CN110506223A

CN110506223A - 一种反射镜及其制造方法

Info

Publication number: CN110506223A
Application number: CN201780079734.5A
Authority: CN
Inventors: 手岛雅宏; 拉兹米克·米尔扎杨; 威尔第·瓦尔瑟奇; 罗伯特·班汉姆
Original assignee: Mitiarario (sa) Co Ltd; Max Planck Society For Promotion Of Science
Current assignee: Mitiarario (sa) Co Ltd; Max Planck Society For Promotion Of Science
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: JP6927536B2; CN110506223B; JP2020502582A; EP3339918A1; EP3559711A1; WO2018115276A1; US11550082B2; US20200096682A1

Abstract

本发明提供一种反射镜及其制造方法，其中反射镜(200)包括载体(10)，设置在载体(10)的主要的面上的反射层(20)，和设置在反射层(20)上方的透明层(30)，其中载体(10)包括基体(11)，其中基体(11)包括下列材料中的一种或多种：包含范围从0.1g/cm3到1.0g/cm3的密度的材料、多孔材料、发泡材料、包含含闭合单元的结构的材料，包含蜂窝状结构的材料，或包含碳纤维结构的材料。

Description

一种反射镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种反射镜，尤其涉及一种望远镜反射镜，以及制造该反射镜的方法。

背景技术

在露天类条件下使用的反射镜的主要问题之一是，例如，用于望远镜的反射镜，例如成像空气切伦科夫望远镜(IACT)，由于沙漠地区和高山地区恶劣的天气条件，它们的磨损相对较快。典型地，由于它们在露天条件下的耐久性不理想，在恶劣的露天条件下工作后，反射镜的反射率会显著下降。例如，反射镜的反射率在3-4年后会持续下降到原来水平的3/4。这被证实是一个非常重要的因素，例如，对于切伦科夫望远镜阵列(CTA)，它将为其设想的3种不同尺寸(直径为23米、12米和4米)的约100个望远镜使用数千平方米的面积。

如果反射镜不能被很好地保护，在3-4年的时间里则必须：生产新的反射镜，这将是非常昂贵的；或从望远镜中拆掉反射镜，运输反射镜，准备反射镜，再次运输反射镜，再次将反射镜安装在望远镜上并进行调整。因此，长寿命的反射镜可以使这样一个大阵仗操作的成本和时间更加有效。同样的理由也适用于其的他望远镜反射镜或用于其他用途的反射镜，例如太阳能收集器。

发明内容

根据本发明的第一个方面，公开一种反射镜包括载体、设于所述载体主要的面的上方的反射层，以及设于所述反射层上方的透明保护层，其中所述载体包括基体,其中所述基体包括下列材料中的一种或多种：包含范围从0.1g/cm3到1.0g/cm3的密度的材料，多孔材料，发泡材料，包含含闭合单元的结构的材料，包含蜂窝状结构的材料，或包含碳纤维结构的材料。

根据本发明的第二方面，公开一种制造反射镜的方法，包括提供载体，提供透明层，在透明层的主要的面上配置反射层，并连接所述透明层与所述载体，所述反射层面向所述载体。

本领域技术人员在阅读以下详细描述并考虑到附图后，会认识到本发明的附加特征和优势。

附图说明

附图提供了对实施例的进一步理解，并被纳入并构成本说明书的一部分。附图阐述了实施例，同时与说明书一起用于解释实施例的原理。通过参考下面的详细描述，其他实施例和实施例的许多预期优势变得更好的理解，从而能够更加容易地领会到。

