CN102385097B - 制作层压光楔 - Google Patents

Abstract

公开了涉及层压光楔的制作的实施例。一个实施例提供了一种方法（200），其包括将楔坯件插入（202）真空成型工具，应用（204）真空到真空成型工具，以及从楔坯件的顶表面移除一层以露出（206）楔坯件的机加工表面。该方法还包括：经由粘合剂将成品工件层压（208）到机加工表面，其中成品工件包括比机加工表面平整的表面；以及固化（214）粘合剂以形成成品光楔。该方法还包括从真空成型工具移除（218）成品光楔。

Description

制作层压光楔

背景技术

光楔是一种配置成经由全内反射在位于光导端部处的第一光界面和位于光导主表面处的第二光界面之间传输光的楔形光导。在合适输入角度范围内输入第一光界面的光传播通过光楔，直至达到内反射的临界角，由此允许光通过第二界面传输离开光楔。取决于具体光楔的设计，第一光界面可以在光楔的薄端部处或者在厚端部处。在任一情形下，光在光楔内的内反射允许光扇出到比较小空间体积内的期望光束大小，并且因此可以容许构造与没有光楔的类似系统相比较为紧凑的光学系统。

表面粗糙度会负面地影响光楔的性能，因为这种粗糙度会导致光泄漏并且会影响图像质量。2nm RA（粗糙度平均值，定义为与平均表面水平的绝对偏差的算术平均值）或更小的表面粗糙度在一些应用中会是期望的以避免这种问题。另外，光楔的不良尺寸精确度会引起图像的剪切、分裂或鬼影。

发明内容

此处公开了涉及层压光楔的制作的各种实施例。例如，一个公开实施例提供了一种方法，其包括：将楔坯件插入真空成型工具，应用真空到真空成型工具，以及从楔坯件的顶表面移除一层从而露出楔坯件的机加工表面。该方法还包括：经由粘合剂将成品工件（finish piece）层压到机加工表面，其中成品工件包括比机加工表面更平整的表面；以及固化粘合剂以形成成品光楔。该方法还包括从真空成型工具移除成品光楔。

此发明内容被提供从而以简化形式介绍概念选择，所述概念在具体实施方式中予以进一步描述。此发明内容不是旨在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是旨在限制所要求保护的主题的范围。再者，所要求保护的主题不限于解决此公开内容任何部分中指出的任何或全部缺点的实施方式。

附图说明

图1为真空成型工具和置于真空成型工具上方的楔坯件的实施例的示意性截面视图。

图2为描述制作光楔的方法的实施例的流程图。

图3为图1的实施例的示意性截面视图，示出了被插入真空成型工具的楔坯件。

图4为图1的实施例的示意性截面视图，示出了被露出的楔坯件的机加工表面。

图5为图1的实施例的示意性截面视图，示出了层压在楔坯件的机加工表面顶部上的成品层。

图6为图1的实施例的示意性截面视图，示出了层压工艺中固化粘合剂的实施例。

图7为依据本公开内容的实施例的成品光楔的示意性截面视图。

具体实施方式

如上所述，表面粗糙度和尺寸精确度可以是制作光楔中的目标。在一些应用中，会期望楔最大厚度的大约1%的厚度公差以避免光从楔的错误表面损失。另外，具有接近投影光束直径的大小的周期的表面波纹会导致图像焦点的退化，在从波纹表面多次反射过程中该退化会被放大。作为非限制实例，在一些实施例中会期望实现1微米/20mm的表面波纹的目标水平。另外，在一些实施例中会期望实现2nm RA的表面粗糙度以避免散射光和图像对比度损失。

然而，制造具有这种属性的光楔会带来各种挑战。例如，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）挤压的光楔会具有源于挤压孔的10nm RA量级的表面粗糙度，该表面粗糙度远远高于某些应用会期望的<2nm RA。在两个浮法玻璃板之间铸造的光楔可具有可接受的平整度。然而，在固化其间PMMA会收缩大约12-24%。由于光楔的不均匀厚度，这种收缩会导致不良厚度廓形公差，引起功能损失。

