DE69107837T2

DE69107837T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von linsen mit brechungsindexgradient durch rotationsgiessen.

Info

Publication number: DE69107837T2
Application number: DE69107837T
Authority: DE
Inventors: James Bello; David Hamblen
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1990-12-04
Filing date: 1991-11-26
Publication date: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: DE69107837D1; JP2510818B2; US5122314A; EP0513315A1; JPH05503898A; WO1992010357A1; EP0513315B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kunststofflinsenelementes mit einem Brechungsindexgradienten. Genauer ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Linse gerichtet, wobei erste und zweite monomerenthaltende Zusammensetzungen, die je einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, in einem gesteuerten Verhältnis in eine Rotationsform injiziert werden, um ein Linsenelement mit einem Brechungsindexgradienten herzustellen.
Die Idee einer Linse ohne gekrümmte Brechungsoberflächen reicht bis zur Jahrhundertwende zurück. R.W. Wood zeigte, daß ein Medium, wie beispielsweise eine Gelatine, zylindrischer Gestalt mit einem sich von seiner Mittelachse radial nach außen ändernden Brechungsindex Licht konvergiert oder divergiert, obwohl die Flächen des Mediums plan sind (R.W. Wood, Physical Optics, Macmillan, New York, 86-91, 1905). Darüber hinaus wies Wood mathematisch nach, daß der ideale Brechungsindexgradient parabolisch sein würde.
Obwohl Wood's Arbeit zeigte, daß eine Linse mit Brechungsindexgradient (GRIN) möglich ist, wurde bis heute kein sich kommerziell tragendes Verfahren zur Herstellung maßgeschneiderter GRIN-Linsen zu vernünftigen Kosten entwickelt.
Drei Hauptfaktoren müssen beachtet werden, wenn versucht wird, ein kommerziell tragfähiges GRIN-Linsen-Herstellungsverfahren zu entwickeln: Erzeugen einer ausreichend großen Indexänderung; Steuern der Gestalt des Brechungsindexgradienten und Verringern der zum Herstellen einer Linse erforderlichen Zeitdauer. Ein etabliertes Verfahren zum Herstellen einer GRIN- Linse besteht darin, ein homogenes Alkalisilikatglas für eine vorbestimmte Zeitdauer in ein geschmolzenes Salzbad, das ein Gegenion enthält, einzutauchen. Bei diesem binären Diffusionsprozeß wandern Ionen aus dem geschmolzenen Salz in das Glassubstrat und Alkaliionen aus dem Glas werden ausgetauscht und gehen in das Salzbad. Die Veränderung der Zusammensetzung ergibt eine Änderung des Brechungsindex, da die Austauschionen eine unterschiedliche Polarisation aufweisen. Es entwickelt sich ein Konzentrationsgradient, der wiederum zu einem Brechungsindexgradientenprofil führt. Zwar führt der vorgenannte Prozeß zu einer GRIN-Linse, jedoch kann der Diffusionsprozeß, selbst bei erhöhten Temperaturen abhängig von der Größe des gewünschten Linsenelements Stunden oder Tage dauern. Somit mag dieser Prozeß hinsichtlich sehr großer Stückzahlen kommerziell lebensfähig sein, er ist jedoch für das Herstellen von maßgeschneiderten oder GRIN-Linsen-Elementen geringer Stückzahl kommerziell nicht praktikabel.
Auf eine Überwindung der Nachteile des vorgenannten Glasdiffusionsprozesses gerichtete Versuche haben zu den Verfahren zum Herstellen von Kunststoff-GRIN-Linsen-Elementen geführt. Das US-Patent 4,022,855, welches am 10. Mai 1977 an Hamblen erteilt worden ist und hierin durch Bezugnahme enthalten ist, offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffelementes mit einem Brechungsindexgradienten, bei dem zwei copolymerisierbare Monomerzusammensetzungen, die Monomere mit unterschiedlichen Brechungsindizes enthalten, in einer Form zusammengegeben werden, um eine Polymerisationsmischung zu bilden. Die Polymerisationsmischung hat einen Brechungsindex, der sich von ihrer Rotationsachse radial nach außen verändert. Hamblen offenbart zwei bestimmte Verfahren zum Bilden der Polymerisationsmischung. Das erste Verfahren beinhaltet ein Injizieren einer ersten Monomerzusammensetzung in die Form bei einer hohen Drehgeschwindigkeit, wodurch die erste Monomerzusammensetzung vor und während der Hinzufügung einer zweiten Monomerzusammensetzung in die zentrale Formhöhlung radial nach außen gegen die Wände der Formhöhlung gezwungen wird. Nachdem die zweite Monomerzusammensetzung in die Form injiziert worden ist, wird die Drehgeschwindigkeit vermindert und eine Drehung wird eine vorbestimmte Zeitdauer lang fortgesetzt, um den gewünschten Grad an molekularer Diffusion einer Monomerzusammensetzung in die andere zu ermöglichen.
Der molekulare Diffusionsprozeß kann jedoch nahezu so zeitaufwendig wie der zuvor beschriebene Glasionendiffusionsprozeß sein und die Reproduzierbarkeit kann wie bei jedem Diffusionsprozeß ein Problem sein. Darüber hinaus ist es mit einem Diffusionsprozeß nicht möglich, eine Einstellung des Indexgradienten quer zur Linse zu erreichen, d.h. bei dem Diffusionsprozeß ist der Indexgradient fest. Es wäre z.B. wünschenswert, ein parabolisches Indexgradientenprofil zu erzeugen, welches zur Korrektur der Aberration die wünschenswerteste Form ist. Fig. 1 zeigt jedoch ein typisches, durch eine Ionendiffusionslinse erzeugtes Brechungsindexprofil, welches der komplementären Fehlerfunktionsform eines Konzentrationsgradienten folgt. Der Diffusionskurvenschwanzbereich mit niedrigem Index ist zur Korrektur von Aberration nicht geeignet und muß durch eine Blende oder eine Plazierung außerhalb des aktiven Lichtbereichs aus dem Feld herausmaskiert werden. Es ist mit unterschiedlichen Vorgehensweisen versucht worden, die Form des Gradienten in Richtung auf eine parabolische Krümmung zu zwingen, diese Vorgehensweisen sind jedoch erfolglos geblieben.
