CN114683448A - 用于头戴式显示器的光学透镜装置及其制造方法与模具 - Google Patents

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Abstract

一种用于头戴式显示器的光学透镜装置包含透明的支撑基材及设置于该支撑基材上的菲涅耳透镜。该菲涅耳透镜包括中央透镜单元及多个棱柱单元。所述棱柱单元相对于该中央透镜单元由近至远排列。每一棱柱单元具有底部、拔模面及倾斜面。该底部面向该支撑基材；该拔模面自该底部远离该支撑基材延伸；该倾斜面自该底部远离该支撑基材延伸至与该拔模面交会形成顶端。每一棱柱单元自该底部至该顶端的测量高度不大于75μm，该底部的宽度不大于250μm。本发明光学透镜装置的厚度薄且不易断裂可挠曲，不会在视觉上产生干扰线条，也可保持高转写率不易使视觉影像产生变形。

Description

用于头戴式显示器的光学透镜装置及其制造方法与模具
技术领域
本发明涉及一种光学透镜装置，特别是涉及一种用于头戴式显示器(head-mounted display,HMD)的光学透镜装置及其制造方法与模具。
背景技术
一般用于会聚或分散光线的光学透镜装置需要使用厚度具有毫米尺度的透镜，而具有菲涅耳透镜(Fresnel lens)结构的光学透镜装置有助于达成装置的薄型化。然而，使用具有菲涅耳透镜结构的光学透镜装置于头戴式显示器(HMD)时，往往会在人体视觉上产生干扰线条。
美国专利US10359545B2公开一种用于可头戴式设备(head-mountableapparatus)的弯曲的菲涅耳透镜，其通过基于折射率设置拔模面(draft facet)角度与光线折线路径一致(congruent)，能有效减少视觉上的干扰线条。但其透镜的弯曲度会受到严格的局限，且其未能避免视觉影像容易产生变形的问题。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种用于头戴式显示器的光学透镜装置，可以克服上述背景技术的缺点。
本发明的用于头戴式显示器的光学透镜装置包含透明的支撑基材及设置于该支撑基材上的菲涅耳透镜。该菲涅耳透镜包括中央透镜单元及多个棱柱单元。所述棱柱单元相对于该中央透镜单元由近至远排列。每一棱柱单元具有底部、拔模面(draft facet)及倾斜面(slope facet)。该底部面向该支撑基材；该拔模面自该底部远离该支撑基材延伸；该倾斜面自该底部远离该支撑基材延伸至与该拔模面交会形成顶端(apex)。每一棱柱单元自该底部至该顶端的测量高度不大于75μm，该底部的宽度不大于250μm。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，该底部的宽度范围为30-200μm。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，每一棱柱单元的高度范围为2-25μm。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，该菲涅耳透镜是由(甲基)丙烯酸系的紫外光可固化树脂所制得。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，该支撑基材是由选自于聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或其组合的材料所制得。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，该支撑基材的厚度不大于600μm。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，该支撑基材是呈曲率半径范围为0.5-15cm的曲面。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，每一棱柱单元的顶端是呈曲率半径不大于2μm的圆角。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，每一棱柱单元的拔模面与其相邻的棱柱单元的倾斜面交会形成沟槽底端，该沟槽底端呈曲率半径不大于2μm的圆角。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，所述棱柱单元是呈同心圆排列。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，所述棱柱单元彼此平行排列。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，还包含设置于该菲涅耳透镜及该支撑基材中至少一者上的保护膜。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，该中央透镜单元是呈凸面状或凹面状。
本发明的第二目的在于提供一种用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，包含：
提供透明的支撑基材；
