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Die Erfindung betrifft eine Gradientenindexlinse sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Gradientenindexlinse.
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Optische Linsen werden für die Brechung von Licht eingesetzt. Klassische Linsen bestehen aus einem optischen Material mit einer bestimmten Brechzahl und weisen eine Krümmung auf. Bei einer herkömmlichen Linse wird ein einfallender Lichtstrahl aufgrund der abrupten Änderung des Brechungsindex von Luft zu dem homogenen Material gebrochen, wenn er in die geformte Linsenoberfläche eintritt. Die Oberflächenform der Linse bestimmt die Fokussierungs- und Abbildungseigenschaften der Linse.
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Ein aus dem Stand der Technik bekannter alternativer Aufbau einer optischen Linse besteht darin, die Brechzahl radial variieren zu lassen und keine gekrümmte Oberfläche zu verwenden. Derartige Gradientenindexlinsen (GRIN-Linse) mit einem Brechungsindexgradienten haben in den letzten Jahren ein breites Anwendungsfeld gefunden und werden mit aufwändigen Verfahren basierend auf Glas hergestellt. Sie können deutlich reduzierte Abbildungsfehler aufweisen und beispielsweise verbesserte Eigenschaften etwa bei Brillen ermöglichen. Bei einer Linse mit Brechungsindexgradienten ändert sich der Brechungsindex innerhalb des Linsenmaterials kontinuierlich. In einer einfachen GRIN-Linsenebene können optische Oberflächen verwendet werden. Die Lichtstrahlen werden kontinuierlich innerhalb der Linse gebogen. Die Fokussiereigenschaften werden durch die Änderung des Brechungsindex innerhalb des Linsenmaterials bestimmt. In der Literatur werden zwei Arten von Gradientenindizes beschrieben: axiale Gradienten und radiale / zylindrische Gradienten. Im axialen Gradienten ändert sich der Brechungsindex kontinuierlich entlang der optischen Achse des inhomogenen Mediums. Im axialen Gradienten sind die Flächen mit konstantem Index Ebenen senkrecht zur optischen Achse. Im Radial / Zylinder variiert das Indexprofil kontinuierlich von der optischen Achse zum Umfang entlang der Querrichtung, so dass die Flächen mit konstantem Index konzentrische Zylinder um die optische Achse sind.
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Aus der
US 2005/105191 A1 sind axiale, radiale oder sphärische Gradientenindexlinsen bekannt, wobei durch Bilden eines Satzes mehrschichtiger Polymerverbundfolien, die aus abwechselnden Schichten A und B bestehen, eine mehrschichtigen Verbund-GRIN-Folie hergestellt wird, wobei die Gradientenindexlinse durch Schneiden und Formen der mehrschichtigen Verbund-GRIN-Schichten ausgebildet wird.
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Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es daher, dass der Brechungsindexgradient einer aus dem Stand der Technik bekannten GRIN-Linse aufwändig durch Stapelung von Polymerbundfolien erreicht wird, wodurch eine einfache Herstellung der Gradientenindexlinsen verhindert wird.
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Aus dem Stand der Technik ist ebenfalls bekannt, Polymere mit mehreren tausend Schichten mehrschichtig zu extrudieren. Dieses Extrusionsverfahren ist jedoch sehr aufwendig und erfordert viele zusätzliche Arbeitsschritte für die Herstellung einer GRIN-Linse.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gradientenindexlinse mit beliebiger Apertur und einstellbarer Brechzahlvariation bereitzustellen, sowie ein Herstellungsverfahren für eine Gradientenindexlinse anzugeben, bei dem die Herstellung der Gradientenindexlinse vereinfacht wird.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Gradientenindexlinse angegeben, wobei die Gradientenindexlinse zumindest ein optisches Material umfasst, wobei das optische Material zumindest zwei zueinander gewinkelte Erstreckungsachsen aufweist, wobei das optische Material einen Brechungsindexgradienten entlang zumindest einer der Erstreckungsachsen des optischen Materials aufweist und wobei das optische Material um zumindest eine der Erstreckungsachsen aufgewickelt ausgebildet ist.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Gradientenindexlinse durch Aufwicklung eines optischen Materials bereitzustellen, wobei das optische Material einen Brechungsindexgradienten entlang zumindest einer der Erstreckungsachsen des optischen Materials aufweist.
