ES2855473T3 - Lente GRIN asférica - Google Patents

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ES2855473T3 ES11834990T ES11834990T ES2855473T3 ES 2855473 T3 ES2855473 T3 ES 2855473T3 ES 11834990 T ES11834990 T ES 11834990T ES 11834990 T ES11834990 T ES 11834990T ES 2855473 T3 ES2855473 T3 ES 2855473T3
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Eric Baer
Anne Hiltner
Michael Ponting
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Abstract

Un método para fabricar una lente con índice de refracción en gradiente, GRIN, que comprende: coextruir un primer material polimérico, que tiene un primer índice de refracción y un segundo material polimérico, que tiene un segundo índice de refracción diferente del primer índice de refracción, para formar películas compuestas poliméricas multicapa; ensamblar las películas compuestas poliméricas multicapa en una hoja GRIN compuesta multicapa; y conformar la hoja GRIN compuesta multicapa en una lente GRIN asférica, en donde el índice de refracción en gradiente es asférico, caracterizado por que la lente tiene un gradiente de índice de refracción parabólico, en donde la lente define una elipse oblata, que tiene una primera distribución de GRIN semiparabólica y una elipse prolata, que tiene una segunda distribución de GRIN semiparabólica a través de la dirección del espesor de la lente, en donde el índice de refracción disminuye o aumenta en una dirección hacia la periferia de la lente.

Description

DESCRIPCIÓN
Lente GRIN asférica
Campo de la invención
La presente invención se refiere a lentes de índice de refracción en gradiente (GRIN) y, en particular, se refiere a una lente GRIN asférica que tiene una distribución GRIN de diseño.
Antecedentes
En una lente convencional, un rayo de luz entrante se refracta cuando entra en la superficie de la lente conformada debido al cambio brusco del índice de refracción del aire a un material de lente homogéneo. La forma de la superficie de la lente determina las propiedades de enfoque e imagen de la lente. En una lente GRIN, hay una variación continua del índice de refracción dentro del material de la lente. En una lente GRIN sencilla, se pueden utilizar superficies ópticas planas. Los rayos de luz se desvían continuamente dentro de la lente. Las propiedades de enfoque están determinadas por la variación del índice de refracción dentro del material de la lente.
La Patente de Estados Unidos N.° 5.262.896 describe la fabricación de lentes de gradiente axial mediante el proceso de difusión controlada. Las piezas en bruto para la fabricación de tales lentes de gradiente se pueden fabricar mediante varios procesos, tales como SOL-GEL, infusión y difusión y puede ser de vidrio, plástico u otro material óptico adecuado.
La patente de Estados Unidos N.° 4.956.000 describe un método y un aparato para fabricar una lente que tiene una distribución radialmente no uniforme pero axialmente simétrica del material de la lente, en la que el tamaño y la forma de la lente están determinados por la dirección selectiva y la condensación del material de la lente vaporizado sobre un sustrato.
La patente de EE. UU. N.° 5.236.486 describe la formación de una pieza en bruto de lente de gradiente esférica o cilíndrica a partir de una pieza en bruto de lente de gradiente axial mediante moldeo térmico (hundimiento). Este proceso produce una lente monolítica con un índice continuo de perfil de refracción.
La patente de EE. UU. N.° 7.002.754 describe un compuesto de polímeros multicapa jerarquizado para lentes de índice de refracción graduado (GRIN) y un método para fabricar las mismas.
Sumario
Esta solicitud se refiere a una lente GRIN asférica que tiene una distribución GRIN de diseño y a un método de fabricación de la lente GRIN asférica.
Un artículo donde los detalles de una lente de distribución GRIN asférica, el método de fabricación y los materiales para la misma, es divulgado por: J. S Shirk ET AL: "BiomimeticGradientIndex (GRIN) Lenses", NRL REVIEW, 1 de enero de 2006 (2006-01-01).
La lente GRIN asférica puede incluir un compuesto de polímeros multicapa jerarquizado y formarse en un proceso de múltiples etapas. En un aspecto de la solicitud, se fabrica un conjunto de películas compuestas poliméricas multicapa, cada uno con un índice de refracción diferente. Un conjunto ordenado de estas películas compuestas poliméricas multicapa se ensambla en una hoja GRIN compuesta multicapa con el gradiente de índice deseado. A continuación, la hoja GRIN compuesta multicapa se puede conformar en una lente asférica que tiene una distribución GRIN específica.
