多层聚合物梯度折射率(grin)透镜的制作方法

专利名称：多层聚合物梯度折射率(grin)透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及轴向的、径向的或者球面的聚合物梯度折射率(GRIN)透镜的制造，该透镜具有固定的焦距或者动态可变焦距。该透镜是通过将聚合物复合膜成层为分层结构而形成的超复合聚合物。其能够设计来用于从可见光波长到mm波长范围。
背景技术：
梯度折射率光学镜片广为人知并且是最近评论的主题。常规的透镜中，入射光线在其进入成形的透镜表面时，由于从空气到该均匀材料的折射率的急剧变化而发生折射。该透镜的表面形状决定了透镜的聚焦和成像特性。
在梯度折射率(GRIN)透镜中在透镜材料内部具有连续变化的折射率。在简单GRIN透镜中可以使用平的光学表面。光线在透镜内部不断弯曲。聚焦特性取决于透镜材料内部的折射率的变化。在文献里描述了两种梯度折射率(GRIN)透镜类型轴向梯度和径向/圆柱形梯度。在轴向梯度中该折射率沿着非均匀介质的光轴以连续的方式变化。在轴向梯度中，恒定折射率的表面是垂直于光轴的平面。在径向/圆柱形梯度中折射率分布以这样一种方式沿横向从光轴向外围不断改变，即恒定折射率的表面是关于光轴的同心圆柱面。
具有平坦表面的GRIN透镜的简单几何形状实现有效生产以及透镜系统的简单化装配。改变透镜的厚度能够改变透镜参数，例如焦距和工作距离。薄透镜在厚度方面降至0.02mm是有可能的。另外，像平面能够直接取决于透镜的出射表面而制成。
具有球面以及均匀折射率的常规透镜不能完美地聚焦光线；而将会具有球面像差和色像差。在本领域中同样众所周知，这些像差能够通过利用轴向梯度透镜毛坯来减少或消除。轴向梯度透镜是一种具有仅在一个方向，通常选取为光轴上改变的折射率分布的透镜。这些消除像差的透镜能够有利地用于多种光学系统中，例如幻灯机、照相机、双筒望远镜以及许多其它成像器件。由特定的任务要求的透镜元件的数量能够减少，以及系统的重量和复杂性也能够降低。
授予R.Blankenbecler的美国专利No.5,262,896描述了通过受控的扩散方法的轴向梯度透镜的制造；用于这种梯度透镜的制造的毛坯能够通过例如SOL-GEL、灌输以及扩散多种方法制成，并且可能是玻璃、塑料或其它适合的光学材料。上面的讨论阐述了径向的和圆柱形的透镜两者；然而将圆柱形透镜研磨和抛光至需要的精度尤其困难。
授予Reeber等人的美国专利No.4,956,000描述了一种用于制造具有径向非均匀但是轴向对称分布的透镜材料的透镜的方法和装置，其中该透镜尺寸和形状取决于选取的方向以及汽化的透镜材料到一基底的凝结作用。
授予W.Ewald的美国专利No.1,943,521描述了一种由不同折射率部分构成的分段透镜。该透镜的分离部分每个都是均匀的，其以边界面或者分界面基本上位于光路方向上的方式胶合在一起。即，分界面平行于光轴。如此选取折射率以使减少透镜的球面像差并在屏幕上产生清晰明确的图像。
授予Blankenbecler等人的美国专利No.5,236,486描述了通过热成型(坍落)由轴向梯度透镜毛坯形成圆柱形或球面梯度透镜毛坯。该方法生产出具有连续折射率分布的单片透镜。
一种用于激光光束整形的胶合梯度折射率透镜系统的设计由Wang等人在“Design of gradient-index lens systems for laser beam reshaping”，Applied Optics，32，4763-4769(1993)中披露。一种采用两个轴向梯度透镜和一均匀的中心传输透镜的系统被披露。前梯度透镜和中心传输透镜之间的分界面以及中心传输透镜和后梯度透镜之间的分界面为球面，其必须被研磨和抛光得相互适合。另外，梯度折射率分布不同并且必须恰当地选取以起到光束整形器的作用。
实时成像传感器对于军事作战应用是很关键的。在过去的几年里，其应用急剧增加。宽的视场(FOV)传感器对于搜索任务是需要的，但是对于识别和追踪，却需要窄的FOV。变倍望远镜或变焦透镜能够提供可变的FOV。以现有的传感器系统，例如通过在光路上插入或除去透镜组，能够实现FOV的改变。这是缓慢的，并需要大体积的机械或者机电转换。根据本发明，该透镜提供在重量轻、紧凑的透镜中以毫秒或更快的时间常数在FOV的连续变化。