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Insbesondere kann das optische Material ein durch Extrusion und/oder mittels Koextrusion gewonnenes optisches Material sein. Der Nutzen der Extrusion und Koextrusion zur Herstellung optischer Materialien ergibt sich aus der Vielzahl von Polymeren und Polymerdotierstoffen, die zur Herstellung von Polymerwerkstoffen verwendet werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das optische Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polymermaterial, einem Verbundpolymer, einer Polymermischung und/oder einem Polymercompound, wobei unter einem Polymercompound hier im Wesentlichen ein mit Additiven und/oder Füllstoffen beaufschlagtes polymerbasiertes Material verstanden wird. Insbesondere kann das Polymermaterial, das Verbundpolymer und/oder die Polymermischung aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus einem Polyethylennaphthalat, einem Isomer davon, einem Polyalkylenterephthalat, einem Polyimid, einem Polyetherimid, einem Styrolpolymer , einem Polycarbonat, einem Poly(meth)acrylat, einem Cellulosederivat, einem Polyalkylenpolymer, einem fluorierten Polymer, einem chlorierten Polymer, einem Polysulfon, einem Polyethersulfon, Polyacrylnitril, einem Polyamid, Polyvinylacetat, einem Polyetheramid, einem Styrol-Acrylnitril-Copolymer, einem Styrol-Ethylen-Copolymer, Poly(ethylen-1,4-cyclohexylendimethylenterephthalat), einem Acrylkautschuk, Isopren-, Isobutylen-Isopren-, Butadienkautschuk, Butadien-Styrol-Vinylpyridin-, Butylkautschuk, Polyethylen-, Chloropren-, Epichlorhydrinkautschuk, Ethylen-Propylen-, Ethylen-Propylen-Dien-, Nitril-Butadien-, Polyisopren-, Silikonkautschuk, Styrol-Butadien- und Urethankautschuk besteht.
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Darüber hinaus kann das optische Material Mischungen aus zwei oder mehr der vorstehend beschriebenen Polymere oder Copolymere beinhalten, wobei vorzugsweise die Komponenten der Mischung im Wesentlichen derart mischbar sind, dass sie die Transparenz der Mischung nicht beeinträchtigen. Bevorzugte polymere Materialien sind ein Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) und Copolymere davon, ein Poly(methylmethacrylat), ein Polyethylen naphalat) (PEN) und ein Polycarbonat. Die Komponenten, die das optische Material gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen, können organische oder anorganische Materialien beinhalten, die den Brechungsindex der Komponente erhöhen oder verringern sollen, einschließlich nanopartikulärer Materialien.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Polymermaterial, das Verbundpolymer, die Polymermischung und/oder das Polymercompound ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem amorphen, teilkristallinen oder kristallinen thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Material.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das optische Material eine extrudierte Folie, wobei eine der Erstreckungsachsen des optischen Materials eine Haupterstreckungsachse der Folie ist. Der Vorteil von Folien ist, dass durch eine kompakte Wicklung der Folien um zumindest eine der Erstreckungsachsen Gradientenindexlinsen mit sehr feinen radialen Abstufungen im Brechzahlgradienten hergestellt werden können.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Folie einen Brechungsindexgradienten entlang der Haupterstreckungsachse der Folie auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Folie einen Brechungsindexgradienten im Wesentlichen orthogonal zur Haupterstreckungsachse der Folie auf.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das optische Material eine extrudierte Faser, wobei eine der Erstreckungsachsen des optischen Materials einer Haupterstreckungsachse der Faser ist und die Faser einen Brechungsindexgradienten entlang der Haupterstreckungsachse der Faser aufweist. Fasern haben ebenfalls den Vorteil, dass sie auf einfache Weise mittels eines Extrusions- oder eines Koextrusionsverfahren hergestellt werden können. Auch könnten mittels Fasern, je nach Aufwicklung, verschiedene geometrische Strukturen hergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brechungsindexgradient des optischen Materials mittels Epitaxie, Ionenaustausch, Diffusion, Sol-Gel und/oder Implantation hergestellt.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brechungsindex in der Mitte der Gradientenindexlinse am niedrigsten und steigt entlang des aufgewickelten optischen Materials zum äußeren Umfang hin an.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brechungsindex in der Mitte der Gradientenindexlinse am höchsten und nimmt entlang des aufgewickelten optischen Materials zum äußeren Umfang hin ab.
