光楔的制造技術

專利名稱：光楔的制造技術
光楔的制造
背景技術：
光楔是一種楔形光導，其構造成通過全內反射在位于光導端部的第一光接口與位于光導主面的第二光接口之間傳輸光。這種光導可以是圖像保持的，其中在邊緣處的圖像光的角度和在所述楔的表面處的圖像光的位置之間存在一一對應。因此，在適當輸入角范圍內輸入到所述第一光接口的光穿過光楔傳播直到達到內反射的臨界角，由此允許光通過所述第二接口透射出所述光楔。取決于特定光楔的設計，第一光接口可以在光楔的薄端或厚端。在任一種情況下，光在光楔內的內反射都允許光在體積相對小的空間內散開成期望的束尺寸，并且因此可以允許在沒有光楔的情況下構造與類似系統相比相對緊湊的光學系統。

發明內容
此處中公開了涉及光楔制造的各種實施例。例如，一個實施例提供一種制造光楔的方法，該方法包括將楔坯插入真空模具以及向該真空模具施加真空以臨時將該楔坯的一個表面保持靠著該真空模具的一個表面。該方法還包括從所述楔坯的上表面除去一層以暴露所述楔還的經機加工的表面(machined surface),以及在該經機加工的表面上燒鑄平滑層從而形成完成的光楔。提供該發明內容是為了以簡化的形式介紹下面在具體實施方式
中進一步描述的概念選集。該發明內容既不意圖確認所要求保護的主題的關鍵特征或實質性特征，也不意圖用于限制所要求保護的主題的范圍。此外，所要求保護的主題不限于解決在本公開的任何部分中提及的任何或全部缺點的實現方式。


圖I是真空模具的實施例和位于該真空模具上的楔坯的實施例的示意性橫截面視圖。圖2是描述制造光楔的方法的實施例的流程圖。圖3是示出插入真空模具的楔坯的圖I的真空模具的實施例的示意性橫截面視圖。圖4是示出楔坯的經機加工的表面暴露的圖I的真空模具的實施例的示意性橫截面視圖。圖5是示出平滑層澆鑄在楔坯的經機加工的表面上的圖I的真空模具的實施例的示意性橫截面視圖。圖6是由圖I的真空模具實施例產生的完成的光楔的示意性橫截面視圖。圖7是圖6的完成的光楔實施例的厚度輪廓的夸大示意圖。
具體實施例方式
如上所述，表面平滑度和尺寸精確度會是制造光楔時的目標。在一些應用中，會需要楔的最大厚度的厚度容限為約1%，以實現期望光學性能。例如，周期接近投影設備的束寬度大小的表面波紋可能引起像焦點退化，像焦點退化可能在從有波紋的表面的多次反射的路線上被放大。因此，在一些應用中，表面粗糙度會被控制為I微米每20mm最大梯度偏差。然而，制造具有這種屬性的光楔可能提出各種挑戰。例如，PMMA (聚(甲基丙烯酸甲酯))擠壓成的光楔可能由于擠壓孔而具有IOnm RA量級的表面粗糙度，這遠高于一些應用所期望的<2nm RA。澆鑄在兩個浮法玻璃板之間的光楔可能具有可接受的平滑度。然而，在固化期間PMMA可能收縮大約12-24%。由于光楔的非均勻厚度，這種收縮可能導致差的厚度輪廓容限，引起功能性的喪失。因此，此處提供了涉及以可幫助避免這些問題的方 式制造光楔的各種實施例。將理解，為了說明的目的，此處呈現的示意性圖示大大夸大。此外，將理解，在這些夸大的示意性圖示中呈現的楔輪廓是純粹示例性楔輪廓，并且在本公開的范圍內可以實現任何合適的楔輪廓。圖I是用于從楔坯150模制光楔的真空模具102的實施例的示意性圖示，其中楔坯150是用于模制光楔的起始材料。楔坯150可以由任何合適材料制成，包括但不限于諸如丙烯酸PMMA、聚碳酸酯、聚苯乙烯等的光學級材料。