CN1141088A - 制造锥形的光聚合波导阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造锥形的光聚合波导阵列的方法。该锥形波导可用于直视和投影式显示装置。在步骤(a)中，将具有不透明区和透明区的光掩模置于与基底牢固接触的位置。在步骤(b)中，在基底上放置一层厚度基本上均匀的可光聚合混合物，使基底位于可光聚合混合物和光掩模之间，其中(i)可光聚合混合物包含至少一种活性单体和光引发剂，(ii)光引发剂的用量足以在其后的步骤(c)中沿可光聚合混合物的整个厚度形成基本上准直的光化辐射梯度。在步骤(c)中，将可光聚合混合物和基底相对于与基本上准直的光化辐射保持在实际上固定的平面上，通过光掩模透明区用基本上准直的光化辐射使可光聚合混合物曝光，曝光时间足以形成光聚合的锥形波导阵列。其中(i)各波导的锥形端自基底向外延伸(ii)各波导有邻近基底的光输入表面和远离光输入表面的光输出表面，(iii)各波导的光输入表面的面积大于光输出表面的面积。在步骤(d)中，从基底上除去光掩模和在步骤(c)中未被基本上准直的光化辐射聚合的可光聚合混合物。

Description

制造锥形的光聚合波导阵列的方法
                          发明背景
本发明涉及制造锥形的光聚合波导阵列的方法。
波导，在本领域中也称为光传输装置或光导，可用于显示装置中，例如投影显示装置，屏外显示装置和直视显示器。参见美国专利3,218,924和3,279,314(Miller)和美国专利4,767,186(Bradley，Jr.等)。这些显示器的用途广泛，包括计算机终端、飞机座舱显示器、汽车仪表盘、电视和其它提供文本、图表及视频信息的装置。
制造显示装置用的波导的方法是已知的。例如，美国专利3,218,924、3,279，314和4，767,186提到采用已知的方法和条形压塑法、注塑法、挤压法、热辊轧法、铸造法以及光聚合法可以制造投影屏幕。美国专利3,767,445介绍了一种制造集成的光波导的方法，其中要制造一个其表面可与所要求的均一横截面波导的形状相匹配的模具，用此模具对透明的塑料基底压纹，再用高折射率的材料涂覆压纹的基底。
美国专利5,230,990提到一种方法，用来制造在其整个芯长上具有均匀截面的传输光芯的光波导阵列。首先通过光掩模使光致抗蚀剂层曝光，从而形成抗蚀剂母模，然后将曝光的区域溶解，对未曝光的区域加热，形成平行的多排半圆形突起物。将抗蚀剂加热直至熔化，液体的表面张力使其收缩成一系列半园形横截面的线或半球形小珠。因而，用此方法只能得到半圆形的沟纹和半球形的点。然后由抗蚀剂母模形成压模，作法是，在抗蚀剂母模上溅射一层导电薄膜，形成金属母模，随后在金属母模上形成一层金属薄膜，从而形成具有平行的多排半园形突起物的压模。此压模可用于形成光波导阵列，其作法是使压模上的低折射率物质曝光，取下固化层，在固化层的半园形沟槽中置入高折射率物质，并使该高折射率物质固化，在此高折射率物质上放置低折射率物质并使其固化。此外，还可参看美国专利4,902,086、5,113,471和5,136,678。
1991年10月31日公开的日本公开特许公告245106提到一种制造光学基底板的方法，基底板上装有一些高折射率波导，其横截面在整个波导长度上是均一的，各波导之间由低折射率的物质隔开。光学板的制造是将高折射率的光敏树脂置于基底上，用透氧性低的薄片盖住光敏树脂，通过光掩模和上述透氧性低的薄片使光敏树脂受到紫外光的照射，从而形成均一横截面的波导。将未曝光的树脂和低透氧性薄片移除，并在波导周围放置低折射率物质。
该245106的方法是不理想的，因为用其制得的波导在用于显示器时会有对比度低和目视色度随视角变化而改变的缺点。为了在波导的输入端实现良好的聚光，它们必须象公开特许245106中所述在输入端紧密地压实。因为横截面是均匀的，所以这种紧密压实的排列沿着波导的长度方向在整个光学板上一直保持下去。这就造成了在显影阶段从壁区除掉未曝光物质的困难，并且在板的输出端没有为加入改进对比度用的物质提供空间。另外，横截面均匀的波导不增大通过它的光的角分布。如共同转让的美国专利申请序列号86,414(1993年7月1日提交)所指出，通常都非常希望波导能造成这种角分布的增加。
制造均匀横截面的光波导的其它方法公开在美国专利4,783,136和5,138,687、欧洲专利公报357396(1990年3月7日公布)、日本公开特许公告24121(1993年2月2日公布)和119203(1993年5月18日公布)中。
美国专利4,712,854提出了做成适合于连接到光导纤维上的光波导的两种方法。第一种方法包括沿光聚合物质的深度方向形成折射率分布的第一个紫外光曝光步骤和沿其宽度方向形成折射率分布的第二紫外光曝光步骤，以便形成与渐变折射率型光导纤维具有良好匹配特性的光波导。这种方法有缺点，因为它需要两次紫外光曝光步骤。此外，没有凸纹图象形成，而且波导是由连续的聚合物膜内的较高折射率区构成或由几个这种膜的层压件构成。因此，光波导的传播严格地局限于该膜的平面，决不会垂直于膜平面传播。
1986年9月19日公布的日本公开特许公告42241提出了一种制造光导阵列的方法，其作法是，使基底通过一个装有单体溶液的容器移动，同时使溶液经过光掩模受到紫外光曝光，于是在基底上形成横截面均匀的光导坯体。在此过程中，经曝光的单体溶液位于基底和光掩模之间，而光掩模位于紫外光和单体溶液之间。在曝光期间，基底垂直地离开光源移动。然后从容器中取出基底，在棒状的波导坯体周围倒入低折射率物质并使其固化。为形成锥形光导坯体，在光掩模和单体溶液之间放置一个透镜并移动透镜，以此改变掩模影象的放大倍数，从而使光导坯体沿着远离基底朝透镜、光掩模和紫外光方向逐渐变尖。这种复杂的移动光掩模和透镜的系统使得此方法使用不便。另外，此方法不能制造其中的相邻坯体光输入表面之间的中心距与光输出表面之间的中心距基本上相等的锥形光导坯体。因此，阵列的输入和输出表面的面积不相等。锥形端处的阵列面积按着各个元件的缩小比例的平方减小，这可从日本公开特许公报42241的图中清楚地看出。因此，此方法不能用来制作用于诸如液晶显示器(LCD)的显示装置的锥形波导阵列，因为缩小显示器的尺寸是非常不符合要求的。另外，通过移动透镜而形成的阵列中各个元件的横截面是不均一的。靠近透镜系统光轴的那些元件与外在阵列周边的元件的横截面分布不同。这一效应也清楚地显示在日本特许公开42241的图中。结果，阵列中的各个元件的光学性质不均一，这种不均一性会降低显示器系统中的图像质量因而是非常不符合要求的。
因此，工艺上需要一种简单的方法来制造性能改进的锥形光聚合的波导阵列。
                          发明概要
我们开发了一种制造锥形的光聚合波导阵列的方法，该方法在工艺上可满足上述要求。在步骤(a)中，将光掩模置于与基底牢固接触的位置，光掩模中有不透明区和透明区。在步骤(b)中，在该基底上放置一层厚度基本上均匀的可光聚合的混合物，使基底位于可光聚合的混合物和光掩模之间，其中(i)可光聚合的混合物包含至少一种活性单体和光引发剂，(ii)光引发剂的用量足以在其后的步骤(c)中沿可光聚合的混合物的整个厚度形成基本上准直的光化辐射梯度。在步骤(c)中，将可光聚合混合物和基底保持在相对于基本上准直的光化辐射基本上固定的平面上，同时，通过光掩模的透明区使可光聚合的混合物受到基本上准直的光化辐射曝光，曝光时间足以形成光聚合的锥形波导阵列，其中(i)各波导的锥形端从基底向外延伸，(ii)各波导均有一个邻近基底的光输入表面和一个远离光输入表面的光输出表面，(iii)各波导的光输入表面的面积大于其光输出表面的面积。在步骤(d)中，从基底上除去光掩模和实际上未在步骤(c)中被基本上准直的光化辐射所聚合的可光聚合混合物。
