DE102005026418A1 - Spiegelträger für einen optischen Spiegel - Google Patents

Abstract

Ein Spiegelträger (1), umfassen einen Spiegelkörper (2), der aus einer Aluminium-Legierung mit einem vorbestimmten Silizium-Gehalt hergestellt ist, und eine Polierschicht (3), die auf dem Spiegelkörper (2) angeordnet ist, wobei der Silizium-Gehalt in der Aluminium-Legierung so gewählt ist, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Spiegelkörpers (2) an den thermsichen Ausdehnungskoeffizienten der Polierschicht (3) angepasst ist. Es werden auch ein Spiegel mit einem derartigen Spiegelträger und ein Verfahren zur Herstellung des Spiegelträgers beschrieben.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Spiegelträger mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, insbesondere einen Spiegelträger für einen optischen Spiegel, wie z. B. einen Metallspiegel. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen optischen Spiegel mit einem derartigen Spiegelträger, die Verwendung von AlSi-Legierungen zur Herstellung eines Spiegelträgers und ein Verfahren zur Herstellung eines Spiegelträgers.
• In der optischen Mess- oder Signaltechnik besteht ein starker Bedarf an Spiegeln mit komplexen Oberflächen (z.B. Freiform-Optiken, Asphären), an die in Bezug auf die Genauigkeit der Formgebung hohe Anforderungen gestellt werden. Ein Spiegel umfasst typischerweise einen Spiegelträger mit der gewünschten Oberfläche, auf der eine oder mehrere Reflektionsschichten angeordnet sind. Der Spiegelträger z. B. aus Aluminium, Kupfer oder Messing wird z. B. mit einem Diamantwerkzeug zerspanend bearbeitet, bis die gewünschte Form der Oberfläche erreicht ist. Bekannte Verfahren der Ultrapräzisionsbearbeitung, wie z. B. Diamantdrehen oder -fräsen bieten so die Möglichkeit, Metalloptiken mit z. B. sphärischen oder asphärischen Oberflächen mit Formabweichungen < 200 nm bei einem Bauteildurchmesser von 100 mm und Rauheiten (RMS) im Bereich von 2 bis 5 nm herzustellen. Durch die Anwendung des Zerspanens ist die erreichbare Rauhigkeit und Formtreue auf Werte beschränkt, die ggf. für Anwendungen im Infrarotbereich genügen, für kürzere Wellenlängen jedoch unzureichend sind.
• Es ist bekannt, dass die Rauhigkeit und Formabweichungen durch eine Fein- oder Korrekturpolitur vermindert werden können. Hierzu werden Spiegelträger mit einem Spiegelkörper, z. B. aus Aluminium und mit einer Polierschicht, z.B. aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Zusammensetzung verwendet, die der Politur unterzogen wird.
• Die Materialien des Spiegelkörpers und der Polierschicht werden unter Bezug auf verschiedene Anforderungen ausgewählt. Während der Substratkörper, insbesondere für bewegliche optische Spiegel leicht und dennoch formstabil sein soll, muss die Polierschicht polierbar und gegenüber den Umgebungsbedingungen (Sauerstoff, Feuchtigkeit) inert sein. Aus diesem Grund bestehen der Spiegelkörper und die Polierschicht in der Regel aus verschiedenen Materialien. Nachteilig an der Zusammensetzung verschiedener Materialien ist, dass die herkömmlichen Materialkombinationen erhebliche Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Beispielsweise beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient der verbreitet als Substratkörper verwendeten Aluminiumlegierung Al6061 (siehe z.B. WO 2004/077114, US 6 350 176 ) 23.8·10^–6/K, während eine NiP-Polierschicht typischerweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 12·10^–6/K aufweist. Wenn optische Spiegel mit einem derart zusammengesetzten Spiegelträger bei der Anwendung einem Temperaturwechsel ausgesetzt sind, führen die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie bei einem Bimetallelement zu Deformationen oder Spannungen, welche die optische Funktion erheblich beeinträchtigen und bis zum Funktionsausfall führen können.
