专利名称：球形凹面上投影平行线图形的激光直写方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在球形整流罩上制备非连续透明导电膜的方法，特别涉及一种球 形凹面上投影平行线图形的激光直写方法及其装置。
背景技术：
整流罩就是一种比较深的盖，超半球形的盖就是视场范围超出180°的整流罩，半 球和超半球整流罩经常用作需要有大视场的电光传感器的光窗，这种光窗在透过光学观测 波段的同时也往往成为外界电磁干扰的主要通路。兼顾环境因素，在整流罩内表面(凹面) 上制备一种非连续的透明导电薄膜可以有效屏蔽电磁干扰，有时也可以同时起到除露(露 水)的效果(如深潜设备的球形观察罩)。要在半球凹面上制备非连续透明导电膜，首先要在半球凹面上生成所要求的微细 线条图形.传统的机械刻划光栅的方法并不适合球形整流罩上微细图形的生成。原因有 二 一是这种方法会损伤整流罩基底；二是光栅刻划一般刻槽很浅(几十纳米)，无法满足 网栅布线的深度要求(一般要求槽深至少几百纳米)。而衍射光学元件制作中常用的单点 金刚石车削技术，只能在基底上生成微细图形，不是一种布线技术(布线技术要求在微细 图形上增加金属线条)。《光学精密工程》公开了一篇论文“同心扫描法制作凹球面等距网栅的误差分 析”(杂志2006年第2期)，其中简要介绍了采用同心扫描激光直写运动方式在球形工件内 表面制作等距网栅的原理及装置，但论文所提及的直写方式和原理装置(工件侧立)仅能 在小于半球的工件凹球面上生成纬线相交网格，不能解决半球(甚至超半球)全口径图案 刻划问题。并且，在实际系统中，即使是小于半球工件，采用工件侧立的安装方式也经常会 出现直写物镜轴座的结构干涉问题。申请人:于2009年12月22日提交了发明名称为“在凹球面上生成纬线相交网格图 形的装置”的专利申请(申请号200910218069.0)。该装置包括基座、水平转台、立柱、工件 转轴、直写物镜、物镜轴座、配重、第一反射镜、物镜分度转轴、第二反射镜、第三反射镜、激 光快门和激光直写与校准系统；直写物镜随物镜分度转轴转动；直写物镜每转动到一个设 定角度，控制球形工件随水平转台转动；在球形工件转动过程中，控制激光快门的开启和关 闭，使直写物镜焦斑在球形工件凹面上刻划出一条纬线；重复该过程直至完成球形工件凹 面顶点与最低点之间纬线的刻划。然后球形工件随工件转轴转动180°，再对另一部分凹面 进行纬线的刻划。采用这种装置在球形工件凹面上刻划纬线与纬线相交的网格图形，因为球面上纬 线与纬线非正交关系(球面上经线与纬线正交)，生成的网格图形占空比不一致，将造成整 流罩口径边缘高次衍射能量增强、光学传递函数下降严重等问题。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种球形凹面上投影平行线图形的激光直写方法。为了解决上述技术问题，本发明的球形凹面上投影平行线图形的激光直写方法包 括下述步骤(1)设定垂直轴AA’、第一水平轴CC’、第二水平轴DD’和旋转轴BB，；所述垂直 轴AA’、第一水平轴CC’、第二水平轴DD’和旋转轴BB’相交于球形工件的球心0，并且第 一水平轴CC’与第二水平轴DD’垂直相交，旋转轴BB’与垂直轴AA’之间的夹角为α， 0 Z α Z 90° ；(2)直写物镜绕第一水平轴CC’在球形工件的最低点与凹面顶点对应的角度β范 围内转动；直写物镜每转动到一个设定角度，控制球形工件在绕垂直轴ΑΑ’转动的同时也 绕第二水平轴DD’向下转动；当球形工件转至侧立状态时，直写物镜焦斑处于球形工件最 低点与凹面顶点的连线上；此时，控制球形工件在绕垂直轴ΑΑ’转动的同时也绕第二水平 轴DD’向上转动；在球形工件转动过程中，控制激光快门的开启和关闭，使直写物镜焦斑在 球形工件凹面上刻划出一条投影水平线；重复该过程直至完成球形工件的凹面顶点与最低 点之间投影平行线的刻划；(3)使球形工件绕旋转轴ΒΒ’转动180° ；(4)直写物镜绕第一水平轴CC’在球形工件的最低点与凹面顶点对应的角度β范 围内转动；直写物镜每转动到一个设定角度，控制球形工件在绕垂直轴ΑΑ’转动的同时也 绕第二水平轴DD’向下转动；当球形工件转至侧立状态时，直写物镜焦斑处于球形工件最 低点与凹面顶点的连线上；此时，控制球形工件在绕垂直轴ΑΑ’转动的同时也绕第二水平 轴DD’向上转动；在球形工件转动过程中，控制激光快门的开启和关闭，使直写物镜焦斑在 球形工件凹面上刻划出一条投影水平线；重复该过程直至完成球形工件的凹面顶点与最低 点之间投影平行线的刻划。