首页 / 专利库 / 物理 / 应力 / 剪切应力 / 非球面GRIN透镜

非球面GRIN透镜

阅读:868发布:2023-01-30

专利汇可以提供非球面GRIN透镜专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且制造非球面梯度折射率透镜的方法包括共挤出具有第一折射率的第一 聚合物 材料和具有不同于第一折射率的第二折射率的第二聚合物材料,以形成多层聚合物 复合材料 膜,将多层聚合物复合材料膜组装成多层复合GRIN片并且将多层复合GRIN片成形为非球面透镜。,下面是非球面GRIN透镜专利的具体信息内容。

1.制造非球面梯度折射率(GRIN)透镜的方法,其包括:
共挤出具有第一折射率的第一聚合物材料和具有不同于所述第一折射率的第二折射率的第二聚合物材料,以形成多层聚合物复合材料膜;
将所述多层聚合物复合材料膜组装成多层复合GRIN片;以及
将所述多层复合GRIN片成形为非球面透镜。
2.权利要求1所述的方法,其中所述GRIN透镜具有轴向、径向、球面或非球面GRIN分布。
3.权利要求1所述的方法,其中所述GRIN片被热成型、模制和/或机械加工成非球面GRIN透镜。
4.权利要求1所述的方法,其中所述多层聚合物复合材料膜中的每一个包括多个由式n
(AB)X表示的至少两个交替层(A)和(B),其中x=2,并且n在4至18的范围内;
其中层(A)由组分(a)组成,并且层(B)由组分(b)组成;以及
其中所述组分(a)和组分(b)具有不同的折射率。
5.权利要求4所述的方法,其中所述组分(a)和组分(b)选自聚合材料、复合材料聚合物和聚合物掺合物。
6.权利要求5所述的方法,其中所述聚合材料选自玻璃状材料、结晶材料、液晶材料和弹性材料。
7.权利要求4所述的方法,其中所述层具有5nm至1,000μm的厚度。
8.权利要求4所述的方法,其中所述多层复合材料聚合物膜以有序的层堆叠,以形成分层的多层复合GRIN片;并且其中选择邻近的多层复合材料聚合物膜,以显示逐渐不同的折射率。
9.权利要求4所述的方法,其中所述多层复合材料聚合物膜包括至少10个交替的层。
10.权利要求4所述的方法,其中所述多层复合材料聚合物膜包括50至500,000个范围内的交替的层。
11.权利要求4所述的方法,其中所述多层复合GRIN片由5至100,000个多层聚合物复合材料膜组成。
12.权利要求4所述的方法,其中所述多层复合GRIN片由20至10,000个多层聚合物复合材料膜组成。
13.权利要求4所述的方法,其中组分(a)和组分(b)是化学上相同的材料。
14.权利要求5所述的方法,其中所述聚合材料选自聚甲酸乙二醇酯、其异构体、聚对苯二甲酸亚烷基酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、苯乙烯聚合物、聚酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、纤维素衍生物、聚烯聚合物、氟化聚合物、氯化聚合物、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚乙酸乙烯酯、聚醚-酰胺、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-乙烯共聚物、聚(对苯二酸乙烯-l,4-亚环己基二甲酯)、丙烯酸橡胶、异戊二烯、异丁烯-异戊二烯、丁二烯橡胶、丁二烯-苯乙烯-丁吡、丁基橡胶、聚乙烯、氯丁二烯、表氯醇橡胶、乙烯-丙烯、乙烯-丙烯-二烯、腈-丁二烯、聚异戊二烯、橡胶、苯乙烯-丁二烯、聚酯橡胶和聚乙烯、聚氧丙烯以及四氟乙烯六氟丙烯亚乙烯基(THV)。
15.权利要求5所述的方法,其中所述聚合材料选自嵌段共聚物和接枝共聚物。
16.权利要求4所述的方法,其中所述层进一步包括设计来影响所述折射率的有机或无机材料。
17.权利要求4所述的方法,显示0.01或更高的折射率梯度。
