一種紅外聚光芯片的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種紅外聚光芯片。該芯片包括圓柱形的液晶調相架構，其包括液晶材料層，依次設置在液晶材料層上表面的第一液晶初始取向層、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設置在液晶材料層下表面的第二液晶初始取向層、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜；圖形化電極層由圓形導電膜和同心設置在圓形導電膜外圍的至少一個圓環形導電膜構成，圓形導電膜的直徑大于與其相鄰的圓環形導電膜的徑向寬度；在圓環形導電膜為多個時，多個圓環形導電膜依次設置在圓形導電膜的外圍，且其徑向寬度遞減。該芯片對紅外波束的聚焦效能高，光場適應性好，體積和質量小，易與其它光學光電機械結構耦合。
【專利說明】一種紅外聚光芯片
【技術領域】
[0001]本發明屬于紅外光波精密測量與控制【技術領域】，更具體地，涉及一種紅外聚光芯片。
【背景技術】
[0002]迄今為止，通過特定形貌結構的圓對稱同心波帶片，對紅外入射光波執行光軸線方向上的多焦點離散聚束這一技術，在實現常規光學結構或系統的性能指標提升與功能擴展，構建基于超薄芯片化以及光波相干式增強的聚束處理和變換架構，發展光能利用率衍射增強，以及基于衍射相位結構的特定空間排布進行多色光波的譜聚束式頻譜空間分離等方面，已獲得廣泛應用。隨著小型化甚至芯片式紅外光學透鏡與系統技術的持續快速發展和應用領域的不斷擴展，發展可基于環境、目標、紅外光波頻譜和束形態等情況，及時調變軸向焦點的排布形態、點擴散函數以及實現較大間隔尺度的譜聚束分離，增強使用靈活性，具備基于先驗知識或波束情況的可調變聚束功能，增強與其他光學光電機械裝置的耦合與匹配能力以及降低結構復雜性等，已受到廣泛關注和重視。
[0003]目前，通過特定形貌結構的圓對稱同心波帶片，對入射紅外光波執行軸向多焦點離散式聚焦以及聚束式頻譜空間分離技術，呈現若干明顯缺陷，包括:(一)基于特定波長建立的特殊形貌輪廓和結構尺寸波帶片，僅針對特定波長進行多焦點離散聚束操作，頻譜的微弱變動會大幅降低離散聚束或頻譜空間分離效能，譜適應性差；(二)光波的軸向聚束式多焦點構建或頻譜分離不具備可調變功能，無法對焦長和點擴散函數進行調變操作，目標以及工作環境和電氣環境的適應性差；(三)調焦或調變點擴散函數通常基于波帶片與輔助透鏡間的機械移動展開，執行機構的體積、質量和慣性大，需配置繁雜的驅控裝置，響應慢，狀態轉換時間長，因機械運動原因無法進行紅外光學狀態的任意切入或跳變；(四)僅能執行波長差異較大的軸向頻譜分離操作。
[0004]近些年來，基于輕薄和低功耗的電控液晶結構進行特定形態紅外波束的電控構建與調變這一技術，已取得顯著進展，目前已具備的主要功能包括:(一)基于陣列化液晶微結構的紅外光波相位延遲，可通過施加低功率電驅控信號展開；(二)基于可調變相位結構間的匹配耦合進行波前構建，可依據所設定的電控順序展開、凝固或調變；(三)可通過調變電驅控信號對紅外光波相位的延遲操作進行約束、干預或引導，具有智能化特征；(四)平面端面且具有微米級液晶材料厚度的超薄液晶波帶片，可被靈活接入紅外光路中或與其他紅外光學光電機械結構耦合甚至集成；(五)陣列化液晶微結構的驅動和調控操作可基于微瓦級功耗的驅控信號進行；(六)基于電場激勵構建的液晶折射率空間分布形態可隨電場變動進行變換，可通過電調變操作有效適應紅外入射光波其頻譜、液晶器件供電波動、環境變化、目標特征變動以及光波聚束指標的受控更改等。目前，如何基于小微型化的電控液晶結構進行紅外光波的可調變聚束操作，實現具有特定空間分布形態的陣列化壓縮光場構建，已成為紅外光波精密測量與控制技術繼續發展所需解決的困難和瓶頸問題，迫切需要新的突破。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種紅外聚光芯片，具有波束聚焦效能高，光場適應性好，體積和質量小，易與其它光學光電機械結構耦合的優點。
