CN102770253A

CN102770253A - 光楔的制造

Info

Publication number: CN102770253A
Application number: CN2011800120830A
Authority: CN
Inventors: K.A.詹金斯; T.拉奇; R.M.迪德
Original assignee: Microsoft Corp
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: US20110215491A1; WO2011109426A3; US20140153894A1; CN102770253B; US8673186B2; WO2011109426A2; EP2542396A4; EP2542396A2; EP2542396B1

Abstract

公开了涉及光楔制造的各种实施例。例如，一个实施例提供一种制造光楔的方法，包括：将楔坯插入真空模具以及向真空模具施加真空以临时将楔坯保持靠着真空模具的模铸表面。该方法还包括从楔坯的上表面除去一层以暴露楔坯的经机加工的表面，以及在该经机加工的表面上浇铸平滑层从而形成完成的光楔的平滑层。

Description

光楔的制造

背景技术

光楔是一种楔形光导，其构造成通过全内反射在位于光导端部的第一光接口与位于光导主面的第二光接口之间传输光。这种光导可以是图像保持的，其中在边缘处的图像光的角度和在所述楔的表面处的图像光的位置之间存在一一对应。因此，在适当输入角范围内输入到所述第一光接口的光穿过光楔传播直到达到内反射的临界角，由此允许光通过所述第二接口透射出所述光楔。取决于特定光楔的设计，第一光接口可以在光楔的薄端或厚端。在任一种情况下，光在光楔内的内反射都允许光在体积相对小的空间内散开成期望的束尺寸，并且因此可以允许在没有光楔的情况下构造与类似系统相比相对紧凑的光学系统。

发明内容

此处中公开了涉及光楔制造的各种实施例。例如，一个实施例提供一种制造光楔的方法，该方法包括：将楔坯插入真空模具以及向该真空模具施加真空以临时将该楔坯的一个表面保持靠着该真空模具的一个表面。该方法还包括从所述楔坯的上表面除去一层以暴露所述楔坯的经机加工的表面(machined surface)，以及在该经机加工的表面上浇铸平滑层从而形成完成的光楔。

提供该发明内容是为了以简化的形式介绍下面在具体实施方式中进一步描述的概念选集。该发明内容既不意图确认所要求保护的主题的关键特征或实质性特征，也不意图用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中提及的任何或全部缺点的实现方式。

附图说明

图1是真空模具的实施例和位于该真空模具上的楔坯的实施例的示意性横截面视图。

图2是描述制造光楔的方法的实施例的流程图。

图3是示出插入真空模具的楔坯的图1的真空模具的实施例的示意性横截面视图。

图4是示出楔坯的经机加工的表面暴露的图1的真空模具的实施例的示意性横截面视图。

图5是示出平滑层浇铸在楔坯的经机加工的表面上的图1的真空模具的实施例的示意性横截面视图。

图6是由图1的真空模具实施例产生的完成的光楔的示意性横截面视图。

图7是图6的完成的光楔实施例的厚度轮廓的夸大示意图。

具体实施方式

如上所述，表面平滑度和尺寸精确度会是制造光楔时的目标。在一些应用中，会需要楔的最大厚度的厚度容限为约1%，以实现期望光学性能。例如，周期接近投影设备的束宽度大小的表面波纹可能引起像焦点退化，像焦点退化可能在从有波纹的表面的多次反射的路线上被放大。因此，在一些应用中，表面粗糙度会被控制为1微米每20mm最大梯度偏差。

然而，制造具有这种属性的光楔可能提出各种挑战。例如，PMMA（聚（甲基丙烯酸甲酯））挤压成的光楔可能由于挤压孔而具有10nm RA量级的表面粗糙度，这远高于一些应用所期望的<2nm RA。浇铸在两个浮法玻璃板之间的光楔可能具有可接受的平滑度。然而，在固化期间PMMA可能收缩大约12-24%。由于光楔的非均匀厚度，这种收缩可能导致差的厚度轮廓容限，引起功能性的丧失。

因此，此处提供了涉及以可帮助避免这些问题的方式制造光楔的各种实施例。将理解，为了说明的目的，此处呈现的示意性图示大大夸大。此外，将理解，在这些夸大的示意性图示中呈现的楔轮廓是纯粹示例性楔轮廓，并且在本公开的范围内可以实现任何合适的楔轮廓。

图1是用于从楔坯150模制光楔的真空模具102的实施例的示意性图示，其中楔坯150是用于模制光楔的起始材料。楔坯150可以由任何合适材料制成，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150可以是通过固化在由衬垫分开的两个浮法玻璃模板之间浇灌的单体而形成的浇铸丙烯酸板。所得到的浇铸板可以呈现与所述浮法玻璃模板的平均表面粗糙度近似相似的平均表面粗糙度，所述浮法玻璃模板的平均表面粗糙度在一些实施例中可以是2nm RA或更小。因此，楔坯150的表面在一些实施例中可以具有约2nm RA或更小的平均表面粗糙度，以及在一些实施例中可以具有约1nm RA或更小的平均表面粗糙度。

