一种AR树脂镜片及其制备方法与流程

一种ar树脂镜片及其制备方法
技术领域
1.本发明属于ar眼镜技术领域，更具体地，涉及一种ar树脂镜片及其制备方法。


背景技术：

2.近些年来增强现实技术在教育、安防、健康管理、虚拟训练、医疗研究以及电子游戏等领域具有广阔地应用前景。为了满足这样的需求，服务于增强现实技术的近眼显示设备需要能够在实现较好虚拟图像显示效果的基础上保证真实世界的光线能够直接穿过设备被人眼捕获。这就要求近眼显示设备应同时满足各项显示性能指标，包括较大的视场角、良好的视场均匀度、较大的眼动范围以及更高的显示分辨率等。此外，考虑到用户可穿戴的使用需求，近眼显示设备还必须满足轻量化、微型化和类眼镜形态的特点。然而，上述要求点在实际设计中往往相互牵制、相互竞争甚至相互矛盾，因此具有优秀性能的增强显示眼镜的设计和制造仍具有较大的挑战性。
3.现有表面浮雕光栅的衍射光波导一般制作在玻璃基板上，制造过程为：预先制作光栅模板，然后在玻璃基板上涂布压印胶，通过纳米压印工艺，利用光栅模板使压印胶形成光栅结构。但是由于玻璃基板密度较大，因而佩戴重量大，用户体验不友好；并且由于玻璃较脆，玻璃基板光波导的机械可靠性较差，因而跌落时非常易碎，而且玻璃碎裂为尖锐玻璃渣具有危险性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对以上不足，提供一种ar树脂镜片及其制备方法，带有矫正视力的功能，能够减轻光波导镜片的重量，提升ar眼镜的佩戴舒适感。
5.为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了一种ar树脂镜片，包括外壳和其包裹的波导基板，所述波导基板上一体化设有光栅结构，所述光栅结构上具有耦入区域和耦出区域；所述外壳和波导基板均为光学树脂材质，所述波导基板的折射率为1.74，所述外壳的折射率低于波导基板，所述外壳具有矫正视力功能的上下表面弯度差。
7.进一步地，所述外壳的折射率为1.5～1.67，内部波导基板的折射率高于外壳折射率，以满足全反射的条件，使其适用于ar智能眼镜。
8.进一步的，所述外壳的材料可以采用本领域常见的光学材料，可以选自cr-39，丙烯酸酯，聚氨酯中的至少一种，可见光透过率不低于88％。
9.进一步地，所述光栅结构突出设置于所述波导基板的表面上，所述光栅结构包括多个形状相同且彼此平行的子结构。
10.进一步地，所述光栅结构可以为二元光栅、倾斜光栅、闪耀光栅或二维光栅中的一种。一般来说，二元光栅的子结构之间存在凹谷结构，倾斜光栅的子结构与基板之间存在一定的夹角(例如存在10
°
～90
°
的夹角)，闪耀光栅的子结构截面为锯齿形，二维光栅指在两个正交方向(例如x轴、y轴)上均具有周期性子结构的光栅结构。
11.进一步地，所述光栅结构的周期为150nm～900nm，优选为300nm～800nm，例如可以为300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm等；光栅结构的深度不大于400nm，优选为不大于280nm，例如可以为250nm、200nm、100nm、50nm、10nm、1nm等。
12.进一步地，所述树脂镜片的厚度为1mm～20mm，例如1mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm等，优选为1mm～5mm。
13.第二方面，本发明还提供了第一方面所述的波导基板的制备方法，包括以下步骤：
14.在第一基板上形成光栅结构，得到第一模板；
15.将第一模板的光栅结构转印至第二基板上，得到具有与所述光栅结构互补的结构的第二模板；
16.将所述第二模板和第一结构件相结合组成浇注模具，在浇注模具的模腔中注入折射率为1.74的光学树脂原料；
17.固化、脱模，得到所述波导基板。
18.进一步地，所述在第一基板上形成光栅结构的方法为，在所述第一基板上涂布光刻胶，并进行曝光和显影，形成所述光栅结构。
19.进一步地，所述第一基板和/或所述第二基板的厚度变化量不大于40μm，所述第一基板和/或所述第二基板的表面粗糙度不大于4nm。
20.进一步地，所述第一模板为玻璃材质，所述第二模板为金属材质。
21.进一步地，所述第二模板和第一结构件可拆卸连接，并围成所述模腔；所述第一结构件边缘设有连通至所述模腔的浇注孔。
22.第三方面，本发明还提供了第一方面所述的ar树脂镜片的制备方法，包括以下步骤：
23.将第二方面所述的制备方法制备的波导基板固定于制备树脂镜片的玻璃模具中，
24.合模后，浇注外壳原料；
25.固化成型后脱模，即得。
26.进一步地，所述玻璃模具具有矫正视力功能的上下表面弯度差，使制得的ar树脂镜片的上下表面弯度差满足矫正视力的各种度数。根据需要，还可以通过激光切割形成不同的形状。
27.进一步地，所述波导基板通过胶圈固定于玻璃模具中。
28.进一步地，所述波导基板固定于玻璃模具中时，使光栅结构位于波导基板远离眼睛的一侧。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
30.本发明所述ar树脂镜片，通过外壳与波导基板折射率的配制，满足全反射的条件，适用于ar智能眼镜；采用树脂光学材料，密度小、重量轻，佩戴舒适性好，且跌落时不易碎，安全性高，生产成本低，且具有矫正视力的功能；
31.本发明所述波导基板的制备方法，通过第一基板和第二基板的转印，既解决了在其他材质上不易形成光栅结构的问题，又解决了使用玻璃材质直接形成光栅结构难以浇注成型的问题，采用浇注树脂固化成型的方法，得到的波导基板机械可靠性好，且密度小、重量轻，佩戴舒适性好。
