CN112384838B - 用于光学反射镜的由复合材料制造的镜背载体及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镜背载体(1)，其包含具有用金刚石颗粒增强的铝复合材料的镜主体(2)和设置在镜主体(2)上的抛光层(3)。所述铝复合材料中的金刚石颗粒的含量为5质量％至50质量％，并选择成使镜主体(2)的线性热膨胀系数适应于抛光层(3)的线性热膨胀系数。本发明还涉及镜背载体(1)的制造。
Description
本发明涉及一种由复合材料制造的镜背载体，特别是用于光学反射镜例如金属反射镜的镜背载体。本发明还涉及制造镜背载体的方法。
本申请要求德国专利申请DE 10 2018 111 212.2的优选权，其公开内容通过引用并入本文。
在光学测量和信号技术中，对于具有复杂表面的反射镜(例如自由曲面光学元件、非球面镜)有着强烈的需求，在其成型精度方面提出了很高的要求。同时，该反射镜应该有低重量和高刚度的特点。反射镜一般包括具有所需的表面的镜背载体，在该表面上设置一个或多于一个反射层。优选地通过物理气相沉积，例如通过溅射、气相沉积、离子辅助镀膜或原子层沉积来施加至少一个反射层。
例如用金刚石工具加工由如铝、铜或黄铜制造的镜背载体，直至获得所需的表面形状。因此，众所周知的超精密机械加工的方法，例如金刚石车削或铣削，提供了制造金属光学元件例如球面、非球面或自由曲面的可能性，该金属光学元件在元件直径为100mm时的形状偏差(PV)小于200nm并且粗糙度(RMS)为2nm至5nm。通过使用机械加工，可获得的粗糙度和表面形状偏差限于可足以用于红外光谱范围内但不足以用于更短的波长的值。
已知可以通过精细或校正抛光来降低粗糙度和表面形状偏差。为了这个目的，使用进行了抛光的具有镜主体的镜背载体，镜主体例如由具有抛光层的铝制造，例如由非晶态镍磷合金制造。
对于镜主体和抛光层的材料，参考不同的热要求、机械要求或生产要求来选择。镜主体，尤其用于可移动的光学反射镜的镜主体，应该是轻的并且尺寸稳定，抛光层必须是可抛光的并且对环境条件(氧气、湿度)是惰性的。由于这个原因，镜主体和抛光层通常由不同的材料制造。
结合不同材料的缺点可能是在线性热膨胀系数方面有相当大的差别。例如，通常用作基体的铝合金Al6061(参见例如WO 2004/077114 A1、US 6350176 B1)的热膨胀系数是23.8×10-6/K，而NiP抛光层的热膨胀系数一般是13.5×10-6/K。
当带有这种镜背载体的光学反射镜在使用过程中经受热循环时，不同的热膨胀系数造成如在双金属元件中的变形或应力，这会严重损害光学功能，甚至可能导致功能失效。
由于镜主体的机械需求，目前只有一些材料可用于镜背载体。除了以上提到的铝合金Al6061，这些还包括其他铝合金以及铍和铍合金。铍的使用是有疑问的，因为氧化铍是有毒的并且原材料非常贵。实际上，为了避免上述线性热膨胀系数的不匹配，到目前为止已经尝试了由线性热膨胀系数与镜主体的热膨胀系数相匹配的材料来生产抛光层。这种理念的缺点是，在抛光常用于抛光层的材料如NiP时获得的经验不能轻易地转移到抛光其他材料上。此外，该抛光层必须与沉积在其上的反射层的材料兼容。
DE 10 2005 026 418 B4描述了将带有硅颗粒的铝复合材料用于光学元件，其涂有非晶态的NiP抛光层。
需要解决的一个问题是提供改进的镜背载体，其包括尤其是改进的尺寸稳定性和温度稳定性、应用于反射镜移动的足够低的质量密度和高的机械稳定性。此外，用于镜背载体生产的合适的方法应该是详细说明的。
这些问题通过根据独立权利要求的镜背载体和方法来解决。本发明的有利实施方案来自独立权利要求。
