專利名稱：高效整塊玻璃光成形漫射體及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光成形漫射體，特別涉及一種由整塊玻璃材料制成的表面光成形漫射體及表面光成形漫射體的一種制造方法。
光成形漫射體TM(LSD)，有時稱為光成形均化器或簡單地稱為漫射體，是用于多種照明，成像和光投射應用中的一種型號的漫射體。LSD是一種透明或半透明的結構，其具有一個進光表面，一個出光表面及在其進光表面上和/或在其內部形成的光成形結構。這些光成形結構是隨機的，無序的和非平面的微雕結構。該結構是在介質記錄期間通過用產生的光斑圖樣連同相干光或非相干光與計算機生成的模擬光斑掩膜的結合照射介質產生的。該光斑圖樣的產生改變了介質的折射率，其中介質在顯影后為微雕結構。這些光成形結構對通過LSD的光產生衍射，因此從LSD出光面發(fā)出的光束展示了沿水平和豎直軸精確控制的能量分布。LSDs能夠用于使光束成形，因此進入LSD的光束超過90％(高到95-98％)的光被導向并接觸位于LSD下游的目標。LSD能夠用于控制進入光和(1)將其分布在一個從很小的角度到超過100°的圓形區(qū)域內，或(2)將其發(fā)送到一個幾乎不受限制的橢圓角度的范圍內。例如，一個0.2°×0.5°LSD通過LED(發(fā)光二極管)或激光照射時將會產生一條線，而一個35°×90°LSD通過相同的光源照射時將會形成一個狹窄的，高清晰度的后投影屏。
利用單頻激光的特性也稱為相干性要求精密的全息元件只能在激光的波長內使用，與此不同，LSD在白光下能夠很好地工作。因此LSD幾乎可以采用任何光源，包括LED，日光，鎢鹵燈，或弧光燈，因此其顯示了高度的多功能性。
目前已有兩種型號的LSD，稱為“容積LSD”和“表面LSD”。容積LSD是一個容積式光學元件，其基本特征是把位于其主體內的光成形結構組合成一個整體并對通過其中的光產生衍射。表面LSD是一個凸紋表面光學元件，其基本特征是把位于其表面上的光成形結構組合成一個整體并對通過其中的光產生衍射。LSD除了可以通過光學上的方法生產還可以通過介質表面的機械控制制造。見下面一些與此有關的待審批專利申請和已授權專利的目錄。然而，在一些應用對此也有限制，其中使用容積LSD比較好，如在一些應用中LSD是浸在液體中使用的。
容積LSD中的光成形結構是利用一種與全息記錄系統(tǒng)相似的相干光記錄系統(tǒng)記錄的。穿過一個標準漫射體的相干光入射到容積式的感光介質上(如重鉻酸鹽明膠DCG或另一種容積記錄介質)。光入射介質中的光斑圖樣是通過改變介質的折射率在介質中生成的。光斑圖樣明亮的地方，介質硬化并且介質的折射率增大。光斑圖樣暗的地方，介質的折射率沒有實質上的改變。經過顯影，實質上折射率的這些變化就永久地生成了。換而言之，光斑圖樣可以在一個類似印刷過程的工藝中利用不相干光光源和一個類似光斑的掩膜生成。穿過掩膜的光入射到容積式介質上，光斑圖樣使材料的折射率產生變化，實質上同以前一樣。
表面LSD是以一種類似的方式，也是一種替換方式來制造的。除了用非容積記錄介質如標準光刻膠代替容積介質如DCG外，采用的記錄同上述記錄類似。在顯影期間，由于硬化而增大了折射率的區(qū)域保留下來，同時柔軟、低折射率的區(qū)域被沖洗掉。該工藝使具有光成形特性的微結構留在介質的表面上。然后，這些結構可以在包括塑料在內的許多材料中利用諸如模壓、注模及環(huán)氧樹脂復制等多種復制技術進行復制。
下列美國專利中公開了LSD的生產授予揚森等人的專利號為NO.5,365,354的專利(以下簡稱為第354號專利)，授予皮特松等人的專利號為NO.5,609,939的專利(以下簡稱為第939號專利)，及授予皮特松等人的專利號為N0.5,534,386的專利(以下簡稱為第386號專利)。由于所述第354號專利，第939號專利及第386號專利都公開了LSD的生產因此通過參考組合成一個整體。在通常給定的美國專利申請中，該專利申請的申請?zhí)枮镹0.08/902,415，申請人是利伯曼，申請名稱為“整塊玻璃的光成形漫射體及其制造方法”(以下簡稱第415號申請)，公開了幾種用溶膠凝膠體玻璃成份制作漫射體的方法，其中溶膠凝膠體玻璃成份是一種適于高溫應用的塑料或環(huán)氧樹脂子模。第415號申請也由于公開了LSD的制作而通過參考組合成一個整體。其他相關的美國專利申請包括1998年8月20日申請的“非朗伯式玻璃漫射體及其制造方法”，1998年8月20日申請的“漫射體母模及其制造方法”，1998年8月25日申請的“高效整塊玻璃光成形漫射體”，1998年8月25日申請的“具有完整表面漫射體的光學元件及其制造方法”，1998年8月25日申請的“包括一個漫射體表面結構的交通工具燈組件”，1998年8月25日申請的“具有一個光源和一個溶膠凝膠體整塊漫射體的裝置”，1998年8月25日申請的“無源矩陣液晶顯示屏”，1998年8月25日申請的“包括一個帶有漫射體光學元件的裝置”。這里通過引用這些申請以便作為參考。
