CN116635338A - 具有减小的总厚度变化的玻璃片的制造方法 - Google Patents

具有减小的总厚度变化的玻璃片的制造方法 Download PDF

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Abstract

玻璃片的制造方法包括：(a)形成纵向取向的玻璃带，其作为时间的函数向下移动，玻璃带具有大致面向相反方向的第一主表面和第二主表面以及布置在第一与第二主表面之间的芯部；(b)当玻璃带向下移动时，使得玻璃带穿过相邻的第一升温区，其使得第一主表面液化同时芯部的温度保持低于软化温度；以及(c)在玻璃带移动到低于第一升温区之后，从玻璃带分离玻璃片。玻璃带穿过相邻的第一升温区减小了总厚度变化、表面粗糙度以及玻璃带的其他表面缺陷。

Description

具有减小的总厚度变化的玻璃片的制造方法
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119，要求2020年12月18日提交的美国临时申请系列第63/127,330号的优先权权益，本文以其内容作为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本公开内容涉及具有可接受的总厚度变化的玻璃片及其制造方法，通过使得玻璃带穿过相邻的一个或多个升温区来降低分离得到玻璃片的玻璃带的厚度变化。
背景技术
增强现实系统向系统用户所观察到的真实视觉场景添加了计算机生产的影像。增强现实系统通常包括光学系统，其构造成在允许对物体或场景进行观察的同时，向直接观察到的真实物体或场景添加计算机生成的影像。光学系统可以采用会由高折射率玻璃制造的光导将计算机生成的图像投射到用户的视域。光导几何形貌的偏差会降低通过光导引导并呈现给用户的图像质量。例如，应该使得光导的总厚度变化最小化以实现输出高质量图像。
实现具有可接受的总厚度变化的光导的一种工艺是铸造高折射率玻璃的梨形物(boule)，将梨形物锯切成多个晶片，以及对晶片进行研磨和抛光或者对晶片进行再加热从而使得它们变平。然而，这些工艺是昂贵且耗时的。此外，对晶片进行再加热会导致玻璃的失透。
除此之外，熔融工艺无法与高折射率玻璃组合物相兼容，因为与此类玻璃组合物相关的液相线粘度过低(例如，1至100泊)。
发明内容
对于本公开内容，尝试下拉玻璃带成形工艺来形成高折射率玻璃的片材。在下拉玻璃带成形工艺中，熔融玻璃引入到成形体中(例如，相对辊之间的夹缝中)。然后，熔融玻璃下拉成玻璃带。玻璃带的下拉使得玻璃带变薄(attenuate)(即，降低了玻璃带的厚度)。在玻璃带冷却之后，从带材连续分离玻璃片。下拉带材成形工艺相比于上文所述的从梨状物形成晶片然后研磨和抛光的工艺具有更低的成本。
然后，发现存在问题。成形体向玻璃带中引入了玻璃带的后续变薄中没有减小的厚度变化。例如，相比于玻璃芯部，成形体优先使得玻璃在位于成形体的顶部的铺展区域中的主表面冷却，导致主表面处被称作“冷褶皱”的波动。曾经假定玻璃带的变薄会降低厚度变化。然而，模型和实验证实变薄没有降低厚度变化，并且在一些情况下，加剧了厚度变化。
本公开内容通过对玻璃带进行热处理从而在从玻璃带分离得到玻璃片之前使得玻璃带的一个或多个主表面液化来解决该问题。玻璃带的一个或多个主表面的液化降低了厚度变化。这种改进实现了以更经济的方式将成形-拉制工艺用于形成高折射率玻璃片材。
根据本公开内容的第1个方面，玻璃片的制造方法包括：(a)形成纵向取向的玻璃带，其作为时间的函数向下移动，玻璃带具有大致面向相反方向的第一主表面和第二主表面以及布置在第一与第二主表面之间的芯部；(b)当玻璃带向下移动时，使得玻璃带穿过相邻的第一升温区，其将第一主表面的温度提升到足以使得第一主表面液化同时芯部的温度保持低于软化温度；以及(c)在玻璃带移动到低于第一升温区之后，从玻璃带分离玻璃片。
根据本公开内容的第2个方面，第1个方面，其中，在(b)过程中，第一主表面的粘度减小以及玻璃带的总厚度变化减小。
根据本公开内容的第3个方面，第2个方面，其中，在(b)与(c)之间以及在总厚度变化减小之后，第一主表面的温度和芯部的温度移动至更接近平衡，玻璃带的有效粘度减小，以及玻璃带的厚度减小。
根据本公开内容的第4个方面，第1至第3个方面中任一项的方法还包括：在(a)之前，将熔融玻璃传递到一对相对成形辊之间的夹缝；其中，形成纵向取向的玻璃带包括使得该对成形辊转动将传递到夹缝的熔融玻璃辊制成玻璃带。
根据本公开内容的第5个方面，第1至第4个方面中任一项的方法还包括：在(b)之后且在(c)之前，用牵拉辊对玻璃带进行向下牵拉。
根据本公开内容的第6个方面，第5个方面，其中，用牵拉辊对玻璃带进行牵拉降低了玻璃带在第一主表面与第二主表面之间的厚度。
根据本公开内容的第7个方面，第1至第6个方面中任一项的方法还包括：在(b)之后且在(c)之前，测量玻璃带在第一主表面与第二主表面之间的厚度。
根据本公开内容的第8个方面，第1至第7个方面中的任一项，其中，分离得到的玻璃片的第一主表面具有小于500nm的表面粗糙度(Ra)。
根据本公开内容的第9个方面，第1至第8个方面中的任一项，其中，从玻璃带分离得到的玻璃片具有小于5μm的总厚度变化。
根据本公开内容的第10个方面，第1至第9个方面中的任一项，其中，从玻璃带分离得到的玻璃片所具有的总厚度变化是步骤(b)之前的玻璃带的总厚度变化的50％或更小。
根据本公开内容的第11个方面，第1至第10个方面中的任一项，其中，(a)之后但是(b)之前的玻璃带具有第一主表面与第二主表面之间的3mm至5mm的厚度。
根据本公开内容的第12个方面，第1至第11个方面中的任一项，其中，(b)之后的玻璃带具有第一主表面与第二主表面之间的至少1.5mm的厚度。
