CN1151511C - 曲面光学元件及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学曲面元件及其制作方法，其中，一个光学层粘结到一个厚的环氧树脂层上，环氧树脂层的作用是使光学层的形状与所需形状相一致。环氧树脂层在压力的作用下，经历高粘性的塑变，并且，使光学层的形状与模具曲面的形状相一致。作用在环氧树脂上的压力，可通过给底板施加压力来获得。在环氧树脂的塑变压力的作用下，只要光学层的光学平滑表面与模具的曲面之间良好地接触，即能够消除光学层的光学表面的不平整性，而且也能够在环氧树脂固化和去离模具时，保持光学层的形状。除了环氧树脂材料之外，也能够采用其他材料(例如热塑材料)来粘结和保持光学层。

Description

曲面光学元件及制作方法
有关的申请信息
本申请要求申请日为1999年1月21日、申请号为No.60/116,557的美国临时专利申请的权益。这个临时申请在此整个被引用为参考文件。
技术领域
本发明涉及曲面光学元件的新的制作方法，特别是涉及用于软性和硬性X射线、紫外线、可见光线及红外线辐射的极高精度曲面光学元件的新的制作方法，以及利用这些制作方法所获得的曲面光学元件。
背景技术
曲面被应用于许多用途，其中包括(但并不局限于)供X射线设备、环形激光陀螺的反射镜及单层或多层薄胶片的基片所使用的双曲面晶体。
大家知道，双曲面晶体是一种有效的单色X射线调焦元件或是X射线光谱仪中一种有效的波长扩散(dispersive)元件。举例来说，复曲面晶体能够提供单色X射线的点对点聚焦，椭圆形曲面晶体能够用作宽能X射线探测设备。美国专利文献No.4,780,899和No.4,949,367描述了一些现有技术。利用这些技术制作的光学元件，其晶体通过一层非常薄的粘结剂而粘结在平滑的凹形基底上，其缺点是晶体表面的光洁度受粘结层的不均匀性的影响很大。基底上的粘结层的起始均匀性不够会造成粘结层的不均匀性，或者即使起始的粘结层高度均匀，也可能在安装晶体时出现粘结层的不均匀性。另一个缺点是，对每个曲面，都需要仔细制备的基底。
因此，本发明的目的是提供价格便宜而品质高的光学表面及这种光学表面的制作方法。
发明内容
概括地讲，就本发明的第一个方面而言，是提供一种光学曲面元件，该光学曲面元件包括：一个底板，它有一个支承面；以及一个粘结层，设置在底板支承面的上面。另外，还包括一个光学层，设置在粘结层的上面，并且有一个具有所需曲率的光学表面，其中，所述粘结层的最小厚度大于所述光学层的厚度。
就本发明的第二个方面而言，是提供一种光学曲面元件，光学曲面元件包括：一个光学层和一个粘结层。光学层有一个具有所需曲率的光学表面。粘结层设置在光学层的主面上，而不是设置在光学表面上，其中，所述粘结层的最小厚度大于所述光学层的厚度。
就本发明的第三个方面而言，是提供一种利用曲面模具来制作光学曲面元件的方法。这种制作方法包括下述步骤：制备一个具有一个光学表面的光学层；制备一个具有一个支承面的底板，并将光学层放置在底板支承面和模具曲面之间；将粘结剂置于光学层和底板之间；以及至少给底板和模具中的一个施加压力，以挤压粘结剂，使光学层的形状与模具曲面相一致，由此，获得光学曲面元件，其中该粘结层(12)的最小厚度大于该光学层的厚度。
就本发明的第四个方面而言，是公开一种光学曲面元件的制作方法，其步骤包括：制备一个具有一个支承面的底板；制备一个粘结层，将粘结层置于底板支承面的上面；以及制备一个置于粘结层的上面的光学层，光学层有一个光学表面，而后，使光学层与所需的曲率相一致，其中，粘结层(12)的最小厚度大于光学层(10)的厚度。
