一种用于光学相控阵扫描的液晶光开关的制作方法

本发明涉及光学相控阵技术领域，尤其涉及一种用于光学相控阵扫描控制的液晶光开关及装配制作方法。

背景技术：

目前，人工智能技术快速发展，目标探测、武器制导、无人驾驶、自主避障等应用领域迫切需要一种快速、精确、全方位的目标检测技术。雷达是最常用的探测手段，与传统机械扫描技术的雷达相比，相控阵扫描技术利用大量独立控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，就能合成不同相位波束。基于相位控制电子扫描阵列雷达的启发，利用光学相控阵扫描技术的固态激光雷达由于其广泛的应用前景成为研究热点。与机械扫描激光雷达不同，由于不需要旋转部件，可以大大压缩雷达的结构和尺寸，提高使用寿命，并降低成本；不用受制于机械旋转的速度和精度，光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性，一般都可以达到mhz量级；光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度，可以达到千分之一度量级以上；光学相控阵的光束指向完全由电信号控制，在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在重点区域进行高密度的扫描；一个相控阵面可以分割为多个小模块，每个模块分开控制即可同时锁定监控多个目标。但固态激光雷达也有它相应的缺点，光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹，这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量；特别是光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右，故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。而且阵列密度越高，能量也越集中，这都提高了对加工精度的要求，需要一定的技术突破。因此，迫切需要一种不依赖于有限制造材料、工艺、结构、低成本的相位调制器件，使之能够使用灵活、简单、可靠的实现光束相位的调制，与光栅阵列配合实现激光照射的电控扫描与深度聚焦控制，这种产品必将具有非常广阔的市场前景。

现有的普通单层结构的液晶光开关阵列应用于画面显示时，通过行、列信号选通一行（或列）中的若干列（或行）单元，然后关断本扫描行（或列）而扫描相邻的下一行（或列），直至完成全部行（或列）的扫描操作，此为一个扫描周期，循环往复，利用人眼的视觉延时特性实现整幅阵列的显示，其明显不能用于实现光束相位的调制，也不能用于与光栅阵列配合实现激光照射的电控扫描与深度聚焦控制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于光学相控阵扫描的液晶光开关及装配制作方法，能够具有单元独立可控的光开关面阵列，通过单元开关的“通”、“断”控制对通过单元开关的光束进行相位调制，与光栅阵列及扫描驱动电路配合组成具有光学相控阵功能的激光阵列扫描装置，可实现方位、俯仰扫描、深度聚焦，应用于诸如激光雷达、激光测距等场合。

本发明采用的技术方案为：

一种用于光学相控阵扫描的液晶光开关，由上、下设置的第一层液晶板和第二层液晶板构成，第一层液晶板的上面依次平行设置有行第一定向薄膜、行扫描电极、上层玻璃板和上偏振片，第一层液晶板的下面依次平行设置有第二定向薄膜、行信号电极和中间玻璃板；

第二层液晶板的上面依次平行设置第三定向薄膜和列扫描电极，第二层液晶板的下面依次平行设置有第四定向薄膜、列信号电极、下层玻璃板和下偏振片；且行扫描电极与行信号电极相互垂直且上下覆盖对齐，列信号电极与行信号电极相互垂直且上下覆盖对齐，列扫描电极与列信号电极相互垂直且上下覆盖对齐；

所述的第一定向薄膜、第二定向薄膜、第三定向薄膜和第四定向薄膜均是由一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列，用于使每一层液晶板的晶体上表面的分子取向与晶体下表面的分子取向相互垂直；

所述的行扫描电极有n个，n个行扫描电极均匀分为n1组，每个组内行扫描电极有n2个，则n=n1*n2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；

所述的列扫描电极有m个，m个列扫描电极均匀分为m1组，每个组内列扫描电极有m2个，则m=m1*m2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；

