CN1324332A - 高效整块玻璃光成形漫射体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

通过将光成形结构模压或注模到一个高品质光学玻璃上,或通过将光成形结构模压到涂着在一个基体上的玻璃薄膜层上制成一种表面漫射体。一种溶胶凝胶体溶液(70)在室温(72)下搅拌且该混合物被涂着、浸渍或模压(74)到基体上。在混合物胶凝期间,一个具有光成形结构的橡胶子模被压(76)进混合物内。然后对该具有结构的凝胶体进行热处理(78)和固结(79)成LSD玻璃。从紫外线波长到自然光谱到接近红外线,该表面LSD具有超过90%的透光率。

Description

高效整块玻璃光成形漫射体及其制造方法
本发明涉及光成形漫射体，特别涉及一种由整块玻璃材料制成的表面光成形漫射体及表面光成形漫射体的一种制造方法。
光成形漫射体TM(LSD)，有时称为光成形均化器或简单地称为漫射体，是用于多种照明，成像和光投射应用中的一种型号的漫射体。LSD是一种透明或半透明的结构，其具有一个进光表面，一个出光表面及在其进光表面上和/或在其内部形成的光成形结构。这些光成形结构是随机的，无序的和非平面的微雕结构。该结构是在介质记录期间通过用产生的光斑图样连同相干光或非相干光与计算机生成的模拟光斑掩膜的结合照射介质产生的。该光斑图样的产生改变了介质的折射率，其中介质在显影后为微雕结构。这些光成形结构对通过LSD的光产生衍射，因此从LSD出光面发出的光束展示了沿水平和竖直轴精确控制的能量分布。LSDs能够用于使光束成形，因此进入LSD的光束超过90％(高到95-98％)的光被导向并接触位于LSD下游的目标。LSD能够用于控制进入光和(1)将其分布在一个从很小的角度到超过100°的圆形区域内，或(2)将其发送到一个几乎不受限制的椭圆角度的范围内。例如，一个0.2°×0.5°LSD通过LED(发光二极管)或激光照射时将会产生一条线，而一个35°×90°LSD通过相同的光源照射时将会形成一个狭窄的，高清晰度的后投影屏。
利用单频激光的特性也称为相干性要求精密的全息元件只能在激光的波长内使用，与此不同，LSD在白光下能够很好地工作。因此LSD几乎可以采用任何光源，包括LED，日光，钨卤灯，或弧光灯，因此其显示了高度的多功能性。
目前已有两种型号的LSD，称为“容积LSD”和“表面LSD”。容积LSD是一个容积式光学元件，其基本特征是把位于其主体内的光成形结构组合成一个整体并对通过其中的光产生衍射。表面LSD是一个凸纹表面光学元件，其基本特征是把位于其表面上的光成形结构组合成一个整体并对通过其中的光产生衍射。LSD除了可以通过光学上的方法生产还可以通过介质表面的机械控制制造。见下面一些与此有关的待审批专利申请和已授权专利的目录。然而，在一些应用对此也有限制，其中使用容积LSD比较好，如在一些应用中LSD是浸在液体中使用的。
容积LSD中的光成形结构是利用一种与全息记录系统相似的相干光记录系统记录的。穿过一个标准漫射体的相干光入射到容积式的感光介质上(如重铬酸盐明胶DCG或另一种容积记录介质)。光入射介质中的光斑图样是通过改变介质的折射率在介质中生成的。光斑图样明亮的地方，介质硬化并且介质的折射率增大。光斑图样暗的地方，介质的折射率没有实质上的改变。经过显影，实质上折射率的这些变化就永久地生成了。换而言之，光斑图样可以在一个类似印刷过程的工艺中利用不相干光光源和一个类似光斑的掩膜生成。穿过掩膜的光入射到容积式介质上，光斑图样使材料的折射率产生变化，实质上同以前一样。
表面LSD是以一种类似的方式，也是一种替换方式来制造的。除了用非容积记录介质如标准光刻胶代替容积介质如DCG外，采用的记录同上述记录类似。在显影期间，由于硬化而增大了折射率的区域保留下来，同时柔软、低折射率的区域被冲洗掉。该工艺使具有光成形特性的微结构留在介质的表面上。然后，这些结构可以在包括塑料在内的许多材料中利用诸如模压、注模及环氧树脂复制等多种复制技术进行复制。
