透明基材上的凸起特征及相关方法

专利名称：透明基材上的凸起特征及相关方法
技术领域：
本发明一般涉及玻璃材料的表面织构化，更具体涉及通过局部施加能量引起的透 明玻璃材料的表面织构化。所述织构化可包括形成凸块、隆脊，以及由其组合形成的各种更 复杂的表面特征。
背景技术：
已知用激光进行局部辐照会产生玻璃膨胀效果。该效果基于吸收高能激光辐射， 使得玻璃熔化并流动，从而在玻璃表面上形成凸块。在可用的高能激光波长具有足够吸收 的玻璃在可见光谱(即约380-750纳米范围)中通常是暗色或不透明的。使用暗色或不透 明的玻璃对需要具有更好可见度和透明度的透明玻璃的应用造成显著障碍。但是，可用的 透明玻璃在可用的高能激光波长处具有非常小的吸收。这些波长包括800-1600微米的近 红外(NIR)带，在该带中可以很好地选择尾纤型二极管激光器和光纤激光器，或者在紫外 带中进行选择。发射10. 6微米辐照的(X)2激光器一般是不适用的，因为氧化物玻璃在这种 波长处的吸收深度在波长的量级范围。但是人们期望能够在透明玻璃上形成凸起的特征。发明概述本发明一方面是在透明基材上形成凸起特征的方法。在一种实施方式中，该方法 包括以下步骤提供具有表面的透明基材，该基材在加工波长范围内的吸收小于约20%;用 加工波长范围内的加工光束辐照该透明基材的一部分，以增大该基材的辐照部分在加工波 长范围中的吸收；在加工波长范围内继续辐照该部分透明基材，使得该基材发生局部加热 并膨胀，从而在基材表面上形成凸起的特征；结束辐照，停止对基材的加热，从而固定凸起 的特征。在另一种实施方式中，该方法包括以下步骤提供具有表面的透明基材，该基材在 第一波长范围内的吸收小于约20% ；用第一波长范围内的光辐照该透明基材的一部分，使 该透明基材的辐照部分中的吸收增大至超过第二波长范围内的约40% ；用第二波长范围内 的光辐照该部分透明基材，使得该基材发生局部加热并膨胀，从而在基材表面上形成凸起 的特征；结束辐照以停止对基材的加热，从而固定凸起的特征。本发明另一方面是一种透明玻璃制品，该制品的表面具有在其上形成的一个或多 个凸起的特征，所述特征通过在相应的一个或多个位置局部辐照基材从而引起基材的玻璃 膨胀而形成。以下描述部分中将提出本发明的其他特征，部分特征对于了解了说明书的本领域 普通技术人员是显而易见的，或者可以通过如本文所述(包括以下详细说明、权利要求书 和附图)实施本发明而了解。
应该理解，以上一般描述和以下详细描述都提出了根据本发明的实施方式，意在 提供对理解要求权利的本发明性质和特征的概况或框架。包括附图以提供对本发明的进一 步理解，附图结合在说明书中并构成说明书的一部分。


根据本发明的各种实施方 式，与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。附图简要描述图IA和IB显示透明碱土铝硅酸盐玻璃(图1A)和透明钠钙玻璃(图1B)在紫外 和可见波长光谱中的典型透射曲线。图2是用于根据本发明在透明基材上形成凸起特征的示例性系统的一种实施方 式的示意图。图3是根据本发明在透明基材上形成的单独的凸起特征的示意图。图4A和4B显示355纳米辐射在碱土铝硅酸盐玻璃(图4A)和钠钙玻璃(图4B) 中的动态透射变化。图5显示透明基材中的光引发吸收的形成和衰减。图6是用于根据本发明在透明基材上形成凸起特征的具有第二加热源的示例性 系统的一种实施方式的示意图。图7是说明用于根据本发明在透明基材上形成凸起特征的方法的一种实施方式 的框图。图8是用于保持两个基材之间的间隔的凸起特征的示意图。图9是改进透明基材的表面形貌的多个凸起特征的照片。图10是在透明基材表面上形成文本的凸起特征的照片。发明详述以下详细说明根据本发明的实施方式，附图中显示了实施例。在尽可能的情况下， 在所有附图中使用相同的附图标记表示相同或类似的部件。在本文中为了说明的目的，术语“上，，、“下，，、“右，，、“左，，、“后，，、“前，，、“垂直，，、“水
