CN114089476A - 光波导镜片、制备光波导镜片的方法、增强现实设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光波导镜片、制备光波导镜片的方法、增强现实设备。其中，光波导镜片包括：基板，所述基板具有耦入区域和耦出区域，分别设置于所述耦入区域和所述耦出区域的光栅结构，其中，所述基板和所述光栅结构均为塑料材质，且所述基板和所述光栅结构为一体化结构。该塑料光波导镜片的密度小、重量轻，佩戴舒适性好，且跌落时不易碎，安全性高。另外，该光波导镜片的基板和光栅结构均为塑料材质，可通过一体注塑成型得到，生产成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，具体而言，本发明涉及光波导镜片、制备光波导镜片的方法、制备光波导镜片和增强现实设备。
背景技术
作为目前增强现实(Augmented Reality，简称为AR)设备的主要技术方案，光波导可以将微型投影机投射的光传导到AR眼镜的前方，在人眼前方的实像之上叠加一个虚像，即具有增强现实的功能。以表面浮雕光栅为技术基础的衍射光波导是实现AR光波导的主流技术方案之一。现有表面浮雕光栅的衍射光波导一般制作在玻璃基板上，制造过程为：预先制作光栅模板，然后在玻璃基板上涂布压印胶，通过纳米压印工艺，利用光栅模板使压印胶形成光栅结构。但是由于玻璃基板密度较大，因而佩戴重量大，用户体验不友好；并且由于玻璃较脆，玻璃基板光波导的机械可靠性较差，因而跌落时非常易碎，而且玻璃碎裂为尖锐玻璃渣具有危险性。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明提供一种光波导镜片，该光波导镜片包括：基板，所述基板具有耦入区域和耦出区域，分别设置于所述耦入区域和所述耦出区域的光栅结构，其中，所述基板和所述光栅结构均为塑料材质，且所述基板和所述光栅结构为一体化结构。该塑料光波导镜片的密度小、重量轻，佩戴舒适性好，且跌落时不易碎，安全性高。另外，该光波导镜片的基板和光栅结构均为塑料材质，可通过一体注塑成型得到，生产成本更低。
本发明还提供一种制备光波导镜片的方法，该方法包括：在第一基板上形成光栅结构，得到第一模板；将所述光栅结构转印至第二基板上，得到具有与所述光栅结构互补的结构的第二模板；将所述第二模板置于注塑模具中，向所述注塑模具的模腔中注入塑料，得到基板和光栅结构均为塑料材质的一体化的光波导镜片。该方法通过注塑的方式制备基板和光栅结构均为塑料材质的一体化光波导镜片，生产成本更低，且制备得到的光波导镜片密度小、重量轻，佩戴舒适性好，且跌落时不易碎，安全性高。
本发明还提供一种增强现实设备，该增强现实设备包括光波导镜片，所述光波导镜片为如前所述的光波导镜片，或者如前所述的方法制备得到的光波导镜片。由此，该增强现实设备的佩戴舒适性好，跌落时不易碎，且生产成本更低。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施方式中光波导镜片的示意图；
图2是本发明一个实施方式中光波导镜片的示意图；
图3是本发明一个实施方式中制备光波导镜片的方法流程图；
图4是本发明一个实施方式中制备光波导镜片的方法中所使用注塑模具的示意图。
附图标记：
10-基板，11-耦入区域，12-耦出区域，20-光栅结构，
41-第一结构件，42-第二结构件，43-模腔，44-注塑孔，
410-第一结构件的内侧表面，420-第二结构件的内侧表面。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
现有的增强现实设备使用的光波导镜片主要采用玻璃基板，并利用光栅模板在玻璃基板上压印形成光栅结构。但是由于玻璃基板密度较大，因而佩戴重量大，用户体验不友好；并且由于玻璃较脆，玻璃基板光波导的机械可靠性较差，因而跌落时非常易碎，而且玻璃碎裂为尖锐玻璃渣具有危险性。为改善上述技术问题，本发明提供一种光波导镜片，参考图1和图2，该光波导镜片包括：基板10，基板10具有耦入区域11和耦出区域12，分别设置于耦入区域11和耦出区域12的光栅结构20，所述基板10和所述光栅结构20均为塑料材质，且所述基板10和所述光栅结构20为一体化结构。该塑料光波导镜片的密度小、重量轻，佩戴舒适性好，且跌落时不易碎，安全性高。另外，该光波导镜片的基板和光栅结构均为塑料材质，可通过一体注塑成型得到，生产成本更低。