根据本公开内容的第13个方面，第1至第12个方面中的任一项，其中，在(b)与(c)之间，玻璃带所具有的第一主表面与第二主表面之间的厚度是减小的。
根据本公开内容的第14个方面，第1至第13个方面中的任一项，其中，提升第一主表面的温度包括在第一主表面引导火焰。
根据第15个方面，第14个方面，其中：(i)水平取向的线式燃烧器在第一主表面引导火焰；以及(ii)水平取向的线式燃烧器的水平宽度比面向水平取向的线式燃烧器的玻璃带的水平宽度要窄。
根据第16个方面，第1至第15个方面中的任一项，其中，提升第一主表面的温度包括将第一主表面朝向热体，所述热体主要经由热辐射将热量传送到第一主表面。
根据第17个方面，第1至第16个方面中的任一项，其中，步骤(b)降低了玻璃带内的失透。
根据第18个方面，第1至第17个方面中的任一项，其中：(i)在(b)之前，玻璃带具有1010泊至1012泊的粘度；(ii)在(b)过程中，玻璃带在第一主表面处的粘度在从第一主表面进入到至少100μm深度的厚度中减小到105泊或更低；以及(iii)在(c)之前，玻璃带的本体的粘度提升到106泊至108泊。
根据第19个方面，第1至第18个方面中的任一项，其中，步骤(b)发生在小于10秒的时间段内。
根据第20个方面，第1至第19个方面中的任一项，其中，在20℃至25℃的温度，对于589nm至633nm的波长，玻璃片具有1.75至2.5的折射率。
根据第21个方面，玻璃片的制造方法包括：(a)形成纵向取向的玻璃带，其作为时间的函数向下移动，玻璃带具有大致面向相反方向的第一主表面和第二主表面以及布置在第一与第二主表面之间的芯部；(b)当玻璃带向下移动时，使得玻璃带穿过相邻的(i)第一升温区，其将第一主表面的温度提升到足以使得第一主表面液化同时芯部的温度保持低于软化温度，以及(ii)第二升温区，其将第二主表面的温度提升到液相线温度同时芯部的温度保持低于软化温度；以及(c)在玻璃带移动到低于第一升温区和第二升温区之后，从玻璃带分离玻璃片。
根据本公开内容的第22个方面，第21个方面，其中，第一升温区和第二升温区是纵向交错的。
根据本公开内容的第23个方面，第21个方面，其中，第一升温区和第二升温区这两者都与水平平面重叠。
根据本公开内容的第24个方面，第21至第22个方面中的任一项，其中，在(b)过程中，第一主表面的粘度减小，第二主表面的粘度减小，以及玻璃带的总厚度变化减小。
根据本公开内容的第25个方面，第21至第23个方面中的任一项，其中，在(b)与(c)之间以及在玻璃带的总厚度变化减小之后，第一主表面、第二主表面以及芯部的温度移动至更接近平衡，玻璃带的有效粘度减小，以及玻璃带的厚度减小。
附图说明
在附图中：
图1是根据本公开内容实施方式的玻璃片的制造方法的流程图；
图2是根据图1的方法的成形辊对形式的模具立体图，其从传递到成形辊对的熔融玻璃形成了纵向取向的玻璃带，以及从玻璃带分离得到玻璃片；
图3A是图2的情形的正视图，显示了穿过相邻的(纵向交错的)第一升温区和第二升温区的玻璃带，从而将玻璃带的第一主表面和第二主表面的温度提升到足以使得第一主表面和第二主表面处的玻璃带发生液化同时玻璃带的芯部的温度低于软化温度，从而表面张力降低了总厚度变化以及玻璃带变薄之前的玻璃带的表面缺陷；
图3B是与图3A同样的视图，不同之处在于，显示了穿过相邻的(不是纵向交错的)第一升温区和第二升温区的玻璃带，也就是说，第一升温区和第二升温区这两者都与延伸穿过玻璃带的水平平面重叠；
图4A是图2的情形的侧视图，显示了具有交错纵向位置的第一升温区和第二升温区；
图4B是图2的情形的侧视图，显示了具有不是交错的纵向位置的第一升温区和第二升温区，从而这两者与水平平面重叠；
图5是图4A、4B的区域V的放大图，显示了第一主表面与第二主表面之间的厚度，以及具有表面粗糙度的第一主表面；
图6是图2的区域VI的放大图，显示了玻璃带具有冷褶皱的第一主表面，这导致玻璃带的总厚度变化；
图7A是图3的第一升温区和第二升温区的实施方式的立体图，显示了朝向玻璃带的第一主表面引导火焰以使得第一主表面液化的第一水平取向的线式燃烧器，以及朝向玻璃带的第二主表面引导火焰以使得第二主表面液化的第二水平取向的线式燃烧器；
图7B是图3的第一升温区和第二升温区的另一个实施方式的立体图，显示了在整个第一升温区中主要通过热辐射将热传送到第一主表面以使得第一主表面液化的第一热体，以及在整个第二升温区中主要通过热辐射将热传送到第二主表面以使得第二主表面液化的第二热体；
图8(属于实施例1)显示了通过火焰进行加热的石英坩埚，以及石英坩埚经由热辐射对包封的玻璃立方体进行加热，以及在实验开始时(“T＝0秒”)存在于玻璃立方体的表面上的冷褶皱在90秒内(“T＝90秒”)消除；
图9(属于实施例2)显示了根据图1的方法的实施方式穿过相邻的通过水平取向的线式燃烧器提供的第一升温区的玻璃带的红外图像，显示了随着玻璃带的第一主表面与芯部的温度平衡，向下移动的玻璃带变薄，以及玻璃带的有效粘度减小；
图10(同样属于实施例2)图示性重现了从图9的玻璃带分离得到的玻璃片所进行的表面轮廓测量，显示穿过相邻的第一升温区的玻璃片的第一主表面同时部分的玻璃带所具有的表面轮廓比未穿过相邻的升温区的玻璃带的第二主表面同时部分的玻璃带要更窄；
图11属于计算机建模实施例3的图，并且显示了玻璃带的第一主表面的温度可以至少提升到足以在玻璃带的变薄系数开始减小之前使得第一主表面液化的温度，传达了这样的原理：当第一主表面液化时，对于表面张力具有足够的时间从而在玻璃带的有效粘度减小到足以使得玻璃带变薄之前使得表面缺陷和总厚度变化减小；