本发明在激光同心扫描生成凹球面纬线图形运动原理的基础上，球形工件再增加 一个圆弧转动，当直写物镜焦斑从半球边缘至半球母线的扫描过程中，球形工件绕第二水 平轴DD，转动从俯倾状态渐变到侧立状态，能够在球形工件上刻划出半口径投影平行线。球 形工件旋转180°，重复上述过程即能够完成全口径投影平行线刻划。将球形工件再旋转 90°，重复步骤(2) (4)即可在球形工件凹面上生成占空比基本一致的网格图形，使制备 该非连续透明导电膜的整流罩从中心至边缘光学透过性能一致。本发明要解决的另一个技术问题是提供一种实现上述方法的装置。为了解决上述技术问题，本发明的球形凹面上投影平行线图形的激光直写装置包 括基座，水平转台，立柱，丝母座，丝杠，弧形导轨，支撑块，导轨滑块，分度轴座，分度轴，轴 座，第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，俯仰轴，直写物镜，激光快门和激光直写与校准 系统；水平转台安装在基座上，可相对于基座绕自身轴线转动；立柱固定在水平转台上偏 离水平转台轴线的位置；丝杠通过丝母座与立柱连接；支撑块与丝杠的顶端连接，可在丝 杠的驱动下垂直移动；支撑块浮动支撑导轨滑块；分度轴座固定在立柱上，分度轴安装在 分度轴座上，分度轴与导轨滑块采用滑块结构连接；弧形导轨固定在立柱上；球形工件与 导轨滑块固定连接，可随导轨滑块沿弧形导轨转动；直写物镜和第一反射镜安装定位在俯 仰轴上，俯仰轴安装在轴座上，直写物镜、第一反射镜和俯仰轴可绕俯仰轴的轴线转动；轴 座与基座固连为一体；水平转台、分度轴和俯仰轴的轴线相交于球形工件的球心，分度轴的轴线与水平转台的轴线之间的夹角α在0°和90°之间；第二反射镜、第三反射镜固定在 轴座的外侧，激光直写与校准系统出射的平行激光束经激光快门入射到第二反射镜，经第 二反射镜、第三反射镜和第一反射镜转向入射到直写物镜，聚焦在球形工件的凹面上。直写物镜随俯仰轴转动；直写物镜每转动到一个设定角度，控制球形工件随水平 转台转动，同时控制丝杠在丝母座内旋转下移，带动支撑块下移，由于重力的作用，导轨滑 块沿弧形导轨移动，带动球形工件向下转动；当球形工件转至侧立状态时，直写物镜焦斑处 于球形工件最低点与凹面顶点的连线上；此时，控制球形工件继续随水平转台转动，同时控 制丝杠在丝母座内旋转上移，带动支撑块上移，驱动导轨滑块沿弧形导轨移动，球形工件向 上转动。在球形工件转动过程中，控制激光快门的开启和关闭，使直写物镜焦斑在球形工件 凹面上刻划出一条投影水平线；重复该过程直至完成球形工件凹面顶点与最低点之间投影 平行线的刻划。然后球形工件随分度轴转动180°，重复上述过程，直至生成球形工件凹面 全口径投影平行线，激光直写结束。本发明球形凹面上投影平行线图形的激光直写装置可满足在球形工件凹面上扫 描生成全口径投影平行线的功能需求，且结构紧凑，便于工程实施。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1(a)、图1(b)为本发明的球形凹面上投影平行线图形的激光直写方法中球形 工件在始末工位的示意图。图2(a)、图2(b)、图2(c)为在球形工件凹面上生成投影平行线过程的投影图。图3为本发明的球形凹面上投影平行线图形的激光直写装置的球形工件在始末 工位时的结构主视图。图4为图3的N-N向剖视图。图5为本发明的球形凹面上投影平行线图形的激光直写装置的球形工件在中间 工位时的结构主视图。图6为图5的K-K向剖视图。
