Способ изготовления стеклянных микролинзовых растров

союз советснихсоцидлистичеснихРЕСПУБЛИК 191 (И) 3/00 ТЕЛЬСТВУ адие ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ И ИНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗН АВТОРСКОМУ СВИД":(21) 4245075/24-10 (22) 18.05.87 (46) 23,1 2,88. Бюл,Ф 47 (71) Ленинградский политехнический институт им.И.И.Калинина(72) Т,В.Бочарова, В.Г.Ильин и Г.О.Карапетян (53) 535.317(088 .8) (56) Патент Японии В 56-48841, кл. С 02 В 3/00, опублик. 1981.Арр 1 ей орхсз, со 1, 24, В 16,1985, р, 2520-2525. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТВКЛЯНН 1 К МИКРОЛИНЗОВИХ РАСТРОВ (57) 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 расположению 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 выдавливаются 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 микро- линзам формы мениска одну полированную поверхность пластины подвергаютъ ионообменной обработке в расплавах солей, содержащих ионы большего р уса, чем изначально присутствующи в стекле, а другую полированную поверхность - в расп солей, содержащих ионы меньшего радиуса, чем последние. 2 з.п. Ф-лы, 7 ип., 1 табл.Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть нспользовано, в частности, для изготовления передающих объемное интеграль 5иое или составное, изображение оптических растров, применяемых, например,в конировально-множительных аппаратах для телевидения, кинотехники,голограФии и т.д,ЖЦель изобретения - расширение Функ-циональных возможностей изготавливаемых растров путем формирования какположительных, так и отрицательныхмикролинз при увеличении кривизны их ;аповерхностей и повышении качестваэтих поверхностей, а также дополнительное увеличение кривизны поверх-ностей положительных микролнкэ ипридание микролинэам Формы мениска.На Фиг,1 показано экспонированиеполированной пластины из Фоточувствительного кристаллизующегося стеклачерез Фотомаску с непрозрачными дисками, на Фиг.2 - Фотомаска с непро, зрачными дисками; на Фиг.3 - крчсталлиэация,экспонированных межлинзовыхобластей путем тепловой обработки;на Фиг,4 - вторичная полировка; наФиг,5 - травление закрйстьдлизованиых областей; на Фиг.б - ионооомениая обработка," на Фиг.7 - режим тепловой обработки, используемый дляФормирования кристаллической Фазыпроэкспонированных областей.Способ осуществляют следующим образом,Из Фоточувствительного кристаллиэующегося стекла изготавливают пластины , ее шлиФуют и попируют дотолщины 4-8 мм, определяемой заданным рабочим расстоянием растра.ппастину совмещают с Фотомаской 2. с непрозрачными дисками, расположенны.ми соответствеино расположению микролинз в растре Фиг.1 и 2),Блок жестко закрепляют и осуществляют экспозицию стекла через Фотомаску коротковолновым излучением,например, лазера ЛГИ(3 = 337 нм).Время экспозиции 2-30 мин.Активирующее излучение особенносильно поглощается в поверхностномслое, поэтому и этом случае, когдаэкспонируемый участок имеет большую55толщину, наблюдается заметное ослабление интенсивности коротковопновогоизлучения по толщине образца. Следствием этого является неравномерная степень кристаллизации по толщине и,следовательно, разные параметры микролинз, получаемых на обеих поверхностях образца.Для устранения эФФекта ослабленияинтенсивности падающего излученияможно использовать зеркало с внешнимпокрытием из алюминия. Зеркало размещается позади экспонируемой пластиныи служит для дополнительного экспонирования отраженным излучением.Суммарная интенсивность ультраФиолетового излучения становится более.равномерной по толщине образца, а получаемые с двух сторон микролинзыимеют одинаковые параметры.После этого осуществляют кристаллизацию экспонированных межлинзовыхобластей 3, для чего пластину 1 помещают в печь н проводят тепловую обработку Фиг,З и 7). Далее пластину 1 охлаждают и осуществляют вторичную полировку ее поверхностей (Фиг.4).Толщина пластины становится равной2-6 ммюЕсли поставленной целью являетсяполучение положительных микролинз сбольшей кривизной, то технологичес"кий процесс включает дополнительнуюстадию, представленную на Фиг,5и заключающуюся в том, что послевторнчной полировки пластчну 1 опускают в разбавленную плавнковую кислоту 4, В течение 5-1 О мнн идет процесс травления закристаллиэовакныкобластей 3 продолжительность процесса травления зависит от необходимойглубины травления 10-300 мкм) и определяется из эксперимента. По истечении необходимого времени пластину 1 вынимают из кислоты 4, промывают водой и сушат. После этого проводят ионообменную обработку при температуре выше температуры стеклования Т в расплавах 5 солей, содержащих ионы большего или меньшего радиуса, чем изначально присутствуювиев стекле,Применение ионообменной диФФузионной обработки приводит к тому, чтонезакристаллиэованные области 6 стекла выдавливаются над поверхностью нлипрогибаются внутрь объема, образуясФерические сегменты 7.СФерические сегменты 7 на поверхности стекла образуются в результатепроведения ионного обмена в расплаве 5 соли за счет увеличения нлн5 10 15 20 2530 З 5 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 45Б тменьше 10 - 10 П и действуют силыповерхностного натяжения. Ограничением верхнего предела температурногоинтервала ионного обмена является 50стойкость полированной поверхностистекла к расплаву. Однако верхний пре.дел интервала рабочих температур может быть повышен при использованиибарботирования углекислым газом.В этомслучае поверхность стекла остается 55полированной,Продолжительность и температураионообменной обработки во многомзависят от состава фоточувствительз14465уменьшения мольного объема исходногостекла.