基于电控液晶红外汇聚平面微柱镜的红外波束控制芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于电控液晶红外汇聚平面微柱镜的红外波束控制芯片。包括电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列；电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列包括液晶材料层，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；图形化电极层由布有m×n元阵列分布的长方孔的一层匀质导电膜构成。本实用新型能构建微聚焦线阵光场，电调变焦线亮度、线宽和焦长，电控匀质化远场红外波束，易与其它红外光学光电结构、电子和机械装置等匹配耦合，环境适应性好。
【专利说明】基于电控液晶红外汇聚平面微柱镜的红外波束控制芯片
【技术领域】
[0001]本实用新型属于红外波束精密测量与控制【技术领域】，更具体地，涉及一种通过电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列，实现微聚焦线阵的电控成形，焦线亮度、线宽及焦长等的电调变以及远场红外波束的电控匀质化的控光芯片。
【背景技术】
[0002]目前，通过表面轮廓和形状固定的折射或衍射微柱镜阵列产生红外微聚焦线簇这一技术，已在多个领域获得应用。典型的如构建红外匀质微亮线阵基准源，提高与微柱镜阵列耦合的红外光敏芯片的感光填充系数，构建微亮线阵红外光刻源，基于光波高密度高汇聚度离散化排布的多重并行光耦合，获得微米线宽和间距的高强度微刻蚀激光线阵等。随着应用领域的扩展和技术适用程度的延伸，构建基于环境、应用场所、作用对象或加工精度等具有动态适应和可调变效能等方面的广泛需求，执行微聚焦线簇其亮度、线宽和焦长可调变的技术措施来增强和扩展功能，扩大适用范围，提高使用灵活性和工效，提升与其他红外光学光电机械装置的耦合与匹配能力，降低红外光束变换装置的结构和驱控复杂性，提高响应和变换速度、效率以及适应性等，已受到广泛关注和重视。
[0003]基于表面轮廓和形状固定的折射或衍射微柱镜阵列，获得红外微聚焦线阵这一技术方式的缺陷主要表现在以下方面:(一)基于轮廓和形状不可变动的微柱镜阵列，仅能构建亮度和焦线宽度被固定的微聚焦线阵，无焦线亮度、线宽和焦长等的调变能力；(二)从固定轮廓和形状的微柱镜阵列出射的远场红外波束其均匀性仅受制于微柱镜的固定光束变换能力，无动态调变效能，在环境、目标和加工等方面的适应性差；(三)调变微聚焦线簇的亮度、焦线宽度和焦长等操作，需要通过两组甚至多组级联布置的微柱镜阵列间的机械平动或转动进行，具有响应慢，状态转换时间长，体积、质量和机械惯性大，需要配置相对复杂的辅助驱控装置，基于本征的运动姿态连续变动性而无法执行任意的光学状态切入或跳变；(四)呈现极为有限的光学汇聚调变能力，难以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等。
[0004]近些年来，基于可见光谱域的电控液晶微柱镜阵列构建可调变的焦线簇这一技术方式，已取得显著进展，为解决上述红外谱域的问题提供了一条新途径。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，光束汇聚可依设定电控展开、凝固或调变；(二)基于电驱控进行的液晶微柱镜其光束变换操作，可受先验知识或光束处理结果的约束、干预或引导；(三)液晶微柱镜阵列因其平面端面可以灵活接入光路中，或与其他光学光电机械结构耦合甚至集成；(四)液晶结构的驱动和调控基于低功率调频或调幅电压信号进行，功能化液晶微柱镜阵列的驱控功耗可低至微瓦级，驱控装置可小微型化甚至与液晶结构集成；(五)基于折射率空间分布形态的电控构建与调变，可有效实现受控电场激励下的光汇聚和光发散模态的快速构建与切换。目前，如何借鉴可见光谱域的小微型化电控液晶微柱镜技术，实现特定红外波束形态的可调变电控成形，已成为红外波束精密测量与控制技术继续发展所面临的难点问题，迫切需要新的突破。实用新型内容
[0005]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红外柱汇聚平面微透镜的红外波束控制芯片，能电控构建微聚焦线阵光场，电调变焦线亮度、线宽和焦长以及电控匀质化远场红外波束，易与其它红外光学光电结构、电子和机械装置等匹配耦合，环境适应性好。
[0006]为实现上述目的，本实用新型提供了一种红外波束控制芯片，其特征在于，包括电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列；所述电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列包括液晶材料层，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其上布有mXn元阵列分布的长方孔的一层匀质导电膜构成，其中，m、η均为大于I的整数；所述电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列被划分成mXn元阵列分布的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜，所述单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜与所述长方孔一一对应，每个长方孔均位于对应的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的中心，形成单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的上电极，所有单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的下电极由所述公共电极层提供。
[0007]优选地，单个长方孔的面积与对应的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的光接收面积的比值被称为开孔系数，所述开孔系数为4%?25%。
[0008]优选地，所述控制芯片还包括芯片外壳；所述电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列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驱控信号输入端口。