例如，在一些實施例中，楔坯150可以是通過固化在由襯墊分開的兩個浮法玻璃模板之間澆灌的單體而形成的澆鑄丙烯酸板。所得到的澆鑄板可以呈現與所述浮法玻璃模板的平均表面粗糙度近似相似的平均表面粗糙度，所述浮法玻璃模板的平均表面粗糙度在一些實施例中可以是2nm RA或更小。因此，楔坯150的表面在一些實施例中可以具有約2nm RA或更小的平均表面粗糙度，以及在一些實施例中可以具有約Inm RA或更小的平均表面粗糙度。楔坯150可以具有任何合適的尺寸。例如，在一些非限制的示例性實施例中，楔坯150可以具有約lmm-20mm的預處理厚度。由于一些丙烯酸聚合過程在聚合反應進行時導致丙烯酸材料收縮約12%_24%，將理解在一些實施例中可以使用更厚的初始單體進料以實現楔坯150的這種最終厚度。真空模具102包括一個或多個真空口 106,所述真空口流體地連接到真空泵(未示出)且構造成從真空模具102向真空泵引導空氣和/或其它氣體。將理解，在本公開的范圍內可以采用任何合適的真空泵。在一些實施例中，真空模具102可以安裝在諸如光學安裝平臺的穩定表面上，從而為更詳細描述的模制和澆鑄操作提供水平表面。真空模具102也包括模鑄表面(molding surface) 104,模鑄表面104構造成提供用于將光楔的模制表面(molded surface)整形成期望輪廓的模板。例如,在圖I中,模鑄表面104呈現厚度沿著從真空模具102的端部A到相對端部B行進的方向L變化的光學表面輪廓。端部A和B分別對應于所得到的光楔的厚邊緣和薄邊緣。因此，在圖I的真空模具102中制造的光楔將呈現與模鑄表面104的光學表面輪廓相匹配的光學表面輪廓。將理解，模鑄表面104的光學表面輪廓可以具有沿著模鑄表面104的長度和/或寬度的任何合適的輪廓，從而實現用于特定終端使用應用的光學和/或結構特性，提供足夠氣壓以克服將楔坯150的臨時形成對著模鑄表面104的光學表面輪廓的應力。在一些實施例中，模鑄表面104可以包括一個或多個局部形貌特性108，每個局部形貌特性108構造成將對應的互補形貌特征傳遞到完成的光楔。例如，在圖I所示的情形中，局部形貌特性108示為構造成將非球面光學特征傳遞到完成的光楔的厚度最大值。將理解，模鑄表面104可以通過任何合適工藝形成，例如通過使用研磨工具的機械加工，所述研磨工具例如是計算機數控(CNC)機床。此外將理解，可以使用任何合適表面處理，例如通過電解拋光、化學機械拋光等來加工模鑄表面104,從而提供適當平滑的模鑄表面。圖2是示出操作制造光楔的真空模具的方法200的實施例的流程圖。將理解，方法200可以通過任何合適的制造光楔的真空模具執行，并且不限于此處描述的實施例。方法200包括，在202，將楔坯插入真空模具。例如，圖3示出了插入真空模具102的楔坯150的橫截面視圖。接下來，方法200包括，在204，向模具施加真空。在圖3所示的實例中，已經通過真空口 106向真空模具102施加真空。真空的施加引起楔坯150被壓抵模鑄表面104，使得模鑄表面104的光學表面輪廓被傳遞到楔坯150的模制表面152。因此，在澆鑄丙烯酸坯插入楔模具102的情形下，澆鑄丙烯酸模鑄表面可以與所述光學表面輪廓的形狀一致，并且還保持澆鑄丙烯酸坯原有的表面平滑度。接下來，方法200包括，在206，在真空模具仍處于真空的同時，除去楔坯的上表面的一部分。