CN1942303A - 三维光学元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种制造三维光学元件的方法。一方面，该方法包括提供具有邻接刚性板(22，24)的基体，设置成各刚性板的表面大体上位于单个平面上。至少一个表面的特征是具有微型光学结构。在该方法中，基体进行折叠，使得至少一个具有微型光学结构的表面和至少一个其它的上述表面相互形成一定角度。还公开了第二种方法。公开的这种方法制造的结构包括台面结构，具有顶板和四块侧板，侧板分别面对反射板；以及封闭结构，如单独板可设置其中的立方和线性箱结构。还详细介绍了如通过注射模制制造基体的模具。

Description

三维光学元件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种制造三维光学元件的方法，最好通过注射模制来制造。

背景技术

目前，在三维光学元件的表面插入微型光学件、衍射光学件或薄膜的大批量生产方法是不经济的。如果三维物体需要微型光学件、衍射光学件或薄膜结构件，制造将是复杂、昂贵和费时的。这种三维光学元件一般制造成多个部件，然后可通过粘合等安装起来。例如，制造投影系统使用的交叉分光棱镜(如x-立方)需要价格昂贵的精密玻璃切削加工。附加光学功能件，如光聚集菲涅耳透镜，必需通过手工施加到三维光学元件的表面。各附加制造工序和组装工序增加了制造成本和缺陷率。

特别是在消费电子市场，消费者要求低成本的日益复杂的光电器件。带有微型光学件、衍射光学件或薄膜的低成本元件能够产生许多新的光电应用，特别是如果这些元件能像移动电话中的数据发射器那样做得既小又高效。

发明内容

本发明通过提出一种三维光学元件的制造方法，解决了上述有关复杂性和成本的问题。

在一个方面，本发明提出了一种制造三维光学元件的方法。该方法包括提供具有邻接刚性板的基体，刚性板设置成，各个刚性板的表面大体上位于一个平面。至少一个所述表面的特征是具有本文中所确定的微型光学结构。而且在该方法中，对基体进行折叠，使得至少一个具有微型光学结构的表面和上述表面中至少另外一个相互设置成一定角度。如本文中所指出的，刚性意味着刚性板的边缘固定时其长度上可自支承不变形。基体最好包括至少三块刚性板，根据本方法进行刚性板折叠，使得至少一个具有微型光学结构的表面和至少二个其它表面相互形成一定角度。最好有五个刚性板，各刚性板分别形成微型光学结构，五块刚性板折叠成台面结构。

根据另一方面，本发明提出一种制造三维光学元件的方法。该方法通过将柔性薄膜粘接在多块隔开的刚性板上，形成分层基体。分层基体在刚性板的平面表面的至少一个区域形成微型光学结构。微型光学结构可以在刚性板的表面，或可以柔性薄膜区域形成，柔性薄膜直接位于刚性板上面或下面。在这种方法中，分层基体在刚性板之间折叠，使得各个微型光学结构沿着穿过完成的光学元件的希望光学路径设置。光学路径是希望的光学路径，不是偶然的光学路径，其取决于最终元件。

根据本发明的另一方面，本发明提出了用上述方法中任一个制造的三维光学元件。

在另外一个方面，本发明提出了一种可有效地制造光学元件基体的模具。该模具包括第一和第二模体，以及在第一和第二模体形成的空腔形成刚性基体的弹出装置。第一模体具有内表面，内表面构成主平面区；和沿着主平面区设置的微型光学结构的镜像。第二模体可与第一模体配合，与第一模体一起形成腔体，而该腔体部分由主平面区限定。第一和第二模体其中至少一个形成向该腔体注入液体的小孔。

