装配镜板叠层的方法

专利名称：装配镜板叠层的方法
技术领域：
本发明涉及用于装配镜板叠层的方法，所述镜板叠层包含多个镜板和基板，所述多个镜板堆叠于所述基板上。而且，本发明涉及将两个或多个镜板叠层装配成为刚性单元的方法。
背景技术：
本发明的具体但非穷尽的应用在于航天任务中，包括观察X射线范围内的特定空间区域或使用包含基于堆叠的镜板的光学模块的空间望远镜观察高能粒子。然而，本发明可应用于多种其他领域用于平版印刷设备，医疗诊断设备，材料检测和表征设备，成像X 射线荧光分析仪等的UV光学器件。然而，为了更加具体，以下内容主要涉及本发明的优选应用，但不以任何方式限制其范围，即，本发明涉及X射线光学模块，其集成滑塌的(slumped)玻璃镜板。需要光学直径为几米的高精确度X射线光学单元通常不能使用单一大的单片镜壳(shell)实现，这是因为生产困难和这种大尺寸是不切实际的。相反，多个镜壳通常被方位地分成小部分(segment)，然后这些小部分必须被装配成准确的且精确的，但坚固的且稳定的镜板的叠层以实现该光学单元需要的方案和测量灵敏度。这些镜板的厚度与表面直径比通常很小；例如使用具有DIN A4片的表面积且厚度<0. 5mm的薄板或共轴壳。镜的该厚度(或薄度)需要在安装它们且不危害它们用于聚焦的外形(figure)方面提出光学机械的挑战，因为该镜板容易在其自身重力下及通过任何疏忽的搬运或摩擦力下变形。角分辨率为几弧秒的高精确度测量要求薄镜以约微米或其分数(fraction)的水平被精确对准并安装。假定这种镜的典型基线设计具有约200mm的轴向长度，在低级别轴向外形误差中有1微米误差峰-谷，例如，在凹陷(sag)中，在镜的轴向斜面中产生2弧角的误差，在反射光线中产生4弧秒的误差，其在双反射中与来自第二镜的类似误差进一步复合。外形扭曲的幅度的限制对于较高的空间频率的误差甚至是更严格的。这些要求在堆叠多个镜板时特别具有挑战性，这是由于在该堆叠工序中误差的可能复合。本领域中有人提议采用多种技术来满足上述需要。US2003/0194054A1描述了用于医疗应用的镜装配体。US 6，449，公开了装配体用于空间天文学的镜板叠层的另一方法。利用非穷尽的实例，还可涉及以下文件中描述的那些，它们的大多数需要用于镜板装配的临时安装结构Zhang，W. W.等(Constellation-X Mirror Technology Development), 2007,Proc. SPIE,6688^. 668802^) ^Chan^ (Opto-mechanics of the Constellation-X SXTMirrors :Challenges in Mounting and Assembling the Mirror Segments),2008, Proc. SPIE 7011 卷，701114)禾口 Podgorski 等(A Mounting and Alignment Approach for constellation-X Mirror Segments)2008, Proc. Of SPIE 7011 卷，701112—1。初始平片，例如由玻璃制成的，必须形成为所需要的形状。平玻璃片被放置在合适形状的心轴(mandrel)上，然后在烤箱中被加热至一定温度，在该温度玻璃片软化并在其自身重力下弯曲。该温度对于玻璃片保持其表面抛光为足够低，但对于该片适应支撑心轴的形状为足够高。备选的方案利用气体压力用于形成玻璃板。该玻璃板被夹在一组两个心轴之间且气垫分别在上心轴和玻璃板的上面和玻璃板的下面和下心轴之间。镜板一旦形成，它们被利用分离搬运工具自滑塌心轴移走以被检测并测量，然后被对准并被安装至光学模块或单元结构。考虑到这些薄镜板的弹性，实现需要的几弧秒和几微米的测量精确度是相当困难的。现有技术的方法利用滑塌的镜板的临时安装以进行测量。镜板的临时安装之后是最终的镜板的永久安装。然而，该临时安装设备可对镜板引起额外的扭曲。也需要该临时安装设备用于在将该板集成为X射线光学模块期间来搬运镜板。现有技术中，特别是制造望远镜时，用于在最终集成为光学模块之前搬运和对准镜板对的几种备选方法已被提出。主要的建议为以下在所谓的”被动”方案中，在对准和集成为光学模块期间镜板被固定于具有最小扭曲的位置。为了使在重力下的扭曲最小化， 将板悬浮于薄的线上然后在其背面将其绑定至临时结构。然后使用装配体来定位和对准镜板至光学模块结构，在此它被永久绑定。至搬运结构的临时绑定最后被破坏以释放该搬运结构。在另一所谓的”主动排列”方案中，优势来自于镜板的弹性，不圆度(out of roundness)和聚焦调节通过在对准期间使镜板轻微变形得到。结合销(pin)首先被胶粘至镜板，然后这些被用于在光学模块盒中固定和定位镜板。使用在线测量来测量该板的实际位置。一旦达到最佳位置，结合夹子(clip)被用环氧树脂胶合(印oxied)至光学模块盒的导轨。