Оптическое зеркало

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для оптических зеркал, обладающих минимальным весом и высокой стабильностью формы оптической поверхности. Сущность: основание зеркала выполнено из композиционного материала, армированного непрерывными высокомолекулярными волокнами. С основанием соединен слой с отражающей поверхностью. При этом в основании выполнены полости. Стенки полостей выполнены в виде непрерывных ребер, направления которых совпадают с направлениями ориентации волокон в плоскости, перпендикулярной оптической оси зеркала. Кроме того, к тыльной стороне несущего основания может быть неразрывно присоединена пластина из волокнистого композиционного материала. Технический результат: снижение веса. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для создания оптических зеркал, обладающих минимальным весом и высокой стабильностью формы оптической поверхности.

Важнейшим фактором в обеспечении высокой геометрической стабильности оптических зеркал является оптимальный выбор материала несущего основания (подложки). Эти материалы должны обладать минимальной плотностью ρ, высоким модулем упругости Е, должны иметь минимальный температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) α, максимальную теплопроводность λ и температуропроводность а (см., например, Д.Д.Максутов. Изготовление и исследование астрономической оптики. М., ″Наука″, 1984 г. или William P., Barnes Jr. Optical materials - reflective ″Appl. Opt. And Opt. End" (vol.7, p.97-119).

Анализ физико-механических, теплофизических свойств современных материалов позволяет сделать вывод о перспективности композиционных материалов (КМ), армированных высокомодульными непрерывными волокнами для создания оптических зеркал (см., например, F.Ayer, E.G.Wolff and G.G.Comisar. Materials for large space optics - Thermal Expansion, v. 6, proc 6^th Jnt. Symp. Heclo Island, 1977, New-York. London, 1978, p. 27-41).

Высокая жесткость таких КМ при низком удельном весе, малый ТКЛР позволяет создавать оптические зеркала с высокой стабильностью формы оптической поверхности по отношению к действию силы тяжести и нестационарных тепловых условий.

Известно лазерное зеркало (см. патент США №4.451118 по классу G 02 В 5/08 за 1984 г.), содержащее основание, скрепленное с подложкой, имеющей поверхность отражения, причем основание содержит стеклянную матрицу, армированную графитовыми волокнами, ориентированными по крайней мере в одной плоскости, параллельной поверхности зеркала.

Прототипом изобретения является оптическое зеркало по авт. св. СССР №696399 по классу G 02 В 5/08 за 1979 г. в виде соединенных друг с другом стеклянного с отражающей поверхностью слоя и несущего основания, выполненного из чередующихся слоев КМ на основе углеродного волокна и пирокарбида кремния, причем волокна соседних слоев взаимно перпендикулярны.

Недостатком таких конструкций является большой вес несущего основания, выполненного монолитным.

Цель изобретения - уменьшение веса оптического зеркала при сохранении высокой жесткости. Указанная цель достигается тем, что в оптическом зеркале, включающем слой с отражающей поверхностью и соединенное с ним несущее основание из композиционного материала, армированного непрерывными высокомодульными волокнами, несущее основание содержит облегчающие полости, причем стенки полостей образуют непрерывные ребра, направления которых совпадают с направлениями ориентации волокон в плоскости, перпендикулярной оптической оси зеркала.

Наличие облегчающих полостей в несущем основании снижает вес оптического зеркала, а сохранение непрерывных армирующих волокон в ребрах обеспечивает высокую жесткость оптического зеркала.

Известна техника "облегчения" оптических зеркал, выполненных из гомогенных материалов, например стекол. Она заключается в формировании полостей в объеме несущего основания, при этом вес основания уменьшается быстрее, чем уменьшается жесткость относительно прогиба под действием собственного веса.

Сравнение расчетных данных прогиба оптической поверхности монолитного и облегченного зеркал под действием собственного веса при опирании по краю показывает, что возможно уменьшение веса зеркала в 3-5 раз при сохранении прогиба на том же уровне (см. в книге "Космическая оптика" М., Машиностроение, 1980 г., с. 126-129).

В гомогенных материалах применяются различные конфигурации облегчающих полостей, например треугольные, прямоугольные, гексагональные, причем как показывают исследования, конфигурация полостей в первом приближении не влияет на жесткость, особенно когда поперечный размер облегчающих полостей мал по сравнению с поперечными размерами зеркала.

При выборе конфигурации полостей облегчения в монолитном основании, изготовленном из волоконного КМ, необходимо учитывать ориентацию непрерывных волокон в плоскости, перпендикулярной оптической оси зеркала.

Формирование облегчающих полостей без учета этого обстоятельства приводит к нарушению сплошности непрерывных волокон и ухудшению жесткостных характеристик несущего основания, а следовательно, к увеличению прогиба зеркала под собственным весом.

Предлагаемое формирование облегчающих полостей таким образом, что их стенки образуют непрерывные ребра, направления которых совпадают с одним из направлений укладки армирующих непрерывных волокон в монолитном основании, обеспечивает полное выполнение непрерывными волокнами упрочняющей функции и позволяет сохранить жесткостные характеристики материала ребер на уровне характеристик материала монолитного основания.

Данный подход к выбору вида полостей облегчения в волокнистых КМ справедлив и в случае многомерных структур, где волокна ориентированы как в плоскости, перпендикулярной оптической оси, так и вдоль нее.

На фиг.1, 2, 3 соответственно представлены варианты облегчения оптических зеркал, соответствующие трем типам ориентации волокон в плоскости, перпендикулярной оптической оси: (0/90)n, (0/±60)n, (0/±45/90)n.

Оптическое зеркало включает слой с отражающей поверхностью 1 и несущее основание 2, выполненное из волокнистого КМ. Несущее основание содержит облегчающие полости 3, стенки которых образуют непрерывные ребра 4, направления которых совпадают с направлениями ориентации непрерывных волокон 5 в плоскости, перпендикулярной оптической оси зеркала.

Структура облегчения может быть изготовлена, например, путем механической выборки в монолитном основании полостей 3 прямоугольного (фиг.1) или треугольного (фиг.2, 3) сечения.

Для повышения жесткости конструкции к пыльной стороне несущего основания может быть неразрывно присоединена пластина 6 из того же КМ (фиг.4).

Слой 1, состоящий из стекла, металла или другого гомогенного материала, наплавлением, склейкой, напайкой или другим способом соединяют с несущим основанием 2, затем слой подвергают оптической обработке (шлифовке, полировке) и на его поверхность наносят отражающее покрытие.

Формула изобретения

1. Оптическое зеркало, содержащее слой с отражающей поверхностью и соединенное с ним несущее основание из композиционного материала, армированного непрерывными высокомодульными волокнами, отличающееся тем, что, с целью снижения веса, в несущем основании выполнены полости, стенки которых изготовлены в виде непрерывных ребер, направления которых совпадают с направлениями ориентации волокон в плоскости, перпендикулярной оптической оси зеркала.

2. Оптическое зеркало по п.1, отличающееся тем, что, к тыльной стороне несущего основания неразрывно присоединена пластина из волокнистого композиционного материала.

РИСУНКИ