CN101268403A - 具有吸收壁的像素化的透明光学构件、其制造方法和其在制造透明光学元件中的用途 - Google Patents

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Abstract

一种透明光学构件(10)包括至少一个平行于所述构件的一个表面并置的透明单元(15)组，每个单元由平行于所述构件表面的吸收壁(18)隔开，以及每个单元被密封并含有至少一种具有光学特性的物质。所述光学构件可沿预定轮廓切割并可选地被钻孔。本发明还涉及一种用于制造这种光学构件的方法及其用于生产光学元件的用途。特别地所述光学元件可为眼镜。

Description

具有吸收壁的像素化的透明光学构件、其制造方法和其在制造透明光学元件中的用途
技术领域
本发明涉及带有光学功能的透明元件的生产，。特别是应用于具有多种光学特性的眼科镜片的生产中。
背景技术
通常，屈光异常矫正镜片是通过使折射率高于空气的透明材料成形来制得。镜片的形状被选择为使得材料和空气之间界面处的折射在佩戴者的视网膜上产生合适的聚焦。镜片通常被切割以适于镜框，并处于相对于被矫正眼睛的瞳孔的合适位置。
在各种类型的镜片中或其他不必限定在眼科光学件的镜片中，都期望能够提供一种结构，该结构用于以柔性且模块化的方式提供一种或多种光学功能，同时保持切割光学元件的可能性以将其结合到所加的框架或在别处选择的框架中，或结合到任何其它用于固定所述光学元件的装置中。
发明内容
本发明的目的解决了这种需求。另一目的是该光学元件应当在令人满意的条件下可工业应用。
本发明因而提供一种用于透明光学元件的生产方法，包括透明光学构件的生产，该光学构件具有至少一组(set)并列设置的平行于该构件的一个表面的单元(cell)，每个单元都被密封且包含具有光学特性的物质，所述单元由吸收壁隔开。具体地，这些壁在其侧壁上是吸收的，且基本垂直于构件的表面定向。
本发明还提供一种上述透明光学元件的生产方法，其还包括沿所述表面上的勾画的轮廓切割光学构件的步骤，该轮廓对应于光学元件的预定形状。
这些单元可被填充有为其光学特性而选择的各种物质，例如与其折射率、光吸收或偏振能力、对电或光激励的响应等有关的光学特性。
因而，该结构使其具有许多应用，特别是那些利用先进光学功能的应用。这意味着由光学元件表面区域的像素离散化提供了在设计以及元件应用方面的极大灵活性。因而，该结构包括由壁界定的单元网络(network)，所述壁吸收可见光谱。因此，在整个或部分可见光谱的范围内，当光的传播方向中具有平行于光学构件表面的成分时，这些壁不允许光的传播。
通过离散化来生产像素化的结构是可能的，该结构由平面内的一连串相邻单元组成。这些单元由壁隔开。这些壁导致光学构件的透明度缺陷，并可相应地引起含有这种构件的光学元件的透明度缺陷。在本发明中，当通过光学构件观察的图像没有显著对比度损失地被感知时，所述光学构件是透明的，也就是说，当通过所述光学构件形成图像时没有损害到图像的质量。在本发明中，术语透明的定义可应用于本说明书中如此限定的所有物体。
将光学构件的单元隔开的壁与光线相互作用并将其衍射。衍射被定义光的散射，这在光波被物质地限定时观察得到(J-P.Perez-Optique，Fondements et applications 7th edition-Dunod-October 2004，P.262)。因此，由于所述壁引起的这种光的散射使包括这种壁的光学构件传播质量降低的图像。微观衍射通过散射宏观地显现。这种宏观散射或非相干散射显现为光学构件的像素化结构的漫射晕以及因此而产生的通过所述结构观察的图像的对比度损失。这种对比度损失可被认为是上述透明度的损失。这种宏观散射效应对于包含本发明所述的像素化光学构件的光学元件的制造是不可接受的。在光学元件是眼科镜片时尤其如此，从上述限定的意义上来说眼科镜片一方面必须是透明的，另一方面，其必须不含有外观缺陷，这种缺陷易于扰乱这种光学元件佩戴者的视力。