• Aufgrund der mechanischen Anforderungen an die Spiegelkörper sind bisher nur wenige Materialien für die Spiegelkörper verfügbar, zu denen neben der oben genannten Aluminiumlegierung Al6061 auch Beryllium zählt. Die Verwendung von Beryllium ist nachteilig, da Beryllium giftig und sehr teuer ist. In der Praxis wird zur Vermeidung der oben genannten Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bisher versucht, die Polierschicht aus einem Material herzustellen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an die Wärmeausdehnung des Spiegelkörpers angepasst ist. Der Nachteil dieses Konzepts besteht darin, dass Erfahrungen, die beim Polieren der üblicherweise verwendeten Materialien für Polierschichten, wie z. B. NiP vorliegen, nicht ohne weiteres auf die Polierbearbeitung anderer Materialien übertragen werden können. Des Weiteren muss die Polierschicht mit den auf diesen abgeschiedenen Materialien der Reflektionsschichten verträglich sein.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Spiegelträger bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Spiegelträger überwunden werden und der insbesondere eine verbesserte Temperaturstabilität aufweist. Der Spiegelträger soll des weiteren eine für Anwendungen bewegter Spiegel ausreichend geringe Massendichte und eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Spiegelträgers, insbesondere für optische Spiegel bereitzustellen.
• Diese Aufgaben werden durch einen Spiegelträger, einen Spiegel und ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 8 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Gemäß einem ersten Gesichtspunkt basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, einen Spiegelträger mit einem Spiegelkörper bereitzustellen, der aus einer Aluminium-Silizium-Legierung (AlSi-Legierung) hergestellt ist und eine Polierschicht trägt, wobei der Spiegelkörper durch einen vorbestimmten Silizium-Anteil einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Polierschicht angepasst ist. Die Erfinder haben festgestellt, dass AlSi-Legierungen verfügbar sind, die einerseits den mechanischen Anforderungen an einen Spiegelkörper genügen und andererseits über die Auswahl des Siliziumgehalts eine Anpassung an das Material der Polierschicht ermöglichen. Im Unterschied zum herkömmlichen Konzept, bei dem nach einem passenden Material der Polierschicht gesucht wurde, basiert die Erfindung auf der Anpassung des Spiegelkörpers an die gegebenen thermischen Eigenschaften der verwendeten Polierschicht.
• Der Silizium-Gehalt in der AlSi-Legierung ist so bemessen, dass eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Spiegelkörpers an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Polierschicht erreicht wird. Mit dem Begriff „Anpassung" wird hier eine derartige Annäherung der Ausdehnungskoeffizienten bezeichnet, dass die Differenz zwischen den Ausdehnungskoeffizienten des Spiegelkörpers und der Polierschicht kleiner als 5·10^–6/K, vorzugsweise kleiner als 3·10^–6/K ist. Besonderes bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindungen, bei denen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Spiegelkörpers und der Polierschicht im wesentlichen gleich sind (Differenz insbesondere < 0.5·10^–6/K).
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Spiegelkörper aus einer AlSi-Legierung mit einem derartigen Silizium-Gehalt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von –50 °C bis +50 °C, vorzugsweise im Bereich von –10 °C bis +25 °C im Bereich von 9·10^–6/K bis 16·10^–6/K liegt. Mit einem derartigen Spiegelkörper wird eine besonders gute Anpassung an typischerweise verwendete Materialien von Polierschichten erzielt. Vorzugsweise wird eine AlSi-Legierung mit einem Silizium-Gehalt im Bereich 25% bis 50% (Masse-%), besonders bevorzugt im Bereich von 30% bis 45% verwendet.
• Die Erfinder haben festgestellt, dass AlSi-Legierungen mit einem Silizium-Gehalt in diesem Bereich kommerziell zum Beispiel für mechanische Bauteile für die Automobilindustrie verfügbar sind (siehe zum Beispiel K. Hummert et al. in "Metall", Bd. 9, 1999, S. 496 ff.) und hervorragende Eigenschaften in Bezug auf die Bearbeitungsfähigkeit, z.B. durch zerspanendes Oberflächenformen und in Bezug auf die mechanische Stabilität aufweisen.