迄今為止LSD都是用單一的塑料制成的，如丙烯酸塑料或聚碳酸脂塑料，因為只有這些材料能充分變形(在適于和子模反應的條件下)以接收光成形結構。這些塑料物理特性的局限性限制了LSD的應用范圍。
例如，制成這些LSD的塑料典型地具有一個低于大約150℃的玻璃轉變溫度并且經常低于大約100℃。因此在LSD可能受到充分加熱使其溫度上升到玻璃轉變溫度以上的應用中，傳統(tǒng)塑料LSD就不能使用。這種熱量可以直接來自一個光源，如一個弧光燈，或是以紫外線形式吸收的，或是紅外線輻射。因此塑料LSD不能用在加熱燈，液晶顯示屏，投射燈，道路照明燈，或其他靠近LSD能產生很多熱量的光源中。塑料LSDs也不能廣泛地使用在紫外線區(qū)域或紅外線區(qū)域發(fā)光的光源，它們發(fā)出的射線會被塑料吸收。
塑料LSD的一個局限是它們不能經受熱涂層操作。在漫射體上經常希望涂一層抗反射(AR)涂層以提高漫射體的功效。許多涂層，包括許多AR涂層只能在LSD通常使用的塑料的玻璃轉變溫度以上才能使用。傳統(tǒng)的LSDs不能使用這些涂層。
同傳統(tǒng)塑料LSD有關的另一個問題是要在其出光表面上形成一個高品質的立體透鏡是困難的或者是不可能的。在許多漫射體應用中都希望在漫射體的出光表面上放置一個透鏡。傳統(tǒng)的塑料LSD不能夠研磨，拋光或注模成高品質的透鏡。要在LSD的出光表面上制出高品質的透鏡只能是在其出光表面上疊加或固定一個菲涅爾透鏡。如本領域人員所熟知的，菲涅爾透鏡是一個具有平面或二維表面并用該表面能產生近似立體凹透鏡效果的透鏡。在漫射體的出光表面上安裝一個分離的菲涅爾透鏡是非常困難的，同時與簡單地在出光表面上研磨或制作出一個傳統(tǒng)的凹透鏡相比也是昂貴的并且可能是一個低品質的透鏡。
如果用玻璃而不是塑料來制作LSD的話，LSD的許多上述缺點就可以避免。然而，由于傳統(tǒng)玻璃形成時伴隨的高溫(達到1800℃的數量級)會破壞支撐光成形結構的母?；蜃幽?，因此在其生成過程中，光成形結構不能模壓或記錄到傳統(tǒng)玻璃結構中。
第415號專利申請?zhí)岬缴鲜鰡栴}并公開了一種整塊玻璃光成形漫射體結構和一種用溶膠凝膠體玻璃成份制作漫射體的方法。第415號專利申請公開了一種容積LSD及其制造方法。它還公開了一種表面LSD及其制造方法。該表面LSD是通過一個鑄模工藝制造的，其中溶膠凝膠體成份在一個以其內部表面支撐光成形結構的塑料模具內注模。在第415號申請中還公開了另一種制作表面LSD的方法，其中溶膠凝膠體成份的包層或涂層在基體上形成一個薄膜層。支撐光成形凸紋結構的母?；蜃幽Ｍ摫∧咏佑|以便在溶膠凝膠體層經歷一個玻璃轉變，老化和熱處理過程后該表面結構能記錄在薄膜層上。支撐表面凸紋結構的母?；蜃幽Ｍ盟芰喜牧现圃鞎r所公開的一樣。
依據第415號專利申請公開的制造溶膠凝膠體玻璃LSD所用的工藝，其中從其上面把表面凸紋結構被記錄下來的母?；蜃幽Ｊ怯蓪嵸|上剛硬和堅硬的塑料材料制成的，其中該塑料材料非常堅硬和不易變形。為了使表面凸紋結構能夠完全和適當地記錄到溶膠凝膠體材料上，以精確控制的粘度涂著到一個基體上或注入一個模具內的溶膠凝膠體材料在容納空間內必需保持穩(wěn)定。如果粘度變化即使是輕微地低于或高于所希望的粘度，溶膠凝膠體材料就不能適當地流動和完全接觸母模的表面凸紋結構。
另外，如果溶膠凝膠體材料的粘度同所希望的粘度有輕微的差別，它會不能完全流進全部的表面凸紋空間。制成母?；蜃幽５膱杂菜芰喜牧弦哺静粫瑥澢蜃冃我詭椭苣z凝膠體材料適當地流動。因此，如果粘度不像所希望的一樣精確，表面凸紋結構不能全部記錄到溶膠凝膠體材料中或不能精確地記錄。
目前的工藝存在的另一個問題是每次從特定原始母模記錄表面凸紋結構的子模復制件會喪失一些清晰度并由此輕微改變了光成形的特性。例如，提供一個具有記錄了表面凸紋結構的的光刻膠材料母模，從該母模再制出一個具有記錄了其特征的第二代子模。從第二代子模再制出一個具有同樣記錄特征的第三代子模。有時，在原始母模和最終漫射體產品之間還會制造出其他附加的子模。在每個后續(xù)子模中形成的表面凸紋結構清晰度都會降低，并由此產生低品質的光成形特性。因此如果能消除這些子模步驟的一個步驟是有很益的。
