KR101196081B1 - 다층 중합체 굴절률 분포형 렌즈 - Google Patents

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Abstract

복합물 중합체 필름을 계층 구조로 층상화하여 제조된 축방향, 반경방향 또는 구면 굴절률 분포 (GRIN) 렌즈가 개시된다.
중합체, GRIN 렌즈, 계층 구조, 복합물, 굴절률

Description

다층 중합체 굴절률 분포형 렌즈{MULTILAYER POLYMER GRADIENT INDEX(GRIN) LENSES}
본 출원은 전체적으로 여기에 참고로 수록되는 2003년 11월 14일에 출원된 미국 가출원 제60/519,655호로부터 우선권을 청구한다. 또한, 미국 특허 제6,582,807호는 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다.
본 발명은 고정 초점 길이 또는 역동적으로 변화 가능한 초점 길이를 갖는 축방향, 반경방향 또는 구면 중합체 굴절률 분포형(GRIN) 렌즈[gradient index(GRIN) lenses]의 제조에 관한 것이다. 렌즈는 중합체 복합물 필름을 계층 구조로 층상화하여 형성된 수퍼콤포지트(supercomposite) 중합체이다. 그들은 가시 범위에서 mm 파장 범위의 사용을 위해 설계될 수 있다.
굴절률 광학계는 잘 알려져 있고 최근 검토의 대상이다. 종래 렌즈에서는, 공기중에서 균질 재료로의 굴절률의 갑작스런 변화로 인하여, 입사 광선이 형상화된 렌즈 표면에 들어갈 때 굴절된다. 렌즈의 표면 형상은 렌즈의 초점 조정 및 화상 특성을 결정한다.
굴절률 분포형 렌즈에서는, 렌즈 재료내에서 굴절률의 연속 변화가 있다. 단순한 GRIN 렌즈에서는, 평면 광학면이 사용될 수 있다. 광선은 렌즈내에서 연속적으로 구부러진다. 초점 조점 특성은 렌즈 재료내에서 굴절률의 변화에 의해 결정된다. 문헌에는, 축방향 굴절률 분포형 및 반경방향/원통형 굴절률 분포형의 두가지의 굴절률 분포형(GRIN) 렌즈 형태가 기재되어 있다. 축방향 굴절률 분포형에서, 굴절률은 비균질 매체의 광학축을 따라 연속적으로 변화한다. 축방향 굴절률 분포형에서, 굴절률이 일정한 표면은 광학축에 수직인 평면이다. 반경방향/원통형에서, 굴절률 프로파일은, 굴절률이 일정한 표면이 광학축에 대하여 동심 실린더인 식으로 횡방향을 따라 광학축으로부터 주연으로 연속적으로 변화한다.
편편한 면을 갖는 GRIN 렌즈의 단순한 형태는 렌즈 시스템의 효율적인 제조 및 단순화된 조립을 가능하게 한다. 렌즈의 두께 변화는 초점 거리 및 작업 거리와 같은 렌즈 파라미터를 변화시킬 수 있다. 두께 0.02mm까지의 얇은 렌즈가 가능하다. 이와 달리, 화상 평면은 렌즈의 출사면 상에 직접 놓이도록 될 수 있다.
구면의 표면과 균질의 굴절률을 갖는 종래 렌즈는 완전히 광을 집속하지 않고, 구면 및 색차 수차가 있다. 이들 수차는 축방향 굴절률 분포형 렌즈 블랭크(blank)를 이용함으로써 저감 또는 제거될 수 있는 것이 종래에 또한 잘 알려져 있다. 축방향 굴절률 분포형 렌즈는 대체로 광학축으로 선택되는 일방향에서만 변화하는 굴절률 프로파일을 갖는 렌즈이다. 이러한 수차 프리(free) 렌즈는, 슬라이드 프로젝터, 카메라, 쌍안경 및 많은 다른 화상 장치와 같은 다양한 광학 시스템에서 유리하게 사용될 수 있다. 시스템의 무게 및 복잡성뿐 아니라, 주어진 일에 요구되는 렌즈 소자의 수도 저감될 수 있다.
R. Blankenbecler의 미국 특허 제5,262,896호는 제어된 확산 프로세스에 의한 축방향 굴절률 분포형 렌즈의 제조를 개시하며, 그러한 굴절률 분포형 렌즈의 제조를 위한 블랭크는 졸-겔(SOL-GEL), 주입 및 확산과 같은 다양한 프로세스에 의해 제조될 수 있고, 유리, 플라스틱이나 다른 적절한 광학 재료가 될 수 있다. 상기한 설명은 반경방향 및 원통형 렌즈 모두에 적용할 수 있으나, 요구되는 정밀도로 원통형 렌즈를 연삭 및 연마하는 것은 특히 어렵다.
Reeber 등의 미국 특허 제4,956,000호는 렌즈 재료에 대하여 반경방향으로 비균일하지만 축방향으로 대칭 분포를 갖는 렌즈를 제조하는 방법 및 장치를 개시하는데, 여기서 렌즈 크기 및 형상은 기판상에서 기화된 렌즈 재료의 선택적 방향 및 응축에 의해 결정된다.
W. Ewald의 미국 특허 제1,943,521호는 서로 다른 굴절률의 구성 요소로 구성된 세그먼트된 렌즈를 개시한다. 각각 균질인 렌즈의 개별 부분들은, 경계면 혹은 계면이 광선의 통로 방향에 실질적으로 위치되는 식으로 서로 접착된다. 즉, 계면은 광학축에 평행하다. 굴절률은, 렌즈의 구면 수차를 줄이고 스크린 상에 선명한 화상을 제조하도록 선택된다.
Blankenbecler 등의 미국 특허 제5,236,486호는 가열 몰딩(슬럼핑)에 의해 축방향 굴절률 분포형 렌즈 블랭크로부터 원통형 또는 구면 굴절률 분포형 렌즈 블랭크의 형성을 기술한다. 이러한 프로세스는 연속적인 굴절률 프로파일을 갖는 단일체 렌즈를 제조한다.
Wang 등의 "Design of gradient-index lens systems for laser beam reshaping", Applied Optics, 32, 4763-4769(1993)에, 레이저빔 재형상화를 위한 접합 굴절률 분포형 렌즈 시스템의 설계가 개시된다. 2개의 축방향 굴절률 분포형 렌즈와 균질한 중앙의 전달 렌즈를 이용하는 시스템이 개시된다. 전면의 굴절률 분포형 렌즈와 중앙의 전달 렌즈 사이, 그리고 중앙의 전달 렌즈와 후면의 굴절률 분포형 렌즈 사이의 계면들은 서로 딱 맞도록 연삭 및 연마된 구면이다. 또한, 굴절률 프로파일은 서로 다르고 빔 재형상기로서 기능하도록 적절히 선택된다.
실시간 화상 센서는 군 전술용으로 중요하다. 지난 몇 년간, 그들의 사용이 매우 증가되었다. 넓은 시야[field of view(FOV)] 센서는 조사 업무에 바람직하지만, 식별 및 추적에는 보다 좁은 FOV가 요구된다. 가변 확대 망원경이나 줌 렌즈는 가변 FOV를 제공할 수 있다. 최근 센서 세스템에서, 예컨대 광행로(optical path)로부터 렌즈 세트의 삽입 또는 제거에 의해 FOV의 변화가 이루어질 수 있다. 이것은 느리며, 부피가 커서 다루기 곤란한 기계적 또는 전기기계적 전환을 요구한다. 본 발명에 관한 렌즈는 경량 소형 렌즈에서 밀리세컨드 또는 더 빠른 시간에 FOV의 연속 변화를 제공한다.
