CN114700860A - 一种玻璃薄片堆叠制作多通道精密像切分器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道精密像切分器的制作方法，包括：利用高精度正交直角棱镜组进行薄玻璃片堆叠，研磨抛光堆叠块边缘，侧边开球面，拆卸后反向二次堆叠并精密切割尺寸。以高精度正交直角棱镜组为靠体，将边角精密抛光过的不同长度玻璃薄片进行堆叠，使用光学瞬干胶粘接形成堆叠块；利用辅助块与堆叠块上下表面粘接后精密抛光侧壁；在堆叠块侧边制作球面；将薄玻璃片堆叠块按顺序拆下，并进行相反方向二次堆叠；激光精密切割成型。本发明是以高精度正交直角棱镜组为靠体，采用不同胶水胶合的方式两次堆叠制作，实现了像切分器各通道位置的精确定位。与现有技术相比，提高了加工效率、制作精度和尺寸范围，实现了多通道像切分器的高精度制作。

Description

一种玻璃薄片堆叠制作多通道精密像切分器的方法

技术领域

本发明涉及光学器件制造及超精密加工技术领域，尤其是涉及一种玻璃薄片堆叠制作多通道精密像切分器的方法。

背景技术

随着光谱仪逐渐的小型化，光谱仪逐渐在无人机、太空望远镜领域里获得广泛应用。积分场光谱能够为扩展的二维场的每个空间样本同时提供光谱。一般积分场光谱仪位于望远镜的焦平面上，由像切分器和摄谱仪组成。像切分器作为望远镜和摄谱仪之间的耦合器，通过在摄谱仪的入射焦平面上将一个矩形场重新排列成准连续的伪狭缝，对光线进行光谱分解，覆盖从蓝色到中红外波长的光谱域，并且减少了观测时间。而像切分器的小型化成为其中一个不可或缺的环节。目前，像切分器受到用经典的玻璃抛光技术制造时成本/风险或由金属部件构成时性能的限制。

经典的切片是单独抛光的，S.Vives等在《New technological developments inIntegral Field Spectroscopy》(Advanced Optical&Mechanical Technologies inTelescopes&Instrumentation.Advanced Optical and Mechanical Technologies inTelescopes and Instrumentation,2008.)中提出了一种通过不增加辅助切片直接利用光胶合堆叠不同位置的切片并进行抛光，但这种方法困难在于边缘较难处理，在抛光过程中，材料可能在边缘处产生挤压并破裂。当像切分切片更薄时，采用光胶合粘接会在抛光过程中不可避免造成边缘处产生挤压并破裂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种玻璃薄片堆叠制作多通道精密像切分器的方法，提高了加工效率、制作精度，拓展了制作像切分器的尺寸范围，特别是适用于多通道、小型化、高精度像切分器的制作。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多通道精密像切分器的制作方法，包括以下步骤：

S1、通过靠体将若干块长度不等的矩形有效薄玻璃片以及若干块长度相同的矩形辅助玻璃片对齐堆叠，相邻玻璃薄片之间通过第一粘接剂粘接；

所述的有效薄玻璃片和辅助玻璃片的宽度相同，所述的有效薄玻璃片的长度小于辅助玻璃片的长度；

设沿玻璃薄片长度方向的正、反向分别为a向和c向，宽度方向的正、反向分别为b向和d向，对齐边缘为玻璃薄片的a向边缘和d向边缘，所述的有效薄玻璃片夹在若干块辅助玻璃片之间，所述的有效薄玻璃片以及与其相邻的两块辅助玻璃片之间构成空隙，向空隙中插入与该空隙匹配的补偿玻璃薄片，构成堆叠块；

S2、对堆叠块的a向、b向、c向和d向侧面进行抛光；

S3、对堆叠块的b向侧面进行开球研磨抛光，并用干涉仪检测面形，获得球面离轴量不同的若干块有效薄玻璃片；

S4、从堆叠块上按顺序拆下所有有效薄玻璃片，并通过靠体将所有有效薄玻璃片对齐堆叠，对齐边缘为有效薄玻璃片的c向边缘和d向边缘，相邻有效薄玻璃片之间通过第二粘接剂粘接；

S5、以所有有效薄玻璃片c向边缘对齐形成的新表面为定位面，通过激光切割将所有有效薄玻璃片a向一端的多余部分切除，构成像切分器，对像切分器的d向侧面进行抛光，完成制作。

进一步地，所述的第一粘接剂为光学速干胶。

进一步地，通过热风枪加热堆叠块后，再从堆叠块上按拆下有效薄玻璃片。

进一步地，所述的第二粘接剂粘接为环氧树脂胶。

进一步地，采用环氧树脂胶粘接有效薄玻璃片后静置一段时间。

进一步地，所述的堆叠块中每层胶层的厚度小于10μm。

进一步地，所述的像切分器中每层胶层的厚度小于10μm。

进一步地，所述的球面精度RMS小于40nm。

进一步地，所述的靠体包括基底、第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述的第一直角棱镜和第二直角棱镜相互垂直固定在基底上。

