專利名稱：通過輻照制造堇青石玻璃體的方法,以及由該方法制得的玻璃體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式一般涉及玻璃體和制造玻璃體的方法，更具體涉及玻璃體，例如微型透鏡以及微型透鏡的陣列，以及它們的制造方法。
背景技術(shù)：
玻璃體，例如微型透鏡經(jīng)常用來將光從光源耦合到檢測器(或使用者)，反之亦然。許多常規(guī)的微型透鏡通過對玻璃或塑料進行澆鑄模塑而形成。許多常規(guī)的制造微型透鏡的方法通過光刻圖案化限定微型透鏡的一般形狀和尺寸。通常常規(guī)的方法需要沉積或除去材料以在形成微型透鏡之后限定形狀。常規(guī)的通過沉積法在基材上制造微型透鏡的方法存在一些缺陷。這主要是由于材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)的失配造成的。通常在沒有玻璃基材料，或者由于成本或工藝原因而不能使用玻璃基材料的時候，將塑料或聚合物之類的材料用作基材?；蛘?，在高溫下對包含微型透鏡的基材進行的進一步加工步驟可能會對微型透鏡造成破壞。對于塑料或聚合物微型透鏡來說，這尤其顯著。并且，一些常規(guī)方法需要在使用之前對微型透鏡進行拋光，由此帶來額外的制造成本。優(yōu)選能夠在無需進行額外的成形后加工的情況下，制造玻璃體(例如微型透鏡) 的方法。另外，優(yōu)選能夠最大程度減小微型透鏡和基材之間的CTE失配。發(fā)明概述本發(fā)明的一個實施方式是一種制造玻璃體的方法。該方法包括提供基材，所述基材包括表面，所述表面上設(shè)置有堇青石粉末，對所述堇青石粉末的至少一個離散區(qū)域進行輻照，使得輻照過的堇青石粉末玻璃化，形成玻璃體。根據(jù)一個實施方式，所述玻璃體是微型透鏡。所述玻璃體(例如微型透鏡)以及/或者制造該玻璃體的方法解決了上文所述的關(guān)于常規(guī)微型透鏡和/或制造微型透鏡的方法的一個或多個缺陷，提供了以下一個或多個優(yōu)點對玻璃體的成形進行加強的/專門定制的控制，玻璃體可以用于多種潛在的應用，由于盡可能減少了加工后成形的需求而降低了微型透鏡的制造成本，可以以低成本在相同的玻璃基材上提供不同形狀的微型透鏡，所述微型透鏡和基材可以耐受高溫應用，以及/或者可以制造微型透鏡的定制陣列，例如線型或面型，均勻分布或者不均勻分布。在以下的詳細描述中提出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點，其中的部分特征和優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言由所述內(nèi)容而容易理解，或按文字描述和其權(quán)利要求書以及附圖中所述實施本發(fā)明而被認識。
應理解前面的一般性描述和以下的詳細描述都只是對本發(fā)明的示例，用來提供理解要求保護的本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發(fā)明的進一步理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附示說明了本發(fā)明的一個或多個實施方式，并與說明書一起用來說明本發(fā)明的原理和操作。附圖簡要說明僅通過以下詳述或與附圖一起可更好地理解本發(fā)明。

圖1是本發(fā)明一些實施方式的制造玻璃體的方法。圖2是根據(jù)一個實施方式的激光循環(huán)的示意圖。圖3a和圖北分別顯示堇青石粉末和玻璃體在玻璃化時的示例性幾何結(jié)構(gòu)。圖4顯示微型透鏡預期的幾何特征，以及根據(jù)本發(fā)明方法制備的微型透鏡的測得的幾何特征。圖5是堇青石粉末的X射線衍射(XRD)圖。圖6是根據(jù)一個實施方式制造的玻璃體的XRD圖。發(fā)明詳述下面詳細說明本發(fā)明的各實施方式。只要可能，在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相同或類似的特征。本發(fā)明的一個實施方式是一種制造玻璃體的方法。圖1所示的方法100包括提供基材10，所述基材包括表面12，所述表面上設(shè)置有堇青石粉末14，對所述堇青石粉末的至少一個離散區(qū)域進行輻照16，使得輻照過的堇青石粉末玻璃化，形成玻璃體18。