形成基板10和光栅结构20的具体材料并不受特别限制，例如可以采用本领域常见的光学塑料。在本发明的一些实施方式中，形成基板10和光栅结构20的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COP)、聚酰胺(PA)中的至少一种。更优选地，形成基板10和光栅结构20的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、环烯烃聚合物、聚酰胺中的一种。另外，示例性的，聚甲基丙烯酸甲酯可以采用住友化学SUMIPEX Clear 011材料，聚碳酸酯可以采用三菱化学EP-8000RBL材料，环烯烃聚合物可以采用日本瑞翁ZEONEX E48R材料，聚酰胺可以采用巴斯夫PA66材料。
另外，在本发明的一些实施方式中，形成基板10和光栅结构20的材料的折射率为1.4～1.8，透过率不低于85％。通过采用满足上述条件的材料形成基板10和光栅结构20，可以进一步提高光波导镜片的成像效果。
在本发明的光波导镜片中，光栅结构20突出设置于基板10的表面上，光栅结构20包括多个状相同且彼此平行的子结构。光栅结构20的具体结构并不受特别限制，在本发明的一些实施方式中，光栅结构20可以为二元光栅、倾斜光栅、闪耀光栅或二维光栅。一般来说，二元光栅的子结构之间存在凹谷结构，倾斜光栅的子结构与基板之间存在一定的夹角(例如存在5°～90°的夹角)，闪耀光栅的子结构截面为锯齿形，二维光栅指在两个正交方向(例如X轴、Y轴)上均具有周期性子结构的光栅结构。在本发明的一些实施方式中，光栅结构20的周期可以为200nm～800nm，例如200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm等；光栅结构20的深度不大于300nm，例如可以为300nm、200nm、100nm、50nm、10nm、1nm等。
在本发明的一些实施方式中，光波导镜片的厚度可以为0.3mm～10mm，例如0.3mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm等，优选为0.5mm～1mm。可以理解的是，上述厚度是指光波导镜片中基板10和光栅结构20的总厚度。
本发明还提供一种制备光波导镜片的方法，参考图3，该方法包括：
步骤101：在第一基板上形成光栅结构，得到第一模板。
在本发明的一些实施方式中，通过在第一基板上涂布光刻胶，并进行曝光和显影，形成光栅结构。另外，需要说明的是，形成光栅结构的具体操作条件、参数等并不受特别限制，可以根据实际所需的光栅结构确定。另外，在本发明的一些实施方式中，第一基板预先经过清洗。
步骤102：将光栅结构转印至第二基板上。
该步骤中，将光栅结构转印至第二基板上，得到具有与光栅结构互补的结构的第二模板。在本发明的一些实施方式中，可以通过电铸工艺将光栅结构转印至第二基板上，从而在第二基板上获得与原第一基板上光栅结构的互补结构，进而利用第二模板进行注塑成型，得到具有原光栅结构的光波导镜片产品。
为了进一步提高制备得到的光波导镜片中基板表面的平整度，从而提高光波导镜片的光学表现，在本发明的一些实施方式中，上述第一基板和/或第二基板的总厚度变化量不大于50μm，上述第一基板和/或第二基板的表面粗糙度不大于5nm。通过控制第一基板和/或第二基板满足上述条件，制备得到的光波导镜片中基板表面的平整度更佳。
在本发明的一些实施方式中，上述第一基板为玻璃材质，上述第二基板为金属材质。发明人发现，玻璃基板表面容易光刻形成光栅结构，但是考虑到第一基板是由玻璃和光刻胶组成，而光刻胶不耐高温并且容易损伤，难以满足注塑要求，因而将光栅结构的互补结构转印至一金属基板上，以便于后续注塑得到具有原光栅结构的光波导镜片产品。
步骤103：使用第二模板注塑得到光波导镜片。
该步骤中，将第二模板置于注塑模具中，向所述注塑模具的模腔中注入塑料，得到基板和光栅结构均为塑料材质的一体化的光波导镜片。具体地，可以将注塑材料烘干后加热熔化，并注入到注塑模具中并保压，熔化的注塑材料即可根据第二模板中光栅结构的互补结构，成型为具有原光栅结构的光波导镜片产品。
注塑材料的具体种类并不受特别限制，例如可以采用本领域常见的光学塑料。在本发明的一些实施方式中，注塑材料选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COP)、聚酰胺(PA)中的至少一种。更优选地，注塑材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、环烯烃聚合物、聚酰胺中的一种。另外，示例性的，聚甲基丙烯酸甲酯可以采用住友化学SUMIPEX Clear 011材料，聚碳酸酯可以采用三菱化学EP-8000RBL材料，环烯烃聚合物可以采用日本瑞翁ZEONEX E48R材料，聚酰胺可以采用巴斯夫PA66材料。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，注塑成型完成并冷却后，可以根据实际需要对注塑得到的光波导镜片进行形状切割。
