具有纳米围壁的像素化光学构件

技术领域：

本发明涉及结合光学功能的透明元件的制造。特别地，其可应用于制 造具有多种光学特性的眼用镜片。

背景技术：

屈光异常矫正镜片通常通过使具有高于空气折射率的透明材料成形 而被制作出来。镜片的形状被选择从而在所述材料和空气的界面处的折射 引起了佩戴者视网膜上的适当的聚焦。所述镜片通常被切割以与镜框相匹 配，并按照被矫正眼睛的瞳孔适当定位。

在镜片的各种形式中，或在其它并非一定要限于眼用光学件的镜片 中，有一种需求，即可以提出一种结构，该结构能以一种灵活的和模块化 的方式提供一个或多个光学功能，同时，保留了切割所获得的光学元件的 可能性以将该元件结合到可被利用的或在别处可被选择的框架中，或者用 于固定所述光学元件的其它装置中。

发明内容：

本发明的一个目的在于满足该需求。本发明的另一目的是光学元件在 令人满意的条件下可应用于工业。

因此本发明提供一种光学构件，其包括至少一个透明的胞室(cell) 网状结构(network)，所述胞室网状结构平行于构件的一个表面并置并被 围壁隔开，每个胞室被密封并包括至少一种具有光学特性的物质，并且所 述构件表面的部分或全部包括了厚度小于10nm(纳米)的围壁。

所述胞室可以填充有各种因为它们的光学特性而被选择的物质，例如 与它们的折射率，它们的光吸收或偏振的能力，它们对光和电刺激的反应 有关的光学特性等等。

因此，该结构有助于许多应用，特别是那些利用先进光学功能的应用。 这意味着通过光学元件表面区域的像素而产生离散化，为设计以及元件的 应用提供了很大的灵活性。因此，该结构包括了被围璧限制的胞室网状结 构，其中所述围璧的至少一部分具有纳米级厚度。

通过离散化，像素化的结构可以被生产，该结构包括一连串在平面中 邻近的胞室。这些胞室被围壁分隔。这些围壁导致了光学构件的透明度损 失，并且它们可能会因此导致包括此构件的光学元件的透明度损失。在本 发明内容中，当通过该光学构件观察的图像在没有严重对比度损失的情况 下被察觉到时光学构件被称为透明的，换而言之，当通过所述光学构件形 成图像时没有降低图像质量。在本发明内容中，术语透明的定义适用于说 明书中所同样限定的所有物体。

隔开光学构件的胞室的围壁通过衍射光线与该光线相互作用。衍射被 定义为当光波被物质限制时被观察光线的散射(J-P.Perez-Optique， Fondements et applications 7th edition-Dunod-October 2004，p.262)。因 此，由于这些围壁引起的光线散射，包括所述围壁的光学构件传输了不清 晰的图像。微观衍射通过散射被宏观地表现出来。该宏观的散射或非相干 散射被光学构件像素化结构的漫散晕轮表现出来，并因此被通过该结构所 观察的图像的对比度损失表现出来。该对比度损失可以被认为是如上面所 定义的透明度的损失。该宏观散射效果对于制作包括如本发明内容所理解 的像素化光学构件的光学元件是不可接受的。当所述光学元件是一个眼用 镜片时尤其如此，该镜片一方面要透明，即如上述所定义的感观；另一方 面，其要不包括容易扰乱所述光学元件佩戴者视觉的不良外观。

减少该现象的简单方法是用具有与围壁一样折射率的液体填充胞室。 该解决方法受限于利益(limited interest)，因为其要求需要考虑这两个实 体的折射率的相互关系。另一个减少该宏观散射的方法是通过限制围壁的 尺寸来减少围壁处的衍射。当围壁的厚度与光线波长相比变得小时，随之 的相互作用可能变得微不足道。因此，该围壁不再引起任何可察觉到的散 射，因此保持了包含该围壁的器件的透明度，而不依赖于填充入由围壁限 定的胞室内的光学物质的折射率

因此，本发明的一个目的是制造一种透明光学构件，其包括至少一 个透明的胞室网状结构，所述胞室平行于构件的一个表面并置并且被围壁 隔开，每个胞室被密封并包括至少一种具有光学特性的物质，并且所述构 件的所有或部分表面包括厚度小于100纳米的围壁。