18.权利要求4所述的方法,显示0.02至1.0范围内的折射率梯度。
19.权利要求4所述的方法,显示0.05至0.5范围内的折射率梯度。
20.权利要求4所述的方法,其中所述组分(a)和组分(b)是易混合的、不易混合的或部分易混合的聚合材料。
21.梯度折射率透镜,其包括:
具有非球面形状的共挤出的、多层复合GRIN片;
其中所述多层复合片包括多个堆叠的共挤出多层聚合物复合材料膜;
其中所述多层聚合物复合材料膜中的每一个包括多个由式(AB)X表示的至少两个交替n
的层(A)和(B),其中x=2,并且n在4至18的范围内;
其中层(A)由组分(a)组成,并且层(B)由组分(b)组成;并且
其中所述组分(a)和组分(b)具有不同的折射率。
22.权利要求21所述的透镜,其中所述组分(a)和组分(b)选自聚合材料、复合材料聚合物和聚合物掺合物。
23.权利要求22所述的透镜,其中所述聚合材料选自玻璃状材料、结晶材料、液晶材料和弹性材料。
24.权利要求21所述的透镜,其中所述层具有5nm至1,000μm的厚度。
25.权利要求21所述的透镜,其中所述多层复合材料聚合物膜以有序的层堆叠,以形成分层的多层复合GRIN片;并且其中选择邻近的多层复合材料聚合物膜,以显示逐渐不同的折射率。
26.权利要求21所述的透镜,其中所述多层复合材料聚合物膜包括至少10个交替的层。
27.权利要求21所述的透镜,其中所述多层复合材料聚合物膜包括50至500,000个范围内的交替的层。
28.权利要求21所述的透镜,其中所述多层复合GRIN片由5至100,000个多层聚合物复合材料膜组成。
29.权利要求21所述的透镜,其中所述多层复合GRIN片由20至10,000个多层聚合物复合材料膜组成。
30.权利要求21所述的透镜,其中组分(a)和组分(b)是化学上相同的材料。
31.权利要求22所述的透镜,其中所述聚合材料选自聚萘二甲酸乙二醇酯、其异构体、聚对苯二甲酸亚烷基酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、苯乙烯聚合物、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、纤维素衍生物、聚烯聚合物、氟化聚合物、氯化聚合物、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚乙酸乙烯酯、聚醚-酰胺、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-乙烯共聚物、聚(对苯二酸乙烯-l,4-亚环己基二甲酯)、丙烯酸橡胶、异戊二烯、异丁烯-异戊二烯、丁二烯橡胶、丁二烯-苯乙烯-丁吡、丁基橡胶、聚乙烯、氯丁二烯、表氯醇橡胶、乙烯-丙烯、乙烯-丙烯-二烯、腈-丁二烯、聚异戊二烯、硅橡胶、苯乙烯-丁二烯、聚氨酯橡胶和聚氧乙烯、聚氧丙烯以及四氟乙烯六氟丙烯亚乙烯基(THV)。
32.权利要求22所述的透镜,其中所述聚合材料选自嵌段共聚物和接枝共聚物。
33.权利要求21所述的透镜,其中所述层进一步包括设计来影响所述折射率的有机或无机材料。
34.权利要求21所述的透镜,显示0.01或更高的折射率梯度。
35.权利要求21所述的透镜,显示0.02至1.0范围内的折射率梯度。
36.权利要求21所述的透镜,显示0.05至0.5范围内的折射率梯度。
37.权利要求21所述的透镜,其中所述组分(a)和组分(b)是易混合的、不易混合的或部分易混合的聚合材料。
38.制造权利要求21所述的透镜的方法,包括通过形成一组由交替的层(A)和(B)组成的多层聚合物复合材料膜制造所述多层复合GRIN片;将所述膜组装成多层复合GRIN片;
并通过将所述多层复合GRIN片切片和成形为非球面形状,形成所述梯度折射率透镜。
39.权利要求38所述的方法,其中所述多层复合GRIN片显示大于20%的内透射。
