JP4460163B2 - 高効率モノリシックガラス光線成形ディフューザおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
（１．発明の属する技術分野）
本発明は、光線成形ディフューザに関し、詳細には、モノリシックガラス材料から形成される表面光線成形ディフューザと、同表面光線成形ディフューザを形成する方法に関する。
【０００２】
（２．関連技術の説明）
光線成形ディフューザ（Ｌｉｇｈｔ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ^TM）（ＬＳＤ（登録商標））は、光線成形ホモジナイザまたは単にディフューザとして知られ、種々の照明、撮像、投光の用途で使用されるディフューザである。ＬＳＤは、入射面と、出射面と、入射面上かまたはその内部のうちの少なくとも一方に形成された光線成形ディフューザとを有する透明または半透明の構造である。これらの光線成形構造は、ランダムで、無秩序な非平面微細彫刻構造である。かかる構造は、コヒーレント光と組み合わせて発生させたスペックル・パターン、もしくはコヒーレント光とコンピュータによって生成されたスペックルを擬するマスクとの組み合わせで媒体を照射することで、媒体の記録中に生成される。スペックルは媒体の屈折率を変更するが、この媒体は現像されると微細彫刻構造となる。かかる光線成形構造は、ＬＳＤの出射面から発せられる光線が、水平軸と垂直軸にそって精密に制御されたエネルギー配分を示すように、ＬＳＤを通過する光線を回折する。ＬＳＤは、光線を成形するために使用でき、その結果、ＬＳＤに入射する光線の９０％以上（および最高で９５％〜９８％）がＬＳＤの下流に位置する目標に向けられ、同目標に接触する。ＬＳＤは、入射光を収束し、その収束光を（１）数分の１°から１００°を超えるまで円形領域に配分するか、もしくは（２）ほとんど無制限の楕円角度の領域に送るようにできる。たとえば０．２°×５０°のＬＳＤは、ＬＥＤまたはレーザによって照射されると直線を発し、３５°×９０°のＬＳＤは、同じ光源によって照射されると狭い視野で高解像度の背面投射スクリーンを生成する。
【０００３】
仕上げホログラフィー素子をレーザの波長でのみ使用しなければならないコヒーレンスとして知られる単色レーザ光の特性を利用するのではなく、ＬＳＤは白色光で完璧に機能する。したがって、ＬＳＤは、ＬＥＤ、日光、タングステン・ハロゲンランプ、アーク灯を含むほとんどすべての光源からの光線でも使用できるため、高度な多様性を呈する。
【０００４】
現在、「体積ＬＳＤ」と「表面ＬＳＤ」の二種類のＬＳＤが利用できる。体積ＬＳＤは、内部を通過する光線を回折する光線成形構造を本体内に内蔵したことを主な特徴とする体積光学素子である。表面ＬＳＤは、内部を通過する光線を回折する光線成形構造を表面上に載せたことを主な特徴とする表面レリーフ光学素子である。表面ＬＳＤは、光学的に生成されるだけでなく、媒体の表面を機械的に操作しても生成することもできる。それぞれに関連した係属中の特許出願と、発行された特許を以下に示す。体積ＬＳＤと表面ＬＳＤはほとんどの場合で交換して用いられる。ただし、ＬＳＤを液体に浸漬するような用途などの、体積ＬＳＤが望ましい用途などでは、用途が制限されるものもある。
【０００５】
体積ＬＳＤの光線成形構造は、ホログラフィー記録システムと似たコヒーレント光記録システムを用いて記録される。マスターディフューザを通過したコヒーレント光は、（二色性ゼラチンＤＣＧや別の体積記録材料などの）体積感光媒体に入射する。媒体に入射する光線のスペックル・パターンは、媒体の屈折率を変更することで、媒体内に設けられる。スペックル・パターンが明るい場合、媒体は硬化し、媒体の屈折率が上がる。スペックル・パターンが暗い場合、屈折率はほぼ同じのままである。現像時、かかる屈折率の変化は実質的に永続的であるようにされる。あるいは、スペックル・パターンを、印刷プロセスに似た処理で、インコヒーレント光源とスペックル模擬マスクを用いて生成してもよい。マスクを通過した光線は体積媒体に入射し、スペックル・パターンが、実質的に前述の場合と同様の屈折率の変化を生じる。
【０００６】
表面ＬＳＤは、代替方法と同様の様式で製造される。前述と同様の記録用セットアップを用いるが、標準フォトレジストなどの非体積性記録媒体をＤＣＧなどの体積媒体の代わりに用いる点が異なっている。現像中、硬化により屈折率が増加した領域は残り、軟質の低屈折率領域は洗い流される。このプロセスにより、媒体表面上に光線成形特性を有する微細構造が残る。次に、この構造は、エンボス加工、射出成型、エポキシ複写などの種々の複写手法を用いて、プラスチックを含む任意数の材料に複写される。
【０００７】
ＬＳＤの製造方法はジャンソン（Jannson ）らの米国特許第５，３６５，３５４号（’３５４特許）、ピータースン（Petersen）らの米国特許第５，６０９，９３９号（’９３９特許）、ピータースン（Petersen）らの米国特許第５，５３４，３８６号（’３８６特許）に開示されている。’３５４特許と、’３８６特許と、’９３９特許は、ＬＳＤの製造方法の開示のために、参照により本明細書に組み込まれる。リーバーマン（Lieverman ）に付与された本願と同一出願人に譲渡された米国特許出願第０８／９０２，４１５号、発明の名称「モノリシックガラス光線成形ディフューザとその製造方法（Monolithic Glass Light Shaping Diffuser and Method for its Production ）」（’４１５出願）は、高温での使用のために、プラスチックまたはエポキシの副母型からのゾル−ゲル・ガラス組成物からディフューザを製造する複数の方法を開示している。’４１５出願も、ＬＳＤ製造の開示のために、参照により本明細書に組み込まれる。