CN102265206A - 包括腔体集的透明光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及透明光学元件(100)，该元件包括腔体(1)组成的集合，当在垂直于具有所述腔体的该元件表面(S₁)的方向(N)上测量时，各腔体具有各自不同的深度(h)。可使用一种气体或使用至少两种具有不同光折射率值的成分填充该腔体。腔体深度的变化提高了与每个腔体相关的光折射率的等价值的变化，并减少了等价于该光学元件的镜片的粗糙度。

Description

包括腔体集的透明光学元件

本发明涉及一种包括腔体集的透明光学元件。其特别地用于眼科，尤其是用于生产眼镜。

在本说明书的框架内，所谓透明度是指通过该光学元件，并尤其是通过该腔体集清晰地观看任何物体或场景的能力。换句话说，通过该腔体集的光线不会以可能会模糊视线的方式修改。特别地，它并未被扩散也未被衍射，从而通过该腔体集，距该光学元件一定距离的点光源仍会被认为是一个点。

公知的是，通过将具有光学属性的多个部分的物质引入该元件的腔体中，然后密封该腔体来生产光学元件。从而包含在腔体中的该多个部分的物质彼此间被永久地隔离开，并且不能够混合在一起或者在相邻的腔体间扩散。那么，密封在腔体中的物质赋予该光学元件的一个或多个属性在该光学元件的整个可用的寿命内就是固定不变的。

为此，这种透明的光学元件包括，如图1所示：

-具有参考面S₁的基底10；

-墙体网络2，其由面S₁承载，并形成一组被分隔和并列平行于该面的腔体1，墙体2具有各自的顶端T₂，顶端位于距参考面S₁的距离高度h₀处，以及

-用于密封腔体1的薄膜3，其布置在墙体2的顶端T₂上，平行于参考面S₁。

因此，每个腔体1其侧面上都受到墙体2表面的限制，并在沿着垂直于面S₁的方向N上受限于密封膜3和腔体底部B₁之间。在本发明之前带有可用的腔体的光学元件中，每个腔体1的底部B₁与基底10的参考面S₁合并在一起。墙体2的高度h₀从而就等于腔体的内部深度，该深度沿着方向N在顶端T₂和底部B₁之间测量得到。该深度对于该光学元件的所有腔体1来说都是相同的。

此外，每个腔体1都包括一种透明介质。

特别地，墙体2可通过一种光刻树脂(lithographic resin)来构建。从而，可通过一掩罩有选择性地照射树脂层然后固化而形成这些墙体的网络。选择该墙体2的尺寸以防止或减少任何的光扩散，其中该光扩散可能会由每个墙体单独产生。同时，墙体2形成的网络的样式可被选择成防止相长干涉的发生，其中该相长干涉可能会来自于在某些方向上的这种单独的扩散。以这种方式，在上文定义的含意中，墙体2的网络并不降低该光学元件的透明度。

具有光学属性并引入每个腔体1的物质部分构建出其中包含的透明介质。

对于某些应用，为该元件寻求一光学效果，该效果类似于光学镜片的屈光度。为此，包含在腔体1中的该透明介质对光折射率具有各自可变值，从而在该光学元件的面S₁上形成了宏观折射率梯度。以一种公知的方式选择这些折射率梯度，以便生成所寻求的屈光力。该屈光力P由下述关系式给出：

P＝-2·h₀·Δn/R²，(1)

其中R是基底10的圆边C的半径，Δn是在该元件中心O和边缘C之间、包含在腔体1中介质的光学折射率的差。换句话说，Δn＝n(R)-n(O)。根据Δn的标记，等价于该光学元件的镜片是会聚性的(在中心O的n值较大)，或发散的(接近于边缘C的n值较大)。从而针对该光学元件生成的该屈光力受到包含在腔体1中的透明介质的光折射率变化幅度的限制。适于使用以构建这些透明介质的材料可具有在某范围内变化的折射率值，而这不足以获得所寻求的屈光力，特别是当该屈光力高时。

