Оптическое металлическое зеркало и способ его изготовления

 

Изобретение относится к оптике, а именно к технологии изготовления оптических металлических Зеркал, и может быть использовано при создании отражающих элементов различных оптических приборов. Зеркало содержит подложку на основе алюминия, на поверхность которой нанесено многослойное покрытие с образованием чередующейся структуры Cr-CrTsli-Ni, причем толщина переходного слоя CrNi составляет 0,1-2 мкм, Способ изготовления зеркала включает нанес ение покрытия в высоком вакууме на подложку, нагретую до температуры 150-300°С, методом электронно-лучевого испарения, кото- pde производится из графитового тигля с предварительно переплавленным никелем и помещенным на его поверхности хромом. Механическая обработка может производиться после формирования каждой группы слоев Cr-CrNi-Ni. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил. Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sr)s 6 02 В 5/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4748894/10 (22) 16.10,89 (46) 07.08,92. Бюл. N 29 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) А,cD,Большанин и С.В.Орлов (56) Витриченко Э,А. и др. Исследование возможности создания крупногабаритных облегченных металлических зеркал для. длинноволнового ИК диапазона спектра,ОМП, 1985, ¹ 3, с. 13 — 16, Технология оптических деталей. /Под ред, М,Н.Семибратова. Изд. 2-e,— M. Машиностроение, 1985,-с. 291-295, Сообщ. Бюраканской обс., 1967, вып.

38, с. 66, (54) ОПТИЧЕСКОЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретенйе относится к оптике, а . именно к технологии изготовления оптйчеИзобретение относится к оптике, а именно к технологии изготовления оптических металлических зеркал, и может быть использовано при создании отражающих элементов различных оптических приборов.

Известно оптическое металлическое зеркало, изготовляемое из алюминиевого сплава, при этом рабочая поверхность зеркала полируется свободным абразивом, Недостатком такого зеркала является его низкое качество, что связано с малой поверхностной твердостью подложки, не позволяющей при используемом способе изготовления получать точные, с малым светорассеянием оптические поверхности.,, ЯЫ„„1753439 A 1 ских металлических зеркал, и может"быть использовано при созданйи отражающих элементов различных оптических йриборов.

Зеркало содержит подложку на основе алюминия, на поверхность которой нанесено многослойное покрытие с образованием чередующейся структуры

Сг — CrNI — Ni, причем толщина переходного слоя CrNi составляет 0,1 — 2 мкм. Способ изготовления зеркала включает нанеСение покрытия в высоком вакууме на подложку, нагретую до температуры 150 — 3000С, методом электронно-лучевого испарейия, которое производится из графитового тигля с предварительно переплавленным никелем и помещенным на его поверхности хромом.

Механическая обработка может производиться после формирования каждой группы слоев Cr — Сг% — Ni. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Известны различные конструкции зер- (Я кал, позволяющие повысить поверхностную (Д твердость алюминиевой основы.

Известны конструкции и способ изготовления стеклометаллического зеркала,: рабочей поверхностью которого является тонкий слой стекла, нанесенный методом спекания, Недостатком такой конструкции и способа изготовления является недостаточное качество оптической поверхности из-за наличия больших напряжений в системе металл-стекло, связанного с различием коэффициентов линейного термического расширения материалов.

Наиболее близким к предложенному по своей технической сущности является опти1753439 чеСкое металлическое зеркало, содержащее подложку из алюминиевого сплава, на рабочую поверхность которой нанесен слой металла, поддающийся полировке свободным абразивом. Таким достаточно легко обрабатываемым слоем является химически нанесенное никелевое или хромовое покрытие толщиной до 100 мкм.

Недостатками такой конструкции зеркала и,-соответственно, способа получения обрабаты ваемого cfldA являются значитбльное™мсветорассеяние поверхности из-за пористости йокрытия и недостаточно высокая " механическая прочность покрытия, связанная с недостаточной адгезией слоя к подложке и наличи .м значительных напряжений, приводящая к тому, что при обработке покрытие имеет тенденцию к отслаиванию от подложки и к растрескиванию при больших толщинах. При этом способ формирования покрытия не позволяет одновременно вести формообразование оптической поверхности с целью изготовления асферических отражателей.

Цель изобретения — повышение механической прочности, уменьшение светорассеяния поверхности отражателя и обеспечение возможности изготовления зеркал с большой асферичностью.