La lente GRIN asférica descrita en el presente documento se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, la lente GRIN asférica se puede utilizar en aplicaciones de imágenes, tal como aplicaciones de cámara pequeñas que incluyen, entre otros, teléfonos con cámara, cámaras de vigilancia, herramientas de imágenes médicas (p. ej., endoscopios) e imágenes militares (p. ej., osciloscopios, cámaras espaciales), así como sistemas que no forman imágenes, tal como dispositivos de recogida de energía, células solares, colectores solares, concentradores solares, dispositivos de formación de haces y otros dispositivos que requieren una lente con distancias focales muy cortas o muy largas (infinitas). Adicionalmente, la lente GRIN asférica se puede utilizar en implantes biológicos, tales como copias sintéticas de cristalinos humanos para producir dispositivos implantables para la visión humana o animal. Más específicamente, la lente GRIN asférica se puede utilizar para producir dispositivos que son implantables como materiales ópticos para mejorar la visión humana dañada o deteriorada. Otros objetivosy ventajas y una comprensión más completa de la invención se obtendrán a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas y los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una ilustración esquemática de una lente GRIN biconvexa compuesta multicapa con una distribución de gradiente de índice de forma parabólica interna; y,
la figura 2 es un gráfico del índice de refracción dependiente de la composición de películas de polímero de óxido de etileno/tetrafluoroetilenhexafluoropropilenvinilideno (EO/THV) compuestas multicapa deformables basadas en la composición en volumen de EO.
Descripción detallada
Esta solicitud se refiere a lentes de índice de refracción en gradiente (GRIN) y, en particular, se refiere a una lente GRIN asférica que tiene una distribución GRIN de diseño. La lente GRIN asférica puede incluir una estructura compuesta jerárquica que se puede adaptar fácilmente para proporcionar formas de lente asférica y distribuciones GRIN. Las formas de las lentes asféricas y las distribuciones GRIN permiten mayores correcciones de las aberraciones de las lentes y la producción de ópticas únicas con un rendimiento inalcanzable con superficies esféricas.
En una realización de la solicitud, la lente GRIN asférica se puede fabricar en un proceso de múltiples etapas. En el proceso de múltiples etapas, se puede fabricar un conjunto de películas compuestas poliméricas multicapa. Cada película compuesta polimérica puede tener un índice de refracción diferente. Se puede ensamblar un conjunto ordenado de estas películas compuestas poliméricas multicapa en la hoja GRIN compuesta multicapa jerárquica con el gradiente de índice deseado. La hoja GRIN compuesta ensamblada se puede conformar en una lente asférica con una distribución GRIN esférica o asférica.
Las películas compuestas poliméricas multicapa que se utilizan para formar la estructura jerárquica de la lente GRIN pueden incluir hasta 500.000 capas alternando entre al menos dos tipos: (A) y (B). Las capas de tipo (A) están compuestas por el componente (a) y las capas de tipo (B) están compuestas por el componente (b). Cada una de las capas (A) y (B) de la película compuesta polimérica multicapa puede tener un espesor en el intervalo de aproximadamente 5 nm a aproximadamente 1.000 pm.
Puede usarse una amplia variedad de materiales poliméricos termoplásticos para formar las capas (A) y (B). Tales materiales incluyen, aunque sin limitación, polímeros, polímeros cristalinos, polímeros cristalinos líquidos y elastómeros. El término "polímero" o "material polimérico" como se usa en el presente documento denota un material que tiene un peso molecular promedio en peso (PM) de al menos 5.000. El polímero puede ser, por ejemplo, un material polimérico orgánico. El término "oligómero" o "material oligomérico" como se usa en el presente documento denota un material que tiene un PM promedio en peso de 1.000 a menos de 5.000. Dichos materiales oligoméricos pueden ser, por ejemplo, materiales poliméricos vítreos, cristalinos o elastoméricos.