进一步地，所述的基底的面形精度Pv小于0.5μm。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明以高精度正交直角棱镜组为靠体，采用不同胶水胶合的方式两次堆叠制作，实现了像切分器各通道位置的精确定位。

(2)本发明通过错位粘接辅助长玻璃薄片和有效短玻璃薄片，一次抛光即可做出所有像切分器切片，避免了多次抛光引起的不同像切分器切片焦点在不同方向上的错位，提高了加工效率；

(3)本发明错位粘接辅助长玻璃薄片和有效短玻璃薄片后在空隙位置放置与其匹配的补偿玻璃薄片，减少了空隙位置因空缺导致的内部应力引起的碎裂，以及因抛光过程中导致边缘因挤压造成的缺口，从而可以使像切分器切片更薄，提高了加工精度，而且使得像切分器整体更加小型化；

(4)本发明通过错位粘接统一制作方法，可以通过对侧边制作非球面以减小像差，或更换像切分器切片材料从而获得更多波长适用范围，提高了像切分器制作范围。

附图说明

图1为像切分器制作流程图；

图2为基于装配工装对玻璃薄片一次堆叠示意图；

图3为堆叠完成堆叠块整体示意图；

图4为上盘工装与堆叠块粘接示意图；

图5为上盘开球面左右二等角轴侧示意图；

图6为六层玻璃薄片二次堆叠示意图；

图7为像切分器制作完成成品示意图；

图中标号说明：

1.基底，2.第一直角棱镜，3.堆叠块，4.第二直角棱镜，5.有效薄玻璃片，6.辅助玻璃片，7.空隙，8.上盘工装。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种多通道精密像切分器的制作方法，设沿矩形玻璃薄片长度方向的正反向为a向和c向，宽度方向的正反向为b向和d向，玻璃薄片采用宽15mm，高0.25mm的微晶玻璃制成，玻璃薄片包括33片包括尺寸均为41.5mm×15mm×0.25mm辅助玻璃片6和6片尺寸分别为16mm×15mm×0.25mm、14mm×15mm×0.25mm、12mm×15mm×0.25mm、39mm×15mm×0.25mm、37mm×15mm×0.25mm和35mm×15mm×0.25mm有效薄玻璃片5；

玻璃薄片长度误差为5μm，玻璃薄片的a向、b向、c向和d向侧面的面形精度小于Pv0.5μm，且a向侧面和d向侧面所夹直角以及c向侧面和d向侧面所夹直角精度为10秒，且破边小于5μm，玻璃薄片的上下表面面形小于Pv 0.5μm；

如图1，制作方法包括以下五个步骤：

S1：薄玻璃片一次堆叠。如图2，对所有有效薄玻璃片的边缘进行抛光，抛光后面形精度Pv小于0.5μm，通过靠体将若干片玻璃薄片对齐堆叠，相邻有效玻璃薄片之间通过光学速干胶粘接，构成堆叠块3，对齐边缘为玻璃薄片的a向边缘和d向边缘，有效薄玻璃片5以及与其相邻的两块辅助玻璃片6之间构成空隙7，向空隙7中插入与有效薄玻璃片5的厚度和宽度相同且抛光过的补偿玻璃薄片；

堆叠块3的堆叠顺序为：13片41.5mm×15mm×0.25mm，1片16mm×15mm×0.25mm，1片14mm×15mm×0.25mm，1片12mm×15mm×0.25mm，7片41.5mm×15mm×0.25mm，1片39mm×15mm×0.25mm，1片37mm×15mm×0.25mm，1片35mm×15mm×0.25mm，13片41.5mm×15mm×0.25mm；

光学速干胶层的厚度小于10μm；

S2：堆叠块边缘抛光。将堆叠块3从靠体上取下，对堆叠块3的上下表面抛光后使用光学速干胶分别与两块上盘工装8粘接，对堆叠块3的a向、b向、c向和d向侧面进行抛光，抛光后面形精度RMS小于40nm；

S3：堆叠块侧壁球面制作。对堆叠块3的b向侧面进行开球研磨抛光，面形精度小于RMS 40nm，并用干涉仪检测面形，获得球面离轴量不同的若干块有效薄玻璃片5，干涉仪的测量精度RMS为1.2nm；

