一种基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列及其制备方法与流程

本发明属于光学透镜技术领域，更具体地，涉及一种基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列及其制备方法。

背景技术

对于工作在可见光或红外谱域的常规电控液晶聚光微镜阵列而言，通过在微镜中的控制电极上加载特定频率的电压信号，在微米级间隔的控制电极间产生阵列化的非均匀空间电场或磁场，驱动布设在控制电极间的液晶材料产生阵列化的特定空间分布形态，使液晶材料呈现具有阵列化聚光效能的折射率分布模态。通过直接调变所加载的电压信号其均方幅值，调节作用在液晶材料上的阵列化电场或磁场其强度与空间分布，相应于调节阵列化排布的液晶材料其折射率的空间分布形态，实现液晶聚光微镜阵列的电控聚光。

通常情况下，所加载的电压信号均方幅值会在几伏、几十伏甚至高达百伏的范围内变动，这会在调控电控液晶聚光微镜阵列的聚光效能过程中产生一系列技术问题：1、其对电压信号的产生、调变、精细控制、电压信号与液晶聚光微镜阵列的有效耦合、功耗、液晶聚光微镜阵列有效散热等存在较高要求；2、其会导致电压信号输出装置的外形尺寸大，结构复杂，成本高，难以小/微型化，并难以与液晶聚光微镜阵列集成；3、其会显著降低液晶聚光微镜与其他光学、光电、发光或电子学结构的匹配性，从而导致微镜的使用效能差，应用范围小。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列及其制备方法，其目的在于，解决现有常规电控液晶聚光微镜阵列在调控其聚光效能过程中由于加载的电压信号在大范围内变动，所导致的对电压信号的产生、调变、精细控制、电压信号与液晶聚光微镜阵列的有效耦合、功耗、液晶聚光微镜阵列有效散热等存在较高要求的技术问题，以及电压信号输出装置的外形尺寸大，结构复杂，成本高，难以小/微型化，并难以与液晶聚光微镜阵列集成的技术问题，以及容易导致液晶聚光微镜的使用效能差，应用范围小的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列，包括从上至下依次平行设置的第一增透膜、第一基片、微孔阵图案电极、第一定向层、液晶层、第二定向层、公共电极、第二基片、以及第二增透膜，第一微线圈组设置于第一基片背离第一增透膜的一面与第一定向层之间，并设置在微孔阵图案电极的边缘处，第一微线圈组的一端与微孔阵图案电极电连接，另一端通过第一电连接线从第一基片背离微孔阵图案电极的另一面上引出，第二微线圈组设置于第二基片背离第二增透膜的一面与第二定向层之间，并设置在公共电极的边缘处，第二微线圈组的一端连接到外部电压信号，另一端通过第二电连接线从第二基片背离公共电极的另一面引出后，该引出端与第一微线圈组从第一基片引出的一端电连接。

优选地，第一增透膜是由常规光学增透材料制成，其厚度为100纳米到700纳米，第一基片是由透光材料制成，其厚度为1毫米到5毫米。

优选地，微孔阵图案电极中的微孔为圆形、方形、或三角形，圆形微孔的孔径在5微米到900微米。

优选地，第一微线圈组是由金属或金属氧化物导电材料制成，第一微线圈组中单元微线圈的形状是圆环形、三角环形、四边环形、五边环形、或六边环形。

优选地，液晶层设置于第一定向层和第二定向层之间，其厚度为5微米到500微米，第一定向层和第二定向层采用相同的材料制成，且厚度在100纳米到700纳米。

优选地，公共电极设置于第二定向层和第二基片之间，其与微孔阵图案电极具有完全相同的材料、形状与结构尺寸，公共电极是由金属或金属氧化物导电材料制成，且厚度在100纳米到700纳米。

优选地，外部电压信号的最大均方幅值为1伏到3伏，信号频率在1khz到100mhz范围内调变。

优选地，第二微线圈组与第一微线圈组具有完全相同的材料、形状和结构尺寸，且二者在垂直方向上完全对齐，第二增透膜与第一增透膜采用相同的材料和厚度。

优选地，通过调节外部电压信号的频率，实现对施加在微孔阵图案电极上的感应电压信号的均方幅值的调节，构建液晶聚光微镜阵列所需要的控制电场或磁场，从而完成所述基于频率信号驱控液晶聚光微镜阵列的聚光操作。

按照本发明的另一方面，提供了一种制备基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列的方法，包括以下步骤：