因此，此处提供了涉及以可以帮助避免这种问题的方式制造光楔的各种实施例。将理解，此处给出的示意性视图出于说明目的而大幅夸大。

图1为用于从楔坯件150成型光楔的真空成型工具102的实施例的示意性视图，其中楔坯件150为用于成型光楔的开始材料。楔坯件150可以由任何合适光学材料制成，该光学材料包括但不限于诸如丙烯酸PMMA、聚碳酸酯、聚苯乙烯等的光学级材料。例如，在一些实施例中，楔坯件150可以是通过固化倾注在由垫片分隔的两个浮法玻璃形式之间的单体而形成的铸造丙烯酸板。所得到的铸造板可以呈现与浮法玻璃形式的平均表面粗糙度值大约相似的平均表面粗糙度值，在一些实施例中该平均表面粗糙度值可以是2nm RA或更小。因而，与将机加工的表面相对的楔坯件150的表面可具有大约2nm RA或更小并且在一些实施例中1nm RA或更小的平均表面粗糙度。将理解，描述这种形成楔坯件的方法是出于实例的目的，并且楔坯件可以按照任何其它合适方式形成。

楔坯件150可具有任何合适尺寸。例如，在一些实施例中，楔坯件150可具有大约1mm-20mm的预处理厚度。由于某些丙烯酸聚合工艺导致在聚合反应进行时丙烯酸材料收缩大约12%-24%，将理解，在一些实施例中可以使用更厚的单体初始进料以实现楔坯件150的这种最后厚度。

真空成型工具102包含一个或多个真空端口106，其流体连接到真空泵（未示出）并且配置成将空气和/或其它气体从真空成型工具102引导朝向真空泵。在一些实施例中，真空成型工具102可以安装在诸如光学安装平台的稳定表面上，从而提供用于更详细描述的成型和铸造操作的水平表面。

真空成型工具102还包含真空形成表面104，其配置成提供一种形式以将光楔的表面成形为期望廓形。例如，在图1中，真空形成表面104呈现一光学表面廓形，该光学表面廓形沿着从真空成型工具102的端部A到相对端部B行进的方向L改变厚度。端部A和B分别对应于所得到的光楔的厚边缘和薄边缘。因而，在图1的真空成型工具102中制作的光楔将呈现一光学表面廓形，该光学表面廓形匹配真空形成表面104的光学表面廓形。将理解，真空形成表面104的光学表面廓形可以具有沿着真空形成表面104的其长度和宽度的任何合适廓形，从而实现用于具体终端用户应用的光学和/或结构特性。

在一些实施例中，真空形成表面104可包括一个或多个局部形貌特性108，其配置成将相应形貌特征传递到成品光楔。例如，在图1所示场景中，局部形貌特性108被示为厚度最大值，其配置成将非球面光学特征传递到成品光楔。将理解，真空形成表面104可以通过任何合适工艺，诸如通过使用球头铣刀（milling cutter）进行切割而形成。还将理解，成型表面可包括任何其它合适形状，其包括但不限于平坦的。

图2示出一流程图，该流程图示出用于制作光楔的方法200的实施例。将理解，方法200中的一个或多个工艺可以由用于制作光楔的任何合适真空成型工具执行，并且不限于此处描述的实施例。

方法200包括，在202，将楔坯件插入真空成型工具。为了说明这一点，图3示出被插入真空成型工具102的楔坯件150的实施例的截面视图。方法200接着包括，在204，应用真空到成型工具。在图3中示出的实例中，真空经由真空端口106已经应用到真空成型工具102。真空的应用造成楔坯件150被压抵真空形成表面104，使得真空形成表面104的光学表面廓形被传递到楔坯件150的成型表面152。因而，在铸造丙烯酸坯件被插入楔成型工具102的场景中，铸造丙烯酸成型表面在机加工相对表面期间可以保留铸造丙烯酸坯件原生的表面粗糙度。

接着，方法200包括，在206，在真空成型工具仍处于真空时，除移楔坯件的顶表面的一部分。例如，图4示出被插入真空成型工具102的楔坯件150的截面视图。楔坯件150的顶表面404由铣机402机加工以产生机加工表面406。将理解，任何合适机加工工艺可以被采用以形成机加工表面406。例如，尽管图4描述了单个位（single bit），但是可以使用配备有宽的多头铣刀的CNC铣机，从而以比单个位更高效的方式产生机加工表面406。机加工工艺的结果为，楔坯件的A端部厚于B端部。在一些实施例中，通过机加工可以移除多达50百分比的楔坯件，而在其它实施例中可以移除更多或更少的材料。