具有数层到数千层的聚合物的多层压制是已知的。该压制方法提供了包括聚合物、聚合物复合物和/或包含无机或金属微粒的聚合物的数千交替层的材料。该交替层中的聚合材料能够选取为具有实质上不同的折射率(Δn)从而使由此产生的材料将拥有具有相应于层厚度的周期的折射率的调制。低至5nm的层厚度能够容易地制成。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)中描述了用于这种材料的制造和使用以制成介质反射器的基本概念。在P.Yeh；“Optical Waves如Layered Media”，Wiley，New York(1998)中描述了具有特定传输特性和通带的介质反射器和滤光器的制造方法。正确定向的成层的双折射聚合物能够提供在入射角的宽带上保持反射率的多层反射镜。
许多种方法已经得以发展，来生产具有适合GRIN光学镜片的变化的折射率的材料。聚合物GRIN透镜通常通过进行扩散的两种不同单体的共聚作用(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。不完全扩散产生合成梯度并因此产生跨过材料的折射率梯度。这些技术的大部分导致小于10mm直径的小的透镜。折射率梯度小；一般最大折射率变化在0.01至0.03数量级。通常折射率梯度是单调的，并且折射率随着距离的变化限制在通过扩散规律所实现的变化。据报导的最大的径向聚合物GRIN透镜是通过该技术利用弯曲模压制成的。其直径是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))。产生复合梯度的其它技术包括掺杂剂扩散和离心作用。复合混合和压制技术也已经被建议。聚合物共聚技术只有在组分遍及聚合范围内是可混合时才有效。这通常意味着组分是非常相似的聚合物并且其能达到的最大Δn很小。由于掺杂剂的移动，通过掺杂剂扩散制成的聚合材料通常有效期很短。混合/压制技术包括许多难以控制的控制变量，另外其仅能被用于在宽的合成范围是可混合的聚合物。
通常，多层聚合物使用玻璃状聚合物制成。具有适合介质滤光器和反射器的层间距的弹性多层结构已经通过顺序的旋转涂敷和多层压制制成。
除了军事应用，本发明的透镜将具有广泛的商业应用，商业应用上需要重量轻的具有短、长和可变焦距的透镜；例如用于阅读眼镜、照相机和双筒望远镜的变焦透镜。
根据本发明，折射率梯度(Δn)能够独立地规定。这提供了透镜的聚焦性能方面的灵活性，这在以前的单透镜中是不可能的。其同样提供了一种被设计有像差校正的透镜。一种较简单的改良的和更灵活的方法以制造表现上述特性的轴向的、径向的或球面的聚合物梯度透镜是非常期望的。

发明内容
本申请涉及一种用于梯度折射率(GRIN)透镜的分级的多层聚合物复合物及其制造方法。根据本发明优选的实施例，分层的复合结构以两步形成。首先制成一组多层聚合物复合膜，各膜具有不同的折射率。其次，以期望的折射率梯度将排序的一组这些多层聚合物复合膜组合成多层复合GRIN片；该多层复合GRIN片进一步构形成透镜。


图1是具有一折射率梯度的多层复合GRIN片。所示的各膜自身都是多层复合物。
图2是单向平透镜。其通过将两片图1中示出的多层复合GRIN片层叠，并切开以形成轴向透镜而制成。
图3是具有径向的折射率梯度的平透镜。如图17中所示，其通过在圆柱棒上层叠一组多层聚合物复合膜，并切成各种厚度的透镜而制成。
图4是球面折射率梯度透镜。
图5示出了50/50的PC/PMMA多层复合聚合物膜的结构和原子力显微镜(AFM)图像。
图6示出了设计PC/PMMA多层复合聚合物膜的折射率。下面的组合是为该研究而整理的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。
图7示出了相对21个多层复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之间的折射率的一组膜通过系统地改变PC和PMMA含量而制成。
图8示出了用于制做多层复合GRIN片的程序。
图9示出了使用具有折射率ni的50μm(2密耳)的PC/PMMA多层聚合物复合膜，根据多层聚合物复合膜的GRIN系统的设计。总共层叠了308个单独的膜。
图10示出了与设计分布相比的GRIN多层系统的测量的折射率分布。
图11示出了图9中所示的GRIN多层系统的期望的聚焦特性，其中圆波束聚焦为一条线。
图12示出了图9中所示的会聚GRIN多层系统的观测的聚焦特性。
图13示出了根据多层聚合物复合膜的发散GRIN系统的设计。
图14示出与设计分布相比的发散GRIN多层系统的测量的折射率分布。
图15表示出图13中所示的发散GRIN多层系统的观测的聚焦特性。
