CN103091743B - 金属陶瓷光学反射镜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属陶瓷光学反射镜及其制造方法，为解决现有产品制造周期长且成本高的问题而设计。本发明金属陶瓷光学反射镜包括金属陶瓷底板、轻量化槽、钝化层、底层金属层、光学层、上层金属层和陶瓷膜。本发明金属陶瓷光学反射镜制造方法包括步骤：加工金属陶瓷底板、切割外形、加工轻量化槽、热处理、稀土钝化、沉积底层金属层、沉积光学层、预应力热处理、抛光、镀上层金属层和陶瓷膜。本发明金属陶瓷光学反射镜的主体为金属陶瓷底板结构合理，有效地缩短了生产周期，降低了制造成本。本发明金属陶瓷光学反射镜制造方法工艺流程简明，所得光学反射镜性能良好，可用于空间遥感器的对地观测，或用于航空对地拍摄或测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属陶瓷光学反射镜及其制造方法。
背景技术
光学反射镜(Front Surface Mirror)是在光学玻璃的前表面镀一层金属银(或铝)薄膜从而使入射光反射的光学元件。采用镀膜膜面反射镜，得到的图象不仅亮度高，而且精确无偏差，画质更清晰，色彩更逼真。前表面反射镜广泛为光学高保真扫描反射成像之作用。
优质的光学反射镜要求重量小、尺寸稳定和镜面光学特性好，目前高性能的光学反射镜主要有光学玻璃型、碳化硅反应烧结型和金属铍型三种。三种光学反射镜各有优点，但它们存在共同的缺点：生产制造的周期长且成本高。
发明内容
为了克服上述的缺陷，本发明提供一种金属陶瓷光学反射镜以及生产制造周期短且成本低的金属陶瓷光学反射镜制造方法。
为达到上述目的，一方面，本发明提供一种金属陶瓷光学反射镜，所述反射镜包括金属陶瓷底板，以及依次设置在所述金属陶瓷底板正面的钝化层、底层金属层、光学层、上层金属层和陶瓷膜；在所述金属陶瓷底板的背面上形成有至少一条轻量化槽。
特别是，所述底层金属层的材料为金或铜。
另一方面，本发明提供一种金属陶瓷光学反射镜制造方法，所述方法包括下述步骤：
3.1磨削后研磨金属陶瓷底板，令镜面面型精度在3μm±1μm，表面粗糙度应达到Ra0.2μm；
3.2线切割所得金属陶瓷底板的外形；
3.3加工轻量化槽，热处理；
3.4对所得镜面进行稀土钝化，形成钝化层；
3.5在所得钝化层上采用磁控溅射方式沉积厚度20nm、纯度99.995％的金或铜，形成底层金属层；
3.6采用离子沉积工艺在所得底层金属层上沉积光学层，光学层的材料为镍95％(重量比)、钴3％(重量比)、锌1％(重量比)和铁1％(重量比)，金属纯度为99.995％；
3.7对所得结构做预应力热处理；
3.8化学抛光；
3.9利用磁控溅射工艺镀一层金属形成上层金属层，在所述上层金属层上镀一层陶瓷膜。
特别是，步骤3.3中加工轻量化槽的方法为：在铣床上使用烧结或电镀金刚石磨头加工轻量化槽，槽底部形成圆滑过渡。
特别是，步骤3.3中热处理的方法为：以2℃/min的速度加温至155±5℃，保温4小时后以1.5℃/min的速度降至室温；放置48小时后再重复一次上述步骤。
特别是，步骤3.4中稀土钝化的步骤为：
6.1使用无水酒精清洗所得镜面并自然晾干；
6.2用超声波清洗机清洗镜面一次，介质为高纯度煤油，频率为22kHz，时间15分钟；
6.3将镜面在干燥箱内115℃烘30分钟；
6.4将纯度为99％的三氯化铈和去离子水配成浓度1500ppm的主试剂，在搅拌机内混合30分钟后加入重量比5％的双氧水并搅拌15分钟；将镜子浸泡8分钟后取出，在125℃烘45分钟。
特别是，步骤3.6中沉积光学层采用多靶材沉积方式，光学层的厚度为85μm。
特别是，步骤3.7对所得结构做预应力热处理的步骤包括：
8.1温度255℃±5℃退火，保温6小时后炉冷至室温；
8.2以25℃±2℃/min速度骤降至-125℃±5℃，保持30分钟；
8.3以3℃±2℃/min升至室温；
8.4采用人工时效方法即-135℃～+155℃循环三次，保温时间45分钟，温度升降速率均为1.5℃±2℃/min。
特别是，步骤3.9中所述上层金属层的材料为金、银或铝，所述陶瓷膜材料为氧化硅。
本发明金属陶瓷光学反射镜的主体为金属陶瓷底板，轻量化槽和各层镀膜的加工更加方便，结构合理，有效地缩短了生产周期，降低了制造成本。生产成本较现有方法降低40％，周期缩短60％。