他の関連米国特許出願には、１９９８年８月２０日に出願された「非ランバーティアン・ガラス光線成形ディフューザとその製造方法（Non-Lambertian Glass Diffuser and Method of Making）」、１９９８年８月２０日に出願された「ディフューザ母型とその製造方法（Diffuser Master and Method of Manufacturing ）」、１９９８年８月２５日に出願された「高効率モノリシックガラス光線成形ディフューザとその製造方法（High Efficien cy Monolithic Glass Light Shaping Diffuser and Method of Making）」、１９９８年８月２５日に出願された「一体型表面ディフューザを有する光学素子（Optical Element Having an Integral Surface Diffuser ）」、１９９８年８月２５日に出願された「ディフューザ表面構造を含む移動体光線アセンブリ（Vehicle Light Assembly Including a Diffuser Surface Struc ture ）」と、１９９８年８月２５日に出願された「光源とゾル−ゲル・モノリシック・ディフューザとを有する装置（Apparatus Having a Light Sourface and a Sol-Gel Monolithic Diffuser ）」と、１９９８年８月２５日に出願された「受動マトリックス液晶ディスプレイ（Passive Matrix Liquid Crystal Display ）」と、１９９８年８月２５日に出願された「ディフューザを備えた光学素子を有するデバイス（Device Inclu ding an Optical Element With a Diffuser ）」などがある。以上の出願も参照により本明細書に組み込まれる。
【０００８】
ＬＳＤはこれまで、アクリルプラスチックやポリカーボネートプラスチックなどのプラスチックからしか成型されていなかった。これはかかる材料のみが、（副母型との相互作用に適した条件下で）光線成形構造を受容するのに充分に変形可能であったためである。かかるプラスチックの物理特性によって生じる制限により、ＬＳＤの適用動作範囲が限定される。
【０００９】
たとえば、ＬＳＤを成型するプラスチックは、約１５０℃未満で、しばしば１００℃未満のガラス遷移温度であることが典型的である。したがって、従来のプラスチックＬＳＤは、ＬＳＤの温度をそのガラス遷移温度以上に上げるに充分な熱にＬＳＤがさらされるような用途では使用できない。この熱は、アーク灯等などの光源から直接受け、紫外線または赤外線放射の形態で吸収される。したがって、一般的に、プラスチックＬＳＤは、ＬＳＤの付近で大量の熱を発する加熱ランプ、液晶ディスプレイプロジェクタ、トラック照明、その他の光源と併用できない。また、プラスチックＬＳＤは、プラスチックによって吸収される放射を発する紫外線範囲や赤外線範囲で動作する光源とも広く使用できない。
【００１０】
プラスチックＬＳＤの１つの制限は、高温コーティング処理にはさらせない点にある。ディフューザの効率を上げるために、反射防止（ＡＲ）コーティングの膜をディフューザにコーティングすることがしばしば望ましい。多数のＡＲコーティングを含む多くのコーティングは、ＬＳＤに一般的に使用されるプラスチックのガラス遷移温度を上回る温度でしか塗布できない。従来のＬＳＤは、かかるコーティングとは併用できない。
【００１１】
従来のプラスチックＬＳＤに伴うさらに別の問題は、その出射面で高品質の三次元レンズを形成することが困難あるいは不可能である点にある。種々のディフューザ用途において、ディフューザの出射面側にレンズを配することが望ましい。従来のプラスチックＬＳＤでは、研削、研磨、成型して高品質レンズに仕上げることができない。高品質レンズは、積層により、あるいはフレネルレンズを取り付けることによってのみＬＳＤの出射面上に生成できる。当業者には周知のとおり、フレネルレンズは、三次元湾曲レンズの効果に近づくよう設計された効果を使用中に生じる平面すなわち二次元面を有する。別個のフレネルレンズをディフューザの出射面に載せると、出射面に従来の湾曲レンズを単に研磨あるいはその他の方法で形成するよりも実質的に困難で高価になり、低品質レンズを生成する恐れもある。
【００１２】
プラスチックＬＳＤの前述の欠点の多くは、ＬＳＤをプラスチックではなくガラスで形成すると回避できた。しかし、光線成形構造は、従来のガラスの形成に伴う高温（約１，８００℃）により、光線成形構造を有する母型または副母型が破壊されるため、その製造プロセス中に従来のガラス構造上にエンボス加工したり、その他の方法で記録できない。
【００１３】
前述の’４１５出願はモノリシックガラス光線成形ディフューザ構造と、ゾル−ゲルとして知られるガラス組成からディフューザを作製する方法について開示している。’４１５出願は、体積ＬＳＤと、体積ディフューザを作製する方法について開示している。また、表面ＬＳＤと、表面ディフューザを作製する方法も開示している。表面ＬＳＤは、型の内表面上に光線成形構造を有するゾル−ゲル組成物をプラスチック型に入れて鋳造する鋳造プロセスによって形成する。表面ＬＳＤを形成する別の方法が’４１５出願に開示され、それにより、ゾル−ゲル組成物のコーティングまたは層が基板上に薄膜層を形成する。光線成形レリーフ構造を有する副母型または母型ディフューザが薄膜層に接触し、ゾル−ゲル層がガラス遷移、エージング、熱処理プロセスを経た後に、表面構造が薄膜層上に記録される。表面レリーフ構造を有する母型または副母型は、プラスチック材料製であるとして開示されている。
【００１４】
’４１５出願に開示されたゾル−ゲル・ガラスＬＳＤを形成するために利用するプロセスによっては、表面レリーフ構造が記録される母型または副母型は、非常に堅く、柔軟性のない実質的な剛性硬質プラスチック材料から形成される。表面レリーフ構造をゾル−ゲル材料に完全かつ適切に記録するためには、ゾル−ゲル材料を内包空間に維持し、ベース基板上にコーティングし、精密に制御された粘度で型に入れる。粘度が多少でも所望粘度よりも上下すると、ゾル−ゲル材料は適切に流れず、母型の表面レリーフ構造に完全には接触しない。さらに、粘度が多少望ましくないレベルであると、ゾル−ゲル材料は、すべての表面レリーフスペースに完全には流れ込まないことがある。母型または副母型の硬質材料は、ゾル−ゲル材料を適切に流れるようにする上で助けになるようにまったく降伏、屈折または湾曲しない。したがって、粘度が所望どおりに正確でない場合、表面レリーフ構造は、すべてはゾル−ゲル材料に記録されないか、もしくは不正確に記録される。