40.权利要求38所述的方法,其中所述多层复合GRIN片的所述折射率通过压张力、压缩、剪切或这些应力的组合机械地改变。
41.权利要求38所述的方法,其中所述多层复合GRIN片包括5至100,000个多层聚合物复合材料膜。
42.权利要求38所述的方法,其中所述多层复合GRIN片包括20至10,000个多层聚合物复合材料膜。
43.权利要求38所述的方法,其中所述多层复合GRIN片具有10nm至10cm范围内的总厚度。
44.权利要求38所述的方法,其中所述多层复合GRIN片具有25mm至3cm范围内的总厚度。
45.权利要求38所述的方法,其中所述多层聚合物复合材料膜显示不同的折射率。
46.权利要求45所述的方法,其中所述折射率的差异通过改变层(A)和层(B)的相对厚度完成。
47.权利要求38所述的方法,其中所述多层聚合物复合材料膜或多层复合GRIN片被单轴或双轴定向。
48.非球面梯度折射率透镜,其包括:
包括多个堆叠的共挤出的多层聚合物复合材料膜的共挤出的、多层复合GRIN片;
其中所述多层聚合物复合材料膜中的每一个包括多个由式(AB)X表示的至少两个交替n
的层(A)和(B),其中x=2,并且n在4至18的范围内;
其中层(A)由组分(a)组成,并且层(B)由组分(b)组成;
其中所述组分(a)和组分(b)具有不同的折射率;并且
其中贯穿所述透镜厚度,所述片限定具有第一半抛物线GRIN分布的扁椭圆和具有第二半抛物线GRIN分布的长椭圆。
49.权利要求48所述的透镜,其中所述折射率在朝向所述透镜的外围的方向上降低。
50.权利要求48所述的透镜,其中所述组分(a)和组分(b)选自聚合材料、复合材料聚合物和聚合物掺合物。
51.权利要求48所述的透镜,其中所述聚合材料选自玻璃状材料、结晶材料、液晶材料和弹性材料。
52.权利要求48所述的透镜,其中所述层具有5nm至1,000μm的厚度。
53.权利要求48所述的透镜,其中所述多层复合材料聚合物膜以有序的层堆叠,以形成分层的多层复合GRIN片;并且其中选择邻近的多层复合材料聚合物膜,以显示逐渐不同的折射率。
54.权利要求48所述的透镜,其中所述多层复合材料聚合物膜包括至少10个交替的层。
55.权利要求48所述的透镜,其中所述多层复合材料聚合物膜包括50至500,000个范围内的交替的层。
56.权利要求48所述的透镜,其中所述多层复合GRIN片由5至100,000个多层聚合物复合材料膜组成。
57.权利要求48所述的透镜,其中所述多层复合GRIN片由20至10,000个多层聚合物复合材料膜组成。
58.权利要求48所述的透镜,其中组分(a)和组分(b)是化学上相同的材料。
59.权利要求50所述的透镜,其中所述聚合材料选自聚萘二甲酸乙二醇酯、其异构体、聚对苯二甲酸亚烷基酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、苯乙烯聚合物、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、纤维素衍生物、聚烯聚合物、氟化聚合物、氯化聚合物、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚乙酸乙烯酯、聚醚-酰胺、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-乙烯共聚物、聚(对苯二酸乙烯-1,4-亚环己基二甲酯)、丙烯酸橡胶、异戊二烯、异丁烯-异戊二烯、丁二烯橡胶、丁二烯-苯乙烯-丁吡、丁基橡胶、聚乙烯、氯丁二烯、表氯醇橡胶、乙烯-丙烯、乙烯-丙烯-二烯、腈-丁二烯、聚异戊二烯、硅橡胶、苯乙烯-丁二烯、聚氨酯橡胶和聚氧乙烯、聚氧丙烯以及四氟乙烯六氟丙烯亚乙烯基(THV)。
60.权利要求50所述的透镜,其中所述聚合材料选自嵌段共聚物和接枝共聚物。
61.权利要求48所述的透镜,其中所述层进一步包括设计来影响所述折射率的有机或无机材料。

