Способ изготовления зеркала и зеркало изготовленное этим способом Российский патент 2023 года по МПК G02B5/08 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в области оптики, лазерной техники и оптоэлектроники.

В настоящее время в оптических устройствах, где важны малый вес, портативность и прочность, используемых в аэрокосмических, медицинских и прочих целях, в частности, для дистанционного зондирования Земли с высоким разрешением, в качестве сканирующих зеркал, используются бериллиевые зеркала.

Известен способ изготовления зеркала с корпусом зеркала из бериллиевого сплава со стеклянным конструкционным покрытием на рабочей (оптической) поверхности зеркала. [С.В. Любарский Разработка и исследование технологического процесса изготовления оптических зеркал из бериллия / Диссертация в форме научного доклада кандидата технических наук // Санкт-Петербург, 1998, с.30-38]. Способ включает в себя формирование на одной из сторон корпуса зеркала из бериллиевого сплава конструкционного покрытия из стекла ТФ-1608-Б2 толщиной 4 мм, последующие термическую обработку заготовки зеркала, механическую обработку поверхностей конструкционных покрытий до оптического качества и нанесение отражающих покрытий. Полученное при этом зеркало имеет небольшой вес и хорошее качество оптической поверхности.

Недостаток известного технического решения состоит в том, что бериллий является дорогостоящим и малодоступным материалом. Изготовление бериллиевых сплавов и заготовок из них требует применения методов специальной металлургии в связи с опасностью воздействия аэрозолей бериллия и его соединений на человека. Механическая обработка бериллия при изготовлении корпуса оптического зеркала также является специализированным производством с особыми требованиями по технике безопасности и экологии. Изготовление оптических элементов с корпусами из бериллия трудоемко и требует значительных затрат, что оправдано только при создании единичных, уникальных изделий, работающих в экстремальных условиях, а изготавливаемые зеркала очень дороги.

Известен способ изготовления зеркала и зеркало, изготовленное этим способом, с корпусом из сплава алюминий-кремний, на рабочую поверхность которого нанесено покрытие, обработанное до оптического качества, и отражающий и защитный слои на поверхности покрытия [US Patent Application Publication No US 2013/0057952, 07.03.2013]. Способ изготовления зеркала включает изготовление корпуса из сплава алюминий-кремний, нанесение на рабочую поверхность зеркала покрытия, которое включает промежуточный слой из металла или оксида металла толщиной 20 – 200 нм и слой толщиной 1 - 10 мкм, который может быть обработан до оптического качества, а после оптической обработки на поверхность покрытия наносят отражающий и защитный слои. Все слои наносят методами химического осаждения из пара (CVD), поатомного осаждения слоев, испарения электронным лучом и др., которые осуществляются в условиях высокого вакуума. Описанное техническое решение авторы выбрали в качестве ближайшего аналога. Использование алюминиевого сплава для изготовления корпуса зеркала позволяет изготавливать зеркала небольшого веса из материала, значительно более доступного и экологически чистого, чем бериллий.

Недостатком известного технического решения является технологическая сложность изготовления зеркала, а именно – формирования покрытия на поверхности корпуса зеркала. Использование вакуумных технологий требует сложного специального оборудования. Скорости получения покрытий описанными в ближайшем аналоге методами очень низкие, что требует значительного времени для осуществления процесса. Важно, что получаемое для дальнейшей оптической обработки покрытие очень тонкое, что усложняет его оптическую обработку и требует использования специализированного прецизионного оборудования. Применяемые технологические методы трудоемки, и сложны при реализации в массовом производстве, что делает изготавливаемые зеркала менее доступными для массовых устройств.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение способа изготовления зеркала, который может быть реализован при массовом производстве, и создание зеркала с небольшой трудоемкостью изготовления для использования в приборах сканирующей и других видов наблюдательной оптики, в частности, для устройств с возможным риском утраты (например, беспилотные летательные аппараты и др.).

