專利名稱：單片玻璃光成型擴(kuò)散器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全息光成型擴(kuò)散器(LSD)，尤其是一種從單片玻璃材料形成的LSD，以及形成單片玻璃LSD的方法。
全息光成型擴(kuò)散器(LSD)，有時也被稱為光成型均化器或簡稱為擴(kuò)散器，是一種在各種照明、成像和光投影中應(yīng)用的擴(kuò)散器。LSD是一種透明或半透明結(jié)構(gòu)，具有入射表面、出射表面、和在其入射表面和/或內(nèi)部形成的光成型結(jié)構(gòu)。這些光成型結(jié)構(gòu)，有時共同被稱為斑點(diǎn)(speckle)(尤其是當(dāng)它們相對僅存在于其表面而言，還存在于結(jié)構(gòu)的體積之中時)，是無規(guī)的，無序的和非平面微雕的結(jié)構(gòu)，起到微型透鏡的作用，在LSD介質(zhì)的折射率內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)的平穩(wěn)的變化。它們看起來與無規(guī)分散在產(chǎn)品上的海綿類似。這些光成型結(jié)構(gòu)折射通過LSD的光，這樣從LSD出射表面發(fā)出的光束沿水平軸和豎軸就呈現(xiàn)出精確控制的能量分布。可以使用LSD成型光束，這樣進(jìn)入LSD的光束超過90％(達(dá)95％-98％)被導(dǎo)向和接觸位于LSD下游的目標(biāo)?？梢岳肔SD會聚入射光，或者1)從一個小角度到100°沿一個圓形區(qū)域分散，或2)把它傳送到一個幾乎不受限制的橢圓角中。例如，當(dāng)用一個LED或激光照射時0.2°×50°的LSD將產(chǎn)生一條線，當(dāng)用同樣的光源照射時，35°×90°的LSD將形成一個很窄的區(qū)域，可用作高清晰度的背投式屏幕。
LSD不是采用被稱為相干性的單色激光特性，需要僅僅在激光的波長使用的精小處理的全息元件，它可在白光范圍精確操作。因此LSD表現(xiàn)出高度的通用性，因為它們可以采用來自幾乎所有光源的光，包括LED、日光、鹵鎢燈或弧光燈發(fā)出的光。
目前可以使用兩種LSD，即“體積LSD”和“表面LSD”。表面LSD是一個表面凹凸的全息元件，其特征在于在其表面上結(jié)合有光成型結(jié)構(gòu)(或計算機(jī)產(chǎn)生的近似物結(jié)構(gòu))。體積LSD是一個體積全息元件，其特征在于在其體內(nèi)，也可能在其表面上結(jié)合有光成型結(jié)構(gòu)(或計算機(jī)產(chǎn)生的其類似物)。體積LSD和表面LSD在大多數(shù)應(yīng)用中是可互換的。然而，有一些受限的應(yīng)用，只能使用體積LSD，例如在LSD沉浸在液體中的應(yīng)用。
通常體積LSD和表面LSD都可以使用“底模版(sub-master)”生產(chǎn)，底模版自身含有形成光成型結(jié)構(gòu)的全息表面結(jié)構(gòu)。對于體積LSD，使用標(biāo)準(zhǔn)的全息記錄技術(shù)(一或兩束)或與印刷工藝類似的方法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中記錄光成型結(jié)構(gòu)。對于表面LSD，表面結(jié)構(gòu)被壓印到或以其它方法直接形成在產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的表面。在Jannson等的美國專利號5,365,354(′354專利)、Petersen等的美國專利號5,609,939(′939專利)，和Petersen等的美國專利號5,534,386(′386專利)中公開了使用含有光成型結(jié)構(gòu)的模版或底模版生產(chǎn)LSD的方法。這里以參考文獻(xiàn)引用′354專利、′386專利和′939專利，是為了揭示LSD的生產(chǎn)方法。
迄今為止，LSD只能由塑料例如丙烯酸塑料或聚碳酸酯塑料形成，因為只有這些材料能夠充分變形(在適合于與底模版相互作用的條件下)來接受光成型結(jié)構(gòu)。這些塑料的物理特性產(chǎn)生的局限性限制了LSD操作的應(yīng)用范圍。
例如，形成LSD的塑料通常具有低于約150℃的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，而且一般低于100℃。因此在LSD充分受熱，溫度提高到其玻璃轉(zhuǎn)化溫度之上的應(yīng)用中，就不能利用常規(guī)的塑料LSD。熱量可以直接從光源例如弧光燈的光源吸收，也可以以UV或紅外輻射的形式吸收。因此，在LSD位置附近產(chǎn)生顯著熱量的加熱燈、液晶顯示投影儀、投射燈、電弧燈、或其它光源中通常不能使用塑料LSD。塑料LSD也不能與在紫外區(qū)或紅外區(qū)內(nèi)工作的光源一起使用，因為其發(fā)出的輻射會被塑料吸收。
常規(guī)的塑料LSD不能與許多UV光源一起使用的另一個原因是塑料材料是UV輻射很差的傳導(dǎo)物。典型的塑料LSD只傳導(dǎo)波長為365nm的入射光的約75％。當(dāng)入射光的波長為350nm時，傳導(dǎo)率降到約50％之下，這就使得常規(guī)的塑料LSD不適合用于小于400nm的光源，對小于350nm的光源實際上就沒有用處了。這是常規(guī)塑料LSD的嚴(yán)重局限，因為許多廣泛使用的光源在UV區(qū)在工作，這些光源包括水銀激光器(365nm)，三倍頻帶激光器(355nm)，和許多激發(fā)物激光器(約270nm)。
