DE69614893T2

DE69614893T2 - Plastikspiegel mit erhöhter thermischer Stabilität

Info

Publication number: DE69614893T2
Application number: DE69614893T
Authority: DE
Inventors: Christopher D Taylor
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1996-01-04
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2016-01-05
Also published as: US5864434A; JP3203302B2; EP0722099A1; EP0722099B1; DE69614893D1; JPH08240704A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Spiegeln einschließlich billiger, geringes Gewicht aufweisender Spiegel mit Trägem aus gegossenem Kunststoff, und genauer gesagt, betrifft die Erfindung die Erhöhung der thermischen Stabilität und der Widerstandsfähigkeit gegenüber Verzerrung solcher Spiegel in Gegenwart von thermischen Schwankungen und bei Ausgesetztwerden gegenüber thermischer Strahlung. Spiegel, bei denen die vorliegende Erfindung verwendet wird, können bei beliebigen Wellenlängen eingesetzt werden, insbesondere bei Anwendungen im Infrarotbereich zwischen 7 und 14 um.
Präzisionsspiegel müssen eine bestimmte Spiegelform haben, beispielsweise eine flache, sphärische oder in anderer Weise profilierte Gestalt, welche mit einem hohen Grad von Genauigkeit beibehalten werden muß. Das Maß der erforderlichen Präzision ändert sich je nach Anwendungsfall. Für gegenwärtige Spiegel sind Genauigkeiten von 0,1 bis 20 Wellenlängen von Helium-Neon-Licht (λ = 0,6328 um) typisch. Um in günstiger Weise die auf einen Spiegel treffende Energie nutzen zu können, muß sie in dem größten praktisch möglichen Maße reflektiert werden. Zu diesem Zwecke dient ein Spiegelbelag. Anforderungen bezüglich der Reflexion schwanken typischer Weise von 85% bis 99% je nach Anwendungsfall und Wellenlängenbereich. Diese Beläge haben gemäß Definition ein niedriges Emissionsverhalten, da die Emissivität nicht größer als 1- Reflektivität sein kann. Da die Absorption und die Emission zueinander in Beziehung stehen, würde eine Oberfläche niedriger Reflektivität (kein Belag) eine hohe Emissivität aufweisen und daher gegenüber einfallender Energie in hohem Maße absorbierend sein. Die Verminderung dieser Absorption bildet die Basis für die vorliegende Erfindung.
Absorbierte Strahlungsenergie auf der Rückseite (der nichtspiegelnden Seite) kann thermische Gradienten erzeugen, die durch ungleichförmige Erhitzung verursacht werden und aus einer Fehlanpassung bzgl. der Energie resultieren, die durch die in hohem Maße emittierende (nicht beschichtete) Rückseite des Spiegelsubstrates aus Glas oder gegossenem Kunststoff einerseits und durch die gering emittierende reflektierende Beschichtung auf der Vorderseite des Spiegelsubstrates andererseits absorbiert wird.
Eine ungleichförmige Erwärmung kann zu einem thermischen Gradienten führen, der das Spiegelsubstrat verwerfen kann oder zu einem Verlust der Abmessungsstabilität führt und dadurch die Spiegelgestalt und das reflektierte Licht verzerrt. Dieser Effekt kann bei jedem beliebigen Spiegelsubstrat auftreten, einschließlich eines Substrates aus Glas, doch ist der Effekt besonders ausgeprägt bei Spiegelsubstraten aus gegossenem Kunststoff, da diese besonders empfindlich gegenüber thermischen Problemen sind, die mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit und einem hohen Temperatur- Ausdehnungskoeffizienten (CTE) im Zusammenhang stehen, welcher für die meisten Kunststoffe charakteristisch ist. Während Spiegelsubstrate aus gegossenem Kunststoff eine billige, geringes Gewicht aufweisende Alternative zu Spiegelsubstraten aus Glas darstellen, sind sie somit bedeutend stärker empfindlich gegenüber einer Verwerfung und Verzerrung aufgrund thermischer Gradienten und haben sich daher als nicht zufriedenstellend für die Verwendung in Präzisionsspiegeln erwiesen, insbesondere solchen Spiegeln, die unter Bedingungen mit Wärmeaufbau oder Aussetzung gegenüber Strahlungsenergie eingesetzt werden.
Die JP-57096301 offenbart einen Reflexionsspiegel für ein optisches System mit einem Substrat, das eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, auf denen ein metallischer Film, der aus Aluminium besteht, durch Dampfablagerung aufgebracht ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, daß gefunden wurde, daß die Anbringung eines geringe Emissivität aufweisenden reflektierenden Belages auf der Rückseite eines Spiegelsubstrates zur Zusammenwirkung mit dem primären reflektierenden, geringe Emissivität aufweisenden Belag auf der Frontseite (Spiegelseite) des Spiegelsubstrates aus gegossenem Kunststoff mit einem Füllmaterial zu einem Spielgel führt, der thermisch stabiler in Gegenwert von einer Strahlungswärmebelastung ist, wie dies in Anspruch 1 nachfolgend beansprucht ist. Der rückseitige Belag, der dieselbe oder eine andere reflektierende Stoffzusammensetzung haben kann, wie bzw. als sie zur Bildung des primären reflektierenden Spiegelbelages auf der Vorderseite des Substrates verwendet wird, reflektiert typischerweise zwischen 85,5% bis 98,5% der Strahlung, welche auf die Oberfläche trifft. Da diese Energie von der Rückseite weitgehend absorbiert würde, ergäbe sich eine Erwärmung der Rückseite. Die Reflexion dieser Energie aufgrund der Beschichtung vermindert die Erwärmung der Rückseite und verhindert die normalerweise auftretende ungleichförmige Erwärmung des Substrates, die normalerweise aufgrund der Fehlanpassung bzgl. der Energie auftritt, die von einer in starkem Maße emittierenden unbeschichteten Rückseite des Substrates einerseits und von der gering-emittierenden Oberfläche der beschichteten Spiegelseite andererseits absorbiert wird. Eine solche Fehlanpassung verursacht normalerweise eine ungleichförmige Erwärmung der Vorderseite und der Rückseite des Substrates und erzeugt einen thermischen Gradienten, der das Substrat verwerfen oder verzerren kann und die Präzision der Spiegeleigenschaften verschlechtert, und zwar sowohl im Falle von profilierten Spiegeln als auch von flachen Spiegeln.

