CN115677210B - 一种体散射匀光片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体散射匀光片，采用基片玻璃曝光制备，所述基片玻璃按照如下重量分数组分组成：SiO2 8～14％、B2O3 16～21％、ZnO 55～62％、Al2O3 2～11％、ZrF4 2～7％、Ag2CO3 0.3～2％，其制备过程包括：将各个组分按照重量配比混合均匀；将混合料转入坩埚中熔融，熔融温度介于1350～1420℃；在1200～1300℃下，将熔融状态的玻璃液倒入铝青铜模具内成形并迅速退火；最后将退火后的玻璃进行筛选，挑选无条纹部分进行切割、研磨、抛光，形成用于制备体散射匀光片的基片玻璃；本发明同时提供了根据上述基片玻璃制备体散射匀光片的方法；通过上述方式，本发明不仅对标准的高斯光束进行匀化，而且显著提升复杂光场的匀光效果。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种体散射匀光片及其制备方法。
背景技术
散射匀光片，又称为工程散射片，光线通过多次散射、折射的原理，把高斯光转化输出成能量分布均匀化的光斑，可直接插入光路使用，用于许多要求激光束在其工作轮廓上的强度均匀分布的场景，例如激光投影照明、激光加工、非接触式3D检测等，用于制作散射片的材料有表面经过不同颗粒度细砂研磨的毛玻璃、乳白玻璃。
毛玻璃散射片，采用石英玻璃或者光学玻璃制成均匀平板光学基片，然后利用机械研磨、表面喷砂或者氢氟酸溶蚀的方式，对其背光表面进行加工，使得表面变成磨砂状的光学元件，可以大角度范围扩散入射光，使得光强分布变得均匀；光强分布的均匀性与表面粗糙度密切相关，表面粗糙度越大，光强分布均匀性越好，但是同时存在一定的弊端，短波长光能量损失严重，光学透过率低。
乳白玻璃，又称漫散射玻璃，是通过在常规高透过率光学玻璃中加入氟化物，使得玻璃内部整体发生乳浊，该种玻璃具有良好的漫透射特性，扩散匀光效果比常规的单面毛玻璃效果好，可以用于制作光源匀光片及多种探测器的余弦校正片，乳白玻璃扩散匀光效果取决于氟化物乳浊剂颗粒在玻璃中的大小和均匀分布情况，在制作过程中颗粒均匀分布情况和大小难以控制，导致其对于复杂光场难以获得较好的匀光效果。
因此，亟待开发一款能够进一步提升复杂光场的匀光效果，同时能够方便制作和控制的匀光片产品制作工艺。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种体散射匀光片及其制备方法，不仅可以对标准的高斯光束进行匀化，而且能够显著提升复杂光场的匀光效果，同时使用方便。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种体散射匀光片，所述体散射匀光片采用基片玻璃曝光制备，所述基片玻璃按照如下重量分数的组分组成：SiO2 8～14％、B2O3 16～21％、ZnO 55～62％、Al2O3 2～11％、ZrF4 2～7％、Ag2CO3 0.3～2％。
优选的，所述基片玻璃按照上述重量分数进行制备的过程如下，
(1)首先，将上述各个组分按照重量百分比配置成混合料，置入球磨机中研磨混合均匀；
(2)其次，将第(1)步获得的混合料转入坩埚中进行熔融、澄清和均化，熔融温度介于1350～1420℃；
(3)然后，在1200～1300℃下，将熔融状态的玻璃液倒入铝青铜模具内成形，并迅速转入退火炉中进行退火；
(4)最后，将退火后的玻璃进行筛选，挑选无气泡、无条纹部分进行切割、研磨、抛光，形成用于制备体散射匀光片的基片玻璃。
优选的，上述第(2)步中熔融过程采用石英陶瓷坩埚和铂坩埚组合进行二次熔料的方式进行混合料的熔炼。
优选的，混合料的熔融过程分为两步，首先将混合料分批次加入到温度为1350～1420℃的石英陶瓷坩埚内，混合料熔化呈玻璃状态后转入1350～1420℃的铂坩埚内二次熔融。