塑料LSD的另一個局限是它們不能經(jīng)受熱涂層操作。為了提高擴(kuò)散器的效率，通常需要為擴(kuò)散器涂上一層抗反射(AR)涂層。許多涂層，包括許多AR涂層，只能在通常用作LSD的塑料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度之上進(jìn)行涂布。常規(guī)的LSD不能使用這些涂層。
常規(guī)的塑料LSD的另一個問題是很難或不能在其出射表面上形成高質(zhì)量的三維透鏡。而在一系列的擴(kuò)散器應(yīng)用中需要把透鏡放置在擴(kuò)散器的出射表面。常規(guī)的塑料LSD不能被研磨，拋光、或澆鑄成高質(zhì)量的透鏡。只有在出射表面上層壓或者粘附一個菲涅耳(Fresnel)透鏡才能生產(chǎn)高質(zhì)量的透鏡。(如本領(lǐng)域所公知的那樣，菲涅耳透鏡是一個具有平面或二維表面的透鏡，使用時產(chǎn)生類似三維曲面透鏡的效果)。與單純研磨或者在出射表面形成常規(guī)的曲面透鏡相比，把單個的菲涅耳透鏡安裝在擴(kuò)散器的出射表面上實際上更加困難和昂貴，也可能產(chǎn)生較低質(zhì)量的透鏡。
如果LSD是由玻璃而不是由塑料形成的，就可以避免許多上述塑料LSD的缺點(diǎn)。然而，在常規(guī)的玻璃生產(chǎn)工藝中不能把光成型結(jié)構(gòu)壓印到或記錄在常規(guī)的玻璃結(jié)構(gòu)中，因為在形成常規(guī)玻璃的工藝中，所伴隨的高溫(在1,800℃的數(shù)量級)將破壞具有光成型結(jié)構(gòu)的模版或副-模版。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種LSD，與目前能夠使用的塑料LSD相比，該LSD的溫度和/或波長具有較寬的操作范圍。
本發(fā)明的另一目的是提供一種LSD，該LSD能夠具有在其出射表面上形成的高質(zhì)量的曲面透鏡。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種從單片玻璃材料制備玻璃LSD的方法，該玻璃LSD一旦形成，能滿足上述的某些目的或者是全部目的。
這些目的是以非常簡單和有效的方式，通過在玻璃材料中形成LSD來達(dá)到的，假定在其形成過程中的一個或多個相中有一種狀態(tài)，在該狀態(tài)可以在模版或底模版接受的條件下在玻璃材料中壓印或記錄上所需的光成型結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在形成所謂的“溶膠-凝膠”玻璃的過程中光成型結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生或者通過成像技術(shù)例如光刻成像技術(shù)(從而形成體積LSD)，或者通過一種壓印技術(shù)(從而形成表面LSD)。
如果是可澆鑄的溶膠-凝膠玻璃，就可以通過如下方法生產(chǎn)體積LSD(1)在形成單片氧化物玻璃時向溶膠-凝膠材料上涂上光敏劑，從而使單片氧化物玻璃對光敏感，和(2)通過一個含光成型結(jié)構(gòu)的光掩模使光敏單片氧化物玻璃的所選部分曝光，在掩模曝光部分形成金屬氧化物，該金屬氧化物與單片氧化物玻璃不可逆粘合，從而產(chǎn)生體積LSD。應(yīng)用步驟包括在制備溶液時把化學(xué)計量的光敏劑與溶膠-凝膠前體混合，或在老化步驟后把光敏劑沉積在多孔玻璃上。
表面LSD可以由可澆鑄的溶膠-凝膠玻璃制備，只需將含光成型結(jié)構(gòu)的塑料模具中的溶液澆鑄到其內(nèi)表面上即可，這樣在溶膠到凝膠的轉(zhuǎn)變過程中光成型結(jié)構(gòu)就壓印在溶膠-凝膠材料上。
也可以由能形成涂層的溶膠-凝膠玻璃生產(chǎn)體積LSD和表面LSD，這可通過向基質(zhì)上涂上一層溶膠-凝膠溶液，在基質(zhì)上產(chǎn)生一個薄膜層，使薄膜層經(jīng)受溶膠-到-凝膠轉(zhuǎn)變，在至少一部分薄膜層中記錄光成型結(jié)構(gòu)，使凝膠老化形成多孔玻璃。在優(yōu)選工藝方法的最后一步是把玻璃加熱到其燒結(jié)溫度產(chǎn)生一種非-多孔玻璃。如果是體積LSD，可以向溶膠-凝膠玻璃中加入光敏劑，并進(jìn)行記錄，記錄步驟包括(1)把一張光掩模放到薄膜層上(光掩模含光成型結(jié)構(gòu))，然后(2)使掩模曝光，在薄膜層的曝光部分形成金屬氧化物，在薄膜層該金屬氧化物與玻璃不可逆粘合。如果光敏層的厚度與用來產(chǎn)生真正的表面凹凸紋LSD的模版的凹凸紋的厚度一樣，用相同的工藝也可以形成表面LSD。如果是表面LSD，記錄步驟包括把含光成型結(jié)構(gòu)的塑料模版壓進(jìn)薄膜層中。
根據(jù)下列的詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的這些和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)將對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員非常明顯。然而，應(yīng)該理解到，該詳細(xì)的描述和具體的實施例只是表明本發(fā)明優(yōu)先的實施方案，是為了例證本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明的范圍。可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行許多更改和修改，但都不偏離本發(fā)明的精神，并且本發(fā)明包含所有這樣的修改。