提供模具，该模具包括中央透镜形成体(central lens-forming feature)及多个相对于该中央透镜形成体由近至远排列的棱柱形成槽。每一棱柱形成槽具有开口、底端、拔模面及倾斜面。该底端相反于该开口；该拔模面自该开口延伸至该底端；该倾斜面自该开口延伸至该底端以与该拔模面交会。自该开口至该底端的测量深度不大于75μm，相邻两个棱柱形成槽的拔模面间距不大于250μm；
在该支撑基材及该模具中至少一者上设置紫外光可固化树脂；
使该紫外光可固化树脂以该模具进行模塑；
以紫外光照射该紫外光可固化树脂以在该支撑基材上形成菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜包括中央透镜单元及多个棱柱单元；及
使该菲涅耳透镜脱离该模具。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，相邻两个棱柱形成槽的拔模面间距范围为30-200μm。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，每一棱柱形成槽的深度范围为2-25μm。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，该菲涅耳透镜是由(甲基)丙烯酸系的紫外光可固化树脂所制得。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，该支撑基材是由选自于聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或其组合的材料所制得。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，所述棱柱形成槽是呈同心圆排列。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，所述棱柱形成槽彼此平行排列。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，还包含在该菲涅耳透镜及该支撑基材中至少一者上设置保护膜。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，该中央透镜形成体是呈凹面状或凸面状。
本发明所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，该模具是滚轮模具，该中央透镜形成体及所述棱柱形成槽是设置于该滚轮模具的表面上。
本发明的第三目的在于提供一种用于制造头戴式显示器的光学透镜装置的模具，包含中央透镜形成体及多个棱柱形成槽。所述棱柱形成槽相对于该中央透镜形成体由近至远排列。每一棱柱形成槽具有开口、底端、拔模面及倾斜面。该底端相反于该开口；该拔模面自该开口延伸至该底端；该倾斜面自该开口延伸至该底端以与该拔模面交会。自该开口至该底端的测量深度不大于75μm，相邻两个棱柱形成槽的拔模面间距不大于250μm。
本发明用于制造头戴式显示器的光学透镜装置的模具，该模具是滚轮模具，该中央透镜形成体及所述棱柱形成槽是设置于该滚轮模具的表面上。
本发明的有益效果在于：该用于头戴式显示器的光学透镜装置的厚度薄，且不易发生断裂可挠曲，使用时不会在人体视觉上产生干扰线条，也可保持高转写率不易使视觉影像产生变形。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照附图的实施方式中清楚地呈现，其中：
图1是本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置的第一实施例的剖视示意图；
图2是该第一实施例的光学透镜装置的制造方法的具体实施例的步骤流程图；
图3是该第一实施例的光学透镜装置的制造方法的另一个具体实施例的步骤流程图；
图4是该第一实施例的光学透镜装置的工艺设备配置示意图；
图5是用于制造该第一实施例的光学透镜装置的模具的立体示意图；
图6是本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置的第二实施例的剖视示意图；及
图7是本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置的第三实施例的立体示意图。
具体实施方式
在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
以下将就本发明内容进行详细说明：
参阅图1，本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置包含透明的支撑基材1及设置于该支撑基材1上的菲涅耳透镜2。该菲涅耳透镜2包括中央透镜单元21及多个棱柱单元22。所述棱柱单元22相对于该中央透镜单元21由近至远排列。每一棱柱单元22具有底部221、拔模面222及倾斜面223。该底部221面向该支撑基材1；该拔模面222自该底部221远离该支撑基材1延伸；该倾斜面223自该底部221远离该支撑基材1延伸至与该拔模面222交会形成顶端224。每一棱柱单元22自该底部221至该顶端224的测量高度不大于75μm，该底部221的宽度不大于250μm。
优选地，该底部221的宽度范围为30-200μm。
优选地，每一棱柱单元22的高度范围为2-25μm。
优选地，该菲涅耳透镜2是由(甲基)丙烯酸系的紫外光可固化树脂20所制得。
