CN103412358B - 基于楔形玻璃条的微阶梯反射镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于楔形玻璃条的微阶梯反射镜的制作方法，属于光学冷加工技术领域。该方法的主要工艺步骤为：采用常规光学零件加工工艺制作一个楔形玻璃块和n个楔形玻璃条；按序选取楔形玻璃条并逐个反角度光胶在楔形玻璃块的斜面上，相邻楔形玻璃条的接触面用紫外胶固连；水平方向反复推动后续一个楔形玻璃条直到阶梯厚度差检测仪测量出相邻楔形玻璃条的阶梯厚度差达到要求为止，用紫外灯固化紫外胶；最后对微阶梯反射镜的阶梯面镀反射膜。本发明解决了高精度制作微阶梯反射镜的问题，从而为实现高光谱分辨率的静态傅里叶变换光谱仪提供了技术支持。

Description

基于楔形玻璃条的微阶梯反射镜的制作方法

技术领域

本发明属于光学冷加工技术领域，主要涉及一种光学反射镜的制作方法，尤其涉及一种基于楔形玻璃条的微阶梯反射镜的制作方法。

背景技术

近几年来，由法国CNES公司提出的一种新型静态的傅里叶变换光谱仪得到国内外各大院所的深入研究。其分光装置是基于迈克尔逊干涉仪的原始结构，而反射镜采取了阶梯型反射镜，由此使光谱仪可以在省略空间驱动装置的前提下实现空域上各级次的同时采样。

由于光谱仪的测量范围为红外波段，根据分光原理，用于此光谱仪的阶梯反射镜的阶梯厚度差应为微米量级。目前，国内采用常规机械方法加工制作阶梯反射镜时，相邻阶梯连接均存在倒角，由于倒角会产生大于微米量级的误差，因而无法达到精度要求。因此微米量级阶梯反射镜的制作工艺成为此光谱仪的一个重要研究课题。

中国发明专利申请CN102081178A公开了一种楔形块上基片有序排列制作微阶梯反射镜的方法，该方法对n个基片进行研磨抛光，再将其依次叠放在楔形块上，产生阶梯厚度差，然后将各基片粘合固定，得到阶梯结构。此专利存在以下缺点：1.对n个基片的工艺重复性要求极高，一旦研磨抛光时产生尺寸误差，之后形成阶梯反射镜的阶梯厚度差的误差会更大；2.将n个基片放置在楔形块上容易产生缝隙，之后形成阶梯反射镜时至少会造成微米量级的误差；3.在制作过程中未对阶梯厚度差进行测量，若是粘合固化后进行测量的结果达不到要求的尺寸，就要全部返工，费时费事。

发明内容

本发明要解决的问题是，提供一种微阶梯反射镜的阶梯厚度差控制精度高、各阶梯反射面相互平行的基于楔形玻璃条的微阶梯反射镜的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的微阶梯反射镜的制作方法包括以下几个步骤：

第一步，对一矩形玻璃块的六个面进行研磨，采用常规光学零件加工工艺对矩形玻璃块中最大尺寸的一个面进行抛光，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度为0.012μm；最大尺寸两个面之间的平行度为30″；

第二步，选取n个矩形条且三组对面尺寸不等的玻璃条，对n个玻璃条的六个面进行研磨，采用常规光学零件加工工艺对n个玻璃条中最大尺寸的两个面和次大尺寸的两个面进行抛光，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度均为0.012μm；最大尺寸两个面之间和次大尺寸两个面之间的平行度均为30″，最大尺寸面和次大尺寸面之间夹角为90°±30″；n≥2；

第三步，将玻璃条逐一光胶在矩形玻璃块的抛光面上，使得玻璃条的一个次大尺寸面与矩形玻璃块的抛光面相接触；用紫外胶对所有玻璃条的相邻面进行固连；通过手压方式使各玻璃条的另一个次大尺寸面位于同一个水平面上；使用紫外灯固化紫外胶，之后从矩形玻璃块上取下固化的玻璃条组合件，并且按序标记各玻璃条；

第四步，将玻璃条组合件置于研磨台上，研磨并抛光各玻璃条的一个次大尺寸面，使两个次大尺寸面之间的夹角为θ，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度为0.012μm；θ取决于所要求的阶梯厚度差和水平推动精度；

第五步，将研磨后的玻璃条组合件放置在烤箱中烘烤，当温度升至400℃后关闭烤箱电源，当烤箱温度自然降至常温时取出玻璃条组合件并放置在装有酒精的器皿中，待相邻楔形玻璃条接触面的紫外胶脱落后，用水清洗楔形玻璃条；

