CN111522086B - 热复合的光栅制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热复合的光栅制作工艺，属于光学元件技术领域，工艺流程包括：预制金属膜、制作复合膜、热复合、切割和封装；通过将对X射线强吸收的重金属膜和对X射线弱吸收轻金属膜交替堆叠在一起后，再通过热复合的方式将轻金属膜与重金属膜粘合在一起后；最后切割复合膜堆，并封装得到光栅，整个工艺过程中将重金属膜以及轻金属膜制作与光栅制作分离，为每种工艺流程提供特定的环境；更有利于流水线大批量生产；同时采用热粘合工艺将轻金属和重金属粘合在一起，金属膜厚度容易控制，在光栅制作过程中误差小；且利于流水线大批量生产。

Description

热复合的光栅制作工艺

技术领域

本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种热复合的光栅制作工艺。

背景技术

X射线成像技术自1895年德国研究员伦琴发现X射线以来便作为一个全新的学科得到了迅速的发展，它可以对焊缝、设备的内部缺陷进行探伤检测，广泛应用于机械制造、压力容器、航空航天、石油、化工、铁路交通、冶金、造船、军工等工业部分。

目前，X射线相位衬度成像主要运用以Talbot-Lau干涉法为基础的光栅成像方法。这一种成像系统会使用源光栅，相位光栅，吸收光栅三块光栅；在这种的光栅成像方法中，吸收光栅作为成像系统的重要部件，其参数对成像质量的好坏起着决定性的作用；通过改善加工工艺制作大深宽比的光栅对于X 射线光栅相位衬度成像便显得尤为重要。

LIGA加工技术是其中一种传统的吸收光栅制作方法，常用于制作大深宽比结构的光栅，LIGA技术的原理是将光刻（Lithographie）、电铸成型（Galvanoformung）和注塑（Abformung），这三者结合起来。但是在研究的过程中发现用此方法制作光栅时经常有光栅断裂坍塌等引起结构失效的现象发生。

另一种传统的吸收光栅制作方法光助电化学刻蚀技术常用于制作大深宽比微结构，电化学刻蚀广泛应用于微结构制作，尤其是对于大深宽比的结构的光栅的制作；瑞士保罗谢勒研究所（PSI）研发了利用金属辅助化学腐蚀（MACE）技术制作X射线衍射光栅。

但是LIGA技术制作成本较高，而且可制作面积较小，光助电化学刻蚀方法则流程复杂，而且制作过程中硅基电阻率、温度、腐蚀液等均对刻蚀结构的影响较大，难以控制，在后期的高原子序数金属填充过程中，所需的填充工艺复杂，条件也较为苛刻。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种热复合的光栅制作工艺，采用热粘合工艺将轻金属和重金属粘合在一起，金属膜厚度容易控制，在光栅制作过程中误差小；且利于流水线大批量生产。

为实现上述目的，本发明提供1、一种热复合光栅制作工艺，其特征在于，包括

预制金属膜：选取一块对X射线具有强吸收的重金属膜和一块对X射线具有弱吸收轻金属膜，并调整重金属膜和轻金属膜至预设尺寸；

制作复合膜：重金属膜和轻金属膜交替堆叠形成复合膜堆；

热复合：用夹具夹持复合膜堆后放置于加热炉中，加热至重金属膜和轻金属膜相互粘合，再将复合膜堆于真空环境中冷却后取出；

切割：按设定尺寸切割后的复合膜堆，得到准光栅；

封装：使用X射线弱吸收材料封装准光栅得到光栅。

其中，调整重金属膜和轻金属膜至预设尺寸时，重金属膜和轻金属膜的尺寸包括厚度尺寸和平面尺寸，将每块重金属膜和轻松金属膜厚度分别压至设定值，且重金属膜和轻金属膜的平面尺寸完全相同。

