CN115466477A - 光学材料及制备方法、镜片、镜头、摄像模组和电子设备 - Google Patents

光学材料及制备方法、镜片、镜头、摄像模组和电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及光学材料及制备方法、镜片、镜头、摄像模组及电子设备。光学材料包括光学塑料及去应力物质，去应力物质与所述光学塑料混合，所述去应力物质用于消除或者削弱所述光学塑料成型过程中的内应力；其中，所述光学塑料与所述去应力物质的质量比15‑60:1。本申请实施例提供的光学材料，通过在光学塑料中混入去应力物质，使得去应力物质能够消除或者削弱光学塑料射出成型过程产生的内应力，进而提高光学材料的面形精度、降低光学材料的双折射性。

Description

光学材料及制备方法、镜片、镜头、摄像模组和电子设备
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体是涉及一种光学材料及制备方法、镜片、镜头、摄像模组及电子设备。
背景技术
光学塑料譬如有机玻璃因具有高透光率、高抗冲击形、质量轻、耐温性好等优点，已成为最重要的光学材料之一。但是，光学塑料的吸水性高、面型应力大、光弹性系数高，使得光学塑料的双折射较大，影响光学塑料的光学性能。
发明内容
本申请提供一种光学材料、镜片、镜头、摄像模组及电子设备，用于降低光学材料的双折射，进而提高其光学性能。
本申请提供了一种光学材料，包括：
光学塑料；以及
去应力物质，与所述光学塑料混合，所述去应力物质用于消除或者削弱所述光学塑料成型过程中的内应力；
其中，所述光学塑料与所述去应力物质的质量比15-60:1。
本申请实施例提供的光学材料，通过在光学塑料中混入去应力物质，使得去应力物质能够消除或者削弱光学塑料射出成型过程产生的内应力，进而提高光学材料的面形精度、降低光学材料的双折射性，以满足其在AR/VR用作面罩及光学镜片要求，避免出现重影。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的电子设备的分解示意图；
图2是本申请又一实施例提供的电子设备的立体示意图；
图3是相关技术中石英玻璃的双折射-位相差图像；
图4时相关技术中聚甲基丙烯酸甲酯的双折射-位相差图像；
图5是相关技术中聚碳酸酯的双折射-位相差图像；
图6是本申请实施例提供的的光学材料的的的双折射-位相差图像；
图7为本申请实施例提供的光学材料在有负荷和无负荷两种状态下的双折射-位相差图像；
图8为相关技术中石英玻璃在有负荷和无负荷两种状态下的双折射-位相差图像；
图9是本申请实施例提供的光学材料的制备流程示意图；
图10是图1所示的电子设备中摄像组件的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参照图1，图1是本申请实施例提供的电子设备100的立体示意图。本申请提供一种电子设备100。具体地，该电子设备100可以为移动或便携式并执行无线通信的各种类型的计算机系统设备中的任何一种(图1中只示例性的示出了一种形态)。具体地，电子设备100可以为移动电话或智能电话(例如，基于iPhoneTM，基于AndroidTM的电话)，便携式游戏设备(例如NintendoDSTM，PlayStationPortableTM，GameboyAdvanceTM，iPhoneTM)、膝上型电脑、PDA、便携式互联网设备、音乐播放器以及数据存储设备，其他手持设备以及诸如头戴式耳机等，电子设备100还可以为其他的需要充电的可穿戴设备(例如，诸如电子手镯、电子项链、电子设备100或智能手表的头戴式设备(HMD))。
电子设备100还可以是多个电子设备100中的任何一个，多个电子设备100包括但不限于蜂窝电话、智能电话、其他无线通信设备、个人数字助理、音频播放器、其他媒体播放器、音乐记录器、录像机、其他媒体记录器、收音机、医疗设备、车辆运输仪器、计算器、可编程遥控器、寻呼机、膝上型计算机、台式计算机、打印机、上网本电脑、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、运动图像专家组(MPEG-1或MPEG-2)音频层3(MP3)播放器，便携式医疗设备以及数码相机及其组合等设备。
