RU2797750C2 - Wearable optical device and method for manufacturing an optical composite material for such a device - Google Patents
Wearable optical device and method for manufacturing an optical composite material for such a device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797750C2 RU2797750C2 RU2022129388A RU2022129388A RU2797750C2 RU 2797750 C2 RU2797750 C2 RU 2797750C2 RU 2022129388 A RU2022129388 A RU 2022129388A RU 2022129388 A RU2022129388 A RU 2022129388A RU 2797750 C2 RU2797750 C2 RU 2797750C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- nanoparticles
- refractive index
- polymer
- alc
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области оптики, а именно к носимым оптическим устройствам на основе оптических композитных материалов, позволяющих панорамно увеличить поле зрения, а также к способам изготовления композитного оптического материала для таких устройств.SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of optics, namely to wearable optical devices based on optical composite materials that allow a panoramic increase in the field of view, as well as to methods for manufacturing a composite optical material for such devices.
Из уровня техники известны линзы из оптических материалов со радиально-сферический градиентом показателя преломления, например, линза Люнеберга (см. Luneburg R.К. Mathematical theory of optics Berkeley, CA: University of California Press, 1964; Roman Ilinsky. Gradient-index menisсus lens free of spherical aberration - Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, Volume 2, Number 5, September 2000, pp.449-451.). Также для изготовления подобных линз могут быть использованы оптические материалы с осевым или радиальным градиентом показателя преломления. Основными преимуществами такого рода линз являются увеличенная оптическая сила, уменьшенные аберрации и широкое поле зрения.Lenses made of optical materials with a radial-spherical refractive index gradient are known from the prior art, for example, the Luneberg lens (see Luneburg R.K. Mathematical theory of optics Berkeley, CA: University of California Press, 1964; Roman Ilinsky. Gradient-index meniscusus lens free of spherical aberration - Journal of Optics A: Pure and Applied Optics,
Глаз человека является наиболее очевидным примером градиентной оптики в природе с показателем преломления линзы от примерно 1.406 в центральных слоях до 1.386 в менее плотных слоях линзы (см. Hecht, Eugene; Zając, Alfred, (1987). Optics (2nd ed.). Reading, MA: Addison-Wesley. 178). Это позволяет человеческому глазу получать изображение с хорошим разрешением и низкой аберрацией как на коротких, так и на больших расстояниях (Shirk J S, Sandrock M, Scribner D, Fleet E, Stroman R, Baer E, Hilter A. (2006) NRL Review pp. 53-61). При этом поле зрения человеческого глаза составляет не более 120 градусов, а поле чёткого зрения (диапазон углов, под которыми человеческий глаз распознает символы) - порядка 30 градусов по вертикали и 40 градусов по горизонтали (Bernard C. Kress, «Optical Architectures for Augmented-, Virtual-, and Mixed-Reality Headsets», SPIE Press, 2020).The human eye is the most obvious example of gradient optics in nature, with a lens refractive index ranging from about 1.406 in the central layers to 1.386 in the less dense layers of the lens (see Hecht, Eugene; Zając, Alfred, (1987). Optics ( 2nd ed.). Reading, MA: Addison-Wesley, 178). This allows the human eye to obtain an image with good resolution and low aberration at both short and long distances (Shirk JS, Sandrock M, Scribner D, Fleet E, Stroman R, Baer E, Hilter A. (2006) NRL Review pp. 53-61). In this case, the field of view of the human eye is no more than 120 degrees, and the field of clear vision (the range of angles under which the human eye recognizes symbols) is about 30 degrees vertically and 40 degrees horizontally (Bernard C. Kress, “Optical Architectures for Augmented- , Virtual-, and Mixed-Reality Headsets", SPIE Press, 2020).
Из уровня техники известны различные способы получения оптических материалов с градиентом показателя преломления, например, золь-гель метод (см. патент US8763430 B2, кл. C03B 19/12, опубл. 01.07.0214). Также для создания стекла с градиентом показателя преломления может быть использовано нейтронное облучение, химическое осаждение из паровой фазы, ионный обмен, ионное легирование, рост кристаллов, наложение слоев стекла и т.д. Основная проблема изготовления оптических материалов с градиентом показателя преломления заключается в технологической сложности процесса и ограниченности величины градиента возможными показателями преломления используемого материала.In the prior art, various methods are known for obtaining optical materials with a refractive index gradient, for example, the sol-gel method (see patent US8763430 B2, class C03B 19/12, publ. 01.07.0214). Also, neutron irradiation, chemical vapor deposition, ion exchange, ion doping, crystal growth, stacking of glass layers, etc. can be used to create glass with a refractive index gradient. The main problem of manufacturing optical materials with a refractive index gradient lies in the technological complexity of the process and the limitation of the gradient value by the possible refractive indices of the material used.
Из уровня техники известен способ изготовления оптического материала с градиентом показателя преломления, заключающийся в использовании процесса контролируемой диффузии компонентов в заготовках из стекла, пластика или другого подходящего оптического материала, который применим для изготовления как радиального, так и цилиндрического градиента показателя преломления (см. заявку US5262896 А, кл. G02B 3/00, опубл. 16.11.1993). Недостатком известного способа является трудоемкая шлифовка и полировка цилиндрических линз до необходимой точности, а также низкое значение градиента показателя преломления (порядка 0.01-0.03), обусловленное ограничениями законов диффузии. Кроме того, коэффициент пропускания полученного материала в оптическом диапазоне не превышает 50%, а поле зрения не превышает 25-35 градусов.The prior art method of manufacturing an optical material with a refractive index gradient, which consists in using the process of controlled diffusion of components in preforms of glass, plastic or other suitable optical material, which is applicable for the manufacture of both radial and cylindrical refractive index gradient (see application US5262896 A, class G02B 3/00, published 11/16/1993). The disadvantage of this method is the laborious grinding and polishing of cylindrical lenses to the required accuracy, as well as the low refractive index gradient (of the order of 0.01-0.03), due to the limitations of the laws of diffusion. In addition, the transmittance of the obtained material in the optical range does not exceed 50%, and the field of view does not exceed 25-35 degrees.
Известен способ изготовления линзы с градиентом показателя преломления, заключающийся в сополимеризации двух разных мономеров, подвергающихся диффузии (см. Wu, S.P., Nihei, E., Koike, Y. «Large Radial Graded-Index Polymer», Appl. Opt. 35(1), 28, 1996). Неполная диффузия приводит к градиенту состава и, следовательно, к градиенту показателя преломления по всему материалу, при этом возможно использование двух разных мономеров, а также легирование полимера примесью. Основными недостатками известного способа являются низкое значение градиента показателя преломления (порядка 0.01-0.03), обусловленное ограничениями законов диффузии, а также недолговечность полученных материалов из-за миграции легирующих примесей. Кроме того, коэффициент пропускания в оптическом диапазоне не превышает 60%, а поле зрения не превышает 25-35 градусов.There is known a method of manufacturing a lens with a refractive index gradient, which consists in the copolymerization of two different monomers subjected to diffusion (see Wu, S. P., Nihei, E., Koike, Y. "Large Radial Graded-Index Polymer", Appl. Opt. 35(1 ), 28, 1996). Incomplete diffusion results in a composition gradient and therefore a refractive index gradient throughout the material, allowing the use of two different monomers as well as impurity doping of the polymer. The main disadvantages of the known method are the low value of the refractive index gradient (of the order of 0.01-0.03), due to the limitations of the laws of diffusion, as well as the fragility of the obtained materials due to the migration of dopants. In addition, the transmittance in the optical range does not exceed 60%, and the field of view does not exceed 25-35 degrees.