[0009]优选地，所述公共电极层和图形化电极层各通过一根导线引出，公共电极层引线和图形化电极层引线接入所述驱控信号输入端口。
[0010]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:
[0011]1、微聚焦线阵的电控成形与调变。本实用新型基于电驱控的液晶红外汇聚平面微柱镜阵列，实现红外波束的阵列化聚焦，具有微聚焦线阵光场的电控成形，焦线亮度、线宽和焦长等可电调变的优点。
[0012]2、驱控方式灵活。液晶红外汇聚平面微柱镜阵列可基于调频或调幅电压信号进行驱控操作，通过电信号的灵活选择与快速加载，对基于微聚焦线阵的图形化光场其形态和能态进行快速调变。
[0013]3、远场红外波束的电控匀质化。通过施加电压信号激励和调变柱形微腔电场，使阵列化红外微汇聚焦线产生形态和能态改变来匀质化远场波束。
[0014]4、智能化。通过调变电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列的电信号频率或幅度，所进行的红外波束的阵列化聚焦或远场匀质化操作，可在先验知识或波束测量结果的约束、干预或引导下进行。
[0015]5、控制精度高。由于采用可精密电驱控的液晶微柱镜，具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性和控制精度。
[0016]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电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列，在红外光路中接插方便，易与常规红外光学光电机械结构等匹配耦合。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型实施例的基于电控液晶红外汇聚平面微柱镜的红外波束控制芯片的结构示意图；
[0018]图2是本实用新型实施例的电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列的结构示意图；
[0019]图3是电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列的剖面示意图；
[0020]图4是单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的工作原理示意图。
[0021]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-驱控信号输入端口，2-电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列，3-芯片外壳。
【具体实施方式】
[0022]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。
[0023]如图1所示，本实用新型实施例的基于电控液晶红外汇聚平面微柱镜的红外波束控制芯片包括芯片外壳3和电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列2。电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列2封装在芯片外壳3内并与芯片外壳3固连，其光入射面和光出射面通过芯片外壳3的前后两个端面上正对的开孔裸露在外。在芯片外壳3上设置有驱控信号输入端口10
[0024]如图2和图3所示，电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列2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。如图2所示(图中上层结构面积小于下层结构，以清楚展示各层结构)，图形化电极层由其上布有
II元阵列分布的微长方孔的一层匀质导电膜构成，其中，均为大于1的整数。公共电极层和图形化电极层各通过一根导线引出，公共电极层引线和图形化电极层引线接入驱控信号输入端口 1，用于输入驱控和调变电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列2的电信号。
[0025]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3102膜，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。
[0026]将上述电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列2被划分成111X11元阵列分布的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜，单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜与微长方孔一一对应，每个微长方孔均位于对应的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的中心，形成单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的上电极，所有单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的下电极由公共电极层提供。单个微长方孔的面积与对应的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的光接收面积的比值被称为开孔系数，其典型值在4%至25%间。微长方孔的长宽比的典型值一般应在10以上。
[0027]本实用新型实施例的基于电控液晶红外汇聚平面微柱镜的红外波束控制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光学系统的焦面处或进行弱离焦配置，实现对红外波束的控制。其工作原理如下。
[0028]长链的液晶大分子具有自发极性，在液晶材料中由于其极弱的有序排布性，通常情况下并不表现出明显的宏观电极性。当存在空间电场时，液晶分子受电场驱动改变其空间分布形态，相应地改变与液晶分子空间分布形态密切相关的液晶材料的折射率。将液晶材料封闭在有限空间中并施加受控的具有特定强度的空间电场，将驱使液晶分子基于空间电场形态进行再分布从而形成特定的空间分布形态，相应地构建出受电场激励成形的特定折射率分布形态。改变所施加的电场强度及空间分布形态，液晶材料折射率的空间分布形态将产生相应改变。