用于减少这种宏观散射的方法包括通过防止光线传播到将单元隔开的壁中以减少发生在壁处的衍射。这是因为一些被吸收或反射的光线不被衍射。因此，与光线的相互作用受限的壁所发生的衍射小于使光线传播的壁。如果考虑到一组壁，每个壁的衍射的减少导致宏观水平下的整个组件在漫射方面的减少。
因此，本发明的一个方面是生产一种透明光学构件，其包括一组并列设置的平行于衬底(substrate)表面的单元，其中这些单元由吸收壁彼此隔开。具体地，这些壁在其侧壁上是吸收的且基本垂直于构件的表面。在这种光学构件中，这些壁吸收到达壁的光线中的全部或部分，因而减少了物体的宏观散射，由此使其可以生产包含所述光学构件的透明光学元件。
本发明因此涉及一种获得透明光学元件的方法，该光学元件包括一组并列设置的平行于所述构件表面的单元，每个单元由壁彼此隔开，这些壁吸收整个或部分可见光谱，所述壁包括选自于吸收性可交联材料或吸收性可聚合材料的一种或多种材料。其它材料也可用来生产吸收壁，例如混合材料，如溶胶-凝胶树脂，或组合物，如陶瓷/金属或硅/金属混合物。如果这些壁由金属组成或涂覆有金属，它们也可以是吸收性的，这些金属尤其选自于银、铬、钛、铂、镍、铜、铁、锌、锡、钯或金。在这种情况下，这些壁即吸收也反射。在本发明中，吸收材料是指吸收至少部分可见光谱的材料，也就是说，具有至少一个在400nm(纳米)至700nm之间的波长吸收带。有利地，根据本发明，在整个可见光谱区具有吸收带的材料是优选的。用于制造壁的材料可选地包括在近红外线的光谱吸收带，即超过700nm，和/或在近紫外线的光谱吸收带，即低于400nm。
在本发明的该实施方式中，壁的组成材料可以具有固有的吸收性或通过掺杂、扩散或吸收具有吸收性的粒子而使其具有吸收性。在吸收性的粒子中可提供具有可见光吸收特性的可交联的或可聚合的材料，特别可由以下材料制成，即染料、墨水、颜料、胶体、纳米碳管、炭黑和金属或金属合金粒子。这些粒子可使用本领域技术人员已知的方法容易地结合到溶胶-凝胶、聚氨基甲酸乙酯、丙烯酸酯或环氧类型的聚合物中。因此获得的聚合物具有至少一个在400nm至700nm之间的吸收带，且优选在400nm至700nm之间的整个可见光谱区吸收。在金属粒子中，可特别由例如银、铬、钛、铂、镍、铜、铁、锌、锡、钯或金等材料制成。优选地，吸收材料选自于银、铝、钛、铬或金。
单元网络以及壁网络的构建可通过使用本领域技术人员已知的源自于微电子的制造方法来获得。作为非限定的示例，这些方法例如是热印、热模压印、微成型、光刻(硬、软、正、负)和微沉积，例如微接触印刷、丝网印刷或喷墨印刷。
所有吸收壁(以及光学构件的单元组)都可直接形成在刚性透明支撑件上，或形成于柔性透明薄膜上，该透明薄膜随后被转移到刚性透明支撑件上。所述刚性透明支撑件在容纳单元的一侧上可以是凸起的、凹入的或平坦的。
单元网络的几何形状由尺寸参数来描述特征，这些尺寸参数通常可减少到平行于光学构件表面的单元的尺寸(D)，对应于将其隔开的吸收壁的高度(h)的单元的高度，以及这些壁的厚度(e)(平行于构件表面测量)。平行于构件表面的这些单元优选由壁厚(e)在0.10μm至5μm之间以及高度(h)小于100μm并优选在1μm至50μm之间(包括1μm和50μm)的壁隔开。
采用上述壁的尺寸，使得并列置于光学构件表面的一组单元具有高于90％的填充因数τ是可能的。在本发明中，填充因数被定义为每单元面积的光学构件内填充有物质的单元所占据的面积。换句话说，至少在设有单元组的光学构件的区域内，所有单元占据了构件面积的至少90％。有利地，该填充因数在90％至99.5％之间，并包括90％和99.5％。
在本发明方法的一个实施方式中，包含在至少一些单元中的具有光学特性的物质是液体形式或凝胶形式。所述物质可特别具有选自于着色、光致变色、偏振和折射率的至少一种光学特性。