В процессе ионного обмена создается возможность изменять высоту сферических сегментов 7, т.е. высотупрогиба 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 катионовна поверхности, вариации глубины диффузии (продолжительности ионообменной обработки). Кроме того, высотасегментов 7 или кривизна микролинэзависит от толщины пластины 1 и радиуса дисков фотомаски 2.В качестве матрицы для фоточувствительного стекла используется литиевоалюмосиликатная система, Рольфоточувствительных добавок металлов,способных к коллоидообраэованию,принадлежит металлам: золоту, серебру, меди, Восстановителями являютсядобавки окислов церия, сурьмы, олова.Составы фоточувствительных стекол,которые целесообразно использоватьдля 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 соответствующейфотомаской 2 размера микролинз и ихкривизны (фокусного расстояния) устанавливают состав расплава 5 солейдля проведения ионного обмена, времяи температурный интервал ионообменнойдиффузионной обработки.Используются следующие расплавысолей. 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 приобмене ионов Ь из стекла на ионыИа+(К, КЬ , Сз. ) из расплава. Отрицательные микролинэы получаются вслучае использования расплавов солейнитратов или сульфатов лития или натрия и их смесей, при этом осуществляется обмен: ионы Ма (Е ) из стек+,4.ла на ионы Ь (Ба ) из расплава.Количественный состав расплава 5 соли 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 продслкительности) исходят из следующего. Продолжительность ионообменной обработки 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 задачу диффузии с торца цилиндра. Следует учитывать, что продогительность 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 частиного 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 неоаходимой 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 мениска процесс ионообменной днФФузнонной 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, занрвцая 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.П р и м е р. С целью получения положительных микролииз на поверхности стекла из стекла состава 3 (см,таблицу) изготавливают отполированную с двух сторон пластину 1 размером 30 х 30 х 4 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(3337 нм). Диаметр пучка лазера увеличен приблизительно в 10 раз за 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, осуществля емой через фотомаску 2, составляетЗО мин, После этого пластину 1 снимают с экспозиции и помещают в муФельную печь. Тепловую обработку проводят по режиму, представленному наФиг.7, После этого печь выключаюти пластину подвергают инерционномуохлаждению в течение 8 ч. После охлаждения пластину. 1 полируют вторично,Для проведения ионообменной обработки выбирают расплав соли нитрата калия. Ионный обмен проводят прио600 С, что соответствует вязкости7Фоточуьствнтельного стекла 10 П,Пластину 1 закрепляют в обойме из нержавеющей стали, Затем обойму с пластиной прогревают до 600 С и опускаютв расплав 5 на основе нитрата калия,Время ионообменной диФФузионной обработки составляет 2 ч. По истеченииуказанного времени обойму с пластинойизымают из расплава и охлаждают навоздухе. После охлажцения пластинуосвобождают из обоймы и промывают.В результате полученньй микролинзовьйрастр имеет размеры ЗОхЗОх 2 мм . ВыЭсота сФерических сегментов составляет 38 + 1 мкм ,что соответствуетрадиусу кривизны поверхности линз850+1 мкм. Фокусное расстояние микролинз рассчитывают, предполагая, чтопоказатель преломления стекла послеионообменной обработки изменяется незначительно и равен п=1,521. Фокусное расстояние микролинз составляет2 = 2,02 мм.Формула изобретения1, Способ изготовления стеклянных микролинзовых растров, включающий экспонирование полированнойпластины из Фоточувствительного кристаллизующегося стекла через Фотомас 5 10 15 20 25 Щ 35 40 ку с непрозрачными дисками, расположенными соответственно расположениюмикролинз в растре, и последующуюкристаллизацию экспонированных межлинзовых областей путем тепловойобработки, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью расширения Функциональных возможностей изготавливаемых растров путем Формирования какноложнтельных, так и отрицательныхмикролинз при увеличении кривизны ихповерхностей и повышении качестваэтих поверхностей, после кристаллизации поверхности пластины вторичнополируют и подвергают пластину ионоТ 73,94 10,52 76, 10 10,46 1 л О На О 5,3 В 5,36 А 1 О 1,14 ЕпО 0,04 0,04 Се ОЯЬО 0,3 0,3 0,1 0,056 фиг. обменной обработке при температуре выше температуры стеклования Т в расплавах солей, содержащих иоы большего или меньшего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле.52, Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью дополнительного увеличения кривизны поверхностей положительных микролинз,пе О ред ионообменной обработкой проводят травление закристаллизованныхмежнин" зовых областей на глубину 10-100 мкм. 3. Способ по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что с целью придания микролинзам формы мениска, одну полированную поверхность пластины подвергают ионообиенной обработке в расплавах солей, содержащих ионы большего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле, а другув полированную поверхность - в расплавах солей, содержащих новы меньшегорадиуса, чем последние.144 Ь 579ФЬЮ.ф лСоставитель В,Кравченкоктор Б.Тупица Л О 11 иык Корректор Г,РешетниЗаказ 6744/51 Тираж 533 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5Фическое предприятие, г. ужгород, ул. Проектная, 4оизводствен