下列美国专利中公开了LSD的生产：授予扬森等人的专利号为NO.5,365,354的专利(以下简称为第354号专利)，授予皮特松等人的专利号为NO.5,609,939的专利(以下简称为第939号专利)，及授予皮特松等人的专利号为N0.5,534,386的专利(以下简称为第386号专利)。由于所述第354号专利，第939号专利及第386号专利都公开了LSD的生产因此通过参考组合成一个整体。在通常给定的美国专利申请中，该专利申请的申请号为N0.08/902,415，申请人是利伯曼，申请名称为“整块玻璃的光成形漫射体及其制造方法”(以下简称第415号申请)，公开了几种用溶胶凝胶体玻璃成份制作漫射体的方法，其中溶胶凝胶体玻璃成份是一种适于高温应用的塑料或环氧树脂子模。第415号申请也由于公开了LSD的制作而通过参考组合成一个整体。其他相关的美国专利申请包括：1998年8月20日申请的“非朗伯式玻璃漫射体及其制造方法”，1998年8月20日申请的“漫射体母模及其制造方法”，1998年8月25日申请的“高效整块玻璃光成形漫射体”，1998年8月25日申请的“具有完整表面漫射体的光学元件及其制造方法”，1998年8月25日申请的“包括一个漫射体表面结构的交通工具灯组件”，1998年8月25日申请的“具有一个光源和一个溶胶凝胶体整块漫射体的装置”，1998年8月25日申请的“无源矩阵液晶显示屏”，1998年8月25日申请的“包括一个带有漫射体光学元件的装置”。这里通过引用这些申请以便作为参考。
迄今为止LSD都是用单一的塑料制成的，如丙烯酸塑料或聚碳酸脂塑料，因为只有这些材料能充分变形(在适于和子模反应的条件下)以接收光成形结构。这些塑料物理特性的局限性限制了LSD的应用范围。
例如，制成这些LSD的塑料典型地具有一个低于大约150℃的玻璃转变温度并且经常低于大约100℃。因此在LSD可能受到充分加热使其温度上升到玻璃转变温度以上的应用中，传统塑料LSD就不能使用。这种热量可以直接来自一个光源，如一个弧光灯，或是以紫外线形式吸收的，或是红外线辐射。因此塑料LSD不能用在加热灯，液晶显示屏，投射灯，道路照明灯，或其他靠近LSD能产生很多热量的光源中。塑料LSDs也不能广泛地使用在紫外线区域或红外线区域发光的光源，它们发出的射线会被塑料吸收。
塑料LSD的一个局限是它们不能经受热涂层操作。在漫射体上经常希望涂一层抗反射(AR)涂层以提高漫射体的功效。许多涂层，包括许多AR涂层只能在LSD通常使用的塑料的玻璃转变温度以上才能使用。传统的LSDs不能使用这些涂层。
同传统塑料LSD有关的另一个问题是要在其出光表面上形成一个高品质的立体透镜是困难的或者是不可能的。在许多漫射体应用中都希望在漫射体的出光表面上放置一个透镜。传统的塑料LSD不能够研磨，抛光或注模成高品质的透镜。要在LSD的出光表面上制出高品质的透镜只能是在其出光表面上叠加或固定一个菲涅尔透镜。如本领域人员所熟知的，菲涅尔透镜是一个具有平面或二维表面并用该表面能产生近似立体凹透镜效果的透镜。在漫射体的出光表面上安装一个分离的菲涅尔透镜是非常困难的，同时与简单地在出光表面上研磨或制作出一个传统的凹透镜相比也是昂贵的并且可能是一个低品质的透镜。
如果用玻璃而不是塑料来制作LSD的话，LSD的许多上述缺点就可以避免。然而，由于传统玻璃形成时伴随的高温(达到1800℃的数量级)会破坏支撑光成形结构的母模或子模，因此在其生成过程中，光成形结构不能模压或记录到传统玻璃结构中。
第415号专利申请提到上述问题并公开了一种整块玻璃光成形漫射体结构和一种用溶胶凝胶体玻璃成份制作漫射体的方法。第415号专利申请公开了一种容积LSD及其制造方法。它还公开了一种表面LSD及其制造方法。该表面LSD是通过一个铸模工艺制造的，其中溶胶凝胶体成份在一个以其内部表面支撑光成形结构的塑料模具内注模。在第415号申请中还公开了另一种制作表面LSD的方法，其中溶胶凝胶体成份的包层或涂层在基体上形成一个薄膜层。支撑光成形凸纹结构的母模或子模同该薄膜层接触以便在溶胶凝胶体层经历一个玻璃转变，老化和热处理过程后该表面结构能记录在薄膜层上。支撑表面凸纹结构的母模或子模同用塑料材料制造时所公开的一样。
依据第415号专利申请公开的制造溶胶凝胶体玻璃LSD所用的工艺，其中从其上面把表面凸纹结构被记录下来的母模或子模是由实质上刚硬和坚硬的塑料材料制成的，其中该塑料材料非常坚硬和不易变形。为了使表面凸纹结构能够完全和适当地记录到溶胶凝胶体材料上，以精确控制的粘度涂着到一个基体上或注入一个模具内的溶胶凝胶体材料在容纳空间内必需保持稳定。如果粘度变化即使是轻微地低于或高于所希望的粘度，溶胶凝胶体材料就不能适当地流动和完全接触母模的表面凸纹结构。
另外，如果溶胶凝胶体材料的粘度同所希望的粘度有轻微的差别，它会不能完全流进全部的表面凸纹空间。制成母模或子模的坚硬塑料材料也根本不会屈服，弯曲或变形以帮助溶胶凝胶体材料适当地流动。因此，如果粘度不像所希望的一样精确，表面凸纹结构不能全部记录到溶胶凝胶体材料中或不能精确地记录。
