用于制造坯件的方法、用于制造光学系统的方法及光学系统与流程

背景技术：

1、本发明涉及一种用于制造用于增强现实和/或虚拟现实应用的坯件的方法，特别是制造ar和/或vr眼镜的坯件的方法。本发明还涉及一种用于制造用于增强现实和/或虚拟现实应用的光学系统的方法，特别是制造ar和/或vr眼镜的光学系统的方法。此外，本发明涉及一种光学系统。

2、存在多种用于制造可以用于增强和/或虚拟现实应用的光学元件的技术。首先，可以通过机械加工，尤其是通过锯切、切割、研磨和/或它们的组合来生产光学元件。所谓的光学坯件（或简称坯件）可以用作用于加工的初始或基体材料。一般而言，取决于期望的应用，机械加工可能会伴随着由于表面不平整而导致的不令人满意的表面粗糙度。另一方面，不平整表面可能导致光学元件的不充分的光学性能。例如，不平整表面可能导致不期望的并且因此有害的光散射。

3、光学元件的第二种制造技术是浇铸工艺。浇铸可以用作机械加工的替代或附加技术。为此目的，可以将用于制造光学元件的原材料熔化并且浇铸到包括模腔的模具中。然而，常规地，浇铸需要笨重的金属模具，其生产成本高昂。此外，金属模具仅能用于特定光学元件的特定几何形状。此类模具当然可以进一步研磨或以其它方式加工，以便改变模腔，从而制造具有另一几何形状的光学元件。然而，此类对模具进行附加加工的方法涉及对资源的附加投资，并且因此被认为是次优的。也可以使用双组分物质浇铸到玻璃模具中来浇铸光学元件。

4、第三，可以通过三维打印技术（3d打印）来打印光学元件。三维打印是通过分配单元在基板上的预先确定的位置处以受控量沉积液滴的技术，特别是基于喷墨技术。可以基于预先接收的数据来控制分配单元的移动。在沉积之后，允许液滴沉降并给予足够的时间以凝固。凝固过程可以通过例如uv辐射和/或强制热能损失来支持。逐层沉积液滴产生最终产品。3d打印的一个可能缺陷是所谓的阶梯效应，其是指由于材料逐层沉积，最终产品的边缘处出现类似阶梯的不平整表面。在3d打印的框架内的另一个可能的问题是材料倾向于泛黄和雾化。

5、前述和其它技术可以组合用于光学元件的制造，尤其是为了避免它们各自的缺点，并且因此产生最佳的光学元件和系统。

6、通常，圆柱形坯件用于光学元件和系统的生产。此类坯件在第一端处包括圆形底部区域，并且在第二端处包括具有预定义曲线的凸形表面，该第二端在与圆形底部区域相反的方向上形成。此类传统坯件不利于制造用于在增强现实（ar）和/或虚拟现实（vr）应用中使用的光学元件，因为与常规的眼科眼镜相比，用于ar和/或vr应用的坯件首先需要具有更大直径的坯件，并且其次涉及更高程度的机械加工和更多的废料。由于上述缺点，ar和/或vr应用、特别是ar和/或vr头戴式设备/眼镜的制造可能成本高昂。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是为ar和/或vr应用提供优化的坯件。

2、本发明的目的是通过一种用于制造用于增强现实和/或虚拟现实应用、特别是ar和/或vr眼镜的坯件的方法来实现，

3、其中提供具有模腔的模具，

4、其中模腔包括第一腔和至少部分地围绕第一腔的第二腔，

5、其中将浇铸物质浇铸到模腔中，遍及第一腔和第二腔，其中浇铸物质形成坯件，

6、其中坯件包括由第一腔中的浇铸物质形成的光学区段和由第二腔中的浇铸物质形成的安装区段，其中安装区段至少部分地围绕光学区段，

7、其中将坯件与模具分离。

8、通过提供根据本发明制造的坯件，可以使用更少的坯件材料或（浇铸）物质。因此，可以降低制造ar和/或vr特定坯件的材料成本。此外，机械加工坯件的必要性可以降至最低，因为ar和/或vr特定坯件不是圆柱形的，而是包括已经类似于最终产品中ar和/或vr特定几何形状的几何形状。因此，只需少量机械加工且产生极少废料即可产生最终产品。换句话说，无论材料成本如何，通过本发明的方法也可以降低制造成本。此外，可以容易地进行此类ar和/或vr特定坯件的制造，最多进行微小的改变，即可使用现有的传统眼科生产线或在现有的传统眼科生产线内进行制造。

