Способ изготовления стеклянных микролинзовых растров

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано, в частности, для изготовления передающих объемное интегральное или составное изображение микролинзовых растров, применяемых в копировально-множительных аппаратах , для телевидения, кинотехники , голографии и т.д. При этом могут быть изготовлены как положительные, так и отрицательные микролинзы с большой кривизной из поверхностей и с высоким качеством этих поверхностей . Способ включает следующие этапы. Полированную пластину, изготовленную из фоточувствительного кристаллизующегося стекла, экспонируют через фотомаску с непрозрачными дисками,расположенными соответственно распсхпожению м кролинз в растре, и затем кристаллизуют экспонированные межлинзовые области путем тепловой обработки. После кристаллизации поверхности пластины вторично попируют и подвергают пластину 1 ионообменной обработке при температуре выше температуры стеклования в расплавах солей 5, содержащих ионы большего или меньшего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле. Проведение ионообменной обработки приводит к тому, что благодаря увеличению или уменьшению мольного объема исходного стекла его незакристаллизовавшиеся области 6 ввдавливаются над поверхностью или прогибаются внутрь объема, образуя сферические сегменты 7. Для дополнительного увеличения кривизны поверхностей положительных ю крояинз перед ионообменной обработкой проводят травление закристаллизованных межлинзовых областей 3 на глубину 10-100 мкм. В целях придания микролинзам формы мениска одну полированную поверхность пластины подвергают ионообменной обработке в расплавах солей, содержащих ионы большего радиуса , чем изначально присутствующие в стекле, а другую полированную поверхность - в расплавах солей, содержащих ионы меньшего радиуса, чем последние . 2 з.п. ф-лы, 7 ип., 1 табл. / /а (Л С ел 1

союз советсних соцИАлистичесних

РЕСГ1УБ ЛИК (59 у С 02 В 3/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П1НТ СССР (21) 4245075/24-10

f22) 18 05. 87 (46) 23.12.88. Бюл,Ф 47 (71) Ленинградский политехнический институт им.И.И. Калинина (72) Т.В. Бочарова, В. Г.ильин н Г.О. Карапетян (53) 535.317(088.8) (56) Патент Японии и 56-48841, кл. С 02 В 3/00, опублик. 1981.

Applied optics, vol, 24, 9 16, 1985, р. 2520-2525. (54)

МИКРОЛИНЗОВИХ РАСТРОВ (57) Изобретение относится к onтическому приборостроению и может быть использовано, в частности, для изготовления передающих объемное интегральное или составное изображение микролинзовых растров, применяемых в копировально-множительных аппаратах, для телевидения, кинотехники, голографии и т.д. При этом могут быть изготовлены как положительные, так и отрицательные микролинзы с большой кривизной из поверхностей и с высоким качеством этих поверхностей. Способ включает следующие этапы.

Полированную пластину, изготовленную из фоточувствительного кристаллизующегося стекла, экспонируют через фотомаску с непрозрачными дисками,расположенными соответственно располо„.Я0„„1446 79 А1 жению микролинз в растре, и затем кристаллизуют экспонированные межлинзовые области путем тепловой об- работки. После кристаллизации поверхности пластины вторично попируют и подвергают пластину 1 ионообменной обработке при температуре выше температуры стеклования в расплавах солей 5, содержащих ионы большего или меньшего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле. Проведение ионообменной обработки приводит к тому, что благодаря увеличению или уменьшению мольного объема исходного стекла его незакристаллизовавшиеся области 6 вццавливаются над поверхностью или прогибаются внутрь объема, образуя сферические сегменты 7. Для дополнительного увеличения кривизны поверхностей положительных микролинз перед ионообменной обработкой проводят травление закристаллизованных межлинзовых областей 3 на глубину

10-100 мкм. В целях придания микролинзам формы мениска одну полированную поверхность пластины подвергают ионообменной обработке в расплавах солей, содержащих ионы большего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле, а другую полированную поверхность — в раснлавах солей, содержащих ионы меньшего радиуса, чем последние. 2 з.п. ф-лы, 7 ип., 1 табл.

1446579

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть ис. пользовано, в частности, для изготовления передающих объемное интеграль5 ное или составное, изображение оптических растров, применяемых, например, .и конировально-множительных аппаратах для телевидения, кинотехники, голографии и т.д.