[0029]将液晶材料封装在双层电极板相向平行间隔排布构成的微米级深度微腔中，通过图形化电极板在液晶材料中激励的特定空间电场，驱使液晶材料呈现特定的折射率分布形态。分布在腔内电极板内表面附近的液晶分子，被电极板内表面上所预制的液晶分子初始取向层锚定，将不随加载在液晶材料中的空间电场的变化而改变其分布形态。将一层电极板制作成周期性排布并互连的子电极阵并与另一层电极板耦合，将构成与子电极有相同阵列规模的电控液晶微功能结构阵列。
[0030]在微长方孔子电极与另一层平面公共电极稱合时，通过加载电压信号将构成从微长方孔指向平面公共电极的柱形汇聚状电场，激励液晶分子形成在微长方孔短边中线处的折射率大，外缘处折射率小，并沿微长方孔短边中线到外缘的方向渐进减小这样一种柱形分布形态，从而构成液晶光汇聚微柱镜。微长方孔子电极的结构尺寸与填充液晶材料的微腔深度共同决定微柱镜的通光孔径。
[0031]通过驱控信号输入端口 I内的公共电极层引线和图形化电极层引线，将驱控电压信号V加载在电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列上，各单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜被驱控电压信号V同步加电驱控。红外入射波束进入电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列后，电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列按照其单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的阵列规模和位置，将红外波束离散化为阵列化的子入射波束，通过调节加载在各单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜上的电压信号频率或幅度，改变液晶材料的折射率及其空间分布形态，各子入射波束与受控电场激励下构建的具有特定折射率分布形态的液晶分子相互作用而呈汇聚态，形成微聚焦线阵光场，典型的焦线特征及其分布形态如图3所示。由各单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜出射的微聚焦线阵经耦合形成新的红外远场波束。
[0032]各子透射波束与单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜一一对应。在正入射条件下，微聚焦线的中心与对应的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的中心重合。子透射波束的汇聚程度(对应微聚焦线的亮度、线宽和焦长)随施加在各单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜上的电压信号频率或幅度变化，该操作等效于调变与单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜具有类似光汇聚效能的常规凸折射微柱镜的表面弯曲程度即光线汇聚能力。如图4所示的与电控聚光态-1和电控聚光态-2粗略等效的等效电控态-1和等效电控态_2。
[0033]因此，通过调节驱控电压信号V的频率或均方幅度，调变各单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的红外子透射波束的汇聚程度，即聚焦线的亮度、线宽和焦长，从而使红外透射波束凝固在特定形态或调变到预定形态。此外，针对目标或环境光场扰动以及电参数波动，通过及时调变加载在芯片上的驱控电压信号，对基于微聚焦线阵的红外透射光场的光学参数进行校正调节，使芯片具备抗扰动能力。芯片断电后光汇聚功能消失，光束通过芯片后其形态不变。
[0034]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。
【权利要求】
1.一种红外波束控制芯片，其特征在于，包括电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列；所述电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列包括液晶材料层，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其上布有mXn兀阵列分布的长方孔的一层勻质导电膜构成,其中，m、n均为大于I的整数； 所述电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列被划分成mXn元阵列分布的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜，所述单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜与所述长方孔一一对应，每个长方孔均位于对应的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的中心，形成单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的上电极，所有单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的下电极由所述公共电极层提供。
2.如权利要求1所述的红外波束控制芯片，其特征在于，单个长方孔的面积与对应的单元电控液晶红外汇聚平面微柱镜的光接收面积的比值被称为开孔系数，所述开孔系数为4%?25%。
3.如权利要求1或2所述的红外波束控制芯片，其特征在于，所述控制芯片还包括芯片外壳；所述电控液晶红外汇聚平面微柱镜阵列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驱控信号输入端口。
4.如权利要求3所述的红外波束控制芯片，其特征在于，所述公共电极层和图形化电极层各通过一根导线引出，公共电极层引线和图形化电极层引线接入所述驱控信号输入端□。
【文档编号】G02F1/1343GK204129395SQ201420624047
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】张新宇, 雷宇, 佟庆, 罗俊, 桑红石, 谢长生 申请人:华中科技大学