9、对于用于增强现实和/或虚拟现实应用、特别是ar和/或vr眼镜的坯件的生产，首先提供模具。模具可以是一件式或多件式模具。模具的优选材料是弹性体，诸如硅橡胶。此类材料可能不能提供足够的刚性以使模具适用于以期望的公差进行浇铸。这就是为什么模具可以包括刚性骨架（例如金属骨架）作为插入件的原因。优选地，骨架具有流体可渗透的结构，例如铠装或笼状结构。骨架可以包括有机聚合物，如乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯（pteg）、聚乙烯或两者的组合。在另一实现方式中，骨架可以包括一种或多种金属，诸如铁、铬、钒、镁、铜或上述金属的组合。骨架可以形成为内部骨架、模具的插入件，或者形成为可以至少部分地设置在模具外部的外骨架。

10、优选地，模具可以由半透明的、高撕裂强度的、耐苯乙烯和pu的、低收缩率的和其硬度可以改变的双组分硅橡胶制成。

11、模具包括模腔，其中该模腔包括第一腔和至少部分地围绕该第一腔的第二腔。第一腔和第二腔是单一模腔的区段或位于单一模腔内。模具可以包括侧壁，其中，每个侧壁可以是平坦的、凸形或凹形。也可以设想，一个或多个侧壁分别包括不同形状的节段。换句话说，例如，侧壁可以包括平坦节段和附加地凹形节段。可替代地，侧壁可以包括平坦节段和附加地凸形节段。可替代地，侧壁可以包括多个平坦节段。

12、将浇铸物质浇铸到模腔中，遍及第一腔和第二腔，其中该浇铸物质形成坯件。浇铸物质可以是树脂，特别是双组分树脂。此外，坯件包括由第一腔中的浇铸物质形成的光学区段和由第二腔中的浇铸物质形成的安装区段，其中安装区段至少部分地围绕光学区段。在该方法的最后步骤中，将坯件与模具分离。

13、根据本发明的优选实施例，光学区段包括弯曲表面，并且安装区段包括平坦表面。光学区段包括两个相对的表面。优选地，光学区段包括凸形表面和凹形表面。光学区段还可以包括平坦表面，该平坦表面可以被机械加工，特别是铣削，以便生成凸形表面或凹形表面。此外，安装区段优选地具有两个平坦表面。安装区段的厚度（优选地沿光学区段的观察方向的厚度）可以大于、等于或小于光学区段的厚度。所有表面，特别是光学区段的表面可以进行表面处理、抛光、精加工或以其它方式加工。

14、在本发明的优选实施例中，光学区段包括眼睛侧表面和世界侧表面，其中世界侧表面基本上为凸形。世界侧表面的凸形几何形状可以增强光学区段的反射特性，从而提高光学元件的质量和性能。优选地，光学区段的眼睛侧表面是凹形，并且凸形世界侧表面和凹形眼睛侧表面基本上平行。

15、在本发明的有利实施例中，安装区段包括凸缘，特别是阶梯式凸缘。凸缘可以垂直于安装区段的主延伸区域或表面形成。凸缘可以包括一个或多个凹部和/或一个或多个突起，特别是用于与坯件和/或功能元件连接的目的。此外，凸缘可以是弯曲的或成角度的，并且因此包括一个或多个节段。此外，凸缘可以是阶梯式的。优选地，凸缘平行于（至少基本上平行于）坯件或光学区段的观察方向延伸。此外，凸缘可以包括一个或多个穿孔、孔等，例如用于排气和/或节省材料和/或减轻重量的目的。

16、优选地，凸缘形成在安装区段的边缘处，并且特别地形成为闭合曲线。凸缘可以保护可以安装在坯件中或坯件上的功能元件免受外部影响。凸缘还可以用作功能元件的夹持机构。可替代地或附加地，凸缘可以用作与另一坯件的连接机构，特别是夹持机构。可以设想，曲线的形状包括为半圆形的一个或两个区段。曲线也可以是矩形的或至少包括线性区段，例如出于美学和/或艺术目的。然而，也可以设想，曲线不是闭合的，而是沿安装区段上或安装区段处的特定和预定义长度延伸。非闭合的凸缘还可以包括间隙或断口。凸缘的厚度可以沿其整个边缘长度恒定。

