TW202248314A - 具有經增加強度和剛性的散熱和輕質光學元件 - Google Patents
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Abstract
一種聚合物薄膜包括具有為至少大致500,000 g/mol之重量平均分子量的聚乙烯,其中該薄膜之特徵在於可見光譜內之透明度為至少大致80%,總體混濁度小於大致5%且平面內彈性模數為至少大致10 GPa。該聚合物薄膜可為導熱的且可併入至光學元件中且經組態以耗散諸如來自發光裝置之熱。
Description
本發明係關於一種聚合物薄膜、一種包含結晶聚合物的薄膜及一種光學元件。
相關申請案之交叉參考
本申請案根據35 U.S.C. §119(e)主張2021年4月30日申請之美國臨時申請案第63/182,615號及2022年2月10日申請之美國非臨時專利申請案第17/669157號的優先權,該等申請案之內容以全文引用之方式併入本文中。
聚合物材料可用於多種不同光學及光電裝置架構中,包括主動及被動光學件以及電活性裝置。輕質且具順應性之一或多個聚合物層可併入至諸如智慧型眼鏡之可配戴裝置中,並且為用於包括其中需要舒適的可調整外觀尺寸之虛擬實境/擴增實境裝置的新興技術之有吸引力的候選項。
舉例而言,虛擬實境(VR)及擴增實境(AR)眼鏡裝置或耳機可使得使用者能夠體驗事件,諸如與三維世界之電腦產生之模擬中的人互動或檢視疊加在真實世界視圖上的資料。藉助於實例,可經由光學頭戴式顯示器(OHMD)或藉由使用具有透明抬頭顯示器(HUD)或擴增實境(AR)疊對之嵌入式無線眼鏡來達成將資訊疊加至視場上。VR/AR眼鏡裝置及耳機可用於多種目的。舉例而言,政府可使用此類裝置用於軍事訓練,醫學專業人員可使用此類裝置來模擬手術,且工程師可使用此類裝置作為設計視覺化輔助。
此等及其他應用可利用薄膜聚合物材料之一或多個特性,包括操控光之折射率、提供結構支撐之機械強度及/或在供電光學系統之實例中,提供散熱且在操作期間減小溫度不均勻性之熱導率。
如應瞭解,且藉助於實例,透鏡常常對AR眼鏡添加相當大量的體積。因此,可需要減小AR透鏡之大小及質量以便減小頭戴式顯示器(HMD)之輪廓及重量。然而,減小透鏡厚度典型地損害剛性及強度,可能會使透鏡及鄰近組件在使用期間受到損壞。
除了前述內容以外,電子裝置及系統亦可產生過量熱,其可導致使用者不適、過熱及現場潛在裝置或系統故障。就此而言,透鏡典型地表示許多光學裝置之總體表面區域的大分數,且常常由諸如塑膠或玻璃之相對較低熱導率材料製成。然而,此類材料限制散熱,且可不利地增加跨越透鏡表面之溫度不均勻性。在此脈絡中,涉及熱節流之流行的解決方案可強加操作約束且不合需要地限制功能性。
儘管有最新的發展,但提供具有改良之光學、機械及熱性質(包括光學透明度、機械穩定性及可控制熱導率)之聚合物或其他介電材料將為有利的。另外,將需要在不犧牲強度、剛性或視覺清晰度之情況下減小透鏡之厚度及重量。
本發明係關於一種聚合物薄膜,其包含:
具有為至少大致500,000 g/mol之重量平均分子量的聚乙烯,其中該薄膜包含:
可見光譜內至少大致80%的透明度;
小於大致5%之總體混濁度;及
至少大致10 GPa之平面內彈性模數。
本發明係關於一種薄膜,其包含:
結晶聚合物,該結晶聚合物具有為至少大致500,000 g/mol之重量平均分子量及結晶軸線之較佳平面內定向,其中該薄膜包含選自由以下各者組成之群組的至少兩個屬性(i至iv):
(i)可見光譜內至少大致80%的透明度;
(ii)小於大致5%之總體混濁度;
(iii)至少大致10 GPa之平面內彈性模數;及
(iv)至少大致5 W/mK之平面內熱導率。
本發明係關於一種光學元件,其包含:
基板;及
層壓至該基板之第一主表面的第一各向異性聚合物薄膜,其中該第一各向異性聚合物薄膜包含結晶軸線之較佳平面內定向且包含:
可見光譜內至少大致80%的透明度;
小於大致5%之總體混濁度;及
至少大致10 GPa之平面內彈性模數。
聚合物材料可用於多種不同光學及光電裝置架構中,包括主動及被動光學件以及電活性裝置。輕質且具順應性之一或多個聚合物層可併入至諸如智慧型眼鏡之可配戴裝置中,並且為用於包括其中需要舒適的可調整外觀尺寸之虛擬實境/擴增實境裝置的新興技術之有吸引力的候選項。
舉例而言,虛擬實境(VR)及擴增實境(AR)眼鏡裝置或耳機可使得使用者能夠體驗事件,諸如與三維世界之電腦產生之模擬中的人互動或檢視疊加在真實世界視圖上的資料。藉助於實例,可經由光學頭戴式顯示器(OHMD)或藉由使用具有透明抬頭顯示器(HUD)或擴增實境(AR)疊對之嵌入式無線眼鏡來達成將資訊疊加至視場上。VR/AR眼鏡裝置及耳機可用於多種目的。舉例而言,政府可使用此類裝置用於軍事訓練,醫學專業人員可使用此類裝置來模擬手術,且工程師可使用此類裝置作為設計視覺化輔助。
此等及其他應用可利用薄膜聚合物材料之一或多個特性,包括操控光之折射率、提供結構支撐之機械強度及/或在供電光學系統之實例中,提供散熱且在操作期間減小溫度不均勻性之熱導率。
如應瞭解,且藉助於實例,透鏡常常對AR眼鏡添加相當大量的體積。因此,可需要減小AR透鏡之大小及質量以便減小頭戴式顯示器(HMD)之輪廓及重量。然而,減小透鏡厚度典型地損害剛性及強度,可能會使透鏡及鄰近組件在使用期間受到損壞。
除了前述內容以外,電子裝置及系統亦可產生過量熱,其可導致使用者不適、過熱及現場潛在裝置或系統故障。就此而言,透鏡典型地表示許多光學裝置之總體表面區域的大分數,且常常由諸如塑膠或玻璃之相對較低熱導率材料製成。然而,此類材料限制散熱,且可不利地增加跨越透鏡表面之溫度不均勻性。在此脈絡中,涉及熱節流之流行的解決方案可強加操作約束且不合需要地限制功能性。
儘管有最新的發展,但提供具有改良之光學、機械及熱性質(包括光學透明度、機械穩定性及可控制熱導率)之聚合物或其他介電材料將為有利的。另外,將需要在不犧牲強度、剛性或視覺清晰度之情況下減小透鏡之厚度及重量。
根據各種具體實例,適用於透鏡系統及其他光學元件之聚合物薄膜可包括超高分子量聚乙烯(PE)。如本文中所使用,「超高分子量聚乙烯」或「超高分子量聚合物」可包括極長聚合物鏈,且具有至少大致500,000 g/mol的分子量,例如大致500,000 g/mol、大致1,000,000 g/mol、大致2,000,000 g/mol、大致4,000,000 g/mol或大致6,000,000 g/mol,包括前述值中之任一者之間的範圍。在一些實例中,術語「分子量」在本文中之使用可指重量平均分子量。
聚合物薄膜之特性性質,包括其折射率、彈性模數、熱導率等可藉由其化學組成、聚合物重複單位之化學結構、其密度及結晶程度以及晶體及/或聚合物鏈之配向來判定。在此等因素中,晶體或聚合物鏈配向可占主導。在結晶或半結晶聚合物薄膜中,光機械及熱性質可與晶體定向之度或程度相關,而鏈纏結之度或程度可在非晶形聚合物薄膜中產生相當的性質。
所施加應力可用以在聚合物薄膜內產生晶體或聚合物鏈之較佳配向,且沿著膜之不同方向光學、機械及熱性質之對應修改。如本文進一步所揭示,聚合物薄膜可拉伸以誘發晶體/聚合物鏈之較佳配向及一或多個性質之伴隨修改。拉伸可包括施加單軸或雙軸應力。
本發明所揭示之各向異性聚乙烯基聚合物薄膜可經特性化為光學品質聚合物薄膜,且可形成諸如透鏡之光學元件或併入至諸如透鏡之光學元件中。此類光學元件可用於各種顯示裝置中,諸如虛擬實境(VR)及擴增實境(AR)眼鏡及耳機。此等及其他光學元件之值可取決於其光學清晰度、機械強度及/或熱導率之程度。
根據各種具體實例,在一些實例中,「光學品質聚合物薄膜」或「光學薄膜」之特徵可在於,可見光譜(400至700 nm)內之透射率為至少大致80%,例如大致80%、大致90%、大致95%、大致97%、大致98%、大致99%或大致99.5%,包括前述值中之任一者之間的範圍,且總體混濁度小於大致5%,例如總體混濁度為大致0.1%、0.2%、0.4%、1%、2%或4%,包括前述值中之任一者之間的範圍。
在一些具體實例中,聚合物薄膜之特徵可為,紅外線光譜(700 nm至1 mm)內之透射率為至少大致80%,例如大致80%、大致90%、大致95%、大致97%、大致98%、大致99%或大致99.5%,包括前述值中之任一者之間的範圍。在一些具體實例中,聚合物薄膜之特徵可為,射頻光譜(大於1 mm)內之透射率為至少大致80%,例如大致80%、大致90%、大致95%、大致97%、大致98%、大致99%或大致99.5%,包括前述值中之任一者之間的範圍。
如本文中所使用,所列舉光譜範圍「內」之透射率可指特定波長下或遍及光譜範圍內之波長範圍的透射率。「跨越」所列舉光譜範圍之透射率可指遍及整個所列舉光譜範圍之透射率。
在另外具體實例中,光學品質(例如聚乙烯)聚合物薄膜可併入至多層結構中,諸如ABAB多層中之「A」層。另外多層架構可包括AB、ABA、ABAB或ABC組態。每一B層(及每一C層,若提供)可包括另一聚合物組成物,諸如聚碳酸酯或聚偏二氟乙烯。根據一些具體實例,B(及C)層可為導電的且可包括例如氧化銦錫(ITO)或聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)。
在多層架構中,每一PE層之厚度可在大致2微米至大致100微米之範圍內,例如2、5、10、20、50或100微米,包括前述值中之任一者之間的範圍。多層堆疊可包括兩個或多於兩個此類層。在一些具體實例中,PE層或薄膜之密度可小於大致1.5 g/cm
3,例如小於大致1.5 g/cm
3、小於大致1.25 g/cm
