CN107530733A - 经校正光色散的消色差梯度折射率光学元件 - Google Patents

Abstract

一种经校正光色散的光学元件，所述光学元件包括：第一纳米复合油墨，所述第一纳米复合油墨包括分散于固化有机基质中的纳米填充剂；第二纳米复合油墨，所述第二纳米复合油墨包括分散于固化有机基质中的所述纳米填充剂，所述第二纳米复合油墨的光色散不同于所述第一纳米复合油墨的光色散，其中所述第一纳米复合油墨和所述第二纳米复合油墨的分布产生光色散折射梯度，其中所述折射梯度校正色像差。

Description

经校正光色散的消色差梯度折射率光学元件

相关申请的参考

本申请案主张2015年1月19日提交的美国专利申请案第14/599,731号的权益，并且其是2014年6月2日提交的美国专利申请案第14/293,574号的部分接续申请案，并且本申请案同样主张2014年8月8日提交的美国临时专利申请案第62/013,500号的权益。

技术领域

本发明通常涉及校正通过媒介中的光色散所造成的光色像差。本发明尤其涉及使用打印技术的光色散校正的折射梯度指数(GRIN)光学设计和制造。

背景技术

光色散是一种众所周知的光学现象，其指媒介中的折射率的波长依赖性。对于例如光谱学的应用，需要光色散以使波长分离。对于成像光学件，光色散造成被称作色像差的非所要的波长相依焦移。本领域中已知减小色像差的多种解决方案。

消色差透镜通过利用具有不同光色散的不同玻璃类型(通常是冕牌玻璃以及燧石玻璃)提供色像差补偿。消色差透镜的一个实例是双合透镜。双合透镜由具有不同光色散的正透镜和负透镜构成，其包夹在一起，从而形成单个光学件。在双合透镜中，不同光色散和透镜形状降低色像差，通常局限于两个波长的焦移校正。可用额外透镜、透镜间的空气空间以及非球面透镜形状实现增加的波长校正。另一校正解决方案利用梯度折射率(GRIN)膜。

校正具有GRIN光学件的色像差的一种方法是通过从连续的GRIN材料形成透镜。一种此类方法描述于美国专利公开案第US 20130003186A1号中，其中通过形成透镜的连续的GRIN材料的光色散来部分地校正由光的初步色散进入单个透镜中所造成的波长分离。

本申请案涉及另一种方法。

发明内容

本发明针对色散校正的光学元件。在一个方面，根据本发明的光学元件包括第一纳米复合油墨，所述第一纳米复合油墨包括分散于固化有机基质中的纳米填充剂。第二纳米复合油墨，所述第二纳米复合油墨包括分散于所述固化有机基质中的纳米填充剂，第二纳米复合油墨的光色散不同于第一纳米复合油墨的光色散。第一纳米复合油墨和第二纳米复合油墨的分布产生光色散梯度，其中色散梯度校正色像差。

附图说明

包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示意性地说明本发明的优选实施例，以及上文所给出的大体描述以及优选方法的具体实施方式和下文给出的实施例，用于解释本发明的原理。

图1A是示意性地说明用于制造根据本发明的光学元件的两个打印头光学打印装置的透视图。

图1B是示意性地说明用于制造根据本发明的光学元件的四头光学打印装置的透视图。

图2A是示意性地说明根据本发明的衬底上的体素处的第一纳米复合油墨的沉积的横截面图。

图2B是示意性地说明进一步包含第二纳米复合油墨沉积的展示于图2A中沉积的横截面图。

图2C是示意性地说明来自如图2B中所展示的第一纳米复合油墨和第二纳米复合油墨的纳米填充剂的扩散或对流混合的所得纳米复合材料的横截面图。

图2D是示意性地说明第一纳米复合油墨与第二纳米复合油墨之间的所得折射梯度的横截面图，所述第一纳米复合油墨和第二纳米复合油墨来自第一纳米复合油墨和第二纳米复合油墨的纳米填充剂的扩散，其中第一纳米复合材料在第二纳米复合材料的沉积之前部分地固化。

