一種紅外液晶相控陣芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種紅外液晶相控陣芯片。該芯片包括電控液晶調(diào)相微柱陣列；其包括液晶材料層，依次設(shè)置在液晶材料層上表面的液晶初始取向?qū)?、電隔離層、圖形化電極層、基片和紅外增透膜，以及依次設(shè)置在液晶材料層下表面的液晶初始取向?qū)?、電隔離層、公共電極層、基片和紅外增透膜；圖形化電極層由陣列分布的子電極構(gòu)成，每個子電極均由正方形或長方形導(dǎo)電膜構(gòu)成；電控液晶調(diào)相微柱陣列被劃分成陣列分布的電控液晶調(diào)相微柱，其與子電極一一對應(yīng)，單個子電極的面積與對應(yīng)的電控液晶調(diào)相微柱的光接收面積的比值為50％～95％。該芯片能實現(xiàn)擴(kuò)束、縮束、散束、聚束、束調(diào)向及束掃描等功能，易與其它紅外光學(xué)光電機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合，光場適應(yīng)性好。
【專利說明】—種紅外液晶相控陣芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于紅外波束精密測量與控制【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種紅外液晶相控陣芯片。

【背景技術(shù)】
[0002]迄今為止，基于電磁波調(diào)相技術(shù)實現(xiàn)電磁波束的任意形態(tài)構(gòu)建、可調(diào)向投送、電控空間掃描、特定方位或空域波束凝聚等的射頻相控陣技術(shù)，在雷達(dá)領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大效能。尋找適用于紅外波段的電磁波束調(diào)相手段，實現(xiàn)與射頻電磁波具有類似的束構(gòu)建、束投送與束空間掃描等功能，目前已成為紅外波束工程的研發(fā)熱點(diǎn)。隨著紅外波束技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，發(fā)展可有效構(gòu)建特殊形態(tài)的聚能紅外波束，靈活實現(xiàn)擴(kuò)束、縮束、散束或聚束操作，將紅外波束凝聚到特定方位或空域，隨環(huán)境、目標(biāo)以及需求靈活調(diào)變束指向，實現(xiàn)基于先驗知識或目標(biāo)情況的電控束空間掃描，增強(qiáng)與其他紅外光學(xué)光電機(jī)械裝置的耦合與匹配效能等的紅外相控陣技術(shù)，受到了廣泛關(guān)注和重視。
[0003]目前，已廣泛應(yīng)用的紅外波束構(gòu)建、整形與投送技術(shù)，大多基于常規(guī)的具有固定輪廓形態(tài)的折射或衍射透鏡架構(gòu)進(jìn)行，可實現(xiàn)的束構(gòu)建和束整形效能有限，可調(diào)向束投射一般通過機(jī)械擺動方式完成。主要技術(shù)缺陷表現(xiàn)在以下方面:(一)光學(xué)以及輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積、質(zhì)量和慣性大，功能相對單一，需配置較為繁雜的驅(qū)控裝置，響應(yīng)慢，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間長，因機(jī)械運(yùn)動的固有連續(xù)性難以進(jìn)行束狀態(tài)的任意構(gòu)建、切換或跳變；(二)所使用的紅外光學(xué)組件如典型的棱鏡、透鏡、反射鏡和散光鏡，以及所制作的多種光學(xué)膜系如典型的增反、增透以及半反半透膜等，均具有相對狹窄的譜適用范圍，存在隨紅外頻譜成分的變化難以完全抵消的色差或像差。束空間掃描?；跀[鏡或微透鏡陣列間的往復(fù)式機(jī)械平動實現(xiàn)，存在特殊轉(zhuǎn)動或平動所約束的掃描方式單一，性能指標(biāo)有限，存在較大機(jī)械慣性，需配置相對復(fù)雜的輔助驅(qū)控裝置，狀態(tài)更替慢，束掃描操作僅能依照設(shè)定的順序進(jìn)行，不能實現(xiàn)任意形式的束掃描、區(qū)域性凝聚與掃描難以共存或快速切換等缺陷。