图1包括图1A和1B，显示了横截面侧视图示意图(A)和根据第一方面的优选的反射镜的俯视图(B)。

图2显示了一根据一实施例的第一个方面的示例性反射镜的横截面侧视图示意图，其中所述反射镜包括载体，所述载体包括基体、分别贴于所述基体的前面和后面的前层和后层。

图3显示了用于阐述根据第二个方面的制备反射镜的方法的流程图。

图4包含图4A-4F，显示了用于阐述如图2中显示的带有曲面的反射镜的制备方法的横截面侧视图示意图。

图5包含图5A-5F，显示了用于阐述如图2中显示的带有曲面的反射镜的制备方法的横截面侧视图示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述这些方面和实施例，其中类似的附图标记通常自始至终用来指代类似的元件。在下面的描述中，为了便于解释，阐述了许多具体的细节，以便对实施例的一个或多个方面有一个全面的理解。然而，对于本领域的技术人员来说可能很明显的是，实施例的一个或多个方面利用更少程度的具体细节就可以实施。在其他情况下，已知的结构和元素以示意图的形式显示，以便于描述实施例的一个或多个方面。应当理解的是，可以利用其他实施例，可以在不偏离本发明范围的情况下进行结构或逻辑变换。应该进一步指出的是，这些图纸不是等比例的或者不一定是等比例的。

在下面的详细描述中，参考了附图，这些附图构成了本说明书的一部分，其中通过解释说明的方式显示了其中本发明可以被实施的的具体方面。就这点而言，方向术语，如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“背部”等，可以参照被描述的附图的方向而使用。由于所描述的反射镜的组件可以被放置在许多不同的方向上，因此可以使用方向术语进行说明，并且不受任何限制。可以理解的是，可以利用其他方面，也可以在不偏离本发明范围的情况下进行结构或逻辑变更。因此，以下的详细描述不应从限制的意义上进行理解，本发明的范围是由所附的权利要求书所限定的。

此外,实施例的特定特征或方面可能只披露了若干实施方式中的一种,这些的特征或方面可以与对于任意给定的或者特定的应用来说是理想的和有益的其他实施方式中的一个或多个特征或者方面相结合。此外，如果在详细描述或权利要求书中使用了术语“包括”、“有”、“带有”或他们的其他变体，则这些术语旨在以类似于术语“包含”的方式包容。术语“耦合的”和“连接的”，及其派生词可能会被使用。应该理解的是，这些术语可以用来表示两个元件或层相互合作或相互作用，无论它们是直接的物理接触还是电接触，还是相互之间没有直接接触。此外，术语“典型的”只是意味着一个实施例，而不是最好的或最佳的。因此，以下的详细描述不应从限制的意义上进行理解，本发明的范围是由所附的权利要求书所限定的。

在这种程度上，一种制造反射镜的方法也被描述为具有的特定顺序的方法步骤，应该提及的是，本领域技术人员可以采用该方法步骤的任何其他适当的顺序。应该进一步提及的是,任何被提及地与方法有关的特定的方法特征或方法步骤也被理解为公开了通过这些方法特征或方法步骤制备的反射镜，即使这样的反射镜没有在附图中明确地描述或阐明。此外，提到的与反射镜有关的任何特征、注释或评论也应被理解为揭示了一种方法特征或方法步骤，该方法特征或方法步骤指定了用于制造该反射镜的分别的特征的特定方法特征或方法步骤。

图1显示了根据第一方面的反射镜的横截面侧视图的示意图。如图1所示，反射镜100包括载体10、设置在载体10的主要的面上方的反射层20和设置在反射层20上方的透明层30。

在反射镜100的工作中，被反射镜100反射的光线从反射镜100的上方发出，穿过透明层30，并撞击反射层20，反射层20以期望的方式反射光线。反射镜100可以具有一平面或曲面。如果用作望远镜的反射镜，反射镜100将有一个具有预定义的曲率半径的曲面，这样光束将被聚焦到另一个反射镜或透镜或探测器上。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，反射镜100是通过以下步骤制造的：提供载体10，提供透明层30，将反光层20设置于透明层30的主要的面上,以及连接或使透明层30和载体10相互连接,反光层20面向载体10。根据上述实施例，连接或使透明层30和载体10相互连接包括任何类型的粘接类技术，例如，使用适当的胶水或粘合剂进行胶合或粘附。特别是在已经涂覆的透明层30与载体10胶合时，避免形成气泡或形成小的气泡可能是一个难点，但有肉眼可见的粉尘或污物仍会存在两者之间。一种选择可以是将直径范围为100μm到200μm，优选地约150μm，的微球加入胶水中。

