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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Oberflächen, die in infraroten und sichtbaren Wellenlängenbereichen verwendet werden, und insbesondere auf qualitativ hochwertige optische Oberflächen und ein Verfahren zur Herstellung von qualitativ hochwertigen optischen Oberflächen.
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Qualitativ hochwertig optische Oberflächen werden in zahlreichen Industriezweigen einschließlich der Telekommunikation in sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereichen des optischen Spektrums verwendet. Die Qualität einer optischen Oberfläche wird anhand der Flachheit, der Oberflächenstreuung und des Reflexionsvermögens der Oberfläche gemessen.
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Die erzielbare Flachheit einer Oberfläche ist durch den CNC-Herstellungsprozeß (CNC = computer-numerisch-gesteuert) begrenzt. Die typischen Verfahren zur Herstellung optischer Formen in Metallen umfassen herkömmliches Schleifen, Polieren und die CNC-Herstellung unter Verwendung von Diamantwerkzeugen. Diese herkömmlichen Verfahren eignen sich jedoch selbst nicht für die Herstellung komplexer Formen. Die Oberflächen sind uneben und weisen zahlreiche Wellen auf.
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Die Streuung einer optischen Oberfläche wird beeinflußt durch den Diamentdrehprozeß. Herkömmliche Diamantdrehverfahren erzeugen keine gleichmäßige Dicke entlang der Oberfläche. Typische Materialien, die in optischen Standardformen verwendet werden, enthalten Aluminium, Kupfer und Nickel. Aluminium enthält im allgemeinen mehrere Verunreinigungen, wobei diese Verunreinigungen an den Korngrenzen stark konzentriert sind. Daher führt das Diamentdrehen einer Aluminiumoberfläche üblicherweise zu Werten für die Oberflächenstreuung von etwa 10 nm im quadratischen Mittel (RMS). Kupfer liefert im allgemeinen bessere Ergebnisse – etwa 5 RMS, jedoch hat Kupfer den Nachteil, daß es für Korrosion anfällig ist.
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Ein typisches Verfahren zur Herstellung qualitativ hochwertiger Oberflächen mit einem Aluminiumsubstrat besteht darin, die Oberfläche mit Nickel zu plattieren und das Nickel mit Diamanten abzudrehen. Bei Verwendung dieses Verfahrens liegen die typischen Wert, die für die Oberflächenstreuung erreicht werden, bei etwa 5 nm RMS. Es gibt jedoch ein Hauptproblem für nickelplattierte Substrate, die diamantgedreht sind. Da die Diamantdrehprozedur zu einer ungleichmäßigen Dicke des Nickels führt und da Nickel und Aluminium unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, neigt die optische Oberfläche zu einer Verformung, wenn die Temperatur sich in der Betriebsumgebung ändert. Dies reduziert die Qualität der Oberfläche.
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Das erreichbare Reflexionsvermögen bei der Betriebswellenlänge wird durch die Materialeigenschaften der optischen Oberfläche bestimmt. Typischerweise wird Gold auf die Oberfläche eines Substrats aufgetragen, um das Reflexionsvermögen im Infrarotbereich zu erhöhen. Gold wird üblicherweise mittels Vakuumabscheideverfahren aufgetragen, wodurch im allgemeinen ein unebener Oberflächenauftrag erzeugt wird. Ferner ist das im Vakuum abgeschiedene Gold im allgemeinen weiches Gold. Diese Goldschicht muß mit einer Schutzbeschichtung abgedeckt werden, was das Reflexionsvermögen der Oberfläche reduziert.
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Alternativ ist ferner bekannt, Gold auf die Oberfläche zu galvanisieren. Da die Oberfläche im allgemeinen jedoch uneben ist und mehrere Wellen aufweist, muß die aufgetragene Goldschicht relativ dick sein, um diese Wellen zu kompensieren und eine im wesentlichen ebene Oberfläche zu schaffen. Dies führt zu hohen Kosten.
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Häufig ist es erforderlich, daß die optischen Oberflächen doppelseitig sind; d. h. die optische Oberfläche umfaßt auf beiden Seiten des Substrats reflektierende Oberflächen. Bekannte Verfahren sind aufgrund der erzeugten Unebenheit der Substratschicht nicht für die Erzeugung qualitativ hochwertiger Oberflächen, die doppelseitig sind, geeignet. Wenn die oberen Schichten diamantgedreht werden, werden sie diamantgedreht, bis die entsprechende Schicht eben ist. Der Aufwand des Diamantdrehens, der erforderlich ist, um dies zu erreichen, ist im allgemeinen für jede Seite unterschiedlich. Dies ist wichtig, da die Differenzen der endgültigen Dicken der Schichten auf den jeweiligen Seiten zu einer Verformung bei Temperaturänderungen führen, wie oben beschrieben worden ist. Aufgrund der Eigenart der unebenen Substratoberfläche ist dieses Problem inhärent.