楔坯150可以具有任何合适的尺寸。例如，在一些非限制的示例性实施例中，楔坯150可以具有约1mm-20mm的预处理厚度。由于一些丙烯酸聚合过程在聚合反应进行时导致丙烯酸材料收缩约12%-24%，将理解在一些实施例中可以使用更厚的初始单体进料以实现楔坯150的这种最终厚度。

真空模具102包括一个或多个真空口106，所述真空口流体地连接到真空泵（未示出）且构造成从真空模具102向真空泵引导空气和/或其它气体。将理解，在本公开的范围内可以采用任何合适的真空泵。在一些实施例中，真空模具102可以安装在诸如光学安装平台的稳定表面上，从而为更详细描述的模制和浇铸操作提供水平表面。

真空模具102也包括模铸表面（molding surface）104，模铸表面104构造成提供用于将光楔的模制表面（molded surface）整形成期望轮廓的模板。例如，在图1中，模铸表面104呈现厚度沿着从真空模具102的端部A到相对端部B行进的方向L变化的光学表面轮廓。端部A和B分别对应于所得到的光楔的厚边缘和薄边缘。因此，在图1的真空模具102中制造的光楔将呈现与模铸表面104的光学表面轮廓相匹配的光学表面轮廓。将理解，模铸表面104的光学表面轮廓可以具有沿着模铸表面104的长度和/或宽度的任何合适的轮廓，从而实现用于特定终端使用应用的光学和/或结构特性，提供足够气压以克服将楔坯150的临时形成对着模铸表面104的光学表面轮廓的应力。

在一些实施例中，模铸表面104可以包括一个或多个局部形貌特性108，每个局部形貌特性108构造成将对应的互补形貌特征传递到完成的光楔。例如，在图1所示的情形中，局部形貌特性108示为构造成将非球面光学特征传递到完成的光楔的厚度最大值。将理解，模铸表面104可以通过任何合适工艺形成，例如通过使用研磨工具的机械加工，所述研磨工具例如是计算机数控（CNC）机床。此外将理解，可以使用任何合适表面处理，例如通过电解抛光、化学机械抛光等来加工模铸表面104，从而提供适当平滑的模铸表面。

图2是示出操作制造光楔的真空模具的方法200的实施例的流程图。将理解，方法200可以通过任何合适的制造光楔的真空模具执行，并且不限于此处描述的实施例。

方法200包括，在202，将楔坯插入真空模具。例如，图3示出了插入真空模具102的楔坯150的横截面视图。接下来，方法200包括，在204，向模具施加真空。在图3所示的实例中，已经通过真空口106向真空模具102施加真空。真空的施加引起楔坯150被压抵模铸表面104，使得模铸表面104的光学表面轮廓被传递到楔坯150的模制表面152。因此，在浇铸丙烯酸坯插入楔模具102的情形下，浇铸丙烯酸模铸表面可以与所述光学表面轮廓的形状一致，并且还保持浇铸丙烯酸坯原有的表面平滑度。

接下来，方法200包括，在206，在真空模具仍处于真空的同时，除去楔坯的上表面的一部分。例如，图4示出了插入真空模具102的楔坯150的横截面视图。正通过研磨机402机械加工楔坯150的上表面404以产生经机加工的表面406。将理解，可以采用任何合适的机械加工工艺来形成经机加工的表面406。例如，在图4所示的情形下，装备有高速刀头(fly cutter bit)的CNC研磨机可以用于产生经机加工的表面406。由于该机械加工过程，楔坯的端部A比端部B厚。在一些实施例中，楔坯的上表面可以被机械加工成平坦表面；在一些其它实施例中，楔坯的上表面可以被机械加工成另一合适的形貌。在一些实施例中，可以通过机械加工除去多达50%的楔坯，而在其它实施例中，可以除去更多或更少的楔坯。