具体实施例方式如图la、Ib所示，设定垂直轴ΑΑ’、第一水平轴CC’、第二水平轴DD’和旋转轴ΒΒ’; 所述垂直轴AA’、第一水平轴CC’、第二水平轴DD’和旋转轴BB’相交于球形工件11的球心 0，并且第一水平轴CC’与第二水平轴DD’垂直相交，旋转轴BB’与垂直轴AA’之间的夹角 为α，0 Z α Z 90° ；球形工件11可绕垂直轴ΑΑ’转动，绕旋转轴ΒΒ’转动，绕第二水平 轴DD’转动；直写物镜16可绕第一水平轴CC’在球形工件的最低点与凹面顶点对应的角度 β范围内转动。如图3、4所示，球形凹面上投影平行线图形的激光直写装置包括基座1，水平转台 2，立柱3，丝母座4，丝杠5，弧形导轨6，支撑块7，导轨滑块8，分度轴座9，分度轴10，第一 反射镜17，第二反射镜12，第三反射镜13，配重14，俯仰轴15，直写物镜16，激光快门18和 激光直写与校准系统19。水平转台2安装在基座1上，可相对于基座1绕自身轴线转动；立 柱3固定在水平转台2上偏离水平转台轴线的位置。丝杠5通过丝母座4与立柱3连接；支撑块7与丝杠5的顶端连接，可在丝杠5的驱动下垂直移动；支撑块7浮动支撑导轨滑块 8 ；分度轴座9固定在立柱上，分度轴10安装在分度轴座9上，分度轴10与导轨滑块8采用 滑块结构连接；弧形导轨6固定在立柱3上；球形工件11与导轨滑块8固定连接，可随导轨 滑块8沿弧形导轨6转动；球形工件11、导轨滑块8和分度轴10可一起绕分度轴10的轴 线旋转180°或180°整数倍的角度；配重14固定在水平转台2上与立柱3对称的位置上， 来保证水平转台2受力平衡；直写物镜16和第一反射镜17安装定位在俯仰轴15上，俯仰 轴15安装在轴座20上，直写物镜16、第一反射镜17和俯仰轴15可绕俯仰轴15的轴线转 动；轴座20与基座1固连为一体；水平转台2、分度轴10和俯仰轴15的轴线相交于球形工 件11的球心，分度轴10的轴线与水平转台的轴线之间的夹角α在0°和90°之间；第二 反射镜13、第三反射镜12固定在轴座20的外侧，激光直写与校准系统19出射的平行激光 束经激光快门18入射到第二反射镜13，经第二反射镜13、第三反射镜12和第一反射镜17 转向入射到直写物镜16，聚焦在球形工件11的凹面上。下面以半球形工件凹面上投影平行线刻划为例，对本发明作进一步详细说明。如图2(a)所示，关闭激光快门18，直写物镜16随俯仰轴15向下转动至球形工件 最低点以上的设定位置处；然后球形工件11随水平转台2转动至刻划口径外左下边缘的第 一点P与直写物镜焦斑重合。打开激光快门18，球形工件11随水平转台2逆时针(俯视) 转动，同时丝杠5在丝母座4内旋转下移，带动支撑块7下移，由于重力的作用，导轨滑块8 沿弧形导轨6移动，球形工件11向下转动；当球形工件11从图3、图4所示俯倾状态转至 图5、图6所示的侧立状态时(基座1必须要为半球下沿留出结构空间)，直写物镜焦斑处 于球形工件最低点与凹面顶点连线上的E点。球形工件11继续随水平转台2转动，同时丝 杠5在丝母座4内旋转上移，带动支撑块7上移，驱动导轨滑块8沿弧形导轨6移动，球形工 件11向上转动，直至球形工件11刻划口径外右下边缘的第二点P’与直写物镜焦斑重合， 关闭激光快门18。直写物镜16依据刻线间隔要求随俯仰轴15逆时针方向分度转动，球形 工件11随水平转台2逆时针(俯视)转动，至直写物镜焦斑与球形工件11刻划口径边缘 外的第三点Q重合。打开激光快门18，球形工件11随水平转台2顺时针(俯视)转动，同 时丝杠5在丝母座4内旋转下移，带动支撑块7下移，由于重力的作用，导轨滑块8沿弧形 导轨6移动，球形工件11向下转动；当球形工件11转至图5、图6所示的侧立状态时，直写 物镜焦斑处于球形工件最低点与凹面顶点连线上的Ε’点。球形工件11继续随水平转台2 转动，同时丝杠5在丝母座4内旋转上移，带动支撑块7上移，驱动导轨滑块8沿弧形导轨 6移动，球形工件11向上转动，直至刻划口径边缘外的第四点Q’与直写物镜焦斑重合，关 闭激光快门18。