近五年內(nèi)梯度折射率材料及器件的應(yīng)用于發(fā)展

近五年內(nèi)梯度折射率光學(xué)材料及器件的應(yīng)用的主要進(jìn)展水悅(安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230039)摘要：介紹幾種主要的梯度折射率光學(xué)材料和常見的光學(xué)器件，論述了梯度折射率器件的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：梯度折射率材料；梯度折射率器件；應(yīng)用前言梯度折射率介質(zhì)又稱為非均勻介質(zhì)、變折射率介質(zhì)或者漸變折射率介質(zhì)，指一種折射率不是常數(shù)，而是按一定規(guī)律變化的介質(zhì)，因此，英文稱作GradientIndex(Grin)。梯度折射率光學(xué)是近40年才發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。但在自然界中，早在公元100年，人們就己觀察到“海市蜃樓”奇景，它就是由于大氣層折射率的局部變化對地面景色產(chǎn)生折射而出現(xiàn)的一種奇觀。事實(shí)上，不僅大氣層，海水、生物眼(較低級的不包括)的折射率也是非均勻的，人類眼睛晶狀體就是梯度折射率變化的,折射率差約為0.015-0.049，這種梯度變化的材料和晶狀體表面的非球面都極有利于像差的校正。通過對這些自然現(xiàn)象的觀察、研究，人們逐漸領(lǐng)悟到材料折射率的非均勻性可以導(dǎo)致一些均勻介質(zhì)所不具有的光學(xué)性能。本文介紹了梯度折射率材料的形成原理，綜述了梯度折射率材料的研究進(jìn)展，梯度折射率材料的發(fā)展前景。1梯度折射率材料簡介及梯度形成原因梯度折射率光學(xué)材料的出現(xiàn)，至今大約有 100多年了。早在1854年，J.C.Maxwell就描述了光在梯度折射率介質(zhì)中傳播的表征方程，并提出了現(xiàn)在人們所知道的Maxwell魚眼透鏡；到1899年，R.W.Wood做了光以正弦軌跡在梯度折射率材料中傳播的演示；1905年Wood的教科書“物理光學(xué)”上就有光通過一梯度折射率槽，顯示正弦傳播的照片底板。但是只是在近20年來，由于梯度折射率光學(xué)材料在復(fù)印機(jī)和傳真機(jī)成像陣列以及光纖耦合器等方面的大量應(yīng)用，才大大地驅(qū)動了他從材料制造、相差理論、光學(xué)設(shè)計應(yīng)用開發(fā)等方面的快速發(fā)展。首先是美國羅切斯特大學(xué)D.T.Moore教授在設(shè)計方法和理論研究方面做了大量工作。在梯度折射率材料和透鏡制造方面主要是日本板玻璃公司(NipponsheetGlass,NSG),在1992年由該公司J.Kitano等人采用離子交換法制成徑向梯度折射率材料，后來又研制了齊明透鏡，正如人們普遍了解的自聚焦透鏡(Selfocrodlenses)。中科院西安光機(jī)所于1975年率先在國內(nèi)研制成功了梯度折射率材料，相繼20多年來得到了很大的發(fā)展。其中，安徽大學(xué)物理系在1988年至1996年對于球?qū)ΨQ折射率光學(xué)器件的研究糾正了國際學(xué)術(shù)界長期認(rèn)為麥克斯韋“魚眼”球透鏡不能用于成像和耦合的誤解。所提出的改進(jìn)模型及其復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅焦距短、像差小、耦合效率高、性能優(yōu)良，且N低，易于制作，對于微小光學(xué)器件具有重要應(yīng)用價值。該研究在國際上率先提出使用不同濃度混合融鹽進(jìn)行多階段離子交換的方法，解決了制作高質(zhì)量球?qū)ΨQ梯度折射率球形透鏡、精確控制GRIN

