专利名称：非郎伯玻璃散射体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一般地说，本发明涉及光学元件，特别涉及从用于由主动照明设备中主散射体复制的非郎伯玻璃(non-Lanbertian glass)散射体。
2．相关技术说明用于利用主件和一个或多个副件制造和复制光学元件以获得具有所需光散射特性的最后散射体产品的方法是众所周知的。在许多方法中，从主件产生第一代副件的制造破坏了主件，使得该主件不能够为以后所使用。在此还有其它方法使得主件的复制品包含与主件相同的光学特性，而不破坏该主件。
这种方法涉及使用连续光或不连续光在感光介质上记录光学特性。感光介质然后被进一步处理，以产生主光学产品。两部分硅环氧树脂(silicone epoxy)的层面被浇注在主件上，以在硅树脂材料中复制主感光介质的光学表面特性。硅环氧树脂层在室温下固化并且变成橡胶。然后，硅树脂材料进一步固化并与主件分离，得到硅树脂副件。然后，通过用一层环氧树脂覆盖软的副件，用塑料基质覆盖环氧树脂层，固化并从副件上分离该环氧树脂塑料基质，软的硅树脂副件用于连续产生副件或最终的光学产品。
产生用于光学产品的副件的另一个方法涉及用一层银取代硅树脂来覆盖被记录和显影的上述感光介质主件。一层镍被电镀到该银层上，然后该银层和镍层被从感光材料或介质上除去以形成副件。组合的银和镍衬底形成金属垫片副件，然后通过把该副件的表面特征压印到环氧树脂、塑料或者聚碳酸脂材料上，或者通过把这种材料注入成型到载有副件的模子内，用于产生最终的光学产品。
这些方法的一个重要缺点是，从副件产生的最终光学产品是由相对不耐用的材料制成，例如塑料、环氧树脂或聚碳酸酯合成物。这些材料不适用于接近极高温度的光源，并且也不适用于暴露到循环或极端的环境条件下的户外使用。
发明概述本发明的一个目的是提供一种用于用比如玻璃这种极为耐用的材料来制造包含散射体光学特征的母散射体复制品的方法。本发明的另一个目的是提供一种由比如玻璃这种高度耐用并适用于例如接近高温主动光源的极端环境下这样的材料所制成的散射体，例如用于液晶显示器等。
根据本发明，这些目的是通过具有由玻璃材料制成的整体结构和至少一个光学表面的玻璃光学元件所实现的。表面起伏的结构被从金属副件光学元件复制到至少一个光学表面上。玻璃材料首先被加热到适合的温度，使得玻璃被软化到预定的程度。软化的玻璃被承放在坚固的支架上，例如具有至少一个暴露的玻璃基质表面的平坦金属表面。暴露表面与金属垫片副件光学元件的表面起伏结构接触，持续一段时间并施加压力，迫使金属副件光学元件和软化的玻璃基质材料在至少一部分长时间接触过程中相互压紧。通过结合玻璃的软化，施加在主光学元件、玻璃基质和坚固支承表面之间的压力，以及这种接触和施加压力的持续时间，表面起伏结构被复制在玻璃材料上。然后，释放压力，并且主光学元件或金属垫片和玻璃材料相互分离。然后玻璃被冷却，以产生根据本发明的玻璃散射体。
在一个实施例中，主光学元件可以是具有由铬或镍层做衬底的银层的金属垫片。银层包括用一种或多种常规方法从感光材料记录的表面起伏结构。可以根据产生所需玻璃散射体所需要的特定玻璃和工艺特性而使用另一种主光学元件。
玻璃基质材料还可以利用多种方法来加热。例如，玻璃基质材料可以置于熔炉中，在施加玻璃材料与主光学元件之间的压力之前把玻璃的温度升高。另外，玻璃基质材料可以暴露在直接热源下，例如氧乙炔焰下，充分软化玻璃材料的暴露表面。另外，软化的玻璃材料可以稍微冷却到软化状态然后在开始玻璃基质制造过程中与主光学元件相接触，从而把表面起伏结构直接复制到原始玻璃体上。
利用这种方法，受让人在实验室中验证了该玻璃散射体的制造方法。不同类型的金属可以用于取代银和/或镍-铬。这种金属的另一个选择是具有较高含碳比例的钢。可以有效地使用石墨基散射体主件来复制玻璃散射体。例如，散射体主件结构可以是离子注入的钢金属和/或热膨胀系数接近于玻璃的石墨材料。当使用更加软化或液化的玻璃时，采用石墨是关键的。
在下文结合附图的描述中，本发明的这些方面和目的将得到更好的理解。但是，应当知道，下文的描述表明本发明的优选实施例，是用于说明而不是限制性的。可以在本发明的范围内做出许多改变和变化而不脱离本发明的精神，并且本发明包括所有这些改变。