附圖簡述本發(fā)明的優(yōu)選示范實施方案在附圖中進(jìn)行闡明，其中相同的參考數(shù)字編號表示相同的部分，并且在其中

圖1是TEOS-水-乙醇溶膠-凝膠溶液的三角相圖，其組成以摩爾百分率畫出；圖2是用于從TEOS前體溶液制備溶膠-凝膠單片玻璃工藝的流程示意圖；圖3所畫的是本發(fā)明可應(yīng)用的單片玻璃的波長對傳播百分率的作圖；圖4是一幅表示通過澆鑄形成一種光敏性單片玻璃LSD的第一個工藝的流程示意圖；圖5是一幅表示通過澆鑄形成一種光敏性單片玻璃LSD的第二個工藝的流程示意圖；圖6在一幅表示通過涂布涂料形成一種單片玻璃LSD的流程示意圖；圖7是一幅代表通過涂布涂料形成一種光敏性單片的玻璃LSD第二工藝的流程示意圖；圖8在一幅根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的澆鑄溶膠-凝膠單片玻璃LSD表面結(jié)構(gòu)的光刻成像；圖9是所畫的是澆鑄溶膠-凝膠單片玻璃LSD的光傳播角向分布圖；圖10所畫的是一種窄角溶膠-凝膠單片玻璃LSD的光場分布圖，其中該玻璃是一種多孔玻璃；圖11所畫的是窄角溶膠-凝膠單片玻璃LSD的角向光場分布圖，其中該玻璃是一種燒結(jié)玻璃；圖12是根據(jù)本發(fā)明的一種在溶膠-凝膠玻璃單片上形成的全息LSD結(jié)構(gòu)的光刻成像；和圖13是圖12的LSD結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場衍射模式的光刻成像。
優(yōu)先的實施方案的詳細(xì)描述1.概述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種在形成本玻璃材料的過程中通過記錄光成型結(jié)構(gòu)，由單片的玻璃材料形成全息光成型擴(kuò)散器(LSD)的方法。可以通過光成型結(jié)構(gòu)的光刻書寫或其他光成型結(jié)構(gòu)的成像在光敏性玻璃材料中生產(chǎn)體積LSD?；蛘呤牵a(chǎn)表面LSD可通過對涂布在基質(zhì)上的光敏性玻璃薄膜進(jìn)行涂布，或通過向高質(zhì)量光學(xué)玻璃上壓印壓印光成型結(jié)構(gòu)，或向涂布在基質(zhì)上的玻璃薄膜層上壓印光成型結(jié)構(gòu)。這兩種擴(kuò)散器都能控制傳輸光的角分散，同時均質(zhì)化不同的空間雜光源例如LCDs和燈絲光源，并且保持損傷閥值與所有玻璃光學(xué)元件一致。該LSD從紫外波長經(jīng)自然光譜到近-紅外線的傳播效率超過90％。而且，因為該LSD是一個真正的玻璃，它能夠耐抗超過塑膠LSD的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度，可以通過傳統(tǒng)的澆鑄、研磨、或拋光技術(shù)在一個凸面的或凹面中形成，并能通過熱涂布技術(shù)來涂層。LSD也有一個很高的激光功率域值。2.工藝概述本發(fā)明的核心是發(fā)現(xiàn)，如果該玻璃材料是在適合于含有該光成型結(jié)構(gòu)的模版或次-模版能接受的條件下形成的，那么在形成材料時能通過在單片的玻璃材料中記錄光成型結(jié)構(gòu)(有時總稱為“斑點(diǎn)”，尤其是當(dāng)該結(jié)構(gòu)延伸到擴(kuò)散器的內(nèi)部時)來生產(chǎn)LSD。目前優(yōu)先的用于實行本發(fā)明的技術(shù)包括在所謂的“溶膠-凝膠”過程中在該材料中記錄該光成型結(jié)構(gòu)。本技術(shù)領(lǐng)域的制造溶膠-凝膠玻璃的技術(shù)人員都知道，該溶膠-凝膠過程是一個低溫方法，用來生產(chǎn)氧化物玻璃。通過水解和用分子前體開始的無機(jī)聚合反應(yīng)獲得氧化物網(wǎng)狀物。與常規(guī)的熔化技術(shù)生產(chǎn)玻璃相比，溶膠-凝膠工藝提供了幾個優(yōu)點(diǎn)，包括1)形成更高的光學(xué)質(zhì)量的金屬氧化物玻璃，2)通過混合分子前體溶液，準(zhǔn)備獲得均勻的多組分玻璃，3)可以達(dá)到較高的純度和較低的處理溫度，和4)利用本溶膠或凝膠的流變屬性能夠通過例如纖維拉伸、紡織、浸涂、澆鑄和浸漬技術(shù)形成纖維、薄膜、單片、或組合物。溶膠-凝膠玻璃的特性使得它們很容易用作LSD，其特性總結(jié)在表1
表1來自石英玻璃溶膠-凝膠的材料特性
典型的溶膠-凝膠過程包括，首先制備金屬烷基氧化物、水、和合適的溶劑例如乙醇的溶液、然后引起或使該溶液經(jīng)受溶膠-到-凝膠轉(zhuǎn)變而形成凝膠，再老化該凝膠形成多孔含水玻璃。然后把含水的玻璃加熱處理通過固結(jié)減少其多孔性。該過程通用的例子是使用四乙基原硅酸鹽(TEOS)、水、和乙醇來生產(chǎn)熔融石英玻璃。其他實施例包含把三-丁氧基鋁[Al(OBu)3]用于氧化鋁凝膠和把四原乙基鈦酸鹽(TET)用于二氧化鈦凝膠。根據(jù)想要的玻璃材料的光學(xué)的特性，一般向該溶液中混入多組分試劑來生產(chǎn)具有特定特性例如高折射率、高強(qiáng)度、高溫度、非線性特性、和傳導(dǎo)特性的玻璃。