两种方式都需要具有导轨的盒形结构，其中镜板被连接至该结构。总体上，典型的光学模块可包含约100个镜对，以例如Wolter-I构型。总计例如 60个此种模块形成全部的望远镜光圈。这些镜对，例如，以一前一后构型排列为Wolter-I 构型的两个镜板叠层，通常通过成对地安装和对准两个相应的镜来装配，每个镜板叠层的一个，例如两个镜板叠层被平行地安装。以上概述的这些本领域技术仅用于以不完美的方式满足上述需要。例如，在滑塌工序后，将镜板精确地放置于新的分离搬运工具上是困难的工序，因为滑塌的镜板的光学轴难于确定(由于该板的大的曲率半径和长的焦距)。而且，临时安装滑塌的镜板以进行测量之后进行该镜板的最终永久安装，这是误差倾向的(error-prone)，因为另外的临时安装步骤导致镜板在其自身重力和通过任何疏忽的搬运或摩擦力下的额外的扭曲。而且，在最终对准和结合之前完成测定板位置使得不能以高的精确度测定对镜板的最终位置。而且， 对于盒形结构的需要以在堆叠工序中固定镜板使得不能精确测量排列的镜板的整个外形和位置，因为镜板外形或表面的一部分被盒形安装结构覆盖。而且，由于当前用于堆叠镜板的方法的困难，两个相应的镜板叠层，即后来被合并为例如Wolter-I构型的光学单元的两个镜板叠层，被通过成对地安装和对准每一个镜板叠层的两个对应的镜平行地装配。然而，这两个镜板叠层之间的关键的对准因此仅可在堆叠时进行，仅使用可见的光学测量，这使得难以使这两个镜板叠层彼此相关精确地对准。一些现有技术方法中的其他缺点是在对准期间仅镜的一小部分被取样并可被测量，因为经常规的搬运工具的狭缝(slot)暴露的镜面积是有限的。因此需要通过提供装配镜板以形成具有较高精确度的镜板叠层的方法，并通过提供用于将两个或更多个镜板叠层对准和装配为具有较高精确度的光学单元的方法来解决上述问题。

发明内容
考虑到本领域的以上问题，本发明的一个目的是提供用于装配镜板叠层的具有较高精确度的方法，所述镜板叠层包含多个镜板和基板，所述多个镜板堆叠于该基板上。本发明的另一个目的是提供装配包含至少两个光学镜板叠层的光学单元的有较高精确度的方法。这些目的通过权利要求1、权利要求14和权利要求17所述的方法的主旨来实现。 从属权利要求涉及本发明的优选的实施方案。根据本发明的一个方面，提供了一种用于装配包含多个镜板和刚性基板的镜板叠层的方法，其中所述多个镜板堆叠于该刚性基板上。包括基板的这些板，即位于被称为叠层的“底”或“顶”的板可被以以下方式被成形其前反射面具有充分测定的形状。换句话说， 镜板可具有轻的曲率和/或共轴壳的形状。该方法包括提供基板的步骤，其中镜板被安装至该基板。该基板用作刚性运载板或结构基材，镜板被装配于其上。例如，该镜板可为玻璃镜板但本发明不受其限制。镜板可充分平等地为，例如，硅、金属、金属合金、陶瓷或玻璃陶瓷镜板。该方法还包括提供具有第二镜板的搬运工具的步骤。该方法还包括对第二镜板的第一表面提供间隔装置的步骤。优选地，该间隔装置形成为间隔装置肋条(rib)。这些肋条可构建板的完整部分或它们可被个别地制成。该方法还包括定位搬运工具以将第二镜板与第一镜板对准的步骤，所述搬运工具包含具有间隔装置的第二镜板，其中该第二镜板被相对于第一镜板基于测量位置和第一镜板的形状被对准，以补偿第一镜板的测定的位置和形状自第一镜板的预定的位置和形状的偏差。换句话说，在第η镜板被安装后，测量其位置和形状以确定自预定的第η镜板在板叠层上的位置及其形状的偏差。镜板形状可包含板几何学和外形。第η镜板的测量的位置和形状然后可被用于之后第(η+1)镜板的随后定位和安装以补偿之前第η板的位置和形状的测量的误差或偏差。因此，通过在定位和对准下一块板时使用前一块板上获得的测量数据， 避免了堆叠工序中误差的累积。该方法还包括通过将间隔装置结合至第一镜板将第二镜板连接到第一镜板的步骤，其中所述间隔装置决定了第一和第二镜板之间的预定距离。该方法还包括通过自连接的第二镜板移走搬运工具暴露第二镜板的第二表面的步骤。该方法还包括在第二镜板的第二表面已经被暴露之后测量连接的第二镜板的位置和形状的步骤。包含间隔装置的第二镜板的第一表面朝向前一块板并被安装至其上，然而第二镜的第二表面被完全暴露并在搬运工具被移走后可进行测量。有利的是，在对准和结合完成后测定实际的板位置和形状，因此防止镜板测量在使用临时安装时通过其他安装工序被扭曲。因此安装的镜板的最终位置和形状可被更精确地测量。因为不使用盒形安装结构，因此已经被安装至前一块板的镜板的完整表面被暴露并可进行测量，优选使用光学测量或表面光度仪来准确测量镜板的位置和形状。镜板的测量的位置和形状可被用于下一块板的随后定位以补偿自装配的第二镜板的预测定的位置和形状的任何偏差。根据以上内容，描述了将镜板安装至前一块镜板，其中前一块镜板已经被安装。根据本发明的另一方面，这些步骤可被重复以将多块镜板堆叠在基板上以使至少第三镜板连接到第二镜板。例如，镜板叠层可包含20至30块镜板。