本發(fā)明的首要目的是提供一種整塊玻璃表面LSD，同目前現有的塑料LSDs相比在溫度和/或波長方面該整塊玻璃表面LSD具有一個更寬的工作范圍。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種表面LSD，該表面LSD能夠在其出光表面上形成高品質的凹透鏡。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造由整塊玻璃表面LSD的方法，當制成時能夠實現上述部分或全部目的。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種高效玻璃表面LSD，其具有高清晰度的表面凸紋結構，該結構是在原始或第一個主模漫射體中制成的，因此能更精確地記錄光成形特性。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造高效表面LSD的方法，其能夠減少從原始主模表面到表面LSD的后繼記錄次數。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造表面玻璃LSD的方法，在LSD的制作期間其更能夠容許玻璃材料粘度的變化。
上述目的通過用玻璃材料制作LSD能夠以一種十分簡單和有效的方式實現，該玻璃材料在其形成過程中的一個或更多階段呈現一種狀態(tài)，其中在該形成過程中所希望的光成形結構能夠在母模或子模易接受的條件下模壓或記錄到玻璃材料的表面上。優(yōu)選的是，光成形結構是在所謂的“溶膠凝膠體”玻璃形成期間通過鑄?；蜃⒛＜夹g或通過模壓或壓制技術制成的由此形成一個表面LSD。
通過把溶液澆鑄到一個易變形的橡膠模具內，用可鑄溶膠凝膠體玻璃能夠簡單地制造出表面LSD，其中模具的內表面支撐光成形結構。在鑄模過程中，光成形結構模壓在溶膠凝膠體材料上。
表面LSDs也可以用可鑄溶膠凝膠體玻璃通過下面的方法制造，即在一個基體上涂上一層溶膠凝膠體溶液涂層以在基體上形成一個薄膜層，使薄膜層經歷一個從溶膠到凝膠的轉變，通過使薄膜層同橡膠基體接觸把光成形結構記錄到至少一部分薄膜層上，使凝膠老化以形成多孔玻璃。該優(yōu)選工藝的最后一步是把玻璃熱處理到其燒結溫度以制成無孔玻璃。該工藝可以通過壓迫支撐光成形結構的橡膠母模和薄膜層相互接觸得到加強。
從下面結合附圖的詳細描述中，本領域的熟練人員能夠更清楚理解本發(fā)明的這些及其他目的、特征和優(yōu)點。然而需要說明的是，這些詳細的說明和表示本發(fā)明優(yōu)選實施例的特定例子是用來說明而非用于限定本發(fā)明的。在不脫離本發(fā)明思想的范圍內能夠對本發(fā)明作出許多的變形和修改，這些修改或變形都在本發(fā)明的保護范圍內。
下面結合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例進行說明，在全部附圖中，相同的標號代表相同的部分，其中

圖1為以摩爾百分比表示其組成的四乙基原硅酸鹽-水-酒精溶膠凝膠體溶液三重相圖；圖2為以四乙基原硅酸鹽的原始溶液準備溶膠凝膠體溶液的工藝流程示意圖；圖3為對于本發(fā)明所應用溶膠凝膠體整塊玻璃波長與透光率百分比關系圖；圖4為制作一個橡膠子模并與從母模記錄的光表面凸紋結構組合成一個整體的工藝流程示意圖；圖5為通過涂層制作一個整塊玻璃LSD的第一工藝流程示意圖；圖6為通過涂層或注模制作一個整塊玻璃LSD的第一工藝流程示意圖；圖7為一個澆鑄溶膠凝膠體整塊玻璃LSD的光漫射角度的分布圖8為一個窄角度溶膠凝膠體整塊玻璃LSD的光漫射角度的空間分布圖，其中玻璃為一個多孔玻璃；及圖9為一個窄角度溶膠凝膠體整塊玻璃LSD的光漫射角度的空間分布圖，其中玻璃為一個燒結玻璃。
1．介紹根據本發(fā)明，提供一種通過在光成形結構形成期間將其記錄在玻璃材料上制作表面光成形漫射體(LSD)的方法。一個表面漫射體能夠通過把溶膠凝膠體材料添加到其內部注模表面上具有表面凸紋結構的相對易變形的一個模具內制作，或通過從一個橡膠基體上把凸紋表面光成形結構壓制到一個高品質光學玻璃上制作，或通過從一個橡膠基體上把光成形結構壓制到涂著在一個基體上的玻璃薄膜層上制作。這樣的LSD可以控制投射光的角度伸展和均化空間內其他雜亂的光源，如液晶顯示屏和燈絲光源，同時還能維持同其他任何玻璃光學元件相一致的損傷域。從紫外線波長到可見光譜并到接近紅外線區(qū)該LSD具有超過90％的透光率。而且，因為這種LSD是真正的玻璃制成，因此其能夠很好地承受的溫度超過了塑料LSDs的玻璃轉變溫度，并能通過傳統(tǒng)的注模，磨削，或拋光技術制成凸起的表面或凹陷的表面，并能通過高溫涂著技術進行涂層。該LSD還具有一個非常高的激光功率閾值。