該溶膠-凝膠過程的化學(xué)是基于有機(jī)金屬分子前體的羥基化和縮聚反應(yīng)。金屬烷氧化物類是氧化物溶膠-凝膠合成最通用前體，因為它們與親核試劑例如水的反應(yīng)性非常高。當(dāng)把金屬烷氧化物和水混合在共同的溶劑中時，就發(fā)生水解，該溶劑通常是乙醇。用于二氧化硅LSD的溶膠-凝膠基質(zhì)可以被分為可紡絲的、可涂層的、和可澆鑄的溶液。在室溫下用于TEOS-水-乙醇溶液的經(jīng)驗互溶性公式見圖1的以摩爾百分比繪制的三角相圖。從圖中可以看到，水濃度低于40摩爾百分比的溶膠-凝膠溶液是可紡絲的，水濃度在40到70摩爾百分比的溶膠-凝膠溶液是可涂層的，水濃度大于70摩爾百分比的溶膠-凝膠溶液是可澆鑄的。
現(xiàn)在描述一個典型的溶膠-凝膠過程，以幫助理解光成型結(jié)構(gòu)(斑點(diǎn))在模版或底模版能接受的低溫下是怎樣記錄在單片玻璃結(jié)構(gòu)中的。參照圖2，一個通過澆鑄用來生產(chǎn)高光學(xué)質(zhì)量單片的二氧化硅玻璃過程，首先制備TEOS在乙醇的溶液，然后用水部分地水解該溶液，如步驟20。經(jīng)混合的該溶液通常包含大約45體積％的TEOS、45體積％的乙醇、和10體積％的水，如果需要的話，可以包括約1體積％的合適的酸例如HCl以降低該玻璃成品的pH值，增加其耐用性。TEOS、乙醇、和水的比率可以變化，只要所有的三個成分相對的比率保持在該圖2的三角構(gòu)造部分內(nèi)，該部分能產(chǎn)生一個可澆鑄的溶液。
然后在步驟22混合該溶液，以通過TEOS的水解和乙醇的蒸發(fā)增加其粘度。優(yōu)選在室溫進(jìn)行混合，并通常繼續(xù)30-120分鐘，優(yōu)選最小時間為60分鐘，可獲得優(yōu)先的大致100 Cts的粘度的。可以在更高的溫度(達(dá)約70℃)混合以增加乙醇蒸發(fā)的速率使該過程加速，或通過降低溫度(低至約0℃)以減少乙醇蒸發(fā)的速率，使過程減速。
接著，將混合步驟所形成的粘性溶液澆鑄在步驟24中的合適的模版中。然后，在步驟26中該澆鑄溶液經(jīng)歷一個膠凝/老化過程，其特征在于該粘度溶液轉(zhuǎn)變到凝膠狀的相，接著該凝膠轉(zhuǎn)變到多孔的玻璃相。對于單片，這一過程一般需要大約2到4星期(有時更久)，取決于該溶液的最初的粘度，該溶液在模版中的體積，以及該過程發(fā)生時的環(huán)境條件。在控制的溫度和濕度之下，通過老化可以確保獲得高質(zhì)量的玻璃。該老化過程結(jié)束于一個烘焙操作，其中該玻璃在該模子內(nèi)以相對低的溫度(優(yōu)選在約70℃到120℃)加熱足夠的時間，以充分硬化該玻璃，使其能從模子中移出并隨后進(jìn)行處理。烘焙時期的長度根據(jù)應(yīng)用的不同而改變，范圍從幾小時到兩天。
真正的單片玻璃材料是在老化過程中形成的。然而，這一玻璃非常多孔的并且相對易碎。該玻璃優(yōu)選在步驟28中熱處理，通過燒結(jié)固結(jié)該玻璃(即，來毀壞孔隙使其成為密實的固體玻璃結(jié)構(gòu))和藉此增加其硬度和耐用性。一個典型的熱處理過程的周期持續(xù)大約24-48小時，其中該溫度以每分鐘0.1℃的速率從約25℃上升至約1000℃到約1050℃，(在溫度升高約100℃穩(wěn)定約2小時)，然后再降低溫度。
圖2工藝的結(jié)果是獲得一個有高耐久性和其它有益質(zhì)量的高質(zhì)量二氧化硅玻璃單片，如表1所示。獲得的玻璃還有優(yōu)良的可傳送性。實際上，正如在圖3曲線30代表的那樣，該單片的玻璃的透射性對大于約350nm的波長超過90％，對大于約450nm的波長超過95％或更高。
應(yīng)該注意到，只要選擇TEOS/乙醇/水的比率合適，此時上述澆鑄工藝可替換為涂布或紡織工藝。薄膜的凝膠-到-玻璃轉(zhuǎn)變時間通常比單片短許多，通常持續(xù)幾小時。
可以在其形成的中間階段在溶膠-凝膠玻璃材料中記錄光成型結(jié)構(gòu)，在完全的玻璃結(jié)構(gòu)中生產(chǎn)LSD。用于從單片的溶膠-凝膠玻璃材料形成LSD的三種優(yōu)選技術(shù)現(xiàn)詳述如下。同時所有這些技術(shù)將結(jié)合TEOS乙醇H2O系統(tǒng)進(jìn)行描述，所述工藝同樣適用于任何合適的金屬烷氧化物醇H2O系統(tǒng)。3.在溶膠-凝膠玻璃上澆鑄表面凹凸的LSD結(jié)合圖2使用上述工藝可以直接澆鑄生產(chǎn)表面凹凸或有浮雕圖案的LSD元件或表面LSD。將含有光成型結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)直接放置在該模版的內(nèi)表面，優(yōu)選通過使用一個常規(guī)的塑膠次-模版LSD作為該模版的一個或多個內(nèi)表面。當(dāng)結(jié)合圖2上述步驟24和26的過程中，把粘度溶液澆鑄到到模版中并老化，就把在塑料LSD模版表面的光成型結(jié)構(gòu)精確復(fù)制到模版中的凝膠表面上。獲得的壓印光成型結(jié)構(gòu)保持在玻璃單片結(jié)構(gòu)中。