反射层20可以被设置于透明层30的主要的面上，通过，例如，从蒸发源蒸发，或溅射，或通过(电)化学的方法。具体方法将取决于反射层20的材质。

因此，在反射层20上覆盖一个相对较厚的层，即透明层30成为可能，这就提高了反射镜200的寿命。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，该反射镜100进一步包括在载体10和反射层20之间的粘合剂或胶水层。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，透明层30包括一厚度范围从20μm到500μm；优选地，从30μm到450μm；更加优选地，从40μm到400μm。

根据第一方面的反射镜100的一个实施例，反射层20包括一厚度范围从50nm到200nm；优选地，从80nm到120nm。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，透明层30通常是可以被设置的，任一种易控制和运输的板，例如，可以涂覆反射层20，然后与载体10连接。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，透明层30为玻璃层；优选地为玻璃板或薄片；更加优选地，该玻璃板可以是商业上可以买到的，例如由像肖特(Schott)和/或康宁(Corning)这样的玻璃制造公司生产的超薄玻璃。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，透明层30的透明度一般指的是在从紫外到红外或至少可见光谱中的高透明度或部分透明度。优选地，指的是在至少从紫外到红外的光谱的主要部分，优选地从400nm到1000nm，中的至少90％的透明层的光谱透射率；。根据上述进一步的实施例，指的是在紫外光中或例如在300nm处的光谱透过率至少为50％；优选地，至少为60％；更加优选地，为70％；再更加优选地，为80％。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，反射层20的反射率指的是，在光谱范围从400到1000nm中的反射率，该反射率至少为80％；优选地，至少为90％。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，透明层30的材料是高硅玻璃或熔结石英玻璃。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，反射层20包括或由铝或银组成。而当波长≥500nm时，纯铝显示出约90％的峰值反射率，Ag可以显示出96％到98％的反射率至少从波长为400nm开始，银的反射率优于铝。因此，当整合全部光谱，例如，在典型波长范围300nm-650nm中的大气簇射产生的切伦科夫(Cherenkov)光，尽管铝在接近紫外范围内，即300nm到400nm内反射更好，铝和银反射镜将收集非常类似数量的光。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，反射层20包含介质材料；优选地，是不同介质材料层的堆叠。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，反射镜100包含直径或沿着一个方向的最大长度至少为0.5m，优选地，至少为1.0m,更优选地，至少为2.0m(例如，CTA的直径23米的LST望远镜使用了尺寸大约2米的反射镜)。在圆形反射镜情形中，这些数字指的是圆的直径，在正方形或矩形形状的反射镜情形中，例如附图1B中所示，这些数字指的是反射镜的两条边中的其中一条边或较长的一条边的长度。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，反射镜100包含特定的曲率，该曲率取决于反射镜的预期用途。优选地，如果将反射镜用于切伦科夫望远镜阵列(CTA)，每一个反射镜的曲率半径的范围为从1m到约60m(例如，CTA的23m直径的LST望远镜使用曲率半径约60m的反射镜)；优选地，范围为从2m到6m；更加优选地，范围为从3m到5m；更加优选地，约4m。在类似反射镜的其他应用中，例如太阳能收集器，曲率半径也可以小于1m。根据反射镜的预期用途，反射镜也可以包括抛物线形的或者圆柱形的曲率。例如，加州的太阳热能巨型阵列使用的是圆柱形的反射镜，其焦点处设置有一根长管，其中填充的的750℃下的熔融盐是流动的。望远镜不需要跟随太阳，因为长管或它的中心轴总是在焦点上。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，可以选择载体10和透明层30的材料，使它们各自的热膨胀系数(CTE)相等或CTE的可能偏差低于预定的阈值。正如将通过下面的实施例进一步概述的，载体10可以包括基体和一个或多个附在基体主要的面上的层。在这种情况下，例如，可以选择基体的材料,使得其CTE或者等于透明层20的CTE或者与透明层20的CET之间的差异的总和不超过各自较高的CTE的10％；优选地，不超过5％；更加优选地，不超过2％；更加优选地，不超过1％。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，载体10包括基体和设置在该基体上，优选地，设置在基体的主要的面上，的一个或多个层。对此，下面将进一步显示并解释说明其实施例。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，反射镜100进一步包含一个或多个设置于反射层20和透明层30之间的附加层，该一个或多个层被配置以提高反射层20的硬度、耐久性和电阻中的一个或多个。根据一进一步的实施例，该一个或多个附加层可能包括铬层，SiO₂层；优选地，为石英层，以及五氧化二钽层。这些层可能在最后一个步骤即反射层20被涂覆于层堆叠的顶部之前被涂覆于透明层30的主要的面上。