• Verfügbare AlSi-Legierungen sind z.B. in der Legierungsserie CE7, CE9, CE11, CE13 und CE17 des Herstellers Osprey Ltd. oder der Legierung Dispal (registrierte Marke) des Herstellers Peak Werkstoff GmbH gegeben.
• Wenn gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Spiegelkörper aus einer AlSi-Legierung mit einem Silizium-Gehalt von 35% bis 42% hergestellt ist, werden besonders hohe Werte der Steifigkeit und des Elastizitätsmoduls erreicht, was sowohl für Leichtgewichtsanwendungen als auch für die Einstellung einer hohen Formgenauigkeit von Vorteil ist.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass die Zusammensetzung des Spiegelkörpers so gewählt werden kann, dass eine hohe Variabilität bei der Anpassung an verschiedene Materialien der Polierschicht gegeben ist. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Polierschicht aus einer Nickel-Phosphor-Zusammensetzung gebildet ist, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 11·10^–6/K bis 13·10^–6/K aufweist. Die Verwendung einer NiP-Polierschicht besitzt den besonderen Vorteil, dass beim Polieren dieses Materials unter Fachleuten weitreichende Erfahrungen bestehen. Erfindungsgemäße Spiegelträger können somit den selben Polierprozeduren unterzogen werden, wie sie von herkömmlichen Spiegelträgern bekannt sind.
• Wenn der erfindungsgemäße Spiegelträger gemäß einer weiteren Variante eine Polierschicht mit einer RMS-Rauhigkeit aufweist die kleiner oder gleich 1 nm ist, ergeben sich weitere Vorteile für die Anwendung eines mit dem Spiegelträger ausgestatteten Spiegels für Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich oder kürzere Wellenlängen.
• Unabhängige Gegenstände der Erfindung sind des Weiteren ein Spiegel, insbesondere ein optischer Spiegel, wie z. B. ein Metallspiegel mit dem erfindungsgemäßen Spiegelträger und mindestens einer Reflektionsschicht, die Verwendung einer AlSi-Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 9·10^–6/K bis 16·10^–6/K als Spiegelkörper für einen derartigen Spiegel und insbesondere die Verwendung der Legierungen Dispal (registrierte Marke) oder CE13F (Produktbezeichnung) als Spiegelkörper. Ein erfindungsgemäßer Spiegel ist zum Beispiel ein Scanner-Spiegel, der für eine Scan-Frequenz von bis zu 1 kHz oder darüber ausgelegt ist. Für Scanner-Spiegel mit einer relativ hohen Masse (zum Beispiel bis zu 4 kg) liegt die Scan-Frequenz in einem geringeren Frequenzbereich von z. B. 1 Hz bis 300 Hz.
• Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, ein Verfahren zur Herstellung eines Spiegelträgers bereitzustellen, bei dem eine Polierschicht auf einem Spiegelkörper abgeschieden wird, der aus einer AlSi-Legierung mit einem derartigen Silizium-Gehalt gebildet ist, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Spiegelkörpers und der Polierschicht zueinander angepasst sind.
• Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Verbund aus dem Spiegelkörper und der auf dessen Oberfläche abgeschiedenen Polierschicht einer Temperung unterzogen wird, kann vorteilhafterweise eine Stabilisierung der Materialpaarung aus dem Spiegelkörper und der Polierschicht erreicht werden. Die Temperung erfolgt vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 180 °C bis 200 °C. Die Erfinder haben festgestellt, dass bei der Temperung in diesem Temperaturbereich ggf. nach der spanenden Oberflächenformung des Spiegelkörpers und nach der Abscheidung der Polierschicht noch vorhandene Restspannungen weitgehend beseitigt werden können, so dass der mit dem Spiegelträger hergestellte Spiegel eine hohe Stabilität und Reproduzierbarkeit der optischen Eigenschaften aufweist. Vorzugsweise folgt nach der Temperung ein Polieren der Polierschicht, um die gewünschte Form des Spiegelträgers mit einer minimierten Rauhigkeit herzustellen.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
• 1: eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spiegels; und
• 2: eine graphische Repräsentation der mit einem erfindungsgemäßen Spiegelträger erreichten Homogenität und Stabilität der Oberflächenform.