对于将第一镜板直接装配至基板，该方法还可包括以下步骤提供基板；提供具有第一镜板的搬运工具；对所述第一镜板的第一表面提供间隔装置；定位包含第一镜板的搬运工具以将第一镜板与基板对准，该第一镜板具有间隔装置；通过将该间隔装置结合至基板将所述第一镜板连接到基板；自连接的第一镜板移走搬运工具以暴露第一镜板的第二表面；和在第二表面已经被暴露后测量第一镜板的位置和形状。换句话说，将第一镜板装配至基板上不同于随后的镜板的装配，主要不同点在于第一镜板被相对于基板自身对准并直接在其上安装。根据本发明的另一方面，镜板的厚度与镜面积比为小的，例如在给定的镜面积为 300cm2时其可为Imm或更小。根据需要的角度、分辨率、材料性质和尺度选择肋条间隔。优选地，镜板被利用机械和光学对准方法被对准，这些方法利用在搬运工具和基板上提供的参考项目。该机械和光学对准方法确实达到了需要的精确度。通常，尺寸为大约1弧秒和1微米。例如，该参考项目可为用于机械/触觉扫描的准确角度测量或表面标记的光学镜。这些参考项目还可用于上述的在第二镜板的第二表面被暴露后测量连接的第二镜板的位置和形状。根据本发明的另一方面，镜板已堆叠于其上的基板可被用作用于界面连接镜板叠层与光学台的运载板。有利的是基板或“底板”不仅被设计并用作堆叠期间的临时工具，但在堆叠工序自身期间使用的光学模块基板也可被保留并用作结构元件以随后界面连接镜板装配体与光学台或与另一镜板叠层。换句话说，包括直接连接至基板的第一镜板的在集成工序期间的所有镜板的结合为永久的。因此本发明的优点是仅需要一个精确基板。本发明的另一优点是在完成板集成时这些板被自动地排列至光学模块结构界面。对于包含多个镜板叠层的大系统上述优点为特别重要。在精确部件的生产和排列工序中的节约是显著的。根据本发明的另一方面，在第二表面被暴露后测量连接的镜板的位置和形状的步骤中，该位置和形状可使用测量或表面光度仪进行测量。优选，测量位置和形状的光学方法包括计算机生成全息术和干涉测量法。位置和形状可被测量至需要的精确度，优选为小于 1弧秒并小于1微米。根据本发明的另一方面，该搬运工具可为心轴，且该方法还可包括利用心轴将镜板形成和/或制造成预定的形状的步骤。取决于板材料，存在多种类型的心轴用于将板滑塌、电形成(electro-forming)或制造为预定的形状。根据本发明的另一方面，镜板还可通过电形成获得。根据本发明的另一方面，镜板可为玻璃镜板且心轴可为玻璃滑塌心轴。换句话说，例如，由玻璃制成的初始平镜片通过将它们放置于合适的心轴上被形成为需要的形状。然后将心轴和镜片在烤箱中加热至一定温度，该温度下该片软化并在其自身重力下弯曲。该温度对于这些片保持其表面抛光为足够低，但对于这些片适应支撑心轴的形状为足够高。使用相同的工具将初始平镜片形成为预测定的形状，以及定位和将形成的镜板与基板和/或已经安装成板叠层的前一块镜板对准，使得能增加堆叠精确性并降低成本。在滑塌工序后，形成的镜板已精确地在搬运工具上被对准。搬运工具(为用于形成镜板的心轴)的光学轴对于大的精确度为已知的，并因此也用于镜板。通过利用心轴直接定位和对准形成的镜板避免了额外的扭曲和搬运误差，它们将自移动形成的镜板至另一搬运工具产生。例如，使板悬浮于细线上并将其结合至临时结构或将结合夹子胶粘至镜板以定位镜板的额外的搬运工序可被避免，这些工序可通过任何疏忽的搬运或仅通过镜板自身重力使薄的镜板扭曲。还可能的是，例如根据本领域上述的方法，使用经在心轴之间的气流中滑塌形成的玻璃板。该情况下玻璃板必须被定位于搬运工具之上。根据本发明的另一方面，该方法还可包含利用分离层可移去地将镜板的第二表面连接至搬运工具的步骤，其中该分离层的粘着系数被设为一定值以在定位包含镜板的搬运工具的步骤期间将镜板固定于固定的位置，其中所述镜板具有间隔装置，且其中在连接镜板的步骤之后，粘着系数的值使得能从连接的镜板移走搬运工具。优选地，基板和/或间隔装置工具由与镜板材料相同的材料制成。这确保了镜板叠层的所有元件具有相同的热扩展系数(CTE)和相同的光学性质。或者，基板和间隔装置可由以下材料制成该材料的热扩展系数(CTE)对于生产和操作期间的给定热环境在可接受限值内。根据本发明的另一方面，提供了用于装配镜板叠层的方法，所述镜板叠层包含多个镜板和基板，该多个镜板堆叠在该基板上，所述方法包括以下步骤将第一镜板置于心轴上；利用心轴使第一镜板形成为预定的形状；将间隔装置连接到成形的第一镜板的第一表面；和使用心轴来将形成的第一镜板与基板或安装于其上的镜板对准。根据本发明的另一方面，提供了用于装配光学单元的方法，所述光学单元具有第一光学镜板叠层和第二光学镜板叠层，其中所述第一镜板叠层和所述第二光学镜板包含多个堆叠于基板上的镜板。该方法包含经第一光学镜板叠层和第二光学镜板叠层的基板将第一光学镜板叠层和第二光学镜板叠层安装至微操纵装置上的步骤，其中所述第一和第二光学镜板叠层一前一后地放置，即，它们被安排成一前一后的构型且其中所述第一和第二光学镜板叠层可通过微操纵装置彼此相关地放置。