17、根据本发明的有利实施例，凸缘包括彼此平行布置的两个线性区段。优选地，线性区段形成在将通过由本发明方法制造的坯件生产的ar和/或vr眼镜的上端和下端处。在线性区段之间可以分别形成半圆形区段。

18、在本发明的有利实施例中，安装区段被至少部分地机械加工，特别是铣削，以形成安装结构，特别是凸缘或阶梯式凸缘。在坯件处或坯件内集成功能元件可能需要各种安装结构，凸缘仅是选项。可以使用铣削或修边或其它加工技术来创建与安装区段形成为一体的安装结构。阶梯式凸缘的优点是凸缘具有多于一个直径，特别是内径。

19、优选地，安装区段包括第一表面和平行于第一表面布置的第二表面，其中第一表面和第二表面间隔开，特别是沿观察方向间隔开。第一表面和第二表面可以形成在坯件的世界侧或眼睛侧处。两个表面优选地是平坦表面。第二表面可以是用于支撑、调平和定位功能元件的支撑表面。功能元件可以通过粘附（例如通过光学粘合剂），或通过夹持力，或两者连接到第二表面。通过将功能元件与第二表面连接，可以在第一表面与功能元件之间形成空气间隙。功能元件可以包括纳米光栅，在由坯件制造的光学元件或光学系统（特别是ar和/或vr眼镜）中，这些纳米光栅接收来自投影仪（通常靠近太阳穴或眉毛）的光，并且将其引导到用户的眼睛。需要上述空气间隙，以便保护纳米光栅，并且因此保护光学元件或系统的功能。第一表面与第二表面之间的平行可以确保功能元件与第一表面之间没有物理接触。第一表面和第二表面可以特别地形成为垂直于上述凸缘。可以平行于凸缘形成的连接表面可以将第一表面连接到第二表面。第一表面、连接表面和第二表面的组合可以称为台阶。此外，连接表面的沿观察方向或平行于凸缘的长度与形成在第一表面与功能元件之间的空气间隙的体积相关。观察方向可以平行于凸缘或凸缘的主延伸方向。

20、在本发明的优选实施例中，安装区段包括平行于第二表面布置的第三表面，其中第二表面和第三表面分别间隔开，特别是沿观察方向间隔开。第三表面可以是凸缘的端面。优选地，第一表面、第二表面和第三表面彼此平行。垂直于第二表面和第三表面形成的另一连接表面可以将第二表面连接到第三表面。第二表面、另一连接表面和第三表面的组合可以称为另一台阶。

21、在本发明的有利实施例中，光学区段包括圆形横截面。

22、根据本发明的有利实施例，光学区段包括眼睛侧表面和世界侧表面，其中光学区段的材料被移除。可以进行材料的移除以设定光学区段的特定屈光度。眼睛侧表面和世界侧表面可以分别是凹形或凸形。移除的材料的量决定光学区段的厚度。厚度进一步由凸度或凹度确定。

23、在本发明的另一优选实施例中，材料的移除是从世界侧表面朝向眼睛侧表面进行的。世界侧表面优选地是凸形，而眼睛侧表面优选地是凹形。因此，将世界侧表面加工到特定屈光度比加工眼睛侧表面更容易，因此成本更低。然而，可以设想，材料的移除沿观察方向在两个方向（从世界侧表面朝向眼睛侧表面的方向以及从眼睛侧表面朝向世界侧表面的方向）上进行。材料的移除也可以从眼睛侧表面朝向世界侧表面进行。本发明的一个主要特征是所有凹入表面都是精加工的。换句话说，此类凹入表面在坯件制造之后不需要后处理，这是有利的，因为表面处理和抛光设备不能最佳地伸入凹入区域以对表面进行精加工。所有突出表面都是半精加工的。换句话说，它们包括曲线，但仍然需要后处理，以便具有最佳光学性质。这意味着突出表面可以进行表面处理和抛光，以便在镜片中形成所需的屈光度。由于表面是突出的，设备可以轻松加工此表面，而不会有撞到镜片的其它部分的风险。