수 내지 수천 층의 중합체의 다층 압출이 알려져 있다. 이러한 압출 프로세스는, 중합체, 중합체 복합물 및/또는 무기 혹은 금속 나노입자를 포함하는 중합체의 수천 교대층을 포함하는 재료를 제공한다. 교대층의 중합체 재료들은 굴절률(Δn)에서 상당한 차이를 갖도록 선택될 수 있어서 결과로서 얻어지는 물질들은 층 두께에 해당하는 주기에 따라 굴절률의 변조를 가질 것이다. 5㎚까지의 층 두께는 쉽게 제조될 수 있다. Nazarenko 등의 "Polymer microlayer structures with anisotropic conductivity" Journal of Materials Science, 34(7), 1461(1999)와 Mueller 등의 Polymer Engineering and Science, 37(2), 355(1997)는, 유전성 반사체를 제조하기 위해 그러한 재료를 제조하는 기초 아이디어 및 사용을 개시한다. 특정 투과 특성 및 패스 밴드를 갖는 유전성 반사체 및 필터의 제조 방법은 P.Yeh "Optical Waves in Layered Media", Wiley, New York(1998)에 개시된다. 적절히 배향된 층상 복굴절 중합체는 입사 각도의 광대역에 걸쳐 반사도를 유지하는 다층 거울을 제공할 수 있다.
GRIN 광학계에 적절한 굴절률 변화를 갖는 재료의 제조를 위해 다양한 방법이 개발되어 왔다. 중합체 GRIN 렌즈는 확산을 겪는 2개의 서로 다른 단위체의 공중합에 의해 종종 제조된다(Y. Ohtsuka, 등, "Studies on the light-focusing plastic rod. 10: A light-focusing plastic fiber of methyl methacrylatevinyl benzoate copolymer", Applied Optics, 20, (15), 2726(1981), 및 Y. Ohtsuka와 Y. Koike, "Studies on the light-focusing plastic rod. 18: Control of refractive-index distribution of plastic radial gradient-index rod by photocoloymerization", Applied Optics, 24(24), 4316(1985)). 불완전 확산은 조성 구배를 유도하여 재료에 걸쳐 굴절률 구배를 유발한다. 이러한 기술의 대부분은 10mm 직경 이하의 작은 렌즈를 초래한다. 굴절률 구배는 작고, 최대 굴절률 변화는 전형적으로 0.01 내지 0.03 정도이다. 통상, 굴절률 구배는 단조롭고 거리에 따른 굴절률의 변화는 확산 법칙에 의해 달성될 수 있는 것들에 제한된다. 보고된 가장 큰 반경의 중합체 GRIN 렌즈는 곡선 몰드를 이용하는 이러한 기술에 의해 제조되었다. 그것은 직경이 7㎝이고 Δn이 0.02이었다(Wu, S.P, Nihei, E.,Koike, Y. "Large Radial Graded-Index Polymer" Appl. Opt. 35(1), 28(1996)). 조성 구배를 만들기 위한 다른 기술로는 도펀트 확산 및 원심 분리가 있다. 복합 혼합 및 압출 기술이 또한 제안되어 있다. 중합체 공중합 기술은, 구성 요소가 중합 반응의 전 범위에 걸쳐 혼합가능한 경우에만 유효하다. 이것은 통상 구성 요소가 매우 유사한 중합체이며 얻어질 수 있는 최대 Δn이 작은 것을 의미한다. 도펀트 확산에 의해 제조된 중합 재료는, 도펀트의 이동으로 인해 대게 수명이 짧다. 혼합/압출 기술은 제어하기 어려운 많은 제어 변수를 포함하고 또한 그들은 조성의 넓은 범위에 걸쳐 섞이는 중합체와만 사용될 수 있다.
일반적으로, 다층식 중합체는 유리질 중합체를 이용하여 제조되어 왔다. 유전체 필터 및 반사체로 적절한 층 공간부를 갖는 탄성 다층 구조는 연속 스핀 코팅 및 다층 압출에 의해 제조되어 왔다.
군용뿐 아니라, 본 발명의 렌즈는, 예컨대, 유리 카메라 및 쌍안경을 판독하기 위한 줌 렌즈와 같은 짧고 긴 가변 초점 거리를 갖는 경량 렌즈가 요구되는 폭넓은 상업 용도를 가질 것이다.
본 발명에 따르면, 굴절률 구배(Δn)는 독립적으로 특정화될 수 있다. 이것은 이전에 단일 렌즈에서 가능하지 않았던 렌즈의 초점 특성에 유연성을 부여한다. 또한 렌즈로 하여금 수차 교정을 갖도록 설계될 수 있게 한다. 상기 특성을 나타내는 축방향, 반경방향 또는 구면 중합체 굴절률 분포형 렌즈를 제조하기 위한 더 간단하고 개선되고 더 유연한 방법이 매우 바람직하다.
본 출원은, 굴절률 분포형(GRIN) 렌즈를 위한 계층 다층식 중합체 복합물 및 그것의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 계층 복합물 구조는 두 단계로 형성된다. 첫째, 각각 다른 굴절률을 갖는 다층식 중합체 복합물 필름 한 세트가 제조된다. 둘째, 이러한 다층식 중합체 복합물 필름의 정렬된 세트는, 원하는 굴절률 구배를 갖는 다층식 복합물 GRIN 시트로 조립되고, 또한, 다층식 복합물 GRIN 시트는 렌즈로 형상화된다.
도1은 굴절률 구배를 갖는 다층식 복합물 GRIN 시트이다. 도시된 필름 각각은 다층식 복합물 그 자체이다.
도2는 일방향 플랫 렌즈이다. 그것은, 도1에 도시된 2개의 다층식 복합물 GRIN 시트를 적층하여 제조되는데, 이들은 축방향 렌즈를 형성하도록 슬라이스된 다.
도3은 반경방향 굴절률 구배를 갖는 플랫 렌즈이다. 도17에 도시한 바와 같이, 그것은 원통형 로드상에 다양한 두께의 렌즈로 슬라이스된 다층식 중합체 복합물 필름의 세트를 층상화하여 제조된다.
도4는 구면 굴절률 분포형 렌즈이다.
도5는 50/50 PC/PMMA 다층식 복합물 중합체 필름의 구조 및 원자력 현미경(AFM) 화상을 나타낸다.
도6은 PC/PMMA 다층식 복합물 중합체 필름의 굴절률 설계를 나타낸다. 다음의 조성이 이 연구를 위해 처리되었다: 100/0, 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25, 70/30, 65/35, 60/40, 55/45, 50/50, 45/55, 40/60, 35/65, 30/70, 25/75, 20/80, 15/85, 10/90, 5/95, 0/100.
도7은 21개의 다층식 복합물 중합체 필름에 있어서 굴절률 대 폴리카보네이트(PC) 함량을 나타낸다. 1.49와 1.59 사이의 굴절률을 갖는 필름 세트가 PC 및PMMA 함량을 체계적으로 변화시켜 제조되었다.
도8은 다층식 복합물 GRIN 시트를 제조하는 절차를 나타낸다.