3或小於大致1.0 g/cm
3,包括前述值中之任一者之間的範圍。
根據一些具體實例,各向異性聚合物薄膜之面積尺寸(亦即,長度及寬度)可獨立地在大致5 cm至大致50 cm或更大之範圍內,例如5、10、20、30、40或50 cm,包括前述值中之任一者之間的範圍。實例各向異性聚合物薄膜之面積尺寸可為大致5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、20 cm×20 cm、50 cm×50 cm、5 cm×10 cm、10 cm×20 cm、10 cm×50 cm等。
根據一些具體實例,聚乙烯組成物(亦即,熔融物或溶液)可經擠壓或澆鑄以形成聚合物薄膜。可使用適當的擠壓及澆鑄操作將能夠例如結晶之聚合物組成物形成為單層。舉例而言,可將聚乙烯(PE)組成物擠壓及定向為單層以形成光學、機械及/或熱各向異性薄膜。根據另外具體實例,可結晶聚合物可與可結晶之其他聚合物材料或在定向之後保持非晶形之材料共擠壓以形成多層結構。
如本文中所使用,術語「聚合物薄膜」及「聚合物層」可互換使用。此外,除非上下文另外明確指示,否則提及「聚合物薄膜」或「聚合物層」可包括提及「多層聚合物薄膜」及其類似物。
各向異性聚合物薄膜可藉由將所要應力狀態施加至可結晶聚合物薄膜而形成。舉例而言,聚乙烯(PE)薄膜可經拉伸以經由晶體及/或鏈重新配向來誘發光機械各向異性。藉助於實例,超高分子量PE膜可單軸或雙軸定向為單層或多層以形成光學或機械各向異性聚合物薄膜。在一些具體實例中,可同時或依序執行平面內雙軸應力之施加。
各向異性聚合物薄膜可使用薄膜定向系統來形成,該薄膜定向系統經組態以在聚合物薄膜之一或多個相異區中在至少一個平面內方向上加熱及拉伸聚合物薄膜。在一些具體實例中,薄膜定向系統可經組態以沿著僅一個平面內方向拉伸聚合物薄膜,亦即可結晶聚合物薄膜。舉例而言,薄膜定向系統可經組態以沿著x方向將平面內應力施加至聚合物薄膜,同時允許薄膜沿著正交平面內方向(亦即,沿著y方向)鬆弛。如本文所用,在某些實例中,聚合物薄膜之鬆弛可伴隨沿著鬆弛方向不存在所施加應力。
根據一些具體實例,在實例系統內,聚合物薄膜可橫向於通過系統的膜行進之方向經加熱及拉伸。在此類具體實例中,聚合物薄膜可由複數個可移動夾片沿著相對邊緣固持,該複數個可移動夾片沿著發散軌道系統可滑動地安置,使得聚合物薄膜在其沿著縱向(MD)移動通過薄膜定向系統之加熱及變形區域時在橫向方向(TD)上被拉伸。在一些具體實例中,在橫向方向上之拉伸率及在縱向上之鬆弛率可經獨立地且局部地控制。
根據一些具體實例,在另一實例系統內,聚合物薄膜可平行於通過系統的膜行進之方向經加熱及拉伸。在此類具體實例中,聚合物薄膜可由複數個可移動夾片沿著相對邊緣固持,該複數個可移動夾片沿著會聚軌道系統可滑動地安置,使得聚合物薄膜在其沿著縱向(MD)移動通過薄膜定向系統之加熱及變形區域時在縱向(TD)上被拉伸。在某些具體實例中,可使用卷軸式製造平台來實現大規模生產。
聚乙烯聚合物薄膜可藉由將應力施加至經澆鑄聚合物薄膜而形成。在一些實例中,拉伸比可大於4,例如5、10、20、30、40或更大。拉伸動作可包括單個拉伸步驟或複數個(亦即,連續)拉伸步驟,其中拉伸溫度及應變率中之一或多者可獨立地受控制。
在某些態樣中,可沿著聚合物薄膜之縱向或橫向尺寸均勻地或非均勻地施加張應力。在某些具體實例中,回應於所施加張應力而實現的應變可為至少大致20%,例如,大致20%、大致50%、大致100%、大致200%、大致400%、大致500%、大致1000%、大致2000%、大致3000%,或大致4000%或更多,包括前述值中之任一者之間的範圍。在橫向方向上之拉伸率及在縱向上之鬆弛率(或反之亦然)可獨立地且局部地經控制。
形成聚乙烯聚合物薄膜之實例方法可包括以至少大致400%(例如,400%、500%、600%、700%、800%、900%、1000%或2000%或更多,包括前述值中之任一者之間的範圍)之拉伸比單軸地定向經澆鑄聚合物薄膜。另一實例方法可包括以沿著每一平面內方向之至少大致400%(例如,400%、500%、600%、700%、800%、900%、1000%或2000%或更多,包括前述值中之任一者之間的範圍)的非依賴性拉伸比雙軸地定向經澆鑄聚合物薄膜。雙軸拉伸可同時地或在連續拉伸步驟中執行。
較高拉伸比可有效地展開相對彈性層狀聚合物晶體且增加所得各向異性聚合物薄膜內之晶體配向程度。在各種實例中,經拉伸聚合物薄膜沿著其拉伸方向之彈性模數可與拉伸比成比例。
聚合物薄膜之加熱可伴隨張應力之施加。舉例而言,可將半結晶聚合物薄膜加熱至大於室溫(約23℃)之溫度以促進薄膜變形以及其中之晶體及/或聚合物鏈之形成及重新配向。
聚合物薄膜之溫度可在拉伸動作之前、期間及/或之後(即,在預加熱區域或預加熱區域下游之變形區域內)維持在所要值或在所要範圍內,以便改進聚合物薄膜相對於未加熱聚合物薄膜之變形性。變形區域內之聚合物薄膜之溫度可小於、等於或大於預加熱區域內之聚合物薄膜之溫度。
在一些具體實例中,可在整個拉伸動作中將聚合物薄膜加熱至恆定溫度。在一些具體實例中,可將聚合物薄膜之區加熱至不同溫度,亦即,在施加張應力期間及/或之後。在一些具體實例中,可將聚合物薄膜之不同區加熱至不同溫度。在一些具體實例中,拉伸動作可包括恆定或改變薄膜溫度及/或恆定或改變應變率。
在拉伸動作期間,聚合物薄膜內之結晶含量可增加。替代地,拉伸可在實質上不改變結晶含量的情況下變更聚合物薄膜內的晶體之定向及/或平均微晶大小。
根據各種具體實例,在一些實例中,「結晶」或「半結晶」聚合物薄膜中之結晶相可構成至少大致30%的聚合物薄膜。舉例而言,聚乙烯薄膜之結晶含量可為至少大致30%,例如30%、40%、50%、60%、70%或80%,包括前述值中之任一者之間的範圍。
在聚合物薄膜變形之後,可維持加熱達預定時間量,之後冷卻聚合物薄膜。冷卻之動作可包括允許聚合物薄膜以固定的冷卻速率或藉由淬滅(諸如藉由用低溫氣體吹掃)自然地冷卻,此可使聚合物薄膜熱穩定。
在一些具體實例中,在拉伸之後,可對聚合物薄膜進行退火。退火可在固定或可變拉伸比及/或固定或可變所施加應力下執行。實例退火溫度可大於大致60℃,例如,80℃、100℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃或190℃,包括前述值中之任一者之間的範圍。退火程序可包括單一退火步驟(例如,在單一溫度下)或多個步驟(例如,在多個溫度下)。退火可使聚合物鏈之定向穩定且降低聚合物薄膜之收縮傾向。
將單軸或雙軸應力施加至單層或多層薄膜可用於配向聚合物鏈及/或定向晶體以誘發光學及機械各向異性。因此,在變形之後,晶體或鏈可至少部分地與所施加張應力之方向配向。實例各向異性聚合物薄膜可展現高度雙折射率、高度光學清晰度、低總體混濁度、高機械強度及韌性以及高熱導率。
根據各種具體實例,各向異性聚合物薄膜可包括纖維、非晶形、部分結晶或完全結晶材料。此類材料亦可為機械各向異性的,其中選自抗壓強度、抗張強度、剪切強度、屈服強度、剛性、硬度、延展性、機械加工性、熱膨脹、壓電回應及蠕變行為之一或多個特性可為方向相依的。
在一些具體實例中,一或多個有機固體薄膜層可經切割及堆疊以形成多層。多層薄膜可藉由計時及堆疊個別層來形成。亦即,在實例「計時」多層堆疊中,錯向(misoriented)(亦即,相對於相鄰層之結晶軸線)之角度(Θ)可在大致1°至大致90°之範圍內,例如1°、2°、5°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°或90°,包括前述值中之任一者之間的範圍。
各向異性聚合物薄膜可用以製造各向異性基板、雙折射基板、高帕松比薄膜、反射偏振器、雙折射鏡及其類似者,且可併入至單層及雙層致動器、觸感製品(例如,手套)、AR/VR耳機、AR/VR組合器中,或用以提供顯示亮度增強。
本發明之態樣因此係關於具有改良之光學、機械及熱傳導性質的單層各向異性聚合物薄膜以及多層聚合物薄膜的形成。改良之機械性質可包括改良之尺寸穩定性,以及符合具有複曲率之表面(諸如透鏡)的改良之順應性。改良之熱導率可在使用期間促使來自光學元件之散熱。
如應瞭解,超高分子量聚乙烯薄膜之特徵可在於,與比較總體聚合物材料相比,顯著較高的光學透明度、彈性模數及機械強度以及熱導率值及顯著較低的密度值。在一些具體實例中,超高分子量聚乙烯薄膜可為光學透明、光學雙折射的,且特徵可在於方向相依彈性模數及/或方向相依熱導率。
如本文中所使用,對於給定厚度,「透明」或「光學透明」的材料或元件在可見光譜內具有至少大致80%,例如大致80%、90%、95%、97%、98%、99%或99.5%的透射率,包括前述值中之任一者之間的範圍,及小於大致5%之總體混濁度,例如大致0.1%、0.2%、0.4%、1%、2%或4%之總體混濁度,包括前述值中之任一者之間的範圍。透明材料將典型地展現極低的光吸收及最小的光散射。
如本文中所使用,術語「混濁度」及「清晰度」可指與光透射通過材料相關聯的光學現象,且可例如歸於材料內之光折射,例如歸因於次級相或孔隙度及/或光自材料之一或多個表面之反射。如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解,混濁度可與經受廣角散射(亦即,與法線成大於2.5°之角度)的光之量及透射對比度之對應損失相關聯,而清晰度可與經受窄角散射(亦即,與法線成小於2.5°之角度)的光之量及光學銳度或「看穿品質」之伴隨損失相關。
