CN109477982A - 热塑性光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学装置(1)，包括第一光学透明热塑性层(2)、第二光学透明热塑性层(3)以及在两个热塑性层(2、3)之间的：与一个热塑性层(2)相邻的衍射光学元件(4)、在衍射光学元件(4)与另一热塑性层(3)之间的间隔物(5)以及封闭衍射元件(4)从而形成密封腔(7)的边界(6)。

Description

热塑性光学装置
技术领域
本公开内容涉及弯曲光学装置，特别地涉及包括液体的弯曲光学装置。
背景技术
远视眼是眼睛失去其聚焦在近距离处的能力的公知疾病，其困扰着全世界超过20亿患者。传统解决方案包括被动镜片如老花镜、渐进镜片或多焦接触镜片。然而，这些被动镜片通常受困于有限的视场、降低的对比度或长的适应时间。
因而，可以改变镜片的一部分的焦距的可重聚焦镜片在该领域中引起了很多关注，因为它们将消除许多已知问题。尽管存在一些光机械解决方案，但是电光解决方案是优选的，因为它们更易于重新配置，具有更快的响应时间并且机械上更为鲁棒。大多数电光解决方案需要填充有一种或更多种液体的腔，并且通常使用基于液晶的实现。虽然液晶显示技术非常成熟，但是找到将可重聚焦的液晶镜片集成在眼科镜片中的方法已被证明是困难的，这主要是因为眼科镜片通常具有的弯月形状。
例如，在US 7,728,949中描述了现有的可重聚焦液晶镜片。该专利公开了由两个塑料镜片半体构成的镜片：具有衍射/折射光学结构的第一弯曲镜片半体和第二镜片半体。在两个镜片半体上沉积透明电极。除了光学结构的区域之外，镜片半体在整个表面上用UV可固化粘合剂粘合在一起。在光学结构的位置处，液晶材料填充两个镜片半体之间的间隙。在关态下，液晶具有与镜片半体的塑料基板相同的折射率。然后其隐藏了衍射/折射结构，并且不存在镜片作用。通过在镜片半体之间施加电场，液晶材料的折射率被调制并且其变得与基础的衍射/折射光学结构不同，从而产生镜片作用。
其中直接在两个相对较厚(>1mm)的镜片半体上制造液晶镜片的上述方法具有一系列缺点。其由于难以实现电极层在衍射/折射光学结构的弯曲表面上的保形沉积并且可能导致产生可靠性问题而非常难以大批量制造。使用现有技术的单滴填充工艺获得具有成本效益且美观的清洁密封在超薄镜片中难以实现，因此阻碍了该方法的高批量生产。衍射/折射光学结构可以具有平面表面，但是这限制了典型薄镜片设计中的最大直径，在所述典型薄镜片设计中平面镜片需要以某种方式被集成在弯曲的后表面和前表面之间。衍射/折射光学结构可以被弯曲，但是然后液晶可能在该工艺期间溢出，导致表面污染和胶的不良粘合。粘合后填充腔是另一选项，但可能使镜片被填充的通道可见并损害镜片的美观性。必须分别制造每个镜片毛坯，限制了产量。由于通常需要偏振无关的焦距变化，所以需要使用具有向列型液晶的多层镜片结构，例如具有针对两种偏振的正交配向的两层，或者使用与胆甾型液晶结合的单层。该方法使得确实难以制造多层镜片结构，迫使使用胆甾型液晶来构建仅具有一层的偏振无关镜片。然而，本领域技术人员知道，由于向错线和胆甾醇层的大的内部能量，非常难以控制胆甾醇层，特别是较厚的层的混浊。为了避免胆甾型液晶的混浊，必须减小液晶层的厚度，但是这限制了闪光高度，迫使在光学衍射/折射结构中使用较短的闪光间距，从而增加了色像差。如上所述，使用向列型液晶的多层镜片可以产生具有较少雾度的偏振无关镜片，但是所提出的方法将产生具有大的厚度的镜片以及许多处理问题。
解决上述挑战的另一方法可以是首先在平面表面上形成薄膜液晶层，然后将该平面表面嵌入到被动镜片中。目前为止，在EP 1,428,063B1中公开了一种尝试，其描述了一种用于构建基于液晶的电致变色镜片插入物的方法。所描述的方法是首先在平面基板上制造液晶装置。该装置由两个相对面向的基板构成，在所述基板上沉积透明导体，所述透明导体被使用传统的球间隔物或球形聚合物颗粒相互间隔开。间隔被填充有液晶层并随后被密封。然后将平面装置热成形以集成在镜片毛坯中。所描述的装置不具有任何镜片作用，即其可以用于改变镜片的透明度，而不是光学功率。
因此，需要一种具有电可调谐相位分布例如焦距改变的弯曲光学装置，从而可以以可靠的方式批量制造该装置。
发明内容
在第一方面，公开了一种光学装置，其包括第一光学透明热塑性层、第二光学透明热塑性层以及在两个热塑性层之间的：与第一热塑性层相邻的衍射光学元件，在衍射光学元件与第二热塑性层之间的间隔物，以及封闭衍射光学元件从而形成密封腔的边界。因此，光学装置包含由第一热塑性层和第二热塑性层以及两个热塑性层之间的边界形成的密封腔。在由边界封闭的区域中，存在衍射光学元件和间隔物。边界可以包括远离腔的包含与第二热塑性层接触的粘合剂的凹口。这种光学装置的腔填充有液晶材料。在一些实施方式中，存在延伸穿过边界而进入腔中的通道，该通道使得能够用液晶材料填充腔。
在一个实施方式中，间隔物和衍射光学元件可以彼此堆叠，使得该堆叠在两个热塑性层之间保持控制的距离。为了改善在存在液晶材料时的配向，衍射光学元件的面向第二热塑性层的表面包含被配置为液晶材料的配向层的亚微米凹槽。另外，可以存在覆盖凹槽的至少一部分的保形配向层。