根據(jù)一個實施方式，所述玻璃體是微型透鏡。在一個實施方式中，提供包括其上設(shè)置有堇青石粉末的表面的基材的步驟包括使用模具沉積堇青石粉末。所述模具可以包括一個或多個孔，例如，所述模具可以是圍繞中心孔的框架。所述中心孔可以具有與基材相應的形狀和尺寸。在一些實施方式中，所述模具包括孔的圖案。所述孔可以是例如離散的點、平行線等結(jié)構(gòu)的陣列。在另一個實施方式中，提供包括其上設(shè)置有堇青石粉末的表面的基材的步驟包括以具有均勻厚度的層的形式設(shè)置所述堇青石粉末。例如，上述模具可以用來沉積具有均勻厚度的層。在一個實施方式中，對堇青石粉末的多個離散區(qū)域進行輻照，并玻璃化，形成多個玻璃體。所述多個玻璃體中的至少兩個可以同時形成，以及/或者多個玻璃體可以按順序形成?？梢云叫惺┘蛹す饽芰?，用單次激光輻照同時制造多個透鏡，或者用一些激光輻照對堇青石粉末進行輻照。可以通過一些技術(shù)，以單次輻照制造超過一個玻璃體，例如使用多個激光頭或者光纖的陣列，使用微電機械系統(tǒng)(MEMS)鏡子，使得各個離散區(qū)域獨立地玻璃化，或者使用衍射光學元件使得多個離散區(qū)域玻璃化，以同時產(chǎn)生多個玻璃體。根據(jù)一個實施方式，多個玻璃體以陣列形式設(shè)置。在一個實施方式中，所述多個玻璃體是微型透鏡。所述微型透鏡可以同時形成，以及/或者可以按順序形成。根據(jù)一個實施方式，光生伏打裝置、發(fā)光裝置、或光纖連接器陣列可以包括所述微型透鏡。在一個實施方式中，輻照至少一個離散區(qū)域的操作包括用激光器進行輻照。在一個實施方式中，所述激光器選自半導體激光器、二氧化碳激光器、光纖激光器、Nd:YAG激光器、以及它們的組合。在一個實施方式中，如圖1所示，所述方法包括在對堇青石粉末的至少一個離散區(qū)域進行輻照之前，對從激光器22射出的光束20的形狀進行改變。根據(jù)一個實施方式，所述方法還包括通過對形成的玻璃體進行輻照，控制形成的玻璃體的冷卻速率。根據(jù)一個實施方式，所述方法還包括在沉積堇青石粉末之前、沉積堇青石粉末的過程中、沉積堇青石粉末之后、或者以上情況的組合，對基材進行加熱。在一個實施方式中，將所述基材加熱至等于或低于500°C。在另一個實施方式中， 將所述基材加熱至350-500°C。可以使用加熱板、加熱爐、感應線圈等進行加熱。在一個實施方式中，所述基材包含選自以下的材料玻璃、鈉鈣玻璃、Vycor ，顯示器玻璃、高純度熔凝石英、半導體材料、硅、可熔融成形的玻璃、玻璃陶瓷以及它們的組合。可以將所述玻璃體結(jié)合于基材。玻璃體可以不結(jié)合于基材，因此可以從基材上除去。由于對功率以及光照時間進行控制，可以用一些不同的激光循環(huán)來盡可能減小堇青石粉末和玻璃基材之間的CTE差異。圖2是根據(jù)一個實施方式的激光循環(huán)的示意圖200。 首先如線條26所示用激光對堇青石粉末輻照一段時間，功率水平以特定的正比率(如線條觀所示)從最小功率水平27逐漸增大，以對堇青石粉末進行預熔融。然后，通過用激光如線條30所示，以增大的功率32輻照一段時間，使得堇青石粉末熔融，表面拉張，形成微型透鏡。最后，形成的玻璃體如線條34所示用激光輻照一段時間，其功率水平如線條36所示逐漸減小，以減小玻璃體和/或基材中的熱應力，以最大程度減小玻璃體和/或基材中的裂紋。可以根據(jù)玻璃體所需的形狀調(diào)節(jié)線條觀和36的斜率，例如可以用零斜率形成球形玻璃體，用較陡的斜率制造任意形狀的玻璃體。根據(jù)一些實施方式，玻璃體為球形、圓柱形、半球形、棒形、自由形式的形狀，或者這些情況的組合?？梢酝ㄟ^用激光畫出圖案，輻照堇青石粉末的一些區(qū)域，形成自由形式形狀的玻璃體，例如可以對堇青石粉末互連的路徑進行輻照， 形成自由形式的形狀。為了找到能夠制造玻璃體，例如具有任意形狀的微型透鏡的區(qū)域，可以對以下參數(shù)進行調(diào)節(jié)基材加熱的溫度，激光的功率循環(huán)，例如功率先增大然后降低的斜率，以及功率循環(huán)過程中功率保持的時間長度。如果在功率循環(huán)內(nèi)任意時刻，功率水平低于最佳值，在微型透鏡上可能會觀察到圓形裂紋。這些圓形裂紋通常不會傳播通過微型透鏡，通常包括在微型透鏡底部周圍。如果在功率循環(huán)內(nèi)任意時刻，功率水平高于最佳值，當基材是玻璃的時候，基材上會發(fā)生大的裂紋。這些大的裂紋通常會傳播通過玻璃基材，也存在于微型透鏡底部周圍。根據(jù)一個實施方式，所述方法還包括對玻璃體進行清潔。所述清潔可以在超聲浴中完成。