Известен способ изготовления контактной или интраокулярной линзы из оптического материала с градиентом показателя преломления, который получают путём полимеризации основного полимера в центральной части с последующей диффузией в него полимера с меньшим показателем преломления для создания градиента до 0,4 (см. патент US7857848 B2, кл. G02B 1/04, опубл. 28.12.2010). Недостатком известного способа является плохое промежуточное зрение полученных линз, низкий коэффициент пропускания (менее 50%), визуальные артефакты: ореолы, рассеяние и блики, отсутствие аккомодации, а также ограниченное поле зрения (не более 187 градусов).A method is known for manufacturing a contact or intraocular lens from an optical material with a refractive index gradient, which is obtained by polymerization of the main polymer in the central part, followed by diffusion into it of a polymer with a lower refractive index to create a gradient of up to 0.4 (see patent US7857848 B2, cl. G02B 1/04, published 12/28/2010). The disadvantage of the known method is poor intermediate vision of the obtained lenses, low transmittance (less than 50%), visual artifacts: halos, scattering and glare, lack of accommodation, as well as a limited field of view (no more than 187 degrees).
Из уровня техники известен способ изготовления материала с градиентом показателя преломления, в том числе, в виде крупных листов, заключающийся в получении иерархически многослойного полимерного композита из упорядоченного набора полимерных пленок (из несмешивающихся, смешивающихся или частично смешивающихся полимеров), каждая из которых имеет свой показатель преломления, после чего многослойному композитному листу придается форма (см. патент US7002754 B2, кл. G02B 3/00, опубл. 21.02.2006). Известный способ позволяет получить непрерывный, дискретный или ступенчатый градиент показателя преломления от 0.01 до 1.0 в любом осевом, радиальном или радиально-сферическом направлении. Кроме того, может быть достигнуто динамическое обратимое изменение градиента показателя преломления, что позволяет менять фокусное расстояние линз из такого материала. Недостатками известного способа является сложность изготовления, в т.ч. обусловленная необходимостью использования термопластичных полимеров, а также невозможность изготовления материала с градиентом показателя преломления больше 1.0 и с коэффициентом пропускания больше 50% в оптическом диапазоне, при этом получаемое поле зрения не превышает 273 градуса.From the prior art, a method is known for manufacturing a material with a refractive index gradient, including in the form of large sheets, which consists in obtaining a hierarchically multilayer polymer composite from an ordered set of polymer films (from immiscible, miscible or partially miscible polymers), each of which has its own index refraction, after which the multilayer composite sheet is shaped (see patent US7002754 B2, class G02B 3/00, publ. 21.02.2006). The known method allows to obtain a continuous, discrete or stepped gradient of the refractive index from 0.01 to 1.0 in any axial, radial or radial-spherical direction. In addition, a dynamic reversible change in the refractive index gradient can be achieved, which makes it possible to change the focal length of lenses made from such a material. The disadvantages of the known method is the complexity of manufacturing, incl. due to the need to use thermoplastic polymers, as well as the impossibility of manufacturing a material with a refractive index gradient of more than 1.0 and with a transmittance of more than 50% in the optical range, while the resulting field of view does not exceed 273 degrees.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является носимое оптическое устройство, содержащее композитный материал из, по меньшей мере, двух слоёв оптически прозрачного полимера с наночастицами, причём указанные слои имеют различные показатели преломления (см. патент US11327438 B2, кл. G02B 5/08, G03H 1/04, опубл. 10.05.2022). Из этого же документа известен способ изготовления оптического композитного материала, включающий следующие этапы: получение наночастиц, распределение наночастиц по полимеру, формирование слоёв с различными показателями преломления из оптически прозрачного полимера с наночастицами, формирование многослойной заготовки и скрепление оптического композитного материала. Основным недостатком известных устройства и способа является использование полимерных наночастиц, что приводит к формированию относительно низкого градиента показателя преломления (порядка 0.2) и не позволяет получить достаточно широкое поле зрения.The closest in technical essence to the proposed invention is a wearable optical device containing a composite material of at least two layers of optically transparent polymer with nanoparticles, and these layers have different refractive indices (see patent US11327438 B2, class G02B 5/08 , G03H 1/04, published 05/10/2022). From the same document, a method for manufacturing an optical composite material is known, including the following steps: obtaining nanoparticles, distributing nanoparticles over a polymer, forming layers with different refractive indices from an optically transparent polymer with nanoparticles, forming a multilayer preform, and bonding an optical composite material. The main disadvantage of the known device and method is the use of polymer nanoparticles, which leads to the formation of a relatively low refractive index gradient (of the order of 0.2) and does not allow obtaining a sufficiently wide field of view.
Технической проблемой является устранение указанных выше недостатков.The technical problem is to eliminate the above disadvantages.
Технический результат в части устройства заключается в расширении его функциональных возможностей, в частности, увеличении поля зрения до уровня, превышающего физиологические возможности человеческого глаза. В части устройства указанная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в носимом оптическом устройстве, содержащем композитный материал из, по меньшей мере, двух слоёв оптически прозрачного полимера с наночастицами, в котором указанные слои имеют различные показатели преломления, наночастицы выполнены из высокорефрактивного материала с показателем преломления выше 2.8, а разница показателей преломления указанных слоев составляет не менее 0.3. В качестве высокорефрактивного материала может быть использован ZnO, TiO2 или ZnS. В качестве высокорефрактивного материала также может быть использован Ван-дер-Ваальсов материал, состоящий из двумерных слоев, связанных между собой Ван-дер-Ваальсовыми силами, в частности дихалькогенид переходных металлов, гексагональный нитрид бора, графит, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, SnS2, SnSe2, PtS2, PtSe2, PtTe2, ReS2, ReSe2, Cd3As2, Cd3Sb2, Cr2AlC, Cr2C, Mn2AlC, Mo2C, Mo2Ga2C, Mo3AlC2, Nb2AlC, Nb2C, Nb4AlC3, Nb4C3, Ta2C, Ta4AlC3, Ti2AlC, Ti2AlN, Ti2C, Ti2N, Ti3AlC2, Ti3C2, Ti3CN, Ti3SiC2, Ti4N3, V2AlC, V2C, V4AlC3, V4C3, PdS2, PdSe2, PdTe2, ZrS2, ZrSe2, GaSe, Sb2Te3, GaS, GaSe, GaTe, Ca(OH)2, Mg(OH)2, MnO2, MoO3, Sb2O3, Sb2OS2, Sb2S3, Sb2Se3, Sb2Te3, As2S3, As2Se3, As2Te3, Bi2O2Se, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, BiSbTe3, AsP, CdI2, CdPS3, CuS, CoPS3, Cr2Ge2Te6, Cr2S3, CrBr3, CrCl3, CrGeTe3, CrPS3, CrSeBr, CuCrP2S6, CuIn7Se11, FeCl2, FePS3, FePSe3, GaGeTe, GaInS3, GaSeTe, GaSSe, GaPS4, GaSTe, HfSe2, HfS2, In2S3, In2Se3, InSe, InTe, InSeBr, InSnSe, MoTe2, WTe2, NbS2, NbSe2, NbSe3, VSe2, ZrSe3, MoSSe, MoWSe2, MoWS2, MoWTe2, MoNbSe2, MoO2.5Cl0.5, MoReS2, MoTaSe2, MoVSe2, Na2Co2TeO6, Nb2SiTe4, NbReS2, NbReSe2, NbS3, Ni2SiTe4, Ni3TeO6, NiCl2, NiI2, NiPS3, PbI2, PbTe, ReNbS2, ReNbSe2, ReSSe, Sb2OS2, SbAsS3, SbSe, SbSi, SiP, SnPSe3, SnS, SnSe, TaS2, TaS3, TaSe2, TaWSe2, TlSe, TiBr3, SnTe2, TiS2, TiS3, TlGaS2, TlGaSe2, TlGaTe2, TlInS2, WNbSe2, WReS2, ZrS2, ZnIn2S4, ZnPS3, ZnPSe3, ZrGeTe4, ZrS3, ZrSe2, ZrTe2 или ZrTe3. Указанный полимер предпочтительно имеет показатель преломления от 1.3 до 1.8, в частности, в качестве указанного полимера использован поливиниловый