一种立体面部形状光纤光波导器件的制造方法与流程

本发明属于光学新材料、光学器件成型工艺、仿真显示，特别提出了一种立体面部形状光纤光波导器件的制造方法，器件是三维立体面显示的成像硬件，可用于陪伴交互机器人、仿生人机器人、仿真人形交互载体，以及ai玩具、毛绒玩具等的立体面面部表情的动态影像显示。

背景技术：

1、当下的led、lcd、oled、micro-led显示屏都无法实现自由立体面显示，而投影+立体屏幕实现立体面显示，不仅需要前置多台投影边缘融合影像，而且还需要立体面屏幕，最重要的是前置投影还存在受环境光影响大、投影至屏幕之间不能有障碍物等局限性。二维改变不了三维，平面显示屏只能贴在墙上，单曲面、波浪面形状的显示屏对三维场景也无法任意改变。三维可以改变三维，只有真三维的显示屏，才能改变三维空间视景；三生万物，只有实现了任意形状的真三维显示的新型显示产品，才能随意改变世界并让世界更美丽。

2、因此，亟需一种可改变平面或柱面显示形状，并可将平面或柱面影像变成真三维立体面显示的介质，助力当下显示屏实现立体面显示，这一介质就是光纤光波导器件。当下显示屏与出光面是立体面的光纤光波导器件结合，不仅可实现立体面部形状的显示屏，而且可以实现任意立体面的显示屏。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种立体面部形状光纤光波导器件的制备方法，解决了当下陪伴交互机器人、仿生人机器人、仿真人形交互载体以及ai玩具、毛绒玩具等无法立体面呈现丰富动态面部表情的问题。

2、本发明可改变平面或柱面显示形状，并可将平面或柱面影像变成真三维立体面显示的介质，助力当下显示屏实现立体面显示，这一介质就是光纤光波导器件。这一介质光纤光波导器件的步骤如下：

3、首先，成型光纤光波导材料毛坯1，根据实施面部形状光纤光波导器件3需要的光纤11的长度、直径，选用与之匹配的光纤11，选用热成型方法的光纤11的长度范围为：面部形状光纤光波导器件型材2的最厚厚度（mm）×1.2＋10~30mm，选用光纤11直径范围为：紧密排列方式选用不少于三种直径光纤11的直径范围为显示模组像素点间距×（0.33~1.414），矩阵排列方式选用的光纤11直径为显示模组像素点间距×1－0.02mm。将光纤11顺序排列于成型模具12之中，并使相邻光纤11在入光端和出光端的相邻关系相同，通过加热成型模具12及其内的光纤11使光纤皮层熔化后粘接，或通过在光纤皮层之间注入液态可固化的粘接胶，以此固定光纤11之间的相邻关系，制成一次成型的光纤光波导材料毛坯1，其形状包括但不限于长方体、圆柱体、梯形体、异形体形状（或不规则形状形体），并且一次成型的光纤光波导材料毛坯1还可以再置入热塑形模具13中再进行热塑形，制成其内光纤头指向趋于垂直于其立体出光面曲线切线方向的光纤光波导材料毛坯1；

4、其次，制成面部形状光纤光波导器件型材2，按照设计的面部立体形状，对光纤光波导材料毛坯1进行精加工，其入光面加工成形状是平面（可与平面显示模组适配）或内圆柱面（可与曲面显示模组适配）形状，其出光面加工成设计的面部立体形状。

5、再次，制成面部形状光纤光波导器件3，对面部形状光纤光波导器件型材2进行表面抛光处理，之后在面部形状光纤光波导器件型材2的出光面表面镀膜扩展视角层31、减反射层32，制成面部形状光纤光波导器件3，对于有仿真触感要求的，可先在面部形状光纤光波导器件型材2表面粘贴或覆膜上透明的触感薄膜33，然后再在触感薄膜33上镀膜扩展视角层31、减反射层32，或将扩展视角层31、减反射层32、触感薄膜33做成一个整体，之后再粘贴在面部形状光纤光波导器件型材2的出光面表面。

6、所述的光纤光波导材料毛坯1内的光纤11之间的相邻关系在入光面和出光面是一致的且光纤11之间是粘接或固定在一起的，其形状包括但不限于长方体、圆柱体、梯形体、异形体形状（或不规则形状形体），并且其成型厚度预留了加工余量，其中采用热成型方法成型后的光纤光波导材料毛坯1厚度范围：面部形状光纤光波导器件型材2的最大厚度（mm）＋10~30mm，预留的10~30mm为加工余量；采用粘接方式成型的光纤光波导材料毛坯1厚度范围：面部形状光纤光波导器件型材2的最大厚度＋5~10mm，预留的5~10mm为加工余量。

7、进一步地，所述的光纤光波导材料毛坯1的成型模具12形状是按照所需要的光纤光波导材料毛坯1形状设计的，成型模具12材质根据光纤11之间选择的粘接方式确定，包括但不限于金属材料制成的成型模具、非金属材料制成的成型模具、复合材料制成的成型模具。采用加热成型方式，成型模具12的内型腔尺寸：长或高尺寸等于光纤光波导材料毛坯1的长或高设计尺寸＋长或高设计尺寸×（光纤芯层玻璃化温度－25℃）×光纤芯层热膨胀系数（设定一种立体面部形状光纤光波导器件的使用温度为25℃），深度尺寸等于其内排列光纤11的长度，既：面部形状光纤光波导器件型材2的最大厚度×1.2＋10~30mm；采用粘接方式，成型模具12的内型腔尺寸：长或高尺寸等于光纤光波导材料毛坯1的长或高设计尺寸，深度尺寸等于其内排列光纤11的长度，既：面部形状光纤光波导器件型材2的最大厚度＋5~10mm。