2．工藝概覽本發(fā)明的核心在于公開了如果玻璃材料是在能接受支撐光成形結構的母模或子模的條件下形成的，那么LSD能夠通過在材料形成期間把光成形結構(有時稱為“光斑”，特別是當該結構擴展到漫射體的內部時)記錄在一個整塊玻璃材料上制出。目前完成本發(fā)明較佳的技術是在所謂的“溶膠凝膠體”工藝中把光成形結構記錄到材料上。根據制造溶膠凝膠體玻璃領域內熟練的人員所知的，溶膠凝膠體工藝是一個接近制造氧化玻璃的低溫。氧化網絡可以通過水解和無機聚合反應得到，該反應利用分子前體開始。同傳統(tǒng)通過熔化技術生產玻璃相比，溶膠凝膠體工藝具有以下幾個優(yōu)點(1)形成更高品質的金屬氧化玻璃，(2)通過把分子前體溶液進行攪拌可以簡便地得到均勻的多成份玻璃，(3)可以得到更高的純度和更低的處理溫度，及(4)由于溶膠或凝膠體的流變特性通過諸如光纖拉制，旋壓，浸漬，澆鑄和浸透能夠制造光纖，薄膜，整塊材料或組合物。使它們能很好地適于用作LSDs的溶膠凝膠體玻璃的特性總結如表1表1溶膠凝膠體衍生氧化硅玻璃的材料特性
典型的溶膠凝膠體工藝包括首先準備好金屬氫基氧化物溶液，及合適的溶劑如酒精，然后使或允許溶液經歷一個溶膠體到凝膠體的轉變并形成凝膠體，然后形成多孔的含水玻璃。然后對含水的玻璃進行熱處理通過固結降低它的多孔性。本工藝一個常見的例子是使用四乙基原硅酸鹽(TEOS)，水及酒精的混合物來制作熔融的氧化硅玻璃。其他的例子包括使用三丁氧基鋁[AL(OBu)3]作為氧化鋁凝膠體及使用四原乙基鈦酸鹽(TET)作為二氧化鈦凝膠體。根據所希望得到的玻璃材料的光學特征，經常將多成份的反應物同溶液攪拌以制造出具有諸如高折射率，高強度，高溫，非線性特性及傳導特性等特殊特性的玻璃。
溶膠凝膠體工藝在化學上是以有機金屬分子前體的羥基化和凝聚反應為基礎。對于氧化物溶膠凝膠體的合成而言金屬醇鹽是最通用的前體因為它們對親核的反應物如水具有非常高的反應性。當把金屬醇鹽和水攪拌在共同的溶劑中時就會發(fā)生水解，其中該溶劑通常是酒精。氧化硅LSDs的溶膠凝膠體母基能夠分解成可旋壓的，可涂著的和可澆鑄的溶液。以摩爾百分比表示的三重階段圖1中表示出了四乙基原硅酸鹽-水-酒精溶液室溫下的試驗攪拌公式。從圖中可以看出，溶膠凝膠體溶液具有少于40％摩爾的水時是可旋壓的，具有40-70％摩爾的水時是可涂著的，具有超過70％摩爾的水時是可澆鑄的。
下面對一個典型的溶膠凝膠體工藝進行描述，以促進對光成形結構怎樣在能接受母模和/或子模的低溫下記錄到一個整塊玻璃材料中的理解。如圖2所示，通過澆鑄制造高光學品質的整塊氧化硅玻璃的工藝是這樣開始的，準備四乙基原硅酸鹽的酒精溶液，然后用水對溶液進行部分水解，見步驟20。有代表性的攪拌溶液含大約45％體積的四乙基原硅酸鹽，45％體積的酒精，10％體積的水，如果愿意還可以含大約1％體積的合適的酸如鹽酸(HCl)，以降低成品玻璃產品的PH值從而增加其耐久性。只要四乙基原硅酸鹽，酒精和水的比例能保持圖1所示的三角形結構并是可澆鑄的溶液，這三種成份的比例是可以變化的。
然后在步驟22中將該溶液攪拌以通過四乙基原硅酸鹽的水解和酒精的蒸發(fā)增加其粘度。該攪拌最好是在室溫下進行并持續(xù)30-120分鐘以得到一個最優(yōu)選的粘度大約為100Cts.，其中優(yōu)選的最小持續(xù)時間是60分鐘或一個小時。該過程能夠通過在更高溫度下(上升到大約70℃)攪拌以加快酒精蒸發(fā)的速度，也能夠通過在更低的溫度下(降到大約0℃)攪拌以降低酒精的蒸發(fā)速度。
緊接著，在步驟24中將通過攪拌步驟形成的粘性溶液澆鑄到一個合適的澆鑄模具內。在步驟26中澆鑄溶液經歷一個凝膠/老化過程，該步驟的特征是粘性溶液到凝膠狀階段的轉變及接下來的凝膠體到多孔玻璃階段的轉變。對于整塊材料而言，根據溶液的初始粘度，澆鑄到模具內溶液的體積，及該過程發(fā)生時環(huán)境條件，該過程有代表性的是花費2到4周的時間(有時會更長)。通過在控制的溫度和濕度條件下進行老化能夠最確切地得到高品質的玻璃。該老化過程通過一個烘烤操作終止，其中模具內的玻璃在一個相對低的溫度下(最好是70-120℃)被加熱一段充分的時間以使玻璃充分硬化從而使其能夠從模內脫出和進行后續(xù)處理。不同的應用，烘烤的時間是變化的，短到幾小時長到兩天。
真正的整塊玻璃是在老化階段形成的。然而該階段形成的玻璃是非常多孔的和相對脆的。該玻璃最好是在步驟28中進行熱處理以通過燒結固結該玻璃(也就是使孔破碎形成實心的玻璃結構)由此增加其強度和耐久性。典型的熱處理是在一個周期中持續(xù)24-28個小時，其中溫度以每分鐘0.1℃的速度從大約25℃斜升到大約1000℃到大約1050℃(以大約100℃的增量，溫度在各個高點維持大約2小時)，然后又斜降回來。
圖2所示工藝的結果是形成高品質的氧化硅玻璃整塊材料并具有高的耐久性和其他結合表1所述的有利品質。該玻璃還具有極佳的透光性。實際上，如圖3中曲線30所示，整塊玻璃材料對于在大約350nm以上的波長透光率超過90％而對于在大約450nm以上或更大的波長透光率超過95％(忽略8％的菲涅耳反射)。
