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Die Erfindung betrifft einen Spiegel mit einem Substrat und einer auf das Substrat aufgebrachten reflektierenden Schichtenfolge, die eine Silberschicht enthält.
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Das Metall Silber ist durch eine hohe Reflexion im sichtbaren Spektralbereich gekennzeichnet und wird deshalb oftmals als ein die optische Funktion bestimmendes Schichtmaterial in Spiegelschichtsystemen verwendet.
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Zur Vermeidung von Lichtstreuung ist es wünschenswert, dass die Silberschicht und gegebenenfalls aufgebrachte Deckschichten eine geringe Oberflächenrauheit aufweisen. Die Silberschicht und die Deckschicht sind typischerweise derart dünn, dass deren Oberflächenrauheit im Wesentlichen mit der Oberflächenrauheit des Spiegelsubstrats übereinstimmt. Die Lichtstreuung von Vorderflächenspiegeln wird daher im Wesentlichen durch die Politur der Substratoberfläche bestimmt.
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Spiegelsubstrate aus Glas lassen sich durch Polieren mit sehr geringer Oberflächenrauheit herstellen. Allerdings gelingt die Formgebung und Politur anorganischer nicht-metallischer Spiegelsubstrate auf einfache Weise nur bei einfachen Oberflächenformen wie zum Beispiel planaren oder sphärischen Oberflächen. Die Formgebung und Politur asphärischer Oberflächen ist hingegen mit einem erheblichen technologischen und finanziellen Aufwand verbunden.
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Ein Nachteil von Spiegeln auf anorganischen nicht-metallischen Substraten besteht in den für einige Anwendungen nachteiligen mechanischen Werkstoffeigenschaften wie beispielsweise dem geringen Elastizitätsmodul und der Sprödigkeit. Insbesondere ist die Festigkeit von Gläsern, Glaskeramiken und Keramiken in der Praxis oftmals geringer als die theoretisch ermittelte Festigkeit. Dieser Effekt ist auf das spröd-elastische Verhalten im Zusammenwirken mit submikroskopischen Oberflächenrissen oder -kerben rückführbar. Insbesondere können bei der Bearbeitung Mikrorisse auftreten. Eine Ausbildung und/oder Erweiterung der Risse unter Belastung kann zum Bruch des Spiegels und damit zum Versagen einer den Spiegel enthaltenden Baugruppe führen.
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Aus der Druckschrift
US 2004/0165296 A1 ist ein Präzisionsspiegel bekannt, bei dem auf ein mit einem Präzisionsdiamantdrehverfahren bearbeitetes Substrat aus einer Aluminiumlegierung eine Nickel-Chrom-Schicht und eine reflektierende Silberschicht aufgebracht sind.
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In der Druckschrift
DE 10 2004 031 124 A1 wird ein Spiegel mit einer Silberschicht beschrieben, bei dem zwischen dem Substrat und der Silberschicht eine Grundschicht aus einem Oxid, Nitrid oder Oxinitrid angeordnet ist, und die Silberschicht mit einer Schutzschicht versehen ist.
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In der Druckschrift
US 6,508,561 B1 werden Spiegel mit einem Substrat aus Silizium und einer Spiegelschicht aus Gold beschrieben, bei dem eine Metallschicht als Diffusionsbarriere zwischen dem Substrat und der Goldschicht angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Spiegel mit einer Silberschicht anzugeben, der sich insbesondere durch eine geringe Lichtstreuung und eine hohe Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Weiterhin soll ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren angegeben werden, mit dem der Spiegel mit einer in weiten Grenzen einstellbaren Freiform bei gleichzeitig geringer Oberflächenrauheit der optisch wirksamen Spiegelschicht hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Spiegel nach Patentanspruch 1 beziehungsweise durch ein Verfahren nach Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Spiegel mit einem Substrat und einer auf das Substrat aufgebrachten reflektierenden Schichtenfolge, die eine Silberschicht enthält, ist das Substrat ein Metallsubstrat, wobei eine der Schichtenfolge zugewandte Oberfläche des Substrats gekrümmt ist und auf die gekrümmte Oberfläche eine Nickel enthaltende Schicht aufgebracht ist.