在另一实施方案中，在步骤(a)里，将厚度基本上均匀的可光聚合混合物放在光掩模上，其中(i)光掩模有不透明区和透明区，(ii)可光聚合混合物包含至少一种活性单体和光引发剂，(iii)光引发剂的用量足以在其后的步骤(b)中沿可光聚合混合物的整个厚度形成基本上准直的光化辐射梯度。在步骤(b)中将可光聚合混合物与光掩模保持在相对于基本上准直的光化辐射基本上固定的平面上，同时，通过光掩模的透明区使可光聚合混合物受到基本上准直的光化辐射曝光，曝光时间足以形成锥形的光聚合波导，其中(i)各波导的锥形端由光掩模向外延伸，(ii)各波导均有一个邻近光掩模的光输入表面和远离光输入表面的光输出表面，(iii)各波导的光输入表面的面积大于其光输出表面的面积。在步骤(c)中，从光掩模上除去在步骤(b)中实际上未被基本上准直的光化辐射所聚合的可光聚合混合物。
与日本公开特许公报42241的方法不同，本发明的方法很方便，因为在曝光期间不需要移动可光聚合的混合物或一种复杂的透镜系统来制造锥形光导。更重要的是，这种锥形波导阵列的输入与输出表面的面积基本上不变，而且在很大程度上与各个波导的锥度无关。另外，每个单独的波导基本上相同，无论它在阵列中的位置如何，都会使整个阵列具有均匀的光学性质。
根据下面的叙述、附图和所附权利要求，本发明的其它优点将是显而易见的。
                      附图的简要说明
图1表示用来实施本发明方法的基底。
图2是用来实施本发明方法的光掩模的侧视图，图2A是光掩模的顶视图。
图3是图1的基底与图2的光掩模的组合。
图4表示带有用来实施本发明方法的可光聚合物质的图3组合件。
图5表示图4和一块用来实施本发明方法的盖板。
图6表示图5组合件受到基本上准直的光曝光。
图7表示除去光掩模和盖板之后的图6组合件。
图8表示从图7组合件中除去未曝光的可光聚合物质。
图9表示由图8得到的组合件。
图9A表示由本发明方法的另一实施方案得到的组合件。
图10表示图9组合件的泛射光的曝光。
图11是用本发明方法制得的具有笔直侧壁的锥形波导阵列的分解断面图。
图12是用本发明方法制得的具有矩形截面的锥形波导阵列的透视图。
图13是用本发明方法制得的具有圆形截面的锥形波导阵列的透视图。
图14是用本发明方法制得的具有笔直侧壁的单个锥形波导的断面图。
图15是用本发明方法制得的具有弯曲侧壁的锥形波导阵列的分解断面图。
图16是用本发明方法制得的锥形波导阵列，其中在各波导之间的间隙中包含一种吸收光的黑色颗粒状物质。
图17是用本发明方法制得的锥形波导阵列，其中波导阵列的输出表面上盖着一个透明保护层。
图18是用本发明方法制得的锥形波导阵列，其中波导阵列的输出表面上盖着一个包含透镜阵列的透明保护层。
                     优选实施方案的描述
本领域技术人员参照上述附图将能更好地理解本发明的优选实施方案。附图中说明的本发明的优选实施方案并不认为是包罗一切的，也不是要将本发明限制在所公开的刻板的形式。选择这些附图是为了对本发明的原理及其用途和实际应用作出描叙或最佳解释。从而使熟悉本工艺的其它人员能最好地利用本发明。
图1所示的波导基底2可用于实施本发明的方法。波导基底2包括基底4和任选的粘结促进层6。基底4至少对波长范围为约400nm到约700nm的光是透明的，因为这一可见光波长区是欲形成的光波导的最理想的工作区。更优选的是基底4还可透过约250nm到约400nm的紫外光，因为这是很多有效的光引发剂吸收光的区域。另外，如果希望在约700nm至约2000nm的近红外区使用锥形波导阵列，则最好使用在这一区域也透光的基底4。基底4的折射率可在约1.45到约1.65的范围。最优选的折射率可在约1.50到约1.60。基底4可以由任何透明的固体材料制成。优选的材料有市售商品，包括透明的聚合物、玻璃和熔凝石英玻璃。适用的透明聚合物包括聚酯、聚丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯和聚碳酸酯。期望这些材料具备的特性包括在显示装置的典型操作温度下的机械和光学的稳定性。与玻璃相比，透明聚合物具有结构柔性的附加优点，这使它能制成大片材的产品，然后根据需要切割和层压。用作基底4的优选材料是玻璃和聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯。基底4的厚度可以在很大范围内变化。最好是，基底4的厚度优选为约1密耳(0.001英寸或25微米)至约10密耳(0.01英寸或250微米)。
粘结促进层6最好是一种有机材料，它能透光，又能使在其上形成的波导、尤其是由例如光交联的丙烯酸酯单体材料的聚合物所制成的波导牢固地粘结在基底4上。这类物质是本领域技术人员所熟悉的，有市售产品，这里不作详述。例如，如果基底4是玻璃而波导是由丙烯酸酯单体材料形成，则合适的粘结促进层6可由玻璃表面与某些类型的硅烷化合物，包括甲基丙烯酸3-(三甲氧甲硅烷基)丙酯、3-丙烯酰氧基丙基三氯硅烷和三甲基甲硅烷基丙基甲基丙烯酸酯反应而形成。如果基底4是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)且波导是由例如丙烯酸酯单体材料形成，则粘结促进层6可以采用经过粘结处理的PET膜，例如Hostaphan-4500(Hoechst-Celanese)。如果基底4是乳液涂布的，而波导例如，是由丙烯酸酯单体材料形成，则粘结促进层6可以由3-丙烯酰氧基丙基三氯硅烷(Hüls America A0396)构成。粘结促进层6的厚度可在很广的范围内变化。通常，粘结促进层6的厚度与在终端应用，例如常规的直视平板显示装置中使用的相同。在本发明的优选实施方案中，粘结促进层6的厚度小于约1微米。如果断定波导与裸基底4的粘结是充分的，则可以省去粘结层6。
图2所示的光掩模8可用于实施本发明的方法。光掩模8控制紫外光的空间轮廓，即紫外光在该处照射在可光聚合物质层上。光掩模8包括透明的基底10，在它的一个表面上有不透明区12和透明区14，从而使射向光掩模8的辐射只照射在所希望的可光聚合物质的区域上。如图2A所示，光掩模8有一个不透明区12和透明区14的图案，它包括所要求的锥形波导阵列的图案。图2A的图案是很多可用图案中的一个，仅供图示说明之用。在本发明范围内可以采用很多其它的透明与不透明区图案。市售的光掩模可以用于本发明的方法中。
在本发明第一实施方案的第一步骤，如图3所示将光掩模8置于与波导基底2牢固接触的位置，这里所用的“牢固接触”一词是指光掩模8和波导基底2在本发明方法的其余阶段中不会分离。任何已知的用以保持两个基底间牢固接触的方法均可用于此处。例如，可以在光掩模8和波导基底2之间放置一种液体，例如异丙醇、甲醇或水，然后可以用橡皮辊将光掩模8与波导基底2压合在一起。其它已知的保持两个基底之间牢固接触的方法包括机械夹紧、真空接触、静电接触和其它能实现开路接触(off-contact)或接近式曝光、软接触曝光(soft-contact printing)及扫描的方法。
