通过增材制造得到的基于体积的梯度折射率透镜的制作方法

通过增材制造得到的基于体积的梯度折射率透镜的制作方法
【专利摘要】本发明描述了用于形成用于传播电磁波的梯度折射率(GRIN)透镜的技术，所述技术包括：通过具有一个或多个处理器的制造装置接收包括指定多个层的数据的模型，其中所述多个层中的至少一个层包括一个或多个体积元素的布置，所述体积元素包括第一介电材料和第二介电材料，其中所述多个层中的所述至少一个层具有由所述层中所述体积元素的多个不同有效介电常数组成的介电型式；以及基于所述模型利用所述制造装置通过增材制造工艺生成所述GRIN透镜。
【专利说明】
通过増材制造得到的基于体积的梯度折射率透镜
技术领域
[0001]本公开涉及制造三维（3D)结构。具体地讲，本公开涉及用于3D光学结构的制造工 〇
【背景技术】
[0002] 可用的射频频谱经常受到司法法规和标准的限制。对带宽（即，更大数据吞吐量） 的不断增加的需求导致出现了提供光纤数据速率并且可支持密集部署架构的多种无线点 到点技术。毫米波通信系统就可以用于这个功能，提供了短链路、高数据速率、低成本、高密 度、高安全性以及低传输功率的运行效益。
[0003] 这些优点使毫米波通信系统有益于发送射频频谱中的各种波。同轴电缆可用于载 送此类毫米波，但将这些电缆结合到毫米波通信系统中目前是非常昂贵的。
[0004] 用于制造毫米波或光学装置和其他结构的制造技术包括:批量机械加工技术，诸 如打磨透镜；用于构建非球面表面的精密模制；以及用于制造薄膜装置的平面技术法。这些 工艺通常产生需要组装到系统中的部件。所制造的毫米波或光学装置的示例包括可呈常规 双凸透镜形式的物理梯度折射率(GRIN)透镜。
[0005] 用于构建用于射频和声音系统的结构诸如GRIN透镜的已知制造方法可能要求耗 能的加工，并且可能耗时。GRIN透镜已使用若干技术来制造，这些技术包括中子辐射、化学 气相沉积、部分聚合、离子交换和离子填充。

【发明内容】

[0006] -般来讲，本公开涉及透镜以及用于形成透镜的技术。例如，本公开描述了供各种 射频(RF)频率使用的梯度折射率(GRIN)透镜的形成。例如，根据本公开的技术，可通过增材 制造工艺诸如通过用3D打印机打印来形成GRIN透镜，其中透镜的表面可以是平坦的、弯曲 的或阶梯状的。形成透镜的材料可以打印成图案，该图案具有受控量的子波长空隙以控制 局部密度、有效局部介电常数、或有效局部相对电容率以及局部折射率。这些局部参数可以 在透镜的整个体积上连续改变以产生具有独立受控的光学性能和物理形状的透镜，如由3D 打印机打印那样。
[0007] 在形成用于传播电磁波的梯度折射率(GRIN)透镜的方法的一个示例中，该方法包 括:通过具有一个或多个处理器的制造装置接收包括指定多个层的数据的模型，其中所述 多个层中的至少一个层包括一个或多个体积元素的布置，所述体积元素包括第一介电材料 和第二介电材料，其中所述多个层中的至少一个层具有由层中体积元素的多个不同有效介 电常数组成的介电型式；以及藉由制造装置，通过增材制造工艺，基于模型生成GRIN透镜。
[0008] 又如，一种用于传播电磁波的梯度折射率(GRIN)透镜，该透镜包括以增材方式形 成以包括多个体积元素的多个层，其中所述多个层中的至少一个层包括一个或多个体积元 素的布置，所述体积元素包括第一介电材料和第二介电材料，其中体积元素通过增材制造 工艺形成，其中所述多个层中的至少一个层具有由层中体积元素的多个不同有效介电常数 组成的介电型式，并且其中局部有效介电常数中的每个取决于相应体积元素中的第一介电 材料与第二介电材料的体积比、第一介电材料的介电常数以及第二介电材料的介电常数。
[0009]附图和下文的说明中阐述了本公开的一个或多个示例的详情。从说明、附图和权 利要求书中将显而易见本公开的其他特征、目的和优点。
【附图说明】
[0010]图1为示出了三维(3D)梯度折射率(GRIN)透镜生成环境的示例的框图。
[0011]图2为示出了根据本文所述的技术操作的计算装置的示例的框图。
[0012]图3A至图3B为示出了3D GRIN透镜聚焦环境的示例的概念图。
[0013] 图4为示出了具有相应体积的第一介电材料和第二介电材料的概念三维晶胞的示 例的示意图。
[0014] 图5为示出了具有相应体积的第一介电材料和第二介电材料的概念三维晶胞的另 一示例的示意图。
[0015] 图6为示出了概念三维晶胞阵列的示例的示意图，该概念三维晶胞阵列的体积基 于该概念三维晶胞阵列中的每个三维晶胞的相应体积。
[0016] 图7为示出了以轮辐式设计构造的数字三维体素阵列的示例的示意图。
[0017]图8为示出了以环式设计构造的数字三维体素阵列的另一示例的示意图。
[0018]图9A至图9B为示出了数字三维体素阵列的示例的示意图，该数字三维体素阵列以 轮辐式设计与环式设计的组合构造以形成轮辐加环式设计和环加轮辐式设计。
[0019] 图10为示出了以轮辐加环式设计构造的物理三维体素阵列的示例的示意图。
[0020] 图11为示出了以环加轮辐式设计构造的物理三维体素阵列的示例的示意图。
[0021] 图12为示出了根据3D GRIN透镜的半径的第一介电材料的密度的示例的曲线图。 [0022]图13A至图13B为示出了在不具有如图10至图11所述的GRIN透镜的情况下以及在 具有所述GRIN透镜的情况下的测得增益模式的示例的曲线图。
[0023]图14为示出了具有单一介电常数且具有双凸透镜结构的第一介电材料的聚焦效 果的示例的概念图。
[0024] 图15为示出了阶梯状GRIN透镜的示例的概念图，该阶梯状GRIN透镜包括具有阶梯 状介电型式和类似于双凸GRIN透镜的聚焦效果的两种或更多种介电材料。
[0025] 图16为示出了根据本文所述技术中的一种或多种的两种或更多种介电材料的聚 焦效果的示例的概念图，所述两种或更多种介电材料形成阶梯状介电型式。
[0026] 图17为示出了根据本文所述技术中的一种或多种的两种或更多种介电材料的聚 焦效果的示例的概念图，所述两种或更多种介电材料形成阶梯状介电型式。
[0027] 图18示出了非织造结构的示例，该非织造结构具有根据本文所述技术中的一种或 多种的两种或更多种介电材料。
[0028] 图19示出了非织造结构的另一示例，该非织造结构具有根据本文所述技术中的一 种或多种的两种或更多种介电材料。
[0029]图20为示出了生成3D GRIN透镜的增材制造装置的示例性工艺的流程图，该3D GRIN透镜具有根据本文所述的技术的两种或更多种介电材料。
【具体实施方式】
[0030] 本公开描述了用于构建、定制和形成梯度折射率(GRIN)透镜的方法，该梯度折射 率(GRIN)透镜对应于不同的GRIN透镜结构并同时维持类似的介电常数型式。例如，描述了 用于以下内容的技术:在虚拟环境中构建数字GRIN透镜表示;从该数字GRIN透镜表示中捕 捉信息;并且通过增材制造形成与数字GRIN透镜表示对应的物理GRIN透镜。此外，本公开的 至少一些方面涉及用于管理GRIN透镜的多个方面的技术，所述方面诸如为介电常数、形状 等。如本文所用的术语"介电常数"是指物理GRIN透镜的相对电容率，并且术语"介电常数" 和"相对电容率"可互换使用。
[0031] 一般来讲，GRIN透镜可包括物理GRIN透镜和数字GRIN透镜表示。物理GRIN透镜通 常是指具有一般边界、重量、以及用于聚光(包括红外光和紫外光）的形状的物理对象，或者 其他电磁信号，诸如频率为例如从30至300千兆赫(GHz)的极高频(EHF)信号。物理GRIN透镜 可包括在基于数字GRIN透镜表示通过例如计算机数控(CNC)机床、3D打印机等建造、模制或 制造之后所得的物体。
[0032]通过使用本公开的技术，GRIN透镜可用增材制造装置诸如3D打印机打印以在RF频 率下使用，其中透镜的表面可以是平坦的、弯曲的或阶梯状的，并且材料可以打印成一图 案，该图案具有受控量的子波长空隙以控制局部密度、有效局部介电常数、以及局部折射 率。这些局部参数可以在透镜的整个体积上连续改变以产生具有独立受控的光学性能和物 理形状的透镜，如由增材制造装置打印的那样。维度x、y和z上的折射率控制实现了可提供 透镜功能同时又提供对多种像差(包括球面像差和色差)的控制的独特构造，同时还为透镜 表面提供了设计自由。