平”和它们的变体与附图中所示实施方式的取向相关。但是，应该理解，除非有相反的明确 表示，否则，各种实施方式可以采取各种另外的取向和步骤顺序。还应该理解，附图中所示 和以下说明中描述的具体装置和过程是所附权利要求中限定的本发明理念的实施方式。因 此，涉及本文揭示的实施方式的具体尺度和其他物理特性不应理解为是限制性的，除非权 利要求中有另外的明确表示。术语“光”广义理解为表示任何种类的电磁辐射，包括但并不限于紫外、近紫外、可 见、近红外和红外波长。术语“光吸收基材”理解为表示能在吸收波长或波长范围处吸收光的基材或基材 的一部分，所述波长包括但并不限于紫外、近紫外、可见、近红外和/或红外波长，其中基材 在一种或多种吸收波长处对光的局部吸收造成对基材的局部加热。光吸收基材在波长光谱 上可具有高吸收带和低吸收带。术语“透明基材”应理解为表示透射一定波长范围的光的基材，所述波长包括全部 或至少一部分的可见光谱(即约380-750纳米范围)。术语“凸起特征”广义理解为包括基材表面上因为基材的局部加热和膨胀造成的 任何凸起的特征，包括凸块、隆脊，以及由凸块和隆脊的组合产生的各种更复杂的表面特征。术语“光引发吸收”广义理解为表示因为对基材进行辐照而造成的基材吸收光谱 的变化。光引发吸收可包括在一定波长或波长范围处的吸收的变化，所述波长包括但并不 限于紫外、近紫外、可见、近红外和/或红外波长。透明玻璃基材中的光引发吸收的例子包 括，例如但并不限于，色彩中心形成、暂时玻璃缺陷形成、和永久玻璃缺陷形成。例如在2007年8月30公开的、题为“玻璃基微定位系统和方法”的美国专利公开 第US2007/0201797号中已经提出使用高能激光在玻璃基材上形成微凸块，所述基材在辐 照波长处有吸收，该文献通过参考全文结合于此。但是如上所述，在可用的高能激光波长处 具有足够吸收的玻璃基材在可见光谱(即约380-750纳米范围)中通常是暗色或不透明 的。可用的透明玻璃在可用的高能激光波长(例如约800-1600微米的近红外(NIR) 带，或在约340-380纳米工作的紫外带)处具有非常小的吸收。例如，碱土铝硅酸盐玻璃 和铝硅酸钠玻璃(例如可以从康宁公司(Corning Incorporated)获得的 玻璃、 fegleXG 玻璃、1317玻璃和Gorilla 玻璃之类的玻璃)通常具有如图IA所示的透射光 谱，钠钙玻璃(如窗玻璃)通常具有如图IB所示的透射光谱。如图IA和IB所示，碱土铝 硅酸盐玻璃和钠钙玻璃在355纳米的透射率大于约85% (例如通过在355纳米工作的三次 谐振Nd基激光器提供)，不足以将甚至小体积的玻璃加热至接近工作点(约105泊)的温 度，除非使用可用输出功率为几百瓦的激光器。出乎意料的是，对于包括碱土铝硅酸盐玻璃(例如可以从康宁公司获得的 Eagle2000 玻璃和fegleXG 玻璃之类的IXD玻璃)、钠钙玻璃(如窗玻璃)和铝硅酸钠玻 璃(例如可以从康宁公司获得的1317玻璃和Gorilla 玻璃)的透明基材，已经发现可以 通过将高重复率的纳秒紫外激光器的输出聚焦在透明基材上，将感兴趣的波长(即，可用 高能激光波长)处的吸收提高到足够的水平。具体来说，已经发现几秒的曝射就能导致透 明玻璃基材发生光引发吸收。因此，玻璃基材在紫外波长处的吸收显著增大，从而能够将玻 璃基材加热至其工作温度，导致在基材表面上形成凸起的特征。参见图2，显示了用于根据本发明形成凸起特征的示例性制造系统10。制造系统 10包括用于产生加工光束14的加工光源12。加工光束14从光源12射向具有表面16的基 材18。表面16是准备形成至少一个凸起特征30的表面(图幻。基材18包括透明基材。 