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Mit den weiterentwickelten Anwendungen des computergestützten Entwurfs (CAD) werden die benötigten optischen Oberflächen immer komplexer. Ferner nimmt die Toleranz für Fehler in diesen Oberflächen ab. Es besteht daher Bedarf an hochgenauen und qualitativ hochwertigen optischen Oberflächen in zahlreichen geometrischen Formen.
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Es besteht ferner Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung dieser optischen Oberflächen bei günstigen Kosten.
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Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung qualitativ hochwertiger optischer Oberflächen gerichtet. Die Erfindung erlaubt die Herstellung optischer Oberflächen mit komplexer Geometrie unter Beibehaltung der hohen Qualität.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Oberfläche geschaffen, das die Schritte umfaßt: Erzeugen eines Substrats, das spannungsfrei ist; Auftragen einer Haftschicht auf das Substrat; Auftragen einer oberen Schicht auf die Haftschicht; und Diamantdrehen der oberen Schicht, um eine reflektierende Schicht zu erhalten.
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Gemäß einem weiteren Verfahren der Erfindung wird eine optische Oberfläche geschaffen, die umfaßt: ein Substrat, das spannungsfrei ist; eine Haftschicht auf dem Substrat; und eine obere Schicht auf dem Substrat; wobei die obere Schicht diamantgedreht ist, um eine reflektierende Schicht auf dem Substrat zu erhalten, wobei die reflektierende Schicht reines Gold oder eine Goldlegierung umfaßt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine optische Oberfläche geschaffen, die durch ein Verfahren herstellt wird, das die Schritte umfaßt: Erzeugen eines spannungsfreien Substrats; Auftragen einer Haftschicht auf das Substrat; Auftragen einer oberen Schicht auf die Haftschicht; und Diamantdrehen der oberen Schicht, um eine reflektierende Schicht zu erhalten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine doppelseitige optische Oberfläche geschaffen, die umfaßt: ein spannungsfreies Substrat, das eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist; eine Haftschicht auf jeweils der ersten und der zweiten Oberfläche des Substrats; und eine obere Schicht auf jeweils der ersten und der zweiten Oberfläche des Substrats, wobei die oberen Schichten diamantgedreht sind, um reflektierende Schichten auf jeweils der ersten und der zweiten Oberfläche des Substrats zu erhalten, wobei die reflektierenden Schichten reines Gold oder eine Goldlegierung umfassen.
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Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung sowie die Struktur und die Operation verschiedener Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine typische Betriebsumgebung für eine optische Oberfläche zeigt;
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2 eine typische optische Oberfläche der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 das Verfahren zur Herstellung der optischen Oberfläche der 2 zeigt;
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4 das Verfahren zur Herstellung des spannungsfreien Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 das Verfahren zum Auftragen der Haftschicht auf das Substrat zeigt;
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6 ein herkömmliches Galvanisierungssystem zeigt;
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7 eine herkömmliche Galvanisierungsvorrichtung zeigt; und
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8 eine doppelseitige optische Figur zeigt.
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1 zeigt eine typische Betriebsumgebung für eine optische Oberfläche. Die optische Oberfläche 10 enthält eine Substratschicht 12 und eine Spiegelschicht 14. Von der Strahlungsquelle 30 wird ein Strahl 20 ausgesendet. Der Strahl 20 trifft auf die optische Oberfläche 10 und wird zur Strahlerfassungsvorrichtung 35 reflektiert. Die Strahlungsquelle 30 kann einen Laser enthalten, während die Strahlungserfassungsvorrichtung 35 einen Photodetektor enthalten kann.
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Um eine präzise Operation zu erreichen, wird die optische Oberfläche 10 mit hoher Präzision hergestellt und weist ein hohes Reflexionsvermögen auf.
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Die hergestellte optische Oberfläche 10 der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt. Die Spiegelschicht 14 umfaß ferner eine Haftschicht 16 und eine obere Schicht 18, die reflektierend ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat 12 ein Aluminiumsubstrat, wobei die Haftschicht 16 eine Schicht aus Zink 17 und eine Schicht aus Nickel 19 enthält und die obere Schicht 18 aus Gold besteht. Es ist jedoch klar, daß die Schichten verschiedene Materialien umfassen können, wie im folgenden beschrieben wird.