第六步，研磨并抛光矩形玻璃块的抛光面，使抛光面与另一个最大尺寸面的夹角为θ，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度为0.012μm；

第七步，用水清洗楔形玻璃块，并将序号为1的楔形玻璃条光胶在楔形玻璃块斜面的一侧，使该楔形玻璃条的斜面与楔形玻璃块的斜面相接触且两个接触面的角度互补；

第八步，按序选取一个楔形玻璃条使其与前一个序号的楔形玻璃条相邻且光胶在楔形玻璃块的斜面上，使该楔形玻璃条的斜面与楔形玻璃块的斜面相接触且两个接触面的角度互补；

第九步，用紫外胶对后两个楔形玻璃条的相邻面进行固连，将楔形玻璃块和固连后的楔形玻璃条构成的组合件放置在阶梯厚度差检测仪上进行测量调试，将当前大序号的楔形玻璃条沿水平方向反复推动直到阶梯厚度差检测仪测量出的阶梯厚度差达到要求为止；再使用紫外灯固化紫外胶；

第十步，重复第八步和第九步，直至第n个楔形玻璃条与n-1个楔形玻璃条之间的紫外胶固化为止，之后从楔形玻璃块上取下固化的楔形玻璃条组合件即微阶梯反射镜毛坯；

第十一步，将微阶梯反射镜毛坯在干燥柜中放置24小时以上，取出后用镀膜设备在微阶梯反射镜毛坯的阶梯面上镀反射膜，最终形成微阶梯反射镜。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

（一）本发明首先采用常规光学零件加工工艺制作一个楔形玻璃块和n个楔形玻璃条，然后按序选取楔形玻璃条，并逐一反角度光胶在楔形玻璃块的斜面上，且相邻楔形玻璃条的接触面用紫外胶固连；水平方向反复推动后一个楔形玻璃条直到检测仪器测量出相邻楔形玻璃条的阶梯厚度差达到要求为止，然后用紫外灯固化紫外胶，最终对微阶梯反射镜的阶梯面镀反射膜，得到微阶梯反射镜。本发明解决了高精度制作微阶梯反射镜的问题，从而为实现高光谱分辨率的静态傅里叶变换光谱仪提供了技术支持。

（二）本发明采用同一个研磨盘上同时研磨并抛光n个楔形玻璃条的方法，保证了n个楔形玻璃条斜面角度的一致性，极大地提高了微阶梯反射镜的各阶梯反射面的平行度。

（三）本发明采用大比例缩放调节方法，即通过长距离水平推动楔形玻璃条实现阶梯厚度的微小调节，有效地提高了阶梯垂直上升厚度的调节精度。

（四）本发明采用光胶工艺，将n个楔形玻璃条放置在楔形玻璃块上，使得n个楔形玻璃条与楔形玻璃块之间几乎没有空气间隙，极大地减小了缝隙所产生的误差。

（五）本发明采用边测量边粘合的微阶梯反射镜毛坯制作工艺，保证了微阶梯反射镜制作的一次成型率，有效地提高了制作效率。

附图说明

图1a、图1b分别是楔形玻璃条的主视图和俯视图。

图2是楔形玻璃块的主视图。

图3是两个楔形玻璃条在楔形玻璃块上形成的阶梯结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本发明优选实施例采用一组楔形玻璃条制作阶梯数为10，阶梯厚度差为5μm的微阶梯反射镜。此微阶梯反射镜的制作方法有以下几个步骤：

第一步，对一K9矩形玻璃块的六个面进行研磨，使矩形玻璃块的尺寸为110mm×110mm×40mm，并采用常规光学零件加工工艺对矩形玻璃块中最大尺寸的一个面进行抛光，在本实施例中是对110mm×110mm的一个面进行抛光，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度为0.012μm；最大尺寸两个面之间的平行度为30″。

第二步，选取10个矩形且三组对面尺寸不等的K9玻璃条，对10个玻璃条的六个面进行研磨，使玻璃条的尺寸均为100mm×10mm×20mm，并采用常规光学零件加工工艺对10个玻璃条中最大尺寸的两个面和次大尺寸的两个面进行抛光，在本实施例中是对100mm×20mm的两个面和100mm×10mm的两个面进行抛光，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度均为0.012μm；最大尺寸两个面之间和次大尺寸两个面之间的平行度均为30″，最大尺寸面和次大尺寸面之间夹角为90°±30″。

