用于IR光学应用的使用低软化点光学玻璃的光学粘结和形成的产品制造技术

本发明专利技术涉及一种红外器件，其包括至少两个由具有红外光谱透明性的低熔点玻璃粘结在一起的光学元件，并且涉及制造和使用所述红外器件的方法。

【技术实现步骤摘要】
用于IR光学应用的使用低软化点光学玻璃的光学粘结和形成的产品
本专利技术涉及红外器件，优选红外光学器件，仪器或系统，其在近红外、中红外和/或远红外光谱中透射光，并且任选地还在至少一部分可见光光谱中透射光。特别地，本专利技术涉及这样的器件，其中至少两个光学元件通过低熔点玻璃被粘结或胶合在一起，所述低熔点玻璃在所述一种或多种红外光谱中和任选地一部分可见光光谱中透光。所述粘结玻璃的折射率优选地接近于所述待粘结光学元件中的至少一个的折射率或者介于所述光学元件的折射率之间。本专利技术还涉及制造所述红外器件的方法，特别地涉及将两个或更多个红外光学元件粘结或胶合在一起的方法，和含有被粘结或胶合在一起的两个或更多个光学元件的红外器件的使用方法。 本专利技术包括使用几种低熔点玻璃作为粘结玻璃，它们在所关注的多种范围内具有透明性，例如在近红外范围(例如700nm到1.8μL?)、中红外范围(例如3.0-5.0 μ m)和/或远红外范围(例如8.0-13.0 μ m)中，并且具有多种如下的折射率，其优选在1.4到6.0的范围，更优选地在1.5到4.0的范围，例如2.0,2.5,3.0,3.5和4.0。 所述的粘结玻璃作为器件中两个光学表面之间的粘结层，所述的器件包括双合镜，三合镜，分光棱镜，双色镜和三色镜，光谱滤波器，正像(Porro-Abbe和Schmidt-Pechan)棱镜 ,渥拉斯顿和格兰_泰勒偏振片，例如阿米西棱镜的分光镜器件，以及其它器件。这些器件可应用在例如双筒镜、望远镜、瞄具以及科学仪器的光学系统中。优选地，所述产品和器件能够在IR波长中工作。特别关注的是多合镜，分束器，双色或三色镜，偏振片以及正像棱镜，这是由于它们都可用于成像系统或其它的红外仪器中。 本专利技术使得众多的被制造出来用于可见光谱的粘结光学器件扩展到了红外器件的新范围，例如，具有多个被粘结在一起的光学元件的任何光学器件，或者具有彼此协同工作的多个光学元件的任何光学器件，都可通过选择在IR范围透射的光学元件而转换成红外器件，所述光学元件通过本专利技术的粘结玻璃被粘结在一起。
技术介绍
目前，有很多器件在它们的制造过程中需要使用光学粘结技术。这包括双合镜和三合镜，分光棱镜，双色镜和三色镜，光谱滤波器，正像(Porro-Abbe和Schmidt-Pechan)棱镜，渥拉斯顿和格兰-泰勒偏振片，例如阿米西棱镜的分光镜器件，以及其它的。当这些器件被用于电磁光谱的可见及UV波段时，使用例如环氧树脂和硅树脂的光学透明粘合剂来组装所述器件。但是，在光谱的红外波段，在这些材料中的有机化学物质的光吸收作用使得这些物质不透明。结果，这些器件中的很多不能被构造用于IR光谱波段。 之前克服这个问题的尝试包括使用精心选择的聚合物作为粘结剂，例如聚乙烯(其在所有热固化聚合物中具有最低的IR吸收率)。但是，这些尝试所产生的透明率都是比较差的。这部分地是由于材料的红外吸收性，部分是由于该材料的结晶倾向所导致的光学散射，部分是由于该材料的折射率(~1.5)与被粘结光学元件折射率(通常2-4)的不匹配，其造成界面处的强反射。 将光学元件与玻璃粘结在一起的一个重要考虑是粘结玻璃的折射率与被粘结的光学元件的折射率相匹配以最小化界面处的反射。通常，有两种方式来实现折射率匹配或将粘结玻璃的折射率调整到被粘结元件以在界面处提供低的反射。 第一种选择是选择粘结玻璃的折射率介于被粘结材料的折射率之间，优选地将粘结玻璃的折射率调整到被粘结的两种材料的折射率几何平均值。这种方式的优势是消除了在很多应用中的涂层需求，而涂层是一种典型的调整不同材料之间界面处的反射率的方式。在一种材料或两种材料上取消此类涂层的优势在于降低费用，并且当在被粘结的光学元件上没有涂层时，粘结强度可能得到增强。 例如，具有1.5折射率(η)的低折射率玻璃将具有4%的反射率，而具有2.5折射率η的高折射率玻璃将具有18%的反射率，这是由于它们之间的气隙所造成的，如根据菲涅尔方程所计算的，菲涅尔方程对于法向入射光被简化，即，反射率=[(H1-H2)/(?+?)]2,其中，对于空气η = I。当然，对于特殊的器件或光学系统，当光的入射角度已知时，还可以使用公知的考虑光线以一定角度入射的更扩展的公式。对于典型的应用，如上面提到的那样高的反射率是不可接受的，因此需要使用至少一个涂层以降低反射。但是，如果粘结这些光学元件的玻璃的折射率等于这两个被粘结元件的折射率的几何平均值，η =(1.5X2.5)1/2，则两个界面处的每个的反射率将降低到只有1.6%，从而对于典型的应用来说不再需要涂层。 但是，上述选择具有一个缺点，即薄粘结层可能会在两个界面之间产生光学干涉。这在特定情况下会成为问题，例如，当Ge(n = 4.0)被粘结到CaF2 (η = 1.45)时,会在每个表面上产生6%的反射率。这样的方式还可能产生重影或者产生随波长变化的透射率。 另外的方式是提供干涉图案以产生抗反射涂层，在重要的波长处甚至进一步降低反射率，但是这要求对粘结层的厚度和均匀性进行精细的控制。这些考虑都是公知的，本领域普通技术人员在给定的条件下都能设计出合适的方法。
技术实现思路
一种可选的选项是将粘结玻璃的折射率调整为非常接近被粘结的两种材料中的一种的折射率，例如差别为10%以内，更优选地是5%或更小，还优选地折射率值等于或者介于被粘结的两种光学元件的折射率之间。这样的方法具有的优势是完全或者基本完全地消除了一个反射，并且允许粘结层厚度从几微米到几百微米的宽范围变化，这是由于不会发生干涉现象。但是，由于此时在另一个剩余的界面处更高的总反射率，第二种材料将很可能需要涂层。通常必须为粘结玻璃专门设计涂层。但是，由于粘结玻璃与第二种光学元件之间的折射率失配将小得多，所以在这种情况下提供涂层将比针对空气提供抗反射涂层同样要容易得多，这样，就有了更多的设计选项。 例如，两种材料，一种的折射率为η = 1.5，另外一种折射率为η = 2.5，粘结玻璃层的折射率为η = 1.5，将仅产生6%的反射率，这种情况没有上面讨论的两个1.6%的反射率有利。在这种情况下，可能需要使用涂层，对于η = 2.5的玻璃进行涂层以针对η = 1.5进行减反射，这相对于针对空气来提供减反射涂层要简单很多，这是因为空气的折射率是η= LO0 对于上述实例，使用如下的可选方式，即使用η = 2.5的粘结玻璃材料，然后对η=1.5的玻璃提供涂层以减反射。得到的产品将会产生相似的结果，但是需要的是一种不同的涂层设计，并且在胶粘促进剂层中也可能会有一些差异。 主要的胶粘促进剂层包括Ge02、Mg0、Zn0以及类似的氧化物，它们提供非常强的共价键并且具有一定程度的IR透明性。这必须非常薄以避免在LWIR(通常为几十个纳米)处产生成问题的吸收。当需要任何类型的涂层时，所述胶粘促进剂层通常通过溅射技术来施加。所述胶粘促进剂层对于粘结例如硫系玻璃或氧化物玻璃是不需要的，但是对于例如BaF2的氟化物材料则可能是更优选的。 另外一方面，可有效地施加聚合物-玻璃结合体作为胶粘促进剂层，或者在可选实施方式中将其用作粘结玻璃本身。例如，可制造出具有宽范围可调折射率的硫属化物-本文档来自技高网...