[0004]近些年來，基于低功耗的陣列化電控液晶微光學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行特定形態(tài)紅外波束的構(gòu)建、整形、擺動與投送技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，目前已實現(xiàn)的主要功能包括:(一)陣列化液晶微結(jié)構(gòu)其折射率的電控激勵與調(diào)變可通過施加低功率電驅(qū)控信號展開，折射率的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換時間常數(shù)已低至亞毫秒級，實驗室級的已低至微秒級；(二)可實現(xiàn)波束匯聚與發(fā)散模態(tài)的電控切換，可有效執(zhí)行電控聚焦、調(diào)焦與擺焦操作，以及光束發(fā)散程度的電控調(diào)節(jié)；(三)可基于液晶折射率的電控構(gòu)建與調(diào)變有效進(jìn)行光波前的時序或空變調(diào)節(jié)；(四)對波束的調(diào)相以及整形變換可依據(jù)設(shè)定的電控順序展開、凝固或調(diào)變，從而具備基于先驗知識、波束情況或需求進(jìn)行約束、干預(yù)或引導(dǎo)的能力；(五)平面端面且具有微米級液晶材料厚度的超薄液晶結(jié)構(gòu)，可被靈活接入光路中或與其他光學(xué)光電機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合甚至集成；(六)具有通過調(diào)控電參數(shù)來維持或變更波束形態(tài)，有效適應(yīng)波束頻譜變化、器件供電波動、環(huán)境因素改變以及目標(biāo)特征變動這一特點(diǎn)。目前，如何基于小微型化的電控液晶結(jié)構(gòu)對紅外波束的電控變換作用，構(gòu)建與射頻相控陣類似的紅外相控陣，已成為紅外波束精密測量與控制技術(shù)繼續(xù)發(fā)展所需解決的困難和瓶頸問題，迫切需要新的突破。
實用新型內(nèi)容
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實用新型提供了一種紅外液晶相控陣芯片，能靈活構(gòu)建紅外波束形態(tài)，有效實現(xiàn)電控擴(kuò)束、縮束、散束、聚束、束調(diào)向以及束掃描等功能，易與其它紅外光學(xué)光電機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合，光場適應(yīng)性好。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種紅外液晶相控陣芯片，其特征在于，包括電控液晶調(diào)相微柱陣列；所述電控液晶調(diào)相微柱陣列包括液晶材料層，依次設(shè)置在所述液晶材料層上表面的第一液晶初始取向?qū)?、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設(shè)置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)印⒌诙姼綦x層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜；所述公共電極層由一層勻質(zhì)導(dǎo)電膜構(gòu)成；所述圖形化電極層由mXn元陣列分布的子電極構(gòu)成，每個子電極均由正方形或長方形導(dǎo)電膜構(gòu)成，其中，m、n均為大于I的整數(shù)；所述電控液晶調(diào)相微柱陣列被劃分成mXn元陣列分布的電控液晶調(diào)相微柱，所述電控液晶調(diào)相微柱與所述子電極一一對應(yīng)，每個子電極均位于對應(yīng)的電控液晶調(diào)相微柱的中心，形成電控液晶調(diào)相微柱的上電極，所有電控液晶調(diào)相微柱的下電極由所述公共電極層提供；單個子電極的面積與對應(yīng)的電控液晶調(diào)相微柱的光接收面積的比值為電極填充系數(shù)，所述電極填充系數(shù)為50 %?95 %。
[0007]優(yōu)選地，所述芯片還包括芯片外殼；所述電控液晶調(diào)相微柱陣列封裝在所述芯片外殼內(nèi)并與所述芯片外殼固連，其光入射面和光出射面通過所述芯片外殼的前后兩個端面上正對的開孔裸露在外；所述芯片外殼的側(cè)面設(shè)置有多個驅(qū)控信號輸入端口。