优选的，上述第(3)步中将熔融状态的玻璃倒入铝青铜模具内前，对铝青铜模具进行预热至500℃。
本发明同时提供了一种体散射匀光片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将获得的基片玻璃在紫外光源下进行曝光；
(2)待曝光结束后，在玻璃软化温度上下进行热处理，在曝光剂量高区域形成的析晶颗粒密度大，在曝光剂量低的区域形成的析晶颗粒密度小，从而形成所需的体散射匀光片产品。
优选的，上述步骤(1)中曝光的光斑选择为高斯光束、紫外LED光束、或者均匀光斑紫外光束的任意一种。
优选的，所述曝光的光斑类型和待匀光光束类型一致。
优选的，上述第(2)步中热处理包括两个过程，首先在450～520℃的温度区间内进行热处理，然后在550～600℃的温度区间内再次进行热处理。
本发明的有益效果是：
本发明针对现有技术中散射匀光片存在的短波长光能量损失严重、光学透过率低、复杂光场难以获得好匀光效果的技术弊端，突破性的开发了一款利用光场曝光控制析晶体散射匀光片及其制备方法，利用该方法制备的体散射匀光片，不仅可以对标准的高斯光束进行匀光化，而且可以根据待匀光复杂光场的特定进行匀光片的设计，从而能够实现对复杂光场的匀光效果有显著提升，本体散射匀光片使用时可以直接插入光路，不需要放置在特定位置，使用方便，在LED光场的匀化方面具有非常重要的应用价值和技术推广价值。
附图说明
图1是本发明基片玻璃内部曝光辐照析晶和未曝光辐照未析晶的对比情况；
图2是本发明体散射匀光片对高斯光束的匀光效果示意图；
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1：
一种体散射匀光片，采用基片玻璃曝光制备，基片玻璃按照如下重量分数的组分组成：13.6％SiO2、17.5％B2O3、61.4％ZnO、2.6％Al2O3、4.2％ZrF4和0.7％Ag2CO3；
基片玻璃按照上述重量分数进行制备的过程如下：
(1)首先，将上述各个组分按照重量配比配置成混合料，置入球磨机中研磨混合均匀；
(2)其次，将第(1)步获得的混合料转入坩埚中进行熔融、澄清和均化，熔融温度为1400℃，为了避免混合料直接加入铂坩埚中Ag+离子还原成银原子损害铂坩埚，此混合料的熔融过程分为两步，首先将混合料按照熔融成玻璃液的情况分批次加入到1400℃的石英陶瓷坩埚内，混合料融化成玻璃状态后转入1400℃的铂坩埚中二次熔融，消除玻璃内部的气泡；
(3)然后，在1250℃下，将熔融状态的玻璃液倒入预热至500℃的铝青铜模具内成形，并迅速转入退火炉中进行退火；
(4)最后，将退火后的玻璃进行筛选，挑选无气泡、无条纹部分进行切割、研磨、抛光，形成用于制备体散射匀光片的基片玻璃。
实施例2：
一种体散射匀光片，采用基片玻璃曝光制备，基片玻璃按照如下重量分数的组分组成：8.8％SiO2、20.4％B2O3、57.2％ZnO、7.2％Al2O3、6.1％ZrF4和0.3％Ag2CO3；
基片玻璃按照上述重量分数进行制备的过程如下：
(1)首先，将上述各个组分按照重量百分比配置成混合料，置入球磨机中研磨混合均匀；
(2)其次，将第(1)步获得的混合料转入坩埚中进行熔融、澄清和均化，熔融温度为1380℃，为了避免混合料直接加入铂坩埚中Ag+离子还原成银原子损害铂坩埚，此混合料的熔融过程分为两步，首先将混合料按照熔融成玻璃液的情况分批次加入到1380℃的石英陶瓷坩埚内，混合料融化成玻璃状态后转入1380℃的铂坩埚中二次熔融，消除玻璃内部的气泡；
(3)然后，在1200℃下，将熔融状态的玻璃液倒入预热至500℃的铝青铜模具内成形，并迅速转入退火炉中进行退火；
(4)最后，将退火后的玻璃进行筛选，挑选无气泡、无条纹部分进行切割、研磨、抛光，形成用于制备体散射匀光片的基片玻璃.