说明书全文

非球面GRIN透镜

[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2010年10月18日提交的美国临时申请号61/394,059和2010年11月18日提交的61/415,125的优先权,其主题通过引用以其整体并入本文。
[0003] 政府支助
[0004] 本发明以由国家科学基金会(National Science Foundation)授予的准予号dmr-0423914和国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency)(DARPA)授予的PO10023237下的政府支持进行。美国政府可对本发明具有一定权利。

技术领域

[0005] 本发明涉及梯度折射率(GRIN)透镜,并且更具体地涉及具有设计器GRIN分布(designer GRIN distribution)的非球面GRIN透镜(消球差GRIN透镜,aspherical GRIN lens)。

背景技术

[0006] 在传统透镜中,当入射光线进入成形透的镜表面时,由于从空气至同质透镜材料的折射率的急剧变化,入射光线被折射。透镜的表面形状决定了透镜的聚焦和成像性能。在GRIN透镜中,在透镜材料内存在折射率的连续变化。在简单GRIN透镜中,可使用平面光学表面。光线在透镜内被连续弯曲。聚焦性能由透镜材料内的折射率的变化决定。
[0007] 美国专利号5,262,896描述了通过控制的扩散过程制造轴向梯度透镜。用于制造这种梯度透镜的毛坯(blank)可通过各种方法如SOL-GEL、浸渍和扩散制作,并且该毛坯可以是玻璃、塑料或其它合适的光学材料。
[0008] 美国专利号4,956,000描述了用于制造具有径向非均匀但轴向对称分布的透镜材料的透镜的方法和设备,其中透镜尺寸和形状由蒸发透镜材料在基底上的选择方向和浓度决定。
[0009] 美国专利号5,236,486描述了通过加热成型(滑移(slumping))由轴向梯度透镜毛坯形成柱面或球面梯度透镜毛坯。该方法产生具有连续折射率曲线的单片透镜。
[0010] 美国专利号7,002,754描述了用于分级折射率(GRIN)透镜的分层的多层聚合物复合材料(polymer composite),以及制造其的方法。