为了克服因可用透明材料带来这一限制，公知的是在相邻腔体之间形成不连续的折射率。这些不连续性会产生光程长度的突然增大，这种增大是一光波长的倍数。从而，对于此波长来说，通过相位叠加(phase folding)效应，该元件的屈光力可增大，与菲涅尔镜片的方式相同。但是，如此一来，该光学元件便具有了显著的色差，这归因于下述事实：光程长度的突然增大仅适于可见光范围内的单一波长。

此外，一种有效并廉价的用于将具有光学属性的多个物质部分引入腔体1的方法，其中在不同腔体间具有可变的合成物，该方法包括使用喷墨式材料注射头将这些部分注射入腔体中。例如，该注射头由两个罐子中供给，其中这两个罐子分别包含两种透明介质成分，并被设计为从其中一个或另一个罐子中生成定量的滴剂。对每个腔体1的填充对应于对于所有的腔体都相同的最大量的滴剂，从而每个填充好的腔体包含一种成分全部量的滴剂，直到用另一成分完成最大量滴剂的填充。从而，包含在腔体1中的透明介质是两种成分的混合，其比例被严格限制为每个腔体中滴剂最大量倒数的倍数。为此原因，包含在腔体中的透明介质的光学属性固定增量地改变，并仅可采用有限数量的值。当此光学属性是光折射率时，如果等价镜片由同种材料构成，那么这种增量的改变具有与等价镜片的厚度阶梯相同的效果。根据另一种解释，这些增量的变化有利于形成等价镜片的粗糙度。因此，它们造成光发散，这降低了光学元件的透明度。

考虑到已知的具有腔体的光学元件的这些限制和缺点，本发明的第一个目标在于提出了这一具有光学折射率明显变化的元件，该光学折射率在一些彼此远离的腔体之间增加。

本发明的第二目标在于提出了一种具有前述类型腔体的色差减少的透明元件。

本发明的第三个目标包括提出了一种具有腔体的透明元件，其在不同腔体间的折射率的变化，可小于现有技术中当以相同方式获取腔体的内容时已知元件的变化。该本发明的第三个目标可特别涉及一种光学元件，其中，使用混合物并通过用于注射材料的喷墨式注射头来填充该光学元件的腔体。

最后，本发明的第四个目标在于提出了一种产生减少的光发散的具有腔体的透明光学元件。

为此，本发明提出了一种具有诸如上文所描述的腔体的光学元件，其特征在于，至少某些腔体具有不同的深度，具有一额外部分的透明固体材料安置在这些腔体每个的底部和基底的参考面之间。此外，该额外部分的材料以及包含在至少一个腔体中的介质具有各自不同的光折射率值。

在已经解释的含意中，本发明的光学元件是透明的。那么，当观察者位于距离该元件的一侧，他会获得位于该元件另一侧上场景的清晰视野，在该场景和该光学元件间也有着间距。

根据本发明，光学元件的一些腔体的差异在于深度变化。对于通过该元件不同腔体的光线来说，这些深度变化产生了光程长度的变化。因此，腔体的深度分布生成于该光学元件的表面上，这可为该光学元件赋予了宏观屈光效果。特别地，腔体的深度及其包含的介质可产生改变，这些变化可被改适以对该元件提供与镜片相似的光效果。从而，该元件本身就具有了屈光力。

本发明所引入的腔体深度的变化在理论上等价于具有不变深度的腔体内包含的虚拟腔体介质的折射率的变化。从而，这种虚拟折射率变化可大于仅由改变腔体内含的透明材料而产生的折射率变化。

假设腔体的深度变化涉及位于每个腔体底部的光线折射，那么产生的色差较小。特别地，其远小于由相位叠加引起的色差。

此外，根据本发明的可变的腔体深度可容易地被精确控制。特别地，它们可被数字化地控制。为此，特别地，这种光学元件具有高度的可复制性，可被大量地生产。

特别地，该腔体的深度改变可容易地控制为较小，这对于通过该元件不同腔体的光束来说，所产生的光程长度变化较小。特别地，光程长度的这些改变可小于由那些混合物产生的改变，其中这些混合物由用于材料注射的喷墨式注射头生成。

根据本发明的第一实施例，具有各自不同深度的多个腔体每个可包含同样的介质。那么对于该腔体的填充就特别简单。特别地，其可为一种集体填充，通过这一填充方式，所有的腔体被同时使用具有单一成分的共同物质填充。