[0006]為實現上述目的，本發明提供了一種紅外聚光芯片，其特征在于，包括圓柱形的液晶調相架構；所述液晶調相架構包括液晶材料層，依次設置在所述液晶材料層上表面的第一液晶初始取向層、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向層、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜；所述公共電極層由一層勻質導電膜構成；所述圖形化電極層由圓形導電膜和同心設置在所述圓形導電膜外圍的至少一個圓環形導電膜構成，所述圓形導電膜的圓心與所述液晶調相架構的軸心重合，所述圓形導電膜的直徑大于與其相鄰的圓環形導電膜的徑向寬度；在所述圓環形導電膜為多個時，多個圓環形導電膜依次設置在所述圓形導電膜的外圍，且其徑向寬度遞減，相鄰導電膜的徑向間距相等，其中，相鄰導電膜包括相鄰的圓環形導電膜以及相鄰的圓環形導電膜和圓形導電膜；所述液晶調相架構被劃分成圓柱形液晶調相單元和至少一個圓筒形液晶調相單元，圓形導電膜對應圓柱形液晶調相單元且位于圓柱形液晶調相單元的中心，形成圓柱形液晶調相單元的上電極，圓環形導電膜與圓筒形液晶調相單元一一對應，每個圓環形導電膜均位于與其對應的圓筒形液晶調相單元的中心，形成圓筒形液晶調相單元的上電極，所有液晶調相單元的下電極由公共電極層提供。
[0007]優選地，紅外入射波束進入所述液晶調相架構后，所述液晶調相架構按照其中液晶調相單元的規模和排布情況，將紅外入射波束分割成與各液晶調相單元對應的同心圓和圓環形子平面入射波前，各子平面入射波前與各自對應的液晶調相單元中呈特定折射率空間分布形態的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延遲的同心圓和圓環形子平面出射波前，各子平面出射波前耦合形成在所述液晶調相架構的軸心上呈離散式級聯聚焦態的紅外透射波束從所述芯片輸出；其中，各液晶調相單元被獨立加電驅控，通過調節加載在各液晶調相單元上的驅控電壓信號的頻率或均方幅度，能調變紅外透射波束的離散式級聯焦斑的位形及點擴散函數。
[0008]優選地，所述芯片還包括芯片外殼；所述液晶調相架構封裝在所述芯片外殼內并與所述芯片外殼固連，其光入射面和光出射面通過所述芯片外殼的頂部和底部開孔裸露在外；所述芯片外殼的側面設置有第一和第二驅控信號輸入端口，用于輸入加載在各液晶調相單元上的驅控電壓信號。
[0009]優選地，每個圓形導電膜和圓環形導電膜均通過一根導線獨立引出，形成上電極引線，這些上電極引線分組兩組分別接入所述第一和第二驅控信號輸入端口的一端；所述公共電極層通過兩根導線引出，形成兩根公共電極層引線分別接入所述第一和第二驅控信號輸入端口的另一端；通過所述上電極引線和公共電極層引線，能對各液晶調相單元獨立加載驅控電壓信號。
[0010]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果:
[0011]1、電控離散式級聯聚光與調變。本發明基于電驅控的多個同心設置的圓筒形液晶調相單元，實現紅外光波在光軸方向上的多級次離散匯聚，具有基于環形子波前相位匹配構建與調變透射光場執行級聯聚束這一優點。
[0012]2、電控排布軸向級聯焦斑。通過對各同心設置的圓筒形液晶調相單元執行獨立的加電操作，能對軸向級聯焦點的位形和點擴散函數進行調節。
[0013]3、紅外光能利用率高。通過電控調變基于多個同心設置的圓筒形液晶調相單元的子平面出射波前的相位，將相鄰液晶調相單元的子平面出射波前調變到同向矢量態而實現光能利用率的最大化。
[0014]4、智能化驅控。液晶調相架構的加電操作能在先驗知識或波束匯聚情況的約束、干預或弓I導下進行，具有智能化特征。
[0015]5、控制精度高。由于本發明采用可精密電驅控的液晶調相單元，具有極高的結構、電學以及電光參數的穩定性，具有控制精度高的優點。
[0016]6、使用方便。本發明的芯片主體為封裝在芯片外殼內的液晶調相架構，在光路中接插方便，易與常規紅外光學光電和機械結構等匹配耦合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明實施例的紅外聚光芯片的結構示意圖；
[0018]圖2是液晶調相架構的圖形化電極層的結構示意圖；
[0019]圖3是本發明實施例的紅外聚光芯片進行級聯聚光的示意圖。
[0020]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:1-第一驅控信號輸入端口，2-第二驅控信號輸入端口，3-液晶調相架構,4-芯片外殼,31-第一導電膜，32-第二導電膜,33-第三導電膜,34-第四導電膜,35-第五導電膜,36-第六導電膜,3m_第m導電膜。
【具體實施方式】