在一种实施方式中，加工光束14通过光学系统20导向基材18。在一种实施方式中，光源 12产生的加工光束14是紫外激光。在一种实施方式中，光学系统20包括用于将光束14导向基材18的选定区域的扫 描器21。扫描器21能够例如在基材表面上写出各种图案。通过固定光束14的位置并使用 马达驱动的平台操控基材18，可以获得类似的结果，如图2中所示。例如，可以使用定位机 械装置40 (如X-Y平台)将基材18相对于加工光束14定位于所需的位置。需要时，定位 机械装置40还可包括Z轴平台，用于控制光束点22的尺寸，从而控制凸起特征30的直径。 提供合适的控制器44用于操作定位机械装置40，任选地还对加工光源12进行操作。使用图2所示的系统10可以观察透明玻璃基材在激光辐射下曝光时发生光引发 吸收的过程以及产生的透射变化。使用焦距为150毫米的透镜，将三次谐振Nd基紫外激光 器聚焦在基材18上，该激光器在355纳米工作且重复率约为50千赫。将功率计放置在基材之后，以监控基材的透射动力学。Eagle XG 玻璃和钠钙玻璃的透射结果分别如图4A和 4B所示，可以清楚看到，355纳米辐射的透射随着曝光时间而降低(即，吸收随着时间而增 大)。图4A还显示，增大激光功率导致透射减小的速度提高。当透射率降低至约50%时， 开始形成凸块，然后由于光在形成的凸块处发生折射，导致测得的透射率突然降低。由于光 引发吸收造成的透射率降低的速率取决于辐照激光的功率水平，较高功率的激光器在基材 中导致发生光引发吸收所需的时间较短。在一种实施方式中，光引发吸收是不稳定的，随着 时间发生衰减。如图5所示，当关闭激光器时，透射水平提高，如附图标记50所示。用合适波长的激光进行辐照时，玻璃中的元素在玻璃中产生缺陷或改变其氧化 态，从而导致发生光引发吸收。例如，透明基材中的离子会改变其氧化态，从而导致基材在 辐照位置的吸收光谱发生变化。在上述过程的一种实施方式中，如图4A、4B和5所示，因为 紫外辐射造成的光引发吸收导致相同紫外光谱中的吸收增大(即，透明基材在紫外光谱中 产生“颜色”)。因此，在一种实施方式中，凸起特征的形成按单步过程实施，该过程中使用 单个激光器产生光引发吸收并对玻璃进行局部加热，从而形成凸起的特征。在另一种实施 方式中，所述过程按多步过程实施，该过程中，通过用具有第一波长范围的第一激光源进行 辐照以产生光引发吸收，并在第二波长范围中使吸收增大。然后使用在第二波长范围工作 的第二激光源来加热基材并形成凸起特征。在一种实施方式中，第一和第二波长范围是独 立和不同的波长范围。在另一种实施方式中，第一和第二波长范围完全或部分地重合。多 步过程中的各步骤可以分不同时间进行，这取决于光引发吸收的时间性质。在一种实施方 式中，使用紫外灯和掩模来产生光引发吸收。在增大吸收的波长(例如在一种实施方式中 是紫外波长)处进行持续辐照，基材18的福照位置(由光束点22限定)吸收光能，导致基 材18发生局部加热。在一种实施方式中，光引发吸收不会使在可见光波长光谱的全部或部分光谱中的 吸收增大。在一种实施方式中，因为辐照使得并不在可见光波长的全部或部分光谱中吸收 的离子的氧化态改变而导致发生光引发吸收。透明基材包含至少一种在接受激光辐照时能 导致发生光引发吸收的成分。在一种实施方式中，透明基材中存在至少一种以下组分锑 (Sb)、砷(As)、锡(Sn)、铁(Fe)、铈(Ce)、铅0 )、过渡金属(如钛(Ti)、铜(Cu)等)和/ 或它们的氧化物，所述组分参与透明基材的光引发吸收。基材18从加工光束14局部吸收光，局部地加热基材18，使得基材18的辐照部分 的温度按照与加工光束14的强度成比例的方式升高。当基材18局部地吸收加工光束14 时，形成有限膨胀区对(图3)，在该区之内，温度升高导致熔化，并使基材18的密度降低。 