實施例以下是根據(jù)一個實施方式制造玻璃體的方法的實施例。將在810納米工作的半導體激光器陣列與作為購自連貫有限公司(Coherent Inc.)的INTEGRA激光器系統(tǒng)的一部分的光纖束連接。將透鏡配置與激光器的SubMiniature version A(SMA)連接器相連，所述透鏡具有合適的涂層和光學焦距，以提供所需的高斯光束形狀或者另外的選擇的光束形狀。 激光輻照在設(shè)置于基材上的堇青石粉末上。所述堇青石粉末設(shè)置在具有均一厚度的層中。 在此實施例中，將模具設(shè)置在基材的表面上。在模具中填充堇青石粉末，用油灰刀刮平。在此情況中的基材是Corning 1737玻璃，顯示器玻璃，例如fegle 2000 或鈉鈣玻璃，但是也可以使用其它的材料。使用的堇青石粉末的粒徑分布為7-47微米。但是，也可以使用具有較小粒徑(數(shù)納米)或較大粒徑(數(shù)百微米)的粉末。用激光輻照堇青石粉末，粉末快速熔融和冷卻，由此使得粉末變成玻璃相。該玻璃相是透明的。預期該微型透鏡的玻璃組合物應當基于堇青石的化學組成(為二氧化硅、氧化鋁和氧化鎂，例如(Mg ；Fe2O2Al4Si5O18)。所述激光器系統(tǒng)設(shè)置有x-y-z控制器和3D定位裝置，可以根據(jù)定位描述配方和功率控制。因此，通過控制光學功率、輻照時間和位置，形成微型透鏡陣列。這些陣列可以是一維(ID)或二維的(2D)0所述功率循環(huán)可以取決于基材。在此實施例中，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，在 Corning 1737玻璃和鈉鈣玻璃上制造微型透鏡。所述微型透鏡以4X5陣列設(shè)置。使用最優(yōu)化的功率循環(huán)制造微型透鏡。采用不同的模具沉積堇青石粉末，形成不同的均勻?qū)雍穸?(hi)的沉積，例如250 μ m, 500 μ m, 1000 μ m和1500 μ m。發(fā)現(xiàn)微型透鏡相對于增大的hi值具有增大的高度，相對于增大的hi值具有更大的球面性。微型透鏡陣列在超聲波浴中清潔 30分鐘，然后未檢測到故障模式。圖3a和圖北顯示了重熔和玻璃化過程的重熔幾何結(jié)構(gòu)。在圖3a中，提供了基材， 所述基材上沉積有堇青石粉末，所述粉末高度為hl，寬度為wl。對激光器射出的光束的形狀進行改良，使其呈圓柱形輻射38，其寬度wl與堇青石粉末的wl相等。在圖北中，堇青石粉末玻璃化之后，微型透鏡具有強化支承的底部《2和內(nèi)部角度2 θ，半徑r，以及最終高度 h2。尺寸是在考慮堇青石粉末的收縮因子的情況下，基于體積當量的。根據(jù)本發(fā)明的方法制造的微型透鏡的一些幾何特征可以預期，例如標準化的高度 h2/hl和θ隨標準化的底部寬度wl/hl的變化關(guān)系。在圖4中，分別繪制了壓縮比JImi (0-1)為25%，50%，75%和100 %的一類曲線40，42，44和46 (實線和虛線)。黑色的數(shù)據(jù)點，例如48，以及白色的數(shù)據(jù)點，例如50，是用掃描電子顯微鏡(SEM)和光學共焦顯微鏡對微型透鏡進行的測量。其中，測得的微型透鏡與wl/hl < 3的預測值(壓縮因子為25% ) 良好相關(guān)。對于wl/hl > 3的情況，由于沉積極薄的膜的時候的不完美以及粉末的大粒度， 壓縮因子似乎高達75%。通過X射線衍射(XRD)對進行沉積之前的堇青石粉末樣品以及根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式制造的微型透鏡的樣品進行分析。在硅晶片頂上制造了微型透鏡。玻璃化的微型透鏡不會附著于硅。在碳化鎢研磨機(WC)中將大約200毫克的微型透鏡碾碎。對堇青石粉末和碾碎的微型透鏡都進行X射線輻照，記錄下衍射圖案。圖5的XRD圖顯示堇青石粉末是晶體材料；而圖6顯示的碾碎的微型透鏡的玻璃化材料的XRD圖表明，碾碎的微型透鏡材料幾乎完全是無定形的。