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3 zeigt das Verfahren 50 zur Herstellung einer optischen Oberfläche 10 der 2. Im Schritt 52 wird das Substrat 12 bereitgestellt oder erzeugt. Das Substrat 12 ist im Idealfall ein Aluminiumsubstrat. Das Substrat 12 kann jedoch aus einem beliebigen Metall bestehen, einschließlich Kupfer oder Stahl, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die Substratoberfläche kann, muß aber nicht optisch sein, wobei jedoch das Substrat 12 nahezu in der gewünschten Form der endgültigen optischen Figur hergestellt wird, bevor eine reflektierende Schicht auf das Substrat aufgetragen wird.
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Es sind viele Dinge zu berücksichtigen, wenn die zu plattierende Form hergestellt wird. Es ist wichtig, daß das Substrat 12 spannungsfrei ist, was durch herkömmliche Wärmebehandlungstechniken erreicht werden kann. Das Verfahren zur Herstellung oder Bereitstellung eines spannungsfreien Substrats ist in 4 als Verfahren 40 gezeigt. Im Schritt 42 wird das Substrat nahezu in der endgültigen gewünschten Form der optischen Oberfläche hergestellt. Dies kann mit irgendeiner bekannten Technik bewerkstelligt werden, einschließlich CNC-Bearbeitung. Das Substrat sollte unter Verwendung einer qualitativ hochwertigen präzisen Anlage hergestellt werden. Der Begriff ”nahezu” ist allgemein definiert als innerhalb des Bereiches von 0,02 bis 0,04 Zoll der endgültigen Form liegend. Im Schritt 44 wird das Substrat erwärmt. Die Erwärmungstemperatur hängt ab vom Material des Substrats. Für Aluminiumsubstrate beträgt die Erwärmungstemperatur etwa 375°F. Im Schritt 46 wird das Substrat über eine vordefinierte Zeitspanne auf Erwärmungstemperatur gehalten. Im Fall eines Aluminiumsubstrats beträgt diese Zeitspanne etwa acht Stunden. Im Schritt 48 wird das Substrat mit Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Im Schritt 49 wird die Form des Substrats unter Verwendung von Diamantwerkzeugen bis auf 0,02 bis 0,04 Zoll feinbearbeitet. Die Verwendung von Diamantwerkzeugen bewahrt den spannungsfreien Zustand des Substrats.
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Sobald das Substrat hergestellt worden ist, wird wie im Schritt 54 des Verfahrens 50 die Haftschicht 16 auf das Substrat 12 aufgetragen. Dieses Verfahren wird im folgenden genauer beschrieben. Im Schritt 56 wird die Goldschicht aufgetragen, wobei Einzelheiten hierzu später beschrieben werden.
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Im Schritt 58 wird die optische Oberfläche diamantgedreht.
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In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die im Schritt 54 aufgetragene Haftschicht 16 eine Schicht aus Zink 17, gefolgt von einer Schicht aus Nickel 19. Die Haftschicht 16 kann jedoch andere Materialien enthalten, wie z. B. Chrom oder Kupfer. Die Materialien für die Haftschicht sollten auf der Grundlage des Substratmaterials und des verwendeten reflektierenden Materials ausgewählt werden. Wenn z. B. eine Nickel-Chrom-Zierplattierung verwendet wird, kann die Haftschicht eine Schicht aus Kupfer auf einer Schicht aus Zink enthalten. Die Plattierung von Metallen hängt von den physikalischen Eigenschaften und der Zusammensetzung des zu plattierenden Metalls ab. Zum Beispiel können einige schlechte Leiter sein, während andere ein geringes Festigkeit-Gewicht-Verhältnis aufweisen können. Es gibt eine Vielzahl von Eigenschaften, die bei der Plattierung von Metallen zu berücksichtigen sind.
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5 zeigt das Verfahren 60 des Auftragens der Haftschicht 16 auf das Substrat 12. Im Schritt 62 wird die Aluminiumsubstratoberfläche mit einer basischen Lösung gereinigt, die die Verklebung mit dem Plattierungsmetall beschleunigt. Im Schritt 64 wird die Oberfläche mit einer Säurelösung geätzt, um jeden Film der Grundlösung zu beseitigen. Im Schritt 66 wird etwas Zink aufgetragen (Anschlaggalvanisierung). Wie es im Stand der Technik üblich ist, geht jedem Schritt ein Spülen der Oberfläche mit vollentsalztem Wasser voran.
