嵌入式光学系统的制造方法

专利名称：嵌入式光学系统的制造方法
嵌入式光学系统的制造方法背景技术制造诸如头戴式显示器的光学系统经常需要组装多个光学部件。例如，见美国专利公开文献No. 6538624; No. 6462882; No. 6147807。 一些光学系统结构包括光学部件之间的空气间隙。这造 成了需要一种壳体，以将各元件保持机械对正，以及一种方法， 保护各部件的内侧表面免受灰尘、油以及其它污染物的影响。其 它光学系统允许通过一些其它介质填充间隙。例如，通过将及射 元件、衍射元件、偏振元件或其它光学元件嵌入到透光固体介质 中而建立这些系统。例如，见美国专利公开文献No. 5886822、 No. 6091546、以及No. 6384982。该方法的一个优点是所得到的 系统是单固态部件。各元件的相对位置被永久固定，并且没有暴 露的表面以受到灰尘或冷凝物的污染。实际上，实际制造嵌入式光学系统非常困难。必须考虑到嵌 入式光学部件与嵌入介质之间的热膨胀系数的差别、嵌入式光学 部件与嵌入介质之间的连接强度、最终产品的双折射与变形、时 效处理等。最常用的嵌入介质是聚合体化合物。然而，这些化合 物具有多个严重的缺点。严重关注的是在聚合与交联步骤的过程 中液态单体或预聚合体的收缩。这可造成光学变形，并且改变嵌 入式部件的相对位置。另外，在嵌入式部件的表面上开始的聚合 可导致硬化聚合体中的优选的分子定向。这可导致成品部件中的 双折射。优选地，出于制造头戴式显示器系统的目的，固化的嵌入材
料必须具有与用于制造眼镜片(ophthalmic lenses)的材料类似的 物理和光学特性。该材料必须具有可见光谱中的高透明度(透射 至少85%);避免色差的高阿贝(Abbe)数；通过FDA落球测试 的良好的冲击强度；低色指数或黄度指数；良好的抗静态应力与 抗划伤、以及低吸水级别。目前被用于眼镜片制造的最常见的光 学聚合体是烯丙基二甘醇碳酸盐(diethylene glycol bis (allyl carbonate)),其也称为CR-39。该材料在固化后具有13至16 °/0 的收縮率，使得其不适合用于嵌入式系统。用于镜片浇铸(lens casting)的其它商业可购的聚合体具有至少6 %的收縮率，这对 于嵌入式系统的制造而言也过大。具有多种方法，以减小光学聚合体中固化时的收縮率。例如， Herold等人在美国专利公开文献No. 5952441中提出，在浇铸嵌 入式系统之前，局部预聚合烯化不饱和化合物(ethylenically unsaturated compound),以最小化最终固化过程中的收縮率。预 聚合工艺并不容易控制，并且在已经实现了期望程度的聚合时， 聚合也不完全停止。同样，由于需要低粘度的预聚合体材料，所 以固化后的聚合体仍可具有显著的收縮率。由Soane在美国专利公开文献No. 5114632中提出的另一种 方法是，在固化处理的过程中，将液态材料连续供应到模具中， 以补偿收縮。尽管，有可能通过该方法避免机械应力，但是这也 将造成装置的本体内聚合体的分子量的变化，这将导致光学指数 改变以及图像变形。Soane和Huston在美国专利公开文献No. 6380314中提出了 一种方法，通过活性增塑剂近净成形浇铸(near-net shape casting) 到缠结的死聚合体(entangled dead polymer)中。在该方法中， 固态完全聚合的材料溶解在用于嵌入光学部件的可聚合的化合物
或成分中，因而减少了随后固化过程中收縮量。然而，在这种情 况中，可固化的混合物是半固态的，并且不可被用于诸如头戴式 显示器的嵌入式光学系统中。发明内容本发明涉及制作用于头戴式显示器的光学系统的方法，其中 所述光学系统包括嵌入透明聚合、液体或凝胶基体中的无机光学部件或聚合体光学部件，例如板、镜子、或透镜(图1、 2)。本 发明还涉及眼镜片或其它嵌入式光学系统的大概的制造方法，其 中所述光学系统包括但不限于嵌入透明聚合、液体或凝胶基体中 的透镜、镜子、分束器和偏振器(图3),其中，封装材料也位于 光路中。其它光学元件也可嵌入，以解决特定的问题。这些元件 可包括但不限于衍射元件、可换向的镜子以及电致变色或光致变 色膜以及元件、通过折射率之差所形成的元件和波导、光纤束、 以及基于全内反射现象的元件。产生嵌入式光学系统的各步骤包括清洁并预处理(可选)光 学元件；在封装、模具组装之前定位光学元件；成型或封装处理； 溢流浇铸(可选)；表面精修或抛光(可选)；以及表面涂覆(可 选)(图4)。