Технический результат достигается тем, что при реализации способа изготовления зеркала, включающего изготовление корпуса зеркала из сплава алюминий-кремний, нанесение на рабочую поверхность корпуса покрытия, оптическую обработку покрытия и нанесение на покрытие отражающего и защитного слоев, корпус зеркала изготавливают из сплава алюминий-кремний с содержанием кремния 30 – 40 % масс., а покрытие формируют приплавлением пластины стекла марки ТФ 1608-Б2 толщиной 1,5 – 2,5 мм при температуре 480 – 520 °С в течение 30 – 40 минут и охлаждением со скоростью не более 150 °С/час, последующей механической обработкой до толщины покрытия 0,9 – 1,1 мм и трёхкратной циклической термообработкой корпуса зеркала с покрытием при температурах минус (80±5) °С – плюс (100±5) °С с изотермическими выдержками в течение 20 - 30минут, а затем осуществляют оптическую обработку покрытия и нанесение отражающего и защитного слоев.

Изготовленное при реализации предложенного способа зеркало, включает корпус из сплава алюминий-кремний, покрытие на рабочей поверхности корпуса, обработанное до оптического качества, отражающий и защитный слои на поверхности покрытия, причем корпус выполнен из сплава алюминий-кремний с содержанием кремния 30 – 40 % масс., а покрытие рабочей поверхности корпуса выполнено из стекла марки ТФ-1608-Б2 и имеет толщину 0,7 – 0,9 мм.

Использование для изготовления корпуса зеркала сплавов алюминий-кремний с содержанием кремния менее 30 % масс., и более 40 % масс. не позволяет сформировать на поверхности корпуса бездефектное стеклянное покрытие – при наплавлении стекла или после проведения термообработки происходит разрушение покрытия.

При использовании пластин стекла толщиной более 2,5 мм происходит разрушение стеклянного покрытия при наплавлении или при проведении термообработки. Применение пластин стекла толщиной менее 1,5 мм нецелесообразно, т.к. это затрудняет последующую механическую обработку (шлифование) из-за малых размерных припусков покрытия на такую обработку.

Приплавление стеклянного покрытия при температурах менее 480 °С не обеспечивает хорошее адгезионное соединение покрытия с поверхностью металлического корпуса зеркала. Приплавление покрытия при температуре выше 520 °С нецелесообразно, т.к. при этих температурах наблюдается заметная пластичность сплава алюминий кремний, что может приводить к его деформации при таком температурном воздействии.

При охлаждении корпуса с покрытием со скоростью более
150 °С /час часто наблюдается разрушение покрытий.

Механическую обработку стеклянного покрытий осуществляют до толщины 0,9 - 1,1 мм. Толщина покрытия менее 0,9 мм недостаточна для проведения окончательной оптической обработки покрытий, а при толщине более 1,1 мм наблюдаются разрушения покрытия при проведении циклической термообработки.

Проведение трёхкратной циклической термообработки при температуре минус (80±5) °С – плюс (100±5) °С, с изотермическими выдержками в течение 20 - 30минут, как показали эксперименты, надежно обеспечивает предотвращение разрушения зеркала при последующей эксплуатации в температурном диапазоне от минус 50 °С до плюс 50 °С.

Изготовленное зеркало имеет толщину стеклянного покрытия 0,7 – 0,9 мм. Такие толщины реализуются при осуществлении способа изготовления зеркала.

Предлагаемое техническое решение осуществляется следующим образом.

Из заготовки сплава алюминий-кремний с содержанием кремния 30 – 40 % масс. механической обработкой изготавливают корпус зеркала требуемой формы и размеров, например, в виде пластины круглой, эллиптической, многоугольной формы с плоской или сферической рабочей поверхностью, при этом нерабочая поверхность может иметь зоны облегчения корпуса, а боковые поверхности – посадочные площадки для последующего закрепления зеркала в оптическом приборе.

На очищенную от загрязнений рабочую поверхность зеркала укладывают пластину стекла марки ТФ-1609-Б2 толщиной 1,5 – 2,5 мм, по форме совпадающую с формой рабочей поверхности корпуса. Корпус с пластиной стекла помещают в печь. Печь нагревают до температуры (480 – 520) °С и выдерживают при этой температуре 30 – 40 минут. Затем печь и полуфабрикат зеркала в ней охлаждают со скоростью не более 150 °С /час.

Извлеченный из печи корпус с приплавленным на рабочей поверхности стеклом подвергают механической обработке поверхности стеклянного покрытия до толщины 0,9 – 1,1 мм.

После механической обработки полуфабрикат зеркала подвергают циклической термообработке: три цикла - минус (80±5) °С – плюс (100±5) °С, с изотермическими выдержками в течение 20 - 30минут.

