CN110687621A - 一种单列多排等效负折射率平板透镜的加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单列多排等效负折射率平板透镜的加工工艺，包括：将光学材料加工成上下表面为抛光面的平行平板；沿平行平板其中一条边切割成条形光波导；将条形光波导的两抛光面镀上铝膜；将各个条形光波导的镀膜面相互贴合形成单列多排条形光波导阵列；将条形光波导阵列置于热敏胶中浸泡，并压紧使贴合面之间的气泡以及多余胶排出；采用加热处理的办法将条形光波导阵列固化；将条形光波导阵列平板切割成沿45°方向排布的两组条形光波导阵列平板；将两组条形光波导阵列平板按照排列方向相互垂直的方式进行胶合后在其两侧添加保护窗片既得。本发明可大大减小传统加工条形光波导之间存在的个体差异，实现拼接阵列清晰三维成像的目的。

Description

一种单列多排等效负折射率平板透镜的加工工艺

技术领域

本发明属于光学制造领域，具体涉及一种用于实现空气成像的单列多排等效负折射率平板透镜的加工工艺。

背景技术

随着成像显示技术的发展，对成像的特性要求不断提高。一方面要求有较高的解像，保证观察画面清晰度的同时，还需要满足小畸变要求。另一方面要求有三维立体显示特性的同时，具有裸眼三维全息显示要求。现有的成像技术一方面，主要采用透镜成像，主要受视场和孔径的限制，其存在球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差等光学像差，其在大视场、大孔径成像显示领域受限较大。另一方面，现有的裸眼三维显示技术大多数是基于调节左右眼视差来实现三维感官，而非实际三维显示技术。而全息成像技术，制作成本高。

为了追求更好的显示效果和产品体验，本发明提供针对一种可实现三维立体成像显示的等效负折射率平板透镜的加工工艺，为实现裸眼三维显示的一种等效负折射率平板透镜提供工艺支撑。传统光波导加工工艺制造的条形光波导，其各波导之间存在较大的个体差异：横截面尺寸偏差不一致，导致拼接的一种用于三维成像的单列多排等效负折射率平板透镜阵列表面不平滑，使图像各区域发生剪切；表面平行度不一致，各光波导对光线的偏折角不相等，导致成像区域出现多像素扭曲，图像畸变；难以实现清晰的三维成像。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种单列多排等效负折射率平板透镜的加工工艺，该工艺可大大减小传统加工条形光波导之间存在的个体差异，实现拼接阵列清晰三维成像的目的。本发明的技术方案为：

一种单列多排等效负折射率平板透镜的加工工艺，包括：

(1)将光学材料加工成上下表面为抛光面的平行平板；

(2)将平行平板沿其中一条边切割成条形光波导，所述条形光波导的长宽厚满足：10mm<长度<200mm，0.1mm<宽度<5mm，0.1mm<厚度<5mm；

(3)将条形光波导的两抛光面镀上铝膜；

(4)将各个条形光波导的镀膜面相互贴合形成单列多排条形光波导阵列；

(5)将条形光波导阵列置于热敏胶中浸泡，并压紧条形光波导阵列使贴合面之间的气泡以及多余胶排出；

(6)取出光波导阵列，采用加热处理的办法将条形光波导阵列固化，形成条形光波导阵列平板；

(7)对条形光波导阵列平板的两表面进行处理使其为抛光面且相互平行，然后切割成沿45°方向排布的两组条形光波导阵列平板；

(8)将两组条形光波导阵列平板按照排列方向相互垂直的方式进行胶合后在其两侧添加保护窗片既得。

图1和图2提供了采用本发明得到的单列多排等效负折射率平板透镜的结构示意图，该平板透镜包括分别具有两个光学膜的一对玻璃窗口，以及位于两个玻璃窗口之间的两组光波导阵列，该光波导阵列由45°斜向布置的单列多排且横截面为矩形的光波导组成，两组光波导阵列相互对应部分的波导方向相互垂直。这种平板透镜可以使二维或者三维光源直接在空气中成实像且实现真正的全息影像，在实现大视场、大孔径、高解像、无畸变、无色散的同时实现裸眼三维立体显示特性。