Los ejemplos de materiales poliméricos que se pueden usar para formar las capas A y B pueden incluir, entre otros, polietilennaftalato e isómeros del mismo, tales como 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- y 2,3-polietilennaftalato; tereftalatos de polialquileno tales como polietilentereftalato, polibutilentereftalato y tereftalato de poli-1,4-ciclohexanodimetileno; poliimidas, tales como imidaspoliacrílicas; polieterimidas; polímeros estirénicos, tales como poliestirenoatáctico, isotáctico y sindiotáctica, -metil-poliestireno, para-metil-poliestireno; policarbonatos tales como bisfenol-A-policarbonato (PC); poli(met)acrilatos tales como poli(metacrilato de metilo) vítreo, poli(metacrilato de metilo), poli(metacrilato de isobutilo), poli(metacrilato de propilo), poli(metacrilato de etilo), poli(acrilato de butilo) y poli(acrilato de metilo) (el término "(met)acrilato" se usa aquí para indicar acrilato o metacrilato); derivados de celulosa, tales como etilcelulosa, acetato de celulosa, propionato de celulosa, acetato butirato de celulosa y nitrato de celulosa; polímeros de polialquileno, tales como polietileno, polipropileno, polibutileno, poliisobutileno y poli(4-metil)penteno; polímeros fluorados, tales como resinas perfluoroalcoxi, politetrafluoroetileno, copolímerosfluorados de etileno-propileno, fluoruro de polivinilideno y policlorotrifluoroetileno y sus copolímeros; polímeros clorados, tales como polidicloroestireno, cloruro de polivinilideno y cloruro de polivinilo; polisulfonas; polietersulfonas; poliacrilonitrilo; poliamidas; polivinilacetato; poliéter-amidas.
Otros materiales poliméricos que se pueden utilizar para formar las capas A y B son los copolímeros, tales como copolímero de estireno-acrilonitrilo (SAN), por ejemplo, que contiene entre 10 y 50 % en peso, o entre 20 y 40 % en peso, de acrilonitrilo, SAN-17, copolímero de estireno-etileno; y poli(etilen-1,4-ciclohexilendimetilen tereftalato) (PETG). Los materiales poliméricos adicionales incluyen un caucho acrílico; polímeros electro-ópticos, tales como polioxietileno (EO) o polioxipropileno (PO); tetrafluoroetilenhexafluoropropilenvinilideno (THV); isopreno (IR); isobutileno-isopreno (11R); caucho de butadieno (BR); butadieno-estireno-vinilpiridina (PSBR); caucho de butilo; polietileno; cloropreno (CR); caucho de epiclorhidrina; etileno-propileno (EPM); etileno-propileno-dieno (EPDM); nitrilo-butadieno (NBR); poliisopreno; caucho de silicio; estireno-butadieno (SBR); y caucho de uretano. Aun así, materiales poliméricos adicionales incluyen polímeros cristalinos líquidos, copolímeros y copolímeros de bloques o de injerto.
Además, cada capa individual (A) y (B) puede incluir mezclas de dos o más de los polímeros o copolímeros descritos anteriormente. Los componentes (a) y (b) de dicha mezcla pueden ser sustancialmente miscibles y, por tanto, no afectan a la transparencia de la mezcla. Como alternativa, uno o más de los componentes (a) y (b) de la mezcla pueden ser inmiscibles o parcialmente miscibles.
Una consideración al seleccionar los materiales para la hoja GRIN compuesta es la diferencia en el índice de refracción entre los componentes poliméricos (a) y (b) de las capas (A) y (B). En particular, el gradiente de índice máximo del compuesto de polímeros multicapa y, por tanto, la hoja GRIN, viene determinado por la diferencia entre los índices de los componentes poliméricos (a) y (b). La distancia focal, el espesor y la forma de la lente GRIN también dependen del gradiente de índice que se pueda lograr. Por consiguiente, uno o más de los componentes (a) y (b) de la película compuesta pueden incluir materiales orgánicos o inorgánicos diseñados para aumentar o disminuir el índice de refracción del componente. Los materiales orgánicos o inorgánicos pueden incluir, por ejemplo, materiales nanoparticulados, tintes y/u otros aditivos.
Las películas compuestas poliméricas multicapa se pueden fabricar con un intervalo predeterminado de índices de refracción y una diferencia de índice arbitrariamente pequeña entre ellos. Esto se puede hacer, por ejemplo, alterando el espesor relativo de las capas (A) y (B). En los casos en que el módulo de elasticidad de los polímeros componentes (a) y (b) difiera, el índice de refracción del material compuesto se puede variar mecánicamente mediante presión, tensión, esfuerzos de compresión o cizallamiento o una combinación de estos esfuerzos. Como se ha indicado, el material compuesto se puede fabricar de modo que uno o ambos de los polímeros componentes (a) y (b) sea un elastómero. Si el módulo de elasticidad de los polímeros componentes (a) y (b) difiere, entonces el índice de refracción de una o más de las capas medias efectivas compuestas (A) y (B) es variable, en relación con el otro, mecánicamente por presión, tensión, esfuerzos de compresión o cizallamiento o una combinación de estos esfuerzos. Por lo tanto, el gradiente de índice de la hoja GRIN jerárquica se puede variar mediante tensión, fuerzas de compresión o de cizallamiento. Los cambios en el índice de refracción y el gradiente del índice de refracción también se pueden lograr mediante cualquier tipo de estímulo mecánico o eléctrico, o mediante imanes unidos a la estructura compuesta polimérica multicapa. Los cambios pueden ser inducidos por efectos electrostáticos o usando polímeros de componentes electroactivos o electroópticos. Esto proporciona a los materiales una gran respuesta electroóptica.