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Das Metallsubstrat hat den Vorteil einer guten Wärmeleitfähigkeit und ermöglicht eine vergleichsweise einfache und präzise Bearbeitung. Die Formgebung des Metallsubstrats kann durch ein Drehverfahren, insbesondere durch ultrapräzises Diamantdrehen, erfolgen. Auf diese Weise kann die gekrümmte Oberfläche des Metallsubstrats mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand mit einer in weiten Grenzen variierbaren Form, vorzugsweise einer zentralsymmetrischen Form, hergestellt werden.
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Die auf die gekrümmte Oberfläche des Metallsubstrats aufgebrachte, Nickel enthaltende Schicht, also eine Schicht aus Nickel oder einer Nickelverbindung, dient zur Ausbildung einer Oberfläche mit hoher optischer Qualität, insbesondere einer Oberfläche mit geringer Oberflächenrauheit und einer hohen Formgenauigkeit. Es hat sich herausgestellt, dass eine Nickel enthaltende Schicht im Vergleich zu anderen Materialien besonders gut bearbeitet werden kann und somit insbesondere zur Ausbildung asphärischer Oberflächen mit hoher Formgenauigkeit geeignet ist. Zu diesem Zweck kann die Nickel enthaltende Schicht mit einer mechanischen Bearbeitung, insbesondere Präzisionsdiamantdrehen und/oder einem Polierverfahren bearbeitet werden.
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Das Aufbringen der Nickel enthaltenen Schicht auf ein Metallsubstrat anstelle der Verwendung eines Substrats aus dem Nickel enthaltenden Material ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zur Verringerung des Spiegelgewichts ein Substrat aus einem Metall mit einer geringeren Dichte als Nickel, insbesondere ein Aluminiumsubstrat verwendet wird. Ein Substrat aus Nickel hätte im Gegensatz dazu ein vergleichsweise hohes Gewicht.
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Die Nickel enthaltende Schicht ist vorzugsweise mindestens 20 μm dick. Dies ermöglicht vorteilhaft eine mechanische Bearbeitung der Nickel enthaltenden Schicht, um Korrekturen an der durch das Substrat vorgegebenen Form vorzunehmen. Insbesondere kann eine Bearbeitung der Nickelschicht mit Präzisionsdiamantdrehen erfolgen und/oder ein Polierverfahren eingesetzt werden.
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Bevorzugt ist die Nickel enthaltende Schicht weniger als 500 μm dick und besonders bevorzugt beträgt ihre Dicke zwischen einschließlich 20 μm und einschließlich 100 μm.
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Vorteilhaft ist die Nickel enthaltende Schicht eine amorphe Nickel-Phosphor-Schicht. Die Verwendung einer amorphen Beschichtung ist vorteilhaft, um eine nachfolgende Glättung der Oberfläche durch ein Polierverfahren, insbesondere mit einem chemisch-mechanischen Polierverfahren mit losen oder gebundenen Poliermitteln und/oder Ionenstrahlpolieren durchzuführen.
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Insbesondere kann die Oberfläche der Nickel enthaltenden Schicht auf eine rms-Oberflächenrauheit von 2 nm oder weniger poliert werden. Weiterhin wird vorteilhaft eine Formgenauigkeit von weniger als λ/4 bei einer Bezugswellenlänge λ von 633 nm erzielt.
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Das Metallsubstrat ist bevorzugt ein Aluminiumsubstrat. Das Aluminiumsubstrat hat den Vorteil einer geringen Dichte bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit.
