透镜阵列及制造这种透镜阵列和光敏玻璃板的方法 相关申请交叉参照
本申请要求Hares等人于2002年10月4日提交的题为“Lens Array andMethod for Fabricating the Lens Array”的美国临时申请60/416,076的优先权。
【发明背景】
【发明领域】
本发明一般涉及光子学领域，尤其涉及一种透镜阵列及由含少量光敏剂(例如银，金或它们的组合)的光敏玻璃板制造该透镜阵列的方法。
相关技术说明
当今，众所周知，透镜阵列可由光敏玻璃板制成。事实上，本发明的转让人，Corning Incorporated的科学家们已经研制并已授予专利的一种光敏玻璃板，称之为FOTOFORM玻璃，以及用于制造透镜阵列被称作SMILE的方法。SMILE的方法的详细讨论列于美国专利4,572,611，4,518,222和5,062,877中，这些专利地内容参考结合于此。FOTOFORM玻璃的详细讨论列于美国专利2,326,012，2,422,472，2,515,936，2,515,938，2,515,275，2,515,942和2,515,943，这些专利的内容参考结合于此。下面参见图1A和1B描述由经过SMILE方法的FOTOFORM玻璃制造的传统透镜阵列的一个例子。
参见图1A-1B，它们分别是由经过SMILE方法的FOTOFORM玻璃构成的16×20透镜阵列100的俯视图和侧视图。基本上，SMILE方法对FOTOFORM玻璃进行紫外光曝光步骤，热处理步骤以及需要的话再进行离子交换处理步骤，制造出传统的透镜阵列100。具体的，传统透镜阵列制造方法为，将FOTOFORM玻璃的选定部分曝光在波长较好在240-400nm(最好在300-350nm)的紫外光中约3分钟，然后将已曝光的FOTOFORM玻璃于600℃热处理40分钟。以这种方式制造的传统透镜阵列100有5-15μm驰垂高度的透镜110(参见图1B)。传统透镜阵列100还可以进行离子交换处理，方法是将透镜阵列100浸在500℃KNO3盐浴中64小时。离子交换处理不仅会使透镜110带上不希望要的黄色，还使透镜的驰垂高度增大到约38-61μm(参见表1)。下垂是控制曲面半径的一个参数，研制出的透镜110的焦距和聚光本领通过下面表达式表示：
Rc＝rL2/2δ (1)
其中，Rc是曲面半径。
δ是驰垂
rL是透镜半径。
因为，透镜110的颜色和驰垂大小直接影响透镜的性能，当今科学家一直在试图改进制造透镜阵列的光敏玻璃板(FOTOFORM玻璃)的组成。因此，需要一种新的光敏玻璃板组合物，可用于制造具有相对大的驰垂高度的透明无色透镜的透镜阵列。通过本发明的透镜阵列和方法可满足这一需求和其他需求。
发明详细描述
本发明包括一种由含相对少量光敏剂(如银、金或它们的组合)的光敏玻璃板制成的透镜阵列，当光敏玻璃板进行曝光步骤、热处理步骤和任选的离子交换步骤时，成为玻璃复合板。这种玻璃复合板包括作为透镜的玻璃区，还包括在各透镜周围的不透明的乳白玻璃区。本发明的透镜阵列具有透明无色的透镜，与进行同样的曝光、热处理和离子交换步骤的传统光敏玻璃板制成的透镜阵列中的黄色透镜相比，驰垂高度更大。本发明还包括制造这种透镜阵列的方法。
附图简介
参照以下结合附图所作的详述，可更全面地理解本发明内容，其中：
图1A-1B(现有技术)分别是传统16×20透镜阵列的俯视图和侧视图；
图2是一流程图，示出按本发明制作透镜阵列一较佳方法的步骤；
图3A-3F示出在图2所示方法中透镜阵列在不同步骤的截面侧视图与俯视图
附图的详细描述
参照图2～3，图中揭示了本发明透镜阵列300及其较佳的制造方法200。为了更好地描述本发明，在详细讨论制造透镜阵列300的光敏玻璃不同组成之前，先详细讨论透镜阵列300及其较佳的制造方法。
参照图2和3A-3F，图中分别示出透镜阵列300的较佳制造方法200的流程图和该方法200中透镜阵列300在不同步骤的各种截面侧视图与俯视图。在步骤202开始，光掩模303被置成与光敏玻璃板304接触(参见图3A)。该较佳实施方式中，光敏玻璃板304是一光核可结晶的硅酸锂玻璃板，含有预定量的光敏剂(如银、金或它们的组合)。该光敏玻璃板304在进行热处理步骤206之前的所有阶段，都要求保护好该较佳的光敏玻璃板304不受环境紫外曝光(日光、非滤光的人造光)的照射，以免在透镜阵列300中希望形成透镜的区域内形成痕量的乳色结构。下面，参照表2和3A-3B详细描述较佳光敏玻璃板304的示例的硅酸盐玻璃组合物。