通過這一工藝生產(chǎn)的表面LSD的表面粗糙度如圖8的光刻圖所示，調(diào)幅范圍從1μm到100μm，側(cè)面尺寸的精細(xì)結(jié)構(gòu)為10-50μm。在本方式生產(chǎn)的LSD具有的擴(kuò)散角度大致為10°到15°。如圖9的曲線92所示。根據(jù)應(yīng)用，可以生產(chǎn)出擴(kuò)散角度范圍大致為0.1°到60°的澆鑄LSD。因為該LSD是在一個真正的玻璃中形成，所以能夠耐抗超出1000℃的溫度-比傳統(tǒng)的塑膠LSD的玻璃轉(zhuǎn)變溫度100-150℃顯著高。它的出射表面也可以形成(通過模制)，研磨，和/或拋光生產(chǎn)三維透鏡。也可以通過傳統(tǒng)的熱涂布技術(shù)涂布AR和其他涂料而不損傷該玻璃。而且，如圖3所示，與一個傳統(tǒng)的塑膠LSD相比，該玻璃LSD在低波長的透射率顯著改善。4.在光敏性溶膠-凝膠玻璃上光刻制造體積LSD可以直接澆鑄生產(chǎn)一個表表面LSD。然而，如上所述，體積LSD和表面LSD對于大多數(shù)的應(yīng)用是可互換的，只有少數(shù)應(yīng)用需要使用體積LSD。從澆鑄溶膠-凝膠單片的玻璃產(chǎn)生體積LSD技術(shù)是通過光刻制造的。參照圖4，對于一個以本方式產(chǎn)生的LSD優(yōu)選的工藝，首先在步驟30制備該溶膠-凝膠溶液，正象在上述部分2中所述，堿性溶膠-凝膠玻璃的形成過程是從制備溶膠-凝膠溶液開始。然而，與堿性溶膠-凝膠前體溶液混合的光敏劑的化學(xué)計量比例為約1％到3重量％，通常為約2重量％的比例。本光敏劑具有下式R-M-X其中，R是低分子的有機(jī)化合物，例如乙基，丙基，或甲基；M是選擇來自任何過渡金屬以及任何IV，V，和VI族的金屬和X是一個對光不穩(wěn)的，優(yōu)選鹵素或羰基。
R-M-X化合物適合于通過光刻接觸成像(或者是通過全息成像)形成LSD，包括三甲基碘化亞錫、二茂鈦(titanocene)，和五羰鐵。該化合物的選擇取決于用于在曝光步驟中使用的光源(參見下面的步驟38)。對波長250nm的光源三甲基碘化亞錫需要5-10小時的曝光時間，對波長514nm的光源二茂鈦需要30分鐘到2小時的曝光時間。對波長365nm的光源五羰鐵只需要2-5分鐘的曝光時間。
然后通過上述混合，澆鑄，和膠凝/老化步驟(步驟32，34，和36，分別地)參照圖2繼續(xù)進(jìn)行該工藝。該老化過程結(jié)束于一個加熱步驟，在模子之內(nèi)對玻璃充分地加熱，這是光刻成像過程或成像使用一個標(biāo)準(zhǔn)全息一個或多個光束記錄過程進(jìn)行成像所需的。通過加熱把玻璃加熱到70-100℃的溫度5-小時使多孔性充分減少和可處理性得到改善。
接下來，在步驟38光敏材料記錄該光成型結(jié)構(gòu)，優(yōu)選或者通過光刻成像直接的書寫或者通過全息成像。在光刻成像情況下，將含有該光成型結(jié)構(gòu)的LSD底模版形式的掩模放置在該玻璃的表面上，然后使玻璃曝光。用于曝光的光源例如是一種氬離子激光器，一個He-Cd激光器，一種NdYAG激光器，一種弧光燈或其他光源。曝光在玻璃沒有被掩模掩蓋著的部分引發(fā)光化學(xué)的反應(yīng)。光化學(xué)反應(yīng)的程度是以光敏劑特征吸收峰的消失表示。反應(yīng)的最終產(chǎn)品是通過光生成產(chǎn)生的金屬氧化物(MO2)。金屬氧化物不可逆地粘附到玻璃上，引起該玻璃折射指數(shù)的改變。取決于浸漬的有機(jī)金屬光敏劑的濃度，該溶膠-凝膠玻璃折射率可以在1.4-2.5范圍變動。
接下來，從玻璃上移走掩模并且通過在步驟40加熱到大約700℃后處理該玻璃。以這種方式的后處理便使玻璃中的光誘導(dǎo)產(chǎn)生的光成型結(jié)構(gòu)在位點(diǎn)上固定，并通過揮發(fā)除去沒有曝光的光敏材料。在步驟42中該后處理的玻璃被加熱到其固化溫度(通常約1000℃到1050℃)通過燒結(jié)固結(jié)該玻璃。
該工藝的結(jié)果為從摻雜有約2％的金屬氧化物例如鈦的二氧化硅玻璃形成的一種體積LSD。這種體積LSD成像是高質(zhì)量的，并且是以完全密實的玻璃光學(xué)的材料生產(chǎn)的。
如上面的討論，因為該LSD材料是一種真正的玻璃，該玻璃材料的環(huán)境穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于該傳統(tǒng)的塑膠記錄材料。
在熱處理的時候發(fā)生顯著的收縮(30-40％)。從圖10的曲線100與圖11的曲線110比較可以理解收縮對角向場分布的影響。曲線100表明一個窄角(0.71°)，是在后處理至700℃的溫度之后獲得的(溫度仍然大大低于固結(jié)溫度)。曲線110舉例說明在固化過程后，即，在孔徑結(jié)構(gòu)在1000℃到1050℃溫度燒結(jié)之后該角向光分布增加到2.11°。這就代表該角向分布特性整個增加大約66％。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于熱處理的收縮增加了該LSD的光學(xué)的質(zhì)量。所有LSD的組件，包括該光成型結(jié)構(gòu)或斑點(diǎn)，收縮相當(dāng)?shù)臄?shù)量。斑點(diǎn)的收縮造成成像增強(qiáng)。例如，如果在光刻成像過程形成的線條是100微米寬，其相應(yīng)的線條在最終產(chǎn)品中將是70微米寬。(應(yīng)該注意到，由于熱處理的收縮和成像增強(qiáng)，也發(fā)生在通過澆鑄生產(chǎn)的表面LSD中和表面和體積LSD中，如在上面的部分3描述以及如在下面部分5描述。)圖12是一個通過圖4工藝形成的體積LSD結(jié)構(gòu)的光刻成像，其中使用一個傳統(tǒng)的LSD次-模版用作接觸掩模，用來將圖像轉(zhuǎn)移到光敏性玻璃上，接著通過UV弧光燈曝光。圖13表示用一個激光兩極管作為照明光源的相同結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)-場照明圖像。該成像的結(jié)構(gòu)特征是范圍約10-50μm，處于完全無規(guī)的構(gòu)型中。