• Die Erfindung wird im folgenden unter beispielhaftem Bezug auf einen optischen Spiegel mit einer ebenen Oberfläche beschrieben. Die Umsetzung der Erfindung ist nicht auf diese Spiegelform beschränkt, sondern entsprechend auch mit sphärisch oder asphärisch gekrümmten Spiegeln oder Freiform-Spiegeln möglich. Des weiteren werden die Vorteile der Erfin dung nicht nur mit den hier beispielhaft genannten AlSi-Legierungen, sondern auch mit abgewandelten Legierungen mit einem geeignet eingestellten Silizium-Gehalt erzielt.
• 1 zeigt in schematischer Schnittansicht einen optischen Spiegel 4 mit einem Spiegelträger 1 und einer Reflektionsschicht 5. Der Spiegelträger 1 umfasst einen Spiegelkörper 2 und eine Polierschicht 3.
• Der Spiegelkörper 2 besteht aus der AlSi-Legierung CE13F (42% Si), Hersteller: Osprey Ltd., und weist eine Dicke von 25 mm auf. Die Polierschicht 3 besteht aus chemisch oder galvanisch hergestelltem amorphem Nickel-Phosphor mit einem Phoshpor-Gehalt im Bereich von 7% bis 14% (vorzugsweise > 10%, z. B. 12%) und weist eine Dicke von rund 20 μm bis 40 μm auf. Die laterale Ausdehnung des Spiegels 4 weist z. B. eine elliptische Form mit Hauptachsen der Längen 20 cm und 10 cm auf. Der Spiegel 4 ist beispielsweise als Schwingspiegel in einem astronomischen Spiegelteleskop vorgesehen. Die bei dieser Anwendung gewünschte Formgenauigkeit beträgt z. B. rund 60 nm bei einer Rauhigkeit (RMS > 1 nm). Im Teleskop ist der Spiegel mit einer Halteeinrichtung angebracht, die mit dem Spiegelkörper 3 verbunden ist. Die Halteeinrichtung umfasst z.B. drei Kugelkalotten, von denen der Spiegelkörper 3 spannungsfrei getragen wird.
• Der Spiegel 4 wird wie folgt hergestellt. Zunächst wird ein AlSi-Rohling mit dem zur Einstellung eines bestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten geeignet gewählten Silizium-Gehalt bereitgestellt. Die konkrete Auswahl eines Silizium-Gehalts basiert auf den verfügbaren Materialdaten der verwendeten Legierung. Der Rohling wird mit herkömmlichen Hartmetallwerkzeugen oder Diamantwerkzeugen (z. B. PKD-Werkzeugen aus polykristallinem Diamant) bearbeitet. Da die erfindungs gemäß verwendeten AlSi-Legierungen im Vergleich zu herkömmlichen Spiegelkörpern einen erheblich höheren Siliziumanteil besitzen und daher relativ spröde sind, werden bei der spanenden Bearbeitung geringe Schnitttiefen und geringe Vorschübe bevorzugt eingestellt. Nach einer Vorfertigungs-Phase erfolgt eine Temperung, um eingebrachte Spannungen zu reduzieren. Die Temperung erfolgt vorzugsweise für eine Dauer von 6 h bei 350 °C. Anschließend folgt eine Nachbearbeitungs-Phase unter Verwendung der genannten Werkzeuge.
• Nach der Bereitstellung der Oberflächenform des Spiegelkörpers 2 folgt die Abscheidung der Polierschicht 3. Die Beschichtung umfasst vorzugsweise ein stromloses Vernickeln, wie es an sich von den Herstellern der AlSi-Legierungen beschrieben wird. Hierzu wird zuerst die Oberfläche des Spiegelkörpers 2 gereinigt und anschließend der Abscheidung unterzogen. Nachdem die Polierschicht 3 aufgebracht ist, folgt eine weitere Temperung für 6 h bei 190 °C, um Schichtspannungen im Materialverbund des Schichtträgers 1 zu reduzieren. Schließlich folgt die an sich bekannte Abschlusspolitur.