由于膨胀区M受到其周围的基材18的固体区的限制，膨胀区M内的熔融材料被推动向着 表面16流动，从而在表面16上形成凸起特征30 (如凸块)。通过快速冷却固定该凸起特征 30。在一种示例的实施方式中，这个步骤通过结束加工光束14对基材18的辐照而完成。可以通过在基材18上以合适的速度平移光束14，来形成更复杂的凸起特征，例如 线条、隆脊、或其他复杂的凸起结构。在一种实施方式中，在起点形成初始的凸块之后，以约 0. 5-2毫米/秒的速度平移光束14，从而按照任何所需的路径形成凸起的隆脊。参见图6，在一种实施方式中，提供对基材18的额外加热，以加快凸起特征30的生 长。在一种实施方式中，通过第二加热源60提供对基材18的额外加热。在一种实施方式 中，第二加热源60是激光辐射。在一种实施方式中，通过中等功率(如约10瓦)且具有大光束点(例如约为3-5毫米范围)的(X)2激光器提供激光辐射。影响凸起特征的形成和得到的凸起特征的性质(物理和光学性质)的参数主要来 源于基材18的组成(例如，热机械性质，存在适合于在感兴趣的波长处发生光引发吸收的 元素，等)，表面16上光束点22的尺寸，工作光束14的波长和功率密度，以及辐照曝射的持 续时间。可以通过单独或组合地改变一个或多个这些因素，形成具有不同尺寸、形状和光学 特性的凸起特征30。例如，合适实现宽范围的凸块直径、曲率和高度。凸块的曲率与其高度 和直径相关。因此，可以通过改变曝光时间、加工光源12的功率、和/或加工光束14的直 径，获得宽范围的凸起特征30。在根据本发明的实施方式中，凸块直径在小于约10微米到 约1000微米(1毫米)范围变化；曲率在约10微米到约1毫米范围变化；高度在约10微米 到约150微米或以上范围变化。在一种实施方式中，基材18的热膨胀系数(CTE)范围为约30-120。在一种实施方 式中，基材18的退火点小于约900°C。在一种实施方式中，基材18的退火点在约500-800°C 范围。在一种实施方式中，基材18在初始曝光于加工光束14时，在加工光束波长处的吸收 小于约20%。在一种实施方式中，基材18在曝光于加工光束14之后，在加工光束波长处的 吸收大于约40%，在一种实施方式中为大于约50%。在一些实施方式中，在单个凸起特征30的形成过程中，通过以下方式对凸起特征 30的特性进行控制或者使其发生变化，例如，在形成凸起特征30时调节加工光束14的强 度、光束点22的尺寸、位置和/或形状、以及/或者辐照持续时间。另外，在一些实施方式 中，通过额外或第二次将基材曝光于加工光束14，改进凸起特征30的参数。例如，可以通过 首先制造较大直径的凸块、然后在该早期形成的较大的凸块上形成一个或多个较小直径的 凸块，来形成复杂轮廓的凸起特征30。图7中显示了根据本发明形成凸起特征的方法的一种实施方式，用附图标记70表 示。该方法包括第一步骤72，定义为提供在加工光束的加工波长范围内的吸收小于约20% 的玻璃透明基材。第二步骤74定义为用加工光束辐照透明基材的一部分，从而通过光引发 吸收增大基材的辐照部分在加工波长范围的吸收。第三步骤76定义为对该部分基材进行 辐照，使基材局部加热并膨胀，从而在基材表面上形成凸起特征。第四步骤78定义为结束 辐照，以停止对基材的加热，从而固定凸起特征。根据本文揭示的方法在透明玻璃基材上制造的凸起特征30具有一些有益的应 用。在初始形成时，凸起特征30的形状一般大致为球形表面，因为该形成过程与液滴 (droplet)形成有关。因此，在一种实施方式中，凸起特征30为微凸块，可以在光学系统中 作为光的折射微透镜。如果在凸起特征30的形成过程中，在基材18上以合适的速度平移光 束14，则初始的微凸块可以伸长形成隆脊。在一种实施方式中，如此形成的隆脊大致为圆柱 形表面。如此形成的凸块和隆脊的各种组合可以用于许多应用中。例如，在一些实施方式 中，凸起特征30(为隆脊、凸块或其组合的形式)用作分隔件(图8)。在其他实施方式中， 凸起特征改进基材的表面形貌(图9)，以达到例如以下目的，在表面上提供触觉特征(例如 盲人使用的触摸屏)，通过凸起特征产生的光散射和/或光俘获，提高太阳能电池或OLED显 示器的效率，或者制造用于任何所需目的的透明基材。如本文形成的凸起特征可以用于在 透明基材上形成装饰性或观赏性特征，包括但并不限于设计、标志、符号、记号、徽章、证章、 文本等(图10)。