這一點需要指出的是只要對四乙基原硅酸鹽/酒精/水的比例進行合適的選擇，上述澆鑄工藝可以由涂層工藝或旋壓工藝代替。對薄膜而言從凝膠體到玻璃的轉變時間典型的是持續(xù)幾個小時，同對于整塊材料要短的多。
在溶膠凝膠體玻璃材料形成過程的一個中間階段光成形結構能夠記錄到其表面上從而在該完整的玻璃結構中制造出一個表面LSD?，F在對從整塊溶膠凝膠體玻璃材料制造表面LSD的幾個優(yōu)選技術進行詳細的描述。同時對這些技術的描述是結合四乙基原硅酸鹽酒精H2O(水)體系進行的，所述工藝對任何合適的醇鹽酒精H2O(水)體系都是適用的。
3．橡膠子模表面凸紋結構的形成一個子模表面漫射體可以由一個柔軟，易變形的材料如橡膠制造。例如可以使用硅橡膠材料，其中在橡膠材料固化時，多個光成形結構從一個先前制出的漫射體如一個原始母模漫射體上復制到該橡膠材料中。圖4為形成這樣一個橡膠子模漫射體工藝的簡單示意圖。在通常給定和同時待審的美國專利申請中也公開和描述了橡膠子模漫射體的形成工藝，其中該申請的申請人是薩萬特等人，申請?zhí)枮镹o.09/052,586，名稱為“保留母模的同時制造復制件的工藝”。由于其公開了橡膠子模的制造，該同時待審申請的主題通過參考組合成一個整體。
參考圖4，通過用相干光或非相干光把光學特征記錄200到感光介質上，或通過如同時待審的名為“漫射體母模及其制造方法”的美國專利申請所公開的通過對一個金屬表面進行蝕刻、噴沙或拋光以在其上形成凹陷或缺陷制造母模漫射體，其中該美國專利申請1998年8月2日提出并且在此通過參考組合成一個整體。感光材料或金屬基體限定了一個初始母模表面，該表面上具有特別希望得到的光學特征。把一層橡膠如室溫硫化(RTV)硅橡膠澆注202到母模的整個表面上以便母模的光學表面特征和橡膠材料接觸。然后使橡膠材料固化204以把表面結構記錄在橡膠材料內。然后將橡膠同母模分離同時在橡膠材料的表面內保留了光學特征。
然后，通過用一層諸如環(huán)氧樹脂的材料把子模覆蓋，用塑料基體覆蓋環(huán)氧樹脂層，固化環(huán)氧樹脂及把環(huán)氧樹脂同子模分離以制作出具有記錄的光學特征的塑料元件，這樣的橡膠子?？梢杂脕碇圃旌罄^塑料子模的過渡模和/或最終的光學產品。如上所述，然后這樣的塑料子模就可以作為一個子模用在漫射體更遠過渡的記錄光學特征中。
如上所述，從母模光學元件生成的每個過渡都具有一個從原始母模減退及在清晰度方面有某種程度降低的凸紋結構或漫射體表面。本發(fā)明直接消除至少一個步驟或過渡并提供直接從橡膠子模生成的玻璃漫射體或LSD。
許多不同類型的橡膠或橡膠混合物可以用在根據本發(fā)明的下述方法中。然而，為了得到所希望的本發(fā)明的特征，橡膠材料與塑料或塑料合成物相比相對易變形還是必要的。例如，上述室溫硫化(RTV)硅橡膠材料和其他硅橡膠合成物已成功地使用在本發(fā)明的實施中。然而其他的橡膠材料可能適于并用作室溫硫化(RTV)硅橡膠材料的替代物。
4．用可涂著或可旋壓的溶膠凝膠體玻璃制作LSDs用可涂著或可旋壓的溶膠凝膠體玻璃制作LSDs是可以的，并且也是通常所希望的。同可澆鑄溶膠凝膠體玻璃相比，因為可涂著溶膠凝膠體玻璃的凝膠/老化時間比可澆鑄溶膠凝膠體玻璃的凝膠/老化時間要短的多(相對可澆鑄玻璃的兩周或更長的時間而言，只有幾小時)，因此可涂著溶膠凝膠體玻璃通常被認為更適于大規(guī)模生產。
參考圖5，一個典型的涂著工藝從溶液準備步驟70(其同上述準備步驟20相同)到攪拌步驟72開始。因為涂層需要較低的粘度(大約10-20Cts)，因此同第2部分和第5部分中所討論的澆鑄工藝相比需要更少的攪拌。該具有某種程度粘性的溶液在步驟74中通過已知的旋壓、浸漬或旋壓-涂著技術涂著到一個傳統(tǒng)的玻璃基體上，由此在基體的的表面形成一個厚度大約為10-100微米的薄膜層。
然后，如上所述構制的并支撐光成形結構的橡膠LSD子模在步驟76中對著表面被壓制或成形以在薄膜層表面模壓出一個光成形結構的直接復制品。該橡膠子模最好是積極地對著薄膜層的表面被壓制或推動以完全代替光成形結構。接著在步驟78中通過把薄膜層加熱到大約50℃并維持1-5個小時以便薄膜層的玻璃從凝膠體階段轉變到多孔玻璃階段(這同澆鑄工藝中的老化步驟類似)從而使光成形結構定位。然后橡膠LSD被從玻璃中移去，并且在步驟79中以通常的方式將玻璃熱處理以使玻璃在薄膜層中固結。該方案的一個變化可以是通過用加熱的壓力把LSD結構模壓或施加在薄膜層上以強化壓制和加熱步驟74和76。
在多孔玻璃的熱處理期間可能會發(fā)生30-40％顯著的收縮。該收縮在角度空間分布上的作用從圖8中的曲線100與圖9中的曲線110的比較中可以看出。曲線100表示后處理到大約700℃的溫度(仍遠低于固結溫度的一個溫度)后得到一個窄的角度，例如0.71°。曲線110表示在熱處理期間進行固結后或者澆注的結構在大約1000℃到1050℃溫度燒結后得到光線的角度分布增加到例如2.11°。這表示從熱處理之前到熱處理之后角度的分布特性總體上增高了大約66％。