图16示出了根据多层聚合物复合膜的非对称GRIN系统的设计。
图17示出了用于制成具有圆柱对称性的GRIN多层系统的程序。
具体实施例方式
GRIN透镜的分层复合结构本发明涉及一种用于梯度折射率(GRIN)透镜的分级的多层聚合物复合物及其制造方法。
在本发明的一优选实施例中，GRIN透镜中的分层结构分两步制成。第一步，制成一组多层聚合物复合膜。各聚合物复合膜具有不同的折射率。第二步，以期望的折射率梯度将排序的一组这些多层聚合物复合膜组合成分级的多层聚合物复合GRIN片。将这些多层复合GRIN片构形成各种各样的透镜。
根据该实施例，在第一步中，制成多层聚合物复合膜。各多层聚合物复合膜包括在至少两种类型(A)和(B)之间交替多达500,000的层。类型(A)的层由组分(a)组成，而类型(B)的层由组分(b)组成。组分(a)和(b)是聚合材料，优选热塑性的聚合材料，例如玻璃状的、晶状的或弹性的材料。组分(a)和(b)自身能够是一种复合的聚合物或一种聚合物掺混物。优选本发明的多层聚合物复合膜的层具有从5纳米(nm)至1,000微米(μm)范围内的厚度。
为了制成GRIN材料，这种多层聚合物复合膜被制成，该多层聚合物复合膜具有一折射率范围并且在它们之间具有任意小的折射率差。在本发明的一实施例中，通过自第一多层聚合物复合膜中的(A)和(B)层的相对厚度来改变(A)和(B)层的相对厚度而完成。
根据本实施例，对于制造中的第二步，将多层聚合物复合膜层叠，以形成分级的多层复合GRIN片。邻近的多层聚合物复合膜被选择以表现逐渐不同的折射率。优选地，层叠5至100,000层多层聚合物复合膜将形成多层复合GRIN片，如下所述，根据该多层复合GRIN片，GRIN透镜能够被制成。折射率梯度由该设计来确定，其中将多层聚合物复合膜层叠以制成多层复合GRIN片。该方法的特别优势是利用多层聚合物复合膜能够容易地实现任何预定的折射率梯度。该折射率梯度仅被多层聚合物复合膜中的可用折射率范围限制。该多层复合GRIN片具有纳米等级、微米等级以及厘米等级的分层的结构。
材料一位本领域普通技术人员会容易地知道，多种热塑性聚合材料能够用于形成本发明的透镜。这种材料包括，但并不局限于玻璃状聚合物、晶状聚合物和弹性体，只要由这些材料形成的层基本上透明。据我们所知，由这些材料制成的弹性的多层结构具有小于可见光或近红外(NIR)光的波长的层间距，从而使复合物表现出动态可变的有效介质，该弹性的多层结构的制造从未报导过。根据本发明的材料的必要条件之一是这些层的聚合组分之间的折射率差。在本发明的多层聚合物复合物的透镜内能够达到的最大折射率梯度由聚合物组分的折射率之间的差异给出。GRIN透镜的焦距、厚度以及形状取决于能够达到的折射率梯度。
本申请中使用的术语“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。优选地，聚合物为有机聚合材料。本申请中使用的术语“齐聚物”或齐聚材料”表示具有从1,000到小于5,000的重量平均分子量的材料。这种聚合材料可以是玻璃状的、晶状的或弹性的聚合材料。
根据本发明，适合的聚合材料包括但不局限于聚萘二甲酸乙二酯及其异构体，例如2，6-，1，4-，1，5-，2，7-，和2，3-聚萘二甲酸乙二酯；聚对苯二甲酸亚烷基酯，例如聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯以及聚对苯二甲酸-1，4-环己烷二亚甲甲基酯(poly-1，4-cyclohexanedimethyleneterephthalate)；聚酰亚胺，例如聚丙烯酰亚胺(polyacrylic imides)；聚醚酰亚胺；苯乙烯系聚合物，例如无规、全同和间同聚苯乙烯、α-甲基聚苯乙烯、对甲基聚苯乙烯；聚碳酸酯，例如双酚A聚碳酸酯(PC)；聚(甲基)丙烯酸酯，例如聚甲基丙烯酸异丁酯、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(这里用术语“(甲基)丙烯酸酯”来表示丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯)；纤维素衍生物，例如乙基纤维素、乙酸纤维素、丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素以及硝酸纤维素；聚亚烷基聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯以及聚(4-甲基)戊烯；氟化聚合物，例如全氟烷氧基树脂、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。