在圖4中上述的工藝的變換在于，向多孔玻璃涂布光敏劑而不是溶液。參照圖5，示意畫出了通過這一技術(shù)形成的體積LSD工藝方法，從步驟50，52，54，和56開始，其中在各方面與在上述部分2討論的堿性溶膠-凝膠過程相應(yīng)的步驟30，32，34，和36相同。形成的傳統(tǒng)的多孔溶膠-凝膠單片的玻璃在膠凝/老化過程結(jié)束。然后，在步驟58，把所合適的有機(jī)金屬光敏劑浸漬到多孔的玻璃中，例如，通過蒸氣沉積或溶液浸漬滲入約1-2小時。然后把一個含有想要的光成型結(jié)構(gòu)的底模版掩模放置在浸漬過的表面上，并在步驟60曝光，從而在該單片溶膠-凝膠玻璃結(jié)構(gòu)的曝光部分產(chǎn)生MO2分布。這一分布引起如上圖4所述的玻璃折射率的變化。然后在步驟62后處理該玻璃，按照上述方式在玻璃中定位固定光成型結(jié)構(gòu)，然后在步驟64按照常規(guī)方式進(jìn)行熱處理。
通過圖5的工藝形成的LSD的斑點(diǎn)分布與通過圖4的工藝形成的LSD斑點(diǎn)分布有些差異。通過在溶液中放置光敏劑形成的LSD在該玻璃的深度各處展現(xiàn)出均勻的斑點(diǎn)分布。通過在多孔的玻璃表面上沉積光敏劑形成的LSD展現(xiàn)出一種斑點(diǎn)密度梯度，隨著距玻璃入射表面距離的增加而斑點(diǎn)密度降低，這是因為在玻璃的入射表面光敏性增加，在入射表面感光劑的濃度較高。獲得的體積LSD呈現(xiàn)出折射率分布梯度。這一梯度折射率可用于某些透鏡。5.從可涂層的或可紡絲的溶膠-凝膠玻璃制造LSD從可涂層的或可紡絲的溶膠-凝膠玻璃生產(chǎn)想要的LSD也是可能的。與可澆鑄的溶膠-凝膠玻璃比較，可涂層的溶膠-凝膠玻璃通常認(rèn)為更適合于大量生產(chǎn)，因為它的膠凝/老化時間比可澆鑄的溶膠玻璃的膠凝/老化時間短得多(與可澆鑄的玻璃是兩個星期或更多相比，它只有幾小時)。參照圖6，在步驟70從溶液制備進(jìn)行一示例的涂層工藝(與上述制備步驟20相同)在步驟 72中混合。與上述2-4部分談到的澆鑄方法相比，涂布工藝要求較少的混合，因為涂層需要較低的粘度(10-20Cts)。然后通過已知的紡絲，浸漬，或旋轉(zhuǎn)涂布技術(shù)，在步驟74中把稍有粘性的溶液涂在傳統(tǒng)的玻璃基質(zhì)上，以此向該基質(zhì)的表面上沉積厚度大約10微米到100微米的薄膜層。然后，當(dāng)薄膜凝膠時，在步驟76把含有光成型結(jié)構(gòu)的塑膠LSD模版或底模版對著表面擠壓，在該薄膜層上直接壓印復(fù)制該光成型結(jié)構(gòu)。
然后按照步驟78所述將膜層加熱至約50℃經(jīng)過1-2小時，使光成型結(jié)構(gòu)原位固定，這樣膜層的玻璃便從凝膠相轉(zhuǎn)變到多孔玻璃相(這類似澆鑄方法中的老化步驟)。然后從玻璃上除去LSD模版，并將玻璃按照步驟79的普通方式進(jìn)行熱處理，而使玻璃固結(jié)成膜層形式。這種方法的變換方案是固結(jié)壓印和加熱步驟74和76，利用熱壓方法將LSD結(jié)構(gòu)施加于膜層上。
根據(jù)圖6所述的上述工藝生產(chǎn)面擴(kuò)散器。也可能在一種可涂層的或可紡絲的溶膠-玻璃中生產(chǎn)體擴(kuò)散器，例如，通過在圖7中示意畫出的一種光刻成像技術(shù)生產(chǎn)體積LSD。制備，混合，和涂布步驟(步驟80，82，和84)與圖6的工藝中相應(yīng)的步驟(步驟70，72，和74)相同，除了在混合步驟之前或之中向溶液中加入有機(jī)金屬光敏劑之外。步驟84的結(jié)果是生產(chǎn)一種基質(zhì)，在其上涂有一薄層光敏性溶膠-凝膠薄膜。然后把LSD底模版形式的掩模放到含薄膜-的表面上并在步驟86經(jīng)曝光處理，如在上面的部分3所述。然后移走掩模，并通過在步驟88加熱原位固定光成型結(jié)構(gòu)對玻璃進(jìn)行后處理。最后，在步驟89中通過熱處理固結(jié)LSD，如上述各實施方案那樣。
如果光敏層的厚度數(shù)量級與用來形成澆鑄LSD的模版表面上的光成型結(jié)構(gòu)深度在一個數(shù)量級，也可以通過一個相同的光刻過程生產(chǎn)具有表面LSD所有性能的LSD。
通過上述任一技術(shù)生產(chǎn)的單片玻璃LSD是多種多樣的高質(zhì)量的LSD，它們能在高溫下應(yīng)用，但傳統(tǒng)的塑膠LSD卻不能。玻璃LSD，不象塑膠LSD，能被用作激光器尤其是高功率激光器、UV激光器，紅外激光器，和近紅外線激光器的均化器。它們也可被用于產(chǎn)生大量熱的光學(xué)應(yīng)用中，例如投射器和汽車前燈。它們也可能替換一種竿積分器(rodintegrator)使用于電影投射器等等，的確比傳統(tǒng)的竿積分器更加有效得多(效率為90-96％，傳統(tǒng)的為20％)。另外，因為它們是由光學(xué)質(zhì)量玻璃形成的，其出射表面可以被研磨，拋光，或形成高品質(zhì)的彎曲透鏡--這是塑膠LSD所不具有的，或形成任一光學(xué)元件例如棱鏡或光束成型器。