结合附图，通过以下的详细说明，将更加全面清楚本发明， 其中图1是包括根据本发明的嵌入式光学元件的、直视的安装在 嵌入式眼镜架上的显示器的前视图；图2是包括根据本发明的嵌入式光学元件的、环视的安装在 嵌入式眼镜架上的显示器的前视图；图3是折射率匹配凝胶或液体填充系统的剖视图；图4是嵌入式光学系统的制造工艺的流程图；图5是具有真空支承的棱镜元件结构的侧视图；图6A是是安置在支承夹具中的板元件直视系统的侧视图；图6B是安置在模板中的板元件直视系统的侧视图；图7A是安置在支承夹具中的板元件环视系统的侧视图；图7B是安置在模板中的板元件环视系统的侧视图；图8是安置在模板中的预切口或预成型口中的环视元件的剖 视图；图9是安置在镜片基部中的预切口或预成型口中的环视元件 的剖视图；图IO是从镜片基部中取出的插入件的剖视图；图ll是具有定位的光学元件的组装的模具的剖视图；图12是用于包覆成型的固化的镜片结构的剖视图；图13是具有嵌入式光学元件和眼校正元件的镜片的剖视图；并且图14是在分层成型加工的过程中的模具结构的剖视图。
具体实施方式
图1示出了一副眼镜10，所述眼镜IO具有保持在眼镜框14 中的两个眼镜片12。在一个镜片中，嵌入光学元件或部件16，以 接收来自显示器18的图像，并且把该图像传输至使用者的眼镜。 图1示出了直视(see-through)系统，其中佩戴者还可通过光学 元件观看环境场景。图2与图1类似，但是示出了环视(see-around ) 系统，其中嵌入式光学元件14'阻挡来自环境现场的光的一部分， 并且在光学元件周围可看见环境现场。例如可以是透镜、镜子、 分束器以及偏光器的光学元件是以本领域公知的任何方式被单独 地形成。各元件然后如下所述嵌入镜片中。为了避免嵌入式光学部件上的污染，必须在嵌入处理之前清 洁待嵌入的光学元件。见图4中的步骤1。清洁可以以本领域所 公知的任何合适的方式完成。取决于元件的类型和材料，可通过 以下方式清洁元件，超声波清洗、利用低泡沫、容.易漂洗的去污 剂冲洗，然后漂洗并利用不起毛的布干燥；或者利用基于酒精的 清洁剂或有机溶剂清洁并且干燥。在成型之前，待嵌入的元件可通过不同的技术被预处理，以 改进粘合性。改进嵌入式元件与嵌入基材之间的化学与物理连接 防止了分层以及空腔的形成，而所述空腔的形成造成光学性能的 退化。可利用电暈放电、火焰、等离子体处理嵌入式光学部件， 或者表面可用碱溶液侵蚀，正如本领域技术人员所公知的那样。 同样，如果需要的话，也可以使用底层涂料、硅氧烷的表面接枝、 硅烷、硼酸盐、金属有机化学物和其它偶联剂，同样如本领域技 术人员所公知的那样。然后定位光学元件，以便进行成型。见图4中的步骤2。在 本发明优选实施例中，通过将光学元件固定在相对于板的正确相 对位置而对正所述光学元件，其中所述板然后形成浇铸模具的一 个面。光学元件可通过机械装置或通过使用粘合剂连接至模板。 粘合剂可以是热固化粘合剂或室温固化粘合剂；UV、可见光或辐 射固化粘合剂；或者湿固化粘合剂。粘合剂的折射率应该至少是 在固化的填充化合物的折射率的0.1内，并且优选是在0.05内， 并且甚至更加优选是在0.01内。填充浇铸化合物成分本身可被用 于附着元件就位，从而更加准确地匹配光学特性和机械特性。在定位的过程中，光学元件可通过真空的方式被支承就位。 图5示出了定位在基板500上的两个棱镜元件510，它们通过经 由中空开口 520所输送的真空被支承。元件可利用连续真空支承 的方式被浇铸，或者胶合在板上，同时允许没有真空地浇铸。在胶合之前，各元件通过不同的方式被机械对正，例如使用 机械夹具、拾放设备或其它仿作设备(replication叫uipment)。图 6A示出了在定位用于直视镜片的元件中使用夹具620。第一表面 镜610、分束器630以及Mangin镜640利用机械夹具620的支承 而安装在基板600上。然后，少量光学粘合剂被引在每个光学元 件的基部625上，以将光学元件支承在基板上。在粘合剂固化之 后，支承夹具可以被取出，并且如图6B所示的基板组件准备用 于组装在最终的模具中。类似的工艺可被用于如图7所示的环视 光学系统，或者任何其它期望的嵌入式光学系统。在图7A中， 光学元件710利用夹具720被安装在基板700上，并且粘合剂被 引在基部725上。在粘合剂固化之后，夹具被取出，并且如图7B 所示的基板组件准备用于成型。在另一实施例中，图8示出了安 置在基板800上的开口 820中的两个第一表面镜810。可以在一 个步骤或多个步骤中完成针对光学结构所需的不同的元件的定位 和对正。完成光学元件的定位的另一种方式是，将光学元件安置在通 过如上所述方法或本领域公知的方法制造的镜片中切割的开口 中，其中所述方法包括浇铸、注射成型、和/或切割。该方式在图 9中示出。在浇铸之后，两个光学元件910安置在部件中切割的