【００１５】
かかる現在のプロセスのさらなる問題は、特定の原版の母型表面レリーフ構造の副母型複写が記録されるたびに、その解像度が多少落ち、それによって、光線成形特性が多少変動することである。たとえば、母型フォトレジスト材料は、その内部に表面レリーフ構造を記録させて典型的に設けられ、続いて内部に特徴を記録させた第二世代の副母型が生成される。次に、第三世代の副母型が第二の副母型から生成され、これにも同様に続いて内部に特徴を記録される。元々の母型とディフューザの最終製品との間に他の追加の副母型が生成される場合が時としてある。後で生成された副母型内の表面レリーフ構造が引き続き形成されるごとに、低解像度の原因となり、したがって、光線成形特徴の品質が下がる。このため、かかる副母型ステップの一つを排除できると望ましい。
【００１６】
（発明の目的および概要）
本発明の主たる目的は、現在利用できるプラスチックＬＳＤよりも、温度または波長の少なくともいずれか一方の点で広い動作範囲を有するモノリシックガラス表面ＬＳＤを提供することにある。
【００１７】
本発明の別の目的は、その出射面に高品質湾曲レンズを形成することが可能な表面ＬＳＤを提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、成型されると、以上の目的の一部またはすべてを満たすモノリシックガラス材料から表面ガラスＬＳＤを製造する方法を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、原版すなわち第１母型ディフューザで本来形成された表面レリーフ構造の高解像度を有する高効率のガラス表面ＬＳＤを提供し、それによって、より正確に記録された光線成形特徴を提供することにある。
【００１９】
本発明の別の目的は、原版である母型面からＬＳＤの表面への後続の記録の回数を減少する、かかる高効率表面ＬＳＤを作製する方法を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、ＬＳＤ製造中にガラス材料の粘度の変動に対してより許容範囲が広い、表面ガラスＬＳＤを製造する方法を提供することにある。
【００２０】
以上の目的は、母型または副母型に適した条件下において、ガラス材料の表面に所望の光線成形構造をエンボス加工またはその他の方法で記録できる、生成プロセスの１ないし複数の段階中に、１つの状態を取るガラス材料でＬＳＤを形成することにより、非常に単純かつ効果的な様態で達成される。好ましくは光線成形構造は、鋳造または成型法によって、もしくはエンボス加工または圧縮成型法によって、表面ＬＳＤを形成することで、いわゆる「ゾル−ゲル」ガラスの生成中に作製されることが望ましい。
【００２１】
表面ＬＳＤは、ゴム材料製の比較的可撓性のある型に溶液を鋳造するだけで、鋳造可能なゾル−ゲル・ガラスから製造でき、この場合、型は内表面上に光線成形構造を有する。成型プロセス中、ゾル−ゲル材料上に光線成形構造がエンボス加工される。
【００２２】
表面ＬＳＤは、ゾル−ゲル溶液の層をベース基板上にコーティングして、基板上に薄膜を形成し、薄膜にゾルからゲルへの遷移を起こさせ、薄膜をゴム副母型に接触させることで薄膜の少なくとも一部に光線成形構造を記録し、ゲルをエージングし、多孔性ガラスを形成することによって、コーティング可能なゾル−ゲル・ガラスからも製造できる。この処理は、光線成形構造を有するゴム製母型を薄膜に押し当てることで、強化できる。
【００２３】
本発明の以上およびその他の目的、特徴および利点は以下の詳細な説明と添付図面から当業者には明らかである。詳細な説明と特定例は、本発明の望ましい実施例を示すものであるが、例示を目的とし、限定は意図していないことは明白である。本発明の範囲内で、その精神から逸脱することなく多数の変更や改変を行え、本発明はかかる改変のすべてを含む。
【００２４】
本発明の好ましい典型的な実施形態を、同様な番号を一貫して同様な部分を示した添付の図面に示す。
（好ましい実施形態の詳細な説明）
１．序
本発明によると、ガラス材料にその成型中に光線成形構造を記録することで、モノリシックガラス材料から表面光線成形ディフューザ（ＬＳＤ）を形成する方法が提供される。表面ＬＳＤは、型の内表面に表面レリーフ成型構造を有する比較的可撓性の型にゾル−ゲル材料を加えるか、ゴム基板から高品質光学ガラス上に表面レリーフ光線成形構造をエンボス加工するか、ゴム基板からベース基板上にコーティングされたガラス薄膜上に光線成形構造をエンボス加工することで、作製できる。かかるＬＳＤは、透過された光線の角の拡がりを制御し、液晶ディスプレイやフィラメント光源などの空間的に雑音が多い光源の均一化を行い、同時に、損傷閾値をどのガラス光学素子でも一定となるよう維持する。ＬＳＤは紫外線波長から可視スペクトルまで、また近赤外線まで９０％を上回る透過効率を有する。さらに、ＬＳＤは本物のガラスであるため、プラスチックＬＳＤのガラス遷移温度をはるかに超える温度に耐え、従来の成型、研削、研磨手法により凸形または凹形に成型でき、熱コーティング手法でコーティングできる。また、ＬＳＤは非常に高いレーザ閾値を有する。
【００２５】
２．プロセス概略
本発明の核心は、光線成形構造を有する母型または副母型に適した条件下でガラス材料を成型する場合に、材料の成型中にモノリシックガラス材料に光線成形構造（特に構造がディフューザの内部に延びる場合は集合的に「 スペックル」 として時に知られる）を記録することでＬＳＤが作製できるという発見にある。本発明を実施するために現在望ましい方法では、いわゆる「 ゾル−ゲル」 プロセス中に、材料に光線成形構造を記録することに関する。ゾル−ゲル・ガラス製造の当業者には既知のとおり、ゾル−ゲル・プロセスは酸化ガラスの製造のための低温法である。酸化物ネットワークは、分子前駆物質から開始する加水分解および無機ポリマー化反応によって得られる。ゾル−ゲル・プロセスでは、従来の溶解手法によるガラスの製造と比べて以下のような複数の長所がある：（１）高光学品質の金属酸化ガラスの生成、（２）分子前駆物質溶液を混合することにより均一な多成分ガラスが簡単に得られる、（３）高い純度と低い処理温度が得られる、（４）ゾルまたはゲルの流動学により、引き抜き、スピニング、液浸、鋳造、含浸などの手法によりファイバ、薄膜、モノリス、組成物の成型が可能である。ＬＳＤとしての使用に最適なゾル−ゲル・ガラスの特性を表１にまとめる。