在另一实施方式中，可以存在平坦化材料的层，以覆盖衍射光学元件，从而边界的与衍射光学元件相邻的至少一部分由平坦化材料制成。现在，间隔物、平坦化层和衍射光学元件彼此堆叠，从而该堆叠在两个热塑性层之间保持控制的距离。为了改善在存在液晶材料时的配向，覆盖衍射光学元件的平坦化层的面向第二热塑性层的那部分的表面包含被配置为用于液晶材料的配向层的亚微米凹槽。另外，可以存在覆盖凹槽的至少一部分的保形配向层。边界可以包括远离腔的现在以平坦化材料形成的凹口，其中，凹口包含与第二热塑性层接触的粘合剂。
优选地，衍射光学元件、间隔物和边界具有相同的材料成分，使得能够通过纳米压印将这些部件形成在相同的层堆叠中。
光学装置还可以包括与第一光学透明热塑性层相邻的第一光学透明电极，与第二光学透明热塑性层相邻的第二光学透明电极，其中，至少腔位于两个光学透明电极之间，使得在使用时，当液晶材料存在于腔中时至少在液晶材料上施加电场。第一透明电极可以位于衍射光学元件与第一光学透明热塑性层之间，其中，衍射光学元件和腔位于两个电极之间。替选地，第一透明电极位于衍射光学元件的面向另一光学透明热塑性层的表面上。
此外，光学装置可以被弯曲，即两个光学透明热塑性层都具有预定的曲率。
在第二方面，公开了一种光学仪器，其包括至少根据第一方面的光学装置。光学装置被配置成在使用时将光的相位分布朝向眼睛调谐。这种光学仪器的示例是镜片。光学仪器可以包含多于一个根据第一方面的光学装置，例如，两个这样的光学装置的堆叠。
在第三方面，公开了一种用于制造根据第一方面的光学装置的方法。这种制造该光学装置的方法包括：提供第一光学透明热塑性层；通过纳米压印在第一光学透明热塑性层上形成间隔物、光学衍射元件和封闭光学衍射元件和间隔物的边界中的至少之一；以及提供第二光学透明热塑性层，从而形成包含间隔物和光学衍射元件的密封腔，其中，间隔物位于光学衍射元件与第二光学透明热塑性层之间。当纳米压印间隔物、光学衍射元件和封闭光学衍射元件的边界时，可以在边界中形成远离腔的凹口。该凹口被配置成包含与第二热塑性层接触的粘合剂，在施加第二光学透明热塑性层之前仅在凹口中提供该粘合剂。
可以在光学衍射元件上提供液晶材料，其量被选择成当提供第二光学透明热塑性层时仅填充密封腔。可以在第二光学透明热塑性层封闭腔之前将该液晶材料提供给腔。替选地，该液晶材料可以经由通道提供到封闭腔，该通道至少形成在边界的上部，延伸穿过边界而进入腔中。该通道优选地在纳米压印边界时形成。
在一个实施方式中，间隔物、光学衍射元件和封闭光学衍射元件的边界由相同的材料堆叠形成。此外，在第一光学透明层上形成材料成分的层，并且在该层中纳米压印间隔物、光学衍射元件和封闭光学衍射元件的边界，其中，间隔物和光学衍射元件彼此堆叠，从而在两个热塑性层之间保持控制的距离。在该纳米压印步骤期间，亚微米凹槽可以形成在光学衍射元件的面向第二热塑性层的表面中，亚微米凹槽被配置为用于液晶材料的配向层。可选地，可以沉积覆盖凹槽的至少一部分的保形配向层(未示出)。
在另一实施方式中，提供平坦化材料的层，从而覆盖衍射光学元件和边界的与衍射光学元件相邻的至少一部分。在该平坦化层中，间隔物和边界的一部分被纳米压印，其中，间隔物、平坦化层和衍射元件彼此堆叠，从而在两个热塑性层之间保持控制的距离。在该纳米压印期间，可以在平坦化层的面向第二热塑性层的表面中形成亚微米凹槽，亚微米凹槽被配置为用于液晶材料的配向层。另外，可以形成覆盖凹槽的至少一部分的保形配向层。如果平坦化材料扩展在整个边界上，则凹口可以以该平坦化材料被纳米压印。
该方法还可以包括：形成与第一光学透明热塑性层相邻的第一光学透明电极；形成与第二光学透明热塑性层相邻的第二光学透明电极，其中，至少腔位于两个光学透明电极之间。
该方法可以包括：通过纳米压印形成两者都通过边界封闭的间隔物和光学衍射元件的阵列。
如果形成光学装置的阵列，则将该阵列切割成单独的光学装置。然后可以将光学装置热成形，从而向每个光学透明热塑性层给出预定的曲率。
可以应用在该第三方面中讨论的方法或者通过制造光学装置阵列并且堆叠两个切割的光学装置来形成两个这样的光学装置的堆叠。可选地，这种两个光学装置的堆叠被热成形，从而向每个光学透明热塑性层给出预定的曲率。替选地，在该第三方面中讨论的处理序列可以重复与要包括在堆叠中的光学装置的数量一样多的次数。然后，制造方法包括：通过应用如在该第三方面中公开的方法制造根据第一方面的第一光学装置，然后在第一光学装置上制造根据第一方面的第二光学装置，其中，第一光学装置的第二光学透明热塑性层用作第二光学装置的第一光学透明热塑性层。如果形成阵列，则将该阵列被切割以产生两个光学装置的堆叠。然后可以将该两个光学装置的堆叠热成形，从而向每个光学透明热塑性层给出预定的曲率。
附图说明
为了更好地理解本公开内容，下面结合附图和附图描述来描述一些示例性实施方式，在附图中：
图1示出了根据实施方式的热成形之前的光学装置。
图2示出了根据实施方式的热成形之后的图1的光学装置。
图3示出了根据实施方式的具有凹槽表面的衍射光学元件：(a)截面，(b)具有圆形凹槽的(a)的俯视图，(c)具有平行凹槽的(a)的俯视图。
图4示出了根据实施方式的热成形之前的具有平坦化层的光学装置。
图5示出了根据实施方式的包含图2的光学装置的堆叠的光学仪器。