其中，制作复合膜时，重金属膜和轻金属膜正交堆叠在一起，单块重金属与单块轻金属的厚度之和为光栅单个周期的长度。

其中，制作复合膜后，将复合膜堆的厚度压至设定值，压缩复合膜堆时，各层金属膜的厚度均匀变化。

其中，用夹具夹持复合膜堆时，夹具与复合膜堆的接触面之间垫有熔点高的半导体或者陶瓷材料。

其中，复合膜堆中轻金属和重金属的熔点最低值为C1摄氏度，热复合时加热时，加热温度为C2摄氏度，其中C2不高于C1；加热时长为2小时40分钟至3小时20分钟。

其中，热复合时，在真空中加热复合膜堆；并在真空中冷却复合膜堆。

其中，用夹具夹持复合膜堆时，夹具对复合膜堆的压力为50-80N，限制复合膜堆在加热过程中厚度发生变化。

其中，切割复合膜堆时，先切割复合膜堆的边缘得到第一形状的复合膜堆，再按设定尺寸切割第一形状的复合膜堆，得到准光栅。

其中，在封装过程中，利用碳素纤维材料板夹持准光栅的切割面，直至碳素纤维黏合各复合膜，完成封装。

本发明的有益效果是：本发明工艺包括：预制金属膜、制作复合膜、热复合、切割和封装；通过将对X射线强吸收的重金属膜和对X射线弱吸收轻金属膜交替堆叠在一起后，再通过热复合的方式将轻金属膜与重金属膜粘合在一起后；最后利用激光或者线切割等冷切工艺切割复合膜堆，并封装在一起得到光栅，整个工艺过程中将重金属膜以及轻金属膜制作与光栅制作分离，为每种工艺流程提供特定的环境；更有利于流水线大批量生产；同时采用热粘合工艺将轻金属和重金属粘合在一起，金属膜厚度容易控制，在光栅制作过程中误差小；且利于流水线大批量生产。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为直接采购的金属膜滚筒结构示意图；

图3为本发明的复合膜堆结构示意图；

图4为本发明的夹具夹持复合膜堆示意图；

图5为本发明的切割复合膜堆边缘示意图；

图6为本发明的切割第一形状复合膜堆得到准光栅示意图；

图7为本发明的准光栅结构示意图；

图8为本发明的光栅结构示意意图。

主要元件符号说明如下：

1、轻金属膜；2、重金属膜；3、复合膜堆；4、第一形状复合膜堆；5、准光栅；6、碳素纤维；7、光栅；8、夹具。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

正如背景技术所说，现有的光栅制作过程，不仅工艺复杂不便于批量生产，且工艺条件苛刻，光栅的制作过程误差大；光在衍射过程中满足公式

（a+b）（sinφ+sinθ）=k λ；其中，式中a代表狭缝宽度，b代表狭缝间距，φ为衍射角，θ为光的入射方向与光栅平面法线之间的夹角，k为明条纹光谱级数(k=0，±1，±2……)，λ为波长，a+b称作光栅常数；光栅产生的条纹的特点是：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰；如果由于制作误差导致狭缝宽度和狭缝间距值偏差过大，会导致在衍射时成像模糊，最终通过X射线得到的图像就会是一片模糊、分辨不清的；特别在医疗应用中，图像不清容易导致疾病检查的误差率非常高；因此如何批量精准生产光栅成为目前极具市场前景的技术点。

为此本申请提出一种热复合光栅制作工艺，请参阅图1，其包括

预制金属膜：选取一块对X射线强吸收的重金属膜2和一块对X射线弱吸收轻金属膜1，并调整重金属膜2和轻金属膜1至预设尺寸；

制作复合膜：重金属膜2和轻金属膜1交替堆叠形成复合膜堆3；

热复合：用夹具8夹持复合膜堆3后放置于加热炉中，加热至重金属膜2和轻金属膜1相互粘合，再将复合膜堆3于环境中冷却后取出；

切割：运用激光按设定尺寸切割后的复合膜堆3，得到准光栅5；

封装：使用X射线弱吸收材料封装准光栅5得到光栅7。

在本实施例中，通常预制好的金属膜的厚度为50-80微米；宽度约为5-10厘米；像卷纸一样卷绕在滚筒上；需要长度为多少就从滚筒上裁剪多少长度；金属膜是通过拉压工艺制成，在市面上有成品直接销售；金属膜是预制好的，将重金属膜2以及轻金属膜1制作与光栅制作分离开，为每种工艺流程提供独立的环境，更有利于流水线大批量生产；且重金属膜2以及轻金属膜1能够预先设定好尺寸，更好地控制精度，使其在光栅制作中误差较小。