[0033]此外，使用本公开中所述的一种或多种技术，可构建具有各种形状或轮廓的透镜 以符合任何所需的介电型式，诸如双凸GRIN透镜的介电型式。物理GRIN透镜可具有各种形 状和尺寸。如一示例，物理GRIN透镜可具有50毫米(mm)直径和7.8mm厚度。在一些情况下，物 理GRIN透镜可具有符合标准的已知形状和/或尺寸。例如，可将透镜形成为呈常规透镜形 状，诸如凸透镜和/或凹透镜，或者可形成为其他已知形状，这些形状可不限于几何形状，诸 如正方形、矩形、圆形等。在一些示例中，物理GRIN透镜可具有各种连续的或其他形式的轮 廓，诸如弯曲轮廓和平坦轮廓。此外，在一个示例中，透镜的尺寸诸如直径可以小于波长的 指定数量，诸如10个波长。在其他情况下，通过使用本公开中所述的一种或多种技术，物理 GRIN透镜可具有非标准化形状和/或不规则尺寸。
[0034]术语"数字GRIN透镜表示"在本文中用来指具有信息和/或虚拟边界的数字对象， 所述信息和/或虚拟边界诸如为每层体素数量、以及在为了基于所述多个有效介电常数而 实现介电型式时所必需的每个体素的有效介电常数。数字GRIN透镜表示可以使用数字输入 来生成。数字输入可包括例如键盘、触摸屏、鼠标等。
[0035] 在一些情况下，数字GRIN透镜表示在虚拟空间中构建并且可表示物理GRIN透镜。 虚拟空间可以是指例如计算机辅助设计(CAD)环境，该环境允许用户手动构建或自动生成 具有所需参数的数字GRIN透镜表示，所述所需参数诸如为形状、尺寸和介电型式。虚拟空间 可被称为建模空间、工作空间等。
[0036] 图1为示出了GRIN透镜生成环境10的示例的框图。在图1的示例中，GRIN透镜生成 环境10包括计算装置14,该计算装置用于使增材制造(AM)装置24通过数字GRIN透镜表示的 模型22生成一个或多个物理GRIN透镜。如本文所述，计算装置14为一个或多个软件应用程 序提供执行环境，如上所述，该程序可有效地生成并编辑用于大量数字GRIN透镜表示的 GRIN透镜内容。在该示例中，数字GRIN透镜表示可先由计算装置14存储。如上所述，计算装 置14以及于其上执行的软件应用程序可执行多个制造相关操作，包括自动生成数字GRIN透 镜表示的模型22、以及使用增材制造(AM)装置24自动制造表示模型22的物理GRIN透镜。 [0037]在示例性具体实施中，除了其他部件之外，计算装置14还包括展示装置20和键盘 18。此外，尽管在图1中未示出，但是计算装置14可包括一个或多个用于执行软件或固件以 提供本文所述的功能的处理器、微处理器、内部存储器和/或数据存储装置和其他电子电 路。
[0038] 展示装置20可包括例如电子可寻址的显示器，诸如液晶显示器(IXD)或与计算装 置14一起使用的其他类型的显示装置。在一些具体实施中，计算装置14生成要在展示装置 20上针对数字GRIN透镜表示以各种视图显示的内容，所述视图例如为顶视图、底视图、分解 图、逐层视图、逐体素视图等。在一些情况下，计算装置14可通过其他装置诸如平板计算机、 投影仪或其他外部装置传送用于展示的显示信息。
[0039]键盘18可包括例如物理用户接口，诸如键或与计算装置14 一起使用的其他类型的 物理用户接口。在一些情况下，计算装置14可基于通过键盘18从用户（未示出）接收的信息 来生成模型22。
[0040] 如本文所述，计算装置14以及在其上执行的软件为构建和操纵表示物理GRIN透镜 的数字GRIN透镜表示提供了平台。例如，一般来讲，计算装置14被配置成构建和/或生成数 字GRIN透镜表示的模型22。在一些示例中，模型22由用户（未示出）构建。在其他示例中，模 型22存储在数据库中，如图2所述。计算装置14可向AM装置24提供指示模型22的数据以允许 AM装置24基于模型22制造至少一个物理GRIN透镜(未示出）。
[0041] AM装置24是能够通过数字模型制造三维物理对象的装置。在一个示例中，AM装置 24是可以使用增材工艺进行打印的3D打印机，其中连续材料层以不同的形状和/或线宽铺 设。这种材料分层不同于传统机加工方法，传统机加工方法可能依赖于通过切割或钻孔来 去除材料，也称为减材工艺。在一些示例中，AM装置24可使用双光子光聚合工艺来构建具有 微米或纳米级分辨率的三维（3D)结构。双光子光聚合工艺的示例在2005年2月15日公布的 美国专利No. 6，855，478中有所描述，该美国专利的全部内容以引用方式并入本文。
[0042] 如下面另外所述，计算装置14可实施用于自动生成数字GRIN透镜表示的模型22以 及提取与数字GRIN透镜表示中的每一者相关的信息、内容或其他特性的技术。例如，计算装 置14可允许用户对计算装置14使用的技术进行细粒控制以生成数字GRIN透镜表示的一个 或多个模型，诸如模型22。根据本文所述的技术，计算装置14可实施用于通过基于总体介电 常数型式处理具有多个有效介电常数的多个层来自动生成数字GRIN透镜表示的模型22的 技术。计算装置14可基于多个有效介电常数在多个层中的与总体介电型式相对应的布置来 提供模型22的替代的形状和/或尺寸。
[0043] 在一些示例中，模型22的总体介电型式可包括由多个体素定义的所述多个有效介 电常数，并且模型22的每个体素可包括与第一介电常数相关的第一介电材料的体积以及与 第二介电常数相关的第二介电材料的体积。在其他示例中，模型22的所述多个体素可包括 一个或多个体积元素的布置，所述布置具有通过增材制造工艺形成的一条或多条线的布 置。在其他示例中，总体介电型式可包括由多个层定义的所述多个有效介电常数，其中每个 层可包括与第一介电常数相关的第一介电材料的体积以及与第二介电常数相关的第二材 料的体积。在一些不例中，第一介电材料可包括相关的光活性树脂，例如相对介电常数为 2.8的光活性树脂，并且第二介电材料可包括与相对介电常数为约1相关的空气。空气的绝 对介电常数接近真空的介电常数，即大约为8.8541878176 X10_12F/m。相对介电常数为2.8 表示绝对介电常数比真空的介电常数大2.8倍。
[0044] 体素可以是体积元素并且可表示三维空间中规则网格上的值。在一些示例中，体 素还可以是构成抽象三维空间的体积元素的阵列。即，多个体素中的每个体素可形成离散 体积元素的阵列，可以将三维对象的表示划分到所述离散体积元素中。在一些示例中，体素 可以是体积元素，其中体积元素包括一种或多种介电材料的特定体积(量）。例如，在一些情 况下，体素可完全由第一介电材料的体积组成，从而提供该体素的与第一介电材料的介电 常数相等的有效介电常数。在其他示例中，体素可包括第一介电材料和第二介电材料的体 积的组合，由此，体素的有效介电常数有效地取决于一种或多种介电材料的相应介电常数。
[0045] 层可以是多个体积元素并且可表示三维空间中规则网格上的多个值。在一些示例 中，层可具有多个体素，使得多个体素可在一种或多种介电材料之间包括多个体积。在其他 示例中，层可具有由具有一个或多个有效介电常数的多个体积定义的多个有效介电常数。
[0046] 根据本公开的技术，基于模型22，AM装置24可改变所述一种或多种介电材料的比， 诸如第一介电材料与第二介电材料的比可在逐体素或逐层的基础上改变。在第一介电材料 与第二介电材料之间的比的一个示例中，比越高，晶胞(例如体素）的密度和有效介电常数 就越接近第一介电材料(例如，散装3D打印材料)的介电常数。这个比越低，晶胞的有效介电 常数就越接近第二介电材料(例如，自由空间、空气、或者物理GRIN透镜结构浸入其中的任 何介质）的介电常数。
[0047] 在一个示例性具体实施中，体素可完全由第一介电材料的体积组成，该第一介电 材料诸如为相关介电常数为2.8的热塑性树脂或光活性树脂。在该示例中，体素的有效介电 常数为2.8，因为体素完全由相关介电常数为2.8的第一介电材料组成。又如，体素可由多种 (例如，两种或更多种)不同介电材料的相应体积组成，所述多种不同介电材料诸如为相关 第一介电常数为2.8的第一介电材料(例如，热塑性树脂、光活性树脂）以及相关第二介电常 数为1的第二介电材料(例如，空气）。在一些不例中，介电材料可为固体、液体或气体。在其 他示例中，体素的有效介电常数有效地取决于第一介电材料和第二介电材料之间的体积以 及它们的相应介电常数。
