1 引 言
杂散光,也称为杂光或杂散辐射,是指光学系统中除了成像光线外,扩散于探测器表面的其他非成像光线辐射能,以及通过非正常光路到达探测器的成像光线辐射能[1]。在成像光学系统中除形成的实像外,还有非成像光线在像面上扩散,这些非成像光线(即杂散光)非常有害,其中很大一部分来自镜头组件。因为当不同波长的光线经过光学仪器的透镜系统时,会在光学镜头组件表面上发生反射、散射形成所谓的二次和高次杂散光,镜头组件越多、越复杂、表面积越大,杂散光量也越大,致使像质变差。如果杂散光严重,将使光学仪器的辨别率下降,以致不能有效观察,从而降低仪器使用性能。为减轻杂散光的负面影响,耿安兵[2]、原育凯[3-4]、句红兵[5]等均研究过采用改进光学系统的结构或是涂覆功能性涂料等方式消除杂散光。但这些方式或是技术难度较高或是由于涂料中存在可凝挥发物而不适于空间环境使用。
长春光机所部分项目中物镜框、镜筒等部件采用的是4J32合金,系统要求其光反射率低以消除杂散光对系统的影响。4J32合金具有低线膨胀系数、硬度高、加工性能好等特点,往往是加工到较高精度后直接用于光学玻璃的固定组件。为了消除杂散光,保证光学镜头的精密程度,采用电化学方法对其进行处理是一种行之有效的方法。在4J32合金零件上进行电化学处理不仅可以将杂散光由反射变成漫反射,降低杂散光的强度,还能在一定程度上提高其防腐蚀性能。
由于4J32合金中镍含量较高,用一般方法难以进行电化学或化学处理。本文就如何通过电化学方法消除4J32镜头组件中的杂散光进行了研究。采用对镜头组件进行电化学处理工艺,通过正交实验调整工艺参数改变表面状态,得出了重现性良好的消光工艺。同时,经消光处理后提高了镜头组件的耐腐蚀能力。
2 实 验
2.1 镜头组件材料
选用牌号为4J32的合金作为镜头材料,试块规格为Φ50 mm×5 mm,表面粗糙度Ra为0.4。材料成分见表1。
2.2 试样检测方法
(1)反射率检测方法
本实验采用Lanmda-9分光光度计在波长500~900 nm进行检测。
(2)耐蚀性检测
按GB/T 15519-2002检测,由点滴开始至析出第一个气泡为耐蚀时间。
(3)附着力检测
按GB/T 2792-1998规定方法进行检测。
2.3 电化学处理过程
2.3.1 化学除油
NaOH 20~40 g/L,Na2CO320~30 g/L,Na3PO4·12H2O 50~70 g/L;使用条件:除油温度为40~50℃;除尽为止。
2.3.2 浸蚀处理
浸蚀液的基本成分组成为HCl 35 g/L,在室温下浸渍0.5~1 min。
2.3.3 电化学处理
本研究采用在酸性介质中进行处理的方法,将电解液进行配方成分筛选实验,确定溶液的基本成分组成,再对所选配方按表2进行L9(34)正交方案实验,找出最佳成分组合。
表3为L9(34)正交方案对溶液成分含量进行优化实验的结果。由表3可知,本实验条件下的最佳组为第6组,即A2、B3、C1,各组分含量为:重铬酸钾:20g/L;硫酸锰:20 g/L;硫酸铵:20 g/L;添加剂15 g/L。
2.3.4 封闭处理
90~100℃去离子水中浸渍10~20 min。
3 结果和分析
3.1 反射率
在可见光范围内,光反射率p≤1.5%。国外常用的消光涂料如Avian Black-S发黑涂料反射率<3.5%,但涂装后不仅影响零件尺寸精度,而且由于消光漆中含有可凝挥发物,易影响光学系统的成像质量。
3.2 附着力
经检测膜层未出现任何剥落现象,证明消光膜层与基体结合牢固。
3.3 消光膜层厚度检测
氧化前后检测试块厚度变化<0.8μm,对物镜框、镜筒等镜头组件尺寸精度影响几乎可以忽略。
3.4 溶液成分的作用
3.4.1 重铬酸钾和硫酸锰
溶液中的氧化剂为重铬酸钾、发黑剂为硫酸锰,在反应过程主要起对铁和镍的氧化作用。反应过程中浓度达到铬的尖晶型氧化物时,形成含锰、亚锰酸等系列化合物,从而得到黑色膜层。重铬酸钾含量较低时,反应速度慢,含量较高时膜层耐蚀性降低约10%(由240 s降至215 s),镜面反射率>3%。
3.4.2 添加剂、硫酸铵
作为络合剂、缓蚀剂存在。添加剂主要为Ce盐及贵金属盐混合物。在含重铬酸钾:20 g/L;硫酸锰:20 g/L;硫酸铵:20 g/L的溶液中加入15g/L添加剂后膜层镜面反射率由3. 1%降至1.5%、耐蚀性由200 s提高至240 s。含量增加时零件表面有腐蚀溶解现象,含量低于12 g/L时膜层耐蚀性、反射率改善不明显。硫酸铵的存在可保证溶液的稳定。溶液中无添加剂时硫酸铵在一定程度上可控制反应速度。含量低时溶液易恶化、成膜缓慢,含量过高时膜层无明显改善。但在实验中发现,加入添加剂(含量在15~25 g/L范围内)后,添加硫酸铵进行处理,所得膜层性能未根据硫酸铵浓度的变化而发生明显变化,其产生原因有待于进一步研究。