(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对第一基片和第二基片进行超声清洗并烘干；

(2)在干燥后的第一基片和第二基片的正反两面上用匀胶机涂覆光刻胶，并烘干5至20分钟；

(3)将光刻版盖在第一基片的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理，将光刻版盖在经处理后的第一基片的反面，并在显微镜下通过定位标识精确对齐，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒；

(4)将光刻版盖在第二基片的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理，将光刻版盖在经处理后的第二基片的反面，并在显微镜下通过定位标识精确对齐，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒；

(5)用显影液溶掉第一基片和第二基片上感光/未感光部分的光刻胶，留下未感光/感光部分，并用去离子水冲洗并烘干2至5分钟；

(6)用浓度在50％～30％的hcl溶液把第一基片和第二基片上未受光刻胶保护的金属或金属氧化物腐蚀掉，将有光刻胶保护的金属或金属氧化物保存下来，从而分别形成设置于第一基片一侧表面上的电连接管脚与电连接线，设置于第一基片另一侧表面上、彼此电连接的第一微线圈组与微孔阵图案电极，设置于第二基片一侧表面上、彼此电隔离的第二微线圈组与公共电极，以及设置于第二基片另一侧表面上的电连接管脚与电连接线。

(7)用丙酮和去离子水对腐蚀后的第一基片和第二基片进行清洗并烘干；

(8)用匀胶机在微孔阵图案电极和公共电极上涂覆pi定向层，并把涂覆了pi定向层的第一基片和第二基片放入退火炉中进行退火固化处理；

(9)用绒布沿平行于第一基片和第二基片的同向边缘的方向摩擦pi定向层，以形成第一定向层和第二定向层；

(10)将液晶材料掺入第一定向层和第二定向层之间，且位于二者的边缘处，用uv胶封住第一基片和第二基片的左右两侧，通过渗透法灌注向列型液晶在二者之间，并用uv胶封住第一基片和第二基片的上下两侧并烘干。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明液晶聚光微镜阵列的驱控电压信号其最大均方幅值在几伏，信号频率可在1khz到100mhz范围内调变，使微镜阵列具有控光适应性好、控制精度高和调节能力强的特点；

2、本发明的液晶聚光微镜阵列是基于低压频率信号控制，使微镜的电子学驱控结构小/微型化并实现与微镜一体化集成，具有结构灵巧、微镜阵列的驱控操作灵活、功耗低的优点；

3、本发明采用低压频率信号驱控液晶聚光微镜阵列，具有电子学控制方式简洁灵活，易与其他光学、光电、发光或电子学结构耦合的优点；

4、本发明采用宽频域内的调频低压信号执行光束的阵列化聚焦/调焦操作，具有适应于宽光谱以及较大束强度变动范围的特点；

5、本发明是基于标准微电子工艺制作、基于低压频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列，具有制作成本低、可靠性高、价格相对低廉的特点。

附图说明

图1是本发明基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列的结构示意图。

图2是本发明中的微孔阵图案电极的示意图，其中图2(a)是微孔阵图案电极在第一基片一面上的示意图，图2(b)是微孔阵图案电极在第一基片另一面上的示意图。

图3是本发明的微孔阵图案电极和第一微线圈组的立体示意图。

图4是组成第一微线圈组的单元微线圈的示意图，其中图4(a)为圆环形微线圈的示意图，图4(b)为四边环形微线圈的示意图。

图5是本发明中的公共电极的示意图，其中图5(a)是公共电极在第二基片一面上的示意图，图5(b)是公共电极在第二基片另一面上的连接导线示意图。

图6是本发明的公共电极和第二微线圈组在整个液晶聚光微镜阵列中的立体示意图。

图7是组成第二微线圈组的单元微线圈的示意图，其中图7(a)为圆环形微线圈的示意图，图7(b)为四边环形微线圈的示意图。

图8是本发明基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列的制备方法的流程示意图。

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：

6-第一增透膜；7-第一基片的一面；8-第一基片；9-第一基片的另一面；10-微孔阵图案电极；11-第一定向层；12-液晶层；13-第二定向层；14-公共电极；15-第二基片的一面；16-第二基片；17-第二基片的另一面；18-第二增透膜；19-第一微线圈组；20-第二微线圈组组；21-微孔；22-第一电连接线；23-第一电连接管脚；24-第二电连接线；25-第二电连接管脚。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。

