專利名稱：多層聚合物梯度折射率(grin)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸向的、徑向的或者球面的聚合物梯度折射率(GRIN)透鏡的制造，該透鏡具有固定的焦距或者動態(tài)可變焦距。該透鏡是通過將聚合物復(fù)合膜成層為分層結(jié)構(gòu)而形成的超復(fù)合聚合物。其能夠設(shè)計來用于從可見光波長到mm波長范圍。
背景技術(shù)：
梯度折射率光學(xué)鏡片廣為人知并且是最近評論的主題。常規(guī)的透鏡中，入射光線在其進入成形的透鏡表面時，由于從空氣到該均勻材料的折射率的急劇變化而發(fā)生折射。該透鏡的表面形狀決定了透鏡的聚焦和成像特性。
在梯度折射率(GRIN)透鏡中在透鏡材料內(nèi)部具有連續(xù)變化的折射率。在簡單GRIN透鏡中可以使用平的光學(xué)表面。光線在透鏡內(nèi)部不斷彎曲。聚焦特性取決于透鏡材料內(nèi)部的折射率的變化。在文獻里描述了兩種梯度折射率(GRIN)透鏡類型軸向梯度和徑向/圓柱形梯度。在軸向梯度中該折射率沿著非均勻介質(zhì)的光軸以連續(xù)的方式變化。在軸向梯度中，恒定折射率的表面是垂直于光軸的平面。在徑向/圓柱形梯度中折射率分布以這樣一種方式沿橫向從光軸向外圍不斷改變，即恒定折射率的表面是關(guān)于光軸的同心圓柱面。
具有平坦表面的GRIN透鏡的簡單幾何形狀實現(xiàn)有效生產(chǎn)以及透鏡系統(tǒng)的簡單化裝配。改變透鏡的厚度能夠改變透鏡參數(shù)，例如焦距和工作距離。薄透鏡在厚度方面降至0.02mm是有可能的。另外，像平面能夠直接取決于透鏡的出射表面而制成。
具有球面以及均勻折射率的常規(guī)透鏡不能完美地聚焦光線；而將會具有球面像差和色像差。在本領(lǐng)域中同樣眾所周知，這些像差能夠通過利用軸向梯度透鏡毛坯來減少或消除。軸向梯度透鏡是一種具有僅在一個方向，通常選取為光軸上改變的折射率分布的透鏡。這些消除像差的透鏡能夠有利地用于多種光學(xué)系統(tǒng)中，例如幻燈機、照相機、雙筒望遠鏡以及許多其它成像器件。由特定的任務(wù)要求的透鏡元件的數(shù)量能夠減少，以及系統(tǒng)的重量和復(fù)雜性也能夠降低。
授予R.Blankenbecler的美國專利No.5,262,896描述了通過受控的擴散方法的軸向梯度透鏡的制造；用于這種梯度透鏡的制造的毛坯能夠通過例如SOL-GEL、灌輸以及擴散多種方法制成，并且可能是玻璃、塑料或其它適合的光學(xué)材料。上面的討論闡述了徑向的和圓柱形的透鏡兩者；然而將圓柱形透鏡研磨和拋光至需要的精度尤其困難。
授予Reeber等人的美國專利No.4,956,000描述了一種用于制造具有徑向非均勻但是軸向?qū)ΨQ分布的透鏡材料的透鏡的方法和裝置，其中該透鏡尺寸和形狀取決于選取的方向以及汽化的透鏡材料到一基底的凝結(jié)作用。
授予W.Ewald的美國專利No.1,943,521描述了一種由不同折射率部分構(gòu)成的分段透鏡。該透鏡的分離部分每個都是均勻的，其以邊界面或者分界面基本上位于光路方向上的方式膠合在一起。即，分界面平行于光軸。如此選取折射率以使減少透鏡的球面像差并在屏幕上產(chǎn)生清晰明確的圖像。
授予Blankenbecler等人的美國專利No.5,236,486描述了通過熱成型(坍落)由軸向梯度透鏡毛坯形成圓柱形或球面梯度透鏡毛坯。該方法生產(chǎn)出具有連續(xù)折射率分布的單片透鏡。
一種用于激光光束整形的膠合梯度折射率透鏡系統(tǒng)的設(shè)計由Wang等人在“Design of gradient-index lens systems for laser beam reshaping”，Applied Optics，32，4763-4769(1993)中披露。一種采用兩個軸向梯度透鏡和一均勻的中心傳輸透鏡的系統(tǒng)被披露。前梯度透鏡和中心傳輸透鏡之間的分界面以及中心傳輸透鏡和后梯度透鏡之間的分界面為球面，其必須被研磨和拋光得相互適合。另外，梯度折射率分布不同并且必須恰當?shù)剡x取以起到光束整形器的作用。
實時成像傳感器對于軍事作戰(zhàn)應(yīng)用是很關(guān)鍵的。在過去的幾年里，其應(yīng)用急劇增加。寬的視場(FOV)傳感器對于搜索任務(wù)是需要的，但是對于識別和追蹤，卻需要窄的FOV。變倍望遠鏡或變焦透鏡能夠提供可變的FOV。以現(xiàn)有的傳感器系統(tǒng)，例如通過在光路上插入或除去透鏡組，能夠?qū)崿F(xiàn)FOV的改變。這是緩慢的，并需要大體積的機械或者機電轉(zhuǎn)換。根據(jù)本發(fā)明，該透鏡提供在重量輕、緊湊的透鏡中以毫秒或更快的時間常數(shù)在FOV的連續(xù)變化。
具有數(shù)層到數(shù)千層的聚合物的多層壓制是已知的。該壓制方法提供了包括聚合物、聚合物復(fù)合物和/或包含無機或金屬微粒的聚合物的數(shù)千交替層的材料。該交替層中的聚合材料能夠選取為具有實質(zhì)上不同的折射率(Δn)從而使由此產(chǎn)生的材料將擁有具有相應(yīng)于層厚度的周期的折射率的調(diào)制。低至5nm的層厚度能夠容易地制成。Nazarenko等人在“Polymer microlayer structureswith anisotropic conductivity”，Journal of Materials Science，34(7)，1461(1999)中，以及Mueller等人在Polymer Engineering and Science，37(2)，355(1997)中描述了用于這種材料的制造和使用以制成介質(zhì)反射器的基本概念。在P.Yeh；“Optical Waves如Layered Media”，Wiley，New York(1998)中描述了具有特定傳輸特性和通帶的介質(zhì)反射器和濾光器的制造方法。正確定向的成層的雙折射聚合物能夠提供在入射角的寬帶上保持反射率的多層反射鏡。