도9는 굴절률이 ni인 50㎛ (2mil) PC/PMMA 다층식 중합체 복합물 필름을 이용하는 다층식 중합체 복합물 필름으로부터 GRIN 시스템의 설계를 나타낸다. 총 308개의 개별 필름들이 적층되었다.
도10은 설계 분포에 대한 GRIN 다층 시스템의 측정된 굴절률 분포를 나타낸다.
도11은 도9에 도시된 GRIN 다층 시스템의 예측된 집속 특성을 나타내는데, 여기서 원형빔은 라인으로 집속된다.
도12는 도9에 도시된 수렴하는 GRIN 다층 시스템의 관찰된 집속 특성을 나타낸다.
도13은 다층식 중합체 복합물 필름으로부터 발산하는 GRIN 시스템 설계를 나타낸다.
도14는 설계 분포에 대해 발산하는 GRIN 다층 시스템의 측정된 굴절률 분포를 나타낸다.
도15는 도13에 도시된 발산하는 GRIN 다층 시스템의 관찰된 집속 특성을 나 타낸다.
도16은 다층식 중합체 복합물 필름으로부터 비대칭인 GRIN 시스템의 설계를 도시한다.
도17은 원통형 대칭인 GRIN 다층 시스템의 제조 절차를 도시한다.
GRIN 렌즈의 계층식 복합물 구조
본 발명은 굴절률 분포형(GRIN) 렌즈를 위한 계층 다층식 중합체 복합물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, GRIN 렌즈의 계층 구조는 두 단계로 제조된다. 먼저, 다층식 중합체 복합물 필름 한 세트가 제조된다. 각각의 중합체 복합물 필름은 서로 다른 굴절률을 갖는다. 둘째, 정렬된 한 세트의 이들 다층식 중합체 복합물 필름은 원하는 굴절률 구배를 갖는 계층 다층식 복합물 GRIN 시트로 조립된다. 이들 다층식 복합물 GRIN 시트는 다양한 렌즈로 형상화된다.
이 실시형태에 따르면, 제1 단계에서, 다층식 중합체 복합물 필름이 제조된다. 각각의 다층식 중합체 복합물 필름은 적어도 두가지 형태인 (A)와 (B)가 교대하는 500,000층까지를 포함한다. (A) 형태의 층들은 구성 요소(a)로 구성되고 (B) 형태의 층들은 구성 요소(b)로 구성된다. 구성 요소 (a) 및 (b)는 중합체 재료이며, 바람직하게는, 유리질, 결정질 혹은 탄성재와 같은 열가소성 중합체 재료이다. 구성 요소(a) 및 (b)는 그들 자체로 복합물 중합체 또는 중합체 블렌드(blend)일 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 다층식 중합체 복합물 필름의 층들은 5나노미터(㎚) 내지 1,000마이크로미터(㎛) 범위의 두께를 갖는다.
GRIN 재료를 제조하기 위해, 그러한 다층식 중합체 복합물 필름들은 소정 굴절률 범위 및 그들 사이의 임의의 작은 굴절률 차이를 갖도록 제조된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 이것은 (A)층과 (B)층의 상대 두께를 제1 다층식 중합체 복합물 필름에서의 (A)층과 (B)층의 상대 두께로부터 변경함으로 이루어진다.
이 실시형태에 따르면, 제2 제조 단계에서, 다층식 중합체 복합물 필름들이 적층되어 계층화된 다층식 복합물 GRIN 시트를 형성한다. 인접한 다층식 중합체 복합물 필름들은 점진적으로 서로 다른 굴절률을 나타내도록 선택된다. 바람직하게, 5 내지 100,000개의 다층식 중합체 복합물 필름들의 적층은 하기와 같이 GRIN 렌즈로 제조될 수 있는 다층식 복합물 GRIN 시트를 형성할 것이다. 이러한 굴절률 구배는, 다층식 복합물 GRIN 시트를 생산하도록 다층식 중합체 복합물 필름들이 적층되는 설계에 의해 결정된다. 이러한 프로세스의 특별한 이점은 사전설정된 어떠한 굴절률 구배도 다층식 중합체 복합물 필름들을 이용하여 쉽게 달성될 수 있다는 것이다. 굴절률 구배는 다층식 중합체 복합물 필름에 있어서 이용가능한 굴절률의 범위에 의해서만 제한된다. 다층식 복합물 GRIN 시트는 나노미터 스케일, 마이크로미터 스케일 및 센티미터 스케일상의 계층 구조를 갖는다.
재료
이 기술 분야의 통상의 숙련자는 누구든지 다양한 열가소성 중합체 재료들이 본 발명의 렌즈를 형성하는데 이용될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 그러한 재료로는 유리질 중합체, 결정질 중합체 및 엘라스토머(elastomer)가 있지만 이들에 제한되지 않고, 이러한 재료로부터 형성된 층이 실질적으로 투명하면 된다. 이들 재료 중, 복합물이 역동적으로 변하는 유효 매체처럼 행동하도록, 가시 또는 근적외(NIR) 광의 파장보다 작은 층 공간부를 갖는 엘라스토머성(elastomeric) 다층식 구조체의 제조는 우리에게 보고된 적이 없다. 본 발명에 관한 재료에 대한 요구 사항 중 하나는 층의 중합체 구성 요소들 사이의 굴절률이 서로 다른 것이다. 본 발명의 다층식 중합체 복합물의 렌즈에서 달성될 수 있는 최대 굴절률 구배는 중합체 구성 요소들 사이의 굴절률 차이에 의해 주어진다. GRIN 렌즈의 초점 거리, 두께 및 형상은 달성될 수 있는 굴절률 구배에 의존한다.
본 출원에서 사용된 바와 같은 용어 "중합체" 또는 "중합체 재료"는 적어도 5,000의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는 재료를 나타낸다. 바람직하게, 중합체는 유기 중합체 재료이다. 본 출원에서 사용된 바와 같은 용어 "올리고머" 또는 "올리고머 재료"는 1,000 내지 5,000 미만의 중량 평균 분자량을 갖는 재료를 나타낸다. 그러한 중합체 재료로는 유리질, 결정질 또는 엘라스토머성 중합체 재료가 있다.