目前的工艺存在的另一个问题是每次从特定原始母模记录表面凸纹结构的子模复制件会丧失一些清晰度并由此轻微改变了光成形的特性。例如，提供一个具有记录了表面凸纹结构的的光刻胶材料母模，从该母模再制出一个具有记录了其特征的第二代子模。从第二代子模再制出一个具有同样记录特征的第三代子模。有时，在原始母模和最终漫射体产品之间还会制造出其他附加的子模。在每个后续子模中形成的表面凸纹结构清晰度都会降低，并由此产生低品质的光成形特性。因此如果能消除这些子模步骤的一个步骤是有很益的。
本发明的首要目的是提供一种整块玻璃表面LSD，同目前现有的塑料LSDs相比在温度和/或波长方面该整块玻璃表面LSD具有一个更宽的工作范围。
本发明的另一个目的是提供一种表面LSD，该表面LSD能够在其出光表面上形成高品质的凹透镜。
本发明的另一个目的是提供一种制造由整块玻璃表面LSD的方法，当制成时能够实现上述部分或全部目的。
本发明的另一个目的是提供一种高效玻璃表面LSD，其具有高清晰度的表面凸纹结构，该结构是在原始或第一个主模漫射体中制成的，因此能更精确地记录光成形特性。
本发明的另一个目的是提供一种制造高效表面LSD的方法，其能够减少从原始主模表面到表面LSD的后继记录次数。
本发明的另一个目的是提供一种制造表面玻璃LSD的方法，在LSD的制作期间其更能够容许玻璃材料粘度的变化。
上述目的通过用玻璃材料制作LSD能够以一种十分简单和有效的方式实现，该玻璃材料在其形成过程中的一个或更多阶段呈现一种状态，其中在该形成过程中所希望的光成形结构能够在母模或子模易接受的条件下模压或记录到玻璃材料的表面上。优选的是，光成形结构是在所谓的“溶胶凝胶体”玻璃形成期间通过铸模或注模技术或通过模压或压制技术制成的由此形成一个表面LSD。
通过把溶液浇铸到一个易变形的橡胶模具内，用可铸溶胶凝胶体玻璃能够简单地制造出表面LSD，其中模具的内表面支撑光成形结构。在铸模过程中，光成形结构模压在溶胶凝胶体材料上。
表面LSDs也可以用可铸溶胶凝胶体玻璃通过下面的方法制造，即在一个基体上涂上一层溶胶凝胶体溶液涂层以在基体上形成一个薄膜层，使薄膜层经历一个从溶胶到凝胶的转变，通过使薄膜层同橡胶基体接触把光成形结构记录到至少一部分薄膜层上，使凝胶老化以形成多孔玻璃。该优选工艺的最后一步是把玻璃热处理到其烧结温度以制成无孔玻璃。该工艺可以通过压迫支撑光成形结构的橡胶母模和薄膜层相互接触得到加强。
从下面结合附图的详细描述中，本领域的熟练人员能够更清楚理解本发明的这些及其他目的、特征和优点。然而需要说明的是，这些详细的说明和表示本发明优选实施例的特定例子是用来说明而非用于限定本发明的。在不脱离本发明思想的范围内能够对本发明作出许多的变形和修改，这些修改或变形都在本发明的保护范围内。
下面结合附图对本发明优选实施例进行说明，在全部附图中，相同的标号代表相同的部分，其中：
图1为以摩尔百分比表示其组成的四乙基原硅酸盐-水-酒精溶胶凝胶体溶液三重相图；
图2为以四乙基原硅酸盐的原始溶液准备溶胶凝胶体溶液的工艺流程示意图；
图3为对于本发明所应用溶胶凝胶体整块玻璃波长与透光率百分比关系图；
图4为制作一个橡胶子模并与从母模记录的光表面凸纹结构组合成一个整体的工艺流程示意图；
图5为通过涂层制作一个整块玻璃LSD的第一工艺流程示意图；
图6为通过涂层或注模制作一个整块玻璃LSD的第一工艺流程示意图；
图7为一个浇铸溶胶凝胶体整块玻璃LSD的光漫射角度的分布图；
图8为一个窄角度溶胶凝胶体整块玻璃LSD的光漫射角度的空间分布图，其中玻璃为一个多孔玻璃；及
图9为一个窄角度溶胶凝胶体整块玻璃LSD的光漫射角度的空间分布图，其中玻璃为一个烧结玻璃。
1．介绍
根据本发明，提供一种通过在光成形结构形成期间将其记录在玻璃材料上制作表面光成形漫射体(LSD)的方法。一个表面漫射体能够通过把溶胶凝胶体材料添加到其内部注模表面上具有表面凸纹结构的相对易变形的一个模具内制作，或通过从一个橡胶基体上把凸纹表面光成形结构压制到一个高品质光学玻璃上制作，或通过从一个橡胶基体上把光成形结构压制到涂着在一个基体上的玻璃薄膜层上制作。这样的LSD可以控制投射光的角度伸展和均化空间内其他杂乱的光源，如液晶显示屏和灯丝光源，同时还能维持同其他任何玻璃光学元件相一致的损伤域。从紫外线波长到可见光谱并到接近红外线区该LSD具有超过90％的透光率。而且，因为这种LSD是真正的玻璃制成，因此其能够很好地承受的温度超过了塑料LSDs的玻璃转变温度，并能通过传统的注模，磨削，或抛光技术制成凸起的表面或凹陷的表面，并能通过高温涂着技术进行涂层。该LSD还具有一个非常高的激光功率阈值。
2．工艺概览