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Zwischen der Nickel enthaltenden Schicht und der Silberschicht ist mindestens eine Zwischenschicht angeordnet. Auf die Nickel enthaltende Schicht ist eine erste, vorzugsweise etwa 300 nm dicke Zwischenschicht aus Ruthenium und/oder eine zweite, vorzugsweise etwa 200 nm dicke Zwischenschicht aus Zirkonoxid aufgebracht. Die Zwischenschicht oder die Zwischenschichten verbessern die Haftung der nachfolgenden Silberschicht und verhindern insbesondere, dass die Silberschicht beispielsweise während der Lagerung oder bei Erwärmung und/oder Feuchteeinwirkung durch den ansonsten unmittelbaren Kontakt mit der Nickel enthaltenden Schicht korrodiert.
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Weiterhin ist auf die Silberschicht bevorzugt mindestens eine Deckschicht aufgebracht. Die mindestens eine Deckschicht schützt die Silberschicht vor mechanischen Beschädigungen oder Umwelteinflüssen wie zum Beispiel Feuchtigkeit.
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Insbesondere können eine oder mehrere transparente dielektrische Schichten, beispielsweise aus einem Aluminiumoxid oder einem Siliziumoxid, als Deckschicht auf die Silberschicht aufgebracht sein.
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Die Reflexion R des erfindungsgemäßen Spiegels beträgt im Wellenlängenbereich von 440 nm bis 510 nm vorteilhaft mehr als 95%. Im Wellenlängenbereich von 510 nm bis 850 nm beträgt die Reflexion vorteilhaft mehr als 97%.
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Die hohe Reflexion des Spiegels bleibt vorteilhaft auch unter wechselnden Temperaturen im Bereich von –50° bis 60° erhalten. Eine Korrosion der Spiegeloberfläche und eine Verminderung der Reflexion wurden auch bei einem Klimatest, bei dem der Spiegel über 72 Stunden einer Luftfeuchtigkeit von 95% bei einer Temperatur von 50° ausgesetzt war, nicht festgestellt.
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Vorteilhaft zeichnet sich der Spiegel auch durch eine hohe Stabilität gegenüber reaktivem atomaren Sauerstoff, UV-Strahlung, Gamma-Strahlung und Protonenbeschuss aus. Dies ist insbesondere für die Verwendung eines derartigen Spiegels im Weltraum vorteilhaft.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Spiegels wird in einem ersten Verfahrensschritt eine gekrümmte Oberfläche auf einem Metallsubstrat ausgeformt. Nachfolgend wird eine Nickel enthaltende Schicht auf die gekrümmte Oberfläche des Metallsubstrats aufgebracht.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine reflektierende Schichtenfolge, die eine Silberschicht enthält, auf die Nickel enthaltende Schicht aufgebracht.
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Die gekrümmte Oberfläche des Substrats wird vorteilhaft durch ein Drehverfahren, insbesondere durch Präzisionsdiamantdrehen, erzeugt. Durch diese Bearbeitung kann der Oberfläche des Metallsubstrats eine in weiten Grenzen variierbare Form gegeben werden, die insbesondere von einer sphärischen Form abweichen kann. Die präzisionsgedrehte Oberfläche des Metallsubstrats, das vorzugsweise ein Aluminiumsubstrat ist, wird nach der Herstellung der gekrümmten Oberfläche vorteilhaft gereinigt.
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Die nachfolgend aufgebrachte Nickel enthaltende Schicht wird vorzugsweise chemisch aufgebracht. Insbesondere kann es sich bei der Nickel enthaltenden Schicht um eine amorphe Nickel-Phosphorbeschichtung handeln. Die Dicke der Nickel enthaltenden Schicht beträgt bevorzugt 20 μm oder mehr.
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Die Nickel enthaltende Schicht wird, wie bereits zuvor das Metallsubstrat, mittels Präzisionsdiamantdrehen bearbeitet.
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Nachfolgend wird die Nickel enthaltende Schicht vorzugsweise poliert. Das Polieren der Nickel enthaltenden Schicht erfolgt bevorzugt durch chemisch-mechanisches Polieren, zum Beispiel mit losen oder gebundenen Poliermitteln und/oder durch Ionenstrahlpolieren. Durch das Polieren wird die Oberfläche der Nickel enthaltenden Schicht derart geglättet, dass sie eine rms-Oberflächenrauheit von weniger als 2 nm, besonders bevorzugt von weniger als 1 nm aufweist. Weiterhin wird durch den Polierprozess eine Formgenauigkeit der Oberfläche von weniger als λ/4 bei einer Bezugswellenlänge von λ = 633 nm erzielt.