楔坯件的机加工表面可具有小于100nm RA的表面粗糙度。然而，如上所述，在一些应用中会期望具有2nm RA或更小的粗糙度的表面。因而，方法200包括，在208，经由粘合剂将成品工件层压到机加工表面，其中成品工件包括比机加工表面平整的期望光学平整度的表面。将成品工件层压到楔坯件可包括各种子步骤。例如，在图2的实施例中，在210将粘合剂应用到机加工表面和/或成品工件，在212将成品工件应用到楔坯件上，并且在214固化粘合剂以将成品工件结合到楔坯件。使用光学匹配的粘合剂将成品工件层压到楔坯件上帮助防止在机加工表面和成品工件之间边界处的反射，由此产生具有期望内反射特性的光楔。

图5说明层压工艺，该图示出楔坯件150的机加工表面406的截面视图，粘合剂504已经应用到该机加工表面406上。图5还说明将放置在粘合剂上的成品工件502。如上所述，成品工件包括与靠近粘合剂504的表面508相对的表面506，该表面比该机加工表面平整。将理解，在各种实施例中，粘合剂也可以应用到成品工件，或者应用到成品工件和楔坯件二者。

图5中说明，在楔坯件保持到处于真空的真空成型工具时，成品工件正被应用到楔坯件的机加工表面。在其它实施例中，可以在将楔坯件保持就位的真空移除之后，执行层压工艺。因此，在这种实施例中，方法200可以可选地包括，在216，在执行层压之前从真空成型工具移除楔坯件。

可以使用任何合适粘合剂将成品工件层压到楔坯件。合适粘合剂包括这样的粘合剂，其具有充分地接近楔坯件和（多种）成品工件材料的折射率，并且/或者具有合适粘度和润湿特性以填充机加工表面中的间隙，使得在成品工件和机加工表面之间形成的界面不造成不期望数量的内反射和/或光散射。在一些实施例中，粘合剂可具有在楔和（多种）成品工件材料的折射率的+/-0.02内，并且在其它实施例中在+/-0.01内的折射率。另外，粘合剂可以选择为在期望波长范围内是光学透明的。作为实例，在光楔将用于可见光投影时，粘合剂可以是可见地（visibly）透明的，并且/或者在机器视觉系统中对红外波长是透明的以用于收集和传输红外光。

粘合剂504可具有任何合适物理属性。例如，粘合剂可以是液态的，压力敏感的，可熔化的等。另外，粘合剂504可包括任何合适的一种材料或多种材料。作为非限制实例，粘合剂可以是PMMA粘合剂，其中楔坯件150和/或成品工件506包括PMMA。将理解，在210使用的粘合剂的类型会影响如参考214所更详细描述的合适固化工艺的选择。

粘合剂可以按照任何合适方式被应用。例如，可以在卷到卷（roll-to-roll）工艺中应用湿粘合剂，而可以通过将粘合剂印刷到机加工表面上来应用压力敏感粘合剂。

在另外其它实施例中，可以使用热熔化紫外（UV）可固化粘合剂。这种粘合剂具有高于室温的熔化温度，并且是UV可固化的。为了使用这种粘合剂，通过印刷来应用溶解在溶剂中的粘合剂的薄层，并且随后将成品工件置于粘合剂上。接着，熔化粘合剂，允许它流动以填充间隙并且赶出气泡。在熔化之后，通过使用UV光照射粘合剂来固化粘合剂。

楔坯件150和成品工件502可由任何合适一种材料或多种材料形成。如上所述，使楔坯件150、成品工件502和粘合剂504的折射率匹配可帮助减小在这些结构之间界面处的不期望反射和散射。作为非限制实例，楔坯件150和成品工件502可以由PMMA形成，PMMA具有1.492的折射率，并且粘合剂可具有在此值的+/-0.02内的折射率。

成品工件在应用到楔坯件时可具有任何合适尺寸。例如，在一些实施例中，成品工件可以最初大小设置为机加工表面406量级的尺寸，而在其它实施例中，成品工件可以在结合之后被切割以匹配机加工表面406的尺寸。

另外，成品工件可具有任何合适厚度。在一些实施例中，成品工件的厚度可以与楔坯件150的厚度基本上相同，并且如上所述可以由另一楔坯件形成。在这种情形中，靠近粘合剂的成品工件502的表面508可以是与机加工表面406相似地形成的机加工表面。可替换地，成品工件可包括材料的膜，其显著薄于楔坯件150。这种膜可以按照任何合适方式形成，其包括但不限于挤出工艺。在这种情形中，靠近粘合剂504的成品工件502的表面508可以比机加工表面406平整。

