基于電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的紅外波束控制芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的紅外波束控制芯片。包括電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列；電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列包括液晶材料層，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；圖形化電極層由布有m×n元陣列分布的長方孔的一層勻質導電膜構成。本實用新型能構建微聚焦線陣光場，電調變焦線亮度、線寬和焦長，電控勻質化遠場紅外波束，易與其它紅外光學光電結構、電子和機械裝置等匹配耦合，環境適應性好。
【專利說明】基于電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的紅外波束控制芯片
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于紅外波束精密測量與控制【技術領域】，更具體地，涉及一種通過電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列，實現微聚焦線陣的電控成形，焦線亮度、線寬及焦長等的電調變以及遠場紅外波束的電控勻質化的控光芯片。
【背景技術】
[0002]目前，通過表面輪廓和形狀固定的折射或衍射微柱鏡陣列產生紅外微聚焦線簇這一技術，已在多個領域獲得應用。典型的如構建紅外勻質微亮線陣基準源，提高與微柱鏡陣列耦合的紅外光敏芯片的感光填充系數，構建微亮線陣紅外光刻源，基于光波高密度高匯聚度離散化排布的多重并行光耦合，獲得微米線寬和間距的高強度微刻蝕激光線陣等。隨著應用領域的擴展和技術適用程度的延伸，構建基于環境、應用場所、作用對象或加工精度等具有動態適應和可調變效能等方面的廣泛需求，執行微聚焦線簇其亮度、線寬和焦長可調變的技術措施來增強和擴展功能，擴大適用范圍，提高使用靈活性和工效，提升與其他紅外光學光電機械裝置的耦合與匹配能力，降低紅外光束變換裝置的結構和驅控復雜性，提高響應和變換速度、效率以及適應性等，已受到廣泛關注和重視。
[0003]基于表面輪廓和形狀固定的折射或衍射微柱鏡陣列，獲得紅外微聚焦線陣這一技術方式的缺陷主要表現在以下方面:(一)基于輪廓和形狀不可變動的微柱鏡陣列，僅能構建亮度和焦線寬度被固定的微聚焦線陣，無焦線亮度、線寬和焦長等的調變能力；(二)從固定輪廓和形狀的微柱鏡陣列出射的遠場紅外波束其均勻性僅受制于微柱鏡的固定光束變換能力，無動態調變效能，在環境、目標和加工等方面的適應性差；(三)調變微聚焦線簇的亮度、焦線寬度和焦長等操作，需要通過兩組甚至多組級聯布置的微柱鏡陣列間的機械平動或轉動進行，具有響應慢，狀態轉換時間長，體積、質量和機械慣性大，需要配置相對復雜的輔助驅控裝置，基于本征的運動姿態連續變動性而無法執行任意的光學狀態切入或跳變；(四)呈現極為有限的光學匯聚調變能力，難以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等。
[0004]近些年來，基于可見光譜域的電控液晶微柱鏡陣列構建可調變的焦線簇這一技術方式，已取得顯著進展，為解決上述紅外譜域的問題提供了一條新途徑。目前已具備的主要功能包括:(一)在陣列化液晶結構上施加電驅控信號，光束匯聚可依設定電控展開、凝固或調變；(二)基于電驅控進行的液晶微柱鏡其光束變換操作，可受先驗知識或光束處理結果的約束、干預或引導；(三)液晶微柱鏡陣列因其平面端面可以靈活接入光路中，或與其他光學光電機械結構耦合甚至集成；(四)液晶結構的驅動和調控基于低功率調頻或調幅電壓信號進行，功能化液晶微柱鏡陣列的驅控功耗可低至微瓦級，驅控裝置可小微型化甚至與液晶結構集成；(五)基于折射率空間分布形態的電控構建與調變，可有效實現受控電場激勵下的光匯聚和光發散模態的快速構建與切換。目前，如何借鑒可見光譜域的小微型化電控液晶微柱鏡技術，實現特定紅外波束形態的可調變電控成形，已成為紅外波束精密測量與控制技術繼續發展所面臨的難點問題，迫切需要新的突破。實用新型內容
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種基于電控液晶紅外柱匯聚平面微透鏡的紅外波束控制芯片，能電控構建微聚焦線陣光場，電調變焦線亮度、線寬和焦長以及電控勻質化遠場紅外波束，易與其它紅外光學光電結構、電子和機械裝置等匹配耦合，環境適應性好。
[0006]為實現上述目的，本實用新型提供了一種紅外波束控制芯片，其特征在于，包括電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列；所述電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列包括液晶材料層，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其上布有mXn元陣列分布的長方孔的一層勻質導電膜構成，其中，m、η均為大于I的整數；所述電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列被劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡，所述單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡與所述長方孔一一對應，每個長方孔均位于對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的中心，形成單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的下電極由所述公共電極層提供。
[0007]優選地，單個長方孔的面積與對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的光接收面積的比值被稱為開孔系數，所述開孔系數為4%?25%。
[0008]優選地，所述控制芯片還包括芯片外殼；所述電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列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前后兩個端面上正對的開孔裸露在外；所述芯片外殼的側面設置有驅控信號輸入端口。
[0009]優選地，所述公共電極層和圖形化電極層各通過一根導線引出，公共電極層引線和圖形化電極層引線接入所述驅控信號輸入端口。