根據一些具體實例,超高分子量聚合物薄膜或多層之平面內彈性模數可為至少大致10 GPa,例如至少大致10 GPa、至少大致25 GPa、至少大致50 GPa、至少大致75 GPa或至少大致100 GPa,包括前述值中之任一者之間的範圍。在特定具體實例中,超高分子量聚合物薄膜可為各向異性的,其中三個互相正交模數中之至少兩者不同。各向異性軸線可豎直地、水平地或以兩者之間的任何角度配向。
根據一些具體實例,超高分子量聚合物薄膜或多層之抗張強度可為至少大致0.5 GPa,例如0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8或2 GPa,包括前述值中之任一者之間的範圍。
超高分子量聚合物薄膜或多層之厚度可在大致2微米至大致100微米或大於100微米的範圍內,例如2、5、10、25、50或100微米,包括前述值中之任一者之間的範圍。超高分子量聚合物薄膜之密度可小於大致1.5 g/cm
3。藉助於實例,超高分子量聚合物薄膜之密度可為大致0.9 g/cm
3、大致1 g/cm
3、大致1.2 g/cm
3、大致1.3 g/cm
3、大致1.4 g/cm
3或大致1.5 g/cm
3,包括前述值中之任一者之間的範圍。
實例超高分子量聚合物薄膜及多層可沿著至少一個維度具有至少大致5 W/mK(例如5 W/mK、10 W/mK、25 W/mK、50 W/mK或100 W/mK,包括前述值中之任一者之間的範圍)的熱導率。舉例而言,沿著給定層或複數個層之配置內的聚合物分子之結晶方向之熱導率可為各向異性的。實例聚合物薄膜可展現至少2:1,例如2:1、5:1、10:1、20:1、50:1、100:1、150:1等(包括前述比率中之任一者之間的範圍)之熱導率之各向異性(例如,平面內各向異性)。熱導率之此各向異性可相對於鄰近基板沿著任何所要方向定向,且在一些具體實例中,光學元件可包括兩個或多於兩個獨立定向之超高分子量聚合物薄膜。
根據一些具體實例,諸如透鏡系統之光學總成可包括超高分子量聚乙烯薄膜。光學元件可包括獨立式超高分子量聚合物薄膜或多層,或在其他實例中,光學元件可包括具有安置於基板之一個或兩個主表面上方之超高分子量聚合物薄膜或多層的複合架構。舉例而言,超高分子量聚合物薄膜可層壓至適合基板(諸如透鏡)的一側或兩側。基板(若提供)可包括玻璃、陶瓷、聚合物或其他光學透明材料。實例聚合物基板可包括聚碳酸酯。在一些實例中,超高分子量聚乙烯薄膜可摻雜有其他材料(例如,石墨烯、金屬等)以調節其熱性質。
本文中所揭示之超高分子量聚合物薄膜可為透明、低混濁度、輕質的,且沿著至少一個維度具有高熱導率,且可整合至複合透鏡中且與其他光學基板一起增加散熱且提供溫度均勻性。因此,超高分子量聚合物薄膜可經組態以使各種裝置及系統中之CTE相關變形衰減,因此改良效能且延長壽命。在一些具體實例中,超高分子量聚合物薄膜可增加此類透鏡之強度,使得能夠形成具有足夠剛度及清晰度之較薄透鏡。
不希望受理論束縛,所牽拉之超高分子量聚合物薄膜可包括沿著牽拉方向之高度有序鏈之網路,其可支援聲子能量傳輸且表現為高熱各向異性。在一些實例中,超高分子量聚合物薄膜可經超牽拉以進一步增強膜之特性,諸如透明度、清晰度、剛度、強度及/或熱導率。薄膜可使用在產生高度配向分子鏈之受控熱環境中的高牽拉比拉伸來達成此等性質。
根據各種具體實例,聚合物薄膜可包括超高分子量聚乙烯且其特徵可在於選自以下各者之兩個或多於兩個(例如2、3、4、5、6、7、8、9或10個)屬性:(a)可見光譜內之透明度為至少大致80%,(b)紅外線光譜內之透明度為至少大致80%,(c)射頻光譜內之透明度為至少大致80%,(d)總體混濁度小於大致5%,(e)彈性模數為至少大致10 GPa,(f)抗張強度為至少大致0.5 GPa,(g)結晶含量為至少大致30%,(h)熱導率為至少大致5 W/mK,(i)密度小於大致1.5 g/cm
3及(j)厚度大於大致5微米。
實例光學元件可在人工實境或虛擬實境裝置中形成透鏡或窗口。其他實例光學元件可界定例如手錶、電話、平板電腦、TV、監視器及其類似者之表面,或例如在光源與光接收器之間形成間層。作為間層,超高分子量聚合物薄膜可提供熱導管而不影響源與接收器之間的光子轉移。根據各種具體實例,本文所揭示之光學元件可經組態以耗散來自發光裝置(例如,VCSEL或LED)之熱,且在相關裝置及系統中提供溫度均勻性,同時維持所要光學效能。
在某些具體實例中,光學元件可位於諸如透鏡之光學裝置的透明孔隙內,但本發明不受特別限制且可應用於廣泛情形中。藉助於實例,光學元件可併入至可調諧透鏡、調節式光學元件、適應式光學件等中。
光學元件可包括透明基板及層壓至基板之超高分子量聚合物薄膜。在一些具體實例中,經層壓之超高分子量聚合物薄膜可增加散熱,同時維持基板之反射顏色。光學元件可另外包括紅外線反射層,該紅外線反射層經組態以反射自光學元件發射或透射至光學元件中之紅外光。光學元件可為光學透明的。
超高分子量聚合物薄膜可層壓至光學基底材料或基板的一側或兩側。替代地,超高分子量聚合物薄膜自身可構成整個光學元件結構。在各種具體實例中,超高分子量聚合物薄膜可能不導電,且因此,該等膜可基本上對適合於WiFi及藍牙(BLUETOOTH)應用的射頻透明。
在一些具體實例中,光學元件之一側可包括經調適以反射自光學元件內發射或透射至光學元件中之紅外光的額外薄膜或沈積材料層。在某些實例中,光學元件之面向使用者的表面可具有低發射率,從而減少至使用者之臉的熱發射。
超高分子量聚合物薄膜可以任何適合方式接合至基底光學材料。舉例而言,膜可使用光學黏著劑(OCA)、液體光學黏著劑(LOCA)或其他黏著劑接合至基板。合適的黏著劑包括聚矽氧、丙烯酸、環氧樹脂等。黏著劑可為熱或光學固化的或壓敏的。
來自本文中所描述的具體實例中之任一者的特徵可根據本文中所描述之一般原理彼此組合使用。在結合隨附圖式及申請專利範圍讀取以下詳細描述後,將更全面理解此等及其他具體實例、特徵及優點。
以下將參考圖1至圖26提供包括具有高光學品質、高機械強度及高熱導率之超高分子量聚合物薄膜的光學元件之詳細描述,以及其應用。與圖1相關聯之論述包括對用於實例光學元件之熱損失機構之描述。與圖2及圖3相關聯之論述係關於用於生產適合於多種光學、機械及光學機械應用之光學品質、高強度、高模數及熱導聚合物薄膜的實例製造範例。與圖4相關聯之論述包括來自各種光學元件經模型化散熱的概述。與圖5及圖6相關聯之論述包括對實例光學元件架構之描述,該等實例光學元件架構包括一或多個定向超高分子量聚合物薄膜。與圖7及圖8相關聯之論述包括對超高分子量聚乙烯薄膜之熱損失特性之描述。與圖9相關聯之論述包括對與實例光學元件架構相關聯之最大世界側溫度的描述。與圖10相關聯之論述包括對用於光學元件之分段式熱通量邊界條件之描述。與圖11至圖14相關聯之論述包括對例如光學元件架構之溫度剖面的描述。另外,與圖15相關聯之論述包括對實例光學元件架構之描述,該實例光學元件架構包括具有在不同方向上配向之各向異性軸線的多個定向超高分子量聚合物薄膜。與圖16至圖24相關聯之論述包括展現包括定向超高分子量聚合物薄膜之光學元件之強度及剛度改良的描述。與圖25及圖26相關聯之論述係關於例示性虛擬實境及擴增實境裝置,其可包括如本文所揭示之散熱光學元件。
參看圖1,展示光學元件(例如,透鏡)之橫截面示意圖。光學元件100包括本體110,該本體具有外(世界側)表面120及內(眼睛側)表面130。本體110可藉由傳導支援熱傳送通過其,而光學元件100之外表面120可經由對流及輻射與周圍環境交換(例如發射)熱。在光學元件100之熱導率低的實例中,本體110內之熱阻可有效地限定至外表面120之熱遷移。根據各種具體實例,各向異性超高分子量聚合物薄膜可形成於光學元件100之外表面120上方及/或光學元件100之內表面130上方。
圖2中示意性地展示了用於形成各向異性聚合物薄膜之薄膜定向系統。系統200可包括:用於接收及預熱聚合物薄膜205之可結晶部分210之薄膜輸入區域230、用於輸出聚合物薄膜205之結晶及定向部分215之薄膜輸出區域238及在輸入區域230與輸出區域238之間延伸的夾片陣列220,該夾片陣列經組態以夾緊並導引聚合物薄膜205通過系統200,亦即,自輸入區域230至輸出區域238。夾片陣列220可包括以可滑動方式安置於第一軌道225上的複數個可移動第一夾片224及以可滑動方式安置於第二軌道227上的複數個可移動第二夾片226。
聚合物薄膜205可包括單個聚合物層或多個(例如,交替的)第一及第二聚合物層,諸如多層ABAB…結構。在操作期間,接近於輸入區域230,夾片224、226可貼附至聚合物薄膜205之各別邊緣部分,其中位於給定軌道225、227上之鄰近夾片可分別以夾片間間距251、252安置。為簡單起見,在所說明之視圖中,沿著輸入區域230內之第一軌道225的夾片間間距251可等效於或實質上等效於沿著輸入區域230內之第二軌道227的夾片間間距252。如應瞭解,在替代具體實例中,在輸入區域230內,沿著第一軌道225之夾片間間距251可能不同於沿著第二軌道227之夾片間間距252。
除了輸入區域230及輸出區域238以外,系統200亦可包括一或多個額外區域232、234、236等,其中以下中之每一者:(i)聚合物薄膜205之平移速率、(ii)第一軌道225及第二軌道227之形狀、(iii)第一軌道225與第二軌道227之間的間距、(iv)夾片間間距251至256及(v)聚合物薄膜205之局部溫度等,可獨立地被控制。