спирт, гидроксиэтилметакрилат, полидиметилсилоксан, полилактид, полиметилметакрилат, полиметилпентен, поликарбонат или полиэфиримид. Указанные слои могут иметь различные показатели преломления за счёт того, что размер наночастиц одного слоя больше размера наночастиц другого слоя, или за счёт того, что концентрация наночастиц в одном слое больше концентрации наночастиц в другом слое. Слои полимера с наночастицами предпочтительно уложены таким образом, что показатель преломления этих слоёв увеличивается от одной части оптического композитного материала к другой, формируя градиент показателя преломления. Слои могут быть выполнены в форме сферических элементов и уложены с образованием радиально-сферического градиента показателя преломления, а само носимое оптическое устройство выполнено в виде контактной линзы.The technical result in terms of the device consists in expanding its functionality, in particular, increasing the field of view to a level exceeding the physiological capabilities of the human eye. In terms of the device, this problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in a wearable optical device containing a composite material of at least two layers of an optically transparent polymer with nanoparticles, in which these layers have different refractive indices, the nanoparticles are made of a highly refractive material with a refractive index higher than 2.8, and the difference in the refractive indices of these layers is at least 0.3. ZnO, TiO 2 or ZnS can be used as a highly refractive material. As a highly refractive material, a van der Waals material can also be used, consisting of two-dimensional layers interconnected by van der Waals forces, in particular transition metal dichalcogenide, hexagonal boron nitride, graphite, MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 , SnS 2 , SnSe 2 , PtS 2 , PtSe 2 , PtTe 2 , ReS 2 , ReSe 2 , Cd 3 As 2 , Cd 3 Sb 2 , Cr 2 AlC, Cr 2 C, Mn 2 AlC, Mo 2 C , Mo 2 Ga 2 C, Mo 3 AlC 2 , Nb 2 AlC, Nb 2 C, Nb 4 AlC 3 , Nb 4 C 3 , Ta 2 C, Ta 4 AlC 3 , Ti 2 AlC, Ti 2 AlN, Ti 2 C , Ti 2 N, Ti 3 AlC 2 , Ti 3 C 2 , Ti 3 CN, Ti 3 SiC 2 , Ti 4 N 3 , V 2 AlC, V 2 C, V 4 AlC 3 , V 4 C 3 , PdS 2 , PdSe 2 , PdTe 2 , ZrS 2 , ZrSe 2 , GaSe, Sb 2 Te 3 , GaS, GaSe, GaTe, Ca(OH) 2 , Mg(OH) 2 , MnO 2 , MoO 3 , Sb 2 O 3 , Sb 2 OS 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 Se 3 , Sb 2 Te 3 , As 2 S 3 , As 2 Se 3 , As 2 Te 3 , Bi 2 O 2 Se, Bi 2 S 3 , Bi 2 Se 3 , Bi 2 Te 3 , BiSbTe 3 , AsP, CdI 2 , CdPS 3 , CuS, CoPS 3 , Cr 2 Ge 2 Te 6 , Cr 2 S 3 , CrBr 3 , CrCl 3 , CrGeTe 3 , CrPS 3 , CrSeBr, CuCrP 2 S 6 , CuIn 7 Se 11 , FeCl 2 , FePS 3 , FePSe 3 , GaGeTe, GaInS 3 , GaSeTe, GaSSe, GaPS 4 , GaSTe, HfSe 2 , HfS 2 , In 2 S 3 , In 2 Se 3 , InSe, InTe, InSeBr , InSnSe, MoTe 2 , WTe 2 , NbS 2 , NbSe 2 , NbSe 3 , VSe 2 , ZrSe 3 , MoSSe, MoWSe 2 , MoWS 2 , MoWTe 2 , MoNbSe 2 , MoO 2.5 Cl 0.5 , MoReS 2 , MoTaSe 2 , MoVSe 2 , Na 2 Co 2 TeO 6 , Nb 2 SiTe 4 , NbReS 2 , NbReSe 2 , NbS 3 , Ni 2 SiTe 4 , Ni 3 TeO 6 , NiCl 2 , NiI 2 , NiPS 3 , PbI 2 , PbTe, ReNbS 2 , ReNbSe 2 , ReSSe, Sb 2 OS 2 , SbAsS 3 , SbSe, SbSi, SiP, SnPSe 3 , SnS, SnSe, TaS 2 , TaS 3 , TaSe 2 , TaWSe 2 , TlSe, TiBr 3 , SnTe 2 , TiS 2 , TiS 3 , TlGaS2 , TlGaSe2 , TlGaTe2 , TlInS2, WNbSe2 , WReS2 , ZrS2, ZnIn2S4 , ZnPS3 , ZnPSe3 , ZrGeTe4 , ZrS3, ZrSe2 , ZrTe2 , or ZrTe3 . Said polymer preferably has a refractive index of 1.3 to 1.8, in particular polyvinyl alcohol, hydroxyethyl methacrylate, polydimethylsiloxane, polylactide, polymethyl methacrylate, polymethylpentene, polycarbonate or polyetherimide is used as said polymer. These layers can have different refractive indices due to the fact that the size of nanoparticles of one layer is larger than the size of nanoparticles of another layer, or due to the fact that the concentration of nanoparticles in one layer is greater than the concentration of nanoparticles in another layer. The polymer layers with nanoparticles are preferably stacked in such a way that the refractive index of these layers increases from one part of the optical composite material to another, forming a refractive index gradient. The layers can be made in the form of spherical elements and stacked with the formation of a radial-spherical refractive index gradient, and the wearable optical device itself is made in the form of a contact lens.
Технический результат в части способа заключается в упрощении изготовления оптического композитного материала с большим градиентом показателя преломления. В части способа указанная выше проблема решается, а технический результат достигается тем, что способ изготовления оптического композитного материала включает следующие этапы: (i) получение наночастиц, (ii) распределение наночастиц по полимеру, (iii) формирование, по меньшей мере, двух слоёв оптически прозрачного полимера с наночастицами, причём указанные слои имеют различные показатели преломления, образование оптического композитного материала из слоёв, полученных на этапе (iii), при этом на этапе (i) наночастицы получают из высокорефрактивного материала с показателем преломления выше 2.8 методом фемтосекундной лазерной фрагментации или абляции в жидкости, на этапе (ii) наночастицы распределяют по полимеру путём замешивания так, что разница показателей преломления, по меньшей мере, двух указанных слоёв составляет не менее 0.3, на этапе (iii) слои полимера с наночастицами формируют на подложках методом центрифугирования и полимеризуют, на этапе (iv) оптический композитный материал образуют путём наложения друг на друга слоёв, полученных на этапе (iii), методом переноса в жидкости. На этапе (ii) для различных слоёв замешивают наночастицы в различных концентрациях или различного размера. На этапе (iv) предпочтительно укладывают слои полимера с наночастицами в различных концентрациях, полученные на этапе (iii), таким образом, что концентрация наночастиц в них увеличивается от одной стороны оптического композитного материала к другой. На этапе (iv) оптический композитный материал может быть образован в оснастке со сферической внутренней поверхностью. В качестве жидкости для лазерной фрагментации или абляции на этапе (i), а также в качестве жидкости для переноса слоёв на этапе (iv) предпочтительно используют воду, спирт или ацетон.The technical result in terms of the method is to simplify the manufacture of an optical composite material with a large refractive index gradient. In part of the method, the above problem is solved, and the technical result is achieved in that the method for manufacturing an optical composite material includes the following steps: (i) obtaining nanoparticles, (ii) distributing nanoparticles over the polymer, (iii) forming at least two layers of optical a transparent polymer with nanoparticles, and these layers have different refractive indices, the formation of an optical composite material from the layers obtained in stage (iii), while in stage (i) nanoparticles are obtained from a highly refractive material with a refractive index above 2.8 by femtosecond laser fragmentation or ablation in a liquid, at stage (ii) nanoparticles are distributed over the polymer by kneading so that the difference in refractive indices of at least two of these layers is at least 0.3, at stage (iii) polymer layers with nanoparticles are formed on substrates by centrifugation and polymerized, in step (iv), an optical composite material is formed by superimposing the layers obtained in step (iii) on top of each other by the liquid transfer method. In step (ii), nanoparticles are kneaded for different layers in different concentrations or different sizes. In step (iv), the layers of polymer with different concentrations of nanoparticles obtained in step (iii) are preferably laid down such that the concentration of nanoparticles therein increases from one side of the optical composite material to the other. In step (iv), an optical composite material can be formed in a tooling with a spherical inner surface. Water, alcohol or acetone is preferably used as the laser fragmentation or ablation fluid in step (i) and also as the layer transfer fluid in step (iv).