由于熱處理而產生的收縮改善了LSD的光學品質已經被公開。LSD的所有成份包括光成形結構或光斑都有一個相應的收縮量。光斑收縮增強了成像。例如，如果在原始母模漫射體表面生成期間形成的一條線的寬度為100微米，通過最終LSD產品產生的線的寬度將為70微米。需要指出的是盡管本發(fā)明的該方法與用整塊玻璃材料制造容積LSDs無關，但是在生產容積LSDs中也會發(fā)生由于熱處理產生的收縮及由此使產生圖像增強。
通過上述技術生產的整塊玻璃表面LSDs具有很廣的用途，高品質的LSDs可以用于傳統(tǒng)塑料LSDs不能用的高溫中。因此玻璃LSDs不像塑料LSDs，其能夠在激光或特別是高能量的激光，紫外線激光，紅外線激光或接近紅外線的激光中用作均化器。它們還可以用于會產生實際熱量的光學應用中，如投影機和汽車的前燈。它們還可以代替電影放映機或類似裝置中所用的棒狀集束器，實際上比傳統(tǒng)的圓桿形集束器更具有顯著高的效率(90-96％對20％的效率)。另外，由于它們是由光學品質的玻璃制成，因此它們的出光表面可以磨光，拋光，或形成高品質的凹透鏡-這是利用塑料LSDs無法得到的選擇，或形成任何諸如棱鏡或光束成形器的光學元件。
無論光成形結構是模壓、壓制或僅僅是通過澆注溶膠凝膠體材料同橡膠子模接觸而形成，這些工藝都具有超過已知的利用一個塑料子模把整塊玻璃材料制成表面LSD的方法的幾個優(yōu)點。例如，使用橡膠子模同使用塑料子模相比，溶膠凝膠體材料的粘度不必像使用塑料子模時一樣的精確控制。這是因為同相對易變形的橡膠材料相比，塑料材料實質上是剛硬的和不易變形的。當壓制、模壓或澆注溶膠凝膠體材料時，由于粘度的變化它可能在子模表面的多個點上的流動不同。無論是模壓或壓制，如果粘度低，溶膠凝膠體材料不能完全流進子模上光成形結構的表面缺陷內或從子模的表面流掉，那么子模的光成形結構就不能非常精確或完全地形成。另外，在老化過程和熱處理過程中，溶膠凝膠體材料的特性能夠變化，其趨向于使溶膠凝膠體材料的表面脫離子模的表面。當用塑料作為子模時，在溶膠凝膠體材料與塑料之間會發(fā)生分離其能夠阻止光成形結構完全復制到溶膠凝膠體材料中。如果用橡膠作為子模，因為如果溶膠凝膠體材料相對于初始位置有稍微的移動，橡膠材料能夠沿著溶膠凝膠體移動，所以橡膠的彈性允許光成形結構和子模的表面保持同溶膠凝膠體材料的接觸。因此，更精確復制到溶膠凝膠體材料材料中的光成形結構代表了橡膠子模的光成形結構。
使用橡膠子模的另一個益處是由于橡膠的彈性其能夠提供對原始母模漫射體表面更深和更好特征的復制。因此，第二代橡膠子模能夠更精確地描繪原始母模漫射體表面的光成形結構。
使用橡膠子模的另一個優(yōu)點是其消除了原始母模漫射體表面的制作與最終表面LSD產品之間的一個過渡步驟。如上所述，當使用塑料子模時，需要一個制造金屬薄片子模和/或環(huán)氧樹脂過渡層的中間步驟，因此在原始漫射體表面的制造與整塊玻璃LSD表面的制造之間至少需要兩個過渡?；蜃幽?。每個子模的過渡都產生一個輕微退化的和低清晰度的原始光成形結構的復制品。通過消除一個過渡步驟，能夠在玻璃LSD中產生一個更精確和更高清晰度的表面結構。
5．表面凸紋LSD在溶膠凝膠體玻璃上的澆鑄利用如上所述的工藝并結合圖2和圖6，表面凸紋LSD或表面LSD可以通過直接澆鑄制造。如圖4所示制作的并支撐光成形結構的橡膠子模表面結構在步驟34中直接放置在澆鑄模具的內表面上，最好是通過利用一個橡膠子模LSD作為一個或多個澆鑄模具的內表面來放置。換而言之，在步驟34中模具本身可以是由合適的橡膠材料制成，其中在一個內表面上具有表面結構。當在上面結合圖2所討論的步驟24和26中把粘性溶液澆鑄到模具內并老化，橡膠LSD表面上的光成形結構的一個精確復制件就直接傳遞給模具內溶膠體的表面。由此模壓的光成形結構被保留在玻璃整塊材料結構中。圖6表示以下步驟，制備溶液30，攪拌溶液32，將溶液澆鑄到合適的模具內34，老化36，熱處理40和固結42。
利用該工藝制造的表面LSD具有凹凸不平的表面其具有從1μm到100μm的幅度和橫向尺寸為10-15μm的細微結構。以這種方式制造的LSD的一個例子具有大約10°-15°的漫射角，如圖7中的曲線92所示。
根據不同的應用，澆鑄或模壓的LSD能夠制造出從大約0.1°到大約60°范圍的漫射角。由于該LSD是真正的玻璃制成的，所以其能夠承受1000℃以上的高溫-遠遠地高于傳統(tǒng)LSDs的玻璃轉變溫度100℃-150℃。其上(通過注模)形成的出光表面能夠進行磨光和/或拋光以制成一個立體的透鏡。通過傳統(tǒng)的熱涂層技術也可以應用AR(抗反射涂層)或其他涂層并且不損害玻璃。而且，如上結合圖3的描述，玻璃表面LSD同傳統(tǒng)塑料LSD相比大大提高了短波長的透光率。