发明内容

[0011] 本申请涉及具有设计器GRIN分布的非球面GRIN透镜,并且涉及制造非球面GRIN透镜的方法。非球面GRIN透镜可包括分层多层聚合物复合材料并且在多阶段过程中被形成。在本申请的一个方面中,制造一组多层聚合物复合材料膜,每一个具有不同的折射率。有序组的这些多层聚合物复合材料膜被组装成具有期望折射率梯度的多层复合GRIN片。然后,可将多层复合GRIN片成形为具有规定GRIN分布的非球面透镜(消球差透镜,aspherical lens)。
[0012] 本文所述的非球面GRIN透镜可用于广泛的应用中。例如,非球面GRIN透镜可用于成像应用中,如小型照相机应用,其包括但不限于带摄像头的电话(camera phone)、监视摄像机、医学成像工具(例如,内窥镜)和军用成像(例如,观测设备、空间照相机),以及非成像系统,如能量收集装置、太阳能电池、太阳能收集器、太阳能聚能器、束成形装置和需要具有非常短或非常长(无限的)焦距的透镜的其它装置。而且,非球面GRIN透镜可用于生物植入物如人晶状体的人造复制品,以生产用于人或动物视的可植入装置。更具体地,非球面GRIN透镜可用于生产作为光学材料的可植入装置,以改善受损或恶化的人的视力。
[0013] 本发明的其它目标和优势以及更全面的理解将由以下优选实施方式的详述和附图得到。
[0014] 附图简述
[0015] 图1是具有内在抛物线状折射率梯度分布的多层复合材料双凸GRIN晶状体(透镜)的示意图;和,
[0016] 图2是基于EO体积组成的可变形多层复合材料环乙烷/四氟乙烯六氟丙烯亚乙烯基(EO/THV)聚合物膜的组分依赖性的折射率的图表。
[0017] 发明详述
[0018] 本申请涉及梯度折射率(GRIN)透镜,并且具体地涉及具有设计器GRIN分布的非球面GRIN透镜。非球面GRIN透镜可包括分层复合结构,其可被容易地调整以提供非球面透镜形状和GRIN分布。非球面透镜形状和GRIN分布允许透镜像差的更大校正以及产生具有用球面表面不可实现的性能的独特光学器件。
[0019] 在申请的一个实施方式中,非球面GRIN透镜可在多阶段过程中制造。在该多阶段过程中,可制造一组多层聚合物复合材料膜。每个聚合物复合材料膜可具有不同的折射率。有序组的这些多层聚合物复合材料膜可被组装成具有期望折射率梯度的分层多层复合GRIN片。然后,组装的复合GRIN片可被成形为具有球面或非球面GRIN分布的非球面透镜。
[0020] 用于形成GRIN透镜的分层结构的多层聚合物复合材料膜可包括以至少两种类型:(A)和(B)之间交替的500,000层。类型(A)的层由组分(a)组成,并且类型(B)的层由组分(b)组成。多层聚合物复合材料膜的层(A)和(B)的每一个可具有大约5nm至大约1,000μm范围内的厚度。
[0021] 各种各样的热塑性聚合材料可用于形成层(A)和(B)。这种材料包括但不限于玻璃状聚合物、结晶聚合物、液晶聚合物和弹性体。本文使用的术语“聚合物”或“聚合材料”表示具有至少5,000的重均分子量(MW)的材料。例如,聚合物可以是有机聚合材料。本文使用的术语“低聚物”或“低聚材料”表示具有1,000至小于5,000的重均MW的材料。这种低聚材料可以是例如玻璃状聚合材料、结晶聚合材料或弹性体聚合材料。
[0022] 可用于形成层A和B的聚合材料的实例可包括但不限于聚甲酸乙二醇酯以及其异构体,如2,6-、1,4-、1,5-、2,7-和2,3-聚萘二甲酸乙二醇酯;聚对苯二甲酸亚烷基酯如聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯和聚对苯二甲酸-l,4-环乙烷二甲酯;聚酰亚胺,如聚丙烯酸酰亚胺;聚醚酰亚胺;苯乙烯聚合物(styrenic polymer),如无规立构、全同立构和间同立构聚苯乙烯、α-甲基-聚苯乙烯、对-甲基-聚苯乙烯;聚酸酯如双酚-A-聚碳酸酯(PC);聚(甲基)丙烯酸酯,如玻璃状聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚(甲基丙烯酸丙酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(丙烯酸丁酯)和聚(丙烯酸甲酯)(本文使用术语“(甲基)丙烯酸酯”表示丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯);纤维素衍生物,如乙基纤维素、乙酸纤维素、丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维和硝酸纤维素;聚烯聚合物,如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯和聚(4-甲基)戊烯;氟化聚合物,如全氟烷氧基树脂、聚四氟乙烯、氟化的乙烯-丙烯共聚物、聚偏1,1-二氟乙烯和聚氯三氟乙烯以及它们的共聚物;氯化聚合物,如聚二氯苯乙烯、聚偏1,1-二氯乙烯和聚氯乙烯;聚砜;聚醚砜;聚丙烯腈;聚酰胺;聚乙酸乙烯酯;聚醚-酰胺。