На фиг.1 представлен график зависимости значения получаемого углового поля зрения от разницы показателей преломления слоёв оптического композитного материала;Figure 1 shows a graph of the value of the resulting angular field of view on the difference in the refractive indices of the layers of the optical composite material;
на фиг.2 представлен вариант плоского оптического композитного материала с радиальным градиентом показателя преломления;figure 2 shows a variant of a flat optical composite material with a radial refractive index gradient;
на фиг.3 показан поперечный разрез оптического композитного материала со слоями в форме сферических элементов и радиально-сферическим градиентом показателя преломления для предлагаемого устройства в виде контактной линзы;figure 3 shows a cross section of an optical composite material with layers in the form of spherical elements and a radial-spherical refractive index gradient for the proposed device in the form of a contact lens;
на фиг.4 показана схема формирования изображения невооруженным глазом (поле зрения 120 градусов);figure 4 shows the scheme of imaging with the naked eye (field of
на фиг.5 представлена схема формирования изображения с помощью носимого оптического устройства в виде контактной линзы с радиально-сферическим градиентом показателя преломления, изготовленной из двух слоев (поле зрения 190 градусов);figure 5 shows a diagram of imaging using a wearable optical device in the form of a contact lens with a radial-spherical refractive index gradient, made of two layers (field of view 190 degrees);
на фиг.6 представлена оптическая схема формирования изображения с помощью носимого оптического устройства в виде контактной линзы с радиальным градиентом показателя преломления (поле зрения 220 градусов);figure 6 shows the optical scheme of imaging using a wearable optical device in the form of a contact lens with a radial refractive index gradient (field of view 220 degrees);
на фиг.7 представлена схема формирования изображения с помощью носимого оптического устройства в виде в виде очков с элементом типа «рыбий глаз» (поле зрения 325 градусов);Fig. 7 shows a diagram of image formation using a wearable optical device in the form of glasses with a fisheye element (field of view 325 degrees);
на фиг.8 представлена технологическая схема этапа (i) получения наночастиц с помощью фемтосекундного лазера;Fig. 8 shows a flow diagram of step (i) of obtaining nanoparticles using a femtosecond laser;
на фиг.9 представлена принципиальная схема этапа (iii) формирования слоёв полимера с наночастицами на подложках методом центрифугирования;figure 9 shows a schematic diagram of stage (iii) formation of polymer layers with nanoparticles on substrates by centrifugation;
на фиг.10 показана схема формирования оптического композитного материала из слоёв с наночастицами в различных концентрациях на этапе (iv);figure 10 shows the scheme of formation of an optical composite material from layers with nanoparticles in various concentrations at stage (iv);
на фиг.11 показана схема формирования оптического композитного материала из слоёв с наночастицами различного размера на этапе (iv).Fig. 11 shows the formation of an optical composite material from layers with nanoparticles of various sizes at stage (iv).
Для изготовления предлагаемого носимого оптического устройства используют композитный материал из оптически прозрачного полимера с градиентом показателя преломления. Наиболее удобными для такого применения являются такие полимеры, как поливиниловый спирт (PVA, (C2H4O)n), гидроксиэтилметакрилат, полидиметилсилоксан (PDMS, (C2H6OSi)n), полилактид (PLA, (C3H4O2)n), полиметилметакрилат (PMMA, (C5H8O2)n), полиметилпентен (PMP, (C6H12)n), поликарбонат (PC, (C16H14O3)n) или полиэфиримид (PEI, (C37H24O6N2)n), которые имеют показатель преломления от 1.3 до 1.8. For the manufacture of the proposed wearable optical device, a composite material is used from an optically transparent polymer with a refractive index gradient. Polyvinyl alcohol (PVA, (C 2 H 4 O) n ), hydroxyethyl methacrylate, polydimethylsiloxane (PDMS, (C 2 H 6 OSi) n ), polylactide (PLA, (C 3 H 4 O 2 ) n ), polymethyl methacrylate (PMMA, (C 5 H 8 O 2 ) n ), polymethylpentene (PMP, (C 6 H 12 ) n ), polycarbonate (PC, (C 16 H 14 O 3 ) n ) or polyesterimide (PEI, (C 37 H 24 O 6 N 2 ) n ), which have a refractive index of 1.3 to 1.8.
Также приемлемыми полимерами являются полиэтиленнафталат и его изомеры, такие как 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- и 2,3-полиэтиленнафталат; полиалкилентерефталаты, такие как полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат и поли- 1,4-циклогександиметилентерефталат; полиимиды, такие как полиакрилимиды; стирольные полимеры, такие как атактический, изотактический и синдиотактический полистирол, α-метилполистирол, пара-метилполистирол; поликарбонаты, такие как бисфенол-А-поликарбонат; поли(мет)акрилаты, такие как поли(изобутилметакрилат), поли(пропилметакрилат), поли(этилметакрилат), поли(метилметакрилат), поли(бутилакрилат) и поли(метилакрилат) (термин «(мет)акрилат " используется здесь для обозначения акрилата или метакрилата); производные целлюлозы, такие как этилцеллюлоза, ацетат целлюлозы, пропионат целлюлозы, бутират ацетата целлюлозы и нитрат целлюлозы; полиалкиленовые полимеры, такие как полиэтилен, полипропилен, полибутилен, полиизобутилен и поли(4-метил)пентен; фторированные полимеры, такие как перфторалкоксисмолы, политетрафторэтилен, фторированные сополимеры этилена и пропилена, поливинилиденфторид и полихлортрифторэтилен и их сополимеры; хлорированные полимеры, такие как полидихлорстирол, поливинилиденхлорид и поливинилхлорид; полисульфоны; полиэфирсульфоны; полиакрилонитрил; полиамиды; поливинилацетат; полиэфирамиды. Также подходящими являются сополимеры, такие как сополимер стирола-акрилонитрила, предпочтительно содержащий от 10 до 50 мас. предпочтительно от 20 до 40 мас.% акрилонитрила, сополимера стирола и этилена; и поли (этилен-1, 4-циклогексилендиметилентерефталат). Дополнительные полимеры включают блочные или привитые сополимеры; акриловый каучук; изопрен; изобутилен-изопрен; бутадиеновый каучук; бутадиен-стирол-винилпиридин; бутилкаучук; полиэтилен; хлоропрен; эпихлоргидриновый каучук; этилен-пропилен; этилен-пропилен-диен; нитрил-бутадиен; полиизопрен; силиконовая резина; стирол-бутадиен и уретановый каучук.Also suitable polymers are polyethylene naphthalate and its isomers such as 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- and 2,3-polyethylene naphthalate; polyalkylene terephthalates such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and poly-1,4-cyclohexanedimethylene terephthalate; polyimides such as polyacrylimides; styrenic polymers such as atactic, isotactic and syndiotactic polystyrene, α-methylpolystyrene, p-methylpolystyrene; polycarbonates such as bisphenol-A polycarbonate; poly(meth)acrylates such as poly(isobutyl methacrylate), poly(propyl methacrylate), poly(ethyl methacrylate), poly(methyl methacrylate), poly(butyl acrylate), and poly(methyl acrylate) (the term "(meth)acrylate" is used herein to refer to acrylate or methacrylate); cellulose derivatives such as ethylcellulose, cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose acetate butyrate and cellulose nitrate; polyalkylene polymers such as polyethylene, polypropylene, polybutylene, polyisobutylene and poly(4-methyl)pentene; fluorinated polymers such as perfluoroalkoxy resins, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene-propylene copolymers, polyvinylidene fluoride and polychlorotrifluoroethylene and their copolymers, chlorinated polymers such as polydichlorostyrene, polyvinylidene chloride and polyvinyl chloride, polysulfones, polyethersulfones, polyacrylonitrile, polyamides, polyvinyl acetate, polyesteramides Also suitable are copolymers such as styrene copolymer - acrylonitrile, preferably containing from 10 to 50% by weight, preferably from 20 to 40% by weight of acrylonitrile, a copolymer of styrene and ethylene; and poly(ethylene-1,4-cyclohexylenedimethylene terephthalate). Additional polymers include block or graft copolymers; acrylic rubber; isoprene; isobutylene-isoprene; butadiene rubber; butadiene-styrene-vinylpyridine; butyl rubber; polyethylene; chloroprene; epichlorohydrin rubber; ethylene-propylene; ethylene propylene diene; nitrile butadiene; polyisoprene; silicone rubber; styrene butadiene and urethane rubber.
