碳化硅非球面反射鏡加工與改性一體化的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種天文望遠(yuǎn)鏡鏡面的加工技術(shù)，具體涉及一種碳化硅非球面反射鏡 加工與改性一體化的制備方法。該制備方法可以克服現(xiàn)有技術(shù)碳化硅非球面加工由于材料 的特殊性質(zhì)導(dǎo)致磨制效率低下和較大的粗糙度等問題。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳化硅材料具有剛性高、熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、耐磨損性耐化學(xué) 腐蝕性高、機械性能各項同性和無毒等優(yōu)點，是目前公認(rèn)的應(yīng)用于空間光學(xué)系統(tǒng)的最佳反 射鏡材料。由于碳化硅材料的特殊結(jié)構(gòu)，磨制碳化硅反射鏡非常具有挑戰(zhàn)性：接近于金剛石 的硬度帶來了磨制效率低下的問題；穩(wěn)定的化學(xué)特性無法"柔化"表面以提高拋光過程中鏡 體的表面粗糙度和表面去除效率；表面的晶粒結(jié)構(gòu)使得研磨、拋光過程中很容易形成晶粒 整體剝落，形成表面麻點，而剝落的較大晶?？赡軙催^來劃傷表面，這些特點使碳化娃很 難達(dá)到高質(zhì)量的表面粗糙度。
[0003] 因此，碳化硅反射鏡通常需要進行基底表面改性以提高表面粗糙度。所謂碳化硅 表面改性就是在碳化硅基底表面鍍制一層與基底結(jié)合牢固、且拋光性能良好的具有相當(dāng)厚 度的致密膜層，以覆蓋基底表面缺陷，然后再對致密改性層進行光學(xué)精密拋光，以達(dá)到獲得 較高質(zhì)量的光學(xué)表面的目的。
[0004] 碳化硅基底表面改性方法主要有化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積。在碳化硅非球面 鏡的加工中，若僅加工碳化硅表面至起始球面，而后通過真空蒸鍍技術(shù)完成非球面的成型 與改性，最后對致密改性層進行光學(xué)精密拋光將會大大提高碳化硅非球面鏡的加工效率。 碳化硅非球面加工與改性過程如圖1所示。
[0005] 圖1為真空蒸鍍碳化硅非球面示意圖，圖中，碳化硅反射鏡1位于蒸鍍室上方，掩 膜板2的形狀由所需非球面與基礎(chǔ)球面的厚度差和實際膜厚分布所決定；輔助鍍膜用離子 源3,電子束蒸發(fā)源4。
[0006] 真空蒸發(fā)鍍膜（簡稱蒸鍍）是在真空條件下，用蒸發(fā)器加熱物質(zhì)，使之汽化蒸發(fā)， 蒸發(fā)粒子流直接輸運到基片并在基片上沉積形成固態(tài)薄膜的一種工藝方法。真空蒸發(fā)加熱 的方式主要有電阻加熱蒸發(fā)、電子束加熱蒸發(fā)、高頻加熱蒸發(fā)和激光加熱蒸發(fā)等方式。近年 來，隨著離子束輔助鍍膜技術(shù)的引入，增強了薄膜與基底的結(jié)合力，降低了薄膜的內(nèi)應(yīng)力， 同時能增加膜的堆積密度，提高膜的致密性，消除柱狀晶，細(xì)化膜結(jié)構(gòu)，因此，成膜質(zhì)量得到 了顯著提高，薄膜性質(zhì)已經(jīng)接近于同質(zhì)固體材料。現(xiàn)代真空蒸鍍設(shè)備性能穩(wěn)定，膜厚分布重 復(fù)性好，輔以特殊設(shè)計的掩膜板，可實現(xiàn)膜層厚度在被鍍元件上的特殊分布。
[0007] 本發(fā)明將真空蒸鍍技術(shù)同時應(yīng)用于碳化硅非球面的成型與改性階段。在碳化硅非 球面成型階段通過填充材料取代磨削手段，克服了磨制碳化硅效率低下的問題；同時用于 蒸鍍成型的膜層即為改性膜層，非球面成型后直接用于光學(xué)的精密拋光，可獲得高精度低 粗糙度的碳化娃非球面元件。
