基于电控液晶红外发散平面微透镜的红外波束控制芯片的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于电控液晶红外发散平面微透镜的红外波束控制芯片。其包括电控液晶红外发散平面微透镜阵列；电控液晶红外发散平面微透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；公共电极层由一层匀质导电膜构成；图形化电极层由m×n元阵列分布的子电极构成，每个子电极均由圆形或方形导电膜构成。本实用新型能实现特定形态红外波束的电控成形与精细调变，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】基于电控液晶红外发散平面微透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，涉及一种基于电控液晶红外发散平面微透镜阵列调变红外波束形态的控光芯片。
【背景技术】
[0002]波束是光场在传播过程中其能流输运方向的可视化表征。管控红外波束形态，是实现红外能量高效传输，提高红外激光加工效率，增强红外成像探测效能，提升红外抗干扰和攻击能力以及环境适应性等的一个基本环节。一般而言，红外波束形态与其在时空域中的能量输运行为、效能和被利用方式等因素密切相关。典型的如高斯激光束可呈现较好的长程传播性和较强的能量输运效能，等幅平面波显示均匀一致的能流分布等情形。近些年来，随着技术的发展和应用领域的扩展，构建基于可调控的光场形态来管控波束，实现高效光加工、光通信、光探测、光对抗或光电信息转换等，已受到广泛关注和重视。
[0003]目前所普遍采用的红外波束调控措施包括:(一)通过常规折射、衍射红外光学透镜或系统整形光束，得到形态相对固定的出射波束；(二)通过衍射结构改变波前得到空间传输行为相对固定的出射波场；(三)通过相位型1213结构或其阵列，基于所分割的子平面波前其相位延迟，得到特定形态的反射或透射波束；(四)通过多波束耦合或干涉，得到波束形态有限且相对固定的传输光场；(五)基于电控液晶相移器对光波的延迟作用调变波前，获得有限形态的出射波束等。进入新世纪以来，发展小微型化的红外波束管控技术来灵活构建和调变波束形态，已成为发展先进红外光学精密测量与控制技术的一个重要方向和研发热点。
[0004]现有的红外波束管控方法其缺陷主要表现在以下方面:(一)由形状固定的透镜或透镜组构成的光学系统，仅能构建形态固定的出射波束，通过透镜间的机械移动进行波束调变则具有响应慢，功耗大，需要配置相对复杂的辅助驱控装置；(二)空间光调制器基于对离散化操作形成的子平面波前进行倾角调变或相位延迟，通过微机械移动方式构建有限形态的出射波束，存在响应时间、机械惯性和机械运动需满足连续性条件等方面的限制性影响；(三)衍射相位结构基于对所划分的子波前进行有限程度的相位延迟，仅能形成形态有限且不可调变的出射波场；(四)通过构建复杂光路进行多波束干涉整形，仅能得到有限形态的复合波场；(五)由于体积、质量和工作模式等原因，目前主流的波束管控装置一般难以灵活接入光路中或与其他光学光电结构耦合，无法用于复杂或特殊形态的波束构建与动态调变等。
[0005]近些年来，基于可见光谱域的电控液晶微透镜进行波束整形和变换这一技术，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，光束的汇聚、发散或相位延迟等可在离散形成的任意子波束处展开、凝固或调变；(二)液晶微透镜的光束变换作用受先验知识或光束处理结果的约束、干预或引导。目前，如何借鉴可见光谱域的小微型化电控液晶微透镜技术，实现红外谱域的特殊波束形态的成形并具备调变能力，已成为红外光学精密测量与控制技术继续发展所面临的突出问题，迫切需要新的突破。
实用新型内容
[0006]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发散平面微透镜的红外波束控制芯片，能实现特定形态红外波束的电控成形与精细调变，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。
[0007]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，包括电控液晶红外发散平面微透镜阵列；所述电控液晶红外发散平面微透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mXn元阵列分布的子电极构成，每个子电极均由圆形或方形导电膜构成，其中，m、η均为大于I的整数；所述电控液晶红外发散平面微透镜阵列被划分成mXn元阵列分布的单元电控液晶红外发散平面微透镜，所述单元电控液晶红外发散平面微透镜与所述子电极一一对应，每个子电极均位于对应的单元电控液晶红外发散平面微透镜的中心，形成单元电控液晶红外发散平面微透镜的上电极，所有单元电控液晶红外发散平面微透镜的下电极由所述公共电极层提供。
[0008]优选地，单个子电极的面积与对应的单元电控液晶红外发散平面微透镜的光接收面积的比值被称为电极填充系数，所述电极填充系数为4%?16%。
[0009]优选地，所述控制芯片还包括芯片外壳；所述电控液晶红外发散平面微透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。
[0010]优选地，各子电极通过导线相互连通并引出，形成图形化电极层引线；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。
[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、波束的快速发散成形与调变。本实用新型基于电驱控的液晶红外发散平面微透镜阵列，实现红外波束的离散化分割、发散与耦合出射，具有将出射波束凝固在特定形态或调变到预定形态的优点。
[0013]2、波束控制方式灵活。通过在液晶红外发散平面微透镜阵列其图形化金属电极和公共金属电极上的快速加电，可实现基于阵列化微光孔有序排布的出射光场其光能分布的快速调变。
[0014]3、智能化。通过调变加载在电控液晶红外发散平面微透镜阵列上的电压信号频率或幅度，对波束形态进行的调变操作可在先验知识或波束处理结果的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。
[0015]4、控制精度高。由于本实用新型采用电驱控的液晶平面微透镜，具有极高的结构、电学及电光参数的稳定性和控制精度，具有控制精度高的优点。
[0016]5、使用方便。本实用新型的芯片主体为封装在芯片外壳内的液晶红外发散平面微透镜阵列，在红外光路中接插方便，易与常规红外光学光电机械结构匹配f禹合。
【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发散平面微透镜的红外波束控制芯片的结构示意图；
[0018]图2是本实用新型一个实施例的电控液晶红外发散平面微透镜阵列的结构示意图；
[0019]图3是本实用新型另一个实施例的电控液晶红外发散平面微透镜阵列的结构示意图；
[0020]图4是电控液晶红外发散平面微透镜阵列的剖面示意图；
[0021]图5是单元电控液晶红外发散平面微透镜的工作原理示意图。
[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_驱控信号输入端口，2-电控液晶红外发散平面微透镜阵列,3-芯片外壳。