Las películas compuestas poliméricas multicapa se pueden fabricar mediante coextrusión multicapa. Por ejemplo, las películas compuestas poliméricas multicapa fabricadas pueden formarse mediante coextrusión de ensamblaje forzado en el que se colocan en capas dos o más polímeros y luego se multiplican varias veces o el proceso de coextrusión multicapa tradicional donde la estratificación se realiza simultáneamente en un solo bloque de alimentación multicapa. Estos procesos pueden dar como resultado películas de gran área (p.ej, pies de ancho por yardas de ancho) que consiste en miles de capas con espesores de capa individuales tan delgados como 10 nm. Cuando el espesor de la capa es mucho menor que la longitud de onda de la luz, las películas se comportan como medios efectivos y, por tanto, tienen propiedades únicas en comparación con los componentes. Las películas GRIN coextruidas pueden tener un espesor total que varía de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 10 cm, en particular de aproximadamente 12 pm a aproximadamente 3 cm incluyendo cualquier incremento dentro de estos intervalos.
Las películas compuestas poliméricas multicapa que comprenden la capa (A) y (B) se pueden apilar para formar la hoja GRIN compuesta multicapa jerárquica. La hoja GRIN puede formarse, por ejemplo, colocando en capas las películas de material compuesto de polímeros multicapa en una estructura jerárquica como se describe y divulga en las patentes de EE. UU. N.° 6.582.807, expedida el 24 de junio de 2003 a Baer et al. y 7.002.754, expedida el 21 de febrero de 2006, a Baer et al. Al colocar las películas compuestas poliméricas multicapa, la hoja GRIN jerárquica recibe un gradiente de índice de refracción. Las capas se pueden formar de modo que la hoja GRIN jerárquica resultante tenga un gradiente de índice en cualquier dirección, tal como la dirección axial, radial o esférica. El gradiente de índice puede ser continuo, discreto o escalonado. Se pueden lograr muchos gradientes dentro de los límites impuestos por el índice de los polímeros componentes (a) y (b) de las capas (A) y (B) en las películas compuestas poliméricas multicapa.
En cualquier caso, las películas compuestas poliméricas multicapa adyacentes pueden elegirse para que presenten índices de refracción progresivamente diferentes. Por ejemplo, apilar de 5 a 100.000 películas compuestas poliméricas multicapa formará una hoja GRIN jerárquica a partir de la cual se pueden fabricar lentes GRIN como se describe a continuación. El gradiente de índice de la hoja GRIN jerárquica está determinado por el diseño en el que se apilan las películas compuestas poliméricas multicapa. Una ventaja particular de este proceso es que cualquier gradiente de índice predeterminado puede lograrse fácilmente usando películas compuestas poliméricas multicapa. El gradiente de índice está limitado solo por el intervalo de índice de refracción disponible en las películas compuestas poliméricas multicapa. Debido a la construcción antes mencionada de la hoja GRIN, la hoja tiene una estructura jerárquica a escala nanométrica, a escala micrométrica y a escala centimétrica.
En algunas realizaciones de la solicitud, la película compuesta polimérica multicapa se puede formar a partir de dos capas (A) y (B) alternas (p. ej., ABABA...) que están formadas, respectivamente, por polímeros componentes (a) y (b) denominados como componente. Los polímeros componentes (a) y (b) pueden presentar diferentes índices de refracción y formar una película compuesta polimérica multicapa representada por la fórmula (AB)x , donde x=(2)n, y n es el número de elementos multiplicadores y está en el intervalo de 4 a 18. En otras realizaciones, las capas alternas A y B se pueden proporcionar en una película compuesta polimérica multicapa representada por la fórmula (ABA)x o (BAB)x , donde x=(2)n 1, y n es el número de elementos multiplicadores y está en el intervalo de 2 a 18.
