[发明专利]具有立方晶体结构的无源电光陶瓷、它们的制造工艺及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及电光陶瓷(optoceramics)，它们的生产工艺及其应用。本发明还涉及由这些电光陶瓷制造的折射、透射或衍射光学元件以及成像光学元件。这些电光陶瓷和光学元件可以透过可见光和/或红外辐射。电光陶瓷由晶体网络组成，即它们构成了由大量单个晶体组成的多晶材料。

背景技术

本发明的电光陶瓷是基本上单相的、多晶的和基于氧化物或其他硫族元素化物的高度透明的材料。电光陶瓷是陶瓷的一个亚类。在本文中，“单相”意味着超过95wt％的材料、优选至少97wt％、更优选至少99wt％、最优选99.5到99.9wt％的材料，以目标组合物(靶组合物)的晶体形式存在。个体晶体致密排列，具有相对于它们的理论密度至少99％、优选至少99.9％、更优选至少99.99％的密度。因此，电光陶瓷几乎不含孔隙。

在成像光学元件中的应用是指本发明的电光陶瓷以在光的入口和/或出口位置处具有弯曲表面的形状使用，即它们优选具有透镜的形状。

电光陶瓷与玻璃陶瓷的区别在于，玻璃陶瓷含有仅次于晶体相的高比例的无定形玻璃相。

类似地，电光陶瓷与常规陶瓷之间的区别是电光陶瓷的高的密度，这在常规陶瓷中不能获得。

玻璃陶瓷和常规陶瓷都不具有电光陶瓷的有利性质，例如折射率、阿贝数、相对部分色散值，尤其是在可见和/或红外光谱范围内的有利的高透光度。

本发明的电光陶瓷的透明度足以适用于光学应用。优选情况下，电光陶瓷在可见光谱范围内或红外光谱范围内是透明的。更优选情况下，它们在可见以及红外光谱范围内是透明的。

在本发明的上下文中，“在可见光谱范围中的透明性”表示在380nm到800nm之间、宽度为至少200nm的范围内，例如在400nm到600nm的范围内，在450nm到750nm的范围内或优选在600到800nm的范围内，在层厚度为2mm时，优选甚至在层厚度为3mm时，特别优选在层厚度为5mm时，内部透射比高于70％，优选高于80％，更优选高于90％，特别优选高于95％。

上面给出的内部透射比的百分率涉及使用由相应电光陶瓷构成的材料在理论上能获得的最大内部透射比。通过测量由同样材料制成的单晶体的内部透射比来确定使用某种材料理论上能获得的最大内部透射比。因此，内部透射比的百分率可表示在多晶材料中晶粒边界处的反射和散射损耗，而在相邻大气和材料之间的相边界处的吸收和反射被忽略。

在本发明的上下文中，“在红外光谱范围中的透明性”表示在800nm到5000nm之间、宽度为至少1000nm的范围内，例如在1000nm到2000nm的范围内，在1500nm到2500nm的范围内或更优选在3000到4000nm的范围内，在层厚度为2mm时，优选甚至在层厚度为3mm时，特别优选在层厚度为5mm时，内部透射比高于70％，优选＞80％，更优选＞90％，特别优选＞95％。

理想情况下，在层厚度为3mm时，在5000nm到8000nm之间的超过200nm的波长范围内，材料的透射(包括反射损耗)超过20％。

可以从本文描述的电光陶瓷获得的光学元件特别适合用于成像光学元件，例如具有降低的色差、特别是具有几乎复消色差的成像性质的物镜。从本发明的电光陶瓷制造的光学元件，可以在透镜系统中与玻璃透镜以及其他陶瓷透镜结合使用，特别也用于数字相机中，用于显微术、缩微平版印刷术、光数据存储或其他应用领域中。

成像光学元件开发中的主要目标是足够的光学质量，同时保持光学系统紧凑以及优选轻的结构。特别是对于电子装置例如数字相机中的数字图像捕获应用、移动电话中的物镜等来说，光学成像系统必须非常小而轻。换句话说，成像透镜的总数必须保持尽可能低。

在显微术领域中，对于目镜以及物镜来说，需要接近衍射限制的成像光学元件。

对于军事防御部门来说，需要透明光学系统，它优选在可见波长区间(380到800nm)以及在高达8000nm、理想情况下高达10000nm的红外区间，显示出高的透光度。此外，这些光学系统必须可以耐受外部攻击，例如机械影响如碰撞，温度、温度的变化、压力等。

对于许多其他技术例如数字投影和其他显示技术来说，需要高度透明的材料。但是在主要为单色的应用例如光存储技术中，也可以通过使用具有高折射率的材料来实现紧凑的系统。