在本实施例中，对X射线强吸收的重金属包括金、铅、铋等高原子序数金属，轻金属材料可以是铝、锡等低原子序数金属；这些金属中铅的熔点约为327摄氏度，金的熔点为1064摄氏度；铋的熔点为271摄氏度；铝的熔点约为660摄氏度；锡的熔点为232摄氏度；优选的，重金属膜2可以选用铅，轻金属可以选用铝。

请参阅图2，调整重金属膜2和轻金属膜1至预设尺寸时，重金属膜2和轻金属膜1的尺寸包括厚度尺寸和平面尺寸，将每块重金属膜2和轻松金属膜厚度分别压至设定值；例如，直接采购的铅膜厚度为80微米，铝膜厚度为50微米；但是需要生产的目标光栅7的狭缝宽度值为40微米，狭缝间距为50微米；可以将裁剪的每块轻金属模或者重金属膜2进行拉压处理得到需要厚度的金属模，也可以直接要求生产金属膜厂家按照目标厚度加工金属膜；在从卷筒上裁剪金属膜时，直接沿着金属膜宽度方向裁剪，得到矩形金属膜；其中，铅膜和铝膜的平面尺寸完全相同；具体的，铅膜和铝膜的长度均为10cm，宽度均为8cm，铅膜厚度为50微米，铝膜厚度为40微米。

请参阅图3，制作复合膜时，重金属膜2和轻金属膜1正交堆叠在一起，单块重金属与单块轻金属的厚度之和为光栅7单个周期的长度；正交堆叠结构相比于常规的堆叠方式更加稳固，能够使其在其后的复合中误差更小，结构更稳固；铅膜和铝膜的平面尺寸完全相同，铅膜和铝膜平面完全重合在一起，铅膜的厚度方向与铝膜的平面相互垂直，形成正交堆叠；例如需要的复合膜堆的总厚度为9毫米时，铅膜共选用100层，铝膜100层铅膜和铝膜交替堆叠；其中一层铅膜与一层铝膜形成一个光栅7周期，光栅7周期的狭缝宽度值为40微米，狭缝间距为50微米；共100周期。

在本实施例中，如果在制作复合膜之前未对每块金属膜的厚度进行处理，也可在制作复合膜后，将复合膜堆3的厚度压至设定值，压缩复合膜堆3时，各层金属膜的厚度均匀变化；例如直接采购的铅膜厚度为70微米，铝膜厚度为40微米，需要制作的200个周期，厚度为1.8厘米的光栅7；可以先将铅膜与铝膜交替堆叠，200层，得到2.2厘米厚的复合膜堆3，再利用滚压技术压缩复合膜堆3，将复合膜堆3压缩至1.8厘米；各层金属膜厚度均匀变化，得到铅膜厚度为60微米，铝膜厚度为30微米的复合膜堆3。

请参阅图4，用夹具8夹持复合膜堆3时，夹具8与复合膜堆3的接触面之间垫有熔点高，硬度大，不易与金属发生热扩散现象的材料，例如熔点高的半导体或者陶瓷材料；熔点高的半导体材料包括晶体硅、锗和碲，但不限于此；垫上材料后避免在加热过程中，金属膜与夹具8粘合在一起，冷却后无法将复合膜完整从夹具8取出；熔点高的半导体或者陶瓷材料不会与高温下的金属膜粘合在一起，利于加热后取出完整的复合膜堆3；本实施例中，夹具8的夹持厚度为设定的复合膜堆3值，如果需要的目标厚度为9mm，则夹具8的夹持厚度为9mm。

在本实施例中，复合膜堆3中轻金属和重金属的熔点最低值为a摄氏度，热复合时加热时，加热温度为b摄氏度，其中b不低于a-120度不高于a-80度；加热时长为2小时40分钟-3小时20分钟；例如铅的熔点约为327摄氏度，铝的熔点约为660摄氏度；则加热炉中的温度约为207-247摄氏度；这个温度下，由于金属的热塑性，铅会由固体状态变换成流体状并与铝膜表面的分子发生交换，使得铝膜和铅膜粘合在一起；其中最佳的加热温度为低于熔点较低金属的熔点100摄氏度，即为227度；整个加热时长为2小时40分钟-3小时20分钟效果最佳，如果加热时间过短则铝膜和铅膜无法完全粘合，冷却后铝膜和铅膜容易发生分离，无法制作成合格光栅7；如果加热时间过长则铝膜和铅膜之间的分子交换过于剧烈，铝膜和铅膜的厚度容易变薄，这就改变了光栅7的狭缝宽度和代表狭缝间距，依旧无法达到设定值，影响光栅7的成像效果；所以加热的时长和温度控制在整个工艺中尤为重要！