在一實例程序中,當由夾片224、226導引通過系統200時,聚合物薄膜205可在區域230、232、234、236、238中之每一者內經加熱至所選擇溫度。可使用更少或更大數目個熱控制區域。如所說明,在區域232內,第一軌道225及第二軌道227可沿著橫向方向發散,使得聚合物薄膜205可在橫向方向上被拉伸,同時經加熱例如至大於其玻璃轉化溫度(T
g)但小於熔融開始(T
m)的溫度。在一些具體實例中,橫向拉伸比(在橫向方向上之應變/在縱向上之應變)可為大致8或更大,例如8、10、15、20、25或30,包括前述值中之任一者之間的範圍。
根據某些具體實例,聚合物薄膜可至少部分地歸因於其組分之高分子量而在不斷裂之情況下拉伸8倍或更多。特定言之,高分子量聚合物允許在較高溫度下拉伸薄膜,此可減小鏈纏結且在經拉伸薄膜中產生較高模數、高透明度及低混濁度之合乎需要的組合。
仍參考圖2,在區域232內,第一軌道225上之鄰近第一夾片224之間的間距253及第二軌道227上之鄰近第二夾片226之間的間距254可相對於輸入區域230內之夾片間間距251、252減小。在某些具體實例中,夾片間距253、254自初始間距251、252之減小可大致按橫向拉伸比之平方根進行比例調整。實際比可取決於聚合物薄膜之帕松比以及對經拉伸薄膜之要求,包括平坦度、厚度等。因此,在一些具體實例中,聚合物薄膜之垂直於拉伸方向之平面內軸線可鬆弛等於在拉伸方向上之拉伸比之平方根的量。藉由相對於夾片間間距251、252減小夾片間距253、254,可允許聚合物薄膜沿著縱向鬆弛,同時沿著橫向方向被拉伸。舉例而言,聚合物薄膜可沿著縱向鬆弛達聚合物之帕松比的至少大致10%,例如,聚合物薄膜之帕松比的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%或80%,包括前述值中之任一者之間的範圍。
可在每一加熱區域內控制聚合物薄膜之溫度。舉例而言,在拉伸區域232內,聚合物薄膜205之溫度可例如在子區域265、270內恆定或獨立地經控制。在一些具體實例中,聚合物薄膜205之溫度可隨著經拉伸聚合物薄膜205進入區域234而降低。在區域232內之拉伸動作之後快速降低溫度(亦即,熱淬滅)可增強聚合物薄膜205之順應性。在一些具體實例中,聚合物薄膜205可為熱穩定的,其中聚合物薄膜205之溫度可在拉伸後區域234、236、238中之每一者內受控制。聚合物薄膜之溫度可藉由強制熱對流或藉由輻射(例如,IR輻射)或其組合而控制。
在拉伸區域232之下游,根據一些具體實例,第一軌道225與第二軌道227之間的橫向距離可保持恆定或如所說明最初減小(例如,在區域234及區域236內),之後假定分離距離恆定(例如在輸出區域238內)。在相關脈絡中,拉伸區域232之下游的夾片間間距可相對於沿著第一軌道225之夾片間間距253及沿著第二軌道227之夾片間間距254增加或減小。舉例而言,在輸出區域238內沿著第一軌道225之夾片間間距255可小於拉伸區域232內之夾片間間距253,且在輸出區域238內沿著第二軌道227之夾片間間距256可小於拉伸區域232內之夾片間間距254。根據一些具體實例,可藉由修改線性步進馬達線上之夾片之局部速度或藉由使用將夾片連接至對應軌道之附接及可變夾片間距機構來控制該等夾片之間的間距。
根據一些具體實例,經拉伸及定向之聚合物薄膜215可自系統200移除且在後續拉伸步驟中進一步拉伸,諸如經由長度定向與鬆弛,如圖3中所展示。參考圖3,展示用於形成各向異性聚合物薄膜之另一實例系統。薄膜定向系統300可包括:用於接收及預熱聚合物薄膜305之結晶或可結晶部分310之薄膜輸入區域330、用於輸出聚合物薄膜305之至少部分結晶及定向部分315之薄膜輸出區域345及在輸入區域330與輸出區域345之間延伸的夾片陣列320,該夾片陣列經組態以夾緊並導引聚合物薄膜305通過系統300。如在先前具體實例中,夾片陣列320可包括以可滑動方式安置於第一軌道325上之複數個第一夾片324及以可滑動方式安置於第二軌道327上之複數個第二夾片326。在某些具體實例中,結晶或可結晶部分310可對應於經拉伸及定向之聚合物薄膜215。
在一實例程序中,接近於輸入區域330,第一夾片324及第二夾片326可貼附至聚合物薄膜305之邊緣部分,其中位於給定軌道325、327上之鄰近夾片可以初始夾片間間距350、355安置,該最初夾片間間距可沿著輸入區域330內之兩個軌道實質上恆定或可變。在輸入區域330內,第一軌道325與第二軌道327之間的沿著橫向方向之距離可為恆定或實質上恆定的。
系統300可另外包括一或多個區域335、340等。系統300之動力學允許對以下各者進行非依賴性控制:(i)聚合物薄膜305之平移速率,(ii)第一軌道325及第二軌道327之形狀,(iii)第一軌道325與第二軌道327之間的沿著橫向方向之間距,(iv)輸入區域330內之夾片間間距350、355以及該輸入區域下游的夾片間間距(例如夾片間間距352、354、357、359),及(v)聚合物薄膜之局部溫度等。
在一實例程序中,當聚合物薄膜305由夾片324、326導引通過系統300時,該聚合物薄膜可在區域330、335、340、345中之每一者內經加熱至所選擇溫度。可在變形期間(亦即,在區域335內)使用大於聚合物薄膜305之組分之玻璃轉化溫度的溫度,而可在一或多個下游區域中之每一者內使用較小溫度、相等溫度或較大溫度。
如在先前具體實例中,可局部地控制拉伸區域335內之聚合物薄膜305之溫度。根據一些具體實例,聚合物薄膜305之溫度可在拉伸動作期間維持在恆定或實質上恆定的值。根據另外具體實例,聚合物薄膜305之溫度可在拉伸區域335內遞增地增加。亦即,隨著聚合物薄膜305沿著縱向前進,該聚合物薄膜之溫度可在拉伸區域335內增加。藉助於實例,拉伸區域335內之聚合物薄膜305之溫度可在加熱區域a、b及c中之每一者內經局部地控制。
溫度剖面可為連續的、不連續的或其組合。如圖3中所說明,加熱區域a、b及c可跨越聚合物薄膜305之寬度延伸,且每一區域內之溫度可根據關係T
g< T
a< T
b< T
c< T
m而獨立地控制。相鄰加熱區域之間的溫度差可小於大致20℃,例如,小於大致10℃,或小於大致5℃。
仍參考圖3,在區域335內,第一軌道325上之鄰近第一夾片324之間的間距352及第二軌道327上之鄰近第二夾片326之間的間距357可相對於輸入區域330內之夾片間間距350、355增加,此可將平面內張應力施加至聚合物薄膜305且沿著縱向拉伸聚合物薄膜。在變形區域335內的一個或兩個軌道325、327上之夾片間間距之範圍可為恆定的或可變的,且例如依據沿著縱向之位置而增加。
在拉伸區域335內,夾片間間距352、357可線性地增加,使得主變形模式可處於恆定速度。舉例而言,聚合物薄膜之應變率可沿著縱向減小。在另外具體實例中,聚合物薄膜305可以恆定應變率予以拉伸,其中夾片間間距可按指數律成比例增加。
在某些實例中,可藉由薄膜定向系統300實施逐漸減小之應變率,以產生高折射率及高模數聚合物薄膜。舉例而言,在拉伸區域335內,夾片間間距可經組態成使得每一連續對之夾片324、326之間的距離沿著縱向增加。可獨立地控制每一連續對之夾片之間的夾片間間距,以達成沿著縱向之所要應變率。
回應於沿著縱向施加之張應力,第一軌道325及第二軌道327可在區域335內沿著橫向方向會聚,使得聚合物薄膜305可在橫向方向上鬆弛同時在縱向上被拉伸。使用單個拉伸步驟或多個拉伸步驟,聚合物薄膜305可被拉伸至少大致4倍(例如,4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍、10倍、20倍、40倍、100倍或大於100倍,包括前述值中之任一者之間的範圍)。
在拉伸區域335內,第一軌道325及第二軌道327之傾角(亦即,相對於縱向)可為恆定的或可變的。在特定實例中,拉伸區域335內之傾角可沿著縱向減小。亦即,根據某些具體實例,加熱區域a內之傾角可大於加熱區域b內之傾角,且加熱區域b內之傾角可大於加熱區域c內之傾角。此組態可用以在聚合物薄膜前進通過系統300時提供拉伸區域335內之鬆弛率(沿著橫向方向)的逐漸減小。
在一些具體實例中,聚合物薄膜305之溫度可隨著經拉伸聚合物薄膜305離開區域335而降低。在一些具體實例中,聚合物薄膜305可為熱穩定的,其中聚合物薄膜305之溫度可在變形後區域340、345中之每一者內受控制。聚合物薄膜之溫度可藉由強制熱對流或藉由輻射(例如,IR輻射)或其組合而控制。
在變形區域335之下游,夾片間間距可相對於沿著第一軌道325之夾片間間距352及沿著第二軌道327之夾片間間距357增加或保持實質上恆定。舉例而言,在輸出區域345內沿著第一軌道325之夾片間間距354可實質上等於夾片離開區域335時之夾片間間距352,且在輸出區域345內沿著第二軌道327之夾片間間距359可實質上等於夾片離開區域335時之夾片間間距357。在拉伸動作之後,聚合物薄膜305可例如在一或多個下游區域340、345內經退火。
薄膜定向系統300之應變影響由單位區段360、365示意性地展示,該等單位區段分別說明聚合物薄膜305之所選擇區域之變形前尺寸及變形後尺寸。在所說明之具體實例中,聚合物薄膜305具有拉伸前寬度(例如沿著橫向方向)及拉伸前長度(例如沿著縱向)。如應瞭解,拉伸後寬度可小於拉伸前寬度,且拉伸後長度可大於拉伸前長度。
在一些具體實例中,卷軸式系統可與諸如薄膜定向系統200或薄膜定向系統300之薄膜定向系統整合以操控聚合物薄膜。在另外具體實例中,卷軸式系統自身可經組態為薄膜定向系統。超高分子量聚合物薄膜可層壓至光學基底材料或基板(諸如聚碳酸酯透鏡)的一側或兩側。