就本发明的一个具体实施例而言，光学曲面元件的制作方法是：制备一个光学平滑光学层，把这个光学层固定在一个具有所需双曲面形状的模具表面上，制备粘结剂(其中，把光学层的光学表面固定在模具表面上的方法，可防止粘合剂接触到模具表面)，在粘合剂上面制备一个底板，而后，至少给底板和模具中的一个施加压力，以挤压粘结剂，使光学层的表面永久性地与模具表面相一致，此后，取下模具，由此，获得光学曲面元件。
需要重申的是，在此提供的是一种新的曲面光学元件及其制作方法，它可以利用可重复使用的模具来制作成形。其优点是，光学层的光学表面并不需要精确地与底板支承面相一致。另外，底板还能够从光学元件其余部分的上面取下。因此，根据本发明的主要原理，即因为使用的是可以重复使用的模具，还有因为底板的曲率及表面光洁度要求并不是严格的，从而能够制作出价格便宜的光学曲面。利用较厚的环氧树脂层，来使光学层的形状与模具曲面相一致。较厚意味着粘结层的厚度大于具有光学曲面的光学层的厚度。
根据本发明，平滑的光学表面能够被弯曲到任何一种所需的几何形状，其中包括：具有凸面和凹面形式的复曲面、抛物面、球面和椭球面。光学表面可以是单曲面或双曲面。当光学层是带有衍射平面的晶体时，衍射平面可以平行于光学层的光学表面，或者倾斜于光学层的光学表面。
附图说明
本发明的上述目的、优点、特点及其他，通过结合附图来阅读下面的最佳实施例，则更易于理解，附图中：
图1表示本发明的一种简单形式：光学曲面元件由具有光学平滑表面的光学层、厚的环氧树脂层及平面底板所组成；
图2为垂直剖面图，表示图1所示的光学曲面元件；
图3表示一个类似的光学元件，它由具有光学平滑表面的光学层、厚的环氧树脂层和凹形底板所组成；
图4a为垂直剖面图，表示制作元件时的起始布置；
图4b为垂直剖面图，表示在制作过程中光学层局部贴合的相对位置；
图4c为垂直剖面图，表示制作的最终阶段，光学层光学平滑表面的形状与模具的精确形状相一致；
图5a表示衍射原子平面平行于晶体表面的平面晶片；
图5b表示衍射平面倾斜于晶体表面的平面晶片；
图6a为垂直剖面图，表示采用图5a所示晶片类型的晶体元件；
图6b为垂直剖面图，表示采用图5b所示晶片类型的晶体元件；
图7表示具有点对点聚焦特性的复曲面形晶体元件。
具体的实施方式
图1所示的曲面光学元件由光学层10、厚的环氧树脂层12和底板14组成。图2所示的垂直剖面图表示这种元件的结构。在这种元件中，环氧树脂层12使光学层10保持住所选定曲率的几何形状。环氧树脂层的厚度最好大于或等于20um，光学层的厚度最好大于或等于5um。另外，环氧树脂层的厚度通常大于光学层的厚度。而且其中最好地，0.1mm≤粘结层的最小厚度≤1mm，10um≤光学层的厚度≤50um。光学层可以采用包括云母、硅、锗、石英、塑料及玻璃在内的多种材料中的一种材料。环氧树脂层12可以是一种粘性为103到104泊、适用期为30到60分钟的胶型环氧树脂。底板14可以是一种能够与环氧树脂料很好地粘合的固体材料。底板的表面18可以是平面(见图2)或者是曲面(见图3)，而且其形状及表面光洁度并不要求和光学层的形状及表面光洁度丝毫不差。这与需要底板表面精确地具有元件所需形状的标准制作方法相比，形成了对照。标准制作方法的另一个缺点是，每个元件都需要专门制备的底板。就这里所描述的本发明而言，并不需要专门制备的底板。
光学层的四周可以是保护材料薄层16，例如塑料薄层，它围绕着光学层边缘来使用(见图2)，保护材料16包括柔韧材料，柔韧材料包括带。保护材料用来保护模具，以使模具可以重复使用。对于尺寸正好等于或小于光学层的模具或对于非重复性使用的模具来说，保护材料并不是必需的。