【技术保护点】
两个光学元件的红外光学结合体，所述光学元件具有红外透射性，通过具有红外透射性的粘结玻璃将所述两个光学元件粘结在一起，其条件是排除以下的玻璃作为粘结玻璃：包含硒和硫以及任选地砷、硼、磷或硅的玻璃，以及含卤硫系玻璃。

【技术特征摘要】
2013.03.15 US 61/790,3581.两个光学元件的红外光学结合体，所述光学元件具有红外透射性，通过具有红外透射性的粘结玻璃将所述两个光学元件粘结在一起， 其条件是排除以下的玻璃作为粘结玻璃:包含硒和硫以及任选地砷、硼、磷或硅的玻璃，以及含卤硫系玻璃。2.根据权利要求1所述的两个光学元件的红外光学结合体，其中所述粘结玻璃是Tg< 400°C并且膨胀小于15ppm/K的氧化物玻璃，Tg < 150°C并且膨胀小于50ppm/K的硫系玻璃，Tg小于100°C的卤化物玻璃，或者玻璃Tg为50-250°C的混合玻璃体系。3.根据权利要求1所述的两个光学元件的红外光学结合体，其中所述粘结玻璃为以下玻璃体系之一的玻璃:R2O-MO-B2O3,其中 R = L1、Na、K、Rb 和 / 或 Cs，并且 M = Mg、Ca 和 / 或 Ba ;R2O-Al2O3-CuO2-P2O5，其中 R = L1、Na、Rb 或 Cs ;R2O-Al2O3-XO-TO3-P2O5，其中 X = Zn 或 Sn，T = W 或 Mo，并且 R = Ag、Tl、L1、Na、Rb 或Cs ；R2O-ZnO-TeO2，其中 R = L1、Na、K、Rb 或 Cs ； Ge-As-S-Se，其中 S+Se > 70% ；As = 0-30 并且 Ge = 0-20% ； Te-As-Ge-Se，其中 Te = 30-80%, Te+Se > 70%并且 Ge+As = 10-30% ； Rc1-AlCl3-CdCl2-ZnC l2，其中 ZnCl2 > 50%，并且 R = Na、K、Rb 或 Cs ； RX-PbX2-AgX-Bi2X3，其中 X = Cl 或 fc，Pb+Ag < 15%,Bi2X3 > 40%，并且 R = K、Rb 或Cs ； CsX-PbX2-AgX,其中 X = Br 或 I，I > Br，PbX > 60%，并且 CSX = 0-25% ； Agl-PbO，其中 PbO > 60% ；TeO2-BaO-Na2O-ZnX2，其中 X...

【专利技术属性】
技术研发人员：内森·阿伦·卡利，
申请(专利权)人：肖特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US