【００２６】
【表１】

典型的なゾル−ゲル・プロセスでは、まず金属酸化アルキルと、水と、エタノールなどの適切な溶剤との溶液を調製し、次に、該溶液にゾル−ゲル遷移を生じさせて、ゲルを生成し、次に該ゲルをエージングして、多孔性水和ガラスを生成する。次に水和ガラスを熱処理し、固結によって多孔性を減少する。一般的なプロセス例では、四エチルオルト珪酸（ＴＥＯＳ）と、水と、エタノールとの混合物を用いて、融解石英ガラスを作製する。他の例では、アルミニウム第三ブイトキサイド（Ａｌ（ＯＢｕ）₃ ）をアルミナゲル用に、四オルトエチルチタン酸（ＴＥＴ）をチタニアゲル用に使用することが含まれる。所望ガラス材料の光学特性に応じて、多成分試薬をしばしば溶液に混合し、高屈折率、高強度、高温、非線形特性、伝導特性などの特別な特性を備えたガラスを作製する。
【００２７】
ゾル−ゲル・プロセスの化学反応は、有機金属分子前駆物質のヒドロキシル化と凝縮反応に基づく。金属アルコキシドは、水などの求核性試薬に反応性が高いため、酸化物のゾル−ゲル合成のために最も多様性のある前駆物質である。金属アルコキシドと水とを相互溶剤、通常はアルコールである、で混合すると加水分解が生じる。シリカＬＳＤ用のゾル−ゲル・マトリクスは、スピニング可能、コーティング可能、鋳造可能な溶液に分解できる。室温でのＴＥＯＳ・水・エタノール溶液の経験的な混和式を図１の３成分相の図でモル百分率で示す。該図からわかるように、ゾル−ゲル溶液は４０モル％未満の水でスピニング可能であり、４０から７０モル％の水でコーティング可能であり、７０％を超える水で鋳造可能となる。
【００２８】
光線成形構造（スペックル）が母型または副母型に適した低温でモノリシックガラス構造にどのように記録できるかについての理解を促すために、典型的なゾル−ゲル・プロセスを以下に説明し。次に図２では、ＴＥＯＳ溶液をエタノールで調製し、次にステップ２０で示されるように水で該溶液を部分的に加水分解することで、鋳造による高光学品質のモノリシック石英ガラスの生成プロセスが開始する。混合された溶液は、典型的に容積で約４５％のＴＥＯＳ、約４５体積％のエタノール、約１０体積％の水を含み、水は、必要であれば、ＨＣｌなどの適切な酸を約１体積％含み、完成ガラス製品のｐＨを下げ、その耐久性を向上することもできる。ＴＥＯＳ、エタノール、水の割合は、該３つの成分すべての相対割合が、鋳造可能な溶液となる図２の三成分構造の部分内に維持されている限りは、変更できる。
【００２９】
次にステップ２２で溶液を混合し、ＴＥＯＳの加水分解とエタノールの蒸発により溶液粘度を増加する。この混合は室温で行うことが望ましく、通常、３０から１２０分継続し、望ましい粘度である約１００Ｃｔｓを得るために、６０分から１時間の混合期間を望ましい最低期間とする。高温（最高約７０℃）で混合し、エタノールの蒸発速度を加速することでプロセスを加速してもよく、あるいは、低温（最低約０℃）で混合し、エタノールの蒸発速度を遅くすることでプロセスを減速してもよい。
【００３０】
次に、混合ステップによって生成された粘性溶液を、ステップ２４において適切な鋳型で鋳造する。次にステップ２６で、鋳造溶液にゲル化・エージングプロセスを行う。ステップ２６は、粘性溶液のゼラチン相への遷移と、その後のゲルの多孔性ガラス層への遷移という特徴を有する。モノリスの場合、溶液の最初の粘度、鋳型内の溶液の体積、プロセスが生じる環境条件によって、このプロセスは約２〜４週間（時にそれ以上）かかる。高品質ガラスは、温度と湿度を制御した条件下でのエージングによって、最も確実に得られる。エージングプロセスは、比較的低温（約７０℃〜１２０℃が望ましい）で型内でガラスを充分な時間加熱し、型からの除去とその後の取り扱いを可能にするのに十分な程度にガラスを硬化させる焼成プロセスで終了する。焼成期間の長さは、短い場合は数時間から長い場合は２日間まで、用途によって異なる。
【００３１】
本物のモノリシックガラス材料は、エージングプロセス中に生成される。ただし、このガラスは非常に多孔性で、比較的もろい。ガラスは、好ましくはステップ２８で熱処理し、焼結することでガラスを固結（すなわち孔を中実のガラス構造に変える）し、その剛性と耐久性を増加する。典型的な熱処理プロセスは、１サイクル約２４〜４８時間で、毎分０．１℃の割合で温度を約２５℃から約１０００℃へ、さらに１０５０℃へ上げ（約１００℃上げるごとに約２時間その温度で維持する）、次に温度を徐々に下げる。
【００３２】
図２のプロセスの結果、表１に関連して前述した、高耐久性とその他の有益な特性を備えた高品質の石英モノリシックガラスが得られる。得られたガラスは透過度も優れている。実際、図３の曲線３０で示されるように、該モノリシックガラスの透過度は、約３５０ｎｍ以上の波長で９０％を超え、約４５０ｎｍ以上の波長で９５％以上となる（８％のフレネル反射は除外）。
【００３３】
ここで、ＴＥＯＳ・エタノール・水の割合を適切に選択している限りは、前述の鋳造プロセスの代わりに、コーティングプロセスやスピニングプロセスを用いてもよいことに留意する。薄膜でのゲルからガラスへの遷移時間は、典型的なもので、モノリスよりもはるかに短く、通常は数時間要する。
【００３４】
光線成形構造は、その成型プロセスの中間段階中にゾル−ゲル・ガラス材料の表面に記録され、完成したガラス構造に表面ＬＳＤを形成する。モノリシック・ゾル−ゲル・ガラス材料から表面ＬＳＤを形成する望ましい手法をいくつか以下に詳述する。かかる手法は、ＴＥＯＳ・エタノール・Ｈ₂ Ｏ系で説明するが、記述したプロセスは、いかなる適切な金属アルコキシド・アルコール・Ｈ₂ Ｏ系にも同様に適用できる。