許多種方法已經(jīng)得以發(fā)展，來生產(chǎn)具有適合GRIN光學(xué)鏡片的變化的折射率的材料。聚合物GRIN透鏡通常通過進行擴散的兩種不同單體的共聚作用(Y.Ohtsuka等人，″Studies on the light-focusing plastic rod. 10Alight-focusing plastic fiber of methyl methacrylate-vinyl benzoatecopolymer″，Applied Optics，20，(15)，2726(1981)，以及Y.Ohtsuka和Y.Koike，″Studies on the light-focusing plastic rod.18Control ofrefractive-index distribution of plastic radial gradient-index rod byphotocopolymerization″，Applied Optics，24(24)，4316(1985))而制成。不完全擴散產(chǎn)生合成梯度并因此產(chǎn)生跨過材料的折射率梯度。這些技術(shù)的大部分導(dǎo)致小于10mm直徑的小的透鏡。折射率梯度??；一般最大折射率變化在0.01至0.03數(shù)量級。通常折射率梯度是單調(diào)的，并且折射率隨著距離的變化限制在通過擴散規(guī)律所實現(xiàn)的變化。據(jù)報導(dǎo)的最大的徑向聚合物GRIN透鏡是通過該技術(shù)利用彎曲模壓制成的。其直徑是7cm并具有0.02的Δn(Wu，S.P，Nihei，E.，Koike，Y.″Large Radial Graded-Index Polymer″Appl.Opt.35(1)，28(1996))。產(chǎn)生復(fù)合梯度的其它技術(shù)包括摻雜劑擴散和離心作用。復(fù)合混合和壓制技術(shù)也已經(jīng)被建議。聚合物共聚技術(shù)只有在組分遍及聚合范圍內(nèi)是可混合時才有效。這通常意味著組分是非常相似的聚合物并且其能達到的最大Δn很小。由于摻雜劑的移動，通過摻雜劑擴散制成的聚合材料通常有效期很短?；旌?壓制技術(shù)包括許多難以控制的控制變量，另外其僅能被用于在寬的合成范圍是可混合的聚合物。
通常，多層聚合物使用玻璃狀聚合物制成。具有適合介質(zhì)濾光器和反射器的層間距的彈性多層結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過順序的旋轉(zhuǎn)涂敷和多層壓制制成。
除了軍事應(yīng)用，本發(fā)明的透鏡將具有廣泛的商業(yè)應(yīng)用，商業(yè)應(yīng)用上需要重量輕的具有短、長和可變焦距的透鏡；例如用于閱讀眼鏡、照相機和雙筒望遠鏡的變焦透鏡。
根據(jù)本發(fā)明，折射率梯度(Δn)能夠獨立地規(guī)定。這提供了透鏡的聚焦性能方面的靈活性，這在以前的單透鏡中是不可能的。其同樣提供了一種被設(shè)計有像差校正的透鏡。一種較簡單的改良的和更靈活的方法以制造表現(xiàn)上述特性的軸向的、徑向的或球面的聚合物梯度透鏡是非常期望的。

發(fā)明內(nèi)容
本申請涉及一種用于梯度折射率(GRIN)透鏡的分級的多層聚合物復(fù)合物及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施例，分層的復(fù)合結(jié)構(gòu)以兩步形成。首先制成一組多層聚合物復(fù)合膜，各膜具有不同的折射率。其次，以期望的折射率梯度將排序的一組這些多層聚合物復(fù)合膜組合成多層復(fù)合GRIN片；該多層復(fù)合GRIN片進一步構(gòu)形成透鏡。


圖1是具有一折射率梯度的多層復(fù)合GRIN片。所示的各膜自身都是多層復(fù)合物。
圖2是單向平透鏡。其通過將兩片圖1中示出的多層復(fù)合GRIN片層疊，并切開以形成軸向透鏡而制成。
圖3是具有徑向的折射率梯度的平透鏡。如圖17中所示，其通過在圓柱棒上層疊一組多層聚合物復(fù)合膜，并切成各種厚度的透鏡而制成。
圖4是球面折射率梯度透鏡。
圖5示出了50/50的PC/PMMA多層復(fù)合聚合物膜的結(jié)構(gòu)和原子力顯微鏡(AFM)圖像。
圖6示出了設(shè)計PC/PMMA多層復(fù)合聚合物膜的折射率。下面的組合是為該研究而整理的100/0，95/5，90/10，85/15，80/20，75/25，70/30，65/35，60/40，55/45，50/50，45/55，40/60，35/65，30/70，25/75，20/80，15/85，10/90，5/95，0/100。
圖7示出了相對21個多層復(fù)合聚合物膜中的聚碳酸酯(PC)含量的折射率。具有1.49至1.59之間的折射率的一組膜通過系統(tǒng)地改變PC和PMMA含量而制成。
圖8示出了用于制做多層復(fù)合GRIN片的程序。
圖9示出了使用具有折射率ni的50μm(2密耳)的PC/PMMA多層聚合物復(fù)合膜，根據(jù)多層聚合物復(fù)合膜的GRIN系統(tǒng)的設(shè)計?？偣矊盈B了308個單獨的膜。
圖10示出了與設(shè)計分布相比的GRIN多層系統(tǒng)的測量的折射率分布。
圖11示出了圖9中所示的GRIN多層系統(tǒng)的期望的聚焦特性，其中圓波束聚焦為一條線。
圖12示出了圖9中所示的會聚GRIN多層系統(tǒng)的觀測的聚焦特性。