图12(同样属于实施例3)显示了导致第一主表面处的粘度跌落到低于1000泊(即，103泊)的热通量，这对于作为整体的玻璃带的有效粘度下降所导致的玻璃带的厚度发生可感知减小之前来减小表面缺陷和总厚度变化的表面张力是足够低的；
图13(属于比较例4A)显示了从在玻璃带分离之前未穿过相邻的第一升温区的玻璃带分离得到的玻璃片的表面粗糙度(Ra)和表面轮廓测量；以及
图13B(属于实施例4B)显示了从在玻璃带分离之前穿过足以使得玻璃带的第一主表面液化的第一升温区的玻璃带分离得到的玻璃片的表面粗糙度(Ra)和表面轮廓测量。
具体实施方式
现参见图1-7B，此处对玻璃片12的制造方法10进行描述。在步骤14中，方法10包括形成纵向取向的玻璃带16。玻璃带16具有第一主表面18和第二主表面20。第一主表面18和第二主表面20大致面向相反方向。玻璃带16还包括第一横向边缘22和第二横向边缘24，它们限定了大致相反的玻璃带16的侧边。对于“纵向取向”，这表示第一主表面18和第二主表面20形成近似纵向平面。玻璃带16具有厚度26，这是第一主表面18与第二主表面20之间的水平间距。玻璃带16具有宽度28，这是第一横向边缘22与第二横向边缘24之间的水平间距。玻璃带16的厚度26和宽度28会作为沿着玻璃带16的纵向位置的函数发生变化。玻璃带16具有组成。
在步骤30，方法10还包括将熔融玻璃32传递到模具34。模具34形成玻璃带16。
在实施方式中，模具34包括一对相对的成形辊36a、36b。在此类实施方式中，将熔融玻璃32传递到模具34的步骤30包括将熔融玻璃32作为物流38传递到成形辊对36a、36b之间的夹缝40。熔融玻璃32的物流38可以从鱼尾或槽42传递到夹缝40的中心，这仅仅是举例而言。物流38从高于成形辊对36a、36b的水平转轴44a、44b开始传递。槽42可以具有宽范围的宽度/长度和厚度。熔融玻璃32的物流38可以以约为1000℃的玻璃温度传递到夹缝40，并且具有数量级为101泊的粘度。传递的熔融玻璃32在成形辊对36a、36b上形成熔融玻璃32的坑料46。成形辊对36a、36b可以是温度受控的，具有约为500℃至约为600℃或更高的表面温度，这取决于进行成形的玻璃的组成和粘度。用于成形辊对36a、36b的温度控制的工艺和装置是本领域众所周知的，因此本文不再详述。在采用成形辊对36a、36b的此类实施方式中，形成纵向取向的玻璃带16的步骤14包括转动成形辊对36a、36b从而将传递到夹缝40的熔融玻璃32辊制成玻璃带16。成形辊对36a、36b朝向熔融玻璃的坑料向内转动，如图2的箭头所示，这导致料坑46中的熔融玻璃32变平、变薄且变光滑成为玻璃带16，其纵向延伸低于成形辊对36a、36b的转轴44a、44b。
使用成形辊对36a、36b作为模具34来形成玻璃带16仅仅是模具34的一个例子，并且并不表示具有限制性。方法10包括可以以纵向方式从模具34形成玻璃带16的任意类型的模具34。
在形成之后，玻璃带16作为时间的函数向下移动。换言之，模具34持续地形成玻璃带16直到用于玻璃带16的熔融玻璃32的来源被耗尽。例如，随着连续地形成玻璃带16，玻璃带16中的一个体积可能在第一时间是在位置48a，以及然后在稍后的时间向下移动到位置48b。
玻璃带16包括芯部50(参见图5)。芯部50布置在第一主表面18与第二主表面20之间，例如包括在第一主表面18与第二主表面20之间等间距以及在第一横向边缘22与第二横向边缘24之间等间距的体积。在实施方式中，芯部50距离第一主表面18至少为厚度26的40％，以及距离第二主表面20至少为厚度26的40％。在实施方式中，芯部50距离第一横向边缘22至少为宽度28的40％，以及距离第二横向边缘24至少为宽度28的40％。
在形成玻璃带16之后，玻璃带16凝固。第一主表面18和第二主表面20凝固，具有模具34赋予到主表面18、20上的表面缺陷如冷褶皱52、其他厚度26变化以及粗糙度。冷褶皱52是当在成形之后主表面18、20相对于玻璃带16的芯部50发生优先冷却时产生的波动。由于玻璃的快速热移出，难以避免成形过程中的冷褶皱52。可能存在压力划格(即，裂纹)、划痕和其他缺陷。
在步骤54中，方法10还包括使得玻璃带16穿过相邻的第一升温区56。第一升温区56向玻璃带16的第一主表面18施加热通量，这使得第一主表面18的温度提升到足以使得第一主表面18处的玻璃带16的组成发生液化。这可能对应于从第一主表面18到进入厚度26中至少100μm(例如，100μm至500μm)深度的玻璃带16具有105泊或更小的粘度，例如104泊或103泊至105泊的数量级。然而，玻璃带16的厚度26、玻璃带16向下移动的速率以及第一升温区56全都构造成使得玻璃带16的芯部50的温度保持低于玻璃带16的组成的软化温度。如果芯部50太过于软化，则玻璃带16会在表面缺陷减少或消除之前变薄。例如，对于任意给定的玻璃带16的向下移动速率以及第一升温区56提供的热通量，可以增加玻璃带16的厚度26从而第一升温区56使得第一主表面18液化而没有同时导致芯部50软化和失去结构完整性。或者，第一升温区56提供的热通量可以施加到较窄的玻璃带16的长度或者强度减小从而实现玻璃带16的较薄的厚度26在第一主表面18处液化但是没有在芯部50发生软化。在实施方式中，在与第一升温区56相邻之后，玻璃带16的厚度26是3mm至5mm。此处的厚度26指的是在两个横向边缘22、24之间的任意位置测得的任意厚度26。