本发明的一个方面是生产上述透明光学构件的方法，其包括：在衬底上成形吸收壁网络，以限定平行于所述构件表面的单元；用液体或凝胶形式的、呈现光学特性的物质集中地或单独地填充单元；以及在与衬底相反的侧面封闭单元。
光学构件的单元组可包括含有不同物质的几组单元。类似地，每个单元可填充有具有上述一种或多种光学特性的物质。还可以在构件的厚度上堆叠几组单元。在这个实施方式中，单元组可在每层中具有相同的或不同的特性，或者每组单元中的单元也可具有不同的光学特性。因此，可以设想一层中的单元组包含获得折射率变化的物质，而另一层中的单元组包含具有光致变色特性的物质。
本发明的另一方面涉及在上述方法中使用的透明光学构件。这种光学构件包括至少一个透明的、平行于构件的一个表面的并列设置的单元组，每个单元都被吸收壁隔开。每个单元都被密封且包含至少一种呈现光学特性的物质。
本发明的再一方面涉及通过切割这种光学构件制得的透明光学元件，特别是眼镜。眼镜包括眼科镜片。眼科镜片是指适配到眼镜框中以保护眼睛和/或矫正视力的镜片，这些镜片选自于无焦点的、单焦点的、双焦点的、三焦点的或渐进镜片。虽然眼科光学件是本发明应用的优选领域，应该理解的是本发明可应用到其它类型的透明光学元件中，例如用于光学仪器、特别用于摄影或天文的滤光器的镜片，光学取景镜片，眼睛护目镜，用于照明装置的光学件等等。在本发明中，眼科光学件包括眼科镜片、以及隐形眼镜和眼部植入物。
附图说明
本发明的其它特征和优点将通过参照附图描述的非限定的例示性实施方式而变得清楚，其中：
-图1是本发明光学构件的主视图；
-图2是由该光学构件获得的光学元件的主视图；
-图3是根据本发明第一实施方式的光学构件的示意性剖视图。
具体实施方式
图1中示出的光学构件10是用于制造眼镜的毛坯。眼镜包括如上所述的眼科镜片。当然，虽然眼科光学件是本发明应用的优选领域，应该理解的是本发明可应用到其它类型的透明光学元件中。
图2示出了通过沿图1中虚线示出的预定轮廓切割毛坯10而获得的眼镜11。该轮廓基本上是任意的且适合于毛坯的面积来设置。因而大量生产的毛坯可用于获得适于许多种眼镜框的镜片。被切割的镜片边缘可毫无疑问地进行常规修整，以赋予适合镜框的形状和适合固定镜片到该镜框中和/或美观原因的方法的形状。可在其上钻孔14，例如用来接受将其紧固到镜框上的螺钉。
毛坯10的常规形状可符合工业标准，例如具有直径为70mm(毫米)的圆形轮廓、一前凸起表面12和一后凹入表面13(图3)。因而可使用常规切割工具、修整工具以及钻孔工具来从毛坯10获得镜片11。
在图1和图2中，表面层的部分移除显示出了毛坯10和镜片11的像素化的结构。该结构由形成在构件的一层17中的单元或微腔15的网络组成，每个单元被包含吸收性材料的壁18隔开(图3)。在这些图中，层17、壁18以及单元15的尺寸相比于毛坯10以及其衬底的尺寸是被夸大的，以便更容易地分析附图。
单元15的横向尺寸(D)(平行于毛坯10的表面)大于1微米，并可在达到几毫米的范围内。这种单元网络因而可使用在微电子或微机械装置领域内已确定的技术来生产。组成吸收壁18的层17的高度(h)优选在1μm至50μm之间。吸收壁18的厚度(e)在0.1μm至5.0μm之间可特别获得高的填充因数。
根据眼科光学件的标准操作规程，合并有单元网络15的层17可覆盖有许多附加层19、20(图1)。这些层具有例如抗冲击功能、抗划伤功能、着色功能、抗反射功能、抗污功能等等。在示出的例子中，合并有单元网络的层17直接置于透明衬底16上，但是应该理解的是可在其中设置一个或多个中间层，例如具有抗冲击功能、抗划伤功能以及着色功能的层。
而且，几个单元网络可呈现在形成于衬底上的堆叠层中。因此，例如堆叠层特别地可包括一个单元网络层，其中的单元含有提供元件光致变色功能的物质，而另一层用于向元件提供折射率变化功能。这些单元网络层还可与上述附加层交替。