En algunas realizaciones, los componentes poliméricos (a) y (b) pueden ser independientemente un material polimérico vítreo, un material polimérico cristalino, un material polimérico elastomérico o mezclas de los mismos. A modo de ejemplo no vinculante, cuando el componente (a) es un material vítreo, el componente (b) puede ser un material elastomérico, un material vítreo, un material cristalino o una mezcla de los mismos. Como alternativa, cuando el componente (a) es un material elastomérico, el componente (b) puede ser un material elastomérico, un material vítreo, un material cristalino o una mezcla de los mismos. Independientemente, el componente (a) debe presentar un índice de refracción diferente al del componente (b); del mismo modo, la capa (A) debe presentar un índice de refracción diferente al de la capa (B).
La película compuesta polimérica multicapa puede incluir una multitud de capas (A) y (B) alternas. En algunos ejemplos, la película compuesta polimérica multicapa puede incluir al menos 10 capas (A) y (B) alternas, preferiblemente de aproximadamente 50 a aproximadamente 500.000 capas alternas, incluyendo cualquier incremento dentro de estos intervalos. Cada una de las capas (A) y (B) pueden ser microcapas o nanocapas. De forma similar, se pueden formar películas compuestas poliméricas multicapa adicionales compuestas por capas (Ai) y Bi), capas que están compuestas de componentes (ai) y (bi), respectivamente. Los componentes (a) y (ai) pueden ser materiales poliméricos iguales o diferentes. Análogamente, (b) y (bi) pueden ser materiales poliméricos iguales o diferentes. Además, los componentes (a) y (b) pueden ser los mismos materiales químicamente, siempre que puedan formar capas distintas que presenten diferentes índices de refracción en virtud de diferencias físicas secundarias, tales como diferencias conformacionales entre estructuras poliméricas, diferencias resultantes de diferentes condiciones de procesamiento, tales como la orientación o las diferencias de PM.
La hoja GRIN jerárquica puede incluir alternativamente más de dos componentes diferentes. Por ejemplo, una estructura de tres componentes de capas alternas (A), (B) y (C) (por ejemplo, ABCABCABC...) de, respectivamente, los componentes (a), (b) y (c) está representada por (ABC)x , donde x es como se ha definido anteriormente. Una estructura que incluye cualquier número de capas de componentes diferentes en cualquier configuración y combinación deseadas se incluye dentro del alcance de la presente invención tal como (CACBCACBC...).
La hoja GRIN jerárquica se puede formar en una lente asférica que tiene cualquier distribución GRIN radial o axial esférica o asféricamente simétrica predeterminada. La hoja GRIN jerárquica se puede formar en una forma asférica calentando la hoja GRIN a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión más baja de cualquiera de los polímeros dentro de la hoja GRIN. La hoja GRIN calentada se puede termoformar en una matriz o molde formando la hoja GRIN en una forma de superficie asférica que se mantiene cuando la hoja GRIN caliente se enfría. Como alternativa o adicionalmente, la hoja GRIN jerárquica puede conformarse mecánica o químicamente mediante un proceso adecuado, tal como grabado, estampado, mecanizado con diamante, pulido metalúrgico, bruñido con perlas de vidrio y similares, o una combinación de mecanizado con diamante seguido de pulido metalúrgico o bruñido con perlas de vidrio o similares para dar forma a la hoja GRIN en una configuración de forma asférica. En un ejemplo, la hoja GRIN jerárquica puede tener una forma asférica mediante un proceso de mecanizado con diamante, tal como torneado con diamante, tallado volante y mecanizado asistido por vibración (VAM).
Dependiendo de la construcción polimérica particular de la lente GRIN asférica, la lente puede ser indeformable, deformable reversiblemente o deformable irreversible. Por consiguiente, mediante el uso de tecnología de polímeros multicapa, la lente se puede fabricar de manera que el gradiente se varíe de forma dinámica y reversible. Esto se consigue, por ejemplo, utilizando materiales poliméricos multicapa dinámicamente variables como capas individuales. En particular, los materiales poliméricos se pueden fabricar de modo que los módulos elásticos así como el índice de refracción de las capas poliméricas alternas sean diferentes. En estos materiales, el esfuerzo aplicado, tal como presión, tensión, compresión o esfuerzos absolutos, o una combinación de estos esfuerzos, cambia el espesor relativo de la capa y, por tanto, cambia el gradiente en la lente.
Los cambios en el índice de refracción y el gradiente del índice de refracción también se pueden lograr mediante cualquier tipo de estímulo mecánico o eléctrico, o mediante imanes unidos a la estructura compuesta polimérica multicapa. Los cambios pueden ser inducidos por efectos electrostáticos o usando polímeros de componentes electroactivos o electroópticos. Esto proporciona a los materiales una gran respuesta electroóptica. La sensibilidad del índice a la tensión se puede variar mediante la elección de los polímeros componentes (a) y (b) y su espesor inicial relativo. Por lo tanto, es posible fabricar una lente de gradiente variable donde puede predeterminarse tanto el gradiente inicial como la variabilidad del gradiente con la tensión.