본 발명에 관한 적절한 중합체 재료로는, 폴리에틸렌 나프탈레이트와 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- 및 2,3- 폴리에틸렌 나프탈레이트와 같은 그들의 이소머; 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리-1,4-씨클로헥산디메틸렌 테레프탈레이트와 같은 폴리알킬렌 테레프탈레이트; 폴리아크릴성 이미드와 같은 폴리이미드; 폴리에테르이미드; 아탁틱, 이소탁틱 및 신디오탁틱 폴리스티렌과 같은 스티렌 중합체, α-메틸-폴리스티렌, 파라-메틸-폴리스티렌; 비스페놀-A-폴리카보네이트(PC)와 같은 폴리카보네이트; 폴리(이소부틸메트아크릴레이트), 폴리(프로필 메트아크릴레이트), 폴리(에틸 메트아크릴레이트), 폴리(메틸 메트아크릴레이트), 폴리(부틸 아크릴레이트) 및 폴리(메틸 아크릴레이트)와 같은 폴리(메트)아크릴레이트(용어 "(메트)아크릴레이트"는 아크릴레이트 또는 메트아크릴레이트를 나타내기 위해 여기서 사용된다); 에틸 셀룰로즈, 셀룰로즈 아세테이트, 셀룰로즈 프로피오네이트, 셀룰로즈 아세테이트 부티레이트 및 셀룰로즈 니트레이트와 같은 셀룰로즈 유도체; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리이소부틸렌 및 폴리(4-메틸)펜텐과 같은 폴리알킬렌 중합체; 과플루오로알콕시 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오르화 에틸렌-프로필렌 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리클로로트리플루오로에틸렌과 같은 풀루오르화 중합체 및 그들의 공중합체; 폴리디클로로스티렌, 폴리비닐리덴 클로라이드 및 폴리비닐클로라이드와 같은 염소화 중합체; 폴리설폰; 폴리에테르설폰; 폴리아크릴로니트릴; 폴리아미드; 폴리비닐아세테이트; 폴리에테르-아미드가 있지만, 이들에 한정되지 않는다. 또한, 바람직하게는 10 내지 50 wt%, 바람직하게는 20 내지 40wt%의 아크릴로니트릴을 함유하는 스티렌-아크릴로니티릴 공중합체(SAN)와 스티렌-에틸렌 공중합체와 같은 공중합체; 폴리(에틸렌-1,4-시클로헥실렌디메틸렌 테레프탈레이트)(PETG)가 적절하다. 또 다른 중합 재료로는, 아크릴성 러버; 이소프렌(IR); 이소부틸렌-이소프렌(IIR); 부타디엔 러버(BR); 부타디엔-스티렌-비닐 피리딘(PSBR); 부틸 러버; 폴리에틸렌; 클로로프렌(CR); 에피클로로히드린 러버; 에틸렌-프로필렌(EPM); 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM); 니트릴-부타디엔(NBR); 폴리이소프렌; 실리콘 러버; 스티렌-부타디엔(SBR); 및 우레탄 러버가 있다. 또 다른 중합 재료로는 블럭(block) 또는 그래프트(graft) 공중합체가 있다.
또한, 각각의 개별 층은 상기한 중합체 또는 공중합체의 둘 이상의 블렌드를 포함할 수 있고, 바람직하게 그 블렌드의 구성 요소들은 대체로 혼합할 수 있어서, 블렌드의 투명도에 영향을 미치지 않는다. 바람직한 중합체 재료로는, 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF)와 그들의 공중합체, 폴리(메틸 메트아크릴레이트), 폴리(에틸렌 나팔레이트)(PEN) 및 폴리카보네이트가 있다.
본 발명에 관한 층을 구성하는 구성 요소들은 구성 요소의 굴절률을 증가 또는 감소시키도록 설계된 유기 또는 무기 재료를 포함할 수 있고 나노미립자 재료를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 구성 요소는 비선형 염료가 없다.
중합체 GRIN 렌즈의 제조
본 발명의 실시형태에 의해, 먼저 다층식 중합체 복합물 필름이 제조된다. 설명을 간단히 하기 위해, 2성분 시스템의 거동이 기술된다. 본 발명의 이 실시형태에서, 다층식 중합체 복합물은, 상기한 설명 전체에서, 각각 구성 요소 "(a)" 및 구성 요소 "(b)"라 불리는 2개의 중합체 재료의 2개의 교대층(ABABA.....)으로 제조된다. 구성 요소 (a) 및 (b)는 서로 다른 굴절률을 나타내고 식(AB)X로 표현되는 다층식 중합체 복합물 필름을 형성하는데, 여기서 X=(2)n이고 n은 승수 요소이며 4 내지 18 범위이다. 구성 요소 (a) 및 (b)는 개별적으로 유리질 중합체 재료, 결정질 중합체 재료, 엘라스토머성 중합체 재료 또는 그들의 블렌드일 수 있다. 예컨대, 비결합을 통해, 구성 요소(a)가 유리질 재료이면, 구성 요소 (b)는 탄성재(elastomeric material), 유리질 재료, 결정질 재료 또는 그들의 블렌드일 수 있고, 혹은 구성 요소(a)가 탄성재이면, 구성 요소(b)는 탄성재, 유리질 재료, 결정질 재료 또는 그들의 블렌드일 수 있다. 그러나, 구성 요소(a)는 구성 요소(b)와 다른 굴절률을 나타내어야 하며; 마찬가지로, 층(A)는 층(B)와 다른 굴절률을 나타내야 한다. 다수의 교대층 (A) 및 (B)는 적어도 32개의 교대층 (A) 및 (B), 바람직하게는 50 내지 500,000개의 교대층으로 구성되고, 이 범위내에서 임의의 증분(increment)을 포함하는 다층식 중합체 복합물 필름을 형성한다. 층은 바람직하게는 마이크로층이나 나노층이다. 유사하게, 또 다른 다층식 중합체 복합물 필름이 (Ai) 및 (Bi)층으로 구성되어 형성되는데, 이들은 각각 구성 요소 (ai) 및 (bi)로 구성된다.
이 실시형태에 관한 제2 단계에서, 서로 다른 굴절률을 나타내는 다수의 교대 다층식 중합체 복합물 필름이 GRIN 렌즈 제조를 위한 다층식 복합물 GRIN 시트를 형성한다. 바람직하게, 교대 다층식 중합체 복합물 필름의 수는 5개 이상이다. 보다 바람직하게, 다층식 복합물 GRIN 시트에서 다층식 중합체 복합물 필름의 수는 5 내지 100,000, 가장 바람직하게는 20 내지 10,000이며, 이들 범위내에서 임의의 증분을 포함한다. 굴절률 구배는 다층식 중합체 복합물 필름에서 이용가능한 굴절률의 범위에 의해서만 제한된다. 최종 다층식 복합물 GRIN 시트는 나노미터, 마이크로미터 및 센티미터 스케일상의 계층 구조를 갖는다. 바람직하게, 그것은 마이크로 와 나노층 구조를 갖는 중합체의 다층식 중합체 복합물 필름을 포함한다.
본 발명에 의하면, (a) 및 (ai)는 같거나 다른 열가소성 재료일 수 있다. 같은 식으로, (b) 및 (bi)는 같거나 다른 열가소성 재료일 수 있다. 또한, 구성 요소 (a) 및 (b)는 그들이 중합체 구조체의 구조적 차이, 배향과 같은 다른 프로세스 조건에 기인하는 차이 또는 분자량 차이와 같은 부차적인 물리적 차이로 인해 서로 다른 굴절률을 나타내는 별개의 층을 형성할 수 있다면, 화학적으로 같은 재료일 수 있다.
바람직하게는 서로 다른 재료로 구성된 많은 구성 요소로 층상 구조를 개발하는 것이 가능하다. 제한되지 않는 실시예를 통해서, 구성 요소 (a), (b) 및 (c)의 교대층(ABCABCABC...)의 3성분 구조체는 (ABC)X로 표현되며, 여기서 X는 상기 정의된 바와 같다. 가령 (CACBCACBC...)와 같은 임의의 수의 서로 다른 구성 요소층을 포함하는 구조체는 본 발명의 범위내에 포함된다.
상기한 2성분 다층식 중합체 구조체의 실시형태에서, 렌즈는 2개의 중합체 재료의 다층식 공유 압출에 의해 제조된다. 다층식 중합체 복합물 필름은 매크로스케일 내지 나노스케일 범위의 개별 층 두께를 갖는 2개 이상의 교대층으로 구성된다.