但是，無定形材料仍然具有初始的堇青石的信號以及來自用于碾碎微型透鏡的碳化鎢研磨機的殘余物的信號。這似乎證明了通過激光輻照完成了玻璃化。測量了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式制造的微型透鏡在可見光譜中的吸收。對在 Corning 1737玻璃上制造的微型透鏡進行了透射率損失光譜測量。觀察到在450-880納米的可見光譜范圍內(nèi)，損失通常約為1.5dB。用基于Ocean Optics分光光度計的設(shè)備，以1 納米的間隔進行測量，在可見光范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)強吸收峰。根據(jù)一個實施方式，光生伏打裝置、發(fā)光裝置、或光纖連接器陣列可以包括一個微型透鏡、多個微型透鏡、以及/或者微型透鏡的陣列。為了評價玻璃體作為微型透鏡的功能，使用兩種不同的激光源進行了測試。將二次諧波DPSS綠色激光器與具有高數(shù)值孔徑的FC/PC連接器連接。高數(shù)值孔徑使得激光器發(fā)出的光束色散，通過玻璃基材之后在自由空間傳播。然后將激光端部耦合于設(shè)置在玻璃基材上的微型透鏡，在此實施例中為顯示器玻璃。所述微型透鏡能夠使得光束準直，形成在自由空間傳播的單個光點。此種準直有一些應用，例如用于光學元件工業(yè)， 一般用于光或激光束的準直化。用于之前的實施例的微型透鏡的半徑為1018 μ m，高度為肪4 μ m，孔徑角為θ = 65. 15。對于從透鏡到投射面3. 5英寸的高度，投射的光束的直徑約為3. 5英寸，使得孔徑角為22. 5°，數(shù)值孔徑(NA)約為0. 38。使用具有很高程度的準直輸出的紅色半導體激光。在此實施例中，激光器發(fā)出的光束在通過玻璃基材(例如顯示器玻璃)的時候產(chǎn)生了單獨的光點。激光與微型透鏡端部耦合，形成三維色散錐形光，使得光均勻地分布。此種光分布有很多用途，例如在光學元件工業(yè)中用作光會聚器或色散器。從激光器發(fā)出的準直光束在三維方向上擴散。因為這些裝置是交互的，所述裝置還可以沿著相反的方向作為光會聚器。用于之前的實施例的微型透鏡的半徑為1018 μ m，高度為6Μμπι，孔徑角為θ =65.15。對于從透鏡到投射面85毫米的高度，投射的光束的直徑約為89毫米，使得孔徑角為31. 3°，數(shù)值孔徑(NA)約為0. 519。所述微型透鏡的NA可以隨著微型透鏡的曲率角度θ的變化而變化。根據(jù)本發(fā)明制造的微型透鏡可以用于光會聚，例如用于光生伏打裝置或其他半導體裝置。在這些應用中，所述顯示器玻璃或鈉鈣玻璃上的微型透鏡的陣列(一維的和二維的)能夠提供廉價的會聚光的手段，特別是作為會聚器的時候，入射光的角度會發(fā)生變化的情況下(例如日間太陽在天空中移動的情況下)，或者是當角度對準的容差很關(guān)鍵，可以使用這些種類的微型透鏡減輕的情況下。作為微型透鏡的另一種用途，可以將多個微型透鏡和/或微型透鏡的陣列用于光提取，例如發(fā)光裝置，用來將有機發(fā)光二極管(OLED)產(chǎn)生的光均勻分散，用于住宅照明應用。另外，對光源的光的光提取和光會聚器的組合可以包括高ΝΑ，例如高NA的光纖和連接器，或者低ΝΑ，例如準直激光器、檢測器等，對此，可以用一維或二維陣列的微型透鏡的組合進行設(shè)計。例如，可以將光纖帶連接器，例如CAT-12連接器與微型透鏡陣列并聯(lián)連接， 同時為數(shù)個激光器和/或光纖提供自由空間準直光。然后可以將所述光重新準直化到光檢測器陣列或另外的光纖連接器，以便實現(xiàn)自由空間互連。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯而易見的是，可以在不偏離本發(fā)明的精神或范圍的情況下對本發(fā)明進行各種修改和變動。因此，本發(fā)明意圖是覆蓋本發(fā)明的修改和變動，只要這些修改和變動在所附權(quán)利要求及其等同方案的范圍之內(nèi)即可。
權(quán)利要求