[0048]在另一个示例性具体实施中，在计算装置14上执行的数字GRIN透镜表示建模应用 程序可将模型22分离成表示介电型式中的多个不同有效介电常数的多个层。在一些示例性 具体实施中，对于所述多个有效介电常数中的每个，计算机装置14都可以用与每个层的有 效介电常数相对应的一种或多种介电材料来生成所述层中的一个或多个。根据这种层方 法，检测来自不同层的介电常数，并且使用这些介电常数来针对各物理GRIN透镜最终定义 每个层中的一种或多种介电材料的体积。因此，由数字GRIN透镜表示建模应用程序30生成 的所述多个数字GRIN透镜表示中的每个都可以由多个层来表示。在一些示例中，模型22可 通过不同的颜色来表示层的不同有效介电常数。在其他示例中，模型22的所述多个层可包 括一个或多个体积元素的布置，所述布置具有通过增材制造工艺形成的一条或多条线的布 置。
[0049] 在一些示例性具体实施中，根据本公开的技术形成的GRIN透镜可用于提供聚焦功 能。在其他示例性具体实施中，根据本公开的技术形成的GRIN透镜可用于构建减反射涂层 和/或层。在另外其他示例性具体实施中，计算装置14提供用户能够藉以将数字GRIN透镜表 示导出至其他系统的功能，所述其他系统诸如为基于云端的资源库(例如，云服务器)或其 他计算装置(例如，计算机系统或移动装置)（未示出）。
[0050] 在图1的示例中，计算装置14出于示例的目的被示出为台式计算机。然而，在其他 示例中，计算装置14可为平板计算机、个人数字助理(PDA)、智能电话、膝上型计算机、或适 用于执行本文所述的技术的任何其他类型的计算或非计算装置。
[0051] 图2为示出了根据本文所述的技术操作的计算装置的示例的框图。出于示例的目 的，将相对于图1的计算装置14来描述图2的计算装置14。
[0052] 在该示例中，计算装置14包括为装置的操作提供核心功能的各种硬件部件。例如， 计算装置14包括被配置成根据可执行指令（即程序代码)操作的一个或多个可编程处理器 38,所述可执行指令通常存储于计算机可读介质或数据存储装置36中，诸如静态随机存取 存储器(SRAM)装置或闪存装置中。输入/输出（1/0)40可包括一个或多个装置，诸如如图1所 述的键盘18、鼠标、轨迹球或如图1所述的展示装置20,并且可经由如图1所述的无线或有线 通信接口提供与其他装置的无线通信，所述其他装置诸如为云服务器、计算机系统或如图1 所述的AM装置24,所述无线或有线通信接口诸如为但不限于高频射频(RF)信号或通用串行 总线(USB)连接。又如，图1的计算装置14包括AM装置管理模块44和GRIN透镜数据42。计算装 置14可包括在图2中未示出的另外的分立的数字逻辑或模拟电路。
[0053] GRIN透镜数据42可为GRIN透镜模型的数据库，例如，包括如图1所述的模型22。在 一些示例中，建模应用程序30可将GRIN透镜模型存储在GRIN透镜数据42中。在其他示例中， 建模应用程序30可从GRIN透镜数据42中检索GRIN透镜模型。
[0054] AM装置管理模块44可控制如图1所述的AM装置24。在一些示例中，建模应用程序30 可从GRIN透镜数据42中检索GRIN透镜模型并且将GRIN透镜模型输出至AM装置24。在其他示 例中，AM装置管理模块44可使用来自建模应用程序30的模型22来控制AM装置24，该建模应 用程序可能已经从GRIN透镜数据42中检索到模型22或者已经通过用户的输入生成模型22。 [0055] 一般来讲，操作系统34在处理器38上执行，并且为一个或多个用户应用程序(包括 建模应用程序30)提供操作环境。用户应用程序可例如包括存储于计算机可读存储装置(例 如数据存储装置36)中用于通过处理器38执行的可执行程序代码。作为其他示例，用户应用 程序可包括固件或在一些示例中可以在分立逻辑中实施。
[0056]在操作时，计算装置14通过I/O 40诸如如图1所述的键盘18从用户接收用户输入， 并且根据本文所述的技术处理用户输入。例如，建模应用程序30可基于多个层在虚拟空间 中构建如图1所述的模型22,并且每个层由体素阵列组成，所述体素具有一种或多种介电材 料的多个体积。又如，计算装置14可经由I/O 40从内部源或外部源接收数字GRIN透镜表示 数据，所述内部源诸如为GRIN透镜数据42,所述外部源诸如为云服务器、计算机系统或移动 装置。一般来讲，计算装置14将数字GRIN透镜表示数据存储在GRIN透镜数据42中以供建模 应用程序30和/或其他用户应用程序访问和处理。
[0057]如图2所示，建模应用程序30可调用操作系统34的内核功能以输出数据从而用于 向计算装置的用户展示信息，该计算装置诸如为如图1所述的计算装置14。如下文进一步所 述，建模应用程序30可生成图形用户界面以提供改善的电子环境，从而用于生成和操纵表 示物理GRIN透镜的对应数字GRIN透镜表示的模型22。例如，建模应用程序30可生成图形用 户界面以包括这样的机制，该机制允许用户基于所需介电型式轻松选择一个或多个数字 GRIN透镜表示的形状和尺寸。在一些示例中，选择所需的介电型式以使GRIN透镜能够聚焦 电磁波。在其他示例中，电磁波处于毫米波段内。
[0058]如下文进一步详述，建模应用程序30可利用将如图1所述的模型22分离成多个层 的自动GRIN透镜型式技术。建模应用程序30可针对所述层中的每个根据与所需介电型式的 多个有效介电常数相对应的所需形状和/或尺寸来布置多个体素。根据体素方法，每个体素 可被独立地定义为具有在模型22的所述层中的每个内的一种或多种介电材料。基于体素中 所述一种或多种介电材料中每一种介电材料的体积，每个体素具有有效介电常数，并且所 述多个层内给定位置处的局部介电常数可对应于所需介电型式。在一些情况下，建模应用 程序30可例如基于用户的输入来生成模型22,所述输入为选择要形成且具有一定介电型式 的GRIN透镜的所需尺寸和形状。在其他情况下，成像透镜可类似于固体双凸GRIN透镜的功 能。此外，建模应用程序30可将模型22输出至AM装置管理模块44以控制AM装置24,如图1所 述。
[0059]为了生成模型22,建模应用程序30可构建多个层，其中每个层具有对应于所需介 电型式的多个有效介电常数，从而提供与固体单介电常数双凸透镜的功能类似的所需功 能，诸如成像透镜。在一些示例中，建模应用程序30可通过下述方法改变每个层的介电常 数:控制每个体素中所述一种或多种介电材料的体积来独立地定义层中每个体素的有效介 电常数。在其他示例中，建模应用程序30可通过定义具有两种或更多种介电材料的体积的 每个层来改变每个层的介电常数，使得两种或更多种介电材料的体积对应于跨每个层并且 作为总体介电型式的一部分的多个有效介电常数。因此，在该示例中，由建模应用程序30针 对给定介电型式(诸如双凸透镜介电型式)生成的所述多个数字GRIN透镜表示中的每个也 可由具有不同形状和/或尺寸的多个其他数字GRIN透镜表示来表示，并且所有所述多个其 他数字GRIN透镜表示部对应于成像透镜诸如双凸透镜的功能。这样，建模应用程序30可用 于生成用于制造 GRIN透镜的数据，该GRIN透镜具有定制的形状和尺寸（例如，形式因数)并 且还具有得到与常规双凸透镜的功能相近的透镜功能(或波前操纵)的介电型式。
[0060] 图3A至图3B示出了三维（3D)GRIN透镜聚焦环境50的示例。在图3A的GRIN透镜聚焦 环境50的示例中包括波导52,该波导被配置成引导电磁波56的传输，所述电磁波诸如为具 有大约60GHz的频率的电磁波，并且在图3B的GRIN透镜聚焦环境的示例中包括用于聚焦电 磁波的3D GRIN透镜54，所述电磁波诸如为在点58处的电磁波56。
[0061 ]在图3A和3B的不例中，波导52为用于引导和福射电磁波56的结构。波导52大体将 信号限定为在一个维度上行进。当在开放空间中时，电磁波56通常像球形波一样在所有方 向上传播。当发生这种情况时，电磁波56以与所行进距离的平方成比例的方式损失其功率。 在理想条件下，当波导52将电磁波限定为仅在单一方向上行进时，波在传播时损失极少或 不损失功率。