圖4將來自聚碳酸酯透鏡之表面之熱轉移的理論極限(表面積=1250 mm
2,對流熱轉移係數=6.5 W/m
2K,發射率=0.9,T
表面= 43℃,T
周圍= 25℃)與用於聚碳酸酯透鏡及光學元件之量測值進行比較,該等光學元件具有水平地(拉伸X)、豎直地(拉伸Y)定向及作為分別層壓至聚碳酸酯透鏡之多層雙軸膜(拉伸X及Y,其中一個層水平地定向且另一層豎直地定向)的高熱導率超高分子量聚合物薄膜。多層堆疊中之層可具有實質上相同之厚度。在一些具體實例中,多層中之複數個層可具有不同厚度以調諧該多層之定向散熱特性。可調整膜厚度及定向以減小由熱膨脹(CTE)引起的變形。
假定沿著聚合物薄膜內之晶體之配向方向的薄膜熱導率為25 W/mK,則層壓透鏡展示相對於單獨聚碳酸酯透鏡之增加之散熱率。當聚合物薄膜晶體沿著透鏡之短軸(在此狀況下為豎直(拉伸Y)方向)定向時,相對於聚合物薄膜晶體沿著透鏡之長軸定向(拉伸X)的狀況,散熱增強大致20%。具有正交微晶定向之多層聚合物薄膜在X定向與Y定向之間產生散熱率。
實例光學元件之分解表示展示於圖5及圖6中,其中圖5A展示安置於基板510上方的具有晶體之豎直定向的聚合物薄膜520,圖5B展示安置於基板510上方的具有晶體之水平定向的聚合物薄膜530,且圖6展示計時多層聚合物薄膜,其包括安置於基板610上方的具有晶體之豎直定向之聚合物薄膜620及具有晶體之水平定向之聚合物薄膜630兩者。
基板510、610之主表面可獨立地選自平面、凹入及凸出,但可預期其他形狀。舉例而言,基板之一個或兩個主表面可展現複合曲率。舉例而言,基板510、610可包括透鏡,諸如聚碳酸酯或玻璃透鏡。在所說明具體實例中之每一者中,各向異性聚合物薄膜可安置於透鏡之世界側上方或透鏡之眼睛側上方。
參考圖7及圖8,申請人已展示,來自層壓有高熱導率超高分子量聚合物薄膜的透鏡之散熱隨著薄膜之熱導率及厚度中之每一者而增加。排熱依據熱導率而增加,逐漸地接近藉由對流及輻射熱轉移設定之理論極限。參考圖7,散熱率分別在25 W/mK及100 W/mK下達成理論最大值的大致63%及82%。參考圖8,將聚碳酸酯基板之質量減小25%對總散熱率的影響極小。
在各種實例中,名稱「僅PC」係指在層壓有高熱導率超高分子量聚乙烯薄膜之前的聚碳酸酯基板。名稱「100%質量」、「75%質量」及「50%質量」係指包括層壓至聚碳酸酯基板的高熱導率超高分子量聚乙烯薄膜之複合結構,其中出於比較之目的,使基板薄化使得該複合物之質量為原始「僅PC」基板之質量的固定百分比(100%、75%或50%)。
圖9展示將高熱導率超高分子量聚合物薄膜層壓至聚碳酸酯(PC)基板可減小跨越基板之溫度梯度且顯著改良自其之散熱。參考圖10,展示分段式環邊界條件,其中100 mW的熱分佈於無陰影帶中,而陰影帶不發射熱。
參考圖11至圖14,以圖形方式展示來自圖9之資料。對於比較聚碳酸酯透鏡(圖11),透鏡之最大表面溫度為大致52℃,且標準偏差為大致5.3℃。參考圖12及圖13,施加具有25 W/mK各向異性熱導率的豎直地(圖12)或水平地(圖13)配向之50 μm厚之超高分子量聚合物薄膜會將透鏡之最大表面溫度降低至大致44℃,其中標準偏差為大致3.4℃。在施加具有相互正交軸線之兩個25 μm超高分子量聚合物薄膜層之狀況下(圖14),最大表面溫度降低至大致39℃,其中標準偏差為大致2.4℃。
圖15為根據另外具體實例的包括包夾於兩個計時(Θ=90°)多層聚合物薄膜之間的核心基板1510之光學元件的示意性說明。如所示,安置於基板1510之第一側(亦即,前側或世界側)上的多層聚合物薄膜可包括例如具有晶體之豎直定向的聚合物薄膜1520及具有晶體之水平定向的聚合物薄膜1530。另外,安置於基板1510之第二側(亦即,背側或眼睛側)上的多層聚合物薄膜可包括例如具有晶體之豎直定向的聚合物薄膜1540及具有晶體之水平定向的聚合物薄膜1550。
圖16為根據一些具體實例的針對不同超高分子量聚乙烯薄膜之應力對應變的標繪圖。如所說明,聚合物薄膜抵抗應變及變形的能力隨著彈性模數更高而增加。具有單獨保持張力之能力的超高分子量聚乙烯薄膜之所得應力-應變曲線如所說明彎曲且向上傾斜(筆直虛線表示具有保持張力及壓縮兩者之能力的概念薄膜)。
圖17展示回應於19 N負荷施加至光學元件之集中表面(5 mm直徑圓)的該光學元件之壓力剖面。該光學元件包括層壓於聚碳酸酯核心基板之表面上方的具有高彈性模數之各向異性多層聚合物薄膜。如所示,壓力係局部的且並不實質上傳播至透鏡之周圍區。
參考圖18及圖19,申請人已展示,回應於所施加負荷,層壓有具有高彈性模數之各向異性膜之各種組合的聚碳酸酯透鏡之最大位移與單獨聚碳酸酯透鏡相比顯著減小。圖18及圖19中所展示之資料係使用Holzapfel-Gasser-Ogden(HGO)材料模型來獲得,該材料模型假定各向異性膜可適應抗張負荷但不適應壓縮負荷(參見例如圖16中所展示之固體應力-應變曲線)。參考圖20及圖21,申請人已展示,在具有較高彈性模數之各向異性膜中,回應於所施加負荷,最大壓縮及抗張應變分別減小。
圖22為用於對光學元件執行落球測試之總成的透視說明。如所示,測試總成2200包括基座2210及用於支撐透鏡2230或另一光學元件之氯丁橡膠墊片2220。鋼球2240自指定高度掉落至支撐透鏡2230上且可在落球期間量測最大主應力及透鏡偏轉。
參考圖23,申請人已展示,與單獨聚碳酸酯透鏡相比,對於層壓有具有高彈性模數之超高分子量聚合物薄膜的聚碳酸酯透鏡,在落球測試期間隨著時間推移之最大主應力極大地減小。
參考圖24,申請人已展示,與單獨聚碳酸酯透鏡相比,層壓有具有高彈性模數之超高分子量聚合物薄膜的聚碳酸酯透鏡在落球測試期間的偏轉減小。
超高分子量聚合物薄膜可為輕質、透明及低混濁度的,且可另外沿著至少一個維度具有高熱導率以便促進散熱及通過其之溫度均勻性。諸如透鏡之光學元件可包括獨立式超高分子量聚合物薄膜或多層,或安置於基板上方(例如,層壓至基板)之超高分子量聚合物薄膜或多層。基板可包括玻璃、陶瓷、聚合物或其他光學透明結構。
在製造期間,超高分子量聚合物薄膜之拉伸可誘發膜內之聚合物鏈或微晶的配向,及膜之性質(包括折射率、模數及熱導率)之伴隨的平面內各向異性。在某些具體實例中,包括此聚合物薄膜之光學元件可經組態以散熱,亦即自光發射器發出之熱,而不干擾關聯裝置或系統之光學效能。經由熱平衡,可改良使用者舒適度、可用性以及裝置效能及壽命。
本發明亦描述用於生產薄的、剛性的及低密度的聚合物膜之製造方法,該聚合物膜經組態以減小由其形成之透鏡的厚度及質量。可在不犧牲剛性及強度的情況下實現透鏡大小及重量的減小。具體言之,揭示一種用於由超高分子量聚乙烯構成之各向異性、高模數及高強度聚合物薄膜形成光學元件的層壓方法。
實例具體實例
實例1:一種聚合物薄膜包括具有為至少大致500,000 g/mol之一重量平均分子量的聚乙烯,其中該薄膜之特徵在於可見光譜內之透明度為至少大致80%,總體混濁度小於大致5%且一平面內彈性模數為至少大致10 GPa。
實例2:如實例1之聚合物薄膜,其特徵在於紅外線光譜內之透明度為至少大致80%。
實例3:如實例1及2中任一項之聚合物薄膜,其特徵在於射頻光譜內之透明度為至少大致80%。
實例4:如實例1至3中任一項之聚合物薄膜,其特徵在於一平面內抗張強度為至少大致0.5 GPa。
實例5:如實例1至4中之任一項之聚合物薄膜,其中該薄膜之一平面內熱導率係各向異性的。
實例6:如實例1至5中任一項之聚合物薄膜,其特徵在於一平面內熱導率為至少大致5 W/mK。
實例7:如實例1至6中之任一項之聚合物薄膜,其中該熱導率之一平面內各向異性係至少2:1。
實例8:如實例1至7中任一項之聚合物薄膜,其特徵在於一結晶聚乙烯含量為至少大致30%。
實例9:如實例1至8中任一項之聚合物薄膜,其中該聚乙烯之一密度小於大致1.5 g/cm
3。
實例10:如實例1至9中任一項之聚合物薄膜,其特徵在於一厚度為至少大約5微米。
實例11:一種薄膜包括一結晶聚合物,該結晶聚合物具有為至少大致500,000 g/mol之一重量平均分子量及結晶軸線之一較佳平面內定向,其中該薄膜之特徵在於選自以下各者之至少兩個屬性(i至iv):(i)可見光譜內之透明度為至少大致80%,(ii)總體混濁度小於大致5%,(iii)一平面內彈性模數為至少大致10 GPa及(iv)一平面內熱導率為至少大致5 W/mK。
實例12:如實例11之薄膜,其中該薄膜之特徵在於該等屬性(i至iv)中之至少三者。
實例13:如實例11及12中任一項之薄膜,其特徵在於一結晶聚合物含量為至少大致30%。
實例14:如實例11至13中任一項之薄膜,其中該結晶聚合物之一密度小於大致1.5 g/cm
3。
實例15:如實例11至14中任一項之薄膜,其中該結晶聚合物包括聚乙烯。
實例16:一種光學元件包括一基板及層壓至該基板之一第一主表面的一第一各向異性聚合物薄膜,其中該第一各向異性聚合物薄膜包括結晶軸線之一較佳平面內定向且特徵在於可見光譜內之透明度為至少大致80%,總體混濁度小於大致5%且一平面內彈性模數為至少大致10 GPa。
實例17:如實例16之光學元件,其包括層壓至該第一各向異性聚合物薄膜之一第二各向異性聚合物薄膜,其中該第二各向異性聚合物薄膜包括結晶軸線之一較佳平面內定向,使得該等第一及第二各向異性聚合物薄膜之該等結晶軸線以一角度(θ)在平面內旋轉地錯向,其中0 < θ ≤ 90°,且該第二各向異性聚合物薄膜之特徵在於可見光譜內之透明度為至少大致80%,總體混濁度小於大致5%且一平面內彈性模數為至少大致10 GPa。