图2E是示意性地说明纳米复合油墨并排地沉积的横截面图。

图2F是示意性地说明展示于图2E中的纳米复合油墨沉积的横截面图，其中纳米复合油墨混合导致折射梯度曲线的缓慢过渡。

图2G是示意性地说明展示于图2E中的纳米复合油墨沉积的横截面图，其中纳米复合油墨混合导致折射梯度曲线的较快过渡。

图2H是示意性地说明空气中纳米复合油墨的混合的横截面图。

图3A是示意性地说明根据本发明的一个优选实施例的光学元件的折射梯度的横截面图，包含第一纳米复合油墨，所述第一纳米复合油墨包括分散于固化有机基质中的纳米填充剂，和第二纳米复合油墨，所述第二纳米复合油墨包括分散于固化有机基质中的纳米填充剂，第二纳米复合油墨的光色散不同于第一纳米复合油墨的色散，其中第一纳米复合油墨和第二纳米复合油墨的分布产生色散梯度，色散梯度补偿色像差。

图3B是示意性地说明进一步包含示范性射线的展示于图3A中的光学元件的横截面图。

图3C是示意性地说明展示于图3B中的光学元件的横截面图，其中示范性射线成角度接近光学元件。

图4A是示意性地说明展示于图3A中的光学元件的透视图，其中梯度折射率(GRIN)阿贝数(Abbe-number)根据光轴径向地变化。

图4B是示意性地说明展示于图4A中的另外细节的横截面图。

图5A是示意性地说明展示于图3A中的光学元件的部分透明的透视图，其中GRIN阿贝数径向地变化且沿光轴变化。

图5B是示意性地说明展示于图5A中的另外细节的部分横截面透视图。

图6A是示意性地说明本发明的另一实施例的横截面图，其中光学元件具有负焦强。

图6B是示意性地说明本发明的另一实施例的横截面图，其中光学元件是成像光学件。

图6C是示意性地说明本发明的另一实施例的横截面图，其中光学元件是光束扩展器。

图6D是示意性地说明根据本发明的另一光束扩展光学元件的横截面图。

图7A是示意性地说明具有色像差的光学系统的横截面图。

图7B是示意性地说明展示于图7A中的具有根据本发明的另一实施例的补充的横截面图，其中光学元件校正光学系统的色像差。

图8A是示意性地说明根据本发明的另一实施例的横截面图，其中衬底是光学件。

图8B是示意性地说明根据本发明的另一实施例的横截面图，其中在沉积之后塑形光学元件。

图8C是示意性地说明根据本发明的另一实施例的横截面图，其中在模具中打印光学元件。

具体实施方式

现参看图式，其中由相同参考编号指代相同组件。尽管本领域的任何技术人员可以将轴线变换成其它坐标或拓扑，但图式通过笛卡尔(相互垂直)轴x、y和z表征。当参看光学元件时，z轴通常指光传播的方向，且x轴和y轴是横轴。在下文中进一步描述制造方法和光学元件。

图1A示意性地说明用于制造根据本发明的光学元件的喷油墨打印装置10。出于说明的目的，简化了打印装置10。本领域的技术人员通常将了解喷油墨打印方法，参加见理查德查托夫(Richard Chartoff)等人在2003年自由实体(Solid Freeform，SFF)会议上提出的“Functionally Graded Polymer Matrix Nano-Composites by Solid FreeformFabrication”和理查德查托夫等人在2005年SFF会议上提出的“Polymer MatrixNanocomposites by Inkjet Printing”。

图1A的打印装置10具有分别容纳纳米复合油墨22A和22B的贮存器12A和贮存器12B。贮存器12A和12B分别经由馈线14A和14B提供具有纳米复合油墨22A和22B的打印头16A和16B。打印头16A和16B在特定体素处的衬底18上沉积纳米复合油墨22A和22B，从而形成进程中光学元件20。体素是指在三维空间中的位置。载台17相对于打印头定位衬底18以用于将纳米复合油墨沉积于特定体素处。

衬底18可由多种材料制成，所述材料包含玻璃、金属、陶瓷和有机树脂。衬底18可变成光学元件的一部分或替代地光学元件可从衬底移除。对于衬底变成光学元件的一部分中的应用，衬底可以是光学透射的、反射的或吸收的。举例来说，在光学元件是光学透射的和衬底变成光学元件的一部分中的应用中，需要衬底是光学透明的。