例如，圖4示出了插入真空模具102的楔坯150的橫截面視圖。正通過研磨機402機械加工楔坯150的上表面404以產生經機加工的表面406。將理解，可以采用任何合適的機械加工工藝來形成經機加工的表面406。例如，在圖4所示的情形下，裝備有高速刀頭(fly cutter bit)的CNC研磨機可以用于產生經機加工的表面406。由于該機械加工過程，楔坯的端部A比端部B厚。在一些實施例中，楔坯的上表面可以被機械加工成平坦表面；在一些其它實施例中，楔坯的上表面可以被機械加工成另一合適的形貌。在一些實施例中，可以通過機械加工除去多達50%的楔坯，而在其它實施例中，可以除去更多或更少的楔坯。楔坯的經機加工的表面的表面粗糙度可以大于所完成的光楔的一些應用所期望 的表面粗糙度。因此，方法200包括，在208，在真空模具仍處于真空的同時，在楔坯的經機加工的表面上原位地澆鑄平滑層(finish layer)。例如，圖5示出了上面已經澆鑄了平滑層502的楔坯150的經機加工的表面406的橫截面視圖。平滑層502可以是折射率與楔坯材料的折射率足夠匹配的任何合適材料。例如，在一些實施例中，當固化時楔坯材料的折射率可以在前體材料的折射率的+/-0. 01內。作為一個更具體的實例，PMMA具有I. 492的折射率。因此用于在PMMA楔坯上澆鑄平滑層的澆鑄聚合物可以具有在I. 482和I. 502之間的折射率。可以理解，該具體實例的描述是為了說明，而不意圖以任何方式限制。在一些實施例中，所述折射率可以足夠匹配使得平滑層502和經機加工的表面406之間形成的界面將是看不見的。例如，在楔坯150是澆鑄PMMA聚丙烯坯時，平滑層502可以原位地從PMMA澆鑄，因此將具有與楔坯150近似相同的折射率(n約為I. 5)。因此，過程208可以包括，在210，在楔坯的經機加工的表面上沉積用于所述平滑層的前體。因此，在所述平滑層是PMMA的情形下，可以在經機加工的表面406上沉積甲基丙烯酸甲酯單體(MMA)以用于隨后聚合成PMMA。可以以任何合適方式進行該沉積。例如，在一些實施例中，可以經由澆灌、噴灑在為反應注模工藝等作準備而注入的圖案中，沉積液體前體材料。此外，可以以任何合適厚度沉積前體以實現適合所完成的光楔的應用的最終平滑層厚度。例如，在一種情況下，100微米厚度的前體可以沉積在經機加工的表面上。可替換地，在一些實施例中，前體可以是具有配制成用于平滑層502的注模的合適折射率的熔化的熱塑性聚合物。
將理解，可以使用任何合適的前體配方。例如，在一些實施例中，前體材料的混合物，例如單體和合適的溶劑，可以組合以產生粘度為在約10cp-400cp范圍的前體配方。在該范圍的較高粘度端內的配方在沉積工藝期間可以容易操作，而在該范圍的較低粘度端內的配方可能更容易濕潤所述經機加工的表面，等等。將理解，該范圍僅僅是說明性的，可以使用由任何合適前體配方實現的任何合適粘度。接下來，208還可以包括，在212，在真空模具仍處于真空的同時，定位和保持(例如通過夾住)澆鑄板使其與所述前體的上表面持續接觸。例如，圖5示出了在位于澆鑄板504邊緣處的夾子506的向下的力作用下，在平滑層502上方被保持在真空模具102內的澆鑄板504。可選擇地，在一些實施例中，可以在澆鑄板上的其它地方施加另外的向下的力。澆鑄板504可以是呈現要傳遞到平滑層502的漫射體界面表面510上的表面粗糙度特性的任何合適材料。