根据至少一种实施方案，该镜背载体包括镜主体和抛光层。该镜主体包含金刚石颗粒增强的铝复合材料，其中铝复合材料包含预定含量的金刚石颗粒。该金刚石颗粒的含量有利地为5质量％至50质量％，其中这里和以下的的“金刚石颗粒的含量”表示在铝复合材料中的金刚石颗粒的质量分数。该金刚石颗粒是天然或合成来源的金刚石颗粒。特别是，金刚石颗粒包含多晶结构(PCD、多晶金刚石)。这将金刚石颗粒与特别是类金刚石碳区别开来。金刚石颗粒的尺寸为1μm至100μm，优选20μm至50μm。金刚石颗粒的形状是多边形的、旋转的椭球形的、边缘锋利的或优选球型的。
包含在铝复合材料中的金刚石颗粒提供了高弹性模量值和高热导率值，其有利于轻质应用以及用于设定高形状精度。在镜主体上设置了抛光层，其包括例如PVD-SiC、PVD-Si、CVD-Si、PECVD-SiO2、PECVD-Si3N4、PVD-ZrO2或优选NiP。
使用金刚石颗粒增强的铝复合材料作为用于镜主体的材料具有特定的优点，即获得高热导率和高刚度。另一方面，金刚石颗粒增强的铝复合材料的机械性能不允许制造镜主体本身。特别是，这种材料的较高的硬度和脆性不易于允许通过例如铣削或钻削的材料去除方法进行机械加工。本发明特别利用了通过增材制造由金刚石颗粒增强的铝复合材料来制造镜主体的想法。该制造方法有利地使由金刚石颗粒增强的铝复合材料来制造单片镜主体成为可能，这对于常规方法来说是不容易做到的。因此，增材制造过程能够使材料本身(由于其性能使它的制造更加困难而不易用于镜主体)可用于此应用，以受益于所述材料的优点，例如硬度和热性能。
在金刚石颗粒增强的铝复合材料中的金刚石颗粒的含量的范围使得镜主体的线性热膨胀系数与抛光层的线性热膨胀系数相适应。本文使用的术语“适应”表示这种线性热膨胀系数近似，使得镜主体和抛光层的线性膨胀热系数的差值小于2.5×10-6/K，优选小于1×10-6/K。本发明的特别优选的实施方案中镜主体和抛光层的线性热膨胀系数基本相等，以特别使它们的差值小于0.5×10-6/K。
镜主体的线性热膨胀系数和抛光层的线性热膨胀系数的适应的优点在于镜背载体耐高热负荷，尤其是耐热梯度负荷。
根据本发明的优选实施方案，镜主体由金刚石颗粒增强的铝复合材料组成，其中金刚石颗粒的含量使得温度为-180℃至+100℃，优选-40℃至+60℃时的线性热膨胀系数为10×10-6/K至16×10-6/K。利用这种镜主体，可以实现对抛光层通常所使用的材料的特别好的适应。
在铝复合材料中金刚石颗粒的含量尤其是5质量％至50质量％，特别优选是10质量％至20质量％。一方面，该范围内的金刚石颗粒的含量允许将线性热膨胀系数调整到抛光层的线性热膨胀系数。另外，可以通过金刚石颗粒的含量来改善导热性、热容和机械刚度。
改变金刚石颗粒的含量允许铝复合材料适应抛光层的不同的可能材料。特别优选的实施方案是抛光层用镍磷合金制造，其具有11×10-6/K至最高14×10-6/K的有利的线性热膨胀系数。NiP抛光层的使用具有特殊优势，即抛光这种材料的经验十分丰富。因此，可以对镜背载体进行已知的、与常规镜背载体相同的抛光过程。
在优选地配置中，抛光层的RMS粗糙度小于5nm。用这种方式，特别获得了高反射率。如果镜背载体包含RMS粗糙度小于或等于1nm的抛光层，则对于可见光谱范围或更短波长的波长，使用配备有该镜背载体的反射镜会具有进一步的优点。
特别地，镜背载体用于制备反射镜，尤其是光学反射镜。反射镜包括镜背载体和施加于其的反射层，例如金属层。反射镜层可以包含几个子层，例如金属层和/或介电层。
在根据本发明的制造镜背载体的方法中，通过增材制造来制造包含金刚石颗粒增强的铝复合材料的镜主体，之后将抛光层施加于镜主体，铝复合材料中的金刚石颗粒材料的含量为5质量％至50质量％，尤其是10质量％至30质量％，并且选择成使得镜主体的线性热膨胀系数适应于抛光层的线性热膨胀系数。