图6示出了根据实施方式的包含被热成形的图4的光学装置的堆叠的光学仪器。
图7(a)至图7(d)示出了制造光学装置的方法的各种实施方式。
图8(a)至图8(e)示出了制造光学装置的方法的优选实施方式。
图9(a)至图9(b)示出了制造光学装置的方法的实施方式：(a)侧视图，(b)水平截面A-A。
表1：特征-附图标记概览
具体实施方式
将参照特定实施方式并参照某些附图来描述本公开内容，但是本公开内容不限于此。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于实践本公开内容的实际减少量。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分相似元件，而不一定用于描述先后顺序或时间顺序。这些术语在适当的情况下是可互换的，并且本公开内容的实施方式可以以不同于在本文中描述或说明的其他顺序来操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且在本文中描述的本公开内容的实施方式可以以不同于在本文中描述或示出的其他取向操作。
在权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限制于其后列出的装置；其不排除其他元件或步骤。其需要被解释为指定所提到的所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤或部件或其组的存在或添加。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应限于仅由部件A和B组成的设备。其意指关于本公开内容，装置的唯一相关部件是A和B。
在第一方面，公开了光学装置(1)，其包括第一光学透明热塑性层(2)、第二光学透明热塑性层(3)以及在两个热塑性层(2、3)之间的：与第一热塑性层(2)相邻的衍射光学元件(4)、在衍射光学元件(4)与第二热塑性层(3)之间的间隔物(5)以及封闭衍射元件(4)从而形成腔(7)的边界(6)。因此，光学装置(1)包含由第一热塑性层(2)、第二热塑性层(3)和位于两个热塑性层(2、3)之间的边界(6)形成的密封腔(7)。在由边界合围的腔区域中，存在衍射光学元件(4)和间隔物(5)。
热塑性或热软化塑料是塑料材料、聚合物，其在特定温度以上变得柔软或具有可塑性并在冷却时固化。优选地，这些热塑性层由光学透明的聚合物制成：即在例如400-700纳米的可见光谱中具有5％到100％之间的光透射率。示例是用于制造眼镜的聚对苯二甲酸乙二醇酯、三乙酸纤维素、透明聚氨酯聚碳酸酯或硫代氨基甲酸酯材料，例如Mitsui MR8。由这些材料制成的膜可以具有在5至1000μm之间变化的厚度，并且通常能够承受最高达3mm的弯曲半径。
衍射光学元件可以包括例如闪光光栅、菲涅耳镜片、菲涅耳轴锥镜的衍射结构或在透射光中产生预定相位分布的其他结构。
图1中示出了这种光学装置(1)的实现的示例。如下面的实施方式中所公开的，图1中所示的装置还包含一对光学透明电极(8、9)，所述一对光学透明电极(8、9)定位在腔(7)的相对侧处以当液晶材料(10)存在于腔(7)中时在液晶材料(10)上施加电场。该装置还包括在边界(6)中形成的包含粘合剂(15)的凹口(16)。因此，具有在其上形成有第二光学透明电极(9)的第二光学透明热塑性层(3)的装置的上部通过该粘合剂(15)粘附到边界(6)。
优选地，在边界(6)中形成凹口(16)。如图1所示，当液晶材料(10)填充腔(7)并且粘合剂(15)填充凹口(16)时，两种材料通过边界(6)的与衍射光学元件(4)相邻的侧壁间隔开。该间隔防止在当提供第二光学透明热塑性层(3)来密封腔(7)时的溢出和/或交叉污染。
如在第三方面中所讨论的，通道(19)可以存在于边界(6)中，以便即使在腔(7)通过第二光学透明热塑性层(3)而封闭之后也给出通向腔(7)的通道。图9示出了包含这种通道(19)的光学装置(1)的侧视图和水平截面AA。在一个实施方式中，通道(19)延伸跨越边界(9)的整个宽度。
填充腔(7)的流体材料可以是液晶材料、可变折射率聚合物材料、可变染料、电致变色电解质或树脂。优选地，至少对于液晶材料(10)的状态之一，液晶材料(10)的折射率与衍射光学元件(4)、边界(6)和粘合剂(15)的折射率相匹配。例如，公知的液晶E7的一般折射率等于UV胶NOA74。
优选地，包含第一光学透明热塑性层(2)和当存在时的第一光学透明电极(8)的底部基板以及包含第二光学透明热塑性层(3)和当存在时的第二光学透明电极(9)的上部基板处于通过衍射光学元件(4)顶部的间隔物(5)的堆叠以及并行地通过边界(6)设置的固定距离(d)，如图1所示，两个结构(5-4、6)被定位在两个基板之间。该高度可以在10纳米(nm)至100微米(μm)之间，通常在50nm至50μm之间。
在优选的实施方式中，边界(6)、间隔物(5)和衍射光学元件(4)具有相同的材料成分(12)。例如，间隔物(5)、衍射光学元件(4)和边界(6)可以由例如双酚氟二丙烯酸酯的高折射率单聚物或例如NOA1625或NOA164的高折射率UV胶制成。