Opcionalmente, el gradiente de la lente GRIN asférica puede variar, reversible o irreversiblemente, orientando axialmente (por ejemplo, estirando) la hoja GRIN jerárquica y/o la película compuesta polimérica multicapa durante y/o después de la fabricación. Como se ha señalado anteriormente, la película compuesta y, por tanto, la hoja GRIN jerárquica pueden fabricarse de modo que uno o ambos polímeros componentes sea un elastómero. La orientación axial de la película compuesta polimérica multicapa y/o la hoja GRIN jerárquica en al menos una dirección paralela puede variar la distribución del gradiente de la película u hoja. En un ejemplo, una película compuesta polimérica multicapa se puede orientar biaxialmente estirando la película en un plano que es sustancialmente paralelo a una superficie de la película. Se apreciará que, aunque la película puede orientarse biaxialmente estirando la película en al menos dos direcciones, la película también se puede estirar en una única dirección (por ejemplo, orientada uniaxialmente) o estirada en múltiples direcciones (por ejemplo, orientada biaxialmente o triaxialmente).
En la fabricación de lentes GRIN, también es deseable poder especificar el gradiente de índice desde menos de 0,01 hasta el mayor posible. Con la técnica de multicapa descrita en el presente documento, es posible una amplia variedad de gradientes de índice. Dado que un gradiente más grande ofrece una gama más amplia de lentes GRIN que se pueden fabricar, es deseable poder hacer un gran gradiente. Esto permite una distancia focal más corta y una mayor corrección de aberraciones en una lente GRIN más delgada. Para lentes GRIN multicapa, el gradiente de índice se puede especificar desde un mínimo de 0,001 hasta un máximo de la diferencia en el índice de refracción entre los polímeros que constituyen las capas. A menudo es deseable el intervalo más grande posible. Preferentemente, la lente de la estructura polimérica multicapa puede presentar un gradiente de índice de 0,01 o superior, preferentemente en el intervalo de 0,02 a 1,0, más preferentemente en el intervalo de 0,05 a 0,5, incluyendo todos los incrementos dentro de estos intervalos.
Un punto importante es que la técnica de multicapa descrita en el presente documento permite el uso de polímeros miscibles, inmiscibles o parcialmente miscibles para lograr una gran diferencia de índice. Otras técnicas de fabricación de lentes GRIN utilizan técnicas de difusión para lograr un gradiente de índice. Por tanto, los ejemplos de la técnica anterior se limitan a pequeños gradientes de índice de 0,01 a 0,03.
Un segundo punto importante es que las lentes multicapa pueden diseñarse para usarse como elementos ópticos en un amplio intervalo de longitudes de onda desde cerca de 40 nm hasta 1 metro. El intervalo de longitud de onda específico está determinado por los componentes poliméricos. En una realización de la solicitud, la estructura polimérica multicapa presenta una transmisión interna superior al 20 %, preferentemente superior al 50 %. Se puede fabricar una estructura compuesta de polímero multicapa transparente con un intervalo de índices de refracción mediante la estratificación apropiada de los componentes. Si el espesor de capa de cada capa es suficientemente delgado, el material compuesto se comporta como un medio eficaz. El índice de refracción puede diseñarse para presentar cualquier valor entre los índices de los polímeros componentes seleccionando el espesor relativo de las capas componentes. Un compuesto de este tipo se puede fabricar con una transparencia comparable a la de los polímeros componentes.
La lente GRIN asférica descrita en el presente documento se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, la lente GRIN asférica se puede utilizar en aplicaciones de imágenes, tal como aplicaciones de cámara pequeñas que incluyen, entre otros, teléfonos con cámara, cámaras de vigilancia, herramientas de imágenes médicas (p. ej., endoscopios) e imágenes militares (p. ej., osciloscopios, cámaras espaciales), así como sistemas que no forman imágenes, tal como dispositivos de recogida de energía, células solares, colectores solares, concentradores solares, dispositivos de formación de haces y otros dispositivos que requieren una lente con distancias focales muy cortas o muy largas (infinitas). Adicionalmente, la lente GRIN asférica se puede utilizar en implantes biológicos tales como copias sintéticas de cristalinos humanos para producir dispositivos implantables para la visión humana o animal. Más específicamente, la lente GRIN asférica se puede utilizar para producir dispositivos que son implantables como materiales ópticos para mejorar la visión humana dañada o deteriorada. Dichos implantes de lente intraóptica agregarían un campo de visión más amplio, resolución mejorada con poca luz, formación de imágenes de alta resolución y acomodación en un solo implante.