본 발명의 다층식 복합물 GRIN 시트는 바람직하게는 적어도 5개의 필름을 갖는다. 바람직하게, 다층식 복합물 GRIN 시트는 5 내지 100,000 필름, 보다 바람직하게는 20 내지 10,000을 포함하고, 이들 범위내에서 임의의 수의 필름을 포함한다. 다층식 복합물 GRIN 시트는 25 나노미터 내지 10㎝ 범위, 바람직하게는 25㎛ 내지 3㎝ 범위의 전반적인 두께를 갖고, 이들 범위 내에서 임의의 증분을 포함한다. 또한, 다층식 복합물 GRIN 시트는 다층식 복합물 GRIN 시트들을 슬라이스 및 형상화하여 축방향, 반경방향 혹은 구면 렌즈로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 다층식 중합체 복합물 필름은 단축 및 2축으로 배향될 수 있다.
따라서, 본 발명의 렌즈는, 상기한 바와 같이 그리고 여기에 참고로 그 전체가 수록되는 Baer 등의 2003년 6월 24일에 특허된 미국 특허 제6,582,807호에 개시된 바와 같이, 복합물 중합체 필름들을 계층 구조로 여러 층으로 쌓음으로써 형성된다. 제1 단계에서, 재료들은 다층식 중합체 복합물 필름으로 된다. 본 발명에 관한 다층식 중합체 복합물 필름은 서로 다른 굴절률을 갖도록 선택된 중합체의 교대층을 포함한다.
GRIN 렌즈 제조시, 0.01 이하로부터 가능한 큰 굴절률 구배를 특정할 수 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 다층식 기술로, 폭넓은 굴절률 구배가 가능하다. 보다 큰 굴절률은 제조될 수 있는 GRIN 렌즈의 폭을 넓게 하므로, 큰 굴절률의 제조가 가능한 것이 바람직하다. 이것은 보다 얇은 GRIN 렌즈에 있어서 초점 거리를 보다 짧게 한다. 다층식 GRIN 렌즈에 대하여, 굴절률 구배는 최소 0.001로부터 층을 구성하는 중합체들 사이의 굴절률 차이의 최대로 특정화될 수 있다. 대개, 가장 큰 가능 범위가 바람직하다. 바람직하게, 다층식 중합체 구조의 렌즈는 0.01 이상, 바람직하게는 0.02 내지 1.0의 범위, 보다 바람직하게는 0.05 내지 0.5의 범위의 굴절률 구배를 나타낼 수 있고, 이들 범위내에서의 모든 증분을 포함한다.
중요한 점은, 본 발명에 관한 다층식 기술은 혼합 가능하거나, 혼합되지 않거나 혹은 부분적으로 혼합 가능한 중합체의 사용이 큰 굴절률 차이를 달성하도록 한다는 데 있다. 다른 GRIN 렌즈 제조 기술은 굴절률 구배를 얻기 위해 확산 기술을 이용한다. 따라서, 종래 실시예는 0.01 내지 0.03의 작은 굴절률 구배에 제한된다.
둘째로 중요한 점은, 다층식 렌즈가 거의 40㎚에서 1미터의 넓은 파장 범위에 걸쳐 광학 요소로서 사용되도록 설계될 수 있다는 점이다. 특정 파장 범위는 중합체 구성 요소에 의해 결정된다. 본 발명의 실시형태에서, 다층식 중합체 구조는 20%보다 큰, 바람직하게는 50%보다 큰 내부 전달을 나타낸다. 투명한 다층식 중합체 복합물 구조체는 구성 요소의 적절한 층상화에 의해 소정 굴절률의 범위를 갖도록 제조될 수 있다. 각층의 층 두께가 충분히 얇으면 복합물은 유효 매체처럼 거동한다. 굴절률은, 구성 요소 층의 상대 두께를 선택함으로써 구성 요소 중합체의 굴절률 사이의 임의의 값을 나타내도록 설계될 수 있다. 그러한 복합물은 구성 요소 중합체에 상당하는 투명도로 제조될 수 있다.
구성 요소 중합체의 탄성 계수가 다른 본 발명의 일 실시형태에서, 복합물의 굴절률은 압력, 인장, 압축 또는 전단 응력 또는 이들 응력의 조합을 통해 기계적으로 변화될 수 있다. 상기 지적한 바와 같이, 복합물은 구성 요소 중합체의 하나 또는 두개가 엘라스토머이도록 제조될 수 있다.
다층식 중합체 복합물 필름의 두번째 층상화는 굴절률 구배를 갖는 다층식 복합물 GRIN 시트를 제공할 수 있다. 층상화는 계층적이고, 구성 요소 중합체가 다층식 중합체 복합물 필름으로 먼저 층상화된 후, 다층식 중합체 복합물 필름이 다층식 복합물 GRIN 시트로 조립됨을 주목한다. 결과로서 얻어지는 다층식 복합물 GRIN 시트가 가령 축방향, 반경방향 혹은 구면 방향과 같은 임의의 방향에서 굴절률을 갖도록, 두번째 층상화가 행해진다. 굴절률은 연속, 불연속 또는 단차질(stepped) 수 있다. 많은 굴절룰이 다층식 중합체 복합물 필름의 구성 요소 중합체의 굴절률에 의해 부여된 한계 범위내에서 달성될 수 있다.
구성 요소 중합체의 탄성 계수가 다르면, 하나 이상의 유효 매체 복합물 층의 굴절률은 압력, 인장, 압축 또는 전단 응력이나 이들 응력들의 조합을 통해 기계적으로 다른 것에 대해 상대적으로 변화한다. 그 후, 계층 층상화 재료의 굴절률 또한 인장, 압축 또는 전단력을 통해 변화될 수 있다. 굴절률 및 굴절률 변화 또한 임의의 형태의 기계적 또는 전기적 자극, 혹은 다층식 중합체 복합물 구조에 부착된 자석에 의해 달성될 수 있다. 정전 효과나 전기 활성 또는 전기 광학 구성 요소 중합체를 이용함으로써 변화들이 유도될 수 있다. 이것은 재료들에 큰 전기-광학 반응을 제공한다.
본 발명에 의하면, 다층식 복합물 GRIN 시트가 축방향, 반경방향 또는 구면을 포함하지만 여기에 제한되지 않는 임의의 원하는 형상으로 형상화될 수 있어서, 이하 예시되는 바와 같이, 편편하거나 구형과 같은 다양한 형태의 렌즈를 형성할 수 있다.
축방향 GRIN 렌즈
본 발명에 관한 일 실시형태에서, 축방향 GRIN 렌즈가 제조된다. GRIN 렌즈를 제조하기 위해, 우리는 시트 제조에 의한 층상화의 제2 레벨을 소개한다. 우리는 d1 및 d2의 상대값이 증분하여 변화하지만 그들의 합이 일정하게 유지되도록 제조된 이들 다층식 중합체 복합물 필름 한 세트로 시작한다.
한 세트의 다층식 중합체 복합물 필름이 적층되면, 조성 및 굴절률은 필름 표면에 대해 수직으로 변화한다. 이것은 필름 평면에 수직인 굴절률 구배를 갖는 시트를 제조한다. 이것은 도1에 도시된다. 도1에 도시된 본 발명의 다층식 중합체 구조는 축방향 구배를 갖는다. 굴절률 구배는 서로 다른 층들 각각의 배열 및 두께에 의존하기 때문에, 특정 굴절률 구배를 구축하는 것이 가능하다. 예로서, 도1에 도시된 다층식 중합체 구조는 선형 구배, V자 구배 및 포물형 구배로 제조되었다.