本发明的核心在于公开了如果玻璃材料是在能接受支撑光成形结构的母模或子模的条件下形成的，那么LSD能够通过在材料形成期间把光成形结构(有时称为“光斑”，特别是当该结构扩展到漫射体的内部时)记录在一个整块玻璃材料上制出。目前完成本发明较佳的技术是在所谓的“溶胶凝胶体”工艺中把光成形结构记录到材料上。根据制造溶胶凝胶体玻璃领域内熟练的人员所知的，溶胶凝胶体工艺是一个接近制造氧化玻璃的低温。氧化网络可以通过水解和无机聚合反应得到，该反应利用分子前体开始。同传统通过熔化技术生产玻璃相比，溶胶凝胶体工艺具有以下几个优点：(1)形成更高品质的金属氧化玻璃，(2)通过把分子前体溶液进行搅拌可以简便地得到均匀的多成份玻璃，(3)可以得到更高的纯度和更低的处理温度，及(4)由于溶胶或凝胶体的流变特性通过诸如光纤拉制，旋压，浸渍，浇铸和浸透能够制造光纤，薄膜，整块材料或组合物。使它们能很好地适于用作LSDs的溶胶凝胶体玻璃的特性总结如表1：表1：溶胶凝胶体衍生氧化硅玻璃的材料特性
杨氏模量 73GPa
硬度 6.2GPa
强度 5.5GPa
热膨胀系数 5.5×10-7℃-1
热传导率 3.3×10-3卡.秒-1℃-1
激光损伤域 1-5焦耳.cm-2
耐化学腐蚀性 高(潮湿的酸性或碱性)
典型的溶胶凝胶体工艺包括首先准备好金属氢基氧化物溶液，及合适的溶剂如酒精，然后使或允许溶液经历一个溶胶体到凝胶体的转变并形成凝胶体，然后形成多孔的含水玻璃。然后对含水的玻璃进行热处理通过固结降低它的多孔性。本工艺一个常见的例子是使用四乙基原硅酸盐(TEOS)，水及酒精的混合物来制作熔融的氧化硅玻璃。其他的例子包括使用三丁氧基铝[AL(OBu)3]作为氧化铝凝胶体及使用四原乙基钛酸盐(TET)作为二氧化钛凝胶体。根据所希望得到的玻璃材料的光学特征，经常将多成份的反应物同溶液搅拌以制造出具有诸如高折射率，高强度，高温，非线性特性及传导特性等特殊特性的玻璃。
溶胶凝胶体工艺在化学上是以有机金属分子前体的羟基化和凝聚反应为基础。对于氧化物溶胶凝胶体的合成而言金属醇盐是最通用的前体因为它们对亲核的反应物如水具有非常高的反应性。当把金属醇盐和水搅拌在共同的溶剂中时就会发生水解，其中该溶剂通常是酒精。氧化硅LSDs的溶胶凝胶体母基能够分解成可旋压的，可涂着的和可浇铸的溶液。以摩尔百分比表示的三重阶段图1中表示出了四乙基原硅酸盐-水-酒精溶液室温下的试验搅拌公式。从图中可以看出，溶胶凝胶体溶液具有少于40％摩尔的水时是可旋压的，具有40-70％摩尔的水时是可涂着的，具有超过70％摩尔的水时是可浇铸的。
下面对一个典型的溶胶凝胶体工艺进行描述，以促进对光成形结构怎样在能接受母模和/或子模的低温下记录到一个整块玻璃材料中的理解。如图2所示，通过浇铸制造高光学品质的整块氧化硅玻璃的工艺是这样开始的，准备四乙基原硅酸盐的酒精溶液，然后用水对溶液进行部分水解，见步骤20。有代表性的搅拌溶液含大约45％体积的四乙基原硅酸盐，45％体积的酒精，10％体积的水，如果愿意还可以含大约1％体积的合适的酸如盐酸(HCl)，以降低成品玻璃产品的PH值从而增加其耐久性。只要四乙基原硅酸盐，酒精和水的比例能保持图1所示的三角形结构并是可浇铸的溶液，这三种成份的比例是可以变化的。
然后在步骤22中将该溶液搅拌以通过四乙基原硅酸盐的水解和酒精的蒸发增加其粘度。该搅拌最好是在室温下进行并持续30-120分钟以得到一个最优选的粘度大约为100Cts.，其中优选的最小持续时间是60分钟或一个小时。该过程能够通过在更高温度下(上升到大约70℃)搅拌以加快酒精蒸发的速度，也能够通过在更低的温度下(降到大约0℃)搅拌以降低酒精的蒸发速度。
紧接着，在步骤24中将通过搅拌步骤形成的粘性溶液浇铸到一个合适的浇铸模具内。在步骤26中浇铸溶液经历一个凝胶/老化过程，该步骤的特征是粘性溶液到凝胶状阶段的转变及接下来的凝胶体到多孔玻璃阶段的转变。对于整块材料而言，根据溶液的初始粘度，浇铸到模具内溶液的体积，及该过程发生时环境条件，该过程有代表性的是花费2到4周的时间(有时会更长)。通过在控制的温度和湿度条件下进行老化能够最确切地得到高品质的玻璃。该老化过程通过一个烘烤操作终止，其中模具内的玻璃在一个相对低的温度下(最好是70-120℃)被加热一段充分的时间以使玻璃充分硬化从而使其能够从模内脱出和进行后续处理。不同的应用，烘烤的时间是变化的，短到几小时长到两天。
真正的整块玻璃是在老化阶段形成的。然而该阶段形成的玻璃是非常多孔的和相对脆的。该玻璃最好是在步骤28中进行热处理以通过烧结固结该玻璃(也就是使孔破碎形成实心的玻璃结构)由此增加其强度和耐久性。典型的热处理是在一个周期中持续24-28个小时，其中温度以每分钟0.1℃的速度从大约25℃斜升到大约1000℃到大约1050℃(以大约100℃的增量，温度在各个高点维持大约2小时)，然后又斜降回来。