附图说明

图1A是基本为平面的塑料基体的截面图，显示出多块刚性板。

图1B是折叠成三维台面结构的图1A基体的截面图。

图1C是支撑在安装模具上的图1B结构的截面图。

图1D是经过图1A-1C完成制造的光学元件的截面图。

图2是图1A的塑料基体的平面图，显示出板表面和无用部分。

图3是模具铸造部分中的图1A基体的分解截面图。

图4显示了三块示例板及其二组配合边的连接。

图5A显示了图4的边通过粘合进行接合。

图5B显示了图4的边通过局部熔化进行接合。

图5C显示了形成光学元件的交叉构件的支撑结构的二个接合边。

图6是平面基体的平面图，基体具有用于制造立方体光学元件的板表面。

图7是用图6基体制造的交叉分光镜的透视图。

图8是用图6基体制造的偏振分光镜的透视图。

图9是平面基体的平面图，基体具有用于制造矩形光学元件的板表面。

图10是用图9基体制造的组合交叉分光镜和偏振分光镜的透视图。

图11与图3相似，但使用图6或图9的基体，进一步显示了支撑结构的细节。

具体实施方式

说明书和权利要求书所使用的“微型光学结构”一词是指，利用长度小于1mm，一般小于250μm，的结构有目的地控制光的各种光学结构。示例包括折射或反射微型棱镜、折射微型透镜、反射微型反射镜、菲涅耳透镜或菲涅耳反射镜、各种形式的衍射光栅、光学薄膜叠层(包括反反射涂层、分光滤光镜和偏振分光镜)以及其它的这类物理结构或其阵列。这些物理结构经受激光加工、腐蚀、抛光、冲压、模压、沉积、蒸发、机械加工、模制或其它在主结构上的物理成型加工。微型光学结构通常仅在平面基体(主结构)上制造，这代表了制造这些微型光学结构最有效的方式。这些微型光学结构还可在薄膜上制造，可定义为其整个长度上不能自支承(如没有刚性)的基体。最好将这些薄膜设置在平面支撑基体上以确保光学结构适当的准直性，不管这些薄膜是否具有微型光学结构图案。本发明方法使得在基体的表面部分制造具有这种微型光学结构的复杂的三维部件成为可能。用刚性板形成这些表面部分，然后刚性板可折叠成各种形状和取向，这样刚性板的各个表面相对其它各表面可处于适当位置。

本发明最好利用塑料材料的注射模制来形成制造三维光学元件所用的平面基体。在一优选实施例中，基体是单件，光学元件的全部刚性板从同一基体得到而不分离。折叠某些刚性板，其配合边(当基体具有平面形状时，至少这些配合边不连续)通过粘合、局部熔化或与可连接邻近表面的薄粘结片进行连接。在另一个实施例中，基体是二块或多块单独的刚性板，如玻璃或塑料，将刚性板相对固定，各刚性板的表面施加柔性薄膜形成分层基体。然后分层基体在刚性板之间折叠，形成单一光学元件。

在优选实施例中，用单块基体制造光学元件类似于制造纸板箱，可沿着各条线弯曲基体制造出三维光学元件。本发明使得在单块基体上能够制造出多个微型结构，可使整体安装不必分离具有不同的微型光学结构的刚性板。元件的带有微型光学结构的全部刚性板最好是用单块基体制造，制造过程中刚性板最好不与基体的其余部分分开。这样就能在一块或几块平面基体上制造具有微型光学结构的全部表面。微型光学结构结合到基体可通过，例如，模压、腐蚀、雕刻、激光加工、切削加工、蒸发和溅射沉积。微型光学结构可以与形成基体本身同时形成，如基体进行注射模制，同时模具在基体表面形成微型光学结构。在上述的方法中，微型光学结构在基体的表面形成。还可选择，微型光学结构可以在薄膜上形成，然后将薄膜粘合到支撑基体上，形成具有微型光学结构的粘合平面基体。

另外，安装的光学元件可以用包括支撑机械结构或曲面的薄片或基片制造。这些支撑结构可以固定其它元件，或在机械加强所形成的元件。曲面板可形成透镜。

在本发明另一个实施例中，安装的光学元件填入光学材料，例如塑料、液体或凝胶。如果使用透明的填充材料，光学材料最好有适当的折射率(预先确定或希望的)以在安装的元件中产生希望的光学功能。填充材料的折射率最好与基体的折射率相匹配。

设置有用于注射模制的模具的机器可以是普通的机器，或最好是微型注射模制机，这种机器可更精确地控制工艺参量。有许多种塑料适用于注射模制法。其中许多能用于本发明方法。塑料可以是透明的或不透明的，取决于元件的功能。已知的可用于光学应用的透明塑料包括聚碳酸酯PC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物NAS、苯乙烯—丙烯腈SAN和环烯共聚物COC。反射件能用非透明塑料，如聚氧化甲撑POM，模制。

本发明将参照附图和示例性元件通过非限制性示例进行介绍。

图1-3所显示的是本发明的一个实施例，其中梁状光学元件34(见图1D)用具有在单个平面形成的微型光学结构的基体制造，并充有折射率通常与基体的相匹配的光学充填材料。