[0021]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0022]如圖1所不，本發明實施例的紅外聚光芯片包括芯片外殼4和圓柱形的液晶調相架構3。液晶調相架構3封裝在芯片外殼4內并與芯片外殼4固連，其光入射面和光出射面通過芯片外殼4的頂部和底部開孔裸露在外。芯片外殼4的側面設置有第一驅控信號輸入端口 I和第二驅控信號輸入端口 2。
[0023]如圖2和圖3所示，液晶調相架構3包括液晶材料層，依次設置在液晶材料層上表面的第一液晶初始取向層、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設置在液晶材料層下表面的第二液晶初始取向層、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜。公共電極層由一層勻質導電膜構成。圖形化電極層由微圓形的第一導電膜31以及依次設置在第一導電膜31外圍且與其同心的微圓環形的第二至第m導電膜32至3m構成，其中，m為大于I的整數。具體地，第二導電膜32設置在第一導電膜31的外圍，第三導電膜33設置在第二導電膜32的外圍，第四導電膜34設置在第三導電膜33的外圍，依此類推。第一導電膜31的圓心與液晶調相架構3的軸心重合。第二導電膜32的徑向寬度小于第一導電膜31的直徑，第二至第m導電膜32至3m的徑向寬度遞減，具體地，第三導電膜33的徑向寬度小于第二導電膜32，第四導電膜34的徑向寬度小于第三導電膜33，依此類推；相鄰導電膜的徑向間距相等，為微米級大小，以有效隔離對各導電膜所實施的獨立加電操作；其中，相鄰導電膜包括第二至第m導電膜32至3m中相鄰的導電膜以及相鄰的第一導電膜31和第二導電膜32。
[0024]優選地，圖形化電極層和公共電極層材料為金或鋁等，其厚度在幾十至幾百納米范圍內。第一基片和第二基片為同種光學材質。第一和第二電隔離層由電絕緣且具有高紅外透過率的膜材料制成，典型的如S12膜等，其厚度同樣在幾十至幾百納米范圍內。電隔離層用于阻斷由圖形化電極層和公共電極層材料中溢出的載流子(如電子等)通過滲過液晶初始取向層進入液晶材料層的通道，防止其與液晶分子的極性基團相互中和而導致液晶材料失效。
[0025]將上述液晶調相架構3進行劃分，得到微圓柱形的第一液晶調相單元以及依次設置在第一液晶調相單元外圍且與其同軸的微圓筒形的第二至第m液晶調相單元。第一至第m導電膜與第一至第m液晶調相單元一一對應，形成液晶調相單元的上電極，所有液晶調相單元的下電極由公共電極層提供。其中，第一導電膜31位于第一液晶調相單元的中心，第二導電膜32位于第二液晶調相單元的中心，第三導電膜33位于第三液晶調相單元的中心，依次類推，第m導電膜3m位于第m液晶調相單元的中心。各液晶調相單元被獨立加電驅控，具體地，第一至第m導電膜分別通過一根導線獨立引出，形成上電極引線，將這些上電極引線按照第一至第m導電膜的排列順序分成兩組后，分別接入第一驅控信號輸入端口 I和第二驅控信號輸入端口 2的一端；公共電極層通過兩根導線引出，形成兩根公共電極層引線分別接入第一驅控信號輸入端口 I和第二驅控信號輸入端口 2的另一端。通過上電極引線和公共電極層引線對各液晶調相單元獨立加載驅控電壓信號。
[0026]本發明實施例的紅外聚光芯片可以被直接置于測試光路中，也可以被置于由主鏡構成的紅外光學系統的焦面處或進行弱離焦配置。其工作原理如下。
[0027]通過第一驅控信號輸入端口 I和第二驅控信號輸入端口 2輸入加載在各液晶調相單元上的驅控電壓信號，使各液晶調相單元被獨立加電驅控。如圖3所示，第i液晶調相單元的驅控電壓信號為Vi,其中，i = I, 2，…，m。分布在構成液晶微腔的雙層平面電極板(包括增透膜、基片、電極層和液晶初始取向層)內表面附近的液晶分子，被制作在兩個相對的平面電極板表面并具有平行溝槽取向的液晶初始取向層牢固錨定，高于液晶材料驅控信號閾值的驅控電壓信號，將在液晶材料中激勵起可調變的空間電場，在液晶材料層中的液晶分子則通過雙層平面電極板所激勵的圓柱和圓筒形空間電場驅動，形成可調變紅外入射波束的特定同心圓柱和圓筒形折射率空間分布形態。
[0028]紅外入射波束進入液晶調相架構后，液晶調相架構按照其中液晶調相單元的規模和排布情況，將紅外入射波束分割成與各液晶調相單元對應的同心圓和圓環形子平面入射波前，各子平面入射波前與各自對應的液晶調相單元中呈特定折射率空間分布形態的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延遲的同心圓和圓環形子平面出射波前，各子平面出射波前耦合形成在液晶調相架構的軸心上呈離散式級聯聚焦態的紅外透射波束從芯片輸出。