楔坯的经机加工的表面的表面粗糙度可以大于所完成的光楔的一些应用所期望的表面粗糙度。因此，方法200包括，在208，在真空模具仍处于真空的同时，在楔坯的经机加工的表面上原位地浇铸平滑层（finish layer）。例如，图5示出了上面已经浇铸了平滑层502的楔坯150的经机加工的表面406的横截面视图。平滑层502可以是折射率与楔坯材料的折射率足够匹配的任何合适材料。例如，在一些实施例中，当固化时楔坯材料的折射率可以在前体材料的折射率的+/-0.01内。作为一个更具体的实例，PMMA具有1.492的折射率。因此用于在PMMA楔坯上浇铸平滑层的浇铸聚合物可以具有在1.482和1.502之间的折射率。可以理解，该具体实例的描述是为了说明，而不意图以任何方式限制。在一些实施例中，所述折射率可以足够匹配使得平滑层502和经机加工的表面406之间形成的界面将是看不见的。例如，在楔坯150是浇铸PMMA聚丙烯坯时，平滑层502可以原位地从PMMA浇铸，因此将具有与楔坯150近似相同的折射率（n约为1.5）。

因此，过程208可以包括，在210，在楔坯的经机加工的表面上沉积用于所述平滑层的前体。因此，在所述平滑层是PMMA的情形下，可以在经机加工的表面406上沉积甲基丙烯酸甲酯单体（MMA）以用于随后聚合成PMMA。可以以任何合适方式进行该沉积。例如，在一些实施例中，可以经由浇灌、喷洒在为反应注模工艺等作准备而注入的图案中，沉积液体前体材料。此外，可以以任何合适厚度沉积前体以实现适合所完成的光楔的应用的最终平滑层厚度。例如，在一种情况下，100微米厚度的前体可以沉积在经机加工的表面上。可替换地，在一些实施例中，前体可以是具有配制成用于平滑层502的注模的合适折射率的熔化的热塑性聚合物。

将理解，可以使用任何合适的前体配方。例如，在一些实施例中，前体材料的混合物，例如单体和合适的溶剂，可以组合以产生粘度为在约10cp-400cp范围的前体配方。在该范围的较高粘度端内的配方在沉积工艺期间可以容易操作，而在该范围的较低粘度端内的配方可能更容易湿润所述经机加工的表面，等等。将理解，该范围仅仅是说明性的，可以使用由任何合适前体配方实现的任何合适粘度。

接下来，208还可以包括，在212，在真空模具仍处于真空的同时，定位和保持（例如通过夹住）浇铸板使其与所述前体的上表面持续接触。例如，图5示出了在位于浇铸板504边缘处的夹子506的向下的力作用下，在平滑层502上方被保持在真空模具102内的浇铸板504。可选择地，在一些实施例中，可以在浇铸板上的其它地方施加另外的向下的力。

浇铸板504可以是呈现要传递到平滑层502的漫射体界面表面510上的表面粗糙度特性的任何合适材料。例如，在一些实施例中，浇铸板504是具有约2nm RA或更小的平均表面粗糙度的玻璃板，例如硼硅酸盐浮法玻璃板。此外，在一些实施例中，浇铸板504可以构造成避免弯曲，从而在完成的光楔上漫射体界面表面510近似平坦。例如，在一种情形下，浇铸板504可以是近似20mm-25mm厚，以提供结构刚性和避免浇铸板504弯曲或挠曲。在另一种情形下，浇铸板可以包括一个或多个结构脊、构件等（未示出）来提供结构刚性。

在一些实施例中，可以用吸附到所述浇铸板的平滑层界面表面的脱模剂来调节浇铸板504的平滑层界面表面。脱模剂可以构造成排斥前体配方。例如，脱模剂可以是合适的硅树脂化合物或者氟碳化合物，不过将理解在本公开的范围内可以采用其它合适的脱模剂。在一些实施例中，仅通过平滑层502将浇铸板504与楔坯150分开以便形成边缘珠，而在其它实施例中，围绕浇铸板504周边可以包括衬垫以避免形成边缘珠。例如，在熔化的聚合物用作前体的实施例中，可以包括衬垫以在经机加工的表面406和浇铸板504之间提供空间，从而促进注模工艺。

在一些实施例中，可以控制浇铸板504、真空模具102和/或楔坯150的静电势来避免经机加工的表面406处和/或浇铸板504的平滑层界面表面处的差动充电。这可以有利地增强前体在经机加工的表面406和/或浇铸板504的平滑层界面表面上的湿润，避免在所述表面上形成气泡，等等。在一种情形下，可以通过由离子发生器枪512提供的电子流进行静电势的控制。在其它实施例中，可以使用任何其它机制来减小表面之间的静电势差。

接下来，工艺208还包括，在214，固化所述前体。在图5所示的实施例中，紫外源508配置成通过紫外（UV）光来固化平滑层502，紫外光（UV）光可以通过UV灯提供。将理解，可以使用任何其它合适的固化机制，包括但不限于热固化等。一旦固化，平滑层502可以帮助将模制表面152保持为由模铸表面104的轮廓传递的构造。在一些实施例中，214还可以包括一个或多个固化后退火工艺。这种固化后退火工艺和/或处理可以调节所完成的光楔中的应力。