图2所示工艺的结果是形成高品质的氧化硅玻璃整块材料并具有高的耐久性和其他结合表1所述的有利品质。该玻璃还具有极佳的透光性。实际上，如图3中曲线30所示，整块玻璃材料对于在大约350nm以上的波长透光率超过90％而对于在大约450nm以上或更大的波长透光率超过95％(忽略8％的菲涅耳反射)。
这一点需要指出的是只要对四乙基原硅酸盐/酒精/水的比例进行合适的选择，上述浇铸工艺可以由涂层工艺或旋压工艺代替。对薄膜而言从凝胶体到玻璃的转变时间典型的是持续几个小时，同对于整块材料要短的多。
在溶胶凝胶体玻璃材料形成过程的一个中间阶段光成形结构能够记录到其表面上从而在该完整的玻璃结构中制造出一个表面LSD。现在对从整块溶胶凝胶体玻璃材料制造表面LSD的几个优选技术进行详细的描述。同时对这些技术的描述是结合四乙基原硅酸盐：酒精：H2O(水)体系进行的，所述工艺对任何合适的醇盐：酒精：H2O(水)体系都是适用的。
3．橡胶子模表面凸纹结构的形成
一个子模表面漫射体可以由一个柔软，易变形的材料如橡胶制造。例如可以使用硅橡胶材料，其中在橡胶材料固化时，多个光成形结构从一个先前制出的漫射体如一个原始母模漫射体上复制到该橡胶材料中。图4为形成这样一个橡胶子模漫射体工艺的简单示意图。在通常给定和同时待审的美国专利申请中也公开和描述了橡胶子模漫射体的形成工艺，其中该申请的申请人是萨万特等人，申请号为No.09/052,586，名称为“保留母模的同时制造复制件的工艺”。由于其公开了橡胶子模的制造，该同时待审申请的主题通过参考组合成一个整体。
参考图4，通过用相干光或非相干光把光学特征记录200到感光介质上，或通过如同时待审的名为“漫射体母模及其制造方法”的美国专利申请所公开的通过对一个金属表面进行蚀刻、喷沙或抛光以在其上形成凹陷或缺陷制造母模漫射体，其中该美国专利申请1998年8月2日提出并且在此通过参考组合成一个整体。感光材料或金属基体限定了一个初始母模表面，该表面上具有特别希望得到的光学特征。把一层橡胶如室温硫化(RTV)硅橡胶浇注202到母模的整个表面上以便母模的光学表面特征和橡胶材料接触。然后使橡胶材料固化204以把表面结构记录在橡胶材料内。然后将橡胶同母模分离同时在橡胶材料的表面内保留了光学特征。
然后，通过用一层诸如环氧树脂的材料把子模覆盖，用塑料基体覆盖环氧树脂层，固化环氧树脂及把环氧树脂同子模分离以制作出具有记录的光学特征的塑料元件，这样的橡胶子模可以用来制造后继塑料子模的过渡模和/或最终的光学产品。如上所述，然后这样的塑料子模就可以作为一个子模用在漫射体更远过渡的记录光学特征中。
如上所述，从母模光学元件生成的每个过渡都具有一个从原始母模减退及在清晰度方面有某种程度降低的凸纹结构或漫射体表面。本发明直接消除至少一个步骤或过渡并提供直接从橡胶子模生成的玻璃漫射体或LSD。
许多不同类型的橡胶或橡胶混合物可以用在根据本发明的下述方法中。然而，为了得到所希望的本发明的特征，橡胶材料与塑料或塑料合成物相比相对易变形还是必要的。例如，上述室温硫化(RTV)硅橡胶材料和其他硅橡胶合成物已成功地使用在本发明的实施中。然而其他的橡胶材料可能适于并用作室温硫化(RTV)硅橡胶材料的替代物。
4．用可涂着或可旋压的溶胶凝胶体玻璃制作LSDs
用可涂着或可旋压的溶胶凝胶体玻璃制作LSDs是可以的，并且也是通常所希望的。同可浇铸溶胶凝胶体玻璃相比，因为可涂着溶胶凝胶体玻璃的凝胶/老化时间比可浇铸溶胶凝胶体玻璃的凝胶/老化时间要短的多(相对可浇铸玻璃的两周或更长的时间而言，只有几小时)，因此可涂着溶胶凝胶体玻璃通常被认为更适于大规模生产。
参考图5，一个典型的涂着工艺从溶液准备步骤70(其同上述准备步骤20相同)到搅拌步骤72开始。因为涂层需要较低的粘度(大约10-20Cts)，因此同第2部分和第5部分中所讨论的浇铸工艺相比需要更少的搅拌。该具有某种程度粘性的溶液在步骤74中通过已知的旋压、浸渍或旋压-涂着技术涂着到一个传统的玻璃基体上，由此在基体的的表面形成一个厚度大约为10-100微米的薄膜层。
然后，如上所述构制的并支撑光成形结构的橡胶LSD子模在步骤76中对着表面被压制或成形以在薄膜层表面模压出一个光成形结构的直接复制品。该橡胶子模最好是积极地对着薄膜层的表面被压制或推动以完全代替光成形结构。接着在步骤78中通过把薄膜层加热到大约50℃并维持1-5个小时以便薄膜层的玻璃从凝胶体阶段转变到多孔玻璃阶段(这同浇铸工艺中的老化步骤类似)从而使光成形结构定位。然后橡胶LSD被从玻璃中移去，并且在步骤79中以通常的方式将玻璃热处理以使玻璃在薄膜层中固结。该方案的一个变化可以是通过用加热的压力把LSD结构模压或施加在薄膜层上以强化压制和加热步骤74和76。