同样适合的是共聚物，例如苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)，优选地包含在10至50wt％之间，优选20至40wt％之间，丙烯腈，苯乙烯-乙烯共聚物；以及聚(亚乙基对苯二甲酸-1，4-亚环己基二亚甲基酯(poly(ethylene-1，4cyclohexylenedimethylene terephthalate))(PETG)。另外的聚合材料包括丙烯酸橡胶；异戊二烯(IR)；异丁烯-异戊二烯(IIR)；丁二烯橡胶(BR)；丁苯吡(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)；丙烯腈-丁二烯(NBR)；聚异戊二烯；硅橡胶；苯乙烯-丁二烯(SBR)以及聚氨酯橡胶。另外的聚合材料包括嵌段或接枝共聚物。
另外，各单独的层可包括两种或更多种上述的聚合物或共聚物的掺混物，优选掺混物的成分基本上可混合，这样不会影响掺混物的透明度。优选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。
包括根据本发明的这些层的这些组分能够包括包含了超微粒材料的有机或无机材料，用于增大或减小该组分的折射率。此外，根据本发明的该组分不存在非线性染色。
聚合物GRIN透镜的制造根据本发明的一实施例，首先制成多层聚合物复合膜。为了便于讨论，描述了两组分系统的特性。在本发明的该实施例中，多层聚合物复合物由整个说明书中分别被称作组分“(a)”和组分“(b)”的两种聚合材料的两个交替层(ABABA……)组成。组分(a)和(b)呈现出不同的折射率并形成多层聚合物复合膜，该多层聚合物复合膜由公式(AB)x表示，其中x＝(2)n，而n是乘法器单元的数目并且是在4至18的范围内。组分(a)和(b)能够独立地为玻璃状的聚合材料、晶状的聚合材料、弹性的聚合材料或者它们的掺混物。通过非粘合的例子，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、晶状材料或者它们的掺混物，或者当组分(a)是弹性材料时，组分(b)可以是弹性材料、玻璃状材料、晶状材料或者它们的掺混物。然而，组分(a)必须表现出与组分(b)不同的折射率；同样地，层(A)必须表现出与层(B)不同的折射率。多个交替层(A)和(B)形成了多层聚合物复合膜，由至少10个交替层(A)和(B)组成，优选从50到500,000个交替层，包括这些范围内的任意增量。这些层优选为微米层(microlayers)或纳米层(nanolayers)。类似地，形成由层(Ai)和(Bi)组成的另外的多层聚合物复合膜，这些层(Ai)和(Bi)分别由组分(ai)和(bi)组成。
根据该实施例的第二步中，表现出不同折射率的众多交替的多层聚合物复合膜形成多层复合GRIN片，由此制成GRIN透镜。优选交替的多层聚合物复合膜的数目大于5。更优选多层复合GRIN片中的多层聚合物复合膜的数目在5到100,000的范围内，更优选从20到10,000，包括在这些范围内的任意增量。折射率梯度仅被这些多层聚合物复合膜的折射率的可用范围限定。最终的多层复合GRIN片具有纳米等级、微米等级以及厘米等级的分层结构。优选其包括具有微米层和纳米层结构的聚合物的多层聚合物复合膜。
根据本发明，(a)和(ai)可以是相同的或不同的热塑性材料。同样地，(b)和(bi)也可以是相同的或者不同的热塑性材料。此外，组分(a)和(b)可以是化学上相同的材料，只要其能够由于次级物理差异，例如聚合物结构的构造差异、由不同的工艺条件例如定位产生的差异、或者分子量差异来形成表现出不同折射率的不同层。
形成具有优选由不同材料组成的许多组分的成层结构是切实可行的。作为非限制性的例子，组分(a)、(b)和(c)的交替层(ABCABCABC…)的三组分结构由(ABC)x表示，其中x如上定义。包括许多不同组分层的结构包括在本发明的范围内，例如(CACBCACBC…)。
在两组分多层聚合物结构的上面描述的的实施例中，该透镜由两种聚合材料的多层混合压制(coextrusion)而制备。多层聚合物复合膜由两个或多个组合部分的交替层组成，其中单独的层厚度在宏观尺度(macroscale)至微观尺度(nanoscale)的范围内变动。