生产透明光学元件的方法的极大灵活性特别提供了各种各样的组合。因此，在本发明中，光学构件可包括单元网络，其中每个单元都填充有具有一种或多种光学特性的物质，或者单元组15包括含有不同物质的几组单元。光学构件还可由包括至少两层单元组的堆叠组成，每组单元具有相同的光学特性，或者每组单元具有不同的光学特性，或者每组单元中的单元具有不同的光学特性。
透明衬底16可由普遍用在眼科光学件中的玻璃或各种塑料制成。在可使用的塑料中，以指示性而非限定性的方式提及的有：聚碳酸酯；尼龙，聚酰亚胺，聚砜；聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚碳酸酯共聚物，聚烯烃，尤其是聚降冰片烯；二甘醇、双(烯丙基碳酸酯)的聚合物和共聚物；(甲基)丙烯酸聚合物和共聚物，尤其是衍生自双酚A的(甲基)丙烯酸聚合物和共聚物；硫代(甲基)丙烯酸聚合物和共聚物；氨基甲酸酯和硫代氨基甲酸酯聚合物和共聚物；环氧聚合物和共聚物；以及环硫聚合物和共聚物。
合并有单元网络的层17优选位于其前凸起表面12上，而后凹入表面13保持空闲，使得在需要时可选地通过机加工和抛光来再次成形。光学构件也可位于镜片的凹入表面上。显然，光学构件也可集成到平坦的光学元件上。
微腔15填充有液体或凝胶状态的、具有光学特性的物质。可以选择性地对构件前表面进行前期处理以便于壁的材料以及微腔底部的表面润湿。形成具有光学特性的物质的溶液或悬浮液对于网络的所有微腔可以是相同的，这时其可通过以下方式被简单地引入，即：将构件浸入到合适的溶池内、采用例如丝网印刷的方法、旋涂方法、用辊或刮墨刀将物质涂布的方法、或喷雾方法。还可使用喷墨系统局部注射到个别微腔中。
为了密封一组被填充的微腔，例如可采用粘合塑料膜，其被热封或热压到壁18的顶部上。还可将溶解中的可固化材料沉积到将被封闭的区域上，这种材料不与容纳在微腔中的具有光学特性的物质混溶，随后例如通过加热或照射使该材料聚合。
一旦微腔15的网络已经完成，构件可接受附加层或涂层19、20以完成其制造。这种类型的构件是大批量生产和存储以根据用户需求在以后再次取出和个别地进行切割。
如果具有光学特性的物质不打算保留在液体或凝胶状态下，可对其进行凝固处理，例如在物质已被沉积之后的合适阶段采用的加热和/或照射顺序。
在一个变例中。由微腔网络组成的光学构件被构造为柔性透明薄膜形式。这种薄膜可通过与上述那些技术类似的技术制得。在这种情况下，薄膜可被制造在平坦的而不是凸起或凹入的支撑件上。
该薄膜例如以相对大的规模进行工业制造，并随后被切割到适当的尺寸以被转移到毛坯的衬底16上。这种转移可通过几种方式来进行，即：粘接柔性薄膜、加热形成薄膜或者在真空下物理粘合。如先前情况该薄膜可随后容置各种涂层，或者可被转移到衬底16上，如上所述该衬底本身涂覆有一个或多个附加层。
在本发明的一个应用领域中，引入到微腔15内的物质的光学特性涉及到其折射率。沿构件表面调整该物质的折射率以获得矫正镜片。在本发明的第一变例中，该调整可在制造微腔15网络的过程中通过引入具有不同折射率的物质来获得。
在本发明的另一变例中，该调整可通过将折射率可在随后利用照射调节的物质引入到微腔15中来获得。随后，矫正光学功能的写入可通过将毛坯10或镜片11曝光到光线中来进行，该光线的能量沿所述表面是变化的以获得期望的折射率分布，从而矫正患者的视力。这种光线典型地由激光器产生，写入装置类似于蚀刻CD-ROM或其它光存储介质用的装置。感光物质曝光到较大或较小的程度可由激光器能量的调整和/或曝光时间的选择而产生。
可用在这种应用中的物质之一例如可由介孔材料或液晶制成。液晶可通过例如照射所引起的聚合反应来凝固。因而，它们可在选择的状态下被凝固以在通过它们的光波中引入预定的光延迟。在采用介孔材料的情况下，材料的折射率可通过其孔隙率的变化来控制。另一种可能性是使用光敏聚合物，其已知的一个特性是在照射产生的聚合反应过程中折射率是变化的。这些折射率的变化归因于材料密度的改变以及化学结构方面的变化。优选使用聚合反应过程中体积变化非常小的光敏聚合物。