附图的简要描述通过参照在附图中示出并形成本说明书的一部分的示例和非限制性的实施例，本发明的优点和特点以及本发明的提供的典型机制的结构和工作过程将变得更加清楚。
图1示出根据本发明一个实施例的玻璃散射体的透视立面图；图2A-2D示出用于形成制造图1所示玻璃散射体的金属垫片副件散射体步骤的示意图；图3示出用于形成图1所示玻璃散射体的方法和装置的一个实施例；图4示出用于形成图1所示玻璃散射体的方法和装置的另一个实施例；图5示出用于形成图1所示玻璃散射体的方法和装置的第三个实施例；图6示出为了形成图1所示玻璃散射体而受到抛光或研磨的玻璃基质；图7A和7B分别示出金属主垫片散射体的光输出的垂直扩散和水平扩散与光输入功率之间的关系图；以及图8A和8B分别示出用于图1所示玻璃散射体的光输出的垂直扩散和水平扩散与光输入功率之间的关系图。
优选实施例的详细描述图1示出根据本发明一个实施例构成和制造的透明玻璃散射体20的立面透视图。根据本发明，通常先从金属这样的耐用材料产生母散射体来制造玻璃散射体20。具有镍衬底的银层比如可以作为副散射体。该副件然后用于在高压和高温下从该副件加压模子的玻璃基质上。所得的玻璃散射体20具有极高的防划、抗高温以及抗破裂的性能。
图2A-2D示出用于制造金属垫片副散射体30的一个方法的示意图。图2A示出首先提供一个平面材料基质，例如上面具有一层光刻胶材料34的玻璃基质32。光刻胶的厚度例如大约为20微米，但是根据特定的应用可以使用其它厚度。能够产生所需光学特性的表面起伏结构被通过利用上述专利申请和专利中公开的任何方法记录在光刻胶上。然后，使用标准的程序和工艺，把一层银36真空涂镀到光刻胶层34上，例如可以具有约500-1000埃范围的厚度。银层36复制形成在光刻胶材料层34中的母散射体表面结构。
图2B示出包括基质32、光刻胶层34、以及银层36的合成结构，然后置于溶剂或溶液38中。阳极40连接到银层36，阴极42附着到进入同一溶液38中的镍板44上。结果电化学反应把镍层46淀积到银层36上，在图2C中进一步说明。衬底层可以在譬如大约0.005英寸到0.5英寸的厚度范围内，或更多或更少。银层36和镍层46合并确定金属垫片30，然后如图2D中所示从光刻胶层34上分离。该分离可能破坏光刻胶层34和玻璃基质32。
所得的金属垫片30包括银层336和镍层46，其中银层36的外表面包括从主基质32的光刻胶层34复制的表面结构或图像。由于产生该金属垫片副件30，然后它可以用作为一种工具或副件垫片来把同样的表面结构复制到玻璃板上，如下文中所述以形成玻璃散射体20。镍板44例如可以由铬板或铬镍板代替，以分别在银层上形成铬衬底或铬镍衬底。
图3示出利用金属垫片主件30制造玻璃散射体20的方法的一个实施例。该方法包括提供由金属或一些其它抗高温材料所制成的坚固或刚性的支承表面50。支承表面50装在高温熔炉内，其中具有能够把熔炉的内部加热到下文所述的适当升高温度的加热元件54。然后，金属垫片主件30置于支承表面50上，使得银层36向上暴露出表面起伏结构。
本实施例中，根据下面更加具体描述的原则选择预先制备的玻璃基质56，并且置于熔炉中在主件垫片30的银层36的上部。最好由金属或其它抗高温并且基本上为刚性或坚固的材料所构成的适当压力板58置于熔炉52内的玻璃基质56的暴露表面59上。
然后通过加热元件54把热施加到熔炉52的内部，以把温度升高到适当的高温，以便于至少软化玻璃基质56的暴露表面59。加热元件可以是任何类型，例如气燃机或者通电线圈或燃烧器。适当的温度主要由玻璃特性所确定，在下文中更加具体描述。一旦熔炉52到达所需或适当温度，并且玻璃基质56的暴露表面59到达所需软度，压板58被降低，以把压力施加到玻璃基质56上，接着压力压在银层36的表面起伏结构并压在金属垫片主件30上。
通过把玻璃基质加热到适当的温度，并且把适当的压力通过压板58施加，玻璃基质56的暴露表面将永久接收并复制阴层36的表面起伏结构。
然后，从熔炉52中取出玻璃基质56，并且冷却，以重新硬化该基质。如图6中所示，与玻璃基质的暴露表面59相对的不具有复制的表面起伏结构的一侧然后可以被进一步相应处理以获得特定的厚度、平滑度或其它表面条件。玻璃基质可以被抛光或研磨，以获得所需厚度和平滑度。因此，图3和6示出利用高温加压或冲压处理形成玻璃散射体20的一个实施例。