例如，在一些實施例中，澆鑄板504是具有約2nm RA或更小的平均表面粗糙度的玻璃板，例如硼硅酸鹽浮法玻璃板。此外，在一些實施例中，澆鑄板504可 以構造成避免彎曲，從而在完成的光楔上漫射體界面表面510近似平坦。例如，在一種情形下，澆鑄板504可以是近似20mm-25mm厚，以提供結構剛性和避免澆鑄板504彎曲或撓曲。在另一種情形下，澆鑄板可以包括一個或多個結構脊、構件等(未示出)來提供結構剛性。在一些實施例中，可以用吸附到所述澆鑄板的平滑層界面表面的脫模劑來調節澆鑄板504的平滑層界面表面。脫模劑可以構造成排斥前體配方。例如，脫模劑可以是合適的硅樹脂化合物或者氟碳化合物，不過將理解在本公開的范圍內可以采用其它合適的脫模齊U。在一些實施例中，僅通過平滑層502將澆鑄板504與楔坯150分開以便形成邊緣珠，而在其它實施例中，圍繞澆鑄板504周邊可以包括襯墊以避免形成邊緣珠。例如，在熔化的聚合物用作前體的實施例中，可以包括襯墊以在經機加工的表面406和澆鑄板504之間提供空間，從而促進注模工藝。在一些實施例中，可以控制澆鑄板504、真空模具102和/或楔坯150的靜電勢來避免經機加工的表面406處和/或澆鑄板504的平滑層界面表面處的差動充電。這可以有利地增強前體在經機加工的表面406和/或澆鑄板504的平滑層界面表面上的濕潤，避免在所述表面上形成氣泡，等等。在一種情形下，可以通過由離子發生器槍512提供的電子流進行靜電勢的控制。在其它實施例中，可以使用任何其它機制來減小表面之間的靜電勢差。接下來,工藝208還包括,在214,固化所述前體。在圖5所示的實施例中，紫外源508配置成通過紫外(UV)光來固化平滑層502，紫外光(UV)光可以通過UV燈提供。將理解，可以使用任何其它合適的固化機制，包括但不限于熱固化等。一旦固化，平滑層502可以幫助將模制表面152保持為由模鑄表面104的輪廓傳遞的構造。在一些實施例中，214還可以包括一個或多個固化后退火工藝。這種固化后退火工藝和/或處理可以調節所完成的光楔中的應力。方法200接下來包括，在216，將真空模具與真空斷開并且從真空模具除去完成的光楔。例如，圖6示出了沿著與圖I和圖3-5的橫截面相同的平面截取的示例性的完成的光楔600的橫截面圖。完成的光楔600包括具有光學平滑表面510的平滑層502。完成的光楔600也包括模制表面152，該模制表面152與模鑄表面104的光學表面輪廓共形。此夕卜，在圖6所示的實例中，完成的光楔600包括與模鑄表面104的局部形貌特性108對應的局部形貌特性608。
通過說明被傳遞到完成的光楔的厚度特性的方式，圖7示出了圖6的完成的光楔600的橫截面的厚度輪廓的示意性圖示。將理解，由于水平(長度)軸的刻度與垂直(厚度)軸的刻度相比被大大壓縮，用厚度附圖標記702表示的局部形貌特性608的效果在圖7中被大大夸大。將理解，此處描述的構造和/或方法實質上是示例性的，并且這些具體實施例或實例不應當以限制性的意義來考慮，因為很多變化是有可能的。此處描述的具體程序或方法可以代表任何數目的加工策略中的一種或多種。因此，所說明的各種動作可以按所說明的順序、按其它順序，并行地執行，或在一些情況下省略。類似地，上述工藝的順序可以改變。本公開的主題包括此處公開的各種工藝、系統和構造、以及其它特征、功能、動作 和/或屬性的所有新穎的且非顯而易見的組合和子組合，以及它們的任何和所有等同特征。