光掩模302与光敏玻璃304之间的接触可以是空气界面303，该处光掩模302上的特征区间相当大，如在10μm或更大些。空气界面303的一种替代，是可置于光掩模302和光敏玻璃板304之间的折射率匹配液体(如甘油)。例如，可采用称作甘油-真空的技术，将甘油膜置于光掩模与光敏玻璃板304之间。然后，将光敏玻璃板304安装在真空固定装置上，这样，抽真空作用时会将光掩模302压到光敏玻璃板304上，挤出过量甘油，在光掩模302和光敏玻璃板304间的界面上产生连续均匀的甘油膜。
在步骤202之前，先将光敏玻璃板304进行研磨和抛光，制成用作透镜阵列300的合适尺寸的基材。光敏玻璃板304的典型尺寸为4”×4”×0.160”。长度和宽度可根据应用在较大范围变化，但厚度较好应不小于约0.075”，或不大于约0.25”。
步骤204中，光掩模302和光敏玻璃板304选定的区域被紫外线305曝光(见图3B)。较佳实施方式中，光掩模是一种石英上铬的光掩模302，用于控制光敏玻璃板304上的曝光图案。石英上铬的光掩模302包括石英衬底302a和铬层302b。在铬层中相应于光敏玻璃板304中期望形成乳色区306(示为阴影区)的地方，光掩模302的铬层302b里没有铬。具体地说，各乳色区306是一种玻璃相与硅酸锂毫微结晶相的复合区，后者占复合区体积的20％。另一方面，在铬层中相应于光敏玻璃板304中期望生成玻璃区308(示为透明区)的地方，光掩模302的铬层302b里有铬。
曝光步骤204可用任一方法实施，该方法能产生足够量的紫外线或短波辐照，以使光敏玻璃板304中的乳色区成核(未来的乳色区306不透射光)，并具有足够的准直度使通过光敏玻璃板304进行的曝光被严格限定。例如可用准直的1000瓦Hg/Xe电弧离子源对光敏玻璃板304曝光。在此实例中，输出束直径约为10″，对5″×5″的光掩模302完全足够了。紫外线强度为5～10mw/cm2，曝光时间为3-4分钟。还可以使用除此Hg/Xe电弧离子源之外的其他紫外线光源，包括例如，激子激光器(309-350nm)，可调谐YAG 300-300nm。在曝光步骤204之后，光掩模302与曝过光的光敏玻璃板304分开。需要时，用肥皂水清洗曝过光的光敏玻璃板304，在热处理步骤206之前除去甘油。
在步骤206，加热曝过光的光敏玻璃板304，在其内形成乳色区306(阴影区)和玻璃区308(透明区)(参见图3C)。此较佳实施方式中，热处理步骤206在炉内进行，曝过光的光敏玻璃板304放在遮盖的不锈钢盒内，盒内大气为吹送的干氮气。具体而言，曝过光的光敏玻璃板304放在模型或平板上，其曝过光的一面朝上。模型可以是任一种玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷材料，曝光的光敏玻璃板304在热处理步骤206中不熔化，也不变形。可在模型上撒散粉状Al2O3(举例说)，起分型剂作用。典型的热处理方案如下：
·460℃/小时至480℃，
·150℃/小时至615℃，
·保持@615℃60分种，
·冷却炉速率。
在加热步骤206中，在光敏玻璃板304中，乳色区306比玻璃区308收缩得更明显(见图3C)。在完成了步骤202、204与206后，加热的光敏玻璃板304变换成热生成的透镜阵列200，基本上是一种玻璃复合板304(参见图3C)。
在一较佳实施方式中，透镜阵列300的制造方法为，将光敏玻璃板304曝光于波长较好在240-300nm(最好300-350nm)的紫外光，随后于615℃热处理曝过光的光敏玻璃板304一小时，形成乳色区306和玻璃区308。
乳色区306具有结晶颗粒，因此其密度大于玻璃区308。在光敏玻璃板304中铈III(Ce3+)吸收紫外线并转换成铈IV(Ge4+)而释放一个电子时，形成晶核而促使结晶颗粒在乳色区306内生长的机理便开始了。在光敏玻璃板304中，金属离子如银离子(Ag1+)吸收该电子而把这些离子转变成金属(如Ag0)。
按照这种方式制造的热生成的透镜阵列300具有透镜310，示为玻璃区308，其驰垂高度大于传统透镜阵列100中透镜110的驰垂高度(比较图1B与图3C)。由于本发明透镜阵列300较大驰垂高度的结果，这些透镜310的模场直径较小，光束腰距离较短。因而可以制造较小的透镜阵列300，结果是每单位面积的玻璃上有更多的透镜310，而这又节省了成本。
透镜310驰垂高度的提高是通过本发明人研制改进的硅酸盐玻璃组合物/光敏玻璃板304的直接结果，这种改进可用于制造透镜阵列300(参见表2和3A-3B)。