[0029]通過調節加載在各液晶調相單元上的驅控電壓信號的頻率或均方幅度，調變各液晶調相單元中液晶分子的折射率分布形態，使通過液晶材料層的光波的光程因折射率變動而改變，調變各子平面出射波前的相位延遲程度，進而調變由各子平面出射波前耦合形成的紅外透射波束的相位分布形態，調變紅外透射波束的離散式級聯焦斑(如圖3所示的焦斑BI和焦斑B2)的位形及點擴散函數，使其被凝固在特定形態或調變到預定形態。
[0030]隨紅外入射波束其波長的變化，可相應調整第一導電膜的直徑、第二至第m導電膜的徑向寬度以及相鄰導電膜的徑向間距等參數配置。針對電參數擾動以及芯片振動引入的波前變動，可通過調變加載在芯片上的多路驅控電壓信號調節波前，芯片具備抗擾動或抗振動的聚光能力。針對入射波束形態變動或需求情況，通過及時調變加載在芯片上的驅控電壓信號進行波前調節，芯片具備動態聚光能力。芯片斷電后級聯聚焦作用消失，光束通過芯片后其束特征不變。
[0031]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種紅外聚光芯片，其特征在于，包括圓柱形的液晶調相架構；所述液晶調相架構包括液晶材料層，依次設置在所述液晶材料層上表面的第一液晶初始取向層、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向層、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜；所述公共電極層由一層勻質導電膜構成；所述圖形化電極層由圓形導電膜和同心設置在所述圓形導電膜外圍的至少一個圓環形導電膜構成，所述圓形導電膜的圓心與所述液晶調相架構的軸心重合，所述圓形導電膜的直徑大于與其相鄰的圓環形導電膜的徑向寬度；在所述圓環形導電膜為多個時，多個圓環形導電膜依次設置在所述圓形導電膜的外圍，且其徑向寬度遞減，相鄰導電膜的徑向間距相等，其中，相鄰導電膜包括相鄰的圓環形導電膜以及相鄰的圓環形導電膜和圓形導電膜； 所述液晶調相架構被劃分成圓柱形液晶調相單元和至少一個圓筒形液晶調相單元，圓形導電膜對應圓柱形液晶調相單元且位于圓柱形液晶調相單元的中心，形成圓柱形液晶調相單元的上電極，圓環形導電膜與圓筒形液晶調相單元一一對應，每個圓環形導電膜均位于與其對應的圓筒形液晶調相單元的中心，形成圓筒形液晶調相單元的上電極，所有液晶調相單元的下電極由公共電極層提供。
2.如權利要求1所述的紅外聚光芯片，其特征在于，紅外入射波束進入所述液晶調相架構后，所述液晶調相架構按照其中液晶調相單元的規模和排布情況，將紅外入射波束分割成與各液晶調相單元對應的同心圓和圓環形子平面入射波前，各子平面入射波前與各自對應的液晶調相單元中呈特定折射率空間分布形態的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延遲的同心圓和圓環形子平面出射波前，各子平面出射波前耦合形成在所述液晶調相架構的軸心上呈離散式級聯聚焦態的紅外透射波束從所述芯片輸出； 其中，各液晶調相單元被獨立加電驅控，通過調節加載在各液晶調相單元上的驅控電壓信號的頻率或均方幅度，能調變紅外透射波束的離散式級聯焦斑的位形及點擴散函數。
3.如權利要求1或2所述的紅外聚光芯片，其特征在于，所述芯片還包括芯片外殼；所述液晶調相架構封裝在所述芯片外殼內并與所述芯片外殼固連，其光入射面和光出射面通過所述芯片外殼的頂部和底部開孔裸露在外；所述芯片外殼的側面設置有第一和第二驅控信號輸入端口，用于輸入加載在各液晶調相單元上的驅控電壓信號。
4.如權利要求3所述的紅外聚光芯片，其特征在于，每個圓形導電膜和圓環形導電膜均通過一根導線獨立引出，形成上電極引線，這些上電極引線分組兩組分別接入所述第一和第二驅控信號輸入端口的一端；所述公共電極層通過兩根導線引出，形成兩根公共電極層引線分別接入所述第一和第二驅控信號輸入端口的另一端；通過所述上電極引線和公共電極層引線，能對各液晶調相單元獨立加載驅控電壓信號。
【文檔編號】G02F1/29GK104330930SQ201410615812
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月5日 優先權日:2014年11月5日
【發明者】張新宇, 雷宇, 佟慶, 羅俊, 桑紅石, 謝長生 申請人:華中科技大學