剖面形成的技術(shù)難題［1］。一般來說，光學(xué)玻璃是光學(xué)均勻性較好的一種光學(xué)材料，但其內(nèi)部仍然存在An著不同程度的折射率不均勻分布。用"來表示折射率的變化，則任意兩點(diǎn)間的折射率差可表示為：An(1)式中〔和4分別為積分方向和梯度方向的單位矢量［2］。通過逐點(diǎn)積分，求出整個樣品內(nèi)部的最大折射率差值△??，即可獲得玻璃均勻性優(yōu)劣的評價目前，梯度折射率光學(xué)元件的梯度有三種形式。第一種是軸向折射率梯度(AGRIN),它的折射率沿光軸連續(xù)變化，具有相同折射率的表面是垂直于光軸的平面。第二種是徑向或圓柱形折射率梯度(RGRIN),折射率從光軸開始由里向外連續(xù)變化。具有相同折射率的表面呈圓柱形，其軸線與透撬系統(tǒng)光軸重合。第三種是球面形折射率梯度(SGRIN),共折射率分布對稱于某一點(diǎn)，具有相同折射率的面是球面。AGRIN透鏡通常用于調(diào)整球面像差和簡化光學(xué)系統(tǒng)，RGRIN透鏡具有比軸向梯度折射率透鏡更多的優(yōu)點(diǎn)，所以RGRIN透鏡應(yīng)用最為廣泛，它是將折射率從中心光軸沿半徑方向連續(xù)遞減變化的玻璃棒按具體應(yīng)用長度截取，再將兩端面研磨拋光成平行平面。由于其徑向折射率梯度分布而有端平面透鏡的光焦度，有時形象地稱為“自聚焦透鏡”一般取光軸中心折射率為 ，距中心的徑向距離為r,則其折射率分布為：Mr)譏+W+時+%』卡…“、略去高次項，則:N(r)W略去高次項，則:N(r)W孕式中 為折射率分布常數(shù)；■為軸上折射率；r為透鏡徑向半徑上某點(diǎn)至光軸距離［3］［4］。2梯度折射率材料的種類和制法2.1梯度折射率材料的種類梯度折射率材料的制作和元件的制作是同步進(jìn)行的。由于這一特點(diǎn)，其種類除按化學(xué)成分分類外，還經(jīng)常按其元件的構(gòu)造來分類。按化學(xué)成分分，可分為無機(jī)材料和高分子材料兩大類。無機(jī)材料特別是無機(jī)玻璃是最早研究的梯度折射率材料。早在1854年就提出了Maxwell魚眼透鏡的理論模型。1900年柯達(dá)公司的Wood提出了屬于徑向梯度折射率型的Wood透鏡。1944年Lunberg提出一種能使無窮遠(yuǎn)物點(diǎn)完善成像的球透鏡模型。1951年Mikaeligan提出了能理想成像的徑向梯度折射率分布模型。但是由于制備工藝不能解決，這些模型都沒有實(shí)用。其后，雖有許多學(xué)者作了不少理論研究和設(shè)計，

但直到1969年日本板玻璃公司的北野等人用離子交換工藝制作了玻璃梯度折射率棒和光纖，并在日本、美國、前西德、比利時等國申請了專利才引起了普遍的重視。從此，利用無機(jī)材料制作梯度折射率材料的研究發(fā)展很快。采用的無機(jī)材料種類也較多，主要有玻璃、鍺砷、硫和硒的化合物，氯化鈉，氯化銀和氮化硅等。其中用離子交換法制成的玻璃梯度折射率棒已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化。玻璃梯折材料的優(yōu)點(diǎn)是透過率咼，折射率差大，像差和色差小，分辨率咼。缺點(diǎn)是比重大，尺寸小，沖擊強(qiáng)度差，制作過程較復(fù)雜。高分子梯折材料的研究始于20世紀(jì)70年代。1972年日本的人江正教首次報導(dǎo)用高分子鹽離子交換法研制成高分子徑向梯折材料，開辟了該類材料的新領(lǐng)域，立即受到了人們的廣泛重視。日本在20世紀(jì)70—80年代對高分子梯折材料的制備方法、機(jī)理、光學(xué)性能和測試方法作了大量研究，其中以大蒙保治為首的研究小組的工作最為突出。他們研究了許多新的制備方法，發(fā)表了幾十篇論文和專利。