在从打印头中的一个沉积纳米复合油墨之后，衬底18可相对于辐射源19A定位，以用于在体素处选择性固化纳米复合油墨。选择性固化是指围绕体素的局部辐射，从而激活有机主体基质。有机主体基质的激活固化纳米复合材油墨。选择性固化表示零固化、部分固化或完全固化，其分别表示不固化、部分固化或完全固化纳米复合油墨。另一辐射源19B大量固化衬底上的纳米复合油墨。当所有纳米复合油墨需要部分或完全固化时，需要大量固化。

图1B说明展示于图1B中的具有容纳纳米复合油墨22C和22D的额外贮存器12C和12D、馈线14C和14D以及打印头16C和16D的打印装置10。额外打印头提供与其它打印头中的纳米复合油墨不同的额外纳米复合油墨。

图2A示意性地说明展示于图1A中的进程中光学元件20的另外细节。沉积于衬底18上的纳米复合油墨22A受纳米复合空气界面26A限定。纳米复合油墨由具有遍及有机基质的分散纳米填料剂24A的有机基质构成。有机基质是可喷油墨打印的、光学透明的、可光固化的树脂。适合的有机基质材料的四个非限制性实例是聚丙烯酸酯、己二醇二丙烯酸酯(HDODA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、二甘醇二丙烯酸酯(DEGDA)和SU-8。纳米填充剂是相对于光波长足够小的陶瓷纳米颗粒，对于光学元件旨在使用的那些波长，不散射光。纳米复合油墨可根据纳米填充剂类型、有机主体基质类型或纳米填充剂的浓度和其组合而不同。纳米填充剂的非限制性实例包含氧化铍(BeO)、氮化铝(AlO)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、氧化锆(ZrO)、正钒酸钇(YVO₄)、三氧化钛(TiO₂)、硫化铜(CuS₂)、硒化镉(CdSe)、硫化铅(PbS)、二硫化钼(M0S₂)和二氧化硅(SiO₂)，包含具有核心、核壳和核壳配体架构的那些实例。纳米复合油墨的光色散取决于有机基质和纳米填充剂。

光色散通过阿贝数(Vd)表征。阿贝数指示光色散的程度，其通过以下公式描述：

其中n_yellow是在587.56纳米(nm)处的折射率，n_blue是在486.13nm处的折射率，n_red是在656.27nm处的折射率。高阿贝数指示低光色散。当参看GRIN光学件时，GRIN阿贝数(V_GRIN)适用于描述光学元件内的光色散变化。GRIN阿贝数通过以下公式描述：

其中Δ指示在前述波长依赖指数参考点处的折射率的变化。高阿贝数指示通过GRIN材料的低光色散。可以通过组合有机基质和纳米填充剂定制纳米复合油墨的光色散。可通过如本文中随附实例所显示的方法来获得GRIN阿贝数的正值和负值。组合纳米填充剂BeO，且有机主体聚丙烯酸酯产生约2244的GRIN阿贝数。

将纳米填充剂纤维锌矿w-AlN与有机主体聚丙烯酸酯组合，产生约959的GRIN阿贝数。

将纳米填充剂AlN与有机主体SU8组合，产生约-356的GRIN阿贝数。

将纳米填充剂ZrO₂与有机主体SU8组合，产生约-242的GRIN阿贝数。

本领域的技术人员将了解，精确的GRIN阿贝数将根据材料和材料制造方法的可变性而变化。前述阿贝数和GRIN阿贝数使用可见光谱中的三个波长参考点，但可选择其它波长参考点以供应用于其它光谱中，那些波长参考点呈从短波长到长波长的校正次序。举例来说，在800nm、900nm和1000nm的近红外应用中可分别置换波长参考n_blue、n_yellow和n_red。材料的额外部分色散将影响有机基质和纳米颗粒的选择。材料的部分色散通过随波长变化的折射率的变化率表征。

图2B示意性地说明展示于图2A中的进程中光学元件20的另外细节，所述进程中光学元件在高于纳米复合油墨22A的体素的体素处具有纳米复合油墨22B的额外沉积。在本文中，在沉积之后展示纳米复合油墨22B，其通过分散的纳米填充剂24B、油墨至油墨界面28A(其中尚未发生纳米颗粒油墨之间的混合和空气油墨界面26B表征。