在一些情况下，电子设备100可以执行多种功能(例如，播放音乐，显示视频，存储图片以及接收和发送电话呼叫)。如果需要，电子设备100可以是诸如蜂窝电话、媒体播放器、其他手持设备、腕表设备、吊坠设备、听筒设备或其他紧凑型便携式的设备。
在一些情况下，电子设备100还可以是增强现实(AugmentedReality，AR)或者虚拟现实技术(英文名称：VirtualReality，为VR)头戴式电子设备100，譬如AR/VR眼镜等，在此不做具体限制。
需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“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。
本申请实施例提供一种光学材料，光学材料应用于电子设备100的摄像模组60中或者镜片10中，用于提高摄像模组60或者镜片10的光学性能。
相关技术中，光学材料通常通常可包括两类：一类是光学超薄玻璃，但是玻璃存在密度高、质量大且易碎的问题，影响电子设备100的重量和可靠性；另一类是光学塑料譬如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)有机玻璃、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)等，但是这类光学塑料面形精度差，光弹性系数高。
具体地，目前的电子设备100对光学材料的透明性能要求越来越高，不仅要求光学材料具有良好的光学结构，还要性能均匀稳定。传统的玻璃应力光学系数极低，可以满足该项要求，但是光学塑料譬如聚碳酸酯的应力光学系数达到80Brewsters，极易产生光学性能的不均匀性。
相关技术中的光学材料的镜片10在射出成型的过程中，通常经过充填、保压、和冷却三个阶段。充填过程中，光学塑料的高分子结构经过螺杆转动时熔融的高温、喷嘴填充时流场的急速，进入塑性的模具中并受磨具内壁表面低温影响冷凝。保压阶段，高分子结构在高压作用下将额外的溶胶形状的高分子结构挤入模具，以确保高分子结构充满模具。然后，高分子结构经冷却后形成成品，也即冷却阶段。但是，高分子结构在生成光学塑料的过程中，其物理性能譬如粘弹性发生了剧烈的变化，使得光学塑料有诸多缺陷譬如内应力残留，而内应力残留会产生体积收缩、翘曲变形以及双折射问题。
内应力的残留主要由两方面产生：其一，在保压阶段，高分子结构的温度高于光学塑料转化温度，此时高分子结构具有较大的粘弹性，并在熔融状态流动过程中产生高剪切力，与模具内壁贴合的高分子链随即固化，定向的流动使得高分子排向应力无法完全松弛至释放，以致产生流动残留应力。其二，高分子结构在快速冷却凝固生成光学塑料的过程中，不同区域的压力与温度变化存在移动的区别，因此会产生不均匀的体积收缩和密度变化，使得高分子结构无法均匀释放体积收缩过程中产生的内部应力，也即产生热残余应力。并且，高分子结构的冷却凝结自表面向内部延伸，且内部中心区域的凝结速度远低于外表面，使得高分子链之间受到相互牵制并产生残余应力。
残留的内应力不仅影响光学材料的峰值与谷值的差值(PeaktoValley，PV)值，而且使得光学塑料内部均匀性差，影响其光弹性系数。
本申请实施例提供一种新的光学材料，可包括光学塑料和去应力物质，其中去应力物质与光学塑料混合，用于消除光学塑料成型过程中的内应力，进而提高光学材料的面形精度和光弹性系数。
本实施例中，光学塑料可包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚碳酸脂(PC)、苯乙烯丙烯腈(acrylonitrile-styrenecopolymer，SAN)中的至少一种。