将第一主表面18的温度提升到足以使得第一主表面18液化(从而降低了从第一主表面18到厚度26中的粘度)同时芯部50的温度保持低于软化温度的第一升温区56实现了第一主表面18处的表面张力使得表面缺陷减少或消除。换言之，在与第一升温区56相邻之前存在于第一主表面18处的冷褶皱52在与第一升温区56相邻时的第一主表面18的液化时得到明显减少或消除。降低了玻璃带16的总厚度变化。降低了第一主表面18处的表面粗糙度(Ra)。在进入第一升温区56之前玻璃带16所可能具有的压力划格和划痕会被愈合和去除。去除或者明显减少了其他表面缺陷。如本文所用，“总厚度变化”表示最小厚度26与最大厚度26之差。对于玻璃带16，最小和最大厚度26是沿着同一水平线测量的厚度26。对于玻璃片12，总厚度变化是自由未被夹持状态的整个玻璃片12的最小与最大厚度26之差。
如所述，玻璃带16在进入到第一升温区56之前凝固。这可以对应于粘度为1010泊至1012泊(例如，1011泊数量级)的玻璃带16。玻璃带16不需要冷却到低于玻璃带16具有弹性状态的组成的凝结区。在弹性状态时，作为玻璃带16的特性，玻璃带16的轮廓冻结住。虽然玻璃带16可以被弯曲而偏离这种构造，但是内部应力会导致玻璃带16偏离回到初始凝结轮廓。然而，在实施方式中，在变得与第一升温区56相邻之前，玻璃带16冷却到低于组成的凝结区。事实上，在实施方式中，在变得与第一升温区56相邻之前，玻璃带16冷却到环境温度。然而，在变得与第一升温区56相邻之前玻璃带16所具有的温度高于组成的退火温度从而使得整个玻璃带16的应力最小化可能是有利的。组成的退火温度是组成具有近似1013泊粘度的温度。
在实施方式中，这个步骤54发生在1秒至10秒的时间段内。换言之，仅通过1秒至10秒的时间段，使得玻璃带16的给定部分穿过相邻的第一升温区56。在实施方式中，步骤54发生在1秒、2秒、3秒、4秒、5秒、6秒、7秒、8秒、9秒或10秒的时间段内，或者这些时间段中的任意两个之间的任意时间段(例如，2秒至9秒)。在该时间段之后，玻璃带16的给定部分已经向下下降穿过第一升温区56。对于短于1秒的时间段，提供到第一主表面18的热通量可能会不足以将玻璃带16在第一主表面18处的温度提升到足以使得第一主表面18液化，并且即使温度足够，进入到厚度26中的与第一主表面18毗邻的发生液化的深度会不足以明显去除表面缺陷。大于10秒的时间段大于液化的第一主表面18处去除表面缺陷所需的时间段，因而更长的时间段是不必要的。此外，大于10秒的时间段不必要地增加了提供到第一主表面18的热通量会额外地使得芯部50发生软化的风险。
在实施方式中，方法10的步骤54降低了玻璃带16内的失透。在玻璃带16穿过相邻的第一升温区56之前，玻璃带16可能具有一定水平的失透，包括与玻璃带16的第一主表面18毗邻的失透。足以使得第一主表面18液化的第一主表面18的快速加热以及后续冷却降低了玻璃带16中的失透(如果存在的话)。
在实施方式中，在方法10的步骤54过程中提升第一主表面18的温度包括在第一主表面18引导火焰58(参见图7A)。例如，在实施方式中，水平取向的线式燃烧器60在玻璃带16的第一主表面18引导燃烧燃料的火焰58，这导致第一主表面18的温度提升以及第一主表面18发生液化。线式燃烧器60是“水平取向”在于线式燃烧器60具有水平宽度62和纵向高度64，以及水平宽度62大于纵向宽度64，例如至少3倍那么大。在实施方式中，水平宽度62比玻璃带16面朝线式燃烧器60的宽度28要窄。在此类实施方式中，线式燃烧器60可以居中放置从而没有横向延伸到超过玻璃带16的任一横向边缘22、24。
在其他实施方式中，将第一主表面18的温度提升到足以使得第一主表面18液化包括使得第一主表面18面朝热体66(参见图7B)。尽管也存在经由空气对流的热传输，但是在整个第一升温区56，热体66主要通过热辐射68将热传送到第一主表面18。换言之，热体66不具有朝向玻璃带16的第一主表面18引导加热气体的涡轮。类似于线式燃烧器60，热体66可以水平取向，宽度70超过高度72数倍。热体66可以居中放置从而没有横向延伸到超过玻璃带16的任一横向边缘22、24。
采用线式燃烧器60和热体66来将第一主表面18的温度提升到足以使得第一主表面18发生液化是举例并不表示排他性。方法10包括使得第一主表面18液化的任何装置。
在玻璃带16向下移动且不再与第一升温区56相邻之后，以及在第一主表面18处的总厚度变化减小之后，玻璃带16在两个主表面18、20与芯部50的温度移动至更接近平衡。芯部50的温度增加。第一主表面18的温度减小。作为结果，玻璃带16的有效粘度减小，例如，减小到106泊至108泊，或者107泊的数量级。“有效粘度”指的是玻璃带16在玻璃带16的整个水平横截面上的平均粘度。因为玻璃带16的有效粘度减小，玻璃带16向下变薄(在其自身重力下或者如下文所讨论的通过牵拉辊进行牵拉，或者这两种情况下)，这导致玻璃带16的厚度26和宽度28作为向下位置的函数而减小。在实施方式中，在与第一升温区56相邻之后的玻璃带16的厚度26是至少1.5mm。
先前假定在没有步骤54的过程中首先减少或消除表面缺陷的情况下的变薄仍然会减小或消除表面缺陷。该认知的点在于玻璃带16的每个方面(包括表面缺陷)会成比例收缩。然而，建模和实验令人惊讶地证实如果第一升温区56太过于具有攻击性并且使得芯部50的温度升高到高于玻璃带16的组成的软化温度，则玻璃带16在没有减少或消除表面缺陷的情况下变薄(即，向下拉伸导致厚度26和宽度28的减小)。玻璃带16的较薄的部分(例如，在冷褶皱52的谷74中的玻璃带16)优先发生变薄。该优先变薄加剧了冷褶皱52和其他缺陷，通过使其谷74移动到更靠近芯部50而使其峰76更为明显。换言之，方法10的步骤54的进行要使得表面张力在玻璃带16发生变薄之前减少或消除表面缺陷。否则的话，玻璃带16的变薄仅仅加剧了表面缺陷。