优选地，该支撑基材1是由选自于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其组合的材料所制得。
优选地，该支撑基材1的厚度不大于600μm。更优选地，该支撑基材1的厚度范围为50-600μm。
优选地，该支撑基材1是呈曲率半径范围为0.5-15cm的曲面。
优选地，每一棱柱单元22的顶端224是呈曲率半径不大于2μm的圆角。
优选地，每一棱柱单元22的拔模面222与其相邻的棱柱单元22的倾斜面223交会形成沟槽底端225，该沟槽底端225呈曲率半径不大于2μm的圆角。
在本发明的部分实施例中，所述棱柱单元22是呈同心圆排列。在本发明的其他实施例中，所述棱柱单元22彼此平行排列。
优选地，本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置还包含设置于该菲涅耳透镜2及该支撑基材1中至少一者上的保护膜5。
优选地，该中央透镜单元21是呈凸面状或凹面状。在本发明的实施例中，该中央透镜单元21是呈凸面状。
参阅图2、图4及图5，本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，包含：
提供透明的支撑基材1；
提供模具3，该模具3包括中央透镜形成体31及多个相对于该中央透镜形成体31由近至远排列的棱柱形成槽32。每一棱柱形成槽32具有开口320、底端324、拔模面322及倾斜面323。该底端324相反于该开口320；该拔模面322自该开口320延伸至该底端324；该倾斜面323自该开口320延伸至该底端324以与该拔模面322交会。自该开口320至该底端324的测量深度不大于75μm，相邻两个棱柱形成槽32的拔模面322间距不大于250μm；
在该支撑基材1及该模具3中至少一者上设置紫外光可固化树脂20；
使该紫外光可固化树脂20以该模具3进行模塑；
以紫外光4照射该紫外光可固化树脂20以在该支撑基材1上形成菲涅耳透镜2，该菲涅耳透镜2包括中央透镜单元21及多个棱柱单元22；及
使该菲涅耳透镜2脱离该模具3。
优选地，相邻两个棱柱形成槽32的拔模面322间距范围为30-200μm。
优选地，每一棱柱形成槽32的深度范围为2-25μm。
优选地，该菲涅耳透镜2是由(甲基)丙烯酸系的紫外光可固化树脂20所制得。
优选地，该支撑基材1是由选自于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其组合的材料所制得。
在本发明的部分实施例中，所述棱柱形成槽32是呈同心圆排列。在本发明的其他实施例中，所述棱柱形成槽32彼此平行排列。
优选地，本发明的制造方法还包含在该菲涅耳透镜2及该支撑基材1中至少一者上设置保护膜5。
优选地，该中央透镜形成体31是呈凹面状或凸面状。在本发明的实施例中，该中央透镜形成体31是呈凹面状。
优选地，该模具3是滚轮模具3，该中央透镜形成体31及所述棱柱形成槽32是设置于该滚轮模具3的表面上。
本发明将就以下实施例来作进一步说明，但应了解的是，所述实施例仅为例示说明用，而不应被解释为本发明实施的限制。
参阅图1，本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置的第一实施例包含透明的支撑基材1及设置于该支撑基材1上的菲涅耳透镜2。该菲涅耳透镜2包括呈凸面状的中央透镜单元21及多个棱柱单元22。
所述棱柱单元22相对于该中央透镜单元21由近至远呈同心圆排列。每一棱柱单元22具有底部221、拔模面222及倾斜面223。该底部221面向该支撑基材1；该拔模面222自该底部221远离该支撑基材1延伸；该倾斜面223自该底部221远离该支撑基材1延伸至与该拔模面222交会形成顶端224。每一棱柱单元22的拔模面222与其相邻的棱柱单元22的倾斜面223交会形成沟槽底端225。在本实施例中，每一棱柱单元22自该底部221至该顶端224的测量高度约为15μm，该底部221的宽度约为180μm。
在本实施例中，该支撑基材1的厚度约为188μm且是呈曲率半径约为0.5cm的曲面。
在本实施例中，每一棱柱单元22的顶端224是呈曲率半径约为2μm的圆角，该沟槽底端225呈曲率半径约为2μm的圆角。
参阅图2、图4及图5，该第一实施例的光学透镜装置的制造方法的具体实施例为卷对卷工艺(roll-to-roll processing)，其包含以下步骤：
提供透明的PET支撑基材1。在该PET支撑基材1上涂布(甲基)丙烯酸系的紫外光可固化树脂20。在本实施例中，该紫外光可固化树脂20为购自于乔越实业有限公司(Sil-MoreIndustrial Ltd.)且产品型号为x-8060-1的紫外光可固化树脂。
提供滚轮模具3，该滚轮模具3包括设置于表面上的呈凹面状的中央透镜形成体31及多个棱柱形成槽32。所述棱柱形成槽32相对于该中央透镜形成体31由近至远呈同心圆排列。每一棱柱形成槽32具有开口320、底端324、拔模面322及倾斜面323。该底端324相反于该开口320；该拔模面322自该开口320延伸至该底端324；该倾斜面323自该开口320延伸至该底端324以与该拔模面322交会。在本实施例中，自该开口320至该底端324的测量深度范围为15μm，相邻两个棱柱形成槽32的拔模面322间距范围为180μm。每一棱柱形成槽32的底端324是呈尖角，每一棱柱形成槽32的拔模面322与其相邻的棱柱形成槽32的倾斜面323交会处呈尖角。