根据本发明的第二实施例，包含在多个具有不同深度的腔体内的介质可分别包括至少由两种腔体填充成分构成的混合物，其比例可在这些腔体的至少部分之间改变。在这种情况下，腔体的深度改变与每个腔体中包含的介质改变结合。特别地，腔体填充成分可具有不同的光折射率值。从而，深度改变和包含在腔体中的介质改变的结合使得所获得的光程长度的改变小于那些可能仅由腔体内所含介质改变所带来的改变。从而可减少等价于光学元件的均质镜片的粗糙度。因此，增加了光学元件的透明度。

本发明还提出一种透明的光学组件，其包括一基本光学组件和一如前文所述的透明光学元件。然后将该透明光学元件固定在该基本组件的一个面上。为此，该光学元件可以是一种薄的具有平行面的多层结构，其中一个主层包含该腔体集。

通过下文对非限定性实施例的描述，并参考附图，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中：

-图1，其业已描述过，是本发明之前已知的具有腔体的光学元件的剖面图；

-图2a和2b分别是根据本发明的光学元件和具有腔体的光学组件的剖面图；

-图3是分别为不利用本发明和利用本发明而获得的两种光学元件的比较图。

在这些图中，为了清晰起见，图1、2a和2b中示出的元件尺寸并不正比于真实尺寸和真实尺寸比。此外，不同附图中同样的附图标记表示相同的元件，或者表示具有相同功能的元件。另外，N表示垂直于实施本发明的基底表面的方向。

通过说明，以下描述涉及本发明在眼科领域的应用。更具体地，该所获取的光学组件是一种眼科眼镜镜片，其能够对该眼镜的佩戴者进行视力纠正。

根据图2a，呈多层结构形式的光学元件100包括形成基底的基膜10，还包括腔体集1以及密封膜3。腔体1可在中间层内形成，该中间层为光刻树脂(lithographic resin)且沿着方向N测量具有厚度h₀。S₁是承载树脂层的基膜10的面。

该腔体1可通过光刻(lithography)形成，从而墙体2对应于交联的树脂部分并永久保持在已经融化的树脂部分之间以便形成这些腔体。此外，用于限定墙体2的光刻掩模可被吸收在对应于腔体1的区域内，在这些区域内具有可变的吸收程度。因此，如果该掩模在此位置被较少地吸收掉的话，则最初位于腔体1位置的一部分光刻树脂更多地被照射。然后在固化树脂的过程中，它更为缓慢地被融化，从而在所形成腔体的底部固化后，树脂的剩余部分4被保持。从而此腔体具有一深度，该深度被剩余部分4的厚度减少。可选地，该树脂可被再次暴露在照射光下，从而交联并因此永久固定该部分4。通常，每个剩余部分4都是固体，也就是说它不能变形、蠕变、流动或与相应腔体1内的内容混合。此外，剩余部分4有利地是惰性的并对于腔体1内含有的透明介质来说是不能被渗透的。以此方式，元件100被提供有腔体1组成的集合，具有能变化的个别腔体深度。这些个别的腔体1深度通常被标记为h。在每个腔体1下部留有的树脂部分4的厚度被标记为p，从而无论是哪个腔体1，h+p＝h₀。为此，每个部分4都被称为相应腔体1的额外部分，并且该面S₁被称为参考面。

对于刚刚描述过的形成该腔体1的方法来说，墙体2和部分4都是通过光刻树脂制成的。可选地，一个或多个涂层可被涂敷在墙体2上，从而这些墙体部分地由和部分4相同的材料制成。

对于其他形成可变深度腔体1的方法来说，可能仅是额外部分4由光刻树脂制成。而墙体2则可由例如二氧化硅(SiO₂)或氧化铝(Al₂O₃)制成。最后，墙体2和部分4至少可部分地通过除光刻树脂外的相同材料制成。通常，腔体1集可由下述技术中的一个制成：影印石板术、立体平板印刷术、凹凸印、激光雕刻等。