实施例3：
一种体散射匀光片，采用基片玻璃曝光制备，基片玻璃按照如下重量分数的组分组成：8.9％SiO2、17.2％B2O3、60.4％ZnO、10.1％Al2O3、2.1％ZrF4和1.4％Ag2CO3；
基片玻璃按照上述重量分数进行制备的过程如下：
(1)首先，将上述各个组分按照重量百分比配置成混合料，置入球磨机中研磨混合均匀；
(2)其次，将第(1)步获得的混合料转入坩埚中进行熔融、澄清和均化，熔融温度为1420℃，为了避免混合料直接加入铂坩埚中Ag+离子还原成银原子损害铂坩埚，此混合料的熔融过程分为两步，首先将混合料按照熔融成玻璃液的情况分批次加入到1420℃的石英陶瓷坩埚内，混合料融化成玻璃状态后转入1420℃的铂坩埚中二次熔融，消除玻璃内部的气泡；
(3)然后，在1300℃下，将熔融状态的玻璃液倒入预热至500℃的铝青铜模具内成形，并迅速转入退火炉中进行退火；
(4)最后，将退火后的玻璃进行筛选，挑选无气泡、无条纹部分进行切割、研磨、抛光，形成用于制备体散射匀光片的基片玻璃。
根据上述实施例1获得的基片玻璃进行曝光，基片玻璃内部曝光部分和未曝光部分的析晶效果如图1所示，结晶颗粒的大小和密度随着曝光剂量变化，曝光剂量越大，结晶颗粒密度越大，曝光剂量越低，结晶颗粒密度越小，该基片玻璃的上下区域没有受到光辐照，则对应区域不会产生结晶颗粒，鉴于实施例1～实施例3对应基片玻璃的曝光情况差别不大，因此本发明仅提供实施例1对应的析晶效果。
为了直观的体现本发明中基片玻璃的析晶情况，本发明同样提供了一组基片玻璃配方作为对比，其重量组分按照SiO2 22％、B2O3 12％、ZnO 50％、Al2O3 15％、ZrF4 0.8％、Ag2CO3 0.2％，制备过程和上述实施例1的相同，在和上述采用同样的光辐照条件下，基片玻璃上没有任何析晶，呈初始透明状态。
实施例4：
按照上述实施例提供的基片玻璃在紫外光源下进行曝光，曝光的光斑可选择高斯光束、紫外LED光束、其他各种均匀光斑紫外光束的任意一种，体散射匀光片的效果和待匀光光束类型及曝光光斑的光场有关，其根据待匀光光束的类型进行曝光的光斑类型选择，比如：若待匀光光源为高斯光束，则选择紫外高斯光束进行曝光；若待匀光光源为LED光场，则选择紫外LED光束进行曝光；若待匀光光源为复杂光场，则选择均匀光斑紫外光束或者跟进光场情况进行定制的光束进行曝光。
待曝光结束后，在玻璃软化温度上下进行热处理，其运用的原理是，以基片玻璃配方中的Ag2CO3为光敏剂，采用紫外光曝光，Ag+感光形成Ag原子，通过450～520℃的温度区间内进行热处理，感光后形成的Ag原子和热处理形成的氟原子结合聚合成[Ag0·4mF0](m为整数)胶团，诱导晶相结构类似的ZrF4初晶相的产生，然后在550-600℃的温度区间下再次热处理可曝光区域可产生ZnSiO3结晶，结晶颗粒的大小和密度随着曝光剂量变化：曝光剂量越大，结晶颗粒密度越大，对光的散射能力越强；曝光剂量越低，结晶颗粒密度越小，对光的散射能力越弱，如果玻璃某部分区域没有受到紫外光辐照，则该区域不会产生结晶颗粒，则对入射光直接透射，不会产生散射作用。另外，结晶颗粒的大小和热处理温度密切相关，热处理温度越高，结晶颗粒越大，对光的散射能力越强，同时光的透射率也越低，因此需要根据待匀光光源的能量分布需要的结晶颗粒大小，选择合适的热处理温度值。
本发明即是利用了上述机理通过控制曝光剂量和热处理温度，从而控制结晶颗粒的密度和大小，实现不同发射角的匀光效果。
