CN102246070B - 光学上平滑光导的制作 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了与光导的制造有关的实施例。所揭示的一个实施例包括通过压模压制热塑性聚合物以形成压出品，将压出品加工成一个或多个固定尺寸，以及保持压出品的一个面与加热模塑表面接触以在向压出品施加压力的同时软化或熔化压出品的该面。

Description

光学上平滑光导的制作
背景
显示设备可包括将图像传送到显示表面、将图像聚焦在检测器上，或执行两者的光导。对于某些应用，光导可以是楔形的，在一个或多个可见波长范围、紫外波长范围和/或红外波长范围中透明，以及包括至少一对相对面。光可通过内反射从相对面传播通过光导，并从至少一个面以准直图像出现。
显示设备提供的图像的质量可取决于发生内反射的光导的相对面的粗糙度。对于某些应用，对于优质图像质量来说，±2纳米或更少的平均粗糙度可能是合乎需要的。取决于应用，也可在光导中提供某些光学特征(例如菲涅耳透镜特征)。对于这些特征来说高度的平滑度和尺寸保真度也可能是合乎需要的，且可使用专门的光学材料和/或复杂的蚀刻和抛光工艺来实现。然而，使用这些材料和工艺制造的光导对于许多应用来说太过昂贵。
概述
因此，在一个实施例中，提供了一种制作光导的方法。该方法包括通过压模压制热塑性聚合物以形成压出品，将压出品加工成一个或多个固定尺寸，以及保持压出品的一个面与加热的模塑表面接触以在向压出品施加压力的同时软化或熔化压出品的该面。
应该理解，提供以上概述以通过简化形式介绍以下详细描述中进一步描述的一些概念。这并不旨在标识所要求保护主题的关键或必要特征，所要求保护主题的范围由详细描述所附的权利要求书来定义。此外，所要求保护的主题不限于解决在上述或本发明的任一部分中提及的任何缺点的实现。
附图简述
图1示出根据本发明的用于制作光导的方法的示例实施例。
图2示出根据本发明的用于制作光导的挤压模的示例实施例。
图3示出根据本发明的从中制作光导的经切割的压出品的示例实施例。
图4示出根据本发明的从中制作光导的经精制的压出品的示例实施例。
图5示出根据本发明的来自从中制作光导的经精制的压出品的示例实施例的镶边。
图6示出根据本发明的用于制作光导的表面层压缩成型装置的示例实施例。
详细描述
图1示出用于制作光导的示例方法10。该方法开始于12处，其中通过挤压模对熔融的热塑性聚合物或其他热塑性材料进行冲压。热塑性聚合物可包括例如聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚酰胺、和/或聚碳酸脂。在某些实施例中，热塑性聚合物可包括这些聚合物中的两种或更多种的混合。为了在一个或多个可见波长范围、紫外波长范围和/或红外波长范围中透明，可选择热塑性材料。在光导仅被用于显示和/或收集光学图像的实施例中，在可见光范围上透明就可足够了。然而，某些光导也可被配置成透射和/或收集红外或紫外光用于对象检测。在这些实施例中，也可为了在各种红外和/或紫外范围中的透明性来选择热塑性聚合物。
图2示出示例性挤压模14的截面，可通过该挤压模冲压熔融的热塑性聚合物。该截面是四边形的，具有附图中所示的示例尺寸。通过该形状的压模冲压熔融的热塑性聚合物产生基本上是楔形的压出品，该压出品具有一对相对的几乎平行的面以及四边形截面。在其他实施例中，压模可以不同地成形，从而提供不同成形的压出品。例如，挤压模可以是矩形的，并产生薄片状(即矩形棱)压出品。可以理解，压出品形状的这些具体的示例是出于示例的目的而提出的，而不旨在以任何方式进行限制。
返回图1，方法10继续到16，其中将冷却的压出品切割成一个或多个固定尺寸，包括但不限于固定宽度。可使用锯或磨来切割压出品。图3示出了示例性的经切割的压出品18，它被切割刀固定宽度，图中示出了其示例。在其他实施例中，该固定宽度可以是光导的任何所需的宽度，并可基于其中要安装光导的显示设备的尺寸来选择。
再次返回图1，方法10继续到20，其中经切割的压出品被精制成合适的形状和合适的尺寸，供进一步处理。在某些实施例中，该合适的形状可类似于所希望的光导的最终形状，该合适的尺寸可与所希望的最终尺寸相同或稍大。作为示例，精制压出品可包括加工、切割、研磨、蚀刻和/或抛光。蚀刻可包括湿法或干法机械蚀刻(如砂纸打磨或锉磨)和/或化学蚀刻。借助于掩模(如光掩模)可进行任何蚀刻处理，以可控的方式来改变蚀刻深度，以引入表面特征等。
在20处精制压出品还可包括修改压出品的截面。因此，在某些实施例中，处理步骤12可导致具有与最终光导的截面形状匹配的截面形状的压出品，而在其他实施例中，在精制前，压出品可具有矩形、薄片状形状，且在20处被精制成具有与最终光导的截面形状匹配的截面形状。