實例18:如實例16及17中任一項之光學元件,其中該第一各向異性聚合物薄膜及該第二各向異性聚合物薄膜形成一聚合物雙層,且該聚合物雙層之特徵在於可見光譜內之透明度為至少大致80%,總體混濁度小於大致5%且一平面內彈性模數為至少大致10 GPa。
實例19:如實例16至18中任一項之光學元件,其包括層壓至該基板之一第二主表面的一第三各向異性聚合物薄膜,其中該第三各向異性聚合物薄膜包括結晶軸線之一較佳平面內定向且特徵在於可見光譜內之透明度為至少大致80%,總體混濁度小於大致5%,一平面內彈性模數為至少大致10 Gpa且一平面內熱導率為至少大致5 W/mK。
實例20:如實例16至19中任一項之光學元件,其中該基板包括一透鏡且該第一主表面為該透鏡之一眼睛側表面。
本發明之具體實例可包括各種類型之人工實境系統或結合各種類型之人工實境系統予以實施。人工實境為在呈現給使用者之前已以某一方式調整的實境形式,其可包括例如虛擬實境、擴增實境、混合實境、混雜實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全電腦產生之內容或與所捕獲之(例如,真實世界)內容組合之電腦產生之內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、觸覺回饋或其某一組合,其中之任一者可在單一通道中或在多個通道中呈現(諸如,對觀察者產生三維(3D)效應之立體聲視訊)。另外,在一些具體實例中,人工實境亦可與用以例如在人工實境中產生內容及/或另外用於人工實境中(例如,在人工實境中執行活動)之應用、產品、附件、服務或其某一組合相關聯。
人工實境系統可以各種不同外觀尺寸及組態來實施。一些人工實境系統可經設計為在無近眼顯示器(NED)之情況下工作。其他人工實境系統可包括NED,該NED亦提供對真實世界(諸如例如圖25中之擴增實境系統2500)之可視性或讓使用者在視覺上沉浸在人工實境(諸如例如圖26中之虛擬實境系統2600)中。雖然一些人工實境裝置可為自含式系統,但其他人工實境裝置可與外部裝置通信及/或協調以向使用者提供人工實境體驗。此類外部裝置之實例包括手持式控制器、行動裝置、桌上型電腦、由使用者配戴之裝置、由一或多個其他使用者配戴之裝置,及/或任何其他合適的外部系統。
轉向圖25,擴增實境系統2500可包括具有框架2510之眼鏡裝置2502,該框架經組態以將左側顯示裝置2515(A)及右側顯示裝置2515(B)固持在使用者眼睛前方。顯示裝置2515(A)及2515(B)可共同地或獨立地起作用以向使用者呈現影像或一系列影像。雖然擴增實境系統2500包括兩個顯示器,但本發明之具體實例可實施於具有單個NED或多於兩個NED之擴增實境系統中。
在一些具體實例中,擴增實境系統2500可包括一或多個感測器,諸如感測器2540。感測器2540可回應於擴增實境系統2500之運動而產生量測信號,且可位於框架2510之實質上任何部分上。感測器2540可表示多種不同感測機構中之一或多者,該等感測機構諸如位置感測器、慣性量測單元(IMU)、深度攝影機總成、結構化光發射器及/或偵測器,或其任何組合。在一些具體實例中,擴增實境系統2500可包括或可不包括感測器2540,或可包括多於一個感測器。在其中感測器2540包括IMU之具體實例中,IMU可基於來自感測器2540之量測信號而產生校準資料。感測器2540之實例可包括但不限於加速計、陀螺儀、磁力計、偵測運動之其他適合類型之感測器、用於IMU之誤差校正之感測器,或其某一組合。
在一些實例中,擴增實境系統2500亦可包括麥克風陣列,該麥克風陣列具有被集體地稱作聲音換能器2520之複數個聲音換能器2520(A)至2520(J)。聲音換能器2520可表示偵測由聲波誘發之氣壓變化的換能器。每一聲音換能器2520可經組態以偵測聲音且將經偵測聲音轉換成電子格式(例如,類比或數位格式)。圖25中之麥克風陣列可包括例如十個聲音換能器:2520(A)及2520(B),其可經設計為置放在使用者之對應耳朵內部;聲音換能器2520(C)、2520(D)、2520(E)、2520(F)、2520(G)及2520(H),其可定位於框架2510上之各種位置處;及/或聲音換能器2520(I)及2520(J),其可定位於對應頸帶2505上。
在一些具體實例中,聲音換能器2520(A)至(J)中之一或多者可用作輸出換能器(例如,揚聲器)。舉例而言,聲音換能器2520(A)及/或2520(B)可為耳塞或任何其他適合類型之頭戴式耳機或揚聲器。
麥克風陣列之聲音換能器2520的組態可變化。雖然擴增實境系統2500在圖25中被展示為具有十個聲音換能器2520,但聲音換能器2520之數目可大於或小於十。在一些具體實例中,使用較高數目個聲音換能器2520可增加所收集之音訊資訊之量及/或音訊資訊之敏感度及準確度。相比而言,使用較低數目個聲音換能器2520可降低關聯控制器2550處理所收集音訊資訊所需之計算能力。另外,麥克風陣列之每一聲音換能器2520的位置可變化。舉例而言,聲音換能器2520之位置可包括使用者上之所界定位置、框架2510上之所界定座標、與每一聲音換能器2520相關聯之定向,或其某一組合。
聲音換能器2520(A)及2520(B)可定位於使用者耳朵之不同部分上,諸如耳廓後方、耳屏後方及/或在外耳或耳窩內。或者,除了耳道內部之聲音換能器2520以外,耳朵上或周圍亦可存在額外聲音換能器2520。使聲音換能器2520緊鄰使用者之耳道定位可使得麥克風陣列能夠收集關於聲音如何到達耳道之資訊。藉由將聲音換能器2520中之至少兩者定位在使用者頭部之任一側上(例如,作為雙耳麥克風),擴增實境裝置2500可模擬雙耳聽覺且捕獲使用者頭部周圍的3D立體聲聲場。在一些具體實例中,聲音換能器2520(A)及2520(B)可經由有線連接2530連接至擴增實境系統2500,且在其他具體實例中,聲音換能器2520(A)及2520(B)可經由無線連接(例如,藍牙(BLUETOOTH)連接)連接至擴增實境系統2500。在又其他具體實例中,聲音換能器2520(A)及2520(B)可根本不結合擴增實境系統2500來使用。
框架2510上之聲音換能器2520可以多種不同方式定位,包括沿著鏡腿之長度、跨越橋接件、在顯示裝置2515(A)及2515(B)上方或下方,或其某一組合。聲音換能器2520亦可經定向使得麥克風陣列能夠在環繞配戴擴增實境系統2500之使用者的廣泛範圍的方向上偵測聲音。在一些具體實例中,可在擴增實境系統2500之製造期間執行最佳化程序以判定麥克風陣列中之每一聲音換能器2520的相對定位。
在一些實例中,擴增實境系統2500可包括或連接至外部裝置(例如,配對裝置),諸如頸帶2505。頸帶2505通常表示任何類型或形式之配對裝置。因此,頸帶2505之以下論述亦可適用於各種其他配對裝置,諸如充電箱、智慧型手錶、智慧型手機、腕帶、其他配戴式裝置、手持式控制器、平板電腦、膝上型電腦、顯示器及其他外部計算裝置等。
如所示,頸帶2505可經由一或多個連接器耦接至眼鏡裝置2502。連接器可為有線或無線的,且可包括電及/或非電(例如,結構性)組件。在一些狀況下,眼鏡裝置2502及頸帶2505可在其間無任何有線或無線連接之情況下獨立地操作。雖然圖25說明處於眼鏡裝置2502及頸帶2505上之實例位置中的眼鏡裝置2502及頸帶2505之組件,但該等組件可位於別處及/或以不同方式分佈在眼鏡裝置2502及/或頸帶2505上。在一些具體實例中,眼鏡裝置2502及頸帶2505之組件可位於與眼鏡裝置2502、頸帶2505或其某一組合配對的一或多個額外周邊裝置上。
使諸如頸帶2505之外部裝置與擴增實境眼鏡裝置配對可使得眼鏡裝置能夠達成一副眼鏡之外觀尺寸,同時仍為擴展能力提供足夠的電池及計算能力。擴增實境系統2500之電池功率、計算資源及/或額外特徵中的一些或全部可由配對裝置提供或在配對裝置與眼鏡裝置之間共用,因此總體上減小眼鏡裝置之重量、熱分佈及外觀尺寸,同時仍保留所要功能性。舉例而言,頸帶2505可允許原本將包括於眼鏡裝置上之組件包括於頸帶2505中,此係由於使用者可在其肩部上承受比其將在其頭部上承受的更重的重量負荷。頸帶2505亦可具有較大表面區域,在該表面區域上將熱擴散且分散至周圍環境。因此,頸帶2505可允許比獨立眼鏡裝置上原本可能的電池及計算容量更大的電池及計算容量。由於頸帶2505中所承載之重量相比於眼鏡裝置2502中所承載之重量對於使用者之侵入性可較小,因此使用者可承受配戴較輕眼鏡裝置且承受承載或配戴配對裝置之時間長度大於使用者將承受配戴較重的獨立式眼鏡裝置之時間長度,從而使得使用者能夠將人工實境環境更充分地併入至其日常活動中。
頸帶2505可以通信方式與眼鏡裝置2502及/或其他裝置耦接。此等其他裝置可提供某些功能(例如追蹤、定位、深度映射、處理、儲存等)至增強實境系統2500。在圖25之具體實例中,頸帶2505可包括兩個聲音換能器(例如,2520(I)及2520(J)),其為麥克風陣列之部分(或可能形成其自身的麥克風子陣列)。頸帶2505亦可包括控制器2525及電源2535。
頸帶2505之聲音換能器2520(I)及2520(J)可經組態以偵測聲音且將經偵測聲音轉換成電子格式(類比或數位)。在圖25之具體實例中,聲音換能器2520(I)及2520(J)可定位於頸帶2505上,從而增加頸帶聲音換能器2520(I)及2520(J)與定位於眼鏡裝置2502上之其他聲音換能器2520之間的距離。在一些狀況下,增加麥克風陣列之聲音換能器2520之間的距離可改良經由麥克風陣列執行之波束成形之準確度。舉例而言,若聲音係由聲音換能器2520(C)及2520(D)偵測到且聲音換能器2520(C)與2520(D)之間的距離大於例如聲音換能器2520(D)與2520(E)之間的距離,則與聲音已由聲音換能器2520(D)及2520(E)偵測到之情況相比,經偵測聲音之經判定源位置可更準確。