在实施方式中，在步骤78，方法10还包括使得玻璃带16穿过相邻的第二升温区80。第二升温区80将第二主表面20的温度提升到足以使得第二主表面20处以及从第二主表面20进入到厚度26中达到至少100μm(例如，100μm至500μm)的深度的玻璃带16发生液化。如同第一升温区56那样，玻璃带16的厚度26、玻璃带16向下移动的速率以及第二升温区80全都构造成使得玻璃带16的芯部50的温度保持低于玻璃带16的组成的软化温度。这实现了表面张力在玻璃带16变薄之前使得第二主表面20处的表面缺陷愈合，并且导致玻璃带16的总厚度变化的进一步减小。可以在这个步骤78期间额外地去除失透。完成第二主表面20的升温至足以使得第二主表面20液化的方式可以与上文所讨论的提升第一主表面18的温度相同，并且不需要进行复述。例如，在实施方式中，提升第二主表面20的温度包括在第二主表面20引导火焰，例如通过第二水平取向的线式燃烧器82或者第二热体83。第二水平取向的线式燃烧器82和第二热体83与线式燃烧器60和热体66是相同的，但是布置成面向玻璃带16的第二主表面20而不是第一主表面18。在任何情况下，在玻璃带16的总厚度变化减小以及玻璃带16向下移动穿过第二升温区80之后，第一主表面18、第二主表面20以及芯部50的温度移动至更接近平衡，玻璃带16的有效粘度减小，以及玻璃带16变薄导致玻璃带16的厚度26减小。
在实施方式中，第一升温区56和第二升温区80这两者都与水平平面85重叠。水平平面85是延伸穿过玻璃带16的概念平面。在此类情况下，第一主表面18和第二主表面20同时提升至足以使得第一主表面18和第二主表面液化的温度，同时芯部50保持高于软化温度。
在其他实施方式中，第一升温区56与第二升温区80是纵向交错的。也就是说，第一升温区56布置在高于第二升温区80，或者反之亦可，并且没有与水平平面85重叠。以这种方式交错的区56、80可以防止玻璃带16的芯部50软化至这样的程度：在液化时的第一主表面18和第二主表面20有机会去除表面缺陷之前玻璃带16仅开始变薄。然而，如果玻璃带16的厚度26足够厚，则此类交错可能不是必要的，并且可以对两个主表面18、20同时进行加热而没有在主表面18、20液化和去除表面缺陷的同时导致芯部50软化。
在实施方式中，在步骤84，方法10还包括测量玻璃带16的厚度26。可以通过任何测量装置86来测量厚度26，包括经由光88的透射来对光进行测量的那些。例如，测量装置86可以是共焦彩色成像仪。对玻璃带16的厚度26进行测量提供了近乎实时的反馈，从而可以通过如下方式调节玻璃带16的厚度26：改变成形辊对36a、36b之间的间隙90的尺寸，改变熔融玻璃32的物流38的流速，改变成形辊对36a、36b的转速，以及其他选项。方法10的步骤54可以通过例如最小化透射光的表面散射(否则的话如果玻璃带16的第一主表面18具有太大的表面粗糙度则会发生这种情况)来改善步骤84期间的测量可靠性。
在实施方式中，在步骤92，方法10还包括用牵拉辊94向下牵拉玻璃带16。牵拉辊94布置在低于第一升温区56。牵拉辊94可以包括与第一横向边缘22相邻的一对牵拉辊94，牵拉辊94a接触玻璃带16的第一主表面18以及牵拉辊94b接触第二主表面20。以类似的方式，牵拉辊94可以包括与第二横向边缘24相邻的一对牵拉辊94，牵拉辊对94中的一个接触第一主表面18以及牵拉辊对94中的另一个接触第二主表面20。在其他实施方式中，可以将单对牵拉辊94居中放置在第一横向边缘22与第二横向边缘24之间，牵拉辊对94中的一个接触第一主表面18以及牵拉辊对94中的另一个接触第二主表面20。牵拉辊94在玻璃带16中略微产生张力，从而使得玻璃带16稳定化以及使得玻璃带16变薄。在实施方式中，对玻璃带16进行牵拉的牵拉辊94额外地降低了玻璃带16的厚度26。应该对牵拉辊94的表面材料和纹理进行选择从而不对玻璃带16的总厚度变化产生负面影响。
在步骤96中，方法10还包括从玻璃带16分离玻璃片12。这个步骤96发生在玻璃带16移动到低于第一升温区56和第二升温区80(如果包含的话)之后。如所讨论的那样，持续地形成玻璃带16直到耗尽了熔融玻璃32的来源。因此，玻璃片12可以是依次从玻璃带16分离的多块98的玻璃片12中的一个。步骤96包括用于分离玻璃片12的任何工艺。在实施方式中，分离玻璃片12包括首先对玻璃带16进行划线，以及在划线上施加拉伸应力从而产生裂纹，以及然后驱动该裂纹穿过玻璃带16的厚度26。可以通过任意常规方法形成划线。例如，可以通过使得玻璃带16与划线元件100(例如，划轮、划线器或者在第一主表面18或第二主表面20产生破坏的磨料元件)来产生划线。通过以使得玻璃带16的划线侧(划线上)处于张力的方向弯曲玻璃带16来施加后续的拉伸应力。张力进而驱使划线处形成的裂纹穿过玻璃带16的厚度26。优选地，划线形成在玻璃带16的质量区域158中，也就是说，在横向边缘22、24之间的带材的宽度28上。玻璃带16的第一主表面18和第二主表面20变成玻璃片12的第一主表面18和第二主表面20。
在其他实施方式中，划线元件100是激光器以及使得玻璃带16与冷却流体(例如，冷却气体、液体，或其组合(薄雾))接触的任选的冷却装置。激光器通过激光束在目标划线路径上加热玻璃带16，在激光束撞击之后所述激光束加热了玻璃带16的窄区域。然后用冷却流体对加热路径进行冷却，在玻璃带16中得到了产生划线的大张力。
