碳化硅非球面反射鏡加工與改性一體化的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種天文望遠鏡鏡面的加工技術，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有技術碳化硅非球面加工由于材料 的特殊性質導致磨制效率低下和較大的粗糙度等問題。
【背景技術】
[0002] 碳化硅材料具有剛性高、熱穩定性好、熱膨脹系數小、熱導率大、耐磨損性耐化學 腐蝕性高、機械性能各項同性和無毒等優點，是目前公認的應用于空間光學系統的最佳反 射鏡材料。由于碳化硅材料的特殊結構，磨制碳化硅反射鏡非常具有挑戰性：接近于金剛石 的硬度帶來了磨制效率低下的問題；穩定的化學特性無法"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；表面的晶粒結構使得研磨、拋光過程中很容易形成晶粒 整體剝落，形成表面麻點，而剝落的較大晶粒可能會反過來劃傷表面，這些特點使碳化娃很 難達到高質量的表面粗糙度。
[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合牢固、且拋光性能良好的具有相當厚 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精密拋光，以達到獲得 較高質量的光學表面的目的。
[0004] 碳化硅基底表面改性方法主要有化學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完成非球面的成型 與改性，最后對致密改性層進行光學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,電子束蒸發源4。
[0006] 真空蒸發鍍膜（簡稱蒸鍍）是在真空條件下，用蒸發器加熱物質，使之汽化蒸發， 蒸發粒子流直接輸運到基片并在基片上沉積形成固態薄膜的一種工藝方法。真空蒸發加熱 的方式主要有電阻加熱蒸發、電子束加熱蒸發、高頻加熱蒸發和激光加熱蒸發等方式。近年 來，隨著離子束輔助鍍膜技術的引入，增強了薄膜與基底的結合力，降低了薄膜的內應力， 同時能增加膜的堆積密度，提高膜的致密性，消除柱狀晶，細化膜結構，因此，成膜質量得到 了顯著提高，薄膜性質已經接近于同質固體材料。現代真空蒸鍍設備性能穩定，膜厚分布重 復性好，輔以特殊設計的掩膜板，可實現膜層厚度在被鍍元件上的特殊分布。
[0007] 本發明將真空蒸鍍技術同時應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] 本發明可用于大口徑非球面的加工，蒸鍍材料可以根據光學元件的性質進行選 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。
【發明內容】
[0009] 為了克服現有技術中，碳化硅非球面加工時，由于材料的特殊性質導致磨制效率 低下和較大的粗糙度等問題。本發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；本發明解決了傳統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] 完成上述發明任務的技術方案是，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；
[0013] ⑶?掩膜板形狀的確定（即膜厚分布的控制）
[0014] ⑷.在設置好步驟⑶確定的掩膜板以后，利用真空蒸發鍍膜技術蒸鍍改性材料到 碳化硅起始球面之上，以實現碳化硅非球面的初步成型；
[0015] (5).對致密改性層進行光學精密拋光，最終得到改性后的碳化硅非球面反射鏡。
[0016] 本發明在碳化硅非球面鏡的加工中結合真空蒸鍍技術，蒸鍍改性材料到碳化硅起 始球面之上以實現碳化硅非球面的初步成型，之后對致密改性層進行光學精密拋光，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] 本發明的碳化硅非球面加工與改性一體化技術可細分為以下三個關鍵環節：
[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，決定于蒸發源的發射特性以及幾何配置，已知蒸發 源的發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)蒸發分子與蒸發分子、蒸發分子與殘余氣體分子之間沒有碰撞；
[0022] (2)蒸發分子到達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)蒸發源的蒸汽發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，r是該點到蒸發源的距離，巾是蒸發源表面法線與P和蒸 發源連線的夾角，cosn<i)用來描述蒸發源的蒸汽發射特性，0是P點法線與P和蒸發源連 線的夾角。
[0027] 對于旋轉平面基板，將tp對于繞中心軸旋轉半圈的范圍積分平均，得到平均厚度 表達式為：
[0029]co為轉動角速度，cot為轉過的角度。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：
[0032] 圖3-a為以頂點曲率中心為球心的球面作為蒸鍍基礎球面；圖3-b為以最接近比 較球面為蒸鍍基礎球面，陰影部分為所需蒸鍍的膜厚。在傳統非球面加工方法中，適當基礎 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球面的選取 亦可參考經典非球面光學工藝，根據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球面，也可選擇以頂點曲率中 心為球心的球面作為基礎球面。
[0033] 基礎球面