他們于1973年報導(dǎo)了高分子徑向梯折材料，于1985年報導(dǎo)研制成高分子軸向梯折材料，于1986年報導(dǎo)研制成高分子球向梯折材料，于1988年報導(dǎo)研制成高分子立體梯折光波元件和單片二維梯折透鏡陣列等。美國的Hamb1em和Moore等人以及前蘇聯(lián)科學(xué)院高分子所等也相繼開展了研究，都巳研制出多種高分子梯折材料，特別是含氟的高分子梯折材料。高分子梯折材料目前主要有甲基丙烯酸甲酯、間（或鄰）苯二甲酸二烯丙酯、二縮乙二醇二碳酸二烯丙酯（（CR—39）、甲基丙烯酸三氟乙酯、甲基丙烯酸四氟丙酯、苯乙烯和苯甲酸乙烯酯的二元和三元共聚物。高分子梯折材料的優(yōu)點(diǎn)是比重小，價格低，易加工，抗沖強(qiáng)度大，可制成大尺寸產(chǎn)品和三維光波導(dǎo)元件。缺點(diǎn)是透過率和分辨率較低，折射率可調(diào)范圍小，色差大和熱性能差等，這些都影響它的實(shí)用性。到日前為止，高分子梯折材料仍處于實(shí)驗室研究階段，離實(shí)用化仍有相當(dāng)?shù)木嚯x。按元件的構(gòu)造分，可分為徑向梯度折射率棒透鏡、軸向梯度折射率棒透鏡、球向梯度折射率球透鏡、平板透鏡（見圖16—4）、平板微透鏡陣列（見圖16—5）、梯度折射率光波導(dǎo)元件（見聞16—6）等。圖16-3軸向梯度折射率平凸透鏡圖16-4平板透鏡A-基板;透彊㈤（b）圖16-3軸向梯度折射率平凸透鏡圖16-4平板透鏡A-基板;透彊㈤（b）圖16-5平板微透撓陣列0—實(shí)物;I—像圖16-6梯折光波導(dǎo)元件行）徑向梯折分支光路器；（b）徑向梯折星形耦合器;3）輕向梯折多路耦合器2.2梯度折射率光學(xué)材料的制備原理普通均勻玻璃的折射率是單一的，而梯度折射率玻璃的折射率是變化的。漸變的折射率可以通過多條途徑來獲得。研究表明，玻璃的折射率取決于其成分、結(jié)構(gòu)、熱歷史等因素，且主要受成分和結(jié)構(gòu)的影響［5］。當(dāng)光通過透明材料時，使材料中的帶電粒子極化，在極化過程損耗光自身的能量，導(dǎo)致光速減?。煌ㄟ^前后光速值之比即材料的折射率表征光在該物質(zhì)中的偏轉(zhuǎn)程度，所以，折射率受材料中帶電粒子極化能力和濃度的影響。不同種類的陽離子具有不同的極化能力，改變玻璃的組成就能改變折射率。圖1示出了不同種類金屬陽離子與玻璃折射率的關(guān)系。由圖l可以看出，處于“馬鞍”兩頭的離子如Pb2+、Cs+等具有較高的折射率，處于“馬鞍”底部的離子如K+、Na等的折射率較低。如果在玻璃組成中形成兩種或多種陽離子的濃度梯度，勢必會引起折射率的梯度變化，這就成為制備梯度折射率玻璃的基本思路。梯度折射率玻璃最早的工藝可以追溯到19世紀(jì)的中期。當(dāng)時Ottoschott將玻璃快速冷卻使其產(chǎn)生應(yīng)力，制得了外部區(qū)域折射率較高的玻璃。一個半世紀(jì)后，梯度折射率玻璃的應(yīng)用日趨廣泛，制備工藝也在不斷推陳出新。這些工藝主要包括離子交換法、溶膠一凝膠法、化學(xué)氣相沉積法等。0 05 1(] 15 2,0圖1部分陽離子與玻璃折射率的關(guān)系M2.3梯度折射率光學(xué)材料的制法我國對梯度折射率材料的研究起步較晚。中科院西安光機(jī)所和北京理工大學(xué)在玻璃梯折材料方面作了許多研究，在玻璃徑向梯度棒和球向梯度球方面取得了不少進(jìn)展，發(fā)表了不少論文。在高分子梯折材料方面的報導(dǎo)則較少，1981年西安光機(jī)所注景昌曾報導(dǎo)研制成一種DAP—MMA自聚焦光學(xué)塑料捧；浙江大學(xué)胡慶美等曾在1981年和1983分別報導(dǎo)研制成用光聚合法制成的梯折光學(xué)塑料棒；但以后未見連續(xù)報導(dǎo)。