如下所述，边界(6)、间隔物(5)和衍射光学元件(4)可以使用纳米压印技术由存在于底部基板上的具有该材料成分(12)的相同层(18)形成。
优选地，衍射光学元件(4)的朝向第二热塑性层(3)的表面包含亚微米凹槽(14)，其被配置为用于液晶材料(10)的配向层(11)。在装置(1)的操作期间，这些凹槽辅助以定向存在于腔(7)中的液晶。优选地，另一配向层(11)也存在于腔(7)的与第二光学透明电极(3)相邻的一侧，从而面向凹槽的表面。图3(a)是示出这些槽(14)如何存在于衍射光学元件(4)的三维表面的截面图。图3(b)给出了当凹槽具有圆形图案时该表面的俯视图。图3(c)给出了当凹槽具有平行图案时该表面的俯视图。在图3中还注意到，在该实施方式中，在衍射光学元件(4)顶部的间隔物(5)和衍射光学元件(4)由与上面段落中讨论的相同的材料形成。
这些凹槽可以在如在前面段落中讨论的通过纳米压印形成衍射光学元件(4)时产生。纳米压印工艺中使用的模具不仅包含边界(6)、间隔物(5)和衍射光学元件(4)的负形状，而且至少在衍射光学元件(4)的形状的位置处的其内表面包含例如圆形或矩形图案的凹槽。该方法使得能够以整体方式形成这4个特征(4、5、6、14)。Y.J.Liu等人在“Nanoimprinted ultrafine line and space nano-gratings for liquid crystalalignment”中公开了使用纳米压印技术形成这种配向图案，R.Lin等人在“Molecular-Scale Soft Imprint Lithography for Alignment”中也是如此。
液晶材料(10)的配向特性不仅由凹槽(14)本身的几何形状确定，而且由构成在其中形成凹槽的衍射光学元件(4)的材料确定。如果另一材料用于相同的凹槽构造，则可以形成覆盖这些凹槽(14)以提供不同的材料配向特性的另外的保形配向层(20)(未示出)。例如，如果衍射光学元件的材料以平面方式对液晶分子进行配向，则可以涂覆垂直配向层，以覆盖至少一些凹槽。该保形配向层(20)可以覆盖衍射光学元件(4)的完整凹槽表面。替选地，该凹槽表面的仅一部分可以用该另外的保形配向层覆盖，以使得能够利用另外的保形配向层(20)(未示出)与衍射光学元件(4)之间的材料配向性质的差异。
如图4所示，平坦化材料(17)的层(13)可以存在于衍射光学元件(4)顶部的腔(7)的内侧。类似于图3所示的实现，通过形成在平坦化层(13)的朝向第二热塑性层(3)的表面中的凹槽(14)，配向层(11)可以存在于腔(7)的底部。在装置(1)的操作期间，这些凹槽辅助以定向存在于腔(7)中的液晶。优选地，另一配向层(11)也存在于腔(7)的与第二光学透明电极(3)相邻的一侧，从而面向凹槽的表面。
液晶材料(10)的配向特性不仅由凹槽(14)本身的几何形状确定，而且由构成在其中形成凹槽的平坦化层(13)的材料确定。如果另一材料用于相同的凹槽构造，则可以形成覆盖这些凹槽(14)以提供不同的材料配向特性的另外的保形配向层(20)(未示出)。例如，如果衍射光学元件的材料以平面方式对液晶分子进行配向，则可以涂覆垂直配向层，以覆盖至少一些凹槽。该保形配向层可以覆盖平坦化层(13)的完整凹槽表面。替选地，该凹槽表面的仅一部分可以用该另外的保形配向层覆盖，以使得能够利用另外的保形配向层(20)(未示出)与平坦化层(13)之间的材料配向性质的差异。
衍射光学元件(4)和平坦化层(13)各自的材料(12、17)至少在它们的交界处可以具有相同的折射率。此外，在低频电场(例如1Hz-10kHz)下这些材料(12、17)的介电常数可能不同。
该平坦化材料(17)也可以用于形成边界(6)的上部。如图4所示，如果存在凹口(16)，则凹口(16)以该平坦化材料(17)来形成。与图1所示的光学装置(1)相比，在图4的光学装置(1)中，腔(7)在其底部和侧面由该平坦化材料(17)界定，并且在其顶部由包含第二光学透明热塑性层(3)以及当存在时的第二光学透明电极(9)的上基板界定。
在如图4所示的实现中，包含第一光学透明热塑性层(2)和当存在时的第一光学透明电极(8)时的底部基板以及包含第二光学透明热塑性层(3)和当存在时的第二光学透明电极(9)的顶部基板处于通过覆盖衍射光学元件(4)的平坦化层(13)的顶部的间隔物(5)的堆叠以及并行地通过边界(6)设置的固定距离(d)，如图4所示，两个结构(4-5-13、6)被定位在两个基板之间。该高度可以在10纳米(nm)至100微米(μm)之间，通常在50nm至50μm之间。
如下所述，间隔物(5)和如果存在时的凹口(16)可以使用纳米压印技术形成在平坦化层(13)中以覆盖底部基板。当纳米压印间隔物(5)时，形成腔(7)。同样，如图4所示，当液晶材料(10)填充腔(7)并且粘合剂(15)填充凹口(16)时，两种材料通过边界(7)的与衍射光学元件(7)相邻的侧壁间隔开。该间隔防止当提供第二光学透明热塑性层(3)时来密封腔(7)时的溢出和/或交叉污染。
