嵌入式光学系统的制造方法技术方案

提供了一种具有嵌入式元件的固态光学系统的制造方法。所述嵌入式元件可包括无机、聚合体或者混合透镜、镜子、分束器与偏振器、或其它元件。嵌入材料是透明的高品质的光学聚合体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
制造诸如头戴式显示器的光学系统经常需要组装多个光学部件。例如，见美国专利公开文献No.6538624；No.6462882；No.6147807。一些光学系统结构包括光学部件之间的空气间隙。这造成了需要一种壳体，以将各元件保持机械对正，以及一种方法，保护各部件的内侧表面免受灰尘、油以及其它污染物的影响。其它光学系统允许通过一些其它介质填充间隙。例如，通过将反射元件、衍射元件、偏振元件或其它光学元件嵌入到透光固体介质中而建立这些系统。例如，见美国专利公开文献No.5886822、No.6091546、以及No.6384982。该方法的一个优点是所得到的系统是单固态部件。各元件的相对位置被永久固定，并且没有暴露的表面以受到灰尘或冷凝物的污染。实际上，实际制造嵌入式光学系统非常困难。必须考虑到嵌入式光学部件与嵌入介质之间的热膨胀系数的差别、嵌入式光学部件与嵌入介质之间的连接强度、最终产品的双折射与变形、时效处理等。最常用的嵌入介质是聚合体化合物。然而，这些化合物具有多个严重的缺点。严重关注的是在聚合与交联步骤的过程中液态单体或预聚合体的收缩。这可造成光学变形，并且改变嵌入式部件的相对位置。另外，在嵌入式部件的表面上开始的聚合可导致硬化聚合体中的优选的分子定向。这可导致成品部件中的双折射。优选地，出于制造头戴式显示器系统的目的，固化的嵌入材-->料必须具有与用于制造眼镜片(ophthalmic lenses)的材料类似的物理和光学特性。该材料必须具有可见光谱中的高透明度(透射至少85％)；避免色差的高阿贝(Abbe)数；通过FDA落球测试的良好的冲击强度；低色指数或黄度指数；良好的抗静态应力与抗划伤、以及低吸水级别。目前被用于眼镜片制造的最常见的光学聚合体是烯丙基二甘醇碳酸盐(diethylene glycol bis(allylcarbonate))，其也称为CR-39。该材料在固化后具有13至16％的收缩率，使得其不适合用于嵌入式系统。用于镜片浇铸(lenscasting)的其它商业可购的聚合体具有至少6％的收缩率，这对于嵌入式系统的制造而言也过大。具有多种方法，以减小光学聚合体中固化时的收缩率。例如，Herold等人在美国专利公开文献No.5952441中提出，在浇铸嵌入式系统之前，局部预聚合烯化不饱和化合物(ethylenicallyunsaturated compound)，以最小化最终固化过程中的收缩率。预聚合工艺并不容易控制，并且在已经实现了期望程度的聚合时，聚合也不完全停止。同样，由于需要低粘度的预聚合体材料，所以固化后的聚合体仍可具有显著的收缩率。由Soane在美国专利公开文献No.5114632中提出的另一种方法是，在固化处理的过程中，将液态材料连续供应到模具中，以补偿收缩。尽管，有可能通过该方法避免机械应力，但是这也将造成装置的本体内聚合体的分子量的变化，这将导致光学指数改变以及图像变形。Soane和Huston在美国专利公开文献No.6380314中提出了一种方法，通过活性增塑剂近净成形浇铸(near-net shape casting)到缠结的死聚合体(entangled dead polymer)中。在该方法中，固态完全聚合的材料溶解在用于嵌入光学部件的可聚合的化合物-->或成分中，因而减少了随后固化过程中收缩量。然而，在这种情况中，可固化的混合物是半固态的，并且不可被用于诸如头戴式显示器的嵌入式光学系统中。
技术实现思路
本专利技术涉及制作用于头戴式显示器的光学系统的方法，其中所述光学系统包括嵌入透明聚合、液体或凝胶基体中的无机光学部件或聚合体光学部件，例如板、镜子、或透镜(图1、2)。本专利技术还涉及眼镜片或其它嵌入式光学系统的大概的制造方法，其中所述光学系统包括但不限于嵌入透明聚合、液体或凝胶基体中的透镜、镜子、分束器和偏振器(图3)，其中，封装材料也位于光路中。其它光学元件也可嵌入，以解决特定的问题。这些元件可包括但不限于衍射元件、可换向的镜子以及电致变色或光致变色膜以及元件、通过折射率之差所形成的元件和波导、光纤束、以及基于全内反射现象的元件。产生嵌入式光学系统的各步骤包括清洁并预处理(可选)光学元件；在封装、模具组装之前定位光学元件；成型或封装处理；溢流浇铸(可选)；表面精修或抛光(可选)；以及表面涂覆(可选)(图4)。附图说明结合附图，通过以下的详细说明，将更加全面清楚本专利技术，其中：图1是包括根据本专利技术的嵌入式光学元件的、直视的安装在嵌入式眼镜架上的显示器的前视图；图2是包括根据本专利技术的嵌入式光学元件的、环视的安装在-->嵌入式眼镜架上的显示器的前视图；图3是折射率匹配凝胶或液体填充系统的剖视图；图4是嵌入式光学系统的制造工艺的流程图；图5是具有真空支承的棱镜元件结构的侧视图；图6A是是安置在支承夹具中的板元件直视系统的侧视图；图6B是安置在模板中的板元件直视系统的侧视图；图7A是安置在支承夹具中的板元件环视系统的侧视图；图7B是安置在模板中的板元件环视系统的侧视图；图8是安置在模板中的预切口或预成型口中的环视元件的剖视图；图9是安置在镜片基部中的预切口或预成型口中的环视元件的剖视图；图10是从镜片基部中取出的插入件的剖视图；图11是具有定位的光学元件的组装的模具的剖视图；图12是用于包覆成型的固化的镜片结构的剖视图；图13是具有嵌入式光学元件和眼校正元件的镜片的剖视图；并且图14是在分层成型加工的过程中的模具结构的剖视图。具体实施方式图1示出了一副眼镜10，所述眼镜10具有保持在眼镜框14中的两个眼镜片12。在一个镜片中，嵌入光学元件或部件16，以接收来自显示器18的图像，并且把该图像传输至使用者的眼镜。-->图1示出了直视(see-through)系统，其中佩戴者还可通过光学元件观看环境场景。图2与图1类似，但是示出了环视(see-around)系统，其中嵌入式光学元件14′阻挡来自环境现场的光的一部分，并且在光学元件周围可看见环境现场。例如可以是透镜、镜子、分束器以及偏光器的光学元件是以本领域公知的任何方式被单独地形成。各元件然后如下所述嵌入镜片中。为了避免嵌入式光学部件上的污染，必须在嵌入处理之前清洁待嵌入的光学元件。见图4中的步骤1。清洁可以以本领域所...

【技术保护点】