Ж

Цель изобретения — расширение функ- циональных возможностей изготавливаемых растров путем формирования как положительных, так и отрицательных микролинз при увеличении кривизны их поверхностей и повышении качества этих поверхностей, а также дополнительное увеличение кривизны поверх- ностей положительных микроликэ и придание микролинэам формы мениска.

На фиг,1 показана экспонирование полированной пластины из Фоточувствительного кристаллизующегося стекла через фотомаску с непрозрачными дисками, на Фиг.2 — Фотомаска с непро- 25, зрачными дисками; на Фиг.3 — крчстал-лиэация,экспонированных межлинзовых областей путем тепловой обработки; на фиг.4 — вторичная полировка; на фиг.5 - травление закристаллизованиых областей; на фиг.б — ионообмениая обработками на Фиг.7 — режим тецловой обработки, используемый для формирования кристаллической Фазы проэкспонираванных областей.

Способ осуществляют следующим образом.

Из Фоточувствительного кристаллиэующегася .стекла изготавливают пластины 1, ее шлифуют и полируют до 40 толщины 4-8 мм, определяемой заданным рабочим расстоянием растра.Пластину совмещают с фотомаской 2. с непрозрачными дисками, располаженны= ми соответствеино расположению микролинз s растре (фиг.1 и 2).

Блок жестко закрепляют и осуществляют экспозицию стекла через фотомаску коротковолновым излучением,например, лазера ЛГИ-23 ($ = 337 нм).

Время экспозиции 2-30 мин.

Активирующее излучение особенно сильно поглощается в поверхностном слое, поэтому и этом случае, когда экспонируемый участок имеет большую

55 толщину, наблюдается заметное ослабление интенсивности коротковолнового излучения по толщине образца. Следствием этого является неравномерная степень кристаллизации па толщине и, следовательно, разные параметры микролинз, получаемых на обеих поверхностях образца.

Для устранения эффекта ослабления интенсивности падающего излучения можно использовать зеркало с внешним покрытием из алюминия. Зеркало размещается позади экспонируемой пластины и служит для дополнительного экспонирования отраженным излучением.

Суммарная интенсивность ультрафиолетоного излучения становится более. равномерной по толщине образца, а получаемые с двух сторон микролинзы имеют одинаковые параметры.

После этого осуществляют кристаллизацию экспонированных межлинзавых областей 3, для чего пластину 1 помещают в печь н проводят тепловую обработку (Фиг.3 и .7). Далее пластину 1 охлаждают и осуществляют вторичную полировку ее поверхностей (фиг.4).

Толщина пластины становится равной

2-6 мм.

Если поставленной целью является получение положительных микролинз с большей кривизной, то технологический процесс включает дополнительную стадию, представленную на фиг.5 и заключающуюся в том, что после вторнчнай полировки пластчну 1 опускают в разбавленную плавиковую кислоту 4. В течение 5-16 мнн идет процесс травления закристаллизовакнык областей 3.продолжительность процесса травления зависит от необходимой глубины травления (10-300 мкм) и определяется из эксперимента. По истечении необходимого времени пластину 1 вынимают из кислоты 4, промывают водой и сушат. После этого vpoводят ионообменную обработку при температуре выше температуры стеклования Т в расплавах 5 солей, содержащих ионы большего или меньшего радиуса, чем изначально присутствуюшие в стекле.

Применение ионоабменной диффузионной обработки приводит к тому, что незакристаллиэованные области 6 стекла выдавливаются над поверхностью нли прогибаются внутрь объема, образуя сферические сегменты 7.

СФерические сегменты 7 на поверхности стекла образуются в результате проведения ионного обмена в расплаве 5 соли за счет увеличения илн

579 стекла является армирующим по отношению ко всему стеклу. Для обеспечения сферичности криволинейных поверхностей необходимо выбирать высокую .температуру ионообменной обработки.

При этом вязкость стекла может быть

45 т меньше 10 — 10 П и действуют силы поверхностного натяжения. Ограничением верхнего предела температурного интервала ионного обмена является

50 стойкость полированной поверхности стекла к расплаву. Однако верхний предел интервала рабочих температур может быть повьппен при использовании барботирования углекислым газом.В этом сл,чае поверхность стекла остается

55 полированной.

