CN101866039A - 耐高低温中波红外光学窗口及其制作方法 - Google Patents

Abstract

耐高低温中波红外光学窗口及其制作方法，它涉及一种光学窗口及其制作方法，它解决了目前现有的光学窗口在高低温试验时，由于窗口两侧的温度梯度易使窗口处于常温侧结霜，导致光学成像模糊的问题。耐高低温中波红外光学窗口，它由铝箔纸、两个单层热压窗片、隔圈和干燥氮气组成，两个单层热压窗片平行相对设置，且二者间由隔圈隔开，使二者与隔圈之间形成密封夹层，密封夹层内充有干燥氮气，铝箔纸设置在两个单层热压窗片及隔圈的外侧周边上；上述光学窗口的制作方法主要通过清洁、粘胶以及充气等步骤完成对该光学窗口的制作。本发明适用于高低温光学试验领域。

Description

耐高低温中波红外光学窗口及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光学窗口及其制作方法。

背景技术

光学窗口是高低温光学试验中必不可少的光学部件，其材质与结构的优劣必将影响光学试验的成败。然而，一般现有的光学窗口在高低温（零摄氏度以下）试验时，很容易由于窗口两侧的温度梯度导致窗口处于常温侧结霜，致使光学成像模糊，导致试验失败。

发明内容

本发明的目的是解决目前现有的光学窗口在高低温试验时，由于窗口两侧的温度梯度易使窗口处于常温侧结霜，导致光学成像模糊的问题，提供了一种耐高低温中波红外光学窗口及其制作方法。

耐高低温中波红外光学窗口，它由铝箔纸、两个单层热压窗片、隔圈和干燥氮气组成，所述两个单层热压窗片平行相对设置，两个单层热压窗片的相对的两个表面之间由隔圈隔开，使得两个单层热压窗片与隔圈之间形成一个密封夹层；所述密封夹层内充有干燥氮气；所述铝箔纸包绕在两个单层热压窗片及隔圈的外侧周边上。

上述耐高低温中波红外光学窗口的制作方法的过程如下：

步骤一、采用洗洁精、清水对隔圈和铝箔纸进行清洗去油，然后用酒精清洗去渍，然后风干一天；

步骤二、隔圈上的径向方向上设有充气孔和出气孔，在所述充气孔和出气孔内填充满固体胶，然后风干固化一天；

步骤三、将一片单层热压窗片固定于光学平台上，并置于洁净、干燥处，然后在隔圈的一个侧面涂抹上固体胶，将隔圈与该单层热压窗片粘贴在一起，并在粘贴过程中旋转隔圈至固体胶分布均匀；

步骤四、在隔圈的另一侧面涂抹上固体胶，然后将另一片单层热压窗片与隔圈粘贴在一起，并在粘贴过程中旋转该单层热压窗片至固体胶分布均匀；此时，两个单层热压窗片与隔圈之间形成一个密封夹层；

步骤五、在充气孔和出气孔内的固体胶中分别插入一个针孔管，然后风干固化一天；

步骤六、将充气孔内的针孔管与氮气管密封连通，然后持续向密封夹层内充入干燥氮气半小时，使密封夹层内的全部空气从出气孔的针孔管内向外排出，然后拔出两个针孔管并迅速在两个针孔管留下的空隙处涂抹上固体胶，再风干固化一天；

步骤七、在两个单层热压窗片及隔圈的侧周边均匀涂抹固体胶，然后将第一层铝箔纸粘于两个单层热压窗片及隔圈上；然后，在粘好的铝箔纸表面再次均匀涂抹固体胶，将第二层铝箔纸粘于第一次铝箔纸上，然后风干固化一天，即制得耐高低温中波红外光学窗口。

本发明的积极效果：本发明采用双层窗片结构，用隔圈把两个单层窗片隔开并密封，且中间密封夹层内充以干燥的氮气，使得两个单层窗片之间湿度为零，并且外层窗片与低温环境隔离，可避免窗口结霜。