本发明的多层复合GRIN片优选具有至少5层薄膜。优选地，多层复合GRIN片包括5至100,000层薄膜，更优选20至10,000层，包括这些范围内的任意数目层薄膜。多层复合GRIN片具有从10毫微米至10cm范围内的总厚度，优选从25μm至3cm，包括在这些范围内的任意增量。此外，多层复合GRIN片可通过切开和整形多层复合GRIN片来形成轴向的、径向的或球面的透镜。此外，根据本发明的多层聚合物复合膜可定向为单轴和双轴两者。
因此，本发明的透镜由如上所述的以及在2003年6月23日授予Baer等人的美国专利6,582,807中公开的分层结构中的复合聚合物膜的分层而形成，在此将其全部内容作为参考引入。在第一级该材料为多层聚合物复合膜。根据本发明的多层聚合物复合膜包括选取为具有不同折射率的聚合物的交替层。
在制造GRIN透镜的过程中，期望能够指定从小于0.01至尽可能大的折射0率梯度。由于本发明的多层技术，可能有多种折射率梯度。由于较大的梯度给出能够制成的GRIN透镜的较宽的范围，因此需要能够制成大的梯度。这使较薄的GRIN透镜具有较短的焦距成为可能。对于多层GRIN透镜，该折射率梯度能够指定为从0.001的最小值到在组成这些层的聚合物之间的折射率的差异的最大值。通常期望最大可能的范围。优选地，多层聚合结构的透镜能够表现出0.01或更高的折射率梯度，优选在0.02至1.0的范围内，更优选在0.05至0.5的范围内，包括在这些范围内的所有增量。
一个重点是根据本发明的多层技术允许利用可混合的、不可混合的或部分可混合的聚合物以实现大的折射率差。其它GRIN透镜制造技术采用扩散工艺以实现一折射率梯度。因此现有技术的例子局限于0.01至0.03的小折射率梯度。
第二个重点是多层透镜能够被设计成用作为在从接近40nm至1米的宽的波长范围上的光学元件。该特定波长范围由聚合的组分确定。在本发明的一实施例中，多层聚合结构表现出大于20％的内透射率，优选大于50％。透明的多层聚合物复合结构能够由组分的适当分层来制成并具有一折射率范围。如果各层的层厚度充分薄，该复合物表现为有效介质。折射率能够通过选择组分层的相对厚度而被设计成表现组分聚合物的折射率之间的任意值。这样一种复合物能够以可与这些组分聚合物的透明度制成。
在本发明的一实施例中，在组分聚合物的弹性模数不一致的地方，该复合物的折射率能够通过压力、张力、压缩力或剪切力或这些应力的组合而机械地改变。如上所指出的，能够制成该复合物以使组分聚合物之一或两者都为弹性体。
多层聚合物复合膜的第二分层能够给出具有一折射率梯度的多层复合GRIN片。注意该分层是分级的，首先将组分聚合物分层为多层聚合物复合膜，然后将该多层聚合物复合膜组合成多层复合GRIN片。进行第二分层从而使得到的多层复合GRIN片在任意方向具有一折射率梯度，例如轴向的、径向的或球形的方向上。该折射率梯度可以是连续的、离散的或阶梯的。多数梯度能够在由多层聚合物复合膜的组分聚合物的折射率施加的限度内实现。
如果组分聚合物的弹性模数不同，那么一个或多个有效介质复合层的折射率通过压力、张力、压缩力、剪切力或这些应力的组合而相对机械地改变。然后在分级的分层材料中的折射率梯度也能够通过张力、压缩力或剪切力而改变。折射率和折射率梯度也能通过任意类型的机械的或电激励，或通过安装在多层聚合物复合结构上的磁体来获得。该变化能够通过静电效应或通过利用电活化或电光化组分聚合物来引起。这提供了具有大的电光反应的材料。
根据本发明，多层复合GRIN片能够形成任意需要的形状，包括但不局限于轴向的、径向的或球形的形状，以形成各种形状的例如平的或球形的透镜，如下例示。
轴向GRIN透镜根据本发明的一实施例中，制成轴向的GRIN透镜。为了制成该GRIN透镜，通过制成薄片，我们引进了分层的第二级。我们以一组这些制成的多层聚合物复合膜来开始，以使相对值d1和d2增量地改变，但它们的总和保持恒定。
如果将一组多层聚合物复合膜层叠，那么合成梯度和折射率梯度垂直于膜的表面而改变。这产生了一具有垂直于膜平面的折射率梯度的薄片。这在图1中示出。图1中所示的本发明的多层聚合结构具有轴向的梯度。由于折射率梯度取决于各不同层的排列和厚度，因此构造特定的折射率梯度是可能的。作为一个例子，图1中所示的多层聚合结构以线性梯度、V形梯度和抛物面梯度制成。
图1中的多层聚合结构可用来制造具有轴向折射率梯度的透镜。图2中示出了一个例子。图2中，将图1中示出的两片多层复合GRIN片组合以形成对称的轴向层叠，然后将其切开以形成轴向透镜。轴向的梯度透镜在光学装置中对控制像差是有用的。这是一种制造这样一种透镜的有效率的和经济合算的方法。