Продолжительность и температура ионообменной обработки во многом зависят от состава фоточувствительз

1446 уменьшения мольного объема исходного стекла.

В процессе ионного обмена создается возможность изменять высоту сферических сегментов 7, т.е. высоту прогиба и кривизну микролинэ данного фоточувствительного стекла в пироких пределах, эа счет изменения целой группы параметров: вариации состава расплава соли по виду катиона, вариации степени замещения катионов на поверхности, вариации глубины диффузии (продолжительности ионообменной обработки). Кроме того, высота сегментов 7 или кривизна микролинэ зависит от толщины пластины 1 и радиуса дисков фотомаски 2.

В качестве матрицы для фоточувствительного стекла используется литиевоалюмосиликатная система. Роль фоточувствительных добавок металлов, способных к коллоидообраэованию, принадлежит металлам: золоту, серебру, меди. Восстановителями являются добавки окислов церия, сурьмы, олова.

Составы фоточувствительных стекол, которые целесообразно использовать для изготовления микролинзовых растров по предлагаемому способу, приведены в таблице.

Исходя из задачи получения положительных или отрицательных микролинз, для выбранного состава фоточувствительного стекла, толшины пластины 1 и заданного соответствующей фотомаской 2 размера микролинз и их кривизны (фокусного расстояния) устанавливают состав расплава 5 солей для проведения ионного обмена, время и температурный интервал ионообменной диффузионной обработки.

Используются следующие расплавы солей. Для создания положительных микролинз — нитраты или сульфаты натрия, калия, рубидия, цезия и их смеси.

При этом выдавливание (вспучивание) незакристаллизованных участков б поверхности стекла происходит вследствие увеличения мольного объема при обмене ионов Li из стекла на ионы

Na+(К, Rh+, Cs. ) из расплава. Отрицательные микролинэы получаются в случае использования расплавов солей нитратов или сульфатов лития или натрия и их смесей, при этом осуществляется обмен: ионы Ма (Е ) из стек+,б ла на ионы Li (Na ) из расплава.

Количественный состав расплава 5 со—

15 0

30 ."15 ли определяют исходя из необходимой величины степени замещения обмениваюшихся ионов на поверхности стекла, ".е. в конечном счете из требуемой величины кривизны микролинз.

При установлении режима ионообменной обработки (температуры и продсл кительности) исходят из следующего. Продолжительность ионообменной обра"îòêè должна быть такой,чтобы для данного расплава 5 соли обеспечить глубину диффузии, сравнимую с требуемой величиной высоты сегмента 7 (высоты прогиба). Эту величину, т.е. продолжительность обработки, можно рассчитать, решая одномерную эадачу диффузии с торца цилиндра. Следует учитывать, что продожлтельность ионообменной обработки и состав расплава соли близки по получаемому результату. Одну и ту же или близкие величины радиусов кривизны линз можно получить, если использовать расплав соли, содержащий высокую концентрацию обменивающихся катионов, и проводить ионный обмен в течение короткого промежутка времени или наоборот проводить ионный обмен длительное время, используя менее концентрированный расплав или расплав соли с катионами меньшего радиуса.

Температура ионообменной обработки определяется во многом вязкостью фоточувствительного стекла и может изменяться в более широких пределах, чем при обычном ионном обмене, т.е. каркас закристаллизованной части

I 446579 6 ного стекла н размера заготовки (пластины) и определяются экспериментально.

После установления режима ионообменной обработки заготовку (пластину) 1 помещают в держатель, нагревают до температуры ионообменной обработки и помещают в расплав 5 необходимой соли. По истечении времени, необходимого и достаточного для получения заданной кривизны микролинз, расположенных на поверхности пластины, пластину 1 извлекают из расплава 5 и остужают до комнатной температуры.

Для придания микролинзам формы ме ниска процесс ионообменной диффузионной обработки проводится следующим .образом. На первой стадии проводят ионный обмен с одной стороны пластины в расплаве, содержащем ионы меньшего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле, например в раснлаве нитрата лития, зашищая при этом .вторую сторону (поверхность) пластины, затем пластину вынимают из расплава, остужают и промывают водой.