不管怎样，额外部分4的材料都是透明的。

相邻腔体1各自的中心被一平行于面S₁的距离D分隔，该距离介于10μm和200μm(微米)之间，优选为40μm和75μm之间。这样，腔体1既足够小，从而它们单个是不可见的，又足够大，从而他们不会造成光扩散。该光学元件100从而美观悦人而且透明。距离D还是腔体1的尺寸，其平行于基膜10的面S₁。

薄膜3可被直接涂敷在墙体2的顶端T₂上，或者具有未示出的凝胶或粘合材料的中间层。不管怎样，厚度h₀都是墙体2的高度，从作为参考的基膜10的面S₁开始测量。每个腔体1的深度h是从墙体2的顶端T₂至该腔体的底部B₁测量得到的，其中该底部对应于在下面的额外部分4的上表面。

如图2b所示，刚描述过的透明光学元件100可被涂敷在基本光学组件200的面S₂₀₀上。这样就获取了新的光学组件，其包括基本组件200以及元件100。该基本组件200本身可为一镜片，尤其为一眼镜镜片。在这种情况下，元件100以及基本眼镜镜片200各自的屈光效果被合并以产生该新的光学组件的总屈光效果。因此，除了基本眼镜镜片200的屈光力外，元件100生成了由关系式(1)给出的屈光力P。在图2b中，R表示面S₂₀₀的直径，其受到边缘C的限制。例如，当基本眼镜镜片200还未被切出到眼镜架座的尺寸时，此直径可等于60mm(毫米)。

为了产生足够的屈光力P，腔体1的深度h可在5μm至30μm间变动，优选在15μm至25μm间变动。

在当前正在描述的第一实施例中，所有的腔体1都包含着相同的透明介质。该介质例如可为空气、惰性气体，或真空。所谓惰性气体是指任何不会与元件100的任何材料发生化学反应的气体，从而在元件100的寿期内其不会发生改变。所谓真空意味着与光学元件100外部的压力相比，该介质在腔体1中具有降低的压力。气态介质的优势在于它们的光折射率值接近于1.0，其展示出与额外部分4的折射率值的显著差别。事实上，由于后者材料是固态的，它的光折射率值通常高于1.6。

更一般地，在参考面S₁和墙体2顶端T₂之间，平行于方向N的光程长度L为：

L＝p·n₄+h·n₁＝[n₄+(n₁-n₄)·h/h₀]·h₀

其中，n₁和n₄分别是其中一个腔体1中所含透明介质和部分4的透明材料的光折射率值。长度L作为光线穿过的腔体1的一个函数变化。换句话说，如图1所示的包含在光学元件腔体(具有固定的并等于h₀的腔体深度，并可导致相同的光程长度)中的均质材料的折射率n_eq为：

n_eq＝n₄+(n₁-n₄)·h/h₀(2)

其被称为腔体1的等效折射率，或者表观折射率。

在本发明的第二实施例中，假设每个元件都被填充由两种成分A和B组成的混合物，两者分别具有不同的光折射率值n_A和n_B。在这种情况下，腔体1含有的透明介质的折射率为：

n₁＝n_A·x_A+n_B·(1-x_A)＝n_B+Δn_AB·x_A

其中，x_A和Δn_AB分别表示成分A在所述腔体1内所含混合物中的比例，以及混合物的两种成分A和B的折射率差(Δn_AB＝n_A-n_B)。对该腔体通过关系式(2)得出其表观折射率：

n_eq＝n₄+Δn_B4·h/h₀+Δn_AB·x_A·h/h₀(3)

其中Δn_B4＝n_B-n₄。两个不同腔体1和1’的表观折射率各由公式(3)给出，它们之间的差则为：

Δn_eq＝Δn_B4·Δh/h₀+Δn_AB·(x_A·h-x_A’·h’)/h₀

＝[Δn_B4+Δn_AB·x_A]·Δh/h₀+Δn_AB·(h’/h₀)·Δx_A  (4)

其中h’是腔体1’的深度，Δh是腔体1和1’之间的深度变化(Δh＝h-h’)，并且Δx_A是腔体1和1’之间成分A的比例变化(Δx_A＝x_A-x_A’，x_A’是腔体1’的成分A的比例)。

如果所有的腔体具有相同的深度h，那么关系式(4)中的第一个项Δn_eq(其正比于深度变化Δh)为零。那么，仅Δn_eq＝Δn_AB·(h/h₀)·Δx_A保留，当Δx_A＝1并且h＝h₀∶Δn_eq MAX＝Δn_AB时最大。

