CN1862289A - 梯度折射率透镜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种梯度折射率透镜，其包括：一预定形状的透镜基体；以及所述透镜基体中通过离子植入法植入呈预定梯度浓度分布的添加物，使其折射率具有相应梯度分布。本发明还提供所述梯度折射率透镜的制备方法。

Description

梯度折射率透镜及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种透镜，尤其涉及一种梯度折射率透镜(GradientRefractive Index Lens，GRIN Lens)及其制备方法。
【背景技术】
常见的梯度折射率透镜按照材料折射率变化的不同主要分为轴向梯度折射率透镜、径向梯度折射率透镜以及球向梯度折射率透镜。其中，轴向梯度折射率透镜通常用于调整球面像差和简化光学***；径向梯度折射率透镜具有比轴向梯度折射率透镜更多的优点，如，许多径向梯度折射率透镜可自聚焦，因而被广泛应用于环形器、耦合器、光开关、波分复用器以及发光二极管等光通信器件中；而球向梯度折射率透镜则具有结构简单、体积小、光路短等优点，可在光通讯、微小光学及集成光学中广泛应用。
常见的梯度折射率透镜常见的制备方法包括：离子交换法(IonExchange)、溶胶凝胶法(Sol-Gel)、体扩散法(Bulk Diffusion)和化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)等。
现有技术中提供一种离子交换法，该方法首先将一玻璃基材浸于第一种熔融态盐中，该熔融态盐包含可提高玻璃基材折射率的离子，该离子经扩散进入所述玻璃基材内。然后，将所述玻璃基材沉浸在第二种熔融态盐中，该熔融态盐包含折射率低于所述第一种熔融态盐中离子折射率的离子，从而使该玻璃基材获得一预定梯度折射率分布。所述离子交换法制备梯度折射率透镜相对简单且较为成熟。但是，该方法存在一些固有的缺陷，如果熔融态盐离子无法在玻璃体内迁移足够远并与对应离子相交换，此缺陷导致无法制造大体积或高折射率的折射率梯度分布组件。另外，该方法制造的产品质量不均匀，且不良率较高，从而增加生产成本。
现有技术中还提供一种溶胶凝胶法。该方法首先在酸性溶液中形成硅醇盐(Silicon A1koxide)与乙醇的混合物以部分水解硅醇盐，将一折射率调整金属醇盐，如钛醇盐或锆醇盐，加入所述混合物内；随后加水将金属醇盐转变为适合凝胶的金属氧化物网状组织，使包含所述金属氧化物网状组织的混合物维持足够时间以形成凝胶；对凝胶进行酸溶过滤以移除一些调整折射率的金属氧化物，再使凝胶稳定，以防止调整折射率的金属氧化物自凝胶中进一步被移除，接着以溶剂漂洗凝胶以去除沉淀物；然后干燥并烧结成透明梯度折射率玻璃体。该方法通常使用凝胶，便于调整折射率的金属盐离子的迁移。但是，该方法制备的玻璃体较脆，且透明度较差。另外，其生产周期长，通常需7-10天。
现有技术中还提供一种体扩散法，通过堆叠多层具不同折射率和成份的玻璃板，从而获得不连续的梯度折射率分布，采用一精确控制的热处理以模糊堆叠层界面，从而使该不连续的梯度曲线变得连续。通过该方法可获得具可选择折射率梯度的大尺寸组件，且初始折射率分布易于控制，可采用多种光学玻璃及均匀光学聚合物材料制造梯度折射率透镜。但是，该方法仅可制造轴向梯度折射率透镜，无法制造较常用的径向梯度折射率透镜。
现有技术中的化学气相沉积法包括如下主要步骤：伴随化学反应，具渐变成份的化合物蒸气层沉积在管状或板状基底，基底经烧结以形成具预定折射率分布的透明玻璃棒。该方法可精确控制，但是，其操作困难，且生产周期长。
有鉴于此，提供一种制程简单，精度高的梯度折射率透镜及其制备方法实为必要。
【发明内容】
以下，将以实施例说明一种梯度折射率透镜。
以及通过实施例说明一种梯度折射率透镜制备方法。