如上所述，增材制造使得能够由金刚石颗粒含量为5质量％至50质量％的铝复合材料制造单片镜主体，尽管这种材料由于其硬度和脆性而难以加工。在增材制造过程中，不使用任何材料去除方法是有利的。替代地，例如通过选择性激光熔化，尤其是在CAD模型的基础上，用接近最终轮廓的层制造镜主体。
在优选设计的情况下，通过选择性激光熔化进行增材制造。在选择性激光熔化时，用刮板逐层施加粉末状的金刚石颗粒增强的铝复合材料并通过激光辐射的方式将其局部完全再熔成固体材料。之后，施加新的粉末层并通过激光辐射再熔。重复这个循环直到整个镜主体由大量局部再熔的粉末层制成。
当通过增材制造，尤其是通过选择性激光熔化来制造镜主体时，轻质结构、冷却结构和/或支撑结构可以在无额外制造步骤的情况下整合到镜主体中。可以为液体或气体介质提供集成冷却结构。
根据优选实施方案，对镜背载体，即所述镜主体的复合物与抛光层，进行热处理。用这种方式，可以有利地获得空间稳定的镜主体和抛光层的材料配对。优选在150℃至200℃的温度下进行热处理。在此温度范围下进行热处理过程中，可以在很大程度上消除任何仍然存在的残余应力，以使得用该镜背载体制造的反射镜具有光学性能的高稳定性和再现性。热处理之后优选地抛光抛光层，以产生粗糙度最小化的期望形状的镜背载体。
所述用于镜背载体的有利设计也适用于所述方法，反之亦然。
本发明的其他细节和优点可见以下图1A、1B和图2的描述。
在附图中：
图1A显示了具有根据第一示例性实施方案的镜背载体的反射镜的示意截面图，
图1B显示了具有根据第一示例性实施方案的镜背载体的反射镜的截面，并且
图2显示了具有根据另一个示例性实施方案的镜背载体的反射镜的示意图。
根据图1A和图1B的示例性实施方案的光学反射镜4包含镜背载体1和反射层5。镜背载体1包含镜主体2和含有NiP合金的抛光层3。图2的光学反射镜4包括内部的冷却结构6和支撑结构7。
在示例性实施方案中，反射镜4是具有球形表面的光学反射镜。本发明的实施方案不限于这种反射镜形式，也可能是平面或非球面曲面镜或自由形式的反射镜。本文提出的镜背载体的增材制造特别有利于制造球面的或非球面的弯曲形式或自由形式的镜背载体，由于金刚石颗粒增强的铝复合材料的机械性能，用常规制造方法(例如浇铸)来实现它们是非常困难的。另外，增材制造允许减少镜背载体的质量，例如通过在镜背载体中形成具有很薄的壁(如0.1mm至1mm)的凹槽或腔体，这在传统制造工艺中不容易实现。
镜主体2由具有以下金刚石颗粒含量的金刚石颗粒增强的铝复合材料组成，该金刚石颗粒含量导致线性热膨胀系数适应于NiP抛光层。抛光层3由化学或电流生产的非晶态镍磷合金组成并且厚度为约10μm至2000μm，该非晶态镍磷合金的磷浓度为10质量％至15质量％(优选>10.5质量％，例如12质量％)。
反射镜4例如以如下制造。首先，通过增材制造(优选选择性激光熔化)由金刚石颗粒增强的铝复合材料制造镜主体2。使用了由Al6061和金刚石粉末组成的均匀的粉末混合物。基于所使用的复合材料的可用的材料数据具体选择金刚石颗粒含量。
当使用层厚度<200μm的抛光层，例如PVD-SiC、PVD-Si、CVD-Si、PECVD-SiO2、PECVD-Si3N4、PVD-ZrO2或优选化学制造的NiP时，机器加工毛坯的表面。该毛坯可以用常规碳化物工具或金刚石工具(例如由多晶金刚石制成的PCD工具)进行超精细机器加工。因为相比于常规镜主体，所使用的根据本发明的复合材料包含高比例的脆硬内含物，所以该复合材料相对较脆，因此对于机器加工优选低切削深度和低进料速率。
通过使用层厚度>200μm的抛光层，例如电流制造的NiP，可以避免毛坯的机器加工返工。