根据第一方面的反射镜100的一实施例,反射镜100包含配置于透明层30的上表面上的一个或多个附加层；优选地，包含用作抗反射层的层，其作用于从紫外到红外的光谱中的光；优选地，光谱中的可视部分的光。

根据第一方面的反射镜100的一实施例，透明层30的上表面可以是平的，如图1所示。根据另一个实施例，该上表面可包括一个规则的或不规则的结构。该结构被配置以(进一步)减少光线的不必要的反射，从而相反地促进更多的光线到达反射层20。

图2显示了根据第一方面的反射镜的一实施例。图2所示的反射镜200包含载体10、设置在载体10的主要的面的上方的反射层20，和设置在反射层20上方的透明层30。

根据图2中反射镜200的实施例，载体10包括基体11、设置于基体11的上面的主要的面的前层12，和设置于基体11下面的主要的面的后层13。

根据图2中反射镜200的一实施例，前层12和后层13中的一个或两个都可以由一个玻璃板组成。或者，前层和后层中的一个或两个都可以由塑料材料或任意其他合适的类似材料组成，例如任意非金属材料。前层12和后层13用于稳固载体10，但至少在原则上它们也是可以被省略，从而载体将只由基体11组成。

根据图2的反射镜200的一实施例，基体11包括范围为从0.1到3.0g/cm³的密度(如，对于实心玻璃，其密度将为2.7g/cm³)；优选地，范围为从0.1到1.0g/cm³。基体11的体密度在这样的一个范围内，一方面，确保机械强度足以适合作为反射镜的支撑基座,另一方面确保反射镜的体重足够小,以便反射镜不必承受因自身重力而产生的机械变形的问题。

根据图2中反射镜200的一实施例，基体11包括从20mm到60mm范围的厚度；优选地，为从30mm到50mm；更具加优选地，从35mm到45mm。

根据图2中反射镜200的一实施例，前层12和后层13中的一个或多个包括从1mm到3mm的厚度范围；优选地，从1.5mm到2.5mm。

根据图2中反射镜200的一实施例,基体11包括下列材料中的一种或多种：多孔材料、发泡材料、包含含闭合单元的结构的材料,、包含蜂窝结构的材料,或包含碳纤维的结构的材料,或者基体11仅仅是固体。

根据进一步的实施例，基体11可以包括铝蜂窝结构，该铝蜂窝结构是由铝材料壁形成的蜂窝状单元的规则排列。

根据其另一实施例，基体11包括熔融石英玻璃的多孔泡沫体，其由在氨气中加热由含羟基的二氧化硅组成的熔融石英玻璃粉末而制得的，该多孔泡沫体含有的主要是封闭单元。

根据图2的反射镜200的一实施例,前层12和后层13均通过粘合剂或胶水的方式粘附在基体11上，从而在基体11的两边各有一粘胶层，分别设置在基体11的上表面和前层12之间，以及基体11的下表面和后层13之间。

因此，反射层20被两个相对较厚的层，即前层12，密封；优选地，为前玻璃板12。透明层30和这种设计提高了反射镜200的寿命。

原则上，也可以省略前层12和后层13中的一个或两个，或者用其他具有类似材料性能的层替换它们中的一个或两个。

图3显示了根据第二方面制造反射镜的方法的流程图。该方法300包括：(301)提供载体，(302)提供透明层，(303)在透明的主要的面上配置反射，(304)并将透明层与载体连接，该反射层面向载。

