高耐温精密冷反光镜研制

　　投影设备中光学系统结构紧凑、体积小,实现了设备的小型化[1];由于系统光源功率大,散热性差,对于系统光学组件的耐温性提出了更高的要求。非球面冷反光镜是应用于投影光学系统的重要光学元件,其耐温性与光学性能对系统性能有重要影响。常见的投影机UHP光源点亮时泡壳的表面温度超过1190 K[2],因此,要求冷反光镜的玻璃基底、内表面光学涂层都具有出色的耐温性能,同时反光镜光学涂层具有可见光高反射、红外高透过的光学特性。通过采用低膨胀系数的耐温玻璃,电子束热蒸发物理气相沉积(PVD)镀膜方法及离子辅助沉积(IAD)工艺,研制出了这种高耐温性精密冷反光镜,并实现了批量生产。

　　1　反光镜加工成型

　　投影光学系统常用的反光镜为椭球型或抛物面型,如图1所示。由于光源系统体积小、光源功率大、光学系统散热性差,常规的玻璃基片不能满足使用要求。本文选用膨胀系数为3·3×10-6的高耐温性玻璃材料,保证反光镜在400℃至常温的骤冷骤热冲击下不炸裂。非球面反光镜基片加工采用热压成型,加工效率高,成本也相对较低,表面精度能够满足使用要求。

　　2　冷光膜系设计

　　投影系统用反光镜内表面镀制冷反光膜。冷反光膜是利用光学干涉原理,如图2所示,通过交替在玻璃基片上沉积两种高低不同折射率材料,产生所需要的干涉效果。这种冷反射光学薄膜要求对可见光具有高反射率Ravg≥95%、红外光高透过率Tavg≥85%,光谱曲线如图3所示。为实现这一光谱要求,需采用优化设计的G(H1L1 H2L2……HnLn)非等厚周期膜系,H,L分别为高低折射率镀膜材料。镀膜材料采用介质氧化物硬膜材料,最终镀制的多层膜达到30层以上。

　　3　基片清洁

　　基片表面清洁对于反光镜镀膜层牢固度及表面质量至关重要。清洁过程采用超声波清洗工艺,超声波清洗过程生产主要由3个超声波清洗槽、2个超声波纯水漂洗槽、3个IPA质换槽、1个慢提拉干燥槽组成。其工作过程是利用超声波冲击工件表面并结合洗剂的化学去污,从而使工件表面达到高洁净度的要求。通过对工件进行清洗,漂洗、慢提拉干燥后卸下,即完成整个清洗过程。

　　4　冷光膜镀制

　　高耐温性精密冷反光镜是在自主设计的HBO-1300反光镜专用镀膜机上镀制完成的。在电子束热蒸发PVD镀膜工艺基础上使用了IAD及高温成膜技术实现镀膜过程,主要技术条件如下:

　　(1)双电子枪蒸发系统

　　HBO-1300设备配备了两台电子枪,分别将高折射率膜料TiO2和低折射率膜料SiO2交替蒸发沉积在反光镜的表面。采用双电子枪结构不但可以减少镀膜材料间污染,还能使膜料在蒸发厚度上实现精确控制,特别是对于大尺寸的镀膜设备,镀制多层膜时需大量的膜料,多只电子枪是必要的。镀制的过程中,要控制蒸发速率的稳定性与合适值。蒸发速率过快,膜层结构不好,内应力增加,严重时镀层产生破裂,影响膜层的牢固度;蒸发速率过低,生产效率降低,同时也会增加镀膜过程对膜层的污染[3]。