图4a、4b和4c示意性地说明了曲面光学元件的制作方法。在这种方法中，制备好光学平滑的光学层10，它可以是一个带有平滑光学表面的薄片或是一个带有衍射平面的晶片，衍射平面平行于晶片表面(见图5a)或倾斜于晶片表面(见图5b)。然后，可以如图4a所示，在光学层的边缘附上薄层塑料保护材料16(例如，带)，而后，将附有保护材料16的光学层定位放置在凸面模具20的上面，凸面模具20的光学平滑表面22具有所需曲率的几何形状。制备好环氧树脂12，将其放置在光学层和底板之间，具体地，将环氧树脂涂敷到光学层10上，或将环氧树脂涂敷到底板14的支承面18上。薄层塑料保护材料16能够防止环氧树脂12和模具表面22发生接触和粘接，以使模具可以重复使用。将固体底板14放置在环氧树脂的上面，给底板或模具施加压力，这里主要以给底板施加压力为例，挤压环氧树脂，使光学层光学平滑表面的形状与模具表面22的形状相一致。由于环氧树脂的粘度在聚合阶段逐步提高，因此，最佳的方法是逐渐提高所施加的压力。在制作过程中，环氧树脂是处于室温之下，机械压力的施加时间约为一小时。环氧树脂的固化时间约为24小时，而且环氧树脂中含有低收缩率材料，收缩率约为0.001″/英寸。最后，从光学层10的光学表面24上取下模具20，而且在粘结剂固化之后，使底板14脱离与粘结剂的接触，其后，再利用取下的底板14来制作下一个独立光学曲面元件。
厚的环氧树脂层在压力的作用下，经历高粘性塑变，使凸面模具上的光学层弯曲到所需的几何形状。环氧树脂层被放置在光学层和底板之间。作用在环氧树脂上的压力能够通过底板挤压环氧树脂来获得。在环氧树脂的塑变压力下，只要光学层与凸面模具很好地接触，从而使光学层10的光学表面24与所需的曲率相一致，即能够消除光学层上的不平整性，而且当环氧树脂固化时，能够保持住光学层的形状，而且其中，粘结层12的最小厚度大于光学层10的厚度。最佳实施例中的环氧树脂具有收缩率低、粘性高及固化后形稳性高的特点。另外，也能够使用可满足这些要求的非环氧树脂材料，来粘结光学层和保持光学层的形状。当粘结层12使光学层10的光学表面24的曲率与所需曲率相一致之后，使底板14与粘结层12脱离接触。
最佳实施例中的模具是由玻璃或其他透光材料制成的，从而，能够从底面26看到光学层24的光学平滑表面与模具凸面22之间的接触。光学层光学表面相对于模具凸面22的不平整性，在穿过面26的光线的照射下，能够通过光学干涉条纹而显露出来。当环氧树脂材料固化时，从模具中取出带有环氧树脂和底板的光学层，从而也就获得了最终的产品。模具可以通过研磨来获得高品质的模具表面。光学层的形状由模具表面决定。光学层的曲率永久性地与模具的曲率相一致。模具可以重复使用，用来制作更多的光学曲面元件。
在制作过程中，底板被仔细地对准模具，以便于光学对准。底板的边缘或底板上的其他定位点，被用来找出曲面光学元件的光心和/或光学定向。
图6a和图6b表示两种类型晶片的曲面光学元件的最终结构，这两种类型晶片分别与图5a和图5b所示的晶片相对应。如果用于制作元件的晶片是图5a和图5b所示的晶片类型，而且模具在罗兰圆(Roland circle)的平面内的曲率为2R(R为罗兰圆的半径)，则晶片元件在罗兰圆的平面内具有约翰几何形状(Johann geometry)。晶体的衍射平面可以平行于晶体表面(图6a)或者倾斜于晶体表面(图6b)。衍射表面倾斜于晶体表面的光学元件具有如下特性：在罗兰圆的平面内相对于晶体，源和像是不对称的。
在这种制作方法中，光学层的最终曲率取决于模具曲面22的曲率，并不直接取决于底板。因此，底板的曲率及表面光洁度对于光学层的曲率及光洁度并不是决定性的。模具曲面22可以是凸面、凹面、复曲面、球面、椭球面或其他光学表面，从而，光学层也可以被弯曲为这些几何形状中的任何一种形状。
