CN103268006A

CN103268006A - 硫系玻璃透镜阵列圆片制造远红外镜头的结构和方法

Info

Publication number: CN103268006A
Application number: CN2013102195103A
Authority: CN
Inventors: 张倩
Original assignee: SUZHOU BAINASI OPTICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU BAINASI OPTICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2013-08-28

Abstract

硫系玻璃透镜阵列圆片制造远红外镜头的结构和方法。一种远红外镜头的结构和制造方法，其特征为：采用若干有精密模压方式成产的硫系玻璃透镜阵列圆片，若干间隔体阵列圆片，远红外窗口圆片以及光阑阵列圆片按照远红外镜头光学设计的排序重叠，在各个阵列被精密对准后胶合；重叠的圆片在粘合后，沿透镜阵列的中间线切割成单个透镜组模块；切割后的单个透镜组模块与外壳封装成为远红外镜头。这种远红外镜头的生产方式优于传统单颗硫系玻璃透镜的加工和装配方式，极大地提高了远红外镜头的生产效率。

Description

硫系玻璃透镜阵列圆片制造远红外镜头的结构和方法

技术领域

本发明涉及远红外镜头制造领域，尤其涉及一种用重叠的硫系玻璃透镜阵列圆片制造远红外镜头的结构和方法。

背景技术

近年来，由于半导体制造技术的发展，使得远红外相机中的关键部件-红外焦平面阵列传感器(IRFPA)的生产成本下降，导致远红外相机开始越来越多的进入民用领域，比如，被动式汽车夜视，搜救，建筑能耗监测，等等。但目前远红外镜头的材料和生产成本依旧很高。远红外相机的工作波长为8um~12um, 用于制造远红外镜片的主要光学材料有锗（Ge），单晶硅（Si），硒化锌（ZnSe），硫化锌（ZnS）, 硫系玻璃 (chalcogenide glass) ，等。

硫系玻璃是以硫化物，硒化物和锑化物为主要成分的玻璃，它作为玻璃态的物质是唯一一种能够被热压处理的远红外材料。现在通用的生产工艺是采用表面抛光的硫系玻璃预形体在高温下精密压型，从而直接压型出非球面透镜。其他的远红外材料都为晶体，无法热压成型，只能用成本高昂的单点金刚石车床加工成非球面透镜。

用于精密压型的硫系玻璃预形体一般为抛光的球透镜，或最接近非球面面形的球面透镜。其中球透镜使用最为普遍，一般球直径为3mm到15mm。不管使用哪一种预形体，从大块的原材料加工成预形体的过程中都存在大量的材料损耗，比如材料的切割，透镜的研磨，抛光等等。考虑到硫系玻璃的市场价格大于每克10元人民币，如果能提高透镜制造中硫系玻璃材料的利用率，将带来巨大的经济效益。另外，目前硫系玻璃精密压型的非球面透镜只能实现单颗透镜连续生产。同时，由于硫系玻璃材质很软，表面宜划伤，这样单颗硫系玻璃镜片的清洗，镀膜以及最终远红外镜头模组的装配都非常耗时，所需人工成本较高。

发明内容

为了克服现有远红外镜头生产成本较高的问题，本发明提供了一种新的采用重叠硫系玻璃阵列圆片制造远红外镜头的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种硫系玻璃透镜阵列圆片，采用双面抛光的硫系玻璃圆片，在真空密闭的环境中与上下模具一同加热，并被精密压型，从而在硫系玻璃圆片的上下表面形成透镜阵列。压型前的硫系玻璃圆片厚度为1~5mm,直径为50~300mm。透镜阵列中的透镜面型包括球面或轴对称非球面。透镜阵列的透镜剖面形态包括：双凸、双凹、平凹、平凸和弯月。模具材料采用不锈模具钢或碳化钨合金，其特征是在硫系玻璃的压型温度下（300~500度）能保持较高的硬度。模具由单点金刚石车床磨削加工出透镜阵列，并在表面镀类金刚石膜（DLC coating）,或铂铱合金膜（Pt-Ir coating）。模具的镀膜能提高模具压型的寿命，并防止模具与硫系玻璃在高温压型是粘连。依照远红外镜头的光学设计，镜头中的各个透镜所对应的硫系玻璃透镜阵列圆片分别被压型制造，并经过超声波清洗和双面镀抗反射膜。这种由硫系玻璃圆片直接压型透镜阵列的生产制程，省去了预形体的制造，能显著提高硫系玻璃材料的利用率。