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Durch die unterschiedliche Verteilung des Brechungsindexgradienten entlang des optischen Materials lassen sich die optischen Eigenschaften der Gradientenindexlinsen bestimmen, wodurch auf einfache Weise konvexe oder konkave Gradientenindexlinsen hergestellt werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das optische Material eine Dicke von 5 nm bis 1000 µm auf. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das optische Material eine Dicke zwischen 8 µm und 12 µm aufweist.
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Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Gradientenindexlinse nach einem der vorherigen Ansprüche angegeben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- - Herstellen eines optischen Materials, wobei das optische Material mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt wird und zumindest zwei zueinander gewinkelte Erstreckungsachsen aufweist,
- - Bewirken eines Brechungsindexgradienten in dem optischen Material entlang zumindest einer der Erstreckungsachsen,
- - Aufwickeln des optischen Materials, wobei das optische Material um zumindest eine der Erstreckungsachsen aufgewickelt wird,
- - Sintern des optischen Materials.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schritt des Bewirkens eines Brechungsindexgradienten in dem optischen Material entlang zumindest einer der Erstreckungsachsen den Schritt des Bewirkens des Brechungsindexgradienten während des Extrusionsverfahrens.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Schritt des Bewirkens eines Brechungsindexgradienten in dem optischen Material entlang zumindest einer der Erstreckungsachsen über eine Variation der Zusammensetzung des optischen Materials während des Extrusionsverfahrens mittels eines Dosiergradienten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Gradientenindexlinse in eine bestimmte Form gebracht, so dass deren optische Eigenschaften durch Kombination von Form und Brechungsindexvariation gegeben ist. Die Gradientenindexlinse kann zusätzlich in jede gewünschte Form gebracht werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf axial, radial oder kugelförmig, um Linsen verschiedener Formen, wie beispielsweise flach oder kugelförmig, zu bilden.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Gradientenindexlinse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 schematische Ansichten eines optischen Materials gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung; und
- 3 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Herstellung einer Gradientenindexlinse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Gradientenindexlinse 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in 1 gezeigte Gradientenindexlinse 1 umfasst ein optisches Material 2, wobei das optische Material 2 entlang zumindest einer seiner Erstreckungsachsen 4, 5 einen Brechungsindexgradienten 3 aufweist. In 1 ist gezeigt, dass das optische Material 2 um eine seiner Erstreckungsachsen 4, 5 aufgewickelt ist. Ist das optische Material 2 beispielsweise eine Folie oder ein Faden, besitzt das optische Material 2 eine Haupterstreckungsachse 4. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das optische Material 2 um eine Erstreckungsachse 5 aufgewickelt, die im Wesentlichen orthogonal zur Haupterstreckungsachse 4 ist. Durch das Aufwickeln der Folie oder der Faser entsteht die Gradientenindexlinse 1. Aufgrund des Aufwickelns des optischen Materials 2 entsteht aus dem Brechungsindexgradienten 3 entlang beispielsweise der Haupterstreckungsachse 4 des optischen Materials 5 ein Brechungsindexgradient 3 entlang des Radius der so entstehenden Gradientenindexlinse 1. In 1 ist gezeigt, dass der Brechungsindexgradient 3 des optische Materials 2 in der Mitte der Gradientenindexlinse 1 am niedrigsten ist und entlang des aufgewickelten optischen Materials 2 zum äußeren Umfang der Gradientenindexlinse 1 hin ansteigt. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Brechungsindex in der Mitte der Gradientenindexlinse 1 am höchsten ist und entlang des aufgewickelten optischen Materials 2 zum äußeren Umfang hin abnimmt. Durch die unterschiedliche Verteilung des Brechungsindexgradienten 3 entlang des optischen Materials 2 lassen sich die optischen Eigenschaften der Gradientenindexlinsen 1 bestimmen, wodurch auf einfache Weise konvexe oder konkave Gradientenindexlinsen 1 hergestellt werden können.