本发明金属陶瓷光学反射镜制造方法实现了本发明金属陶瓷光学反射镜，工艺流程简明，所得光学反射镜性能良好。利用本方法制造的光学反射镜面形精度(均方根)可达150nm，反射率达到98％，轻量化率达到60％。本发明对设备等条件要求低，可以使用现有设备制造大口径轻量化光学反射镜。所得光学反射镜可用于空间遥感器的对地观测，也可大批量生产小型反射镜用于航空对地拍摄或测量。
附图说明
图1为本发明镜坯结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和优选实施例对本发明做详细描述。
如图1所示，金属陶瓷光学反射镜包括金属陶瓷底板1，形成在金属陶瓷底板背面上的轻量化槽2，以及依次设置在金属陶瓷底板1正面的钝化层3、底层金属层4、光学层5、上层金属层6和陶瓷膜7。
优选实施例一：将金属陶瓷板上下面两侧都加工到设定尺寸，形成金属陶瓷底板1。采用快走丝线切割机在金属陶瓷底板1周边切出外形，这样获得的零件残余应力最小。
在铣床上使用使用电镀金刚石磨头在金属陶瓷底板1的背面加工轻量化槽2，槽底部形成圆滑过渡，以避免应力集中。然后进行热处理，消除前阶段加工产生的残余应力。以2℃/min的速度加温至157℃，保温4小时后以1.5℃/min的速度降至室温。放置48小时后再重复一次上述步骤。此时镜坯应力在35MPa左右。
使用无水酒精清洗镜坯并自然晾干，然后再用超声波清洗机清洗一次，介质为高纯度煤油，频率为22kHz，时间15分钟。将清洗后的镜坯放入在干燥箱内，115℃烘30分钟。
将纯度为99％的三氯化铈和去离子水配成浓度1500ppm的主试剂，在搅拌机内混合30分钟后加入重量比5％的双氧水并搅拌15分钟。将镜坯放入该溶剂中浸泡8分钟后取出，125℃烘45分钟。此时在镜面形成一个厚度1.5μm、结合牢固而稳定的钝化层3。稀土液体钝化的目的是利用稀土氧化膜使镜面绝对粗糙度由之前的25μm进一步降低至5μm。
在钝化层3上采用磁控溅射的方式沉积一层20nm厚的金，金的纯度为99.995％，形成底层金属层4。在底层金属层4上采用离子沉积工艺沉积光学层5，光学层5的材料为镍95％，钴3％，锌1％，铁1％。金属纯度为99.995％，配比按重量比。加铁元素是为了使光学层与镜坯的热膨胀系数匹配，均为8.5x10-6ppm。
为了充分消除残余应力，接下来做预应力热处理，以使所得金属陶瓷光学反射镜能够长期保持面型精度。经过大量去应力试验和测试后发现，在残余应力降低到一定程度后，传统的热处理或振动时效都失去效果。而人为施加一个应力后再采用一定参数的退火工艺，可将残余应力控制在极低的水平，不会因应力释放而使镜子产生精度损失。具体的预应力热处理方法是：首先退火按255℃保温6小时后炉冷至室温，然后施加预应力，以25℃/min速度骤降至-125℃，保持30分钟后再以3℃/min升至室温。此时镜坯应力升高至100MPa左右，采用人工时效方法即-135℃～+155℃循环三次，保温时间45分钟，温度升降速率均为1.5℃/min。温控精度±5℃，温度均匀性为±2℃。采用上述方法可将镜坯的残余应力值降低至5Mpa左右，因为金属陶瓷的微蠕变应力高达120MPa，因此不必担心长期使用后镜子的精度下降问题。
在环抛机上用传统抛光法对产品进行化学抛光。在光学层5上磁控溅射镀上一层纯度达到4个9的银，形成上层金属层6。化学抛光后的镜面反射率在80％左右，形成上层金属层6可以进一步提高反射率(通常要求在800nm波段达到98％)。然后在上层金属层6上镀一层氧化硅，形成硬度高且透光性能好的保护膜7，以避免在后续工作中划伤镜面。对包括尺寸、面型精度和反射率等项目在内的指标进行检测。
优选实施例二：利用金刚石砂轮在磨床上磨削金属陶瓷板至镜厚有0.05mm的加工余量，然后手工或使用研磨机将镜面厚度研磨到设计尺寸，形成金属陶瓷底板1。此时镜面面型精度在2μm～4μm，表面粗糙度应达到Ra0.2μm。采用快走丝线切割机切出金属陶瓷底板1的周边外形，以获得最小的残余应力。
在铣床上使用烧结金刚石磨头在金属陶瓷底板1的背面加工轻量化槽2，机床主轴转速在2000rpm左右。槽底部应圆滑过渡，避免应力集中现象。
为了消除前阶段加工产生的残余应力，进行热处理。以2℃/min的速度加温至155±5℃，保温4小时后以1.5℃/min的速度降至室温。放置48小时后再重复一次上述步骤。此时镜坯应力在35MPa左右。
