一种微空气隙光学元件及其制造方法与流程

本发明涉及光学仪器技术领域，具体涉及一种微空气隙光学元件及其制造方法。

背景技术：

在现代光学仪器中，其中一种光学元件是利用光学全反射原理来实现入射光线的全部反射。具体地，使光线由玻璃侧入射到空气，大于一定角度(布儒斯特角)后，入射光线就会全部反射出去，由此实现对光线的偏折和反射。

上述光学元件通常包括两块棱镜，两块棱镜之间通过胶层胶合连接，且胶层只分布在两块棱镜配合面之间的少部分区域(三点以上的区域)，其余大部分区域形成一个空气隙。

胶层一般使用光学胶或光敏胶形成，空气隙的间隙大小控制由点胶量大小和施加的压力来决定，或者是在胶中掺入一定直径的玻璃微棒，用玻璃微棒的直径来控制形成空气隙的间隙大小。

前者对胶层厚度的控制误差较大，不能实现空气隙间隙大小的精确控制；后者只能形成有限的几个间隙规格，而且玻璃微棒的成本高，直径的品种有限，因此限制了使用范围。特别是对任意极薄间隙的光学元件制造，上述两种方法都不是合适的选择。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微空气隙光学元件及其制造方法。

为实现上述发明目的之一，本发明采用如下技术方案：

一种微空气隙光学元件，包括两块相对设置的棱镜，两块所述棱镜的相对表面上均通过真空镀膜工艺镀有至少三处金属膜，两块棱镜上的所述金属膜厚度相同且位置、数量一一对应设置；

两块所述棱镜上的对应金属膜通过真空加热封接工艺连为一体，以固定两块棱镜的相对位置。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述金属膜包括在远离所述棱镜的方向上依次层叠设置的金属铬层、金属镍层、金属铟层。

作为本发明更进一步改进的技术方案，所述金属铬层的厚度为10-30纳米，所述金属镍层的厚度为1-4微米，所述金属铟层的厚度为1-4微米。

作为本发明进一步改进的技术方案，两块所述棱镜的相对表面均为矩形面，每块棱镜上的金属膜为四处且分布于棱镜相对表面的边角处。

为实现上述另一发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种微空气隙光学元件的制造方法，依次包括以下步骤：

s1、取两块棱镜，采用真空镀膜工艺在所述棱镜上分别镀上至少三处金属膜，两块棱镜上的金属膜厚度相同且位置、数量一一对应设置；

s2、将镀好金属膜的棱镜相对设置，以使两块棱镜上的金属膜对应贴合接触，并采用封接夹具固定两块棱镜的相对位置；

s3、采用真空加热封接工艺将两块棱镜上的对应金属膜连为一体，即得光学元件。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤s1中所述金属膜包括按先后顺序依次层叠镀上的金属铬层、金属镍层、金属铟层。

作为本发明更进一步改进的技术方案，所述金属铬层的厚度为10-30纳米，所述金属镍层的厚度为1-4微米，所述金属铟层的厚度为1-4微米。

作为本发明进一步改进的技术方案，两块所述棱镜的相对表面均为矩形面，每块棱镜上的金属膜为四处且分布于棱镜相对表面的边角处。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤s1中采用石英晶体震荡膜层厚度控制仪控制所述金属膜的厚度。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤s1中通过掩膜法控制所述金属膜的分布区域。

相对于现有技术，本发明的技术效果在于：

本发明通过真空镀膜工艺在棱镜上设置具有封接性能的金属膜，然后采用真空加热封接工艺使两边的金属膜牢固地封接在一起，进而制得具有空气隙的光学元件，通过精确控制金属膜的厚度实现光学元件空气隙间隙大小的精确控制，具有空气隙间隙大小精度高且间隙大小可以任意调整的优点，适用于任意极薄间隙的光学元件制造。

附图说明

图1是本发明实施方式中一种微空气隙光学元件的结构示意图；

图2是图1中a处的局部放大结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

以下提供本发明的一种实施方式：

请参见图1至2，一种微空气隙光学元件，包括两块相对设置的棱镜1，两块所述棱镜的相对表面上均通过真空镀膜工艺镀有至少三处金属膜2，两块棱镜上的所述金属膜厚度相同且位置、数量一一对应设置；

两块所述棱镜上的对应金属膜通过真空加热封接工艺连为一体，以固定两块棱镜的相对位置。

需要说明的是，现有技术中通过胶层胶合连接两块棱镜的方法，能达到的空气隙间隙大小精度为几十微米，而且胶合点的区域大小不好控制；而采用玻璃微棒掺入胶中控制厚度的方法，可以制作的空气隙间隙大小极为有限。