图1A是基本为平面的塑料基体20的截面图，显示了不同的刚性板22a-c、24a-c。由图1-3的元件34包括折射部分和反射部分。为了避免混淆，具有透光面的刚性板的标记为24，而给具有反光面的刚性板的标记为22(应指出，光穿过刚性板的一个表面但被其相对表面反射的情况下，这个表面仍被称为反射面)。透光面或反光面都有微型光学结构。基体20形成直线的凹槽26，使表面22、24相互分开。凹槽26能使基体20弯折，使处于平面的刚性板22、24成为三维结构。凹槽26最好从基体的共用面(如图1A所示的下表面)延伸，不穿过基体和不在凹槽26的整个长度上延伸。只要某些基体材料联接着相邻的刚性板，各刚性板是连续的，制造时就能够容易地实现具有微型光学结构的各表面的平齐。凹槽26沿着其长度完全穿透到相对表面(如图1A所示的上表面)，不同的刚性板会相互分离，某些制造效率将失去。这样代表了可供选择的实施例，在该实施例中，柔性薄膜将保持在相对的刚性板上。在这两种情况下，至少一个具有微型光学结构的表面与其它刚性板表面大体上位于相同平面。在另一可供选择的基体分层并且单独刚性板用薄膜联接的实施例中，或薄膜设置在被凹槽分开的刚性板上的实施例，刚性板的表面被认为是薄膜直接施加到刚性板的部分。在折叠前，刚性板的所有表面大体上位于同一平面。在基体折叠前，完成的器件或元件上具有微型光学结构的所有表面最好位于一个平面(除了设置在折叠基体形成腔体内的单独刚性板之外)。或者，所有这些具有微型光学结构的表面既可位于上述一个平面，也可位于和该平面平行的并由刚性板的相对表面确定的平面上。

再回到优选实施例，在图1B中，图1A基体沿着凹槽26折叠。三个透光面24a-c形成台面结构，而在三维空间中该台面结构由五个透光面形成。具有反射面30a-b的二块刚性板22a-b位于具有透光面28a-c的刚性板24a-c的两侧(在三维空间中具有反射面的刚性板为四块)。在所有折射面28a-c位于单一平面(图1A基体上表面)的情况下，这些折射面形成图1B台面的外部(侧壁和顶部)。在反射面30a-b同样位于上述同一平面的情况下，这些反射面将面对成为台面结构侧壁的折射面28b、28c。应指出的是，在反射面22a-b的材料本身是反射的(相对施加到刚性板表面的涂层)的情况下，反射板22a-b的的两个表面都是反射面。本文中使用的“表面”这个词指的是板的具有最高表面区的相对表面，板边表面称为边。

图1C是支撑在安装模具32上的图1B台面结构件的截面图。安装模具32最好用于，在刚性板的配合边粘合的情况下，保持折叠刚性板于适当的相对位置，如下面参照图5A-C所作详细介绍。安装模具32还可以用作刚性板可压接的物体(可通过真空取出)，以得到精确的平直性。

图1D是经过图1A-1C完成制造的光学元件34的截面图。折叠的板22、24设置在支架36上，支架上最好固定一光源38，光源位于由台面结构和支架36限定的腔体40中。通道42穿过支架36的底部，腔体40充有光学材料，其折射率与基体的相匹配(至少形成透光面24的部分基体)。环绕台面结构的空间44如同沟道，横向边界是面对的板22a-b、24b-c的反射面30a-b和折射面28b-c。空间44还可充有光学材料，其折射率与腔体40中光学材料的相同或不同。反射板22的尺寸制造成，其最上面的边延伸超出台面结构上板24a形成的平面，使得填充入面对的表面28b-c、30a-b所形成空间的材料可以覆盖上折射板24a的水平折射面28a(如果需要的话)。组装的元件34的尺寸是，例如宽度为10mm到30mm，而高度为4mm到10mm。

图2是图1A塑料基体的平面图，显示了板22、24的表面和无用部分46。在图1D的完成元件中是水平的透光板24a位于中心，前面介绍的板显示出与中心板24a邻接。另外还显示了透光板24d-e和反光板22c-d。在除去无用部分46时，显然图2的基体可以如图1A-C所示，折叠成三维台面结构，该三维台面结构具有位于两侧的反射刚性板22a-d，其面对形成台面结构侧壁的折射板24b-e。

