一种表面玻璃化铍金属平面反射镜及一种特种玻璃

摘要

本发明公开了一种轻质表面玻璃化铍金属平面反射镜，该反射镜由铍金属基底、特种玻璃层和反射膜层组成。所述铍金属基底为平板状结构且进行轻量化设计，或为背面具有减重孔的蜂窝状结构，这种结构使反射镜具有足够高的强度和刚度，同时减轻了反射镜的质量。所述特种玻璃层是厚度为0.2-3.0mm的特种玻璃，其成分为SiO210-25wt％，B2O310-25wt％，PbO40-60wt％，R2O8-15wt％，As2O30.2-1.0wt％，CeO20.3-2.0wt％，R为K和Na。膨胀系数为110×10-7/℃且与铍金属高度匹配。软化点为450-580℃。所述反射膜层是在玻璃层上镀高反射比的反射膜。本发明的优点在于反射镜结构简单、质量轻、光学加工性能好、面形质量稳定，适用于多种卫星空间遥感器光学系统。

说明书

技术领域

本发明涉及光学元器件，具体涉及一种用于空间遥感器光学系统的大口径轻质表面玻璃化铍金属平面反射镜，本发明还涉及该反射镜中使用的特种玻璃配方。

背景技术

在航天遥感器光学系统中，扫描装置是遥感器的重要组成部分，其中扫描反射镜是其关键部件。随着航天遥感等空间应用技术的不断发展，对光学系统提出了更高要求，要求反射镜在较宽的电磁波段范围内具有良好的成像质量且分辨率高，除了满足光学要求外，还要求增大口径，同时减轻反射镜质量并提高成像稳定性。当前比较有效的措施是采用大口径扫描反射镜。

目前用于空间光学遥感器反射镜主要有玻璃反射镜、金属反射镜和表面玻璃化钛金属反射镜。其中玻璃反射镜用光学玻璃作为反射镜，用环氧树脂较粘接到金属底座上，导致器件体积重量和惯量均较大，装调困难，不适合用于航天遥感器光学系统中的大口径扫描反射镜；金属反射镜以铍金属为基底，在铍表面化学镀镍合金材料，最后镀金属反射膜，由于化学镀镍的镍层厚度很薄，光学加工较为困难，面形质量不稳定；表面玻璃化钛金属反射镜，参见申请人先前专利ZL200610114376.0，该反射镜在钛金属底座上熔合一特种玻璃，对特种玻璃层进行光学加工，并镀反射膜，该反射镜制备简单，装调方便，但由于钛合金材料的内部应力很难完全消除，使得反射镜易产生变形，从而影响了光学系统稳定性，因此该类反射镜一般用作尺寸较小(直径或长轴长度200mm以下)的空间遥感器光学系统的反射镜。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的以上问题，提供一种表面玻璃化铍金属平面反射镜，用于航天遥感器光学系统的大口径反射镜。

本发明的表面玻璃化铍金属平面反射镜，由铍金属基底、特种玻璃层和反射膜层构成，其中所述特种玻璃膨胀系数为110×10^-7/℃，软化点为450-580℃，其成分为SiO₂ 10-25wt％，B₂O₃ 10-25wt％，PbO 40-60wt％，R₂O 8-15wt％，As₂O₃ 0.2-1.0wt％，CeO₂ 0.3-2.0wt％，R为K和Na。圆形反射镜直径尺寸大于200mm，椭圆形反射镜短轴尺寸大于200mm；优化方案中，椭圆形反射镜尺寸为长轴380～650mm，短轴240～550mm。

所述特种玻璃层厚度为0.2-3.0mm。铍金属基底表面在加工处理后表面粗糙度Ra为0.4-40μm。

本发明另一目的，是提供一种可用于上述反射镜中的特种玻璃。

本发明的特种玻璃，其膨胀系数为110×10^-7/℃，软化点为450-580℃；其成分为SiO₂ 10-25wt％，B₂O₃ 10-25wt％，PbO 40-60wt％，R₂O 8-15wt％，As₂O₃0.2-1.0wt％，CeO₂ 0.3-2.0wt％，R为K和Na。