其中，PMMA具有密度低、机械强度高和光学性能好的优点。具体地，PMMA密度大约在1.15-1.19g/cm3，是石英玻璃(2.40-2.80g/cm3)的一半。PMMA的相对分子质量大约为200万，是长链的高分子聚合物，而且形成分子的链很柔软，因此，PMMA的强度比较高，抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7～18倍。PMMA是目前最优良的高分子透明材料，透光率达到92％，比玻璃的透光度高。
聚苯乙烯无色透明,在光稳定性方面仅次于PMMA，但抗放射线能力是所有塑料中最强的。聚苯乙烯最重要的特点是熔融时的热稳定性和流动性非常好，所以易成型加工，特别是注射成型容易，适合大量生产。成型收缩率小，成型品尺寸稳定性也好。PS具有优良的光学性能，透光率达88％～92％、折射率为1.59～1.60，可以透过所有波长的可见光，透明性材料在塑料中仅次于有机玻璃等丙烯酸类聚合物。
聚碳酸酯无色透明，具有较好的光学性能。同性能接近的PMMA相比，聚碳酸酯的耐冲击性能好，折射率高，加工性能好。
苯乙烯丙烯腈具有较好的光学性能，其密度约为1.06-1.08g/cm3，折射率1.57，具有高光泽、高透明、高冲击、良好的耐热性和机械性能。
本实施例中，去应力物质包括环烯烃聚合物树脂(CycloOlefinPolymer，COP)、双环戊二烯聚合物中(polydicyclopentadiene，DCPD)的至少一种。
其中，COP是透明的共聚树脂，不仅具有良好的光学性能，它的透明度与PMMA和PC相媲美，而且具有负性折射性，与光学塑料混合后能够减小光学塑料化合物中的应力，减小光学材料共混化合物中的应力残余。
双环戊二烯聚合物具有负性折射性，与光学塑料混合后能够减小光学塑料化合物中的应力，减小光学材料共混化合物中的应力残余。
其中，以聚碳酸酯(PC)为主材料的光学材料具有优异的光学性能、耐冲击性和耐氧化分解，可广泛应用于汽车的雾灯、信号灯的等透镜等领域。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为主材料的光学材料在机械性能、模塑加工性、耐候性、光学性能譬如透明性、低色散、低双折射等具有良好的性能，可广泛应用于摄像机、电视、透镜材料、光学结构、光学纤维等领域。
本实施例中，光学塑料与去应力物质的质量比为15-60：1，换言之，按重量份光学塑料取93-99份，去应力材料取7-1份。通过上述配比，使得光学材料既能够保持光学塑料原有的材料特性，又能够消除或者削弱光学材料中的内应力，进而提高光学塑料面形精度，降低光弹性系数。
在又一些实施例中，光学塑料与去应力物质的质量比为(20-50)：1，换言之，按重量份光学塑料取95-98份，去应力材料取5-2份。在其他实施例中，光学塑料与去应力物质的质量比为25：1、30：1、35:1或者40:1等，在此不一一列举。
在本实施例的一个具体实施方式中，光学塑料采用聚甲基丙烯酸甲酯、去应力环合物采用双环戊二烯聚合物，且聚甲基丙烯酸甲酯与双环戊二烯聚合物的质量比为30:1为例，在300℃温度、熔融指数为40g/10min～70g/10min的状态下共混互溶后得到光学材料。
表一：聚甲基丙烯酸甲酯与双环戊二烯聚合物按照质量比为30:1互混注塑成型多个光学材料样本的PV值。
Figure BDA0003843948790000061
Figure BDA0003843948790000071
其中，PV(面形)值是评价镜面表面面形的指标之一，包括PV值、PV20值和PVq值，其中PV值为被检测面相对于参考面最高点与最低点之间的差值；PV20值为手动去除一些毛刺高点从而得到PV值被检测面上最高的10个点平均值与最低点10个点平均值之差；PVq值为去掉原始被面数据的0.5％的最大值和0.5％的最小值得到的PV值。