如果使用澆鑄工藝來制造玻璃的表面LSD，把橡膠材料作為一個放入模具內的襯墊或作為模具材料本身使用具有許多超過由諸如金屬薄片或塑料材料等實質剛硬的材料制成的模具或模具襯墊的優(yōu)點。如上所述，在溶膠凝膠體材料注射或加進一個硬的塑料模具內時其必需保持非常精確的粘度以便在澆鑄過程中光成形結構能夠被復制到溶膠凝膠體材料中。同諸如塑料或金屬等實質剛硬的材料相反，由于橡膠材料的彈性，其能夠提供更深和更好特征的復制件。另外，如果在老化過程中和熱處理過程中使用加熱，材料的特性顯著改變并能夠使溶膠凝膠體材料同模具或模具襯墊的表面脫離。如果發(fā)生脫離，那么表面特征就不能精確地復制也不能復制到所需的深度。然而，如果使用橡膠材料作為襯墊或模具材料，當模具或襯墊在老化和熱處理過程中變形或收縮時其能夠輕微地屈服以保持同溶膠凝膠體材料的接觸，由此產生的表面結構復制件具有更好的清晰度。
另外，使用橡膠材料作為模具襯墊或模具材料還能在制造漫射體子模中直接消除一個過渡模步驟，其中從該漫射體子模中把光成形結構復制到玻璃LSD中。通過消除一個過渡模步驟，在最終玻璃LSD產品中可以制出退化更少和更高清晰度的光成形表面結構。
在不脫離本發(fā)明思想的前體下，對本發(fā)明可以作出許多的變形和修改。其中一些變化上面已經描述了。其余的變化在從屬權利要求中也是顯而易見的。
權利要求
1．一種制造光成形表面漫射體的方法，該方法包括以下步驟提供一個由相對柔軟彈性的材料制成并至少具有一個第一表面的漫射體主模，在該第一表面上具有多個光成形結構；用含有溶膠凝膠體材料的溶液形成一個整塊氧化物玻璃基體；把所述多個光成形結構從漫射體主模記錄到玻璃基體的表面上；及
2．根據權利要求1所述的方法，其中所述形成步驟還包括用金屬醇鹽，一定量的水和一種溶劑準備溶液；使該溶液產生一個從溶膠體到凝膠體的轉變以形成凝膠體；使凝膠體老化以制出多孔玻璃；及對多孔玻璃進行熱處理以形成所述玻璃基體并成為通常無孔和固結的玻璃。
3．根據權利要求1所述的方法，其中所述形成步驟還包括提供一種四乙基原硅酸鹽的酒精前體溶液；用含大約1％鹽酸的水對該前體溶液進行部分水解并在室溫下保持大約一個小時以制出部分水解的溶液；將該部分水解的溶液澆鑄到一個鑄模內；使該部分水解的溶液老化以形成凝膠體；使凝膠體進一步老化以制成多孔的玻璃；及對多孔玻璃進行熱處理以形成所述玻璃基體并成為通常無孔和固結的玻璃。
4．根據權利要求3所述的方法，其中所述使凝膠體進一步老化的步驟至少要用一周的時間完成。
5．根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括以下步驟；用金屬醇鹽，一定量的水和一種溶劑準備溶液；使該溶液產生一個從溶膠體到凝膠體的轉變以形成凝膠體；使凝膠體老化以制出多孔玻璃；將多個光成形結構模壓在凝膠體上并作為記錄步驟；及對多孔玻璃進行熱處理以形成所述玻璃基體并成為通常無孔和固結的玻璃。
6．根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括以下步驟；用金屬醇鹽，一定量的水和一種溶劑準備溶液；在一個模具腔體內提供所述漫射體子模；把溶液加到模具腔體內以便溶液同漫射體主模上的多個光成形結構相接觸；使該溶液產生一個從溶膠體到凝膠體的轉變以形成凝膠體；使凝膠體老化以制出多孔玻璃及將多個光成形結構澆鑄到多孔玻璃上并作為記錄步驟；及對多孔玻璃進行熱處理以形成所述玻璃基體并成為通常無孔和固結的玻璃。
7．根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括以下步驟；提供一個基底基片；用金屬醇鹽，一定量的水和一種溶劑準備溶液；在一部分基底基片上涂著一層該溶液薄膜層；使該薄膜層產生一個從溶膠體到凝膠體的轉變以形成凝膠體；使凝膠體老化以制出多孔玻璃；在老化步驟中將漫射體子模對著薄膜層壓制以將多個光成形結構模壓到薄膜層上并作為記錄步驟；及對多孔玻璃進行熱處理以形成所述玻璃基體并在基底基片上成為通常無孔和固結的玻璃層。
8．根據權利要求7所述的方法，其中所述提供步驟還包括提供一個玻璃材料的基底基片。
9．根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括以下步驟；提供一個基底基片；用金屬醇鹽，一定量的水和一種溶劑準備溶液；至少在該基底基片的一個表面上涂著一層該溶液薄膜層；使該薄膜層產生一個從溶膠體到凝膠體的轉變以形成凝膠體；把該凝膠體加熱到大約70℃到大約120℃之間的溫度并保持大約4到7和小時；使凝膠體老化以制出多孔玻璃；在老化步驟中將漫射體子模對著薄膜層壓制以將多個光成形結構模壓到薄膜層上并作為記錄步驟；及對多孔玻璃進行熱處理以形成所述玻璃基體并在基底基片上成為通常無孔和固結的玻璃層。