图4示出用于利用金属垫片母散射体30产生玻璃散射体20的另一个实施例。在该实施例中，玻璃基质56通过或受到直接热源，并且特别称为氧乙炔焰60，并支承在支承表面62上。该火焰60至少把玻璃基质56的暴露表面软化到适当的程度。然后通过把板58压在玻璃基质56的暴露侧，以金属层36的表面起伏侧面对玻璃基质，金属垫片主件30如上文所述被加压。
图5示出用于制造本发明玻璃散射体的另一个实施例。图5中公开的方法涉及在玻璃的初始制造过程中从金属垫片主件30把银层36的表面起伏结构或图像压印或复制到液化和/或软化的玻璃材料70上。在上述另外两个实施例中，玻璃已经被制造和硬化为一块玻璃板。在该实施例中，玻璃材料从初始的融熔状态稍微冷却为软化状态，而不首先获得硬化玻璃状态。
金属垫片主件30置于液化和/或软化玻璃材料70附近。当玻璃材料70被制造并获得预定的坚固性，还未完全固化或硬化，金属垫片主件30与玻璃材料70相接触。软化玻璃最好从软化状态略为固化或稍微冷却，以保持银层36的表面起伏结构，并且使得主件垫片不被破坏。然后，在把金属垫片主件30与软化的玻璃材料分离之前，使玻璃材料进一步固化或硬化到所需的坚固程度。但是，软化的玻璃材料70必需在从金属垫片主件30上分离之前达到一定的坚固程度，使得银层36上的表面起伏结构被复制，并保持在软化玻璃材料的暴露表面上。
为了说明的目的，简单地描述一个用于制造玻璃的常规技术的例子，但是可以采用其它技术而不脱离本发明范围的精神。熔炉可以接收特定类型的被磨成粉状的玻璃珠，然后在熔炉中熔化。一旦熔化并且均匀混合为液态或被称为融熔玻璃的流体，融熔玻璃用于填充模腔。模子可以包括用于特定应用的特殊形状、尺寸特征和表面特征。一旦模子被填充有融熔玻璃，它可以被冷却以产生特定所需形状或尺寸的玻璃体。这种玻璃成型模子可以包括一个或多个表面，其中具有上面形成的玻璃表面起伏结构，或者可以包括上述作为模子插入物的金属垫片散射体30。
这类模子可以用于批量生产具有所需表面起伏结构的玻璃物体。其中一种非散射体将用于显微试样玻片。起伏表面有助于把试样保持在玻片上，并且允许光线通过玻片和试样。通过使用该技术产生玻片，每个玻片具有相同的表面结构，因此产生从一个试样到另一个试样高度连续的分析结果。
具有表面起伏结构的玻璃显微玻片可以用于使用显微玻片的许多应用，例如生物领域。模子可以被制造产生对应于特定生物试样特征的表面起伏特征，这还促进生长、试样附着以及试样分析。任何一种标准的玻璃制造技术可以用于制造玻璃散射体。铸铁或石磨材料可以用于制作模子和/或散射体主件垫片。该方法可以描述为喷射模塑法的类似方法。唯一的不同是在本专利申请中的块状材料是玻璃而不是塑料。
主要根据用于特定应用的玻璃组合物来确定和选择玻璃基质56或者软化或融熔玻璃材料70在上述复制或模子方法中保持的温度。表一列出不同玻璃组合物以及每种玻璃组合物变得可变形或可模制的软化温度。
表1
从表1可以看出，用于大多数玻璃的软化温度与诸如塑料、聚碳酸酯以及环氧树脂这样的常规散射体材料的软化或熔化温度相比相对较高。温度范围从常规玻璃例如软化温度刚好在600℃或1100°F之下的燧石玻璃到特殊玻璃例如软温度在更高的1000℃或1832°F的熔凝水晶玻璃。其它相对通用的玻璃材料落在该熔化温度的范围内，并且包括常规的褐色山石玻璃、轻褐色钡玻璃、褐色燧石玻璃、轻燧石玻璃或者硼硅酸盐玻璃。表1只是可用于本发明中各种玻璃类型的代表实例。本领域内的专业人员可以利用其它玻璃组合物而不脱离本发明的精神和范围。
玻璃选择基本上根据特定应用所需的光传输波长。一些玻璃传输光在紫外线波长中，例如约148到400nm。一些玻璃对于给定或所需波长比其它玻璃更加透明。玻璃散射体可以根据本发明根据其应用主要利用任何玻璃来构成。
在从银层36把表面起伏结构复制到玻璃基质56或者软化或融熔玻璃70上的方法中，必需不破坏金属垫片主件30。为此，包括镍和银层的金属垫片30是用于形成本发明的玻璃散射体的一个优选实施例。典型的玻璃材料必需明显软化以便于被冲压，以从金属垫片主件30复制表面起伏结构。