PV值在用UA3P检测仪进行测量时具有较大的波动性，易受环境影响。为更有效地对AR/VR镜片10非球面面形精度做出评价，通过实验检验三种评价标准PV、PV20、PVq对真实表面的反映情况。结果显示PV20、PVq对环境因素相对不敏感，可以在一定程度上排除脏污点等奇异点对测量结果的不良影响；同时证明PV20、PVq对检测精度的变化相对不敏感，以及在批次生产中具有较好的评价稳定性。
而相关技术中能够的光学塑料的经过注塑后的镜片10材料，由于面形PV值波动很大。也即，本申请实施例提供的光学材料的PV值远低于相关技术中光学塑料的PV值，满足做光学镜片10的要求。
请参照图3至图6，图3是相关技术中石英玻璃的双折射-位相差图像；图4时相关技术中聚甲基丙烯酸甲酯的双折射-位相差图像；图5是相关技术中聚碳酸酯的双折射-位相差图像；图6是本申请实施例提供的的光学材料的的的双折射-位相差图像。
光学塑料譬如有机玻璃、聚碳酸酯、环烯烃共聚物一般都具有双折射性能。双折射，是指一条入射光线产生两条折射光线的现象。具体地，双折射是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。光在非均质体中传播时，其传播速度和折射率值随振动方向不同而改变，其折射率值不止一个；光波入射非均质体，除特殊方向以外，都要发生双折射，分解成振动方向互相垂直、传播速度不同、折射率不等的两种偏振光，此现象即为双折射。可以理解地，双折射率越高，穿过塑料的光线越容易发生重影。
换言之，双折射是晶体光学中的重要现象之一，当一束光经过一块双折射晶体时，将分裂为2束偏振方向的光，由于他们的传播速度不同，相应产生不同的相位延迟，晶体中的O光和e光的偏振态和相位延迟特性。
其中，石英玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和光学材料的尺寸一致，尺寸均为45mm*60mm*1mm；测量光线范围：0-130nm。其中，除石英玻璃外，聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和光学材料均采用射出成型。
对比图3和图6可知，本申请实施例提供的光学材料的双折射性能与石英比例的双折射性能相近，其射出光线基本都在在0-130nm范围内。对比图3和图4可知，聚甲基丙烯酸甲酯中的光线呈层状分部，其射出光线部分在0-130nm范围内，但双折射性能略高于石英玻璃。对比图3、图4和图5，聚碳酸酯的光线呈条纹状分部，其射出光线的实测值远超0-130nm范围。由上可知，本申请实施例提供的光学材料的双折射能够远低于相关技术中的聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯材质。
另外，本申请实施例提供的光学材料的光弹性系数非常小，具体地，光弹性系数，也即压力光学系数。即使在外力作用下，光学材料依旧能够维持非常低的双折射性能。
具体地，请参照图7和图8，图7为本申请实施例提供的光学材料在有负荷和无负荷两种状态下的双折射-位相差图像；图8为相关技术中石英玻璃在有负荷和无负荷两种状态下的双折射-位相差图像。
由图7和图8可知，申请提供的光学材料在有负荷与无负荷两种状态下其双折射性能变化不大；而石英玻璃在有负荷与无负荷两种状态下其双折射变化较大，具体地，石英玻璃在有负荷状态下的双折性远高于其在无负荷状态下的双折射性。
本申请实施例提供的光学材料，通过在光学塑料中混入去应力物质，使得去应力物质能够消除或者削弱光学塑料射出成型过程产生的内应力，进而提高光学材料的面形精度、降低光学材料的双折射性，以满足其在AR/VR用作面罩及光学镜片要求，避免出现重影。
请参照图9，图9是本申请实施例提供的光学材料的制备流程示意图。本申请实施例还提供一种光学材料的制备方法，包括一下步骤：
步骤S01：将质量比为15-60:1的光学塑料与去应力物质混合熔融并注入成型模具中。
其中，步骤S01即为充填阶段，使得光学塑料与去应力物质混合均匀并熔融至液体，并将熔融液体注入想用的成型模具中。
步骤S02，在预设温度下对模具中的光学塑料与去应力物质溶液保压成型。