在本发明第一实施方案的第二步骤，在波导基底上放置一层厚度基本均匀的可光聚合的混合物，以便使波导基底位于可光聚合混合物与光掩模之间，其中可光聚合混合物包含一种活性单体或这类单体的混合物，以及光引发剂或这类光引发剂的混合物，而且光引发剂的用量足以在其后的步骤中沿整个可光聚合混合物的厚度形成基本上准直的紫外光辐射梯度。任何已知的将厚度基本上均匀的可光聚合物质放置在基底上的方法均可用于本发明。这里所说的“厚度基本上均匀”是指在整个混合物区域中厚度的变化小于约10％，更优选小于约5％。正如后面要详细解释的，可光聚合混合物的厚度是所要求的锥形的光聚合波导的最终长度，它本身又由穿过波导输入表面的最短横向距离决定。任选锥形的光聚合波导的长度或可光聚合混合物的厚度为约1μm至约4000μm，更优选为约15μm至约1600μm，最优选为约50μm至约400μm。
放置厚度基本上均匀的可光聚合物质层的方法包括旋转涂布、辊涂、刮涂、用狭缝补缀涂布以及挤压涂布等。图4和5说明了另一种方法。在波导基底2上放置定距片16。定距片16的高度等于所要求的锥形的光聚合波导的最终长度。然后在波导基底2上放置可光聚合混合物18，使得波导基底2位于可光聚合混合物18和光掩模8之间。
可光聚合物质18包括两种基本组分。第一种基本组分是可光聚合的单体，尤其是能形成透明固体聚合物材料的烯属不饱和单体。优选的固体聚合物材料的折射率在约1.45至约1.65之间，包括市售的商品聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯以及由丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体经光聚合形成的聚合物。更优选的材料的折射率在约1.50至1.60之间，且它包括由尿烷丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、(聚)乙二醇丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯组成的丙烯酸酯单体混合物和含乙烯基的有机单体经过光聚合形成的聚合物。为了对组合物的性质，例如交联密度、粘度、粘结性、固化速度和折射率作精细调节和减小由组合物产生的光聚合物的变色、开裂和脱层的现象，在可光聚合混合物中使用单体混合物是有益的。
适用的更优选的单体实例包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸2-(乙基己基)酯(EHA)、丙烯酸异癸酯、丙烯酸2-(羟乙基)酯、丙烯酸2-(羟丙基)酯、丙烯酸环己酯(CHA)、1，4-丁二醇二丙烯酸酯、乙氧基化的双酚A二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯(NPGDA)、二甘醇二丙烯酸酯(DEGDA)、二甘醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)、1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)、季戊四醇四丙烯酸酯(PETTA)、丙烯酸苯氧基乙酯(PEA)、丙烯酸β-羟乙基酯(β-CEA)、丙烯酸异冰片酯(IBOA)、丙烯酸四氢糠酯(THFFA)、丙二醇单丙烯酸酯(MPPGA)、丙烯酸2-(2-乙氧乙氧基)乙酯(EOEOEA)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、1，6-己二醇二甲基丙烯酸酯(HDDMA)、三甘醇二丙烯酸酯(TEGDA)或二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)、四甘醇二丙烯酸酯(TTEGDA)或二甲基丙烯酸酯(TTEGDMA)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)或二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)、二丙二醇二丙烯酸酯(DPGDA)、三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)、乙氧基化的新戊二醇二丙烯酸酯(NPEOGDA)、丙氧基化的新戊二醇二丙烯酸酯(NPPOGDA)、脂族二丙烯酸酯(ADA)、烷氧基化的脂族二丙烯酸酯(AADA)、脂族碳酸酯二丙烯酸酯(ACDA)、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TMPTMA)、乙氧基化的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPEOTA)、丙氧基化的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPPOTA)、甘油基丙氧基化的三丙烯酸酯(GPTA)、三(2-羟乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯(THEICTA)、二季戊四醇五丙烯酸酯(DPEPA)、二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯(DTMPTTA)和烷氧基化的四丙烯酸酯(ATTA)。
特别适用的混合物是其中至少一种单体是多官能单体，例如二丙烯酸酯或三丙烯酸酯，因为它们能在反应生成的光聚合物中形成网状交联结构。用于本发明方法的优选的物质是由乙氧基化双酚A二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的光聚合混合物形成的交联聚合物。这些最优选的物质的折射率在约1.53至约1.56的范围内。透明固体材料的折射率不一定需要在整个波导元件内都是均一的。造成折射率存在不均一性，例如条纹、散射颗粒或畴，可能会有好处，因为这些不均一性可以进一步加大从波导阵列输出光的发散度。
可光聚合的物质所含单体量可以在很大范围内变化。单体的量或单体混合物的总量常为可光聚合物质重量的约60-99.8％，优选可光聚合物质重量的约80-99％，更优选为可光聚合物质重量的约85-99％。
可光聚合物质18中包括一种光引发剂作为另一基本组分，它被光化辐射活化形成活性物质，引起单体的光聚合。光引发剂体系包含一种光引发剂，最好还有一种常规的敏化剂将光谱响应扩展到具有光谱实用性的范围，例如近紫外光谱区和对于激光激发和很多常见的光学材料能透射的可见光谱区。光引发剂通常是一种经光化射线活化而产生自由基加成聚合引发剂，而且最好在室温或更低的温度下(例如约20℃至约25℃)是热钝性的。