参考图4，在本发明的一些实施方式中，上述注塑模具包括：第一结构件41和第二结构件42，第一结构件41和第二结构件42可拆卸地连接，且第一结构件41和第二结构件42限定有封闭的模腔43(即注塑用模腔)；第一结构件41的内侧表面410适于设置上述第二模板；第二结构件42上设有连通至模腔43的注塑孔44。换言之，上述注塑模具包括：第一结构件41和第二结构件42，第一结构件41和第二结构件42可拆卸地连接以限定封闭的模腔43；第一结构件41的内侧表面410适于设置上述第二模板；第二结构件42上设有连通至模腔43的注塑孔44，通过注塑孔44向模腔43中注入塑料。
为便于理解，下面对采用上述注塑模具制备光波导镜片的方法进行描述。
首先，将上述第二模板置于模腔43中，并将第二模板中的第二基板贴合第一结构件41的内侧表面410设置。由此，模腔43内的剩余空间即为目标光波导镜片产品的形状。
进一步地，通过注塑孔44向模腔43内注塑，将熔化的注塑材料注入到模腔43中并保压，即可得到基板和光栅结构均为塑料材质的一体化光波导镜片。换言之，熔化的注塑材料可以根据模板中光栅结构的互补结构，成型为具有原光栅结构的光波导镜片产品。
在本发明的一些实施方式中，第二结构件42的内侧表面420的总厚度变化量不大于50μm，表面粗糙度不大于5nm。通过控制第二结构件42的内侧表面420满足上述条件，制备得到的光波导镜片中基板表面的平整度更佳。
在本发明的一些实施方式中，第二结构件42的内侧表面420设有金属板或玻璃板。金属板或玻璃板的表面平整度相比塑料板更高，因而可以使最终注塑成型得到的光波导表面平整度更高，光学表现更好。由此，第二结构件42的内侧表面420的平整度更佳，制备得到的光波导镜片中基板表面的平整度更佳。
本发明还提供一种增强现实设备，该增强现实设备包括光波导镜片，所述光波导镜片为如前所述的光波导镜片，或者如前所述的方法制备得到的光波导镜片。由此，该增强现实设备的佩戴舒适性好，跌落时不易碎，且生产成本更低。另外，该增强现实设备还具有前文针对光波导镜片所描述的全部特征和优点，在此不再一一赘述。
在本发明的一些实施方式中，上述增强现实设备为增强现实眼镜。具体地，该增强现实眼镜的镜片中包括如前所述的光波导镜片、光机和电源，其中，电源为光机供电，光机设在增强现实眼镜光波导镜片靠近人眼的一侧，即位于光波导镜片和人眼之间，例如可以固定在光波导镜片靠近人眼的局部表面上，其中光机与电源可以直接或间接电连接；另外，电源的具体类型并不做特别限制，例如可以为一次电池、蓄电池、纽扣电池或外接电源等，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
在本发明的一些实施方式中，增强现实眼镜还可以包括眼镜本体(例如镜框、固定支架等)，以及麦克风、语音控制器、摄像头等辅助功能设备，此外还可以包括用于与智能终端进行数据传输的数据线，再者可以包括蓝牙模块、WiFi模块、定位模块等智能模块，由此可以与智能终端(例如电子设备，具体可以包括手机、平板、电脑、智能手表、包括游戏机等在内的影音设备、导航设备、无人机、摄像机等)进行无线数据传输，实现信息交互，以达到更好的仿真效果，从而能够获得更好的影音娱乐、导航、教育(培训)体验，同时，在器件组装、维修等方面也能达到更直观的效果，具有广阔的应用前景。可以理解的是，该智能终端的具体类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际使用需求进行选择。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个实施方式”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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 (15)
1.一种光波导镜片，其特征在于，包括：
基板，所述基板具有耦入区域和耦出区域；
分别设置于所述耦入区域和所述耦出区域的光栅结构，
其中，所述基板和所述光栅结构均为塑料材质，且所述基板和所述光栅结构为一体化结构。