使该紫外光可固化树脂20以该滚轮模具3进行模塑。
在40℃中以波长为365nm的紫外光4照射该紫外光可固化树脂20(照射量约为250mJ/cm2)以在该PET支撑基材1上形成该菲涅耳透镜2，该菲涅耳透镜2包括该中央透镜单元21及所述棱柱单元22(参阅图1)。
使该菲涅耳透镜2脱离该滚轮模具3。
在该菲涅耳透镜2及该支撑基材1上分别形成保护膜5。该保护膜5的材料是选自于紫外光固化型硬化涂层(hard coating)(铅笔硬度为2H以上)、聚乙烯或聚丙烯。
参阅图3至图5，该第一实施例的光学透镜装置的制造方法的另一个具体实施例为卷对卷工艺，其包含以下步骤：
提供透明的PC支撑基材1。
提供滚轮模具3，该滚轮模具3如前一个具体实施例所述。在该滚轮模具3上涂布(甲基)丙烯酸系的紫外光可固化树脂20。在本实施例中，该紫外光可固化树脂20为购自于乔越实业有限公司(Sil-More Industrial Ltd.)且产品型号为x-8060-1的紫外光可固化树脂。
使该紫外光可固化树脂20以该滚轮模具3进行模塑。
在40℃中以波长为365nm的紫外光4照射该紫外光可固化树脂20(照射量约为250mJ/cm2)以在该PC支撑基材1上形成该菲涅耳透镜2，该菲涅耳透镜2包括该中央透镜单元21及所述棱柱单元22(参阅图1)。
使该菲涅耳透镜2脱离该滚轮模具3。
在该菲涅耳透镜2及该支撑基材1上分别形成保护膜5。该保护膜5的材料如前一个具体实施例所述。
参阅图6，本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置的第二实施例与上述该第一实施例类似，差异处在于该第二实施例的菲涅耳透镜2包括呈平面状的中央透镜单元21及多个棱柱单元22。
参阅图7，本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置的第三实施例包含透明的支撑基材1及设置于该支撑基材1上的菲涅耳透镜2。该菲涅耳透镜2包括呈凸面状的中央透镜单元21及多个棱柱单元22。
所述棱柱单元22相对于该中央透镜单元21由近至远彼此平行排列。每一棱柱单元22具有底部221、拔模面222及倾斜面223。该底部221面向该支撑基材1；该拔模面222自该底部221远离该支撑基材1延伸；该倾斜面223自该底部221远离该支撑基材1延伸至与该拔模面222交会形成顶端224。每一棱柱单元22的拔模面222与其相邻的棱柱单元22的倾斜面223交会形成沟槽底端225。在本实施例中，每一棱柱单元22自该底部221至该顶端224的测量高度约为15μm，该底部221的宽度约为180μm。
在本实施例中，该支撑基材1的厚度约为188μm且是呈曲率半径约为0.5cm的曲面。
在本实施例中，每一棱柱单元22的顶端224是呈曲率半径约为2μm的圆角，该沟槽底端225呈曲率半径约为2μm的圆角。
该第三实施例的光学透镜装置的制造方法与上述该第一实施例的光学透镜装置的制造方法类似，差异处在于该第三实施例的滚轮模具3的所述棱柱形成槽32相对于该中央透镜形成体31由近至远彼此平行排列。
综上所述，本发明用于头戴式显示器的光学透镜装置的厚度薄，且可呈曲率半径为0.5cm的曲面而不发生断裂可挠曲，使用时不会在人体视觉上产生干扰线条。此外，用于制造该光学透镜装置的模具3与其制得的光学透镜装置之间的结构尺寸误差小(即保持高转写率，误差小于约10％)，所述棱柱单元22的圆角的曲率半径小(近似于尖角)，因此该光学透镜装置使用时不易使视觉影像产生变形，所以确实能达成本发明的目的。
以上所述，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。

Claims (25)

1.一种用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：其包含：
透明的支撑基材；及
设置于该支撑基材上的菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜包括中央透镜单元及多个棱柱单元，所述棱柱单元相对于该中央透镜单元由近至远排列，每一棱柱单元具有面向该支撑基材的底部、自该底部远离该支撑基材延伸的拔模面及自该底部远离该支撑基材延伸至与该拔模面交会形成顶端的倾斜面，每一棱柱单元自该底部至该顶端的测量高度不大于75μm，该底部的宽度不大于250μm。
2.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：该底部的宽度范围为30-200μm。
3.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：每一棱柱单元的高度范围为2-25μm。
4.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：该菲涅耳透镜是由(甲基)丙烯酸系的紫外光可固化树脂所制得。
5.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：该支撑基材是由选自于聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或其组合的材料所制得。
