一种基于电控液晶汇聚微透镜的波前测量芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于电控液晶汇聚微透镜的波前测量芯片。包括面阵电控液晶汇聚微透镜和面阵可见光探测器；面阵电控液晶汇聚微透镜包括液晶材料层，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，图形化电极层由其上布有m×n元阵列分布的方孔或圆孔的一层匀质导电膜构成；面阵可见光探测器被划分成m×n元阵列分布的子面阵可见光探测器，每个子面阵可见光探测器包括j×j元阵列分布的光敏元。该芯片波前测量范围大，目标和环境适应性好，易与光学光电机械结构耦合。
【专利说明】—种基于电控液晶汇聚微透镜的波前测量芯片
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光学精密测量与控制【技术领域】，更具体地，涉及一种基于电控液晶汇聚微透镜的波前测量芯片。
【背景技术】
[0002]波前是表征光波的一个基本参量。及时准确地获得传输光场的波前信息，是分析光波的时空演化行为，与物质结构的互作用属性，环境介质对传输光场的影响，携带和传递目标图像信息的能力及其变动特征，以及对光场进行受控调变等的基础和前提。迄今为止，已经发展了多种多样的波前直接和间接测量方法。在具有小微型化特征的波前测量手段中，基于Shack-Hartmaan(SH)效应的波前快速测量架构，以其通过耦合CXD或CMOS光敏阵列与微纳光束变换结构，执行点列图像测量与波前快速生成以及兼容标准微电子工艺等属性，在非破坏性和即插即测的波前实时检测方面显示了明显优势，受到广泛关注和重视。目前，通过持续研发高性能的阵列化光敏结构，包括增大光敏器件阵列规模，缩小光敏元尺寸，采用量子线或量子点光敏结构，提高光敏材料的光电响应灵敏度，降低光敏结构噪声，发展与光敏阵列单片集成的面阵聚束微透镜和片时图像信息处理模块等方式，持续增强基于SH效应的芯片级波前测量能力。
[0003]目前，已获得广泛应用的基于SH效应的波前测量装置，均基于特定形貌轮廓的面阵折射、衍射微透镜与光敏阵列的匹配耦合，执行入射光波的离散化分割、子波束聚焦、点列图像获取与处理以及波前反演构建等操作。由于微透镜不具备调焦、调控感光视场以及调变点扩散函数这一能力，在一些特殊场合无法有效发挥作用。如在目标高速趋近、远离或剧烈变化等情况下，环境介质处在亚稳态甚至失稳态如典型的大气湍流、高超声速流场或非平衡态高温气体环境中，遭受强辐射、眩光、闪光或强激光照射，目标处在夜暗以及强度或亮度对比极为悬殊的界面环境等场合，将急剧降低甚至丧失波前测量能力，包括极端情况下的光敏设备损毁等情形。针对上述情况，目前主要通过改造主光学系统，发展专用图像信息处理算法，构建将微透镜阵列置于MEMS架构上来调变与CXD或CMOS光敏阵列间距等来应对，仅能解决部分问题或发挥极为有限的作用，且成本代价高，效能严重不足，迫切需要新的技术支撑手段。
[0004]近些年来，电控液晶微透镜阵列技术发展迅速，已具备的主要功能包括:(一)平面端面的液晶微透镜阵列，在电驱控信号作用下可以有效执行调焦、调控感光视场以及调变点扩散函数等操作；(二)液晶微透镜的不同光汇聚态间的电控转换时间已低至亚毫秒级，实验室级的已低至微秒级；(三)液晶微透镜其聚光能力的调变操作可依设定的电控顺序展开，具备智能化控光特征；(四)平面端面且具有微米级液晶材料厚度的液晶微透镜结构，可被灵活置入控光架构中或与其他光学光电机械结构耦合甚至集成；(五)具有通过调控电参数来维持或变更液晶折射率空间分布形态，有效适应器件供电波动、环境因素变化、目标特征变动以及需求情况这一特点。目前，如何基于电控液晶微透镜技术发展适用于复杂背景环境和动态化条件下的灵巧波前测量手段，已成为光学精密测量与控制技术继续发展所面临的一个机遇性挑战，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汇聚微透镜的波前测量芯片，工作在可见光谱段，通过光学汇聚效能电调变的面阵电控液晶汇聚微透镜与光敏阵列耦合执行光学波前测量操作，具有电调波前测量范围大，体积和质量小，目标和环境适应性好，易与光学光电机械结构耦合等特点。
