用于局部可逆玻璃膨脹的方法
【專(zhuān)利摘要】一種在玻璃材料的表面上形成具有在目標(biāo)范圍內(nèi)的高度的突起特征的方法，該方法包括：(1)提供具有表面的玻璃材料,(2)在所述表面處或表面下方的位置，為所述玻璃材料局部提供一定量的能量，使得玻璃材料發(fā)生局部膨脹，從而使所述位置處的表面上形成突起特征,(3)檢測(cè)所述突起特征的高度或者突起特征的高度隨時(shí)間的變化,(4)(a)如果所述高度低于目標(biāo)范圍或趨近低于目標(biāo)范圍的值,則在所述位置為玻璃材料提供更高的能量,或者(b)如果高度高于目標(biāo)范圍或者趨近目標(biāo)范圍以上的值,則在所述位置為玻璃材料提供更低的能量,(5)根據(jù)需要重復(fù)步驟(3)和(4)，使得所述高度處于目標(biāo)范圍之內(nèi)。本發(fā)明還揭示了用來(lái)使該方法自動(dòng)化進(jìn)行的方法和裝置。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于局部可逆玻璃膨脹的方法
[0001]本申請(qǐng)是 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司提交的進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段日期為2010年2月25日、申請(qǐng)?zhí)枮?00780100442.1、名為“用于局部可逆玻璃膨脹的方法”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的分案。
[0002]本發(fā)明是在馬里蘭州采購(gòu)處授予的第H98230-05-C-0429號(hào)協(xié)定給予的政府支持下完成的。政府享有本發(fā)明的一定權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明涉及玻璃材料的表面紋理化(texturing),具體涉及由于局部施加能量而引發(fā)的玻璃材料表面紋理化。這些紋理化可以包括形成凸起、隆脊，以及由這些形狀組合而成的所有更復(fù)雜的表面特征(feature)。
[0004]已知用激光進(jìn)行局部輻照的時(shí)候，玻璃會(huì)發(fā)生膨脹。例如在題為“脆性非金屬表面的紋理化方法”的美國(guó)專(zhuān)利第5，567，484號(hào)(1996)中報(bào)道了通過(guò)用CO2激光器加熱玻璃表面，形成了小于數(shù)微米的小凸起。例如在題為“制造平面透鏡和平面透鏡陣列的方法”的美國(guó)專(zhuān)利第7，152，434號(hào)中還報(bào)道了通過(guò)上方覆蓋模具升起較大的凸起，形成由該模具限定的形狀。人們希望能夠在玻璃表面上升起較大高度的凸起結(jié)構(gòu)，例如其高度大于數(shù)微米，甚至高達(dá)100微米或更大，同時(shí)具有良好的重現(xiàn)性并能控制高度，例如將誤差牢牢地控制在±100納米，而且不 限于特定模具表面的外形或形狀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明包括一種在玻璃材料的表面上形成高度在目標(biāo)范圍內(nèi)的突起特征的方法。所述方法包括(I)提供具有表面的玻璃材料，(2)在所述表面上或表面以下的位置為玻璃材料局部提供一定的能量，使得玻璃材料發(fā)生局部膨脹，從而在所述位置突起一個(gè)特征，(3)檢測(cè)所述突起特征的高度，或者突起特征的高度隨時(shí)間的變化，(4) (a)如果所述高度低于目標(biāo)范圍或者趨近目標(biāo)范圍以下的值，則在所述位置為玻璃材料提供更多的能量，或者(b)如果所述高度高于目標(biāo)范圍或趨近目標(biāo)范圍以上的值，則在所述位置為玻璃材料提供更少的能量，(5)根據(jù)需要重復(fù)步驟(3)和(4)，以使得高度在目標(biāo)范圍以?xún)?nèi)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還揭示了用來(lái)自動(dòng)化進(jìn)行該過(guò)程的方法和裝置。
[0006]在以下的詳細(xì)描述中給出了本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言根據(jù)所作描述即容易理解，或者通過(guò)實(shí)施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利要求書(shū)以及附圖在內(nèi)的本文所述的本發(fā)明而被認(rèn)識(shí)。