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Als optisches Material 2 lassen sich eine Vielzahl von thermoplastischen polymeren Materialien verwenden, um die Gradientenindexlinse 1 der vorliegenden Erfindung zu formen. Auch kann das optische Material 2 Verbundpolymere oder Polymermischungen umfassen. Insbesondere können solche Materialien vorgesehen sein, die mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt werden können und zu einer kontinuierlichen Folie festgelegt werden können. Zu diesen Materialien gehören unter anderem thermoplastisch oder duroplastisch verarbeitbare amorphe, teilkristalline und kristalline Polymerwerkstoffe und Elastomere, sofern die aus diesen Materialien gebildeten Folien oder Fäden im Wesentlichen transparent für eine bestimmte Wellenlänge von elektromagnetischer Strahlung sind. Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass das optische Material 2 nicht nur für elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich transparent ist, sondern auch im Infrarot- oder Terahertz-Spektrum.
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Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer Gradientenindexlinse 1 ist es nach der vorliegenden Erfindung möglich, Gradientenindexlinse 1 mit wesentlich größeren Brechungsindexgradienten 3 herzustellen. Dies ermöglicht die Herstellung einer größeren Vielfalt von Linsen. Es ermöglicht sowohl die Herstellung von dünnen als auch dicken sowie leichten Linsen. Außerdem gibt es keine praktische Begrenzung des Linsendurchmessers. Der Durchmesser gemäß der vorliegenden Erfindung kann von 0,1 µm bis zu vielen Metern betragen. Das bedeutet, dass große, schnelle GRIN-Linsen mit einem kleinen Blendenwert und einer wesentlich besseren Lichtverteilung hergestellt werden können.
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Darüber hinaus kann der Brechungsindexgradient 3 in dem optischen Medium 2 gemäß der vorliegenden Erfindung während der Herstellung leicht definiert werden. Dadurch sind komplexere Linsen mit besserer Aberrationskorrektur möglich.
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2 zeigt schematische Ansichten eines optischen Materials 2 gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung. Als optisches Material 2 lassen sich eine Vielzahl von thermoplastischen polymeren Materialien verwenden. Auch kann das optische Material 2 Verbundpolymere oder Polymermischungen umfassen.
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In 2 a) ist das optische Material 2 als Folie gezeigt. Die Folie kann mittels eines Extrusionsverfahrens beispielsweise mittels eines Blasfolienextrusionsverfahrens oder eines Flachfolienextrusionsverfahrens hergestellt werden. Während des Extrusionsverfahrens ist es insbesondere vorgesehen, dass ein Brechungsindexgradient 3 in dem optischen Material bewirkt wird. Dies kann beispielsweise mittels Epitaxie, Ionenaustausch, Diffusion und/oder Implantation erfolgen. Insbesondere wird der Brechungsindexgradient 3 in dem optischen Material 2 über eine Variation der Zusammensetzung des optischen Materials 2 während des Extrusionsverfahrens bewirkt. Beispielsweise kann sich die Zusammensetzung des optischen Materials 2 über einen definierten Zeitraum ändern und so ein Brechungsindexgradient 3 in dem optischen Material 2 insbesondere mittels eines Dosiergradienten bewirkt werden.
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In 2 a) ist weiter gezeigt, dass die Folie einen Brechungsindexgradienten 3 entlang der Haupterstreckungsachse 4 der Folie aufweist. Der Brechungsindexgradient 3 kann kontinuierlich, diskret oder abgestuft in axialer, radialer oder sphärischer Richtung des optischen Materials ausgeführt sein. Der Brechungsindexgradient 3 muss nicht monoton sein. Die zusätzliche Kontrolle über die Art des Brechungsindexgradienten 3 ermöglicht viel mehr Gradientenindexlinsen 1 mit z.B. Aberrationskorrekturen, bifokalen und multifokalen Punkten und einem größeren Sichtfeld herzustellen.
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Die in 2 b) gezeigte Folie, als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, weist einen Brechungsindexgradienten 3 auf, der sich entlang einer im Wesentlichen zu der Haupterstreckungsachse 4 orthogonalen Erstreckungsachse 5 erstreckt.