开口中。可选地，开口可以通过这样的方式形成， 一个或多个可取出的虚设元件IOIO安放到浇铸模具中，然后在固化之后，从浇 铸部件1000中取出所述虚设元件，如图10所示。虚设元件可以 被选择或制造成提供期望的表面特性；例如，可以使用高度抛光 的插入件，以在取出之后产生光学品质的窗。例如，该窗可被用 于将来自光学系统的其它部分的光耦合进入嵌入式光学系统中。 同样可以涂覆类似形成的平坦的或弯曲的表面，以形成光学结构 中所需的镜。各元件的最初位置可以被调整，以补偿由于固化处理的过程 中的收縮而导致的移位。还可以利用光学方法实现各元件的定位 和对正，以检查各元件的对正。例如，可以使用激光束或自动校 准仪，以检査折叠的镜的角度或弯曲表面的共轴性。可选地，可 以使用主动光学对正，在该过程中，各元件的机械位置可以被调 整，同时监控系统的光学性能。在对正的过程中对正的系统或子 系统的光学性能将大体与完成的部件的光学性能不同。在这种情 况中，光学建模是必须的，以计算模板上的子组件的期望的性能， 并且设计适合的对正工序。在步骤3(图4)中，构造模具组件。在图ll中示出了对于 该过程的优选的模具形状。模具包括基板1100,而光学元件1120 如上所述安置在所述基板上；以及第二罩板1110。两个板通过环 形隔块1130被隔离。大体上，所述板是平坦并平行的，并且隔块 具有均匀的厚度；然而，取决于应用，例如， 一个或两个板可具 有曲率，和/或隔块可具有非均匀的厚度，以提供楔形的部件。隔 块产生空腔，在所述空腔中，浇铸所述部件；并且隔块设有至少 一个开口，以允许模具的填充。通常，待嵌入的元件附着至所述 板中的一个板，在此指定为基板。可选地，附加的元件可附着至 第二板。在这种情况中，在模具组装的过程中，需要对正。通过 所述隔块的高度，决定所述部件的厚度。模具的各部分通过机械 紧固件被保持在一起，其中所述机械紧固件例如为螺钉和/或卡 具。可选地，模具的各部分可利用成型过程中的压力被保持在一 起。模具优选通过这样的材料被组装，所述材料对于固化填充成 分具有低粘度。模具还可预涂覆有硅、烃、氟化烃或其它合适的 脱模剂。可以选择模具表面光洁度、材料和脱模剂，以在完成的 部件中产生高品质抛光的表面。可选地，如果完成的部件以去除 表面材料的方式被后处理，如下所述，则可以选择模具材料、表 面光洁度和脱模剂，以改进聚合工艺以及部件的块料光学特性， 而与表面品质无关。例如，期望的是，利用金属模具部件，以改 进工艺的热控制。模具然后充满合适的、低收缩、可聚合的光学浇铸化合物(步骤4，图4)。合适的浇铸化合物在本技术领域中是公知的。用于 填充模具的浇铸化合物应该具有低粘度，以均匀地填充模具，并 且应该产生具有上述期望的特性的部件，所述特性包括一致的光 学指数、低应力、良好的耐用性、低结晶度等。在本发明中可使 用任何聚合方法。这些方法例如包括縮合聚合、自由基聚合、阴 离子聚合以及阳离子聚合。为了适合于该实施例，固化的收缩率 应该低于6.0%，优选低于4.0%,并且非常优选低于1.5 %。可 以添加本技术领域公知的终止剂，以减小平均分子量，从而促进 具有较低重折率的更加均匀的、非晶态材料。针对高度非晶态的、无双折射的嵌入材料的一种可接受的替 换是重折率被仔细控制的高度定向的材料。在这种情况中，期望 的是，材料沿优选的方向聚合，该方向大体(尽管不是必要的) 平行于主光轴方向。这种类型的材料可以是高双折射性的，但是