图2C示意性地说明如图2B中所展示的进程中光学元件20，其中在纳米复合油墨22B的沉积之前的纳米复合油墨22A的选择性固化是零固化。纳米复合油墨30是未经固化纳米复合材料22A和22B的所得混合物。纳米复合油墨30通过分散于其内的空气油墨界面32以及纳米填充剂24A和24B表征。纳米复合油墨30的顶部和底部之间的折射梯度取决于由以下因素产生的对流混合：相对大小、速度、纳米复合油墨之间的纳米填充剂浓度、纳米复合油墨22B沉积下降之前纳米复合油墨22A的任何部分固化、衬底的温度、以及纳米复合油墨的额外部分固化之前允许纳米填充剂从纳米复合油墨22A和22B扩散的时间。

图2D示意性地说明如展示于图2B中的进程中光学元件20，其中纳米复合材料22A被部分固化。在本文中，纳米复合材料22A的部分固化产生纳米复合材料22A和22B之间的梯度区域28B。梯度区域28B的范围取决于纳米复合油墨22A的选择性固化。零固化允许如图2C中所示范的纳米复合油墨的混合物。部分固化允许如图2D中所示范的受限梯度区域28A中的扩散。完全固化允许极少扩散且产生如图2B中所示范的基本上油墨至油墨界面28A。除了控制梯度区域，后续沉积之前的部分固化降低所得光学元件中的压力和张力。

图2E示意性地说明展示于图1A中的进程中光学元件20，其中并排沉积纳米复合油墨。在本文中，具有纳米填充剂24B和油墨空气界面26B的纳米复合油墨22B沿纳米复合油墨22C的侧部沉积。纳米复合油墨22C不具有受空气界面26C限定的纳米填充剂。

图2F示意性地说明如图2E中所展示的进程中光学元件20，其中纳米复合油墨22B与纳米复合材料22C混合，产生梯度纳米复合材料22D。在本文中，受油墨空气界面26D限定的纳米复合材料22D具有纳米填充剂24D，所述纳米填充剂是与分布于折射梯度曲线29B中的纳米复合油墨22B相同的纳米填充剂。梯度是混合纳米复合材料的结果，其中纳米复合材料22B的部分固化是最小化的，且在进一步部分固化之前允许前述对流混合和时间。折射梯度曲线29B通过高折射率n_B表征，高折射率归因于24D的高浓度，折射梯度的折射率缓慢且平滑地从y方向过渡到较低n_C，低折射率归因于纳米颗粒24D的低浓度。

图2G示意性地说明如图2E中所展示的进程中光学元件20，其中已在纳米复合油墨22C沉积之前部分地固化纳米复合油墨22B。在本文中，纳米复合油墨22B的部分固化产生在界面24AB处纳米复合油墨22C的有限混合，从而产生折射梯度29C。折射梯度曲线29C通过高折射率n_B表征，高折射率归因于纳米颗粒24D的高浓度，折射梯度的折射率在y方向上不变化，直到在前一界面24AB处快速过渡到低折射率n_B。可替换的是，可通过限制前述混合因素(例如，控制纳米复合油墨沉积速度、限制衬底的扩散温度控制和在控制时间内固化经沉积纳米复合油墨)在沉积纳米复合材料22C之前在不部分固化纳米复合油墨22B的情况下获得折射梯度曲线29C。

图2H示意性地说明另一纳米复合油墨混合方法。沉积纳米复合油墨26B和纳米复合油墨26C，使得对应打印头对准以使得纳米复合油墨在空气中混合，产生纳米复合油墨22E。纳米复合油墨22E接着被沉积、混合到具有由油墨空气界面26B限定的纳米填充剂24E的衬底18上。

图3A示意性地说明用打印装置制造的经校正光色散的光学元件40。光学元件40是正梯度折射率透镜(GRIN)，其通过光轴41、空气元件界面42A和元件空气界面42B表征。光学元件40具有沿光轴的较高纳米填充剂浓度44A和形成折射梯度的较低浓度44B。在本文中，折射梯度通过超抛物线折射率曲线45、沿光轴41的纳米填充剂的最高浓度表征。本领域的技术人员将了解“木透镜”的一般设计。形成光学元件的纳米复合油墨的沉积允许其它折射梯度曲线，包含球面的、抛物线的、轴向的、锥形的、不对称的或以其它方式在一个、两个或三个轴上递变的曲线，包含在其它坐标变换(例如，有角度的)中产生的曲线。另外，折射梯度曲线可沿任何轴从前述的那些曲线变成其它曲线。