说明这类引发剂的实例在美国专利4,943,112及其引用文献中作了介绍。优选的自由基引发剂是1-羟基-环己基-苯基酮(Irgacure 184)、苯偶姻、苯偶姻乙醚、苯偶姻异丙醚、二苯甲酮、benzidimethyl ketal(Irgacure 651)、α，α-二乙氧基苯乙酮、α，α-二甲氧基-α-羟基苯乙酮(Darocur 1173)、1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙烷-1-酮(Darocur 2959)、2-甲基-1-[4-甲硫基)苯基]-2-吗啉代-丙烷-1-酮(Irgacure 907)、2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉代苯基)丁烷-1-酮(Irgacure 369)、聚{1-[4-(1-甲基乙烯基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙烷-1-酮}(Esacure KIP)、[4-(4-甲基苯硫代)苯基]苯基甲酮(Quantacure BMS)、二莰醌、50％的1-羟基环己基苯基酮和50％的二苯甲酮(Irgacure 500)。
更优选的光引发剂包括benzidimethyl ketal(Irgacure 651)、α，α-二乙氧基苯乙酮、α，α-二甲氧基-α-羟基苯乙酮(Darocur 1173)、1-羟基-环己基-苯基酮(Irgacure 184)、1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙烷-1-酮(Darocur 2959)、2-甲基-1-4-(甲基硫代)苯基]-2-吗啉代-丙烷-1-酮(Irgacure 907)、2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉代苯基)丁烷-1-酮(Irgacure 369)，以及50％的1-羟基环己基苯基酮和50％二苯甲酮(Irgacure 500)。最优选的光引发剂是那些在辐照下不会发黄、而且按照ASTM D 1544-80的规定在190℃下暴露24小时后组合物颜色的增加不超过Gardner颜色标度数值8。这些光引发剂包括benzidimethyl ketal(Irgacure 651)、α，α-二甲氧基-α-羟基苯乙酮(Darocur 1173)、1-羟基-环己基-苯基酮(Irgacure 184)、1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙烷-1-酮(Darocur 2959)以及50％1-羟基环己基苯基酮和50％二苯甲酮(Irgacure 500)。
在其后的步骤中为了沿可光聚合混合物18的整个厚度形成基本上准直的紫外光梯度，必需的光引发剂用量占可光聚合物质总重量的约0.1％到约12％。优选的光引发剂的用量占可光聚合物质重量的约0.5-12％，而更优选的用量占可光聚合物质重量的0.5-8％。已经知道，所要求的准直光梯度不仅受光引发剂浓度的影响，而且还受曝光光源中存在的辐射波长选择的影响，它们可由本领域的技术人员控制。
除了基本组分以外，可光聚合物质中还可以包括各种任选组分，例如稳定剂、抑制剂、增塑剂、荧光增白剂、脱模剂、链转移剂以及其它可光聚合的单体等。
可光聚合的物质最好含有一种可防止或减少降解的稳定剂，这种降解将导致光聚合物的性能变差，例如按照ASTM D 4538-90A的规定，在190℃于空气中加热老化24小时后，发生开裂和层离，以及在这样加热老化后，光聚合物变黄(按ASTM D 1544-80测定，其颜色超过Gardner颜色标度数值8)。这类稳定剂包括紫外吸收剂、光稳定剂和抗氧化剂。
紫外吸收剂包括羟基苯基苯并三唑类，例如2-[2-羟基-3，5-二(1，1-二甲基苄基)苯基]-2-H-苯并三唑(Tinuvin 900)、聚(氧-1，2-乙烷二基)、α-(3-(3-(2H-苯并三唑-2-基)-5-(1，1-二甲基乙基)-4-羟苯基)-1-氧丙基)-ω-羟基(Tinuvin1130)和2-[2-羟基-3，5-二(1，1-二甲基丙基)苯基]-2-H-苯并三唑(Tiruvin 238)；以及羟基二苯甲酮类，例如4-甲氧基-2-羟基二苯甲酮和4-正辛氧基-2-羟基二苯甲酮。光稳定剂，包括位阻胺，例如4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、4-羟基-1，2，2，6，6-五甲基哌啶、4-苯甲酰氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶、双(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯(Tinuvin 770)、双(1，2，2，6，6-五甲基-4-哌啶基)癸二酸酯(Tinuvin 292)、双(1，2，2，6，6-五甲基-4-哌啶基)-2-正丁基-2-(3，5-二叔丁基-4-羟基苄基)丙二酸酯(Tinuvin 144)和琥珀酸与N-β-羟基-乙基-2，2，6，6-四甲基-4-羟基哌啶的聚酯(Tinuvin 622)。抗氧化剂，包括取代的酚，例如1，3，5-三甲基-2，4，6-三(3，5-二叔丁基)-4-羟基苄基)苯、1，1，3-三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基)苯基)丁烷、4，4′-亚丁基双(6-叔丁基-3-甲基)苯酚、4，4′-硫代二(6-叔丁基-3-甲基)苯酚、三(3，5-二叔丁基-4-羟基苄基)异氰脲酸酯、十六烷基-3，5-二叔丁基-4-羟基苯(Cyasorb UV 2908)、3，5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸、1，3，5-三(叔丁基-3-羟基-2，6-二甲基苄基)(Cyasorb 1790)、硬脂酰-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯(Irganox 1076)、季戊四醇四(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)(Irganox 1010)和硫代二亚乙基双(3，5-二叔丁基-4-羟基)氢化肉桂酸酯(Irganox 1035)。
优选用于本发明的稳定剂是抗氧化剂。优选的抗氧化剂选自取代的酚，例如1，3，5-三甲基-2，4，6-三(3，5-二叔丁基)-4-羟基苄基)苯、1，1，3-三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷、4，4′-亚丁基-双(6-叔丁基-3-甲基)苯酚、4，4′-硫代双(6-叔丁基-3-甲基)苯酚、三-(3，5-二叔丁基-4-羟基苄基)异氰脲酸酯、十六烷基-3，5-二叔丁基-4-羟基苯(Cyasorb UV 2908)、3，5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸、1，3，5-三叔丁基-3-羟基-2，6-二甲基苄基(Cyasorb 1790)、硬脂酰-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯(Irganox 1076)、季戊四醇四(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)(Irganox 1010)和硫代二亚乙基-双(3，5-二叔丁基-4-羟基)氢化肉桂酸酯(Irganox 1035)。最优选的稳定剂包括季戊四醇四(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)(Irganox 1010)和硫代二亚乙基-双(3，5-二叔丁基-4-羟基)氢化肉桂酸酯(Irganox 1035)和硬脂酰-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯(Irganox 1076)。