为实现上述内容，提供一种梯度折射率透镜，其包括：一预定形状的透镜基体；以及所述透镜基体中通过离子植入法植入呈预定梯度浓度分布的添加物，使其折射率具有相应梯度分布。
所述透镜基体材料包括玻璃及聚合物。
所述玻璃包括石英玻璃、硅酸盐玻璃。
所述聚合物包括聚碳酸脂(PC，Polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA，Polymethyl Methacrylate)。
所述添加物包括锗(Ge)、钛(Ti)、银(Ag)、铯(Cs)。
所述预定梯度浓度分布包括轴向梯度浓度分布、径向梯度浓度分布以及球向梯度浓度分布。
所述梯度折射率透镜包括球面透镜、非球面透镜。
以及，提供一种梯度折射率透镜制备方法，其包括下述步骤：
提供一预定形状的透镜基体；
将所述透镜基体及添加物置于离子植入机内，并在离子植入机内形成真空环境；
将所述添加物离子化，并将所述添加物离子按照预定梯度浓度分布植入所述透镜基体，形成梯度折射率透镜。
所述透镜基体的成型方法包括模压成型(Press-molding)、射出成型(Injection Molding)等。
所述添加物离子通过电场加速植入所述透镜基体。
与现有技术相比，本实施例的梯度折射率透镜制备方法具以下优点：其一，可适用于玻璃及聚合物透镜基体，应用范围广；其二，直接采用透镜基体成型，可使用现有的透镜成型设备，制程简单，有利于降低成本；其三，利用离子植入法植入改变折射率的添加物，可精确控制添加物在透镜基体中的分布，从而精确控制产品的梯度折射率；其四，离子植入可在室温下进行，不需要将所述透镜基体加热，从而可保持其外形和尺寸不变。
【附图说明】
图1为本技术方案实施例中的梯度折射率透镜示意图。
图2为本技术方案实施例中的离子植入示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本技术方案作进一步详细说明。
请参阅图1，本技术方案还提供一种梯度折射率透镜10，其包括一预定形状的透镜基体11；以及所述透镜基体11中通过离子植入法植入呈预定梯度浓度分布的添加物12，使其折射率具有相应梯度分布。
所述透镜基体11的材料包括玻璃及聚合物。
所述玻璃包括石英玻璃、硅酸盐玻璃。
所述聚合物包括聚碳酸脂(PC，Polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA，Polymethyl Methacrylate)。
所述添加物12包括锗(Ge)、钛(Ti)、银(Ag)、铯(Cs)。
所述预定梯度浓度分布包括轴向梯度浓度分布、径向梯度浓度分布以及球向梯度浓度分布。
所述梯度折射率透镜10包括球面透镜、非球面透镜。
请一并参阅图1及图2，本技术方案还提供一种梯度折射率透镜10的制备方法，其包括下述步骤：
提供一预定形状的透镜基体11；
将所述透镜基体11及添加物12置于离子植入机100内，并在离子植入机100内形成真空环境；
将所述添加物12离子化，并将所述添加物12的离子按照预定梯度浓度分布植入所述透镜基体11，形成梯度折射率透镜10。
下面结合实施例对各步骤进行详细说明。
步骤(1)，提供一预定形状的透镜基体11。所述透镜基体11的材料包括玻璃及聚合物，其中，所述玻璃包括石英玻璃、硅酸盐玻璃，所述聚合物采用光学塑料聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂。根据透镜基体11材料的不同可选用不同方法制备所述预定形状的透镜基体11，如模压成型、射出成型等成型方法，所述预定形状的透镜基体11包括球面透镜及非球面透镜。本实施例中所述透镜基体11采用聚甲基丙烯酸甲脂为材料，通过射出成型法制备出以聚甲基丙烯酸甲脂为透镜基体11的非球面透镜基体，为获得较佳的透镜表面精度，所述射出成型法可采用快速热循环成型法(Rapid Heat CycleMolding，RHCM)。