玻璃软化的典型程度约在600-700℃或约1100-1300°F。因此，从塑料和环氧树脂形成主件和副件的常规方法不足之处在于，玻璃材料适合用于作为最终产品的散射体20。用于制造塑料和环氧树脂散射体的常规加压模制的方法一般在约150℃或约300°F的温度下进行。必需在更高的温度下进行玻璃的模制或冲压，比常规材料高4-5倍。因此，一个优选的散射体是上述金属垫片散射体，因为这种金属垫片的熔点比常规塑料和环氧树脂材料高得多。
但是，表现出许多常规玻璃的耐用性和抗高温特性的合成玻璃材料可以用于形成本发明的玻璃散射体20。这种合成玻璃材料可以具有比常规玻璃更低熔点和/或软化温度。但是，软化或熔化点将明显高于常规塑料和环氧树脂材料。因此，当把表面起伏形成到合成玻璃散射体上时，可以利用其它较低温度的副件。适当副件散射体的类型将取决于合成玻璃基质的软化和/或熔化温度，以及用于副件散射体与玻璃材料之间接触所需的持续时间。如果接触时间较短，则甚至可能不需要副件散射体来经受所选择合成玻璃材料熔化或软化的温度。如果所需接触时间更长，则从玻璃材料到主件的热传导需要副件能够经受这种温度。在这种情况下，副件可以在能够经受高温的铸铁或石墨材料中制造。
但是，如果产品要批量生产，则最好副件散射体材料能够经受至少玻璃材料基质在玻璃散射体的制造过程中所保持的温度。使得当副件散射体温度在重复循环与连续加热的玻璃基质材料相接触过程中缓慢升高时，副件保持表面起伏结构，并且不随时间经过而破坏或损坏。
随着常规母散射体和副散射体的形成，每次原始主件或副件表面起伏的复制品的连续产生可能不精确地复制实际的原始表面起伏。因此，对于特定的玻璃材料而言，需要一步接一步的步骤，或者通过试验及误差处理，以便于在最终的玻璃散射体20中获得所需的光散射角。如果从玻璃散射体20需要100输出角，则需要制造具有更小散射角的原始金属垫片副件30，使得玻璃散射体产生所需的光输出特性。
例如，图7A和7B分别示出来自上述制造的金属垫片的光垂直扩散和水平扩散的光输出图。图8A和8B分别示出来自通过上述参照图4所述方法制造的金属垫片复制的玻璃散射体的光的垂直扩散和水平扩散。垂直扩散和水平扩散被绘制为与光输入功率的关系曲线。从图中可以看出，玻璃散射体20对于给定光输入功率比金属散射体具有更宽的垂直扩散和水平扩散。因此，当制造具有特定光散射特性的玻璃散射体20时，金属垫片主体30必须制造为具有产生更窄的垂直扩散和水平光输出扩散的特定表面结构。因此，从原始母散射体到金属垫片副件的表面起伏结构的每次产生还需要具有同样较窄的光输出角。
尽管本发明已经参照特定实施例进行了描述，但是可以对本发明进行许多改变和变化而不脱离其精神和范围。这些改变和变化的范围和精神在所附权利要求书变得显而易见。本发明的范围因此仅仅受所附权利要求书限制。
权利要求
1．一种用于制作玻璃光学元件的方法，该方法包括如下步骤提供在一侧上具有光学表面起伏结构的光学元件；制备具有曝露的第一表面的加热玻璃基质材料，该玻璃基质材料被加热到足以软化第一表面的温度；用光学元件的表面起伏结构接触玻璃基质材料的第一表面，并持续预定的时间；施加压力，迫使光学元件与玻璃基质材料相互压紧，持续该预定时间段的至少一部分时间，以在玻璃基质材料第一表面充分复制表面起伏结构；释放该压力把光学元件与玻璃基质材料相分离；以及冷却该玻璃基质材料。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供步骤还包括如下步骤形成与光学元件的一侧上的表面起伏结构相同的全息表面结构。
3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供步骤还包括如下步骤在基质本体上承载的光刻胶介质中产生全息表面结构；用在银材料层中复制全息表面结构的一层银材料覆盖光刻胶介质；在银材料层上电镀镍材料层；以及从光刻胶介质上除去镍和银层，形成具有与表面起伏结构相同的全息表面结构的作为光学元件的金属垫片。
4．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备步骤还包括如下步骤在制造的过程中，由融熔玻璃制备软化的玻璃材料，作为玻璃基质材料；以及暴露软化玻璃材料的表面，以确定暴露的第一表面。
5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤制造过程中，由融熔玻璃制备软化的玻璃材料，作为玻璃基质材料；把软化玻璃材料暴露的表面与主光学元件相接触；以及在冷却软化玻璃之前，把光学元件从软化玻璃材料上分离。