附图说明
32.图1为实施例1所提供的一种ar树脂镜片的结构示意图；
33.图2为实施例1所述的ar树脂镜片的使用状态示意图；
34.图3为实施例1所述的波导基板的俯视结构示意图；
35.图4为实施例1所述的波导基板的立体结构示意图；
36.图5为实施例2所述的波导基板的浇注模具的结构示意图；
37.图6为实施例3所述的玻璃模具合模的截面图。
38.图中：1-外壳，2-波导基板，21-光栅结构，22-耦入区域，23-耦出区域，3-第一构件，4-第二模板，5-浇注孔，6-上模，7-下模，8-胶圈。
具体实施方式
39.下面将结合附图和具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
40.实施例1
41.如图1至图3所示的一种ar树脂镜片，包括外壳1和其包裹的波导基板2，所述波导基板2上一体化设有光栅结构21，所述光栅结构21上具有耦入区域22和耦出区域23；所述外壳1和波导基板2均为光学树脂材质，所述波导基板2的折射率为1.74，所述外壳1的折射率低于波导基板2，所述外壳1具有矫正视力功能的上下表面弯度差。
42.本实施例所述外壳1的折射率为1.5～1.67，内部波导基板2的折射率高于外壳折射率，以满足全反射的条件，使其适用于ar智能眼镜。所述外壳1的材料可以采用本领域常见的光学材料，可以选自cr-39，丙烯酸酯，聚氨酯中的至少一种，可见光透过率不低于88％。
43.如图4所示，本实施例所述光栅结构21突出设置于所述波导基板2的表面上，所述光栅结构21包括多个形状相同且彼此平行的子结构，一般设置于波导基板2远离眼睛的一侧，在使用时如图2所示。
44.光栅结构21的具体结构并不受特别限制，在本发明的一些实施方式中，所述光栅结构21可以为二元光栅、倾斜光栅、闪耀光栅或二维光栅中的一种。一般来说，二元光栅的子结构之间存在凹谷结构，倾斜光栅的子结构与基板之间存在一定的夹角(例如存在10
°
～90
°
的夹角)，闪耀光栅的子结构截面为锯齿形，二维光栅指在两个正交方向(例如x轴、y轴)上均具有周期性子结构的光栅结构。
45.在本发明的一些实施方式中，所述光栅结构21的周期可以为300nm～800nm，例如可以为300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm等；光栅结构21的深度不大于280nm，例如可以为250nm、200nm、100nm、50nm、10nm、1nm等。
46.在本发明的一些实施方式中，所述树脂镜片的厚度为1mm～20mm，例如1mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm等，优选为1mm～5mm。
47.实施例2
48.本实施例提供一种实施例1所述的波导基板的的制备方法，包括以下步骤：
49.在第一基板上形成光栅结构，得到第一模板；
50.将第一模板的光栅结构转印至第二基板上，得到具有与所述光栅结构互补的结构的第二模板4；
51.将所述第二模板4和第一结构件3相结合组成浇注模具，在浇注模具的模腔中注入折射率为1.74的光学树脂原料；
52.固化、脱模，得到所述波导基板。
53.本实施例所述在第一基板上形成光栅结构的具体方法为，在所述第一基板上涂布光刻胶，并进行曝光和显影，形成所述光栅结构。所述第一基板预先经过清洗。需要说明的是，形成光栅结构的具体操作条件、参数等并不受特别限制，可以根据实际所需的光栅结构确定。
54.本实施例所述将第一模板的光栅结构转印至第二基板上是通过电铸工艺实现的，将光栅结构转印至第二基板上，从而在第二基板上获得与第一基板上原光栅结构的互补结构，进而利用第二模板4进行浇注成型，得到具有原光栅结构的波导基板。
55.为了进一步提高制备得到的波导基板表面的平整度，从而提高整个ar镜片的光学表现，上述第一基板和/或第二基板的厚度变化量不大于40μm，上述第一基板和/或第二基板的表面粗糙度不大于4nm。通过控制第一基板和/或第二基板满足上述条件，制备得到波导基板表面的平整度更佳。
56.本实施例所述第一基板为玻璃材质，第二基板为金属材质。因为玻璃基板表面容易光刻形成光栅结构，但是考虑到第一基板是由玻璃和光刻胶组成，而光刻胶不耐高温并且容易损伤，难以满足浇注固化要求，因而将光栅结构的互补结构转印至金属基板上，以便于后续浇注得到具有原光栅结构的光波导镜片产品。
57.本实施例所述第二模板4和第一结构件3可拆卸连接，并围成所述模腔；所述第一结构件3边缘设有连通至所述模腔的浇注孔5。
58.实施例3
59.本实施例提供一种实施例1所述的ar树脂镜片的制备方法，包括以下步骤：
60.将实施例2制备的波导基板2通过胶圈8固定于制备树脂镜片的玻璃模具中，使光栅结构21位于波导基板2远离眼睛的一侧，如图6所示，所述玻璃模具的上模6和下模7具有矫正视力功能的弯度差，
61.合模后，浇注外壳原料；
62.固化成型后脱模；
63.开模后清洗，通过激光切割得到所需形状。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
66.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和技术原理的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，这些修改和变更也应视为本发明的保护范围。