径向的GRIN透镜根据本发明的另一实施例中，制成径向的GRIN透镜。允许形成轴向梯度透镜的分层技术能够被扩展以形成径向的透镜。组合图1中所示的两个薄片，我们可形成图3中所示的多层复合层叠。
如本领域普通技术人员所理解的，径向透镜的厚度，以及这样的焦点能够被改变。因此，如本申请中所采用的术语“径向的”包括具有预定径向分布的柱面透镜。
中心棒的折射率被选取为与第一多层聚合物一样。图3所示的组成变化的，且因此层叠相应于期望的折射率变化，折射率同轴地环绕该棒。将该棒切成截面给出了径向辐射状的梯度折射率平透镜。
与轴向梯度透镜的情况相同，制成具有径向梯度的透镜。该技术可以用来制造比可能采用当前用于制造GRIN透镜的扩散或可变聚合技术更多种变化的梯度设计。这是一种有效率的和潜在经济合算的方法以大量制造GRIN透镜。
球面GRIN透镜本发明的另一实施例中制造了一球面GRIN透镜，包括多层聚合物复合结构，如图4中所示。这是具有梯度的标准透镜的形状，其中多层聚合物复合膜以球面形状层叠，象洋葱一样，如图4中所示。与用不具有折射率梯度的材料制成的常规透镜相比，本发明的球面透镜表现出没有象差的较宽的视野，并具有较短的或较长的波长。在球面梯度中，折射率分布沿着任意方向从透镜内的一点以这样一种方式连续改变，即恒定折射率的表面是同心球，象洋葱一样。进一步提出球面透镜的制造不能以本领域的以前描述过的技术来实现。
任意以上成形的透镜能够是可变形的或非可变形的，并当可变形时其可以是可逆的变形或不可逆的变形。因此，采用多层聚合技术，我们也能够制成一透镜，其中梯度能够动态地并可逆地改变。这是在本发明的一优选实施例中，通过采用动态可变多层聚合材料来实现的，作为图1-4中的这些单独层。构成图1-4中所示的这些层的聚合材料能够被制成，从而使弹性模数以及交替聚合层的折射率不同。这些材料中，施加的应力，例如压力、张力、压缩力或剪切力或这些应力的组合，改变相对层厚度并因此改变透镜中的梯度。将这种聚合物分层以形成图1-4中所示的分级的多层聚合结构，将会给出可变的轴向的、径向的或球面的GRIN透镜。
折射率对于应力的灵敏性可由组分聚合物及其相对初始厚度的选取来改变。因此可能制成可变梯度透镜，其中可以规定初始梯度和梯度随应力的可变性。
本发明的优点包括透镜材料中的折射率梯度可以大如0.5或更大。这使具有相对短的焦距的薄如25μm(1密耳)或更薄的透镜的制造成为可能。
根据本发明的技术中，能够实现比其他GRIN制造技术更大的折射率梯度。能够使用更多种组分聚合物。仅有的必要条件是它们是聚合材料，优选热塑性聚合材料。这允许我们选取具有宽范围的折射率的组分聚合物。该透镜中能够达到的最大折射率梯度通过这些聚合物组分的折射率之间的差异而给出。
在轴向的、径向的或球向的任意方向，折射率梯度可以被限定为连续的、离散的或阶梯的。折射率梯度不需要是单调的。在以前的折射率梯度材料的制造技术中，梯度通常是连续的和单调的。另外的关于折射率梯度的性质的控制使很多GRIN透镜以例如象差校正、双焦点或多焦点以及较宽的视野来设计成为可能。
折射率梯度的大的改变能够实现。此外，折射率梯度的动态的可逆变化能够实现。0.01至0.5的可变折射率是切实可行的，并且接近1的值是可能的。由于折射率梯度能够动态地改变，由这些材料制成的GRIN透镜的焦距可以被改变。这使得没有运动部件的变焦距透镜和变焦透镜的结构成为可能。
透镜材料便宜并且能以大片材料的方式生产。一个重点是多层技术允许使用不可混合的、可混合的或部分可混合的聚合物以实现大的折射率差异。以前的GRIN透镜制造技术主要采用扩散技术以实现折射率梯度。其仅对完全可混合的聚合物起作用。
根据本发明，与现有技术的制造透镜的方法不同，可能制备具有更大折射率梯度的透镜。这允许更多种透镜的制备。其实现了轻量的薄和厚两种透镜。同样，关于透镜直径没有实际的限制。根据本发明的直径能够从0.1μm至许多米。这意味着能够制成大的、快速的、具有小的f数以及更好的集光能力的GRIN透镜。
此外，根据本发明的结构中的折射率能够在制造期间容易地限定。这意味着具有更好的象差修正的更复杂的透镜是可能的。
己对本发明进行了概述，通过参考某些特定实施例能够获得进一步的理解，这些实施例在此仅为了说明而提供，并非限制性的，除非另有说明。
具体实施例根据上述的分步处理，采用聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙酸酯甲酯(PMMA)的复合物制成一组GRIN分级的多层复合聚合物透镜。