之后，可以进行热处理以减少引入的应力。该热处理优选在350℃进行6小时。
在其他步骤中，沉积抛光层3。可以特别地通过电镀或电化学工艺实现抛光层3的沉积。该沉积优选包括化学镀镍。为此目的，首先清洁、活化镜主体2的表面，然后进行沉积。在施加了抛光层3之后是附加的热处理，例如在150℃下持续6小时，以减少在镜背载体1的材料化合物中的层应力。然后，可以进行最终抛光，产生小于5nm、优选小于1nm的RMS表面粗糙度。
为了生产具有镜背载体1的反射镜4，优选通过物理气相沉积，在附加步骤中在抛光层3上沉积反射层5。反射层5可以是单层或包含几个部分层。例如，反射层5可以是金属层。替代地，反射层5可以是多层系统，例如介电干扰层系统或一个或多于一个金属层与一个或多于一个介电层的组合。
图2示出了光学反射镜4的另一个示例性实施方案。光学反射镜包括内部的冷却结构6和支撑结构7。此处包含的反射镜4和镜背载体的其他设计及其制造方法可以对应于第一示例性实施方案，因此不再解释。
以上描述公开了本发明的特点，附图和权利要求对于以各种形式单独地或组合地实现本发明可能是重要的。
Claims (10)
1.一种镜背载体(1)，其包含：
-包含金刚石颗粒增强的铝复合材料的镜主体(2)，和
-设置在镜主体(2)上的抛光层(3)，
其中，
-铝复合材料中的金刚石颗粒的含量为5质量％至50质量％，并选择成使镜主体(2)的线性热膨胀系数适应于抛光层(3)的线性热膨胀系数，
-镜主体(2)通过增材制造生产，和
-内部冷却结构(6)、支撑结构(7)和轻质结构中的至少一个整合到镜主体(2)中。
2.根据权利要求1所述的镜背载体，其中铝复合材料中的金刚石颗粒含量选择成使镜主体(2)在-180℃至100℃的温度下的热膨胀系数为3×10-6/K至20×10-6/K。
3.根据权利要求1所述的镜背载体，其中铝复合材料中的金刚石颗粒含量为10质量％至20质量％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的镜背载体，其中抛光层(3)包含NiP、SiC、Si、SiO2、Si3N4或ZrO2。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的镜背载体，其中抛光层(3)包含RMS粗糙度最多为5nm的表面。
6.一种反射镜(4)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的镜背载体(1)，其中抛光层(3)上设置有至少一个反射层(5)。
7.一种用于制造镜背载体(1)的方法，其包括以下步骤：
-通过增材制造，制造包含金刚石颗粒增强的铝复合材料的镜主体(2)，和
-在镜主体(2)上施加抛光层(3)，
其中，
-铝复合材料中的金刚石颗粒的含量为5质量％至50质量％，并选择成使镜主体(2)的线性热膨胀系数适应于抛光层(3)的线性热膨胀系数，和
-在增材制造过程中，将内部冷却结构(6)、支撑结构(7)和轻质结构中的至少一个整合到镜主体(2)中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过选择性激光熔化实现增材制造。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其还包括步骤：
-在130℃至200℃的温度下对镜主体(2)的复合材料和抛光层(3)进行热处理。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其还包括步骤：
-抛光抛光层(3)的表面以使其RMS粗糙度值小于5nm。
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