對本發(fā)明可以做許多變化和修改，而不偏離其精神。在上面討論了一些改變的范圍。從待審批的權(quán)利要求書可以明白本發(fā)明其它改變的范圍。
權(quán)利要求
1.制造光成型擴(kuò)散器的方法，包括(A)從溶膠-凝膠材料的溶液形成單片氧化物玻璃；和(B)在單片氧化物玻璃中記錄光成型結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從溶液形成單片氧化物玻璃的步驟包括從金屬烷氧化物、水和溶劑制備溶液，然后通過使溶液經(jīng)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變形成凝膠，老化凝膠形成多孔玻璃，然后加熱多孔玻璃形成非-多孔的、固結(jié)的玻璃。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該制備步驟包括提供四乙基原硅酸鹽在乙醇中的前體溶液，用含1％HCl的水在室溫下部分水解該前體溶液60分鐘，從而產(chǎn)生一種部分水解的溶液，該形成步驟包括把部分水解的溶液在一個模版中澆鑄，然后老化部分水解的溶液形成凝膠，其中老化步驟包括老化凝膠至少1周，還包括熱處理多孔玻璃形成非多孔玻璃結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該記錄步驟包括1)在形成單片氧化物玻璃的過程中向溶膠-凝膠材料上施加光敏劑，從而使得單片氧化物玻璃具有光敏性，2)使光敏單片氧化物玻璃的所選部分曝光，在曝光部分形成金屬氧化物，該金屬氧化物與單片氧化物玻璃不可逆地結(jié)合，從而產(chǎn)生體積LSD。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該施加步驟包括在制備溶液的過程中將化學(xué)計量的光敏劑與溶膠-凝膠前體混合。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該施加步驟包括在老化步驟之后把光敏劑沉積到多孔玻璃上。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該記錄步驟包括在溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中向溶膠-凝膠材料上壓印光成型結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生表面LSD。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該壓印步驟包括在一個在其內(nèi)表面上含有光成型結(jié)構(gòu)的塑料模版中澆鑄該溶液。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該壓印步驟包括把一個在其表面上含有光成型結(jié)構(gòu)的塑料模版緊壓到把溶液涂布到基質(zhì)上形成的薄膜層上。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在溶形成凝膠之前，向基質(zhì)的至少一個表面上涂布一層溶液，其中老化步驟包括把該溶液加熱到70℃到120℃經(jīng)過4小時到7小時，記錄步驟包括把一個在其表面上含有光成型結(jié)構(gòu)的塑料LSD模版壓到該薄膜層上，從而產(chǎn)生表面LSD。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中通過熱壓使老化和壓印步驟同時進(jìn)行。
12.如權(quán)利要求2所述的方法，其中熱處理步驟包括加熱多孔玻璃至1000℃到1050℃之間以燒結(jié)玻璃。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中作為記錄步驟的結(jié)果，在光成型擴(kuò)散器的至少一個入射表面上形成光成型結(jié)構(gòu)，還包括在光成型擴(kuò)散器的出射表面上形成一個曲面，在出射表面生成三維透鏡。
14.一種制造光成型擴(kuò)散器的方法，包括(A)制備金屬烷氧化物、水、和溶劑的溶液；(B)向基質(zhì)上涂布一層溶液以產(chǎn)生基質(zhì)上的薄膜層；(C)使薄膜層經(jīng)受溶膠-到-凝膠的轉(zhuǎn)變；(D)在薄膜層的至少一部分記錄光成型結(jié)構(gòu)；(E)使凝膠老化，形成多孔玻璃；以及(F)熱處理多孔玻璃以形成非多孔固結(jié)玻璃。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中該溶液包括光敏劑，其中記錄步驟包括1)在薄膜層上放置一個掩模，掩模含有光成型結(jié)構(gòu)，然后2)使掩模曝光，在薄膜層曝光部分形成金屬氧化物，在薄膜層中該金屬氧化物與玻璃不可逆結(jié)合，從而在薄膜層中產(chǎn)生LSD。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中LSD是體積LSD。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中記錄步驟包括把含光成型結(jié)構(gòu)的模版緊壓到薄膜層上，從而在薄膜層上產(chǎn)生表面LSD。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中老化步驟包括加熱薄膜層至70℃到120℃之間，和其中壓印步驟和加熱步驟同時進(jìn)行。
