PC、PMMA镜片与硅胶光学镜片对比 VR应用

虚拟现实头盔VR之硅胶光学镜片

－东莞雅高硅胶制品有限公司

1 引言
虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)，又译为灵境技术，是一种综合计算机图形、多媒体、人机交互、网络、立体显示及仿真等多种科学技术综合发展起来的最新技术。其特点在于为用户创造一种虚拟的环境，通过视、听、触等感知行为使用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化，被公认为是21世纪影响人们生活的重要技术之一。
近两年随着VR概念迅速走入人们的生活中，移动电子消费产品VR终端头盔市场百家争鸣，应用需求越来越广泛。VR头盔是一种利用头戴式显示器将人的对外界的视觉、听觉封闭，其原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。体验者通过VR头盔获得视觉图像变化时全身心投入的临场感，在模拟训练、3D游戏、虚拟驾驶、虚拟城市、远程医疗和手术等项目中具有广泛的应用。
VR头盔设备最主要的部件包括屏幕、陀螺仪、光学镜片以及一些塑料结构部件，其中对用户沉浸感影响最大的部件是光学镜片。目前此光学部件材料普遍使用PMMA材料注塑成型，但存在透光率稍低、易黄变、耐候性和耐辐射性较差、内部应力较大等问题，镜片使用寿命较短，且影响VR效果，易造成视觉疲劳。
最近，雅高硅胶制品有限公司引入德国Wacker公司开发的一款专门针对高要求光学产品的高透明液体硅胶（LUMISIL®LR 7601）材料，采用自主开发的阀针冷流道镜片模具，配合德国ARBURG射出成型机，在10万级净化无尘车间中，实现了高要求的VR光学硅胶镜片开发与生产。该光学硅胶镜片为不易碎的弹性体，安全可靠，透光率高、无残留应力、不黄变、色散低，视觉效果优异且无疲劳感，且具有优异的憎水性、耐高低温、耐候和耐辐射性能，使用寿命长。多方面的性能评价均表明该款高透硅胶镜片非常适合用于VR头盔领域，具有较大的潜力和应用价值。[attachment=72216]

2 材料、设备和车间
材料：高透液体硅胶LUMISIL®LR 7601（德国瓦克化学/Wacker）
模具：自主开发的阀针冷流道镜片模具（东莞雅高硅胶制品有限公司）
设备：德国ARBURG射出成型机
车间：10万级净化无尘车间

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3 光学液体硅胶制品的性能和优势
3.1 透光率
透镜应当尽可能传输所有入射光——如果吸收了光线，透光效率就会受到影响。因此，高透明度是对透镜材料提出的基本要求。PC透光率为仅约87%，因光学性能不佳，目前已经被有高透明度要求的光学制品行业淘汰；PMMA透光率约为92%，目前使用最为广泛的光学镜片材料；而LSR光学硅胶透光率可达到约98%，如图所示，红色激光光束几乎可以毫无障碍地通过光学部件，极其出色的光学透明性能，远超过PMMA与PC镜片，可在很大程度上减少光学镜片在使用过程中的因透明度引起的色彩失真度、反光性和清晰度对视觉感受的影响。

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3.2 残留应力
成型后制品内部的残留应力易引起镜片变形与破裂的问题，导致光学制品的双折射现象，直接影响光学性能，同时安全性也难以保证。PC和PMMA热塑性胶料成型过程为物理变化，线性分子链在注胶流动速度和成型梯度温度变化的影响下，被拉伸和压缩的分子链经快速冷却定型，处于一种不稳定的排列状态，无法恢复到原本的自由稳态，产生无法释放的较为严重的应力，如图所示。反之，双组份液体硅胶LSR为热化学反应成型，在低温时注入高温模具内，材料在达到一定的高温时，才会逐步发生分子链之间的交联反应，整个固化成型过程中基本无残留应力发生。

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3.3 折光率
光线从一个介质进入另一个介质，当它的传播方向与两个介质的界面不垂直时，则在界面处的传播方向发生改变。折射率与光的波长有关，波长较长时镜片折射率较小，波长较短时镜片折射率较大。当光线经过镜片发生折射时，各种色光的波长不同，折射程度也不同，折射后分解成为色散。镜片材料的折射率大，光线通过后折射程度大，通常色散严重，就是重影严重。色散是衡量镜片成像清晰度的重要指标，色散越大，其成像的清晰度就越差。折射率方面，PC约为1.526，PMMA约为1.592，玻璃约为1.523，均有一定程度的色散，容易引起视觉疲劳。Wacker光学硅胶为1.41，能在高低温环境和多种波长光线相爱均保持稳定的低折射率，具有较低程度的色散，可获得高清晰度的成像效果。

