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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.
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In
der optischen Mess- oder Signaltechnik besteht einstarker 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 Reflexionsschichten 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.
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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.
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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 A1 ,
US 6 350 176 B1 )
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.
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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 Reflexionsschichten verträglich sein.
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Aus „Photonics
Technology World" (Juni 2000), „New Process
Developed for Telescope Mirror Manufacture" ist bekannt, eine Aluminium-Legierung mit
einem Silizium-Gehalt von 22 % als Spiegelkörper für Teleskopspiegel zu verwenden.
In
US 2004/0066566
A1 wird eine Halterungseinrichtung für ein optisches Element mit
einer Aluminium-Legierung mit einem Silizium-Gehalt oberhalb von
40 % beschrieben. Die Verwendung der Aluminium-Legierung Al6061
als Spiegelträger
ist in
US 4 643 543 genannt.
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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.
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Diese
Aufgaben werden durch einen Spiegelträger, einen Spiegel, eine Verwendung
und ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 5,
6 und 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und
Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Gemäß der Erfindung
ist der Spiegelkörper aus
einer AlSi-Legierung
mit einem Silizium-Gehalt von 35% bis 42% hergestellt. Daher 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.
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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
denselben Polierprozeduren unterzogen werden, wie sie von herkömmlichen
Spiegelträgern
bekannt sind.
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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.
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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 Reflexionsschicht, die Verwendung einer Al-Si-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.
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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.
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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.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung der beigefügten
Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1:
eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spiegels;
und
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2:
eine graphische Repräsentation
der mit einem erfindungsgemäßen Spiegelträger erreichten
Homogenität
und Stabilität
der Oberflächenform.
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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.
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1 zeigt
in schematischer Schnittansicht einen optischen Spiegel 4 mit
einem Spiegelträger 1 und
einer Reflexionsschicht 5. Der Spiegelträger 1 umfasst
einen Spiegelkörper 2 und
eine Polierschicht 3.
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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 amorphen Nickel-Phosphor
mit einem Phosphor-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.
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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.
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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.
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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.
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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.