组合物中的稳定剂的用置可以在很大范围内变化，通常为可光聚合物质重量的约0.1-10％。稳定剂的优选用量为可光聚合物质重量的约0.1-5％，更优选的用量为可光聚合物质重量的约0.2-3％。
然后将盖板20放在可光聚合的混合物18上，并向下压，直到它与定距片16接触，如图5所示。盖板20包括盖板基底22和防粘层24。盖板基底22可以由例如玻璃、石英、熔凝石英玻璃、聚合物片材或金属片材的任一种材料制成。防粘层24可以是氟化聚合物，例如Teflon AC、聚硅氧烷、或是一种未经处理的聚合物膜，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯。
在本发明的另一实施方案中，不使用波导基底2，可光聚合的物质18直接放在光掩模8上(未示出)。
在本发明这两个实施方案的下一步骤中，在保持可光聚合的混合物与基本上准直的紫外光实际上处于相对静止的同时，使可光聚合的混合物通过光掩模的透明区经受基本上准直的紫外光的曝光，曝光时间足以形成锥形的光聚合波导，其中：(i)各波导的锥形端从基底或光掩模向外延伸，(ii)各波导均有与基底或光掩模相邻的光输入表面和远离光输入表面的光输出表面，和(iii)各波导的光输入表面的面积大于光输出表面的面积。如图6所示，然后将图5的组合件用基本上准直的光化辐射26曝光。这里所用的“基本上准直”一词是指从光源发出的光与曝光系统的光轴的偏离不超过10°。
可光聚合物质要在所需波长和光强的光化辐射下曝光达到所要求的时间。这里所用的“光化辐射”一词定义为可见、紫外或红外光谱区内的光，以及电子束、离子或中子束或X-射线的辐射。光化辐射可用不相干光或是相干光，例如激光器发出的光。
光化辐射的光源以及曝光的步骤、时间、波长和强度等可在很广的范围内变化，这取决于所要求的聚合度、光聚合物的折射率以及本领域普通技术人员所熟悉的其它因素。常规的光聚合方法及其操作参数在本领域是众所周知的。参见例如S.P.Pappas编写的“Radiation Curing：Science andTechnology”，Plenum Press，New York，NY；D.R.Randell编写的“Radiation Curing of Polymers，II”，Royal Society ofChemistry，Cambridge，Mass；和C.E.Hoyle与J.F.Kristle编写的“Radiation Curing of Polymeric Materials”，American ChemicalSociety。因此，这里将不予详述。
光化辐射源和辐射波长可以在很大范围内变化，任何常规的波长和辐射源均可使用。最好是用较短波长(或高能)的辐射进行光化学激发，以便在加工前暴露于通常遇到的辐射(例如室内光)时不会使可光聚合物质过早聚合。因此，优选用紫外光(波长300-400nm)和远紫外光(190-300nm)曝光。适宜的光源是高压氙灯或汞-氙弧灯，并配以合适的滤光器以选择加工所要求的波长。另外，短波长的相干辐射也可用于实施本发明。按“UV”模式在接近350nm的几个波长下工作的氩离子激光器是理想的光源。再有，输出接近257nm波长的倍频氩离子激光器也是理想的。也可以使用电子束或离子束激发。最优选的光化辐射是波长为300-400nm的紫外光，例如由汞灯、氙灯或汞-氙灯产生的紫外光。
基本上准直的光化辐射26穿过光掩模8的透明区14，并在可光聚合混合物18的曝光区域28内引起光聚合反应，该区域如图6所示与光掩模8的透明区域14对准。被光掩模8的不透明区12遮挡，而未受基本上准直的光化辐射26照射的可光聚合混合物18的区域，没有或者在某些情形下只有有限的光化反应发生。
为了使曝光区域28具有适当的锥形形状，可光聚合混合物18在紫外光波长下的光吸收必须高到足以在光化辐射曝光的过程中在整个膜内能形成光化辐射强度的梯度。也就是说，可光聚合混合物18内可用来引发光反应的光化辐射量，会由于可光聚合混合物18的一定的吸收作用而从光掩模8一边向盖板一边减少。这种光化辐射梯度使得沿可光聚合混合物18的整个厚度发生的光聚合反应量形成梯度变化，这就使所开发的波导结构具有独特的锥形几何形状，这是用本发明方法容易实现的一种几何形状。
沿可光聚合混合物18的整个厚度发生的光聚反应量的梯度变化可进一步受可光聚合混合物18内存在的溶解氧的影响，这些氧起着减少或抑制光聚合反应的作用，只有全部氧均被光聚合过程中产生的自由基耗尽的那些区域除外。溶解氧对光聚合反应进程的这种影响是本领域技术人员所熟知的。另外，光聚合物结构所必需的几何形状可以进一步受自聚焦过程影响。即，照射在最靠近光掩模8的可光聚合混合物18表面上的光引发该表面上的光聚合反应，因为固化的聚合物材料的折射率比液态单体的高，所以它起着使透过它的光发生折射的作用。按这种方式，照射在可光聚合混合物层的靠近盖板一边上的光的空间图象由于靠近光掩模处的已经聚合的物质造成的折射而改变。这一作用会使最终形成的聚合结构从成象光所射向的光掩模一侧朝着盖板20方向变窄。
在本发明这两个实施方案的最后步骤中，将在曝光步骤中未受到基本上准直的光化辐射曝光的可光聚合混合物除去。如图7所示除去光掩模8、定距片16和带有防粘层24的盖板20。在图8所示的容器32中用合适的溶剂30例如丙酮、甲醇或异丙醇将未反应的单体洗掉，在波导基底2上留下已光聚合区域28的图案。根据所选用的单体，有可能使用水基溶剂。在本发明第一种实施方案中留下的最终结构由图9所示的波导基底2上的已光聚合区域28组成。在本发明的另一实施方案中，如图9A所示，在光掩模8上留下已光聚合区域28的图案。包含光聚合的锥形波导28阵列的最终结构可以如图10所示接受任选的紫外光34后形成的泛射光曝光，以便使光聚合物材料进一步硬化。
在一条间歇式工业生产线中，光掩模和基底(如果使用的话)可在第一工序接触。然后将此组合件推进到准直紫外光源所在的第二工序。在基底或光掩模上放置可光聚合的混合物，通过光掩模的透明区用基本上准直的光化辐射使其曝光。随后将曝光过的组合件推进到第三工序，在那里将光掩模和未曝光的可光聚合混合物除掉。
在一条连续式工业生产线中，可以将可光聚合的混合物挤压在柔性基底和柔性盖板(未画出)之间。然后使该组合件在两个辊之间穿过，其中一个辊中含有其上带有不透明区和透明区的光掩模，辊内装有光化辐射源。于是通过光掩模的透明区用基本上准直的光化辐射使可光聚合混合物曝光。接着从曝过光的组合件上除掉盖板，曝光过的组合件围绕另一个辊前进穿过溶剂浴，以除去未曝光的混合物。