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In 2 c) ist ein Brechungsindexgradient 3 gezeigt, der entlang der Erstreckungsachse 5 von einem hohen Brechungsindex über einen niedrigen Brechungsindex wieder zu einem hohen Brechungsindex verläuft.
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In 2 d) ist das optische Material als Faden gezeigt, wobei der in 2 d) gezeigte Faden einen Brechungsindexgradienten 3 entlang der Haupterstreckungsachse 4 des Fadens aufweist. Fäden haben den Vorteil, dass sie durch Aufwickeln auf einfache Weise in verschiedene dreidimensionale Formen gebracht werden können.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann eine große Variation des Brechungsindexgradienten 3 erreicht werden, wobei Brechungsindexe insbesondere von 1,01 bis 1,8 aber auch bis zu einem Wert nahe 2 möglich sind. Da der Brechungsindexgradient 3 dynamisch variiert werden kann, kann die Brennweite der aus diesen Materialien hergestellten Gradientenindexlinsen variiert werden. Dies ermöglicht beispielsweise den Bau von Objektiven mit variabler Brennweite und Zoomobjektiven ohne bewegliche Teile.
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3 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Herstellung einer Gradientenindexlinse 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren beginnt mit Schritt S1. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst in Schritt S1 das optische Material 2 hergestellt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das optische Material 2 beispielsweise ein glasartiges Polymermaterial, ein kristallines Polymermaterial, ein elastomeres Polymermaterial oder eine Mischung derselben sein. In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform einer Polymerstruktur kann das optische Material 2 insbesondere durch Koextrusion des polymeren Materials hergestellt werden. Auch kann das optische Material 2 mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt werden. Durch die Herstellung des optischen Materials 2 unter Verwendung eines Extruders kann das optische Material 2 auf einfache Weise in die benötigte Form gebracht werden. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das optische Material 2 beispielsweise bereits als Folie oder Faden hergestellt wird. Für die Herstellung von Folien können insbesondere auch ein Blasfolienextrusionsverfahren oder ein Flachfolienextrusionsverfahren verwendet werden. Je nach Verwendungszweck der Gradientenindexlinse 1 kann das optische Material 2 beispielsweise eine Dicke von 5 nm bis 1000 µm aufweisen. Insbesondere weißt das optische Material 2 eine Dicke zwischen 8 µm und 12 µm auf.
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In Schritt S2 wird in dem optischen Material 2 ein Brechungsindexgradient 3 entlang zumindest einer der Erstreckungsachsen 4, 5 bewirkt. Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass der Brechungsindexgradient 3 bereits bei der Herstellung des optischen Materials 2 in dem optischen Material 2 bewirkt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass sich die Zusammensetzung des optischen Materials 2 während des Herstellungsprozesses über einen definierten Zeitraum ändert und so ein Brechungsindexgradienten 3 in dem optischen Material 2 bewirkt wird. Auch kann ein Brechungsindexgradient 3 mittels eines Dosiergradienten in das optische Material 2 eingebracht werden.
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Im nachfolgenden Schritt S3 wird das mit einem Brechungsindexgradienten 3 versehene optische Material2 aufgewickelt. Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass das optische Material 2 um zumindest eine seiner Erstreckungsachsen 4, 5 aufgewickelt wird. Vorteilhaft dabei ist, dass die Größe der Gradientenindexlinse 1 auf einfache Weise durch die Anzahl der Wicklungen des optischen Materials 2 bestimmt werden kann. Außerdem kann bei der Technik nach der vorliegenden Erfindung ein wesentlich größerer Brechungsindexgradient 3 erreicht werden als bei anderen GRIN-Fertigungstechniken.
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In Schritt S4 wird das optische Material gesintert, um aus dem optischen Material eine beständige Gradientenindexlinse zu erhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gradientenindexlinse
- 2
- optisches Material
- 3
- Brechungsindexgradient
- 4
- Haupterstreckungsachse
- 5
- Erstreckungsachse
- S1
- Herstellen eines optischen Materials
- S2
- Einbringen eines Brechungsindexgradienten
- S3
- Aufwickeln des optischen Materials
- S4
- Sintern des optischen Materials
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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