圖13示出了根據(jù)多層聚合物復(fù)合膜的發(fā)散GRIN系統(tǒng)的設(shè)計。
圖14示出與設(shè)計分布相比的發(fā)散GRIN多層系統(tǒng)的測量的折射率分布。
圖15表示出圖13中所示的發(fā)散GRIN多層系統(tǒng)的觀測的聚焦特性。
圖16示出了根據(jù)多層聚合物復(fù)合膜的非對稱GRIN系統(tǒng)的設(shè)計。
圖17示出了用于制成具有圓柱對稱性的GRIN多層系統(tǒng)的程序。
具體實施例方式
GRIN透鏡的分層復(fù)合結(jié)構(gòu)本發(fā)明涉及一種用于梯度折射率(GRIN)透鏡的分級的多層聚合物復(fù)合物及其制造方法。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，GRIN透鏡中的分層結(jié)構(gòu)分兩步制成。第一步，制成一組多層聚合物復(fù)合膜。各聚合物復(fù)合膜具有不同的折射率。第二步，以期望的折射率梯度將排序的一組這些多層聚合物復(fù)合膜組合成分級的多層聚合物復(fù)合GRIN片。將這些多層復(fù)合GRIN片構(gòu)形成各種各樣的透鏡。
根據(jù)該實施例，在第一步中，制成多層聚合物復(fù)合膜。各多層聚合物復(fù)合膜包括在至少兩種類型(A)和(B)之間交替多達500,000的層。類型(A)的層由組分(a)組成，而類型(B)的層由組分(b)組成。組分(a)和(b)是聚合材料，優(yōu)選熱塑性的聚合材料，例如玻璃狀的、晶狀的或彈性的材料。組分(a)和(b)自身能夠是一種復(fù)合的聚合物或一種聚合物摻混物。優(yōu)選本發(fā)明的多層聚合物復(fù)合膜的層具有從5納米(nm)至1,000微米(μm)范圍內(nèi)的厚度。
為了制成GRIN材料，這種多層聚合物復(fù)合膜被制成，該多層聚合物復(fù)合膜具有一折射率范圍并且在它們之間具有任意小的折射率差。在本發(fā)明的一實施例中，通過自第一多層聚合物復(fù)合膜中的(A)和(B)層的相對厚度來改變(A)和(B)層的相對厚度而完成。
根據(jù)本實施例，對于制造中的第二步，將多層聚合物復(fù)合膜層疊，以形成分級的多層復(fù)合GRIN片。鄰近的多層聚合物復(fù)合膜被選擇以表現(xiàn)逐漸不同的折射率。優(yōu)選地，層疊5至100,000層多層聚合物復(fù)合膜將形成多層復(fù)合GRIN片，如下所述，根據(jù)該多層復(fù)合GRIN片，GRIN透鏡能夠被制成。折射率梯度由該設(shè)計來確定，其中將多層聚合物復(fù)合膜層疊以制成多層復(fù)合GRIN片。該方法的特別優(yōu)勢是利用多層聚合物復(fù)合膜能夠容易地實現(xiàn)任何預(yù)定的折射率梯度。該折射率梯度僅被多層聚合物復(fù)合膜中的可用折射率范圍限制。該多層復(fù)合GRIN片具有納米等級、微米等級以及厘米等級的分層的結(jié)構(gòu)。
材料一位本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會容易地知道，多種熱塑性聚合材料能夠用于形成本發(fā)明的透鏡。這種材料包括，但并不局限于玻璃狀聚合物、晶狀聚合物和彈性體，只要由這些材料形成的層基本上透明。據(jù)我們所知，由這些材料制成的彈性的多層結(jié)構(gòu)具有小于可見光或近紅外(NIR)光的波長的層間距，從而使復(fù)合物表現(xiàn)出動態(tài)可變的有效介質(zhì)，該彈性的多層結(jié)構(gòu)的制造從未報導(dǎo)過。根據(jù)本發(fā)明的材料的必要條件之一是這些層的聚合組分之間的折射率差。在本發(fā)明的多層聚合物復(fù)合物的透鏡內(nèi)能夠達到的最大折射率梯度由聚合物組分的折射率之間的差異給出。GRIN透鏡的焦距、厚度以及形狀取決于能夠達到的折射率梯度。
本申請中使用的術(shù)語“聚合物”或“聚合材料”表示具有至少5,000的重量平均分子量(Mw)的材料。優(yōu)選地，聚合物為有機聚合材料。本申請中使用的術(shù)語“齊聚物”或齊聚材料”表示具有從1,000到小于5,000的重量平均分子量的材料。這種聚合材料可以是玻璃狀的、晶狀的或彈性的聚合材料。
根據(jù)本發(fā)明，適合的聚合材料包括但不局限于聚萘二甲酸乙二酯及其異構(gòu)體，例如2，6-，1，4-，1，5-，2，7-，和2，3-聚萘二甲酸乙二酯；聚對苯二甲酸亞烷基酯，例如聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯以及聚對苯二甲酸-1，4-環(huán)己烷二亞甲甲基酯(poly-1，4-cyclohexanedimethyleneterephthalate)；聚酰亞胺，例如聚丙烯酰亞胺(polyacrylic imides)；聚醚酰亞胺；苯乙烯系聚合物，例如無規(guī)、全同和間同聚苯乙烯、α-甲基聚苯乙烯、對甲基聚苯乙烯；聚碳酸酯，例如雙酚A聚碳酸酯(PC)；聚(甲基)丙烯酸酯，例如聚甲基丙烯酸異丁酯、聚甲基丙烯酸丙脂、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸丁酯以及聚丙烯酸甲酯(這里用術(shù)語“(甲基)丙烯酸酯”來表示丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯)；纖維素衍生物，例如乙基纖維素、乙酸纖維素、丙酸纖維素、乙酸丁酸纖維素以及硝酸纖維素；聚亞烷基聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚異丁烯以及聚(4-甲基)戊烯；氟化聚合物，例如全氟烷氧基樹脂、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯以及聚三氟氯乙烯及其共聚物；氯化聚合物，例如聚二氯笨乙烯、聚偏二氯乙烯以及聚氯乙烯；聚砜；聚醚砜；聚丙烯腈；聚酰胺；聚乙酸乙烯酯；聚醚-酰胺。