根据本发明，引入腔体深度的变化，将把关系式(4)的第一项添加入该腔体的表观折射率变化。如果n₄大于n_A，其本身大于n_B，则当h＝0，h’＝h₀和x_A’＝0时获得n_eq的最大改变值。即，Δn_eq MAX＝Δn_B4，其绝对值大于Δn_AB。

因此，根据关系式(1)，本发明能够增加元件100可获得的绝对屈光力。

为此，并在与本发明之前已知的光学元件相同的方式下，对每个腔体的表观折射率值的变化，Δn_eq(有关于光学元件100的中心O的值)，优选地满足下述关系式：

Δn_eq(r)-Δn_eq(O)＝[Δn_eq(R)-Δn_eq(O)]·(r/R)²，(5)

其中，r是腔体1从中心O测得的半径距离(图2b)。

此外，当腔体的深度和混合物的比例递增地改变时，腔体深度变化通过关系式(4)加入了Δn_eq的额外值，其介于0和Δn_eq MAX之间。基于相同的成分A和B的混合以及相同的混合比例的增量，表观折射率的差值Δn_eq中可获得的值比具有固定腔体深度的光学元件数量更多。从而可减少与公式(5)计算出的值有关的Δn_eq值的差。结果，本发明还能够减少出现在相邻的腔体之间的光程长度的突然增加。等价于光学元件100的均质材料的镜片从而可具有减小的粗糙度。为此，具有可变腔体深度的光学元件100更加透明。

发明人已经确定了等价均质镜片的二次粗糙度来自于每个腔体两种贡献的结合。

对每个腔体1的该二次粗糙度的第一贡献来自于对各个腔体的使用，在每个腔体中，表观折射率n_eq是统一的。换句话说，该第一贡献来自于将面S₁分隔为离散腔体，通常被称为像素化。其正比于平行于基底10的面S₁的腔体1的尺寸D的平方。此外，该第一贡献更针对元件100的边缘C(对于固定尺寸为D的腔体)。确实，根据关系式(5)，Δn_eq的变化在接近于边缘C的地方较高，从而固定尺寸D在光程长度上产生了突然的增加，该突然增加随着半径距离r而增加。实际上，与现有技术的已知光学元件相比，本发明并没有改变对等价镜片二次粗糙度的第一贡献。

对于每个腔体1的第二贡献来自于该腔体的Δn_eq的实际值和由公式(5)为该腔体中心计算的理论值之间的差值，其为将此腔体中心与光学元件100的中心O分隔的半径距离r的函数。确实，实际值取决于用于形成引入到腔体内的两种成分A和B的混合物的技术。当如上文所述的注射头被用于注射材料时(任意一种引入腔体内的混合成分A和B的每一滴具有固定容量)，该第二贡献主要正比于该滴剂量的平方而变化。确实，该滴剂量将可获得的混合物比例限制为离散值，这样，其还限制了表观折射率的实际差值Δn_eq。正如已经解释的，本发明能够减少对等价于该光学元件100的镜片的二次粗糙度的第二贡献。

但是该第二贡献同时取决于低剂量和腔体1的个体容量。确实，当该腔体本身较小时，混合物比例的可达到离散值的数较小。因此，对于二次粗糙度的第二贡献同时反比于腔体的尺寸D的平方。

镜片的平均二次粗糙度ρ_moy通过计算所有腔体贡献的平均二次值而获得。由于上文给出的第一腔体贡献，对于镜片的固定尺寸R来说，当该尺寸足够大时，平均二次粗糙度ρ_moy正比于腔体尺寸D而改变，典型地大于80μm。由于也在前面已经解释过的第二腔体贡献，当腔体尺寸D趋近于零时，其还变得无穷大。正是由于这些极端的改变，相对于腔体尺寸D的改变，镜片的平均二次粗糙度ρ_moy具有最小值。