该方法包含利用X射线测量相对于第二光学镜板叠层对准第一光学镜板叠层的步骤。第一和第二镜板叠层之间的对准使用X射线测量进行，其中包含该两个镜板叠层的完整系统的实际光学性能和成像特性在X射线中测量，这使得能使用在其它们基板固定这两个板叠层的微定位器精确地彼此相关地对准这两个叠层。该对准方法本质上同时考虑到所有的镜板，并以高精确度和高保真度进行直接测量。根据常规方法，第一叠层的镜板和第二叠层的镜板之间的关键对准在堆叠时进行，使用可见的光学测量。这意味着一些潜在的误差源首先，X射线测量是不可能的因此必须使用差的(由于衍射限制)可见光测量。第二，仅一小部分的镜被取样并可被测量(受限于搬运工具的狭缝中暴露的面积)。第三，在堆叠后，在现有技术中需要几个额外步骤直至镜板被永久地安装至光学模块结构，而没有进一步可能重对准这些镜板。X射线测量试验是可能的，但不是必然需要的。如果适当，常规的光学和触觉方法可被应用。根据本发明的另一方面，该方法还可包含经第一镜板叠层和第二镜板叠层的基板将它们连接以确保第一光学镜板叠层相对于第二光学镜板叠层的对准的位置的步骤。而且，连接基板还可包含用于例如，使用均衡安装连接至光学台的界面。根据本发明的另一方面，第一镜板叠层可为抛物线形的玻璃镜板的镜板叠层且第二镜板叠层可为双曲线形玻璃镜板的镜板叠层，它们形成Wolter-I元件。换句话说，一前一后放置的两个叠层为具有抛物线和双曲线形的旋转的合并表面。本发明的还一个优点是，通过本质上同时考虑所有的镜板的对准方法，以高精确度和高保真度进行直接测量最关键的扭结角(kink angle)，即抛物线和双曲线之间的角。从以上所述，应容易理解，本发明实现了其宣布实现的目标。特别地，且不用重复其所有的优点，其能够显著减少镜板装配体的总生产成本并显著提高装配镜板叠层的精确度以及关于将两个或多个镜板叠层安装成光学单元，例如Wolter-I构型。这使得能制造较高精确度的望远镜但没有任何相应的成本的过分增加。然而，应清楚的是本发明不限于镜板装配体但也覆盖任何薄的板装配体，包括具有非光学表面的薄板。上述的镜板装配方法特别适用于装配用于高性能X射线光学元件，例如装配玻璃X射线光学单元的镜板叠层。然而，本发明不限于此。本发明发现在多种其他领域中的应用。根据本发明装配的镜板叠层和光学单元也可用于平版印刷的设备，医疗诊断设备，材料检测和表征设备，或成像X射线荧光分析仪等的高精确度UV光学元件。上述的用于装配具有第一光学镜板叠层和第二光学镜板叠层的光学单元的方法不限于类型1的Wolter望远镜的装配体，即第一镜板叠层具有抛物线形的玻璃镜板且第二镜板叠层具有双曲线形的玻璃镜板，但也适用于Wolter-2，Kirkpatrick-Baez几何学或基于彼此相关放置的至少两个镜板叠层的对准的其他构型的装配体。单一的多个板的叠层也可被生产，如所描述的。这可用于例如点对点成像和流量浓度或瞄准仪和用于平版印刷设备。最终，给定的数值和合适材料的实例被提供，仅利用具体的实例提供且不构成任何类型的对本发明的范围的限制。它们在本领域技术人员能力范围内为技术选择的。附图简述本发明参考附图以示例性方式在以下被解释，其中

图1显示根据本发明的实施方案装配镜板叠层中涉及的步骤的流程图；图2显示根据本发明的实施方案装配光学单元中涉及的步骤的流程图，其中所述光学单元基于以一前一后构型排列的两个镜板叠层；图3a和北说明了在滑塌工序之前和之后的滑塌心轴和镜板；图4说明了根据本发明的实施方案的在滑塌心轴上具有连接的间隔装置肋条的滑塌的镜板。图如说明了根据本发明的实施方案的滑塌心轴的定位，所述滑塌心轴包含具有连接的间隔装置肋条的镜板，用于将镜板与基板对准；图恥说明了根据本发明的实施方案的镜板与基板的对准，利用光学的和机械的对准方法进行，所述方法利用在滑塌心轴和基板上的参考项目；图6说明了根据本发明的实施方案的包含安装的镜板的基板和滑塌心轴，所述滑塌心轴已经从安装的镜板移走。图7说明了根据本发明的实施方案的安装的镜板的暴露的表面的位置和外形的测量；图8说明了根据本发明的实施方案的将第二镜板安装至第一镜板，所述第一镜板已经安装至基板。图9说明了根据本发明的实施方案的装配的镜板叠层；图10说明了根据本发明的实施方案的通过使用X射线测量对准两个镜板叠层的 Wolter-I元件的形成；和图11说明了根据本发明的实施方案的光学单元，所述光学单元包含用于后来集成为望远镜系统的两个镜板叠层和界面装置。