24、根据特别优选的实施例，在将浇铸物质浇铸到模腔中之前，将功能元件放入模腔中，其中坯件包括光学区段、安装区段和功能元件。在此类实施例中，功能元件可以完全或至少部分地嵌入到坯件中。功能元件（特别是波导）嵌入到坯件中带来的优点是，其中将通过粘附或夹持将功能元件连接到坯件的单独的连接步骤变为非必要。

25、优选地，在将功能元件放入模腔中之前，

26、将用于支撑、定位和对准功能元件的固持器放入模腔中，或者

27、将功能元件连接到固持器以形成固持单元，其中固持单元被放入模腔中。

28、固持器是将功能元件保持在要制造的坯件内的期望位置的元件。换句话说，固持器防止功能元件进行平移移动和旋转移动。因此，固持器还实现功能元件的对准。本发明的含义内的运动防止是指在制造过程期间以及之后在坯件的操作/使用中的运动防止。由于功能元件在坯件内预先确定的和期望的位置中的固定位置和正确对准，将从坯件开始生产的光学元件或系统的质量和性能可以由于功能元件相对于光学元件或系统的用户的眼睛的优化取向而提高。此外，固持器增加了功能元件的机械稳定性，尤其是在制造过程期间，由此不仅防止功能元件发生不希望的线性位移和旋转，而且防止功能元件断裂或以其他方式遭受机械损坏。固持器可以直接或间接地连接到功能元件。此外，固持器可以是对称的或不对称的。此外，固持器可以可靠地（即，通过形状配合）连接到功能元件。可替代地，固持器可以牢固地连接或粘合到功能元件。固持器可以包括一个或多个突起。这些突起可以彼此等距离地形成，例如沿固持器的圆周方向彼此等距离地形成。固持器可以是在固持器的中间区段中具有凹部的平面/2d元件，该凹部具有与功能元件的轮廓互补的形状，这导致功能元件装配到凹部中。因此，例如，凹部可以是矩形的。此外，固持器可以包括用作基板的平面区段和用于将功能元件插入或放置到其中或其上的插入区段，该插入区段首先垂直于平面区段形成，并且其次在俯视图中具有矩形形状，这导致功能元件可放置或可插入到插入区段中。换句话说，插入区段可以包括限定功能元件的精确位置的侧壁/突起。此外，固持器可以包括一个或多个凸形区段和/或一个或多个凹形区段，以便最佳地配合到模具中。另外或可替代地，功能元件和固持器可以被布置成（至少基本上）彼此共面，或者可替代地彼此平行，同时彼此间隔开。优选地，通过三维打印技术、模制和浇铸来制造固持器。首先，可以打印固持器的母模，特别是使用uv固化油墨。然后，可以制造模具，特别是由硅橡胶制成的模具。最后，可以将固持器浇铸到硅模具中，其中浇铸物质可以是树脂，特别是双组分树脂。优选地，固持器和坯件的主体由相同的（浇铸）物质制造，该主体和固持器特别地具有相同的折射率。使用相同的物质来制造固持器和坯件的主体是有利的，因为在固持器与主体之间将不存在可能不利地反射光或散射光的相边界。固持器可以说将是不可见的。换句话说，具有固持器的此类实施例的技术效果是功能元件将看起来自由地悬挂在坯件中以及之后的光学元件或系统中。该准整体式实施例提高了光学性能。在布置固持器的区域中，将实现高度的清晰度。此外，对固持器和主体使用相同的（浇铸）物质是有利的，因为在温度变化的情况下，固持器和主体两者将膨胀到相同的程度，这将不会在坯件内产生不必要的张力，否则该张力可能导致机械损坏，诸如坯件内的裂缝或破裂。优选地，用于制造固持器和主体的浇铸物质是透明物质，例如透明树脂。合适的物质还有聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、硅树脂、聚氨酯、高折射率材料或它们的组合。