도1의 다층식 중합체 구조체는 축방향 굴절률 구배를 갖는 렌즈를 제조하는데 사용될 수 있다. 예가 도2에 도시된다. 도2에서, 도1에 나타난 두개의 다층식 복합물 GRIN 시트는 대칭의 축방향 적층물을 형성하도록 결합된 후 축방향 렌즈를 형성하도록 슬라이스된다. 축방향 굴절률 분포형 렌즈는 수차를 제어하는 광학 장치에 유용하다. 이것은 그러한 렌즈를 제조하는데 효율적이고 비용 효과적인 방법이다.
반경방향 GRIN 렌즈
본 발명에 관한 또 다른 실시형태에서, 반경 방향 GRIN 렌즈가 제조된다. 축방향 굴절률 분포형 렌즈의 형성을 가능하게 하는 층상 기술은 반경방향 렌즈의 형성까지 연장될 수 있다. 도1에 도시된 두개의 시트를 결합하여, 우리는 도3에 도시된 다층식 복합물 적층물을 형성할 수 있다.
기술분야의 숙련된 자에 의해 이해되는 바와 같이, 반경방향 렌즈의 두께 및 그에 따른 초점은 변화될 수 있다. 따라서, 본 출원에서 사용된 바와 같은 용어 "반경방향"은 소정의 반경 방향 분포를 갖는 원통형 렌즈를 포함한다.
중앙 로드의 굴절률은 제1 다층식 중합체와 거의 일치하도록 선택된다. 조성 변화 및 그에 따른 원하는 굴절률 변화에 상응하는 굴절률을 갖는 도3의 적층물은 로드 주위에 동심원상으로 감긴다. 로드를 조각으로 슬라이스하여 반경방향 굴절률 분포형 플랫 렌즈를 제공한다.
축방향 굴절률 분포형 렌즈에서와 같이, 반경방향 굴절률 분포를 갖는 렌즈가 제조된다. 그 기술은, GRIN 렌즈를 제조하는데 현재 사용되는 확산 또는 가변 중합체 기술을 이용하여 가능한 것보다 다양한 굴절률 설계를 제조하는데 이용될 수 있다. 그것은 다량의 GRIN 렌즈를 제조하는데 효율적으로 잠재적으로 비용 효과적인 방법이다.
구면 GRIN 렌즈
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 도4에 도시된 바와 같이 다층식 중합체 복합물 구조체를 포함하는 구면 GRIN 렌즈가 제조된다. 그것은 구배가 있는 통상의 렌즈의 형상인데, 다층식 중합체 복합물 필름은 도4에 도시된 바와 같이 양파와 같이 구면 형상으로 적층된다. 본 발명의 구면 렌즈는 수차가 없는 더 넓은 시야를 나타내고 굴절률 구배가 없는 재료로 제조된 종래 렌즈보다 보다 더 짧거나 더 긴 파장을 갖는다. 구면 굴절률에서, 굴절률 프로파일은 일정한 굴절률의 표면이 양파와 같은 동심의 구형인 식으로, 렌즈 내의 포인트로부터 임의의 방향을 따라 연속적으로 변화한다. 종래 이미 개시된 기술로 성취될 수 없었던 구면 렌즈의 제조가 또한 제공된다.
상기 형상화된 렌즈 중 임의의 것은 변형 가능하거나 불가능할 수 있고, 변형 가능인 경우 가역적으로 혹은 비가역적으로 변형될 수 있다. 따라서, 다층식 중합체 기술을 이용하여, 우리는 굴절률이 역동적으로 그리고 가역적으로 변화될 수 있는 렌즈를 또한 제조할 수 있다. 이것은, 도1 내지 도4에서 역동적으로 변화 가능한 다층식 중합체 재료를 개별층으로 이용함으로써, 본 발명의 바람직한 실시형태에서 성취된다. 도1 내지 도4에 도시된 층을 구성하는 중합체 재료는, 교대 중합체 층의 굴절률뿐 아니라 탄성 계수가 서로 다르도록 제조될 수 있다. 이러한 재료에 있어서, 압력, 인장, 압축 또는 전단 응력이나 이러한 응력들의 조합과 같은 인가 응력이 상대 층 두께 및 그에 따른 렌즈의 굴절률을 변화시킨다. 도1 내지 도4에 도시된 계층 다층식 중합체 구조체를 형성하기 위해 그러한 중합체를 층상화하는 것은 가변 축방향, 반경방향 또는 구면 GRIN 렌즈를 제공할 것이다.
응력에 대한 굴절률의 민감성은 구성 요소 중합체의 선택 및 그들의 상대 초기 두께에 의해 변화될 것이다. 따라서, 초기 구배 및 응력에 따른 구배의 변화도 모두가 특정화될 수 있는 가변 굴절률 분포형 렌즈를 제조하는 것이 가능하다.
본 발명의 이점:
렌즈 재료의 굴절률 구배는 0.5 만큼 혹은 그보다 커질 수 있다. 이것은 비교적 짧은 초점 거리를 갖는 25㎛(1mil) 이하로 얇은 렌즈의 제조를 가능하게 한다.
본 발명에 관한 기술에서, 다른 GRIN 제조 기술에서보다 훨씬 큰 굴절률 구배를 얻을 수 있다. 더 넓은 범위의 구성 요소 중합체가 이용될 수 있다. 단지 요구되는 것은, 그들이 중합체 재료, 바람직하게는 열가소성 중합체 재료라는 점이다. 이것은 우리에게 폭넓은 범위의 굴절률을 갖는 구성 요소 중합체를 선택하도록 한다. 렌즈에서 얻을 수 있는 최대 굴절률 구배는 중합체 구성 요소들의 굴절률 차이에 의해 주어진다.
굴절률 구배는 축방향, 반경방향 또는 구면 방향의 어느 것에서도 연속적, 불연속적 또는 단차지도록 규정될 수 있다. 굴절률 구배는 단조로울 필요가 없다. 굴절률 구배 재료에 대한 이전의 제조 기술에서, 구배는 보통 연속적이고 단조로웠다. 굴절률 구배의 성질에 대한 추가 제어는, 예컨대, 수차 보정, 이중 초점 및 다중 초점 그리고 폭넓은 시야를 갖는 보다 많은 GRIN 렌즈 설계를 가능하게 한다.
굴절률의 큰 변화가 달성될 수 있다. 또한, 굴절률의 역동적인 가역 변화가 달성될 수 있다. 0.01 내지 0.5의 가변 굴절률이 실현 가능하고 1에 근접하는 값이 가능하다. 굴절률 구배가 역동적으로 변화될 수 있기 때문에, 이러한 재료로부터 제조된 GRIN 렌즈의 초점 길이는 변화될 수 있다. 이것은 가변 초점 길이 렌즈의 구성 및 이동부가 없는 줌 렌즈의 구성을 가능하게 한다.
렌즈 재료는 저비용이며 재료의 큰 시트로 생산될 수 있다. 중요한 점은, 다층식 기술이 혼합되지 않거나 혼합가능하거나 부분적으로 혼합가능한 중합체의 사용을 허용하여 큰 굴절률 차이를 달성하도록 한다는 것이다. 이전의 GRIN 렌즈 제조 기술은 굴절률 구배를 얻기 위해 주로 확산 기술을 이용하였다. 그들은 완전히 혼합 가능한 중합체에만 작용한다.