溶液或悬浮液的选择性聚合是在辐射下进行，该辐射相对于构件的表面是空间差异的(spatially differentiated)，从而获得期望的折射率调整。这种调整是根据对被矫正的患者眼睛所估计的屈光异常而预先确定的。
在本发明的另一应用中，以凝胶或液体形式引入到微腔中的物质具有偏振特性。可用在这种应用中的物质之一可以是液晶。
在本发明的另一应用中，以液体或凝胶形式引入到微腔中的物质具有光致变色特性。可用在这种应用中的物质之一作为例子可以是含有核心单元(central motif)的光致变色化合物，该核心单元例如是螺嗯嗪、螺吲哚啉[2，3’]苯并恶嗪、苯并吡喃、螺嗪均相氮杂金刚烷(homoazaadamantanespiroxazine)、螺芴杂环-(2H)-苯并吡喃(spirofluorene-(2H)-benzopyrane)或萘甲[2，1-b]吡喃核。
在本发明中，具有光学特性的物质可以是适于改变传输率的染料或颜料。

Claims (37)

1、一种生产透明光学元件的方法，包括生产光学构件的步骤，该光学构件具有至少一个并列设置的平行于所述构件的一个表面的单元组，每个单元被密封并含有具有光学特性的物质，这些单元由吸收壁隔开，所述壁在基本垂直于所述构件表面定向的侧壁上是吸收的。
2、根据权利要求1所述的生产透明光学元件的方法，还包括沿所述表面上勾画的轮廓切割所述光学构件的步骤，所述轮廓对应于光学元件的预定形状。
3、根据权利要求1所述的方法，其中，所述吸收壁具有至少一个波长在400nm至700nm之间的吸收带。
4、根据权利要求1所述的方法，其中，所述吸收壁在整个可见光谱区具有吸收带。
5、根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述吸收壁还在近红外区具有光谱吸收带，即超出700nm，和/或在近紫外区的光谱吸收带，即低于400nm。
6、根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述壁包括选自吸收性可交联材料、吸收性可聚合材料、混合材料、组合物或金属中的一种或多种材料。
7、根据权利要求6所述的方法，其中，所述吸收性材料的组成或所述壁的组成材料选自固有吸收性材料或通过掺杂、扩散或吸收具有吸收性的粒子而使其具有吸收性的材料。
8、根据权利要求6所述的方法，其中，所述吸收性粒子选自染料、墨水、颜料、胶体、纳米碳管、炭黑、金属粒子或金属合金粒子。
9、根据权利要求8所述的方法，其中，所述金属粒子或金属选自银、铬、钛、铂、镍、铜、铁、锌、锡、钯或金。
10、根据权利要求1或2所述的方法，其中，还包括钻孔通过所述透明光学构件的步骤，用以将所述光学元件固定到固定支撑件上。
11、根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述光学构件的单元组直接形成在刚性透明支撑件上，或形成在柔性透明薄膜内，该薄膜随后被粘接到刚性透明支撑件上。
12、根据权利要求11所述的方法，其中，所述生产透明光学构件的步骤包括在柔性透明薄膜内形成单元组和吸收壁组，随后将所述薄膜粘接到刚性透明支撑件上。
13、根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述刚性透明支撑件在容纳单元网络的一侧上被选择为凸起的、凹入的或平坦的。
14、根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述包含在单元组中的具有光学特性的物质是液体或凝胶形式。
15、根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述生产透明光学构件的步骤包括在衬底上形成吸收壁网络，以限定平行于构件的所述表面的单元，用呈现光学特性的、液体或凝胶形式的物质集中地或单独地填充所述单元，以及在所述单元的与所述衬底相反的侧面上封闭所述单元。