同樣適合的是共聚物，例如苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)，優(yōu)選地包含在10至50wt％之間，優(yōu)選20至40wt％之間，丙烯腈，苯乙烯-乙烯共聚物；以及聚(亞乙基對苯二甲酸-1，4-亞環(huán)己基二亞甲基酯(poly(ethylene-1，4cyclohexylenedimethylene terephthalate))(PETG)。另外的聚合材料包括丙烯酸橡膠；異戊二烯(IR)；異丁烯-異戊二烯(IIR)；丁二烯橡膠(BR)；丁苯吡(PSBR)；丁基橡膠；聚乙烯；氯丁二烯(CR)；表氯醇橡膠；乙烯-丙烯(EPM)；乙烯-丙烯-二烯(EPDM)；丙烯腈-丁二烯(NBR)；聚異戊二烯；硅橡膠；苯乙烯-丁二烯(SBR)以及聚氨酯橡膠。另外的聚合材料包括嵌段或接枝共聚物。
另外，各單獨的層可包括兩種或更多種上述的聚合物或共聚物的摻混物，優(yōu)選摻混物的成分基本上可混合，這樣不會影響摻混物的透明度。優(yōu)選聚合材料包括聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚萘二甲酸乙二酯以及聚碳酸脂。
包括根據(jù)本發(fā)明的這些層的這些組分能夠包括包含了超微粒材料的有機或無機材料，用于增大或減小該組分的折射率。此外，根據(jù)本發(fā)明的該組分不存在非線性染色。
聚合物GRIN透鏡的制造根據(jù)本發(fā)明的一實施例，首先制成多層聚合物復(fù)合膜。為了便于討論，描述了兩組分系統(tǒng)的特性。在本發(fā)明的該實施例中，多層聚合物復(fù)合物由整個說明書中分別被稱作組分“(a)”和組分“(b)”的兩種聚合材料的兩個交替層(ABABA……)組成。組分(a)和(b)呈現(xiàn)出不同的折射率并形成多層聚合物復(fù)合膜，該多層聚合物復(fù)合膜由公式(AB)x表示，其中x＝(2)n，而n是乘法器單元的數(shù)目并且是在4至18的范圍內(nèi)。組分(a)和(b)能夠獨立地為玻璃狀的聚合材料、晶狀的聚合材料、彈性的聚合材料或者它們的摻混物。通過非粘合的例子，當組分(a)是玻璃狀材料時，組分(b)可以是彈性材料、玻璃狀材料、晶狀材料或者它們的摻混物，或者當組分(a)是彈性材料時，組分(b)可以是彈性材料、玻璃狀材料、晶狀材料或者它們的摻混物。然而，組分(a)必須表現(xiàn)出與組分(b)不同的折射率；同樣地，層(A)必須表現(xiàn)出與層(B)不同的折射率。多個交替層(A)和(B)形成了多層聚合物復(fù)合膜，由至少10個交替層(A)和(B)組成，優(yōu)選從50到500,000個交替層，包括這些范圍內(nèi)的任意增量。這些層優(yōu)選為微米層(microlayers)或納米層(nanolayers)。類似地，形成由層(Ai)和(Bi)組成的另外的多層聚合物復(fù)合膜，這些層(Ai)和(Bi)分別由組分(ai)和(bi)組成。
根據(jù)該實施例的第二步中，表現(xiàn)出不同折射率的眾多交替的多層聚合物復(fù)合膜形成多層復(fù)合GRIN片，由此制成GRIN透鏡。優(yōu)選交替的多層聚合物復(fù)合膜的數(shù)目大于5。更優(yōu)選多層復(fù)合GRIN片中的多層聚合物復(fù)合膜的數(shù)目在5到100,000的范圍內(nèi)，更優(yōu)選從20到10,000，包括在這些范圍內(nèi)的任意增量。折射率梯度僅被這些多層聚合物復(fù)合膜的折射率的可用范圍限定。最終的多層復(fù)合GRIN片具有納米等級、微米等級以及厘米等級的分層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選其包括具有微米層和納米層結(jié)構(gòu)的聚合物的多層聚合物復(fù)合膜。
根據(jù)本發(fā)明，(a)和(ai)可以是相同的或不同的熱塑性材料。同樣地，(b)和(bi)也可以是相同的或者不同的熱塑性材料。此外，組分(a)和(b)可以是化學(xué)上相同的材料，只要其能夠由于次級物理差異，例如聚合物結(jié)構(gòu)的構(gòu)造差異、由不同的工藝條件例如定位產(chǎn)生的差異、或者分子量差異來形成表現(xiàn)出不同折射率的不同層。
形成具有優(yōu)選由不同材料組成的許多組分的成層結(jié)構(gòu)是切實可行的。作為非限制性的例子，組分(a)、(b)和(c)的交替層(ABCABCABC…)的三組分結(jié)構(gòu)由(ABC)x表示，其中x如上定義。包括許多不同組分層的結(jié)構(gòu)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如(CACBCACBC…)。
在兩組分多層聚合物結(jié)構(gòu)的上面描述的的實施例中，該透鏡由兩種聚合材料的多層混合壓制(coextrusion)而制備。多層聚合物復(fù)合膜由兩個或多個組合部分的交替層組成，其中單獨的層厚度在宏觀尺度(macroscale)至微觀尺度(nanoscale)的范圍內(nèi)變動。
本發(fā)明的多層復(fù)合GRIN片優(yōu)選具有至少5層薄膜。優(yōu)選地，多層復(fù)合GRIN片包括5至100,000層薄膜，更優(yōu)選20至10,000層，包括這些范圍內(nèi)的任意數(shù)目層薄膜。多層復(fù)合GRIN片具有從10毫微米至10cm范圍內(nèi)的總厚度，優(yōu)選從25μm至3cm，包括在這些范圍內(nèi)的任意增量。此外，多層復(fù)合GRIN片可通過切開和整形多層復(fù)合GRIN片來形成軸向的、徑向的或球面的透鏡。此外，根據(jù)本發(fā)明的多層聚合物復(fù)合膜可定向為單軸和雙軸兩者。