通过本文提供的说明，显然可以采用所述的方法和过程实现任何所需的微透镜设 置。例如，在一种实施方式中，可以在基材18的两侧之上形成微透镜，从而形成双面的微透 镜。而且通过本说明书，显然对如此形成的微透镜可以进一步加工，例如通过使用相同或不 同的加工光源参数进行额外的加工，通过对微透镜进行微模塑来形成非球面形状等。通过 阅读本说明书还可以了解，可以选择在真空中或在一定气氛中形成微透镜，来影响熔融基 材的冷却速率和/或其他参数。
实施例通过以下实施例可以进一步理解和阐述本发明的各方面。实施例1使用图2的结构，将在355纳米工作的AVIA 355-20激光器(可以从Coherent， Inc. of Santa Clara, CA, U. S. Α.获得)的激光射向厚度为0. 67毫米的碱土铝硅酸盐玻璃 (即，可以从康宁公司获得的fegle XG 玻璃)的透明基材。在355纳米的激光波长处，基 材的初始吸收约为15%。将激光源功率从约3瓦变化到约7瓦，重复率从约30千赫变化到 约50千赫、10纳秒长度脉冲，曝光时间约为1秒。用具有150毫米焦距的焦阑透镜的激光 扫描器实现光束传输。扫描器输入处的光束直径约为1毫米。在基材的前表面上形成凸起 特征。可以对凸起特征(即凸块)的高度进行控制，该高度随着光束焦点与基材背表面之 间的距离以及曝光持续时间而变化。通过改变这些条件获得的最高的凸块为53. 3微米。实施例2为在厚度约3毫米的钠钙玻璃上形成凸起特征，将来自AVIA 355-20激光器的 355纳米输出光束聚焦在具有F = 20毫米的透镜的透明基材上。有影响的参数是激光平均 功率和曝光时间。较长的曝光时间和较高的激光器功率形成较高的凸块。实现的最大凸块 高度为167微米。曝光时间在2秒和2. 5秒之间变化。用于形成凸起特征的辐照参数如表 1中总结。表 权利要求
1.一种在透明基材上形成凸起特征的方法，该方法包括以下步骤提供具有表面的透明基材，该基材在加工波长范围内的吸收小于约20% ；用加工波长范围内的加工光束辐照透明基材的一部分，以增大该基材的辐照部分在加 工波长范围中的吸收；在加工波长范围内继续辐照该部分的透明基材，使得该基材局部加热并膨胀，从而在 基材表面上形成凸起的特征；和结束辐照，以停止对基材的加热，从而固定凸起特征。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用加工光束辐照透明基材的一部分以增大 该基材的辐照部分在加工波长范围中的吸收的步骤包括在该基材辐照部分中产生加工波 长范围内的光引发吸收。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，产生光引发吸收的步骤包括改变在该基材 的辐照部分中的离子的氧化态。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，改变在该基材的辐照部分中的离子的氧化 态的步骤包括改变在可见光波长不发生吸收的离子的氧化态。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，产生光引发吸收的步骤包括在该基材的辐 照部分中形成光吸收缺陷。