具体实施例方式图1显示了根据本发明的实施方案装配镜板叠层中涉及的步骤的流程图。在步骤Sl中，搬运工具被提供有定位于其上的镜板。根据第一实施方案，镜板为玻璃镜板和搬运工具为玻璃滑塌心轴。在步骤S2中，玻璃镜板通过玻璃滑塌心轴形成为预定形状。在步骤S3中，在滑塌工序之后形成的镜板仍然定位于滑塌心轴上时，间隔装置肋条连接到镜板表面。根据该实施方案，步骤S4-S7描述至少一个镜面板已经被装配到基板的情况。在步骤S4中，基板被提供有安装在其上的镜板。在步骤S5中，包含具有间隔装置的镜板的搬运工具，即滑塌心轴，被定位以对准镜板与后来已经被安装至基板的镜板。在步骤S6中，镜板被相对于已经安装的镜板基于该安装的镜板的测量的位置和形状被对准，以补偿该安装的镜板的测量的位置和形状自该安装的镜板的预定的位置和形状的偏差。在步骤S7中，仍定位于搬运工具上的镜板，被通过将间隔装置肋条结合至安装的镜板被连接到安装的镜板，其中该间隔装置肋条决定这两个镜板之间的预定的间距。在步骤S8中，搬运工具被从连接的第二镜板移走并因此暴露与搬运工具接触的镜板表面。在步骤S9中，连接的镜板的位置和形状在该镜板的表面被暴露后被测量。图1中说明的步骤描述了两个连续板10的装配体。该叠层结构如图1和图8中所述，构成了根据本发明的光学反射器元件，其可被称为“最小的”。实际上，且如以下所述， 堆叠的叠层的数目通常大得多，通常为约几十。利用具体的实例，20至30块板一个在另一个上被堆叠。因此重复上述的步骤S1-S9以将多个镜板堆叠至基板上。对于直接将第一镜板安装至基板上，代替上述步骤S4至S7，第一镜板按照以下步骤装配提供基板；将包含第一镜板的搬运工具定位用于对准第一镜板与基板，所述第一镜板具有间隔装置肋条。然后，通过将间隔装置肋条结合至基板将第一镜板连接到基板。该连接的第一镜板然后根据步骤S8和S9被测量。上述的步骤Sl至S3和S4至S9的顺序可彼此独立地进行。换句话说，使用镜板在其上形成为预定的形状的滑塌心轴，作为用于随后的镜板的定位和对准镜板(步骤Sl至 S3)的搬运工具，也可用于将镜板安装成镜板装配体的另一方法。类似地，将镜板对准和安装成基于之前的镜板的测量的位置和形状的镜板装配体不需要使用心轴作为搬运工具。然而，两种方法的合并导致较高精确度的装配方法，因为心轴特别适合于相对于之前的已经安装为镜板装配体的镜板的精确定位。
图2显示根据本发明的实施方案装配基于以一前一后构型排列的两个镜板叠层的光学单元中涉及的步骤的流程图。在步骤SlO中，提供了根据本发明的方法装配的两个镜板叠层。根据实施方案，第一镜板叠层包含抛物线形的玻璃镜板，第二镜板叠层包含双曲线形的玻璃镜板。在步骤Sll中，第一光学镜板叠层和第二光学镜板叠层经它们的基板被安装至微操纵装置，其中该第一和第二光学镜板叠层被安排成一前一后构型且其中该第一和第二光学镜板叠层通过微操纵装置彼此相关被定位。在步骤S13中，第一光学镜板叠层相对于第一光学镜板叠层利用X射线测量被对准。在步骤S14中，通过经第一镜板和第二镜板的基板将它们连接确保相对于第二光学镜板叠层的第一光学镜板叠层的对准位置。在步骤S15中，界面装置被连接到第一和第二光学镜板叠层的连接的基板。在步骤S16中，界面装置通过均衡的安装界面被连接至光学台。实际上，界面装置还可为基板自身的一部分，避免了后来的集成期间的扭曲和误差。以下基于图加至11的说明更详细地描述以上步骤。在图3A和;3B中显示的步骤中，描述了滑塌工序。图3A示意性显示了在滑塌工序之前的滑塌心轴11和镜板10。玻璃滑塌的技术基于玻璃粘性随着温度改变的事实。通过增加温度超过应变点，它变得足够柔软以在其自身重力下变形并滑塌至给定的模具。初始镜板10为例如，Schott生产的D 类型的显示玻璃片。选择的玻璃片通常为Α4片的大小，且为0.3-0. 5mm的厚度。这些片是平的，且必须形成为需要的形状。平玻璃片10被置于合适形状的滑塌心轴11上然后在烤箱中被加热至玻璃片软化并在其自身重力下弯曲的温度。该温度对于玻璃片保持其表面抛光为足够低，但对于该片适应支撑心轴11的形状为足够高。通常，在玻璃片10和心轴11之间需要分离剂以避免粘着。为了得到需要的X射线反射率，使用切线入射角和高Z材料涂层(例如Pt、Ir或Au)。图北显示了在滑塌工序之后的镜板10，其中玻璃镜板10已经被形成为如滑塌心轴11限定的预定形状。板10可为曲线的以使反射前面占据预定形状的表面，例如，抛物线、 椭圆或双曲线的旋转的表面。该形状可为凸的或凹的。在滑塌工序后，镜板10可被制为轻轻粘着至心轴11，通过精细调谐分离层组合物和用于形成它的分离工序。换句话说，玻璃片10和心轴11之间的分离剂的粘着系数被设为一定值，该值对于随后的心轴定位工序期间心轴上在固定的位置固定镜板为足够强的， 但也为足够轻以使镜板可在镜板已经被安装成镜板叠层后自心轴被移走。图4中所示的步骤期间，在滑塌心轴11上将间隔装置肋条12连接到滑塌的镜板 10。肋条12在其仍然在滑塌心轴上时被连接到板的背面。间隔装置肋条12被胶粘至镜板表面以使间隔装置肋条被规则地间隔开。肋条12与镜板为相同材料。图fe说明了定位包含镜板10的滑塌心轴11的步骤以用于将镜板10与基板13 对准，所述镜板10有连接的间隔装置肋条12。滑塌心轴11用作将滑塌镜板10堆叠成镜板叠层的搬运工具。有轻轻连接的镜板10的心轴11被关于基板13定位。由于滑塌工序，镜板10已经在搬运工具11上被对准，因为这是在之前生产步骤中用于滑塌板10的实际心轴。