16、根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述光学特性选自着色特性、光致变色特性、偏振特性或折射率特性。
17、根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述单元组平行于所述构件表面的填充因数在90％到99.5％之间，并包括90％和99.5％。
18、根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，将所述单元隔开的吸收壁的平行于所述构件表面的厚度在0.10μm至5μm之间。
19、根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述单元组构成了厚度在1μm至50μm之间，并包括1μm和50μm的层。
20、一种透明光学构件，包括至少一个并列设置的平行于所述构件的一个表面的透明单元组，每个单元由平行于所述构件表面的吸收壁隔开，每个单元被密封且包含至少一种具有光学特性的物质，所述壁在基本垂直于所述构件表面定向的侧壁上是吸收的。
21、根据权利要求20所述的光学构件，包括刚性透明支撑件，所述单元组和所述吸收壁组形成在所述支撑件上。
22、根据权利要求21所述的光学构件，包括刚性透明支撑件，结合所述单元组和所述吸收壁组的透明薄膜粘接在所述支撑件上。
23、根据权利要求20-22中任一项所述的光学构件，其中，所述吸收壁具有至少一个波长在400nm至700nm之间的吸收带。
24、根据权利要求23所述的光学构件，其中，所述吸收壁在整个可见光谱区具有吸收带。
25、根据权利要求23或24所述的光学构件，其中，所述吸收壁还在近红外线区具有光谱吸收带，即超出700nm，和/或在近紫外区的光谱吸收带，即低于400nm。
26、根据权利要求20-25中任一项所述的光学构件，其中，所述壁包括选自吸收性可交联材料、吸收性可聚合材料、混合材料、组合物或金属中的一种或多种材料。
27、根据权利要求20-26中任一项所述的光学构件，其中，吸收性材料的组成或所述壁的组成材料选自固有吸收性材料或通过掺杂、扩散或吸收具有吸收性的粒子而使其具有吸收性的材料。
28、根据权利要求27所述的光学构件，其中，所述吸收性粒子选自染料、墨水、颜料、胶体、碳纳米管、炭黑、金属粒子或金属合金粒子。
29、根据权利要求28所述的光学构件，其中，所述金属粒子或金属选自银、铬、钛、铂、镍、铜、铁、锌、锡、钯或金。
30、根据权利要求20-29中任一项所述的光学构件，其中，所述包含在至少部分单元中的具有光学特性的物质是液体或凝胶形式。
31、根据权利要求20-29中任一项所述的光学构件，其中，所述光学特性选自着色特性、光致变色特性、偏振特性或折射率特性。
32、根据权利要求20-31中任一项所述的光学构件，其中，所述单元组平行于所述构件表面的填充因数在90％到99.5％之间，并包括90％和99.5％。
33、根据权利要求20-32中任一项所述的光学构件，其中，将所述单元隔开的吸收壁的平行于所述构件表面的厚度在0.10μm至5μm之间。
34、根据权利要求20-33中任一项所述的光学构件，其中，所述单元组构成了厚度在1μm至50μm之间并包括1μm和50μm的层。
35、如权利要求20-34中任一项所述的透明光学构件在透明光学元件的制造中的用途，所述透明光学元件选自眼科镜片、隐形眼镜、眼部植入物、用于光学仪器的镜片、滤光器、光学取景镜片，眼睛护目镜、以及照明装置的光学件。
36、一种眼镜，通过切割如权利要求20-34中任一项所述的光学构件而制得。
37、根据权利要求36所述的眼镜，其中，穿过所述构件钻通至少一个孔，用以将镜片紧固到镜框。
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