图11表示由图10所示的光聚合锥形波导28的阵列制成的图象显示装置36的分解断面图。该图象显示装置36由基底4，粘结促进层6和锥形波导28的阵列构成。锥形波导28具有光输入表面38、光输出表面40和侧壁42，彼此被折射率低于波导折射率的空隙区44隔开。各锥形波导28的输入表面38与粘结促进层6相邻接，其表面积大于各波导28的输出表面积40，这就造成了锥形结构，锥形波导28的结构和定位是至关重要的。
如图11所示，各锥形波导28的光输入表面38的面积大于其光输出表面40的面积，而且阵列中相邻波导28的光输入表面38之间的中心距等于或者基本上等于它们的光输出表面40之间的中心距，于是由波导28的光输出表面40发出的光的角分布大于进入波导28的输入表面38的光的角分布。为了使由调制装置，例如LCD(未示出)形成的图象的清晰度在通过图象显示装置36时不致于恶化，优选相邻波导28的光输入表面38的中心距等于或者小于调制装置相邻像素之间的中心距。在图11中，侧壁42示为直线。但是，侧壁42的形状可以是直的或弯曲的。
锥形波导28在与图象显示装置36平行的平面内的横截面可以是任何形状，其中包括方形、矩形、任意的等边多边形、圆形或椭圆形。图12示出由矩形横截面的锥形波导28构成的阵列的透视图。图13示出由圆形横截面的锥形波导28构成的阵列的类似透视图。整个波导28的形状实例包括正圆锥、正椭圆锥、正方形棱锥和正矩形棱锥，其中任何一种均可为完整的或截头的。
锥形波导28的阵列的光学性质，即，对比度和色度随视角改变的变化，均由各个波导28的形状、尺寸和物理排列所决定。在图11中，相邻波导28的光输入表面38的中心距与相邻波导28的光输出表面40的中心距相等或基本上相等。因此，自光输入表面38处进入阵列的光学图象在穿过阵列后既不放大、也不缩小。
示于图11、12和13阵列中的锥形光波导28是由折射率高于波导间空隙区44的透明固体物质构成的。穿过光输入表面38(示于图11中)进入波导28的光线，随后以大于临界角(根据Snell定律定义)的角度入射到波导的侧壁42上，它在侧壁42上发生一次或多次全内反射，在大多数情况下穿过光输出表面40由波导28出射。可能有少许光线穿过侧壁42或者反射回到光输入表面38。锥形波导28的工作功能与透镜的区别在于，透镜不能利用全内反射。
因为波导28呈锥形，致使光输出表面40的面积小于光输入表面38的面积，所以从光输出表面40发射出的光的角分布将大于进入光输入表面38的光的角分布。放置在调制装置输出表面处的具有锥形波导28的阵列的图像显示装置36，将会改变调制装置输出光的角分布，从而使调制装置发出的图像可以在较大的角度下收看。各波导28的光输出表面40的面积优选为光输入表面38的面积的约1-60％。更优选的是光输出表面40的面积为光输入表面38的面积的约3-40％。最优选的是光输出表面40的面积为光输入表面38的面积的约4-20％。
为了使图象显示装置36具有高的总光通量，所有波导的光输入表面38的面积之和优选大于阵列基底4的总面积的40％。更优选图象显示装置36中所有波导光输入表面38的面积之和大于阵列的基底4的总面积的60％。最优选图象显示装置36中所有波导的光输入表面38的面积之和大于阵列基底4的总面积的80％。
锥形波导28之间的空隙区44的折射率必须小于锥形波导28的折射率。空隙区的优选物质包括折射率为1.00的空气和折射率为约1.30至约1.40的含氟聚合物。最优选的物质是空气。
图14示出一个单独的锥形波导28，它有光输入表面38、光输出表面40和笔直的侧壁42。如将图中锥形的直侧壁42延伸直到它们相交，则形成锥角46。所要求的锥角46的值是约2°到约14°锥角46的更优选值是约4°-12°，锥角45的最优选值是约6°至约10°。
锥形波导28的长度48取决于横跨波导光输入表面38的最短横向距离50的尺寸。例如，如果光输入表面38的形状为方形，尺寸50就是正方形一边的长度。如果光输入表面38的形状为矩形，则尺寸50就是矩形两边中短边的长度。尺寸50的具体数值可以随调制装置的相邻像素之间的中心距而在很大范围内变化。为了使由调制装置形成的图象的清晰度不致变差，尺寸50应当等于或小于调制装置相邻像素之间的中心距。例如，如果调制装置中相邻像素之间的中心距为200μm，则尺寸50一般是在约5μm至约200μm的范围内，更优选约15μm至约200μm，最优选约25μm至约100μm。
一旦尺寸50被选定，则长度48可用长度48与尺寸50之比来表示。长度48与尺寸50之比可在很广的范围内变化，这取决于希望从光输出表面40发出的光的角分布比进入输入表面38的光的角分布增加到何种程度。通常长度48与尺寸50之比为约0.25至约20。更优选长度48与尺寸50之比为约1到约8。最优选长度48与尺寸50之比为约2至约4。
图15示出本发明的另一实施方案。图象显示装置36由基底4、粘结促进层6和各个锥形波导28组成。波导28具有弯曲的侧壁52而不是图11中所示的直侧壁。光输出表面54和光输入表面56的面积之间的优选关系与先前对具有直侧壁的锥形波导28所述的优选关系相同。具体地说，各波导28的光输出表面54的面积优选为光输入表面56的面积的约1-60％。更优选光输出表面54的面积为光输入表面56的面积的约3-40％。最优选光输出表面54的面积为光输入表面56的面积的约4-20％。
图16示出本发明的一种优选的实施方案，其中在锥形波导28之间的空隙区44内充满了一种吸光性物质，例如吸光的黑色颗粒状物58。通过在空隙区44中使用吸光物质，直视式显示装置具有较高的对比度，而且反射到观看者的背景光较少。最好是在空隙区44使用吸光性颗粒58而不是连续的黑色物质，以便减小黑色物质与波导侧壁42相接触的面积。空隙区44内的连续的黑色物质会使通过波导28的光发生过多的吸收损失。可以使用任何吸光性物质形成吸光的黑色颗粒58。可通过黑色鉴别这些物质。
适用的吸光性黑色颗粒物质包括灯黑碳粉、碳黑和调色剂的混合物、碳黑和含氟聚合物的混合物。注视光聚合的锥形波导阵列的光输出边时，吸光性黑色颗粒物使阵列呈现无光泽的深黑色，并提供了良好的透光性，而且反射极少。
在一项实施方案中，利用一种其中含有吸光性黑色颗粒物的低折射率聚合物将吸光性黑色颗粒物58限制在波导28之间的空隙区44中。可以制备吸光性颗粒物的悬浮液或乳状液。在这种情形下，黑色颗粒的载体材料的折射率最好小于各锥形波导的折射率。这种低折射率的填充物使通过锥形波导传播的光得以发生全内反射(TIR)。更优选填充物的折射率比优选的锥形波导材料的折射率至少小0.1单位。最优选该折射率比优选的锥形波导材料的折射率小0.2单位以上。例如，可以用无定形聚四氟乙烯(例如杜邦公司的Teflon AF)和灯黑碳粉在溶剂中的悬浮液涂覆在光聚合的锥形波导阵列上。然后蒸发掉溶剂，聚四氟乙烯可起光学缓冲剂的作用。在另一实例中，可以使用含氟聚合物和灯黑碳粉在水中的乳状液。在又一实例中，可以使用低折射率的氟化聚氨酯树脂和灯黑碳粉的混合物。这种吸光性黑色颗粒混合物通常利用加热或红外线固化，固化后可用抛光法清洁表面。
图17为本发明的另一实施方案，其中在锥形波导28的输出端加了保护层60。保护层60防止波导28的输出表面受到机械损伤，还起着将吸光颗粒物58限制在波导28之间的空隙区44中的作用。保护层60可以是挤压或层压的保护涂层。也可以在用吸光黑颗粒物58填充空隙区44之前将保护层涂覆到波导28的输出表面上。保护层60由一种透明的衬底材料62，例如用于形成基底4的材料和任选的但最好是使用防反射的薄膜64构成，该薄膜由例如氟化镁的材料构成，它可减少背景光线自图象显示装置36处的镜面反射。防反射涂层也可以直接蒸发在锥形波导28的光输出端和空隙区44上。适用的防反射涂层的实例是在共同转让的美国专利5,061,769、5,118,579、5,139,879和5,178,955(Aharoni等)中提到的含氟聚合物。