[0007]應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都只是陳述了本發(fā)明的實(shí)施方式，用來(lái)提供幫助理解要求保護(hù)的本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評(píng)述或框架。包括的附圖提供了對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，附圖被結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分。附圖以圖示形式說(shuō)明了本發(fā)明的各種實(shí)施方式，并與說(shuō)明書(shū)一起用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理和操作?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是本發(fā)明方法的某些方面的流程圖；
[0009]圖2是正在用電磁輻射進(jìn)行紋理化的玻璃表面的橫截面示意圖；
[0010]圖3是正在用設(shè)置在表面上的能量集中元件進(jìn)行紋理化的玻璃表面的橫截面示意圖；
[0011]圖4是正在用探針尖端進(jìn)行紋理化的玻璃表面的橫截面示意圖；
[0012]圖5是用來(lái)實(shí)施和自動(dòng)化進(jìn)行本發(fā)明方法的系統(tǒng)或設(shè)備的示意圖；
[0013]圖6是玻璃凸起高度(單位微米)與激光脈沖的劑量能量(單位焦耳)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系圖；
[0014]圖7是玻璃凸起高度(單位微米)與激光脈沖的劑量能量(單位焦耳)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的又一關(guān)系圖；
[0015]圖8是根據(jù)本發(fā)明的方法采用多次激光脈沖照射，以將特征高度升高到70微米±100納米范圍的過(guò)程中，所述多次激光脈沖所采用的劑量能量與所得的特征高度之間的關(guān)系圖；
[0016]圖9是根據(jù)本發(fā)明的方法采用多次激光脈沖照射，以將特征高度升高到40微米±100納米范圍的過(guò)程中，所述多次激光脈沖所采用的劑量能量與所得的特征高度之間的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將詳細(xì)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，這些實(shí)施方式的例子在附圖中示出。只要有可能，在所有附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同或類(lèi)似的部分。
[0018]圖1的流程圖顯示了本發(fā)明方法或工藝的一個(gè)實(shí)施方式。通過(guò)該方法可以在玻璃材料的表面上形成其高度在目標(biāo)范圍內(nèi)的突起特征或多個(gè)這樣的特征。所述突起特征可以包括簡(jiǎn)單凸起，但是也可以包括隆脊，以及由這些形狀組合而成的所有更復(fù)雜的表面特征。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明的方法10大體包括:步驟1，提供具有表面的玻璃材料；然后是步驟2，在表面處或下方的某一位置施加一定量的局部能量劑量，使得玻璃材料膨脹，從而使特征在表面上突起。接下來(lái)，在步驟3，對(duì)突起特征的高度進(jìn)行測(cè)量或檢測(cè)，任選地，如果使用連續(xù)的能量劑量，則對(duì)正在趨近的高度進(jìn)行推測(cè)。在步驟4中，如判斷菱形框12和14所示，將測(cè)得的或檢測(cè)的或推測(cè)的高度與目標(biāo)范圍相比較。如果目前的高度或正在趨近的高度低于所述目標(biāo)范圍，則如步驟4的a部分所述，提供更高的能量。如果目前的高度或正在趨近的高度高于所述目標(biāo)范圍，則如步驟4的b部分所述，提供更低的能量。作為重復(fù)循環(huán)形式的最后一步5，根據(jù)需要重復(fù)步驟3和步驟4，以使得所述高度達(dá)到所述目標(biāo)范圍之內(nèi)。
[0020]圖2顯示了優(yōu)選在圖1的方法中提供能量的方式。如圖2所示，玻璃材料16是在其表面20上受到輻射18的輻照的。所述輻射優(yōu)選來(lái)自激光束或者能夠產(chǎn)生約0.2-0.5微米的輻射點(diǎn)尺寸的其它電磁源?？梢允褂脮?huì)聚激光或非會(huì)聚激光，還可以采用其它具有足夠高強(qiáng)度的電磁源，其可以是相干的或不相干的，只要能夠通過(guò)會(huì)聚和/或掩蔽使其達(dá)到足夠小的輻射點(diǎn)尺寸?？梢圆捎贸丝梢?jiàn)光頻率和紅外線頻率以外的頻率，例如采用微波。通常需要足夠小的輻射點(diǎn)尺寸，足夠高的功率，以及具有足夠吸收能力的玻璃材料，以便在足夠小的體積24內(nèi)積攢一定量的能量，使得凸起或其它表面特征22會(huì)因此突起，并在撤除輻射之后保持在原位。必須注意使玻璃的吸收性質(zhì)與使用的波長(zhǎng)適當(dāng)匹配。然而，并非總是優(yōu)選最高的吸收性質(zhì)，因?yàn)檩椛浯┩傅迷缴?，加熱區(qū)域也越深，由此容易得到更高的特征高度。
[0021]圖3中顯示了用來(lái)在圖1的方法中提供能量的一種替代方法。在圖3中，將加熱元件26形式的表面能量集中器放置在表面20上，向其提供能量，例如由表面導(dǎo)線28和連接的引線30提供電流。