Das zweite bei Hamblen beschriebene Verfahren widmet sich einigen der Mängel des oben diskutierten Diffusionsprozesses, in dem die zwei Monomerzusammensetzungen während des Füllvorgangs gleichzeitig, aber mit unterschiedlichen Proportionalraten der Form zugeführt werden. Der Brechungsgradient tritt somit auf, ohne auf die Diffusion der zwei Monomere warten zu müssen. Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung des zweiten bei Hamblen beschriebenen Verfahrens dar, die es gestattet, entsprechend den Ansprüchen 1, 4, 6 und 10, den Indexgradienten auf jede gewünschte Form einzustellen, wodurch alle Mängel des oben beschriebenen Diffusionsprozesses beseitigt sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Um Schwierigkeiten im Zusammenhang mit Ionen- oder Molekulardiffusionsverfahren zum Erzeugen radialer Indexgradienten zu umgehen, setzt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Rotationsformvorrichtung und ein verbessertes Rotationsformverfahren zum Herstellen von GRIN-Linsen ein, das im folgenden als "Differentialmonomerfüllen" bezeichnet wird. Genauer stellt die vorliegende Erfindung durch Injizieren von ersten und zweiten monomerenthaltenden Zusammensetzungen, die je einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, in eine Rotationsform ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Kunststofflinsen-Elementes bereit, das einen Brechungsindexgradienten hat. Eine präzise Kontrolle des Indexgradienten wird durch Variieren des Verhältnisses der zwei Monomeren in einer vorbestimmten Anzahl von Schritten während des Füllvorgangs erreicht.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden mit einer Computersteuereinheit Volumenfelder für jede der Monomerzusammensetzungen auf Grundlage des Brechungsindexes jeder Monomerzusammensetzung und einer vorbestimmten Anzahl an Injektionsschritten erzeugt und dann werden die pro Schritt zum Abgeben der benötigten Menge an Monomerzusammensetzung während jedes der Injektionsschritte erforderlichen Pumpengeschwindigkeiten mit der Computersteuereinheit auf Grundlage der Volumenfelder bestimmt, woraufhin der Gesamthub und die Endpunkte für den Monomerzusammensetzungen entsprechende Pumpen mit der Computersteuereinheit auf Grundlage der Volumenfelder berechnet werden. Sodann wird ein mit einer Rotationsform gekoppelter Motor zum Drehen der Rotationsform mit einer vorbestimmten Füllgeschwindigkeit aktiviert und die Pumpen werden durch die Computersteuereinheit gesteuert, um sich aus initialisierten Stellungen in ihre zugehörigen Endpunkte mit den Pumpengeschwindigkeiten pro Schritt zu bewegen, wodurch ein in der Rotationsform vorhandener Hohlraum mit den Monomerzusammensetzungen gefüllt wird, um einen Brechungsindexgradienten zu erzeugen.
Eine computerisierte Kontrolle des Füllvorgangs führt bei der Erzeugung des Indexgradienten zu einem hohen Grad an Genauigkeit. Ein computergesteuertes Füllen bietet auch Vielseitigkeit, indem es möglich ist, den Füllablauf schnell und einfach zu ändern, um jeden gewünschten Indexgradienten zu erzeugen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Mit dem Vorstehenden als Hintergrund soll nun Bezug genommen werden auf die genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und die beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 einen Indexgradientenprofil einer Linse zeigt, die mittels eines herkömmlichen Ionendiffusionsprozesses hergestellt worden ist,
Fig. 2 eine in der vorliegenden Erfindung verwendete Rotationsform darstellt,
Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Rotationsformsystems ist,
Fig. 4 ein Fließbild des Betriebsablaufs des in Fig. 3 dargestellten Systems ist,
Fig. 5 ein Beispiel einer Rotationsform darstellt, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, um eine GRIN-Linse mit gekrümmter Oberfläche zu erzeugen,
Fig. 6 ein Beispiel eines Indexgradientenprofils für einen GRIN-Stab darstellt, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist,
Fig. 7 ein Indexgradientenprofil darstellt, das mittels Querillumination bestimmt worden ist,
Fig. 8 eine Ablenkungsfunktion darstellt, und
Fig. 9 ein Profil einer Linienstreuungsfunktion eines GRIN- Stabs zeigt.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Herstellung von GRIN-Stablinsen beschrieben werden. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung nicht auf die Herstellung von GRIN-Stablinsen beschränkt ist und zum Herstellen jeder Art gewünschter GRIN- Linsen angewandt werden kann, einschließlich solcher mit gekrümmten Oberflächen.
Eine grundsätzliche Darstellung einer in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Rotationsform 10 ist in Fig. 2 wiedergegeben. Die Rotationsform 10 hat obere und untere Formeinsätze 12, 14, die eine zentrale Höhlung 16 begrenzen, die in der Gestalt einer herzustellenden Linse oder eines GRIN-Stabs geformt ist. Die zylindrische Achse der Rotationsform 10 wird für die fertige Linse zum Symmetriezentrum bzw. zur optischen Achse. Vorgemischte Monomere werden auf der Achse durch eine Einlauföffnung in den oberen Formeinsatz 12 eingespritzt, während die Rotationsform gedreht wird. Der Fluß der Monomeren wird genau kontrolliert, um deren relative Anteile so zu ändern, daß eine vorbestimmte Konzentrationsänderung eintritt, während sich die zentrale Höhlung 16 der Rotationsform 10 füllt. Das Mischen der Monomere findet vom Außenrand der zentralen Höhlung 16 in Richtung auf die Rotationsachse statt, da die Zentrifugalkraft jede in die zentrale Höhlung 16 eingeführte Flüssigkeit gegen deren Außenrand drängt. Bei dem dargestellten Beispiel wird eine positive GRIN-Linse erzeugt, indem die zentrale Höhlung 16 so gefüllt wird, daß ein hoher Brechungsindex auf der Achse auftritt und der Gradient radial nach außen abnimmt. Nach Befüllen der zentralen Höhlung 16 wird die Rotationsform 10 mit ultraviolettem Licht (UV) bestrahlt, um eine Photopolymerisation zu induzieren und eine gehärtete Linse zu bilden.