附图说明

图1为实施方式一的耐高低温中波红外光学窗口的结构示意图；图2为实施方式一中的隔圈的结构示意图；图3为实施方式九中的隔圈的结构示意图；图4为不镀膜时，在常温常压下测试的厚度为5mm单层热压MgF₂窗片在中波红外波段的透过率曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的耐高低温中波红外光学窗口，它由铝箔纸1、两个单层热压窗片2、隔圈3和干燥氮气4组成，所述两个单层热压窗片2平行相对设置，两个单层热压窗片2的相对的两个表面之间由隔圈3隔开，使得两个单层热压窗片2与隔圈3之间形成一个密封夹层；所述密封夹层内充有干燥氮气4；所述铝箔纸1包绕在两个单层热压窗片2及隔圈3的外侧周边上。

考虑到低温试验，如果是单层窗片，其一侧为零摄氏度以下，而另一侧为常温环境，那么两侧的温度梯度必然导致窗口处于常温环境一侧结霜。因此，单层窗片的结构不可行。本发明采用双层窗片结构，用隔圈把两个单层窗片隔开并密封，且中间密封夹层内充以干燥的氮气，这样在两个单层窗片之间湿度为零，并且外层窗片与低温环境隔离，可避免该窗片结霜。中间夹层的干燥氮气可以使得窗口在高低温试验时不结霜，且本发明结构简单，制作方便，成本低廉。

具体实施方式二：与实施方式一不同的是，所述铝箔纸1为两层。

具体实施方式三：与实施方式一或二不同的是，所述单层热压窗片2的材料为热压MgF₂。

为保证光学窗口的透过率，本发明中所选取的窗片材料需要在3μm～5μm波段有良好的透过率，这样才能保证光学测试的准确性；综合考虑常用的中波红外光学材料的光学、力学、热学性能以及实验室试验环境和成本，本实施方式选取热压MgF₂作为窗片材料。热压MgF₂的性能参数如下（参考文献:余怀之.红外光学材料[M].北京:国防工业出版社,2007:48,281.）：

密 度：   3.18g/cm³

熔 点：   1255°C

透过波段： 0.7～9μm

理论透过率：95.5%

弹性模量： 114Gpa

努氏硬度： 640kg/m²

断裂模量： 150Mpa

泊松比：   0.30

热膨胀系数：10.41×10^-6/K

热导率：   14.7W/(m·K)

图4为在不镀膜的情况下，5mm厚的单层热压MgF₂窗片在中波红外波段的透过率曲线。在厚度为5mm时，5μm（波数为2000cm^-1）附近的透过率略低于90%，但在整个中波红外波段范围的平均透过率完全满足不低于90%的要求，那么中间充以干燥氮气层的双层光学窗口的平均透过率也能达到80%以上，热压MgF₂窗片不需镀膜就能达到理想的透过率，既节省了制作成本，又不用顾虑在使用过程中破坏膜系而影响透过率。另外，热压MgF₂材料的机械强度较大，所以在加工及使用过程中也不易被损坏，完全可以满足实验室要求，而且，热压MgF₂的热膨胀系数小，在高温试验时不会导致光学窗口变形大而影响光学测试效果。

具体实施方式四：与实施方式一、二或三不同的是，隔圈3的材料为硬铝。

本实施方式中所选用的硬铝材料，既能够耐高温，又容易粘胶。

具体实施方式五：与实施方式一至四不同的是，铝箔纸1、两个单层热压窗片2及隔圈3的各个接触处均采用固体胶进行连接。

本实施方式中，所述固体胶应能够适应光学试验中的高低温环境。

具体实施方式六：与实施方式一至五不同的是，每个单层热压窗片2的厚度的取值范围为[3mm，5mm]，直径的取值范围为[30mm，150mm]，且其径厚比的取值范围为：[10，30]。

