CN106226916A - 光学准直器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学准直器及其加工方法。所述光学准直器包括带有栅格孔的多个准直器单元，每个所述准直器单元具有片的形状；所述准直器单元沿所述片的法线方向间隔排列，并使得各个所述准直器单元的对应的栅格孔沿所述法线方向对齐。根据本申请实施例的技术方案，通过多片组装方式来代替线切割等一体成型方法，减少准直器的自身重量，对光学探测仪器的轻型化有重要意义，且避免了金属栅片互插容易产生错位和穿插不完全的问题，在一定程度上提高了光学准直器精度。

Description

光学准直器及其加工方法

技术领域

本申请一般涉及光学仪器技术领域，具体涉及一种光学准直器及其加工方法。

背景技术

准直器是光学仪器中十分常见的器件，其作用是从众多方向入射信号中获得近似平行于某个方向的入射光，将观测视场限制在一个很小的角度范围内，从而有效地排除了的杂散光的干扰，大大提高了光学信号探测分辨率。

准直器通常是由多片金属栅片形成的规律性网格状结构，常用金属材料制成。一般用L表示准直器在入射光方向的长度，d表示准直器各栅片的间隔距离。L/d被称为长径比或深宽比，该值越大，到达探测器表面光线的平行度越好，因此，它是决定准直器准直性能的最重要参数之一。相应地，长径比的反余切值arccot(L/d)为准直器所对应的视场(Fieldof view，FOV)，也是光学探测中十分重要的参数。

准直器的制备在很大程度上依赖于金属材料。对于准直器制备来说，金属栅片互插和线切割是代表性的两种工艺。互插工艺是将金属栅片机械切割出沟槽，然后靠手工完成栅片之间的穿插。精密线切割技术将块体材料经过打孔、线切割等步骤逐渐完成孔径为毫米量级的栅片结构。

金属栅片穿插容易产生错位和穿插不完全的情况，再加上需要大量的手工操作，因此精度和成品率都相对较低，加工的时间成本大；精密线切割技术成品率得以提高，但其加工成本较高，加工时间相对较长，同时加工出的准直器栅格孔精度在毫米量级。准直器在一些特殊应用领域，需要相对较大的探测面积，加工所得栅格孔径越大，准直器的整体尺寸就越大，相应地会增加准直器的质量，这对于探测仪器的轻型化是相当不利的。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种质量小符合探测仪器轻型化要求的光学准直器。

第一方面，本发明提供一种光学准直器，包括带有栅格孔的多个准直器单元，每个所述准直器单元具有片的形状；所述准直器单元沿所述片的法线方向间隔排列，并使得各个所述准直器单元的对应的栅格孔沿所述法线方向对齐。

第二方面，本发明还提供一种上述光学准直器的加工方法，包括以下步骤：

制作准直器单元，每一个所述准直器单元带有栅格孔并具有片的形状；以及

组装多个准直器单元，使得所述准直器单元沿所述片的法线方向间隔排列，并使得各个所述准直器单元的对应的栅格孔沿所述法线方向对齐。

根据本申请实施例提供的技术方案，通过多片组装方式来代替线切割等一体成型方法，减少准直器的自身重量，对光学探测仪器的轻型化有重要意义，且避免了金属栅片互插容易产生错位和穿插不完全的问题，在一定程度上提高了光学准直器精度。

进一步的，根据本申请某些实施例，采用高加工精度(微米级)的激光打孔技术制备出栅格孔的准直器单元，不仅明显提高了精度，而且栅格孔尺寸更小，在同样长径比的情况下准直器总长度更小，更进一步的降低了准直器自身重量，满足光学仪器轻型化要求。

进一步的，通过在准直器单元上设置销钉孔，各个准直器单元通过销钉对准，进一步提高产品精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一些实施例的高精度轻型光学准直器结构示意图；

图2是本发明一些实施例中准直器单元结构示意图；

图3是本发明一些实施例所使用的简化的数学模型示意图；

图4是本发明一些实施例中框架结构示意图；

图5是本发明一些实施例中栅格孔的显微镜图。

图中：1、栅格孔；2、准直器单元；3、框架；4、销钉孔；5、凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1，其示出了本申请一个实施例的光学准直器的结构示意图，包括带有栅格孔1的多个准直器单元2，每个准直器单元2具有片的形状；准直器单元2沿片的法线方向间隔排列，并使得各个准直器单元2的对应的栅格孔1沿法线方向对齐。通过多片组装方式，即多片准直器单元2沿片的法线方向间隔排列组装成整个光学准直器，来代替线切割等一体成型方法，节约了准直器单元2之间的间隙部分材料，减少准直器的自身重量，对光学探测仪器的轻型化有重要意义；此外，避免了金属栅片互插时产生错位和穿插不完全的问题，在一定程度上提高了光学准直器精度。