在实施方式中，在方法10的步骤54之前(或者在没有步骤54的情况下)，第一主表面18具有大于1000nm(例如，1000nm至5000nm)的表面粗糙度(Ra)。在方法10的步骤54之后，玻璃片12的第一主表面18的表面粗糙度(Ra)小于500nm，例如：50nm至500nm，50nm至250nm，或者100nm至200nm。表面粗糙度(Ra)是在评估长度106内记录的相对于平均线104的轮廓高度偏差102的绝对值的算术平均值(参见图5)。在实践中，在步骤54之前(或者在没有步骤54的情况下)的第一主表面18的表面粗糙度(Ra)可以通过如下方式确定：从没有移动到与第一升温区56相邻的玻璃带16的部分分离玻璃片12(例如，没有激活热通量)，以及然后测量该玻璃片12的表面粗糙度(Ra)。可以通过如下方式确定步骤54之后的第一主表面18的表面粗糙度(Ra)：从玻璃带16移动到与第一升温区56相邻的部分分离玻璃片12，以及然后测量该玻璃片12的表面粗糙度(Ra)。
在实施方式中，在方法10的步骤54之前(或者在没有步骤54和78的情况下)，玻璃带16和/或从玻璃带16分离的玻璃片12具有大于或等于5μm(例如，5μm至20μm)的总厚度变化。在实施方式中，通过采用步骤54和步骤78，玻璃带16以及从玻璃带16分离的玻璃片12具有小于5μm(例如，0.5μm至4.9μm)的总厚度变化。如上文所讨论的那样，形成的玻璃带16可以具有小于所需的总厚度变化，因为从模具34以及从冷褶皱52保留了该小于所需的总厚度变化。方法10的使得玻璃带16穿过相邻的第一升温区56的步骤54以及使得玻璃带16穿过相邻的第二升温区80的步骤78(如果包含的话)降低了玻璃带16的总厚度变化。后续随着芯部50处的温度提升以及与主表面18、20的温度平衡的玻璃带16的变薄进一步降低了玻璃带16的总厚度变化。因而，在步骤96从玻璃带16分离得到的玻璃片12具有小于5μm的所需的总厚度变化。
在实施方式中，经由方法10形成的玻璃片12所具有的总厚度变化是玻璃带16在方法10的步骤54(以及如果包含的话，步骤78)之前的总厚度变化的50％或更小(例如，10％至50％)。在实施方式中，经由方法10形成的玻璃片12所具有的总厚度变化是经由无步骤54和78的方法形成的玻璃片12的总厚度变化的50％或更小(例如，10％至50％)。例如，玻璃带16在步骤54(以及如果包含的话步骤78)之前所具有的总厚度变化可能是8μm，以及在步骤54以及任选的步骤78之后从玻璃带16分离的玻璃片12所具有的总厚度变化是4μm或更小。
除了相比于如果不进行步骤54、78的情况而言为玻璃片12提供了减小的总厚度变化之外，步骤54、78还改善了玻璃片12的强度。在形成之后存在于玻璃带16上的划痕、压力划格和其他表面缺陷会保留到从其分离得到的玻璃片12，但是对于方法10的步骤54、56则不是如此。步骤54、78减小或消除了此类表面缺陷并且由此导致具有优化强度的玻璃片12。
玻璃带12具有从玻璃带16保留的横向边缘22、24之间的宽度108。玻璃片12具有长度110，其大致垂直于横向边缘22、24且平行于分离得到玻璃片12的玻璃带16的纵向部分。并非从玻璃带16分离得到的所有玻璃片12都一定具有相同的宽度108或相同的长度110。在实施方式中，玻璃片12的宽度108是5mm至500mm，而长度110是5mm至500mm。在其他实施方式中，宽度108比500mm宽以及长度110比500mm长。
如上文所讨论的那样，玻璃带16具有延续到玻璃片12的组成。方法10可用于任何玻璃组成。在实施方式中，组成使得从玻璃带16分离得到的玻璃片12具有1.75至2.5的折射率(20℃至25℃的温度，以及589nm至633nm的波长)。在其他实施方式中，玻璃片12具有1.45至1.75的折射率。例如，提供(633nm波长处)1.8的折射率的组合物(以摩尔％计)包含：40.1SiO2，11.3Li2O，3.8ZrO2，4.8Nb2O5，2.4B2O3，22.9CaO，5.4La2O3，以及9.3TiO2。以重量％计，组合物包含：28.5SiO2，4.00Li2O，5.5ZrO2，15Nb2O5，2.0B2O3，15.2CaO，21La2O3，以及8.8TiO2。
在一些实施方式中，(以氧化物计，总重量百分比加和至100％)玻璃组合物包含：
SiO2，5-55重量％；
ZrO2，5-10重量％；
CaO，3.5-18重量％；
La2O3，0.2重量％至30重量％；
Nb2O5，0.5重量％至20重量％；
TiO2，5-20重量％；
As2O3，0％至0.2重量％；以及
Er2O3，0.05％至0.9重量％(并且优选0.1至0.9重量％，例如，0.1至0.8重量％)和/或Pr2O3，0.05％至1重量％；或Nd2O3，0.05％至1重量％；或Ho2O3，0.05％至1重量％；或Ce的氧化物(CeO2)0.05％至1重量％。
在实施方式中，(以氧化物计，总重量百分比加和至100％)玻璃组合物包含：
SiO2，5-60重量％；
ZrO2，5-10重量％；
CaO，3.5-18重量％；
La2O3，0.2重量％至30重量％；
Nb2O5，0.5重量％至20重量％；
TiO2，5-20重量％；
As2O3，0％至0.2重量％；
Er2O3，0.01％至0.5重量％(例如，0.05重量％-0.5重量％，或者0.1重量％-0.5重量％)；
Na2O，2-5重量％；
K2O5，0-9重量％；
SrO，至1重量％；
BaO，0-20重量％；
F，0-1重量％；以及
B2O3，0-20重量％。
因为纯二氧化硅具有约为1.5的折射率，所以保持SiO2的量为55重量％或更低(例如，7至45重量％)的同时添加更高折射率掺杂剂允许玻璃成为高透澈性且没有明显着色的高折射率玻璃。如果SiO2的量增加到高于60％，则可能需要添加更高折射率掺杂剂或构成组分，这可能导致有颜色的而不是透明的玻璃。根据一些实施方式，玻璃中的Er2O3、Nd2O3、Ho2O3、Ce的氧化物和Pr2O3的总量小于1.5重量％，这帮助维持了玻璃的透澈性以及所需波长处的高透射系数(透射率)。如上文所讨论的那样，熔融工艺无法与从形成较高折射率玻璃的玻璃组合物形成玻璃片12相兼容，因为此类组合物的液体粘度太低。