本发明的基本思路在于，通过给液晶聚光微镜阵列上加载频率可调、最大均方幅值仅为几伏的电压信号，该电压信号直接作用在与公共电极相连并布设在其边缘处的第二微线圈组，设置在液晶聚光微镜阵列微孔阵图案电极边缘处的第一微线圈组感应加载在第二微线圈组上的电压信号，并将其放大并施加在微孔阵图案电极上；通过调变电压信号的频率，会改变施加在微孔阵图案电极上的感应电压信号的均方幅值，形成所需强度与空间分布的控制电场或磁场并作用在液晶材料上，从而完成基于频率信号驱控液晶聚光微镜阵列的聚光操作。将加载的电压信号最大均方幅值设置在几伏这一低值，并将其信号频率控制在1khz到100mhz范围内调变，就可实现通过调频精细调控液晶聚光微镜聚光效能和功耗低，良好地集成频率调压装置与液晶聚光微镜，并使该液晶聚光微镜易与其他功能化光学、光电、发光与电子学结构匹配耦合。

如图1所示，本发明基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列包括从上至下依次平行设置的第一增透膜6、第一基片8、微孔阵图案电极10、第一定向层11、液晶层12、第二定向层13、公共电极14、第二基片16、以及第二增透膜18。

第一增透膜6是由常规光学增透材料制成，其厚度为100纳米到700纳米。

第一基片2是由透光材料(诸如石英、玻璃等)制成，其厚度为1毫米到5毫米。

微孔阵图案电极10设置于第一基片18和第一定向层11之间，微孔阵规模为m×n元，其中m和n均为大于1的自然数。微孔阵图案电极10的厚度为100纳米到700纳米。在本实施方式中，微孔阵图案电极10的大小为20×30mm²。

如图2所示，微孔阵图案电极10中的微孔21可以为圆形、方形、或三角形，圆形微孔的孔径在5微米到900微米。

如图1至4所示，第一微线圈组19设置于第一基片8背离第一增透膜6的一面9与第一定向层11之间，并设置在微孔阵图案电极10的边缘处，第一微线圈组19的一端(在图2至图4中是外端d1)与微孔阵图案电极10(如图2所示，具体可为边缘处的一对微孔21)电连接，另一端(在图4中是中心端c)通过第一电连接线22(在本实施方式中，该第一电连接线22是金属电连接线)从第一基片8背离微孔阵图案电极10的另一面7上的第一电连接管脚23引出，引出端见图3中的c1端。

在图3中，出于示例的目的，示出了第一微线圈组19包括两个沿着微孔阵图案电极10的宽度方向设置的单元微线圈，应该理解的是，本发明的第一微线圈组19并不局限于该数量的微线圈，数量大于或等于2个的微线圈均在本发明的保护范围内。

第一微线圈组19是由金属或金属氧化物导电材料制成，单元微线圈的形状可以是圆环形、三角环形、四边环形、五边环形、或六边环形(如图4所示)。

液晶层12设置于第一定向层11和第二定向层13之间，其厚度为5微米到500微米。

第一定向层11和第二定向层13采用相同的材料，均由聚酰亚胺等类材料制成，且厚度在100纳米到700纳米。

公共电极14设置于第二定向层13和第二基片16之间，其与微孔阵图案电极10具有完全相同的材料、形状与结构尺寸。

公共电极14是由金属或金属氧化物导电材料制成，且厚度在100纳米到700纳米。

如图1、5、6和7所示，第二微线圈组20设置于第二基片8背离第二增透膜18的一面15与第二定向层13之间，并设置在公共电极14的边缘处，第二微线圈组20的一端连接到外部电压信号vs(其最大均方幅值在几伏，信号频率可在1khz到100mhz范围内调变)，通过调节外部电压vs的信号频率，就可以实现对加载在本发明基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列上的电压信号的均方幅值进行调节，第二微线圈组20的另一端(在图6和图7中是中心端c)通过第二电连接线24(在本实施方式中，该电连接线是金属电连接线)从第二基片16背离公共电极14的另一面17上的第二电连接管脚25引出后，该引出端(即图5中的c2端)与第一微线圈组11从第一基片8引出的一端(即图3中的c1端)电连接。