一种具有嵌入式光学元件的固态光学系统的制造方法，包括以下步骤：提供具有型腔的模具组件；将一个或多个光学元件连接至所述型腔的壁，所述光学元件包括无机材料、聚合体、或者混合无机聚合材料；将光学聚合浇铸化合物引入所述型腔中 ；并且固化所述浇铸化合物，以形成光学部件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-2-25 11/065,8471.一种具有嵌入式光学元件的固态光学系统的制造方法，包
括以下步骤：
提供具有型腔的模具组件；
将一个或多个光学元件连接至所述型腔的壁，所述光学元件
包括无机材料、聚合体、或者混合无机聚合材料；
将光学聚合浇铸化合物引入所述型腔中；并且
固化所述浇铸化合物，以形成光学部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具组件
包括基板；罩板；以及位于所述基板与所述罩板之间的间隔元件，
其中开口设置在所述间隔元件中，以允许填充所述型腔。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基板包括
平坦的板或成形的板。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述罩板包括
平坦的板或成形的板。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述间隔元件
包括环形元件。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述间隔元件
具有楔形形状。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多
个光学元件连接至所述基板，而所述基板、所述间隔元件与所述
罩板组装，以形成所述型腔。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多
个光学元件利用光胶连接至所述基板。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多
个光学元件利用与所述光学聚合浇铸化合物相同的材料连接至所
述基板。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或
多个光学元件利用真空的方式连接至所述基板。
11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述基板
中包括凹部，所述一个或多个光学元件通过插入所述基板的凹部
中而连接至所述基板。
12.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或
多个光学元件利用可拆卸的机械夹具连接至所述基板。
13.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，一个或多个
附加的光学元件连接至所述罩板。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在组装所述
模具组件的过程中，所述基板与所述罩板对正，以将所述一个或
多个光学元件与所述一个或多个附加的光学元件光学对正。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或
多个光学元件的位置被调整，以获得所述表面的确定的光学性能。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或
多个光学元件的位置被调整，以补偿在成型或固化过程中的收缩。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述引入
步骤中，所述光学聚合浇铸化合物包括液体或凝胶。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或
多个光学元件包括透镜、镜子、分束器或者偏振器。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或
多个光学元件与所述光学聚合浇铸化合物被选择成，具有所述光
学化合物中的匹配折射率。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述匹配折
射率是在0.1内。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述匹配折
射率是在0.05内。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述匹配折
射率是在0.01内。
23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或
多个光学元件与所述光学聚合浇铸化合物被选择成具有匹配光色
散率。
24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚
合浇铸化合物被选择成具有低结晶度。
25.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚
合浇铸化合物被选择成提供低重折率。
26.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚
合浇铸化合物被选择成具有低收缩率。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述光学聚
合浇铸化合物具有小于6.0％的固化收缩率。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述光学聚
合浇铸化合物具有小于4.0％的固化收缩率。
29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述光学聚
合浇铸化合物具有小于1.5％的固化收缩率。
30.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚
合浇铸化合物被选择成具有低级别的分子定向。
31.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：E吉勒，NM伦辛，PM扎夫兰斯基，
申请(专利权)人：美宇公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]