При выполнении оптического композитного материала из, по меньшей мере, двух слоёв с разницей показателей преломления не менее 0.3 достигается неожиданный технический результат - расширение функциональных возможностей устройства за счёт увеличения поля зрения до уровня, превышающего физиологические возможности человеческого глаза (более 120 градусов), т.е. формирование панорамного зрения. Такой высокий градиент в современных условиях может быть достигнут за счёт образования указанного материала из двух или более слоёв 1 полимера с различными показателям преломления, обусловленными наличием наночастиц 2 из высокорефрактивного материала (n>2.8).When an optical composite material is made from at least two layers with a difference in refractive indices of at least 0.3, an unexpected technical result is achieved - expanding the functionality of the device by increasing the field of view to a level exceeding the physiological capabilities of the human eye (more than 120 degrees), i.e. e. development of panoramic vision. Such a high gradient in modern conditions can be achieved due to the formation of the specified material from two or
В качестве такого высокорефрактивного материала могут быть использованы неслоистые материалы с высоким показателем преломления и высокой прозрачностью в видимом диапазоне, такие как ZnO, TiO2 или ZnS. Однако наиболее перспективным представляется использование Ван-дер-Ваальсовых материалов, состоящих из двумерных слоев, связанных между собой Ван-дер-Ваальсовыми силами: дихалькогенид переходных металлов, гексагональный нитрид бора (hBN), графит (Gr), MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, SnS2, SnSe2, PtS2, PtSe2, PtTe2, ReS2, ReSe2, Cd3As2, Cd3Sb2, Cr2AlC, Cr2C, Mn2AlC, Mo2C, Mo2Ga2C, Mo3AlC2, Nb2AlC, Nb2C, Nb4AlC3, Nb4C3, Ta2C, Ta4AlC3, Ti2AlC, Ti2AlN, Ti2C, Ti2N, Ti3AlC2, Ti3C2, Ti3CN, Ti3SiC2, Ti4N3, V2AlC, V2C, V4AlC3, V4C3, PdS2, PdSe2, PdTe2, ZrS2, ZrSe2, GaSe, Sb2Te3, GaS, GaSe, GaTe, Ca(OH)2, Mg(OH)2, MnO2, MoO3, Sb2O3, Sb2OS2, Sb2S3, Sb2Se3, Sb2Te3, As2S3, As2Se3, As2Te3, Bi2O2Se, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, BiSbTe3, AsP, CdI2, CdPS3, CuS, CoPS3, Cr2Ge2Te6, Cr2S3, CrBr3, CrCl3, CrGeTe3, CrPS3, CrSeBr, CuCrP2S6, CuIn7Se11, FeCl2, FePS3, FePSe3, GaGeTe, GaInS3, GaSeTe, GaSSe, GaPS4, GaSTe, HfSe2, HfS2, In2S3, In2Se3, InSe, InTe, InSeBr, InSnSe, MoTe2, WTe2, NbS2, NbSe2, NbSe3, VSe2, ZrSe3, MoSSe, MoWSe2, MoWS2, MoWTe2, MoNbSe2, MoO2.5Cl0.5, MoReS2, MoTaSe2, MoVSe2, Na2Co2TeO6, Nb2SiTe4, NbReS2, NbReSe2, NbS3, Ni2SiTe4, Ni3TeO6, NiCl2, NiI2, NiPS3, PbI2, PbTe, ReNbS2, ReNbSe2, ReSSe, Sb2OS2, SbAsS3, SbSe, SbSi, SiP, SnPSe3, SnS, SnSe, TaS2, TaS3, TaSe2, TaWSe2, TlSe, TiBr3, SnTe2, TiS2, TiS3, TlGaS2, TlGaSe2, TlGaTe2, TlInS2, WNbSe2, WReS2, ZrS2, ZnIn2S4, ZnPS3, ZnPSe3, ZrGeTe4, ZrS3, ZrSe2, ZrTe2 или ZrTe3.As such a highly refractive material, non-layered materials with a high refractive index and high transparency in the visible range, such as ZnO, TiO 2 or ZnS, can be used. However, the most promising is the use of van der Waals materials consisting of two-dimensional layers interconnected by van der Waals forces: transition metal dichalcogenide, hexagonal boron nitride (hBN), graphite (Gr), MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 , SnS 2 , SnSe 2 , PtS 2 , PtSe 2 , PtTe 2 , ReS 2 , ReSe 2 , Cd 3 As 2 , Cd 3 Sb 2 , Cr 2 AlC, Cr 2 C, Mn 2 AlC, Mo 2 C, Mo 2 Ga 2 C, Mo 3 AlC 2 , Nb 2 AlC, Nb 2 C, Nb 4 AlC 3 , Nb 4 C 3 , Ta 2 C, Ta 4 AlC 3 , Ti 2 AlC, Ti 2 AlN, Ti 2 C, Ti 2 N, Ti 3 AlC 2 , Ti 3 C 2 , Ti 3 CN, Ti 3 SiC 2 , Ti 4 N 3 , V 2 AlC, V 2 C, V 4 AlC 3 , V 4 C 3 , PdS 2 , PdSe 2 , PdTe 2 , ZrS 2 , ZrSe 2 , GaSe, Sb 2 Te 3 , GaS, GaSe, GaTe, Ca(OH) 2 , Mg(OH) 2 , MnO 2 , MoO 3 , Sb 2 O 3 , Sb 2 OS 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 Se 3 , Sb 2 Te 3 , As 2 S 3 , As 2 Se 3 , As 2 Te 3 , Bi 2 O 2 Se, Bi 2 S 3 , Bi 2 Se 3 , Bi 2 Te 3 , BiSbTe 3 , AsP, CdI 2 , CdPS 3 , CuS, CoPS 3 , Cr 2 Ge 2 Te 6 , Cr 2 S 3 , CrBr 3 , CrCl 3 , CrGeTe 3 , CrPS 3 , CrSeBr, CuCrP 2 S 6 , CuIn 7 Se 11 , FeCl 2 , FePS 3 , FePSe 3 , GaGeTe, GaInS 3 , GaSeTe, GaSSe, GaPS 4 , GaSTe, HfSe 2 , HfS 2 , In 2 S 3 , In 2 Se 3 , InSe, InTe, InSeBr, InSnSe, MoTe 2 , WTe 2 , NbS 2 , NbSe 2 , NbSe 3 , VSe 2 , ZrSe 3 , MoSSe, MoWSe 2 , MoWS 2 , MoWTe 2 , MoNbSe 2 , MoO 2.5 Cl 0.5 , MoReS 2 , MoTaSe 2 , MoVSe 2 , Na 2 Co 2 TeO 6 , Nb 2 SiTe 4 , NbReS 2 , NbReSe 2 , NbS 3 , Ni 2 SiTe 4 , Ni 3 TeO 6 , NiCl 2 , NiI 2 , NiPS 3 , PbI 2 , PbTe, ReNbS 2 , ReNbSe 2 , ReSSe, Sb 2 OS 2 , SbAsS 3 , SbSe, SbSi, SiP, SnPSe 3 , SnS, SnSe, TaS 2 , TaS 3 , TaSe 2 , TaWSe 2 , TlSe, TiBr 3 , SnTe 2 , TiS 2 , TiS 3 , TlGaS 2 , TlGaSe 2 , TlGaTe 2 , TlInS 2 , WNbSe 2 , WReS 2 , ZrS 2 , ZnIn 2 S 4 , ZnPS 3 , ZnPSe 3 , ZrGeTe 4 , ZrS 3 , ZrSe 2 , ZrTe 2 or ZrTe 3 .