[0010]總體而言，通過本實用新型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、微聚焦線陣的電控成形與調變。本實用新型基于電驅控的液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列，實現紅外波束的陣列化聚焦，具有微聚焦線陣光場的電控成形，焦線亮度、線寬和焦長等可電調變的優點。
[0012]2、驅控方式靈活。液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列可基于調頻或調幅電壓信號進行驅控操作，通過電信號的靈活選擇與快速加載，對基于微聚焦線陣的圖形化光場其形態和能態進行快速調變。
[0013]3、遠場紅外波束的電控勻質化。通過施加電壓信號激勵和調變柱形微腔電場，使陣列化紅外微匯聚焦線產生形態和能態改變來勻質化遠場波束。
[0014]4、智能化。通過調變電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列的電信號頻率或幅度，所進行的紅外波束的陣列化聚焦或遠場勻質化操作，可在先驗知識或波束測量結果的約束、干預或引導下進行。
[0015]5、控制精度高。由于采用可精密電驅控的液晶微柱鏡，具有極高的結構、電學以及電光參數的穩定性和控制精度。
[0016]6、使用方便。本實用新型的芯片主體為封裝在芯片外殼內的電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列，在紅外光路中接插方便，易與常規紅外光學光電機械結構等匹配耦合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型實施例的基于電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的紅外波束控制芯片的結構示意圖；
[0018]圖2是本實用新型實施例的電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列的結構示意圖；
[0019]圖3是電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列的剖面示意圖；
[0020]圖4是單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的工作原理示意圖。
[0021]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-驅控信號輸入端口，2-電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列，3-芯片外殼。
【具體實施方式】
[0022]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型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實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型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。
[0023]如圖1所示，本實用新型實施例的基于電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的紅外波束控制芯片包括芯片外殼3和電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列2。電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列2封裝在芯片外殼3內并與芯片外殼3固連，其光入射面和光出射面通過芯片外殼3的前后兩個端面上正對的開孔裸露在外。在芯片外殼3上設置有驅控信號輸入端口10
[0024]如圖2和圖3所示，電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列2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。如圖2所示(圖中上層結構面積小于下層結構，以清楚展示各層結構)，圖形化電極層由其上布有
II元陣列分布的微長方孔的一層勻質導電膜構成，其中，均為大于1的整數。公共電極層和圖形化電極層各通過一根導線引出，公共電極層引線和圖形化電極層引線接入驅控信號輸入端口 1，用于輸入驅控和調變電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列2的電信號。
[0025]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3102膜，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。
[0026]將上述電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列2被劃分成111X11元陣列分布的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡，單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡與微長方孔一一對應，每個微長方孔均位于對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的中心，形成單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的下電極由公共電極層提供。單個微長方孔的面積與對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的光接收面積的比值被稱為開孔系數，其典型值在4%至25%間。微長方孔的長寬比的典型值一般應在10以上。
[0027]本實用新型實施例的基于電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的紅外波束控制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光學系統的焦面處或進行弱離焦配置，實現對紅外波束的控制。其工作原理如下。
[0028]長鏈的液晶大分子具有自發極性，在液晶材料中由于其極弱的有序排布性，通常情況下并不表現出明顯的宏觀電極性。當存在空間電場時，液晶分子受電場驅動改變其空間分布形態，相應地改變與液晶分子空間分布形態密切相關的液晶材料的折射率。將液晶材料封閉在有限空間中并施加受控的具有特定強度的空間電場，將驅使液晶分子基于空間電場形態進行再分布從而形成特定的空間分布形態，相應地構建出受電場激勵成形的特定折射率分布形態。改變所施加的電場強度及空間分布形態，液晶材料折射率的空間分布形態將產生相應改變。