图3B示意性地说明展示于图3A中的具有额外示范性光射线51、52和53的光学元件40。光射线51由至少两个不同波长构成，且沿零度入射角处的光轴41进入空气元件界面42A处的光学元件40，光学元件具有关于光轴的对称折射梯度，从而由至少两个不同波长组成的光射线51根据斯涅尔定律(snell's law)折射到纳米复合油墨中，

n₁(λ)sin(θ₁)＝n₂(λ)sin(θ₂)

其中，n₁(λ)是第一媒介的波长依赖折射率，θ₁是垂直于第二媒介的入射的入射角，n₂(λ)是第二媒介的波长依赖折射率，且θ₂是进入第二媒介的角度。在本文中，第一媒介是空气，入射的入射角是零，第二媒介是纳米复合油墨，且进入第二媒介的角度是零，不产生光射线51的光色散。

由至少两个不同波长组成的光射线52，其以零度入射角进入空气元件界面42A处的光学元件40，由于具有正GRIN阿贝数的光学元件的横向折射梯度而经历光色散。光射线52的光色散造成光束分离，通过短波长52A(短射线)和长波长射线52B(长射线)示范。本领域的技术人员将了解改编射线分离是出于说明的目的。

短射线52A和长射线52B通过光学元件传播，GRIN阿贝数从正平滑地变成负，从而减少短光束的折射，同时增加长光束的折射，从而在点53处产生光束的再组合。光学元件的阿贝数从负到正的变化造成短光束的增加的折射和长光束的减少的折射，从而产生光束分离。光学元件的GRIN阿贝数再次从正变成负产生元件空气界面42B处的前述光束再组合。界面42B上的入射角使得界面处的折射产生以大约相同角度离开元件40的短射线和长射线，共同朝向焦点54A传播，从而大约不经历焦移。

尽管仅展示两种射线，但本领域的技术人员将了解，可通过前述技术以及波长的连续频带(或另外被称为宽频带)来校正额外波长。GRIN阿贝数的变化不必与光束分离对准，且可发生GRIN数的变化，使得无光束重叠，直到元件空气离开界面。GRIN阿贝数不必要是平滑功能或如所展示的正弦曲线。同样，光束重叠可在光学元件内的多个波长上发生多次。GRIN阿贝数在空间上取决于入射射线，且将根据进入光学元件和入口位置的角度而经历不同值。

图3C示意性地说明展示于图3B中的光学元件，其中光射线51、52和53接近不与产生离轴焦点位置54B的光轴41平行的入射角。平面中的离轴焦点位置54B横向于光轴41，所述平面也含有焦点54A。

图3B详述轴向色像差的校正。轴向色像差通过沿光轴的不同波长的焦移表征。图3C详述横向色像差的校正。横向色像差通过焦平面中的不同波长的焦移表征。除色像差校正外，光学元件可校正几何像差。

一些非限制性几何像差包含球差、慧形像差、像散、场曲和失真(被称为赛德尔像差(Seidel aberration))。球差通过轴上离焦表征。慧形像差通过离轴场点的离焦表征。像散通过轴向平面到光轴的不对称焦强表征。场曲通过聚焦在弯曲表面而非优选的平面表面上表征。失真通过随距光轴的距离变化的非线性焦强表征，产生枕形失真或桶形失真。如前述，所公开的技术允许可校正除色像差以外的所列举的那些几何像差及其组合的复杂折射梯度曲线。此外，可在沉积纳米复合油墨之前测量光学元件的衬底的几何像差，且通过更改光学元件的梯度折射率在最终光学元件进行校正以校正所测量的几何像差。

可使用多种技术来测量几何像差。对于恒定折射率光学件，可在了解光学件表面和材料的情况下确定几何像差。光学件的材料通常是已知或可确定的。便宜的方法包含折射和发射光谱测定法或量测折射法，所述方法是本领域中熟知的技术。可用扫描电子显微法、x射线光谱测定法和其它高级技术实现具体的元件材料分析。可用干扰测量法、轮廓测定法和其它相关技术测量表面特性。能够测量前述的那些几何像差以及其它的器具可购自例如康涅狄格州米德尔菲尔德的ZYGO公司(ZYGO Corporation)的光学度量衡公司。