在本发明的第一变例中，光学构件被设置为使得平行于构件表面的胞 室网状结构的所有围壁厚度都小于100纳米。

在本发明的第二变例中，光学构件被设置为使得平行于所述构件表面 的胞室网状结构的部分围壁的厚度小于100纳米，并且所述胞室网状结构 的部分围壁的厚度在0.10μm(微米)至5微米之间。在此第二变例中，优 选地，胞室网状结构的围壁自身厚度超过100纳米，所述围壁表现的一个 围壁网状结构的厚度小于100纳米。因此，该光学构件包括一胞室网状结 构，该胞室被纳米级围壁隔开，所述纳米级围壁可组成能隔开相邻胞室的 纳米级围壁网状结构。一般而言，在本发明内容中，围壁网状结构是指一 组纳米级围壁，其导致了厚度大于100纳米并且能隔开相邻胞室的围壁的 构成。胞室网状结构是指一种包括单一(unitary)纳米级围壁和/或如上所 定义的围壁网状结构的网状结构。

因此，本发明包括被胞室网状结构像素化的光学构件，每个胞室被纳 米级尺寸的围壁随意地与其相邻的胞室隔开。

在本发明内容中，每个胞室可以采用任何几何图形。因此，胞室网状 结构可以包括具有互相为直线和/或曲线线段形式的围壁以对每个胞室提 供一个封闭的结构。胞室网状结构同样可以采用任何几何结构。因此，在 本发明内容中，可以使用任何和所有已知的方法来均匀地或不均匀地铺设 被所述网状结构占用的整个表面。优选地，可使用六角形、矩形或正方形 几何图形的胞室。之后，纳米级围壁的网状结构优选地具有一六角形或四 角形的几何栅格结构。

该胞室网状结构，以及由此形成的网状结构的围壁的构建，可以通过 使用来自于微电子学的制造方法实现，该方法对于本领域技术人员是公知 的。可以被提及的制造方法包括但不限于热印，热压花，模制，光刻，例 如接触印刷的沉积技术，丝网印刷，或喷墨印刷。优选地，制成胞室网状 结构和/或围壁网状结构的纳米级围壁通过纳米模制、软平板印刷术或沉浸 式光刻技术被制作出来。

所有胞室网状结构的围壁以及可选择地围壁网状结构的围壁可以直 接地形成在一刚性透明支撑件上，或形成在一柔韧性薄膜中再转移到一刚 性透明支撑件上。所述刚性透明支撑件在容纳胞室的侧边上可以为凸起 的，凹入的或扁平的。

胞室网状结构的几何形状的特征在于空间参数，其通常可以被减少到 平行于光学构件表面的胞室的尺寸(D)，与将它们隔开的围壁的高度(h) 对应的高度，以及这些围壁的厚度(e)(在平行于构件表面测量)。平 行于构件表面的情况下，更佳地，该胞室被高度(h)在0.1微米到10微 米之间的围壁隔开。胞室的尺寸(D)极易变化，其范围可以从几纳米到 500微米。

根据如上所定义的围壁的尺寸，可以制作一组(set)在光学构件表面 处并置的胞室，该光学构件具有高于90％的填充因数τ。在本发明内容中， 填充因数被定义为在光学构件的每个单元面积内，被填充了物质的胞室所 占有的面积。换而言之，至少在具有该组胞室的光学构件的一个区域中， 所有胞室一共占有了光学构件至少90％的面积。优选地，填充因数在在90％ 到99.5％之间，并包括90％和99.5％，优选地在98％和99.5％之间。

在本方法的一个实施例中，被包含在至少一些胞室中的具有光学特性 的物质为液体状或凝胶状。特别地，所述物质从染色，光致变色，偏振以 及折射率中选择至少一个作为其光学特性。

光学构件的该组胞室可以包括多组包含不同物质的胞室。同样地，每 个胞室可以被填充有具有一种或多种如上所描述的光学特性的物质。

本发明另一方面涉及通过切割所述光学构件而制作出的透明光学元 件，特别是眼镜。眼镜包括了眼用镜片。眼用镜片是指适合镜框的镜片以 保护眼睛和/或矫正视力，这些镜片可以从无焦镜片，单焦镜片，双焦镜片， 三焦镜片和渐进镜片中选择。尽管眼用镜片为本发明的优选的应用领域， 但还应该理解本发明可以应用于其它任何形式的透明光学元件，例如可以 是，光学仪器镜片，特别用于摄影或天文学的滤光器，光学瞄准镜片，护 目镜，照明装置的光学件等等。在本发明中，眼用光学件包括眼用镜片， 以及隐形眼镜和目镜植入物。