【００３５】
３．ゴム製副母型表面レリーフ構造の形成
副母型面ディフューザは、ゴムなどの軟質で可撓性の材料から作製できる。たとえば、シリコンゴム材料を利用し、材料の硬化中に、原本の母型ディフューザなどの前世代ディフューザから、ゴム材料に複数個の光線成形構造を複写する。図４は、かかるゴム副母型ディフューザを成型するプロセスを単純な図式で示したものである。ゴム副母型ディフューザを成型するプロセスは、本願と同一の出願人に譲渡された継続中のセイヴァント（Savant）らの米国特許出願第０９／０５２，５８６号「 母型を保存したままで複製を作製する方法(Method of Making Replicas While Preserving Master)」にも開示、記述される。該係属中の出願の主題は、ゴム副母型の作製の開示への参照により本文書に組み込まれる。
【００３６】
図４では、母型ディフューザ表面は、１９９８年８月２０日に出願された係属中の出願「 ディフューザ母型と製造方法」 に開示されるように、金属表面をエッチング、サンドブラストもしくはバフ仕上げし、その上に陥凹または凹凸を形成することで、コヒーレント光またはインコヒーレント光を用いて、感光性媒体上に光学特徴を記録することで作製する（２００）。感光性材料または金属基板は、特に所望の光学特性をその上に記録した原版母型ディフューザ表面を定義する。ＲＴＶシリコンなどのゴムの層を母型表面上に注ぎ（２０２）、母型の光学面特徴がゴム材料に接触するようにする。次にゴム材料を硬化し（２０４）、ゴム材料の面構造を記録する。次に、ゴムを母型から分離し（２０６）、同時に、ゴム材料の表面に光学特徴を保持する。
【００３７】
エポキシなどの材料の層で副母型をコーティングし、該エポキシ層をプラスチック製基板で覆い、エポキシを硬化し、エポキシを副母型から分離し、内部に光学特性を記録したプラスチック素子を生成することで、かかるゴム製副母型を使用し、プラスチック製の下位世代副母型および／または最終光学製品を連続して作製できる。前述したように、かかるプラスチック基板は次に、さらなる下位世代ディフューザに光学特性を記録する際の副母型として使用される。
【００３８】
また前述のように、母型光学素子から作成された各下位世代は、多少解像度が低く、原版母型から劣化したレリーフ構造またはディフューザ表面を提供する。本発明は、少なくとも１個のステップまたは下位世代を除外し、ゴム複製から直接生成されたガラスディフューザまたはＬＳＤを提供することを目的とする。
【００３９】
本発明の方法に従って、多くの種々のゴムまたはゴム化合物を利用できる。ただし、ゴム材料は、プラスチックおよび複合プラスチックと比較して可撓性があり、本発明の所望特徴を提供することは必須である。たとえば、前述のＲＴＶ珪素樹脂材料およびその他の珪素樹脂組成物は、本発明の実施においてうまく利用されている。ただし、他のゴム材料も適切で、ＲＴＶ珪素樹脂材料の代替品として使用できる。
【００４０】
４．コーティング可能またはスピニング可能なゾル−ゲル・ガラスからのＬＳＤの製造
コーティング可能またはスピニング可能なゾル−ゲル・ガラスから典型的な表面ＬＳＤを製造することが可能で、しばしば望ましい。鋳造可能なゾル−ゲル・ガラスと比較すると、コーティング可能なゾル−ゲル・ガラスは、ゲル化・エージング期間が、鋳造可能なゾル−ゲル・ガラスのゲル化・エージング期間よりもはるかに短い（鋳造可能なガラスの場合は２週間以上であるのに対し数時間）ため、大量生産に適していると一般的に考えられている。
【００４１】
図５では、ステップ７０（前述のステップ２０の調整と同一）の溶液調整からコーティングプロセス例をステップ７２の混合ステップに進める。コーティングには低粘度（約１０〜２０Ｃｔｓ）しか必要としないため、鋳造プロセスと組み合わせてセクション２とセクション５で説明したよりも少ない混合しか必要ではない。次に、ステップ７４で、既知のスピニング、液浸もしくはスピンコーティングにより、多少粘度がある溶液を従来のガラス基板にコーティングし、それによって、ベース基板の表面上に約１０ミクロン〜１００ミクロンの厚みを持った薄膜層を堆積する。
【００４２】
次に、前述のように製造し、光線成形構造を有するゴムＬＳＤ副母型を、ステップ７６で表面に対して圧縮または成型し、薄膜層の上に光線成形構造の直接的な複製をエンボス加工する。ゴム製の副母型は、薄膜層の表面に反応圧縮または押し付けられ、光線成形構造を完全に複製することが望ましい。次に、光線成形構造を、ステップ７８で、薄膜層を約５０℃で１〜５時間加熱し、薄膜層のガラスをゼラチン相から多孔性ガラス相へ遷移させる（鋳造プロセスのエージングステップに類似）ことで、所定位置に固定する。次に、ゴムＬＳＤ副母型をガラスから取り外し、ステップ７９で、ガラスを通常の様態で熱処理し、薄膜層にガラスを固結する。この方法の変形では、加熱したプレスを用いて、薄膜層にＬＳＤ構造をエンボス加工または適用することで、押し付けと加熱のステップ７４と７６をまとめる。
【００４３】
多孔性ガラスの熱処理中、約３０〜４０％の顕著な収縮が生じる場合がある。この角空間分布の収縮効果は、図８の曲線１００と図９の曲線１１０を比較することで理解される。曲線１００は、約７００℃（固結温度よりもまだはるかに低い）までの後プロセスの後に鋭角、たとえば０．７１°が得られることを示している。曲線１１０は、熱処理中の固結プロセス後、または約１，０００℃から約１，０５０℃の温度で鋳込み構造を焼結した後に、この角光線分布がたとえば２．１１°まで増加することを表わしている。これは、熱処理プロセスの前から熱処理プロセスの後までで、約６６％角分布特性が全体で増加したことを表している。
【００４４】
熱処理による収縮はＬＳＤの光学品質を向上することが発見されている。光線成形構造を有するＬＳＤのすべての構成要素がそれぞれ対応する量だけ収縮する。スペックルの収縮により結像能力が強化される。たとえば、原版の母型ディフューザ表面の製造中に形成された線が幅１００ミクロンであるとすると、最終ＬＳＤ製品による該線は幅７０ミクロンとなる。本発明の本方法はガラスモノリシック材料から製造した体積ＬＳＤとは無関係であるが、熱処理による収縮と、その結果得られる結像向上は体積ＬＳＤの製造においても得られることは留意すべきである。