• Zum Nachweis der Stabilität des Schichtträgers 1 unter Temperaturbeanspruchung wurden Schichtträger aus einem CE13F-Schichtkörper (Durchmesser: rd. 10 cm) mit einer 40 μm-NiP-Polierschicht interferometrischen Prüfungen bei einer Messwellenlänge von 633 nm unterzogen. Nach einer Lagerung der Proben unter verschiedenen Temperaturbedingungen im Bereich von 50 °C bis 4 °C konnten bei der Prüfung der Oberflächenform bei Raumtemperatur keine signifikanten Änderungen der Oberflächenform festgestellt werden, wie dies in der graphischen Darstellung der 2 illustriert ist. Die Grauwerte in der graphischen Darstellung repräsentieren bestimmte Oberflächenhöhen entsprechend der im linken Teil von 2 gezeigten Skala von –150 nm bis 480 nm. Die Grauwerte verdeut lichen die hohe Homogenität der Oberflächenform auf der gesamten Oberfläche der Polierschicht.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (14)

1. Spiegelträger (1), umfassend: – einen Spiegelkörper (2), der aus einer Aluminium-Legierung mit einem vorbestimmten Silizium-Gehalt hergestellt ist, und – eine Polierschicht (3), die auf dem Spiegelkörper (2) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass – der Silizium-Gehalt in der Aluminium-Legierung so gewählt ist, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Spiegelkörpers (2) an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Polierschicht (3) angepasst ist.
2. Spiegelträger nach Anspruch 1, bei dem der Silizium-Gehalt in der Aluminium-Legierung so gewählt ist, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Spiegelkörpers (2) bei Temperaturen von –50 °C bis 50 °C im Bereich von 9·10^–6/K bis 16·10^–6/K liegt.
3. Spiegelträger nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Silizium-Gehalt in der Aluminium-Legierung im Bereich von 25 % bis 50 % gewählt ist.
4. Spiegelträger nach Anspruch 3, bei dem der Silizium-Gehalt in der Aluminium-Legierung im Bereich von 30 % bis 45 % gewählt ist.
5. Spiegelträger nach Anspruch 4, bei dem der Silizium-Gehalt in der Aluminium-Legierung 35 % bis 42 % beträgt.
6. Spiegelträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Polierschicht (3) aus NiP hergestellt ist.
7. Spiegelträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Polierschicht (3) eine polierte Oberfläche mit einer Rauhigkeit von höchstens 1 nm RMS aufweist.
8. Spiegel (4), der umfasst: – einen Spiegelträger (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, und – mindestens eine Reflektionsschicht (5), die auf der Polierschicht (3) angeordnet ist.
9. Verwendung einer Aluminium-Legierung als Spiegelkörper (2), wobei die Aluminium-Legierung einen Silizium-Gehalt derart aufweist, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Spiegelkörpers (2) bei Temperaturen von –50 °C bis 50 °C im Bereich von 9·10^–6/K bis 16·10^–6/K liegt.
10. Verwendung von einer Aluminium-Legierung als Spiegelkörper (2), die einen Silizium-Gehalt im Bereich von 25 % bis 50 % aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Spiegelträgers (1), mit den Schritten: – Bereitstellung eines Spiegelkörpers (2) aus einer Aluminium-Legierung mit einem vorbestimmten Silizium-Gehalt, und – Deposition einer Polierschicht (3) auf dem Spiegelkörper (2), dadurch gekennzeichnet, dass – ein Spiegelkörper (2) verwendet wird, dessen Silizium-Gehalt in der Aluminium-Legierung so eingestellt ist, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Spiegelkörpers (2) an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Polierschicht (3) angepasst ist.
12. Verfahren nach Anspruch 12, mit dem weiteren Schritt: – Temperung des Verbundes aus dem Spiegelkörper (2) und der Polierschicht (3).
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Temperung bei einer Temperatur im Bereich von 180 °C bis 200 °C erfolgt.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, mit dem weiteren Schritt: – Polieren der Oberfläche der Polierschicht (3).