Далее проводят ионообменную обработку со стороны второй поверхности в расплаве, содержащем ионы большего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле, например в расплаве нитрата калия, защищая при этом первую поверхность, после чего пластину 1 вынимают из расплава 5, остужают и промывают водой.

Пример. С целью получения положительных микролииз на поверхности стекла из стекла состава 3 (см.таблицу) изготавливают отполированную с двух сторон пластину 1 размером 30х30х4 мм . Фотомаской 2 служит стеклянная подложка из силикатного стекла, на которую наносят рисунок в виде дисков из хрома,расположенных гексагонально. Диаметр диска 500 мкм. В качестве источника коротковолнового излучения используют лазер ЛГИ-21 (y - 337 нм). Диаметр пучка лазера увеличен приблизительно в 10 раз sa счет применения каплиматора, построенного на основе кварцевых линз с фокусными расстояниями Р, = 60 мм, Р<» 613 нм.

Пластину совмещают с фотомаской и закрепляют в держателе для нроведения засветки излучением лазера.Время экспозиции пластины 1, осуществля5

2Q

Щ

40 емой через фотомаску 2, составляет

ЗО мин. После этого пластину 1 снимают с экспозиции и помещают в муфельную печь. Тепловую обработку проводят по режиму, представленному на фиг.7. После "òîãî пе.ь выключают и пластину подвергают инерционному охлаждению в течение 8 ч. После охлаждения пластину. 1 полируют вторично.

Для проведения ионообменной обработки выбирают расплав соли нитрата калия. Ионный обмен проводят при о

600 С, что соответствует вязкости

7 фоточуьствнтельного стекла 10 П.Пластину 1 закрепляют в обойме из нержавеющей стали. Затем обойму с пластиной прогревают до 600 С и опускают в расплав 5 на основе нитрата калия.

Время ионообменной диффузионной обработки составляет 2 ч. По истечении указанного времени обокму с пластиной изымают из расплава и охлаждают на воздухе. После охлажцения пластину освобождают из обоймы и промывают.

В результате полученный микролинзовый растр имеет размеры ЗОхЗОх2 мм . Вы3 сота сферических сегментов составляет 38 + 1 мкм,что соответствует радиусу кривизны поверхности линз

850+1 мкм. Фокусное расстояние микролинз рассчитывают, предполагая, что показатель преломления стекла после ионообменной обработки изменяется незначительно и равен п»1,521. Фокусное расстояние микролинз составляет

f = 2,02 мм.

Формула изобретения

1, Способ изготовления стеклянных микролинзовых растров, включающий экспонирование полированной пластины из фоточувствительного кристаллизующегося стекла через фотомаску с непрозрачными дисками, расположенными соответственно расположению микролинз в растре, и последующую кристаллизацию экспонированных межлинзовых областей путем тепловой обработки, or л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностеч изготавливае мых растров путем формирования как ноложнтельньм, так и отрицательных микролинз при увеличении кривизны их поверхностей и повышении качества этих поверхностей, после кристаллизации поверхности пластины вторично полируют и подвергают пластину ионо1446579

Содержание компонентов, мас.Х,в составах опробованных стекол

Химический состав

73,94

10,52

76, 10

10,46

Si0i

Li10 l, 17

Na 0

5„80 ко

5 38

5,36

А1 0

Zn0

0904

0,04

Се 0 Ь,0, 0,3

0,3

0,03-.0,04

0,1

0,056 обменной обработке при температуре выше температуры стеклования Т в расплавах солей, содержащих ионны больmего или меньшего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью дополнительного увеличения кривизны поверхностей положительных микролинз,пе- 1 ред ионообменной обработкой проводят травление закристаллизованныхмежнинзових областей иа глубину 10-100 мкм.

3. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что с целью придания микролинзам формы мениска, одну полированную поверхность пластины подвергают ионообиенной обработке в расплавах солей, содержащих ионы больmего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле, а другув полированную поверхность — в расплавах солей, содержащих ноны меньшегорадиуса, чем последние.

1446579

Составитель В. Кравченко

Техред Д.Олийнык Корректор Г.Решетник

Редактор Н.Тупица

Производственно-полигра4ическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 6744/51 Тираж 533 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

313035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5