【００４５】
前述の手法によって製造されたモノリシックガラス表面ＬＳＤは多様性が高い高品質ＬＳＤで、従来のプラスチックＬＳＤでは不可能であった高温の用途にも使用できる。したがって、ガラス製ＬＳＤは、プラスチック製ＬＳＤとは異なり、レーザ、特にハイパワーレーザ、ＵＶレーザ、赤外レーザ、近赤外レーザでホモジナイザとして使用できる。また、プロジェクタや乗用車のヘッドライトなど、かなりの熱を発する光学用途でも使用できる。また、映画の映写機などで使用されるロッド集成器の代わりに使用でき、実際に従来のロッド集成器よりもはるかに効率がよい（従来の約２０％の効率に対し、約９０から９６％の効率）。さらに、光学品質ガラスから形成されるため、その出射面が研削、研磨もしくは成型され、プラスチックＬＳＤでは得られなかった高品質の湾曲レンズ、またはプリズムやビーム成形機などのいかなる光学素子にもできる。
【００４６】
光線成形構造が、エンボス加工、圧縮、またはゴム副母型と接触したゾル−ゲル材料を注ぐことで単に成型したかどうかに関わらず、以上のプロセスは、プラスチック副母型を利用してモノリシックガラス材料から表面ＬＳＤを成型する既知の方法を上回る、いくつかの利点を提供する。たとえば、ゴム製副母型を利用した場合、ゾル−ゲル材料の粘度は、プラスチック副母型を使用したときほど精密制御する必要がない。これは、比較的可撓性のゴム材料と比較すると、プラスチック材料が本質的に剛性で柔軟性がないためである。ゾル−ゲル材料を圧縮するか、エンボス加工するか、または鋳込むと、粘度の違いにより、副母型表面上のさまざまな地点で異なるように流れる。エンボス加工であれ圧縮であれ、ゾル−ゲル材料が、副母型上の光線成形構造の表面の凹凸内に完全に流れ込まないと、副母型の光線成形構造は精密または完全に成型せず、また粘度が低いと、副母型表面から流れてしまう。さらに、エージングプロセスと熱処理プロセス中、ゾル−ゲル材料の特性が変わり、ゾル−ゲル材料の表面が副母型表面から引き離される傾向がある。副母型としてプラスチックを使用する場合、ゾル−ゲル材料のプラスチックからの分離が生じ、光線成形構造のゾル−ゲル材料への完全な複写ができなくなる。ゴム製副母型を使用すると、ゾル−ゲル材料が最初の位置から多少移動すると、ゴム材料がゾル−ゲルとともに移動するため、ゴムの可撓性により、光線成形構造と副母型の表面がゾル−ゲル材料と接触したままとなる。かくして、ゾル−ゲル材料に複写された光線成形構造はゴム副母型の光線成形構造をより正確に写している。
【００４７】
ゴム製副母型を使用する別の利点は、ゴムの可撓性により、ゴムが原版母型ディフューザ表面からより深くてより良い特徴の複写を行う点にある。したがって、第二世代ゴム副母型は、原版母型ディフューザ表面の光線成形構造を、より正確に描く。
【００４８】
ゴム製副母型を使用するさらなる利点は、原版母型ディフューザ表面と表面ＬＳＤの最終製品との間の下位世代ステップが１つ排除される点にある。前述のように、プラスチック副母型を使用すると、金属シム副母型および／またはエポキシ下位世代層を生成する中間ステップが必要となり、原版ディフューザ表面とガラスモノリシックＬＳＤ表面の製造の間に、少なくとも２つの下位世代すなわち副母型を必要とする。副母型の各下位世代ごとに、原版の光線成形構造の複写が多少劣化し、解像度が落ちる。１つの下位世代ステップを省略することで、より正確で高解像度の表面構造がガラスＬＳＤでは得られる。
【００４９】
５．表面レリーフＬＳＤのゾル−ゲル・ガラスへの鋳造
表面レリーフＬＳＤ素子すなわち表面ＬＳＤは、図２と図６に関連して前述したプロセスを用いて直接鋳造により製造できる。図４に図示されるように製造した、光線成形構造を有するゴム製の副母型表面構造は、ステップ３４で鋳造型の内面に直接置かれ、鋳造型の１つないし複数の内面にゴム製の副母型ＬＳＤを使用することが望ましい。あるいは、ステップ３４で、型自体を、内面に表面構造を成型した適切なゴム材料から形成してもよい。粘性のある溶液を型内に流し込み、図２に関連して前述したステップ２４および２６でエージングを行うと、ゴム製ＬＳＤ副母型の表面上の光線成形構造のそのままの複写が、型内のゲル表面に直接転写される。その結果得られたエンボス加工された光線成形構造は、モノリシックガラス構造内に保持される。図６は、溶液の作成３０、溶液の混合３２、溶液の適切な型への鋳込み３４、エージング３６、熱処理４０、および固結４２のステップを図示している。
【００５０】
このプロセスによって製造された表面ＬＳＤは、１μｍ〜１００μｍの変調と、横方向の寸法で１０〜５０μｍの細密構造とを有する表面粗さを有する。このようにして製造されたＬＳＤの一例は、図７の曲線９２でみとめられるように、約１０°〜１５°の拡散角を有する。
【００５１】
用途によって、鋳造またはエンボス加工ＬＳＤを約０．１°〜６０°の拡散角範囲で製造できる。ＬＳＤは本物のガラスに成型されるため、１０００℃を超える温度にも耐えることができ、これは、従来のプラスチック製ＬＳＤの１００〜１５０℃のガラス遷移温度よりも大幅に高い。また、その出射面は、（鋳型により）成型、研削、および／または研磨して、三次元レンズを形成できる。ＡＲおよびその他のコーティングを、ガラスを損傷することなく、従来の熱コーティング手法で適用することもできる。さらに、図３に関連して前述したように、ガラス表面ＬＳＤは低波長で、従来のプラスチックＬＳＤよりもはるかに高い透過度を呈する。
【００５２】