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Vor dem Aufbringen der Silberschicht wird vorzugsweise mindestens eine Zwischenschicht auf die Nickel enthaltende Schicht aufgebracht. Dadurch wird insbesondere die Haftung der Silberschicht verbessert und die Korrosionsbeständigkeit durch Vermeidung eines unmittelbaren Kontakts zwischen der Silberschicht und der Nickel enthaltenden Schicht verbessert. Die nachfolgend aufgebrachte Silberschicht weist zur Erzielung einer hohen Reflexion bevorzugt eine derart große Dicke auf, dass ihre optische Transmission vernachlässigbar gering ist. Beispielsweise beträgt die Dicke der Silberschicht etwa 100 nm.
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Auf die Silberschicht wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt vorteilhaft eine Deckschicht aufgebracht, deren optische Dicke vorzugsweise etwa λ/4 beträgt, wobei λ eine für den Spiegel vorgesehene Reflexionswellenlänge ist. Beispielsweise kann die Deckschicht eine zirka 125 nm dicke Aluminiumoxidschicht sein.
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Das Aufbringen der mindestens einen Zwischenschicht, der Silberschicht und der mindestens einen Deckschicht erfolgt vorzugsweise durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren. Dabei können insbesondere verschiedene PVD-Verfahren, zum Beispiel Magnetronsputtern, Ionenstrahlsputtern, thermisches Verdampfen oder thermisches Elektronenstrahlverdampfen eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Zusammenhang mit den 1 und 2 näher erläutert.
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Es zeigen:
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1A eine schematische Darstellung eines Spiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Aufsicht,
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1B eine schematische Darstellung des Spiegels gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht entlang der Linie A-B, und
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2 einen schematisch dargestellten Ausschnitt der Schnittansicht des Spiegels gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1A in einer Aufsicht und in 1B in einer Schnittansicht dargestellte Spiegel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Metallsubstrat 1 mit einer gekrümmten, vorzugsweise asphärisch gekrümmten Oberfläche 8 auf. Das Substrat 1 hat, wie in der Aufsicht dargestellt, zum Beispiel eine elliptische Grundfläche. Alternativ kann das Substrat 1 aber auch eine anders geformte Grundfläche aufweisen.
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Das Substrat 1 ist bevorzugt ein Aluminiumsubstrat. Ein Aluminiumsubstrat hat aufgrund der geringen Dichte von Aluminium den Vorteil eines vergleichsweise geringen Gewichts. Um ein besonders geringes Gewicht des Spiegels zu erzielen, ist das Aluminiumsubstrat 1 vorteilhaft mit Bohrungen 7 versehen.
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Auf die Oberfläche 8 des Substrats 1 ist eine reflektierende Schichtenfolge 6 aufgebracht.
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Der Aufbau der Schichtenfolge 6 wird im Folgenden anhand des in 2 dargestellten Ausschnitts der Schnittansicht näher erläutert. Die Schichtenfolge 6 enthält eine auf die Oberfläche 8 des Substrats 1 aufgebrachte Nickel enthaltende Schicht 2, die vorzugsweise eine Dicke von 20 μm oder mehr aufweist. Beispielsweise ist die Nickel enthaltende Schicht 2 eine 100 μm dicke Nickelschicht.
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Auf die Nickel enthaltende Schicht 2 ist bevorzugt mindestens eine Zwischenschicht 3 aufgebracht. Beispielsweise können eine erste Zwischenschicht aus Ruthenium, die vorzugsweise etwa 300 nm dick ist, und/oder eine zweite Zwischenschicht aus Zirkonoxid, deren Dicke bevorzugt etwa 200 nm beträgt, als Zwischenschichten vorgesehen sein.