因此，本發(fā)明的透鏡由如上所述的以及在2003年6月23日授予Baer等人的美國專利6,582,807中公開的分層結(jié)構(gòu)中的復(fù)合聚合物膜的分層而形成，在此將其全部內(nèi)容作為參考引入。在第一級該材料為多層聚合物復(fù)合膜。根據(jù)本發(fā)明的多層聚合物復(fù)合膜包括選取為具有不同折射率的聚合物的交替層。
在制造GRIN透鏡的過程中，期望能夠指定從小于0.01至盡可能大的折射0率梯度。由于本發(fā)明的多層技術(shù)，可能有多種折射率梯度。由于較大的梯度給出能夠制成的GRIN透鏡的較寬的范圍，因此需要能夠制成大的梯度。這使較薄的GRIN透鏡具有較短的焦距成為可能。對于多層GRIN透鏡，該折射率梯度能夠指定為從0.001的最小值到在組成這些層的聚合物之間的折射率的差異的最大值。通常期望最大可能的范圍。優(yōu)選地，多層聚合結(jié)構(gòu)的透鏡能夠表現(xiàn)出0.01或更高的折射率梯度，優(yōu)選在0.02至1.0的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.05至0.5的范圍內(nèi)，包括在這些范圍內(nèi)的所有增量。
一個重點是根據(jù)本發(fā)明的多層技術(shù)允許利用可混合的、不可混合的或部分可混合的聚合物以實現(xiàn)大的折射率差。其它GRIN透鏡制造技術(shù)采用擴散工藝以實現(xiàn)一折射率梯度。因此現(xiàn)有技術(shù)的例子局限于0.01至0.03的小折射率梯度。
第二個重點是多層透鏡能夠被設(shè)計成用作為在從接近40nm至1米的寬的波長范圍上的光學(xué)元件。該特定波長范圍由聚合的組分確定。在本發(fā)明的一實施例中，多層聚合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出大于20％的內(nèi)透射率，優(yōu)選大于50％。透明的多層聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠由組分的適當分層來制成并具有一折射率范圍。如果各層的層厚度充分薄，該復(fù)合物表現(xiàn)為有效介質(zhì)。折射率能夠通過選擇組分層的相對厚度而被設(shè)計成表現(xiàn)組分聚合物的折射率之間的任意值。這樣一種復(fù)合物能夠以可與這些組分聚合物的透明度制成。
在本發(fā)明的一實施例中，在組分聚合物的彈性模數(shù)不一致的地方，該復(fù)合物的折射率能夠通過壓力、張力、壓縮力或剪切力或這些應(yīng)力的組合而機械地改變。如上所指出的，能夠制成該復(fù)合物以使組分聚合物之一或兩者都為彈性體。
多層聚合物復(fù)合膜的第二分層能夠給出具有一折射率梯度的多層復(fù)合GRIN片。注意該分層是分級的，首先將組分聚合物分層為多層聚合物復(fù)合膜，然后將該多層聚合物復(fù)合膜組合成多層復(fù)合GRIN片。進行第二分層從而使得到的多層復(fù)合GRIN片在任意方向具有一折射率梯度，例如軸向的、徑向的或球形的方向上。該折射率梯度可以是連續(xù)的、離散的或階梯的。多數(shù)梯度能夠在由多層聚合物復(fù)合膜的組分聚合物的折射率施加的限度內(nèi)實現(xiàn)。
如果組分聚合物的彈性模數(shù)不同，那么一個或多個有效介質(zhì)復(fù)合層的折射率通過壓力、張力、壓縮力、剪切力或這些應(yīng)力的組合而相對機械地改變。然后在分級的分層材料中的折射率梯度也能夠通過張力、壓縮力或剪切力而改變。折射率和折射率梯度也能通過任意類型的機械的或電激勵，或通過安裝在多層聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)上的磁體來獲得。該變化能夠通過靜電效應(yīng)或通過利用電活化或電光化組分聚合物來引起。這提供了具有大的電光反應(yīng)的材料。
根據(jù)本發(fā)明，多層復(fù)合GRIN片能夠形成任意需要的形狀，包括但不局限于軸向的、徑向的或球形的形狀，以形成各種形狀的例如平的或球形的透鏡，如下例示。
軸向GRIN透鏡根據(jù)本發(fā)明的一實施例中，制成軸向的GRIN透鏡。為了制成該GRIN透鏡，通過制成薄片，我們引進了分層的第二級。我們以一組這些制成的多層聚合物復(fù)合膜來開始，以使相對值d1和d2增量地改變，但它們的總和保持恒定。
如果將一組多層聚合物復(fù)合膜層疊，那么合成梯度和折射率梯度垂直于膜的表面而改變。這產(chǎn)生了一具有垂直于膜平面的折射率梯度的薄片。這在圖1中示出。圖1中所示的本發(fā)明的多層聚合結(jié)構(gòu)具有軸向的梯度。由于折射率梯度取決于各不同層的排列和厚度，因此構(gòu)造特定的折射率梯度是可能的。作為一個例子，圖1中所示的多層聚合結(jié)構(gòu)以線性梯度、V形梯度和拋物面梯度制成。
圖1中的多層聚合結(jié)構(gòu)可用來制造具有軸向折射率梯度的透鏡。圖2中示出了一個例子。圖2中，將圖1中示出的兩片多層復(fù)合GRIN片組合以形成對稱的軸向?qū)盈B，然后將其切開以形成軸向透鏡。軸向的梯度透鏡在光學(xué)裝置中對控制像差是有用的。這是一種制造這樣一種透鏡的有效率的和經(jīng)濟合算的方法。
徑向的GRIN透鏡根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，制成徑向的GRIN透鏡。允許形成軸向梯度透鏡的分層技術(shù)能夠被擴展以形成徑向的透鏡。組合圖1中所示的兩個薄片，我們可形成圖3中所示的多層復(fù)合層疊。