Слои 1 могут иметь различные показатели преломления за счёт того, что средний размер наночастиц 2 одного слоя больше среднего размера наночастиц другого слоя, или за счёт того, что концентрация наночастиц 2 в одном слое больше концентрации в другом слое.
Для формирования необходимого градиента и обеспечения возможности расширения поля зрения до уровня, превышающего физиологические возможности человеческого глаза, достаточно двух плоских слоёв с разницей показателя преломления не менее 0.3. Однако для обеспечения более чёткой картины и минимизации аберраций целесообразно формировать более плавный градиент и использовать четыре и более слоёв 1. При этом слои 1 полимера с наночастицами 2 укладывают таким образом, что показатель преломления этих слоёв увеличивается от одной части оптического композитного материала к другой, формируя градиент показателя преломления.To form the required gradient and ensure the possibility of expanding the field of view to a level exceeding the physiological capabilities of the human eye, two flat layers with a refractive index difference of at least 0.3 are sufficient. However, to provide a clearer picture and minimize aberrations, it is advisable to form a smoother gradient and use four or
В наиболее простом плоском варианте исполнения градиент получится осевой (фиг. 10, 11). Радиальный градиент можно получить путём сворачивания полученного плоского многослойного полимерного листа вокруг стержня с максимальным показателем преломления с последующим нарезанием на диски (фиг.2). Для образования радиально-сферического градиента показателя преломления слои 1 выполняют в форме сферических элементов и укладывают по принципу луковицы (фиг.3) - если не укладывать центральные элементы, при соответствующем радиусе кривизны такой оптический композитный материал можно сразу использовать в качестве готового носимого оптического устройства в виде контактной линзы 3 (фиг.5).In the simplest flat version, the gradient will turn out to be axial (Fig. 10, 11). The radial gradient can be obtained by rolling the resulting flat multilayer polymer sheet around a rod with a maximum refractive index, followed by cutting into discs (figure 2). To form a radial-spherical refractive index gradient, layers 1 are made in the form of spherical elements and stacked according to the onion principle (figure 3) - if you do not stack the central elements, with an appropriate radius of curvature, such an optical composite material can be immediately used as a finished wearable optical device in the form of a contact lens 3 (figure 5).
Предлагаемое носимое оптическое устройство, например, в виде контактной линзы 3 (фиг.5, 6) и очков 4 (фиг.7) работает следующим образом.The proposed wearable optical device, for example, in the form of a contact lens 3 (Fig.5, 6) and glasses 4 (Fig.7) works as follows.
В отсутствии предлагаемого устройства сетчатка 5 невооруженного глаза (фиг.4) полностью освещается лучами 6, формирующими изображения от предметов в поле зрения, после прохождения хрусталика 7. При этом максимальное поле зрения составляет 120 градусов.In the absence of the proposed device, the
В простейшем случае предложенное носимое устройство представляет собой контактную линзу 3 из двух полимерных слоёв 1 с различной концентрацией наночастиц 2 (фиг.5), причём слой с большим показателем преломления расположен со стороны пользователя. В этом случае образуется радиально-сферический градиент показателя преломления, который увеличивает фокусное расстояние сходящихся лучей. За счёт этого лучи 6, которые при обычных физиологических условиях видения находятся вне поля зрения пользователя, после хрусталика 7 также попадают на сетчатку 5, и поле зрения увеличивается до 190 градусов.In the simplest case, the proposed wearable device is a
Аналогичным образом предлагаемое устройство может быть выполнено в виде очков 4 с плоскими элементами из двух слоёв 2 с осевым градиентом показателя преломления (фиг. 10, 11).Similarly, the proposed device can be made in the form of
Для дальнейшего увеличения поля зрения предлагаемое устройство оборудуют оптическим композитным материалом с более сложным градиентом, образованным множеством слоёв с плавно меняющимся показателем преломления, что позволяет реализовать более экзотичные функциональные возможности.To further increase the field of view, the proposed device is equipped with an optical composite material with a more complex gradient formed by many layers with a smoothly changing refractive index, which allows for more exotic functionality.
Если использовать оптический композитный материал с радиальным градиентом показателя преломления в контактной линзе 3 (фиг.6), то, последовательно преломляясь в слоях 1 от внешнего к внутреннему, лучи 6 загибаются сильнее и формируют поле зрения уже до 220 градусов.If you use an optical composite material with a radial refractive index gradient in the contact lens 3 (Fig.6), then, sequentially refracting in
В случае выполнения предлагаемого носимого оптического устройства в виде очков 4 с рабочим элементом типа «рыбий глаз» (фиг.7), состоящего из оптического композитного материала с радиальным градиентом показателя преломления в виде цилиндрического основания с полусферическим торцом, возможно увеличить поле зрения до 325 градусов.In the case of the proposed wearable optical device in the form of
Образование оптического композитного материала с вышеуказанными свойствами, являющегося базовым элементом предлагаемого оптического носимого устройства, на сегодняшний день является нетривиальной задачей, поэтому ниже описан способ изготовления такого материала.The formation of an optical composite material with the above properties, which is the basic element of the proposed optical wearable device, today is a non-trivial task, therefore, a method for manufacturing such a material is described below.
Предлагаемый способ изготовления оптического композитного материала, включает следующие основные этапы.The proposed method for manufacturing an optical composite material includes the following main steps.
Этап (i) получение наночастиц.Step (i) obtaining nanoparticles.
На изначальном этапе (i) наночастицы 2 получают из высокорефрактивного материала с показателем преломления выше 2.8 методом фемтосекундной лазерной фрагментации [Besner, S., Kabashin, A.V., Meunier, Y. «Fragmentation of colloidal nanoparticles by femtosecond laser-induced supercontinuum generation», Appl. Phys. Let. 89(23), 233122, 2006] или абляции [Tselikov, G.I., Ermolaev, G.A., Popov, A.A., Tikhonowski, G.V., Panova, D.A., Taradin, A.S., Vyshnevyy, A.A., Syuy, A.V., Klimentov, S.M., Novikov, S.M., Evlyukhin, A.B., Kabashin, A.V., Arsenin, A.V., Novoselov, K.S., Volkov, V.S. «Transition metal dichalcogenide nanospheres for high-refractive-index nanophotonics and biomedical theranostics», PNAS 119(39), e2208830119, 2022] в жидкости, например, воде, спирте или ацетоне. Указанные методы обладают достаточной простотой и хорошей управляемостью параметрами процесса, а главное - высоким качеством получаемых наночастиц 2 с дисперсностью, варьируемой в широком диапазоне.At the initial stage (i),
Как было указано выше, наиболее предпочтительным вариантом указанного высокорефрактивного материала является широкая номенклатура Ван-дер-Ваальсовых материалов, состоящих из двумерных слоев, связанных между собой Ван-дер-Ваальсовыми силами. Преимуществами выбранных методов фемтосекундных методов получения наночастиц 2 в этом случае дополнительно является возможность сохранения уникальных оптических свойств исходного материала, которые обусловлены его слоистой структурой, за счёт крайне малой (фемтосекундной) длительности процесса разрушения исходного кристалла и получения наночастиц 2.As mentioned above, the most preferred option for this highly refractive material is a wide range of van der Waals materials, consisting of two-dimensional layers interconnected by van der Waals forces. The advantages of the chosen methods of femtosecond methods for obtaining
Лазерная фрагментация или абляция (фиг.8) производится с помощью луча 8 фемтосекундного импульсного лазера при постоянном перемешивании жидкости до тех пор, пока не будет достигнута заданная концентрация наночастиц 2 в полученном растворе. При этом получаются наночастицы 2, пассивированные OH группой, и имеющие дзета-потенциал в диапазоне от -50 до -30 мВ, что делает возможным их растворение в полимере без дополнительной функционализации (химической обработки). Диаметр синтезированных на этом этапе наночастиц 2 варьируется в диапазоне от 1 до 250 нм. Селекция наночастиц 2 по размеру производится методом центрифугирования (фиг.9) при увеличивающейся скорости вращения от 200 до 8000 об/мин, что приводит к формированию монодисперсных растворов (Robertson, J.D., Rizzello, L., Avila-Olias, M., Gaitzsch, J., Contini, C., Magon, M.S., Renshaw, S.A., Bataglia, G. «Purification of Nanoparticles by Size and Shape», Scientific Reports 6, 27494, 2016).Laser fragmentation or ablation (Fig. 8) is performed using
Этап (ii) распределение наночастиц по полимеру.Stage (ii) distribution of nanoparticles over the polymer.