再参见图2和3D-3F，在步骤208，热法制得的透镜阵列300可以进行离子交换步骤，产生增强的透镜阵列300(参见图3D)。基本上，这个采用延长的离子交换步骤208是用来进一步加大透镜阵列300中的透镜310的驰垂高度。在一较佳实施方式中，通过将热法制得的透镜阵列300浸在500℃的KNO3熔盐浴中64小时，可以完成这个延长的离子交换步骤210。进行了这个离子交换步骤208的透镜阵列300显示，透镜310的驰垂高度甚至大于在热法制得的透镜阵列300中的透镜310的驰垂高度(比较图3C与3D)。
应再次关注到，现有技术中，完成步骤202、204，206和延长的离子交换步骤208后，只可能制得具有显示黄色的透镜110的传统透镜阵列100。透镜110的黄色是一种不希望有的性质，而且对透镜110的透射率有害。本发明人认为，大量光敏剂(如银)使传统透镜阵列100中的透镜110在进行延长的离子交换步骤时转变为黄色。具体而言，本发明人相信透镜110变黄的原因是延长的离子交换步骤使得透镜110(未曝光玻璃区)中的银还原。
因此，根据本发明，在完成步骤202、204，206和延长的离子交换步骤208后，有可能使制得的透镜阵列300具有透明无色透镜310的M×N阵列(如双凸透镜，平面-凸面透镜，等凸面透镜)，具有大于按照同样方式制得的传统透镜阵列100中的黄色透镜110的驰垂高度。这是因为用于制造透镜阵列300的光敏玻璃板304的硅酸盐玻璃组合物不同于制造传统透镜阵列100的光敏玻璃板的硅酸盐玻璃组合物。下面参见表1、2和3A-3B，详细描述了新颖和老的光敏玻璃板之间的差别。
如上面所述，传统透镜阵列100由称作FOTOFORM玻璃的光敏玻璃板制成。表1列出了FOTOFORM玻璃组合物(按重量份)，还测定了驰垂高度和各种物理性质。
表1 FOTOFORM玻璃 SiO2 79.3 Na2O 1.6 K2O 3.3 KNO3 0.9 Al2O3 4.2 ZnO 1.0 Au 0.0012 Ag 0.115 CeO2 0.015 Sb2O3 0.4 Li2O 9.4 驰垂高度： 驰垂高度(在Hg/Xe辐射下曝光1分钟) 5μm 驰垂高度(在Hg/Xe辐射下曝光2分钟) 14μm 驰垂高度(在Hg/Xe辐射下曝光1分钟 和离子交换步骤) 38μm 驰垂高度(在Hg/Xe辐射下曝光2分钟 和离子交换步骤) 61μm 物理性质 软化点 在测定时结晶 上退火点 454℃ 应变点 416℃ 热膨胀系数(CTE) 83℃ 密度 2.308
由表1可知，FOTOFORM玻璃使用相对大量的银和少量的金作为光敏剂。本发明的发明人进行大量试验后确定，如果透镜阵列300由使用少量光敏剂(如银、金，或它们的组合)的光敏玻璃板304制成，则制成的透镜阵列300具有透明无色透镜310，并显示增大了驰垂高度。这样，本发明人研制出经过上述步骤202、204、206和208或类似步骤具有不同硅酸盐玻璃组合物的光敏玻璃板304，还可制成具有透明无色透镜310的透镜阵列300，所述透镜具有增大了的驰垂高度(参见表2和3A-3B)。
表2列出了形成本发明光敏玻璃板304的玻璃组合物，各组分以重量％列出。
表2 光敏玻璃板304 SiO2 65-85 Na2O 0-10 K2O 0-8 KNO3 0-5 Al2O3 2-7 ZnO 0-5 Sb2O3 0-5 CeO2 0.01-0.05 Li2O 8-11 Au 0-0.15* Ag 0-0.005**
*如果Au为0，则Ag为唯一的光敏剂，量为0.0005-0.005重量％。
**如果Ag为0，则Au为唯一的光敏剂，量为0.005-0.015重量％。
表3A-3B列出在上述本发明范围内的示例的硅酸盐玻璃组合物，它适用于制造透镜阵列300的光敏玻璃板304。表3A-3B以重量份列出各组成，还有测定的驰垂高度和各种物理性质。
表3A 1 2 3 4 5 6 7 SiO2 76.7 75.7 74.7 73.7 72.7 79.5 76.7 Na2O 4 5 6 7 8 1.6 2 K2O 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 4.2 5.8 KNO3 0 0 0 0 0 0 0 Al2O3 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 4.2 4.8 ZnO 1 1 1 1 1 1 1 Au 0 0 0 0 0 0 0 Ag 0.0025 0.0025 0.0025 0.0025 0.0025 0.0025 0.0025 CeO2 