[0022]圖4中顯示了用來(lái)在圖1的方法中提供能量的另一種替代方法。在圖4中，振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)摩擦探針90形式的輸送能量探針對(duì)玻璃材料16的表面進(jìn)行加熱。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，圖1所示的步驟以連續(xù)的形式進(jìn)行，也即是說(shuō)，在圖1的步驟2和4中施加能量的操作不一定是以不連續(xù)方式進(jìn)行的，而是可以基本上連續(xù)地施加能量，直至高度達(dá)到給定目標(biāo)范圍之內(nèi)。因此，在此實(shí)施方式中，在表面處或下方的某個(gè)位置為玻璃材料局部提供一定量的能量，為玻璃材料提供更大量的能量，以及為玻璃材料提供更少量的能量這三個(gè)步驟合起來(lái)，包括為玻璃材料提供變化的但是為連續(xù)劑量的倉(cāng)tfi。
[0024]一種替代方式是在圖1的步驟2和步驟4中提供不連續(xù)的能量劑量。在此實(shí)施方式中，在表面處或下方的某個(gè)位置為玻璃材料局部提供一定量的能量，為玻璃材料提供更大量的能量，以及為玻璃材料提供更少量的能量這三個(gè)步驟各自包括為玻璃材料提供不連續(xù)的劑量的能量。
[0025]當(dāng)然，如果需要，可以將這兩種方式結(jié)合起來(lái)，在一些時(shí)間段采用不連續(xù)的劑量，在一些時(shí)間段采用連續(xù)的劑量。
[0026]通過(guò)本發(fā)明的方法，可以在玻璃材料的表面上形成高度等于10、50甚至100-200微米或更大的突起特征。甚至可以制得高度高達(dá)250微米的凸起。本發(fā)明的方法還能夠使所達(dá)到的高度在目標(biāo)范圍內(nèi)，偏差低達(dá)±500、200甚至100納米(nm)。制得高度為100微米、偏差為±100納米的特征表示高度的最大變化僅為0.5%。
[0027]在本發(fā)明的另一個(gè)方面，如果需要，可以使權(quán)利要求1的方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。圖5中顯示了對(duì)玻璃材料制品進(jìn)行自動(dòng)化表面紋理化的系統(tǒng)110的一個(gè)例子。χ-y可移動(dòng)臺(tái)裝置40包括可移動(dòng)臺(tái)42，玻璃材料制品16放置在該可移動(dòng)臺(tái)42上?？刂破?0可以是以下任意裝置:從一種或多種專(zhuān)用電路或小型微控制器到專(zhuān)用計(jì)算機(jī)或者工廠控制系統(tǒng)的一部分，其包括存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)或訪問(wèn)某種信息，所述信息是與玻璃材料在一種或多種能量(該優(yōu)選實(shí)施方式中為激光能量)影響下表現(xiàn)出的一種或多種性質(zhì)有關(guān)的信息。所述控制器70還會(huì)存儲(chǔ)或訪問(wèn)將要形成的突起特征或突起特征圖案的信息。所述控制器70利用所述信息，例如通過(guò)軟件或硬件預(yù)測(cè)算法、一種或多種查閱表或其合適的替代方式，基于目標(biāo)范圍選擇初始能量和輻照時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，選擇最有可能達(dá)到位于目標(biāo)范圍中間的特征高度的能量，但是，倘若對(duì)于特定材料或特定特征高度，從特定側(cè)更容易達(dá)到目標(biāo)結(jié)果，則特定的玻璃材料可能首先將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)高于或低于該中間值一側(cè)的范圍。所述控制器還向臺(tái)裝置40發(fā)出信號(hào)，對(duì)臺(tái)42和玻璃材料16的位置進(jìn)行控制，以便在材料16表面上所需的位置產(chǎn)生所需 的特征。[0028]當(dāng)所述玻璃材料處于所需的位置，控制器70向激光器裝置50發(fā)出信號(hào)，通過(guò)光束18施加選定大小的能量。一般認(rèn)為在大約0.1-2秒時(shí)間內(nèi)輸送約1-10焦耳的能量較為合適，但是在測(cè)試中，最長(zhǎng)5秒或10秒也獲得了成功。如上所述，所述局部能量輸入使表面特征突出。如果采用不連續(xù)的能量劑量，則在對(duì)玻璃材料16進(jìn)行輻照之后很短的時(shí)間內(nèi)，突出的部分就固定在突出的狀態(tài)。