Полученный на предыдущем этапе монодисперсный раствор с наночастицами 2 распределяют по оптически прозрачному полимеру (конкретные варианты полимеров указаны выше) путём механического замешивания. Для различных слоёв 1 замешивают наночастицы 2 в различных концентрациях и/или различного размера, причём конкретные параметры процесса определяются желаемым значением показателя преломления n получаемого слоя в диапазоне от 1.3 до 3.95 для смеси полимер-наночастицы в рамках модели эффективной среды. Для реализации требуемого градиента показателя преломления необходимо, чтобы разница показателей преломления, по меньшей мере, двух полученных смесей полимер-наночастицы составляла не менее 0.3.The monodisperse solution with
Для достижения равномерного распределения наночастиц 2 в полимере образовавшуюся смесь дополнительно обрабатывают ультразвуком.To achieve a uniform distribution of
Этап (iii) формирование слоёв.Stage (iii) formation of layers.
На этом этапе формируют, по меньшей мере, два слоя 1 оптически прозрачного полимера с наночастицами 2. Слои полимера с наночастицами формируют на вращающихся подложках 9 методом центрифугирования (спинкоатинга) (Mouhamad Y., Mokarian-Tabari P., Clarke N., Jones R. A. L., and Geoghegan M. «Dynamics of polymer film formation during spin coating », Journal of Applied Physics 116, 123513, 2014) из капли 10 и полимеризуют с образованием пленки заданной толщины (в диапазоне от 10 до 10000 нм) с последующей сушкой (фиг.9). Разница показателей преломления слоёв с максимальной и минимальной концентрацией и/или размером наночастиц 2 должно составлять не менее 0.3.At this stage, at least two
Этап (iv) образование композитного оптического материала.Step (iv) formation of a composite optical material.
Полученные на предыдущем этапе слои 1 с различными концентрациями и/или размерами наночастиц 2 и, следовательно, различными показателями преломления методом переноса в жидкости (жидкого трансфера) [R.S. Weatherup, «2D Material Membranes for Operando Atmospheric Pressure Photoelectron Spectroscopy», Topics in Catalysis 61, 2085-2102, 2018] накладывают друг на друга с образованием единого многослойного оптического композитного материала. В качестве жидкости для переноса слоёв 1 используют воду, спирт или ацетон.The
В наиболее предпочтительном варианте слои 1 полимера с наночастицами 2 укладывают таким образом, что концентрация наночастиц 2 в них увеличивается от одной стороны оптического композитного материала к другой с образованием градиента показателя преломления в диапазоне от 0.3 до 2.8. Для этого используют слои с различной концентрацией (фиг.10) или размером (фиг.11) наночастиц 2.In the most preferred embodiment,
Градиент показателя преломления может быть как осевым, так и радиальным или радиально-сферическим. Осевой градиент показателя преломления достигается путем укладки слоёв 1 полимерных пленок с изменяющимся показателем преломления по толщине и формированием оптического композитного материала в виде многослойного полимерного листа. Из такого листа путём сворачивания с последующим поперечным нарезанием можно получить диски с радиальным градиентом показателя преломления (фиг.2). Такие плоские оптические композитные материалы могут быть использованы для изготовления носимых оптических устройств в виде очков 4, а также иных применений. The refractive index gradient can be either axial or radial or radial-spherical. The axial refractive index gradient is achieved by stacking
Для формирования радиально-сферического градиента, в частности, с целью изготовления оптического носимого устройства в виде контактной линзы 3 композитный материал образуют в оснастке со сферической внутренней поверхностью. При этом слои 1 изгибают с радиусом кривизны формируемой линзы и укладывают один в другой по принципу луковицы (фиг.3).To form a radial-spherical gradient, in particular for the purpose of manufacturing an optical wearable device in the form of a
Предлагаемый способ позволяет достаточно просто с помощью доступных на сегодняшний день технологий получить оптический композитный материал с высоким пропусканием (до 99 %) для излучения в диапазоне 300-800 нм и градиентом показателя преломления не менее 0.3, а изготовление с использованием такого материала носимого оптического устройства позволяет расширить его функциональные возможности за счёт увеличения поля зрения до уровня, превышающего физиологические возможности человеческого глаза (от 120 до, по меньшей мере, 325 градусов).The proposed method makes it quite easy to obtain an optical composite material with high transmission (up to 99%) for radiation in the range of 300–800 nm and a refractive index gradient of at least 0.3 using currently available technologies, and the manufacture of a wearable optical device using this material allows expand its functionality by increasing the field of view to a level exceeding the physiological capabilities of the human eye (from 120 to at least 325 degrees).
Пример 1.Example 1
Для получения высокорефрактивных наночастиц MoS2 на этапе (i) использовали фемтосекундный лазер с длительностью импульса 100 фс, энергией импульса 100 мкДж, длиной волны 1030 нм и частотой повторения 10 кГц. В ходе фрагментации исходный кристалл MoS2 находился в деионизированной воде, при этом сфокусированным лазерным пятном осуществляли сканирование по поверхности кристалла с помощью гальваносканатора со скоростью 1 м/с. Процесс облучения продолжался до достижения финальной концентрации наночастиц 0.1 мг/мл. Далее методом центрифугирования полученный коллоидный раствор разделяется на 6 монодисперсных растворов (дисперсия распределения меньше 10 %) со средним диаметром наночастиц 34, 42, 53, 65, 78 и 100 нм.To obtain highly refractive MoS 2 nanoparticles in step (i), a femtosecond laser with a pulse duration of 100 fs, a pulse energy of 100 μJ, a wavelength of 1030 nm, and a repetition frequency of 10 kHz was used. During fragmentation, the original MoS 2 crystal was in deionized water, while the focused laser spot was scanned over the crystal surface using a galvanoscanner at a speed of 1 m/s. The irradiation process continued until the final concentration of nanoparticles reached 0.1 mg/mL. Then, by centrifugation, the resulting colloidal solution is separated into 6 monodisperse solutions (the distribution dispersion is less than 10%) with an average nanoparticle diameter of 34, 42, 53, 65, 78, and 100 nm.
На этапе (ii) полученные растворы наночастиц распределили по полимеру (полиметилметакрилату) путём механического замешивания с последующей ультразвуковой обработкой.At stage (ii), the obtained solutions of nanoparticles were distributed over the polymer (polymethyl methacrylate) by mechanical mixing followed by ultrasonic treatment.
На этапе (iii) методом центрифугирования (спинкоатинга) сформировали несколько слоёв в виде плёнок толщиной 100 нм с объемным содержанием наночастиц (выбираем размер менее 60 нм) 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 и 70%, что соответствует эффективному показателю преломления этих слоёв 1.485, 1.85, 2.2, 2.55, 2.9, 3.25, 3.6 и 3.95 на длине волны 750 нм.At stage (iii), several layers were formed by centrifugation (spincoating) in the form of
На этапе (iv) методом переноса в жидкости (жидкого трансфера) пленки перенесли друг на друга и путём наложения образовали оптический композитный материал в виде многослойного полимерного листа с градиентом показателя преломления 2.465 на длине волны 400 нм. Полученный лист свернули в цилиндр с радиальным градиентом показателя преломления, из которого вырезали оптический элемент по типу «рыбий глаз» с одним плоским и другим полусферическим торцами. Коэффициент пропускания полученного носимого оптического устройства на основе такого элемента (фиг.10) составил 99%, а поле зрения - 325 градусов.In step (iv), the films were transferred onto each other by the method of liquid transfer (liquid transfer) and by superposition formed an optical composite material in the form of a multilayer polymer sheet with a refractive index gradient of 2.465 at a wavelength of 400 nm. The resulting sheet was rolled into a cylinder with a radial refractive index gradient, from which a fisheye optical element was cut out with one flat and the other hemispherical ends. The transmission coefficient of the obtained wearable optical device based on such an element (Fig. 10) was 99%, and the field of view was 325 degrees.