[0006]为实现上述目的，本实用新型提供了一种波前测量芯片，其特征在于，包括面阵电控液晶汇聚微透镜、面阵可见光探测器和驱控预处理模块；其中，所述面阵电控液晶汇聚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其上布有mXn元阵列分布的方孔或圆孔的一层匀质导电膜构成，其中，m、n均为大于I的整数；所述面阵电控液晶汇聚微透镜被划分成mXn元阵列分布的单元电控液晶汇聚微透镜，所述单元电控液晶汇聚微透镜与所述方孔或圆孔一一对应，每个方孔或圆孔均位于对应的单元电控液晶汇聚微透镜的中心，形成单元电控液晶汇聚微透镜的上电极，所有单元电控液晶汇聚微透镜的下电极由所述公共电极层提供；所述面阵可见光探测器被划分成mXn元阵列分布的子面阵可见光探测器，所述子面阵可见光探测器与所述单元电控液晶汇聚微透镜一一对应，每个子面阵可见光探测器包括jX j元阵列分布的光敏元，其中，j为大于I的整数。
[0007]优选地，单个方孔或圆孔的面积与对应的单元电控液晶汇聚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 %。
[0008]优选地,该芯片还包括芯片外壳和支撑散热板；所述芯片外壳位于所述支撑散热板的上方，其底部与所述支撑散热板固连；所述驱控预处理模块、面阵可见光探测器和面阵电控液晶汇聚微透镜同轴顺序置于所述芯片外壳内，其中，所述面阵可见光探测器位于所述驱控预处理模块的上方，所述面阵电控液晶汇聚微透镜位于所述面阵可见光探测器的上方且其光入射面通过所述芯片外壳的顶部开孔裸露在外。
[0009]优选地，所述芯片外壳的侧面上设置有第四端口，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第四端口中。
[0010]优选地，所述芯片外壳的侧面上设置有第一端口、第二端口、第三端口、第五端口和第六端口，以及第一指示灯、第二指示灯、第三指示灯、第四指示灯和第五指示灯。
[0011]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:
[0012]1、电调波前测量范围。加电调变液晶汇聚微透镜的光汇聚能力，将变更所能测量的子平面波前其倾角的变动范围，具有电控调变波前形态可变动程度的优点。
[0013]2、抗干扰能力强，适应性好。由于液晶汇聚微透镜其聚束式光线弯折能力受电信号调节，具有对波前测量进行动态调控来适应环境、辐射变动并对付光场扰动的优点。
[0014]3、测量精度高，由于采用面阵电控液晶汇聚微透镜和面阵可见光探测器，他们均具有极高的结构和性能稳定性以及控制精度，因而具有测量精度高的优点。
[0015]4、智能化。液晶汇聚微透镜的电控成形和聚光能力的电调变操作，可在先验知识或波前情况的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。
[0016]5、使用方便。由于采用了集成面阵电控液晶汇聚微透镜、面阵可见光探测器和驱控预处理模块这样的体系架构，具有接插方便，易与光学系统、电子学和机械装置耦合的优点。
【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汇聚微透镜的波前测量芯片的结构示意图；
[0018]图2是面阵电控液晶汇聚微透镜的结构示意图，其中，(a)剖面示意图，(b)单元电控液晶汇聚微透镜的上电极由微方孔构成，(C)单元电控液晶汇聚微透镜的上电极由微圆孔构成；
[0019]图3是本实用新型实施例的基于电控液晶汇聚微透镜的波前测量芯片在测试光路中的配置不意图；
[0020]图4是本实用新型实施例的基于电控液晶汇聚微透镜的波前测量芯片的工作原理示意图；
[0021]图5是本实用新型一个实施例的波前测试图。
[0022]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_第一指示灯，2-第一端口，3-第二指示灯，4-第三指示灯，5-第二端口，6-第三端口，7-驱控预处理模块，8-面阵可见光探测器，9-第四端口，10-面阵电控液晶汇聚微透镜，11-第四指示灯，12-第五指不灯，13-第五端口，14-第六端口，15-芯片外壳，16-金属支撑散热板。