8、进一步的，所述的光纤光波导材料毛坯1的成型方法包括但不限于：将型腔内排列好光纤11的成型模具12置于保温箱14中加热，使成型模具之中的光纤的皮层温度至其玻璃化温度＋10~45℃并保温，保温时间为光纤11的长度（cm）×0.5~1小时/cm，依靠光纤11的热胀和光纤皮层玻璃化或熔化之后再固化的自粘力将成型模具12之中的光纤11粘接在一起；向排列于成型模具之中的光纤11缝隙中注入折射率不大于光纤皮层折射率的液态可固化的光纤粘接胶10，光纤粘接胶10固化之后，将成型模具12之中的光纤11粘接在一起。

9、进一步的，所述的光纤光波导材料毛坯1的热塑形是将成型的光纤光波导材料毛坯放入热塑形模具13之中，并将热塑形模具13置入可调整温度的保温箱14中，调整保温箱14的温度至光纤皮层的玻璃化温度＋10~35℃并保温，保温时间为光纤光波导毛坯1的厚度（cm）×0.4~0.8小时/cm，利用光纤光波导材料毛坯11材料的热胀特性和其内光纤11材料玻璃化之后的可流动特性，使光纤光波导材料毛坯1的出光面形状接近于光纤光波导器件型材2的出光面轮廓形状，并使其内光纤头指向趋向于其立体出光面曲线的切线方向，实现对成型的光纤光波导材料毛坯1形状的热塑形和表面发光方向调整。

10、进一步地，所述的光纤光波导材料毛坯1的热塑形模具13形状包括面部形状光纤光波导器件3形状包括但不限于面部形状光纤光波导器件3形状的阴模形状；定向（或可设定加热方向）加热的开放式烤箱形状。使用面部形状光纤光波导器件3形状的阴模形状的热塑形模具13时，需要将一次成型的光纤光波导材料毛坯1加工成面部形状光纤光波导器件3的轮廓形状并放入热塑形模具13中，由热塑改变其内的光纤头方向，并使光纤头方向趋近于垂直于其立体出光面曲线切线的方向；使用定向加热的开放式烤箱形状的热塑形模具13时，可以使用一次成型的光纤光波导材料毛坯1，也可以使用加工成面部形状光纤光波导器件3的轮廓形状的光纤光波导材料毛坯1。

11、所述的面部形状光纤光波导器件型材2由光纤光波导材料毛坯1经精加工制成，其入光面形状加工成平面或内圆柱面，其出光面形状包括但不限于被仿真的人脸面部立体形状、玩偶面部立体形状、眼睛立体形状、任意立体面形状，在其呈现动态影像的区域，凹凸表面是不具象（或表面立体形状脱离被仿真对象的具体形状，只呈现其表面的凹凸形状，且凹凸面之间的过度都是圆滑的圆弧过度，使其表面在显示动态影像时不会造成视觉上影像折痕）的；在其呈现静态影像的区域，凹凸表面是具象（或与被仿真对象表面的立体形状完全相同，是1:1或等比复刻被仿真对象的表面立体形状）的，或是不具象的；面部形状光纤光波导器件型材2的入光面或入像面形状是可以与显示模组显示面紧密贴合的形状，且面部形状光纤光波导器件型材2的加工精度可使其入光面与显示模组显示面之间的贴合缝隙小于面部形状光纤光波导器件型材2内光纤的最小直径；

12、优选的，所述的面部形状光纤光波导器件型材2的尺寸公差是小于光纤光波导材料毛坯1内光纤11半径的正公差,最大不大于+0.5mm，且在其出光面不具像区域的表面凹凸的最小曲率半径大于2mm。

13、所述的面部形状光纤光波导器件3是可以将显示模组显示影像从其入像面或入光面光波导至其显像面或出光面并高仿真度呈现被仿真对象面部表情的光波导器件，由包括但不限于面部形状光纤光波导器件型材2、扩展视角层31、减反射层32组成，对于有仿真触感要求的，还需增加触感薄膜33，为此，需要对面部形状光纤光波导器件型材2进行表面处理，实施步骤包括但不限于：首先，对加工光洁度或表面粗糙度不达标的面部形状光纤光波导器件型材进行表面抛光处理，其次，对可视角度、减反射达不到设计要求的面部形状光纤光波导器件型材2出光面镀膜扩展视角层31、减反射层32；再次，对表面有触感要求的面部形状光纤光波导器件3，可先在面部形状光纤光波导器件型材2表面粘贴上透明的触感薄膜33，并且触感薄膜33的厚度对面部形状光纤光波导器件型材2表面立体形状的改变是微小的、可忽略的，然后再在触感薄膜33上镀膜扩展视角层31、减反射层32，或将扩展视角层31、减反射层32、触感薄膜33做成一个整体的复合层，之后再将这个复合层粘贴在面部形状光纤光波导器件型材2的出光面上。

14、优选的，所述的光纤光波导材料毛坯1内的光纤11选用塑料光纤，且优选原材料相对廉价的皮层为pmma（亚克力）、芯层为ps（聚苯乙烯）。

15、本发明的有益效果：一是可将平面或柱面影像转换成面部的立体形状显示，用于仿真面部表情、眼睛的影像可实现视觉中的高仿真度；二是其显示面是自由立体面的表面，适合设计者做任意形状的设计，可打破设计形状受制于平面、柱面的约束；三是不具象的显示面设计，可使其在显示动态影像时不会在视觉中造成影像“折痕”或“波浪”。