单片二维透射式液晶光学相控阵装置

本发明涉及液晶光学相控阵装置，尤其是一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置。

背景技术：

1、在自由空间激光光通信、激光传感和激光雷达等应用中，激光束的高精度捕获、跟踪和瞄准(atp)技术是一项非常重要的关键技术和难点。传统atp方案通常采用万向节等机械方式，由于其受体积大、重量重、功耗高和机械磨损等因素的影响，非机械式的atp技术逐渐受到关注。目前常用的非机械光束对扫描的调节、控制方式主要有微透镜阵列技术、mems(微电子机械系统)技术、电浸润微棱镜技术以及液晶光学相控阵技术。其中，液晶光学相控阵技术是目前最接近实用的一种技术方案。

2、目前单个液晶光学相控阵器件通常是一个一维光栅器件，可以实现一维方向的角度偏转与扫描。要实现二维方向的角度偏转与扫描，现有的技术方案是将两个液晶光学相控阵器件正交层叠放置，且两者之间放置一个半波片，其晶轴方向与前后两个正交放置的液晶光学相控阵器件的液晶取向方向的夹角均为45°。

3、公开号为cn117970722a的中国发明专利申请公开了一种二维液晶光学相控阵器件集成化结构，包括两个单元器件依次层叠而成，从上向下依次为第一单元液晶光学相控阵器件和第二单元液晶光学相控阵器件，分别为7层三明治结构和9层三明治结构，两单元器件之间通过光学胶水粘结，在第二液晶光学相控阵的内部嵌入一个液晶聚合物薄膜作为半波片，使两个一维液晶光学相控阵在级联过程中所需的偏振方向旋转90°。该发明的集成结构更加紧凑，厚度更薄，光强损失更低，且省去了半波片独立单元器件的装配过程，降低了制造成本。

4、虽然上述装置省去了半波片，但是依然需要设置两个液晶光学相控阵器件，而且其中一个器件还需要整合液晶聚合薄膜作为半波片，器件数目较多，结构复杂成本较高；除了上述器件的结构，还有采用tft的有源电极结构的单片透射式二维液晶空间光调制器，需要复杂的半导体制造工艺，研发和制造成本非常高；其次，现有二维液晶光学相控阵器件普遍采用向列型液晶材料，当工作波长较长时，液晶盒厚度增大，限制了液晶器件响应速度的提升。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种单片即能实现入射光二维方向的角度偏转与扫描的单片二维透射式液晶光学相控阵装置。

2、技术方案：本发明所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，包括多层三明治结构，其中包括下阵列电极层，所述下阵列电极层包括多个呈矩形阵列设置的像素电极、用于控制像素电极的驱动芯片和连接外部液晶驱动电路的柔性电路板，柔性电路板通过驱动芯片与像素电极连接；多个像素电极相互组合能围成封闭区域。

3、基于上述技术方案，通过在下阵列电极层上呈矩形阵列设置多个像素电极，这样在单片液晶光学相控阵装置上即可实现电极的二维分布，能实现入射光二维方向的角度偏转与扫描，相较于单片装置上采用单方向平行的条状像素电极，需要两片叠加才能形成二维分布的像素电极而言，本装置仅通过单片装置即可实现两片的功能，结构更加简单紧凑，节省了成本，而且本装置也无需像tft结构为每个液晶像素点集成一个薄膜晶体管来驱动，研发和制造成本低；其次，在连接外部液晶驱动电路的柔性电路板和像素电极之间设置驱动芯片，因为驱动芯片内部可以处理信号后再对应输出，其只要设置几个固定数量的输入端即可，无需根据像素电极的数量来设置其输入端数量，这样，就可以大大减少柔性电路板的排线的宽度，降低与外部驱动电路连接构造的复杂性，降低制造成本，还能提高装置整体的集成度，进而使得装置独立控制的电极数目更多。

4、作为优选，所述驱动芯片的输出引脚和输入引脚分别与像素电极和柔性电路板的输出引脚连接。

5、作为优选，所述多个像素电极呈方阵排布，每个像素电极呈正方形。

6、作为优选，所述方阵的阶数不小于8。

7、方阵的阶数不小于8，就能使得装置对入射光的衍射效率95%以上。

8、作为优选，所述下阵列电极层下方设有下玻璃基板层，驱动芯片通过cog工艺封装在下玻璃基板层上。

9、作为优选，所述多层三明治结构中还包括最上层的上玻璃基层板层和中间层的液晶层，液晶层采用聚合物网络液晶材料，上玻璃基板层和下玻璃基板层沿像素电极排列的矩形阵列的长度或者宽度方向对液晶层施加剪切力使聚合物网络液晶材料的取向与剪切方向一致。