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]如图1所示，本实用新型实施例的基于电控液晶汇聚微透镜的波前测量芯片包括芯片外壳15、波前测量架构和金属支撑散热板16。波前测量架构包括驱控预处理模块7、面阵可见光探测器8和面阵电控液晶汇聚微透镜10。金属支撑散热板16用于支撑和散热，芯片外壳15位于金属支撑散热板16的上方，其底部与金属支撑散热板16固连。驱控预处理模块7、面阵可见光探测器8和面阵电控液晶汇聚微透镜10同轴顺序置于芯片外壳15内，面阵可见光探测器8位于驱控预处理模块7的上方，面阵电控液晶汇聚微透镜10位于面阵可见光探测器8的上方且其光入射面通过芯片外壳15的顶部开孔裸露在外。
[0025]芯片外壳15的侧面上设有第一端口 2、第二端口 5、第六端口 14、第一指示灯1、第二指示灯3和第五指示灯12。其中，第一端口 2用于接入电源线以使驱控预处理模块7连接外部电源；第二端口 5用于输出驱控预处理模块7提供给面阵可见光探测器8的驱动和调控信号，还用于输入外部设备向测量芯片发出的工作指令；第六端口 14用于输入面阵可见光探测器8提供给驱控预处理模块7的光电响应信号，还用于输出波前测量数据；第一指示灯I用于指示驱控预处理模块7的电源是否接通；第二指示灯3用于指示驱控预处理模块7是否处在正常工作状态；第五指示灯12用于指示驱控预处理模块7是否处在正常的波前测量数据输出状态。
[0026]芯片外壳15的侧面上还设有第三端口 6、第五端口 13、第三指示灯4和第四指示灯11。其中，第三端口 6用于输入驱控预处理模块7提供给面阵可见光探测器8的驱动和调控信号；第五端口 13用于输出面阵可见光探测器8提供给驱控预处理模块7的光电响应信号；第三指示灯4用于指示面阵可见光探测器8是否处在正常工作状态；第四指示灯11用于指示面阵可见光探测器8是否处在正常的信号输出状态。
[0027]芯片外壳15的侧面上还设有第四端口 9，用于输入面阵电控液晶汇聚微透镜10的驱动和调控信号。
[0028]如图2 (a)所示，面阵电控液晶汇聚微透镜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。图形化电极层由其上布有mXn元阵列分布的微方孔或微圆孔的一层匀质导电膜构成，其中，m、n均为大于I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第四端口 9中，用于输入面阵电控液晶汇聚微透镜10的驱动和调控信号。
[0029]上述面阵电控液晶汇聚微透镜10被划分成mXn元阵列分布的单元电控液晶汇聚微透镜，单元电控液晶汇聚微透镜与微方孔或微圆孔一一对应，每个微方孔或微圆孔均位于对应的单元电控液晶汇聚微透镜的中心，形成单元电控液晶汇聚微透镜的上电极，如图2(b)和图2(c)所示。所有单元电控液晶汇聚微透镜的下电极由公共电极层提供。单个微方孔或微圆孔的面积与对应的单元电控液晶汇聚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。
[0030]面阵可见光探测器8被划分成mXn元阵列分布的子面阵可见光探测器。子面阵可见光探测器与单元电控液晶汇聚微透镜一一对应，每个子面阵可见光探测器包括jX j元阵列分布的光敏兀，其中，j为大于I的整数。
[0031]本实用新型实施例的基于电控液晶汇聚微透镜的波前测量芯片在强光场环境中可被直接置于测试光路中，在弱福射光场环境中可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，执行波前测量操作，如图3所示。其工作原理如下。
[0032]通过第四端口 9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加载在面阵电控液晶汇聚微透镜10上，各单元电控液晶汇聚微透镜被驱控电压信号V同步加电驱控。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，在液晶层中的液晶分子则通过双层平面电极板所激励的空间电场驱动，对入射波束执行可电调的汇聚操作。