[0062]在图3A和3B的示例中，波导52为在其长度的每个端部处具有开口（例如，法兰）的 结构，这两个开口或端口（诸如端口 60)通过沿波导52内部长度的中空部分连接。波导52可 由例如铜、黄铜、银、铝或体积电阻率低的其他金属制成。在一些示例中，如果波导52的内壁 镀有体积电阻率低的金属，则波导52可由具有不良导电特性的金属、塑料、或其他非导电材 料制成。此外，尽管图3A和3B未示出，但波导52可连接至天线、介电耦合透镜或其他电子部 件以提供本文所述的功能。
[0063]在图3A的示例中，3D GRIN透镜54可包括使用本文所述的技术制成的GRIN透镜。在 一些示例中，3D GRIN透镜54可具有介电型式或相对电容率和功能，诸如以用于提供与常规 双凸GRIN透镜类似的对电磁波56的聚焦效果，但具有不同的物理结构和形式因数。例如，3D GRIN透镜54可以是平坦的、弯曲的，或可用于增材制造的任何轮廓、形状和/或尺寸，同时由 于类似的介电型式仍产生与常规GRIN透镜(诸如双凸透镜)类似的聚焦效果。在其他示例 中，3D GRIN透镜54可较之于常规凸透镜改进带宽，诸如通过降低色差来以更大的频带宽度 提供功能。
[0064]在另外其他示例中，3D GRIN透镜54可具有平坦的轮廓，所述轮廓可更容易地附接 和安装到其他物理对象。在一些示例中，3D GRIN透镜54可被设计成穿过其结构中的介电材 料之一来传递气体或液体，这个特征对于具有在整个透镜上具有单一介电常数的单一介电 材料的固体双凸GRIN透镜而言可能是不可能的。在其他示例中，3D GRIN透镜54可被设计具 有特定孔隙率以穿过其结构中的介电材料之一来过滤气体或液体，这个特征对于固体双凸 GRIN透镜而言可能是不可行的。在一些示例中，3D GRIN透镜54内的空隙的尺寸可受到增材 制造工艺控制以满足特定过滤需求。在另外其他示例中，3D GRIN透镜54可用于构建非反射 性涂层和/或层。在一些示例中，3D GRIN透镜54可基于所述两种或更多种介电材料的构造 来实现极性选择。在其他示例中，3D GRIN透镜54可由AM装置24使用具有相关介电常数范围 的一系列打印材料来构建。在一些示例中，可能有利的是使用仅单种(或少量)3D打印材料， 该3D打印材料以受控的密度打印从而以受控的方式改变介电常数。在一些示例中，较之于 特定频率的波长，3D GRIN透镜54的每层的厚度可相对较小。在其他示例中，每层的厚度可 小于波长，诸如厚度介于所需频率的波长的1/15与1/10之间。在另外其他示例中，所需频率 可为60GHz。在一些示例中，相应体积元素中的第一介电材料与第二介电材料的体积比由通 过增材制造工艺形成的第一介电材料的线宽控制。在其他示例中，3D GRIN透镜54可具有为 热塑性树脂或光活性树脂的第一介电材料。在其他示例中，3D GRIN透镜54可具有为空气或 者热塑性树脂或光活性树脂中的至少一者的第二介电材料。
[0065]在图3B的示例中，电磁波56可包括极高频电磁波，诸如具有大约60GHz的频率的电 磁波。在图3A和3B的一些具体实施中，波导52传输穿过3D GRIN透镜54的电磁波56以便将电 磁波56聚焦在点58处。在图3A和3B的其他具体实施中，波导52接收穿过3D GRIN透镜54的电 磁波56以便将电磁波56聚焦到波导52中。
[0066] 在一些示例中，3D GRIN透镜54可用于电磁波谱的毫米波段。在一些示例中，3D GRIN透镜54可与频率在例如从10GHz至120GHz范围内的信号一起使用。在其他示例中，3D GRIN透镜54可与频率在例如从10GHz至300GHz范围内的信号一起使用。3D GRIN透镜54可用 在各种系统中，包括例如低成本电缆市场、非接触式测量应用、芯片到芯片通信、以及提供 光纤数据速率并且可支持密集部署架构的多种其他无线点到点应用。
[0067]图4为示出了具有第一介电材料102的体积和第二介电材料104的体积的概念三维 晶胞100的示例的示意图。在图4的示例中，晶胞100包括两种不同的介电材料102、104,每种 介电材料都具有各自的相应体积和相应介电常数。在一个示例中，晶胞100可具有限定介电 常数为2.8的介电材料102(例如，光活性树脂）的体积的结构。又如，晶胞100可具有诸如空 隙的另一结构，该另一结构具有在晶胞100内限定介电常数为1的体积的第二介电材料104 (例如，空气）。晶胞100的有效介电常数取决于这两种介电材料102、104的相应体积。在其他 示例中，晶胞100可为可用于如图1所述的AM装置24的任何形状，诸如框形、球形或矩形。在 一些示例中，晶胞100可表示一个体素。在其他示例中，晶胞100可表示多个体素。
[0068]在一个示例性具体实施中，晶胞100可通过增材制造工艺重复铺设以填充GRIN透 镜体积，诸如藉由如图1所述的逐体素或逐层方法。在另一个示例性具体实施中，如果图4的 晶胞100的结构相对于正被操纵的波的波长而显著较小，则基于这两种材料的体积比以及 体素几何结构，该结构将用作有效介电常数介于两个介电常数之间的单一均质材料(例如， 空气和3D打印材料）。在一些示例中，第一介电材料可承载有低损耗高介电材料以进一步扩 展3D GRIN透镜增材制造的RF可选应用的范围。
[0069]图5为示出了具有第一介电材料112的体积和第二介电材料114的体积的概念三维 晶胞110的另一示例的示意图。在一些示例中，图5的介电材料112、114可为分别与介电材料 102、104(图4)相同的介电材料。在图5的示例中，晶胞110包括两种不同的介电材料112、 114,每种介电材料都具有各自的相应体积和相应介电常数。在一个示例中，晶胞110可构造 为具有介电常数为2.8的第一介电材料112(例如，光活性树脂）的晶胞。又如，晶胞110可包 括空隙，该空隙具有在介电材料112的框内限定介电常数为1的体积的第二介电材料114。晶 胞110的有效介电常数由这两种介电材料112、114的相应体积的函数定义。在其他示例中， 晶胞110可为可用于如图1所述的AM装置24的任何形状，诸如框形、球形或矩形。在图5的另 一示例中，晶胞110具有的第一介电材料112比第二介电材料114多，不像图4的晶胞100那 样，在晶胞100中，第一介电材料102具有比第二介电材料104少的体积。在一些示例中，晶胞 110的有效介电常数高于晶胞100的有效介电常数，因为晶胞110具有比晶胞100高的介电常 数材料比。在一些示例中，晶胞110可表示一个体素。在其他示例中，晶胞110可表示多个体 素。
[0070] 在一个示例性具体实施中，晶胞110可重复以填充GRIN透镜体积，诸如藉由如图1 所述的逐体素或逐层方法。在另一个示例性具体实施中，如果图5的晶胞110的结构相对于 正被操纵的波的波长而显著较小，则基于这两种介电材料的体积比以及体素几何结构，该 结构将用作有效介电常数介于两个介电常数之间的单一均质材料(例如，空气和3D打印材 料）。在一些示例中，第一介电材料可承载有低损耗高介电材料以进一步扩展3D GRIN透镜 增材制造的RF可选应用的范围。
[0071] 图6为示出了概念三维晶胞阵列的示例的示意图，该概念三维晶胞阵列的体积基 于该概念三维晶胞阵列中的每个三维晶胞的相应体积。在一些示例中，图6的介电材料130、 132、134、136可对应于图4至图5的介电材料102、104、112、114中的一种或多种。在图6的示 例中，晶胞120包括两种不同的介电材料，诸如第一介电材料和第二介电材料，每种介电材 料都具有相应的体积和相应的介电常数。在一个示例中，晶胞120的阵列可具有诸如框的结 构，以及由介电常数为2.8的第一介电材料130、134 (例如，光活性树脂)定义的体积。又如， 晶胞的阵列可具有诸如空隙的结构，以及由介电常数为1的第二介电材料132、136定义的体 积。晶胞120的阵列的有效介电常数由介电材料130、132、134、136的相应体积的函数定义。 在其他示例中，晶胞120的阵列可为可用于如图1所述的AM装置24的任何形状，诸如球形、矩 形、圆柱形或四面体形。在图6的另一示例中，晶胞120的阵列可具有一个晶胞，该晶胞的第 一介电材料130的体积比第二介电材料132的体积大，该晶胞诸如如图5所述的晶胞110。在 一些示例中，如图5所述的晶胞110的有效介电常数高于晶胞100的有效介电常数，因为晶胞 110具有比晶胞100高的介电常数材料比。在一些示例中，晶胞120的阵列可包括体素阵列。 在其他示例中，晶胞120的阵列可具有取决于该晶胞阵列中所述一种或多种介电材料的相 应体积的有效介电常数。