图4示出可以上述方式从经切割的压出品18形成的经精制的压出品22。经精制的压出品包括相对面24和26、薄侧28以及相对于薄侧的厚侧30。在该示例中，在厚侧研磨经精制的压出品，以限定以锐角中心角包围的柱面部分。如此限定的部分的曲率半径可基于其中要安装光导的显示设备的配置来确定。
在某些实施例中，光导的一侧或多侧(例如薄侧28、厚侧30)可充当透镜，其中曲率半径限定了透镜的焦距。具体来说，光导的一侧或多侧可被配置成使来自光导外部的点光源(例如投影仪)的光准直，或将经准直的光从光导聚焦到外部检测器上。从而，该侧中形成的任何部分的曲率半径可取决于相对于光导的图像源的位置或检测器的位置。在图4所示的示例中，经精制的压出品22的厚侧30的合适的曲率半径可以是631毫米。
在一个实施例中，厚侧30的详细截面图示于图5。附图示出基本平面状刻面32的阵列沿经精制的压出品22的厚侧水平延伸。这些刻面可被构造成在经精制的压出品的厚侧形成菲涅耳透镜。在一个非限制性示例中，可在压出品的厚侧中形成27个刻面，形成间隔大约840微米并从厚侧的上边缘或下边缘延伸约80微米的一系列水平的脊。在其他实施例中，压出品的厚侧可具有任何其他合适的形状和/或型面。
此位置处形成的菲涅耳透镜可在其中要安装光导的显示设备中提供各种功能—使从例如投影仪传递到光导中的聚焦图像准直，或将准直的图像从光导聚焦到检测器上。在其他实施例中，基本平面状的刻面的阵列可被设置在经精制的压出品的任一侧上。
从投影仪传送通过光导或通过光导传送到检测器的光线可经历光导内的众多内反射，包括从相对面24和26的反射。为了光线以所希望的高保真度且没有过度损耗地传送图像，可将相对面形成为高度平坦和平滑的。在某些实施例中，平均10纳米的粗糙度可能是合乎需要的，在其他实施例中，平均2纳米的粗糙度可能是合乎需要的。
热塑性聚合物的压挤成型本身并能提供相对面24和26充分平台和平滑的光导。这是因为某些材料的冷却时发生的压出的聚合物中可能不可避免的收缩，以及压模中的不规则性造成的划痕。对于从单体制备的铸型用聚合物来说，收缩可能甚至是更大的问题。在某些情况下，注入成型可提供可接受的结果，但是对于相对较厚的整料来说可证明是花费高的，因为需要长冷却时间来凝固。
因此，方法10继续到图1中的34和后续步骤，其中经精制的压出品22受到进一步处理。在34，经精制的压出品被置于压缩塑模中。
图6示出了示例性表面层压缩成型装置36的截面，其中经精制的压出品通过压盘38在至少四个侧面受到限制。附图中所示的压盘向经精制的压出品提供了平滑的模塑表面40且包围了一空间以容纳经精制的压出品，该空间和挤压模14的四边形开口具有基本共同的一个或多个尺寸。
在某些实施例中，模塑表面40可包括本来就平滑的材料：例如云母或浮法玻璃。在其他实施例中，模塑表面可从被设置成与本来就平滑的材料接触的热固性材料来塑造。以此方式，提供给经精制的压出品的模塑表面可具有小于10纳米的平均粗糙度，且在某些实施例中，小于2纳米。在某些实施例中，提供给经精制的压出品的模塑表面可包括一个或多个光学上平滑的表面。
图6中，压盘38向经精制的压出品22提供了多个模塑表面40。在这些实施例中，所述多个模塑表面中的任一个都可以是无特征的以及平滑的。在一个实施例中，例如被置于与经精制的压出品的相对面24和26接触的模塑表面可以是平滑的且无特征的。
然而，被置于与经精制的压出品的薄侧28和厚侧30接触的模塑表面可包括各种特征。具体来说，这些表面可在亚微米的尺度上是平滑的，但可包括微米至毫米大小的特征。在一个实施例中，置于与经精制的压出品的厚侧接触的特定模塑表面可包括与要在光导的该面上形成的菲涅耳棱镜的特征相互补的特征。该实施例的变体也可被考虑。在第一个变体中，可制备具有如图5所示的菲涅耳棱镜特征的经精制的压出品(如上所述)，然后放置在包括与早已存在于该压出品中的特征相互补的特征的压缩塑模中。在第二个变体中，可制备没有菲涅耳棱镜特征的经精制的压出品，然后置于包括与光导中所希望的特征相互补的特征的压缩塑模中。在该变体中，依靠后续的表面层熔化和压缩成型(下述)来提供光导的菲涅耳棱镜特征。
可通过可加热压盘38中集成的加热元件来加热模塑表面40。加热元件可以是例如电阻式或电感式电加热元件。在某些实施例中，还可通过在压盘周围或表面层压缩成型装置36中的其他地方流动的冷却剂来冷却压盘。为了对经精制的压出品22施压，包围经精制的压出品的压盘可被置于液压机44的砧面42之间。
再次返回图1，方法10继续到46，其中一个或多个模塑表面40被充分加热到热塑性聚合物的熔化温度或软化温度。该动作可使得经精制的压出品的表面层熔化，而经精制的压出品的位于表面层之下的至少一些不熔化。在其他实施例中，对一个或多个模塑表面加热可使得经精制的压出品的表面层软化而不熔化。
方法10继续到48，其中通过压缩塑模36对经精制的压出品22施压。从而，经精制的压出品的一个或多个面保持与一个或多个加热的模塑表面接触，以促进对表面层的持续的软化或熔化。在一个实施例中，在模塑表面40已经达到设定值温度之后可施压预定时间段。在另一实施例中，可保持压力同时监测经精制的压出品22的一个或多个尺寸(和/或压盘38之间的距离)。当经精制的压出品的一个或多个尺寸达到固定值时，加热和施压可停止。