本发明还一目的在于提供一种大口径轻质表面玻璃化铍金属平面反射镜的加工方法，采用以下步骤：

1)按权利要求8的玻璃组成称取玻璃配合料引入物，用熔体冷却法，在1050-1450℃熔制10-12小时，浇铸熔体温度为850-1050℃，退火温度为400-500℃制备特种玻璃板；

2)用机械加工方法加工铍金属基底，并对其表面进行粗糙度加工处理；

3)将特种玻璃板与铍金属基底贴合一同放入电炉中，以2℃/min的升温速度升至250℃，并保温4小时，再以1.5℃/min的升温速度升至550℃，并保温6小时，再以10℃/h的速度降温至390℃，保温5小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温，得到玻璃层与铍金属基底紧密连接的烧结体；

4)将玻璃层磨至需要厚度并精密抛光，最后在真空镀膜机中镀银膜，并加氧化硅保护层最终制成反射镜。

采用以上方案，本发明的优点在于反射镜重量轻，刚度高，本发明配制的特种玻璃与铍金属性能匹配、反射镜面形质量稳定、结构简单、装调可靠性高，具备玻璃材料良好的光学性能，同时具备铍金属密度小，刚度高的优点。适合用于空间光学系统的大口径反射镜。

附图说明

图1为轻质表面玻璃化钛反射镜的结构示意图。

具体实施方式：

本发明提供了一种表面玻璃化铍金属平面反射镜，参见图1所示，该反射镜由铍金属基底1、特种玻璃层2和反射膜层3构成。所述铍金属基底为平板状结构且具有横向减重孔11(如图1所示)，或为背面具有减重孔的蜂窝状结构，这种结构使反射镜具有足够高的强度和刚度，同时减轻了反射镜的质量；所述特种玻璃层2是厚度为0.2-3.0mm的特种玻璃，其膨胀系数与铍金属基底1高度匹配。所述反射膜层3为在特种玻璃层2上镀高反射比的金、银、铝或其它材料反射膜。

本发明表面玻璃化铍金属平面反射镜制备过程中，采用机械加工方法对铍金属基底1表面进行加工处理，表面粗糙度0.4-40μm。玻璃层2为特种玻璃，其玻璃成份SiO₂ 10-25wt％，B₂O₃ 10-25wt％，PbO 40-60wt％，R₂O 8-15wt％，As₂O₃0.2-1.0wt％，CeO₂ 0.3-2.0wt％，R为K和Na(没有组合比例限制)。其膨胀系数为110×10^-7/℃，与铍金属膨胀系数高度匹配，软化点为450-580℃。

具体方法是：采用熔体冷却法制备特种玻璃，玻璃配合料引入物可为氧化物、碳酸盐或硝酸盐，例如：玻璃成份中K₂O和Na₂O采用碳酸钾、硝酸钾、碳酸钠和硝酸钠引入，碳酸盐和硝酸盐的比例为3∶1，其余成份用氧化物引入。配合料经混料机充分搅拌，混合均匀，放入石英坩埚或白金坩埚中，在1050-1450℃熔制10-12小时，并采用连续搅拌保证玻璃具有良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为850-1050℃。退火温度约为400-500℃。铍金属基底加工成型并在表面进行加工处理，表面粗糙度0.4-40μm。将特种玻璃与铍金属基底进行表面处理后贴合并经高温工艺熔合。烧结后玻璃与铍金属基底紧密连接成一体。再将特种玻璃层研磨至0.2-3.0mm并抛光，最后在真空镀膜机中镀高反射膜，可镀金、银、铝等金属膜或高反射介质膜。所得的圆形反射镜直径尺寸大于200mm，椭圆形反射镜短轴尺寸大于200mm；优化方案中，椭圆形反射镜尺寸为长轴380～650mm，短轴240～550mm。