一种间隔体阵列圆片，作为透镜与透镜之间，窗口片与透镜之间的间隔体。间隔体阵列圆片采用特定厚度的塑料平板或玻璃平板加工成通孔阵列，其孔径大于或等于相邻透镜阵列圆片的最大透镜直径。各个间隔体阵列圆片的厚度和透镜阵列圆片平台的厚度都经过计算和分配，保证各个透镜阵列的位置与光学设计一致。

一种远红外窗口片，采用双面抛光的圆形锗片或硅片，两面都镀有抗反射涂层。远红外窗口片的直径与硫系玻璃透镜阵列圆片的直径相同。

一种光阑阵列圆片，由厚度小于1mm的薄圆片加工成光阑阵列，作为透镜模组的孔径光阑，其薄圆片的材料可为不透远红外光的玻璃平板，塑料平板或金属平板。

上述各个硫系玻璃透镜阵列圆片、间隔体阵列圆片和光阑阵列圆片的直径一致，并在平面上的阵列相互位置一致。硫系玻璃透镜阵列圆片与间隔体阵列圆片、远红外窗口圆片和光阑阵列圆片按照按照镜头光学设计的排序重叠，在各个阵列被精密对准后胶合。重叠的圆片粘合后，被沿透镜阵列的中间线切割成单个透镜组方形模块。

切割后的单个透镜组模块最终被加外壳封装成为远红外镜头，并与红外焦平面阵列传感器装配。

这种远红外镜头的生产方式优于传统单颗硫系玻璃透镜的加工和装配方式，极大地提高了远红外镜头的生产效率。远红外镜头所用的光学波长大于可见光镜头10倍，其光学装配容差较大，这种透镜阵列的装配更容易满足远红外镜头的光学要求。生产过程中由于避免了对单颗硫系玻璃透镜的接触，也减少了透镜损伤的概率。

附图说明

图1是硫系玻璃透镜阵列圆片精密压型示意图；

图2是圆片重叠装配示意图；

图3是圆片粘合后切割的剖面示意图；

图4是单个透镜组模块示意图；

图5是远红外镜头剖面示意图。

其中附图标记

1为上模具；

2为下模具；

3为压型前的硫系玻璃圆片；

4为硫系玻璃透镜阵列圆片；

5为硫系玻璃透镜阵列圆片；

6为间隔体阵列圆片；

7为间隔体阵列圆片；

8为远红外窗口片；

9为光阑阵列圆片；

4a为硫系玻璃透镜方片；

5a为硫系玻璃透镜方片；

6a为间隔体方片；

7a为间隔体方片；

8a为远红外窗口方片；

9a为光阑方片；

10为远红外镜头外壳；

11为红外焦平面阵列传感器 (IRFPA) 。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对发明作详细说明。附图中相同标记表示相同部件。为了更好的理解，附图中所示的部件是示意性表示，它们是按比例绘制的，即该附图的部件不表示真实尺寸，这些真实尺寸对本领域普通技术人员来说都是公知的，因此这里不做进行详细描述。

图1为硫系玻璃透镜阵列圆片精密压型示意图。压型前的硫系玻璃圆片3为双面抛光的圆形碟片，厚度为1~5mm, 直径为50~300mm。其中，硫系玻璃的组分体系包括，但不限于：Ge-As-Se、 Ge-As-Se-Te、 Ge-Sb-Se、 As-Se、As-S和As-Se-Te。上模具1和下模具2的材料采用不锈模具钢或碳化钨合金，其特征是在硫系玻璃的压型温度下（300~500度）能保持较高的硬度。上、下模具分别由单点金刚石车床磨削加工出透镜阵列，并在表面镀保护性镀膜。保护性镀膜的种类包括，但不限于：类金刚石膜（DLC coating）,铂铱合金膜（Pt-Ir coating）。模具的保护性镀膜的作用是提高模具压型的寿命，并防止模具与硫系玻璃在高温压型时粘连。硫系玻璃圆片3，上模具1和下模具2在真空密闭的压型舱室内中一同被加热,直至温度高于硫系玻璃的软化点40~150度，这时模具施加压力在硫系玻璃圆片的上下表面压型出非球面透镜阵列，形成硫系玻璃透镜阵列圆片4。

图2为圆片重叠装配示意图。其中硫系玻璃透镜阵列圆片4和5依照远红外镜头的光学设计分别被压型制造，并经过超声波清洗和双面镀抗反射膜。在本实施例中，透镜阵列圆片4的透镜两面都非球面面型，透镜结构为双凸；透镜阵列圆片5的透镜两面也都为非球面面型，透镜结构为弯月。间隔体阵列圆片6和7分别作为透镜与透镜之间，窗口片与透镜之间的间隔体。间隔体阵列圆片采用特定厚度的塑料平板或玻璃平板加工成通孔阵列，其孔径大于或等于相邻透镜阵列圆片的最大透镜直径。各个间隔体阵列圆片的厚度和透镜阵列圆片平台的厚度都经过计算和分配，保证各个透镜阵列的位置与光学设计一致。远红外窗口片8，采用双面抛光的圆形锗片或硅片，两面都镀有抗反射涂层，其窗口片直径与硫系玻璃透镜阵列圆片的直径相同。光阑阵列圆片9，由厚度小于1mm的薄圆片加工成光阑阵列，作为透镜模组的孔径光阑，其光阑阵列圆片的材料为不透远红外光的玻璃平板，塑料平板或金属平板。