종래 렌즈 제조방법과 달리, 본 발명에 의하면, 훨씬 큰 굴절률 구배를 갖는 렌즈를 제조할 수 있다. 이것은 보다 다양한 렌즈의 제조를 가능하게 한다. 그것은 얇고 두꺼운 경량 렌즈 모두 가능하게 한다. 또한, 렌즈 직경상에 실제적인 한계가 없다. 본 발명에 관한 직경은 0.1㎛에서 수 미터로 될 수 있다. 이것은, 작은 f-수와 훨씬 좋은 광 수집능을 갖는 크고, 빠른, GRIN 렌즈가 제조될 수 있음을 의미한다.
또한, 본 발명에 관한 구조체에 있어서 굴절률 구배는 제조시 쉽게 규정될 수 있다. 이것은 더 좋은 수차 보정을 갖는 더욱 많은 복합 렌즈가 가능함을 의미한다.
일반적으로 본 발명을 기재하였지만, 단지 설명을 목적으로 여기에 제공된 특정 실시예에 참고로 얻어질 수 있고, 또한 이해는 특정화되지 않으면 제한되도록 의도되지 않는다.
실시예
GRIN 계층 다층식 복합물 중합체 렌즈 한 세트가 상기한 바와 같은 단계화된 프로세스에 따라 폴리카보네이트(PC)와 폴리(메틸 메트아크릴레이트)(PMMA)의 복합물을 이용하여 제조되었다.
초기 다층식 중합체 복합물 필름이 도5에 도시된다. 그들은, 총 두께가 50㎛(2mils)와 100㎛(4mils)인 PC와 PMMA의 구성 요소 중합체의 2,048개의 교대 나노층으로 구성된다. 상표 50/50 PC/PMMA 샘플인 동일한 두께 층을 갖는 재료의 원자력 현미경(AFM) 사진이 또한 도시된다. 50/50 PC/PMMA 필름의 개별 층 두께는 50㎛ 필름에서 25㎚이고 100㎛ 필름에서 50㎚이다.
19개의 서로 다른 필름 한 세트는 서로 다른 상대 층 두께로 제조되었지만 전체 두께는 같다. PMMA 층 두께에 대한 폴리카보네이트의 비율은 95/5 내지 5/95로 변화하여 서로 다른 굴절률을 갖는 다층식 중합체 복합물 필름 한 세트를 얻었다. 이러한 다층식 중합체 복합물 필름이 도6에 도시된다. PC 및 PMMA의 순수 필름이 포함되면 이것은 1.49와 1.59 사이의 굴절률을 갖는 21개의 다층식 중합체 복합물 필름 한 세트를 산출한다. 이들은 PC와 PMMA 함량을 체계적으로 변화시켜 얻어진다. 도7은 폴리카보네이트로 구성된 총 두께의 비율의 함수로서 측정된 굴절률을 나타낸다. 필름의 굴절률은 예상한 바와 같이 폴리카보네이트 함량에 따라 선형적으로 변화한다.
이들 필름으로부터 계층 다층식 복합물 GRIN 시트의 제조는 도8에 도시된 바와 같이 다층식 중합체 복합물 필름을 적층하여 달성된다. 도8에 도시된 실시예에서, 363개의 다층식 PC/PMMA 필름이 적층 및 접착되어 블럭을 가로질러 굴절률 변화를 갖는 시트를 제공한다. 이러한 중합체 사전 형성물을 가로지르는 거리 d의 함수로서 굴절률의 변화는 다층식 복합물 GRIN 시트에서 굴절률의 미리 규정된 분포에 의해 결정된다.
계층 다층식 복합물 GRIN 렌즈는 도시된 바와 같이 적층 방향에 수직인 층을 가로지르는 이러한 중합체 블럭을 슬라이스하여 제조된다.
도9는 제조된 하나의 계층 다층식 복합물 축방향 GRIN 렌즈의 제조 파라미터를 나타낸다. 이것은 초점 렌즈이다. 19개의 서로 다른 PC/PMMA 다층식 중합체 복합물 필름이 이용되었다. ith 필름의 굴절률 ni가 도7에 도시된다. 도9에 도시된 경우, 각각 50㎛ 두께의 총 308개의 다층식 중합체 복합물 필름이 적층되었다. 이것은 축방향 초점 렌즈에 있어서 총 630,784개의 나노층을 제공한다. 필름들은 표시된 바와 같이 적층되어, 결과로서 얻어지는 중합체에 걸쳐 굴절률의 이차 방정식 변화를 제공한다. 설계 구배는 다음과 같다.
n(d)=n0(1-0.0013d2)
여기서, d는 중합체를 가로지르는 거리이며, n0=1.576이다. 사전 형성물의 굴절률은 시트를 가로질러 d의 함수로서 측정되었다. d의 함수로서 실제 굴절률은 도10에 도시된 바와 같이, 상기 식으로부터 계산된 것에 매우 근접하다.
도8 및 도9에 기재된 계층 다층식 복합물 GRIN 렌즈에 있어서, 굴절률 구배는 일방향이다. 예상된 집속 특성은 도11에 도시된다. 관찰된 집속 특성은 도12에 도시된다.
큰 굴절률 구배를 갖는 몇몇 다른 계층 다층식 복합물 GRIN 렌즈가 제조되었다. 이들 중 하나의 설계가 도13에 도시된다. 도13은 중앙에서 가장자리로 증가하는 굴절률을 갖는 계층 다층식 복합물 GRIN 렌즈를 나타낸다. 이러한 층 구조로 제조된 중합체의 중앙으로부터의 거리의 함수로서 측정된 굴절률이 도14에 도시된다. 그것은 다음 식에 따른다:
n(d)=n0(1+0.0015d2)
이 경우, n0=1.495이다. 이러한 굴절률 분포로 제조된 렌즈는 종래 오목형 또는 초점 흐림 원통형 렌즈와 같은 집속 특성을 가질 것이다. 관찰된 집속 특성이 도15에 도시된다. 실험적으로, 이것은 초점 흐림 원통형 렌즈와 같이 거동하는 계층 다층식 복합물 GRIN 시스템임을 명시한다. 제조된 또 다른 계층 다층식 복합물 중합체 굴절률 구배가 도16에 도시된다.
이러한 예는 비대칭 구배를 갖는다. 그것은 원통형 대칭을 갖는 계층 다층식 복합물 GRIN 렌즈의 제조에 유용하다. 그러한 원통형으로 대칭인 계층 다층식 복합물 중합체의 제조가 도17에 도시된다. 굴절률 구배는, 중앙에서 가장자리로 바깥쪽 반경방향으로 증가하거나 감소하도록 제조될 수 있다. 대응하는 계층 다층식 복합물 GRIN 렌즈는 요구되는 초점 또는 초점 흐림 특성을 갖도록 제조될 수 있다. 이러한 설계의 초점 렌즈가 제조되었고 우리는 그것이 종래 볼록형 또는 초점 렌즈와 같이 거동함을 명시하였다. 중앙에 구멍이 있는 도시된 설계는 웨이브 가이드 광 파이프용 사전 형성물로도 기능할 수 있다.
요약하면, 우리는 다층식 중합체 복합물 필름을 제조하였고, 다층식 중합체 복합물 필름은 다층식 복합물 GRIN 시트를 형성하도록 적층되었고, 다층식 복합물 GRIN 시트로부터 세 형태인 축방향, 반경방향 및 구면의 GRIN 시트가 형성되었다.
명백하게, 본 발명의 수많은 수정 및 변경이 상기 기술의 견지에서 가능하다. 따라서 본 발명의 첨부되는 특허청구범위내에서 이해되어야 하고, 구체적으로 여기에 기재된 것 이외의 다른 것이 행해질 수 있다.