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，徑向透鏡的厚度，以及這樣的焦點能夠被改變。因此，如本申請中所采用的術(shù)語“徑向的”包括具有預(yù)定徑向分布的柱面透鏡。
中心棒的折射率被選取為與第一多層聚合物一樣。圖3所示的組成變化的，且因此層疊相應(yīng)于期望的折射率變化，折射率同軸地環(huán)繞該棒。將該棒切成截面給出了徑向輻射狀的梯度折射率平透鏡。
與軸向梯度透鏡的情況相同，制成具有徑向梯度的透鏡。該技術(shù)可以用來制造比可能采用當前用于制造GRIN透鏡的擴散或可變聚合技術(shù)更多種變化的梯度設(shè)計。這是一種有效率的和潛在經(jīng)濟合算的方法以大量制造GRIN透鏡。
球面GRIN透鏡本發(fā)明的另一實施例中制造了一球面GRIN透鏡，包括多層聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖4中所示。這是具有梯度的標準透鏡的形狀，其中多層聚合物復(fù)合膜以球面形狀層疊，象洋蔥一樣，如圖4中所示。與用不具有折射率梯度的材料制成的常規(guī)透鏡相比，本發(fā)明的球面透鏡表現(xiàn)出沒有象差的較寬的視野，并具有較短的或較長的波長。在球面梯度中，折射率分布沿著任意方向從透鏡內(nèi)的一點以這樣一種方式連續(xù)改變，即恒定折射率的表面是同心球，象洋蔥一樣。進一步提出球面透鏡的制造不能以本領(lǐng)域的以前描述過的技術(shù)來實現(xiàn)。
任意以上成形的透鏡能夠是可變形的或非可變形的，并當可變形時其可以是可逆的變形或不可逆的變形。因此，采用多層聚合技術(shù)，我們也能夠制成一透鏡，其中梯度能夠動態(tài)地并可逆地改變。這是在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，通過采用動態(tài)可變多層聚合材料來實現(xiàn)的，作為圖1-4中的這些單獨層。構(gòu)成圖1-4中所示的這些層的聚合材料能夠被制成，從而使彈性模數(shù)以及交替聚合層的折射率不同。這些材料中，施加的應(yīng)力，例如壓力、張力、壓縮力或剪切力或這些應(yīng)力的組合，改變相對層厚度并因此改變透鏡中的梯度。將這種聚合物分層以形成圖1-4中所示的分級的多層聚合結(jié)構(gòu)，將會給出可變的軸向的、徑向的或球面的GRIN透鏡。
折射率對于應(yīng)力的靈敏性可由組分聚合物及其相對初始厚度的選取來改變。因此可能制成可變梯度透鏡，其中可以規(guī)定初始梯度和梯度隨應(yīng)力的可變性。
本發(fā)明的優(yōu)點包括透鏡材料中的折射率梯度可以大如0.5或更大。這使具有相對短的焦距的薄如25μm(1密耳)或更薄的透鏡的制造成為可能。
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)中，能夠?qū)崿F(xiàn)比其他GRIN制造技術(shù)更大的折射率梯度。能夠使用更多種組分聚合物。僅有的必要條件是它們是聚合材料，優(yōu)選熱塑性聚合材料。這允許我們選取具有寬范圍的折射率的組分聚合物。該透鏡中能夠達到的最大折射率梯度通過這些聚合物組分的折射率之間的差異而給出。
在軸向的、徑向的或球向的任意方向，折射率梯度可以被限定為連續(xù)的、離散的或階梯的。折射率梯度不需要是單調(diào)的。在以前的折射率梯度材料的制造技術(shù)中，梯度通常是連續(xù)的和單調(diào)的。另外的關(guān)于折射率梯度的性質(zhì)的控制使很多GRIN透鏡以例如象差校正、雙焦點或多焦點以及較寬的視野來設(shè)計成為可能。
折射率梯度的大的改變能夠?qū)崿F(xiàn)。此外，折射率梯度的動態(tài)的可逆變化能夠?qū)崿F(xiàn)。0.01至0.5的可變折射率是切實可行的，并且接近1的值是可能的。由于折射率梯度能夠動態(tài)地改變，由這些材料制成的GRIN透鏡的焦距可以被改變。這使得沒有運動部件的變焦距透鏡和變焦透鏡的結(jié)構(gòu)成為可能。
透鏡材料便宜并且能以大片材料的方式生產(chǎn)。一個重點是多層技術(shù)允許使用不可混合的、可混合的或部分可混合的聚合物以實現(xiàn)大的折射率差異。以前的GRIN透鏡制造技術(shù)主要采用擴散技術(shù)以實現(xiàn)折射率梯度。其僅對完全可混合的聚合物起作用。
根據(jù)本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)的制造透鏡的方法不同，可能制備具有更大折射率梯度的透鏡。這允許更多種透鏡的制備。其實現(xiàn)了輕量的薄和厚兩種透鏡。同樣，關(guān)于透鏡直徑?jīng)]有實際的限制。根據(jù)本發(fā)明的直徑能夠從0.1μm至許多米。這意味著能夠制成大的、快速的、具有小的f數(shù)以及更好的集光能力的GRIN透鏡。
此外，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中的折射率能夠在制造期間容易地限定。這意味著具有更好的象差修正的更復(fù)雜的透鏡是可能的。
己對本發(fā)明進行了概述，通過參考某些特定實施例能夠獲得進一步的理解，這些實施例在此僅為了說明而提供，并非限制性的，除非另有說明。
具體實施例根據(jù)上述的分步處理，采用聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙酸酯甲酯(PMMA)的復(fù)合物制成一組GRIN分級的多層復(fù)合聚合物透鏡。
