在于，所述芯片还包括芯片外壳；所述液晶调相架构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顶部和底部开孔裸露在外；所述芯片外壳的侧面设置有第一和第二驱控信号输入端口。

3.如权利要求2所述的红外聚光芯片，其特征在于，每个圆形导电膜和圆环形导电膜均通过一根导线独立引出，形成上电极引线，这些上电极引线分组两组分别接入所述第一和第二驱控信号输入端口的一端；所述公共电极层通过两根导线引出，形成两根公共电极层引线分别接入所述第一和第二驱控信号输入端口的另一端。