实施例1：

特种玻璃成分为SiO₂ 24.5wt％，B₂O₃ 20wt％，PbO 40.5wt％，K₂O 8.4wt％，Na₂O 6.6wt％，As₂O₃ 1.0wt％，CeO₂ 0.3wt％，其中，PbO用Pb₃O₄引入，Na₂O用Na₂CO₃和NaNO₃引入(碳酸盐和硝酸盐的重量比为3∶1)，K₂O用K₂CO₃和KNO₃引入(碳酸盐和硝酸盐的重量比为3∶1)。其余成分用氧化物引入。引入物均采用分析纯化学试剂。

将原料全部放入混料机中混合30分钟，加入至温度为1050℃的白金坩埚中，熔制时间为10小时，并连续搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为850℃，退火温度为420℃，即可得到玻璃毛坯，再经研磨、抛光制成2mm玻璃板。采用行业标准对该例玻璃板进行检测，该玻璃的膨胀系数为110×10^-7/℃，软化点为500℃。

铍金属基底加工成型，采用机械加工的方法将光学面表面处理，使表面粗糙度为0.4μm。

将玻璃板与铍金属用酒精和丙酮洗净，去除表面机械加工时残留的油污。将铍金属基底置于110℃的烘箱内干燥5小时。放入气氛炉中在200℃下通入氧气，进行表面活化处理，时间5小时，自然降温，至室温后将玻璃板置于铍金属基底上一同放入电炉中，以2℃/min的升温速度升至250℃，并保温4小时，再以1.5℃/min的升温速度升至550℃，并保温6小时，再以10℃/h的速度降温至390℃，保温5小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温。当温度降至室温时取出样品，烧结后的反射镜玻璃层与铍金属层连接紧密。

将玻璃层磨至0.2mm并精密抛光，面形达到要求。最后在真空镀膜机中镀金膜，并加氧化硅保护层，最终制成反射镜。

反射镜的检测：

1、尺寸：采用三坐标测量机对反射镜进行检测。检测结果：反射镜基本尺寸：椭圆长轴600mm，短轴500mm，总厚度45mm。表明本发明反射镜尺寸较大，可适用于航天光学遥感器中各类扫描摆镜。

2、反射率：按标准JB/T8226.3-1999采用分光光度计对反射镜的反射率进行检测。检测结果：R_2-10μm≥97％。表明本发明反射镜的反射率达到光学玻璃反射镜的标准数值。

3、光学性能：按标准GB2831-81采用激光干涉仪对反射镜面形进行检测。检测结果：PV≤0.5λ，Rms≤0.1λ(λ＝632.8nm)。表明本发明反射镜的光学性能达到光学玻璃反射镜的标准数值。该指标表明反射镜的面形平面度。

4、光学稳定性：对反射镜进行高低温热循环环境实验，并对反射率和光学性能进行重新检测。检测结果：反射率变化率≤1％，PV值变化率≤2％。表明本发明中玻璃材料和铍金属材料结合性能好，反射镜不易产生变形，从而具有较好的光学系统稳定性。

实施例2：

特种玻璃成分为SiO₂ 22.3wt％，B₂O₃ 10wt％，PbO 59.8wt％，K₂O 3.6wt％，Na₂O 4.3wt％，As₂O₃ 0.2wt％，CeO₂ 2.0wt％，其中，PbO用Pb₃O₄引入，Na₂O用Na₂CO₃和NaNO₃引入，K₂O用K₂CO₃和KNO₃引入，碳酸盐和硝酸盐的比例为3∶1。其余成分用氧化物引入。引入物均采用分析纯化学试剂。

将原料全部放入混料机中混合30分钟，加入至温度为1450℃的白金坩埚中，熔制时间为12小时，并连续搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1050℃，退火温度为500℃，即可得到玻璃毛坯，再经研磨、抛光制成2mm玻璃板。测得该玻璃的膨胀系数为110×10^-7/℃，软化点为580℃。