图4A和图4B示意性地说明本发明的另一优选实施例。光学元件60是具有与大体上展示于图3A中的光学元件类似的具有抛物线GRIN曲线的GRIN光学件。在本文中，光学元件具有沉积的纳米复合材料，使得GRIN阿贝数根据示范性GRIN阿贝数曲线64沿对称圆筒形从光轴41径向地变化。GRIN阿贝数曲线64具有拐点62A、62B和62C，从而校正由光色散造成的光束分离。

图5A和图5B示意性地说明本发明的又一优选实施例。光学元件70是具有与大体上展示于图3A中的光学元件类似的具有抛物线GRIN曲线的GRIN光学件。在本文中，光学元件70具有沉积的纳米复合材料，使得GRIN阿贝数从光轴41径向地变化且沿光轴变化。空气元件界面76A处的GRIN阿贝数曲线74A具有拐点72A、72B和72C。通过光学元件变化的阿贝数曲线产生GRIN阿贝数曲线74B。

图6A、图6B、图6C和图6D示意性地说明本发明的其它优选实施例，其中较暗阴影区表示光学元件的较高折射率。在图6A到图6D中的每一个中，可实施前述技术或其组合。图6A示意性地说明光学元件80A，其中光焦强为负，使得入射光束82A从光轴41偏离。图6B示意性地说明成像光学元件80B，其中场点84A被成像到图像点84B。图6C示意性地说明光学元件80C，其中光焦强沿光轴41从负变成正，使得入射准直光束82C偏离然后汇聚，使得其离开经扩展和准直的光学元件80A。图6D示意性地说明光学元件80D，其中正光焦强沿光轴41变化，使得入射光束82D在光学元件内聚焦，接着偏离和扩展，最后离开经扩展和准直的光学元件80D。

图7A示意性地说明具有色像差的光学系统90A。光学系统90具有朝向平凸透镜94传播的光射线91A、92A和93A，所述平凸透镜由玻璃组成。由至少两个不同波长构成的光射线92A沿光轴41以零度入射角进入空气玻璃界面95A处的平凸透镜94，从而光射线92A不经历光色散。关于光轴41对称的光射线91A和93A经历相同光学效应，本文中详细说明光射线91A。由至少两个不同波长构成的光射线91A由于透镜94的凸透镜形状以入射角进入空气玻璃界面95A处的光学元件94。由于玻璃的光色散，光射线91A经历色像差，通过朝向超过长波长射线91C(长射线)的光轴折射的短波长射线91B(短射线)示范。短射线91B和长射线91C通过玻璃至玻璃空气界面95B传播，其中再次发生折射，产生聚焦于点96A处的光轴41上的短射线91B和聚焦于点96B处的光轴41上的长射线91C。

图7B示意性地说明具有根据本发明的光学元件96的补充的展示于图7A中的光学系统，其在平凸透镜94之后定位。短射线91B和长射线91C进入空气元件界面95C处的光学元件96，经历折射到光学元件96中。光学元件由至少两种纳米复合油墨组成，从而使用前述技术的纳米复合油墨的分布以一角度朝向元件空气界面95D导引短射线和长射线，使得界面95D处的折射导致短射线91B和长射线91C离开光学元件96重叠或朝向重叠点96C共同传播，从而校正光学系统90的色像差。

同时，这展示一个特别的实例，可校正其它位置和其它光学系统。举例来说，可在平凸透镜94校正以前定位光学元件以用于以后经历的色像差。可替换的是，可用根据本发明的光学元件来校正构成透镜、反射镜、光纤、衍射光学件、其它光学组件、所公开的光学元件及其组合的其它光学系统。

图8A是示意性地说明光学元件100A的横截面图。光学元件100A具有衬底102，其中衬底是由玻璃组成的平凸光学件。沉积纳米复合油墨以形成具有纳米填充剂106的块状纳米复合材料104的折射梯度，从而校正平凸光学件的色像差和几何像差。元件空气界面108经展示是平面，但是可以用与下面的衬底或其它几何形状保持一致的方式进行打印。

图8B示意性地说明已成形光学元件100B的横截面图，其中光学元件100B在沉积之后成形。首先沉积纳米复合油墨，接着通过例如单点金刚石车削或化学机械抛光或基于溶剂的未固化聚合物的移除的方法部分移除，形成空气元件界面112，其中界面具有曲率。使用校正色像差和几何像差的前述技术构造剩余的纳米复合油墨和纳米填充剂106。