并不影响光的偏振方向或者图像品质，这是因为所有光路具有同 样的光学指数分布。例如，在光纤的制造中，使用这种方法，其 中各光纤承受机械应力，以将材料的聚合方向以及优选光轴指向 光传播的方向。通过本技术领域公知的多种不同的方法可以建立 嵌入基体的优选的方向，例如前期表面处理、热梯度、压力或应 力梯度、或者磁或电方法。在这种情况中，浇铸化合物应该具有 高级别的分子定向。添加剂可添加至浇铸成分，以调整特定的特性，正如本技术 领域所公知的那样。例如，聚合和单体非活性光学增塑剂可添加 至所述成分，以减小聚合体中的内应力，正如本技术领域所公知 的那样。例如，增塑剂的可选的添加可被用于调整折射率，以匹 配嵌入化合物的折射率。这种增塑剂的实例包括单体增塑剂，邻苯二甲酸二异壬酯，癸二酸二 (2-乙基己)酯，三异己基偏苯三 酸(triisohexyltrimellitate)， 二甘醇二苯甲酸酯，1，2丙二醇二苯 甲酸酯(1,2 propanediol dibenzoate)， 2-硝基苯辛酯(2-nitrophenyl octyl ester)， 2-丁氧基己二酸乙酯(2-butoxyethyl adipate),辛基 油酸酯(osooctyltallate),戊二酸二异癸酯(diisodecyl glutarate)， 邻苯二甲酸二环己酯(dicycloxyethylphthalate),磷酸三甲酚酯； 聚合增塑剂-环氧豆油；Bayer的酞酸聚酯，例如增塑剂GEL和 Ultramol PP ; Bayer的聚己二酯类，例如Ultramol I和 Ultramol II 。活性增塑剂，例如油酸聚乙二醇双酯、Ultramol M 和Cardolite NC-513，也可被使用，以减轻内部应力双折射，并 且调整折射率。出于美观原因和光学原因这两者，匹配嵌入式元件与固化的 浇铸化合物之间的折射率和阿贝数离散可能是非常重要的。在嵌 入式元件使用用于机械支承涂层或其它元件的透明玻璃或塑料部件时，这有可能是期望的。例如，如果涂有反射涂层的玻璃板嵌 入系统中，则利用折射率匹配的玻璃与聚合体基体对减小玻璃的外部特性(appearance),并且产生反射膜浮动而未支承在基体内 的感觉。此外，玻璃支承元件与嵌入基体之间的折射率不匹配可 在显示图像与直视图像中造成变形，这是因为棱镜以及类似的光 学作用。光学元件的折射率应至少在固化的填充化合物的折射率 的0.1内，并且优选在0.05内，甚至更加优选在0.01内。可选地，单体还可以被聚合成与用于凝胶填充系统中的情况 相一致的凝胶。这些系统可通过以下方式被形成，聚合、局部聚 合、利用增塑剂或活性稀释剂或非活性稀释剂的聚合；或者在增 塑剂或溶剂中膨胀或溶解聚合体。图3示出了上述系统的实例， 其中光学元件320定位在浇铸基元件300中的开口中。然后，镜 片由透明的罩板330覆盖，并且所得到的空腔充满折射率匹配的 凝胶或液体310。凝胶或液体的使用允许显著减小光学变形和/或 重折率；然而，这需要使用硬壳镜片(hard shell lens)以及正确 密封系统。优选地，增塑剂与聚合体基体相容，并且以这样的浓度被使 用，即并不造成增塑剂在聚合体中相离或者增塑剂迁移至表面。 聚合体增塑剂的浓度可以是1至60 %，优选3至30%，并且更 加优选5至25%。然而，对于凝胶而言，增塑剂的浓度可以高到 95%。不同增塑剂的混合物也可用在成分中。优选的是，选择将 提高材料中疏水特性的增塑剂。这减少最终的聚合体中的水分吸 收，这对于环境稳定性而言是重要的，并且防止折射率变化。其它添加剂可被使用，以控制聚合过程。为了减小可造成材 料中的应力-双折射的热反应，抑制剂可添加至聚合体成分，抑制 剂的选择取决于所使用的聚合体系统，正如本技术领域中所公知 的那样。抑制剂的浓度大体低于5.0%，优选低于3.0%。对于一 些聚合体系统，有必要或者期望的是使用催化剂以引导聚合、获 得高转化级别或者促进聚合过程，催化剂的选择取决于所使用的 聚合体系统，正如本技术领域所公知的那样。系统中催化剂的浓 度应大体低于3.5%，并且优选低于1.0%。在一些聚合体系统中， 尤其对于自由基聚合而言，添加链转移剂是有用的，所述链转移 剂的选择取决于所使用的聚合体系统，正如本技术领域所公知的 那样。大体上，它们的浓度应该低于0.5%。可以在系统中使用稳定剂，以防止聚合体的光学、机械或化 学特性随着时间改变。有机硅和金属有机偶联剂以一定的浓度添 加至树脂，从而并不影响成品的部件的可见光传播，正如本技术 领域所公知的那样。这些添加剂可减小最终的嵌入式光学系统中 的机械应力，其中所述机械应力导致折射率变化以及双折射。尽 管偶联剂的大体浓度是在0.3与5.0 %之间，但是它们可以以最大 至35.0%的浓度被添加，并且通过化学键接的方式包含到聚合体 中。为了避免空气捕获在聚合体中，在引入到模具之前，浇铸化 合物应该被除气，正如本技术领域所公知的那样，并且浇铸过程 在压力下被完成。另外，空气释放剂可被添加至浇铸混合物，正 如本技术领域所公知的那样。对于上述材料优选的浓度是0.1至 3.5 %。浇铸步骤(步骤4，图4)包括聚合、固化以及可选地后固化 处理。通过在聚合处理的过程中将恒定的压力施加至浇铸混合物， 可以实现附加减小收缩。这有助于补偿通常在硬化之前出现在预 聚合体中的收縮。另一个优点是，压力将捕获的空气挤出。大体上，在高于室温的温度，实现聚合处理。随着系统返回