[0033]光波进入面阵电控液晶汇聚微透镜后，被离散分割为相对芯片的光入射面的倾角各异的子平面入射波前，例如图4所示的子平面入射波前-A、-B和-C等。各子平面入射波前被各单元电控液晶汇聚微透镜定向汇聚在与其对应的子面阵可见光探测器的特定光敏元上，形成如图4所示的典型焦斑-Ap -B1和-C1等，各子面阵可见光探测器进一步执行光电转换操作将光信号转换为电信号。驱控预处理模块解算各子面阵探测器的与各子平面入射波前对应的电信号的二维位置信息并进行校准，得到各子平面入射波前的二维倾角信息，再基于各单元电控液晶汇聚微透镜的空间位置排布各子平面入射波前，构建入射波前数据并输出，即将各子平面入射波前进一步拟合构建成特定形态的入射波前，从而完成基于光敏信号位置排布信息解算的波前测量操作。
[0034]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汇聚微透镜的光汇聚能力，等效于调变与单元电控液晶汇聚微透镜具有类似光汇聚效能的常规凸折射微透镜的表面弯曲程度，例如图4所示的等效电控状态-1和-2，从而调变各子平面入射波束经单元电控液晶汇聚微透镜后的汇聚形态，例如图4中，对应地，汇聚焦斑从-Cl变换成-C2。所测量的典型波前如图5所示。通过上述方式，既可以改变子平面入射波前的倾角变动范围，实现入射波前的可测量变动范围的调变，又能够改变与单元电控液晶汇聚微透镜耦合的子面阵探测器上的光照度，有效适应目标或环境光场的辐照强度变化，以及对因环境或目标因素引入的扰动性波前变动进行修正。具体地，针对目标或环境光场扰动以及芯片振动引入的波前变动，通过调变加载在芯片上的驱控电压信号调节波前，芯片具备抗光场扰动或振动的波前测量能力；针对强光或弱辐射光场，通过芯片中的面阵电控液晶汇聚微透镜的电调焦功能调变聚束波束形态，芯片具备较宽的光辐照适用范围；针对运动目标及时变波前，通过及时调变加载在芯片上的驱控电压信号开展波前测量，芯片具备动目标波前及时变波前测量能力。芯片断电后光汇聚功能消失，结束波前测量。
[0035]本实用新型具有电控执行和调变波前测量这一显著特征，芯片接插操作方便，易与常规光学光电机械结构耦合等特点。
[0036]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】
1.一种波前测量芯片，其特征在于，包括面阵电控液晶汇聚微透镜、面阵可见光探测器和驱控预处理模块；其中， 所述面阵电控液晶汇聚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其上布有mXn元阵列分布的方孔或圆孔的一层匀质导电膜构成，其中，m、η均为大于I的整数；所述面阵电控液晶汇聚微透镜被划分成mXn元阵列分布的单元电控液晶汇聚微透镜，所述单元电控液晶汇聚微透镜与所述方孔或圆孔一一对应，每个方孔或圆孔均位于对应的单元电控液晶汇聚微透镜的中心，形成单元电控液晶汇聚微透镜的上电极，所有单元电控液晶汇聚微透镜的下电极由所述公共电极层提供； 所述面阵可见光探测器被划分成mXn元阵列分布的子面阵可见光探测器，所述子面阵可见光探测器与所述单元电控液晶汇聚微透镜一一对应，每个子面阵可见光探测器包括JXj元阵列分布的光敏元，其中，j为大于I的整数。
2.如权利要求1所述的波前测量芯片，其特征在于，单个方孔或圆孔的面积与对应的单元电控液晶汇聚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所述的波前测量芯片，其特征在于，还包括芯片外壳和支撑散热板；所述芯片外壳位于所述支撑散热板的上方，其底部与所述支撑散热板固连；所述驱控预处理模块、面阵可见光探测器和面阵电控液晶汇聚微透镜同轴顺序置于所述芯片外壳内，其中，所述面阵可见光探测器位于所述驱控预处理模块的上方，所述面阵电控液晶汇聚微透镜位于所述面阵可见光探测器的上方且其光入射面通过所述芯片外壳的顶部开孔裸露在外。
4.如权利要求3所述的波前测量芯片，其特征在于，所述芯片外壳的侧面上设置有第四端口，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弓I线接入所述第四端口中。
5.如权利要求3所述的波前测量芯片，其特征在于，所述芯片外壳的侧面上设置有第一端口、第二端口、第三端口、第五端口和第六端口，以及第一指示灯、第二指示灯、第三指示灯、第四指示灯和第五指示灯。
【文档编号】G02F1/29GK204188272SQ201420657067
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】张新宇, 佟庆, 雷宇, 罗俊, 桑红石, 谢长生 申请人:华中科技大学