图3是图1A基体的分解的截面图。基体并排放置在第一上模体48和第二下模体50之间，两模体一起形成模具。模体48、50配合成腔体，腔体内注入材料形成基体20。在腔体中，第一上模体48的表面形成平面表面48a或区域，具有将要形成的基体20微型光学结构的镜像。第二下模体50内表面的凸出部52a可形成凹槽26。边缘凸出部52b形成配合边，能够以相互配合方式形成紧凑的光学元件的阵列。另一种方法是，第二下模体50不形成凹槽26，而是在注射模制后通过铣磨、激光加工、腐蚀或其他方式从基体20去除材料，在基体20形成这些凹槽26。最好在基体20注射模制的同时第一上模体48直接在基体20的一表面形成微型光学结构，而不是在制造基体20后，或制造粘接到刚性板的柔性薄膜所在支撑基体之后，除去这些材料形成光学结构。第二下模体50也可包括微型光学结构。最好，完成的光学元件34的各个具有微型光学结构的表面大体上位于第一上模体48主平面区48a形成的同一平面上。使用多个模体而不是所示的仅有的二块模体来实现所介绍的相同功能是很重要的。在一个模体上，或在二块或多块模体的配合边，形成一个或多个小孔，用于注入形成基体的材料。微型注射模制最好形成多个小孔，以增加制造精密部件的成品率。

模具还包括弹出基体20的机构。在注射模制技术领域这些机构是公知的，一般称为弹射销或弹射板。通常，注入材料固化后，弹射销/弹射板从一块模体弹出模制件。因为图3的第二下模体50设有大凸出部，在模体48、50分开时基体可能会粘在模体上，所以弹射销从第二下模体50延伸。在注射模制技术领域中可选择的但通常不采用的方法是，利用真空来取出固化基体，突然的冲击施加到第二下模体50的四周，或基体可能形成凸出部，专门用于从第二下模体50升起基体。在后一种情况，凸出部通常沿着基体的非功能部分，并将从完成的产品除去。

图4显示了图2平面图中的三块示例性折射板24a、24c、24d，并显示了没有共用凹槽的配合边54如何连接到一起。这些边称为不连续配合边，因为不同的边本身不会直接互相配合，除非进行了下面介绍的连接后。图示接缝56表示折叠基体时所依据的直线，共用接缝的板实际上不分离，所以接缝没有必要进行连接。这些板可以如不连续配合边那样进行连接，以使接缝更牢固。

图5A-B分别显示了使配合边54永久连接的示例性的方法。在图5A，配合边54通过单独施加到连接处的粘合剂58进行连接。在图5B，配合边54通过对连接处局部加热使得边缘材料熔化熔合。实现这种连接可通过，在配合边之间插入线60，施加电压使得线加热，在缘54熔合后剪去多余的线。或者，线可以直接传导施加到端部的热量。

图5C显示了二个配合边，配合边放到一起时形成支撑结构62，作为完成的光学元件的单独构件，单独的光学构件不是从原基体20折叠而成。例如，单独构件可以是滤光镜或半镀银板，如下面参考图7-8所作的介绍。支撑结构62可以利用凸出部(没有显示)在模具中形成，该凸出部类似图3的形成凹槽的凸出部。在制造中，单独构件可以与基体一起制造，然后与其分开，或通过单独工序形成。

图6是类似图2的平面基体20的平面图，但是该平面基体20具有各个板64可形成正方形，用于制造立方形光学元件。各个板64可全部有微型光学结构，也可能不是全有，具体取决于最终元件的用途，各个板在图6-10被总称为板64。上板64a和下板64b形成完成元件的顶部和底部，完成元件将形成封闭的立方体。侧板64c-e将形成光可透过的侧壁，以对光进行控制。在立方体完全封闭前，在立方体中设置一个或多个交叉构件66以区分立方体，最好用上面详述的支撑构件支撑交叉构件66。交叉构件最好是平面的，可以是玻璃、塑料或其它与基体20不相同的材料。例如，为使点光源产生的光准直，立方体的各侧面可包含微型光学结构。在图7中，二个这样的构件按照与平行于立方体四个面的轴线68交叉的方式设置，部完成的元件是交叉分光镜，通常被称为x-立方。在图8中，设置了一个这样的构件66，即偏振光镜，形成偏振分光镜。图7-8的各个封闭体使用图6的基体20，各个封闭体充入指数匹配的材料，以得到附加的性能。安装的立方体的宽度范围可为5mm到40mm。

图11与图3类似，用于制造图6的基体。图11显示出第二下模体50形成的支撑结构的进一步细节(与图3相比)。如图3的详细介绍，在使用注射模制时第一上模体48可在基体20形成微型光学结构。第二下模体50包括附加凸出部70，凸出部70形成光学元件(如玻璃或塑料薄片)的垂直安装支撑结构63，这些玻璃或塑料薄片垂直地安装到封闭体的相对板，而不是如前面介绍的区分封闭体。在功能上，这些垂直安装的支撑结构63与前面介绍的板配合边上的支撑结构相同，但是在本示例中，支撑结构是沿着板的表面，而不是沿着板边或接缝。