已知在大的精确度上搬运工具的光学轴为滑塌心轴11，因此该光学轴也用于镜板10。通过将心轴11用作将镜板10安装成为镜板叠层的搬运工具，将需要自心轴11将滑塌的镜板移动至另一搬运工具上的额外困难的对准工序可被避免。该工序将为误差倾向的，因为板的光学轴难以确定，这是由于该板的大的曲率半径和长焦距。分离层的粘着系数(未显示)的调谐确保在滑塌工序后镜板充分地粘附于心轴， 以能实现需要的后来的搬运。同时该粘附为足够轻以允许在需要的步骤自心轴分离。因此， 对于定位和对准滑塌的镜板10，不同于滑塌心轴11，不再需要其他的分离精密工具。在图恥说明的步骤中，机械和光学的对准方法的用途被说明，图恥中通过箭头指示。根据本发明，使用搬运工具(即滑塌心轴)和基板上的参考项目(14，15)。光学参考， 例如光学镜被用作参考项目。因为在大的精确度上心轴11和基板13的几何形状为已知的， 因此光学镜可被固定于关于心轴和基板的精确位置。光学参考14被固定于搬运工具的两个邻近面上，这两个邻近面在镜板被置于其上的表面区域以下。另外的光学参考15被固定于搬运工具的对应位置。图恥中的箭头指示，例如，在搬运工具的对准工序期间光学镜反射的激光束。使用这些参考项目，心轴相对于基板或已经装配的参考板的位置可以需要的精确度被测定，其可为给定的1微米实例。因此，在搬运工具中不需要凹槽(grove)并且可使用最初的滑塌的心轴。通过使用根据本发明的参考项目，测量不受通过窄的通道的限制的小光束反射的衍射限制(如在常规堆叠方法中的情况)。一旦镜板10在正确的位置并合适地与镜板11对准，如通过常规测量系统测定的， 间隔装置肋条12被结合至在之前步骤中堆叠的基板13或之前的镜板10。两个连续的板之间的间隔通过间隔装置肋条12测定。一旦该结合被固化，搬运工具11自镜板10被分离。 结合材料(例如胶水或接合剂)被用于桥连任何间隙。镜板10的外形很大程度上被心轴 11的外形限定。因此，镜板外形通过搬运工具11维持，从该板被热滑塌以适应心轴11时开始，直到板10被牢固且永久地结合至结构的支撑或之前的板。图6说明了包含安装的镜板的基板和已经从安装的镜板10移走的滑塌的心轴，即在镜板10已经被安装后。移动搬运工具后，之前对着搬运工具的镜表面被完全暴露并可用于基于光学成像或扫描方法的测量，例如，使用计算机生成全息术(CGH)和干涉测量法。有利的是镜表面被完全暴露而不是被光学模块盒或临时安装结构部分覆盖，它们将阻碍准确测量完整的镜表面或外形。在图7中显示的步骤中，根据本发明的实施方案的安装的镜板的暴露的表面的位置、形貌和外形被测量。该形貌也可用另一测试方法测量。在该测量步骤中，镜板的实际安装位置和任何外形误差被准确测定并记录。已经被用作参考项目来定位及将镜板与基板和 /或已经安装于镜板叠层上的镜板对准的光学参考15，也在对着心轴的镜板的表面已经通过移动心轴被暴露之后，用于测量连接的镜板的位置和形状。安装的镜板的需要的位置和外形和实际的位置和外形之间的差异决定了位置和外形误差。这些误差可产生自滑塌工序或可在镜的集成期间发生，其中装配可产生镜的小的角误差和小的局部变形。基于测定的误差，将在之后的装配步骤期间安装的连续的镜板的最佳位置被计算，以使连续的镜板的位置补偿前一块板的测量误差。换句话说，用该步骤在定位之前的或前一块板(第η块板) 中的不可避免的误差在集成下一块板(第(η+1)块板)时被补偿，即涉及多块镜板10的堆叠工序中误差的累积被避免。因此，集成误差预算将确保偏差在每个单独板集成的公差内。在图8描述的步骤中，对于下一块待安装至镜板叠层的板重复安装和对准工序，该镜板叠层显示了镜板10至已经安装至基板13的另一镜板10的安装。下一块镜板10在心轴11上被滑塌，间隔装置肋条12被连接到不与心轴表面接触的镜表面，然后镜板10被合适地与前一块板10对准，对准和绑定。关键的元件是任何在前一步骤(集成第η块镜板)中测定的误差被考虑并在下一(η+1)块镜板被安装时被校正。该工序被重复直到所需数量的板被堆叠且镜板叠层30被完全装配，如图9中描述的。板10已经堆叠于其上的基板或结构基材13被保留并用作光学模块的运载板，该运载板后来用于将镜板叠层30界面连接至光学台。在集成工序中包括第一块的所有板的结合为永久的。因此，得到两个积极的效果第一，与常规装配方法相比仅一精确的部分被需要 (光学模块背板13)，常规装配方法需要两个不同的精确部分，即底板和光学模块结构盒。 第二，在板集成完成时板10被自动地对准于光学模块结构界面。现有技术中，完全的板叠层必须自工具被移走，之后精确地集成为结构盒。这些优势对于需要使用大量的光学单元的大的望远镜系统将为特别重要的。这显著节省了精确部件的生产和节省了对准工序。图9说明了，根据本发明的实施方案，通过使用X射线测量对准两个镜板叠层30、 31形成Wolter-I元件35。为了生产Wolter-I元件35，两个镜板叠层30、31必须被结合在一起，成为一前一后构型。