如图1或图3中所示的光学装置(1)是平面装置。如果需要，如将在本公开内容的第三方面中讨论的，可以通过使光学装置(1)经受热成形工艺来获得其弯曲形式。优选地，光学装置(1)被球形弯曲。然后如图2所示，可以获得热塑性层(2、3)以及因此光学装置(1)的预定曲率。如将在本公开内容的第二方面中讨论的，这种弯曲的光学装置(1)尤其可以用作镜片插入物。
如图1、图2和图4中已经示出的，光学装置(1)还可以包含在腔(7)的相对侧处的一对光学透明电极(8、9)。优选地，第一光学透明电极(8)与第一光学透明热塑性层(2)相邻而存在，而第二光学透明电极(9)与第二光学透明热塑性层(3)相邻而存在，其中，衍射光学元件(4)位于两个光学透明电极(8、9)之间。
如图1、图2和图4所示，第二光学透明电极(9)通常位于腔(7)侧处的第二光学透明热塑性层(3)上。如图1、图2和图4所示，第一光学透明电极(8)可以存在于衍射光学元件(4)与第一光学透明热塑性层(2)之间。如果存在平坦化层(13)，如图4所示，则该第一光学透明电极(8)可以存在于该平坦化层(13)与衍射光学元件(4)之间。
电极(8、9)配置使得能够在液晶材料(10)存在于腔(7)中时在液晶材料(10)上施加不均匀的电场。为此，第一光学透明电极(8)位于靠近腔的衍射光学元件(4)的顶部。如图1、图2和图4所示，如果第一光学透明电极(8)位于衍射光学元件(4)与第一光学透明热塑性层(2)之间，则应当使用其介电常数不同于衍射光学元件(4)的介电常数的平坦化层(17)。
光学透明电极可以由诸如氧化铟锡(ITO)、银纳米线或AGFAOrgacon墨水的材料制成。由于ITO的脆性，所以可以使用刚性较小且较柔韧的材料，例如PEDOT：PSS、石墨烯、碳纳米管或银纳米线。光学透明电极(8、9)可以被图案化以分别地处理衍射光学元件(4)的不同区域。这些电极也可以被图案化以例如通过仅在衍射光学元件(4)的区域内具有电极或者将该区域内的电极与边界(6)的区域内的电极分开来降低总容量。
在本公开内容的第二方面，如先前方面中公开的光学装置(1)用于光学仪器中。当被插入光学仪器中时，光学装置(1)被配置成将光的相位分布朝向眼睛调谐。
这种光学仪器可以是镜片，其中光学装置用作镜片插入物。在考虑眼科应用时，镜片可以是眼镜镜片、接触镜片或人工晶状体。由于眼镜镜片和接触镜片通常都具有弯月形状，所以当光学装置(1)也以与其需要被嵌入的镜片的曲率基本相同的曲率被弯曲时，光学装置可以被更容易地集成在镜片中。通常，光学装置然后将在两个正交方向上弯曲。对于眼内镜片，可以嵌入平面或弯曲光学装置。
这种光学仪器可以包含多于一个光学装置(1)。这些光学装置(1、1')可以被堆叠。通过堆叠多个光学装置(1、1')，可以组合单个光学装置的电光特性。例如，填充有向列型液晶但具有正交配向的两个装置可以产生偏振无关可调谐镜片。
在图5和图6所示的实现中，分别不具有和具有平坦化层(13、13')的光学装置(1、1')被堆叠。
在第三方面，公开了用于制造根据第一方面的光学装置的方法。制造光学装置(1)的这种方法(100)包括：(30)提供第一光学透明热塑性层(2)；(40)通过纳米压印在第一光学透明热塑性层(2)上形成间隔物(5)、光学衍射元件(4)和封闭光学衍射元件(4)和间隔物(5)的边界(6)中的至少之一；以及(50)提供第二光学透明热塑性层(3)，从而形成包含间隔物(5)和光学衍射元件(4)的腔(7)，其中，间隔物(5)位于光学衍射元件(4)与第二光学透明热塑性层(2)之间。该方法由图7(a)说明。
与半导体和平板制造技术中使用的光刻图案化相比，纳米压印技术是较简单、较低成本和较高产量的图案化技术。尤其如Kooy等人在通过引用并入本文的“Areview ofroll-to-roll nanoimprint lithography”in Nanoscale Research Letters 2014中所公开的，纳米压印光刻涉及使用包含所需图案的逆的预制模具。将该模具压入聚合物涂覆的基板中，从而图案通过聚合物的机械变形而被复制到聚合物中。在变形之后，使用热处理将图案固定在变形的聚合物上，或者通过将变形的聚合物暴露于UV光以使得纳米压印图案硬化。然后移除模具。逆图案可以对应于要形成的单个结构。在聚合物中形成结构阵列则需要将纳米压印工艺重复与所需结构的数量一样多的次数。如果模具包含逆图案的阵列，则可以增加产量，从而在单次纳米压印期间，在同一聚合物中同时形成所需数量的结构。
在图7(b)至图7(d)中进一步示出了该方法(100)的实现。图7(b)示出了通过纳米压印技术(40)形成间隔物(5)、光学衍射元件(4)和封闭光学衍射元件(4)的边界(6)的实现。如图7(c)所示，在这种实现中，材料成分(12)的层(18)可以被设置在第一光学透明层(2)上，或者如果存在第一光学透明电极(8)，则设置在第一光学透明电极(8)上。在该层(18)中，间隔物(5)、光学衍射元件(4)和封闭光学衍射元件(4)的边界(6)被(42)纳米压印，其中，所有这些元件具有相同的材料成分。间隔物(5)和光学衍射元件(4)彼此堆叠，从而在两个热塑性层(2、3)之间保持控制的距离(d)。图7(d)示出了在纳米压印间隔物(5)、光学衍射元件(4)和边界(6)之后提供(71)平坦化层(13)的实现。在该平坦化层(13)中，通过另一纳米压印工艺(72)形成间隔物(5)并因此形成腔(7)。