本发明的有益效果在于：本发明可大幅减小传统加工条形光波导之间存在的个体差异，大大降低图像剪切缺陷。条形光波导两抛光面镀上铝膜，大大降低了本平板透镜对光学材料种类的依赖，同时降低了胶合工艺对气泡、杂质的要求。达到了三维立体显示特性和裸眼三维全息显示要求，真正实现了拼接阵列清晰三维成像目的。

附图说明

图1是采用本发明得到的单列多排等效负折射率平板透镜的结构示意图，其中1-1为单列多排等效负折射率平板透镜的结构示意图，1-2为区域I的局部放大图，IM0-第一玻璃窗片，IM1-第一组光波导阵列平板，IM2-第二组光波导阵列平板，IM3-第二玻璃窗片。

图2是图1的IM1和IM2两组光波导阵列平板的拆解图。

图3是本发明实施例1中起始毛料的结构示意图，其中1/2/3/4/5/6表示六个表面，L表示长度，W表示宽度，H表示高度。

图4是本发明实施例1中平行平板的切割示意图，d表示平行平板厚度。

图5是本发明实施例1中条形光波导的切割示意图，其中L’表示长度，W0表示宽度，d’表示厚度。

图6是本发明实施例1中镀膜后的条形光波导的结构示意图。

图7是本发明实施例1中条形光波导阵列平板的结构示意图，其中7-1为条形光波导阵列平板的结构示意图，7-2为区域II的局部放大图。

图8是本发明实施例2中IM1和IM2两组光波导阵列平板的成像示意图。

图9是光线在光波导内部反射、聚焦成像原理图，其中A/B表示两侧方位。

图10是将图8的两组光波导阵列平板拆解成像示意图，其中10-1为IM1光波导阵列平板单方向成像光线会聚原理图，10-2为IM2光波导阵列平板单方向成像光线会聚原理图。

图11是光波导产生杂光与成像光原理示意图，其中A/B表示两侧方位，b表示杂光束，b’表示成像光束。

图12是光波导阵列各单元等效为正方体R，对物体成像时，受杂光影响原理示意图，其中b1、b3、b4均为杂光光束，b2为成像光束，a表示物光束。

图13是图12中正方体R旋转45°后避免杂光影响原理示意图，其中b1、b3、b4均为杂光光束，b2为成像光束，a表示物光束。

注：以上图片中的五角星代表一幅简单图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

本实施例提供一种单列多排等效负折射率平板透镜的加工工艺，包括：

1).首先提供如图3所示的起始毛料，对其六个表面进行研磨、抛光处理。利用对比测角仪检测辅助加工，使得其相互垂直表面垂直度偏差<1’(为了使物方光束经光波导表面反射调制后其光线会聚偏差满足成像要求)，尺寸为10mm<长(L)<200mm，10mm<宽(W)<200mm，10mm<高(H)<200mm。

2).对1)加工处理后的方形抛光材料各个表面涂上保护层，该保护层的作用主要是保护各抛光面在接下来的加工过程中不被划伤。对涂完保护层的方形抛光材料进行切片，如图4所示，切割后的片形料厚度3mm<d<4mm，厚度控制一方面可以减少不必要的材料浪费，另一方面可以为后续修磨提供余量。

3).对2)切割后的片料去除保护层，对其进行双面研磨、抛光，使其上下两表面平行度偏差小于1’(为了使物方光束经光波导表面反射调制后其光线会聚偏差满足成像要求)，抛光完成后平行平板厚度d<1.5mm，最终加工完成的平行平板厚度与成像质量有关，厚度越小聚焦成像的单像素尺寸越小，成像清晰度越高。

4).对3)加工后的平行平板进行切割，如图5所示，将其切割成长度为10<L’<200mm，厚度为d’<1.5mm，宽度3mm<W0<4mm的条形光波导，宽度控制一方面可以减少不必要的材料浪费，另一方面可以为后续修磨提供余量。

5).对4)切割的条形光波导两侧抛光面镀铝膜，主要是为了避免后续各表面胶合后胶合面杂质、气泡、以及胶与材料折射率不匹配破坏胶合面两侧全反射特性，影响成像，如图6所示。

6).对5)镀膜后的的条形光波导进行涂胶拼接，胶的类型是热固胶。将条形波导两侧镀膜面两两贴合，拼接成如图7所示的条形光波导平板阵列，在涂胶拼接时，需要检测平板阵列两侧平行度偏差<1’(为了使物方光束经光波导表面反射调制后其光线会聚偏差满足成像要求)，此时对胶进行固化，形成条形光波导阵列平板。