根据第二方面的方法的一实施例，提供载体包括提一基体，该基体设置在前层和后层之间。根据进一步的实施例，基体按照如前所述的方法制造，前层粘附于基体的上面的主要的面，后层附着于所述基体的下面的正面。前层和后层可通过涂胶水或粘合剂粘附于基体上，然后分别按压各层到基体的各主要的面上。

根据第二方面的方法的一实施例，还通过涂胶水或粘合剂将透明板粘附到载体的主要的面上，然后将透明板连接到载体上。

根据第二方面的方法的一实施例，通过将透明板与载体连接后获得的组件靠具有精确所需曲率的凸形抛光主板放置，为反射镜配置期望的曲率。下面将以一实施例加以解释说明。另一种可能性，是把组合的反射镜放到一个密封盒子里的密封好的基底上,或者在盒内的透明层上产生一压力，或者可选的以及类似的,从另一侧产生一负压力、进气压力或真空，其效果会是一样的,反射镜会形成抛物线的形状。

根据第二方面的方法的进一步的实施例，可以形成于结合前述的关于第一方面的反射镜的以及图1和图2所示的任意实施例和细节。

图4包括图4A到图4F，并阐明了根据第二方面制造反射镜的实施方法。应当再次强调的是，这些附图不是按比例绘制的。

图4A显示了提供透明层30，优选地，该透明层30为通过前文通过不同的实施例所描述的玻璃板。透明层30的形状和尺寸可以与待制造的反射镜相同。

图4B显示了在透明板30上设置反射层20。如前文所述，反射层30将通过任何合适的方法设置，取决于反射层30的材料。以铝为例，反射层可以通过蒸发或溅射沉积。厚度范围可以从80nm到120nm，优选地，从90nm到110nm。

图4C显示了通过例如胶合或粘附，将带有反射层20的透明板30粘接到载体10上，即载体10的前玻璃板12的上表面上。载体10包括基座11、前玻璃板12和后玻璃板13。

图4D显示了提供模具40，该模具40包括具有曲率的上表面，其形状与反射镜所期望的曲率互补。模具40采用合适的材料制造，以最小化其与反射镜组件之间最终的CTE不匹配。模具40放置在马弗炉50内，反射镜组件放置在模具40上方。马弗炉50放置在由加热器元件60指示功率的烘箱内。

图4E显示了激活加热器元件60，通过预先确定预热、保温时间和冷却速率实现根据特定条件定制热循环。。在此过程中，在反射镜组件上施加均匀的压力，从而将其压在模具40的表面上。这种方法确保了反射镜组件与模具40的完全接触。

图4E显示了结束热循环，在该热循环中，反射镜组件与模具40的表面完全接触，从而复制了模具40的形状。然后，冷却和硬化反射镜组件。

图4F显示了从烘箱和马弗炉50中取出的反射镜组件。

图5包括图5A到图5F，并说明另一根据第二方面制造反射镜的实施方法。

图5A和图5B包含了与图4A和图4B中相同的步骤。与图4中的方法的主要区别在于，根据图5C，只有透明层30和反射层20的组件被放在模具40上；然后根据图5D，使得其大体上符合模具40的表面形状；优选地，采用前文关于图4E的描述的同样的方法；之后，根据图5E，优选地，当透明层30和反射层20的组件仍放置在模具40上,优选地，采用前文关于图4C的描述的相同的方法，连接载体10,优选地，包含了基体11、前玻璃板12和后玻璃板13的载体10，到反射层20的上表面。。载体10是以这样的方式预成型的，因此其包括与透明层30和反射层20的组件具有相同曲率半径的弯曲形式。图5F显示了从烤箱和马弗炉50取出的反射镜组件。