3.5 温度的影响
本实验曾取试块在烧杯中按前述工艺进行了多次实验,实验前后溶液的温度未变。实验结果表明,反应过程中反应放热很小。采用添加剂后在20、25、30、35、40℃时进行处理,消光膜层质量在各方面性能无明显区别。说明温度对氧化膜的质量没有明显的影响。综合生产成本及效率等因素考虑,温度范围可为25~35℃。
3.6 处理时间的影响
时间取决于溶液浓度、温度、升压速度以及电流密度等因素,一般在20~30 min较好。氧化时间过短(<10 min),所得氧化膜疏松;氧化时间过长(超过30 min)所得消光膜层粗糙,同等条件下附着力下降8.9%左右(由7.9 N降至7.2 N)。
3.7 升压方式的影响
采用不同升压速度时的实验结果如表4所示。
从表4中可以看出升压方式的作用类似于氧化时间的影响。升压过快将导致氧化膜耐蚀性下降,膜层反射率上升,消光效果下降明显,附着力下降约20%。按3 V/min速度升压或恒流升压至30 V进行氧化可得到性能优异的氧化膜。
4 结 论
本文根据精密光学系统中镜头组件精度高,反射率低的要求,研究了利用电化学方法对4J32材料进行了消光处理的方法。检测了处理后消光膜层的镜面反射率、耐蚀性、附着力,分析测试了处理过程中溶液成分、温度、时间、电压等因素对消光膜层的影响。实验结果证明:4J32材料在重铬酸钾:20 g/L、硫酸锰:20 g/L、硫酸铵:20 g/L、添加剂15 g/L,温度:25~35℃等条件下以3V/min升压速率处理20~30 min,其镜面反射率为1.5%、耐蚀性达到240 s、膜层附着力7.9 N、尺寸变化<0.8μm,能够满足精密光学系统对零件尺寸及表面消光膜层的质量要求。
参考文献:
[1] 王平阳,夏新林,谈和平,等.CCD相机的杂散光模拟计算与分析[J].哈尔滨工业大学学报,1999,31(5):55-59.
WANG P Y,XIA X L,TAN H P,et al..Simulation and analysis of stray light in CCD camera[J].J. Harbin Insti-tute of Technology,1999,31(5):55-59.(in Chinese)
[2] 耿安兵.测星系统直角棱镜有教通光口径及杂散光分析[J].舰船光学,2006,37(4) :22-25.
GENG A B.Analysis of efective clear aperture and stray light for right prism in astrometric system[J].Optic ofShips,2006,37(4):22-25.(in Chinese)
[3] 原育凯,李欣耀,裴云天.基于模板的FY-2一级杂散光模拟[J].光学精密工程,2007,15(1):45-49.
YUAN Y K, LI X Y,PEI Y T. Simulating first order stray light of FY-2 VISSR using templates[J].Opt. Preci-sion Eng.,2007,15(1):45-49.(in Chinese)
[4] 原育凯.光学系统杂散光的消除方法[J].大气与环境光学学报,2007,2(1):6-10.
YUAN Y K.Stray light suppressing measure of optical system[J].J. Atmospheric and Environmental Optics,2007,2(1):6-10.(in Chinese)
[5] 句红兵.光学元件用消光涂料的研究[J].云光技术,2006,38(1):29-32.
GOU H B.The study of stray suppress stray light suppressing on optic part[J].Cloud Micron Technology,2006,38(1):29-32.(in Chinese)
作者简介:姜伟(1975-),男,吉林人,工程师,主要从事金属及非金属材料表面处理方面的研究。E-mail:jw0313@163.com