[0008]優(yōu)選地，所述芯片外殼的側(cè)面設(shè)置有第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 ；每個電控液晶調(diào)相微柱的上電極均通過一根導(dǎo)線獨(dú)立弓I出，這些上電極弓I線分組接入所述第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 ；所述公共電極層通過八根導(dǎo)線引出，這八根公共電極層引線分別接入所述第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 ；每個驅(qū)控信號輸入端口內(nèi)的上電極引線和公共電極層引線分別位于該端口的兩端。
[0009]總體而言，通過本實用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0010]1、基于調(diào)相的束構(gòu)建、束調(diào)向與束掃描。本實用新型通過電控液晶調(diào)相微柱陣列基于波前調(diào)制構(gòu)建紅外波束的特定形態(tài)和投向。
[0011]2、控制方式靈活。通過對電控液晶調(diào)相微柱陣列中的各電控液晶調(diào)相微柱執(zhí)行獨(dú)立的加電操作，可靈活構(gòu)建光波相位分布形態(tài)，具有控制方式靈活的優(yōu)點(diǎn)。
[0012]3智能化。通過調(diào)變加載在電控液晶調(diào)相微柱陣列上的驅(qū)控電壓信號的頻率或幅度所進(jìn)行的紅外出射波場的成形和調(diào)變操作，可在先驗知識或波束作用效果的約束、干預(yù)或弓I導(dǎo)下進(jìn)行，具有智能化特征。
[0013]4、控制精度高。由于本實用新型采用可精密電驅(qū)控的液晶調(diào)相架構(gòu)，具有極高的結(jié)構(gòu)、電學(xué)以及電光參數(shù)的穩(wěn)定性和控制精度。
[0014]5、使用方便。本實用新型的芯片主體為封裝在芯片外殼內(nèi)的電控液晶調(diào)相微柱陣列，在紅外光路中接插方便，易與常規(guī)紅外光學(xué)光電結(jié)構(gòu)、電子和機(jī)械裝置等匹配耦合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1 (a)、(b)是本實用新型實施例的紅外液晶相控陣芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是電控液晶調(diào)相微柱陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3是本實用新型實施例的紅外液晶相控陣芯片的光波變換示意圖。
[0018]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1-第一驅(qū)控信號輸入端口，2-第二驅(qū)控信號輸入端口，3-第三驅(qū)控信號輸入端口，4-第四驅(qū)控信號輸入端口，5-第五驅(qū)控信號輸入端口，6-第六驅(qū)控信號輸入端口，7-第七驅(qū)控信號輸入端口，8-第八驅(qū)控信號輸入端口，9-電控液晶調(diào)相微柱陣列，10-芯片外殼。

【具體實施方式】
[0019]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0020]如圖1 (a)、(b)所示，本實用新型實施例的紅外液晶相控陣芯片包括芯片外殼10和電控液晶調(diào)相微柱陣列9。電控液晶調(diào)相微柱陣列9封裝在芯片外殼10內(nèi)并與芯片外殼10固連，其光入射面和光出射面通過芯片外殼10的前后兩個端面上正對的開孔裸露在外。芯片外殼10的側(cè)面設(shè)置有第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 I至8，其中，每個側(cè)面設(shè)置兩個驅(qū)控信號輸入端口。