權利要求
1.一種使用真空模具由楔坯制造光楔的方法，該方法包括 將所述楔坯插入所述真空模具中，所述真空模具包括模鑄表面； 向所述真空模具施加真空，以臨時將所述楔坯的模制表面整形到所述真空模具的模鑄表面； 從與所述楔坯的所述模制表面相對的所述楔坯的表面除去一層，以暴露所述楔坯的經機加工的表面； 在所述經機加工的表面上澆鑄平滑層以形成完成的光楔；以及 從所述真空模具除去所述完成的光楔。
2.權利要求I的方法，其中澆鑄平滑層包括 在所述經機加工的表面上沉積用于澆鑄所述平滑層的前體； 保持澆鑄板與所述前體的上表面接觸；以及 固化所述前體以形成固化的聚合物。
3.權利要求2的方法，其中沉積所述前體還包括以下操作中的一個或多個將所述前體澆灌在所述經機加工的表面上、將所述前體噴灑在所述經機加工的表面上的圖案中、以及將所述前體注入所述經機加工的表面的頂部與所述澆鑄板的平滑層界面表面之間的空間內。
4.權利要求3的方法，其中所述固化的聚合物的折射率在楔坯材料的折射率的+/-O. 01 內。
5.權利要求2的方法，還包括使用脫模劑調節所述澆鑄板的平滑層界面表面。
6.權利要求5的方法，還包括通過控制所述澆鑄板、所述真空模具和所述楔坯中的一個或多個的靜電勢，防止在所述楔坯的經機加工的表面處和/或在所述澆鑄板的平滑層界面表面處的差動充電。
7.權利要求6的方法，其中控制所述靜電勢包括使用離子發生器槍向所述澆鑄板、所述真空模具和所述楔坯中的一個或多個提供電子。
8.權利要求I的方法，其中所述經機加工的表面是平坦表面。
9.權利要求8的方法，其中從所述楔坯的所述表面除去所述層還包括使用研磨機機械加工與所述模制表面相對的所述楔坯的表面。
10.一種用于從楔坯形成光楔的真空模鑄系統，該真空模鑄系統包括 真空泵； 包括一個或多個真空口的真空模具，所述真空口流體地連接到所述真空泵，所述真空模具包括模鑄表面，該模鑄表面構造成在由所述真空泵產生的壓力差的迫使下臨時整形所述楔坯的模制表面；以及 鑄模板，所述鑄模板構造成跨過與所述楔坯的所述模制表面相對的所述楔坯的平滑層被保持。
11.權利要求10的真空模鑄系統，其中所述模鑄表面包括要傳遞到所述光楔的所述模制表面的光學表面輪廓。
12.權利要求11的真空模鑄系統，其中所述真空模具的模鑄表面包括一個或多個局部形貌特性，每個局部形貌特性構造成將互補的局部形貌特征傳遞到所述楔坯的所述模制表面。
13.權利要求10的真空模鑄系統，其中所述鑄模板是構造成將平坦表面傳遞到完成的光楔的漫射體界面表面的浮法玻璃板。
14.權利要求13的真空模鑄系統，其中所述鑄模板具有2納米或更小的表面粗糙度平均值。
15.權利要求10的真空模鑄系統，還包括構造成控制所述真空模鑄系統的一個或多個靜電勢的離子發生器槍。
全文摘要
公開了涉及光楔制造的各種實施例。例如，一個實施例提供一種制造光楔的方法，包括將楔坯插入真空模具以及向真空模具施加真空以臨時將楔坯保持靠著真空模具的模鑄表面。該方法還包括從楔坯的上表面除去一層以暴露楔坯的經機加工的表面，以及在該經機加工的表面上澆鑄平滑層從而形成完成的光楔的平滑層。
文檔編號G02B6/26GK102770253SQ201180012083
公開日2012年11月7日 申請日期2011年3月1日 優先權日2010年3月2日
發明者K.A.詹金斯, R.M.迪德, T.拉奇 申請人:微軟公司