コーティングプロセスを利用して、ガラス表面ＬＳＤを成型する場合、型内へのインサートとして、あるいは型自体の材料としてゴム材料を使用することで、金属シムやプラスチック材料などの実質的に剛性の材料から形成された型または型インサートを上回る複数の利点が提供される。前述のように、ゾル−ゲル材料を硬質プラスチック方に射出または挿入する場合、光線成形構造を鋳造プロセス中にゾル−ゲル材料に複写するためには、粘度を非常に正確な粘度に保持しなければならない。ゴム材料は、プラスチックや金属などの実質的に剛性の材料とは異なり、その可撓性によって、深さと特徴転写性能が良い。さらに、エージングプロセスと熱処理プロセス中に熱を使用する場合、材料の特性が大幅に変化し、ゾル−ゲル材料が型や型インサートの表面から分離することがある。分離が生じた場合、表面の特徴は必要な精度と深さでは転写されない。しかし、ゴムをインサートまたは型材料として利用すると、型またはインサートが多少変形し、ゾル−ゲル材料がエージングと熱処理プロセス中に移動または収縮した場合に、ゾル−ゲル材料と接触を維持し、それにより、高解像度の複写面構造が得られる。
【００５３】
さらに、型インサートまたは型材料としてゴムを使用するため、光線成形構造がガラスＬＳＤに複写されるディフューザ副母型の製造において下位世代ステップが１つ直接省略される。下位世代ステップを１つ省略することで、ガラスＬＳＤの最終製品において、光線成形面構造の劣化が少なくなり、したがって解像度が向上する。
【００５４】
本発明の精神から逸脱することなく、本発明には多数の変更と改変が行える。かかる変更の幾つかの範囲はすでに述べた。その他の変更の範囲は特許請求の範囲から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 モル百分率でプロットした組成を有するＴＥＯＳ・水・エタノールのゾル−ゲル溶液の３成分相の図。
【図２】 ＴＥＯＳ前駆物質溶液からゾル−ゲル・モノリシックガラスを調製するプロセスを図式で表すフローチャート。
【図３】 本発明を適用可能なゾル−ゲル・モノリシックガラスの波長と透過率との割合を表わしたグラフ。
【図４】 母型から記録した光学表面レリーフ構造を組み込んだゴム製の副母型を形成するプロセスを図式で表わすフローチャート。
【図５】 コーティングによってモノリシックガラスＬＳＤを形成する第１プロセスを図式で表わすフローチャート。
【図６】 鋳造または成型によってモノリシックガラスＬＳＤを形成する第１プロセスを図式で表わすフローチャート。
【図７】 鋳造ゾル−ゲル・モノリシックガラスＬＳＤの光拡散角分布を示すグラフ。
【図８】 ガラスが多孔性ガラスである、狭角ゾル−ゲル・モノリシックガラスＬＳＤの角光空間分布を示すグラフ。
【図９】 ガラスが焼結ガラスである、狭角ゾル−ゲル・モノリシックガラスＬＳＤの角光空間分布を示すグラフ。

Claims (19)

1. 光線成形表面ディフューザを製造する方法であって、
   少なくとも第１表面を備え、複数個の光線成形構造を該第１表面上に有する、比較的軟質で可撓性のある材料製のディフューザ副母型を提供する工程と、
   ゾル−ゲル材料の溶液からモノリシック酸化ガラス基板を形成する工程と、
   前記ディフューザ副母型から前記ガラス基板の一表面上に前記複数個の光線成形構造を記録する工程と、および
   前記ガラス基板を約１０００℃よりも大きいかそれと等しい温度で加熱処理する工程とから成る方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記形成する工程が、
   金属アルコキシドと、一定量の水と、溶剤とから溶液を調製する工程と、
   該溶液のゾル−ゲル遷移を生じ、ゲルを形成する工程と、
   ゲルをエージングして、多孔性ガラスを製造する工程と、
   多孔性ガラスを熱処理し、おおむね無孔性の固結ガラスとしてガラス基板を生成する工程と
   をさらに含む方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、該形成する工程が、
   エタノールに四エチルオルト珪酸を加えた前駆物質溶液を提供する工程と、
   約１％の塩酸を含む水で、約１時間室温で該前駆物質溶液を部分的に加水分解し、部分的に加水分解された溶液を生成する工程と、
   該部分加水分解溶液を鋳型で鋳造する工程と、
   該部分加水分解溶液をエージングし、ゲルを形成する工程と、
   さらにゲルをエージングして、多孔性ガラスを製造する工程と、
   多孔性ガラスを熱処理し、おおむね無孔性の固結ガラスとしてガラス基板を生成する工程と
   をさらに含む方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、ゲルをさらにエージングする工程が、少なくとも１週間実施される方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   金属アルコキシドと、一定量の水と、溶剤とから溶液を調製する工程と、
   該溶液のゾル−ゲル遷移を生じ、ゲルを形成する工程と、
   ゲルをエージングし、多孔性ガラスを製造する工程と、
   該記録する工程として、該複数個の光線成形構造をゲル上にエンボス加工する工程と、
   多孔性ガラスを熱処理し、おおむね無孔性の固結ガラスとしてガラス基板を生成する工程と
   をさらに含む方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   金属アルコキシドと、一定量の水と、溶剤とから溶液を調製する工程と、
   型の孔内にディフューザ副母型を提供する工程と、
   ディフューザ母型上の複数個の光線成形構造に溶液が接触するように、型の孔に溶液を加える工程と、
   該溶液のゾル−ゲル遷移を生じ、ゲルを形成する工程と、
   ゲルをエージングして、多孔性ガラスを製造し、前記記録する工程として、該複数個の光線成形構造を多孔性ガラス上に鋳造する工程と、
   多孔性ガラスを熱処理し、おおむね無孔性の固結ガラスとしてガラス基板を生成する工程と
   をさらに含む方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、
   ベース基板を提供する工程と、
   金属アルコキシドと、一定量の水と、溶剤とから溶液を調製する工程と、
   溶液の薄膜層でベース基板の一部をコーティングする工程と、
   該薄膜層のゾル−ゲル遷移を生じ、ゲルを形成する工程と、
   ゲルをエージングし、多孔性ガラスを製造する工程と、
   エージング工程中に薄膜層に対しディフューザ副母型を押し当て、記録工程として、該複数個の光線成形構造を薄膜層上にエンボス加工する工程と、