至室温，所述固化周期过程中不同的热膨胀可导致锁定(lock in) 机械应力。对于热固化系统而言，温度必须被保持在可容许的硬 化温度的下端，以避免可造成光应力和机械应力的放热反应。如 果需要后固化，则必须选择温度分布变化图，以获得高转化级别， 同时将由放热反应所产生的热量保持至最小。如果可能的话，期 望在室温或可选地在处理所需的最小温度实现成分的硬化。在聚 合、固化以及后固化处理的过程中的温度变化率(ramp)必须被 控制，以限制或最小化机械应力引入到成品的部件中，正如本技 术领域所公知的那样。特定的温度与压力和处理速度取决于所使 用的特定的聚合体系统，正如本领域技术人员所公知的那样。对于辐射固化系统而言，例如UV固化系统，能量级别必须 选择成获得完全的单体转化。优选的是，以薄层增量的方式固化 这种系统。在这种情况中，浇铸化合物以层的方式被增加至模具 组件，每层在下一层被增加之前被固化。光学元件在这种方式中 逐渐嵌入浇铸化合物中。参看图14,定位在模板1420上的光学 部件1410安置在模具环体1430中。未固化的单体的一个增加的 层1450在之前固化的聚合体1440的顶部上被增加至系统，并且 承受材料所需的加热、辐射或化学固化状态1460。该过程针对多 层反复处理，从而足以建立期望的厚度。该部件然后被机加工、 研磨、抛光或者以其它方式被后处理，以去除由于浇铸工艺而导 致的不匀整的表面。还可以针对不同的材料层使用不同的配方， 从而获得期望的美观、机械或者光学效果。例如， 一些层被染色， 从而减小系统的总的透光性，正如太阳镜所期望的那样。在成型之后，固化的部件或盘体(puck)可选地可以以不同 的方式被后处理。为了防止表面缺陷的外观，固化的盘体1210 可安置在外模1200中，并且然后利用相同的材料或者具有与嵌入 材料匹配的光学指数的不同的材料溢流浇铸(overcast),如图12 所示。可选地，该部件可利用具有与嵌入化合物不同的透射率和 机械特性的聚合体化合物溢流浇铸。例如，溢流浇铸聚合体可被 选择成，比嵌入化合物硬，以提高最终的部件的耐用性。在另一 实施例中，溢流浇铸材料的透射率可选择成低于主体系统，以减 小界面处的反射。优选的是，在室温完成溢流浇铸，以防止由不 同的材料的热膨胀的差异所造成的表面缺陷的外观。同样还可以 利用相同的或不同的材料溢流浇铸系统多次。有利的是，将包括 光致变色染料或电致变色染料的染料添加到溢流浇铸材料中。在 可选的方法中，在浇铸主体光学系统之前，附加的层可首先绕铸 到模板上。通过溢流浇铸所增加的层可被成形为，提供诸如眼校 正(ophthalmic correction)的附加的光学特性。可选地，通过研 磨、抛光或金刚石车削所增加的层，可以增加眼校正。可以期望可选的研磨或抛光步骤。(步骤6，图4)如果在材 料的表面上由于嵌入成分的收縮或者由于嵌入材料与嵌入成分的 热膨胀系数之差而具有明显的缺陷，则必须抛光盘体的表面。抛 光过程可被用于使得盘体的表面平坦，以防止由于在不规则的表 面上的折射而导致的变形。另一个原因是去除高应力的材料层， 所述材料层由于光线穿过非均匀的材料而将变形引入光路中。浇 铸部件的厚度可调整，以允许后浇铸抛光。盘体同样可被抛光、 研磨或金刚石车削，以提供对于诸如眼校正的期望的光学特性的 特定表面形状。表面涂覆步骤可以是期望的(步骤7，图4)。通过使用保形 的、偏振和其它类型的涂层，可以改进最终制品的外观、光学特 性、抗化学性、耐穿性、不透氧和水性。最终的制品可以涂覆有 抗刮擦、抗污、防反射、或偏振涂层或者其它类型的功能或装饰
涂层。通过浸涂、旋涂、溅涂、滚涂、真空沉积、溅镀或者其它 方法涂布这些涂层。同样，可选地之前设有任何上述类型的涂层 的保护膜可层叠在最终装置的表面上。