附图说明：

本发明其它特征和优点将体现在下面说明书中参照附图的非限定实 施例中，其中：

-图1是本发明光学构件的主视图；

-图2是从该光学构件中获得的光学元件的透视图；

-图3是本发明的光学构件的横截面示意图；

-图4的透视图示出了本发明的胞室网状结构和围壁网状结构；

-图5的示意性主视图示出了胞室网状结构的另一种形式，其包括间 隔。

具体实施方式：

如图1所示的光学构件10为用于眼镜的毛坯。如上所定义的，眼镜 包括眼用镜片。自然地，尽管眼用镜片为本发明的优选的应用领域，但还 应该理解本发明可以应用于其它任何形式的透明光学元件。

如图2所示，眼镜11通过沿着预先确定的轮廓切割毛坯10而获得， 该预先确定的轮廓如图1中的虚线所示。该轮廓基本上是任意的，只要适 合毛坯的面积。因此，批量生产的毛坯可以被用于获得能与各种变化的镜 框相适用的镜片。被切割的镜片的边缘可以按照惯例被没有问题地修整， 以给定其一个适合于将镜片固定在该框架中和/或为了美学要求的形状。可 以在镜片上钻孔14，举例来说，该孔可容纳用于扣紧镜片和框架的螺丝钉。

毛坯10的常规形状可以符合行业标准，例如，具有一个70mm(毫米) 直径的圆形轮廓，还具有一前凸起表面12和一后凹入表面13(图3)。 因此，常规的切割，修整和钻孔工具可被用于从毛坯10中获得镜片11。

在图1和图2中，表面层的局部移除显示了镜片11和毛坯10的像素 化结构。该结构包括在光学构件的膜层17中形成的微槽15(microtank) 或胞室的网状结构，每个胞室被围壁18隔开。在这些附图中，膜层17， 围壁18和胞室15的尺寸相对于它们的毛坯10以及毛坯的基板16已经被 放大，以方便理解附图。

图4图示了一光学构件，其包括一个被纳米级围壁18隔开的胞室网 状结构15，所述围壁18被布置成六角形几何形状。

图5为六角形胞室15的主视图，其通过厚度小于100纳米的围壁18 与相邻的胞室分开，并包括了两个间隔(spacer)28。这些间隔28用于提 高光学构件的力学性能。

间隔28与相应的胞室的围壁18分开，并且优选地，其距离围壁18 一定距离。在平行于构件表面的条件下进行测量，它们的厚度小于5微米。 在这样的方式中，相比于由被包含在胞室15中的物质所产生的光学特征， 所述间隔28基本上不修改构件10的光学特征。垂直于毛坯10的表面的 所述间隔的高度在0.1微米到10微米之间。优选地，间隔28的高度与拼 凑(make up)该胞室组的围壁18的高度相同。

可选择地，间隔28可以由吸收材料制成。在本发明内容中，吸收材 料是指该材料能吸收至少部分可见光谱，即，该材料在(波长)400纳米 到700纳米之间具有至少一个波长的吸收带。优选地，在本发明中，首选 在整个可见光谱具有吸收带的材料。可选择地，用于制作该围壁的材料包 括近红外区域，也就是大于700纳米的区域中，和/或近紫外区域，也就是 小于400纳米的区域中的光谱吸收带。

该间隔28和围壁18可以包括同一材料的各部分。可选择地，间隔28 可以是设置在胞室15中的附加元件。

依照在眼用光学件领域的通常工艺，与胞室网状结构15合并的膜层 17可以被大量附加膜层19，20覆盖(图1)。这些膜层具有一定功能， 举例来说，所述功能可以是冲击强度，抗划伤性，染色，抗反射，抗污性 等等。如实施例所示，与胞室网状结构合并的膜层17直接放置于透明光 学基板16之上，但应该理解的是，一个或多个中间膜层可位于它们之间， 且这样的膜层具有冲击强度，抗划伤性和染色功能。

透明基板16可以由玻璃或各种一般用于眼用光学件的塑料制成。所 述用来制成透明基板的塑料包括但不限于：聚碳酸酯；尼龙，聚酰亚胺和 聚砜；聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚碳酸酯共聚物，聚烯烃，特别是聚降冰片 烯；二甘醇双(烯丙基碳酸酯)的共聚物和聚合体；(甲基)丙烯酸聚合 体和共聚物，特别是衍生于双酚A的(甲基)丙烯酸聚合体和共聚物；硫 代(甲基)丙烯酸聚合体和共聚物；氨基甲酸酯和硫代氨基甲酸酯聚合体 和共聚物；环氧聚合体和共聚物；以及环硫化物(episulphide)的聚合体 和共聚物。