第一镜板叠层30由抛物线形的板组成，第二镜板叠层30由双曲线形的板组成。这两个叠层经它们的基板13被安装至微操纵器成为一前一后构型，即一个镜板叠层31在其他镜板叠层30之后被对准，以使第一基板的一个边缘和两个角与第二基板的对应的边缘和两个角匹配。两个镜板叠层30、31的对准是关键的，并为误差预算的最严格的部分之一。特别地，定义抛物线和双曲线叠层之间的扭结角的经度角(沿着光学轴)必须精确至需要的系统的角分辨率的小的分数，例如，对于具有需要的5"半能量宽度 (Half Energy Widths) (HEff)的空间应用，扭结角必须精确至约1 〃。该对准应关于板的X 射线有效位置和外形进行。根据本发明，该对准因此使用在线X射线测量在X射线设备中进行。叠层对(pair)的成像性质被实时测量，且使用在它们的基板13处固定两个板叠层 30,31的微定位器(未显示)进行对准。一旦实现特定公差内的正确的对准，且这通过X射线测量被证实，则两个叠层30、31被永久地经它们的基板13连接。该成对物(doublet)现形成Wolter-IX射线光学单元35。因为两个镜叠层30、31的对准使用X射线测量完成，因此完整的系统(X射线光学单元，Wolter-I元件)的实际性能用X射线测量，且两个叠层30、31精确地关于彼此被对准。对准方法本质上同时考虑了所有的镜板，并进行了光学性能的直接测量，包括以高精确度和保真度测定最关键的扭结角(抛物线和双曲线之间的角)。现有技术中，抛物线和双曲线板之间的关键对准在粘着时进行，使用可见的光学测量。这意味着一些可能的误差源首先，X射线测量是不可能的因此必须使用差的(由于衍射限制)可见光测量。第二， 另外通常仅一小部分的镜被取样并可被测量(受限于搬运工具的狭缝中暴露的面积)。第三，在堆叠后，在现有技术中需要几个额外步骤直至镜板被永久地安装至光学模块结构，而没有进一步可能重对准该镜板。X射线测量试验是可能的，但不是必然需要的。如果适当，常规的光学和触觉方法可被应用。根据本发明的另一方面，该方法还可包含经第一镜板叠层和第二镜板叠层的基板连接第一镜板叠层和第二镜板叠层保护第一光学镜板叠层相对于第二光学镜板叠层的排列位置的步骤。而且，连接的基板还可包含用于例如，使用均衡的安装连接至光学台的界图11说明了根据本发明的实施方案的光学单元，所述光学单元包含用于后来集成为望远镜系统的两个镜板叠层和界面装置。在抛物线和双曲线板叠层的永久连接之后，得到最终的光学单元40，其中基板13 形成单一结构元件，以精确的对准固定两个镜板叠层。基板13包含集成的界面元件36。这些界面元件36为三个具有充分定义的机械连接洞和表面的刚性固定工具。所得的光学单元35被使用均衡底座(mounts)安装于合适的光学台上。通过使用用于后来的集成为光学系统例如望远镜系统的镜叠层的基板，不需要额外的复杂结构盒来提供光学模块的结构整体性。上述实施方案的结构的特征、元件和具体细节可被替换或合并以形成对于对应的应用被优化的其他实施方案。出于本说明书的简洁的目的，只要这些修改对于本领域技术人员是显而易见的，则它们将被通过以上描述而非清晰地阐述每种可能的组合来隐含地公开。
权利要求
1.一种装配包含多个镜板(10)和基板(1 的镜板叠层(30)的方法，所述多个镜板堆叠于所述基板(1 上，所述方法包括以下步骤-提供安装有第一镜板的基板(13)； -提供具有第二镜板的搬运工具； -在第二镜板的第一表面上设有间隔装置；-定位包含所述第二镜板的搬运工具以将所述第二镜板与所述第一镜板对准，所述第二镜板有间隔装置，其中所述第二镜板被相对于第一镜板基于第一镜板的测量的位置和形状对准，以补偿第一镜板的测量的位置和形状自第一镜板的预定的位置和形状的偏差；-通过将所述间隔装置连接至所述第一镜板将所述第二镜板连接到所述第一镜板，其中所述间隔装置决定了第一镜板和第二镜板之间的预定的距离；-通过自所述连接的第二镜板移走搬运工具暴露所述第二镜板的第二表面；和 -在所述第二表面已经被暴露后测量所述连接的第二镜板的位置和形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其中权利要求1所述的步骤被重复至将多个镜板堆叠至基板上以使至少第三镜板被连接到所述第二镜板。
3.根据权利要求1或2的任一项所述的方法，如果第一镜板为待堆叠至基板上的第一板，所述方法还包含以下步骤-提供基板(13)；-提供具有所述第一镜板的搬运工具； -在所述第一镜板的第一表面上设有间隔装置；-定位所述包含第一镜板的搬运工具用于将所述第一镜板与所述基板对准，其中所述第一镜板具有间隔装置；-通过将所述间隔装置结合至所述基板将所述第一镜板连接到所述基板； -通过自连接的第一镜板移走所述搬运工具暴露所述第一镜板的第二表面；和 -在所述第二表面已经被暴露后测量所述第一镜板的位置和形状。