在实施方式中，方法10是连续工艺，其中，将熔融玻璃32传递到模具34，形成玻璃带16并穿过相邻的第一升温区56、第二升温区80(如果包含的话)，以及在数天甚至数月或数年的时间段上从玻璃带16分离得到多块98玻璃片12而不进行暂停。在其他实施方式中，方法10是不连续间歇式工艺，其中，将预定量的熔融玻璃32传递到模具34，以及由此形成有限长度的玻璃带16，可以从其分离得到有限数量的玻璃片12。
在方法10没有步骤54和78(如果包含的话)来减小或消除表面缺陷并由此提供可以从玻璃片12分离得到具有可接受的总厚度变化和表面粗糙度的玻璃带16的情况下，会需要经由酸蚀刻或者机械研磨和抛光(或者这两种方式)来降低玻璃片12的厚度变化。后述的那些方法10相比于方法10的步骤54和78(如果包含的话)是相对昂贵的。此外，机械研磨和抛光来减少玻璃片12的表面缺陷和厚度变化会是次优的，因为产生了玻璃灰尘以及在玻璃片12的主表面18、20下方产生了破坏。工艺的步骤54和78(如果包含的话)避免了此类玻璃灰尘的产生并且没有在厚度26内产生主表面18、20下方的破坏。此外，方法10的步骤54和56(如果包含的话)是在从玻璃带16分离玻璃片12之前进行的在线式工艺。相反地，酸蚀刻以及机械研磨和抛光通常不是在线式工艺并且需要将玻璃片12移动到不同的工作站。方法10的步骤54和步骤78(如果包含的话)分别是在小于10秒内进行的，而酸蚀刻会耗费许多小时。此外，如上文所述，可以制造具有宽范围各种尺寸的玻璃片12，包括500mm或更大的长度110。机械研磨和抛光轮无法良好地适用于对此类尺寸的玻璃片12进行研磨和抛光。
实施例
实施例1：在实施例1中，如图8所示，石英坩埚112翻转并放在玻璃立方体114上。玻璃立方体114在其顶表面具有冷褶皱52。玻璃立方体114具有类似于上文所述的组成，包含28.5重量％SiO2。玻璃组合物的折射率是1.8。在时间t＝0时，石英坩埚112没有引导火焰。然而，在t＝0之后直到90秒(t＝90秒)，向石英坩埚112引导来自含氧气体火炬的火焰，这导致石英坩埚的温度增加。来自石英坩埚112的热量然后辐射到玻璃立方体114。在90秒的时间段内，从石英坩埚112辐射的热量将玻璃立方体114的顶表面的温度增加到足以使得顶表面以及进入到玻璃立方体114的一定深度中发生液化，导致顶表面处的表面张力消除了之前在那里的冷褶皱52。所示的玻璃立方体114在t＝0秒和t＝55秒(55秒)显示出冷褶皱52。所示的玻璃立方体114在t＝90秒显示不存在冷褶皱52，而是具有光滑表面。玻璃立方体114的大致立方体形状保持完好，这证实了辐射加热能够向玻璃立方体114的顶表面提供足够的热通量以将顶表面处的温度提升至足以使得顶表面液化充足的时间来去除冷褶皱52而没有额外地将玻璃立方体114的芯部加热到高于组成的软化点。
实施例2：在实施例2中，将所具有的组成与实施例1的玻璃立方体的组成相同的熔融玻璃传递到成形辊对之间的夹缝。成形辊对与玻璃接触的表面具有提升的温度。成形辊对的转动设定为0.25米每分钟。在成形辊对从传递的熔融玻璃形成玻璃带之后，水平取向的火焰燃烧器在整个第一升温区向玻璃带的第一主表面引导火焰。水平取向的火焰燃烧器居中放置在玻璃带上并且所具有的宽度比玻璃带面朝火焰燃烧器的宽度要窄。玻璃带的第二主表面保持未加热，也就是说，没有第二升温区。单对居中放置的牵拉辊向下牵拉玻璃带，在穿过相邻的火焰燃烧器之后进一步使得玻璃带变薄。图9重现了玻璃带的温度的红外测量。
从玻璃带分离玻璃片。采用坐标测量机器来测量穿过相邻的第一升温区的第一主表面以及没有穿过相邻的任何此类升温区的第二主表面这两者的表面轮廓。测量结果如图10图示性重现。“片下距离(mm)”表示沿着玻璃片的长度的距离。属于第二主表面的结果揭示了表面高度中可能是冷褶皱的重复波动。高度中的一些峰接近7μm并且大部分在3μm至5μm的范围内。相反地，属于穿过相邻的火焰燃烧器的第一主表面的结果显示约1μm或略微更小的更为恒定的表面轮廓。片下4mm与5mm之间的表面轮廓的升高可能是由于在先的玻璃片的分离过程中落到玻璃带上的灰尘颗粒所导致的。
实施例3：实施例3是计算机建模。建模假设如下：(1)60磅/小时的流动以及玻璃带具有150mm的宽度；(2)玻璃带经由对流的热损耗为传热系数5W/(m2·K)以及经由辐射的热损耗为发射系数0.4；(3)灰体近似且参与介质没有辐射；(4)规定环境温度为650℃至20℃；(5)玻璃带的粘度与温度的函数关系符合沃格尔-富尔彻-塔曼-黑森粘度方程式式中，μ的单位是泊，A＝-5.75，B＝5601.9，T0＝312.3，以及T是玻璃带的温度，单位为℃，(6)玻璃带具有1.0W/(m·K)的导热系数；(6)来自虚拟第一升温区的热通量具有高斯分布以及3*105W/m2的基线功率密度；以及(7)1/e水平时15mm的半宽。模型考虑了玻璃带的第一主表面的温度变化以及作为时间的函数的玻璃带的变薄系数。变薄系数是玻璃带在特定时间的厚度与玻璃带的起始厚度之比。图11和12图示性地重现了模型结果。图11的图形显示第一主表面的温度会明显提升并且足以在玻璃带开始变薄之前(即，在变薄系数开始下降之前)使得第一主表面液化。这个时间段虽然仅数秒，但是允许第一主表面处的表面张力在玻璃带开始变薄之前减少或消除表面缺陷。
图12的图形显示在玻璃带的有效粘度跌落到足以使得玻璃带变薄之前(即，在数值开始从5mm减小之前)，玻璃带的经加热的第一主表面的粘度从近似1011泊跌落到低于1000泊(103泊)。这个方面实现了第一主表面的粘度下降在开始变薄之前通过表面张力来去除表面缺陷。热通量施加到第一主表面的时间量足以将表面处的粘度下降到低于1000泊但是不足以导致失透或者实现玻璃带的芯部经由对流和辐射被加热到类似的低粘度。