29、根据本发明的另一个实施例，光学区段（3）包括眼睛侧表面和世界侧表面，其中该世界侧表面是精加工的或半精加工的。

30、根据本发明的另一个实施例，光学区段（3）包括眼睛侧表面和世界侧表面，其中该眼睛侧表面是精加工的或半精加工的。

31、根据本发明的另一个实施例，光学区段包括（特别是球面的）曲率或形状或表面。

32、本发明的另一主题是一种用于制造用于增强现实和/或虚拟现实应用、特别是ar和/或vr眼镜的光学系统的方法，

33、其中提供（优选地根据上述实施例中的任何实施例制造的）坯件，

34、其中将功能元件安装在安装区段上，

35、其中提供（优选地根据上述实施例中的任何实施例制造的）另一坯件并且将其安装在功能元件和/或坯件上，

36、其中坯件、功能元件和另一坯件形成光学系统。光学系统是包括功能元件（特别是波导）和两个坯件的组件，其中该功能元件布置在两个坯件之间。两个坯件可以彼此连接，使得坯件的凸缘的端面与另一坯件的安装区段的眼睛侧表面齐平。优选地，坯件具有比另一坯件更大的投影表面。换句话说，另一坯件小于坯件，并且因此配合到坯件中，其中坯件的凸缘围绕另一坯件的凸缘。优选地，坯件的凸缘具有比另一坯件的凸缘更高的长度。坯件和另一坯件的各自的光学区段可以基本上相同。换句话说，坯件的光学区段可以例如包括与另一坯件的光学区段相同的厚度、相同的凸形世界侧表面、相同的凹形眼睛侧表面和相同的屈光度。本发明的含义内的坯件也可以指后处理的坯件。后处理的坯件也可以称为覆盖镜片，因为它覆盖并机械保护功能元件。

37、根据本发明的有利实施例，功能元件被夹持在坯件与另一坯件之间，其中另一坯件（特别是通过粘合剂）连接到坯件。优选地，另一坯件的凸缘的外部尺寸大于坯件的凸缘的内部尺寸，以便确保夹持力。夹持力可以作用在坯件的内凸缘表面与另一坯件的外凸缘表面之间。换句话说，坯件可以称为外部坯件，而另一坯件可以称为内部坯件。此外，为了确保（足够的）夹持力或增加夹持力，坯件的凸缘可以包括一个或多个向内指向的突起。此类突起可以垂直于凸缘形成。所述突起可以减小凸缘的有效内径，并且因此确保或增加夹持力。可替代地或附加地，为了确保（足够的）夹持力或增加夹持力，另一（内部）坯件的凸缘可以包括一个或多个向外指向的突起。此类突起可以垂直于另一坯件的凸缘形成。夹持可以自动或手动进行。

38、在本发明的有利实施例中，功能元件被安装成使得在功能元件与坯件之间形成空气间隙，并且在功能元件与另一坯件之间形成另一空气间隙。优选地，空气间隙和另一空气间隙形成为使得功能元件与相应的坯件或另一坯件之间的最小距离（至少在功能元件的中间区段中）为至少0.03 mm，优选地超过0.07 mm，更优选地超过1 mm，以便保护纳米光栅，并且因此保护光学元件的功能。然而，在功能元件的边缘区段或边界区段中，由于功能元件与坯件的物理连接，不存在空气间隙也不存在另一空气间隙。

39、本发明的另一主题是一种用于增强现实和/或虚拟现实应用、特别是ar和/或vr眼镜的光学系统，包括坯件、功能元件和另一坯件，

40、其中坯件包括光学区段和至少部分地围绕光学区段的安装区段，

41、其中功能元件安装在安装区段上，

42、其中另一坯件安装在功能元件和/或坯件上，其中另一坯件包括另一光学区段和至少部分地围绕另一光学区段的另一安装区段。

43、根据本发明的优选实施例，安装区段包括第一表面和平行于第一表面布置的第二表面，其中第一表面和第二表面（特别地沿观察方向）间隔开。第一表面和第二表面可以形成在坯件的世界侧或眼睛侧处。两个表面优选地是平坦表面。第二表面可以是用于支撑、调平和定位功能元件的支撑表面。功能元件可以通过粘附（例如通过光学粘合剂），或通过夹持力，或两者连接到第二表面。通过将功能元件与第二表面连接，可以在第一表面与功能元件之间形成空气间隙。功能元件可以包括纳米光栅，在由坯件制造的光学元件或光学系统、特别是ar和/或vr眼镜中，这些纳米光栅接收来自投影仪（通常靠近太阳穴或眉毛）的光，并且将其引导到用户的眼睛。需要上述空气间隙，以便保护纳米光栅，并且因此保护光学元件或系统的功能。第一表面与第二表面之间的平行可以确保功能元件与第一表面之间没有物理接触。第一表面和第二表面可以特别地形成为垂直于凸缘。可以平行于凸缘形成的连接表面可以将第一表面连接到第二表面。第一表面、连接表面和第二表面的组合可以称为台阶。此外，连接表面的沿观察方向或平行于凸缘的长度与形成在第一表面与功能元件之间的空气间隙的体积相关。观察方向可以平行于凸缘或凸缘的主延伸方向。