Detaillierte Beschreibung

Präzisionsspiegel dienen als Bauteile für teure wissenschaftliche Meß- und Beobachtungseinrichtungen und auch in billigen optischen Systemen für kommerzielle Zwecke, und ihre Genauigkeit ist für die Ergebnisse wesentlich, die durch solche Einrichtungen geliefert werden. Die präzise Gestalt solcher Spiegel, seien sie nun flach, konvex oder konkav, kann von Substraten aus gegossenen Kunststoffen erzeugt werden, doch wird die Präzision zunichte gemacht, wenn das Substrat sich aufgrund schlechter thermischer Stabilitätseigenschaften des Werkstoffes im Gebrauch verwirft oder verzerrt.
Die wesentliche thermische Eigenschaft gegenwärtiger Spiegelsubstrate, die aus Kunststoffzusammensetzungen im Spritzgußverfahren gefertigt werden, ist ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE). Ein niedriger Ausdehnungskoeffizient resultiert in einer optischen Anordnung, die besser dazu in der Lage ist, ihre Qualität über einen großen Temperaturbereich beizubehalten. Basierend auf dem Bestreben, eine niedrige thermische Ausdehnung zu erreichen, liegt der Ausdehnungskoeffizient für ein ein Füllmaterial enthaltendes Kunststoffsubstrat in den Bereich von 0,22 bis 0,83 · 10&supmin;&sup5; cm/cmºC (0,4 bis 1,5 · 10&supmin;&sup5; Zoll/ZollºF).
Die thermische Leitfähigkeit spielt auch eine wichtige Rolle bei der thermischen Stabilität des Substratmaterials. Je größer der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit ist, desto gleichförmiger ist die Temperatur in dem Substrat, und desto gleichförmiger ist daher die Ausdehnung. Theoretisch bewirkt ein gleichförmiges Wachsen der Abmessungen des Substrates aufgrund von Temperaturänderungen keine Verminderung der optischen Qualität (mit der Ausnahme einer entsprechenden Änderung der Brennweite und einer inversen Änderung des Gesichtsfeldes). Um eine gleichförmige Vergrößerung der Abmessungen aufgrund thermischer Effekte zu erzielen, wird das gesamte optische System vorzugsweise aus demselben Material gefertigt. Eine Beachtung der thermischen Leitfähigkeit ist ein wichtiger Gesichtspunkt, da Kunststoffe bzgl. der Leitung von Wärme sehr schlecht sind. Im Allgemeinen haben Kunststoffmaterialien Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit zwischen 15 und 100 mal niedriger als Aluminium. Das Vorsehen eines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten wird um so wichtiger wegen der niedrigen thermischen Leitfähigkeit von Kunststoffmaterialien. Eine gewünschte thermische Leitfähigkeit des Spiegels kann durch einen metallisierten Außenbelag oder durch Verwendung von Zusätzen zu dem Material erreicht werden. Solche Zusätze werden zu der Kunststoffmaterialzusammensetzung als Füllmaterial vor dem Gießen hinzugegeben.
Füllmaterialien werden in erster Linie verwendet, um die Festigkeit von gegossenen Kunststoffsubstraten zu erhöhen. Zusätzlich wird der thermische Ausdehnungskoeffizient im allgemeinen durch die Zugabe von Füllmaterialien herabgesetzt. Füllmaterialien werden auch zur Erhöhung einer Anzahl weiterer Eigenschaften eingesetzt, beispielsweise der Widerstandsfähigkeit gegen Entflammung, der Schmiereigenschaften, der elektrischen Leitfähigkeit und der Flexibilität. Karbonfasern und Glasfasern sind zwei der im Allgemeinen am meisten verwendeten Füllmaterialien. Andere Füllmaterialien, beispielsweise Graphit, Zellulose, Mineralien und Metalle werden auch eingesetzt doch werden Glaskügelchen bevorzugt, um Eigenschaften einer glatten Oberfläche zu erzeugen. Das Füllmaterial bestimmt im Allgemeinen das Gießverfahren sowie die Geschwindigkeit, mit welcher das Material in eine Form gespritzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung verbessert die thermische Stabilität der Spiegel durch Abgleichen oder Annähern der Strahlungsemissionseigenschaften der Vorder- und der Rückseite des Spiegels, um irgendwelche Temperaturunterschiede zwischen der Vorderseite und der Rückseite zu Verhindern oder wesentlich herabzusetzen, wobei solche Temperaturunterschiede oder ein Temperaturgradient bewirken kann, daß das Spiegelsubstrat sich verwirft oder geringe Formänderungen erfährt, welche die Präzision des Spiegels zerstören.