初始的多层聚合物复合膜在图5中示出。其由2,048层具有50μm(2密耳)以及100μm(4密耳)的总厚度的组分聚合物、PC和PMMA的交替纳米层组成。标注为50/50的PC/PMMA样品的具有相等厚度层的材料的原子力显微镜(AFM)照片也被示出。50/50的PC/PMMA膜的单层的厚度在50μm的膜中为25nm并且在100μm的膜中为50nm。
一组19层不同膜以不同的相对层厚度，但是相同的总厚度制成。聚碳酸酯与PMMA层厚度之比从95/5到5/95改变，以生产一组具有不同折射率的多层聚合物复合膜。这些多层聚合物复合膜在图6中示出。如果包括PC和PMMA的纯膜，这生产了一组21层具有1.49至1.59之间的折射率的多层聚合物复合膜。这些是通过系统地改变PC和PMMA含量来获得的。图7示出了测量的折射率，作为聚碳酸酯组成的总厚度的分数的函数。该膜的折射率如预期的随聚碳酸酯含量而线性变化。
由这些膜制造一种分级的多层复合GRIN片是通过层叠多层聚合物复合膜而实现，如图8中所示。图8中所示的实施例中，将363层多层PC/PMMA膜层叠并粘合以提供具有交叉该块(across the block)的折射率变化的薄片。作为横过该聚合物预制件的距离d的函数的折射率的变化由多层复合GRIN片中的折射率的预定分布来确定。
分级的多层复合GRIN透镜通过交叉这些层，垂直于层叠方向将该聚合物块切开而制成。
图9示出了一被制成的分级的多层复合轴向GRIN透镜的制作参数。其是一聚焦透镜。十九层不同PC/PMMA多层聚合物复合膜被采用。图7中示出了ith膜的折射率ni。在图9中所示的情况下，将总共308层多层聚合物复合膜，每层厚50μm层叠起来。这在轴向聚焦透镜中给出了总共630,784纳米层。该膜如所示的层叠，以给出横过由此产生的聚合物的折射率的二次方变化。设计梯度为n(d)＝n0(1-0.0013d2)其中，d为横过聚合物的距离，n0＝1.576。该预制件的折射率测量为横过该片的d的函数。作为d的函数的实际折射率非常接近于由上面的方程式所计算出的折射率，如图10中所示。
图8和9中描述的分级的多层复合GRIN透镜中，折射率梯度是在一个方向上。预期的聚焦特性在图11中示出。观测的聚焦特性在图12中示出。
具有大的折射率梯度的几种其它分级的多层复合GRIN透镜已经被制成。这些透镜中的一种设计在图13中示出。图13示出了具有从中心向边缘增加的折射率的分级的多层复合GRIN透镜。测量的折射率作为距以这种层结构制成的聚合物的中心的距离的函数在图14中示出。其符合方程式n(d)＝n0(1+0.0015d2)其中，在这种情况下，n0＝1.495。以这种折射率分布制成的透镜将会具有类似于常规凹面或散焦柱面透镜的聚焦特性。观测的聚焦特性在图15中示出。这在实验上证明了分级的多层复合GRIN系统表现如同散焦柱面透镜一样。制成的另一种分级的多层复合聚合物折射率梯度在图16中示出。
这个例子具有非对称梯度。在具有圆柱对称性的分级的多层复合GRIN透镜的制造中是有用的。这种圆柱对称性分级的多层复合聚合物的制造在图17中示出。能够制造出折射率梯度，以便其从中心向边缘向外径向地增加或减少。能够制成相应的分级的多层复合GRIN透镜以依照要求具有聚焦或散焦特性。具有这种设计的聚焦透镜被制成，并且我们已经证明了其表现为常规的凹面或聚焦透镜。所示出的中间带有一孔的设计也可用作为用于一波导光管的预制件。
概括来说，我们已经制成了多层聚合物复合膜；将多层聚合物复合膜层叠以形成多层复合GRIN片；由多层复合GRIN片形成三种类型的透镜轴向的、径向的和球面的。
显而易见，根据上面的教导，本发明的许多更改和变化是可能的。因此可以理解，在后附的权利要求的范围内，除这里特定描述之外，本发明可被实施。
权利要求
1.一种梯度折射率透镜，由多层复合GRIN片组成；其中所述多层复合片由多个至少两层的多层聚合物复合膜组成；其中各所述多层聚合物复合膜由多个由结构式(AB)x表示的至少两种交替层(A)和(B)组成，其中x＝2n，并且n在从4到18的范围内；其中层(A)由组分(a)组成，以及层(B)由组分(b)组成；以及其中所述组分(a)和(b)表现出不同的折射率。
2.权利要求1的透镜，其中所述组分(a)和(b)选自下列材料组成的组聚合材料、复合聚合物和聚合物掺混物。
3.权利要求2的透镜，其中所述聚合材料选自由下列材料组成的组玻璃状材料、晶状材料或弹性材料。
4.权利要求1的透镜，其中所述层具有从5nm至1000μm的厚度。