其中，步骤S02即为阶段，高分子结构在高压作用下将额外的溶胶形状的高分子结构挤入模具，以确保高分子结构充满模具。由于去应力物质与光学塑料混合，使得去应力环合物能够消除或者释放光学塑料高分子机构中的内应力，进而达到消除光学材料内应力的目标。
步骤S03，对成型的光学材料进行冷却，生成光学材料。
其中，光学材料可以是应用于AR/VR上的面罩，还可以是模组中的镜片，还可以是汽车的灯罩，LED灯罩材料，数码相机摄像镜头，激光束打印机镜头，投影仪用镜头，光盘拾取镜头，车载摄像镜头，平视显示组件如聚光镜，合路器，预灌封注射器，检验容器等，在此不做具体限制。
换言之，本申请实施例还提供一种镜片10，镜片10可包括光学塑料和去应力物质，其中去应力物质与光学塑料混合，去应力物质用于消除光学塑料成型过程中的内应力。其中，光学塑料与去应力物质的质量比15-60:1。本申请实施例提供的镜片10，面形精度高且双折射性低，能够满足其在AR/VR用作面罩及光学镜片10要求。
请一并参照图1和图10，图10是图1所示的电子设备中摄像组件的截面示意图。本申请实施例还提供一种镜头30，可包括多个镜片10及用于固定多个镜片10的固定筒20。其中，多个镜片10间隔设置且其光轴同轴设置，多个镜片10收容并固定于固定筒20中。
本申请实施例还可提供一种摄像模组60，包括镜头30、感光组件40和壳体50。壳体50具有容置腔，镜头30与感光组件40收容于壳体50中并与壳体50固定，感光组件40与镜头30对应设置，用于接收穿过镜头30的光线。
请参照图2，本申请实施例还可提供一种电子设备100譬如手机、摄像机等，电子设备100可包括摄像模组60。在其他实施例中，电子设备100还可是AR/VR眼镜，电子设备100可包括镜片10和镜框70，镜片10固定于镜框70上。
以上仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学材料，其特征在于，包括：
光学塑料；以及
去应力物质，与所述光学塑料混合，所述去应力物质用于消除或者削弱所述光学塑料成型过程中的内应力；
其中，所述光学塑料与所述去应力物质的质量比15-60:1。
2.根据权利要求1所述的光学材料，其特征在于，所述光学塑料与所述去应力物质的质量比25-35:1。
3.根据权利要求1-2任一项所述的光学材料，其特征在于，所述光学塑料的包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸脂、苯乙烯丙烯腈中的至少一种。
4.根据权利要求1-2任一项所述的光学材料，其特征在于，所述去应力物质包括环烯烃聚合物树脂、双环戊二烯聚合物中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的光学材料，其特征在于，所述光学塑料与所述去应力物质在230°-350°温度下保压熔融。
6.一种光学材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将质量比为15-60:1的光学塑料与去应力物质混合熔融并注入成型模具中；
在预设温度下对模具中的光学塑料与去应力物质溶液保压成型；
对成型的光学材料进行冷却，生成光学材料。
7.一种镜片，其特征在于，包括：
光学塑料；以及
去应力物质，与所述光学塑料混合，所述去应力物质用于消除所述光学塑料成型过程中的内应力；
其中，所述光学塑料与所述去应力物质的质量比15-60:1。
8.一种镜头，其特征在于，包括：
多个根据权利要求7所述的镜片，多个所述镜片间隔设置且其光轴同轴设置；以及
固定筒，用于收容固定多个所述镜片。
9.一种摄像模组，其特征在于，包括：
根据权利要求8所述的镜头；以及
感光组件，与所述镜镜头对应设置，用于接收穿过所述镜头的光线。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
根据权利要求7所述的镜片；以及
镜框，用于固定所述镜片。
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