比较例4A和实施例4B：在实施例4B中，根据上文所述方法形成玻璃片，通过第一升温区将玻璃带的第一主表面处的温度提升到足够使得玻璃带液化。然后，从玻璃带分离玻璃片。在比较例4A中，在玻璃片分离之前没有使用此类第一升温区。比较例4A和实施例4B这两者的玻璃组成都类似于上文所述的组成，导致1.8的折射率。然后，测量这两个玻璃片的表面粗糙度(Ra)。如图13A的打印屏幕所述，比较例4A的玻璃片的表面粗糙度(Ra)为1598nm。相反地，如图13B的打印屏幕所述，实施例4B的玻璃片的表面粗糙度(Ra)为152nm，减小了超过90％((1598-152)/1598＝0.905*100％＝90.5％)。此外，表面粗糙度(rms)数值从2049nm明显减小到185nm。

Claims (25)

1.一种制造玻璃片的方法，其包括：
(a)形成纵向取向的玻璃带，其作为时间的函数向下移动，玻璃带具有大致面向相反方向的第一主表面和第二主表面以及布置在第一与第二主表面之间的芯部；
(b)当玻璃带向下移动时，使得玻璃带穿过相邻的第一升温区，其将第一主表面的温度提升到足以使得第一主表面液化同时芯部的温度保持低于软化温度；以及
(c)在玻璃带移动到低于第一升温区之后，从玻璃带分离玻璃片。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
在(b)过程中，第一主表面的粘度减小以及玻璃带的总厚度变化减小。
3.如权利要求2所述的方法，其中：
在(b)与(c)之间以及在总厚度变化减小之后，第一主表面的温度和芯部的温度移动至更接近平衡，玻璃带的有效粘度减小，以及玻璃带的厚度减小。
4.如权利要求1所述的方法，其还包括：
在(a)之前，将熔融玻璃传递到一对相对成形辊之间的夹缝；
其中，形成纵向取向的玻璃带包括使得该对成形辊转动将传递到夹缝的熔融玻璃辊制成玻璃带。
5.如权利要求1所述的方法，其还包括：
在(b)之后且在(c)之前，用牵拉辊对玻璃带进行向下牵拉。
6.如权利要求5所述的方法，其中：
用牵拉辊对玻璃带进行牵拉降低了玻璃带在第一主表面与第二主表面之间的厚度。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括：
在(b)之后且在(c)之前，测量玻璃带在第一主表面与第二主表面之间的厚度。
8.如权利要求1所述的方法，其中：
分离得到的玻璃片的第一主表面具有小于500nm的表面粗糙度(Ra)。
9.如权利要求1所述的方法，其中：
其中，从玻璃带分离得到的玻璃片具有小于5μm的总厚度变化。
10.如权利要求1所述的方法，其中：
从玻璃带分离得到的玻璃片所具有的总厚度变化是步骤(b)之前的玻璃带的总厚度变化的50％或更小。
11.如权利要求1所述的方法，其中：
(a)之后但是(b)之前的玻璃带具有第一主表面与第二主表面之间的3mm至5mm的厚度。
12.如权利要求1所述的方法，其中：
(b)之后的玻璃带具有第一主表面与第二主表面之间的至少1.5mm的厚度。
13.如权利要求1所述的方法，其中：
在(b)与(c)之间，玻璃带所具有的第一主表面与第二主表面之间的厚度是减小的。
14.如权利要求1所述的方法，其中：
提升第一主表面的温度包括在第一主表面引导火焰。
15.如权利要求14所述的方法，其中：
水平取向的线式燃烧器在第一主表面引导火焰；以及
水平取向的线式燃烧器的水平宽度比面向水平取向的线式燃烧器的玻璃带的水平宽度要窄。
16.如权利要求1所述的方法，其中：
提升第一主表面的温度包括将第一主表面朝向热体，所述热体主要经由热辐射将热量传送到第一主表面。
17.如权利要求1所述的方法，其中：
步骤(b)降低了玻璃带内的失透。
18.如权利要求1所述的方法，其中：
在(b)之前，玻璃带具有1010泊至1012泊的粘度；
在(b)过程中，玻璃带在第一主表面处的粘度在从第一主表面进入到至少100μm深度的厚度中减小到105泊或更小；以及
在(c)之前，玻璃带的粘度提升到106泊至108泊。
19.如权利要求1所述的方法，其中：
(b)发生在1秒至10秒的时间段内。
20.如权利要求1所述的方法，其中：
在20℃至25℃的温度，对于589nm至633nm的波长，玻璃片具有1.75至2.5的折射率。
21.一种制造玻璃片的方法，其包括：
(a)形成纵向取向的玻璃带，其作为时间的函数向下移动，玻璃带具有大致面向相反方向的第一主表面和第二主表面以及布置在第一与第二主表面之间的芯部；
(b)当玻璃带向下移动时，使得玻璃带穿过相邻的(i)第一升温区，其将第一主表面的温度提升到足以使得第一主表面液化同时芯部的温度保持低于软化温度，以及(ii)第二升温区，其将第二主表面的温度提升到液相线温度同时芯部的温度保持低于软化温度；以及
(c)在玻璃带移动到低于第一升温区和第二升温区之后，从玻璃带分离玻璃片。
22.如权利要求21所述的方法，其中：
第一升温区与第二升温区是纵向交错的。
23.如权利要求21所述的方法，其中：
第一升温区与第二升温区这两者都与水平平面重叠。
24.如权利要求21所述的方法，其中：
在(b)过程中，第一主表面的粘度减小，第二主表面的粘度减小，以及玻璃带的总厚度变化减小。
25.如权利要求21所述的方法，其中：
在(b)与(c)之间以及在玻璃带的总厚度变化减小之后，第一主表面、第二主表面以及芯部的温度移动至更接近平衡，玻璃带的有效粘度减小，以及玻璃带的厚度减小。
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