在多孔玻璃的热处理期间可能会发生30-40％显著的收缩。该收缩在角度空间分布上的作用从图8中的曲线100与图9中的曲线110的比较中可以看出。曲线100表示后处理到大约700℃的温度(仍远低于固结温度的一个温度)后得到一个窄的角度，例如0.71°。曲线110表示在热处理期间进行固结后或者浇注的结构在大约1000℃到1050℃温度烧结后得到光线的角度分布增加到例如2.11°。这表示从热处理之前到热处理之后角度的分布特性总体上增高了大约66％。
由于热处理而产生的收缩改善了LSD的光学品质已经被公开。LSD的所有成份包括光成形结构或光斑都有一个相应的收缩量。光斑收缩增强了成像。例如，如果在原始母模漫射体表面生成期间形成的一条线的宽度为100微米，通过最终LSD产品产生的线的宽度将为70微米。需要指出的是尽管本发明的该方法与用整块玻璃材料制造容积LSDs无关，但是在生产容积LSDs中也会发生由于热处理产生的收缩及由此使产生图像增强。
通过上述技术生产的整块玻璃表面LSDs具有很广的用途，高品质的LSDs可以用于传统塑料LSDs不能用的高温中。因此玻璃LSDs不像塑料LSDs，其能够在激光或特别是高能量的激光，紫外线激光，红外线激光或接近红外线的激光中用作均化器。它们还可以用于会产生实际热量的光学应用中，如投影机和汽车的前灯。它们还可以代替电影放映机或类似装置中所用的棒状集束器，实际上比传统的圆杆形集束器更具有显著高的效率(90-96％对20％的效率)。另外，由于它们是由光学品质的玻璃制成，因此它们的出光表面可以磨光，抛光，或形成高品质的凹透镜-这是利用塑料LSDs无法得到的选择，或形成任何诸如棱镜或光束成形器的光学元件。
无论光成形结构是模压、压制或仅仅是通过浇注溶胶凝胶体材料同橡胶子模接触而形成，这些工艺都具有超过已知的利用一个塑料子模把整块玻璃材料制成表面LSD的方法的几个优点。例如，使用橡胶子模同使用塑料子模相比，溶胶凝胶体材料的粘度不必像使用塑料子模时一样的精确控制。这是因为同相对易变形的橡胶材料相比，塑料材料实质上是刚硬的和不易变形的。当压制、模压或浇注溶胶凝胶体材料时，由于粘度的变化它可能在子模表面的多个点上的流动不同。无论是模压或压制，如果粘度低，溶胶凝胶体材料不能完全流进子模上光成形结构的表面缺陷内或从子模的表面流掉，那么子模的光成形结构就不能非常精确或完全地形成。另外，在老化过程和热处理过程中，溶胶凝胶体材料的特性能够变化，其趋向于使溶胶凝胶体材料的表面脱离子模的表面。当用塑料作为子模时，在溶胶凝胶体材料与塑料之间会发生分离其能够阻止光成形结构完全复制到溶胶凝胶体材料中。如果用橡胶作为子模，因为如果溶胶凝胶体材料相对于初始位置有稍微的移动，橡胶材料能够沿着溶胶凝胶体移动，所以橡胶的弹性允许光成形结构和子模的表面保持同溶胶凝胶体材料的接触。因此，更精确复制到溶胶凝胶体材料材料中的光成形结构代表了橡胶子模的光成形结构。
使用橡胶子模的另一个益处是由于橡胶的弹性其能够提供对原始母模漫射体表面更深和更好特征的复制。因此，第二代橡胶子模能够更精确地描绘原始母模漫射体表面的光成形结构。
使用橡胶子模的另一个优点是其消除了原始母模漫射体表面的制作与最终表面LSD产品之间的一个过渡步骤。如上所述，当使用塑料子模时，需要一个制造金属薄片子模和/或环氧树脂过渡层的中间步骤，因此在原始漫射体表面的制造与整块玻璃LSD表面的制造之间至少需要两个过渡模或子模。每个子模的过渡都产生一个轻微退化的和低清晰度的原始光成形结构的复制品。通过消除一个过渡步骤，能够在玻璃LSD中产生一个更精确和更高清晰度的表面结构。
5．表面凸纹LSD在溶胶凝胶体玻璃上的浇铸
利用如上所述的工艺并结合图2和图6，表面凸纹LSD或表面LSD可以通过直接浇铸制造。如图4所示制作的并支撑光成形结构的橡胶子模表面结构在步骤34中直接放置在浇铸模具的内表面上，最好是通过利用一个橡胶子模LSD作为一个或多个浇铸模具的内表面来放置。换而言之，在步骤34中模具本身可以是由合适的橡胶材料制成，其中在一个内表面上具有表面结构。当在上面结合图2所讨论的步骤24和26中把粘性溶液浇铸到模具内并老化，橡胶LSD表面上的光成形结构的一个精确复制件就直接传递给模具内溶胶体的表面。由此模压的光成形结构被保留在玻璃整块材料结构中。图6表示以下步骤，制备溶液30，搅拌溶液32，将溶液浇铸到合适的模具内34，老化36，热处理40和固结42。
利用该工艺制造的表面LSD具有凹凸不平的表面其具有从1μm到100μm的幅度和横向尺寸为10-15μm的细微结构。以这种方式制造的LSD的一个例子具有大约10°-15°的漫射角，如图7中的曲线92所示。