Das zuvor beschriebene Verfahren hat einige Vorteile, einschließlich: 1) Selbstzentrierung der Gradientenachse auf die Linsenachse, 2) eine Verminderung der Herstellungszeit gegenüber Diffusionsverfahren, 3) kein nachträglicher Schleif- und Poliervorgang (außer es ist ein kleines Artefakt auf der Linsenoberfläche von der Einlauföffnung übriggeblieben) und 4) wiederverwendbare Formen. Die Formeinsätze 12, 14 sind aus Silikongummi geformt, der gegen eine Glasvorform gegossen wird, die entsprechend jeder gewünschten Linsenkrümmung geformt sein kann. Ein Trocknen der noch in der Rotationsform 10 befindlichen, fertigen Linse ist möglich, um ein gehärtetes, haltbares und kratzfestes optisches Element zu erzeugen.
Eine genauere Beschreibung einer Vorrichtung zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Differential-Monomerfüllungsverfahrens wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 gegeben, die ein schematisches Blockdiagramm eines Rotationsformsystems zeigt, welches einen mit einer Rotationsform 10 der vorgenannten Art gekoppelten Motor 20 [Headway Research Inc. Drehmotor, 2.000-10.000 Upm], eine sich in die Rotationsform 10 erstrekkende Injektionskanüle 22 [Hamilton Corp. 22-gauge Injektionskanüle], eine mit der Injektionskanüle 22 gekoppelte Monomermikromischkammer 24 [The Lee Co. micro mixer, 10 ml Rauminhalt), zwei mit der Mikromischkammer 24 gekoppelte Spritzenpumpen 26 und 28 [Cavro Scientific Corp., 13,333 Stufenverstellschraubenspindel], und eine Computersteuereinheit 30 [Hewlett-Packard HP-86B Rechner] aufweist, die mit dem Motor 20 und den beiden Spritzenpumpen 26 und 28 gekoppelt ist. Wie bereits oben erwähnt worden ist, schließt die Rotationsform 10 obere und untere Formeinsätze 12, 14 ein, von denen jeder eine Hälfte der zentralen Höhlung 16 begrenzt. Die Formeinsätze 12, 14 werden durch Injizieren von Gummi in einen Lexan-Zylinder [General Electric Co. Silikongummi PTV-615 (weich) und RTV-670 (hart)] hergestellt. Der obere Formeinsatz 12 hat eine Einlauföffnung 32, um es der Injektionskanüle 22 zu ermöglichen, Monomere in die zentrale Höhlung 16 zu injizieren. Sowohl die zentrale Höhlung 16 als auch die Einlauföffnung 32 sind um die Rotationsachse der Rotationsform 10 zentriert, die der Achse der fertigen Linse entspricht. Die optische Achse des radialen Gradienten wird daher automatisch auf den Krümmungsmittelpunkt der fertigen Linse zentriert.
Die in die zentrale Höhlung einzuspritzenden Monomere werden vor dem Eintritt in die Injektionskanüle 22 in der Mikromischkammer 24 vorgemischt. Vorbestimmte Anteile der Monomeren werden von den beiden Spritzenpumpen 26 und 28 unter der Kontrolle der Computersteuereinheit 30 abgegeben, wie im weiteren noch näher erläutert werden wird. Eine Spritzenpumpe enthält ein Monomer mit hohem Index und eine Spritzenpumpe enthält ein Monomer mit niedrigem Index. Ausgewählte Monomere sind in Tabelle I aufgeführt, obwohl es ohne weiteres klar ist, daß andere eingesetzt werden können. Tabelle I Monomere Brechungsindex, Nd PETA [Pentaerythitoltriacrylat, Polysciences] CR-39 [Diallyldiglycolcarbonat, PPG] HIRI-II [geschütztes Gießharz, PPG] DIP [Diallylisophthalat, Polysciences]
Die Hinzugabe von Photoaktivatoren und Thermokatalysatoren zu den Zusammensetzungen aus Tabelle I führen im Anschluß an eine UV-Photopolymerisation und Aushärtung zu einer gehärteten Linse. Es werden z.B. sowohl UV-Sensibilisatoren einschließlich 1- 4 Gewichtsprozent von entweder Darocure 1173, Benzoinmethylether oder Irgacure 184 als auch Thermoaktivatoren wie beipielsweise Benzoylperoxyd oder Benzophenon (4 Gewichts-%) zum nachträglichen Härten hinzugefügt.
Zur Photopolymerisation des Monomers nach Injizierung in die zentrale Höhlung ist eine UV-Quelle, z.B. eine 1.000-Watt- Lampe der Oriel Corp., vorhanden. Eine vollständige UV-Härtung zu einem Polymer ist nicht erforderlich, da ein Gelieren eine Monomerdiffusion verhindert, die das Gradientenprofil verändern könnte. Ein anschließendes Aushärten durch nachträgliches Ofentrocknen findet in einem Ofen statt, der während zwei Stunden linear auf 115ºC aufgeheizt wird, gefolgt von einer zweistündigen Haltezeit bei dieser Temperatur. Nach der zweistündigen Haltezeit wird der Ofentemperatur erlaubt, auf Umgebungstemperatur abzukühlen. Der Kühlvorgang dauert im allgemeinen ungefähr eine Stunde.