[0029]將液晶材料封裝在雙層電極板相向平行間隔排布構成的微米級深度微腔中，通過圖形化電極板在液晶材料中激勵的特定空間電場，驅使液晶材料呈現特定的折射率分布形態。分布在腔內電極板內表面附近的液晶分子，被電極板內表面上所預制的液晶分子初始取向層錨定，將不隨加載在液晶材料中的空間電場的變化而改變其分布形態。將一層電極板制作成周期性排布并互連的子電極陣并與另一層電極板耦合，將構成與子電極有相同陣列規模的電控液晶微功能結構陣列。
[0030]在微長方孔子電極與另一層平面公共電極稱合時，通過加載電壓信號將構成從微長方孔指向平面公共電極的柱形匯聚狀電場，激勵液晶分子形成在微長方孔短邊中線處的折射率大，外緣處折射率小，并沿微長方孔短邊中線到外緣的方向漸進減小這樣一種柱形分布形態，從而構成液晶光匯聚微柱鏡。微長方孔子電極的結構尺寸與填充液晶材料的微腔深度共同決定微柱鏡的通光孔徑。
[0031]通過驅控信號輸入端口 I內的公共電極層引線和圖形化電極層引線，將驅控電壓信號V加載在電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列上，各單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡被驅控電壓信號V同步加電驅控。紅外入射波束進入電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列后，電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列按照其單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的陣列規模和位置，將紅外波束離散化為陣列化的子入射波束，通過調節加載在各單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡上的電壓信號頻率或幅度，改變液晶材料的折射率及其空間分布形態，各子入射波束與受控電場激勵下構建的具有特定折射率分布形態的液晶分子相互作用而呈匯聚態，形成微聚焦線陣光場，典型的焦線特征及其分布形態如圖3所示。由各單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡出射的微聚焦線陣經耦合形成新的紅外遠場波束。
[0032]各子透射波束與單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡一一對應。在正入射條件下，微聚焦線的中心與對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的中心重合。子透射波束的匯聚程度(對應微聚焦線的亮度、線寬和焦長)隨施加在各單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡上的電壓信號頻率或幅度變化，該操作等效于調變與單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡具有類似光匯聚效能的常規凸折射微柱鏡的表面彎曲程度即光線匯聚能力。如圖4所示的與電控聚光態-1和電控聚光態-2粗略等效的等效電控態-1和等效電控態_2。
[0033]因此，通過調節驅控電壓信號V的頻率或均方幅度，調變各單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的紅外子透射波束的匯聚程度，即聚焦線的亮度、線寬和焦長，從而使紅外透射波束凝固在特定形態或調變到預定形態。此外，針對目標或環境光場擾動以及電參數波動，通過及時調變加載在芯片上的驅控電壓信號，對基于微聚焦線陣的紅外透射光場的光學參數進行校正調節，使芯片具備抗擾動能力。芯片斷電后光匯聚功能消失，光束通過芯片后其形態不變。
[0034]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種紅外波束控制芯片，其特征在于，包括電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列；所述電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列包括液晶材料層，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其上布有mXn兀陣列分布的長方孔的一層勻質導電膜構成,其中，m、n均為大于I的整數； 所述電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列被劃分成mXn元陣列分布的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡，所述單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡與所述長方孔一一對應，每個長方孔均位于對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的中心，形成單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的上電極，所有單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的下電極由所述公共電極層提供。
2.如權利要求1所述的紅外波束控制芯片，其特征在于，單個長方孔的面積與對應的單元電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡的光接收面積的比值被稱為開孔系數，所述開孔系數為4%?25%。
3.如權利要求1或2所述的紅外波束控制芯片，其特征在于，所述控制芯片還包括芯片外殼；所述電控液晶紅外匯聚平面微柱鏡陣列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前后兩個端面上正對的開孔裸露在外；所述芯片外殼的側面設置有驅控信號輸入端口。
4.如權利要求3所述的紅外波束控制芯片，其特征在于，所述公共電極層和圖形化電極層各通過一根導線引出，公共電極層引線和圖形化電極層引線接入所述驅控信號輸入端□。
【文檔編號】G02F1/1343GK204129395SQ201420624047
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24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