北京理工大學(xué)葛炳恒和周馨我從1985年起研究高分子梯折材料，1987年研制成直徑5—10mm，△n=0.030—0.037,透過率＞80%,分辨率＞90線對/mm的徑向梯度捧，1988年研制成高分子軸向梯度折射率材料，梯度深度＞10mm，An＞0.04，1989年研制成球向梯折材料，并對有關(guān)的制備方法和機(jī)理也作了較詳細(xì)的研究。梯度折射率材料的制備方法的研究可以追溯到1900年，當(dāng)時柯達(dá)公司的Wood用明膠做成了折射率沿徑向變化的圓柱棒，沿垂直于棒軸方向的切片具有聚光和散光作用，這就是現(xiàn)在的徑向梯度捧的雛形。此后，對梯折材料制法的研究經(jīng)過近70年，發(fā)展緩慢。到1969年，離子交換法的發(fā)明，才有所突破。此后，

研究了許多制備方法，共有20多種如表16—1所示。表16—1所列的方法中，只有制備玻璃梯度棒的離子交換法達(dá)到了實(shí)用水平，其余方法均處于實(shí)驗室階段，其中化學(xué)氣相沉積法、分子填充法、晶體增長法、溶膠一凝膠法、光刻一離子交換法、擴(kuò)散法、擴(kuò)散共聚法、光共聚法、懸浮共聚法、沉淀共聚法、蒸氣轉(zhuǎn)移一擴(kuò)散共聚法和界面凝膠共聚法報導(dǎo)較多，且各具特色，下由簡單介紹。表16-1梯度折射率材料的制備方法分子填充法An=0.025-0.060NA^0.6徑向梯度捧透鏡I溶膠-擬膠法擴(kuò)散法=10mm擴(kuò)散化學(xué)反應(yīng)袪0=1亠5mm擴(kuò)散共聚迭」分子填充法An=0.025-0.060NA^0.6徑向梯度捧透鏡I溶膠-擬膠法擴(kuò)散法=10mm擴(kuò)散化學(xué)反應(yīng)袪0=1亠5mm擴(kuò)散共聚迭」in=0.01-0.03,0疋3?10mm離心力法An-0.07,0=2?BOnuri薄膜層合迭An=0*016光共聚法An=0.0（4-0.030,-1""4rnm0.010-O'025, I 、 __ i一z亍1。mm 對于梯度折射材料的三種形式：球?qū)ΨQ分布、徑向分布和軸軸向分布三大類型，?可' ' '的函數(shù)紡布介質(zhì)主要3*命4^-自i梯度折射3.1梯度折射率器件的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r沉淀共聚法它們的折帥分別是到宦間某定點(diǎn)、定直線（軸）和定射率面分別為球面、圓柱面和平面。其中第一類軸向折像透鏡消像差；第二類按徑向折射率分布的細(xì)而長的變折射率光纖主要用作光波載體，是光通信的理想傳輸介質(zhì)光、準(zhǔn)直和成像的作用，是重要的微小光學(xué)器件，在內(nèi)窺鏡系統(tǒng)、光信息處理、傳感系統(tǒng)、光學(xué)透鏡以及光通信器件等方面有廣闊的應(yīng)用前景。徑向梯度折射率透鏡作為復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)的輸入掃描成像列陣已經(jīng)得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用，目前日本板玻璃公司可以說占有100%的市場。徑向梯度折射率透鏡的另一個主要應(yīng)用，即光通信中的光學(xué)耦合器、準(zhǔn)直器和隔離器等。第三個方面是醫(yī)用超細(xì)梯度折射率內(nèi)窺鏡和工業(yè)缺陷光學(xué)探測器等。在此方面，我們已經(jīng)研制成功了幾種不按徑向折射率分布的粗而短的自聚焦透鏡有導(dǎo)無機(jī)GIM高分子GIM制備方法參數(shù)制備方法參數(shù)離子交換祗NA^O.5高分子址離子交換法Ar=0*01,P=0.01~5.00mm中子輻射法共混高分子溶出袪1化學(xué)氣相沉積法單體揮發(fā)迭An.