Eine Gesamtkontrolle des vorgenannten Systems zum Herstellen eines gewünschten Indexgradientenprofils hängt vom Zumessen kleiner Mengen an Monomeren in die Rotationsform zur richtigen Zeit ab. Ein in die Computersteuereinheit geladenes Pumpensteuerungsprogrammodul bestimmt den Betrieb der Spritzenpumpen auf Grundlage eines gewünschten Indexgradientenprofils und des Brechungsindex der einzusetzenden Monomere. Das tatsächliche Befüllen der zentralen Höhlung 16 wird erreicht, indem das Verhältnis der Monomere während des Füllvorgangs 200 mal oder mehr eingestellt wird, d.h. das Befüllen der zentralen Höhlung 16 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in 200 gleiche Volumenschritte unterteilt. Das führt zu 200 tatsächlichen, konzentrischen Zylindern, deren Dicke zunimmt, da ein Befüllen vom Außenrand der zentralen Höhlung 16 aus in Richtung auf die Rotationsachse beginnt. Die Computersteuereinheit berechnet zunächst den Brechungsindex (d.h. die Konzentration an Monomeren) für jeden der 200 konzentrischen Zylinder in Übereinstimmung mit einer festgelegten Gradientengleichung. Die Gradientengleichung basiert auf der Art von Linsenelement, das hergestellt wird. Das kann erfordern, daß der Systembediener unterschiedliche Gleichungsparameter wie beispielsweise einen gewünschten Linsenradius und eine Oberflächenkontur eingibt. Die Computersteuereinheit berechnet dann das Volumen jedes Monomers, das für jeden der 200 Schritte auf Grundlage der berechneten Brechungsindizes für die Schritte benötigt wird. Sodann werden Geschwindigkeitseinstellungen für jede Pumpe berechnet, so daß sequentielle Volumina in einem 1/200 der Gesamtbefüllungszeit abgegeben wurden, wodurch eine konstante Befüllungsrate unabhängig von der Menge des bei jedem gegebenen Schritt zugefügten einzelnen Monomers erhalten wird. Nach Beendigung der obigen Berechnungen werden die Spritzenpumpen in Bewegung gesetzt und ihre Geschwindigkeit wird durch die Computersteuereinheit jedes 1/200 der Gesamtbefüllungszeit verändert, um zuvor errechnete Geschwindigkeitseinstellungen bei jedem Schritt auszuführen. Mit anderen Worten, die Computersteuereinheit variiert die Betriebsgeschwindigkeit der Pumpen während der Gesamtbefüllungsdauer 200 mal, so daß das Verhältnis der Monomeren während des Befüllungsvorgangs 200 mal variiert wird.
Ein Fließbild des Gesamtsystemablaufs, wie er durch die Computersteuereinheit gesteuert wird, ist in Fig. 4 wiedergegeben. Im Schritt S1 wiid eine Initialisierungsroutine durchgeführt, um die Pumpen zu initialisieren. Die Pumpen werden dann im Schritt 2 gespült, um sicherzustellen, daß alle Luftblasen entfernt sind und jedes Leervolumen mit den Monomeren gefüllt ist. Im Schritt S3 wird der Bediener aufgefordert, den Brechungsindex für die ausgewählten Monomere und alle Parameter einzugeben, wie beispielsweise Linsenradius oder Linsenkrümmung, die für eine gewünschte, zuvor in die Computersteuereinheit 30 geladene Linsengleichung benötigt werden. In dem dargestellten Beispiel wird ein Polynomausdruck verwendet, um die Indexkurve als Funktion des Radius zu beschreiben, und der Bediener gibt Koeffizienten N0, NR1, NR2, NR3 ein. Im Schritt S4 wird von dem Bediener auch ein Motorgeschwindigkeitsprofil eingegeben, das die gewünschte Geschwindigkeit und Haltezeit für den Motor während des Füllvorgangs und des Photopolymerisationsvorgangs festlegt. Im Schritt S5 gibt der Bediener die gewünschte Anzahl an Injektionsschritten (I) ein. Die Anzahl an Injektionsschritten kann alternativ auch als eine Konstante vorgeladen sein. Obwohl das dargestellte Ausführungsbeispiel 200 Injektionsschritte verwendet, kann die Anzahl an Injektionsschritten variiert werden, um jeden gewünschten Indexgradienten zu erzeugen. Die Computersteuereinheit 30 erzeugt dann im Schritt 56 Volumenfelder für jedes der Monomere [B(I) und C(I)]. Die Volumenfelder geben das Volumen jedes Monomers an, welches bei jedem Injektionsschritt benötigt wird, um den gewünschten Brechungsindex zu erzeugen. In Schritt S7 berechnet die Computersteuereinheit 30 dann die Pumpengeschwindigkeit, die zum Abgeben des geforderten Monomervolumens während jedes der Injektionsschritte erforderlich ist. Im dargestellten Beispiel ist die Pumpengeschwindigkeit als zwei-Byte-Variable SBH(I) und SBL(I) für das "B"-Monomer und SCH(I) und SCL(I) für das "C"-Monomer definiert. Dann wird das Gesamtvolumen bzw. der Gesamthub für jede der Pumpen berechnet und im Schritt S8 zum Bestimmen der Endpunkte für jede Pumpe verwendet. An diesem Punkt wird das System initialisiert und das Befüllen der Rotationsform 10 kann beginnen. Im Schritt S9 aktiviert die Computersteuereinheit 30 den Motor, um die Rotationsform 10 mit der im Schritt S4 angegebenen Füllgeschwindigkeit zu drehen. Die Computersteuereinheit 30 sendet dann im Schritt S10 eine Anweisung an die Spritzenpumpen 12, 14, sich aus ihren initialisierten Stellungen zu den im Schritt S8 berechneten Endpunkten zu bewegen. Anfangs gibt die Computersteuereinheit 30 an, daß die Pumpen sich im wesentlichen mit einer Geschwindigkeit 0 bewegen sollen, dann jedoch weist die Computersteuereinheit 30 die Pumpen an, sich mit den im Schritt S8 für jedes der angegebenen Inkremente der Gesamtbefüllungszeit berechneten Geschwindigkeiten zu bewegen. Ist die Befüllung abgeschlossen, weist die Computersteuereinheit 30 den Motor an, sich mit der im Schritt S4 für den Photopolymerisationsschritt angegebenen Geschwindigkeit zu drehen und aktiviert im Schritt S11 die UV-Quelle.
Fachleuten auf diesem Gebiet ist klar, daß die speziellen, im dargestellten Beispiel verwendeten Gleichungen variiert werden können, um jegliche Art von Linse zu erzeugen. Wie zuvor festgestellt worden ist, ist die Erfindung nicht auf die Herstellung von GRIN-Stab-Elementen beschränkt, sondern kann auch zum Herstellen von Linsenelementen mit gekrümmten Oberflächen eingesetzt werden. Die Fig. 5 zeigt z.B. eine Rotationsform zum Herstellen einer Linse mit gekrümmter Oberfläche. In einem solchen Fall würde der Krümmungsradius der inneren und äußeren Linsenoberfläche und die gewünschte Dicke oder Höhe im Zentrum der Linse zum Berechnen des Volumens der Linse bei jeder gewünschten Öffnung verwendet werden.