[0072]在一个示例性具体实施中，晶胞120的阵列可通过增材制造重复铺设以填充GRIN 透镜体积，诸如通过如图1所述的逐体素或逐层方法。在另一个示例性具体实施中，如果图6 的晶胞120的阵列中的晶胞相对于正被操纵的波的波长而显著较小，则基于这两种介电材 料的体积比以及体素几何结构，该结构可用作有效介电常数介于两个介电常数之间的单一 均质材料(例如，空气和3D打印材料）。在一些示例中，第一介电材料可承载有低损耗高介电 材料以进一步扩展3D GRIN透镜增材制造的RF可选应用的范围。在其他示例中，晶胞120的 阵列可被称为网格图案。在一些示例中，相应体积元素中的第一介电材料与第二介电材料 的体积比由通过增材制造工艺形成的第一介电材料的线宽控制。
[0073]图7为示出了以轮辐式设计200构造的数字三维体素阵列的示例的示意图。在图7 的示例中，轮辐式设计200包括轮辐环、空隙和圆，诸如轮辐环202-212、圆214以及空隙222-224。轮辐环202-212可由相关介电常数为2.8的第一介电材料(例如，光活性树脂)组成。空 隙222-224可类似于轮辐环202-214,使得空隙222-224由相关介电常数为1的第二介电材料 (例如，空气)组成。
[0074]在轮辐式设计200的一个示例性具体实施中，轮辐环202具有第一介电材料(例如， 光活性树脂）与由第二介电材料组成的空隙222之间的最低比。在其他示例中，每个后续轮 辐环诸如轮辐环204-212具有第一介电材料与由第二介电材料组成的空隙之间的更高比。 即，在一个示例中，外轮辐环212具有第一介电材料与第二介电材料的最高比。此外，在图7 的一个示例中，圆214可由一种固体介电材料诸如第一介电材料形成。
[0075] 在图7的一些示例中，轮辐环202-212、圆214以及空隙222-224各自可具有与轮辐 式设计200的总体介电型式相对应的多个有效介电常数。在一个示例中，轮辐环202-212和 圆214具有基于第一介电材料的体积的有效介电常数，并且空隙222-224具有基于第二介电 材料的有效介电常数。在一些示例中，轮辐环202-212可具有基于一种或多种介电材料的体 积的有效常数。在其他示例中，圆214可具有基于一种或多种介电材料的有效介电常数。在 另外其他示例中，空隙222-224可具有基于一种或多种介电材料的有效介电常数。在图7的 轮辐式设计200的一些示例中，轮辐环、圆和空隙的所述多个有效介电常数可包括与GRIN透 镜(诸如双凸透镜）的介电型式类似的总体介电型式。在一些示例性具体实施中，轮辐式设 计200可具有一个或多个层，所述一个或多个层的总体直径取决于正被聚焦的波的波长。例 如，轮辐式设计200可具有一个或多个层，所述一个或多个层具有10个波长的直径，诸如 50mm，相当于在60GHz下的10个波长。在其他示例中，轮辐式设计200可被称为轮辐式图案。 在其他示例中，相应体积元素中的第一介电材料与第二介电材料的体积比由通过增材制造 工艺形成的第一介电材料的线宽控制。
[0076]图8为示出了以环式设计250构造的数字三维体素阵列的另一示例的示意图。在图 8的示例中，环式设计包括环252-258、圆260以及空隙262-264。环252-258可由以环式设计 构造的不同比的介电材料（例如，光活性树脂和空气）组成。空隙262-264可类似于环252-258,使得空隙262-264可由呈环式设计(未示出）的不同比的介电材料组成。例如，环252具 有第一介电材料(例如，光活性树脂)与第二介电材料(例如，空气）的最低比，因为环252具 有最大的直径并且邻近具有最大体积的第二介电材料(例如，空气）的空隙262。在其他示例 中，每个后续环诸如环254-258具有第一介电材料与第二介电材料的更高比。即，在一个示 例中，环252具有第一介电材料与第二介电材料的最高比。此外，在图8的一个示例中，圆260 具有一种介电材料，诸如第一介电材料(例如，光活性树脂），并且空隙262-264可具有一种 介电材料，诸如第二介电材料(例如，空气）。
[0077]在图8的一些示例中，第一介电材料具有2.8的介电常数，并且第二介电材料具有1 的介电常数。环252-258、圆260以及空隙262-264各自具有作为用于环式设计250的介电型 式的一部分的有效介电常数。在一个不例中，环252-258可具有基于第一介电材料和第二介 电材料的体积的有效介电常数，圆260可具有基于第一介电材料的有效介电常数，并且空隙 262-264具有基于第二介电材料的有效介电常数。在一些示例中，环252-258可具有基于两 种或更多种介电材料的体积的有效常数。在其他示例中，圆260可具有基于一种或多种介电 材料的有效介电常数。在另外其他示例中，空隙262-264可具有基于一种或多种介电材料的 有效介电常数。在图8的环式设计250的一些示例中，环、圆和空隙的有效介电常数可一起形 成与GRIN透镜(诸如双凸透镜)类似的总体介电型式。在一些示例中，环式设计250可被称为 环式图案。在其他示例中，相应体积元素中的第一介电材料与第二介电材料的体积比由通 过增材制造工艺形成的第一介电材料的线宽控制。
[0078]图9A至图9B为示出了数字三维体素阵列的示例的示意图，该数字三维体素阵列以 轮辐式设计200与环式设计250的组合构造以形成轮辐加环式设计300A和环加轮辐式设计 300B。在图9A和9B的一些示例中，一些附图标号可以根据图7至图8来描述。在轮辐加环式设 计300A和环加轮辐式设计300B的一些示例中，GRIN透镜可由环层和轮辐层的交替层来构造 以降低其对EM(电磁)波的偏振的敏感度。在图9A和9B的其他示例中，设计300A、300B可将15 个轮辐层与15个环层交替。在另外的其他示例中，设计300A、300B可具有与环层交替的多个 轮辐层。在一些示例中，每个层的厚度可相对于波长是较小的。在轮辐加环式设计300A和环 加轮福式设计300B中，每个层的厚度可介于在60GHz下波长厚度的1/15至1/10之间。在自由 空间中，在60GHz下的波长为5mm，但在相对介电常数为2.8的材料中，波长为5mm除以2.8的 平方根。在一些示例中，设计300A、300B可将15个轮辐层与15个环层交织以实现7.8mm的厚 度。
[0079] 在图9A的示例中，三维体素阵列300A包括环层、轮辐层、空隙和圆，诸如环层306A、 轮辐层304A、空隙308A和圆302A。环层306A、轮辐层304A和空隙308A可由以轮辐加环式设计 构造的不同体积的一种或多种介电材料(例如，光活性树脂和空气)组成。例如，环层306A具 有第一介电材料(例如，光活性树脂)与第二介电材料(例如，空气）的最低比，因为空隙308A 在轮辐加环式设计300的边缘处具有最大体积。在其他示例中，每个后续环具有第一介电材 料与第二介电材料的更高比，因为空隙的体积朝着圆302A变小。即，在一个示例中，最靠近 中心的环具有第一介电材料与第二介电材料的最高比。此外，在图9A的一个示例中，圆302A 具有一种介电材料，诸如第一介电材料(例如，光活性树脂）。
[0080] 在图9A的一些示例中，第一介电材料具有2.8的介电常数，并且第二介电材料具有 1的介电常数。所述多个环、轮辐、空隙和圆，包括环层306A、轮辐304A、空隙308A和圆302A， 各自具有作为用于轮辐加环式设计300A的总体介电型式的一部分的有效介电常数。在一个 示例中，环、轮辐和空隙具有基于第一介电材料和第二介电材料的体积的有效介电常数，并 且圆302A具有基于第一介电材料的有效介电常数。在一些示例中，环、轮辐和空隙具有基于 两种或更多种介电材料的体积的有效常数。在其他示例中，圆302A具有基于一种或多种介 电材料的有效介电常数。在图9A的轮辐加环式设计300A的一些示例中，轮辐、环、圆和空隙 的有效介电常数可具有与GRIN透镜(诸如双凸透镜)类似的总体介电型式。