在上述实施例中，各准直器单元2需相互连接组成一个整体光学准直器，连接方式有多种，如在某一个方向上除首片准直器单元2外，各准直器单元2向前一个准直器单元2方向设置至少3个定位凸起，在除末片准直器单元2外，各个准直器单元2与相邻定位凸起对应位置设有定位凹槽，使得各个准直器单元定位；通过将准直器单元侧壁用板密封，连接成一个整体光学准直器。

在一优选实施例中，栅格孔1通过激光打孔技术加工而成。现有的准直器是通过线切割技术在块体材料上加工栅格孔，精度在毫米级；本实施例通过激光打孔技术加工栅格孔，精度在微米级，大大提高了产品精度，从而可以大大减小准直器的栅孔尺寸；在长径比一定的前提下，极大降低了准直器的高度，进而极大的减轻了准直器的自身重量。

请进一步参考图2，其示出了一优选实施例中准直器单元结构示意图。在该实施例中，准直器单元2上设有销钉孔4，各个准直器单元2通过销钉对准，避免栅格孔2错位，提高精度。

在一优选实施例中，准直器单元2间距依次增大。

在一优选实施例中，沿入射光反方向依次排列的相邻准直器单元2之间的距离x₁、x₂、x₃……x_n与准直器单元2厚度a、栅格孔1间距b、栅格孔1宽度c之间满足以下关系：

$\begin{array}{c}\frac{c}{a}=\frac{c+b}{a+x_1}\\ \frac{c}{2a+x_1}=\frac{c+b}{2a+x_1+x_2}\\ \frac{c}{3a+x_1+x_2}=\frac{c+b}{3a+x_1+x_2+x_3}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{c}{na+x_1+x_2+\mathrm{...}+x_{n-1}}=\frac{c+b}{na+x_1+x_2+\mathrm{...}+x_{n-1}+x_n}\end{array}.$

请进一步参考图3，其示出了本实施例所使用的简化数学模型。以a表示准直器单元2厚度，以b表示栅格孔间距，以c表示栅格孔宽度，以α_m(1≤m≤n，α₃……α_n未示出)表示前m片准直器单元总视场，则从图3中可以清楚看出，对于多片准直器单元组装的情况下，存在一系列最大间隔值x，即x₁、x₂、x₃……x_n(其中，x₃……x_n未示出)，在满足以下关系式情况下，可以保证经过相邻两片准直器单元上沿的特征入射光(如l₁与l₂，或l₂与l₃)之间没有光线透过，既可以保证一体成型准直器完全相同的准直能力，又可以最大程度减轻准直器自身重量：

$\begin{array}{c}\frac{c}{a}=\frac{c+b}{a+x_1}={\mathrm{tan\α}}_1\\ \frac{c}{2a+x_1}=\frac{c+b}{2a+x_1+x_2}={\mathrm{tan\α}}_2\\ \frac{c}{3a+x_1+x_2}=\frac{c+b}{3a+x_1+x_2+x_3}={\mathrm{tan\α}}_3\\ .\\ .\\ .\\ \frac{c}{na+x_1+x_2+\mathrm{...}+x_{n-1}}=\frac{c+b}{na+x_1+x_2+\mathrm{...}+x_{n-1}+x_n}=={\mathrm{tan\α}}_n\end{array}.$

在一优选实施例中，准直器单元2安装在一个内壁带有平行凹槽5的框架3中。该框架3结构示意图如图4所示，下表面是安装底面，上下表面空心，供入射光自下而上穿过；左右两侧壁实心，内壁相对设有若干平行凹槽5，每个凹槽5的厚度比准直器单元2的单片厚度略大，用于安放准直器单元2；前后两面空心，便于准直器单元2的插入，当所有准直器单元2安装完毕后，用安装盖将凹槽开放的两端(即图中前后两面)用盖板密封。将准直器单元安装在框架内，安装更方便，精确度更高。

在一优选实施例中，准直器单元2由不锈钢金属片制成。

在一优选实施例中，准直器单元2厚度为0.5mm，每个栅格孔1尺寸为500μm×500μm，栅格孔1间距为50μm，整片尺寸63mm×63mm；结合具体使用环境中栅格阵列的数目等信息，经过Matlab等软件编程计算，如果准直视场为1°×1°，准直器整体高度需达到32mm，共计需21片准直器单元，理论上会比一体成型准直器减重达69％。在更多优选实施例中，根据需要，准直器单元厚度可以为0.5-1mm之间任意值，每个栅格孔尺寸可以为300μm×300μm，栅格孔间距可以为50-100μm之间任意值。