本发明使用晶体光学层的一项重要应用，是将小型X射线源的特定波长的X射线聚焦。图7示意性地说明了具有点对点聚焦特性的这种类型的元件。这种元件中的晶体为复曲面形，在罗兰圆28的平面内满足约翰几何形状的条件，并且围绕源S和像I之间的连线具有轴向对称性。
根据本发明的X射线晶体元件，由于消除了现有技术中所存在的粘结薄层的不均匀缺陷，从而可提供高度均匀的双曲面晶体，并且在应用于X射线光学设备时，可提高设备的性能。
虽然在此以具体的最佳实施例形式对本发明进行了详细描述，但是，本技术领域的普通技术人员可以进行多种改进及变化。因此，用附属的权利要求来覆盖本发明的实际精神及范围之内的所有改进及变化。
虽然在此以确定的最佳实施例的形式对本发明进行了详细描述，但是，本技术领域的普通技术人员可以进行多种改进及变化。因此，通过附加的权利要求，来覆盖属于发明范围之内的所有改进及变化。

Claims (30)

1.一种光学曲面元件，包括：
一个光学层(10)，包括一个光学表面(24)，光学层(10)的光学表面(24)具有所需的曲率，；
一个粘结层(12)，设置在光学层(10)上除光学表面(24)之外的主表面上，其中，该粘结层的最小厚度大于所述的光学层的厚度。
2.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，具有光学表面(24)的光学层(10)是由云母、硅、锗、石英、玻璃、塑料中的一种材料或一种晶体材料所制成。
3.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，光学层(10)的光学表面(24)包括光学平滑表面。
4.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，光学表面(24)包括至少具有凸面和凹面形式的复曲面、抛物面、球面或椭球面中的一种。
5.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，光学表面(24)包括单曲面或双曲面。
6.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，光学层(10)包括带有衍射平面的晶片，该衍射平面平行于晶片表面或者倾斜于晶片表面。
7.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，光学层包括一种聚焦X射线的材料。
8.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，光学层(10)的厚度是均匀。
9.根据权利要求1所述的曲面光学元件，还包括：一个底板(14)，底板(14)上有一个支承面(18)，所述粘结层(12)位于所述底板(14)的支承面(18)的上面。
10.根据权利要求9所述的曲面光学元件，其中，底板(14)的支承面(18)具有曲率，支承面(18)的曲率不同于光学层(10)的光学表面(24)的曲率。
11.根据权利要求9的光学曲面元件，其中，光学层(10)的光学表面(24)比底板(14)的支承面(18)更光滑。
12.根据权利要求9的光学曲面元件，其中，底板(14)的支承面(18)包括一个平面。
13.根据权利要求9所述的曲面光学元件，其中，粘结剂包括环氧树脂材料，而且，曲面光学元件还包括一个围绕着光学层(10)边缘的保护材料(16)，以便将粘结剂放置在四周围绕着保护材料(16)的光学层(10)和底板(14)的支承面(18)之间。
14.根据权利要求9所述的曲面光学元件，其中，底板(14)具有柱面形状。
15.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，粘结层(12)的最小厚度大于或等于20um。