[0081] 在图9B的示例中，三维体素阵列300B包括环、轮辐、空隙和圆的增强视图，诸如环 层306B、轮辐304B和空隙308B的增强视图。在环加轮辐式设计300B的一些示例中，GRIN透镜 可由轮辐层和环层的交替层来构造以降低其对EM波的偏振的敏感度。环层306B、轮辐304B 和空隙308B可由以环加轮辐式设计300B构造的不同体积的一种或多种介电材料(例如，光 活性树脂和空气)组成。例如，环层306B具有第一介电材料(例如，光活性树脂）与第二介电 材料(例如，空气）的最低比，因为空隙308B在环加轮辐式设计300B的边缘处具有最大体积。 在其他示例中，每个后续环具有第一介电材料与第二介电材料的更高比，因为空隙的体积 朝着环加轮辐式设计的中心变小。即，在一个示例中，环层306B具有第一介电材料与第二介 电材料的最低比。
[0082]在图9B的一些示例中，第一介电材料具有2.8的介电常数，并且第二介电材料具有 1的介电常数。所述多个环、轮辐和空隙，包括环层306B、轮辐304B和空隙308B，各自具有作 为用于环加轮辐式设计300B的总体介电型式的一部分的有效介电常数。在一个示例中，环、 轮辐和空隙具有基于第一介电材料和第二介电材料的体积的有效介电常数。在一些示例 中，环、轮辐和空隙具有基于两种或更多种介电材料的体积的有效常数。在图9B的环加轮辐 式设计300B的一些示例中，轮辐、环、圆和空隙的有效介电常数可具有与GRIN透镜(诸如双 凸透镜)类似的总体介电型式。
[0083]图10为示出了以轮辐加环式设计320构造的物理三维体素阵列的示例的示意图。 在图10的一些不例中，一些附图标号可以相对于图7至图9B来描述的。
[0084]在图10的示例中，轮辐加环式设计320的三维体素阵列包括环层、轮辐环层、空隙 和中心，诸如环层326、轮辐环层324、空隙328和中心322。在图10的示例中，轮辐加环式设计 320的顶层为轮辐环层，诸如图7所述的轮辐环式设计200。在轮辐加环式设计320的一些示 例中，如图10所示，GRIN透镜可由环层和轮辐层的交替层来构造以降低其对EM波的偏振的 敏感度。在一些示例中，轮辐加环式设计320可具有基于电磁波的给定波长的直径。在其他 示例中，轮辐加环式设计320可将15个轮辐层与15个环层交织以实现7.8_的厚度以及50_ 或者60GHz波的大约10个波长的直径，所述60GHz波具有大约5mm的全波长。
[0085] 在3D GRIN透镜320的一个示例性具体实施中，环层326、轮辐环层324和空隙328可 各自具有以轮辐加环式设计320构造的不同体积的一种或多种介电材料(例如，光活性树脂 和空气）。例如，环层326具有第一介电材料(例如，光活性树脂）与第二介电材料(例如，空 气）的最低比，并且空隙328在轮辐加环式设计320的边缘处具有最大体积的第二介电材料。 [0086]在其他示例中，环层326中更靠近中心322的每个环可具有第一介电材料与第二介 电材料的更高比，因为空隙中第二介电材料的体积朝着中心322减小。即，在一个示例中，环 层326的最靠近中心322的环具有第一介电材料与第二介电材料的最高比。在一些示例中， 轮辐层324中更靠近中心322的每个轮辐环可具有第一介电材料与第二介电材料的更高比， 因为空隙(诸如空隙328)中第二介电材料的体积朝着中心332减小。即，在一个示例中，轮辐 层324中最靠近中心322的轮辐环具有第一介电材料与第二介电材料的最高比。此外，在图 10的一个不例中，中心322可包括一种介电材料，诸如第一介电材料(例如，光活性树脂）。在 一些示例中，轮辐加环式设计320包括双凸GRIN透镜的介电型式。
[0087]图11为示出了具有呈环加轮辐式设计330的物理三维体素阵列的结构的示例的示 意图。在图11的一些示例中，一些附图标号可以相对于图7至图10来描述的。
[0088]在图11的示例中，环加轮辐式设计330的三维体素阵列包括环层、轮辐层、空隙和 中心，诸如环层336、轮辐层334、空隙338和中心332。在图11的示例中，环加轮辐式设计330 的顶层为环层，诸如图8所述的环式设计250。在环加轮辐式设计330的一些示例中，如图11 所示，GRIN透镜可由环层和轮辐层的交替层来构造以降低其对EM(电磁)波的偏振的敏感 度。在一些示例中，环加轮辐式设计330可具有基于电磁波的给定波长的直径。在其他示例 中，环加轮辐式设计330可将15个轮辐层与15个环层交织以实现50mm或者60GHz波的大约10 个波长的直径，所述60GHz波具有大约5mm的全波长。
[0089] 在环加轮辐式设计330的一个示例性具体实施中，环层336、轮辐层334和空隙338 可各自具有结构为环加轮辐式设计330的不同体积的一种或多种介电材料(例如，光活性树 脂和/或空气）。例如，环层336具有第一介电材料(例如，光活性树脂）与第二介电材料(例 如，空气）的最低比，并且空隙，诸如空隙338,在环加轮辐式设计330的边缘具有最大体积的 第二介电材料。
[0090] 在其他示例中，环层336中更靠近中心332的每个环可具有第一介电材料与第二介 电材料的更高比，因为空隙中第二介电材料的体积朝着中心332减小。即，在一个示例中，环 层336中最靠近中心332的环具有第一介电材料与第二介电材料的最高比。在一些示例中， 轮辐层334中更靠近中心332的每个轮辐环可具有第一介电材料与第二介电材料的更高比， 因为空隙中第二介电材料的体积朝着中心332减小。即，在一个示例中，轮辐层334中最靠近 中心332的轮辐环具有第一介电材料与第二介电材料的最高比。此外，在图11的一个示例 中，中心332可包括一种介电材料，诸如第一介电材料(例如，光活性树脂）。在一些示例中， 环加轮辐式设计330包括双凸GRIN透镜的介电型式。
[0091] 图12为曲线图，示出了根据3D GRIN透镜的半径的第一介电材料的所需密度的示 例。在图12的示例中，密度402如线406所表示从半径404的0mm处的大约100%的密度降低至 半径404的25mm处的大约50%，如图12所示。密度402取决于第一介电材料和第二介电材料 的沿3D GRIN透镜的半径404的体积。半径404取决于GRIN透镜的尺寸。在一个示例中，线406 表不双凸透镜的大概介电型式。
[0092] 通过使用公式1，以25mm的焦距和7.5mm的厚度计算具有焦距f和厚度t的径向渐变 透镜的折射率n，并在下面的表1中示出。其中Δ η = ηχ〇-ηχ(ηχ。和nx分别是位置X。和X上的折 射率），并且Δ χ = χ-χ。。 t (1)
[0093] =
[0094] 表 1
[0095]
[0096]
[0097] 表1的列包括δη、有效n和密度百分比相对于半径的关系。在示例性具体实施中，表 1假设第一介电材料(诸如散装3D打印材料)的标称相对介电常数为2.8。此外，表1假设第二 介电材料(诸如真空）的标称相对介电常数为0。在其他示例性具体实施中，第一介电材料 (例如，散装3D打印材料）的标称相对介电常数为2.8，并且第二介电材料(例如，空气）的标 称相对介电常数为1。突出显示的表条目是图15所示的阶梯状介电常数GRIN透镜模型中曾 使用的介电常数，其中模拟结果在下面示出。在实施过程中，介电常数不需要是阶梯状的， 而是可以更连续的方式变化。
[0098]图13A和13B为示出了在不具有如图10和11所述的GRIN透镜的情况下以及在具有 所述GRIN透镜的情况下的测得增益模式的示例的曲线图。在图13A和13B的示例中，曲线图 500和502包括测得增益模式504和506。