根据不同的应用，浇铸或模压的LSD能够制造出从大约0.1°到大约60°范围的漫射角。由于该LSD是真正的玻璃制成的，所以其能够承受1000℃以上的高温-远远地高于传统LSDs的玻璃转变温度100℃-150℃。其上(通过注模)形成的出光表面能够进行磨光和/或抛光以制成一个立体的透镜。通过传统的热涂层技术也可以应用AR(抗反射涂层)或其他涂层并且不损害玻璃。而且，如上结合图3的描述，玻璃表面LSD同传统塑料LSD相比大大提高了短波长的透光率。
如果使用浇铸工艺来制造玻璃的表面LSD，把橡胶材料作为一个放入模具内的衬垫或作为模具材料本身使用具有许多超过由诸如金属薄片或塑料材料等实质刚硬的材料制成的模具或模具衬垫的优点。如上所述，在溶胶凝胶体材料注射或加进一个硬的塑料模具内时其必需保持非常精确的粘度以便在浇铸过程中光成形结构能够被复制到溶胶凝胶体材料中。同诸如塑料或金属等实质刚硬的材料相反，由于橡胶材料的弹性，其能够提供更深和更好特征的复制件。另外，如果在老化过程中和热处理过程中使用加热，材料的特性显著改变并能够使溶胶凝胶体材料同模具或模具衬垫的表面脱离。如果发生脱离，那么表面特征就不能精确地复制也不能复制到所需的深度。然而，如果使用橡胶材料作为衬垫或模具材料，当模具或衬垫在老化和热处理过程中变形或收缩时其能够轻微地屈服以保持同溶胶凝胶体材料的接触，由此产生的表面结构复制件具有更好的清晰度。
另外，使用橡胶材料作为模具衬垫或模具材料还能在制造漫射体子模中直接消除一个过渡模步骤，其中从该漫射体子模中把光成形结构复制到玻璃LSD中。通过消除一个过渡模步骤，在最终玻璃LSD产品中可以制出退化更少和更高清晰度的光成形表面结构。
在不脱离本发明思想的前体下，对本发明可以作出许多的变形和修改。其中一些变化上面已经描述了。其余的变化在从属权利要求中也是显而易见的。

Claims (24)

1．一种制造光成形表面漫射体的方法，该方法包括以下步骤：
提供一个由相对柔软弹性的材料制成并至少具有一个第一表面的漫射体主模，在该第一表面上具有多个光成形结构；
用含有溶胶凝胶体材料的溶液形成一个整块氧化物玻璃基体；
把所述多个光成形结构从漫射体主模记录到玻璃基体的表面上；及
2．根据权利要求1所述的方法，其中所述形成步骤还包括：
用金属醇盐，一定量的水和一种溶剂准备溶液；
使该溶液产生一个从溶胶体到凝胶体的转变以形成凝胶体；
使凝胶体老化以制出多孔玻璃；及
对多孔玻璃进行热处理以形成所述玻璃基体并成为通常无孔和固结的玻璃。
3．根据权利要求1所述的方法，其中所述形成步骤还包括：
提供一种四乙基原硅酸盐的酒精前体溶液；
用含大约1％盐酸的水对该前体溶液进行部分水解并在室温下保持大约一个小时以制出部分水解的溶液；
将该部分水解的溶液浇铸到一个铸模内；
使该部分水解的溶液老化以形成凝胶体；
使凝胶体进一步老化以制成多孔的玻璃；及
对多孔玻璃进行热处理以形成所述玻璃基体并成为通常无孔和固结的玻璃。
4．根据权利要求3所述的方法，其中所述使凝胶体进一步老化的步骤至少要用一周的时间完成。
5．根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤；
用金属醇盐，一定量的水和一种溶剂准备溶液；
使该溶液产生一个从溶胶体到凝胶体的转变以形成凝胶体；
使凝胶体老化以制出多孔玻璃；
将多个光成形结构模压在凝胶体上并作为记录步骤；及
对多孔玻璃进行热处理以形成所述玻璃基体并成为通常无孔和固结的玻璃。
6．根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤；
用金属醇盐，一定量的水和一种溶剂准备溶液；
在一个模具腔体内提供所述漫射体子模；
把溶液加到模具腔体内以便溶液同漫射体主模上的多个光成形结构相接触；
使该溶液产生一个从溶胶体到凝胶体的转变以形成凝胶体；
使凝胶体老化以制出多孔玻璃及将多个光成形结构浇铸到多孔玻璃上并作为记录步骤；及
对多孔玻璃进行热处理以形成所述玻璃基体并成为通常无孔和固结的玻璃。
7．根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤；
提供一个基底基片；
用金属醇盐，一定量的水和一种溶剂准备溶液；
在一部分基底基片上涂着一层该溶液薄膜层；
使该薄膜层产生一个从溶胶体到凝胶体的转变以形成凝胶体；
使凝胶体老化以制出多孔玻璃；
在老化步骤中将漫射体子模对着薄膜层压制以将多个光成形结构模压到薄膜层上并作为记录步骤；及
对多孔玻璃进行热处理以形成所述玻璃基体并在基底基片上成为通常无孔和固结的玻璃层。
8．根据权利要求7所述的方法，其中所述提供步骤还包括提供一个玻璃材料的基底基片。
