本组发明涉及光学领域，并且具体而言涉及能够全景式扩展视场(field ofview)的基于光学复合材料的可穿戴光学装置，以及制备用于此类装置的光学复合材料的方法。
背景技术：
1、已知现有技术的透镜从具有径向球形折射率梯度的光学材料制备，例如luneberg透镜(参见luneburg r.к.，《光学的数学理论》(mathematical theory of optics)，berkeley,ca:university of california press,1964；roman ilinsky，无球面像差的梯度折射率弯月形透镜(gradient-index menisсus lens free of sphericalaberration)，journal of optics a:pure and applied optics，第2卷，第5期，2000年9月，第449-451页)。此外，此类透镜可以使用具有轴向或径向折射率梯度的光学材料制备。这种类型的透镜的主要优点是光焦度增加、像差减少和宽视场。
2、人眼是自然界中梯度光学最明显的实例，其透镜折射率从透镜中心层的约1.406到透镜较低密度层的1.386(参见hecht，eugene；alfred，(1987)，《光学》(optics)(第2版)，reading,ma:addison-wesley.178)。这使得人眼能够在短距离和长距离处均获得具有良好分辨率和低像差的图像(shirk j s,sandrock m,scribner d,fleet e,stromanr,baer e,hilter a，(2006)，nrl review pp.53–61)。同时，人眼的视场最高达120度，而清晰视觉的视场(人眼可以识别符号的角度范围)大约为在垂直方向上30度和在水平方向上40度(bernard c.kress，《增强现实、虚拟现实和混合现实头戴式耳机的光学架构》(optical architectures for augmented-,virtual-,and mixed-reality headsets)，spie press,2020)。
3、已知有各种现有技术方法可以制备具有折射率梯度的光学材料，例如溶胶-凝胶法(参见2014年7月1日公布的专利us8763430b2，cl.c03b19/12)。此外，具有折射率梯度的玻璃可以使用中子辐照、化学气相沉积、离子交换、离子注入、晶体生长、玻璃层重叠等制备。制备具有折射率梯度的光学材料的主要问题在于方法的技术复杂性，以及梯度范围受到所用材料的潜在折射率的限制。
4、现有技术公开了一种制备具有折射率梯度的光学材料的方法，其中该方法包括使用组分在玻璃、塑料或适用于产生径向和圆柱形折射率梯度的其他适合的光学材料的坯料中的受控扩散方法(参见1993年11月16日公布的申请us5262896α，分类号(cl.)g02b3/00)。所述现有技术方法的缺点是将圆柱形透镜研磨和抛光到所需精度需要耗费劳动力，并且由于扩散定律的限制而造成折射率梯度值低(约0.01-0.03)。此外，所获得的材料在可见光谱范围内的透射率不超过50％，而视场不超过25-35度。
5、现有技术公开了一种制备具有折射率梯度的透镜的方法，其中所述方法包括将经历扩散的两种不同单体共聚(参见wu,s.p.,nihei,e.,koike,y.，大径向折射率分级聚合物(large radial graded-index polymer)，appl.opt.35(1),28,1996)。不完全扩散产生组成梯度，从而在整个材料上产生折射率梯度，同时可以使用两种不同的单体，并用杂质掺杂所述聚合物。所述现有技术方法的主要缺点是由于扩散定律的限制而造成折射率梯度值低(约0.01-0.03)，以及由于掺杂杂质的迁移而造成所制备的材料的寿命短。此外，在可见光谱范围内的透射率不超过60％，而视场不超过25-35度。
6、现有技术公开了一种从具有折射率梯度的光学材料制备接触透镜(contactlens)或人工晶状体的方法，所述光学材料通过将主聚合物在中心部分中聚合，然后将具有较低折射率的聚合物扩散到所述主聚合物中以产生高达0.4的梯度而产生(参见2010年12月28日公布的专利us7857848b2，cl.g02b1/04)。所述现有技术方法的缺点在于所获得的透镜的中间视力差、透射率低(低于50％)、视觉伪影：光晕、耗散和眩光、缺乏调节以及视场有限(最大187度)。
7、现有技术公开了一种制备具有折射率梯度的材料的方法，特别是以大片材的形式，其中所述方法包括从各自具有自身的折射率的一组有序的聚合物薄膜(不混溶、混溶或部分混溶的聚合物)制备层级多层聚合物复合材料，然后形成所述多层聚合物复合材料片材(参见2006年2月21日公布的专利us7002754b2，cl.g02b3/00)。所述现有技术方法可以在任何轴向、径向或径向球形方向上产生0.01至1.0范围内的连续、离散或阶梯式折射率梯度。此外，可以实现折射率梯度的动态可逆变化，这使得可以改变由所述材料制成的透镜的焦距。所述现有技术方法的缺点是制备的复杂性，包括需要使用热塑性聚合物，以及不可能制备出折射率梯度高于1.0、在可见光谱范围内的透射率高于50％的材料，同时实现的视场不超过273度。
8、就技术实质而言，与所建议的发明最接近的是一种可穿戴光学装置，其包含由至少两层具有纳米粒子的光学透明聚合物组成的复合材料，其中所述层具有不同的折射率(参见2022年5月10日公布的专利us11327438b2，cl.g02b 5/08，g03h1/04)。所述文件公开了一种制备光学复合材料的方法，包括下述步骤：制备所述纳米粒子，将所述纳米粒子分布在所述聚合物上，从所述具有纳米粒子的光学透明聚合物形成具有不同折射率的层，形成多层坯料，以及将所述光学复合材料黏合在一起。所述现有技术装置和方法的主要缺点是使用聚合物纳米粒子，这导致形成相对低的折射率梯度(约0.2)，并且不允许获得足够宽的视场。
9、技术问题是消除所述缺点。
技术实现思路