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Auf die mindestens eine Zwischenschicht 3 folgt eine Silberschicht 4, die aufgrund der hohen Reflexion des Materials Silber für das Reflexionsverhalten des Spiegels maßgeblich ist. Einer Korrosion der Silberschicht 4 durch einen unmittelbaren Kontakt mit der Nickel enthaltenden Schicht 2 wird bei dem Schichtsystem 6 vorteilhaft durch die mindestens eine Zwischenschicht 3 vorgebeugt. Um die Silberschicht 4 gegen mechanische und/oder chemische Einwirkungen aus der Umgebung zu schützen, ist auf die Silberschicht 4 bevorzugt mindestens eine Deckschicht 5 aufgebracht. Insbesondere kann die Deckschicht 5 eine Metalloxidschicht sein, insbesondere eine Aluminiumoxidschicht, die beispielsweise eine Dicke von etwa 125 nm aufweist.
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Bei der Herstellung des Spiegels wird in einem ersten Verfahrensschritt die gekrümmte Oberfläche 8 des Metallsubstrats 1 ausgeformt. Dies erfolgt bevorzugt mit einem Drehverfahren, insbesondere mit Präzisionsdiamantdrehen. Insbesondere kann auf diese Weise eine Substratoberfläche 8 mit einer asphärischen Form erzeugt werden. Nach einer gegebenenfalls durchgeführten Reinigung wird eine Nickel enthaltende Schicht 2 auf die Oberfläche 8 des Substrats 1 aufgebracht. Die Nickel enthaltende Schicht 2 ist bevorzugt mindestens 20 μm dick und wird bevorzugt chemisch aufgebracht. Die im Vergleich zu typischerweise in optischen Schichtsystemen verwendeten Schichten vergleichsweise große Dicke der Nickel enthaltenden Schicht 2 hat den Vorteil, dass die Nickel enthaltende Schicht 2 durch ein Drehverfahren, insbesondere durch Präzisionsdiamantdrehen, nachbearbeitet werden kann. So ist es insbesondere möglich, eine eventuell auftretende Abweichung des zuvor bearbeiteten Metallsubstrats 1 von der gewünschten Form durch eine Nachbearbeitung der aufgebrachten Nickel enthaltenden Schicht 2 zu korrigieren. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer amorphen Nickel-Phosphor-Beschichtung 2 herausgestellt.
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Die Nickel enthaltende Schicht 2 wird vorteilhaft vor dem Aufbringen der weiteren Schichten 3, 4, 5 poliert, zum Beispiel mit Josef oder gebundenen Poliermitteln und/oder Ionenstrahlpolieren. Die Oberfläche der Nickel enthaltenden Schicht 2 erhält auf diese Weise bevorzugt eine Formgenauigkeit von weniger als λ/4 bei einer Bezugswellenlänge λ von 633 nm. Die Oberflächenrauheit beträgt bevorzugt weniger als 2 nm.
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Die mindestens eine Zwischenschicht 3, die hochreflektierende Silberschicht 4 und die mindestens eine Deckschicht 5 werden nachfolgend bevorzugt mit einem PVD-Verfahren, zum Beispiel Magnetronsputtern, Ionenstrahlsputtern, thermischer Verdampfung oder Elektronenstrahlverdampfung aufgebracht.
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Der Spiegel zeichnet sich vorteilhaft durch eine Reflexion R > 95% im Wellenlängenbereich von 440 nm bis 510 nm und eine Reflexion R > 97% im Wellenlängenbereich von 510 nm bis 850 nm aus. Diese vergleichsweise hohe Reflexion bleibt auch unter wechselnden Temperaturen im Bereich von –50°C bis 60°C sowie unter Feuchtigkeitseinfluss bis 95% relative Luftfeuchte über mindestens 72 Stunden erhalten. Weiterhin hat sich der erfindungsgemäße Spiegel als beständig gegenüber Strahlenbelastung, insbesondere UV-Strahlung und Gammastrahlung erwiesen. Somit ist der erfindungsgemäße Spiegel insbesondere für Anwendungen im Weltraum geeignet.