在本实施例中，热复合时，在真空或者惰性气体中加热复合膜堆3；并在真空或者惰性气体中冷却复合膜堆3；防止加热时金属被氧化；其中惰性气体包括氦气、氖气和氩气；冷却时，冷却至室温即可；待冷却至室温后，测量复合膜堆3的厚度，复合膜堆3的厚度不发生变化，仍为设定值时，即认定热复合后的复合膜堆3合格；继续对其进行下一步工艺。

请参阅图5和图6，切割复合膜堆3时，先切割复合膜堆3的边缘得到第一形状复合膜堆3，再按设定尺寸切割第一形状复合膜堆3，得到准光栅5；由于在制作复合膜的过程中，金属膜无法做到完全边与边对准，所以需要先对符合膜的边进行切除，只保留完全重合的中间部分，其中切除的位置为复合膜堆3的边缘大于1cm处；优选的切除后的复合膜堆3为长方体形；切除时采用激光切除或者线切割机、或者铣刀；优选的采用大功率激光切割，切割时精度可达到0.01mm。

在本实施例中，第一形状可以为多边形、矩形、三角形或者其他形状；优选的第一形状为矩形；请参阅图7，得到第一形状复合膜堆3后，沿着复合膜堆3的宽度方向切割第一形状得到多条准光栅5，以第一形状的厚度方向为准光栅5的宽度，第一形状的宽度方向为准光栅5的长度方向；切割间距为为准光栅5的厚度方向；切割后的得到的光栅7的长度一致；整个切割过程中，光栅7的厚度方向无需切割，且仅切割次数少，制作精度高。

在本实施例中，切割第一形状时，切割方向和角度可任意调整，切割后，并不限于垂直切割；

请参阅图8，在封装过程中，利用碳素纤维6材料膜夹持第一形状宽度方向的切割面，直至碳素纤维6黏合各层复合膜，完成封装，得到光栅7。

实施例1：

目标光栅7的狭缝宽度值为40微米，狭缝间距为60微米，光栅7周期为100。

选用铝膜和铅膜，铝膜厚度为40微米，铅膜厚度为60微米；铝膜和铅膜的长度为10cm，宽度为5cm；将铅膜和铝膜交错正交堆叠100层；得到厚度为1.1cm的复合膜堆3。

再将复合膜堆3放入加热炉中，加热炉的加热温度为227摄氏度；加热时间为3小时，加热炉为真空环境；加热后将复合膜放置在真空中冷却至室温，即25度左右；测量复合膜堆3的厚度，复合膜堆3的厚度仍为11000微米；用外力推动金属膜，金属膜牢固粘合在一起不发生分离或掉落，符合目标光栅7的要求。

进一步切割复合膜堆3的边缘，切割位置为距离边缘处1cm处，得到长度为8cm，宽度为3cm，厚度为1.1cm的长方体准光栅5；再利用大功率激光刀沿长方体宽度方向多次切割准光栅5，切割间距为5mm，得到多条准光栅5；准光栅5的长度为3cm，宽度为1.1cm，厚度为5mm。

最后利用碳素纤维6材料膜夹持第一形状宽度方向的切割面，直至碳素纤维6黏合各层复合膜，完成封装，得到目标光栅7。

实施例2：

目标光栅7的狭缝宽度值为40微米，狭缝间距为60微米，光栅7周期为100。

选用铝膜和铅膜，铝膜厚度为40微米，铅膜厚度为60微米；铝膜和铅膜的长度为10cm，宽度为5cm；将铅膜和铝膜交错正交堆叠100层；得到厚度为1.1cm的复合膜堆3。

再将复合膜堆3放入加热炉中，加热炉的加热温度为247摄氏度；加热时间3小时，加热炉为真空环境；加热后将复合膜放置在真空中冷却至室温，即25度左右；测量复合膜堆3的厚度，复合膜堆3的厚度为10900微米；不符合目标光栅7的要求；重新制作。