上述各个硫系玻璃透镜阵列圆片、间隔体阵列圆片和光阑阵列圆片的直径一致，并在平面上的阵列相互位置一致。硫系玻璃透镜阵列圆片4和5，间隔体阵列圆片6和7，远红外窗口圆片8以及光阑阵列圆片9按照镜头光学设计的排序重叠，在各个阵列被精密对准后胶合。

图3为圆片粘合后切割的剖面示意图。重叠的圆片在粘合后，沿透镜阵列的中间线切割成单个透镜组方形模块。其中切割的方式包括，但不限于：激光切割，线切割，内圆刀片切割，外圆刀片切割。

图4为单个透镜组模块示意图。图中的单个透镜组模块包括：硫系玻璃透镜方片4a和5a，间隔体方片6a和7a, 远红外窗口方片8a, 光阑方片9a；

图5为远红外镜头剖面示意图。切割后的单个透镜组模块由塑料外壳10封装成为远红外镜头，并与红外焦平面阵列传感器11装配。

上述实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不受所述实施例的限制，任何其他未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变，修饰，替代，组合，简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种远红外镜头的结构和制造方法，其特征为：采用若干有精密模压方式成产的硫系玻璃透镜阵列圆片，若干间隔体阵列圆片，远红外窗口圆片以及光阑阵列圆片按照远红外镜头光学设计的排序重叠，在各个阵列被精密对准后胶合；重叠的圆片在粘合后，沿透镜阵列的中间线切割成单个透镜组模块；切割后的单个透镜组模块与外壳封装成为远红外镜头。

2. 根据权利要求1所述的硫系玻璃透镜阵列圆片，其特征在于，由双面抛光的硫系玻璃圆片，在真空密闭的环境中与上下模具一同加热，并被精密压型，从而在硫系玻璃圆片的上下表面形成透镜阵列；压型前的硫系玻璃圆片厚度为1~5mm,直径为50~300mm；硫系玻璃透镜阵列圆片在压型后经过超声波清洗，并在双面镀抗反射膜；硫系玻璃的组分体系包括，但不限于：Ge-As-Se、 Ge-As-Se-Te、 Ge-Sb-Se、 As-Se、As-S和As-Se-Te。

3. 根据权利要求1和权利要求2所述的硫系玻璃透镜阵列圆片，其特征在于，透镜阵列中的透镜面型包括球面或轴对称非球面；透镜阵列的透镜刨面形态包括：双凸、双凹、平凹、平凸和弯月。

4.根据上述权利2所述的模具，其特征在于，模具的材料采用不锈模具钢或碳化钨合金；模具分别由单点金刚石车床磨削加工出透镜阵列，并在表面镀保护性镀膜；保护性镀膜的种类包括，但不限于：类金刚石膜（DLC coating）, 铂铱合金膜（Pt-Ir coating）。

5. 根据上述权利要求中任意一项所述的间隔体阵列圆片，其特征在于，间隔体圆片作为透镜与透镜之间，窗口片与透镜之间的间隔体；其加工方式为采用特定厚度的塑料平板或玻璃平板加工成通孔阵列，其孔径大于或等于相邻透镜阵列圆片的最大透镜直径；各个间隔体阵列圆片的厚度和透镜阵列圆片平台的厚度都经过计算和分配，保证各个透镜阵列的位置与光学设计一致；间隔体阵列圆片的直径与硫系玻璃透镜阵列圆片的直径一致，并在平面上的阵列位置相互一致。

6. 根据上述权利要求中任意一项所述的光阑阵列圆片，其特征在于，光阑阵列圆片由厚度小于1mm的薄圆片加工成光阑阵列，作为透镜模组的孔径光阑；光阑阵列圆片的材料为不透远红外光的玻璃平板，塑料平板或金属平板；光阑阵列圆片的直径与硫系玻璃透镜阵列圆片的直径一致，并在平面上的阵列位置相互一致。

7. 根据上述权利要求中任意一项所述的远红外窗口圆片，其特征在于，远红外窗口片采用双面抛光的圆形锗片或硅片，两面都镀有抗反射涂层，其窗口片直径与硫系玻璃透镜阵列圆片的直径相同。