6．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备步骤还包括如下步骤提供玻璃板基质；以及把玻璃板基质放在加热熔炉中。
7．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备步骤还包括如下步骤提供直接热源；以及把玻璃材料基质的至少暴露的第一表面暴露在热源下。
8．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备步骤还包括如下步骤提供玻璃板基质；以及至少用氧乙炔焰加热暴露的第一表面。
9．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤在所述接触步骤之前，把玻璃基质材料放在光学元件的表面起伏结构上。
10．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤把光学元件置于支承表面上；以及在所述接触步骤之前，把玻璃基质材料放在光学元件的表面起伏结构上。
11．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触步骤还包括如下步骤把玻璃基质材料置于光学元件的表面起伏结构上；以及把玻璃基质材料降低与光学元件相接触。
12．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触步骤还包括如下步骤把玻璃基质材料置于光学元件的表面起伏结构上；以及把光学元件升高与玻璃基质材料接触。
13．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触步骤还包括如下步骤把光学元件置于玻璃基质材料上方；以及降低光学元件与玻璃基质材料相接触。
14．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加压力步骤还包括如下步骤提供连接到传动缸的压板；把光学元件和玻璃基质材料相邻地放置在压板下；以及启动传动缸，迫使压板压住光学元件和玻璃基质材料中的一个。
15．用一种方法制造的玻璃光散射体，所述方法包括如下步骤提供在一侧上具有光学表面起伏结构的光学元件；制备具有曝露的第一表面的加热玻璃基质材料，该玻璃基质材料被加热到足以软化第一表面的温度；用光学元件的表面起伏结构接触玻璃基质材料的第一表面并持续预定的时间；施加压力，迫使光学元件与玻璃基质材料相互压紧，持续该预定时间段的至少一部分时间，以在玻璃基质材料第一表面充分复制表面起伏结构；释放该压力把光学元件与玻璃基质材料相分离；以及冷却该玻璃基质材料。
16．一种玻璃光学元件，它包括由玻璃材料所制成具有至少一个光学表面的整体结构；以及从光学元件复制到至少一个光学表面上的光学表面起伏结构。
17．根据权利要求16所述的玻璃光学元件，其特征在于，所述玻璃材料从一组玻璃材料中选择，包括硼硅酸盐玻璃、轻燧石、褐色燧石、褐色沙石、燧石、轻褐色钡玻璃以及熔凝水晶玻璃。
18．根据权利要求16所述的玻璃光学元件，其特征在于，所述玻璃材料包括合成玻璃。
19．根据权利要求16所述的玻璃光学元件，其特征在于，所述玻璃材料是半透明玻璃材料。
20．根据权利要求16所述的玻璃光学元件，其特征在于，所述表面起伏结构是全息表面结构。
21．根据权利要求16所述的玻璃光学元件，其特征在于，所述表面起伏结构是能够产生所需特性的光输出的光散射表面。
全文摘要
一种光散射体,它是通过首先制造金属垫片副件(30)或者在一个表面上具有表面起伏结构的其它抗高温散射体而制造的。玻璃基质材料(56)被加热到适当温度,并且至少一个暴露表面被软化到所需程度,副散射体(30)特别是表面起伏结构被置于与暴露和软化的玻璃基质材料(56)相接触,以在该玻璃材料(56)上复制表面起伏结构。副散射体(30)与玻璃基质(56)分离,然后使玻璃被冷却,以形成玻璃散射体。
文档编号C03B11/06GK1323256SQ99812128
公开日2001年11月21日 申请日期1999年8月20日 优先权日1998年8月20日
发明者加金德拉·萨文特 申请人:物理光学公司