Поставленная цель достигается тем, что конструктивно покрытие на основе никеля выполнено многослойным, в него введены слои хрома с образованием чередующейся структуры Cr-CrNI — Ni, причем к подложке прилегает слой хрома, а толщина переходного слоя CrNI составляет 0,1-2 мкм.

При этом при способе изготовления оп тического металлического зеркала, заключающемся в нанесении на предварительно обработанную поверхность подложки на основе алюминия металлического покрытия и последующей его механической обработке свободным абразивом, покрытие наносят в високом вакууме на подложку, нагретую до

150-300ОС, в виде слоев Cr — CrNI — Ni, которые формируются электронно-лучевым испарением пленкообразующих веществ из графитового тигля с предварительно переплавленным никелем и помещенным на его поверхности хромом с последующей их конденсацией на подложке. При этом система слоев Cr — CrNI-Ni с изменяющимся по толщине составом изготовляется последовательно, хром возгоняется из твердой фазы с поверхности расплава никеля, затем, при дальнейшем нагреве, хром и никель испаряются совместно с образованием переходного, демпфирующего внутренние напряжения, слоя CrNI переменного состава толщиной 0,1 — 2 мкм, в дальнейшем

1 ведется испарение чистого никеля, слой которого при необходимости полируется, причем общее количество слоев Cr — CrNI — Nl зависит от требуемой толщины покрытия.

5 Сущность изобретения поясняется следующим.

Известно, что подслой хрома используется для повышения адгезии металлических слоев с низкой химической активностью к

10 стеклянным подложкам. При этом слои хрома на стекле имеют мелкокристаллическую структуру, что положительно сказывается на структуре последующих слоев, а значит, и на светорассеянии покрытия. Пленки хро15 ма на подложках алюминия или его сплавов при определенных условиях конденсации являются также мелкокристаллическими и обладают высокой адгезией к подложке за счет образования химических связей через

20 кислородные мостики поверхностной пленки оксида алюминия АЬОз.

Для демпфирования внутренних напряжений в слоях и обеспечения высокой адгезии никеля к хрому предлагается ис25 пользовать в конструкции переходный слой

CrNi толщиной 0,1 — 2 мкм с переменным по толщине составом, причем установлено, что оптимальное распределение хрома и никеля по толщине при существенной простоте

30 процесса обеспечивается предлагаемым способом формирования покрытия, При толщине переходного слоя CrNI менее 0,1 мкм напряжения сконцентрированы в этом слое, что ведет к снижению механической

35 прочности покрытия и самопроизвольному отделению покрытия от подложки. Формирование покрытия с толщиной переходного слоя более 2 мкм ведет к непроизводительному расходованию хрома, а также требует

40 изготавливать покрытие с большей общей

ТОЛЩИНОЙ.

Слой никеля позволяет при необходимости уменьшения светорассеяния проводить качественную полировку рабочей

45 поверхности, Применение в качестве мате риала тигля графита приводит к легированию углеродом слоя никеля и его. аморфизации. Количество углерода в никеле не превышает нескольких процентов.

50 Температура подложки при конденсации покрытия должна быть не менее 150 С, так как более низкая температура подложки приводит к значительному росту кристаллитов в слое, и покрытие получается

55 пористым, рыхлым, не выдерживает механическую обработку. При температурах более 300 С наблюдается эффект изменения начальной структуры подложки и увеличение светорассеяния, поэтому при выборе режимов изготовления слоев рекомендует1753439 ся не использовать температуру конденсации свыше 300 С.

Для уменьшения величины светорассеяния применяется механическая обработка покрытия. Многослойное формирование покрытия Cr -CrNl — Nl (обработка) + Cr-CrNl—

Nl (обработка) + „. позволяет получать требуемые оптические характеристики отражающей поверхности при стабильной форме поверхности, Учитывая, что, чем меньше у покрытия начальная шероховатость перед обработкой, тем меньшую толщину слоя необходимо снять при обработке, с точки зрения сохранения формы оптической поверхности лучшим выходом является проведение обработки при небольшой толщине Cr — CrNl Nl. Поэтому предлагается проводить механическую обработку после формирования каждой группы слоев Cr-CrNi-Nl. Особенно зто важно для обеспечения возможности изготовления зеркал с большой асферичностью.

На чертеже представлена конструктивная схема предлагаемого зеркала, Оптическое металлическое зеркало состоит из подложки 1, выполненной из алюминия или его сплава с нанесенными на нее . в высоком вакууме слоями металлов: слой 2 хрома, слой 3 с переменным составом CrNl и слой 4 никеля, Способ изготовления оптического металлического зеркала осуществляется Следующим образом.