44、在本发明的有利实施例中，在功能元件与坯件之间形成空气间隙，并且在功能元件与另一坯件之间形成另一空气间隙。优选地，空气间隙和另一空气间隙形成为使得功能元件与相应的坯件或另一坯件之间的最小距离（至少在功能元件的中间区段中）为至少0.03 mm，优选地超过0.07 mm，更优选地超过1 mm，以便保护纳米光栅，并且因此保护光学元件的功能。然而，在功能元件的边缘区段或边界区段中，由于功能元件与坯件的物理连接，不存在空气间隙也不存在另一空气间隙。

45、根据本发明的有利实施例，坯件包括凸缘，并且另一坯件包括另一凸缘，其中凸缘围绕另一凸缘。优选地，凸缘具有比另一凸缘更高的长度，以使凸缘完全围绕另一凸缘。包括坯件和另一坯件的组件可以形成为使得凸缘的端面与另一坯件的安装区段的眼睛侧表面齐平。

46、优选地，功能元件的端面抵靠凸缘或另一凸缘。功能元件优选地是包括主延伸方向的基本上二维的元件。例如由于功能元件在坯件或另一坯件内部的夹持，垂直于主延伸方向形成的功能元件的端面可以与凸缘或另一凸缘的内侧或内表面物理接触。内表面特别地可以改进功能元件的定位。优选地，当端面与凸缘或另一凸缘的内表面物理接触时，功能元件也被支撑和定位在坯件或另一坯件的第二表面上，该第二表面垂直于内表面形成。内表面可以具有环形形状，并且还包括多个区段，例如两个线性区段和两个半圆形区段。

47、根据本发明的优选实施例，功能元件的面积大于光学区段的面积。换句话说，功能元件包括第一面积和多余面积，该第一面积与光学区段的面积一样大。多余面积包括纳米光栅，这些纳米光栅捕获来自投影仪（通常靠近光学系统的用户的太阳穴或眉毛）的光并且将光引导到用户的眼睛。需要空气间隙，以便保护纳米光栅，并且边缘附近的支撑区域是可以接触波导而不会对光学系统造成机械损坏的唯一区域。

48、在本发明的优选实施例中，光学区段和/或另一光学区段包括圆形横截面。

49、优选地，光学区段和另一光学区段分别包括眼睛侧表面和世界侧表面，其中两个世界侧表面均为凸形，并且两个眼睛侧表面均为凹形。

50、根据本发明的有利实施例，所述另一凸缘是阶梯式的。

51、根据本发明的另一实施例，凸缘形成在安装区段的边缘处，并且另一凸缘形成在另一安装区段的另一边缘处。优选地，边缘和另一边缘形成为闭合曲线。凸缘和/或另一凸缘可以用作连接机构以及用于保护功能元件免受外部影响的保护机构。凸缘和/或另一凸缘还可以用作功能元件的夹持机构。一条或两条曲线也可以是矩形的或至少包括线性区段，例如出于美学和/或艺术目的。然而，也可以设想，曲线不是闭合的，而是沿安装区段和/或另一安装区段的相应边缘延伸特定和预定义长度。非闭合的凸缘还可以包括间隙或断口。凸缘的厚度可以沿其整个边缘长度恒定。

52、用于制造用于增强现实和/或虚拟现实应用的坯件的本发明方法、用于制造光学系统的本发明方法以及光学系统的特征、技术效果、优点和其它特性可以组合。

53、通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其它特性、特征和优点将变得显而易见，所述附图以举例的方式图示了本发明的原理。所给出的描述仅仅是为了举例，而不是限制本发明的范围。下文引用的参考标号参考所附附图。