在图18中图示说明了本发明的一项实施方案，其中使用包含负透镜阵列68的保护层66。每个透镜68都在基底70上形成并且与锥形波导28的光输出端40对准，透镜68由折射率小于保护涂层72的物质构成。在图像显示装置36中加入负透镜阵列的好处是所形成的显示器将增大视角。
用本发明方法制造的锥形波导阵列可以在共同转让的美国专利申请序列号86,414(1993年7月1日提交)中的直视式平面显示装置中作为图像显示装置使用，该申请在本文中引用作为参考。这类显示装置可用于计算机终端、电视机、飞机座舱显示器、汽车仪表盘和其它提供文字、图表或视频信息的装置中。此外，用本发明方法制造的锥形波导可以用来改变或改进其它信息显示装置的光学特性，这些装置包括路标、阴极射线管(CRT)显示器、正面不带电的显示器和不属于平板装置类的其它的文字、图表或视频信息显示装置，或者用来改变或改进照明系统的亮度或光学特性。
在另一种用于工业生产的方法中，可以使用上述的光化学制造方法小规模地制造锥形波导母模。然后可以用这种锥形波导母模制造锥形波导的反模。制造这种锥形波导反模的方法是本领域技术人员所熟知的(例如参见Michael T.Gale等“Continuous-relief Diffractive Optical Elements forTwo dimensional Array Generation”，Applied Optics，V32，No.14，p.2526，1993)。通常，模具由化学沉积的镍金属制成。由这一模具可以制造出其它的金属模具。每个相继生成的模具具有与其前一模具相反极性的图形。随后可以进行锥形波导的制造，即用一种可光聚合的混合物充满与母模具有相反极性图形的模具，并用光化辐射使该混合物曝光。将所形成的结构从模具中分离出来，它是原始锥形波导母模的基本上准确的复制器。这种复制的结构可以作成独立式的，也可以在聚合之前将这一种基底，例如，玻璃或聚酯薄膜施加到可光聚合的混合物和模具上，将复制的结构建立在基底上。根据要制造的波导阵列的准确尺寸和生产规模来决定使用由模塑技术制得的复制品。现在可以将这一方法中所述的后续步骤用于原始的或复制的锥形波导阵列。
举出以下具体的实施例来具体说明本发明，但绝不应理解为是对本发明的限制。
                          实施例1
在薄的塑料膜上实现锥形波导阵列的制造是最理想的，因为它薄而且便宜。使用光刻法制成的带有二维网格的掩模(5″×5″×0.09″)，网格由在50μm中心距上的宽45μm的透明正方形构成。正方形之间的5μm宽的空间不透紫外光和可见辐射。在此掩模滴加几滴甲醇，然后压上100μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜。此PET薄膜用一种超薄膜表面处理技术制成，这使它对聚合的单体溶液具有活性并可以粘结。这类表面活化的薄膜是本领域技术人员已知的。甲醇的表面张力使薄膜柔软然而能牢固地粘附在掩模上。掩模和表面活化的PET薄膜构成了阵列基底的子组合件。
利用压敏性粘合剂在一块单独的5″×5″×0.25″的空白玻璃板上粘上PET薄膜。这构成防粘膜的子组合件。将防粘膜子组合件膜面朝上放在一个带有螺孔的黑色金属平台上。在防粘膜顶面边缘周围放置1cm×3cm×200μm厚的一些金属定距片。将约1mL的可光聚合的单体溶液倒在防粘膜的中心。此单体溶液由62份乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、31份三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1份季戊四醇四(3，5-二叔丁基-4-羟苯基)(Irganox 1010)抗氧化剂、2份α，α-二甲氧基-α-羟基苯乙酮(Darocur 1173)光引发剂、2份benzidimethyl ketal(Irgacure 651)光引发剂和2份50％1-羟基环己基苯基酮和50％二苯甲酮(Irgacure 500)光引发剂构成。然后将阵列基底子组合件以PET薄膜面朝下的方式放在单体溶液的顶上。在整个制作的组合件的顶上放置一块5″×5″×0.25″的透明玻璃板，使用金属夹和螺钉将这些板充分而均匀地压在一起，形成一个夹在防粘膜与阵列基底之间的200微米厚的单体溶液层。
此时将整个制作的组合件置于紫外/可见(UV-vis)辐射曝光系统的准直透镜之下。该UV-vis系统包括一个1000瓦的汞—氙灯，以85mW/cm2的强度向制作的组合件整个5英寸×5英寸面积上施加平稳、准直和均匀的全光谱辐射。该样品被辐射0.76秒。然后将制作的组合件拆开，现在形成了带有锥形光波导阵列的PET薄膜，但在元件的空隙区仍覆盖着单体溶液，将其顶面朝下地放在异丙醇浴中10分钟。异丙醇对单体是一种相当差的溶剂，但它是有益的，因为它使得光波导元件的反射壁面能够均匀而柔和地形成。在除去残留的单体之后，将锥形光波导放入用氮气吹扫净的箱内在氮气流中干燥，再用UV-vis辐射20秒使其牢固地固化。
使用电子显微镜和光学显微镜鉴定锥形光波导。观察到各个光波导具有截头正方棱锥的形状。各元件高200μm。光波导的较小的输出表面的宽度为20μm。反射侧壁很光滑，在输出表面之下160μm的深处连接在一起。波导的输入表面位于100μm厚的PET阵列基底与……的界面处，输入表面的宽度为50μm，但正如所说明的，本实施例中各输入表面是完全融合在一起的。因而光波导的锥角是12°。
                         实施例II
以上述的实施例I作为起点，将锥形光波导用灯黑碳粉(一种吸光物质)充分覆盖。灯黑粉末的平均粒径远小于光波导的尺寸50μm。然后用一种软器械，在此情形下用带手套的手指，将粉末仔细地平整到锥形光波导阵列的空隙区。用同一器械除掉多余的粉末。此光波导很坚固，以致于能将灯黑散开而不造成可见的损伤。在锥形波导阵列的输出边观看时，灯黑使得此阵列呈现无光泽的黑色。可见的变黑的表面积百分数经测定为85％。
使一束具有高斯模形和6°全发散角的氦氖激光穿过锥形光波导阵列，测定透光率。当光由波导的光输入边向光输出边传播时，透光率为60％。
在一个单独的锥形光波导阵列上进行另一实验。此阵列的一半充满了灯黑粉，另一半充满黑色液体环氧树脂。在环氧树脂干燥后，比较了两个样品。当由光输入边观看时，阵列中充满灯黑的区域似乎透光很好，该阵列由光输入端向光输出端的透光率显示为60％。阵列中充满黑色环氧树脂的区域在由光输入边观看时透光率似乎小得多，而该阵列由光输入边向光输出边的透光率显示为约15％。这表明吸光物质的选择对于使光能够顺利地穿过锥形波导阵列而传播是很关键的。在吸光物质是灯黑粉的情况下，粉末只与波导侧壁的一小部分表面积直接接触，并使全内反射现象无阻碍地进行。光进入波导的输入端，从波导的侧壁反射回来，经由输出表面射出，以这种方式穿过波导。当吸光物质是黑色的环氧树脂时，其折射率与反射侧壁相匹配，结果使光偶合穿过侧壁，并被吸光物质吸收。