В вакуумную камеру помещается тигель из графита, в котором производится предварительная переплавка и обезгаживание расплава никеля при использовании электронно-лучевого нагрева. Затем тигель охлаждается до комнатной температуры, а на поверхность расплава помещается необходимое для формирования адгезионного и переходного слоев количество хрома.

Полированную или обработанную алмазным резцом подложку очищают в тлеющем разряде и нагревают до температуры конденсации покрытия в 150 — 3000С. Хром напыляют на рабочую поверхность подлож- ки со скоростью 0,1 — 1 мкм/мин с использованием разогрева электронным лучом;

Оптимальная толщина адгезионного слоя

0,1-0,5 мкм. Разогрев предварительно переплавленного никеля ведется таким образом, чтобы обеспечить образование локальной эоны расплава, Этим достигается одновременное напыление хрома и никеля на подложку, причем хром возгоняетсяиз твердой фазы, а никель испаряется из расплава, Состав покрытия меняется по толщине s зависимости от скорости испарения . компонентов и от их количества. Толщина

0,05 — 0,2

0 группа

15-150

30 переходного слоя CrNl, в котором происходит компенсация внутренних напряжений, . составляет 0,1 — 2 мкм. Постепенно количество хрома в покрытии уменьшается, дальше

5 ведется напыление никеля со скоростью

0,1 — 1 мкм/мин до требуемой толщины покрытия.

При необходимости уменьшения поверхностного светорассеяния используется

10 механическая полировка слоя никеля алмазными микро- и субмикропорошками.

Эксплуатационные характеристики испытанных покрытий следующие (без нанесения высокоотражающего слоя):

15 Отражение на

Л - 0,55 мкм,, 67

Рассеяние на приборе ЮС-36, 7;

Адгезия на отрыв, 20 ГПа . 0,05

Механическая прочность

Чистота поверхности .. V класс

25 Толщина покрытия, мкм

Микротвердость подложки, ГПа, . 0,30

Микротвердость покрытия, ГПа 1,60 (отсутствует шаржирование)

Таким образом, предлагаемая конструкция оптического металлического эер35 кала и совокупность операций по способу его изготовления позволяют получать оптическое зеркало С твердым; хорошо полируемым покрытием, беспористым и малорассеивающим, с высокой механической

40 прочностью. Светорассеяние зеркал с таким покрытием значительно ниже, чем у образцов из алюмйниевых сплавов, что позволяет создавать объективы и другие оптические конструкции с облегченными вы45 сокопрочными зеркалами с малым светорассеянием. При этом данное покрытие можно использовать для асферизации зеркал нанесением дополнительных слоев в вакууме, при этом оно обеспечивает изго50 товление отражателей с большой асферичностью.

Себестоимость полученных зеркал невысока, технология изготовления проста и. н етрудоем ка.

55 Формула изобретения

1. Оптическое металлическое зеркало, содержащее подложку на основе алюминия, на поверхность которой нанесено покрытие из никеля, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения механической прочно1753439

Составитель С.Орлов

Техред М.Моргентал

Корректор M.Ìàêñèìèøèíåö

Редактор И.Шмакова

Заказ 2767 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, yn,Гагарина, 101 сти, уменьшения светорассеяния. и обеспечения возможности изготовления зеркал с большой асферичностью, покрытие из никеля выполнено многослойным, в него дополнительно введены слои хрома с об- 5 разованием чередующейся структуры

Cr-CrNI-NI, прйчем к подложке прилегает слой хрома, а толщина переходного слоя

CrNI составляет 0,1 — 2 мкм, 2. Способ изготовления оптического ме- 10 таллического зеркала, заключающийся в нанесении на предварительно обработанную поверхность подложки на основе алюминия металлического покрытия и последующей

его механической обработке, î т л и ч а ю - 15 шийся тем, что, с целью повышения механической прочности, уменьшения све-: торассеяния и обеспечения возможности изготовления зеркал с большой асферичностью, покрытие наносят в высоком вакууме на подложку, нагретую до температуры 150300 С, в виде слоев Cr-CrNI â€, формируемых электронно-лучевым испарением иэ графитового тигля с предварительно переплавленным никелем и помещенным на его поверхности хромом, причем при испарении последовательно производится возгонка хрома, совместное испарение хрома и никеля до образования переходного слоя

CrNI толщиной 0,1-.2 мкм и испарение никеля. . 3. Способ по п.2, отл ич а ю щи и с я тем, что механическая обработка производится после формирования каждой группы слоев Cr-СгМ-NI,