初始的多層聚合物復(fù)合膜在圖5中示出。其由2,048層具有50μm(2密耳)以及100μm(4密耳)的總厚度的組分聚合物、PC和PMMA的交替納米層組成。標注為50/50的PC/PMMA樣品的具有相等厚度層的材料的原子力顯微鏡(AFM)照片也被示出。50/50的PC/PMMA膜的單層的厚度在50μm的膜中為25nm并且在100μm的膜中為50nm。
一組19層不同膜以不同的相對層厚度，但是相同的總厚度制成。聚碳酸酯與PMMA層厚度之比從95/5到5/95改變，以生產(chǎn)一組具有不同折射率的多層聚合物復(fù)合膜。這些多層聚合物復(fù)合膜在圖6中示出。如果包括PC和PMMA的純膜，這生產(chǎn)了一組21層具有1.49至1.59之間的折射率的多層聚合物復(fù)合膜。這些是通過系統(tǒng)地改變PC和PMMA含量來獲得的。圖7示出了測量的折射率，作為聚碳酸酯組成的總厚度的分數(shù)的函數(shù)。該膜的折射率如預(yù)期的隨聚碳酸酯含量而線性變化。
由這些膜制造一種分級的多層復(fù)合GRIN片是通過層疊多層聚合物復(fù)合膜而實現(xiàn)，如圖8中所示。圖8中所示的實施例中，將363層多層PC/PMMA膜層疊并粘合以提供具有交叉該塊(across the block)的折射率變化的薄片。作為橫過該聚合物預(yù)制件的距離d的函數(shù)的折射率的變化由多層復(fù)合GRIN片中的折射率的預(yù)定分布來確定。
分級的多層復(fù)合GRIN透鏡通過交叉這些層，垂直于層疊方向?qū)⒃摼酆衔飰K切開而制成。
圖9示出了一被制成的分級的多層復(fù)合軸向GRIN透鏡的制作參數(shù)。其是一聚焦透鏡。十九層不同PC/PMMA多層聚合物復(fù)合膜被采用。圖7中示出了ith膜的折射率ni。在圖9中所示的情況下，將總共308層多層聚合物復(fù)合膜，每層厚50μm層疊起來。這在軸向聚焦透鏡中給出了總共630,784納米層。該膜如所示的層疊，以給出橫過由此產(chǎn)生的聚合物的折射率的二次方變化。設(shè)計梯度為n(d)＝n0(1-0.0013d2)其中，d為橫過聚合物的距離，n0＝1.576。該預(yù)制件的折射率測量為橫過該片的d的函數(shù)。作為d的函數(shù)的實際折射率非常接近于由上面的方程式所計算出的折射率，如圖10中所示。
圖8和9中描述的分級的多層復(fù)合GRIN透鏡中，折射率梯度是在一個方向上。預(yù)期的聚焦特性在圖11中示出。觀測的聚焦特性在圖12中示出。
具有大的折射率梯度的幾種其它分級的多層復(fù)合GRIN透鏡已經(jīng)被制成。這些透鏡中的一種設(shè)計在圖13中示出。圖13示出了具有從中心向邊緣增加的折射率的分級的多層復(fù)合GRIN透鏡。測量的折射率作為距以這種層結(jié)構(gòu)制成的聚合物的中心的距離的函數(shù)在圖14中示出。其符合方程式n(d)＝n0(1+0.0015d2)其中，在這種情況下，n0＝1.495。以這種折射率分布制成的透鏡將會具有類似于常規(guī)凹面或散焦柱面透鏡的聚焦特性。觀測的聚焦特性在圖15中示出。這在實驗上證明了分級的多層復(fù)合GRIN系統(tǒng)表現(xiàn)如同散焦柱面透鏡一樣。制成的另一種分級的多層復(fù)合聚合物折射率梯度在圖16中示出。
這個例子具有非對稱梯度。在具有圓柱對稱性的分級的多層復(fù)合GRIN透鏡的制造中是有用的。這種圓柱對稱性分級的多層復(fù)合聚合物的制造在圖17中示出。能夠制造出折射率梯度，以便其從中心向邊緣向外徑向地增加或減少。能夠制成相應(yīng)的分級的多層復(fù)合GRIN透鏡以依照要求具有聚焦或散焦特性。具有這種設(shè)計的聚焦透鏡被制成，并且我們已經(jīng)證明了其表現(xiàn)為常規(guī)的凹面或聚焦透鏡。所示出的中間帶有一孔的設(shè)計也可用作為用于一波導(dǎo)光管的預(yù)制件。
概括來說，我們已經(jīng)制成了多層聚合物復(fù)合膜；將多層聚合物復(fù)合膜層疊以形成多層復(fù)合GRIN片；由多層復(fù)合GRIN片形成三種類型的透鏡軸向的、徑向的和球面的。
顯而易見，根據(jù)上面的教導(dǎo)，本發(fā)明的許多更改和變化是可能的。因此可以理解，在后附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，除這里特定描述之外，本發(fā)明可被實施。
權(quán)利要求
1.一種梯度折射率透鏡，由多層復(fù)合GRIN片組成；其中所述多層復(fù)合片由多個至少兩層的多層聚合物復(fù)合膜組成；其中各所述多層聚合物復(fù)合膜由多個由結(jié)構(gòu)式(AB)x表示的至少兩種交替層(A)和(B)組成，其中x＝2n，并且n在從4到18的范圍內(nèi)；其中層(A)由組分(a)組成，以及層(B)由組分(b)組成；以及其中所述組分(a)和(b)表現(xiàn)出不同的折射率。
2.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述組分(a)和(b)選自下列材料組成的組聚合材料、復(fù)合聚合物和聚合物摻混物。
3.權(quán)利要求2的透鏡，其中所述聚合材料選自由下列材料組成的組玻璃狀材料、晶狀材料或彈性材料。
4.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述層具有從5nm至1000μm的厚度。
5.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述多層復(fù)合聚合物膜以有順序的若干層來層疊以形成分級的多層復(fù)合GRIN片；以及其中鄰近的多層復(fù)合聚合物膜被選取以表現(xiàn)逐漸不同的折射率。