铍金属基底加工成型，采用机械加工的方法将光学面表面处理，使表面粗糙度为40μm。

将玻璃板与铍金属用酒精和丙酮洗净，去除表面机械加工时残留的油污。将铍金属基底置于110℃的烘箱内干燥5小时，并进行表面活化处理，自然降温，至室温后将铍金属基底和其上的玻璃板一同放入电炉中，以2℃/min的升温速度升至250℃，并保温4小时，再以1.5℃/min的升温速度升至580℃，并保温12小时，再以10℃/h的速度降温至390℃，保温5小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温。当温度降至室温时取出样品，烧结后的反射镜玻璃层与铍金属层连接紧密。

将玻璃层磨至0.2mm并精密抛光，面形达到要求。最后在真空镀膜机中镀银膜，并加氧化硅保护层，最终制成反射镜。

采用与实施例1相同的方法对反射镜进行检测，结果和实施例1一样均达到和超过标准：

1、尺寸：椭圆长轴380mm，短轴240mm，总厚度30mm。

2、反射率：R_3-12μm≥97％。

3、光学性能：PV≤0.33λ，Rms≤0.03λ(λ＝632.8nm)。

4、光学稳定性：反射率变化率≤1％，PV值变化率≤2％。

实施例3：

特种玻璃成分为SiO₂ 10wt％，B₂O₃ 24.6wt％，PbO 50.4wt％，K₂O 8wt％，Na₂O 7wt％，As₂O₃ 0.5wt％，CeO₂ 0.7wt％，其中，PbO用Pb₃O₄引入，Na₂O用Na₂CO₃和NaNO₃引入，K₂O用K₂CO₃和KNO₃引入，碳酸盐和硝酸盐的比例为3∶1。其余成分用氧化物引入。引入物均采用分析纯化学试剂。

将原料全部放入混料机中混合30分钟，加入至温度为1150℃的白金坩埚中，熔制时间为12小时，并连续搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为850℃，退火温度为400℃，即可得到玻璃毛坯，再经研磨、抛光制成4mm玻璃板。测得该玻璃的膨胀系数为110×10^-7/℃，软化点为450℃。

铍金属基底加工成型，采用机械加工的方法将光学面表面处理，使表面粗糙度为16μm。

将玻璃板与铍金属用酒精和丙酮洗净，去除表面机械加工时残留的油污。将铍金属基底置于110℃的烘箱内干燥5小时，并进行表面活化处理，自然降温，至室温后将铍金属基底和其上的玻璃板一同放入电炉中，以2℃/min的升温速度升至250℃，并保温4小时，再以1.5℃/min的升温速度升至500℃，并保温6小时，再以10℃/h的速度降温至390℃，保温5小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温。当温度降至室温时取出样品，烧结后的反射镜玻璃层与铍金属层连接紧密。

将玻璃层磨至3.0mm并精密抛光，面形达到要求。最后在真空镀膜机中镀铝膜，最终制成反射镜。

采用与实施例1相同的方法对反射镜进行检测，结果和实施例1一样均达到和超过标准：

1、尺寸：椭圆长轴400mm，短轴280mm，总厚度30mm。

2、反射率：R_0.4-0.8μm≥93％。

3、光学性能：PV≤0.3λ，Rms≤0.025λ(λ＝632.8nm)。

4、光学稳定性：反射率变化率≤1％，PV值变化率≤2％。

实施例4：

特种玻璃成分为SiO₂ 25wt％，B₂O₃ 25wt％，PbO 40wt％，K₂O5wt％，Na₂O5wt％，As₂O₃ 0.4wt％，CeO₂ 1.6wt％，其中，PbO用Pb₃O₄引入，Na₂O用Na₂CO₃和NaNO₃引入，K₂O用K₂CO₃和KNO₃引入，碳酸盐和硝酸盐的比例为3∶1。其余成分用氧化物引入。引入物均采用分析纯化学试剂。

将原料全部放入混料机中混合30分钟，加入至温度为1400℃的白金坩埚中，熔制时间为11小时，并连续搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为950℃，退火温度为450℃，即可得到玻璃毛坯，再经研磨、抛光制成4mm玻璃板。测得该玻璃的膨胀系数为110×10^-7/℃，软化点为550℃。