[0099]测得增益模式504表示从波导(诸如图3所述的波导54)中的法兰辐射的60GHz波的 360°测得增益模式，无需使用GRIN透镜来聚焦60GHz波。测得增益模式504被归一化成统一。 在一些示例中，波导诸如波导52的法兰可具有3.8_X 1.9mm宽的开口。测得增益模式506表 示波导(诸如图3所述的波导52)产生的60GHz波的360°测得增益模式，使用根据本文所述技 术的GRIN透镜来聚焦60GHz波。此外，测得增益模式506示出了因将根据本文所述技术的 GRIN透镜放置在波导前方而得到的高振幅窄聚焦光束辐射模式。在图13A的一些示例中，测 得增益模式506具有比测得增益模式504的振幅大21倍的振幅。在图13A和13B的一些示例 中，测得增益504可具有因未将根据本文所述技术的GRIN透镜放置在波导前方而得到的低 振幅宽未聚焦光束辐射模式。在图13B的一些示例中，测得增益模式504可具有1的振幅。 [0100]图14为示出了具有单一介电常数且具有双凸透镜结构的第一介电材料的聚焦效 果的示例的概念图600。在图14的示例中，概念图600包括波604、GRIN透镜602和聚焦波606。 [0101] 波604表示穿过GRIN透镜602的波。GRIN透镜602被表示为双凸透镜结构，但可不限 于这种结构。聚焦波606表示在波604穿过GRIN透镜诸如GRIN透镜602之后在波604上的聚焦 效果。在一个示例性具体实施中，波604可具有60GHz的频率。在另一个示例性具体实施中， GRIN透镜602可具有一种介电材料，这种介电材料形成提供与双凸透镜相近的透镜功能的 双凸透镜形状和介电型式。
[0102] 图15为示出了阶梯状GRIN透镜610的示例的概念图，该阶梯状GRIN透镜包括具有 阶梯状介电型式和类似于双凸透镜的聚焦效果的两种或更多种介电材料。在图15的示例 中，阶梯状GRIN透镜610包括多个层，诸如层6124、6128、6144、6148、626六、6268。在一个示例 中，所述多个层跨u轴对称以实现与双凸透镜类似的介电型式和聚焦效果。又如，所述多个 层包括多个体素(未示出）。在一些示例中，每种颜色表示与如图12的表1所示和所述的框出 的介电常数关联的特定介电常数。
[0103] 在一个示例性具体实施中，每个对称层诸如层612A、612B可具有第一介电材料与 第二介电材料的类似比。在另一个示例性具体实施中，每个对称层诸如层612A、612B可具有 第一介电材料与第二介电材料的连续变化的类似比，所述比由多个体素定义。在一些示例 中，对称层612A、612B可由于第一介电材料与第二介电材料的类似比而具有类似的有效介 电常数。在其他示例中，对称层612A、612B可由于第一介电材料与第二介电材料的类似体积 而具有类似的有效介电常数。在另外其他示例中，对称层612A、612B可由于第一介电材料与 第二介电材料之间的类似密度而具有类似的有效介电常数。
[0104]图16为示出了根据本文所述技术的两种或更多种介电材料的聚焦效果的示例的 概念图630,所述两种或更多种介电材料形成阶梯状介电型式。在图16的示例中，概念图630 包括波634、如图15所述的阶梯状GRIN透镜610、以及聚焦波636。使用计算机模拟技术(CST) 软件，通过将60GHz平面波朝着透镜引导来模拟阶梯状GRIN透镜610。平面波来自正u方向并 且沿负u方向朝着透镜行进。平面波平行于vw平面。需注意，uvw直角坐标系与xyz直角坐标 系相似。
[0105]波634表示穿过阶梯状GRIN透镜610的波。阶梯状GRIN透镜610被示出为具有平坦 侧面的GRIN透镜，但可不限于这种结构，并且可为受如图1所述的AM装置24限制的任何结 构。聚焦波636表示在波634穿过GRIN透镜(诸如阶梯状GRIN透镜610或如图14所述的GRIN透 镜602)之后在波634上的聚焦效果。
[0106]在一个示例性具体实施中，波634可具有60GHz的频率。在另一个示例性具体实施 中，阶梯状GRIN透镜610可具有两种或更多种介电材料，所述两种或更多种介电材料形成提 供与成像透镜(诸如类似于图14的GRIN透镜602的固体双凸透镜)相近的透镜功能的介电型 式，而不形成如图15所述的双凸透镜的形状。在一些示例中，聚焦波636可具有与如图14所 述的聚焦波606类似和/或相近的聚焦效果。
[0107]图17为示出了根据本文所述技术的两种或更多种介电材料的聚焦效果的示例的 概念图，所述两种或更多种介电材料形成阶梯状介电型式。在图17的示例中，概念图640包 括波644、阶梯状GRIN透镜610和聚焦波646。使用CST软件，通过将60GHz平面波朝着透镜引 导来模拟阶梯状GRIN透镜610。平面波来自正u方向并且沿负u方向朝着透镜行进。平面波平 行于VW平面。需注意，UVW直角坐标系与xyz直角坐标系相似。
[0108] 波644表示穿过阶梯状GRIN透镜610的波。阶梯状GRIN透镜610在图17中被示出为 具有平坦侧面的GRIN透镜，但可不限于这种结构，并且可为受如图1所述的AM装置24限制的 任何结构。聚焦波646表示在波644穿过GRIN透镜(诸如阶梯状GRIN透镜610或如图14所述的 GRIN透镜602)之后在波644上的聚焦效果。
[0109] 在一个示例性具体实施中，波644可具有60GHz的频率。在另一个示例性具体实施 中，阶梯状GRIN透镜610可具有两种或更多种介电材料，所述两种或更多种介电材料形成提 供与成像透镜(诸如类似于图14的GRIN透镜602的固体双凸透镜)相近的透镜功能的介电型 式，而不形成如图15所述的双凸透镜的形状。在一些示例中，聚焦波646可具有与如图14所 述的聚焦波606类似和/或相近的聚焦效果。
[0110] 图18示出了非织造结构700的示例，该非织造结构具有根据本文所述技术的两种 或更多种介电材料。在图18的示例中，非织造结构包括GRIN透镜702XRIN透镜702在图18中 被示出为具有平坦侧面且包括非织造材料的GRIN透镜。
[0111] 在一个示例性具体实施中，GRIN透镜702可具有两种或更多种介电材料，所述两种 或更多种介电材料形成提供与成像透镜(诸如类似于图14的GRIN透镜602的固体双凸透镜） 相近的透镜功能的介电型式，而不形成如图15所述的双凸透镜的形状。在一些示例中，GRIN 透镜702可由如图1所述的AM装置24形成，并且AM装置24可生成与两种或更多种介电材料之 间的已定义的体积比相对应的3D打印材料的随机或伪随机挤出路径。在图18的示例中， GRIN透镜702的有效介电常数取决于挤出材料的局部打印密度。在一些示例中，GRIN透镜 702的非织造结构可包括一个或多个体积元素的布置，所述布置具有通过增材制造工艺形 成的一条或多条线的布置。在其他示例中，相应体积元素中的第一介电材料与第二介电材 料的体积比由通过增材制造工艺形成的第一介电材料的线宽控制。在一些示例中，一个或 多个体积元素的布置可包括至少第一介电材料的随机挤出路径的阵列。
[0112] 图19示出了非织造结构710的另一示例，该非织造结构具有根据本文所述技术的 两种或更多种介电材料。在图19的示例中，非织造结构包括GRIN透镜712 ARIN透镜712在图 19中被示出为具有多个轮辐且包括非织造材料的GRIN透镜。在一个示例性具体实施中， GRIN透镜712可具有两种或更多种介电材料，所述两种或更多种介电材料形成提供与成像 透镜(诸如类似于图14的GRIN透镜602的固体双凸透镜）相近的透镜功能的介电型式，而不 形成如图15所述的双凸透镜的形状。在一些示例中，GRIN透镜712可由如图1所述的AM装置 24形成，并且AM装置24可生成与两种或更多种介电材料之间的已定义的体积比相对应的随 机体素阵列。
[0113] 图20为示出了生成3D GRIN透镜的增材制造装置24的示例性操作800的流程图，该 3D GRIN透镜具有根据本文所述的技术的两种或更多种介电材料。出于示例的目的，将相对 于图1的AM装置24来描述图20。
[0114] 首先，AM装置24接收包括指定多个层的数据的模型，至少一个层包括一个或多个 体积元素802的布置，该布置包括第一介电材料和第二介电材料。例如，AM装置24可为具有 一个或多个处理器的制造装置，该制造装置接收包括指定多个层的数据的模型，其中所述 多个层中的至少一个层包括一个或多个体积元素的布置，所述体积元素包括第一介电材料 和第二介电材料，其中所述多个层中的所述至少一个层具有由所述层中体积元素的多个不 同有效介电常数组成的介电型式。在一些示例中，所述有效介电常数中的每个取决于相应 体积元素中的第一介电材料与第二介电材料的体积比、第一介电材料的介电常数、以及第 二介电材料的介电常数。在AM装置24接收到模型之后，AM装置24基于模型通过增材制造工 艺生成GRIN透镜804。在一些示例中，所述多个层中的所述至少一个层具有由所述层中体积 元素的多个不同有效介电常数组成的介电型式。