7).对6)的条形光波导阵列平板上下表面进行研磨、抛光，抛光后上下表面平行度<1’且上下表面与侧面垂直度偏差小于<1’(为了使物方光束经光波导表面反射调制后其光线会聚偏差满足成像要求)。

8).对7)加工后的条形光波导阵列平板涂保护层后进行切割，切割成如图2中IM1、IM22所示的两组光波导阵列平板。

9).对8)的两组光波导阵列平板按照排列方向相互垂直的方式进行胶合，胶的类型可以是光敏胶、热敏胶等透明胶质材料。

10).为了保护9)制作的两组光波导阵列平板，需要在其两侧加如图1中所示的保护窗片IM0、IM3，保护玻璃与光波导阵列平板之间的胶合材料可使用光敏胶或热敏胶等透明胶质材料，既得如图1所示的单列多排等效负折射率平板透镜。

实施例2

对实施例1获得的单列多排等效负折射率平板透镜成像原理进行说明，如下：

本发明涉及核心成像元件为IM1和IM2两块正交单排多列等效负折射率光波导阵列平板，如图8所示，其可实现物像方点对点无像差成像。具体原理如图9所示，A侧物方光线经等效负折射率平板透镜光波导内部反射，其存在一次或多次反射，其将光束传导至B侧像方的同时，将其调制成镜像光线，重新会聚成像。对IM1和IM2进行拆解，如图10所示，物方单点光线经单侧等效负折射率平板透镜后，被各排光波导分割进行镜像调制，然后重新会聚在与光波导长边平行的一条直线上，形成点对线一维成像效果。为了实现两个方向均交于一点，即实现等效负折射率平板透镜点对点成像效果，将两组光波导联合使用，即两光波导排布方向相互垂直，可对目标物像进行点对点调制，成像效果与负折射率材料制成的平板透镜一致(参考图8)。由于本方法光波导只能对物光部分调制，如图11所示，镜像调制光b’参与成像，b光将保持原物光特性形成杂光。将两块相互垂直的两组光波导组合的每个单元等效为一方形波导进行杂光分析如图12所示，组合波导在像方产生四束光，其中至少有两束光到达像面，一束参与成像，一束作为杂光影响成像。为了避免图12所示杂光，需将两组光波导阵列旋转45°且相互正交排布，从而消除杂光影响，如图所示13。该成像原理最终的成像效果与负折射率材料制成的平板透镜一致。

综上，本发明具体实施中主要描述了单排多列等效负折射率平板透镜的加工工艺以及平板透镜的成像原理，按照本发明加工工艺制作的等效负折射率平板透镜，各光波导之间的差异较小，大大降低各波导差异引起的图像剪切缺陷。同时本发明平板透镜对所使用的材料均可为常规光学材料，利用本加工工艺可以在较短时间内实现高精度加工。条形光波导双面镀膜，避免了胶合过程中产生的气泡、杂质等缺陷对成像的影响，大大降低了胶合工艺的难度。实现高清成像的同时，容易批量化生产，成本较低。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种单列多排等效负折射率平板透镜的加工工艺，其特征在于，包括：

(1)将光学材料加工成上下表面为抛光面的平行平板；

(2)将平行平板沿其中一条边切割成条形光波导，所述条形光波导的长宽厚满足：10mm<长度<200mm，0.1mm<宽度<5mm，0.1mm<厚度<5mm；

(3)将条形光波导的两抛光面镀上铝膜；

(4)将各个条形光波导的镀膜面相互贴合形成单列多排条形光波导阵列；

(5)将条形光波导阵列置于热敏胶中浸泡，并压紧条形光波导阵列使贴合面之间的气泡以及多余胶排出；

(6)取出光波导阵列，采用加热处理的办法将条形光波导阵列固化，形成条形光波导阵列平板；

(7)对条形光波导阵列平板的两表面进行处理使其为抛光面且相互平行，然后切割成沿45°方向排布的两组条形光波导阵列平板；

(8)将两组条形光波导阵列平板按照排列方向相互垂直的方式进行胶合后在其两侧添加保护窗片既得。

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