采用可封接的金属膜，可以将空气隙的间隙大小控制到亚微米量级，最小可以控制到纳米量级，而且间隙大小范围可以任意设定；采用精密掩膜技术，封接区域可以控制在要求的特点区域内。

进一步的，所述金属膜包括在远离所述棱镜的方向上依次层叠设置的金属铬层21、金属镍层22、金属铟层23。

更进一步的，所述金属铬层的厚度为10-30纳米，所述金属镍层的厚度为1-4微米，所述金属铟层的厚度为1-4微米。

进一步的，两块所述棱镜的相对表面均为矩形面，每块棱镜上的金属膜为四处且分布于棱镜相对表面的边角处。

一种微空气隙光学元件的制造方法，依次包括以下步骤：

s1、取两块棱镜，采用真空镀膜工艺在所述棱镜上分别镀上至少三处金属膜，两块棱镜上的金属膜厚度相同且位置、数量一一对应设置；

s2、将镀好金属膜的棱镜相对设置，以使两块棱镜上的金属膜对应贴合接触，并采用封接夹具固定两块棱镜的相对位置；

s3、采用真空加热封接工艺将两块棱镜上的对应金属膜连为一体，即得光学元件。

进一步的，步骤s1中所述金属膜包括按先后顺序依次层叠镀上的金属铬层、金属镍层、金属铟层。

更进一步的，所述金属铬层的厚度为10-30纳米，所述金属镍层的厚度为1-4微米，所述金属铟层的厚度为1-4微米。

进一步的，两块所述棱镜的相对表面均为矩形面，每块棱镜上的金属膜为四处且分布于棱镜相对表面的边角处。

进一步的，步骤s1中采用石英晶体震荡膜层厚度控制仪控制所述金属膜的厚度，精度可达±1纳米。

进一步的，步骤s1中通过掩膜法控制所述金属膜的分布区域。

实施例1

1、使用真空镀膜工艺镀制具备封接性能的金属膜：

使用人工擦拭和超声波清洗的方法将待封接的棱镜表面清洁干净，使用掩膜夹具进行装夹，再放入镀膜夹具，然后放入真空镀膜系统中进行镀膜。

金属膜由一层10纳米的金属铬层，一层1微米的金属镍层和一层1微米的金属铟层组成。到达2x10^-3pa的真空压强后，首先镀制第一层金属铬层，用石英晶体振荡膜层厚度控制仪控制金属铬层的蒸发速率和厚度，使得其厚度到达10纳米；其次同样用石英晶体振荡膜层厚度控制仪控制金属镍层，镀制一层1微米厚的金属镍层；最后镀制一层1微米厚的金属铟层。金属膜总的厚度等于光学元件成品上空气隙间隙大小的一半。

其中，金属膜的镀膜区域控制使用掩膜方法，掩膜可以使用光刻掩膜或者机械掩膜的方法，使得金属膜镀制在棱镜的四周区域。该方法可以精确控制被镀制的区域，使得封接时两块棱镜上的金属膜可以一一对应地贴合，从而使棱镜牢固地封接在一起。

2、封接前装架：

将镀好封接金属膜的棱镜从镀膜机中取出并相对设置，使用封接夹具装夹固定棱镜，以避免两块棱镜在后续封接过程中产生相对位移。

3、真空加热封接：

将固定好的棱镜放入真空加热封接系统中，抽真空到低于5x10^-3pa的真空压强，加热到175℃，保温30分钟，然后停止加热，冷却到室温后，放气取出即得光学元件。

采用真空加热封接工艺，使得两边的金属铟层牢固地封接在一起,从而使两块棱镜牢固地结合在一起。

实施例2

相对于实施例1，本实施例中的金属铬层厚度为30纳米，金属镍层厚度为4微米，金属铟层厚度为4微米，其余部分均相同。

实施例3

相对于实施例1，本实施例中的金属铬层厚度为20纳米，金属镍层厚度为2微米，金属铟层厚度为3微米，其余部分均相同。

相对于现有技术，本发明的技术效果在于：

本发明通过真空镀膜工艺在棱镜上设置具有封接性能的金属膜，然后采用真空加热封接工艺使两边的金属膜牢固地封接在一起，进而制得具有空气隙的光学元件，通过精确控制金属膜的厚度实现光学元件空气隙间隙大小的精确控制，具有空气隙间隙大小精度高且间隙大小可以任意调整的优点，适用于任意极薄间隙的光学元件制造。

最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的精神和范围。