頸帶2505之控制器2525可處理由頸帶2505及/或擴增實境系統2500上之感測器產生的資訊。舉例而言,控制器2525可處理來自麥克風陣列之描述由麥克風陣列偵測到之聲音的資訊。對於每一經偵測聲音,控制器2525可執行到達方向(direction-of-arrival;DOA)估計以估計經偵測聲音自哪一方向到達麥克風陣列。在麥克風陣列偵測到聲音時,控制器2525可用資訊填入音訊資料集。在擴增實境系統2500包括慣性量測單元之具體實例中,控制器2525可根據位於眼鏡裝置2502上之IMU計算所有慣性及空間計算。連接器可在擴增實境系統2500與頸帶2505之間及擴增實境系統2500與控制器2525之間傳送資訊。該資訊可呈光學資料、電資料、無線資料或任何其他可傳輸資料形式之形式。將由擴增實境系統2500產生的資訊之處理移動至頸帶2505可減小眼鏡裝置2502中之重量及熱,從而使該眼鏡裝置對於使用者而言更舒適。
頸帶2505中之電源2535可將電力提供至眼鏡裝置2502及/或頸帶2505。電源2535可包括但不限於鋰離子電池、鋰聚合物電池、鋰原電池、鹼性電池或任何其他形式之電力儲存器。在一些狀況下,電源2535可為有線電源。將電源2535包括於頸帶2505上而非眼鏡裝置2502上可幫助較佳地分配由電源2535產生之重量及熱。
如所提及,代替將人工實境與實際實境摻合,一些人工實境系統可實質上用虛擬體驗來替換使用者對真實世界之感測感知中之一或多者。此類型系統之一個實例為頭戴式顯示系統,諸如圖26中之虛擬實境系統2600,其大部分或完全地覆蓋使用者之視場。虛擬實境系統2600可包括塑形成圍繞使用者頭部裝配之前部剛體2602及帶2604。虛擬實境系統2600亦可包括輸出音訊換能器2606(A)及2606(B)。此外,雖然圖26中未展示,但前部剛體2602可包括一或多個電子元件,包括一或多個電子顯示器、一或多個慣性量測單元(IMU)、一或多個追蹤發射器或偵測器及/或用於產生人工實境體驗之任何其他適合的裝置或系統。
人工實境系統可包括多種類型之視覺回饋機構。舉例而言,擴增實境系統2500及/或虛擬實境系統2600中之顯示裝置可包括一或多個液晶顯示器(LCD)、發光二極體(LED)顯示器、微型LED顯示器、有機LED(OLED)顯示器、數位光投影(DLP)微顯示器、矽上液晶(LCoS)微顯示器,及/或任何其他適合類型的顯示螢幕。此等人工實境系統可包括用於兩隻眼睛之單個顯示螢幕或可為每一眼睛提供顯示螢幕,此可允許用於變焦調整或用於校正使用者之屈光不正的額外靈活性。此等人工實境系統中之一些亦可包括具有一或多個透鏡(例如,凹透鏡或凸透鏡、菲涅耳(Fresnel)透鏡、可調整液體透鏡等)之光學子系統,使用者可經由該一或多個透鏡檢視顯示螢幕。此等光學子系統可用於多種目的,包括使光準直(例如,使物件出現在比其實體距離更大的距離處)、放大光(例如,使物件看起來比其實際大小大)及/或中繼光(將光中繼至例如檢視者之眼睛)。此等光學子系統可用於非光瞳形成架構(諸如直接使光準直但產生所謂的枕形失真之單透鏡組態)及/或光瞳形成架構(諸如產生所謂的桶形失真以抵消枕形失真之多透鏡組態)中。
除了使用顯示螢幕以外或代替使用顯示螢幕,本文所描述之一些人工實境系統亦可包括一或多個投影系統。舉例而言,擴增實境系統2500及/或虛擬實境系統2600中之顯示裝置可包括微型LED投影機,該微型LED投影機(使用例如波導)將光投影至顯示裝置中,該等顯示裝置諸如允許環境光穿過之清晰組合器透鏡。顯示裝置可將經投影光朝向使用者瞳孔折射且可使得使用者能夠同時檢視人工實境內容及真實世界兩者。顯示裝置可使用多種不同光學組件中之任一者來實現此情形,該等光學組件包括波導組件(例如,全像、平面、繞射、偏振及/或反射波導元件)、光操控表面及元件(諸如繞射、反射及折射元件以及光柵)、耦合元件等。人工實境系統亦可經組態有任何其他適合類型或形式之影像投影系統,諸如用於虛擬視網膜顯示器中之視網膜投影機。
本文中所描述之人工實境系統亦可包括各種類型之電腦視覺組件及子系統。舉例言之,擴增實境系統2500及/或虛擬實境系統2600可包括一或多個光學感測器,諸如二維(2D)或3D攝影機、結構化光傳輸器及偵測器、飛行時間深度感測器、單束或掃掠雷射測距儀、3D LiDAR感測器及/或任何其他適合類型或形式之光學感測器。人工實境系統可處理來自此等感測器中之一或多者之資料以識別使用者之位置、繪製真實世界、向使用者提供關於真實世界環境之情境及/或執行多種其他功能。
本文中所描述之人工實境系統亦可包括一或多個輸入及/或輸出音訊換能器。輸出音訊換能器可包括音圈揚聲器、帶式揚聲器、靜電揚聲器、壓電揚聲器、骨傳導換能器、軟骨傳導換能器、耳屏振動換能器及/或任何其他合適類型或形式之音訊換能器。類似地,輸入音訊換能器可包括電容式麥克風、動態麥克風、帶式麥克風及/或任何其他類型或形式之輸入換能器。在一些具體實例中,單一換能器可用於音訊輸入及音訊輸出兩者。
在一些具體實例中,本文中所描述之人工實境系統亦可包括觸感(亦即,觸覺)回饋系統,其可併入至頭飾、手套、連體套裝、手持式控制器、環境裝置(例如,座椅、地墊等)及/或任何其他類型的裝置或系統中。觸覺回饋系統可提供各種類型之皮膚回饋,包括振動、力、牽引力、紋理及/或溫度。觸覺回饋系統亦可提供各種類型之動覺回饋,諸如運動及順應性。觸覺回饋可使用馬達、壓電致動器、流體系統及/或多種其他類型之回饋機構來實施。觸覺回饋系統可獨立於其他人工實境裝置、在其他人工實境裝置內及/或結合其他人工實境裝置來實施。
藉由提供觸覺感覺、聽覺內容及/或視覺內容,人工實境系統可在多種情境及環境中產生整個虛擬體驗或增強使用者之真實世界體驗。舉例而言,人工實境系統可在特定環境內輔助或延伸使用者之感知、記憶或認知。一些系統可增強使用者與真實世界中之其他人的互動或可實現與虛擬世界中之其他人的更具沉浸式之互動。人工實境系統亦可用於教學目的(例如,用於在學校、醫院、政府組織、軍事組織、商業企業等中進行教學或訓練)、娛樂目的(例如,用於播放視訊遊戲、聽音樂、觀看視訊內容等)及/或用於無障礙性目的(例如,作為助聽器、視覺輔助物等)。本文中所揭示之具體實例可在此等情境及環境中之一或多者中及/或在其他情境及環境中實現或增強使用者之人工實境體驗。
本文中所描述及/或說明的程序參數及步驟序列僅作為實例給出且可按需要變化。舉例而言,雖然本文中所說明及/或描述之步驟可以特定次序展示或論述,但此等步驟未必需要以所說明或論述之次序執行。本文中所描述及/或說明之各種例示性方法亦可省略本文中所描述或說明之步驟中之一或多者或包括除所揭示之彼等步驟之外的額外步驟。
先前描述已經提供以使所屬技術領域中具有通常知識者能夠最佳地利用本文中所揭示之例示性具體實例的各種態樣。此例示性描述並不意欲為詳盡的或限制於所揭示之任何精確形式。在不脫離本發明之精神及範圍之情況下,許多修改及變化係可能的。本文所揭示之具體實例在全部方面應被視為例示性而非限制性的。在判定本發明之範圍時應參考所附申請專利範圍及其等效者。
除非另外指出,否則如說明書及申請專利範圍中所使用,術語「連接至」及「耦接至」(及其衍生詞)被解釋為准許直接及間接(亦即,經由其他元件或組件)連接兩者。另外,如說明書及申請專利範圍中使用之術語「一(a或an)」被解釋為意謂「中之至少一者」。最後,為了易於使用,如說明書及申請專利範圍中所使用之術語「包括」及「具有」(及其衍生詞)可與詞「包含」互換且具有與詞「包含」相同之含義。
應理解,當諸如層或區之元件被稱作形成於、沈積於另一元件上,或安置於另一元件「上」、「上方」或「上覆」另一元件,其可位於另一元件之至少一部分正上方或亦可存在一或多個介入元件。相比而言,當元件被稱作「在另一元件之正上」、「在另一元件正上方」或「直接上覆另一元件」時,其可位於另一元件之至少部分上,其中不存在介入元件。
如本文中所使用,參考給定參數、性質或條件之術語「實質上」可意謂及包括所屬技術領域中具有通常知識者將在一定程度上理解給定參數、性質或條件符合較小程度之差異,諸如在可接受的製造容許度內。藉助於實例,取決於實質上符合之特定參數、性質或條件,可至少大致90%符合、至少大致95%符合或甚至至少大致99%符合參數、性質或條件。
如本文中所使用,在某些具體實例中,參考特定數值或值範圍的術語「大致」可意謂及包括所陳述值以及在所陳述值之10%內的所有值。因此,藉助於實例,在某些具體實例中,作為「大致50」來提及數值「50」可包括等於50±5之值,亦即,在45至55之範圍內之值。
雖然可使用過渡片語「包含」來揭示特定具體實例之各種特徵、元件或步驟,但應理解,暗示了替代性具體實例,包括可使用過渡片語「由……組成」或「基本上由……組成」來描述的彼等具體實例。因此,舉例而言,包含或包括超高分子量聚乙烯之光學元件的暗示替代性具體實例包括光學元件由超高分子量聚乙烯組成之具體實例及光學元件基本上由超高分子量聚乙烯組成之具體實例。
100:光學元件
110:本體
120:外表面
130:內表面
200:薄膜定向系統
205:聚合物薄膜
210:可結晶部分
215:結晶及定向部分
220:夾片陣列
224:可移動第一夾片
225:第一軌道
226:可移動第二夾片
227:第二軌道
230:薄膜輸入區域
232:額外區域/拉伸區域
234:額外區域/拉伸後區域