直写物镜16依据刻线间隔要求随俯仰轴15逆时针方向分度转动，球形工 件11随水平转台2顺时针(俯视)转动，至直写物镜焦斑与球形工件11刻划口径边缘外 的第五点R重合。重复上述过程，直至完成球形工件11凹面顶点与最低点之间投影平行线 刻划，关闭激光快门18。如图2(b)所示，球形工件11随分度轴10逆时针(或顺时针)转动180° ；如图2(c)所示，直写物镜16依据刻线间隔要求随俯仰轴15顺时针方向分度转 动，球形工件11随水平转台2转至直写物镜焦斑与球形工件11刻划口径边缘外的第六点 S重合。打开激光快门18，球形工件11随水平转台2逆时针(俯视)转动，同时丝杠5在 丝母座4内旋转下移，带动支撑块7下移，由于重力的作用，导轨滑块8沿弧形导轨6移动，球形工件11向下转动；当球形工件11转至图5、图6所示的侧立状态时，直写物镜焦斑处 于球形工件最低点与凹面顶点连线上的F点。球形工件11继续随水平转台2转动，同时丝 杠5在丝母座4内旋转上移，带动支撑块7上移，驱动导轨滑块8沿弧形导轨6移动，球形 工件11向上转动，直至球形工件11刻划口径外的第七点S’与直写物镜焦斑重合，关闭激 光快门18 ；直写物镜16依据刻线间隔要求随俯仰轴15顺时针方向分度转动，球形工件11 随水平转台2顺时针(俯视)转动，至直写物镜焦斑与球形工件11刻划口径边缘外的第八 点T重合。打开激光快门18，球形工件11随水平转台2顺时针(俯视)转动，同时丝杠5 在丝母座4内旋转下移，带动支撑块7下移。由于重力的作用，导轨滑块8沿弧形导轨6移 动，球形工件11向下转动。当球形工件11转至图5、图6所示的侧立状态时，直写物镜焦斑 处于球形工件最低点与凹面顶点连线上的F’点。球形工件11继续随水平转台2转动，同 时丝杠5在丝母座4内旋转上移，带动支撑块7上移，驱动导轨滑块8沿弧形导轨6移动， 球形工件11向上转动，直至球形工件11刻划口径外的第九点T’与直写物镜焦斑重合，关 闭激光快门13。直写物镜16依据刻线间隔要求随俯仰轴15顺时针方向分度转动，球形工 件11随水平转台2顺时针(俯视)转动，至直写物镜焦斑与球形工件11刻划口径边缘外 的第十点U重合。重复上述过程，直至完成剩余区域内投影平行线的刻划，关闭激光快门。当直写物镜16转至图4位置时(半口径线条已刻完)，球形工件11绕BB’轴线旋 转180°，接续前面已刻完线条，直写物镜16从图4位置沿CC’轴线开始顺时针方向分度转 动，直写物镜每转动到一个设定角度，水平转台2带动球形工件11沿AA’轴线转动，丝杠5 驱动弧形导轨6带动球形工件11绕DD’轴线转动，使直写物镜焦斑在球形工件凹面上刻划 出一条投影水平线。当直写物镜16顺时针转至工件下沿(原上沿)时，半球凹面上全口径 投影平行线就刻划完毕了。本发明半球凹面上生成投影平行线的激光直写法的具体步骤是(参考图3)，首先 安装球形工件11与导轨滑块8之间固定，将球形工件11转至图1俯视图的位置(图中以 半球母线边缘为例，实际以待刻线口径边缘为准)，即直写焦斑处于工件口径边缘，直写物 镜16转至焦斑处于球形工件11 口径下沿位置。打开光路，通过水平转台2带动球形工件 11沿AA’轴线转动，同时通过丝杠5驱动弧形导轨6带动球形工件11绕DD’轴线转动，刻 划出一条在半球口径平面上投影为平行线的线条。本发明的原理机构只要再增加一个球形工件11与导轨滑块8间可拆卸后旋转 90°能重新安装旋转的滑块结构，就可以生成半球凹面上全口径投影平行网格图形。依据 结构尺寸和工件口径与半径之比调整转角和运动范围，本发明也可推广至超半球上网格图 形的加工。
权利要求