                          实施例III
以上述的实施例II作为起点。将空隙区用灯黑粉充满的锥形光波导阵列与一片带有压敏胶的PET薄膜层压在一起。压敏胶与光波导输出表面形成折射率相匹配的界面。波导阵列如上述实施例II中一样仍然显示出60％的透光率。锥形光波导阵列现在配备上了保护层，即使洗涤，弯曲和装运均不会损伤波导，也不会造成粉末状吸光物质的损失。
                          实施例IV
以上述实施例II作为起点，将空隙区填满灯黑粉的锥形光波导与一片通常用来层压身份证的热活化的塑料叠层薄膜层压在一起。此叠层薄膜与光波导的输出表面形成折射率相匹配的界面。波导阵列如上述实施例II一样仍然显示透光率为60％。锥形波导阵列现在配备了一个保护层，经洗涤、弯曲和装运均不会损伤波导，也不会造成粉末状吸光物质的损失。
                          实施例V
以上述实施例IV为起点。当由光输出表面观察时，层压的保护膜提供了一个连续的空气-塑料界面，它使来自观察者后面的光反射回到观察者的眼中。将该实施例的制件覆盖上一层与上述实施例I中所用的相同可光聚合单体溶液。然后在阵列和单体溶液的顶面上放置一片带有防反射涂层的玻璃板。在用UV-vis辐射将单体溶液固化之后，带有层压塑料保护膜以及防反射涂层玻璃板的锥形光波导阵列看起来要黑得多。这是由于反射到观察者眼中的杂散光减少的缘故。
                          实施例VI
以上述的实施例IV作为起点，将保护了的带有黑色吸光物质的锥形光波导阵列置于氦氖激光束的前方，该激光束具有高斯模式和6°的全发散角。激光光束由光输入边传播到光输出边，然后在被转换成宽的图纹的弥散型视屏上观察光输出。用捕获视频画面的测量装置和计算机软件分析这种图纹。分析表明，这种锥形光波导阵列使光被转换成以中心激光束光点为中心的宽的输出花纹。由于使用单一的激光束和波导的几何形状，输出花纹中包含4重对称性和8个大致等强度的光点。最大光点强度区域的全角分布为40°。锥形波导阵列的整个输出图纹显示出在大约60°的全角度内光输出强度的变化相对平滑地减小，即使该激光束输入的发散角只有6°。
朗伯漫射器可以作为试验锥形光波导的绝对显示特性的对象。将与激光光束共线传播的光的强度规一化成1。在40°的全角时，锥形光波导阵列提供了理想的朗伯漫射器光强的50％。在60°的全角时，锥形波导阵列提供了理想的朗伯漫射器强度的17％。应该指出，朗伯漫射器是按照强散射机制工作的，它只将入射到一个表面上的光的47％向前方传送。
                        实施例VII
以实施例1作为起点。将5份灯黑碳粉(Degussa Corporation)和20份Fluorolink-T、80份Fluorolink-B(Ausimont Corporation)和0.005份硬化剂二月桂酸二丁基锡混合制成黑色填充混合物。这种氟化聚氨酯混合物的折射率比光聚合物锥形波导的折射率约小0.2单位。然后将此混合物用柔软的器械施加到锥形波导阵列的空隙区，在此情况下是用带手套的手指。用同样的器械将多余物去掉，并用吸墨纸擦净。锥的顶面看起来没有黑色混合物。将空隙区内装满黑色填充混合物的锥形光波导阵列在50℃的炉内固化2小时。
在锥形波导阵列的输出边观看，黑色填充混合物使阵列呈现无光泽的暗黑色。可见的变黑表面积经测定为85％。
用具有高斯模形和6°全发散角的氦氖激光光束射过锥形光波导阵列进行了透光率测定。当光由波导的光输入边朝向光输出边传播时，透光率为57％。

Claims (10)

1.一种方法，其中包括以下步骤：
(a)将光掩模置于与基底牢固接触的位置，其中，所述光掩模具有不透明区和透明区；
(b)在所述基底上放置一层厚度基本上均匀的可光聚合的混合物，以便使该基底位于可光聚合的混合物与光掩模之间，其中：
    (i)所述可光聚合混合物包含至少一种活性单体和光引发剂，并且
    (ii)所述光引发剂的用量足以在其后的步骤(c)中沿可光聚合混合物的整个厚度形成基本上准直的光化辐射梯度；
(c)将所述可光聚合混合物与基底保持在相对于基本上准直的光化辐射实际上固定的平面上，同时，通过光掩模的透明区使所述可光聚合的混合物受到基本上准直的光化辐射曝光，曝光时间足以形成锥形的光聚合波导阵列，其中：
    (i)所述各波导的锥形端从该基底向外延伸，
    (ii)所述各波导均有一个邻近该基底的光输入表面和一个远离该光输入表面的光输出表面，并且
    (iii)所述各波导的光输入表面的面积大于其光输出表面的面积；并且
(d)从所述基底上除去光掩模和在步骤(c)中实际上未被基本上准直的光化辐射聚合的可光聚合混合物。
2.权利要求1的方法，其中在步骤(b)之后，在所述厚度基本均匀的可光聚合混合物上放置一块盖板。
3.权利要求1的方法，其中还包括：
(e)将吸收光的材料涂覆在所述锥形的光聚合波导阵列上。
4.权利要求1的方法，其中所述光化辐射是紫外光。
5.权利要求1的方法，其中所述单体选自甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2-(乙基己基)酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸2-(羟乙基)酯、丙烯酸2-(羟丙基)酯、丙烯酸环己酯、1，4-丁二醇二丙烯酸酯、乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、二甘醇二丙烯酸酯、二甘醇二甲基丙烯酸酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯及其混合物。
6.权利要求1的方法，其中所述的单体是乙氧基化双酚A二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的混合物。
7.权利要求1的方法，其中所述的光引发剂选自benzidimethyl ketal、α，α-二乙氧基苯乙酮、α，α-二甲氧基-α-羟基苯乙酮、50％1-羟基环己基苯基酮和50％二苯甲酮、l-羟基-环己基-苯基酮、1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙烷-1-酮、2-甲基-1-[4-(甲硫基)苯基]-2-吗啉代-丙烷-1-酮和2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉代苯基)丁烷-1-酮。
8.权利要求1的方法，其中所述的光引发剂选自benzidimethyl ketal、α，α-二甲氧基-α-羟基苯乙酮、50％1-羟基环己基苯基酮和50％二苯甲酮、1-羟基环己基苯基酮、以及1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙烷-1-酮。
9.权利要求1的方法，其中所述光引发剂的用量占可光聚合混合物总重量的约0.5％至约12％。
10.权利要求1的方法，其中所述光引发剂的用量占可光聚合混合物总重量的约0.5％至约8％。
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