[0115]已描述了本发明的多个示例。这些以及其他示例均在随附权利要求书的范围内。
【主权项】
1. 一种形成用于传播电磁波的梯度折射率(GRIN)透镜的方法，所述方法包括： 通过具有一个或多个处理器的制造装置接收包括指定多个层的数据的模型，其中所述 多个层中的至少一个层包括一个或多个体积元素的布置，所述一个或多个体积元素包括第 一介电材料和第二介电材料，其中所述多个层中的所述至少一个层具有由所述层中所述体 积元素的多个不同有效介电常数组成的介电型式；以及 基于所述模型利用所述制造装置通过增材制造工艺生成所述GRIN透镜。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述局部有效介电常数中的每个取决于所述相应 体积元素中的所述第一介电材料与所述第二介电材料的体积比、所述第一介电材料的介电 常数、以及所述第二介电材料的介电常数。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中所述多个层中的每个层的厚度小于所述电磁波 的波长。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述多个层中每个层的厚度介于所述 电磁波的波长的长度的十分之一与十五分之一之间。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中一个或多个体积元素的所述布置包括 通过所述增材制造工艺形成的一条或多条线的布置。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述多个层中的第一层中的一条或多 条线被布置成轮辐式图案，并且其中所述多个层中的第二层中的所述一条或多条线被布置 成环式图案。7. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述多个层中的第一层中的所述一条 或多条线被布置成环式图案，并且其中所述多个层中的第二层中的所述一条或多条线被布 置成轮辐式图案。8. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述多个层中的第一层中的所述一条 或多条线被布置成网格图案。9. 根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中所述相应体积元素中的所述第一介电 材料与所述第二介电材料的所述体积比由通过所述增材制造工艺形成的所述第一介电材 料的线宽控制。10. 根据权利要求1所述的方法，其中一个或多个体积元素的所述布置包括至少所述第 一介电材料的随机挤出路径的阵列。11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一介电材料包括第一光活性树脂或第一热 塑性树脂中的至少一者，并且其中所述第二介电材料包括空气。12. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一介电材料包括第一光活性树脂或第一热 塑性树脂中的至少一者，并且其中所述第二介电材料包括第二光活性树脂或第二热塑性树 脂中的至少一者。13. 根据权利要求1所述的方法，其中所述增材制造工艺包括三维(3D)打印工艺。14. 根据权利要求1所述的方法，其中所述增材制造工艺包括双光子光聚合工艺。15. 根据权利要求1所述的方法，其中所述介电型式被选择为使所述GRIN透镜能够聚焦 所述电磁波。16. 根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁波的频率处于毫米波段内。17. 根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁波的频率为60GHz。18. -种被配置成执行根据权利要求1至17中任一项所述的方法的计算机系统。19. 一种计算机可读介质，包含用于使可编程处理器执行根据权利要求1至17中任一项 所述的方法的指令。20. -种用于传播电磁波的梯度折射率(GRIN)透镜，所述透镜包括： 以增材方式形成的包括多个体积元素的多个层，其中所述多个层中的至少一个层包括 所述一个或多个体积元素的布置，其中所述体积元素中的每个包括第一介电材料和第二介 电材料， 其中所述多个层中的所述至少一个层具有由所述层中的所述体积元素的多个不同有 效介电常数组成的介电型式，并且 其中所述局部有效介电常数中的每个取决于相应体积元素中的所述第一介电材料与 所述第二介电材料的体积比、所述第一介电材料的介电常数、以及所述第二介电材料的介 电常数。21. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中所述多个层中的每个层的厚度小于所述电 磁波的波长。22. 根据权利要求20至21中任一项所述的GRIN透镜，其中所述多个层中的每个层的厚 度介于所述电磁波的波长的长度的十分之一与十五分之一之间。23. 根据权利要求20至22中任一项所述的GRIN透镜，其中一个或多个体积元素的所述 布置包括通过所述增材制造工艺形成的一条或多条线的布置。24. 根据权利要求23所述的GRIN透镜，其中所述多个层中的第一层中的一条或多条线 被布置成轮辐式图案，并且其中所述多个层中的第二层中的所述一条或多条线被布置成环 式图案。25. 根据权利要求23所述的GRIN透镜，其中所述多个层中的第一层中的一条或多条线 被布置成环式图案，并且其中所述多个层中的第二层中的所述一条或多条线被布置成轮辐 式图案。26. 根据权利要求23所述的GRIN透镜，其中所述多个层中的第一层中的一条或多条线 被布置成网格图案。27. 根据权利要求23至26中任一项所述的GRIN透镜，其中所述相应体积元素中的所述 第一介电材料与所述第二介电材料的所述体积比由通过所述增材制造工艺形成的所述第 一介电材料的线宽控制。28. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中一个或多个体积元素的所述布置包括至少 所述第一介电材料的随机挤出路径的阵列。29. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中所述第一介电材料包括第一光活性树脂或 第一热塑性树脂中的至少一者，并且其中所述第二介电材料包括空气。30. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中所述第一介电材料包括第一光活性树脂或 第一热塑性树脂中的至少一者，并且其中所述第二介电材料包括第二光活性树脂或第二热 塑性树脂中的至少一者。31. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中所述增材制造工艺包括三维(3D)打印工艺。32. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中所述增材制造工艺包括双光子光聚合工艺。33. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中所述介电型式被选择为使所述GRIN透镜能 够聚焦所述电磁波。34. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中所述电磁波的频率处于毫米波段内。35. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中所述电磁波的频率为60GHz。36. 根据权利要求20所述的GRIN透镜，其中所述介电材料中的至少一种提供针对过滤 气体或液体中的至少一者的特定孔隙率。
【文档编号】B29K79/00GK105873744SQ201480071828
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年12月19日
【发明人】罗纳德·D·耶西, 托马斯·J·布雷斯, 贾斯汀·M·约翰逊
【申请人】3M创新有限公司