10、两个玻璃基板施加一个横向剪切力，能使上下两个玻璃基板之间发生一定距离的错位平移，进而使得聚合物网络液晶材料的聚合物网络沿着一个统一的方向拉直，使得聚合物网络之间的液晶畴均匀取向，最终形成应力聚合物网络液晶材料，采用应力聚合物网络液晶材料响应时间可达ms级甚至更短，而且响应时间与液晶厚度无关，对于中红外、长波红外等波长较长的波段，液晶厚度需要设置的较大的情况，能有效提高响应速度。

11、作为优选，所述聚合物网络液晶材料采用向列型液晶材料、光敏聚合物材料、光引发剂和光学胶水混合后经紫外光照射聚合而成。

12、作为优选，所述向列型液晶材料、光敏聚合物材料、光引发剂和光学胶水分别采用5cb、rm82、irg651和n0a65，按照质量比90:2:0.2:7.8混合。

13、作为优选，所述向列型液晶材料、光敏聚合物材料、光引发剂和光学胶水混合后，用紫外光在50℃下，以20mw/cm2功率密度照射半小时。

14、作为优选，所述像素电极之间的间距大于5μm。

15、像素电极的间距大于5μm能确保连接像素电极与驱动芯片的导线不会相互接触，保持独立绝缘的状态，相互不会干扰。

16、有益效果：本发明相对于现有技术，其显著效果为：通过在下阵列电极层中设置矩形阵列排布的像素电极，使得单片液晶光学相控阵装置就能实现电极的二维排布进而实现入射光二维方向的角度偏转与扫描，无需多片装置组合实现，大大简化了结构；其次，通过在柔性电路板与像素电极之间加设驱动芯片也提高了装置的集成度，简化了装置，降低了成本；还有，液晶层采用聚合网络液晶材料能在较长的工作波长下实现快速响应。

技术特征：

1.一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，包括多层三明治结构，其中包括下阵列电极层（1），其特征在于：所述下阵列电极层（1）包括多个呈矩形阵列设置的像素电极（1-1）、用于控制像素电极（1-1）的驱动芯片（1-2）和连接外部液晶驱动电路的柔性电路板（1-3），柔性电路板（1-3）通过驱动芯片（1-2）与像素电极（1-1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，其特征在于：所述驱动芯片（1-2）的输出引脚和输入引脚分别与像素电极（1-1）和柔性电路板（1-3）的输出引脚连接。

3.根据权利要求1所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，其特征在于：所述多个像素电极（1-1）呈方阵排布，每个像素电极（1-1）呈正方形。

4.根据权利要求3所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，其特征在于：所述方阵的阶数不小于8。

5.根据权利要求1所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，其特征在于：所述下阵列电极层（1）下方设有下玻璃基板层（2），驱动芯片（1-2）通过cog工艺封装在下玻璃基板层（2）上。

6.根据权利要求5所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，其特征在于：所述多层三明治结构中还包括最上层的上玻璃基层板层（3）和中间层的液晶层（4），液晶层（4）采用聚合物网络液晶材料，上玻璃基板层（3）和下玻璃基板层（2）沿像素电极（1-1）排列的矩形阵列的长度或者宽度方向对液晶层（4）施加剪切力使聚合物网络液晶材料的取向与剪切方向一致。

7.根据权利要求6所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，其特征在于：所述聚合物网络液晶材料采用向列型液晶材料、光敏聚合物材料、光引发剂和光学胶水混合后经紫外光照射聚合而成。

8.根据权利要求7所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，其特征在于：所述向列型液晶材料、光敏聚合物材料、光引发剂和光学胶水分别采用5cb、rm82、irg651和n0a65，按照质量比90:2:0.2:7.8混合。

9.根据权利要求8所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，其特征在于：所述向列型液晶材料、光敏聚合物材料、光引发剂和光学胶水混合后，用紫外光在50℃下，以20mw/cm2功率密度照射半小时。

10.根据权利要求1所述的一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，其特征在于：所述像素电极（1-1）之间的间距大于5μm。

技术总结
本发明公开了一种单片二维透射式液晶光学相控阵装置，包括多层三明治结构，其中包括下阵列电极层，所述下阵列电极层包括多个呈矩形阵列设置的像素电极、用于控制像素电极的驱动芯片和连接外部液晶驱动电路的柔性电路板，柔性电路板通过驱动芯片与像素电极连接；驱动芯片的输出引脚和输入引脚分别与像素电极和柔性电路板的输出引脚连接；多个像素电极呈方阵排布，每个像素电极呈正方形，方阵的阶数不小于8；本装置能单片即能实现入射光二维方向的角度偏转与扫描。

技术研发人员：徐林,梁锡彤,徐雪
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10