图8C示意性地说明用于打印光学元件114的模具的横截面图。在本文中，模具是衬底且在纳米复合材料模具界面118处具有曲率，使得纳米复合油墨符合模具曲率，导致光学元件114在移除时保持模具界面的曲率。使用校正所得光学元件的色像差和几何像差的前述技术构造纳米复合油墨和纳米填充剂106。

根据本文提供的本发明的描述，本领域的技术人员可根据本发明设计光学元件。举例来说，本领域的技术人员可通过使用可购自光学设计软件(例如，购自华盛顿贝尔维尤的光学设计软件公司(Zemax Corporation)的ZEMAX)设计描述GRIN材料的光学元件。

本发明涉及的本领域的技术人员将了解，尽管使用特定折射曲线、GRIN阿贝数曲线和材料示范创造性光学元件的上述实施例和制造方法，但在不脱离本发明的精神和范畴的情况下可使用这些实施例组合其它方法。

尽管上文说明的实施例中的一些假设关于光轴对称，本领域的技术人员将了解并不要求径向对称性，且可用所公开的技术实施圆筒形光学元件。尽管在上文关于色像差描述本发明的实施例，但是本发明同样适用于替代的光像差校正。另外，所描述的技术允许无热的设计，使得所公开的光学元件校正折射率(dn/dT)的温度系数。

综上所述，上文就具体实施例描述本发明。但是，本发明不限于本文中所描述和描绘的实施例。确切地说，本发明只受此处随附的权利要求书限制。

Claims (48)

1.一种经校正光色散的光学元件，所述光学元件包括：

第一纳米复合油墨，所述第一纳米复合油墨包括分散于固化有机基质中的纳米填充剂；

第二纳米复合油墨，所述第二纳米复合油墨包括分散于所述固化有机基质中的所述纳米填充剂，所述第二纳米复合油墨的光色散不同于所述第一纳米复合油墨的光色散；且

其中所述第一纳米复合油墨和所述第二纳米复合油墨的分布产生光色散折射梯度，其中所述折射梯度校正色像差。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述纳米复合材料具有相同有机基质类型。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一纳米复合纳米填充剂不同于所述第二纳米复合纳米填充剂。

4.根据权利要求1所述的光学元件，其进一步包括第三纳米复合油墨，所述第三纳米复合油墨的所述光色散不同于所述其它纳米复合油墨。

5.根据权利要求4所述的光学元件，其进一步包括第四纳米复合材料，所述第四纳米复合材料的色散不同于所述其它纳米复合油墨。

6.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述纳米填充剂是陶瓷纳米颗粒，所述纳米颗粒大小设定成足够小而不散射光。

7.根据权利要求6所述的光学元件，其中所述纳米填充剂分散于主体材料中，使得上述大小设定成光波长的四分之一的纳米填充剂的附聚最小化到低于所述纳米填充剂含量的10％。

8.根据权利要求1所述的光学元件，其中GRIN阿贝数(Abbe-number)曲线沿所述光学元件的光轴变化。

9.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述GRIN阿贝数曲线根据所述光轴径向地变化。

10.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述GRIN阿贝数曲线根据所述光轴径向地变化且沿所述光轴的长度变化。

11.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件仅在一个轴中具有焦强。

12.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件的焦强为正。

13.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件的焦强为负。

14.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件的焦强沿所述光轴从负变成正。

15.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件是光束扩展器。

16.根据权利要求1所述的光学元件，其进一步包括衬底。

17.根据权利要求16所述的光学元件，其中所述衬底是光学组件。

18.根据权利要求17所述的光学元件，其中所述光学组件是纳米复合材料光学件。

19.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件具有基本上为零的焦强，从而校正来自其它光学件的色像差。

20.根据权利要求19所述的光学元件，其中所述光学元件另外校正来自所述其它光学件的几何像差。

21.根据权利要求1中所述的方法，其中所述纳米复合油墨沉积于体素处，以校正两种或多于两种波长的光辐射，所述光辐射来自由以下各项组成的组：紫外线、可见光、近红外、短波长红外、中波长红外、长波长红外或其组合。

22.根据权利要求1所述的光学元件，其中针对两个波长带的色像差校正所述光学元件，所述波长带的波长是分离的。

23.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述纳米复合油墨的所述分布校正折射率的温度系数、所述阿贝数的温度系数和所述GRIN阿贝数的温度系数。

24.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述纳米复合油墨的所述分布校正部分色散以及所述衬底的部分色散的温度系数。