4.根据前述权利要求的至少一项所述的方法，其中所述镜板利用机械的和光学的对准方法被对准，所述机械的和光学的对准方法使用搬运工具和基板(1 上提供的参考项目 (14,15)ο
5.根据前述权利要求的至少一项所述的方法，其中所述镜板已经堆叠于其上的基板被用作运载板，所述运载板用于将镜板叠层与光学台界面连接。
6.根据前述权利要求的至少一项所述的方法，其中在所述第二表面已经被暴露后测量所述连接的镜板的位置和形状的步骤中，所述位置和形状被使用计算机生成全息术和干涉测量法测量以达到所需的精确度。
7.根据前述权利要求的至少一项所述的方法，其中所述搬运工具为心轴，所述方法还包含利用心轴将所述镜板形成至预定的形状的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述镜板为玻璃镜板且所述心轴为玻璃滑塌心轴 (11)。
9.根据前述权利要求的至少一项所述的方法，所述方法还包含利用分离层将所述镜板的第二表面可移动地连接至所述搬运工具的步骤，其中所述分离层的粘着系数被设定为能在定位包含镜板的搬运工具的步骤期间在固定的位置固定所述镜板的值，其中所述镜板具有间隔装置工具，且其中在连接所述镜板的步骤后，所述粘着系数的值使得能自连接的镜板移动搬运工具。
10.根据前述权利要求的至少一项所述的方法，其中所述间隔装置包含间隔装置肋条。
11.根据前述权利要求的至少一项所述的方法，其中所述基板或所述间隔装置由与所述镜板材料相同的材料制成。
12.—种具有多个镜板的设备，其中所述镜板按照前述权利要求1-11的至少一项所述的方法装配。
13.—种装配包含多个镜板(10)和基板(1 的镜板叠层(30)的方法，所述多个镜板被堆叠至所述基板(1 上，所述方法包括以下步骤-将第一镜板置于心轴上；-利用所述心轴将所述第一镜板形成为预定的形状；-将间隔装置连接到所述形成的第一镜板的第一表面；和-使用所述心轴以将所述形成的第一镜板与所述基板或安装至其上的镜板对准。
14.根据权利要求10或13所述的方法，其中所述第一镜板的厚度比所述镜表面积小。
15.根据权利要求13或14的至少一项所述的方法，其中所述心轴为玻璃滑塌心轴 (11)且所述镜板为玻璃镜板。
16.一种用于装配光学单元的方法，所述光学单元具有第一光学镜板叠层(30)和第二光学镜板叠层(31)，所述第一镜板叠层和所述第二光学镜板叠层包含堆叠于基板上的多个镜板(10)，所述方法包含-经所述第一光学镜板叠层(30)和所述第二光学镜板叠层(31)的基板(1 将所述第一光学镜板叠层(30)和所述第二光学镜板叠层(31)安装至微操纵装置，其中所述第一和第二光学镜板叠层(30，31)被安排为一前一后的构型且其中所述第一和所述第二光学镜板叠层(30，31)可被彼此相关地用所述微操纵装置被定位；和-利用X射线测量使所述第一光学镜板叠层(30)相对于所述第二光学镜板叠层(31) 对准。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包含-经所述第一镜板叠层(30)和所述第二镜板叠层(31)的基板(1 连接所述第一镜板叠层(30)和所述第二镜板叠层(31)确保所述第一光学镜板叠层(30)相对于所述第二光学镜板叠层(31)对准的位置；-将界面装置连接至所述第一和第二光学镜板叠层的连接的基板；-利用均衡安装界面将所述界面装置连接至光学台。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一镜板叠层具有抛物线形玻璃镜板，且所述第二镜板叠层具有双曲线形玻璃镜板，所述第一镜板叠层和所述第二镜板叠层形成 Wolter-I 元件。
全文摘要
本发明涉及用于装配包含多个镜板10和基板13的镜板叠层30的方法，其中所述多个镜板堆叠于所述基板上。而且，本发明涉及将两个或多个镜板叠层装配成刚性单元的方法。为了提高所述镜板的装配精确度，建议所述方法包括以下步骤提供基板13，且第一镜板安装至所述基板；提供具有第二镜板的搬运工具；将间隔装置提供至所述第二镜板的第一表面；定位所述包含第二镜板的搬运工具以将所述第二镜板与所述第一镜板对准，所述第二镜板有间隔装置，其中所述第二镜板被相对于所述第一镜板基于所述第一镜板的测量的位置和形状对准，以补偿所述第一镜板的测量的位置和形状自所述第一镜板的预定的位置和形状的偏差；通过将所述间隔装置结合至所述第一镜板将所述第二镜板连接到所述第一镜板，其中所述间隔装置决定了第一镜板和第二镜板之间的预定的距离；通过自所述连接的第二镜板移走所述搬运工具暴露所述第二镜板的第二表面；和在所述第二表面已经被暴露后测量所述连接的第二镜板的位置和形状。
文档编号G02B7/182GK102576142SQ201080038441
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月27日 优先权日2009年8月28日
发明者马科斯·巴维达斯 申请人:欧洲空间局