[0008] 本發(fā)明可用于大口徑非球面的加工，蒸鍍材料可以根據(jù)光學(xué)元件的性質(zhì)進行選 擇。由于在碳化硅非球面成型與改性后還要進行光學(xué)精密拋光，因此可以獲得高精度低粗 糙度的碳化娃非球面元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中，碳化硅非球面加工時，由于材料的特殊性質(zhì)導(dǎo)致磨制效率 低下和較大的粗糙度等問題。本發(fā)明的目的是提供一種碳化硅非球面反射鏡加工與改性一 體化的制備方法。本方法是一種表面粗糙度低、加工周期短、成本低的碳化硅非球面反射鏡 加工與改性一體化制備方法；本發(fā)明解決了傳統(tǒng)碳化硅材料加工效率低下和基底粗糙的問 題，適用于大曲率半徑、小偏移量和大口徑的低粗糙度碳化硅非球面加工。
[0010] 完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是，一種碳化硅非球面反射鏡加工與改性一體化的 制備方法，其特征在于，步驟如下：
[0011] ⑴.真空蒸鍍材料膜厚分布的確定；
[0012] (2).蒸鍍非球面膜厚分布的推導(dǎo)；
[0013] ⑶?掩膜板形狀的確定（即膜厚分布的控制）
[0014] ⑷.在設(shè)置好步驟⑶確定的掩膜板以后，利用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)蒸鍍改性材料到 碳化硅起始球面之上，以實現(xiàn)碳化硅非球面的初步成型；
[0015] (5).對致密改性層進行光學(xué)精密拋光，最終得到改性后的碳化硅非球面反射鏡。
[0016] 本發(fā)明在碳化硅非球面鏡的加工中結(jié)合真空蒸鍍技術(shù)，蒸鍍改性材料到碳化硅起 始球面之上以實現(xiàn)碳化硅非球面的初步成型，之后對致密改性層進行光學(xué)精密拋光，最終 得到改性后的碳化硅非球面反射鏡。解決了傳統(tǒng)碳化硅材料加工效率低下和基底粗糙的問 題，提供了一種表面粗糙度低、加工周期短、成本低的碳化硅非球面反射鏡加工與改性一體 化制備方法。本發(fā)明適用于大曲率半徑、小偏移量和大口徑的低粗糙度碳化硅非球面加工。
[0017] 本發(fā)明的碳化硅非球面加工與改性一體化技術(shù)可細(xì)分為以下三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：
[0018] 1、真空蒸鍍材料膜厚分布的確定
[0019] 基板上任何一點的薄膜厚度，決定于蒸發(fā)源的發(fā)射特性以及幾何配置，已知蒸發(fā) 源的發(fā)射特性以及幾何配置，可以從理論上進行計算，從而得到膜厚分布規(guī)律。
[0020] 基于下面三個假定，可以對膜厚分布進行理論計算：
[0021] (1)蒸發(fā)分子與蒸發(fā)分子、蒸發(fā)分子與殘余氣體分子之間沒有碰撞；
[0022] (2)蒸發(fā)分子到達(dá)基板表面后全部淀積成緊密的薄膜，其密度和大塊材料相同；
[0023] (3)蒸發(fā)源的蒸汽發(fā)射特性不隨時間變化。
[0024] 在以上假定條件下，基板上某一點P的膜厚可以表示為：
[0026] 如圖2,其中C是常數(shù)，r是該點到蒸發(fā)源的距離，巾是蒸發(fā)源表面法線與P和蒸 發(fā)源連線的夾角，cosn<i)用來描述蒸發(fā)源的蒸汽發(fā)射特性，0是P點法線與P和蒸發(fā)源連 線的夾角。
[0027] 對于旋轉(zhuǎn)平面基板，將tp對于繞中心軸旋轉(zhuǎn)半圈的范圍積分平均，得到平均厚度 表達(dá)式為：
[0029]co為轉(zhuǎn)動角速度，cot為轉(zhuǎn)過的角度。膜厚分布用任意點膜厚與中心點膜厚之比 表示為：
[0031] 2、蒸鍍非球面膜厚分布的推導(dǎo)：
[0032] 圖3-a為以頂點曲率中心為球心的球面作為蒸鍍基礎(chǔ)球面；圖3-b為以最接近比 較球面為蒸鍍基礎(chǔ)球面，陰影部分為所需蒸鍍的膜厚。在傳統(tǒng)非球面加工方法中，適當(dāng)基礎(chǔ) 球面的選取可以減少磨削量，起到事半功倍的效果。在真空蒸鍍非球面中基礎(chǔ)球面的選取 亦可參考經(jīng)典非球面光學(xué)工藝，根據(jù)真空蒸鍍和被加工非球面的特點，比較多種選擇方式 中最大非球面度的大小，既可以選擇最接近比較球面為基礎(chǔ)球面，也可選擇以頂點曲率中 心為球心的球面作為基礎(chǔ)球面。
[0033] 基礎(chǔ)球面