选择MgF₂材料，则其厚度应控制在5mm以内。因为厚度过大会影响透过率，也会增加材料成本。又因厚度过小会导致机械加工不便，也会增加加工成本，因此综合考虑，本实施方式中的每个单层热压窗片2的厚度范围选择[3mm，5mm]。

窗片的口径过小会影响目标光源的作用范围，而口径过大又会造成窗口材料的浪费，本实施方式中，每个单层热压窗片2的直径范围为[30mm，150mm]。

径厚比是指直径与厚度的比值。因为径厚比过小（即厚度偏大）会降低透过率且增加材料成本，而径厚比过大则在机械加工或试验时的装卡过程中，都易使窗口破损，因此本实施方式中的所述厚径比选择在[10，30]之间。

具体实施方式七：与实施方式一至六不同的是，隔圈3的厚度为5mm。

隔圈3的作用是隔开两个单层热压窗片2并能充以干燥氮气，若隔圈3的厚度过大只会浪费资源，增加成本；厚度过小，则不便在隔圈3的侧面加工氮气孔及充灌干燥氮气。

具体实施方式八：与实施方式一至七不同的是，隔圈3的外径等于单层热压窗片2的外径，隔圈3的内径比隔圈3的外径小10mm。

在本实施方式中，隔圈3为圆环形，该圆环的宽度为5mm，因为硬铝的导热系数较大，隔圈环的宽度过大则会加强两个单层热压窗片2之间的导热，在低温试验时也可能导致窗口结霜；隔圈环的宽度过小则会使粘胶力度不够，容易脱胶，达不到密封的效果。

具体实施方式九：本实施方式是实施方式一的耐高低温中波红外光学窗口的制作方法，它的过程如下：

步骤一、采用洗洁精、清水对隔圈3和铝箔纸1进行清洗去油，然后用酒精清洗去渍，然后风干一天；

步骤二、隔圈3上的外圆表面和内孔表面间设有充气孔3-1和出气孔3-2，在所述充气孔3-1和出气孔3-2内填充满固体胶，然后风干固化一天；其中，所述固体胶应能够耐高低温，可根据实际高低温试验温度范围选择合适的固体胶；

步骤三、将一片单层热压窗片2固定于光学平台上，并置于洁净、干燥处，窗片与光学平台间垫用多层一次性的专业窗口纸或者高级镜头纸，以防窗片被污染，以及防止其与光学平台的硬接触，然后在隔圈3的一个侧面涂抹上固体胶，将隔圈3与该单层热压窗片2粘贴在一起，并在粘贴过程中旋转隔圈3至固体胶分布均匀；

步骤四、在隔圈3的另一侧面涂抹上固体胶，然后将另一片单层热压窗片2与隔圈3粘贴在一起，并在粘贴过程中旋转该单层热压窗片2至固体胶分布均匀；此时，两个单层热压窗片2与隔圈3之间形成一个密封夹层；

步骤五、在充气孔3-1和出气孔3-2内的固体胶中分别插入一个针孔管，然后风干固化一天；

步骤六、将充气孔3-1内的针孔管与氮气管密封连通，然后持续向密封夹层内充入干燥氮气半小时，使密封夹层内的全部空气从出气孔3-2的针孔管内向外排出，然后拔出两个针孔管并迅速在两个针孔管留下的空隙处涂抹上固体胶，再风干固化一天；

步骤七、在两个单层热压窗片2及隔圈3的侧周边均匀涂抹固体胶，然后将第一层铝箔纸粘于两个单层热压窗片2及隔圈3的侧周边上；然后，在粘好的铝箔纸表面再次均匀涂抹固体胶，将第二层铝箔纸粘于第一次铝箔纸上，然后风干固化一天，即制得耐高低温中波红外光学窗口。

其中，充气孔3-1的内径和出气孔3-2的内径可均为2mm，此时针孔管的外径应小于2mm。

制作好的耐高低温中波红外光学窗口，可用专业窗口纸或高级镜头纸包装好，放于专门的窗口仪器箱内保存。

Claims (9)