如在第一方面中所讨论的，腔(7)的底表面，无论是衍射光学元件(4)的表面还是覆盖该光学元件(1)的平坦化层(13)的表面，可以在相应的纳米压印工艺(32、62)期间被形成凹槽，从而形成用于液晶材料(10)的配向层(11)。
类似地，可以在边界(5)中形成远离腔(7)的凹口(16)。如果使用纳米压印工艺来形成边界(5)，则该凹口(16)也可以在该纳米压印工艺(32、62)期间形成。
前述段落中讨论的方法(100)还可以包括：形成与第一光学透明热塑性层(2)相邻的第一光学透明电极(8)；形成与第二光学透明热塑性层(3)相邻的第二光学透明电极(9)，其中，至少腔(7)位于两个光学透明电极(8)之间。
包括在第一光学透明热塑性层(2)上的间隔物(5)、光学衍射元件(4)和边界(6)以及可选地边界(6)中的凹口(16)的底部基板通过在提供第二光学透明热塑性层(3)之前仅在凹口(16)中提供粘合剂(15)而粘附到包括第二光学透明热塑性层(3)的顶部基板。
尽管在上面讨论的方法中，公开了单个光学装置(1)的制造，但是可以使用半导体或平板显示器制造技术来制造多个光学装置(1、1')。代替例如通过在层(12)中纳米压印由边界(6)封闭的间隔物(5)和光学衍射元件(4)的单个构造的形成，可以并行地或顺序地形成这种组合的阵列，以产生由边界(6)封闭的间隔物(5)和光学衍射元件(4)的阵列。可以通过例如冲孔或激光切割从阵列中提取一个或多个装置。
如图7(b)所示，在提供第二光学透明热塑性层(3)之后，获得如图1或图4所示的平面光学装置(1)。然后，该平面光学装置(1)可以经受热成形工艺，以产生如图2所示的弯曲光学装置(1)，从而每个光学透明热塑性层(2、3)具有预定的曲率。在热成形工艺中，将光学装置(1)置于模具中并加热直到达到至少光学透明热塑性层(2、3)的玻璃化转变温度Tg为止，从而施加的机械力使热塑性层呈现为模具的形状。然后将模具关闭并冷却至低于该玻璃化转变温度Tg，以固定经变形的热塑性层的形状。然后，从模具中释放现在是弯曲的光学装置(1)。替选地，可以在加热时将光学装置的侧面夹在单侧模具上。在热成形工艺期间，则可以通过在光学装置(1)上产生压力差来使光学装置成为所需的形状。这种压力差可以通过在光学装置或模具之间产生真空，或者通过在装置上产生与在装置与模具之间相比而较高的压力大气来获得。
还可以将光学装置(1、1')彼此堆叠。在一个实施方式中，如在该第三方面的前述段落中所讨论来制造两个光学装置(1、1')。两个光学装置(1、1')均被堆叠。如图5或图6所示，然后该光学装置(1、1')的堆叠经受热成形处理以产生弯曲光学装置(1)。从而每个光学透明热塑性层(2、3)具有预定的曲率。在另一实施方式中，通过在另一光学装置(1)的顶部上制造一个光学装置(1')来形成这种光学装置(1、1')的堆叠。在该实现中，如在该第三方面的前述段落中所讨论来制造第一光学装置(1)。如在该第三方面的前述段落中所讨论的，在该光学装置(1)的顶部制造第二光学装置(1')。代替向该第二光学装置(1')提供第一光学透明热塑性层(2')，可以使用第一光学装置(1)的第二光学透明热塑性层(3)作为第二光学装置(1')的第一光学透明热塑性层(2')。一旦制造了第二光学装置(1')，则其被堆叠在第一光学装置(1)上。然后两个光学装置(1、1')的堆叠被热成形，从而向每个光学透明热塑性层(2、3、2'、3')给出预定的曲率。
在图8(a)至图8(d)中，示出了该方法的产生图1所示的光学装置(1)的实现。优选地，在半导体或平板显示器制造中制造光学装置，使得能够利用实现与半导体电路或平板显示器的制造相当的大规模生产光学装置(1)的制造工艺。
作为图8(a)所示的第一步骤，第一光学透明热塑性层(2)形成在临时载体(未示出)上。大多数半导体或平板工艺装置被配置成处理直径为10cm或更大的刚性板或晶片。使用其上形成有光学装置(1)的不同元件的这种临时机械载体，使得能够使用这种类型的装置，然后产生具有成本效益且可靠的制造工艺。其还确保光学透明热塑性层或膜(2)在光学装置(1)的处理期间保持平坦，从而减少制造的光学装置(1)阵列上的总厚度变化。减小的厚度变化对于例如下述的后续工艺步骤是重要的：光刻和用于在没有溢出地分别填充凹口(16)和腔(7)时提供粘合剂(15)和/或液晶材料(10)的一滴填充工艺。由于临时机械载体的尺寸，可以在单个载体上制造多个光学装置(1)，以实现大的产量并因此降低每光学装置(1)的成本。
可以通过层压在载体上形成第一光学透明热塑性膜(2)。通常，层压膜(2)的厚度在5μm至1000μm之间。替选地，可以将液体形式的热塑性材料沉积到载体上。液体材料然后可以被UV或热固化，从而形成第一光学透明热塑性膜(2)。无论哪种方式，都可能需要临时粘合剂以将第一光学透明热塑性膜(2)粘附到载体，从而使得能够在完成处理之后将光学装置(1)从临时载体上释放。临时载体溶液可从诸如TOK、Brewer Science、3M、Nitto等公司获得。在一些情况下，通过在膜和载体之间施加真空来固定膜(2)。
如图8(b)所示，在第一光学透明热塑性层(2)上，形成透明导电膜以制造第一光学透明电极(8)。
