[发明专利]光学元件和包含光学元件的成像光学元件

说明书

技术领域

本发明涉及折射、衍射或透射光学元件，其由对可见光和/或红外光具有高透明度的光学陶瓷制成。具体来说，本发明涉及由适合用于成像光学元件的那些光学陶瓷制成的光学元件，例如具有减少的色差、尤其具有近乎复消色差成像特性的物镜。

背景技术

根据本发明，光学陶瓷是指基于氧化物且具有高透明度的大体上为单相的多晶材料。因此，光学陶瓷是陶瓷中特殊的子类。在这种情况下，“单相”是指在目标组合物中，至少多于95％的材料，优选至少97％，更优选至少99％且最优选99.5％至99.9％的材料是以晶体的形式存在。单个晶粒以紧凑的方式排列，且基于理论密度，达成至少99％，优选至少99.9％，更优选至少99.99％。相应地，光学陶瓷几乎没有小孔。晶体结构对应于ZrO₂立方体结构或对应于石榴石结构。在这种情况下，处于立体对称的ZrO₂的稳定状态受所添加的一定量的某种氧化物或氧化物混合物的影响。

光学陶瓷不同于常规的玻璃陶瓷，因为后者除了结晶相之外还具有较高比例的非结晶玻璃相。同样，常规的陶瓷不能实现光学陶瓷中所具有的这些高密度。无论玻璃陶瓷还是陶瓷都不具有光学陶瓷的有利特性，例如一定的折射率、阿贝数、相对部分色散值和尤其有利的对于可见光和/或红外光范围内的光的高透明度。

成像光学的发展过程中的主要目标是利用尽可能轻的具有紧凑构造的光学元件获得足够的光学质量。特别是与电子装置(例如数码相机、手机的目镜和类似物)中的数字图像检测一起使用时，所形成的成像光学元件必须非常小且轻。换句话说，成像透镜的总量必须最少。这需要具有高折射率和尽可能低的色散的透明材料，进而允许设计出具有近乎复消色差成像特性的非常紧凑的成像光学元件。

光学陶瓷光学元件可与玻璃透镜一起，但也可与其他陶瓷透镜一起用在透镜系统中，具体来说用在数码相机、手机相机中，显微镜、微光刻数据存储领域中，或用于消费或工业用途领域中，例如数字投影和其他显示技术。但也可主要用在单色用途中，例如光学存储技术，可通过具有高折射率的材料实现紧凑的系统。

在显微镜情况下，需要衍射几乎受限的性能的成像光学元件来用于目镜以及物镜。

在国防领域中，需要透明的光学元件，其在可见(380nm至800nm)和红外光谱范围内(达到8,000nm，理想上达到10,000nm)高度透明，且另外其对外界(例如机械动作、振动、温度、温度变化、压力等)具有抗扰性。

此时，成像光学元件的发展受到可用的材料的光学参数的限制。通过可用的玻璃融化和玻璃成形技术，仅可制造出这样一种具有高质量的玻璃，即在阿贝图表中(其中折射率被绘制成与阿贝数相对)，低于通过点阿贝数＝80/折射率＝1.7和点阿贝数＝10/折射率＝2.0的直线。这根假想线在图2a中用点线表示。更详细地说，折射率在约1.9与约2.2之间，且阿贝数在约30与40之间的范围中的玻璃倾向于不稳定，使得难以制造出较高产量和足够质量的这些玻璃。折射率在约1.8与约2.1之间且阿贝数在约35与55之间的范围中的玻璃倾向于不稳定。

折射率(波长为587.6nm下的折射率，n_D)的定义、阿贝数v_d和相对部分色散(P_g，F)对于所属领域的技术人员基本上已众所周知，且在专门文献中有更详细的描述。在本发明中，所使用的术语是根据“The properties of optical glass”，Bach，Hans；Neuroth，Norbert(Ed.)，Berlin(i.a.)：Springer，1995，或Schott的“Series on glass and glass ceramics”，science，technology，and applications，XVII，p.410，2.，corr.print.，1998，XVII，p.414。

可见光的透明度是指内部透射率(即，除去反射损耗后的光透射率)，其在宽至少为200nm的窗口中，例如在400nm至600nm的窗口中，450nm至750nm的窗口中或优选在400nm至800nm的窗口中，在波长为380nm至800nm的可见光的范围中，在层厚为2mm，优选甚至在层厚为3mm，尤其优选在层厚为5mm或更大处高于70％，优选高于80％，更优选高于90％，尤其优选高于95％。