1 引 言
随着对空间相机分辨率的要求越来越高,在光学系统衍射极限条件的约束下,迫使光学元件的尺寸越来越大,因此对空间相机反射镜提出了更高的要求。空间相机反射镜材料除了具备所要求的光学特性外,还应该具有比刚度大、热变形系数小、导热性能良好等综合特性。比刚度大,可增大径厚比,减少反射镜重量,可降低对支撑结构的要求;热变形系数小、导热性良好,则相机对恶劣环境适应性好,可降低对热控系统的要求。目前用于制作空间反射镜镜体常用的材料有:超低线胀玻璃、微晶玻璃、铍以及碳化硅等。通过对这些材料物理性能的对比分析可以知道,碳化硅的比刚度比玻璃材料好,接近铍(有毒),而碳化硅的热变形系数是最小的,因此碳化硅深受国内外研究机构的青睐,被研究人员作为空间相机反射镜镜体的首选材料[1-4]。
2 碳化硅反射镜表面改性技术简介
目前碳化硅是用作空间相机反射镜镜体的热门材料之一,它属于陶瓷材料,表面致密程度远不如玻璃材料,且加工性能差。因此,要获得高质量光学表面的碳化硅反射镜,就必须对碳化硅表面进行改性。国际上普遍采用的是在碳化硅表面镀制一层致密碳化硅或者硅的方法,来达到表面改性的目的,进而通过精细抛光进一步达到很好的粗糙度要求。
在碳化硅表面改性方面,国内外诸多学者都做了大量的研究工作,并取得了卓有成效的成果[5-7]。主要的表面改性方法有:化学汽相沉积(Chemical Vapour Deposition,CVD)、反应溅射以及离子束辅助沉积(Ion Beam Assisted Deposi-tion,IBAD)等方法。CVD采用硅烷和碳氢化合物混合气体产生辉光放电,在阴极上得到SiC,其成分由硅烷与碳氢化合物的比例来控制。缺点是使用危险性气体硅烷,反应要在>1 200℃下进行,这样高的温度将导致SiC和衬底之间的界面粗化,甚至产生高密度的空洞和高密度的晶格缺陷,而且这种方法所需设备要求高,花费高昂。反应溅射法采用Ar和碳氢化合物混合气体溅射Si靶或Si、C混合靶,其缺点是Si靶上易生长无定形碳膜,从而抑制Si的溅射,难以得到质量高的SiC薄膜。IBAD方法是近年来得到迅速发展的一种新型薄膜辅助生长方法。该方法具有反应温度低(200℃左右),制备参数可控制性强,重复性好,维护简单等优点,一方面可以增加沉积材料到达基片的动能,使其与基片结合更加牢固;另一方面可以提高薄膜晶化程度,使薄膜生长致密,消减生长过程中产生的应力,尤其适合于工程应用。
长春光学精密机械与物理研究所以现有的仪器设备为基础,考虑到过高的温度容易造成碳化硅镜坯受损等因素,采用IBAD Si的改性技术对碳化硅表面进行改性[8]。对改性后的SiC样片表面进行精密光学加工,检测结果表明,改性后的SiC样片表面质量明显提高。
图1是在500×显微镜下观察到的改性前后SiC样片经光学加工后的微观结构。从图1中可以看到,改性前SiC样片经过精密抛光后表面仍有许多小凹坑,结构不够致密,改性后SiC样片经过精密抛光后表面小凹坑消失,其结构致密程度也大大提高。
图2为改性前后SiC样片以及微晶玻璃经过抛光镀膜后的反射率曲线。从图2中可以看到,改性后SiC样片表面反射率明显提高,已经接近微晶玻璃的反射率。
3 表面改性非球面碳化硅反射镜加工
非球面碳化硅反射镜的加工采用计算机控制光学表面成型(Computer-control Optical Sur-face,CCOS)技术。CCOS技术的加工原理是通过计算机控制小磨头在工件表面的运动轨迹以及不同位置的驻留时间,来实现对工件表面面形的修正。
为了实现对离轴非球面碳化硅反射镜的加工,本课题组自行研制了FSGJ-2非球面数控加工中心。FSGJ-2非球面数控加工中心是一台建立在CCOS技术基础上集研磨、研磨阶段的在线检测以及抛光于一体的非球面自动制造机床。改性前后非球面碳化硅反射镜的加工都是在该加工中心进行的。
以IBAD方法在碳化硅表面镀一层硅后,其表面加工特性完全改变。为此,在FSGJ-2非球面数控加工中心进行了几种抛光液对硅改性层的抛光试验,以便得到适合硅改性层抛光的较为理想的抛光液。
3.1 表面改性碳化硅样片加工试验
3.1.1 几种抛光液的抛光效率
分别采用水基微米级氧化铝(Al2O3)、水基微米级氧化铈(CeO2)以及有机溶剂基纳米级氧化硅(SiO2)3种抛光液对改性碳化硅样片进行抛光。具体试验条件如下:实验室温度为(25±0.5)℃,抛光头直径为40 mm,抛光模采用半号沥青,表面改性碳化硅样片直径为80 mm,抛光头采用平摆动运动方式,偏心距为8 mm,抛光头压力为0.2 MPa,抛光轴转速为200 r/min,抛光时间为10 min。
表1中给出3种抛光液对改性层抛光的材料去除情况。从表1中可以看到,CeO2抛光液和SiO2抛光液的材料去除率相当,而Al2O3抛光液的抛光效率较低。
3.1.2 几种抛光液抛光后样片的光学表面粗糙度
试验条件同上,抛光时间为10 h。抛光完毕后,用WYKO表面粗糙度测量仪对被上述各种抛光液抛光的改性碳化硅样片表面粗糙度进行检测,检测结果如图3所示。
从图3中可以看到,采用SiO2抛光液抛光后的改性碳化硅样片表面粗糙度最好,采用Al2O3抛光液抛光后的改性碳化硅样片表面粗糙度最差。