После термообработок осуществляют оптическую обработку стеклянного покрытия – шлифование, полирование, доводку.

На оптическую поверхность наносят отражающее и защитное покрытия, например, напылением в вакууме слоя отражающего металла (алюминий, серебро и др.) и слоя защитных окислов (SiO₂, Al₂O₃).

Полученное при реализации способа изготовления зеркало включает в себя корпус из сплава алюминий-кремний, имеющий на своей рабочей поверхности покрытие из стекла ТФ-1609-Б2 толщиной 0,7 – 0,9 мм, обработанное до оптического качества и имеющее на покрытии отражающий и защитный слои.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В последние годы для оснащения оптических приборов с небольшим сроком эксплуатации (например, для оснащения беспилотных летательных аппаратов) возникла потребность в недорогих зеркалах, технология изготовления которых способна обеспечит массовое производство. Использование зеркал из стекла, ситалла, кварца не всегда может обеспечить требования к оптическим приборам из-за недостаточной прочности и хрупкости стеклообразных материалов. Кроме того, применение зеркал из стеклообразных материалов усложняет их надежное закрепление в корпусе оптоэлектронного прибора – как правило, требуется предварительное закрепление зеркала в металлическую оправу, что усложняет конструкцию, увеличивает вес и снижает надежность конструкции. При использовании зеркал с металлическими корпусами закрепление зеркала в приборе упрощается. В случае применения металлов, предпочтение должно отдаваться низкоплотным металлам, что снижает вес зеркала. Применение для корпусов зеркал из бериллиевых сплавов эффективно, но слишком дорого и экологически не оправдано для серийного производства. Применение сплавов алюминия в этом отношении представляется более перспективным. Однако формирование на алюминии качественной оптической поверхности затруднительно из-за низкой твердости алюминиевых сплавов и существенной деформации поверхности сплава при проведении оптической обработки поверхности. Предлагаемое техническое решение направлено на создание зеркал из низкоплотного алюминиевого сплава, имеющих на рабочей поверхности стеклянные покрытия, оптическая обработка которых до необходимой шероховатости и точности формы хорошо освоена оптической промышленностью. Осуществленный выбор состава алюминиевого сплава и стеклянного покрытия, а также условия наплавления покрытия и термообработок полуфабриката зеркала позволили обеспечить изготовление зеркал с хорошими оптическими параметрами, причем сам процесс имеет относительно небольшую трудоемкость, реализуется на простом оборудовании и может быть реализован серийно. Из-за относительно низкого модуля упругости сплавов алюминий-кремний (80 – 85 ГПа) наиболее целесообразно использовать предлагаемое техническое решение при изготовлении малогабаритных зеркал.

В отличие от ближайшего аналога, предлагаемое техническое решение существенно упрощает изготовление зеркал с корпусом из алюминиевого сплава.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующими примерами.

Пример 1. Из заготовки сплава алюминий-кремний с содержанием кремния 40 % масс. изготавливают корпус зеркала в виде диска диаметром 60 мм и толщиной 10 мм. На плоскость диска укладывают стеклянную пластину диаметром 60 мм толщиной 2,5 мм из стекла ТФ-1609-Б2. Корпус со стеклом помещают в печь, нагревают до 510 °С и выдерживают при этой температуре 40 минут. Печь и расположенный в ней полуфабрикат зеркала остужают со скоростью 120 °С/час. Извлекают полуфабрикат зеркала из печи и подвергают механической обработке (шлифованию) сформированное на корпусе стеклянное покрытие. Шлифование проводят до толщины покрытия 1,0 мм. Корпус зеркала с отшлифованным покрытием подвергают циклической термообработке, осуществляя три цикла в камере тепла и холода по режиму: минус (80±5) °С – плюс (100±5) °С, с изотермическими выдержками при каждой температуре в течение 30 минут. Стеклянное покрытие термообработанного полуфабриката зеркала подвергают оптической обработке свободным абразивом (алмазными порошками) на шлифовально-полировальном станке, добиваясь среднеквадратичное отклонение (СКО) формы поверхности от плоскости – 65 нм и шероховатости поверхности (Rq) менее 3 нм. После этого методом вакуумного напыления на оптическую поверхность наносят отражающий слой алюминия толщиной 100 нм, а поверх его защитный слой из оксида кремния толщиной 170 нм оксида алюминия. Изготовленное зеркало имеет корпус из сплава алюминий–кремний с со стеклянным покрытием толщиной 1 мм, с отражающим и защитным слоями. Масса зеркала 80 г. Коэффициент отражения света с длиной волны 632,8 нм – 0,983. После проведения четырех циклов нагрев-охлаждение до температур плюс 50 °С – минус 50 °С зеркало сохранило свои оптические параметры. Как следует из примера, процесс изготовления зеркала прост, имеет небольшую трудоемкость и может быть реализован при серийном производстве.