2.根据权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，形成所述基板和所述光栅结构的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、环烯烃聚合物、聚酰胺中的至少一种，折射率为1.4～1.8，透过率不低于85％。
3.根据权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，所述光栅结构突出设置于所述基板的表面上，所述光栅结构包括多个形状相同且彼此平行的子结构。
4.根据权利要求1或3所述的光波导镜片，其特征在于，所述光栅结构为二元光栅、倾斜光栅、闪耀光栅或二维光栅。
5.根据权利要求1或3所述的光波导镜片，其特征在于，所述光栅结构的周期为200nm～800nm，深度不大于300nm。
6.根据权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，所述光波导镜片的厚度为0.3mm～10mm。
7.一种制备光波导镜片的方法，其特征在于，包括：
在第一基板上形成光栅结构，得到第一模板；
将所述光栅结构转印至第二基板上，得到具有与所述光栅结构互补的结构的第二模板；
将所述第二模板置于注塑模具中，向所述注塑模具的模腔中注入塑料，得到基板和光栅结构均为塑料材质的一体化的光波导镜片。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过在所述第一基板上涂布光刻胶，并进行曝光和显影，形成所述光栅结构。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一基板和/或所述第二基板的总厚度变化量不大于50μm，所述第一基板和/或所述第二基板的表面粗糙度不大于5nm。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一基板为玻璃材质，所述第二基板为金属材质。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述注塑模具包括：
第一结构件和第二结构件，所述第一结构件和所述第二结构件可拆卸地连接以限定封闭的所述模腔；
所述第一结构件的内侧表面适于设置所述第二模板；
所述第二结构件上设有连通至所述模腔的注塑孔，通过所述注塑孔向所述模腔中注入塑料。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二结构件的内侧表面的总厚度变化量不大于50μm，表面粗糙度不大于5nm。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二结构件的内侧表面设有金属板或玻璃板。
14.一种增强现实设备，其特征在于，包括光波导镜片，所述光波导镜片为权利要求1～6任一项所述的光波导镜片，或者权利要求7～13任一项所述的方法制备得到的光波导镜片。
15.根据权利要求14所述的增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备为增强现实眼镜，所述增强现实眼镜包括：光机、电源和所述光波导镜片，其中，所述电源为所述光机供电，所述光机设在所述光波导镜片靠近人眼的一侧。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114851608A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-08-05 | Oppo广东移动通信有限公司 | 光波导镜片及其制备方法和增强现实设备 |
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| CN103328176A (zh) * | 2011-01-14 | 2013-09-25 | 吉坤日矿日石能源株式会社 | 微细图案转印用模具的制造方法及使用该模具的衍射光栅的制造方法、以及具有该衍射光栅的有机el元件的制造方法 |
| CN103472682A (zh) * | 2013-09-03 | 2013-12-25 | 南昌航空大学 | 基于掩模光刻技术和注塑成型制作衍射微光学元件的方法 |
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2021
- 2021-11-25 CN CN202111413505.7A patent/CN114089476A/zh active Pending
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