=0.52An=0*01,^0.10~5.00nunAn^0.02~O.C3,?=10nun同直徑和不同長度的醫(yī)用內(nèi)窺鏡。第三類球向變折射率透鏡具有幾何形狀高度對稱，外形易加工，使用時調(diào)整容易，，不用特別取向、不存在斜光線、成像像差小、耦合率高、焦距短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是最簡單、最經(jīng)濟(jì)的微小光學(xué)器件，在微型光學(xué)系統(tǒng)和集成光學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。3.1.1梯度折射率器件的應(yīng)用優(yōu)勢梯度折射率玻璃不同于普通光學(xué)玻璃在于其折射率的梯度變化導(dǎo)致光在其中以曲線的形式傳播。由于這一特性，它被廣泛用于光傳播、通訊系統(tǒng)，主要產(chǎn)品為光學(xué)透鏡和光波導(dǎo)纖維。梯度折射率透鏡中，徑向梯度折射率透鏡(GRIN)的折射率從透鏡中心到邊緣呈徑向變化，具有聚焦的能力；軸向折射率透鏡(AGRIN)的折射率沿光軸方向變化，以變化的折射率校正球像差，這類透鏡特別適用于激光系統(tǒng)，可獲得更好的近衍射極限的聚焦性能，耐受更高的光功率，并且不需要其他校正像差的光學(xué)元件。GRIN和AGRIN都可用來簡化復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)?，F(xiàn)在正廣泛應(yīng)用于成像、顯示、光通信等光學(xué)領(lǐng)域?？梢哉f，在新型的光通信領(lǐng)域，無處沒有梯度折射率材料的身影，例如光纖之間的連接、隔離、定向耦合，波分復(fù)用/解復(fù)等，都可采用自聚焦透鏡來完成。同時，光波導(dǎo)本身也是變折射率實(shí)體，如圖2所示。其中的梯度折射率多模光纖正是梯度折射率材料的典型應(yīng)用，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減小因模間色散引起的延遲，同時，它因為比階躍型光纖的光損耗小，而具有脈沖畸變小、頻帶寬、信息容量大等優(yōu)點(diǎn)［6］。劉就折射韋變牝光程圖2光纖結(jié)構(gòu)特征與光通過肓式的關(guān)系312梯度折射率器件的發(fā)展?fàn)顩r??梯度折射率光學(xué)材料的應(yīng)用研究是目前國際上相當(dāng)熱門的研究課題，有極其廣泛的用途，被認(rèn)為的確是世界性的商業(yè)需求。我們研制的各種徑向梯度折射率材料工藝已經(jīng)趨于成熟，在醫(yī)用內(nèi)窺鏡方面得到應(yīng)用。數(shù)值孔徑NA=0.46的透鏡在光通信方面有驚人的市場銷量。西安光機(jī)所早在上世紀(jì)70年代初就開始對梯度折射率材料進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究和開發(fā)，經(jīng)過幾十年的努力，該項目的研究取得重大進(jìn)展，先后研制出5種梯度折射率光學(xué)玻璃材料配方及其微透鏡系列。本世紀(jì)初，又成功地完成了徑向梯度折射率透鏡(又稱自聚焦透鏡)系列化產(chǎn)品的中試研發(fā)工作，為了加快推進(jìn)項目的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，2001年，西安光機(jī)所投資組建了國內(nèi)最大的自聚焦透鏡生產(chǎn)企業(yè)一一“飛秒光電科技(西安)有限公司”現(xiàn)該公司已成為自聚焦透鏡系列產(chǎn)品國內(nèi)最大的生產(chǎn)供應(yīng)商。