En una realización de la solicitud, la lámina compuesta GRIN multicapa se puede utilizar para fabricar una lente biconvexa asférica con un gradiente de índice parabólico como se muestra en la figura 1. En particular, la lente define una elipse oblata que tiene una primera distribución GRIN semiparabólica y una elipse prolata que tiene una segunda distribución GRIN semiparabólica a través de las direcciones del espesor de la lente. En el ejemplo mostrado en la figura 1, el índice de refracción disminuye en una dirección hacia la periferia de la lente. Se entenderá, sin embargo, que el índice de refracción también podría aumentar en una dirección hacia la periferia de la lente según la presente invención. También se entenderá que la distribución GRIN interna de la lente puede diseñarse radial y asférica dependiendo del rendimiento deseado de la lente.
La lente GRIN asférica es ventajosa sobre otras construcciones de hojas GRIN porque la forma asférica se suma a la potencia correcta de la distribución GRIN para corregir frentes de onda para aberraciones esféricas y otras aberraciones de orden superior. Adicionalmente, las curvaturas de la superficie asférica tienen la capacidad de modificar los frentes de onda ópticos y corregir las aberraciones esféricas o de orden superior inherentes a los materiales comerciales de lentes monolíticos de vidrio y plástico. Al formar lentes GRIN nanoestratificadas con superficies asféricas, la presente invención aumenta la libertad de diseño de las lentes para reducir el tamaño y el peso totales del sistema óptico en el que se usa la lente.
Ejemplo
La figura 2 es un gráfico que ilustra una construcción a modo de ejemplo para la hoja GRIN hecha de materiales poliméricos deformables utilizados para construir la lente GRIN asférica de la presente invención. En este ejemplo, se produjo y apiló una serie de películas de polímero de THV/EO elastomériconanoestratificadas para formar distribuciones GRIN similares a los sistemas vítreos de PMMA/SAN-17. En particular, la hoja GRIN de polímero apilado de THV/EO produjo un índice de refracción en el intervalo de aproximadamente 1,37 a aproximadamente 1,48. El cambio en el índice de refracción varió con el porcentaje de OE por volumen dentro de cada película.
Evidentemente, son posibles numerosas modificaciones y variaciones de la presente invención a la luz de las enseñanzas anteriores. Por tanto, debe entenderse que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la invención se puede poner en práctica de otra manera que la descrita específicamente en el presente documento. Las realizaciones preferidas de la invención se han ilustrado y descrito en detalle. Sin embargo, la presente invención no debe considerarse limitada a la construcción precisa descrita. A los expertos en la materia a la que se refiere la invención se les pueden ocurrir diversas adaptaciones, modificaciones y usos de la invención y la intención es cubrir todas estas adaptaciones, modificaciones y usos que caen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Un método para fabricar una lente con índice de refracción en gradiente, GRIN, que comprende:
coextruir un primer material polimérico, que tiene un primer índice de refracción y un segundo material polimérico, que tiene un segundo índice de refracción diferente del primer índice de refracción, para formar películas compuestas poliméricas multicapa;
ensamblar las películas compuestas poliméricas multicapa en una hoja GRIN compuesta multicapa; y conformar la hoja GRIN compuesta multicapa en una lente GRIN asférica, en donde el índice de refracción en gradiente es asférico, caracterizado por que la lente tiene un gradiente de índice de refracción parabólico, en donde la lente define una elipse oblata, que tiene una primera distribución de GRIN semiparabólica y una elipse prolata, que tiene una segunda distribución de GRIN semiparabólica a través de la dirección del espesor de la lente, en donde el índice de refracción disminuye o aumenta en una dirección hacia la periferia de la lente.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la hoja GRIN está termoformada, moldeada y/o mecanizada en una lente GRIN asférica.
3. El método de la reivindicación 1, en el que cada una de las películas compuestas poliméricas multicapa incluye una pluralidad de al menos dos capas (A) y (B) alternas, representadas por la fórmula (AB)x, donde x=2n, y n está en el intervalo de 2 a 18;
en donde la capa (A) está compuesta por el componente (a) y la capa (B) está compuesta por el componente (b); y en donde los componentes (a) y (b) tienen diferentes índices de refracción.
4. El método de la reivindicación 3, en el que los componentes (a) y (b) se seleccionan del grupo,que consiste en: un material polimérico, un polímero compuesto y una mezcla de polímeros.