方法10然后继续到50，其中对压缩成型的压出品进行冷却。如上所述，可通过在表面层压缩成型装置36周围或通过表面层压缩成型装置36流动的一种或多种冷却剂来冷却压缩成型的压出品。在某些实施例中，在压缩成型的压出品被冷却的同时，可维持在压缩成型期间对经精制的压出品22施加的压力中的至少一些。
方法10然后在52处结束，其中从压缩塑模中取出压缩成型的压出品。
应该理解，在某些实施例中，可以省略本文所述和/或所示的某些进程步骤而不背离本公开的范围。类似地，可以不总是要求所述的进程步骤序列实现目标结果，而是为了示出和描述简单而提供的。所示动作、功能或操作中的一个或多个可以重复执行，这取决于所使用的特定策略。
最后，可以理解，此处描述的系统和方法在本质上是示例性的，并且这些具体实施例或示例不被认为是限制意义，因为多个变型是可能的。因此，本发明包括此处所公开的各种系统和方法的所有新颖和非显而易见的组合和子组合，及其任何和所有的等效内容。

Claims (14)

1.一种用于制作光导的方法（10），包括：
通过压模冲压（12）热塑性聚合物以形成压出品；
将压出品（16，20）加工成一个或多个固定尺寸；以及
保持（46，48）压出品的一个面与加热的模塑表面接触，以在向压出品施加压力的同时软化或熔化压出品的该面；
其中保持压出品的一个面与加热的模塑表面接触包括熔化或软化压出品的该面的表面层，同时压出品的位于该表面层下的至少一些不熔化或不软化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热塑性聚合物包括聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚酰胺、和聚碳酸脂中的一个或多个。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过压模冲压热塑性聚合物包括形成具有四边形截面的楔形压出品。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将压出品加工成一个或多个固定尺寸包括将压出品切割成固定宽度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将压出品加工成一个或多个固定尺寸包括将压出品的一个面加工成中心角是锐角的柱面部分。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压力是通过压缩塑模向压出品施加的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压出品的所述一个面是保持与多个加热的模塑表面接触的多个面之一。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，保持压出品的一个面与加热的模塑表面接触包括保持压出品的所述一个面与具有小于2纳米的平均粗糙度的表面接触。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在压出品的所述一个面中形成菲涅耳棱镜。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，保持压出品的一个面与加热的模塑表面接触包括保持压出品的所述一个面与具有与菲涅耳棱镜互补的特征的表面接触。
11.一种用于通过形成压出品并对压出品的一个或多个面进行压缩成型来制作光导的装置（36），所述装置（36）包括：
具有四边形开口的挤压模（14）；
压缩塑模，所述压缩塑模包括一组可加热的压盘（38）并被配置成接触压出品的所述一个或多个面，并在对压出品施压的同时软化或熔化压出品的所述一个或多个面，
其中，所述可加热的压盘向压出品（22）提供光学平滑的第一表面（40）并包围一容纳所述压出品（22）的空间，所述空间和所述四边形开口具有共同的一个或多个尺寸。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述可加热的压盘还向所述压出品提供与光学平滑的第一表面相对的光学上平滑的第二表面。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述可加热的压盘还向所述压出品提供与所述光学上平滑的第一表面和所述光学上平滑的第二表面相邻的第三表面。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第三表面包括与菲涅耳棱镜互补的特征。
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