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Alternativ kann das Substrat in eine Zinkat-Lösung getaucht werden. Dies reinigt gleichzeitig die Oberfläche und trägt etwas Zink auf (Anschlaggalvanisierung). Die Zinkschicht dient zum Schützen des Aluminiumsubstrats vor Oxidation, wenn es der Luft ausgesetzt wird.
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Anschließend wird auf das Zink im Schritt 68 etwas Nickel aufgebracht (Anschlaggalvanisierung). Die Zink- und Nickelschichten 17, 19 der Schritte 66, 68 werden durch irgendein herkömmliches Mittel aufgetragen, einschließlich Galvanisierung, Tauchen in eine stromlose Lösung, Metallsprühen oder Vakuummetallisierung. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Schichten galvanisiert, da der Prozeß selbst relativ einfach ist. Im allgemeinen werden die Schritte des Verfahrens 60 in einem herkömmlichen Galvanisierungssystem durchgeführt, wie z. B. demjenigen, das in 6 gezeigt ist. Das Galvanisierungssystem 70 enthält eine Basis 72, in der mehrere Plattierungstanks 74 vorhanden sind. Jeder Plattierungstank ist mit einer geeigneten Lösung gefüllt. Andere Systeme können ebenfalls verwendet werden, wie z. B. ein Trommelplattierungssystem oder ein Schienenplattierungssystem. Wenn Galvanisierungstechniken verwendet werden, kann das System ferner eine Galvanisierungsvorrichtung 76 (7) enthalten, wie es im Stand der Technik üblich ist. Die Technik der Galvanisierung ist bekannt und wird in diesem Dokument nicht weiter erläutert.
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Unabhängig von der verwendeten Beschichtungstechnik sollte die Prozedur für eine ebene und stabile Plattierung sorgen.
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In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Haftschicht 16 sehr dünn und ist nur etwa 4 bis 8 Mikrometer dick. Eine dünne Haftschicht ist leichter in einer gleichmäßigen Dicke aufzutragen. Eine dünne Schicht aus Nickel erzeugt ebenfalls eine Oberfläche, die weniger anfällig für einer Verformung der optischen Oberfläche aufgrund von Differenzen des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Nickel und Aluminium ist.
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Im Schritt 56 des Verfahrens 50 wird eine obere Schicht aus Gold 18 auf die Haftschicht aufgetragen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die aufgetragene Goldschicht sehr dünn und reicht nur bis etwa 10 bis 15 Mikrometer Dicke. Die dünne Goldschicht ist erreichbar, da das ursprüngliche erzeugte Substrat spannungsfrei und flach ist. Da keine Unebenheiten in der Oberfläche des ursprünglichen Substrats vorhanden sind, kann eine dünne Goldschicht galvanisiert werden. Um eine Schicht mit gleichmäßiger Dicke zu erreichen, wird die Goldschicht vorzugsweise aufgalvanisiert und kann unter Verwendung des Galvanisierungssystems der 6 und der Galvanisierungsvorrichtung der 7 aufgetragen werden. Andere Verfahren zum Auftragen des Goldes können jedoch das Tauchen in eine stromlose Goldlösung oder die Vakuumabscheidung des Goldes umfassen.
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Die aufgetragene Goldschicht kann im allgemeinen eine beliebige Dicke aufweisen. Um jedoch die Schicht mit Diamanten abzudrehen, ist eine Dicke von wenigstens 2 Mikrometern (50 Mikrozoll) erforderlich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Goldschicht ein reines Gold mit 24 Karat. Goldlegierungen können jedoch ebenfalls verwendet werden. Wenn eine Goldlegierung verwendet wird, ist sie vorzugsweise eine Legierung aus Nickel oder Kobalt mit einem Goldgehalt von wenigstens 10 Karat. Es ist zu beachten, daß eine Goldlegierung einer beliebigen Art verwendet werden kann.
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Das Auftragen von Gold auf das Substrat gemäß der bevorzugten Ausführungsform erzielt zusätzlich zur Verbesserung des IR-Reflexionsvermögens der optischen Oberfläche mehrere Vorteile. Da Gold und Goldlegierungen reine Materialien mit geringen oder keinen Korngrenzenverunreinigungen sind, ist die Oberflächenstreuung deutlich reduziert und erreicht ein Niveau von etwa 1 bis 2 nm RMS.