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 Sb2O3 0 0 0 0 0 0 0 Li2O 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 驰垂高度 在Hg/Xe辐射下曝光4分钟 43μm 47μm 47μm 68μm 71μm 17μm 36.8μm 在Hg/Xe辐射下曝光8分钟 35μm 52μm 37μm 69μm 89μm 27μm 45.1μm 在Hg/Xe辐射下曝光4分钟和 离子交换步骤 100μm 106μm 105μm 125μm 154μm 53μm 86.6μm 在Hg/Xe辐射下曝光8分钟和 离子交换步骤 89μm 111μm 90μm 130μm 187μm 62μm 778μm 物理性质 软化点，℃ 617 602 596 586 578 NA NA 退火点，℃ 441 436 432 429 431 NA NA 应变点，℃ 403 400 396 397 415 NA NA 热膨胀系数(CET)，℃ 93.0 97.2 100 104.9 104.1 NA NA 密度(g/cm3) 2.380 2.392 2.398 2.406 2.415 NA NA
表3B 8 9 10 11 12 13 SiO2 74.7 78.7 74.7 76.7 76.7 76.7 Na2O 9.8 4 4 0 4 2 K2O 0 3.8 3.8 6.8 2.8 4.8 KNO3 0 0 0 1 1 1 Al2O3 4.8 2.8 6.8 4.8 4.8 4.8 ZnO 1 1 1 1 1 1 Au 0 0 0 0.1 0 0.1 Ag 0.0025 0.0025 0.0025 0 0.0025 0 CeO2 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 Sb2O3 0 0 0 0.2 0.2 0.2 Li2O 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 驰垂高度 在Hg/Xe辐射下曝光4分钟 32.6μm 30.5μm 29.6μm 23.6μm * 27.0μm 31.9μm* 在Hg/Xe辐射下曝光8分钟 36.8μm 23.8μm 40.2μm 22.0μm ** 22.0μm 79.5μm** 在Hg/Xe辐射下曝光4分钟和 离子交换步骤 87.7μm 86.3μm 80.2μm 55.2μm 50.5μm 48.6μm 在Hg/Xe辐射下曝光8分钟和 离子交换步骤 97.4μm 78.0μm 92.5μm 46.2μm 46.2μm 113.7μm 物理性质 软化点，℃ 585 退火点，℃ 429 应变点，℃ 394 热膨胀系数(CET)，℃ 104.9 密度(g/cm3) 2.408
*曝光于Hg/Xe辐射3分钟，并于615℃在N2中热处理1小时。
**曝光于Hg/Xe辐射6分钟，并于615℃在N2中热处理1小时。
已使用表3A-3B列出的硅酸盐玻璃组合物制造许多具有透明无色310透镜的透镜阵列300，透镜310具有增大了的驰垂高度。即使透镜310的驰垂高度表现出是表3A-3B列出的纯碱含量的函数，还是认为驰垂高度的增加是玻璃板在500℃粘度下降的结果。
除了上述在表2和3A-3B中列出的硅酸盐玻璃组合物外，应理解，有其他仍在研制且可用于制造期望的透镜阵列300的光敏的硅酸盐玻璃组合物。还应理解，可取的步骤202、204、206和208可以许多方式改变，并可以使用光敏玻璃板304的不同硅酸盐玻璃组合物制造期望的具有比较透明透镜310的M×N阵列的透镜阵列300。
应理解，使用本发明光敏玻璃板304的结果是经过曝光和热处理研制的乳色区306(乳色区)一般是白色，而不是FOTOFORM玻璃中典型的蓝-棕色。还应理解，使用本发明光敏玻璃板304的另一个结果是制成的双凸面透镜与使用FOTOFORM玻璃制造的双凸面透镜相比具有更优良的表面质量。
还应理解，透镜阵列200可用来耦合光纤阵列耦合，形成等准直阵列，用于执行各种信号处理操作，包括复用、切换、滤光、偏振与分路。下面列出一些能应用准直阵列的其它光子学应用：
激光二极管阵列，
光学互连，
接触图像传感器，
发光二极管阵列，
液晶显示投影系统，
直接装有透镜阵列的电荷耦合器，
二维与三维光学开关。
虽然参照附图示出并详述了本发明若干实施例，但应理解，本发明不限于揭示的实施例，在不违背下述权利要求提出和规定的发明精神的情况下，可作出各种重新安排、修正与替代。