Testverfahren

Zwei Verfahren wurden eingesetzt, um den Brechungsindexgradienten von Linsen zu messen, die mit dem obenstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurden: Monochromatische Lichtinterferenz und Querilluminationsverfahren (räumliches Querfiltern). Bei dem ersten, einem zerstörenden Versuch, wurden dünne, von GRIN- Stäben abgeschnittene Proben in einen Strahlengang eines Mach- Zehnder Interferometers gebracht. Bei dem zweiten, einem zerstörungsfreien Versuch, wurde die Lichtbrechung eines quer über den GRIN-Stab bewegten, fokussierten Laserstrahls orthogonal zu seiner optischen Achse mit einem P102 Profilanalysator von York, Ltd. ermittelt. Die sich ergebende, durch interne Indexunterschiede hervorgerufene Strahlenablenkung und eine Berechnung mittels einer mathematischen Transformation (Abel'sche Integraltransformation) rekonstruiert das Gradientenprofil, das für eine gemessene Strahlablenkungsfunktion verantwortlich ist.
Scheibenförmige Proben wurden zur Interferometeranalyse durch dünnes Querzerteilen einen Gradienten aufweisender sortierter Stäbe mittels einer Laubsäge (wire saw) und Grobpolieren gegenüberliegender Flächen hergestellt. Wurden diese Proben in einer Küvette mit parallelen Fenstern optischer Güte angeordnet und in ein Öl mit niedrigem Brechungsindex eingetaucht, hinderten unpolierte Probenoberflächen nicht daran, zwischen hellen und dunklen Interferenzstreifen zu unterscheiden. GRIN- Stab-Querschnitte mit einer Dicke von 150-250 um zeigten aufgrund der Indexgradientenänderung konzentrische Ringmuster, wenn sie mit λ=0,6328 um bestrahlt wurden. Jeder Interferenzring resultiert aus einer inkrementalen Indexänderung ΔN=λ/(D), wobei λ die Wellenlänge des auftreffenden Laserlichts und D die Scheibendicke ist. Zum Rekonstruieren des Gradientenprofils wurde der Abstand zwischen Streifen gemessen und die gesammelte Indexänderung wurde gegen den Abstand aufgetragen.
Durch Interferometrie aufgelöste Interferenzstreifenmuster wurden mittels einer Videokamera mit einem Monitor bildlich wiedergegeben und dann mittels einer Rahmenerkennungs/Digitalisierplatine (Frame-Grabber/Digitizerboard) [Targa MB, AT&T True Vision Advanced Raster Graphic Adapted], die in einen Compaq 386/20 PC eingebaut war, festgehalten. Eine Densitometer und Streifenskalierungsanalyse wurde durch ein JAVA genanntes Zeilenabtastungsprofil-Softwareprogramm vorgenommen, das von Jandel Scientific Corporation erhältlich ist. Ausgehend von diesen Daten beschrieb eine Polynomgleichung vierter Ordnung das Gradientenprofil als eine Funktion des radialen Abstands r:
N(r)=No+N1 r²+N2 r&sup4;, r²=x²+y² (1)
wobei N1 und N2 Koeffizienten and No der Basisbrechungsindex auf der Achse ist. Gradientenkoeffizienten wurden mittels einer Regressionsanalyse von JAVA-Daten unter Einsatz eines MathCAD genannten Programms von MathSoft Inc. bestimmt.
Gradientenprofile von einem York Profilanalysator waren ursprünglich für die optische Faserindustrie bestimmt. Glasstabvorformen, aus denen haardünne Fasern gezogen werden, haben verglichen mit einer GRIN-Linse schwache Brechungsgradienten. Die Lichtbrechung befand sich daher außerhalb des von dem Detektor des York Analysators begrenzten festen Winkels. Es wurde ein kleinerer, abgedichteter Küvettenbehälter hergestellt, um die Probe mit einem Öl zu umgeben, das einen höheren Brechungsindex als das in der Hauptprobenkammer verwendete hat. Dies hob die Referenzbasislinie von N=1.4588 auf > N=1.50 an und verengte den akzeptierbaren Sammelwinkel zum Detektor. Abgesehen von einem Kantenrundungsfehler auf einer Oberflächenkrümmung wurde ein repräsentatives Indexgradientprofil aus der Laserstrahlablenkungsfunktion berechnet.
Mittels einer Leistungsanalyse von GRIN-Stäben auf einer optischen Bank wurden die Fokus-Qualität bei Unendlich ermittelt entsprechend der Punktgröße. Strahlabtastungen am Punkt des besten Fokus ergaben Punktdurchmesser bei FWHM (volle Breite, halbes Maximum) und bei 1/e² unter Einsatz eines Photon Technology Beam Scan Model 1080.