玻璃条的数量代表了阶梯反射镜的阶梯数目，当采样步长确定的情况下，阶梯反射镜的阶梯数目越多，最大光程差越大，光谱分辨率越高；玻璃条的尺寸大小影响微阶梯反射镜的尺寸，而微阶梯反射镜的尺寸是根据镜头的口径大小和视场角来确定的。因此玻璃条的数量和尺寸大小不唯一，而是根据光谱仪的指标要求来确定。

第三步，将玻璃条逐一光胶在矩形玻璃块的抛光面上，使得玻璃条的一个次大尺寸面与矩形玻璃块的抛光面相接触；用紫外胶对所有玻璃条的相邻面进行固连，本实施例选用Norland公司生产的型号为NOA61的紫外固化光学胶；通过手压方式使各玻璃条的另一个次大尺寸面位于同一个水平面上；使用紫外灯固化紫外胶，之后从矩形玻璃块上取下固化的玻璃条组合件，并且按序标记各玻璃条。

第四步，将玻璃条组合件置于研磨台上，研磨并抛光各玻璃条的一个次大尺寸面，使两个次大尺寸面之间的夹角为θ，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度为0.012μm；θ取决于所要求的阶梯厚度差和水平推动精度，本实施例中θ为34′23″，如图1a、图1b所示。

本发明中采用大比例缩放调节方法，即通过长距离水平推动楔形玻璃条实现阶梯厚度的微小调节。因此如果存在角度θ，那么当水平方向推动玻璃条时，玻璃条在垂直方向便会上升。假设水平位移为x，垂直位移为y，则cotθ=y/x。在本实施例中，由于要求5μm的阶梯厚度差，即y=5μm，由于目前工艺可以控制的水平推动精度为500μm，即x=500μm，由此计算得出θ=34′23″。

在第三步中，将10个玻璃条光胶在矩形玻璃块上进行固化粘合，是为了保证每个玻璃条的另一个次大尺寸面位于同一个水平面上，避免在第四步中研磨一个次大尺寸面后各楔形玻璃条的尺寸不一致；之所以将10个玻璃条粘合在一起后研磨一个次大尺寸面的角度，是为了保证各楔形玻璃条的一个次大尺寸面的角度一致，从而保证制作完成的微阶梯反射镜的各阶梯面相互平行。

第五步，将研磨后的玻璃条组合件放置在烤箱中烘烤，当温度升至400℃后关闭烤箱电源，当烤箱温度自然降至常温时取出玻璃条组合件并放置在装有酒精的器皿中，待相邻楔形玻璃条接触面的紫外胶脱落后，用水清洗楔形玻璃条，10个楔形玻璃条制作完成。

第六步，研磨并抛光矩形玻璃块的抛光面，使抛光面与另一个最大尺寸面的夹角为θ，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度为0.012μm，如图2所示，楔形玻璃块制作完成。

本步骤中之所以将矩形玻璃块的抛光面研磨成斜面，角度和楔形玻璃条的角度一致，是为了将楔形玻璃条反角度光胶在楔形玻璃块上时，整个装置上下表面相互平行，有利于测量调节。

第七步，用水清洗楔形玻璃块，并将序号为1的楔形玻璃条光胶在楔形玻璃块斜面24的一侧，使该楔形玻璃条的斜面14与楔形玻璃块的斜面24相接触且两个接触面的角度互补。

第八步，按序选取一个楔形玻璃条使其与前一个序号的楔形玻璃条相邻且光胶在楔形玻璃块的斜面24上，使该楔形玻璃条的斜面14与楔形玻璃块的斜面24相接触且两个接触面的角度互补。

第九步，用紫外胶对后两个楔形玻璃条的相邻面进行固连，将楔形玻璃块和固连后的楔形玻璃条构成的组合件放置在阶梯厚度差检测仪上进行测量调试，本实施例中选取zygo光学干涉仪作为阶梯厚度差检测仪；将当前大序号的楔形玻璃条沿水平方向反复推动大约500μm，直到zygo光学干涉仪测量出的阶梯厚度差为5μm为止；再使用紫外灯固化紫外胶，如图3所示。

此步骤中之所以用zygo光学干涉仪对楔形玻璃条组合件进行测量调试，是为了弥补前期研磨抛光时有可能产生的误差，当测量结果达到要求了再进行固化粘合，确保了微阶梯反射镜制作的一次成型率。