图3示出了等价于光学元件100的均质镜片的平均二次粗糙度的变化，其作为腔体尺寸D的函数。尺寸D的值，以微米(μm)表示，被标记在x轴上。平均二次粗糙度ρ_moy的值以纳米(nm)来表示，并标记在y轴上。图中示出的两个曲线对应于以下值：R＝10mm，P＝1.0屈光度，n_eq(R)-n_eq(O)＝0.25并且滴剂量为6pl(皮升picolitre)，分别对应于固定腔体深度(以虚线示出的曲线对应于本发明之前的现有技术)以及可变深度(实线对应着本发明的使用)。在可变腔体深度的情况下获取的二次粗糙度的最小值约为133nm。其在腔体1的尺寸D大约为50μm时得到。通过比较，在不改变腔体深度的情况下二次粗糙度的最小值大约为170nm²，其在腔体1的尺寸D为70μm时得到。

可以理解的是，在上文对本发明的描述中所引述的数值仅仅是说明性的。本领域技术人员将知道如何根据光学元件的用途而调整它们。此外，可以改变生产光学元件腔体的方法，以及用于填充它们的技术。

Claims (14)

1.透明光学元件(100)，其允许通过所述光学元件清晰地看见物体或场景，所述光学元件包括：

-具有参考面(S₁)的基底(10)；

-墙体(2)网络，其由所述参考面承载，并形成分隔开并列平行于所述参考面的腔体(1)的集合，该墙体具有各自的顶端(T₂)，所述顶端位于从参考面测量的固定高度(h₀)处，以及

-薄膜(3)，其用于密封所述腔体，排列在所述墙体的顶部并平行于所述参考面，

每个腔体(1)侧面受所述墙体的面的限制，并沿着垂直于所述参考面(S₁)的方向(N)在密封薄膜(3)和腔体底部(B₁)之间受到限制，其具有沿着所述垂直方向在墙体顶端(T₂)和所述腔体底部之间测量出的内高(h)，并包含一种透明介质，

所述光学元件的特征在于，至少部分所述腔体(1)具有不同的深度(h)，并具有透明固态材料形成的额外部分(4)，所述额外部分被安置在每个所述腔体的底部(B₁)和参考面(S₁)之间，

所述额外部分(4)的材料以及在至少一个腔体(1)内含有的介质具有各自不同的光折射率值。

2.根据权利要求1所述的透明光学元件，其特征在于，所述墙体(2)至少部分地由与所述额外部分(4)材料相同的材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的透明光学元件，其特征在于，所述额外部分(4)的材料是光刻树脂。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的透明光学元件，其特征在于，具有各自不同深度(h)的多个腔体(1)，每个含有同样的介质。

5.根据权利要求4所述的透明光学元件，其特征在于，所述同样的介质是空气、惰性气体、或为真空。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的透明光学元件，其特征在于，在多个具有各自不同的深度(h)的腔体(1)中包含的媒介，分别包括至少具有两种成分的混合物以用于填充所述腔体，其比例可在至少部分所述腔体间改变。

7.根据权利要求6所述的透明光学元件，其特征在于，用于填充所述腔体(1)的成分具有各自不同的光折射率值。

8.根据前述任一项权利要求所述的透明光学元件，其特征在于，所述腔体的深度(h)在5μm和30μm之间改变，优选为15μm和25μm之间。

9.根据前述任一项权利要求所述的透明光学元件，其特征在于，相邻腔体(1)的中心，平行于所述参考面(S₁)，被一距离(D)分隔，所述距离介于10μm和200μm之间，优选为在40μm和75μm之间。

10.根据前述任一项权利要求所述的透明光学元件，其特征在于，所述腔体(1)的深度(h)以及包含在所述腔体内的媒介具有适于赋予所述元件一相似于光学镜片效果的屈光力变化。

11.根据前述任一项权利要求所述的透明光学元件，其特征在于，所述基底(10)包括一基膜。

12.透明光学组件，其包括基本光学组件(200)和根据权利要求11所述的透明光学元件(100)，所述元件被固定在所述基本组件的面(S₂₀₀)上。

13.根据权利要求12所述的透明光学组件，其形成了一种眼科眼镜镜片，其能够为所述镜片的佩戴者产生一种视力矫正。

14.根据权利要求13所述的透明光学组件，其特征在于，所述基本光学组件(200)本身为一种眼镜镜片。

Images