Experimentelle Ergebnisse

Mittels des oben beschriebenen Rotationsverfahrens wurden große GRIN-Stäbe mit 9,5 mm Länge und 7,58 mm Durchmesser hergestellt. Obwohl die anfängliche Formhöhlung größer war (9,98 mm x 8,0 mm Durchmesser) reduzierte eine Schrumpfung von 5 % im Anschluß an die Polymerisation die Gesamtabmessungen der fertigen GRIN-Stäbe. Aufgrund der Oberflächenübertragung von der Silikon-Gummiform auf den Stab ergab sich eine Oberflächenqualität optischer Güte auf den GRIN-Stabflächen. Einige GRIN-Stäbe wiesen ein nahe dem Eingang der Einlauföffnung angeordnetes Artefakt auf, das normalerweise aus einer kleinen Erhebung bestand. Diese Artefakte erschienen, nachdem die Injektionskanüle am Eingang zur Formhöhlung nach wiederholten Befüllungen eine größere Einlauföffnung in dem Silikongummi geschaffen hatte, wodurch Monomer in die Einlauföffnung geraten und aushärten konnte. Die Artefakte konnten durch Polieren einfach entfernt werden.
Die Brennweiten der GRIN-Stäbe entsprachen dem beabsichtigten Aufbau, im Bereich von 25-30 mm. Die longitudinale sphärische Aberation betrug 3 mm, was auf Abweichungen von dem optimierten Indexgradientenprofil hinwies. Da eine Wood-Linse kein idealer Abbilder ist, war eine tonnenförmige Verzeichnung wie erwartet groß. Die theoretische Punktgröße im Fokus sollte 2,8 um betragen. Die minimalen Punktgrößen aus Messungen ergaben jedoch 12-20 um FWHM (50 % Peakhöhe), wobei ein beträchtlicher Anteil der Strahlleistung über die Profilbasis dissipiert war. Dieser Verlust an Peakintensität muß unkorrigierten Aberationen in den GRIN-Stäben zugeschrieben werden.
Einen Gradienten aufweisende Zweilinser zeigten einen verbesserten Fokus. Punktgrößenmessungen ergaben 6,74 um FWHM (volle Breite, halbes Maximum) und einen Durchmesser von 15,7 um bei 1/e². Eine homogene Miniatur-Ealing-Linse zeigte eine Punktgröße von 28,2 um FWHM ohne den GRIN-Stab-Zusatz. Fokussierte Laserstrahlprofile für einen optimierten Zweilinser mit einem Gradienten hätten nach Computerberechnungen von Strahlenläufen submikron sein sollen. Ein genaues Auflösen von Profilen nahe und unterhalb einem u lag jedoch außerhalb des Bereichs des eingesetzten Photonenmeßinstruments.
Linsen, die abgeschnitten und mittels Interferometrie analysiert wurden, zeigten eine enge Übereinstimmung zwischen dem experimentellen Gradientenprofil und dem gewünschten Profil. Ein Beispiel ist in Fig. 6 gezeigt. Obwohl die Genauigkeit beim Messen von Gradientenprofilen einer Verbesserung bedarf, ergab ein nach der Methode der kleinsten Quadrate an die Interferenzstreifendaten angepaßtes Polynom eine gute Ähnlichkeit zu dem entwickelten Profil.
Gradientenprofile, die mit einem York Profilanalysator aufgenommen wurden, ergaben Formen ähnlich dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel. Die Strahlungsablenkungsfunktion, dΦ/dy (Radians) die sich aus einer Querillumination über den Durchmesser einer GRIN-Probe durch einen fokussierten Laserstrahl ergibt, ist in Fig. 8 dargestellt. Die maximale Indexänderung ΔN wird aus der Steigung der Ablenkungsfunktion
ΔN=[dΦ(y)/2][n(core)/n(clad)] (2)
gemessen, wobei n(core) das Öl mit hohem Brechungsindex ist, das die einen Gradienten aufweisende Probe umgibt, und n(clad) das äußere Zellenindexöl ist. Aus der Gestalt der Ablenkungsfunktion konvertiert eine mathematische Transformation eine Winkelstrahlbrechung in ein Gradientenprofil.
Ein Beispiel eines Abtastungsprofils, das mit dem Photon Technology Analysator im Brennpunkt eines großen GRIN-Stabs aufgenommen wurde, ist in Fig. 9 gezeigt. Einige Profile gaben Hinweise auf interne Gradientenstrukturen, beispielsweise Ringmuster, die anzeigten, daß manchmal der Gradient nicht glatt war.
Ein Interferenzmuster des Mach-Zehnder-Interferometers zeigte im wesentlichen kreisförmige Ringe. Die Probenscheibe wurde mittels einer Laubsäge (wire saw) orthogonal zu der GRIN- Stab-Achse abgeschnitten, auf eine Dicke von mehr als 200 um poliert und dann flach und in Indexöl untergetaucht innerhalb der Küvette angebracht.