Während Glassubstrate solche Änderungen erleiden, wenn die Frontseite und die Rückseite auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt werden, sind gegossene klare Polymersubstrate, beispielsweise aus Acryl, Polycarbonat, Polystyrol, Polyätherimid, Polyphenylsulfid oder anderen Kunststoffgießwerkstoffen noch empfindlicher gegenüber solchen Änderungen, da Kunststoffwerkstoffe im allgemeinen eine bedeutend niedrigere thermische Leitfähigkeit und einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) als Glas haben. Somit bleibt Wärme, die an der Rückseite eines Kunststoffsubstrates absorbiert worden ist, dort lokalisiert und verursacht eine thermische Ausdehnung der Rückseite relativ zu der Vorderseite, was zu einer Änderung der Form der Frontseite (Spiegelseite) führen kann.
Der Belag niedriger Emissivität, der auf die Rückseite des vorliegenden Spiegelsubstrates aufgebracht wird, kann bezüglich seiner Zusammensetzung identisch zu dem niedrige Emissivität aufweisenden, reflektierenden Belag sein, der auf die Frontseite oder die Spiegelseite aufgebracht wird, und kann, falls gewünscht, in identischer Weise und gleichzeitig aufgebracht werden. Alternativ kann gegebenenfalls der Belag ein vollständig anderer, billigerer Belag sein. Die typischer Weise zu bevorzugenden, geringe Emissivität aufweisenden, reflektierenden Beläge sowohl für die Rückseite als auch für die Vorderseite des vorliegenden Spiegelsubstrates sind hetkömmliche metallische Spiegelbeläge. Es existieren viele geeignete Beschichtungsmaterialien, beispielsweise Aluminium und Chrom, mit zusätzlichen besonderen Verstärkungsschichten oder Schutzbelagsschichten. Metallische Beläge haben hohe thermische Leitfähigkeit und bewirken eine Erwärmungsgleichförmigkeit über die gesamte beschichtete Oberfläche hin. Auch haben herkömmliche dünne metallische Spiegelbeläge, welche durch Dampfablagerungsverfahren aufgebracht werden, sehr gute Reflexionseigenschaften, so daß sie etwa 85,0% bis 98,5% der Strahlung weg reflektieren, die gegen die Fläche gerichtet ist, einschließlich Infrarot- Wärmeenergie, so daß sie nur etwa 1,5% bis 15% der Strahlung, die gegen sie gerichtet ist, einschließlich der Wärmeenergie, durch die reflektierende Oberfläche gelangen lassen, und absorbiert werden lassen, um die Rückseite des Substrates zu erwärmen.
Die geringe Emissivität aufweisenden Beläge werden vorzugsweise gleichzeitig auf beide Oberflächen des Glassubstrates oder Kunststoffsubstrates aufgetragen, indem das Substrat in eine Vakuum-Beschichtungskammer eingebracht wird und beide Oberflächen den Dämpfen eines Metalls, beispielsweise Aluminium, ausgesetzt werden. Alternativ können die Metallbeschichtungen auch durch andere herkömmliche Metallisierungsverfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Katodenzerstäubung, Tauchen, Sprühen oder andere derartige Verfahren. Es ist nicht wesentlich, daß die Beschichtungen niedriger Emissivität, die auf die Vorderseite und die Rückseite des Substrates aufgebracht werden, identische Zusammensetzungen besitzen oder daß sie identisch niedrige Emissivitätseigenschaft