[0029]無(wú)論采用不連續(xù)的能量劑量或連續(xù)的能量劑量，隨后都要用測(cè)量裝置60測(cè)量特征高度，所述測(cè)量裝置是例如使用掃描測(cè)量光束62的光學(xué)輪廓測(cè)量?jī)x。為了便于進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)量，在采用不連續(xù)的能量劑量的情況下，臺(tái)裝置40可以將臺(tái)42移動(dòng)到圖中虛線所示的位置?；蛘?，所述測(cè)量裝置可以設(shè)置在與激光器裝置50的光學(xué)系統(tǒng)52靠近的位置，甚至結(jié)合入所述光學(xué)系統(tǒng)52之內(nèi)，如作為替代的測(cè)量光束63所示，或者可以通過(guò)其它方式射向處在第一位置的玻璃材料，因此臺(tái)42無(wú)須移動(dòng)。所述激光器裝置50的光學(xué)系統(tǒng)52甚至還可以包括光束轉(zhuǎn)向能力，因此即使在自動(dòng)化系統(tǒng)110中形成復(fù)雜的突起特征，也無(wú)須使用可移動(dòng)的臺(tái)42或可移動(dòng)臺(tái)裝置40。在不存在更常規(guī)的光束轉(zhuǎn)向能力的情況下，激光器本身10或者其相關(guān)的部分可以在支架結(jié)構(gòu)80(可以是測(cè)量裝置60)上移動(dòng)，因此即使沒(méi)有光束控制能力，也無(wú)須使用可移動(dòng)臺(tái)。通過(guò)使用與輻照光束18并行操作的測(cè)量系統(tǒng)，可以利用連續(xù)能量劑量更快地達(dá)到目標(biāo)范圍。[0030]在確定測(cè)得的高度是否高于或低于目標(biāo)值之后，根據(jù)圖1的方法，使用控制器選擇新的能量值，重復(fù)進(jìn)行輻照和測(cè)量步驟。優(yōu)選將輻照時(shí)間保持不變，而劑量發(fā)生變化。當(dāng)使用連續(xù)能量劑量的時(shí)候，優(yōu)選對(duì)控制器進(jìn)行編程，在特征突起的時(shí)候，考慮突起的特征的生長(zhǎng)趨勢(shì)，因此，不僅突起特征的高度，而且突起特征的高度隨時(shí)間的變化也都被測(cè)量并記錄或反映在控制器的存儲(chǔ)功能中，因而控制器的功能是用來(lái)推測(cè)在給定劑量能量條件下所趨近的最終高度。在連續(xù)劑量實(shí)施方式中，如果高度所趨近的值低于目標(biāo)范圍，則為玻璃材料提供更高的能量，如果高度所趨近的值高于目標(biāo)范圍，則為玻璃材料提供更低的能量。
[0031]實(shí)驗(yàn)
[0032]下表1中列出了能夠在810納米的波長(zhǎng)下形成合理高度的凸起的玻璃組合物，其中組合物3還能夠在1550納米下形成合理高度的凸起。優(yōu)選1550納米的波長(zhǎng)，以便在覆蓋有在此波長(zhǎng)下透明的硅之類(lèi)的基材的玻璃上產(chǎn)生凸起。該波長(zhǎng)是由1.5微米的鉺纖維激光器產(chǎn)生的主要波長(zhǎng)。已經(jīng)證明通過(guò)使用這種形式的激光，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)凸起高度的增大和減小。
[0033]表1
【權(quán)利要求】
1.一種在玻璃材料的表面上形成具有在目標(biāo)范圍內(nèi)的高度的突起特征的方法，所述方法包括: 以一定量的能量對(duì)玻璃材料的表面局部加熱，使得玻璃材料發(fā)生局部膨脹，從而在該位置、在所述表面上形成突起特征； 通過(guò)為玻璃材料提供更低的能量，降低所述突起特征的高度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述表面下方提供所述能量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述高度至少為10微米，目標(biāo)范圍等于或小于高度±500納米。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，目標(biāo)范圍等于或小于高度±100納米。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量是由以下一種或多種方式提供的:電磁輻射、化學(xué)反應(yīng)以及摩擦。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用變化但是連續(xù)劑量的能量對(duì)玻璃材料的表面進(jìn)行加熱。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，如果突起特征的高度趨近低于目標(biāo)范圍的值，為玻璃材料提供更高的能量，如果突起特征的高度趨近高于目標(biāo)范圍的值，為玻璃材料提供更低的能量。
8.如權(quán)利要求1所 述的方法，其特征在于，用不連續(xù)劑量的能量對(duì)玻璃材料的表面進(jìn)行加熱。
【文檔編號(hào)】C03C19/00GK103936299SQ201410111346
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2007年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2007年7月16日
【發(fā)明者】R·R·格里滋布朗斯基, A·斯特列利佐夫, J·S·薩瑟蘭 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司