Claims (33)

  1. 다층식 복합물 GRIN 시트로 구성된 변형 가능한 굴절률 분포형 렌즈이며,
    상기 다층식 복합물 시트는 2개 이상인 복수의 공유 압출된 다층식 중합체 복합물 필름들로 구성되고,
    상기 다층식 중합체 복합물 필름 각각은 식(AB)X로 표현되는 2개 이상인 복수의 교대층 (A) 및 (B)로 구성되고, 여기서 X=2n, n은 4 내지 18 범위이며,
    층(A)는 구성 요소(a)로 구성되고 층(B)는 구성 요소(b)로 구성되고,
    상기 구성 요소 (a) 및 (b)는 서로 다른 굴절률을 나타내는 굴절률 분포형 렌즈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구성 요소(a) 및 (b)는 중합체 재료, 복합물 중합체 및 중합체 블렌드로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 굴절률 분포형 렌즈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중합체 재료는, 유리질 재료, 결정질 재료 및 탄성재로 구성되는 그룹에서 선택되는 굴절률 분포형 렌즈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 층은 5㎚ 내지 1,000㎛의 두께를 갖는 굴절률 분포형 렌즈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다층식 중합체 복합물 필름은 계층 다층식 복합물 GRIN 시트를 형성하도록 정렬된 층으로 적층되고, 인접하는 다층식 중합체 복합물 필름들은 점진적으로 서로 다른 굴절률을 나타내도록 선택되는 굴절률 분포형 렌즈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다층식 중합체 복합물 필름은 32개 이상의 교대층을 포함하는 굴절률 분포형 렌즈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 다층식 중합체 복합물 필름은 50 내지 500,000개 범위의 교대층을 포함하는 굴절률 분포형 렌즈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트는 5 내지 100,000개의 다층식 중합체 복합물 필름으로 구성되는 굴절률 분포형 렌즈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트는 20 내지 10,000개의 다층식 중합체 복합물 필름으로 구성되는 굴절률 분포형 렌즈.
  10. 제1항에 있어서, 구성 요소 (a) 및 (b)는 화학적으로 같은 물질인 굴절률 분포형 렌즈.
  11. 다층식 복합물 구조체로 구성된 변형 가능한 굴절률 분포형 렌즈이며,
    상기 다층식 복합물 구조체는 2개 이상인 복수의 공유 압출된 다층식 중합체 복합물 필름들로 구성되고,
    상기 다층식 중합체 복합물 필름 각각은 식(ABC)x로 표현되는 3개 이상인 복수의 교대층 (A) (B) 및 (C)로 구성되고, 여기서 X=2n, n은 4 내지 18 범위이며,
    층(A)는 구성 요소(a)로 구성되고 층(B)는 구성 요소(b)로 구성되고 층(C)는 구성 요소(c)로 구성되고,
    상기 구성 요소(a), (b) 및 (c)는 서로 다른 굴절률을 나타내는 굴절률 분포형 렌즈.
  12. 제2항에 있어서, 상기 중합체 재료는, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 그것의 이소머, 폴리알킬렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 스티렌 중합체, 폴리카보네이트, 폴리(메트)아크릴레이트, 셀룰로즈 유도체, 폴리알킬렌 중합체, 풀루오르화 중합체, 염소화 중합체, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 폴리비닐아세테이트, 폴리에테르-아미드, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 스티렌-에틸렌 공중합체, 폴리(에틸렌-1,4-시클로헥실렌디메틸렌 테레프탈레이트), 아크릴 러버, 이소프렌, 이소부틸렌-이소프렌, 부타디엔 러버, 부타디엔-스티렌-비닐 피리딘, 부틸 러버, 폴리에틸렌, 클로로프렌, 에피클로로히드린 러 버, 에틸렌-프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔, 니트릴-부타디엔, 폴리이소프렌, 실리콘 러버, 스티렌-부타디엔 및 우레탄 러버를 포함하는 그룹에서 선택되는 굴절률 분포형 렌즈.
  13. 제2항에 있어서, 상기 중합체 재료는 블럭 및 그래프트 공중합체로 구성되는 그룹에서 선택되는 굴절률 분포형 렌즈.
  14. 제1항에 있어서, 상기 층은 굴절률에 영향을 미치도록 설계된 유기 또는 무기 재료를 추가로 포함하는 굴절률 분포형 렌즈.
  15. 제1항에 있어서, 0.01 이상의 굴절률 구배를 나타내는 굴절률 분포형 렌즈.
  16. 제1항에 있어서, 0.02 내지 1.0 범위의 굴절률 구배를 나타내는 굴절률 분포형 렌즈.
  17. 제1항에 있어서, 0.05 내지 0.5 범위의 굴절률 구배를 나타내는 굴절률 분포형 렌즈.
  18. 제1항에 있어서, 상기 구성 요소 (a) 및 (b)는 혼합가능하거나 혼합되지 않거나 부분적으로 혼합 가능한 중합체 재료인 굴절률 분포형 렌즈.
  19. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는 축방향, 반경방향 및 구면 GRIN 렌즈로 구성되는 그룹에서 선택되는 굴절률 분포형 렌즈.
  20. 제1항의 렌즈를 제조하는 방법이며,
    교대층 (A) 및 (B)로 구성되는 다층식 중합체 복합물 필름 한 세트를 형성하여 다층식 복합물 GRIN 시트를 제조하는 단계와,
    상기 필름들을 다층식 복합물 GRIN 시트로 공유 압출하는 단계와,
    다층식 복합물 GRIN 시트를 슬라이스 및 형상화하여 굴절률 분포형 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 렌즈의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트는 20%보다 큰 내부 전달을 나타내는 렌즈의 제조 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트는 50%보다 큰 내부 전달을 나타내는 렌즈의 제조 방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트의 굴절률은 압력, 인장, 압축, 전단 또는 이들 응력의 조합에 의해 기계적으로 변화되는 렌즈의 제조 방법.
  24. 제20항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트는 5 내지 100,000개의 다층식 중합체 복합물 필름을 포함하는 렌즈의 제조 방법.
  25. 제20항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트는 20 내지 10,000개의 다층식 중합체 복합물 필름을 포함하는 렌즈의 제조 방법.
  26. 제20항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트는 25㎚ 내지 10㎝ 범위의 전체 두께를 갖는 렌즈의 제조 방법.
  27. 제20항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트는 25mm 내지 3㎝ 범위의 전체 두께를 갖는 렌즈의 제조 방법.
  28. 제20항에 있어서, 상기 다층식 복합물 GRIN 시트는 반경 방향 또는 구면 렌즈로 형성되는 렌즈의 제조 방법.
  29. 제20항에 있어서, 상기 다층식 중합체 복합물 필름은 서로 다른 굴절률을 나타내는 렌즈의 제조 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 굴절률의 차이는 층 (A) 및 (B)의 상대 두께를 변화시켜서 얻어지는 렌즈의 제조 방법.
  31. 제20항에 있어서, 상기 다층식 중합체 복합물 필름 또는 다층식 복합물 GRIN 시트가 배향되는 렌즈의 제조 방법.
  32. 제1항에 있어서, 상기 복합물 시트는 가역적으로 변형 가능한 굴절률 분포형 렌즈.
  33. 제11항에 있어서, 상기 복합물 구조체는 가역적으로 변형 가능한 굴절률 분포형 렌즈.
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