在212，可以按照任何合适方式应用成品工件。例如，当成品工件为薄板时，成品工件可以经由辊从上方或者从下方（例如通过将楔坯件的机加工表面取向为面向上或向下）被应用，从而从成品工件和粘合剂之间的界面推挤空气。这种技术可以减少气泡的形成和/或减少粘合剂层内已有的气泡，所述气泡会影响界面处的光学属性。在其它实施例中，可以使用气鳔（air bladder）应用压力到成品工件以移除气泡。薄膜成品工件也可以经由卷轴到卷轴工艺被应用。

粘合剂504可以按照任何合适方式固化，包括但不限于经由UV光、热量、电子束等。图6说明使用UV光600固化粘合剂504。

简要地往回参考图2，在218，方法200包括将真空成型工具返回到大气压力并且从真空成型工具移除成品光楔（在层压之前不从成型工具移除光楔的情形下）。

图7示出沿着与图1和图3-6的截面相同的平面截取的实例成品光楔700的截面。成品光楔700包括单片楔形本体，其具有第一部分（例如楔坯件150）和经由粘合剂504结合到第一部分的第二部分（例如成品工件502）。第二部分还具有在与底面（例如表面508）相对的表面上的光学平整表面506。成品光楔可具有任何合适尺寸。例如，在一个实施例中，楔厚度可以在800mm的距离上从其20mm的最高点渐变（taper）至2mm，并且楔可具有600mm的宽度。在上述实施例中，光楔包含非球面特征。然而，在其它实施例中，光楔可以配置成具有与渐变部分的轴垂直的在几个百分比均匀性内的截面。

应理解，此处描述的配置和/或方法在本质上是示例性的，并且这些特定实施例或实例不应在限制含义上被解读，因为许多变化是有可能的。此处描述的特定路线或方法可以代表任意数目的处理策略的一个或多个。因此，所说明的各种动作可以按照所说明的顺序、其它顺序、并行地执行，或者在一些情形中略去。类似地，上述工艺的顺序可以改变。

本公开内容的主题包含此处公开的各种工艺、系统和配置以及其它特征、功能、动作和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合，以及任何及所有其等价物。

Claims (10)

1.一种制作光楔的方法（200），该方法包括： 

将楔坯件插入（202）真空成型工具；

应用（204）真空到真空成型工具；

从楔坯件的顶表面移除一层以露出（206）楔坯件的机加工表面；

经由粘合剂将成品工件层压（208）到机加工表面，该成品工件包括比机加工表面平整的表面；

固化（214）粘合剂以形成成品光楔；以及

从真空成型工具移除（218）成品光楔，

其中该粘合剂与成品工件和机加工表面光学匹配以防止在机加工表面和成品工件之间边界处的反射，且该粘合剂具有合适粘度和润湿特性以填充机加工表面中的间隙，使得在成品工件和机加工表面之间形成的界面不造成不期望数量的内反射和/或光散射。

2.权利要求1的方法，其中粘合剂具有在楔坯件折射率的+/-0.02内的折射率。

3.权利要求1的方法，其中将成品工件层压到机加工表面包括经由辊应用成品工件。

4.权利要求1的方法，其中固化粘合剂包括应用紫外光。

5.权利要求1的方法，其中固化粘合剂包括应用压力。

6.权利要求1的方法，其中固化粘合剂包括应用热量。

7.权利要求1的方法，其中将成品工件层压到机加工表面包括印刷热熔化的可固化的粘合剂到机加工表面上。

8.权利要求7的方法，其中固化粘合剂还包括应用热量以熔化粘合剂。

9.权利要求1的方法，其中楔坯件和成品工件分别由PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）形成，以及其中粘合剂为PMMA粘合剂。

10.一种根据权利要求1所述的方法制作的光楔，该光楔包括：

单片楔形本体，该本体包括：

第一部分（150），其具有机加工表面（406）；以及

第二部分（502），其具有经由粘合剂（504）结合到第一部分（150）的机加工表面（406）的底面（508），第二部分（502）具有在底面（508）的相对面上比机加工表面平整的表面（506）。

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