所属领域的技术人员应认识到，本发明可应用于制造各种光学元件。虽然已参照示例性的优选实施例介绍了本发明，但是本发明可以用其它特定形式来实施例，而不背离本发明的精神。因此，应该知道，本文所描述和显示的实施例仅仅是示例性的，而不应被认作是本发明的限定范围。根据本发明的精神和范围可以进行其他改变和改进，其不脱离所附权利要求。

Claims (37)

1.一种制造三维光学元件的方法，包括：

提供具有邻接刚性板的基体，设置成各刚性板的表面大体上位于同一平面，其中，至少一个所述表面的特征是具有微型光学结构；

折叠基体，使得至少一个具有微型光学结构的表面和至少一个其它表面相互成一定角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基体包括至少三块刚性板，折叠所述基体使得至少一个具有微型光学结构的表面和至少二个其它表面相互成一定角度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微型光学结可选自折射微型光学结构、反射微型光学结构、微型棱镜、微型反射镜、微型透镜、菲涅耳透镜、菲涅耳发射镜、衍射光栅和光学薄膜叠层其中至少一个。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基体包括连接在所述刚性板的柔性薄膜。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述微型光学结构位于所述柔性薄膜。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述微型光学结构沿着刚性板的表面。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供基体，其包括在注射模制工艺形成基体的同时形成的微型光学结构。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供基体，其包括注射模制的基体和单独在基体形成的微型光学结构。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，单独形成微型光学结构可通过热模压或紫外线模压。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供的基体包括在表面施加的一层或多层光学涂层。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基体在各刚性板之间形成凹槽。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，折叠包括沿着所述凹槽折叠基体。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：折叠后，通过粘合和局部熔化其中一种方式至少将一些配合板边相互固定。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，完成的光学元件的具有微型光学特征的全部表面，折叠前大体上位于所述平面，或者在折叠前位于与所述平面平行的另一平面。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少二块所述刚性板在所述表面和相对表面分别形成凸部和凹部中的一种，折叠时，凸部和凹部形成单独光学板的支撑结构。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：

折叠后插入单独的光学板，以便支撑于支撑结构。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，折叠基体包括形成容积，所述方法还包括：

用具有希望折射率的材料至少部分充填容积。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，充填容积包括在安装模具上设置折叠的基体，在压力下注入具有希望折射率的材料。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，压力注入通过安装模具的通道。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述具有希望折射率的材料是塑料、液体或胶体。

21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少五个表面具有微型光学结构，折叠包括使得所述至少五个表面相互形成一定角度。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少五个表面在折叠后形成台面结构。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述台面结构形成的腔体中设置光源；和

用具有希望折射率的光学材料基本填充所述腔体。

24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括：

围绕台面结构设置多个附加板，各附加板具有反射面，使得形成台面结构侧壁的各表面面对反射面。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述附加板是基体的附加刚性板，设置附加板包括相对所述五个表面折叠所述附加板。

26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括：

用具有希望折射率的光学材料充填容积，所述容积至少部分被互相面对的反射面和台面结构侧壁限定。

27.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，折叠包括将所述基体折叠成中空的封闭结构。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述结构大体上是矩形。

29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，折叠还包括：在封闭所述结构前，在结构中设置大体为平面的交叉构件，交叉构件沿对角线区分所述封闭的矩形结构。

30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，折叠还包括：在封闭所述结构前，在结构中设置二个大体为平面的交叉构件，各所述交叉构件沿对角线区分所述封闭矩形结构并互相相交。

31.一种用权利要求1所述方法制造的光学元件。

32.一种制造三维光学元件的方法，包括：

通过粘接柔性薄膜于多块隔开的刚性板，形成分层的基体，所述分层的基体在刚性板平面表面的至少一个区域有微型光学结构；

在所述刚性板之间折叠所述分层基体，使得所述各微型光学结构沿着穿过完成的光学元件的希望光学路径放置。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述微型光学结构在所述柔性薄膜中形成。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，设置所述微型光学结构的区域是透光的。

35.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，设置所述微型光学结构的区域是反光的。

36.一种用权利要求32所述方法制造的光学元件。

37.一种有效地制造光学元件的可折叠基体的模具，所述模具包括：

具有内表面的第一模体，所述内表面的特征是具有主平面区和沿着所述主平面区设置的希望微型光学结构的镜像；

第二模体，用于与第一模体配合形成腔体，所述腔体部分由所述主平面区限定，所述第二模体形成多个大体为线性的凸出部，用于在所述腔体模制的基体中形成凹槽；以及

从所述第一或第二模体弹出模制的刚性基体的机构，其中，第一和第二模体其中至少一个形成向所述腔体注入液体材料的小孔。

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