方法200接下来包括，在216，将真空模具与真空断开并且从真空模具除去完成的光楔。例如，图6示出了沿着与图1和图3-5的横截面相同的平面截取的示例性的完成的光楔600的横截面图。完成的光楔600包括具有光学平滑表面510的平滑层502。完成的光楔600也包括模制表面152，该模制表面152与模铸表面104的光学表面轮廓共形。此外，在图6所示的实例中，完成的光楔600包括与模铸表面104的局部形貌特性108对应的局部形貌特性608。

通过说明被传递到完成的光楔的厚度特性的方式，图7示出了图6的完成的光楔600的横截面的厚度轮廓的示意性图示。将理解，由于水平（长度）轴的刻度与垂直（厚度）轴的刻度相比被大大压缩，用厚度附图标记702表示的局部形貌特性608的效果在图7中被大大夸大。

将理解，此处描述的构造和/或方法实质上是示例性的，并且这些具体实施例或实例不应当以限制性的意义来考虑，因为很多变化是有可能的。此处描述的具体程序或方法可以代表任何数目的加工策略中的一种或多种。因此，所说明的各种动作可以按所说明的顺序、按其它顺序，并行地执行，或在一些情况下省略。类似地，上述工艺的顺序可以改变。

本公开的主题包括此处公开的各种工艺、系统和构造、以及其它特征、功能、动作和/或属性的所有新颖的且非显而易见的组合和子组合，以及它们的任何和所有等同特征。

Claims

1.一种使用真空模具由楔坯制造光楔的方法，该方法包括：

将所述楔坯插入所述真空模具中，所述真空模具包括模铸表面；

向所述真空模具施加真空，以临时将所述楔坯的模制表面整形到所述真空模具的模铸表面；

从与所述楔坯的所述模制表面相对的所述楔坯的表面除去一层，以暴露所述楔坯的经机加工的表面；

在所述经机加工的表面上浇铸平滑层以形成完成的光楔；以及

从所述真空模具除去所述完成的光楔。

2.权利要求1的方法，其中浇铸平滑层包括：

在所述经机加工的表面上沉积用于浇铸所述平滑层的前体；

保持浇铸板与所述前体的上表面接触；以及

固化所述前体以形成固化的聚合物。

3.权利要求2的方法，其中沉积所述前体还包括以下操作中的一个或多个：将所述前体浇灌在所述经机加工的表面上、将所述前体喷洒在所述经机加工的表面上的图案中、以及将所述前体注入所述经机加工的表面的顶部与所述浇铸板的平滑层界面表面之间的空间内。

4.权利要求3的方法，其中所述固化的聚合物的折射率在楔坯材料的折射率的+/-0.01内。

5.权利要求2的方法，还包括使用脱模剂调节所述浇铸板的平滑层界面表面。

6.权利要求5的方法，还包括通过控制所述浇铸板、所述真空模具和所述楔坯中的一个或多个的静电势，防止在所述楔坯的经机加工的表面处和/或在所述浇铸板的平滑层界面表面处的差动充电。

7.权利要求6的方法，其中控制所述静电势包括使用离子发生器枪向所述浇铸板、所述真空模具和所述楔坯中的一个或多个提供电子。

8.权利要求1的方法，其中所述经机加工的表面是平坦表面。

9.权利要求8的方法，其中从所述楔坯的所述表面除去所述层还包括使用研磨机机械加工与所述模制表面相对的所述楔坯的表面。

10.一种用于从楔坯形成光楔的真空模铸系统，该真空模铸系统包括：

真空泵；

包括一个或多个真空口的真空模具，所述真空口流体地连接到所述真空泵，所述真空模具包括模铸表面，该模铸表面构造成在由所述真空泵产生的压力差的迫使下临时整形所述楔坯的模制表面；以及

铸模板，所述铸模板构造成跨过与所述楔坯的所述模制表面相对的所述楔坯的平滑层被保持。

11.权利要求10的真空模铸系统，其中所述模铸表面包括要传递到所述光楔的所述模制表面的光学表面轮廓。

12.权利要求11的真空模铸系统，其中所述真空模具的模铸表面包括一个或多个局部形貌特性，每个局部形貌特性构造成将互补的局部形貌特征传递到所述楔坯的所述模制表面。

13.权利要求10的真空模铸系统，其中所述铸模板是构造成将平坦表面传递到完成的光楔的漫射体界面表面的浮法玻璃板。

14.权利要求13的真空模铸系统，其中所述铸模板具有2纳米或更小的表面粗糙度平均值。

15.权利要求10的真空模铸系统，还包括构造成控制所述真空模铸系统的一个或多个静电势的离子发生器枪。