在第一光学透明电极(8)上，形成边界(6)、衍射光学元件(4)和间隔物(5)。如图8(b)所示，在第一光学透明电极(8)上形成材料成分(12)的层(18)。如图8(c)所示，使用纳米压印技术，在该层(18)中形成边界(6)、衍射光学元件(4)和间隔物(5)，从而在衍射光学元件(4)的位置处形成腔(7)。该层(18)可以是单层或层的堆叠，其中，每层可以具有不同的材料成分。
在腔(7)的底部形成配向层(11)，以在腔(7)中存在液晶材料(10)时控制液晶材料(10)的配向。可以通过在纳米压印工艺期间在衍射光学结构(4)的表面中形成亚微米凹槽来产生该配向层(11)。图3示出了衍射光学结构(4)的顶表面中的圆形和矩形的凹槽图案。
腔(7)可以通过一滴填充工艺填充和完成，该一滴填充工艺始于以与腔(7)的体积匹配的微分配体积来分配液晶材料(10)。随后，粘合剂(15)优选地通过使用如图8(d)所示的分配或丝网印刷工艺被分配在存在于边界(6)中的凹口(16)中。通常，粘合剂(15)可以是透明的UV胶、透明的热胶或上述两者的组合。边界使粘合剂部件(即凹口)与电活性部件(即腔(7))之间的交叉污染最小化，同时在这两个部件之间形成清晰的线。
鉴于上述步骤描述了光学装置(1)的底部或底部基板的形成，通过在另一临时载体(未示出)上形成第二光学透明热塑性层(3)而形成光学装置(1)的上部或上部基板。可以通过层压在该载体上形成第二光学透明热塑性膜(3)。通常，层压膜(3)的厚度在5μm至1000μm之间。替选地，可以将液体形式的热塑性材料沉积到载体上。然后液体材料可以被UV或热固化，从而形成第一光学透明热塑性膜(3)。无论哪种方式，可能都需要临时粘合剂以将第二光学透明热塑性膜(3)粘附到载体，从而使得能够在完成处理之后将光学装置(1)从临时载体上释放。临时载体溶液可从诸如TOK、Brewer Science、3M、Nitto等公司获得。在一些情况下，通过在膜和载体之间施加真空来固定膜(2)。
在第二光学透明热塑性层(3)上，形成透明导电膜以制造第二光学透明电极(9)。该导电膜可以是ITO。由于ITO的脆性，所以可以使用刚性较小且较柔韧的材料，例如PEDOT：PSS、石墨烯、碳纳米管或银纳米线。在该第二光学透明电极(9)上形成另一配向层(11)，以控制液晶材料(10)存在于腔(7)中时的配向。
如图8(d)所示，为了完成如上所述的单滴填充工艺，使用真空层压步骤将该上部基板层压在底部基板上。胶层(15)通过例如UV步骤和/或热步骤被固化。这种方式确保获得无中断密封的完全封闭的腔(7)。
在层压两个基板之后，可以通过剥离来移除临时载体。如此形成的光学装置阵列(1)被切割成如图1所示的单个平面光学装置(1)。然后，如上所述，该平面光学装置(1)可以通过热成形被弯曲。
用液晶材料(10)填充腔(7)的替选方法是在纳米压印期间至少在边界(6)的上部产生通道(19)。图9示出了具有不仅在上部中而且延伸在边界的整个高度h上的通道(19)的光学装置(1)。在通过施加第二光学透明热塑性层(3)来封闭腔(7)之后提供液晶材料(10)。然后可以用液晶材料(10)填充各个光学装置(1)的封闭腔(7)。
此外，还可以利用合适的模具通过任何上述技术来热成形光学装置(1)的阵列。在热成形之后，阵列被切割以产生各个光学装置(1、1')。

Claims (20)

1.一种光学装置(1)，包括：
-第一光学透明热塑性层(2)，
-第二光学透明热塑性层(3)，以及
在两个热塑性层(2、3)之间的：
·与所述第一热塑性层(2)相邻的衍射光学元件(4)，
·在所述衍射光学元件(4)与所述第二热塑性层(3)之间的间隔物(5)，以及
·封闭所述衍射光学元件(4)从而形成密封腔(7)的边界(6)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述衍射光学元件(4)、所述间隔物(5)和所述边界(6)具有相同的材料成分(12)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中：
两个光学透明热塑性层(2、3)是弯曲的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中：
所述边界(6)包括远离所述腔(7)的包含与所述第二热塑性层(3)接触的粘合剂(15)的凹口(16)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：
-平坦化材料(17)的层(13)，所述平坦化材料(17)的层(13)覆盖所述衍射光学元件(4)，其中，所述边界(6)的与所述衍射光学元件(4)相邻的至少一部分由所述平坦化材料(17)制成，并且
-所述间隔物(5)、所述平坦化层(13)和所述衍射光学元件(4)彼此堆叠，从而在两个热塑性层(2、3)之间保持受控的距离(d)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中：
所述边界(6)包括远离所述腔(7)的以所述平坦化材料(17)形成的凹口(16)，所述凹口包含与所述第二热塑性层(3)接触的粘合剂(15)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：