第二微线圈组20与第一微线圈组11具有完全相同的材料、形状和结构尺寸，且二者在垂直方向上完全对齐。

第二增透膜18与第一增透膜6采用相同的材料和厚度。

如图8所示，本发明用于制备基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列的方法包括以下步骤：

(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对第一基片和第二基片进行超声清洗并烘干；

第一基片和第二基片都是由透光材料(诸如石英、玻璃等)制成，其厚度均为1毫米到5毫米。

(2)在干燥后的第一基片和第二基片的正反两面上用匀胶机涂覆正性光刻胶(或负性光刻胶)，并烘干5至20分钟；

(3)将光刻版盖在第一基片的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理，将光刻版盖在经处理后的第一基片的反面，并在显微镜下通过定位标识精确对齐，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒；

(4)将光刻版盖在第二基片的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理，将光刻版盖在经处理后的第二基片的反面，并在显微镜下通过定位标识精确对齐，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒；

(5)用显影液溶掉第一基片和第二基片上感光部分的光刻胶(或未感光部分的光刻胶)，留下未感光部分(或感光部分)，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟；

(6)用浓度在50％～30％的hcl溶液把第一基片和第二基片上未受光刻胶保护的金属或金属氧化物(如ito膜)腐蚀掉，将有光刻胶保护的金属或金属氧化物(如ito膜)保存下来，从而分别形成设置于第一基片一侧表面上的电连接管脚与电连接线，设置于第一基片另一侧表面上、彼此电连接的第一微线圈组与微孔阵图案电极，设置于第二基片一侧表面上、彼此电隔离的第二微线圈组与公共电极，以及设置于第二基片另一侧表面上的电连接管脚与电连接线。

具体而言，微孔阵图案电极由在金属或金属氧化物(如ito膜)上制作的均匀分布的微孔构成，微孔可为三角形、圆形、矩形或其他图形结构，典型的圆形微孔，其孔径可在几微米至百微米级的范围内选取，第一微线圈组由在金属或金属氧化物(如ito膜)上制作的两个或两个以上的微线圈构成，并被布置在微孔阵图案电极的边缘，单元微线圈的外端通过一根细导线与微孔阵图案电极相连，单元微线圈的中心端通过一根穿透第一基片的电连接线从第一基片背离微孔阵图案电极的另一面上的电连接管脚引出，引出端就是见图3中的c1端。

第一微线圈组中的单元微线圈可为三角环形、圆环形、矩环形、五边环形、六边环形或其他环状图形结构，典型的圆环形微线圈其线宽及线间距可在几微米至几十微米的范围内选取，微线圈的最大直径可在几百微米至几千微米的范围内选取。

第二微线圈组由在金属或金属氧化物(如ito膜)上制作的两个以上微线圈构成，其布置在公共电极的边缘，并与第一微线圈组具有类似图案结构并垂直对齐，各单元微线圈的外端通过一根细导线引出，单元微线圈的中心端通过一根穿透第二基片的电连接线从第二基片背离公共电极的另一面引出后，引出端(即图5中的c2端)与第一微线圈组从第一基片引出的一端电连接。

第二微线圈组中的单元微线圈同样可为三角环形、圆环形、矩环形、五边环形、六边环形或其他环状图形结构，典型的圆环形微线圈其线宽与线间距可在几微米至几十微米的范围内选取，微线圈的最大直径可在几百微米至几千微米的范围内选取。

(7)用丙酮和去离子水对腐蚀后的第一基片和第二基片进行清洗并烘干；

(8)用匀胶机在微孔阵图案电极和公共电极上涂覆pi定向层，并把涂覆了pi定向层的第一基片和第二基片放入退火炉中进行退火固化处理；

(9)用绒布沿平行于第一基片和第二基片的同向边缘的方向摩擦pi定向层，以形成第一定向层和第二定向层；

(10)将液晶材料掺入第一定向层和第二定向层之间，且位于二者的边缘处，用uv胶封住第一基片和第二基片的左右两侧，通过渗透法灌注向列型液晶在二者之间，并用uv胶封住第一基片和第二基片的上下两侧并烘干。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，针对现有技术缺陷，提供了一种基于频率信号驱控的液晶聚光微镜阵列。通过在液晶聚光微镜阵列上加载频率可调，最大均方幅值仅约几伏的电压信号，基于电绝缘微线圈间的信号感应和电压放大作用，构建微镜阵列所需要的特定强度与空间分布的控制电场或磁场，完成基于频率信号驱控液晶聚光微镜阵列的聚光操作，具有精细调控液晶聚光微镜阵列聚光效能，功耗低，频率调压装置与液晶聚光微镜集成，易与其他功能化光学、光电、发光与电子学结构匹配耦合等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。