从上述试验可以发现,Al2O3抛光液不适合于IBAD-Si的碳化硅样片的抛光。CeO2抛光液和SiO2抛光液可以用于IBAD-Si碳化硅样片的抛光。
3.2 表面改性非球面碳化硅反射镜的加工
非球面碳化硅(SiC)反射镜的加工是在FS-GJ-2非球面数控加工中心进行的,主要分为改性前非球面碳化硅反射镜基底的加工和改性后反射镜表面改性层的加工。下面以具体实例来研究改性非球面碳化硅反射镜的加工技术。待加工反射镜是尺寸为650 mm×200 mm的离轴椭球面,材料为碳化硅,非球面二次项系数K=0.012,离轴量为75.32 mm,含有六次项系数。
3.2.1 非球面碳化硅反射镜基底的加工
FSGJ-2非球面数控加工中心将定量的检测数据转化成加工文件,通过计算机控制小磨头在反射镜表面不同位置的驻留时间,从而完成对非球面的面形修正。图4为碳化硅非球面反射镜基底加工的实物照片。
非球面碳化硅反射镜基底的加工主要包括反射镜基底的粗磨、精磨和抛光几个阶段,在不同的加工阶段使用不同粒度的金刚石微粉配制的抛光液,研磨阶段和抛光阶段分别采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法对其面形精度进行检测。经过一段时间的抛光,当非球面碳化硅反射镜基底的面形精度达到PV值1λ左右(λ=0.632 8μm)时,即可对其进行表面改性。图5是这块非球面反射镜基底(改性前)的最终面形精度的检测结果,PV值1.1λ,RMS接近λ/10。
3.2.2 表面改性非球面碳化硅反射镜的加工
完成对碳化硅反射镜基底的加工后,采用离子束辅助沉积(IBAD)改性技术在碳化硅表面镀一层硅,然后再对这个改性层进行精密抛光。通过前面采用各种抛光液对表面改性碳化硅样片的抛光试验可知,CeO2抛光液和SiO2抛光液比较适合用于IBAD-Si碳化硅样片的抛光。试验发现,在改性层抛光的初始阶段由于改性层比较粗糙,粒度较大的CeO2抛光液更适合;而精密抛光阶段,为了得到硅改性层的更好的表面粗糙度,纳米级SiO2抛光液更为适合。
在对上述工艺方法研究的基础上,应用FS-GJ-2非球面数控加工中心对表面镀硅非球面碳化硅反射镜进行了抛光。具体加工条件如下:实验室温度为(25±0.5)℃,抛光头直径为50~80mm多种尺寸,抛光模采用半号沥青,抛光头采用平摆动运动方式,压力为0.2 MPa,偏心距为8 mm,抛光轴最高转速为200 r/min。经过半个多月的加工,采用零位补偿干涉检测法对非球面碳化硅反射镜面形进行检测,得到图6所示的最终抛光结果。
图6(a)是改性的非球面碳化硅反射镜经过抛光后整个镜面面形的最终检测结果,其面形精度(RMS值)为0.023λ(λ=0.632 8μm),优于λ/40。图6(b)是反射镜实际使用的子口径的面形精度,子口径的面形精度为0.016λ(RMS值),达到设计提出的面形精度λ/50的技术指标。同时使用WYKO表面粗糙度测量仪对经过抛光的改性碳化硅样片进行测量,测得其表面粗糙度为0.85 nm(Rq值),如图3(c)所示,优于设计指标1 nm(Rq值)。
图7为加工完毕后具有高质量光学表面的改性非球面碳化硅反射镜的实物照片。目前该反射镜已经交付用户,得到了用户的好评。
4 结 论
碳化硅材料具有比刚度高、热变形系数小、导热性能良好等综合特性,适合用于制作空间反射镜。采用离子束辅助沉积(IBAD)Si的方法对碳化硅表面进行改性,经过适当的加工,可获得高质量的光学表面。使用各种抛光液对碳化硅表面的硅改性层进行抛光试验,结果表明,微米级氧化铈抛光液的抛光效率较高,使用纳米级二氧化硅抛光液抛光后的样片表面质量最好。利用CCOS技术对尺寸为650 mm×200 mm的表面改性的离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜进行加工,最后检测结果表明,反射镜整个镜面的面形精度为0.023λ(λ=0.632 8μm),实际应用的子口径面形精度优于λ/50(RMS值),表面粗糙度优于1 nm(Rq值),达到设计提出的技术指标。
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作者简介:张 峰(1969-),男,吉林人,博士,研究员,主要从事光学加工与检测方面的研究。E-mail: zhangfjy@yahoo.com.cn
徐领娣(1980-),女,河北保定人,博士研究生,主要从事先进光学制造技术方面的研究。E-mail: xuldi@126.com
范 镝(1976-),男,吉林蛟河人,博士,副研究员,主要从事先进光学制造技术的研究。E-mail: fandi_2000@hotmail.com
高劲松(1968-),男,吉林白城人,博士,研究员,主要从事光学镀膜方面的研究。E-mail:gaojs@ciomp.ac.cn
张学军(1968-),男,吉林长春人,博士,研究员,主要从事先进光学制造技术方面的研究。E-mail:zxj@ci-omp.ac.cn