[0021]如圖2和圖3所示，電控液晶調(diào)相微柱陣列9包括液晶材料層，依次設(shè)置在液晶材料層上表面的第一液晶初始取向?qū)?、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設(shè)置在液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)?、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜。公共電極層由一層勻質(zhì)導(dǎo)電膜構(gòu)成。圖形化電極層由mXη元陣列分布的子電極構(gòu)成，每個子電極均由微正方形或微長方形導(dǎo)電膜構(gòu)成，其中，m、η均為大于I的整數(shù)。
[0022]優(yōu)選地，圖形化電極層和公共電極層材料為金或鋁等，其厚度在幾十至幾百納米范圍內(nèi)。第一基片和第二基片為同種光學(xué)材質(zhì)。第一和第二電隔離層由電絕緣且具有高紅外透過率的膜材料制成，典型的如S12膜等，其厚度同樣在幾十至幾百納米范圍內(nèi)。電隔離層用于阻斷由圖形化電極層和公共電極層材料中溢出的載流子(如電子等)通過滲過液晶初始取向?qū)舆M(jìn)入液晶材料層的通道，防止其與液晶分子的極性基團(tuán)相互中和而導(dǎo)致液晶材料失效。
[0023]將上述電控液晶調(diào)相微柱陣列9劃分成mXn元陣列分布的電控液晶調(diào)相微柱，電控液晶調(diào)相微柱與子電極對應(yīng)，每個子電極均位于對應(yīng)的電控液晶調(diào)相微柱的中心，形成電控液晶調(diào)相微柱的上電極，所有電控液晶調(diào)相微柱的下電極由公共電極層提供。單個子電極的面積與對應(yīng)的電控液晶調(diào)相微柱的光接收面積的比值被稱為電極填充系數(shù)，其典型值在50%至95%之間。
[0024]工作時，各電控液晶調(diào)相微柱被獨(dú)立加電驅(qū)控。具體地，每個電控液晶調(diào)相微柱的上電極均通過一根導(dǎo)線獨(dú)立引出，將這些上電極引線分組接入第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 I至8，同時將公共電極層通過八根導(dǎo)線引出，將這八根公共電極層引線分別接入第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 I至8，每個驅(qū)控信號輸入端口內(nèi)的上電極引線和公共電極層引線分別位于該端口的兩端。根據(jù)各電控液晶調(diào)相微柱在電控液晶調(diào)相微柱陣列9中的位置，通過第一至第八驅(qū)控信號輸入端口I至8對各電控液晶調(diào)相微柱實現(xiàn)可尋址的驅(qū)控電壓信號加載。如圖2所示，對電控液晶調(diào)相微柱陣列9中第六行第η列的電控液晶調(diào)相微柱，力口載在其上的驅(qū)控電壓信號記為V6n，對電控液晶調(diào)相微柱陣列9中第m行第η列的電控液晶調(diào)相微柱，加載在其上的驅(qū)控電壓信號記為Vmn。
[0025]本實用新型實施例的紅外液晶相控陣芯片可以被直接置于測試光路中，也可以被置于由主鏡構(gòu)成的紅外光學(xué)系統(tǒng)的焦面處或進(jìn)行弱離焦配置。其工作原理如下。
[0026]通過第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 I至8內(nèi)的上電極引線和圖形化電極層引線，將驅(qū)控電壓信號Vij加載在第i行第j列的電控液晶調(diào)相微柱上,使各電控液晶調(diào)相微柱被獨(dú)立加電驅(qū)控，其中，i = I, 2, - ,m, j = 1，2，…，η。分布在構(gòu)成液晶微腔的雙層平面電極板(包括紅外增透膜、基片、電極層、電隔離層和液晶初始取向?qū)?內(nèi)表面附近的液晶分子，被制作在兩個相對的平面電極板表面并具有平行溝槽取向的液晶初始取向?qū)永喂体^定，高于液晶材料驅(qū)控信號閾值的驅(qū)控電壓信號，將在液晶材料中激勵起可調(diào)變的空間電場，在液晶材料層中的液晶分子則通過雙層平面電極板所激勵的空間電場驅(qū)動，形成特定的折射率分布形態(tài)。
[0027]紅外入射光波進(jìn)入電控液晶調(diào)相微柱陣列后，電控液晶調(diào)相微柱陣列按照其中電控液晶調(diào)相微柱的陣列規(guī)模和排布情況，將紅外入射光波分割成陣列化的子平面入射波前，各子平面入射波前與電場驅(qū)控下呈特定折射率分布形態(tài)的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延遲的陣列化的子平面出射波前，陣列化的子平面出射波前經(jīng)耦合形成出射波前從芯片輸出。