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明基材包括碱土铝硅酸盐玻璃、钠钙 玻璃、和铝硅酸钠玻璃中的一种。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明基材中包含至少一种以下组分锑 (Sb)、砷(As)、锡(Sn)、铁0 )、铈(Ce)、铅0 )、过渡金属、及它们的氧化物。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明基材的热膨胀系数约为30-120。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明基材的退火点小于约900°C。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工光束包括以下的一种紫外波长、 近紫外波长、近红外波长、和红外波长。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述加工光束的波长小于约380纳米。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在加工波长范围内继续辐照该部分透明基 材的步骤包括用该加工光束继续辐照该部分透明基材。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用加工波长范围内的加工光束辐照透明基 材的一部分的步骤包括用具有第一波长的第一加工光束辐照该部分透明基材；在加工波长 范围内继续辐照该部分透明基材的部分的步骤包括用具有第二波长的第二加工光束辐照 该部分。
14.一种在透明基材上形成凸起特征的方法，该方法包括以下步骤提供具有表面的透明基材，该基材在第一波长范围内的吸收小于约20% ；用第一波长范围内的光辐照该透明基材的一部分，使得该透明基材的辐照部分中的吸 收大于第二波长范围内的约40% ；用第二波长范围内的光辐照该部分透明基材，使得该基材局部加热并膨胀，从而在基 材表面上形成凸起特征；和结束辐照以停止基材的加热，从而固定凸起特征。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一波长范围和第二波长范围至少部分重合。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一波长范围和第二波长范围并不重合。
17.—种包括透明玻璃基材的制品，该基材的表面上形成有一个或多个凸起特征，所述 特征通过在基材中相应的一个或多个位置进行局部辐照使基材的玻璃膨胀而形成。
18.如权利要求17所述的制品，其特征在于，所述透明玻璃基材中包含至少一种以下 组分锑(Sb)、砷(As)、锡(Sn)、铁(Fe)、铈(Ce)、铅(Pb)、过渡金属、及它们的氧化物，对基 材进行局部辐照导致发生光引发吸收。
19.如权利要求18所述的制品，其特征在于，所述光引发吸收基本在可见光波长光谱 以外。
20.如权利要求17所述的制品，其特征在于，所述透明玻璃基材包括以下中的一种碱 土铝硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、和铝硅酸钠玻璃。
全文摘要
在加工波长范围内的吸收小于约20％的透明基材上形成凸起的特征。用光束辐照该基材的一部分，以增大该基材的辐照部分的吸收。连续辐照导致该基材发生局部加热和膨胀，从而在该基材表面上形成凸起的特征。
文档编号H01J17/16GK102076621SQ200980125911
公开日2011年5月25日 申请日期2009年5月1日 优先权日2008年5月1日
发明者A·M·斯特列利佐夫, R·R·格里滋布朗斯基, S·L·罗格诺弗 申请人:康宁股份有限公司