[0023] 可用于形成层A和B的其它聚合物材料是共聚物,如苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)——例如包含10wt%和50wt%之间或20wt%和40wt%之间的丙烯腈、SAN-17、苯乙烯-乙烯共聚物;以及聚(对苯二酸乙烯-l,4-环亚己基二甲酯)(PETG)。另外的聚合材料包括丙烯酸橡胶;电光聚合物,如聚氧乙烯(EO)或聚氧丙烯(PO);四氟乙烯六氟丙烯亚乙烯基(THV);异戊二烯(IR);异丁烯-异戊二烯(IIR);丁二烯橡胶(BR);丁二烯-苯乙烯-丁吡(PSBR);丁基橡胶;聚乙烯;氯丁二烯(CR);表氯醇橡胶;乙烯-丙烯(EPM);乙烯-丙烯-二烯(EPDM);腈-丁二烯(NBR);聚异戊二烯;橡胶;苯乙烯-丁二烯(SBR);以及聚酯橡胶。另外的聚合材料还包括液晶聚合物、共聚物以及嵌段或接枝共聚物。
[0024] 此外,每个单独的层(A)和(B)可包括上述聚合物或共聚物的两种或多种的掺合物。这种掺合物的组分(a)和(b)可基本上是易混合的,并且因而不影响掺合物的透明度。可选地,掺合物的组分(a)和(b)的一种或多种可以是不易混合的或部分地易混合的。
[0025] 在选择用于复合GRIN片的材料中的一个考虑因素是层(A)和(B)的聚合组分(a)和(b)之间的折射率的差异。特别地,多层聚合物复合材料的最大折射率梯度、和由此GRIN片的最大折射率梯度由聚合物组分(a)和(b)的折射率之间的差异指示。GRIN透镜的焦距、厚度和形状同样地取决于可被达到的折射率梯度。因此,复合材料膜的组分(a)和(b)中的一种或多种可包括设计来增加或减小组分的折射率的有机或无机材料。有机或无机材料可包括,例如,纳米颗粒材料、染料和/或其它添加剂。
[0026] 多层聚合物复合材料膜可以制造有预定范围的折射率以及它们之间任意小的折射率差异。这可例如通过改变层(A)和(B)的相对厚度完成。在组分聚合物(a)和(b)的弹性模量不同的情况中,复合材料的折射率可通过压力、张力、压缩或剪切应力或这些应力的组合机械地改变。如指出的,可制造复合材料,以使组分聚合物(a)和(b)中的一种或两种是弹性体。如果组分聚合物(a)和(b)的弹性模量不同,那么机械地通过压力、张力、压缩或剪切应力或这些应力的组合,有效介质复合层(A)和(B)中的一个或多个的折射率相对于另一个是可变的。因此,分层GRIN片的折射率梯度可通过张力、压缩或剪切力被改变。折射率和折射率梯度改变还可通过任何类型的机械或电的刺激或通过连接至多层聚合复合结构的磁体完成。该改变可通过静电效应或通过使用电活化或电光组分聚合物引起。这提供了具有大的电-光响应的材料。
[0027] 多层聚合物复合材料膜可通过多层共挤出制造。例如,制造的多层聚合物复合材料膜可通过强制的组件共挤出形成,其中两种或多种聚合物被分层,并且然后增加几次传统多层共挤出处理,其中在单个多层进料区同时完成分层。这些过程可产生由几千个层组成的大面积的膜(例如,英尺宽乘码宽),单个层厚度为10nm薄。当层厚度小于光的波长很多时,膜起到有效介质的作用,因而与成分相比其具有独特的性质。共挤出的GRIN膜可具有大约10nm至大约10cm,特别是大约12μm至大约3cm范围的总厚度,包括这些范围内的任何增量。
[0028] 可堆叠包括层(A)和(B)的多层聚合物复合材料膜,以形成分层的多层复合GRIN片。GRIN片可例如通过使分层结构中的多层聚合物复合材料膜分层而形成,如2003年6月24日授权给Baer等人的美国专利6,582,807和2006年2月21日授权给Baer等人的美国专利7,002,754中所描述和公开的,两篇专利通过引用以其整体并入本文。通过使多层聚合物复合材料膜分层,给出分层GRIN片的折射率梯度。可进行分层,以使所得分层GRIN片在任何方向如轴向、径向或球面方向上具有折射率梯度。折射率梯度可以是连续的、离散的或步进的(stepped)。在由多层聚合物复合材料膜中的层(A)和(B)的组分聚合物(a)和(b)的折射率施加的限度内可实现许多梯度。
[0029] 在任何情况中,可选择邻近的多层聚合物复合材料膜,以显示逐渐不同的折射率。例如,5至100,000个多层聚合物复合材料膜的堆叠将形成由其可制造GRIN透镜的分层GRIN片,如以下所述。分层GRIN片的折射率梯度通过其中堆叠多层聚合物复合材料膜的设计确定。该方法的具体优势是任何预定的折射率梯度可使用多层聚合物复合材料膜容易地实现。折射率梯度仅由多层聚合物复合材料膜中可得的折射率范围限制。由于GRIN片的上述构造,该片具有纳米级、微米级和厘米级的分层结构。