1.一種制造玻璃體的方法，所述方法包括以下步驟提供基材，所述基材具有表面，所述表面上設(shè)置有堇青石粉末；以及對堇青石粉末的至少一個離散區(qū)域進行輻照，使得輻照過的堇青石粉末玻璃化以形成玻璃體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃體是微型透鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述玻璃體為球形、圓柱形、半球形、棒形、 自由形式的形狀，或者這些情況的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供包括其上設(shè)置有堇青石粉末的表面的基材的步驟包括使用模具沉積堇青石粉末。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述模具包括圖案。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供包括其上設(shè)置有堇青石粉末的表面的基材的步驟包括在具有均勻厚度的層中沉積堇青石粉末。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對堇青石粉末的多個離散區(qū)域進行輻照，并玻璃化，形成多個玻璃體。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述多個玻璃體中的至少兩個同時形成。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述多個玻璃體按次序形成。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述多個玻璃體以陣列形式設(shè)置。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述多個玻璃體是微型透鏡。
12.一種光生伏打裝置、發(fā)光裝置或光纖連接器陣列，其包括如權(quán)利要求11所述制造的微型透鏡。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，輻照至少一個離散區(qū)域的步驟包括用激光進行輻照。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括在對堇青石粉末的至少一個離散區(qū)域進行輻照之前，對激光器發(fā)出的光束的形狀進行改變。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述激光器選自半導體激光器、二氧化碳激光器、光纖激光器、Nd: YAG激光器、以及它們的組合。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括通過對形成的玻璃體進行輻照，控制形成的玻璃體的冷卻速率。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在沉積堇青石粉末之前、 沉積堇青石粉末的過程中、沉積堇青石粉末之后、或者以上情況的組合，對基材進行加熱。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述基材加熱至等于或低于500°C的溫度。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基材包含選自以下的材料玻璃、鈉鈣玻璃、Vycor ,顯示器玻璃、高純度熔凝石英、半導體材料、硅、可熔融成形的玻璃、玻璃陶瓷以及它們的組合。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述玻璃體附著于基材。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述玻璃體未附著于基材。
全文摘要
本發(fā)明描述了玻璃體和用來制造玻璃體的方法，更具體來說，本發(fā)明描述了玻璃體，例如微型透鏡和微型透鏡的陣列，以及其制造方法。將堇青石粉末(14)設(shè)置在基材(10)上，在至少一個離散區(qū)域中進行輻照，使得輻照過的粉末玻璃化，形成一個或多個玻璃體，例如一個或多個微型透鏡。
文檔編號C03B5/235GK102245520SQ200980151330
公開日2011年11月16日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者V·M·施奈德, 賴昌毅 申請人:康寧股份有限公司