根据进一步的披露，反射镜包含如上所述的载体,如上所述的并且配置在载体的主表面上方的反射层，以及如上文所述的并且配置在反射层上的透明保护层,其中所述载体包含如上所述的基体。所述反射镜还包括如上述所述的设置在所述基体的第一主要的面上以及位于所述基体和反射层之间的第一层。根据进一方面，反射镜可以进一步包括如上述所述的设置在与所述第一主要的面相对的所述基体的第二主要的面上的第二层。根据进一方面，反射镜可以进一步包括本发明关于第一方面的反射镜的描述中的任意的各种特征、实施例或从属权利要求。

本发明或者本发明的任一实施例所述的反射镜都可以用于望远镜，优选地，可用于(成像)切伦科夫望远镜。它们还可以用于其他用途，如太阳能收集器，或可以用于房屋的反射窗，优选地，用于摩天大楼，或也可用于采用了反射镜或反射面的任何其他应用。

另一种应用可以是用特殊的吸收层代替反射层，从而，就可以不再讨论反射镜了。吸收层可以是，它选择性地吸收来自其下面的光，并且只允许通过所需的波长范围的光。

虽然本发明已经对一个或多个具体实施方式进行了说明和描述，但是可以在不违背所附权利要求的精神和范围的情况下对阐明的实施例进行变更和/或修改。特别是对于通过上文所述的组件或结构(组件、装置、电路、系统等)所实现的各种功能，除非另有指示,用来描述这样的组件的术语(包括提到的“工具”)旨在对应于实现所述组件的特定功能的任一组件或者结构(例如，其是功能上等同的),即使其在结构上与本发明所阐明的具体实施方式中实现该功能的结构并不等同。

Claims

1.反射镜(200)，包含：

载体(10)；

设置在载体(10)的主要的面上的反射层(20)；以及

设置在反射层(20)上的透明层(30)，其特征在于，

所述载体(10)包含基体(11)；

其中基体(11)包括下列材料中的一种或多种：

包含范围从0.1g/cm3到1.0g/cm3的密度的材料，多孔材料，发泡材料，包含含闭合单元的结构的材料，包含蜂窝状结构的材料，或包含碳纤维结构的材料。

2.如权利要求1所述的反射镜(200)，其中

所述载体(10)进一步包含设置于基体(11)上的一个或多个层(12，13)。

3.如权利要求2所述的反射镜(200)，其中

所述一个或多个层(12,13)包含前层(12)和后层(13)，其中

所述基体(11)设置在所述前层(12)和所述后层(13)之间。

4.如权利要求3所述的反射镜(200)，其中

所述前层(12)和后层(13)中的一个或多个由玻璃板组成。

5.如权利要求3或4所述的反射镜，其中

所述前层(12)和所述后层(13)中的一个或多个包含范围从1mm到3mm的厚度。

6.如上述任一权利要求中所述的反射镜(200)，其中

所述透明层(30)包含范围从20μm到500μm的厚度。

7.如上述任一权利要求中所述的反射镜(200)，其中

所述透明层(30)为玻璃层。

8.如上述任一权利要求中所述的反射镜(200)，其中所述反射层(20)包含铝或银或介质材料。

9.如上述任一权利要求中所述的反射镜(200)，其中所述基体(11)包含范围从20mm到60mm的厚度。

10.如上述任一权利要求中所述的反射镜(200)，进一步包含：一个或多个设置在所述反射层和所述透明层之间的附加层，所述一个或多个附加层被配置以提高反射层的硬度、耐久性和电阻中的一个或多个。

11.如权利要求10所述的反射镜，其中所述一个或多个附加层包含铬基层、五氧化二钽层、石英层和二氧化硅层中的一种或多种。

12.如上述任一权利要求中所述的反射镜(200)，其中所述反射镜包含至少为0.5m的直径或沿某一方向上的最大长度。

13.一种制造反射镜的方法，所述方法包含：

提供载体；

提供透明层；

在所述透明层的主要的面上设置反射层；以及

连接所述透明层和所述载体，所述反射层面向所述载体。

14.如权利要求14所述的方法，其中

提供载体包括，提供设置在前层和后层之间的基体。