Zusammensetzung von Testergebnissen

Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Herstellen von einen Gradienten aufweisenden Linsen (graded lenses) mit radialen Indexgradienten bereit. Ein Befüllen des Linsenvolumens der Form, d.h. der zentralen Höhlung, durch differentielles Mischen zweier Monomere unter präziser Kontrolle erlaubt eine Variation der Zusammensetzung, die dem gewünschten parabolisch geformten Gradienten entspricht. Ein anschließendes Polieren ist nur gelegentlich notwendig, da die gehärte Linse Oberflächen hat, die die Oberflächen der ursprünglichen Silikongummiform wiederholen. Linsen mit Durchmessern bis zu 18 mm sind geformt worden, jedoch ist der maximale Durchmesser einer Linse, die mit der Erfindung hergestellt werden kann, nicht auf diesen Bereich begrenzt. Eine Begrenzung der Linsendicke ergibt sich aufgrund der erforderlichen UV-Durchdringung, die zum Photopolymerisieren der injizierten Monomere eingesetzt wird, jedoch kann dieser Situation durch einen Einsatz neuer Mikrowellen-Polymerisationsverfahren abgeholfen werden. Es sind jedoch GRIN-Linsen von 8 mm Dicke mit Indexunterschieden von Δn≤0,06 hergestellt worden.
Der computerisierte Betrieb der beiden Spritzenpumpen ergibt eine entscheidende Verbesserung der Steuerung der Monomereinspritzung in die rotierende Form. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Gradientprofil durch eine Polynomgleichung vierter Ordnung beschrieben, was dem Bediener erlaubt, das Konzentrationsprofil über den Linsenradius zu formen. Polynome höhereer Ordnung sind, falls gewünscht, gleich gut handhabbar. Die Gradientenverteilung kann daher geändert werden, um der durch optische Strahlenverlaufsentwicklung geforderten zu entsprechen. Daruuber hinaus wird statt einer Fehlerfunktionsform, wie sie durch binäre Ionendiffusion in Gläsern erzeugt wird, ein wirklich parabolischer Gradient gebildet.
Aufgrund der genauen Präzisionsbefüllung verringert die Erfindung Formbefüllungszeiten auf 100 Sekunden oder weniger. Darüber hinaus wird die Gesamtherstellungszeit, einschließlich UV-Bestrahlung, auf ungefähr 10 Minuten verringert, was gegenüber konventionellen Diffusionsprozessen erheblich besser ist. Die Herstellungszeit von 10 Minuten enthält natürlich nicht solche Zeiten, die für ein nachträgliches thermisches Härten erforderlich sein können (wie oben beschrieben typischerweise fünf Stunden).
Die optische Leistung eines GRIN-Stabs mit 9,5 mm Länge und 7,58 Durchmesser ergab eine Brennweite von 30 mm und eine fokussierte Punktgröße von 12 bis 20 um FWHM. Ein sortierter Zweilinser (graded doublet lens) mit 5 mm Durchmesser zeigte gegenüber einem plankonvexen Glaseinlinser eine verbesserte Fokussierung. Die Fokuspunktgröße wurde von 28 um bei der Einzellinse auf 6,7 um bei der zweilinsigen Kombination verringert. Eine Messung von Gradientenprofilen von Proben, sowohl durch Interferometrie als auch durch räumliches Querfiltern, zeigte eine enge Beziehung zwischen experimentellen Gradienten und der gewünschten Gradientenform. Werden Indexgradienten exakt repliziert, ergab eine Leistungbewertung der optischen Entwicklung, daß es möglich ist, Werte nahe der Beugungsgrenze von 1.000 Zyklen mit GRIN-Linsenoptiken zu erzielen. Ein Hinzufügen einer GRIN-Linse zu einer nicht mit Gradienten versehenen Linse bietet die Möglichkeit des Korrigierens von Aberationen, die bei einer einelementigen Linse inherent sind.
Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele derselben beschrieben worden. Es ist jedoch klar, daß Abwandlungen und Variationen innerhalb des Bereiches der anhängenden Ansprüche möglich sind. So verwendete das dargestellte Ausführungsbeispiel beispielsweise einen interaktiven Ansatz, um einen Beidiener verschiedene Prozeßparameter auswählen zu lassen. Jedoch können alle die von dem Bediener eingegeben Parameter in die Computersteuereinheit vorgeladen werden, so daß der Systembetrieb vollständig automatisch ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Linse mit Brechungsindexgradient durch Zusammengeben zumindest zweier Monomerzusammensetzungen in einer Rotationsform, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Erzeugen von Volumenfeldern mit einer Computersteuereinheit für jede der Monomerzusammensetzungen auf Grundlage des Brechungsindexes jeder Monomerzusammensetzung und einer vorbestimmten Anzahl an Injektionsschritten;

Berechnen der pro Schritt zum Abgeben der benötigen Menge an Monomerzusammensetzung wahrend jedes der Injektionsschritte erforderlichen Pumpengeschwindigkeiten mit der Computersteuereinheit auf Grundlage der Volumenfelder;

Berechnen des Gesamthubs und der Endpunkte für den Monomerzusammensetzungen entsprechende Pumpen mit der Computersteuereinheit auf Grundlage der Volumenfelder;

Aktivieren eines mit einer Rotationsform gekoppelten Motors zum Drehen der Rotationsform mit einer vorbestimmten Füllgeschwindigkeit;

Steuern der Pumpen mit der Computersteuereinheit zum Bewegen aus initialisierten Stellungen in ihre zugehörigen Endpunkte mit den Pumpengeschwindigkeiten pro Schritt, wodurch ein in der Rotationsform vorhandener Hohlraum mit den Monomerzusammensetzungen gefüllt wird, um einen Brechungsindexgradienten zu erzeugen.

2. Verfahren zur Herstellung einer Linse mit Brechungsindexgradient nach Anspruch 1, ferner aufweisend, den Schritt des Befehls an den Motor, mit einer vorbestimmten Photopolymerisationsgeschwindigkeit zu rotieren und des Aktivierens einer Ultraviolett-Einheit zum Photopolymerisieren der Monomerzusammensetzungen in dem Hohlraum der Rotationsform.