1、关于装置，技术效果在于增强其功能，特别是将视场扩展最高达到超过人眼生理能力的水平。关于装置，通过含有复合材料的可穿戴光学装置，所述问题已经得到解决，并且所述技术效果已经实现，所述复合材料包含至少两个具有纳米粒子的光学透明聚合物层，其中所述层具有不同的折射率，所述纳米粒子由折射率高于2.8的高折射材料制成，并且所述层的折射率之差包括不小于0.3。所采用的高折射材料可以是zno、tio2或zns。所采用的高折射材料也可以是由通过范德华力黏合在一起的二维层组成的范德华材料，例如但不限于过渡金属二硫族化物、六方氮化硼、石墨、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或zrte3。所述聚合物优选地具有1.3至1.8范围内的折射率，并且具体而言，所述聚合物表示为聚乙烯醇、甲基丙烯酸羟乙酯、聚二甲基硅氧烷、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚碳酸酯或聚醚酰亚胺。由于一层中的纳米粒子尺寸大于另一层中的纳米粒子尺寸或由于一层中的纳米粒子浓度高于另一层中的纳米粒子浓度，所述层可以具有不同的折射率。所述具有纳米粒子的聚合物层优选地以这些层的折射率从所述光学复合材料的一部分向另一部分增加以形成折射率梯度的方式堆叠。所述层可以以球形元件的形式制备，并堆叠以产生径向球形折射率梯度，而所述可穿戴光学装置本身以接触透镜的形式实现。
2、关于方法，技术效果在于更容易地制备所述具有高折射率梯度的光学复合材料。关于方法，通过制备所述光学复合材料的方法，所述问题已经得到解决，并且所述技术效果已经实现，所述方法包括下述步骤：(i)制备所述纳米粒子，(ii)将所述纳米粒子分布在所述聚合物上，(iii)形成至少两个具有纳米粒子的光学透明聚合物层，其中所述层具有不同的折射率，从所述在步骤(iii)中获得的层构建所述光学复合材料，其中在步骤(i)中，所述纳米粒子使用液相飞秒激光片段化或烧蚀的方法由折射率高于2.8的高折射材料制备，在步骤(ii)中，通过混合使得至少两个所述层的折射率之差包括不小于0.3，将所述纳米粒子分布在所述聚合物上，在步骤(iii)中，使用离心方法在基材上形成所述具有纳米粒子的聚合物层并使其聚合，在步骤(iv)中，通过使用液体转移法叠加所述在步骤(iii)中制备的层来形成所述光学复合材料。在步骤(ii)中，对于不同的层，将所述纳米粒子以不同的浓度或不同的尺寸混合。在步骤(iv)中，将所述在步骤(iii)中制备的具有不同浓度的纳米粒子的聚合物层优选地以使所述层中纳米粒子的浓度从所述光学复合材料的一部分向另一部分增加的方式堆叠。在步骤(iv)中，所述光学复合材料可以在具有球形内表面的夹具中形成。所述在步骤(i)中用于激光片段化或烧蚀的液体以及在步骤(iv)中用于转移所述层的液体优选为水、醇或丙酮。
1.一种含有光学复合材料的可穿戴光学装置，所述光学复合材料包含至少两个具有纳米粒子的光学透明的聚合物层，其中所述层具有不同的折射率，其特征在于所述纳米粒子由折射率高于2.8的高折射材料制成，并且所述层的折射率之差包括不小于0.3，并且所述高折射材料是由通过范德华力黏合在一起的二维层组成的范德华材料。
2.根据权利要求1所述的可穿戴光学装置，其特征在于所述范德华材料是过渡金属二硫族化物。
3.根据权利要求1所述的可穿戴光学装置，其特征在于所述范德华材料是六方氮化硼、石墨、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或zrte3。
4.根据权利要求1所述的可穿戴光学装置，其特征在于所述聚合物的折射率在1.3至1.8的范围内。
5.根据权利要求4所述的可穿戴光学装置，其特征在于所述聚合物是聚乙烯醇、甲基丙烯酸羟乙酯、聚二甲基硅氧烷、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚碳酸酯或聚醚酰亚胺。
6.根据权利要求1所述的可穿戴光学装置，其特征在于由于一层中的纳米粒子尺寸大于另一层中的纳米粒子尺寸，所述层具有不同的折射率。
7.根据权利要求1所述的可穿戴光学装置，其特征在于由于一层中的纳米粒子浓度高于另一层中的纳米粒子浓度，所述层具有不同的折射率。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的可穿戴光学装置，其特征在于所述具有纳米粒子的聚合物层以这些层的折射率从所述光学复合材料的一部分向另一部分增加以形成折射率梯度的方式堆叠。
9.根据权利要求8所述的可穿戴光学装置，其特征在于所述层以球形元件的形式制备，并堆叠以产生径向球形折射率梯度。
10.根据权利要求9所述的可穿戴光学装置，其特征在于它作为接触透镜使用。
11.一种制备光学复合材料的方法，所述方法包括下述步骤：
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在步骤(ii)中，对于不同的层，将所述纳米粒子以不同的浓度混合。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在步骤(ii)中，对于不同的层，将所述纳米粒子以不同的尺寸混合。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在步骤(iv)中，将所述在步骤(iii)中制备的具有不同浓度的纳米粒子的聚合物层以使所述层中纳米粒子的浓度从所述光学复合材料的一部分向另一部分增加的方式堆叠。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在步骤(iv)中，所述光学复合材料在具有球形内表面的夹具中形成。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在步骤(i)中用于激光片段化或烧蚀的液体是水、醇或丙酮。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在步骤(iv)中用于转移所述层的液体是水、醇或丙酮。