6.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述多層復(fù)合聚合物膜包括至少10個交替層。
7.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述多層復(fù)合聚合物膜包括層數(shù)從50至500,000范圍內(nèi)的交替層。
8.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述多層復(fù)合GRIN片由5至100,000層多層聚合物復(fù)合膜組成。
9.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述多層復(fù)合GRIN片由20至10,000層多層聚合物復(fù)合膜組成。
10.權(quán)利要求1的透鏡，其中組分(a)和(b)是化學(xué)上相同的材料。
11.一種梯度折射率透鏡，由多層復(fù)合結(jié)構(gòu)組成；其中所述多層復(fù)合結(jié)構(gòu)由多個至少兩層的多層聚合物復(fù)合膜組成；其中各所述多層聚合物復(fù)合膜由多個由結(jié)構(gòu)式(ABC)x表示的至少三種交替層(A)、(B)和(C)組成，其中x＝2n，并且n在從4到18的范圍內(nèi)；其中層(A)由組分(a)組成，層(B)由組分(b)組成，以及層(C)由組分(c)組成；以及其中所述組分(a)、(b)和(c)表現(xiàn)出不同的折射率。
12.權(quán)利要求2的透鏡，其中所述聚合材料選自下列材料組成的組聚萘二甲酸乙二醇酯、其異構(gòu)體、聚對苯二甲酸亞烷基酯、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、苯乙烯系聚合物、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、纖維素衍生物、聚亞烷基聚合物、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(亞乙基對苯二甲酸-1，4-亞環(huán)己基二亞甲基酯)、丙烯酸橡膠、異戊二烯、異丁烯-異戊二烯、丁二烯橡膠、丁苯吡、丁基橡膠、聚乙烯、氯丁二烯、表氯醇橡膠、乙烯-丙烯、乙烯-丙烯-二烯、腈基-丁二烯、聚異戊二烯、硅橡膠、苯乙烯-丁二烯以及聚氨酯橡膠。
13.權(quán)利要求2的透鏡，其中所述聚合材料選自嵌段或接枝共聚物組成的組中。
14.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述層還包括有用于影響折射率的有機或無機材料。
15.權(quán)利要求1的透鏡，表現(xiàn)出0.01或更高的折射率梯度。
16.權(quán)利要求1的透鏡，表現(xiàn)出0.02至1.0范圍內(nèi)的折射率梯度。
17.權(quán)利要求1的透鏡，表現(xiàn)出0.05至0.5范圍內(nèi)的折射率梯度。
18.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述組分(a)和(b)是可混的、不可混的或部分可混的聚合材料。
19.權(quán)利要求1的透鏡，其中所述透鏡選自軸向的、徑向的和球面的GRIN透鏡組成的組中。
20.一種制造權(quán)利要求1的透鏡的方法，包括通過形成一組多層聚合物復(fù)合膜來制成多層復(fù)合GRIN片，該多層聚合物復(fù)合膜由交替層(A)和(B)組成；將所述膜組合成多層復(fù)合GRIN片；以及通過切開和整形這些多層復(fù)合GRIN片來形成梯度折射率透鏡。
21.權(quán)利要求20的方法，其中所述多層復(fù)合GRIN片表現(xiàn)出大于20％的內(nèi)透射率。
22.權(quán)利要求20的方法，其中所述多層復(fù)合GRIN片表現(xiàn)出大于50％的內(nèi)透射率。
23.權(quán)利要求20的方法，其中所述多層復(fù)合GRIN片的折射率通過壓力、張力、壓縮力或剪切力或這些應(yīng)力的組合而被機械地改變。
24.權(quán)利要求20的方法，其中所述多層復(fù)合GRIN片包括5至100,000層多層聚合物復(fù)合膜。
25.權(quán)利要求20的方法，其中所述多層復(fù)合GRIN片包括20至10,000層多層聚合物復(fù)合膜。
26.權(quán)利要求20的方法，其中所述多層復(fù)合GRIN片具有10nm至10cm范圍內(nèi)的整體厚度。
27.權(quán)利要求20的方法，其中所述多層復(fù)合GRIN片具有25mm至3cm范圍內(nèi)的整體厚度。
28.權(quán)利要求20的方法，其中所述多層復(fù)合GRIN片形成軸向的、徑向的或球面的透鏡。
29.權(quán)利要求20的方法，其中所述多層聚合物復(fù)合膜表現(xiàn)出不同的折射率。
30.權(quán)利要求29的方法，其中折射率的所述不同是通過改變層(A)和(B)的相對厚度來實現(xiàn)的。
31.權(quán)利要求1的方法，其中所述多層聚合物復(fù)合膜或多層復(fù)合GRIN片是定向的。
全文摘要
公開了一種通過將復(fù)合聚合物膜層疊為分級結(jié)構(gòu)的軸向的、徑向的或球面的梯度折射率(GRIN)透鏡。
文檔編號G02B3/00GK101019059SQ200480033001
公開日2007年8月15日 申請日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者埃里克·貝爾, 安妮·P·希爾特納, 詹姆斯·S·舍克 申請人:埃里克·貝爾