S4：反向二次堆叠制作。利用热风枪对堆叠块3加热，将上盘工装8和长宽高为41.5mm×15mm×0.25mm的辅助玻璃片6拆下，按顺序将剩余6片有效薄玻璃片5拆下，所有有效薄玻璃片5上面朝上擦净放置备用，通过靠体将所有有效薄玻璃片5对齐堆叠，对齐边缘为有效薄玻璃片5的c向边缘和d向边缘，并采用环氧树脂胶，静置八小时，直至环氧树脂胶初步粘接，粘接后c向侧面面形与d向侧面的面形精度PV值小于0.5μm，环氧树脂胶层厚度小于10μm；

六片有效薄玻璃片5的粘接顺序以及朝向需与堆叠块3保持一致，且球面放置方向一致。

S5：激光精密切割成型。如图6，以所有有效薄玻璃片5c向边缘对齐形成的新表面为定位面，通过激光切割将所有有效薄玻璃片5a向一端的多余部分沿切割线(line1)切除，所得像切分器如图7所示，抛光后切割面面形精度RMS小于40nm，六层堆叠片长度为9.5μm，误差小于10μm，对像切分器的d向侧面进行抛光，抛光后面形精度RMS小于40nm，完成制作。

靠体包括基底1、第一直角棱镜2和第二直角棱镜4，第一直角棱镜2和第二直角棱镜4相互垂直固定在基底1上，基底1口径为200毫米，采用铝合金6061材质，第一直角棱镜2和第二直角棱镜4的长宽高为20mm×20mm×20mm，采用K9材料，棱镜角精度为30秒，基底1由超精密车削加工而成，面形精度Pv小于0.5μm。

本实施例提出了一种多通道精密像切分器的制作方法，包括利用高精度直角棱镜进行薄玻璃片堆叠、堆叠片边缘磨削和堆叠片侧边开球面，可适用于多种小型微型的像切分器制作，可以制作像元切割通道数达几十个、通道层厚小于1mm、占空比大于95％的像切分器，降低了制作难度，提高了制作效率与精度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过靠体将若干块长度不等的矩形有效薄玻璃片(5)以及若干块长度相同的矩形辅助玻璃片(6)对齐堆叠，相邻玻璃薄片之间通过第一粘接剂粘接；

所述的有效薄玻璃片(5)和辅助玻璃片(6)的宽度相同，所述的有效薄玻璃片(5)的长度小于辅助玻璃片(6)的长度；

设沿玻璃薄片长度方向的正、反向分别为a向和c向，宽度方向的正、反向分别为b向和d向，对齐边缘为玻璃薄片的a向边缘和d向边缘，所述的有效薄玻璃片(5)夹在若干块辅助玻璃片(6)之间，所述的有效薄玻璃片(5)以及与其相邻的两块辅助玻璃片(6)之间构成空隙(7)，向空隙(7)中插入与该空隙(7)匹配的补偿玻璃薄片，构成堆叠块(3)；

S2、对堆叠块(3)的a向、b向、c向和d向侧面进行抛光；

S3、对堆叠块(3)的b向侧面进行开球研磨抛光，并用干涉仪检测面形，获得球面离轴量不同的若干块有效薄玻璃片(5)；

S4、从堆叠块(3)上按顺序拆下所有有效薄玻璃片(5)，并通过靠体将所有有效薄玻璃片(5)对齐堆叠，对齐边缘为有效薄玻璃片(5)的c向边缘和d向边缘，相邻有效薄玻璃片(5)之间通过第二粘接剂粘接；

S5、以所有有效薄玻璃片(5)c向边缘对齐形成的新表面为定位面，通过激光切割将所有有效薄玻璃片(5)a向一端的多余部分切除，构成像切分器，对像切分器的d向侧面进行抛光，完成制作。

2.根据权利要求1所述的一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，所述的第一粘接剂为光学速干胶。

3.根据权利要求1所述的一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，通过热风枪加热堆叠块(3)后，再从堆叠块(3)上按拆下有效薄玻璃片(5)。

4.根据权利要求1所述的一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，所述的第二粘接剂粘接为环氧树脂胶。

5.根据权利要求4所述的一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，采用环氧树脂胶粘接有效薄玻璃片(5)后静置一段时间。

6.根据权利要求1所述的一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，所述的堆叠块(3)中每层胶层的厚度小于10μm。

7.根据权利要求1所述的一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，所述的像切分器中每层胶层的厚度小于10μm。

8.根据权利要求1所述的一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，所述的球面精度RMS小于40nm。

9.根据权利要求1所述的一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，所述的靠体包括基底(1)、第一直角棱镜(2)和第二直角棱镜(4)，所述的第一直角棱镜(2)和第二直角棱镜(4)相互垂直固定在基底(1)上。

10.根据权利要求9所述的一种多通道精密像切分器的制作方法，其特征在于，所述的基底(1)的面形精度Pv小于0.5μm。

Images