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Da Gold eine geringere Zugfestigkeit aufweist als Aluminium, sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der näher an demjenigen von Aluminium liegt als Nickel, verformt sich die endgültige optische Oberfläche bei Temperaturänderungen nicht.
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Ein weiterer Vorteil, der aus dem Auftragen einer Goldschicht gemäß der vorliegenden Ausführungsform gewonnen wird, bei der die ursprüngliche Substratschicht spannungsfrei ist, ist, daß eine dünne Schicht aus Gold erforderlich ist, wobei dies zu einem Endprodukt führt, das kostengünstiger ist.
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Ferner wird durch Plattieren der Goldschicht die Notwendigkeit einer Schutzbeschichtung beseitigt. Im allgemeinen ist plattiertes Gold härter als im Vakuum abgeschiedenes Gold. Bei Bedarf kann jedoch eine Schutzbeschichtung aufgetragen werden, was immer noch innerhalb des Umfangs dieser Erfindung liegt.
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Ferner kann bei Bedarf die Goldschicht wärmebehandelt werden, um das Material zu härten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert die endgültige reflektierende Schicht keine weitere Bearbeitung, da die erzeugte optische Oberfläche bereits eine hohe Qualität aufweist. Bei Bedarf kann jedoch die reflektierende Schicht weiter bearbeitet werden, was immer noch im Umfang dieser Erfindung liegt.
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Im abschließenden Schritt des Verfahrens 50 wird die obere Schicht 18 aus Gold diamantgedreht, um eine reflektierende Schicht zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schicht in den oberen 5 bis 8 Mikrometern diamantgedreht. Die diamantgedrehte (reflektierende) Oberfläche kann anschließend bei Bedarf poliert werden.
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Die mit der vorliegenden Erfindung erzeugte optische Oberfläche weist im allgemeinen ein Reflexionsvermögen ähnlich dem theoretischen Wert von Gold im infraroten Bereich sowie eine Oberflächenstreuung von etwa 1 bis 2 nm RMS auf.
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Die optischen Oberflächen können ferner doppelseitig sein; d. h. die optische Oberfläche umfaßt reflektierende Oberflächen auf beiden Seiten des Substrats. Die hergestellte optische Oberfläche 80 dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 8 gezeigt. Die Spiegelschicht 84 umfaßt eine Haftschicht 86 und eine obere Schicht 88, die auf zwei Oberflächen des Substrats 82 aufgetragen sind. Die Schicht 84 ist symmetrisch um die Achse AA, die sich durch die Mitte des Substrats 82 erstreckt.
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Das Verfahren zur Herstellung der doppelseitigen optischen Oberfläche mit zwei reflektierenden Schichten ist dem obenbeschriebenen Verfahren ähnlich, wobei die Schritte auf beiden Oberflächen des Substrats ausgeführt werden. Es ist wichtig, zu beachten, daß die optische Oberfläche symmetrisch um die Mitte des Substrats liegt, um sicherzustellen, daß eine Verformung aufgrund von Temperaturänderungen nicht auftritt, wie oben beschrieben worden ist, während die relative Dicke der Schichten flexibel ist.
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Da die erzeugte Substratoberfläche spannungsfrei und flach ist, sind auch die anschließend aufgetragenen Schichten flach. Wenn daher die oberen Schichten diamantgedreht werden, um reflektierende Schichten zu erzeugen, werden beide im gleichen Abstand diamantgedreht, was zu gleichen Dicken auf den jeweiligen Seiten führt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß hochgenaue optische Oberflächen für die Verwendung in sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereichen des optischen Spektrums erzeugt werden.
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Es ist ferner ein Vorteil, daß optische Oberflächen erzeugt werden, die bei einer Änderung der Betriebstemperatur weniger anfällig für Verformungen sind.
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Es ist ferner ein Vorteil, daß optische Oberflächen erzeugt werden, die ein Reflexionsvermögen nahe demjenigen des theoretischen Reflexionsvermögens von Gold im infraroten Bereich aufweisen.
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Es ist ferner ein Vorteil, daß die Erfindung eine kostengünstige Einrichtung zum Herstellen einer qualitativ hochwertigen optischen Oberfläche schafft.
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Obwohl die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen beschrieben worden ist, die derzeit als günstig und bevorzugt betrachtet werden, ist klar, daß die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Fachleute werden erkennen, daß verschiedene Abwandlungen und äquivalente Strukturen und Funktionen möglich sind, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, muß daher im weitest möglichen Sinne interpretiert werden, um alle solche Abwandlungen und äquivalenten Strukturen und Funktionen einzuschließen.