[0028]如圖3所示，通過調(diào)節(jié)加載在第i行第j列的電控液晶調(diào)相微柱上的驅(qū)控電壓信號Vu的頻率或均方幅度，調(diào)變液晶材料層中的液晶分子的折射率分布形態(tài)，使通過液晶材料層的光波的光程因折射率變動而改變，進(jìn)而使各子平面出射波前產(chǎn)生受驅(qū)控電壓信號調(diào)節(jié)的特定程度的相位延遲，各子平面出射波前耦合形成出射波前，得到基于特定形態(tài)的出射波前的出射波束。所輸出的光波前其形態(tài)變動約束諸如束成形、束形調(diào)變、束調(diào)向或束掃描等操作。具體地，給芯片加載電驅(qū)控信號后，通過芯片的陣列化相位調(diào)節(jié)作用可靈活構(gòu)建波束形態(tài)，以及執(zhí)行電控擴(kuò)束、縮束、散束、聚束、束調(diào)向或束掃描等操作。針對目標(biāo)或環(huán)境光場擾動以及電參數(shù)波動，通過及時調(diào)變加載在芯片上的多路并行驅(qū)控電壓信號，可對出射波束的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行校調(diào)，芯片具備抗擾動能力。芯片斷電后陣列化相位調(diào)變功能消失，光波通過芯片后其束特征不變。
[0029]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種紅外液晶相控陣芯片，其特征在于，包括電控液晶調(diào)相微柱陣列；所述電控液晶調(diào)相微柱陣列包括液晶材料層，依次設(shè)置在所述液晶材料層上表面的第一液晶初始取向?qū)?、第一電隔離層、圖形化電極層、第一基片和第一紅外增透膜，以及依次設(shè)置在所述液晶材料層下表面的第二液晶初始取向?qū)?、第二電隔離層、公共電極層、第二基片和第二紅外增透膜；所述公共電極層由一層勻質(zhì)導(dǎo)電膜構(gòu)成；所述圖形化電極層由mXn元陣列分布的子電極構(gòu)成，每個子電極均由正方形或長方形導(dǎo)電膜構(gòu)成，其中，m、n均為大于1的整數(shù)； 所述電控液晶調(diào)相微柱陣列被劃分成mXn元陣列分布的電控液晶調(diào)相微柱，所述電控液晶調(diào)相微柱與所述子電極 對應(yīng)，每個子電極均位于對應(yīng)的電控液晶調(diào)相微柱的中心，形成電控液晶調(diào)相微柱的上電極，所有電控液晶調(diào)相微柱的下電極由所述公共電極層提供；單個子電極的面積與對應(yīng)的電控液晶調(diào)相微柱的光接收面積的比值為電極填充系數(shù)，所述電極填充系數(shù)為50%?95%。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外液晶相控陣芯片，其特征在于，所述芯片還包括芯片外殼；所述電控液晶調(diào)相微柱陣列封裝在所述芯片外殼內(nèi)并與所述芯片外殼固連，其光入射面和光出射面通過所述芯片外殼的前后兩個端面上正對的開孔裸露在外；所述芯片外殼的側(cè)面設(shè)置有多個驅(qū)控信號輸入端口。
3.如權(quán)利要求2所述的紅外液晶相控陣芯片，其特征在于，所述芯片外殼的側(cè)面設(shè)置有第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 ；每個電控液晶調(diào)相微柱的上電極均通過一根導(dǎo)線獨(dú)立引出，這些上電極引線分組接入所述第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 ；所述公共電極層通過八根導(dǎo)線引出，這八根公共電極層引線分別接入所述第一至第八驅(qū)控信號輸入端口 ；每個驅(qū)控信號輸入端口內(nèi)的上電極引線和公共電極層引線分別位于該端口的兩端。
【文檔編號】G02F1/133GK204129396SQ201420654545
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】張新宇, 羅俊, 佟慶, 雷宇, 桑紅石, 謝長生 申請人:華中科技大學(xué)