[0030] 在本申请的一些实施方式中,多层聚合物复合材料膜可由两种交替的层(A)和(B)(例如,ABABA…)制造,层(A)和(B)分别由称为组分的组分聚合物(a)和(b)形成。组分聚合物(a)和(b)可显示不同的折射率并且形成由式(AB)X表示的多层聚合物复合材n
料膜,其中x=(2),并且n是乘数元素的数字并在4至18的范围内。在其它实施方式中,交替的层A和B可提供在由式(ABA)X或(BAB)X表示的多层聚合物复合材料膜中,其中x=(2)n
+1,并且n是乘数元素的数字并在2至18的范围内。
[0031] 在一些实施方式中,聚合物组分(a)和(b)可独立地是玻璃状聚合材料、结晶聚合材料、弹性聚合材料或它们的掺合物。作为非约束的实例,当组分(a)是玻璃状材料时,组分(b)可以是弹性材料、玻璃状材料、结晶材料或它们的掺合物。可选地,当组分(a)是弹性材料时,组分(b)可以是弹性材料、玻璃状材料、结晶材料或它们的掺合物。无论如何,组分(a)必须显示与组分(b)不同的折射率;同样地,层(A)必须显示与层(B)不同的折射率。
[0032] 多层聚合物复合材料膜可包括许多交替的层(A)和(B)。在一些实例中,多层聚合物复合材料膜可包括至少10个交替的层(A)和(B),优选为大约50至大约500,000个交替的层,包括这些范围内的任何增量。层(A)和(B)中的每一个可以是微米层(microlayer)或纳米层(nanolayer)。类似地,由层(Ai)和(Bi)组成的另外的多层聚合物复合材料膜可被形成,层(Ai)和(Bi)分别由组分(ai)和(bi)组成。组分(a)和(ai)可以是相同或不同的聚合材料。同样地,(b)和(bi)可以是相同或不同的聚合材料。进一步,组分(a)和(b)可以是化学上相同的材料,只要它们由于二级物理差异如聚合结构之间的构象差异、由不同处理条件产生的差异如取向或MW差异,可形成显示不同折射率的不同层。
[0033] 可选地,分层GRIN片可包括多于两种的不同组分。例如,交替的组分(a)、(b)和(c)各自的层(A)、(B)和(C)的三组分结构(例如,ABCABCABC...)由(ABC)X表示,其中x如上限定。在任何期望构造和组合中包括任何数量的不同组分层的结构包括在本发明的范围内,如(CACBCACBC...)。
[0034] 分层GRIN片可被形成为具有任何预定的球面或非球面对称轴向或径向GRIN分布的非球面透镜。可通过将GRIN片加热至GRIN片内的任何聚合物的最低熔化温度以下的温度,将分层GRIN片形成为非球面形状。然后,加热的GRIN片可在冲模或塑模中被热成型,将GRIN片形成为非球面表面形状,在加热的GRIN片冷却时,将其保持。可选地或另外地,分层GRIN片可通过适合的方法如蚀刻、摹制、金刚石机械加工冶金抛光、玻璃珠搪磨(glass bead honing)等、或金刚石机械加工随后冶金抛光或玻璃珠搪磨等的组合机械地或化学地成形,以将GRIN片成形为非球面形状构造。在一个实例中,分层GRIN片可通过金刚石机械加工方法如金刚石车削、快速切削和振动辅助机械加工(vibration assisted machining)(VAM)被形成为非球面形状。
[0035] 取决于非球面GRIN透镜的具体聚合构造,透镜可以是非变形的、可逆变形的或不可逆变形的。因此,通过使用多层聚合物技术,可制造透镜,使得梯度动态地和可逆地变化。这例如通过使用动态可变的多层聚合材料作为单独层完成。特别地,可制造聚合材料,使得交替聚合物层的弹性模量以及折射率是不同的。在这些材料中,施加的应力如压力、张力、压缩或剪切应力或这些应力的组合改变相对的层厚度,并且因而改变透镜中的梯度。
[0036] 折射率和折射率梯度改变还可通过任何类型的机械或电刺激,或通过连接至多层聚合复合结构的磁体实现。可通过静电效应或通过使用电活化或电光组分聚合物引起该改变。这提供了具有大的电光响应的材料。折射率对应力的灵敏性可通过选择组分聚合物(a)和(b)以及它们的相对初始厚度进行改变。因此,制造其中可预先确定最初梯度和梯度随着应力的可变性的可变梯度透镜是可能的。
[0037] 任选地,非球面GRIN透镜的梯度可通过在制造过程中和/或之后轴向定向(例如,拉伸)分层GRIN片和/或多层聚合物复合材料膜可逆地或不可逆地改变。如以上指出的,可制造复合膜以及因此的分层GRIN片,使得组分聚合物中的一种或两种是弹性体。在至少一个方向平行的多层聚合物复合材料膜和/或分层GRIN片的轴向方位可改变膜或片的梯度分布。在一个实例中,多层聚合物复合材料膜可通过在基本上平行于膜的表面的平面内拉伸膜而被双轴定向。应当理解,虽然可通过在至少两个方向上拉伸膜将膜双轴定向,但是膜也可在单一方向上被拉伸(例如,单轴定向)或在多个方向上拉伸(例如,双轴或三轴定向)。