第十步，重复第八步和第九步，直至第10个楔形玻璃条与9个楔形玻璃条之间的紫外胶固化为止，之后从楔形玻璃块上取下固化的楔形玻璃条组合件即微阶梯反射镜毛坯。

第十一步，将微阶梯反射镜毛坯在干燥柜中放置24小时以上，取出后用镀膜设备在微阶梯反射镜毛坯的阶梯面上镀反射膜，最终形成阶梯数目为10，阶梯厚度差为5μm的微阶梯反射镜。

Claims (3)

1.一种基于楔形玻璃条的微阶梯反射镜的制作方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：

第一步，对一矩形玻璃块的六个面进行研磨，采用常规光学零件加工工艺对矩形玻璃块中最大尺寸的一个面进行抛光，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度为0.012μm；最大尺寸两个面之间的平行度为30″；

第二步，选取n个矩形条且三组对面尺寸不等的玻璃条，对n个玻璃条的六个面进行研磨，采用常规光学零件加工工艺对n个玻璃条中最大尺寸的两个面和次大尺寸的两个面进行抛光，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度均为0.012μm；最大尺寸两个面之间和次大尺寸两个面之间的平行度均为30″，最大尺寸面和次大尺寸面之间夹角为90°±30″；n≥2；

第三步，将玻璃条逐一光胶在矩形玻璃块的抛光面上，使得玻璃条的一个次大尺寸面与矩形玻璃块的抛光面相接触；用紫外胶对所有玻璃条的相邻面进行固连；通过手压方式使各玻璃条的另一次大尺寸面位于同一个水平面上；使用紫外灯固化紫外胶，之后从矩形玻璃块上取下固化的玻璃条组合件，并且按序标记各玻璃条；

第四步，将玻璃条组合件置于研磨台上，研磨并抛光各玻璃条的一个次大尺寸面，使两个次大尺寸面之间的夹角为θ，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度为0.012μm；θ取决于所要求的阶梯厚度差和水平推动精度；

第五步，将研磨后的玻璃条组合件放置在烤箱中烘烤，当温度升至400℃后关闭烤箱电源，当烤箱温度自然降至常温时取出玻璃条组合件并放置在装有酒精的器皿中，待相邻楔形玻璃条接触面的紫外胶脱落后，用水清洗楔形玻璃条；

第六步，研磨并抛光矩形玻璃块的抛光面，使抛光面与另一个最大尺寸面的夹角为θ，抛光面的面形精度为：N≤2，△N≤0.5，B≤Ⅴ；表面粗糙度为0.012μm；

第七步，用水清洗楔形玻璃块，并将序号为1的楔形玻璃条光胶在楔形玻璃块斜面（24）的一侧，使该楔形玻璃条的斜面（14）与楔形玻璃块的斜面（24）相接触且两个接触面的角度互补；

第八步，按序选取一个楔形玻璃条使其与前一个序号的楔形玻璃条相邻且光胶在楔形玻璃块斜面（24）的一侧，使该楔形玻璃条的斜面（14）与楔形玻璃块的斜面（24）相接触且两个接触面的角度互补；

第九步，用紫外胶对后两个楔形玻璃条的相邻面进行固连，将楔形玻璃块和固连后的楔形玻璃条构成的组合件放置在阶梯厚度差检测仪上进行测量调试，将当前大序号的楔形玻璃条沿水平方向反复推动直到阶梯厚度差检测仪测量出的阶梯厚度差达到要求为止；再使用紫外灯固化紫外胶；

第十步，重复第八步和第九步，直至第n个楔形玻璃条与n-1个楔形玻璃条之间的紫外胶固化为止，之后从楔形玻璃块上取下固化的楔形玻璃条组合件即微阶梯反射镜毛坯；

第十一步，将微阶梯反射镜毛坯在干燥柜中放置24小时以上，取出后用镀膜设备在微阶梯反射镜毛坯的阶梯面上镀反射膜，最终形成微阶梯反射镜。

2.根据权利要求1所述的基于楔形玻璃条的微阶梯反射镜的制作方法，其特征在于，所述矩形玻璃块的尺寸为110mm×110mm×40mm，所述玻璃条的尺寸为100mm×10mm×20mm，n=10，θ=34′23″，阶梯厚度差为5μm。

3.根据权利要求1或2所述的基于楔形玻璃条的微阶梯反射镜的制作方法，其特征在于，所述的矩形玻璃块和玻璃条的材料均选用K9玻璃。