所述的n1组行扫描电极对应n3个行信号电极，m1组列扫描电极对应m3个列信号电极，其中n、n1、n2、m、m1、m2、n3、m3均为正整数。

所述的行信号电极和列信号电极分别连接有电极引出线，所述的电极引出线用于使行信号电极和列信号电极分别与行扫描电极和列扫描电极接线在同一个水平面，便于与驱动控制电路相连接控制行信号电极和列信号电极通电。

上偏振片与下偏振片之间各层结构外廓采用环氧树脂密封封装。

上偏振片的偏振方向与第一层液晶板晶体的上表面分子取向相同，第二层液晶板晶体的上表面分子取向与第一层液晶板晶体上表面分子取向保持平行，下偏振片的偏振方向与上偏振片的偏振方向保持一致。

所述的上层玻璃板、中层玻璃板、下层玻璃板采用在透光玻璃底衬，行扫描电极、列扫描电极、行信号电极和列信号电极是采用光刻与刻蚀工艺在玻璃底衬上制作而成。

通过驱动电路控制第一层液晶板和第二层液晶板表面分子取向相互垂直或平行配置，结合上、下层偏振片的偏振方向平行或垂直配置，从而可使液晶光开关分别实现常通型光开关、常闭型光开关，阵列工作方式的逐元、逐行、逐列“通”/“断”扫描模式，或阵列全“通”与全“断”工作模式。

在行扫描或列扫描工作模式时，置行信号或列信号所有电极均为为低电平、同时置包含列扫描或行扫描电极的另一层所有单元处于导通状态，然后按照一定时间间隔顺序逐次置行扫描或列扫描电极为高电平，使得对应单元的第一层液晶板、第二层液晶板在电场作用下光传输沿轴向不再发生扭曲而透光，从而实现类似于窗帘开闭过程的逐渐打开效果。

电极附着于玻璃板上，行扫描电极、列信号电极、行信号电极和列扫描电极分别属于上、下、中层玻璃板，分别通过光刻与刻蚀制作工艺一体成型制作而成。

根据权利要求1所述一种用于光学相控阵扫描的液晶光开关的装配制作方法，包括如下步骤：

a：将上偏振片压粘于上层玻璃板非电极表面，保证偏振片偏振方向与行扫描电极平行；

b:在电极面敷有经定向摩擦处理的定向薄膜，使之钳制第一层液晶板上表面液晶分子平行于上偏振片的偏振方向；

c:将中层玻璃板的行信号电极面向上并敷经定向摩擦处理的定向薄膜、列信号电极面向下并敷经定向摩擦处理的定向薄膜，在上与中、中与下玻璃板之间充满分子取向相互垂直的扭曲向列相型液晶体；

d：将下偏振片压粘于下层玻璃板非电极表面，保证偏振片偏振方向与上偏振片平行，在电极面敷有经定向摩擦处理的定向薄膜，使之钳制第二层液晶板下表面液晶分子垂直于下偏振片的偏振方向；

e：最后，用环氧树脂进行密封封装。

本发明主要利用液晶的电光效应原理，采用特殊设计的双层结构，一层由敷设行扫描电极与行信号电极控制诸行通断，另一层由敷设列扫描电极与列信号电极控制诸列通断，从而制成具有单元独立可控的光开关面阵列，通过单元开关的“通”、“断”控制对通过单元开关的光束进行相位调制，与光栅阵列及扫描驱动电路配合组成具有光学相控阵功能的激光阵列扫描装置，可实现方位、俯仰扫描、深度聚焦，应用于诸如激光雷达、激光测距等场合。