5. El método de la reivindicación 4, en el que el material polimérico se selecciona del grupo que consiste en: un material vítreo, un material cristalino, un material cristalino líquido y un material elastomérico.
6. El método de la reivindicación 3, en el que las capas tienen un espesor de 5 nm a 1.000 pm.
7. El método de la reivindicación 3, en el que las películas poliméricas compuestas multicapa se apilan en capas ordenadas para formar una hoja GRIN compuesta multicapa jerárquica; y en donde las películas poliméricas compuestas multicapa adyacentes se eligen para que presenten índices de refracción progresivamente diferentes.
8. El método de la reivindicación 3, en el que la película polimérica compuesta multicapa comprende al menos 10 capas alternas.
9. El método de la reivindicación 3, en el que la hoja GRIN compuesta multicapa está compuesta por de 5 a 100.000 películas compuestas poliméricas multicapa.
10. El método de la reivindicación 3, en el que los componentes (a) y (b) son químicamente los mismos materiales.
11. El método de la reivindicación 4, en el que el material polimérico se selecciona del grupo que consiste en: un polietilennaftalato, un isómero del mismo, un polialquilentereftalato, una poliimida, una polieterimida, un polímero estirénico, un policarbonato, un poli(met)acrilato, un derivado de celulosa, un polímero de polialquileno, un polímero fluorado, un polímero clorado, una polisulfona, una polietersulfona, poliacrilonitrilo, una poliamida, polivinilacetato, una poliéter-amida, un copolímero de estireno-acrilonitrilo, un copolímero de estireno-etileno, poli(etilen-1,4-ciclohexilendimetilen tereftalato), un caucho acrílico, isopreno, isobutileno-isopreno, caucho de butadieno, butadienoestireno-vinil piridina, caucho de butilo, polietileno, cloropreno, caucho de epiclorhidrina, etileno-propileno, etilenopropileno-dieno, nitrilo-butadieno, poliisopreno, caucho de silicio, estireno-butadieno, caucho de uretano y polioxietileno, polioxipropileno y tetrafluoroetilenhexafluoropropilenvinilideno (THV).
12. El método de la reivindicación 3, en el que las capas comprenden además un material orgánico o inorgánico diseñado para afectar al índice de refracción.
13. El método de la reivindicación 3, que presenta un gradiente de índice en el intervalo de 0,02 a 1,0.
14. El método de la reivindicación 13, en el que la película compuesta polimérica multicapa o la hoja GRIN compuesta multicapa está orientada uniaxial o biaxialmente.
15. Una lente con índice de refracción en gradiente, GRIN, en el que el índice de refracción en gradiente es asférico, caracterizada por que la lente GRIN tiene un gradiente de índice de refracción parabólico, en donde la lente define una elipse oblata, que tiene una primera distribución de GRIN semiparabólica y una elipse prolata, que tiene una segunda distribución de GRIN semiparabólica a través de la dirección del espesor de la lente, en donde el índice de refracción disminuye o aumenta en una dirección hacia la periferia de la lente, comprendiendo la lente:
una hoja GRIN compuesta multicapa, coextruida, que tiene forma asférica;
en donde la hoja compuesta multicapa incluye una pluralidad de películas compuestas poliméricas multicapa,coextruidasy apiladas;
en donde cada una de las películas compuestas poliméricas multicapa incluye una pluralidad de al menos dos capas (A) y (B) alternas, representadas por la fórmula (AB)x , donde x=2n, y n está en el intervalo de 4 a 18; en donde la capa (A) está compuesta por el componente (a) y la capa (B) está compuesta por el componente (b); y en donde los componentes (a) y (b) tienen diferentes índices de refracción.
16. La lente de la reivindicación 15, en la que los componentes (a) y (b) son elastómeros y la hoja compuesta multicapa es mecánica y reversiblemente deformable.
17. La lente de la reivindicación 15, en la que el índice de refracción de la hoja GRIN compuesta multicapa se varía mecánicamente por presión, tensión, compresión, cizallamiento o una combinación de estos esfuerzos.
18. La lente de la reivindicación 15, que presenta un gradiente de índice en el intervalo de 0,02 a 1,0.
19. La lente de la reivindicación 15, en la que la hoja define una elipse oblata, que tiene una primera distribución GRIN semiparabólica y una elipse prolata, que tiene una segunda distribución GRIN semiparabólica, a través del espesor de la lente.
20. La lente de la reivindicación 16, en la que el índice de refracción disminuye en una dirección hacia la periferia de la lente.
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