梯度折射率透鏡在對梯度折射率玻璃材料進(jìn)行研究的同時，西安光機(jī)所還率先在國內(nèi)開展了光聚合物微透鏡及其陣列的研發(fā)，由于聚合物光學(xué)材料具有固有的高負(fù)熱光系數(shù)，塑性強(qiáng)、重量輕、易于制造、價格低廉、數(shù)值孔徑大、易于耦合等特點(diǎn)，對波導(dǎo)器件、集成光學(xué)和光生物傳感器件有很大的吸引力，因此，是一個具有廣泛應(yīng)用前景的開發(fā)研究領(lǐng)域。目前，西安光機(jī)所已成功研制出一套聚合物微透鏡微噴打印裝置。聚合物微透鏡陣列在“梯度折射率光學(xué)材料及微透鏡系列”項目的研究工作中，西安光機(jī)所先后取得5項發(fā)明專利及4項實(shí)用新型專利，具有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)。項目總體技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)，同時在推進(jìn)項目產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展工作中還取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。以消除像差為例，在傳統(tǒng)的光學(xué)工程中，人們使用的都是均勻的光學(xué)材料,在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時往往要依靠改變界面曲率、間隔、玻璃品種等結(jié)構(gòu)參數(shù)來校正像差。隨著對光學(xué)儀器的要求越來越高，不得不開發(fā)新的玻璃品種，增加光學(xué)系統(tǒng)的透鏡片數(shù)等等，同時也引起光學(xué)儀器體積、重量、成本和光能損失也大大增加。為此光學(xué)工程師絞盡腦汁來尋找一種既能簡化光學(xué)系統(tǒng),又能優(yōu)化像質(zhì)的新途徑。較常用的方法是使用面形的復(fù)雜化來增加校正像差的自由度,但這種方法不僅加工工藝和檢測方法復(fù)雜，而且不是對校正各種像差都有效。梯度折射率材料（光學(xué)玻璃、塑料、鋅硒化物等等）的出現(xiàn)，為光學(xué)工程設(shè)計師們提供了一條新的思路，即利用折射率的變化來校正像差。近年來梯度折射率光學(xué)得到的發(fā)展充分表明：一塊軸向梯度折射率平板可等效于一堆不同折射率均勻介質(zhì)板，沒有光焦度;一塊弱徑向梯度折射率平板可等效于一個難以加工、難以測試的非球面斯密特校正板；一個徑向梯度折射率棒可等效于一串中繼透鏡，，這在內(nèi)窺、潛望等光學(xué)系統(tǒng)中尤顯其長；一個軸向梯度折射率球面在校正像差方面可等效于普通透鏡的非球面作用［7］。3.2梯度折射率材料應(yīng)用的發(fā)展方向利用梯度折射率光學(xué)可減少光學(xué)系統(tǒng)組件，簡化加工工藝，為科技工程設(shè)計師們提供了一條使光學(xué)系統(tǒng)向微型化、輕型化、優(yōu)質(zhì)化、易裝配等方向發(fā)展的新途徑。今天，變折射率光學(xué)在光線追跡、制作方法、像差理論和透鏡設(shè)計方面已趨成熟，變折射率光學(xué)己成為一門新的學(xué)科，變折射率透鏡已成為一種極其重要的微小光學(xué)元件。利用變折射率光學(xué)元件，可以減少光學(xué)系統(tǒng)組件，簡化加工工藝，使光學(xué)系統(tǒng)向微型化、集成化、輕型化、易裝配化等方向發(fā)展。在光纖通信器件、望遠(yuǎn)鏡、小型照相機(jī)、顯微物鏡、內(nèi)窺鏡等成像光學(xué)系統(tǒng)，光纖傳感器、成像傳感器、機(jī)器人等傳感技術(shù)以及光盤讀頭、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、光計算等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。