Пример 2. Пример осуществляют аналогично примеру 1, используя сплав алюминий-кремний с содержанием кремния 30 % масс. Размеры корпуса: диск диаметром 50 мм, высотой 9 мм. Наплавление покрытия осуществляли при температуре 480 °С. Шлифование покрытия – до толщины 0,9 мм. После оптической обработки покрытие имело СКО – 55 нм. Изготовленное зеркало имеет корпус из сплава алюминий–кремний с со стеклянным покрытием толщиной 0,7 мм, с отражающим и защитным слоями. Масса зеркала 52 г. Коэффициент отражения света с длиной волны 632,8 нм – 0,980. После проведения четырех циклов нагрев-охлаждение до температур плюс 50 °С – минус 50 °С зеркало сохранило свои оптические параметры.

Таким образом, предлагаемое техническое решение существенно упрощает изготовление зеркал с корпусом из алюминиевого сплава, способ может быть реализован при массовом производстве, а изготавливаемые зеркала имеют небольшую трудоемкость изготовления и могут быть использованы в приборах сканирующей и других видов наблюдательной оптики, в частности, для устройств с возможным риском утраты (например, беспилотные летательные аппараты и др.).

Группа изобретений относится к области оптического приборостроения и может быть использована в области оптики, лазерной техники и оптоэлектроники. При реализации способа изготовления зеркала, включающего изготовление корпуса зеркала из сплава алюминий-кремний, производят нанесение на рабочую поверхность корпуса покрытия, оптическую обработку покрытия и нанесение на покрытие отражающего и защитного слоев. Корпус зеркала изготавливают из сплава алюминий-кремний с содержанием кремния 30 – 40 % масс., а покрытие формируют приплавлением пластины стекла марки ТФ 1608-Б2 толщиной 1,5 – 2,5 мм при температуре 480 – 520 °С в течение 30 – 40 минут и охлаждением со скоростью не более 150 °С/час, последующей механической обработкой до толщины покрытия 0,9 – 1,1 мм и трёхкратной циклической термообработкой корпуса зеркала с покрытием при температурах минус (80±5) °С – плюс (100±5) °С с изотермическими выдержками в течение 20 - 30 минут, а затем осуществляют оптическую обработку покрытия и нанесение отражающего и защитного слоев. Технический результат - упрощение способа изготовления зеркала. 2 н.п. ф-лы.

1. Способ изготовления зеркала, включающий изготовление корпуса зеркала из сплава алюминий-кремний, нанесение на рабочую поверхность корпуса покрытия, оптическую обработку покрытия и нанесение на него отражающего и защитного слоев, отличающийся тем, что корпус зеркала изготавливают из сплава алюминий-кремний с содержанием кремния 30 – 40 % масс., а покрытие формируют приплавлением пластины стекла марки ТФ 1608-Б2 толщиной 1,5 – 2,5 мм при температуре 480 – 520 °С в течение 30 – 40 минут, с последующим охлаждением со скоростью не более 150 °С /час, последующей механической обработкой до толщины покрытия 0,9 – 1,1 мм, и трёхкратную циклическую термообработку корпуса зеркала с покрытием при температурах минус (80±5) °С – плюс (100±5) °С, с изотермическими выдержками в течение 20 - 30 минут, а затем осуществляют оптическую обработку покрытия и нанесение отражающего и защитного слоев.

2. Зеркало, изготовленное по п.1, включающее корпус из сплава алюминий-кремний, покрытие на рабочей поверхности корпуса, обработанное до оптического качества, отражающий и защитный слои на поверхности покрытия, отличающийся тем, что корпус выполнен из сплава алюминий-кремний с содержанием кремния 30 – 40 % масс., а покрытие рабочей поверхности корпуса выполнено из стекла марки ТФ-1608-Б2 и имеет толщину 0,7 – 0,9 мм.