3.4 收缩性
PC与PMMA为能反复加热软化和冷却变硬的热塑性材料，成型过程中，制品因局部温度与厚度的变化引起收缩不均匀，导致镜片制品产生收缩应力，当制品使用时环境温度变化对其影响较明显。LSR硅胶材料为热固性材料，成型后再加热无明显变化，成型为热反应成型，成型过程收缩均衡，可运用注射成型工艺实现结构精细的成型件的批量生产。

3.5 密度
有机硅弹性体的另一大优势在于密度低，其制成的有机硅部件比同样大小的玻璃部件轻得多，比PC和PMMA的密度也稍低。PC相对密度一般约为1.2g/cm3，PMMA一般为1.18g/cm3，LSR光学硅胶为1.12g/cm3，LSR制品在保证功能一定条件下，降低成品的重容比，利于产品的轻量化。

3.6 热稳定性
PMMA的热变形温度在90度左右，PC的热变形温度在130度左右，较高的温度都会造成镜片变形和尺寸不稳定等问题，影响产品的寿命。有机硅高分子链由Si-O键组成，键能为422~494KJ/mol，塑胶高分子链的C-C键能为360 KJ/mol，较高的键能决定了其耐高温的特性，同时Si-O主链特有的柔性结构使其可以在低温也保持良好的柔韧性。硅胶光学镜片具有良好的热稳定性，并能在低温条件下保持持久弹性，而无需使用增塑剂，可长期在-50~200℃使用，保持尺寸稳定性，同时具有优异的机械和光学性能。

3.7耐候、耐辐射性
PC和PMMA在遇热时，在人工或天然光源，抑或紫外线的辐射下，会逐渐黄变，严重影响使用。硅胶对氧气或臭氧的耐抗性极高，它们长期暴露在可见光和紫外线辐射环境中也不会受到影响，与有机塑料不同的是它们不会变黄，瓦克新推出的有机硅弹性体即使长期承受负荷，也能保持水晶般的透明。此外，有机硅弹性体还不会吸水，具有优异的疏水性，与PC或PMMA相比有较好的防指纹防污能力，也给使用者带来便利。

4 结语
Wacker LUMISIL®LR7601是专门针对光学透镜、耦合及光导元件的生产研发而成，拥有4类产品，硬度介于肖氏A50和A80之间，可运用注射成型工艺实现结构精细的成型件的批量生产，目前主要用于汽车LED前照灯光学部件。雅高硅胶制品有限公司引入该款材料制成的镜片为不易碎的弹性体，安全可靠，透光率高、无残留应力、不黄变、色散低，视觉效果优异且无疲劳感，且具有优异的憎水性、耐高低温、耐候和耐辐射性能，使用寿命长。多方面的性能评价均表明该款高透硅胶镜片非常适合用于VR头盔领域，具有较大的潜力和应用价值。随着VR在越来越多的领域的应用与发展，必将给人类带来巨大的经济和社会效益。

tommywang	2016-09-01 16:35
终于可以发表了

tommywang	2016-09-01 17:23
没人顶自己顶

climberhua

2016-09-02 10:29

说VR镜片对PV要求不敏感，是针对镜头类的评估的，其实对比黑料，尺寸还是很敏感的。硅胶材料是不易碎的弹性体，这就导致对PV&偏心很容易出问题。
PC折射率在1.58左右，PMMA的折射率是1.49左右，不是1.58，而光学玻璃在1.52以下的很少的，上超过2的都有几款。
PMMA材质很多问题，低折射率，吸水性强导致无法镀膜，热稳定性差，流动性也差，好处就是色散低，价格便宜。所以VR产品才大部分用它
VR这东西，设计时需求短焦距大视场，这就要求材料需要高nd，而单片的设计又要求低色散。透过率那些对于单镜片来讲，问题都不大。这个材质Nd才1.41，尽管色散好（没看到指标），但对于短焦距设计难度提升太大。这还不说设备不通用等其他问题……

tommywang

2016-09-02 11:46

climberhua:说VR镜片对PV要求不敏感，是针对镜头类的评估的，其实对比黑料，尺寸还是很敏感的。硅胶材料是不易碎的弹性体，这就导致对PV&偏心很容易出问题。 2, "q_d'V
PC折射率在1.58左右，PMMA的折射率是1.49左右，不是1.58，而光学玻璃在1.52以下的很少的，上超过2的都有几款。 #t2UPLO~
PMMA材质很多问题 .. (2016-09-02 10:29) fCf#zV[

镜片专家，多谢指导

frra8788	2016-09-05 11:59
很不错的材料

zuoweihan126	2017-01-09 16:30
很多光学参数都不对，折光率PMMA是1.49，PC是1.57，PMMA的好处就是便宜，而且色散低，折射率也大，你这个材料1.41，你想一下你的头盔要多大。

maliang887	2017-07-09 22:17
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