國際學(xué)術(shù)界也給予梯度折射率光學(xué)高度重視，美國《AppliedOptics》雜志已將其列為一個欄目，定期發(fā)表有關(guān)論文、交流信息，有力地推動了它的發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著科學(xué)的發(fā)展，梯度折射率光學(xué)必將扮演越來越重要的角色。3.3梯度折射率光學(xué)材料的應(yīng)用實(shí)例3.3.1口腔內(nèi)窺鏡作為微型成像系統(tǒng)，在設(shè)計上需要考慮盡可能地減小光學(xué)成像系統(tǒng)的體積，以便適應(yīng)口腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而如果上述光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)透鏡的片數(shù)太少，則無法清晰成像；反之，如果片數(shù)太多，則會明顯增大微型成像系統(tǒng)的外形尺寸，與實(shí)際使用場合要求相違背。梯度折射率透鏡應(yīng)用于此微型成像系統(tǒng)解決了均勻折射率透鏡成像系統(tǒng)的一些不足，提高了總體技術(shù)要求，改善了同類產(chǎn)品的性能。

?診療設(shè)備，它是集光學(xué)、光學(xué)材口腔內(nèi)窺鏡是近年來國際上最新開發(fā)的口丿?診療設(shè)備，它是集光學(xué)、光學(xué)材料與加工、微電子、數(shù)字成像系統(tǒng)等技術(shù)為一體的新型醫(yī)療設(shè)備。系統(tǒng)由梯度折射率透鏡(gradientrefractiveindexlens)、CCD光電轉(zhuǎn)換裝置、圖像控制單元、電子病歷等模塊組成。_ 頭對患處進(jìn)行攝像經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字電路處理后,清晰地將患處圖像顯示在屏幕上。病人可以通過屏了解自己患病部位的情況、

對自己的口腔疾病在治療前、治療中、治療后的全過程進(jìn)行了解，密切了醫(yī)患關(guān)

系。同時，該機(jī)還可以通過多媒體作網(wǎng)上遠(yuǎn)程會診，圖像資料存貯，在處理醫(yī)患

關(guān)系、醫(yī)療糾紛、教學(xué)科研等方面都具有較廣闊的應(yīng)用前景。口腔內(nèi)窺鏡它由高解析度的彳_ 頭對患處進(jìn)行攝像經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字電路處理后,清晰地將患處圖像顯示在屏幕上。病人可以通過屏了解自己患病部位的情況、

對自己的口腔疾病在治療前、治療中、治療后的全過程進(jìn)行了解，密切了醫(yī)患關(guān)

系。同時，該機(jī)還可以通過多媒體作網(wǎng)上遠(yuǎn)程會診，圖像資料存貯，在處理醫(yī)患

關(guān)系、醫(yī)療糾紛、教學(xué)科研等方面都具有較廣闊的應(yīng)用前景?？谇粌?nèi)窺鏡(intraoralcamerasystem)前端安裝有LED照明光源，醫(yī)生可以將攝像頭放入患者口腔內(nèi)，取患者的口腔情況，將組織顯示在顯示器上。由于需要觀察口腔內(nèi)部的情況，要求景深大，在30mm內(nèi)都能清楚地成像,而單片球面透鏡和非球面透鏡都不能實(shí)現(xiàn)這種功能。采用新型二次無源離子交換單片梯度折射率成像透鏡，既滿足了景深的要求，同時又減小了漸暈，改善了畸變。