步骤(2)，将所述透镜基体11及添加物12置于离子植入机100内，并在离子植入机内形成真空环境。所述添加物12包括锗、钛、银、铯。本实施例中，将步骤(1)制备的非球面透镜基体11以及选用为添加物12的银材料置于离子植入机100内；将所述离子植入机100密封后，采用真空泵110使所述离子植入机100内形成真空环境。
步骤(3)，将所述添加物12离子化，并将所述添加物12的离子按照预定梯度浓度分布植入所述透镜基体11，形成梯度折射率透镜10。所述预定的梯度浓度分布包括轴向梯度浓度分布、径向梯度浓度分布以及球向梯度浓度分布。本实施例中，在真空环境下将所述添加物12银材料离子化以形成银离子(图未示)，通过与电源120相连的两极板101、102形成的电场加速所述银离子形成离子束，按照径向梯度浓度分布将所述银离子植入所述透镜基体11中，形成梯度折射率透镜10。根据离子束内的总离子数及所述透镜基体11通过离子束的次数来控制所述透镜基体11中植入由透镜基体轴心至边缘递增的银离子浓度；并通过控制所述极板101、102形成的电场强度控制所述离子束能量的大小，从而控制所述透镜基体中各区域的银离子植入的深度，以形成所述径向梯度浓度分布的梯度折射率透镜10。
与现有技术相比，本实施例的梯度折射率透镜及其制备方法具以下优点：其一，可适用于玻璃及聚合物透镜基体，应用范围广；其二，直接采用透镜基体成型，可使用现有的透镜成型设备，制程简单，有利于降低成本；其三，利用离子植入法植入改变折射率的添加物，可精确控制添加物在透镜基体中的分布，从而精确控制产品的梯度折射率；其四，离子植入可在室温下进行，不需要将所述透镜基体加热，从而可保持其外形和尺寸不变。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思做出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种梯度折射率透镜，其包括：一预定形状的透镜基体；以及分布在所述透镜基体中的添加物；其特征在于，所述添加物通过离子植入法植入，且呈预定梯度浓度分布。
2.如权利要求1所述的梯度折射率透镜，其特征在于，所述透镜基体材料包括玻璃及聚合物。
3.如权利要求2所述的梯度折射率透镜，其特征在于，所述玻璃包括石英玻璃、硅酸盐玻璃。
4.如权利要求2所述的梯度折射率透镜，其特征在于，所述聚合物包括聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂。
5.如权利要求1所述的梯度折射率透镜，其特征在于，所述添加物包括锗、钛、银、铯。
6.如权利要求1所述的梯度折射率透镜，其特征在于，所述预定梯度浓度分布包括轴向梯度浓度分布、径向梯度浓度分布以及球向梯度浓度分布。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的梯度折射率透镜，其特征在于，所述梯度折射率透镜包括球面透镜、非球面透镜。
8.一种梯度折射率透镜制备方法，其包括下述步骤：
提供一预定形状的透镜基体；
将所述透镜基体及添加物置于离子植入机内，并在离子植入机内形成真空环境；
将所述添加物离子化，并将所述添加物离子按照预定梯度浓度分布植入所述透镜基体，形成梯度折射率透镜。
9.如权利要求8所述的梯度折射率透镜制备方法，其特征在于，所述透镜基体的成型方法包括模压成型、射出成型。
10.如权利要求9所述的梯度折射率透镜制备方法，其特征在于，所述预定形状的透镜基体包括球面透镜基体、非球面透镜基体。
11.如权利要求8所述的梯度折射率透镜制备方法，其特征在于，所述添加物包括锗、钛、银、铯。
12.如权利要求8所述的梯度折射率透镜制备方法，其特征在于，所述预定梯度浓度分布包括轴向梯度浓度分布、径向梯度浓度分布以及球向梯度浓度分布。
13.如权利要求8至12中任意一项所述的梯度折射率透镜制备方法，其特征在于，所述添加物离子通过电场加速植入所述透镜基体。
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