本发明在利用了实施例1提供的基片玻璃在紫外光源下进行曝光，曝光选用的是紫外高斯光束对基片玻璃进行曝光辐照，同时在500℃下进行一次热处理，进而在580℃下进行再次热处理，中间曝光剂量高，边缘曝光剂量低，使得中间析晶颗粒密度大，边缘颗粒密度小，形成体散射匀光片产品。
本发明利用该体散射匀光片产品进行匀光效果的验证，如图2所示，2为输入光，1为相应的输入光强度分布，可看出，输入光强度呈抛物线形式且能量峰的分布宽度较窄，3为本发明上述提供的体散射匀光片产品，输入光经过体散射匀光片时，体散射匀光片内部的结晶颗粒对光线进行散射，输入光存在明显的偏折，经过体散射匀光片散射后的输出光4，其对应的输出光能量分布如图中5所示，可看出输出光强度的能量峰宽度发生了明显的加宽，高斯光束中心能量高度部分在体散射匀光片中被中心析晶粒子散射到边缘，光束能量重新分布得到均匀化，同时由于制作体散射匀光片时其析晶颗粒分布是按照紫外辐照高斯光束的能量分布排布，因此析晶颗粒密度分布也是高斯分布，和待匀化高斯光束能量分布匹配，最终可以获得非常好的匀化效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种体散射匀光片，其特征在于：所述体散射匀光片采用基片玻璃曝光制备，所述基片玻璃按照如下重量分数的组分组成：SiO2 8~14%、B2O3 16~21%、ZnO 55~62%、Al2O3 2~11%、ZrF4 2~7%、Ag2CO3 0.3~2%。
2.根据权利要求1所述的一种体散射匀光片，其特征在于：所述基片玻璃按照上述重量分数进行制备的过程如下，
（1）首先，将上述各个组分按照重量百分比配置成混合料，置入球磨机中研磨混合均匀；
（2）其次，将第（1）步获得的混合料转入坩埚中进行熔融、澄清和均化，熔融温度介于1350~1420℃；
（3）然后，在1200~1300℃下，将熔融状态的玻璃液倒入铝青铜模具内成形，并迅速转入退火炉中进行退火；
（4）最后，将退火后的玻璃进行筛选，挑选无气泡、无条纹部分进行切割、研磨、抛光，形成用于制备体散射匀光片的基片玻璃。
3.根据权利要求2所述的一种体散射匀光片，其特征在于：上述第（2）步中熔融过程采用石英陶瓷坩埚和铂坩埚组合进行二次熔料的方式进行混合料的熔炼。
4.根据权利要求3所述的一种体散射匀光片，其特征在于：混合料的熔融过程分为两步，首先将混合料分批次加入到温度为1350~1420℃的石英陶瓷坩埚内，混合料熔化呈玻璃状态后转入1350~1420℃的铂坩埚内二次熔融。
5.根据权利要求2所述的一种体散射匀光片，其特征在于：上述第（3）步中将熔融状态的玻璃倒入铝青铜模具内前，对铝青铜模具进行预热至500℃。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的一种体散射匀光片的制备方法，包括如下步骤：
（1）将获得的基片玻璃在紫外光源下进行曝光；
（2）待曝光结束后，在玻璃软化温度上下进行热处理，在曝光剂量高区域形成的析晶颗粒密度大，在曝光剂量低的区域形成的析晶颗粒密度小，从而形成所需的体散射匀光片产品。
7.根据权利要求6所述的一种体散射匀光片的制备方法，其特征在于：上述步骤（1）中曝光的光斑选择为高斯光束、紫外LED光束、或者均匀光斑紫外光束的任意一种。
8.根据权利要求7所述的一种体散射匀光片的制备方法，其特征在于：所述曝光的光斑类型和待匀光光束类型一致。
9.根据权利要求6所述的一种体散射匀光片的制备方法，其特征在于：上述第（2）步中热处理包括两个过程，首先在450~520℃的温度区间内进行热处理，然后在550~600℃的温度区间内再次进行热处理。
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