   多孔性ガラスを熱処理し、おおむね無孔性の固結ガラスとしてガラス基板を生成する工程と
   をさらに含む方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、該提供する工程が、ガラス材料製のベース基板を提供する工程をさらに含む方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、
   ベース基板を提供する工程と、
   金属アルコキシドと、一定量の水と、溶剤とから溶液を調製する工程と、
   溶液の薄膜層でベース基板の少なくとも一面をコーティングする工程と、
   該薄膜層のゾル−ゲル遷移を生じ、ゲルを形成する工程と、
   約４〜７時間で約７０℃〜約１２０℃の温度までゲルを加熱する工程と、
   ゲルをエージングし、多孔性ガラスを製造する工程と、
   エージング工程中に薄膜層に対しディフューザ副母型を押し当て、記録工程として、該複数個の光線成形構造を薄膜層上にエンボス加工する工程と、
   多孔性ガラスを熱処理し、おおむね無孔性の固結ガラスとしてベース基板上にガラス基板を生成する工程と
   をさらに含む方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、
    押し当て工程と加熱工程を、エージング工程中に同時に実施する工程
    をさらに含む方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、
    金属アルコキシドと、一定量の水と、溶剤とから溶液を調製する工程と、
    該溶液のゾル−ゲル遷移を生じ、ゲルを形成する工程と、
    ゲルをエージングして、多孔性ガラスを製造する工程と、
    約１０００℃〜約１０５０℃の温度で多孔性ガラスを熱処理し、おおむね無孔性の固結ガラスとしてガラス基板を生成する工程と
    をさらに含む方法。
12. 請求項１に記載の方法であって、
    ガラス基板の少なくとも入射面に該複数個の光線成形構造を記録する工程と、
    ガラス基板の出射面に三次元レンズとして湾曲面を形成する工程と
    をさらに含む方法。
13. 表面光線成形ディフューザを製造する方法であって、
    少なくとも第１表面を備え、複数個の光線成形構造を該第１表面上に有する、比較的軟質で可撓性のある材料製のディフューザ副母型を提供する工程と、
    金属アルコキシドと、一定量の水と、溶剤とからゾル−ゲル溶液を調製する工程と、
    該ゾル−ゲル溶液のゾル−ゲル遷移を生じ、ゲルを形成する工程と、
    ゲルをエージングして、多孔性ガラスを製造する工程と、
    エージング工程中にゲルに対しディフューザ副母型の第１表面を押し当て、該複数個の光線成形構造を多孔性ガラスの一表面上に記録する工程と、
    多孔性ガラスから副母型ディフューザを分離する工程と、
    多孔性ガラスを約１０００℃よりも大きいかそれと等しい温度で熱処理し、おおむね無孔性の固結モノリシックガラス基板を生成する工程と
    から成る方法。
14. 表面光線成形ディフューザを製造する方法であって、
    少なくとも第１表面を備え、複数個の光線成形構造を該第１表面上に有する、比較的軟質で可撓性のある材料製のディフューザ副母型を提供する工程と、
    金属アルコキシドと、一定量の水と、溶剤とからゾル−ゲル溶液を調製する工程と、
    ゾル−ゲル溶液の薄膜層をベース基板にコーティングする工程と、
    該薄膜層のゾル−ゲル遷移を生じ、ゲルを形成する工程と、
    薄膜層をエージングして、多孔性ガラス層を形成する工程と、
    エージング工程中に薄膜層に対しディフューザ副母型の第１表面を押し当て、該複数個の光線成形構造を多孔性ガラス薄膜層の一表面上に記録する工程と、
    多孔性ガラス層から副母型ディフューザを分離する工程と、
    多孔性ガラス層を約１０００℃よりも大きいかそれと等しい温度で熱処理し、おおむね無孔性の固結モノリシックガラス層をベース基板上に生成する工程とから成る方法。
15. 請求項１４に記載の方法であって、エージング工程が、
    約７０℃〜約１２０℃の温度に薄膜層を加熱する工程
    をさらに含む方法。
16. 請求項１４に記載の方法であって、エージング工程が、
    約７０℃〜約１２０℃の温度に薄膜層を加熱する工程と、
    同時に押し当て工程を実施する工程と
    をさらに含む方法。
17. 表面光線成形ディフューザを製造する方法であって、
    その内面の少なくとも一部にディフューザ副母型面を有する鋳型を提供する工程と、該ディフューザ副母型面が、複数個の光線成形構造をその上に備えた比較的軟質で可撓性のあるゴム材料から成ることと、
    金属アルコキシドと、一定量の水と、溶剤とからゾル−ゲル溶液を調製する工程と、
    該複数個の光線成形構造がゾル−ゲル溶液と接触するように、ゾル−ゲル溶液を鋳型に注入する工程と、
    該ゾル−ゲル溶液のゾル−ゲル遷移を生じ、ゲルを形成する工程と、
    薄層をエージングして、多孔性ガラスの一表面上に該複数個の光線成形構造が記録された多孔性ガラスを形成する工程と、
    多孔性ガラスを約１０００℃よりも大きいかそれと等しい温度で熱処理し、おおむね無孔性の固結モノリシックガラス基板を生成する工程と
    から成る方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、前記提供する工程が、
    ディフューザ副母型面として型インサートを提供する工程と、
    型インサートを鋳型内に設置する工程と
    をさらに含む方法。
19. 請求項１７による方法であって、前記提供する工程が、
    比較的軟質で可撓性のあるゴム材料から形成された鋳型を提供する工程と、該複数個の光線成形構造が型の内面に一体搭載されていることと、
    をさらに含む方法。

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