16.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，光学层(10)的厚度大于或等于5um。
17.根据权利要求1所述的曲面光学元件，其中，光学层(10)包括晶体，粘结层(12)为环氧树脂；而且其中，0.1mm≤粘结层的最小厚度≤1mm，而且，10um≤光学层的厚度≤50um。
18.一种利用具有所需曲率的模具来制作光学曲面元件的方法，包括下列步骤：
制备一个具有光学表面(24)的光学层(10)；
制备一个具有支承面(18)的底板(14)，将光学层(10)置于底板(14)的支承面(18)和模具(20)的曲面(22)之间；
将粘结剂涂敷在光学层(10)和底板(14)之间；
至少给底板(14)和模具(20)中的一个施加压力，以挤压粘结剂，使光学层(10)的形状与模具(20)的曲面(22)相一致，由此，获得光学曲面元件，其中该粘结层(12)的最小厚度大于该光学层的厚度。
19.根据权利要求18所述的制作方法，其中，光学层(10)的光学表面(24)包括平面或早先加压形成的曲面。
20.根据权利要求18所述的制作方法，其中，粘结剂包括环氧树脂，而且该制作方法进一步包括在压力下使环氧树脂固化的步骤。
21.根据权利要求20所述的制作方法，其中，随着固化过程中环氧树脂粘度的提高，增大所施加的压力。
22.根据权利要求18所述的制作方法，其中，带有曲面(22)的模具(20)是利用透光材料所制成的，以致于能够透过模具看到光学层(10)的光学表面(24)的压制。
23.根据权利要求18所述的制作方法，进一步包括下列步骤：使模具(20)脱离与光学层(10)的光学表面(24)的接触，其后，再利用取下的模具(20)来制作另一个光学曲面元件。
24.根据权利要求18所述的制作方法，进一步包括下列步骤：制备带有曲面(22)的模具(20)，曲面(22)被研磨、钻石切割成所需的形状。
25.根据权利要求18所述的制作方法，其中，光学层(10)的表面积小于模具(20)的曲面(22)的表面积，而且该制作方法还包括下列步骤：在将粘结层置于光学层(10)和底板(14)之间之前，至少在光学层(10)的一个边附近制备保护材料(16)，其中，保护材料(16)的大小和形状这样确定，以致于能防止粘接层接触模具(20)的曲面(22)。
26.根据权利要求25所述的制作方法，其中，保护材料(16)包括柔韧材料，柔韧材料包括带。
27.根据权利要求18所述的制作方法，其中，涂敷粘结剂的步骤包括以下两个步骤中的至少一个步骤：即，将粘结剂涂敷到光学层(10)上，或将粘结剂涂敷到底板(14)的支承面(18)上。
28.根据权利要求18所述的制作方法，进一步包括下列步骤：从光学层(10)的光学表面(24)上取下模具(20)，而且在粘结剂固化之后，使底板(14)脱离与粘结剂的接触，其后，再利用取下的底板(14)来制作下一个独立光学曲面元件。
29.一种用来制作曲面光学元件的方法，所述的曲面光学元件能够扩散辐射所需波长，该方法包括下列步骤：
制备一个底板(14)，底板(14)有一个支承面(18)；
制备一个粘结层(12)，将粘结层(12)设置在底板(14)的支承面(18)的上面；以及
在粘结层(12)的上面制备一个光学层(10)，光学层(10)有一个光学表面(24)；使光学层(10)的光学表面(24)与所需的曲率相一致，其中，粘结层(12)的最小厚度大于光学层(10)的厚度。
30.根据权利要求29所述的制作方法，进一步包括下列步骤：当粘结层(12)使光学层(10)的光学表面(24)的曲率与所需曲率相一致之后，使底板(14)与粘结层(12)脱离接触。
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