【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红外发散平面微透镜的红外波束控制芯片包括芯片外壳3和电控液晶红外发散平面微透镜阵列2。电控液晶红外发散平面微透镜阵列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的侧面设置有驱控信号输入端口 I。
[0025]如图2?4所示，电控液晶红外发散平面微透镜阵列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和图3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mXn元阵列分布的子电极构成，每个子电极均由微圆形或微方形导电膜构成，其中，m、η均为大于I的整数。各子电极通过导线相互连通并引出，形成图形化电极层引线。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发散平面微透镜阵列的电信号。
[0026]优选地，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。第一基片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S12膜等，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。
[0027]将上述电控液晶红外发散平面微透镜阵列2划分成mXn元阵列分布的单元电控液晶红外发散平面微透镜，单元电控液晶红外发散平面微透镜与子电极一一对应，每个子电极均位于对应的单元电控液晶红外发散平面微透镜的中心，形成单元电控液晶红外发散平面微透镜的上电极，所有单元电控液晶红外发散平面微透镜的下电极由公共电极层提供。单个子电极的面积与对应的单元电控液晶红外发散平面微透镜的光接收面积的比值被称为电极填充系数，其典型值在4%至16%间。
[0028]本实用新型实施例的基于电控液晶红外发散平面微透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。
[0029]液晶分子具有极性，极易在空间电场中受电场力驱动改变其指向矢的空间取向，从而改变液晶材料的折射率。具有特定空间分布形态的电场会驱使液晶分子产生趋向于场强方向的指向矢变动，从而在电场激励下产生特定的折射率空间分布形态。电场强度及其空间分布形态的变化，将导致电场作用下的液晶材料其折射率空间分布形态的改变。
[0030]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，通过图形化雕刻的电极板可在液晶材料中激励起特定空间分布形态的电场，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，被在电极板内表面上所预制的液晶分子初始取向层锚定，其指向矢将不随加载在液晶材料中的空间电场的变化而改变。将一层电极板制作成周期性排布并互连的子电极阵列形态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。
[0031]在子电极为微圆形或微方形并与另一层平面公共电极板耦合时，通过加载电压信号将构成从子电极指向平面公共电极的发散状电场，激励液晶分子形成在子电极中心线处的折射率小，外缘处折射率大并径向渐进增大的分布形态，从而构成光发散微透镜。微圆形子电极将形成圆对称微透镜的微圆通光孔，微方形子电极将形成近似方形的微透镜通光孔。微圆形或微方形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透镜的通光孔径，微圆通光孔的有效控光面积小于微方形通光孔的有效控光面积。其他具有复杂形貌特征的平面电极，均可由基本的微圆或微方形电极图案复合而成。
[0032]通过驱控信号输入端口 1内的公共电极层引线和图形化电极层引线，将驱控电压信号卩加载在电控液晶红外发散平面微透镜阵列上，各单元电控液晶红外发散平面微透镜被驱控电压信号卩同步加电驱控。红外入射波束进入电控液晶红外发散平面微透镜阵列后，电控液晶红外发散平面微透镜阵列按照其单元电控液晶红外发散平面微透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发散平面微透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发散态，形成具有微光环形态的子透射波束。
[0033]各子透射波束与单元电控液晶红外发散平面微透镜一一对应。在正入射条件下，微光环中心落在对应的单元电控液晶红外发散平面微透镜的光轴上。子透射波束的发散程度(对应微圆形或微方形光环的结构尺寸、亮度及其与环内外光场的亮度差等)随施加在各单元电控液晶红外发散平面微透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发散平面微透镜具有类似光发散效能的常规凹折射微透镜的表面弯折程度与下弯深度即光线发散能力，如图5所示，电控散光态-1和电控散光态-2分别对应等效电控态-1和等效电控态-2。阵列化的子透射波束耦合形成具有特定形态特征的红外透射波束。
[0034]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发散平面微透镜的红外子出射波束的发散程度，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，对发散光场的光学参数进行校正调节，使芯片具备抗扰动能力。芯片断电后光发散功能消失，光束通过芯片后其形态不变。
[0035]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，包括电控液晶红外发散平面微透镜阵列；所述电控液晶红外发散平面微透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mXn元阵列分布的子电极构成，每个子电极均由圆形或方形导电膜构成，其中，m、n均为大于I的整数； 所述电控液晶红外发散平面微透镜阵列被划分成mXn元阵列分布的单元电控液晶红外发散平面微透镜，所述单元电控液晶红外发散平面微透镜与所述子电极一一对应，每个子电极均位于对应的单元电控液晶红外发散平面微透镜的中心，形成单元电控液晶红外发散平面微透镜的上电极，所有单元电控液晶红外发散平面微透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，单个子电极的面积与对应的单元电控液晶红外发散平面微透镜的光接收面积的比值被称为电极填充系数，所述电极填充系数为4%?16%。
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；所述电控液晶红外发散平面微透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，各子电极通过导线相互连通并引出，形成图形化电极层引线；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。
【文档编号】G02F1/133GK204129394SQ201420624023
【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, 罗俊, 佟庆, 桑红石, 谢长生 申请人:华中科技大学