附图说明

图1为本发明的应用原理示意图；

图2为本发明的截面结构示意图；

图3为本发明所述的tn型光开关的结构示意图；

图4为本发明所述4×4液晶光开关阵列示意图；

图5为本发明所述传统单层液晶显示驱动示意图。

具体实施方式

如图1、2、3和4所示，本发明由上、下设置的第一层液晶板18和第二层液晶板19构成，第一层液晶板18的上面依次平行设置有行第一定向薄膜7、行扫描电极12、上层玻璃板11和上偏振片17，第一层液晶板18的下面依次平行设置有第二定向薄膜6、行信号电极14和中间玻璃板20；第二层液晶板19的上面依次平行设置第三定向薄膜8和列扫描电极13，第二层液晶板19的下面依次平行设置有第四定向薄膜9、列信号电极15、下层玻璃板10和下偏振片21；所述的行信号电极14和列信号电极15分别连接有电极引出线16，所述的电极引出线16用于使引出管脚布设合理、方便行信号电极14和列信号电极15分别与行扫描电极12和列扫描电极13接线在同一个水平面，便于与驱动控制电路相连接控制行信号电极14和列信号电极15通电；所述的行扫描电极12有n个，n个行扫描电极均匀分为n1组，每个组内行扫描电极有n2个，则n=n1*n2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；

本发明中的中间玻璃板20为双面电极极板，即第一层液晶板18与第二层液晶19板共用的玻璃板，在实际使用中也可以采用两个玻璃板分别加工对应的电极实现，但是明显不如共用一个玻璃板节省成本，共用玻璃板即可在玻璃板的上下两个端面同时设置对应的电极，一体加工。

所述的列扫描电极13有m个，m个列扫描电极均匀分为m1组，每个组内列扫描电极有m2个，则m=m1*m2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；

n1组行扫描电极对应n3个行信号电极，m1组列扫描电极对应m3个列信号电极，其中n、n1、n2、m、m1、m2、n3、m3均为正整数。

行扫描电极12与行信号电极14相互垂直且上下覆盖对齐，列信号电极15与行信号电极14相互垂直且上下覆盖对齐，列扫描电极13与列信号电极15相互垂直且上下覆盖对齐；即由于为垂直关系，所以相互必须都要对应，即不能有行扫描电极12的部分下面没有与其对应的行信号电极14的部分，反之不能有行信号电极14的部分上面没有与其对应的行扫描电极12的部分；列扫描电极13与列信号电极15存在同样关系，由此构成双层结构光开关控制方法的多样性特征。

所述的第一定向薄膜7、第二定向薄膜6、第三定向薄膜8和第四定向薄膜9均是由一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列，用于使每一层液晶板的晶体上表面的分子取向与晶体下表面的分子取向相互垂直。所述液晶分子的取向逐渐扭曲，从液晶上表面到下表面扭曲了90°，所以称为扭曲向列相型液晶板。上偏振片17的偏振方向与第一层液晶板18晶体的上表面分子取向相同，第二层液晶板19晶体的上表面分子取向与第一层液晶板18晶体上表面分子取向保持平行，下偏振片21的偏振方向与上偏振片17的偏振方向保持一致。

所有电极均处于低电平时，光束入射上偏振片17后，经过上偏振片17形成与第一层液晶板18表面分子取向相同的线偏振光，入射第一层液晶板18，偏振方向随液晶分子长轴旋转90°，以垂直于第二层液晶板19上表面分子取向的线偏振光射出，故光线无法通过第二层液晶板19层，即阵元处于“断”状态；行扫描和列扫描电极均通电且电位高于特定阈值、对应的信号极接地时，光束入射上偏振片后，经过偏振片形成与第一层液晶板18表面分子取向相同的线偏振光，入射第一层液晶板18，由于电场作用光的偏振方向在第一层液晶板18中传播时不再旋转而保持不变，以平行于第二层液晶板19上表面分子取向的线偏振光射出，同样原理，光线通过第二层液晶板19层后出射光线偏振方向原偏振方向平行，可通过下偏振片21实现光出射，即阵元处于“通”状态。