haben, doch ist eine solche Gleichheit der Emissivität zur Erzeugung der größten Temperaturstabilität zu bevorzugen. Die Beschichtung auf der Rückseite kann aus einem billigeren Material bestehen und kann durch ein kostengünstigeres Verfahren aufgebracht werden, als die Beschichtung auf der Spiegelvorderseite, was aus wirtschaftlichen Gründen geschieht, solange man eine wesentlich niedrigere Emissivität als in Abwesenheit einer rückseitigen Beschichtung erhält. Wie gesagt, erhält man eine maximale Wärmestabilisierung, wenn die Emissivität der Beschichtung auf der Rückseite derjenigen der frontseitigen Beschichtung genau entspricht, doch erhöht jede rückseitige Beschichtung, die die Emissivität der Rückseite des Substrates herabsetzt, die Wärmestabilität des Spiegels, insbesondere in dem Falle von Kunststoffsubstraten mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und hoher thermischer Ausdehnung.
Es versteht sich, daß die vorstehende Beschreibung nur zur Erläuterung der Erfindung dient. Vielerlei Alternativen und Abwandlungen können durch den Fachmann aufgefunden werden, ohne daß von dem Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird. Demgemäß umfaßt die vorliegende Erfindung sämtliche solche Alternativen, Abwandlungen und Varianten, die in die Definition der anliegenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Spiegel zur Reflexion einfallender Strahlung, wobei der Spiegel ein Substrat aus einem ersten Material mit Vorderseite und Rückseite und eine seine Vorderseite überdeckende hochreflektierende Schicht niedrigen Emissionsverhaltens zur Bildung einer Spiegeloberfläche aufweist, und der Spiegel weiter eine hochreflektierende Schicht niedrigen Emissionsverhaltens enthält, die die Rückseite des Substrats überdeckt, um ein Verwerfen des Substrates herabzumindern oder zu verhindern, wobei die Schicht, welche die Rückseite des Substrates überdeckt, aus einem von dem erstgenannten Material verschiedenen Material hergestellt ist und diese rückseitige Schicht im Bereich von 85,5% bis 98,5% der einfallenden Strahlung reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Polymer-Materialgemisch gegossen ist, ein Füllmaterial enthält, welches den thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE des Substrates herabsetzt, und einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 0,22 bis 0,83 · 10&supmin;&sup5; cm/cmºC (0,4 bis 1,5 · 10&supmin;&sup5; Zoll/ZollºF) aufweist.

2. Spiegel nach Anspruch 1, welcher eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Verlust der Maßhaltigkeit in Gegenwart von thermischer Belastung aufweist, wobei die genannte Schicht, welche die Rückseite des Substrates überdeckt, zur Verminderung der Größe der Wärmeenergie dient, welche durch die Rückseite des Substrates absorbiert wird, und wobei die genannten Schichten, welche die Vorderseite und die Rückseite des Substrates überdecken, aus dem selben Material sind und die frontseitige Schicht in dem Bereich von 85,5% bis 98,5 % der einfallenden Strahlung reflektiert.

3. Spiegel nach Anspruch 2, bei welchem die reflektierenden Schichten, die auf die Vorderseite und die Rückseite des Substrates aufgebracht sind, ähnlich niedrige Emissionseigenschaften aufweisen.

4. Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die reflektierenden Schichten durch Dampfablagerung gebildete metallische Schichten enthalten.

5. Spiegel nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welchem das Substrat, das aus dem ersten Material gefertigt ist, und eine Vorderseite sowie eine Rückseite aufweist, ein Acryl, Polycarbonat, Styrol, Polyätherimid oder Polyphenylensulfid enthält.