Пример 2.Example 2
Для получения высокорефрактивных наночастиц ZnS размером 20 нм на этапе (i) методом лазерной фрагментации в жидкости использовали фемтосекундный лазер с длительностью импульса 100 фс, энергией импульса 50 мкДж, длиной волны 1030 нм и частотой повторения 10 кГц. При этом микрокристалл ZnS с кристаллической структурой типа вюрцит и массой 1 мг погрузили в кювету, заполненную этанолом объемом 5 мл, после чего провели обработку интенсивным ультразвуковым воздействием с мощностью 150 Вт в течении 5 мин. В результате был образован коллоидный раствор микрочастиц ZnS в этаноле с весовой концентрацией 0.2 мг/мл, который затем подвергли процедуре фемтосекундной лазерной фрагментации. Для этого лазерное излучение с описанными выше параметрами сфокусировали на глубине 1 см от поверхности коллоидного раствора, а сам коллоидный раствор перемешивали с помощью магнитной мешалки со скоростью 300 об/мин. В результате лазерной фрагментации в течение 30 минут получили коллоидный раствор наночастиц ZnS сферической формы со средним размером 20 нм и объемной концентрацией 1*1013 шт./мл.To obtain highly refractive ZnS nanoparticles with a size of 20 nm in stage (i), by the method of laser fragmentation in a liquid, a femtosecond laser with a pulse duration of 100 fs, a pulse energy of 50 μJ, a wavelength of 1030 nm, and a repetition frequency of 10 kHz was used. At the same time, a ZnS microcrystal with a wurtzite-type crystal structure and a mass of 1 mg was immersed in a cuvette filled with ethanol with a volume of 5 ml, after which it was treated with intense ultrasonic treatment with a power of 150 W for 5 minutes. As a result, a colloidal solution of ZnS microparticles in ethanol with a weight concentration of 0.2 mg/mL was formed, which was then subjected to femtosecond laser fragmentation. To do this, laser radiation with the parameters described above was focused at a depth of 1 cm from the surface of the colloidal solution, and the colloidal solution itself was stirred with a magnetic stirrer at a speed of 300 rpm. As a result of laser fragmentation for 30 minutes, a colloidal solution of spherical ZnS nanoparticles with an average size of 20 nm and a volume concentration of 1*10 13 pieces/ml was obtained.
На этапе (ii) провели механическое перемешивание коллоидного раствора наночастиц ZnS с поливиниловым спиртом (водорастворимым термопластичным полимером с коэффициентом преломления 1.5 на длине волны 400 нм) в заданных пропорциях. Образовавшуюся смесь подвергли ультразвуковому перемешиванию и методом центрифугирования (спинкоатинга) сформировали пленку толщиной 100 нм. Таким образом изготавливают набор слоёв (полимерных пленок) толщиной 100 нм с различной объемной долей наночастиц ZnS 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 и 70 %, что соответствует эффективному показателю преломления слоёв 1.59, 1.68, 1.77, 1.87, 1.98, 2.08 и 2.20 на длине волны 400 нм.At stage (ii), a colloidal solution of ZnS nanoparticles was mechanically mixed with polyvinyl alcohol (a water-soluble thermoplastic polymer with a refractive index of 1.5 at a wavelength of 400 nm) in specified proportions. The resulting mixture was subjected to ultrasonic stirring, and a
На этапе (iv) методом переноса в жидкости (жидкого трансфера) пленки перенесли друг на друга и путём наложения в полусферической оснастке образовали оптический композитный материал с градиентом показателя преломления 0.61 на длине волны 400 нм. Полученная контактная линза имеет коэффициент пропускания 99% и поле зрения 220 градусов.At stage (iv), the films were transferred to each other by the method of transfer in a liquid (liquid transfer) and, by superposition in a hemispherical tooling, formed an optical composite material with a refractive index gradient of 0.61 at a wavelength of 400 nm. The resulting contact lens has a transmittance of 99% and a field of view of 220 degrees.
Claims (26)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2023/050166 WO2024102024A1 (en) | 2022-11-12 | 2023-07-05 | Wearable optical device and method of producing an optical composite material for such device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2022129388A RU2022129388A (en) | 2022-12-29 |
RU2797750C2 true RU2797750C2 (en) | 2023-06-08 |
Family
ID=
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015092201A (en) * | 2012-02-21 | 2015-05-14 | パナソニック株式会社 | Optical element, and imaging device provided with the same |
WO2021040825A1 (en) * | 2019-08-23 | 2021-03-04 | Facebook Technologies, Llc | Refractive index modulation modification in a holographic grating |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015092201A (en) * | 2012-02-21 | 2015-05-14 | パナソニック株式会社 | Optical element, and imaging device provided with the same |
WO2021040825A1 (en) * | 2019-08-23 | 2021-03-04 | Facebook Technologies, Llc | Refractive index modulation modification in a holographic grating |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Выпускная квалификационная работа магистра, Б.Р.Бородин "Селективное фотоокисление на гетеропереходе MoSe2/графен" /", Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина), 12.07.2020 (стр.18-30). * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN100507628C (en) | Multilayer polymer gradient index (GRIN) lenses | |
Ma et al. | Smart compound eyes enable tunable imaging | |
DE60121387T3 (en) | Surface treated plastic optical article and surface treatment method | |
Dudutis et al. | Aberration-controlled Bessel beam processing of glass | |
DE69938086T2 (en) | Anti-reflection coating and display device with this layer | |
DE112010001362B4 (en) | Process for designing and manufacturing omnidirectional, multilayer photonic structures | |
US8580374B2 (en) | Resin molded body | |
EP2761359B1 (en) | Lens having an extended focal range | |
DE69124911T2 (en) | Birefringent film, process for its production, retarding film, elliptical polarizer and liquid crystal display device | |
DE202016009004U1 (en) | Ophthalmic lens with graduated microlenses | |
US8394490B2 (en) | Structural color body | |
US8507079B2 (en) | Structural color body | |
RU2797750C2 (en) | Wearable optical device and method for manufacturing an optical composite material for such a device | |
TW201348829A (en) | Electrochromic materials and optical systems employing the same | |
EP2016458A1 (en) | Plasmon resonant based eye protection | |
Ko et al. | Design of hemi-urchin shaped ZnO nanostructures for broadband and wide-angle antireflection coatings | |
WO2024102024A1 (en) | Wearable optical device and method of producing an optical composite material for such device | |
US11112314B2 (en) | Infrared absorptive material, infrared sensor, wavelength selective light source, and radiation cooling system | |
Li et al. | Creating a three-dimensional surface with antireflective properties by using femtosecond-laser Bessel-beam-assisted thermal oxidation | |
CN100383569C (en) | Light polarizing device, a method of continuously fabricating same, and reflective optical devices using same | |
RU2802952C1 (en) | Method for manufacturing a porous material, a contact lens with such a material and a porous material with a variable refractive index | |
WO2024123211A1 (en) | Porous material producing method,contact lens containing said material, and porous material with gradient refractive index | |
FR2888949A1 (en) | Transparent optical component for fabricating e.g. ophthalmic lens, has network of cells separated by walls, where surface comprises walls less than specific nanometers thick and each cell comprises substance with optical property | |
US3722977A (en) | Optical scattering filter | |
EP2469312A1 (en) | Method of manufacturing a diffusely reflecting polarizer having a substantially amorphous nano-composite continous phase |