如图1所示，该双结构光栅器件与光学相位调制器件结合构成二维阵列光学相控阵组件，实现激光阵列光源1入射到光学相控阵组件后，通过控制相位调制器件2的各个单元内相邻光束的相位差以及单元间的光束相位差，使得光束经器件3输出光波的相位在指定的方向上相同，从而实现该方向的相长干涉，即控制液晶光开关2的通断延时，从而使双结构光栅器件3的各个单元输出光的相位在其它方向产生相消干涉，从而通过透镜4后使光线聚焦到目标扫描位置5处的对应位置，而本发明通过tn型光开关的结构实现基本的通断控制。

具体的tn型光开关的结构可参考图3。在两块玻璃板之间夹有扭曲向列相液晶，液晶分子的形状呈圆柱形。长度约0.1～0.2nm，直径为0.4～0.6nm，液晶层厚度一般为5～8μm。以单层结构为例，玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，通常是一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列）。这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里，使电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿-45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿+45度方向排列，整个扭曲了90度。

理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。

取两张偏振片贴在玻璃的两面，p1的透光轴与上电极的定向方向相同，p2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是p1和p2的透光轴相互正交。

在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片p1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与p2的透光轴平行，因而有光通过。

在施加足够电压情况下(一般为1～2伏)，在静电场的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构。从p1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与p2正交，因而光被关断。

由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若p1和p2的透光轴相互平行，如图3所示，则构成常黑模式，本发明应用例采用常黑模式。

上偏振片17与下偏振片21之间各层结构外廓采用环氧树脂22密封封装，使整体上结构密封。

所述的上层玻璃板11、中层玻璃板20、下层玻璃板10采用在透光玻璃底衬，行扫描电极12、列扫描电极13、行信号电极14和列信号电极15采用光刻与刻蚀工艺在玻璃底衬上制作而成。电极附着于玻璃板上，行扫描电极12、列信号电极15、行信号电极14和列扫描电极13分别属于上、下、中层玻璃板，其制作过程分三个工序环节，包括：（1）电极结构尺寸设计；（2）电极底衬预处理；（3）光刻与刻蚀制作工艺。由于上述步骤不是本发明的发明点，如何制作在相关其他技术内容具有公开，所以在此不再赘述其具体的过程。

本发明通过驱动电路控制第一层液晶板18和第二层液晶板19表面分子取向相互垂直或平行配置，结合上、下层偏振片的偏振方向平行或垂直配置，从而可使液晶光开关分别实现常通型光开关、常闭型光开关，阵列工作方式的逐元、逐行、逐列“通”/“断”扫描模式，或阵列全“通”与全“断”工作模式。

全断状态时，上、下层所有电极处于低电平，全部阵元处于光遮断状态，在行扫描（或列扫描）工作模式时，置行信号（或列信号）电极a、b、c、d、e…等为低电平、同时置包含列扫描（或行扫描）电极的另一层所有单元处于导通状态，然后按照一定时间间隔顺序（对应于相位）逐次置行扫描（或列扫描）电极a、b、c、d、e、f、…等为高电平，使得对应单元的第一层液晶板18、第二层液晶板19在电场作用下光传输沿轴向不再发生扭曲而透光，实现类似于窗帘开闭过程的逐渐打开。

所述双层结构特征是，第一层液晶板18、第二层液晶板19表面分子取向相互垂直或平行配置，结合上、下层片振片的偏振方向平行或垂直配置，可以组成常通型光开关或常断型光开关。