实施例3：

目标光栅7的狭缝宽度值为40微米，狭缝间距为60微米，光栅7周期为100。

选用铝膜和铅膜，铝膜厚度为40微米，铅膜厚度为60微米；铝膜和铅膜的长度为10cm，宽度为5cm；将铅膜和铝膜交错正交堆叠100层；得到厚度为1.1cm的复合膜堆3。

再将复合膜堆3放入加热炉中，加热炉的加热温度为207摄氏度；加热时间小3小时，加热炉为真空环境；加热后将复合膜放置在真空中冷却至室温，即25度左右；测量复合膜堆3的厚度，复合膜堆3的厚度为11000微米；用外力推动金属膜，金属膜牢固发生分离或掉落，不符合目标光栅7的要求。不符合目标光栅7的要求；重新制作。

本发明的优势在于：

1.将重金属膜以及轻金属膜制作与光栅制作分离，为每种工艺流程提供特定的环境。更有利于流水线大批量生产。

2.重金属膜以及轻金属膜能够预先设定好尺寸，更好地控制精度，使其在光栅制作中误差较小。

3.正交堆叠结构相比于常规的堆叠方式更加稳固，能够使其在其后的复合中误差更小，结构更稳固；整个光栅制作工艺流程切割次数少，使其制作精度更具优势。

4.运用热复合工艺，对保证了光栅的制作精度。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种热复合光栅制作工艺，其特征在于，包括

预制金属膜：选取一块对X射线具有强吸收的重金属膜和一块对X射线具有弱吸收轻金属膜，并调整重金属膜和轻金属膜至预设尺寸；其中，预制的金属膜的厚度为50-80微米；

制作复合膜：重金属膜和轻金属膜交替堆叠形成复合膜堆；

热复合：用夹具夹持复合膜堆后放置于加热炉中，加热至重金属膜和轻金属膜相互粘合，再将复合膜堆于真空环境中冷却后取出；

切割：按设定尺寸切割后的复合膜堆，得到准光栅；

封装：使用X射线弱吸收材料封装准光栅得到光栅；

复合膜堆中轻金属和重金属的熔点最低值为C1摄氏度，热复合时加热时，加热温度为C2摄氏度，其中其中C2大于C1-120度，小于C1-80度；加热时长为2小时40分钟至3小时20分钟。

2.根据权利要求1所述的热复合光栅制作工艺，其特征在于，调整重金属膜和轻金属膜至预设尺寸时，重金属膜和轻金属膜的尺寸包括厚度尺寸和平面尺寸，将每块重金属膜和轻松金属膜厚度分别压至设定值，且重金属膜和轻金属膜的平面尺寸完全相同。

3.根据权利要求1所述的热复合光栅制作工艺，其特征在于，制作复合膜时，重金属膜和轻金属膜正交堆叠在一起，单块重金属与单块轻金属的厚度之和为光栅单个周期的长度。

4.根据权利要求3所述的热复合光栅制作工艺，其特征在于，制作复合膜后，将复合膜堆的厚度压至设定值，压缩复合膜堆时，各层金属膜的厚度均匀变化。

5.根据权利要求1所述的热复合光栅制作工艺，其特征在于，用夹具夹持复合膜堆时，夹具与复合膜堆的接触面之间垫有熔点高的半导体或者陶瓷材料。

6.根据权利要求1所述的这种热复合光栅制作工艺，其特征在于，热复合时，在真空中加热复合膜堆；并在真空中冷却复合膜堆。

7.根据权利要求1所述的热复合光栅制作工艺，其特征在于，用夹具夹持复合膜堆时，夹具对复合膜堆的压力为50-80N，限制复合膜堆在加热过程中厚度发生变化。

8.根据权利要求1所述的热复合光栅制作工艺，其特征在于，切割复合膜堆时，先切割复合膜堆的边缘得到第一形状的复合膜堆，再按设定尺寸切割第一形状的复合膜堆，得到准光栅。

9.根据权利要求1所述的热复合光栅制作工艺，其特征在于，在封装过程中，利用碳素纤维材料板夹持准光栅的切割面，直至碳素纤维黏合各复合膜，完成封装。

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