19.一種制造光成型擴(kuò)散器的方法，其中包括(A)從金屬烷氧化物、水、和溶劑制備溶膠-凝膠材料的溶液；(B)向模版中澆鑄溶液；(C)使在模版中的溶液經(jīng)受溶膠-到-凝膠的轉(zhuǎn)變形成凝膠；(D)在溶膠-凝膠材料的至少一個表面上記錄光成型結(jié)構(gòu)；(E)使凝膠老化，形成多孔玻璃；(F)熱處理多孔溶膠以形成非多孔固結(jié)玻璃。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中記錄光成型結(jié)構(gòu)的記錄步驟包括1)在形成玻璃的過程中向溶膠-到-凝膠材料施加光敏劑，從而使玻璃具有光敏性，和2)使光敏玻璃的所選部分曝光，在曝光部分形成金屬氧化物，該金屬氧化物與玻璃不可逆結(jié)合，從而產(chǎn)生體積LSD。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中施加步驟包括在制備溶液的過程中將化學(xué)計量的光敏劑與溶膠-凝膠前體混合。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中施加步驟包括在老化步驟之后把光敏劑沉積到多孔玻璃上。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該記錄步驟包括在溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中向溶膠-凝膠材料上壓印光成型結(jié)構(gòu)，從而在玻璃上直接復(fù)制光成型結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生表面LSD。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中該壓印步驟包括在一個在其內(nèi)表面上含有光成型結(jié)構(gòu)的塑料模版中澆鑄該溶液。
25.一種通過權(quán)利要求1的工藝方法形成的產(chǎn)品。
26.一種通過權(quán)利要求14的工藝方法形成的產(chǎn)品。
27.一種通過權(quán)利要求19的工藝方法形成的產(chǎn)品。
28.一種包括光成型擴(kuò)散器的產(chǎn)品，其中光成型擴(kuò)散器的玻璃轉(zhuǎn)化溫度大于100℃。
29.一種權(quán)利要求28所述的產(chǎn)品，其中光成型擴(kuò)散器的玻璃轉(zhuǎn)化溫度大于150℃。
30.一種權(quán)利要求28所述的產(chǎn)品，其中光成型擴(kuò)散器的玻璃轉(zhuǎn)化溫度大于500℃。
31.一種權(quán)利要求28所述的產(chǎn)品，其中所述光成型擴(kuò)散器是一種只在其入射表面上有光成型結(jié)構(gòu)的表面擴(kuò)散器。
32.一種權(quán)利要求28所述的產(chǎn)品，其中所述光成型擴(kuò)散器是一種在其體內(nèi)有光成型結(jié)構(gòu)的體積擴(kuò)散器。
33.一種權(quán)利要求28所述的產(chǎn)品，其中所述光成型擴(kuò)散器的出射表面被彎曲形成一個三維透鏡。
全文摘要
一種從單片玻璃材料形成的全息光成型擴(kuò)散器(LSD),是在玻璃材料形成過程中通過在玻璃材料里記錄光成型結(jié)構(gòu)(有時統(tǒng)稱為“斑點(diǎn)”,尤其是當(dāng)該結(jié)構(gòu)延伸到擴(kuò)散器的內(nèi)部時)?？梢酝ㄟ^光成形結(jié)構(gòu)的光刻書寫或其他成像技術(shù)在光敏性玻璃材料中生產(chǎn)體積LSD?；蛘呤?通過成像技術(shù)或通過向高質(zhì)量光學(xué)玻璃上壓印光成型結(jié)構(gòu),或向涂布在基質(zhì)上的玻璃薄膜層上壓印光成型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)表面LSD。這兩種擴(kuò)散器都能控制傳輸光的角分散,同時均質(zhì)化不同的空間雜光源例如LCD和燈絲光源,并且維護(hù)損傷閥值與所有玻璃光學(xué)元件一致。該LSD從紫外波長經(jīng)自然光譜到近—紅外線的傳送效率超過90%。而且,因為該LSD是一個真正的玻璃,它能夠抵抗超過塑膠LSD的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和溫度,可以通過傳統(tǒng)的澆鑄、研磨、或拋光技術(shù)在一個凸面的或凹面中形成,并能通過熱涂布技術(shù)來涂層。LSD也有一個很高的激光功率域值。
文檔編號C03C17/02GK1269769SQ98808871
公開日2000年10月11日 申請日期1998年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月29日
發(fā)明者羅伯特·A·利伯曼, 埃德加·A·門多薩, 戴維·明策爾 申請人:物理光學(xué)公司