一种球形凹面上投影平行线图形的激光直写方法，其特征在于包括下述步骤(1)设定垂直轴AA’、第一水平轴CC’、第二水平轴DD’和旋转轴BB’；所述垂直轴AA’、第一水平轴CC’、第二水平轴DD’和旋转轴BB’相交于球形工件的球心O，并且第一水平轴CC’与第二水平轴DD’垂直相交，旋转轴BB’与垂直轴AA’之间的夹角为α，0∠α∠90°；(2)直写物镜绕第一水平轴CC’在球形工件的最低点与凹面顶点对应的角度β范围内转动；直写物镜每转动到一个设定角度，控制球形工件在绕垂直轴AA’转动的同时也绕第二水平轴DD’向下转动；当球形工件转至侧立状态时，直写物镜焦斑处于球形工件最低点与凹面顶点的连线上；此时，控制球形工件在绕垂直轴AA’转动的同时也绕第二水平轴DD’向上转动；在球形工件转动过程中，控制激光快门的开启和关闭，使直写物镜焦斑在球形工件凹面上刻划出一条投影水平线；重复该过程直至完成球形工件的凹面顶点与最低点之间投影平行线的刻划；(3)使球形工件绕旋转轴BB’转动180°；(4)直写物镜绕第一水平轴CC’在球形工件的最低点与凹面顶点对应的角度β范围内转动；直写物镜每转动到一个设定角度，控制球形工件在绕垂直轴AA’转动的同时也绕第二水平轴DD’向下转动；当球形工件转至侧立状态时，直写物镜焦斑处于球形工件最低点与凹面顶点的连线上；此时，控制球形工件在绕垂直轴AA’转动的同时也绕第二水平轴DD’向上转动；在球形工件转动过程中，控制激光快门的开启和关闭，使直写物镜焦斑在球形工件凹面上刻划出一条投影水平线；重复该过程直至完成球形工件的凹面顶点与最低点之间投影平行线的刻划。
2.一种球形凹面上投影平行线图形的激光直写装置，基座(1)，水平转台(2)，立柱 (3)，直写物镜(16)，轴座(20)，第一反射镜(17)，第二反射镜(12)，第三反射镜(13)，激光 快门18)和激光直写与校准系统(19)；水平转台(2)安装在基座⑴上，可相对于基座⑴ 绕自身轴线转动；立柱(3)固定在水平转台(2)上偏离水平转台轴线的位置，轴座(20)与 基座(1)固连为一体；第二反射镜(13)、第三反射镜(12)固定在轴座(20)的外侧，激光直 写与校准系统(19)出射的平行激光束经激光快门18入射到第二反射镜(13)，经第二反射 镜(13)、第三反射镜(12)和第一反射镜(17)转向入射到直写物镜(16)，聚焦在球形工件 (11)的凹面上；其特征在于还包括丝母座(4)，丝杠(5)，弧形导轨(6)，支撑块(7)，导轨滑 块(8)，分度轴座(9)，分度轴(10)，俯仰轴(15)；丝杠(5)通过丝母座(4)与立柱(3)连 接；支撑块(7)与丝杠(5)的顶端连接，可在丝杠(5)的驱动下垂直移动；支撑块(7)浮动 支撑导轨滑块(8)；分度轴座(9固定在立柱(3)上，分度轴(10)安装在分度轴座(9)上， 分度轴(10)与导轨滑块(8)采用滑块结构连接；弧形导轨(6)固定在立柱(3)上；球形工 件(11)与导轨滑块(8)固定连接，可随导轨滑块(8)沿弧形导轨(6)转动；直写物镜(16) 和第一反射镜(17)安装定位在俯仰轴(15)上，俯仰轴(15)安装在轴座(20)上，直写物镜 (16)、第一反射镜(17)和俯仰轴(15)可绕俯仰轴(15)的轴线转动；水平转台、分度轴(10) 和俯仰轴(15)的轴线相交于球形工件的球心，分度轴(10)的轴线与水平转台的轴线之间 的夹角α在0°和90°之间。
全文摘要
本发明涉及一种球形凹面上投影平行线图形的激光直写方法，该方法包括下述步骤设定垂直轴AA’、第一水平轴CC’、第二水平轴DD’和旋转轴BB’；直写物镜绕第一水平轴CC’每转动到一个设定角度，控制球形工件在绕垂直轴AA’转动的同时也绕第二水平轴DD’转动；在球形工件转动过程中，控制激光快门，使直写物镜焦斑在球形工件凹面上刻划出一条投影水平线；重复该过程直至完成球形工件凹面投影平行线的刻划。本发明能够在球形工件凹面上刻划出投影平行线，将球形工件再旋转90°，重复投影平行线的刻划过程即可在球形工件凹面上生成占空比基本一致的网格图形，使制备该非连续透明导电膜的整流罩从中心至边缘光学透过性能一致。
文档编号B23K26/00GK101885111SQ201010190079
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者冯晓国, 梁凤超, 赵晶丽, 高劲松 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所