校正光学元件1310可以永久地或临时地连接至上述系统 1300，如图13所示。校正元件可包括针对特定校正所需的平凸透 镜或平凹透镜；以及平面光学系统。可选地，如果光学系统并不 是平面的，则校正元件可被成形为符合光学系统表面。对于校正 元件的其它选择包括使用衍射透镜或Fresnel透镜，它们同样可被 成形为， 一侧符合光学系统的外侧表面，以允许层叠。校正元件 可安置在内侧观看表面上，以校正投影的和周围的图像这两者， 或者安置在外侧表面上，以校正仅仅直视的视像，或者可以允许 在两个表面上校正，例如在强烈的指示(strong prescription)或 者需要柱形校正(cylindrical correction)的情况中。校正元件可 以利用胶、压敏粘合剂和表面张紧的方式被连接或成型在系统上。
如果元件被成型在平面系统的表面上，则在包覆成型校正元 件之前，透明膜可在复合光学系统盘体与附加的光学元件之间借 助于胶合或层叠的方式安置在平坦的表面上。该中间膜允许容易 取下校正光学元件，而并不破坏平面光学系统。同样，在利用全 内反射(TIR)的平面光学系统中，中间膜的折射率低于平面系 统的折射率，从而维持允许TIR的光学状态。
除了由权利要求书说明以外，本发明并不限于已经特别示出 和说明的内容。
权利要求
1.一种具有嵌入式光学元件的固态光学系统的制造方法，包括以下步骤提供具有型腔的模具组件；将一个或多个光学元件连接至所述型腔的壁，所述光学元件包括无机材料、聚合体、或者混合无机聚合材料；将光学聚合浇铸化合物引入所述型腔中；并且固化所述浇铸化合物，以形成光学部件。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述模具组件 包括基板；罩板,*以及位于所述基板与所述罩板之间的间隔元件， 其中开口设置在所述间隔元件中，以允许填充所述型腔。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基板包括 平坦的板或成形的板。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述罩板包括 平坦的板或成形的板。
5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述间隔元件 包括环形元件。
6. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述间隔元件 具有楔形形状。
7. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多个光学元件连接至所述基板，而所述基板、所述间隔元件与所述 罩板组装，以形成所述型腔。
8. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多 个光学元件利用光胶连接至所述基板。
9. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多 个光学元件利用与所述光学聚合浇铸化合物相同的材料连接至所述基板o
10. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或 多个光学元件利用真空的方式连接至所述基板。
11. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述基板 中包括凹部，所述一个或多个光学元件通过插入所述基板的凹部 中而连接至所述基板。
12. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或 多个光学元件利用可拆卸的机械夹具连接至所述基板。
13. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于， 一个或多个 附加的光学元件连接至所述罩板。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在组装所述 模具组件的过程中，所述基板与所述罩板对正，以将所述一个或 多个光学元件与所述一个或多个附加的光学元件光学对正。
15.根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述一个或多个光学元件的位置被调整，以获得所述表面的确定的光学性能。
16. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或 多个光学元件的位置被调整，以补偿在成型或固化过程中的收缩。
17. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述引入 步骤中，所述光学聚合浇铸化合物包括液体或凝胶。
18. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述一个或 多个光学元件包括透镜、镜子、分束器或者偏振器。
19. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或 多个光学元件与所述光学聚合浇铸化合物被选择成，具有所述光 学化合物中的匹配折射率。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述匹配折 射率是在0.1内。
21. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述匹配折 射率是在0.05内。
22. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述匹配折 射率是在O.Ol内。
23. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述一个或 多个光学元件与所述光学聚合浇铸化合物被选择成具有匹配光色 散率。
24. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚 合浇铸化合物被选择成具有低结晶度。
25. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚 合浇铸化合物被选择成提供低重折率。
26. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚 合浇铸化合物被选择成具有低收縮率。
27. 根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述光学聚 合浇铸化合物具有小于6.0 %的固化收缩率。
28. 根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述光学聚 合浇铸化合物具有小于4.0 %的固化收缩率。
29. 根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述光学聚 合浇铸化合物具有小于1.5%的固化收缩率。
30. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚 合浇铸化合物被选择成具有低级别的分子定向。
31. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚 合浇铸化合物被选择成具有高级别的分子定向，其中所述高级别 的分子定向被控制，以获得一致的重折率与优选的光轴。
32. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述引入 步骤中，增塑剂与所述光学聚合浇铸化合物一起被引入。
33. 根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述增塑剂 被选择成，具有与所述光学聚合浇铸化合物的折射率相匹配的折 射率，以减小重折率。
34. 根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述增塑剂 被选择成，具有与所述光学聚合浇铸化合物的折射率不同的折射 率，以调整所述光学部件的折射率，从而匹配所述一个或多个光 学元件的折射率。
35. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下 步骤，将压力施加至所述型腔，而适于控制硬化之前光学聚合浇 铸化合物的收缩。
36. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括利用 偶联剂预处理所述一个或多个光学元件，以减小所述光学元件中 的应力和重折率。
37. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括利用 偶联剂预处理所述一个或多个光学元件，以减少微分层。
38. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将偶 联剂引入所述型腔中，以减少微分层。
39. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从所 述模具组件中取出所述光学部件，并且抛光或研磨所述光学部件。
40. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从所 述模具组件中取出所述光学部件，并且利用附加的光学材料涂覆或溢流浇铸所述光学部件。
41. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将眼 校正结构添加至所述光学部件。
42. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将眼 校正结构添加至所述光学部件，这是通过将平凸透镜或平凹透镜 层叠至所述光学部件的一侧或两侧而实现的。
43. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括形成 所述光学部件的附加的厚度，并且研磨、抛光或金刚石车削所述 附加的厚度的光学表面，以提供眼校正。
44. 根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述厚度是 在成型的过程中被提供的。
45. 根据权利要求43所述的方法，其特征在于，通过在成型 之后溢流浇铸所述光学部件而提供所述厚度。
46. 根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述厚度增 加至所述型腔。
47. 根据权利要求43所述的方法，其特征在于，还包括将中 间透明光学膜附加至所述光学部件，并且在所述膜的表面上成型 眼校正元件。
48. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，折射率低于 所述光学部件的折射率的中间透明光学膜连接至所述光学部件， 并将眼校正元件连接至所述膜。
49. 根据权利要求48所述的方法，其特征在于，通过胶、压 敏粘合剂或表面张力的方式连接所述膜。
50. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学聚 合浇铸化合物以增加的薄层的方式被引入所述型腔中，每个层在 引入下一个层之前固化。
51. 根据权利要求50所述的方法，其特征在于，所有层是由 相同的材料形成。
52. 根据权利要求50所述的方法，其特征在于， 一些层是由 不同的材料或成分形成。
53. 根据权利要求50所述的方法，其特征在于， 一些层通过 不同的工艺被固化。
54. —种根据权利要求1所述的方法制成的装置。
55. —种具有嵌入式光学元件的固态光学系统的制造方法， 包括以下步骤提供具有型腔的模具组件；将一个或多个可取出的元件连接至所述型腔的壁； 将光学聚合浇铸化合物引入所述型腔中； 固化所述浇铸化合物，以形成光学部件； 从所述模具组件中取出所述光学部件；从所述光学部件取出所述一个或多个可取出的元件，留出空腔；将一个或多个光学元件连接至所述光学部件，处于所述空腔中。
56. 根据权利要求55所述的方法，其特征在于，取出所述可 取出的元件产生光学窗，所述光学窗适于将所述光学系统光学连 接至附加的光学系统。
57. 根据权利要求55所述的方法，其特征在于，取出所述可 取出的元件在所述光学部件上形成高度抛光的表面，并且还包括 涂覆所述高度抛光的表面，以形成镜子。
全文摘要
提供了一种具有嵌入式元件的固态光学系统的制造方法。所述嵌入式元件可包括无机、聚合体或者混合透镜、镜子、分束器与偏振器、或其它元件。嵌入材料是透明的高品质的光学聚合体。
文档编号B29D11/00GK101151145SQ200680006031
公开日2008年3月26日 申请日期2006年2月27日 优先权日2005年2月25日
发明者E·吉勒, N·M·伦辛, P·M·扎夫兰斯基 申请人:美宇公司