铍金属基底加工成型，采用机械加工的方法将光学面表面处理，使表面粗糙度为4μm。

将玻璃板与铍金属用酒精和丙酮洗净，去除表面机械加工时残留的油污。将铍金属基底置于110℃的烘箱内干燥5小时，并进行表面活化处理，自然降温，至室温后将铍金属基底和其上的玻璃板一同放入电炉中，以2℃/min的升温速度升至250℃，并保温4小时，再以1.5℃/min的升温速度升至580℃，并保温10小时，再以10℃/h的速度降温至390℃，保温5小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温。当温度降至室温时取出样品，烧结后的反射镜玻璃层与铍金属层连接紧密。

将玻璃层磨至3.0mm并精密抛光，面形达到要求。最后在真空镀膜机中镀银膜，并加氧化硅保护层，最终制成反射镜。

采用与实施例1相同的方法对反射镜进行检测，结果和实施例1一样均达到和超过标准：

1、尺寸：椭圆长轴650mm，短轴550mm，总厚度55mm。

2、反射率：R_2-12μm≥97％。

3、光学性能：PV≤0.5λ，Rms≤0.05λ(λ＝632.8nm)。

4、光学稳定性：反射率变化率≤1％，PV值变化率≤2％。

实施例5：

特种玻璃成分为SiO₂ 12wt％，B₂O₃ 15wt％，PbO 60wt％，K₂O 6wt％，Na₂O7wt％，As₂O₃ 0.3wt％，CeO₂ 0.7wt％，其中，PbO用Pb₃O₄引入，Na₂O用Na₂CO₃和NaNO₃引入，K₂O用K₂CO₃和KNO₃引入，碳酸盐和硝酸盐的比例为3∶1。其余成分用氧化物引入。引入物均采用分析纯化学试剂。

将原料全部放入混料机中混合30分钟，加入至温度为1250℃的白金坩埚中，熔制时间为11小时，并连续搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为900℃，退火温度为450℃，即可得到玻璃毛坯，再经研磨、抛光制成2mm玻璃板。测得该玻璃的膨胀系数为110×10^-7/℃，软化点为510℃。

铍金属基底加工成型，采用机械加工的方法将光学面表面处理，使表面粗糙度为25μm。

将玻璃板与铍金属用酒精和丙酮洗净，去除表面机械加工时残留的油污。将铍金属基底置于110℃的烘箱内干燥5小时，并进行表面活化处理，自然降温，至室温后将铍金属基底和其上的玻璃板一同放入电炉中，以2℃/min的升温速度升至250℃，并保温4小时，再以1.5℃/min的升温速度升至550℃，并保温6小时，再以10℃/h的速度降温至390℃，保温5小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温。当温度降至室温时取出样品，烧结后的反射镜玻璃层与铍金属层连接紧密。

将玻璃层磨至1.5mm并精密抛光，面形达到要求。最后在真空镀膜机中镀银膜，并加氧化硅保护层，最终制成反射镜。

采用与实施例1相同的方法对反射镜进行检测，结果和实施例1一样均达到和超过标准：

1、尺寸：椭圆长轴450mm，短轴360mm，总厚度33mm。

2、反射率：R_2-3μm≥97％。

3、光学性能：PV≤0.5λ，Rms≤0.1λ(λ＝632.8nm)。

4、光学稳定性：反射率变化率≤1％，PV值变化率≤2％。

以上实施例说明，由于本发明采用了特种玻璃组配，其膨胀系数与铍金属基底高度匹配，因此烧结后玻璃层与铍金属结合紧密，无需使用其他环氧胶类胶合材料，使反射镜结构稳定；另一方面，使用的铍金属密度小、刚性大，以它作为基底材料不易变形，因而可以加大反射镜的尺寸，制造大口径光学设备；铍金属基底采用蜂窝状轻量化设计，进一步减轻了反射镜的重量，使装配设备装调方便、转动更灵活，适宜用于各类空间遥感器的扫描装置中。通过使用大尺寸轻质表面玻璃化铍金属反射镜使空间遥感器的成像质量提高。