更佳地，合并了胞室网状结构的膜层17位于其前凸起表面12，而后 凹入表面13则保持空闲以使在必要的情况下可以通过机械加工或抛光来 任意地再成型。光学构件同样可以位于镜片的凹入表面上。显然，光学构 件同样可以被合并到一扁平的光学元件上。

微槽15被填充有具有光学特性的物质，这些物质呈液体或凝胶态。 形成具有光学特性的物质的溶液或悬浮液对于网状结构的所有微槽可以 是同样的，在此情况下，其可通过将构件浸没在适当的溶池(bath)中、 通过例如丝网印刷的方法、通过旋涂工艺或通过喷涂工艺被简单地引入。 同样可以使用喷墨系统局部地将其注入单个微槽。

为了密封一组被填充的微槽，粘接的塑料薄膜例如可以被用来粘附、 热封或热层压在围壁18的顶部。在将被封闭的区域上，可以沉积可聚合 材料溶液，其与包含在微槽中的具有光学特性的物质不混合，并随后通过 例如加热或照射的方式使此材料聚合。

一旦微槽15的网状结构已经被完成，构件可以容纳附加膜层或涂层 19，20以结束其制作。此类型的构件被批量制作并且被储存以使得之后可 以被取回，并根据顾客的需求单个切割。

在一种变例中，包括微槽网状结构的光学构件以柔韧性透明薄膜的方 式被构建。所述薄膜可以通过类似于上面所述的技术被制作。在此情况中， 该薄膜可在一扁平的且不凸起或凹入的支撑件上被制得。

举例来说，该薄膜可相对较大规模地工业化生产，并且之后该薄膜被 切割到适合的尺寸，以使其被转移到毛坯的基板16上。该转移可以通过 粘合柔韧性薄膜，通过加热成形该薄膜或通过在真空条件下的物理粘合来 实现。之后，该薄膜可以如同在之前的情况中一样容纳各种涂层，或者可 以被转移到基板16上，该基板本身被涂有一层或多层如上所述的附加层。

在本发明的一个应用领域中，被引入微槽15中的物质的光学特性涉 及其折射率。该物质的折射率沿构件的表面被调整以获得一个矫正镜片。 举例来说，该调整可以通过在微槽网状结构15的制作过程中引入具有不 同折射率的物质来实现。

在这些能被用于此应用的物质中，举例来说，其可以包括介孔材料或 液晶。这些液晶可以通过聚合反应来固定，举例来说，该聚合反应可通过 照射引起。因此，液晶可以被固定在一个被选择的状态中从而在光波通过 它们时引入了一预先确定的光学延迟。在使用介孔材料的情况中，材料的 折射率可以通过改变其孔隙率而被控制。另外，也可以使用光敏聚合物， 该聚合物的一个公知的特性是折射率在由照射而引起聚合反应时将被改 变。这些折射率的改变是由于材料的密度改变以及化学结构的改变。更佳 地是使用在聚合反应时仅发生非常轻微的体积改变的光敏聚合物。

溶液或悬浮液的选择聚合在辐射下实现，该辐射与构件表面存有空间 差异(spatially differentiated)，以为了获得一个想要的折射率调整。该调 整根据对将被矫正的患者的眼睛屈光异常的评估而被提前确定。

在本发明的另一个应用中，以凝胶状或液体状被引入微槽的物质具有 偏振特性。在这些用于此应用的物质中，该物质可以是液晶。

在本发明的另一个应用中，以凝胶状或液体状被引入微槽的物质具有 光致变色的特性。在这些用于此应用的物质中，该物质可以例如是包含中 心单元(central motif)的光致变色化合物，所述中心单元可以是螺嗯嗪 (spirooxazine)，螺(吲哚啉-[2，3’]-苯并噁嗪)，苯并吡喃，螺噁嗪均相 金刚烷(homoazaadamantane spiroxazine)，螺芴杂环-(2H)-苯并吡喃 (spirofluorene-(2H)-benzopyrane)，萘并[2，1-b]吡喃核。

在本发明内容中，具有光学特性的物质可以是染料，或适用于修改传 输比率的颜料。