25.根据权利要求1所述的光学元件，其中纳米复合油墨的所述分布校正所述阿贝数、所述部分色散、所述部分色散的所述温度系数以及所述衬底的热膨胀系数(CTE)。

26.根据权利要求1所述的光学元件，其中通过模制、蚀刻、金刚石车削或其它机械加工塑形表面。

27.一种制作经校正色散的光学元件的方法，其包括：

(a)将第一纳米复合油墨沉积于一或多个体素处；

(b)选择性地固化所述第一纳米复合油墨；

(c)将第二纳米复合油墨沉积于一或多个体素处，所述第二纳米复合油墨的色散不同于所述第一纳米复合油墨的色散；

(d)选择性地固化所述经沉积纳米复合油墨；

(e)将第三纳米复合油墨沉积于一或多个体素处，所述第三纳米复合油墨的色散不同于所述第二纳米复合油墨的色散；

(f)选择性地固化所述经沉积纳米复合油墨；以及

(g)重复步骤(c)到(f)，形成光学元件，其中所述第一纳米复合油墨、所述第二纳米复合油墨和所述第三纳米复合油墨协作地分布于所述光学元件中，从而减小色像差。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第三纳米复合油墨与所述第一纳米复合油墨相同。

29.根据权利要求27所述的方法，其中所述纳米复合油墨中的所述纳米填充剂的浓度在所重复步骤中在浓度上变化。

30.根据权利要求27所述的方法，其包括完全固化所有所述经沉积纳米复合油墨的额外步骤。

31.根据权利要求27所述的方法，其中在所述纳米复合油墨沉积之前测量所述衬底的所述色像差，所述所产生的纳米复合油墨沉积校正所述衬底的所述经测量色像差。

32.根据权利要求27所述的方法，其中在所述纳米复合油墨沉积之前测量所述衬底的所述几何像差，所述所产生的纳米复合油墨另外校正所述衬底的所述几何像差。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述几何像差是球差。

34.根据权利要求27所述的方法，其中所述纳米复合油墨沉积于体素处且选择性地固化以另外校正双折射率。

35.根据权利要求27所述的方法，其中沉积所述纳米复合油墨以适应使用基于折射率的所述纳米复合油墨温度系数选择的纳米复合油墨在一定温度范围内的光谱折射率变化。

36.根据权利要求27所述的方法，其中基于所述纳米复合油墨梯度部分色散来选择所述纳米复合油墨以进一步校正色像差。

37.根据权利要求27所述的方法，其中所述选择性固化利用所述纳米复合油墨的局部部分的激光增强交联，引起所述折射率或阿贝数的局部变化。

38.根据权利要求27所述的方法，其中所述纳米复合油墨沉积于体素处，使得所述折射梯度经优化以用于通过空气元件界面的传输，且所述折射梯度随一或多个纳米复合油墨改变到反极性的GRIN阿贝数。

39.根据权利要求27所述的方法，其中所述纳米复合油墨沉积于体素处，以校正两种或多于两种波长的光辐射，所述光辐射来自由以下各项组成的群组：紫外线、可见光、近红外、短波长红外、中波长红外、长波长红外或其组合。

40.根据权利要求27所述的方法，其中所述纳米复合油墨沉积于体素处，以另外校正部分色散和部分色散的温度系数。

41.根据权利要求40所述的方法，其中所述纳米复合油墨另外校正几何像差。

42.根据权利要求27中所述的光学元件，其中所述纳米复合油墨沉积在体素处，以校正折射率的所述温度系数、所述GRIN阿贝数的温度系数以及梯度部分色散的温度系数。

43.根据权利要求27所述的方法，其中所述纳米复合油墨沉积在体素处，以校正所述衬底的阿贝数、部分色散、部分色散的温度系数以及热膨胀系数(CTE)。

44.根据权利要求27所述的方法，其中所述体素沉积以校正双折射率。

45.根据权利要求27所述的方法，其包括从所述经沉积纳米复合油墨移除所述衬底的额外步骤，所述纳米复合油墨形成所述光学元件。

46.根据权利要求27所述的方法，其包括其中机械地塑形所述光学元件表面的额外步骤。

47.根据权利要求27所述的方法，其中所述衬底是模具。

48.根据权利要求47所述的方法，其包括从所述模具移除所述光学元件的额外步骤。