1.耐高低温中波红外光学窗口，其特征在于它由铝箔纸（1）、两个单层热压窗片（2）、隔圈（3）和干燥氮气（4）组成，所述两个单层热压窗片（2）平行相对设置，两个单层热压窗片（2）的相对的两个表面之间由隔圈（3）隔开，使得两个单层热压窗片（2）与隔圈（3）之间形成一个密封夹层；所述密封夹层内充有干燥氮气（4）；所述铝箔纸（1）包绕在两个单层热压窗片（2）及隔圈（3）的外侧周边上。

2.根据权利要求1所述的耐高低温中波红外光学窗口，其特征在于所述铝箔纸（1）为两层。

3.根据权利要求1所述的耐高低温中波红外光学窗口，其特征在于所述单层热压窗片（2）的材料为热压MgF₂。

4.根据权利要求1所述的耐高低温中波红外光学窗口，其特征在于隔圈（3）的材料为硬铝。

5.根据权利要求1所述的耐高低温中波红外光学窗口，其特征在于铝箔纸（1）、两个单层热压窗片（2）及隔圈（3）的各个接触处均采用固体胶进行连接。

6.根据权利要求1所述的耐高低温中波红外光学窗口，其特征在于每个单层热压窗片（2）的厚度的取值范围为[3mm，5mm]，直径的取值范围为[30mm，150mm]，且其径厚比的取值范围为：[10，30]。

7.根据权利要求1所述的耐高低温中波红外光学窗口，其特征在于隔圈（3）的厚度为5mm。

8.根据权利要求1所述的耐高低温中波红外光学窗口，其特征在于隔圈（3）的外径等于单层热压窗片（2）的外径，隔圈（3）的内径比隔圈（3）的外径小10mm。

9.如权利要求1所述的耐高低温中波红外光学窗口的制作方法，其特征在于它的过程如下：

步骤一、采用洗洁精、清水对隔圈（3）和铝箔纸（1）进行清洗去油，然后用酒精清洗去渍，然后风干一天；

步骤二、隔圈（3）上的外圆表面和内孔表面间设有充气孔（3-1）和出气孔（3-2），在所述充气孔（3-1）和出气孔（3-2）内填充满固体胶，然后风干固化一天；

步骤三、将一片单层热压窗片（2）固定于光学平台上，并置于洁净、干燥处，然后在隔圈（3）的一个侧面涂抹上固体胶，将隔圈（3）与该单层热压窗片（2）粘贴在一起，并在粘贴过程中旋转隔圈（3）至固体胶分布均匀；

步骤四、在隔圈（3）的另一侧面涂抹上固体胶，然后将另一片单层热压窗片（2）与隔圈（3）粘贴在一起，并在粘贴过程中旋转该单层热压窗片（2）至固体胶分布均匀；此时，两个单层热压窗片（2）与隔圈（3）之间形成一个密封夹层；

步骤五、在充气孔（3-1）和出气孔（3-2）内的固体胶中分别插入一个针孔管，然后风干固化一天；

步骤六、将充气孔（3-1）内的针孔管与氮气管密封连通，然后持续向密封夹层内充入干燥氮气半小时，使密封夹层内的全部空气从出气孔（3-2）的针孔管内向外排出，然后拔出两个针孔管并迅速在两个针孔管留下的空隙处涂抹上固体胶，再风干固化一天；

步骤七、在两个单层热压窗片（2）及隔圈（3）的侧周边均匀涂抹固体胶，然后将第一层铝箔纸粘于两个单层热压窗片（2）及隔圈（3）上；然后，在粘好的铝箔纸表面再次均匀涂抹固体胶，将第二层铝箔纸粘于第一次铝箔纸上，然后风干固化一天，即制得耐高低温中波红外光学窗口。

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