3?3?2管道內(nèi)窺鏡管道內(nèi)窺鏡憑借其體積小、結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種管道設(shè)備的生產(chǎn)、檢測及日常檢測和維護(hù)中。它作為一種無損檢測設(shè)備，有效延長了人眼的視距，突破了人眼觀察的死角，可以準(zhǔn)確、清晰地觀察管道設(shè)備內(nèi)部或零件內(nèi)表面的情況，如磨破損、表面裂紋等，避免了不必要的設(shè)備拆卸以及零部件損傷,具有操作方便，檢查效率高，結(jié)果客觀準(zhǔn)確的優(yōu)勢，是管道設(shè)備檢測的一個有力工具。高質(zhì)量的管道內(nèi)窺鏡既需要大的放大倍率，又需要大的景深。因此，放大倍率與景深的矛盾成為制約管道內(nèi)窺鏡性能的瓶頸。利用梯度折射率透鏡介質(zhì)折射率漸變的特點(diǎn)，將其與顯微物鏡相結(jié)合,設(shè)計了其像面彎曲近似球面、大景深的管道內(nèi)窺鏡。管道內(nèi)窺鏡如圖2,檢測被測管道時，被照明的檢測表面先經(jīng)徑向梯度折射率透鏡成像，經(jīng)反射鏡轉(zhuǎn)向后，再用顯微物鏡將其放大，最后通過場鏡和轉(zhuǎn)像透鏡成像并由CCD接收，最終通過監(jiān)視器觀察檢測結(jié)果。

圖2管道內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)Fig.2Layoutofthepipelineendoscope3.3.3自聚焦透鏡的光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)自聚焦透鏡的折射率沿徑向呈梯度變化，因而與傳統(tǒng)的具有均勻折射率分布的普通透鏡不同，光線在自聚焦透鏡內(nèi)的傳播軌跡為曲線，且呈周期變化。在光纖數(shù)字全息光路中引入自聚焦透鏡，利用其特有的成像特性，作為物光波的中繼傳輸器件，構(gòu)成一套緊湊型光纖數(shù)字無透鏡傅里葉變換全息記錄系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對微小物體的全息記錄與數(shù)值再現(xiàn)。研究結(jié)果表明，結(jié)合自聚焦透鏡和光纖數(shù)字全息術(shù)的特點(diǎn)，不僅可使光學(xué)測試系統(tǒng)緊湊、微型化，而且還可以對一些特殊環(huán)境、光線難以直接到達(dá)的隱藏區(qū)域或封閉系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行測量。自聚焦透鏡與傳統(tǒng)的球面透鏡相比，除了具有重量輕、體積小的特點(diǎn)外，還能較好地校正像差，且易于與光纖耦合及連接等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于光纖傳感系統(tǒng)中，用以測量位移、振動、內(nèi)外三維曲面和微觀形貌等。同樣，將自聚焦透鏡運(yùn)用到光纖數(shù)字全息光路中作為物光復(fù)振幅的中繼傳輸器件，不僅可使光學(xué)系統(tǒng)小型化，而且還可以利用其特有的結(jié)構(gòu)特性對一些光線難以到達(dá)的隱藏區(qū)域進(jìn)行近距離成像，從而可實(shí)現(xiàn)對物體的隱蔽區(qū)域或封閉系統(tǒng)內(nèi)部全息圖的數(shù)字記錄。

X八? Z >光線在自聚焦透鏡中的傳播(a) (b)自聚焦透鏡對字母和螺釘成像后的全息再現(xiàn)結(jié)果3.3.4軸向梯度折射率TFCCD監(jiān)視鏡頭現(xiàn)在安全監(jiān)控儀器使用非常廣泛，比如政府大樓、銀行柜臺和自動取款間、學(xué)校大門和重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)、道路交通違章和