本申请还提供一种上述实施例的光学准直器的加工方法，包括以下步骤：制作准直器单元2，每一个准直器单元2带有栅格孔1并具有片的形状；以及

组装多个准直器单元，使得准直器单元2沿片的法线方向间隔排列，并使得各个准直器单元2的对应的栅格孔1沿法线方向对齐。

在一优选实施例中，制作准直器单元包括：通过激光打孔技术在金属片单片上加工栅格孔1，再进行电解抛光处理，以去除表面的毛刺，制成准直器单元2。图5示出了单片激光打孔并电解抛光后得到的栅格孔1显微镜图片，从图5中可以看出，抛光处理后的样品十分光洁平滑，基本无毛刺，栅格宽度的一致性很高，尺寸误差很小。其尺寸也十分符合设计值，可以满足准直器使用要求。

在一优选实施例中，组装多个准直器单元包括：提供框架，框架的内表面具有平行的多个凹槽5；以及将多片准直器单元2分别插入多个凹槽5中。

在一优选实施例中，组装多个准直器单元还包括：在每两片准直器单元2安装完毕后用长销钉加以固定和对准。

在一优选实施例中，组装多个准直器单元还包括：所有准直器单元2安装完毕后，用安装盖将凹槽5开放的两端用盖板密封。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (14)

1.一种光学准直器，其特征在于，包括带有栅格孔(1)的多个准直器单元(2)，每个所述准直器单元(2)具有片的形状；所述准直器单元(2)沿所述片的法线方向间隔排列，并使得各个所述准直器单元(2)的对应的栅格孔(1)沿所述法线方向对齐。

2.根据权利要求1所述的光学准直器，其特征在于，所述栅格孔(1)通过激光打孔技术加工而成。

3.根据权利要求1所述的光学准直器，其特征在于，所述准直器单元(2)上设有销钉孔(4)，各个所述准直器单元(2)通过销钉对准。

4.根据权利要求1所述的光学准直器，其特征在于，所述准直器单元(2)间距依次增大。

5.根据权利要求4所述的光学准直器，其特征在于，沿入射光反方向依次排列的相邻所述准直器单元(2)之间的距离x₁、x₂、x₃……x_n满足以下关系：

$\begin{array}{c}\frac{c}{a}=\frac{c+b}{a+x_1}\\ \frac{c}{2a+x_1}=\frac{c+b}{2a+x_1+x_2}\\ \frac{c}{3a+x_1+x_2}=\frac{c+b}{3a+x_1+x_2+x_3}\\ .\\ .\\ .\end{array}$

$\frac{c}{na+x_1+x_2+...+x_{n-1}}=\frac{c+b}{na+x_1+x_2+...+x_{n-1}+x_n}$

其中，a是所述准直器单元(2)的厚度，b是所述栅格孔(1)的间距，c是所述栅格孔(1)的宽度。

6.根据权利要求5所述的光学准直器，其特征在于，所述准直器单元(2)安装在一个内壁带有平行凹槽(5)的框架(3)中。

7.根据权利要求2所述的光学准直器，其特征在于，所述准直器单元(2)由不锈钢金属片制成。

8.根据权利要求7所述的光学准直器，其特征在于，所述准直器单元(2)厚度为0.5-1mm。

9.根据权利要求8所述的光学准直器，其特征在于，每个所述栅格孔(1)尺寸为300μm×300μm或500μm×500μm，所述栅格孔(1)间距为50-100μm。

10.一种光学准直器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

制作准直器单元(2)，每一个所述准直器单元(2)带有栅格孔(1)并具有片的形状；以及

组装多个准直器单元，使得所述准直器单元(2)沿所述片的法线方向间隔排列，并使得各个所述准直器单元(2)的对应的栅格孔(1)沿所述法线方向对齐。

11.根据权利要求10所述的加工方法，其特征在于，所述制作准直器单元包括：

通过激光打孔技术在金属片单片上加工栅格孔(1)，再进行电解抛光处理，以去除表面的毛刺，制成准直器单元(2)。

12.根据权利要求10或11所述的加工方法，其特征在于，所述组装多个准直器单元包括：

提供框架，所述框架的内表面具有平行的多个凹槽(5)；以及

将多片准直器单元(2)分别插入所述多个凹槽(5)中。

13.根据权利要求12所述的加工方法，其特征在于，所述组装多个准直器单元还包括：在每两片准直器单元(2)安装完毕后用长销钉加以固定和对准。

14.根据权利要求12所述的加工方法，其特征在于，所述组装多个准直器单元还包括：所有准直器单元(2)安装完毕后，用安装盖将凹槽开放的两端用盖板密封。