3. Verfahren zur Herstellung einer Linse mit Brechungsindexgradient nach Anspruch 2, ferner aufweisend des Schritt des Wärmebehandelns der Monomerzusammensetzungen nach der Photopolymerisation.

4. Verfahren zur Herstellung einer Linse mit Brechungsindexgradient, mit den Schritten:

Eingeben von einen Brechungsindex für zumindest zwei ausgewählte Monomerzusammensetzungen angebenden Daten in eine Computersteuereinheit;

Eingeben von Parametern, die eine in die Computersteuereinheit geladene Linsengleichung betreffen;

Eingeben eines Motorgeschwindigkeitsprofils einschließlich einer Füllgeschwindigkeit des Motors und einer Photopolymerisationsgeschwindigkeit des Motors in die Computersteuereinheit;

Eingeben einer gewünschten Anzahl von Injektionsschritten in die Computersteuereinheit;

Erzeugen von Volumenfeldern mit der Computersteuereinheit für jede der ausgewählten Monomerzusammensetzungen auf Grundlage des Brechungsindexes jedes Monomers und der Anzahl von Injektionsschritten;

Berechnen der pro Schritt zum Abgeben der benötigten Mengen an Monomerzusammensetzungen während jedes der Injektionsschritte erforderlichen Pumpengeschwindigkeiten auf Grundlage der Volumenfelder;

Berechnen des Gesamthubs und der Endpunkte für den ausgewählten Monomerzusammensetzungen entsprechende Pumpen auf Grundlage der Volumenfelder;

Aktivieren eines mit einer Rotationsform gekoppelten Motors zum Drehen der Rotationsform mit der Füllgeschwindigkeit;

Steuern der Pumpen mit der Computersteuereinheit zum Bewegen aus initialisierten Stellungen in ihre zugehörigen Endpunkte mit den Pumpengeschwindigkeiten pro Schritt, wodurch ein in der Rotationsform vorhandener Hohlraum mit den Monomerzusammensetzungen zum Erzeugen eines Brechungsindexgradienten gefüllt wird, und

Anweisen des Motors, mit der Photopolymerisationsgeschwindigkeit zu Drehen, und Aktivieren einer Ultraviolett-Einheit zum Photopolymerisieren des Monomers in dem Hohlraum der Rotationsform.

5. Verfahren zur Herstellung einer Linse mit Brechungsindexgradient nach Anspruch 4, ferner aufweisend den Schritt des Wärmebehandelns der Monomerzusammensetzungen nach der Photopolymerisation.

6. Vorrichtung zur Herstellung von Linsen mit Brechungsindexgradient, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine mit einem Antriebsmotor gekoppelte Rotationsform, wobei die Rotationsform einen oberen Formeinsatz und einen unteren Formeinsatz aufweist, die einen zentralen Hohlraum begrenzen, und wobei der obere Formeinsatz eine Einlauföffnung aufweist;

eine Injektionskanüle, die sich durch die Einlauföffnung in den oberen Formeinsatz und in den zentralen Hohlraum der Rotationsform erstreckt;

eine mit der Injektionskanüle und zumindest zwei Monomerpumpen gekoppelte Mikromischkammer;

einer mit den Monomerpumpen und dem Antriebsmotor gekoppelten Computersteuereinheit, wobei die Computersteuereinheit die Monomerpumpen zum Abgeben zumindest erster und zweiterMonomerzusammensetzungen in die Mikromischkammer während einer vorbestimmten Anzahl inkrementaler Schritte und Verhältnisse während eines Füllvorganges steuert, um einen Brechungsindexgradienten zu erzeugen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Computersteuereinheit den Antriebsmotor anweist, die Rotationsform während des Füllvorgangs mit einer vorbestimmten Füllgeschwindigkeit zu drehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Computersteuereinheit den Antriebsmotor anweist, die Rotationsform nach Beendigung des Füllvorgangs mit einer vorbestimmten Photopolymerisationsqeschwindigkeit zu drehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Computersteuereinheit Antriebsmotor angewiesen hat, die Rotationsform mit der vorbestimmten Photopolymerisationsgeschwindigkeit zu drehen.

10. Vorrichtung zur Herstellung einer Linse mit Brechungsindexgradient durch Zusammengeben von zumindest zwei Monomerzusammensetzungen in einer Rotationsform, wobei die Vorrichtung aufweist:

Mittel zum Erzeugen von Volumenfeldern für jede der Monomerzusammensetzungen auf Grundlage des Brechungsindexes jeder Monomerzusammensetzung und einer vorbestimmten Anzahl an Injektionsschritten;

Mittel zum Berechnen der pro Schritt zum Abgeben der benötigten Menge an Monomerzusammensetzung während jedes der Injektionsschritte erforderlichen Pumpengeschwindigkeiten auf Grundlage der Volumenfelder;

Mittel zum Berechnen des Gesamthubs und der Endpunkte für den Monomerzusammensetzung entsprechende Pumpen auf Grundlage der Volumenfelder;

Mittel zum Aktivieren eines mit der Rotationsform gekoppelten Motors zum Drehen der Rotationsform mit einer vorbestimmten Füllgeschwindigkeit;

Mittel zum Steuern der Pumpen, um sie aus initialisierten Stellungen in ihre zugehörigen Endpunkte mit den Pumpengeschwindigkeiten pro Schritt zu bewegen, wodurch ein in der Rotationsform vorhandener Hohlraum mit den Monomerzusammensetzungen zum Erzeugen eines Brechungsindexgradienten gefüllt wird.

11. Vorrichtung zur Herstellung einer Linse mit Brechungsindexgradient nach Anspruch 10, ferner aufweisend Mittel zum Steuern des Motors zum Drehen mit einer vorbestimmten Photopolymerisationsgeschwindigkeit und Mittel zum Aktivieren einer Ultraviolett-Einheit zum Photopolymerisieren der Monomerzusammensetzungen in dem Hohlraum der Rotationsform.