本发明器件作为光学相控阵扫描装置的核心器件，其选通控制方式与普通液晶光开关应用矩阵显示方式不同，下面通过对比两者的扫描控制方式以示区别。

首先以普通单层结构液晶光开关为例，为了画面简洁，将横条形状行电极和竖条形状列电极抽象为横线和竖线，分别代表扫描电极和信号电极。如图5所示，欲显示那些黑色方块的像素，传统光开关的运行过程是，首先在第a行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极c、d上加上低电平，于是a行的那些带有方块的像素就被显示出来了；然后第b行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极b、e上加上低电平，因而b行的那些带有方块的像素被显示出来了；接下来是第c行、第d行……，余此类推，最后显示出一整场的图像，然后重复上述过程，循环往复，这种分时扫描每一行的方式是平板显示器的共同的寻址方式，依这种方式，可以让每一个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过，从而显示出任意文字、图形和图像。而本发明所述一种用于光学相控阵扫描的液晶光开关是双层结构，常断状态时，上、下层所有电极处于低电平，全部阵元处于光遮断状态，在行扫描（或列扫描）工作模式时，置行信号（或列信号）电极a、b、c、d、e…等为低电平、同时置包含列扫描（或行扫描）电极的另一层所有单元处于导通状态，然后按照一定时间间隔顺序（对应于相位）逐次置行扫描（或列扫描）电极a、b、c、d、e、f、…等为高电平，使得对应单元的第一层液晶板18、第二层液晶板19在电场作用下光传输沿轴向不再发生扭曲而透光，实现类似于窗帘开闭过程的逐渐打开。

本发明的基本工作原理如下：

液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场（电流），随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型（ds）、扭曲向列相型（tn）、超扭曲向列相型（stn）、有源矩阵液晶显示（tft）、电控双折射（ecb）等。本发明采用扭曲向列相型（tn）液晶制作一种用于光学相控阵扫描的液晶光开关。

以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例如图4所示，以4×4阵列为例，阵元尺寸为2mm×2mm，阵元间隔2mm，本法具体实施制作方法步骤如下：

（1）玻璃电极板设计制作

①电极结构与尺寸设计。

行扫描电极外形与尺寸：长方形条状电极，共4组（n1=4），组间间隔2mm。每组10条电极（n2=10），电极间间隔100μm。共计40条（n=40），每条电极尺寸长×宽×厚为14mm×100μm×150nm。

行信号电极外形与尺寸：长方形条状电极4条（n3=4），条间间隔2mm，每条电极尺寸长×宽×厚为14mm×2mm×150nm。

列扫描电极外形与尺寸：长方形条状电极，共4组（m1=4），组间间隔2mm。每组10条电极（m2=10），电极间间隔100μm。共计40条（m=40），每条电极尺寸长×宽×厚为14mm×100μm×150nm。

列信号电极外形与尺寸：长方形条状电极4条（m3=4），条间间隔2mm，每条电极尺寸长×宽×厚为14mm×2mm×150nm。

电极引出线设计：电极引出线如图4所示。

玻璃板外形与尺寸：正方形，外形与尺寸长×宽×厚为18.5mm×18.5mm×0.5mm。

②电极底衬预处理。

采用光学k9玻璃进行切割、抛光处理，单面或双面涂敷氧化铟锡透明导电层，层厚150nm。

③光刻与刻蚀制作工艺。

参照集成电路芯片制作工艺流程，采用光刻与刻蚀加工手段，制作玻璃电极板。

（2）器件装配与封装，一种用于光学相控阵扫描的液晶光开关的装配方法，包括如下步骤：

a：将上偏振片压粘于上层玻璃板非电极表面，保证偏振片偏振方向与行扫描电极平行；

b:在电极面敷有经定向摩擦处理的定向薄膜，使之钳制第一层液晶板18上表面液晶分子平行于上偏振片的偏振方向；

c:将中层玻璃板的行信号电极面向上并敷经定向摩擦处理的定向薄膜、列信号电极面向下并敷经定向摩擦处理的定向薄膜，在上与中、中与下玻璃板之间充满分子取向相互垂直的扭曲向列相型液晶体；

d：将下偏振片压粘于下层玻璃板非电极表面，保证偏振片偏振方向与上偏振片平行，在电极面敷有经定向摩擦处理的定向薄膜，使之钳制第二层液晶板19下表面液晶分子垂直于下偏振片的偏振方向；

e：最后，用环氧树脂进行密封封装。

（3）性能指标测试与标定

测试器件的功能、参数指标、标定等，提出应用的具体要求等，包括动态响应特性、频谱特性、精度指标、最小分辨率等参数。