9．根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤；
提供一个基底基片；
用金属醇盐，一定量的水和一种溶剂准备溶液；
至少在该基底基片的一个表面上涂着一层该溶液薄膜层；
使该薄膜层产生一个从溶胶体到凝胶体的转变以形成凝胶体；
把该凝胶体加热到大约70℃到大约120℃之间的温度并保持大约4到7和小时；
使凝胶体老化以制出多孔玻璃；
在老化步骤中将漫射体子模对着薄膜层压制以将多个光成形结构模压到薄膜层上并作为记录步骤；及
对多孔玻璃进行热处理以形成所述玻璃基体并在基底基片上成为通常无孔和固结的玻璃层。
10．根据权利要求9所述的方法，其中所述方法还包括步骤：
在老化步骤中同时执行压制和加热步骤。
11．根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤；
用金属醇盐，一定量的水和一种溶剂准备溶液；
使该溶液产生一个从溶胶体到凝胶体的转变以形成凝胶体；
使凝胶体老化以制出多孔玻璃；及
在大约1000℃到大约1050℃之间的温度对多孔玻璃进行热处理以形成所述玻璃基体并成为通常无孔、固结和烧结的玻璃。
12．根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤；
将多个光成形结构至少记录到玻璃基体的进光表面；及
在所述玻璃基体的出光表面上制出一个凹面并作为一个立体的透镜。
13．一种制造光成形表面漫射体的方法，该方法包括以下步骤：
提供一个由相对柔软弹性的材料制成并至少具有一个第一表面的漫射体子模，在该第一表面上具有多个光成形结构；
用金属醇盐，一定量的水和一种溶剂准备溶胶凝胶体溶液；
使该溶胶凝胶体溶液产生一个从溶胶体到凝胶体的转变以形成凝胶体；
使凝胶体老化以制出多孔玻璃；
在老化步骤中压制漫射体子模的第一表面同凝胶体接触以将多个光成形结构记录到多孔玻璃的一个表面上；
将子模漫射体同多孔玻璃分离；及
对多孔玻璃进行热处理以形成通常无孔和固结的整块玻璃基体。
14．一种制造光成形表面漫射体的方法，该方法包括以下步骤：
提供一个由相对柔软弹性的材料制成并至少具有一个第一表面的漫射体子模，在该第一表面上具有多个光成形结构；
用金属醇盐，一定量的水和一种溶剂准备溶胶凝胶体溶液；
在基底基片上涂着一层溶胶凝胶体溶液的薄膜层；
使该薄膜层产生一个从溶胶体到凝胶体的转变以形成凝胶体；
使该薄膜层老化以制出多孔玻璃层；
在老化步骤中压制漫射体子模的第一表面同凝胶体接触以将多个光成形结构记录到多孔玻璃薄膜层上；
将子模漫射体同多孔玻璃层分离；及
对多孔玻璃层进行热处理以在基底基片上形成通常无孔和固结的整块玻璃层。
15．根据权利要求14所述的方法，其中所述老化步骤还包括步骤；
将薄膜层加热到大约70℃到大约120℃之间的一个温度。
16．根据权利要求14所述的方法，其中所述老化步骤还包括步骤；
将薄膜层加热到大约70℃到大约120℃之间的一个温度；及
同时执行压制步骤。
17．一种制造光成形表面漫射体的方法，该方法包括以下步骤：
提供一个铸模，至少在该铸模内部表面的一部分上具有一个漫射体子模，其中该漫射体子模表面是由相对柔软弹性的材料制成并具有多个光成形结构；
用金属醇盐，一定量的水和一种溶剂准备溶胶凝胶体溶液；
将该溶胶凝胶体溶液注进铸模内以便多个光成形结构同溶胶凝胶体溶液接触；
使该溶胶凝胶体溶液产生一个从溶胶体到凝胶体的转变以形成凝胶体；
使该薄膜层老化以制出多孔玻璃并在多孔玻璃的表面上具有多个记录的光成形结构；及
对多孔玻璃层进行热处理以形成一个通常无孔和固结的整块玻璃基体。
18．根据权利要求17所述的方法，其中所述提供步骤还包括步骤；
提供一个模具衬垫作为漫射体子模的表面：及
将该模具衬垫放入铸模内。
19．根据权利要求17所述的方法，其中所述提供步骤还包括步骤；
提供一个由相对柔软弹性的橡胶材料制成的铸模，其中模具内表面上的光成形结构与模具的内表面是一个整体。
20．通过权利要求1所述工艺制成的一种表面光成形漫射体。
21．通过权利要求13所述工艺制成的一种表面光成形漫射体。
22．通过权利要求14所述工艺制成的一种表面光成形漫射体。
23．通过权利要求17所述工艺制成的一种表面光成形漫射体。
24．一种表面光成形漫射体，该漫射体包括：
一个基体，其中至少该基体的一个表面部分是由固结和无孔的玻璃材料制成的；及
在该基体的表面部分上具有从一个柔软弹性的橡胶子模漫射体上记录而来的多个光成形结构。
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