6.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：该支撑基材的厚度不大于600μm。
7.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：该支撑基材是呈曲率半径范围为0.5-15cm的曲面。
8.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：每一棱柱单元的顶端是呈曲率半径不大于2μm的圆角。
9.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：每一棱柱单元的拔模面与其相邻的棱柱单元的倾斜面交会形成沟槽底端，该沟槽底端呈曲率半径不大于2μm的圆角。
10.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：所述棱柱单元是呈同心圆排列。
11.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：所述棱柱单元彼此平行排列。
12.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：该光学透镜装置还包含：设置于该菲涅耳透镜及该支撑基材中至少一者上的保护膜。
13.根据权利要求1所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置，其特征在于：该中央透镜单元是呈凸面状或凹面状。
14.一种用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：其包含：
提供透明的支撑基材；
提供模具，该模具包括中央透镜形成体及多个相对于该中央透镜形成体由近至远排列的棱柱形成槽，每一棱柱形成槽具有开口、相反于该开口的底端、自该开口延伸至该底端的拔模面及自该开口延伸至该底端以与该拔模面交会的倾斜面，自该开口至该底端的测量深度不大于75μm，相邻两个棱柱形成槽的拔模面间距不大于250μm；
在该支撑基材及该模具中至少一者上设置紫外光可固化树脂；
使该紫外光可固化树脂以该模具进行模塑；
以紫外光照射该紫外光可固化树脂以在该支撑基材上形成菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜包括中央透镜单元及多个棱柱单元；及
使该菲涅耳透镜脱离该模具。
15.根据权利要求14所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：相邻两个棱柱形成槽的拔模面间距范围为30-200μm。
16.根据权利要求14所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：每一棱柱形成槽的深度范围为2-25μm。
17.根据权利要求14所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：该菲涅耳透镜是由(甲基)丙烯酸系的紫外光可固化树脂所制得。
18.根据权利要求14所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：该支撑基材是由选自于聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或其组合的材料所制得。
19.根据权利要求14所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：所述棱柱形成槽是呈同心圆排列。
20.根据权利要求14所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：所述棱柱形成槽彼此平行排列。
21.根据权利要求14所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：该制造方法还包含：在该菲涅耳透镜及该支撑基材中至少一者上设置保护膜。
22.根据权利要求14所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：该中央透镜形成体是呈凹面状或凸面状。
23.根据权利要求14所述的用于头戴式显示器的光学透镜装置的制造方法，其特征在于：该模具是滚轮模具，该中央透镜形成体及所述棱柱形成槽是设置于该滚轮模具的表面上。
24.一种用于制造头戴式显示器的光学透镜装置的模具，其特征在于：其包含：
中央透镜形成体；及
多个棱柱形成槽，相对于该中央透镜形成体由近至远排列，每一棱柱形成槽具有开口、相反于该开口的底端、自该开口延伸至该底端的拔模面及自该开口延伸至该底端以与该拔模面交会的倾斜面，自该开口至该底端的测量深度不大于75μm，相邻两个棱柱形成槽的拔模面间距不大于250μm。
25.根据权利要求24所述的用于制造头戴式显示器的光学透镜装置的模具，其特征在于：该模具是滚轮模具，该中央透镜形成体及所述棱柱形成槽是设置于该滚轮模具的表面上。
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