10．根據權利要求9所述的方法，其中所述方法還包括步驟在老化步驟中同時執(zhí)行壓制和加熱步驟。
11．根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括以下步驟；用金屬醇鹽，一定量的水和一種溶劑準備溶液；使該溶液產生一個從溶膠體到凝膠體的轉變以形成凝膠體；使凝膠體老化以制出多孔玻璃；及在大約1000℃到大約1050℃之間的溫度對多孔玻璃進行熱處理以形成所述玻璃基體并成為通常無孔、固結和燒結的玻璃。
12．根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括以下步驟；將多個光成形結構至少記錄到玻璃基體的進光表面；及在所述玻璃基體的出光表面上制出一個凹面并作為一個立體的透鏡。
13．一種制造光成形表面漫射體的方法，該方法包括以下步驟提供一個由相對柔軟彈性的材料制成并至少具有一個第一表面的漫射體子模，在該第一表面上具有多個光成形結構；用金屬醇鹽，一定量的水和一種溶劑準備溶膠凝膠體溶液；使該溶膠凝膠體溶液產生一個從溶膠體到凝膠體的轉變以形成凝膠體；使凝膠體老化以制出多孔玻璃；在老化步驟中壓制漫射體子模的第一表面同凝膠體接觸以將多個光成形結構記錄到多孔玻璃的一個表面上；將子模漫射體同多孔玻璃分離；及對多孔玻璃進行熱處理以形成通常無孔和固結的整塊玻璃基體。
14．一種制造光成形表面漫射體的方法，該方法包括以下步驟提供一個由相對柔軟彈性的材料制成并至少具有一個第一表面的漫射體子模，在該第一表面上具有多個光成形結構；用金屬醇鹽，一定量的水和一種溶劑準備溶膠凝膠體溶液；在基底基片上涂著一層溶膠凝膠體溶液的薄膜層；使該薄膜層產生一個從溶膠體到凝膠體的轉變以形成凝膠體；使該薄膜層老化以制出多孔玻璃層；在老化步驟中壓制漫射體子模的第一表面同凝膠體接觸以將多個光成形結構記錄到多孔玻璃薄膜層上；將子模漫射體同多孔玻璃層分離；及對多孔玻璃層進行熱處理以在基底基片上形成通常無孔和固結的整塊玻璃層。
15．根據權利要求14所述的方法，其中所述老化步驟還包括步驟；將薄膜層加熱到大約70℃到大約120℃之間的一個溫度。
16．根據權利要求14所述的方法，其中所述老化步驟還包括步驟；將薄膜層加熱到大約70℃到大約120℃之間的一個溫度；及同時執(zhí)行壓制步驟。
17．一種制造光成形表面漫射體的方法，該方法包括以下步驟提供一個鑄模，至少在該鑄模內部表面的一部分上具有一個漫射體子模，其中該漫射體子模表面是由相對柔軟彈性的材料制成并具有多個光成形結構；用金屬醇鹽，一定量的水和一種溶劑準備溶膠凝膠體溶液；將該溶膠凝膠體溶液注進鑄模內以便多個光成形結構同溶膠凝膠體溶液接觸；使該溶膠凝膠體溶液產生一個從溶膠體到凝膠體的轉變以形成凝膠體；使該薄膜層老化以制出多孔玻璃并在多孔玻璃的表面上具有多個記錄的光成形結構；及對多孔玻璃層進行熱處理以形成一個通常無孔和固結的整塊玻璃基體。
18．根據權利要求17所述的方法，其中所述提供步驟還包括步驟；提供一個模具襯墊作為漫射體子模的表面及將該模具襯墊放入鑄模內。
19．根據權利要求17所述的方法，其中所述提供步驟還包括步驟；提供一個由相對柔軟彈性的橡膠材料制成的鑄模，其中模具內表面上的光成形結構與模具的內表面是一個整體。
20．通過權利要求1所述工藝制成的一種表面光成形漫射體。
21．通過權利要求13所述工藝制成的一種表面光成形漫射體。
22．通過權利要求14所述工藝制成的一種表面光成形漫射體。
23．通過權利要求17所述工藝制成的一種表面光成形漫射體。
24．一種表面光成形漫射體，該漫射體包括一個基體，其中至少該基體的一個表面部分是由固結和無孔的玻璃材料制成的；及在該基體的表面部分上具有從一個柔軟彈性的橡膠子模漫射體上記錄而來的多個光成形結構。
全文摘要
通過將光成形結構模壓或注模到一個高品質光學玻璃上,或通過將光成形結構模壓到涂著在一個基體上的玻璃薄膜層上制成一種表面漫射體。一種溶膠凝膠體溶液(70)在室溫(72)下攪拌且該混合物被涂著、浸漬或模壓(74)到基體上。在混合物膠凝期間,一個具有光成形結構的橡膠子模被壓(76)進混合物內。然后對該具有結構的凝膠體進行熱處理(78)和固結(79)成LSD玻璃。從紫外線波長到自然光譜到接近紅外線,該表面LSD具有超過90%的透光率。
文檔編號G03H1/02GK1324332SQ99812467
公開日2001年11月28日 申請日期1999年8月24日 優(yōu)先權日1998年8月25日
發(fā)明者加金德拉·D·薩文特 申請人:物理光學公司