236:額外區域/拉伸後區域
238:薄膜輸出區域/拉伸後區域
251:夾片間間距
252:夾片間間距
253:夾片間間距
254:夾片間間距
255:夾片間間距
256:夾片間間距
265:子區域
270:子區域
300:薄膜定向系統
305:聚合物薄膜
310:結晶或可結晶部分
315:至少部分結晶及定向部分
320:夾片陣列
324:第一夾片
325:第一軌道
326:第二夾片
327:第二軌道
330:薄膜輸入區域
335:拉伸區域
340:區域
345:薄膜輸出區域
350:初始夾片間間距
352:夾片間間距
354:夾片間間距
355:初始夾片間間距
357:夾片間間距
359:夾片間間距
360:單位區段
365:單位區段
510:基板
520:聚合物薄膜
530:聚合物薄膜
610:基板
620:聚合物薄膜
630:聚合物薄膜
1510:核心基板
1520:聚合物薄膜
1530:聚合物薄膜
1540:聚合物薄膜
1550:聚合物薄膜
2200:測試總成
2210:基座
2220:氯丁橡膠墊片
2230:支撐透鏡
2240:鋼球
2500:擴增實境系統
2502:眼鏡裝置
2505:頸帶
2510:框架
2515(A):左側顯示裝置
2515(B):右側顯示裝置
2520(A):聲音換能器
2520(B):聲音換能器
2520(C):聲音換能器
2520(D):聲音換能器
2520(E):聲音換能器
2520(F):聲音換能器
2520(G):聲音換能器
2520(H):聲音換能器
2520(I):聲音換能器
2520(J):聲音換能器
2525:控制器
2530:有線連接
2535:電源
2540:感測器
2600:虛擬實境系統
2602:前部剛體
2604:帶
2606(A):輸出音訊換能器
2606(B):輸出音訊換能器
a:加熱區域
b:加熱區域
c:加熱區域
隨附圖式說明多個例示性具體實例且為本說明書之部分。連同以下描述,此等圖式展現並解釋本發明之各種原理。
[圖1]為展示根據一些具體實例的通過及來自實例光學元件之熱能通路的示意性說明。
[圖2]為根據一些具體實例的用於製造各向異性聚合物薄膜之薄膜定向系統的示意圖。
[圖3]為根據一些具體實例的用於製造各向異性聚合物薄膜之薄膜定向系統的示意圖。
[圖4]為根據一些具體實例的比較自聚碳酸酯透鏡至光學元件之散熱的圖表,該光學元件包括層壓有具有定向熱流之各種定向的超高分子量聚乙烯薄膜之聚碳酸酯透鏡。
[圖5]為根據各種具體實例的光學元件之示意性說明,該光學元件包括(A)層壓至基板之豎直定向之高熱導率聚合物薄膜,及(B)層壓至基板之水平定向之高熱導率聚合物薄膜。
[圖6]為根據一些具體實例的包括層壓至基板之正交定向之雙層高熱導率聚合物薄膜之光學元件的示意性說明。
[圖7]為根據一些具體實例的針對比較聚碳酸酯基板及針對層壓有超高分子量聚乙烯薄膜之大量正規化聚碳酸酯基板的散熱對熱導率的標繪圖。
[圖8]為根據一些具體實例的針對比較聚碳酸酯基板及針對層壓有超高分子量聚乙烯薄膜之大量正規化聚碳酸酯基板的散熱對厚度的標繪圖。
[圖9]為概述根據各種具體實例的跨越各種透鏡架構之面向外部表面之最大溫度的表。
[圖10]為展示根據某些具體實例的分段式熱通量邊界條件之光學元件的透視說明。
[圖11]展示根據一些具體實例的用於比較聚碳酸酯透鏡之溫度剖面。
[圖12]展示根據一些具體實例的用於具有層壓至圖11之聚碳酸酯透鏡之每一主表面的豎直定向之高熱導率超高分子量聚合物薄膜的光學元件之溫度剖面。
[圖13]展示根據一些具體實例的用於具有層壓至圖11之聚碳酸酯透鏡之每一主表面的水平定向之高熱導率超高分子量聚合物薄膜的光學元件之溫度剖面。
[圖14]展示根據一些具體實例的用於具有層壓至圖11之聚碳酸酯透鏡之每一主表面的多層高熱導率超高分子量聚合物薄膜的光學元件之溫度剖面。
[圖15]為根據另外具體實例的包括核心基板之光學元件的示意性說明,該核心基板安置於一對正交定向之雙層聚合物薄膜之間。
[圖16]為根據一些具體實例的針對不同超高分子量聚乙烯薄膜之應力對應變的標繪圖。
[圖17]展示根據一些具體實例的光學元件之壓力剖面,該光學元件具有回應於所施加負載而層壓於聚碳酸酯核心基板之表面上方的各向異性多層聚合物薄膜。
[圖18]為展示根據一些具體實例的與具有層壓有具有高彈性模數之各向異性超高分子量聚乙烯薄膜之各種組合的聚碳酸酯透鏡之光學元件相比,聚碳酸酯透鏡回應於所施加負荷之最大經模型化透鏡位移的圖表。
[圖19]為展示根據一些具體實例的與具有層壓有具有高彈性模數之各向異性超高分子量聚乙烯薄膜的聚碳酸酯透鏡之光學元件相比,聚碳酸酯透鏡回應於所施加負荷之最大經模型化透鏡位移的圖表。
[圖20]為展示根據一些具體實例的層壓有具有高彈性模數之各向異性超高分子量聚乙烯薄膜之各種組合的聚碳酸酯透鏡之光學元件回應於所施加負荷之最大壓縮應變的圖表。
[圖21]為展示根據一些具體實例的具有層壓有具有高彈性模數之各向異性超高分子量聚乙烯薄膜之各種組合的聚碳酸酯透鏡之光學元件回應於所施加負荷的最大抗張應變的圖表。
[圖22]為根據某些具體實例的用於對光學元件執行落球測試之總成的透視說明。
[圖23]為根據一些具體實例的針對聚碳酸酯透鏡及具有層壓有具有高彈性模數之各向異性超高分子量聚乙烯薄膜之各種組合的聚碳酸酯透鏡之光學元件的最大主應力對時間的標繪圖。
[圖24]包括展示根據某些具體實例的與具有層壓有具有高彈性模數之各向異性超高分子量聚乙烯薄膜之各種組合的聚碳酸酯透鏡之光學元件相比,聚碳酸酯透鏡之偏轉的示意圖說明。
[圖25]為可結合本發明之具體實例使用的例示性擴增實境眼鏡之說明。
[圖26]為可結合本發明之具體實例使用的例示性虛擬實境耳機之說明。
貫穿圖式,相同參考標號及描述指示類似但未必相同的元件。雖然本文中所描述之例示性具體實例易受各種修改及替代形式影響,但在圖式中作為實例已展示特定具體實例,且將在本文中對其進行詳細描述。然而,本文中所描述之例示性具體實例並不意欲限於所揭示之特定形式。實情為,本發明涵蓋屬於所附申請專利範圍之範圍內之全部修改、等效者及替代方案。
100:光學元件
110:本體
120:外表面
130:內表面
Claims (20)
- 一種聚合物薄膜,其包含: 具有為至少大致500,000 g/mol之重量平均分子量的聚乙烯,其中該薄膜包含: 可見光譜內至少大致80%的透明度; 小於大致5%之總體混濁度;及 至少大致10 GPa之平面內彈性模數。
- 如請求項1之聚合物薄膜,其包含紅外線光譜內至少大致80%的透明度。
- 如請求項1之聚合物薄膜,其包含射頻光譜內至少大致80%的透明度。
- 如請求項1之聚合物薄膜,其包含至少大致0.5 GPa之平面內抗張強度。
- 如請求項1之聚合物薄膜,其中該薄膜之平面內熱導率係各向異性的。
- 如請求項1之聚合物薄膜,其包含至少大致5 W/mK之平面內熱導率。
- 如請求項6之聚合物薄膜,其中該熱導率之平面內各向異性係至少2:1。
- 如請求項1之聚合物薄膜,其包含至少大致30%之結晶聚乙烯含量。
- 如請求項1之聚合物薄膜,其中該聚乙烯之密度小於大致1.5 g/cm 3。
- 如請求項1之聚合物薄膜,其包含至少大致5微米之厚度。
- 一種薄膜,其包含: 結晶聚合物,該結晶聚合物具有為至少大致500,000 g/mol之重量平均分子量及結晶軸線之較佳平面內定向,其中該薄膜包含選自由以下各者組成之群組的至少兩個屬性(i至iv): (i)可見光譜內至少大致80%的透明度; (ii)小於大致5%之總體混濁度; (iii)至少大致10 GPa之平面內彈性模數;及 (iv)至少大致5 W/mK之平面內熱導率。
- 如請求項11之薄膜,其中該薄膜包含該等屬性(i至iv)中之至少三者。
- 如請求項11之薄膜,其包含至少大致30%之結晶聚合物含量。
- 如請求項11之薄膜,其中該結晶聚合物之密度小於大致1.5 g/cm 3。
- 如請求項11之薄膜,其中該結晶聚合物包含聚乙烯。
- 一種光學元件,其包含: 基板;及 層壓至該基板之第一主表面的第一各向異性聚合物薄膜,其中該第一各向異性聚合物薄膜包含結晶軸線之較佳平面內定向且包含: 可見光譜內至少大致80%的透明度; 小於大致5%之總體混濁度;及 至少大致10 GPa之平面內彈性模數。
- 如請求項16之光學元件,其包含層壓至該第一各向異性聚合物薄膜之第二各向異性聚合物薄膜,其中該第二各向異性聚合物薄膜包含結晶軸線之較佳平面內定向,使得該等第一及第二各向異性聚合物薄膜之該等結晶軸線以角度(θ)在平面內旋轉地錯向(misoriented),其中0 < θ ≤ 90°,且該第二各向異性聚合物薄膜包含: 可見光譜內至少大致80%的透明度; 小於大致5%之總體混濁度;及 至少大致10 GPa之平面內彈性模數。
- 如請求項17之光學元件,其中該第一各向異性聚合物薄膜及該第二各向異性聚合物薄膜形成聚合物雙層,且該聚合物雙層包含: 可見光譜內至少大致80%的透明度; 小於大致5%之總體混濁度;及 至少大致10 GPa之平面內彈性模數。
- 如請求項16之光學元件,其包含層壓至該基板之第二主表面的第三各向異性聚合物薄膜,其中該第三各向異性聚合物薄膜包含結晶軸線之較佳平面內定向且包含: 可見光譜內至少大致80%的透明度; 小於大致5%之總體混濁度; 至少大致10 GPa之平面內彈性模數;及 至少大致5 W/mK之平面內熱導率。
- 如請求項16之光學元件,其中該基板包含透鏡且該第一主表面包含該透鏡之眼睛側表面。
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