延伸穿过所述边界(6)而进入所述腔(7)中的通道(19)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：
-与所述第一光学透明热塑性层(2)相邻的第一光学透明电极(8)，-与所述第二光学透明热塑性层(3)相邻的第二光学透明电极(9)，并且
-其中，至少所述腔(7)位于两个光学透明电极(8、9)之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中：
所述第一透明电极(8)位于所述衍射光学元件(4)和所述第一光学透明热塑性层(2)之间。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中：
所述第一透明电极(8)位于所述衍射光学元件(4)的面向另一光学透明热塑性层(3)的表面上。
11.一种光学仪器(15)，包括：
至少一个根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)。
12.一种制造根据权利要求1至10中任一项所述的光学装置(1)的方法，所述方法包括：
-提供第一光学透明热塑性层(2)，
-通过纳米压印在所述第一光学透明热塑性层(2)上形成间隔物(5)、光学衍射元件(4)和封闭所述光学衍射元件(4)和所述间隔物(5)的边界(6)中的至少之一，以及
-提供第二光学透明热塑性层(3)，从而形成包含所述间隔物(5)和所述光学衍射元件(4)的密封腔(7)，其中，所述间隔物(5)位于所述光学衍射元件(4)与所述第二光学透明热塑性层(2)之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过纳米压印形成所述间隔物(5)、所述光学衍射元件(4)和封闭所述光学衍射元件(4)的边界(6)包括：
-在所述第一光学透明层(2)上提供材料成分(12)的层(18)，以及
-在所述层(18)中纳米压印所述间隔物(5)、所述光学衍射元件(4)和封闭所述光学衍射元件(4)的边界(6)，其中，所述间隔物(5)和所述光学衍射元件(4)彼此堆叠，从而在两个热塑性层(2、3)之间保持受控的距离(d)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：
对光学装置(1)进行热成形，从而向每个光学透明热塑性层(2、3)给出预定的曲率。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，纳米压印还包括：
至少在所述边界(6)的上部形成延伸穿过所述边界(6)而进入所述腔(7)中的通道(19)。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，通过纳米压印形成所述间隔物(5)、所述光学衍射元件(4)和封闭所述光学衍射元件(4)的边界(6)还包括：
在所述边界(5)中形成远离所述腔(7)的凹口(16)，所述凹口(16)用于包含与所述第二热塑性层(3)接触的粘合剂(15)，并且
还包括：
在提供第二光学透明热塑性层(3)之前，仅在所述凹口(16)中提供粘合剂(15)。
17.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，还包括：在提供第二光学透明热塑性层(3)之前：
-提供平坦化材料(17)的层(13)，从而覆盖所述衍射光学元件(4)和所述边界(6)的与所述衍射光学元件(4)相邻的至少一部分，
-在所述平坦化层(13)中纳米压印所述间隔物(4)和所述边界的一部分，并且
-其中，所述间隔物(5)、所述平坦化层(13)和所述衍射元件(4)彼此堆叠，从而在两个热塑性层(2、3)之间保持受控的距离(d)。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过纳米压印形成所述间隔物(5)、所述光学衍射元件(4)和封闭所述光学衍射元件(4)的边界(6)包括：
在所述平坦化层(13)中形成远离所述腔(7)的凹口(16)，所述凹口(16)用于包含与所述第二热塑性层(3)接触的粘合剂(15)，并且还包括：
在提供第二光学透明热塑性层(3)之前，仅在所述凹口(16)中提供粘合剂(15)。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，还包括：
-形成与所述第一光学透明热塑性层(2)相邻的第一光学透明电极(8)，
-形成与所述第二光学透明热塑性层(3)相邻的第二光学透明电极(9)，以及
-其中，至少所述腔(7)位于两个光学透明电极(8)之间。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，其中，通过纳米压印形成所述间隔物(5)、所述光学衍射元件(4)和封闭所述光学衍射元件(4)的边界(6)包括：
形成通过边界(6)封闭的间隔物(5)和光学衍射元件(4)的阵列。
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