[发明专利]单片玻璃光成型扩散器及其制造方法

说明书

本发明涉及全息光成型扩散器^(LSD)^，尤其是一种从单片玻璃材料形成的LSD，以及形成单片玻璃LSD的方法。

全息光成型扩散器^(LSD)^，有时也被称为光成型均化器或简称为扩散器，是一种在各种照明、成像和光投影中应用的扩散器。LSD是一种透明或半透明结构，具有入射表面、出射表面、和在其入射表面和/或内部形成的光成型结构。这些光成型结构，有时共同被称为斑点(speckle)(尤其是当它们相对仅存在于其表面而言，还存在于结构的体积之中时)，是无规的，无序的和非平面微雕的结构，起到微型透镜的作用，在LSD介质的折射率内产生连续的平稳的变化。它们看起来与无规分散在产品上的海绵类似。这些光成型结构折射通过LSD的光，这样从LSD出射表面发出的光束沿水平轴和竖轴就呈现出精确控制的能量分布。可以使用LSD成型光束，这样进入LSD的光束超过90％(达95％-98％)被导向和接触位于LSD下游的目标。可以利用LSD会聚入射光，或者1)从一个小角度到100°沿一个圆形区域分散，或2)把它传送到一个几乎不受限制的椭圆角中。例如，当用一个LED或激光照射时0.2°×50°的LSD将产生一条线，当用同样的光源照射时，35°×90°的LSD将形成一个很窄的区域，可用作高清晰度的背投式屏幕。

LSD不是采用被称为相干性的单色激光特性，需要仅仅在激光的波长使用的精小处理的全息元件，它可在白光范围精确操作。因此LSD表现出高度的通用性，因为它们可以采用来自几乎所有光源的光，包括LED、日光、卤钨灯或弧光灯发出的光。

目前可以使用两种LSD，即“体积LSD”和“表面LSD”。表面LSD是一个表面凹凸的全息元件，其特征在于在其表面上结合有光成型结构(或计算机产生的近似物结构)。体积LSD是一个体积全息元件，其特征在于在其体内，也可能在其表面上结合有光成型结构(或计算机产生的其类似物)。体积LSD和表面LSD在大多数应用中是可互换的。然而，有一些受限的应用，只能使用体积LSD，例如在LSD沉浸在液体中的应用。

通常体积LSD和表面LSD都可以使用“底模版(sub-master)”生产，底模版自身含有形成光成型结构的全息表面结构。对于体积LSD，使用标准的全息记录技术(一或两束)或与印刷工艺类似的方法在产品结构中记录光成型结构。对于表面LSD，表面结构被压印到或以其它方法直接形成在产物结构的表面。在Jannson等的美国专利号5,365,354(′354专利)、Petersen等的美国专利号5,609,939(′939专利)，和Petersen等的美国专利号5,534,386(′386专利)中公开了使用含有光成型结构的模版或底模版生产LSD的方法。这里以参考文献引用′354专利、′386专利和′939专利，是为了揭示LSD的生产方法。

迄今为止，LSD只能由塑料例如丙烯酸塑料或聚碳酸酯塑料形成，因为只有这些材料能够充分变形(在适合于与底模版相互作用的条件下)来接受光成型结构。这些塑料的物理特性产生的局限性限制了LSD操作的应用范围。

例如，形成LSD的塑料通常具有低于约150℃的玻璃转化温度，而且一般低于100℃。因此在LSD充分受热，温度提高到其玻璃转化温度之上的应用中，就不能利用常规的塑料LSD。热量可以直接从光源例如弧光灯的光源吸收，也可以以UV或红外辐射的形式吸收。因此，在LSD位置附近产生显著热量的加热灯、液晶显示投影仪、投射灯、电弧灯、或其它光源中通常不能使用塑料LSD。塑料LSD也不能与在紫外区或红外区内工作的光源一起使用，因为其发出的辐射会被塑料吸收。

常规的塑料LSD不能与许多UV光源一起使用的另一个原因是塑料材料是UV辐射很差的传导物。典型的塑料LSD只传导波长为365nm的入射光的约75％。当入射光的波长为350nm时，传导率降到约50％之下，这就使得常规的塑料LSD不适合用于小于400nm的光源，对小于350nm的光源实际上就没有用处了。这是常规塑料LSD的严重局限，因为许多广泛使用的光源在UV区在工作，这些光源包括水银激光器(365nm)，三倍频带激光器(355nm)，和许多激发物激光器(约270nm)。

塑料LSD的另一个局限是它们不能经受热涂层操作。为了提高扩散器的效率，通常需要为扩散器涂上一层抗反射(AR)涂层。许多涂层，包括许多AR涂层，只能在通常用作LSD的塑料的玻璃转变温度之上进行涂布。常规的LSD不能使用这些涂层。