5.权利要求1的透镜，其中所述多层复合聚合物膜以有顺序的若干层来层叠以形成分级的多层复合GRIN片；以及其中邻近的多层复合聚合物膜被选取以表现逐渐不同的折射率。
6.权利要求1的透镜，其中所述多层复合聚合物膜包括至少10个交替层。
7.权利要求1的透镜，其中所述多层复合聚合物膜包括层数从50至500,000范围内的交替层。
8.权利要求1的透镜，其中所述多层复合GRIN片由5至100,000层多层聚合物复合膜组成。
9.权利要求1的透镜，其中所述多层复合GRIN片由20至10,000层多层聚合物复合膜组成。
10.权利要求1的透镜，其中组分(a)和(b)是化学上相同的材料。
11.一种梯度折射率透镜，由多层复合结构组成；其中所述多层复合结构由多个至少两层的多层聚合物复合膜组成；其中各所述多层聚合物复合膜由多个由结构式(ABC)x表示的至少三种交替层(A)、(B)和(C)组成，其中x＝2n，并且n在从4到18的范围内；其中层(A)由组分(a)组成，层(B)由组分(b)组成，以及层(C)由组分(c)组成；以及其中所述组分(a)、(b)和(c)表现出不同的折射率。
12.权利要求2的透镜，其中所述聚合材料选自下列材料组成的组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、苯乙烯系聚合物、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、纤维素衍生物、聚亚烷基聚合物、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(亚乙基对苯二甲酸-1，4-亚环己基二亚甲基酯)、丙烯酸橡胶、异戊二烯、异丁烯-异戊二烯、丁二烯橡胶、丁苯吡、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、腈基-丁二烯、聚异戊二烯、硅橡胶、苯乙烯-丁二烯以及聚氨酯橡胶。
13.权利要求2的透镜，其中所述聚合材料选自嵌段或接枝共聚物组成的组中。
14.权利要求1的透镜，其中所述层还包括有用于影响折射率的有机或无机材料。
15.权利要求1的透镜，表现出0.01或更高的折射率梯度。
16.权利要求1的透镜，表现出0.02至1.0范围内的折射率梯度。
17.权利要求1的透镜，表现出0.05至0.5范围内的折射率梯度。
18.权利要求1的透镜，其中所述组分(a)和(b)是可混的、不可混的或部分可混的聚合材料。
19.权利要求1的透镜，其中所述透镜选自轴向的、径向的和球面的GRIN透镜组成的组中。
20.一种制造权利要求1的透镜的方法，包括通过形成一组多层聚合物复合膜来制成多层复合GRIN片，该多层聚合物复合膜由交替层(A)和(B)组成；将所述膜组合成多层复合GRIN片；以及通过切开和整形这些多层复合GRIN片来形成梯度折射率透镜。
21.权利要求20的方法，其中所述多层复合GRIN片表现出大于20％的内透射率。
22.权利要求20的方法，其中所述多层复合GRIN片表现出大于50％的内透射率。
23.权利要求20的方法，其中所述多层复合GRIN片的折射率通过压力、张力、压缩力或剪切力或这些应力的组合而被机械地改变。
24.权利要求20的方法，其中所述多层复合GRIN片包括5至100,000层多层聚合物复合膜。
25.权利要求20的方法，其中所述多层复合GRIN片包括20至10,000层多层聚合物复合膜。
26.权利要求20的方法，其中所述多层复合GRIN片具有10nm至10cm范围内的整体厚度。
27.权利要求20的方法，其中所述多层复合GRIN片具有25mm至3cm范围内的整体厚度。
28.权利要求20的方法，其中所述多层复合GRIN片形成轴向的、径向的或球面的透镜。
29.权利要求20的方法，其中所述多层聚合物复合膜表现出不同的折射率。
30.权利要求29的方法，其中折射率的所述不同是通过改变层(A)和(B)的相对厚度来实现的。
31.权利要求1的方法，其中所述多层聚合物复合膜或多层复合GRIN片是定向的。
全文摘要
公开了一种通过将复合聚合物膜层叠为分级结构的轴向的、径向的或球面的梯度折射率(GRIN)透镜。
文档编号G02B3/00GK101019059SQ200480033001
公开日2007年8月15日 申请日期2004年9月16日 优先权日2003年11月14日
发明者埃里克·贝尔, 安妮·P·希尔特纳, 詹姆斯·S·舍克 申请人:埃里克·贝尔