[0038] 在制造GRIN透镜中,还期望能够规定折射率梯度从小于0.01至尽可能大。用本文所述的多分层技术,广泛的折射率梯度是可能的。因为更大的梯度给出可制作的更宽范围的GRIN透镜,期望能够制作大的梯度。这使得能够在更薄的GRIN透镜中实现更短的焦距和更多的像差校正。对于多层GRIN透镜,折射率梯度可被规定从最小0.001至构成层的聚合物之间的折射率差异的最大值。通常最大可能的范围是期望的。优选地,多层聚合结构的透镜可显示0.01或更高、优选地0.02至1.0的范围、更优选地0.05至0.5的范围内的折射率梯度,包括这些范围内的所有增量。
[0039] 一个重点是本文所述的多分层技术允许使用易混合、不易混合或部分易混合的聚合物来实现大的折射率差异。其它GRIN透镜制作技术使用扩散技术来实现折射率梯度。因而,现有技术中的实例限于0.01至0.03的小折射率梯度。
[0040] 第二重点是多层透镜可被设计来用作近40nm至1米的宽波长范围的光学元件。具体的波长范围由聚合物组分决定。在本申请的一个实施方式中,多层聚合物结构显示大于20%、优选地大于50%的内透射。通过组分的适当分层,可制造透明多层聚合物复合结构具有一定范围的折射率。如果每个层的层厚度充分薄,则复合材料作为有效介质起作用。可通过选择组分层的相对厚度设计折射率以显示组分聚合物的折射率之间的任何值。可制作这类复合材料,其透明度比得上组分聚合物。
[0041] 本文所述的非球面GRIN透镜可用于广泛的应用中。例如,非球面GRIN透镜可用于成像应用中,如小型照相机应用,其包括但不限于带摄像头的电话、监视摄像机、医学成像工具(例如,内窥镜)和军用成像(例如,观测设备、空间照相机),以及非成像系统,如能量收集装置、太阳能电池、太阳能收集器、太阳能聚能器、束成形装置和需要具有非常短或非常长(无限的)焦距的透镜的其它装置。而且,非球面GRIN透镜可用于生物植入物,如人晶状体的人造复制品,以生产用于人或动物视力的可植入装置。更具体地,非球面GRIN透镜可用于生产作为光学材料的可植入装置,以改善受损或恶化的人的视力。这种眼内晶状体植入物将增加更宽的视野、改进的低光分辨率、高分辨率成像和单个植入物中的适应性。
[0042] 在本申请的一个实施方式中,多层复合GRIN片可用于制造具有图1中显示的抛物线折射率梯度的非球面双凸晶状体(透镜)。特别地,贯穿透镜(晶状体)厚度方向,透镜限定具有第一半抛物线GRIN分布的扁椭圆和具有第二半抛物线GRIN分布的长椭圆。在图1中显示的透镜中,折射率在朝向透镜的外围的方向上降低。但是,应当理解,折射率可在朝向根据本发明的透镜的外围的方向上同样增加。还应当理解,取决于期望的透镜性能,透镜的内部GRIN分布可被径向和非球面地设计。
[0043] 非球面GRIN透镜优于其它GRIN片构造,因为非球面形状增加了GRIN分布的校正屈光度,以校正球面以及其它高级像差的波前。而且,非球面表面曲率具有改进市售玻璃和塑料单片透镜材料固有的球面或高级像差的光学波前和校正的能力。通过形成具有非球面表面的纳米层的GRIN透镜,本发明增加了透镜的设计自由度,来减少使用透镜的光学系统的总体尺寸和重量。实施例
[0044] 图2是图解由用于构造本发明的非球面GRIN透镜的可变形聚合材料制造的GRIN片的一个示例性构造的图。在该实施例中,一系列纳米层的弹性THV/EO聚合物膜被生产并被堆叠以形成类似于玻璃状PMMA/SAN-17系统的GRIN分布。特别地,THV/EO堆叠的聚合物GRIN片产生大约1.37至大约1.48范围的折射率。折射率的改变随着每个膜内EO的体积百分比而变化。
[0045] 明显地,根据以上教导,本发明的许多改进和变化是可能的。因此,应理解在所附权利要求的范围内,除了本文具体所述的以外,本发明还可以以其他方式实践。本发明的优选实施方式已经被详细图解和描述。但是,本发明不考虑限于公开的精确构造。本发明涉及的领域内的技术人员可想到本发明的各种改变、改进和用途,并且本发明借此覆盖落入所附权利要求的精神或范围内的所有这种改变、改进和用途。
高效检索全球专利

专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台,是提供专利分析,专利查询,专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。

我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据,免费查、免费专利分析。

申请试用

分析报告

专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析,涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度,系统通过AI智能系统对图表进行解读,只需1分钟,一键生成行业专利分析报告。

申请试用

QQ群二维码
意见反馈