机械加工完成后，使用无水酒精清洗镜子并自然晾干。再用超声波清洗机清洗一次，介质为高纯度煤油，频率为22kHz，时间15分钟。然后在干燥箱内115℃烘30分钟。将纯度为99％的三氯化铈和去离子水配成浓度1500ppm的主试剂，在搅拌机内混合30分钟后加入重量比5％的双氧水并搅拌15分钟。将镜子浸泡8分钟后取出，在125℃烘45分钟。此时镜面形成一个厚度1.5μm、结合牢固而稳定的钝化层3。稀土液体钝化的目的是利用稀土氧化膜使镜面绝对粗糙度由之前的25μm进一步降低至5μm。
在钝化层3上采用磁控溅射的方式沉积厚度20nm、纯度99.995％的铜，形成底层金属层4。在底层金属层4上采用多靶材沉积方式沉积厚度85μm的光学层5，光学层5的材料为镍95％、钴3％、锌1％和铁1％，金属纯度为99.995％，配比按重量比。加铁元素是为了使光学层与镜坯的热膨胀系数匹配。
为了充分消除残余应力，使结合面更加牢固，令反射镜能够长期保持面型精度，对产品做预应力热处理。退火按255℃保温6小时后炉冷至室温，然后施加预应力，以25℃/min速度骤降至-125℃，保持30分钟后再以3℃/min升至室温。此时镜坯应力升高至100MPa左右，采用人工时效方法即-135℃～+155℃循环三次，保温时间45分钟，温度升降速率均为1.5℃/min。温控精度±5℃，温度均匀性为±2℃。采用上述方法可将镜坯的残余应力值降低至5Mpa左右。
在环抛机上用传统抛光法对产品进行化学抛光。为了加工红外反射镜，在光学层5上磁控溅射镀一层厚度30nm的金膜，形成上层金属层6。为了避免在后续工作中划伤镜面，最后还要镀一层硬度高且透光性能好的氧化硅，形成保护膜7。对包括尺寸、面型精度和反射率等项目在内的指标进行检测。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种金属陶瓷光学反射镜制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
3.1磨削后研磨金属陶瓷底板，令镜面面型精度在3μm±1μm，表面粗糙度应达到Ra0.2μm；
3.2线切割所得金属陶瓷底板的外形；
3.3加工轻量化槽，热处理；
3.4对所得镜面进行稀土钝化，形成钝化层；
3.5在所得钝化层上采用磁控溅射方式沉积厚度20nm、纯度99.995％的金或铜，形成底层金属层；
3.6采用离子沉积工艺在所得底层金属层上沉积光学层，光学层的材料为镍95％(重量比)、钴3％(重量比)、锌1％(重量比)和铁1％(重量比)，金属纯度为99.995％；
3.7对所得结构做预应力热处理；
3.8化学抛光；
3.9利用磁控溅射工艺镀一层金属形成上层金属层，在所述上层金属层上镀一层陶瓷膜。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷光学反射镜制造方法，其特征在于，步骤3.3中加工轻量化槽的方法为：在铣床上使用烧结或电镀金刚石磨头加工轻量化槽，槽底部形成圆滑过渡。
3.根据权利要求1所述的金属陶瓷光学反射镜制造方法，其特征在于，步骤3.3中热处理的方法为：以2℃/min的速度加温至155±5℃，保温4小时后以1.5℃/min的速度降至室温；放置48小时后再重复一次上述步骤。
4.根据权利要求1所述的金属陶瓷光学反射镜制造方法，其特征在于，步骤3.4中稀土钝化的步骤为：
6.1使用无水酒精清洗所得镜面并自然晾干；
6.2用超声波清洗机清洗镜面一次，介质为高纯度煤油，频率为22kHz，时间15分钟；
6.3将镜面在干燥箱内115℃烘30分钟；
6.4将纯度为99％的三氯化铈和去离子水配成浓度1500ppm的主试剂，在搅拌机内混合30分钟后加入重量比5％的双氧水并搅拌15分钟；将镜子浸泡8分钟后取出，在125℃烘45分钟。
5.根据权利要求1所述的金属陶瓷光学反射镜制造方法，其特征在于，步骤3.6中沉积光学层采用多靶材沉积方式，光学层的厚度为85μm。
6.根据权利要求1所述的金属陶瓷光学反射镜制造方法，其特征在于，步骤3.7对所得结构做预应力热处理的步骤包括：
8.1温度255℃±5℃退火，保温6小时后炉冷至室温；
8.2以25℃±2℃/min速度骤降至-125℃±5℃，保持30分钟；
8.3以3℃±2℃/min升至室温；
8.4采用人工时效方法即-135℃～+155℃循环三次，保温时间45分钟，温度升降速率均为1.5℃±2℃/min。
7.根据权利要求1所述的金属陶瓷光学反射镜制造方法，其特征在于，步骤3.9中所述上层金属层的材料为金、银或铝，所述陶瓷膜材料为氧化硅。
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