光學夾具熱變形對鍍膜質量影響分析

秦思遠，楊曉京，謝啟明，李剛，董力

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學；2.650500 云南省 昆明市 云南北方馳宏光電有限公司）

0 引言

六面折射轉鼓是紅外熱像儀的重要組成部分，轉鼓鍍膜的質量直接影響到紅外熱像儀的成像質量，膜層光學性能差會出現模糊、無法遠距離觀察的情況[1]。Ge 是8～12 μm 波段紅外系統最常用的材料，它的機械強度高，導熱性好，是制造紅外熱像儀窗口和六面折射轉鼓的主要材料[2]。由于紅外熱像儀的工作環境復雜且多變，所以，在六面折射轉鼓鍍膜階段要充分考慮膜層的機械性能和光學性能，要對六面折射轉鼓夾具的結構在特定工況溫度下進行分析，以驗證六面折射轉鼓熱結構適應能力。

本文以六面折射轉鼓在紅外熱像儀中的應用為研究背景，采用對于有較寬紅外透明區域的材料Ge，利用ANSYS 有限元軟件對光學夾具進行仿真，以鍍膜后陪鍍片在8～12μm波段透過率為評價標準，分析了鍍膜過程中熱變形量及熱應力對六面折射轉鼓膜層質量的影響。

1 光學夾具的結構設計

如圖1 所示，六面折射轉鼓是為鍺單晶制成的斜六面體[3]。轉鼓的6 個面分別相對A 基準的面傾角為αn（n=1，…，6），面傾角誤差為20″，6 個面中相鄰面的中心角為60°，中心角角度誤差為20″[4]；相對面是平行的，即1 面與4 面，2 面與5 面，3 面與6 面平行，平行度誤差15″[5]。

圖1 六面折射轉鼓示意圖Fig.1 Schematic diagram of 6-face rotating drum

結合六面折射轉鼓材料特性以及真空鍍膜加工的技術要求，光學夾具的結構設計需滿足如下2個條件：（1）裝夾方便、對光學元件作用力小、公差設計合理；（2）光學夾具設計4 組轉鼓同時鍍膜，工作溫度為160 ℃。

根據以上要求，所設計的光真空鍍膜夾具的結構如圖2 所示。下裝夾塊和上裝夾塊的凹槽與六面折射轉鼓凸臺配合，將待鍍膜的轉鼓固定并通過鎖緊鐵絲將上下夾塊連接，確定了轉鼓在加工中的軸向位置。夾具結構選用屈服應力較低的不銹鋼材質，以避免因為溫度變形過度擠壓轉鼓。夾具與工裝之間通過錐齒輪傳動，瞬時傳動比恒定，可以在鍍膜過程中保證較高的平穩性。公轉盤邊緣均勻分布4 組夾具，每組夾具的周向角度為 90°。公轉軸與鍍膜機齒輪組配合，為光學夾具提供動力。

圖2 光學夾具示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical fixture

2 鍍膜溫度場理論模型

在實際工作過程中，由于在軌運行中各位置受蒸發源輻射熱不同，造成光學夾具及元件溫度水平不均勻，產生不同程度的熱膨脹，因而產生熱應力和熱應變，使各節點發生空間熱位移不同，導致光學夾具產生熱變形，影響其形面精度，從而影響夾具上光學元件的成像質量[6]，因此對在工作中的機構進行熱變形的仿真是必不可少的。

由于鍍膜過程會達到7.2×10-3Pa的真空度，所以主要通過熱輻射換熱的方式來傳遞蒸發源與光學元件的熱量。在加熱蒸發時，蒸發源需要的熱量包括膜材在加熱時需要的熱量，以及在加熱的過程中熱輻射損失掉的熱量[7]，因此蒸發源需要的熱量就是蒸發源工作室的總功率。設蒸發源需要的總熱量為Q，則有

式中:Q1——蒸發時需要的熱量；Q2——蒸發時熱輻射損失的熱量。

設定分子質量為μ、質量為W（g）的膜層材料從室溫升至工作溫度T0，并且蒸發，蒸發膜層材料時所需要的熱量為Q1，即

式中：CS——固態膜層材料的比熱容；C1——液態膜層材料的比熱容；Tsm——膜層材料熔化溫度；qsm——膜層材料的摩爾熔解熱；qv——膜層材料的摩爾蒸發熱。

設定熱輻射損失的熱量為Q2，蒸發源的溫度為T1，熱輻射系數為ε1，輻射面積為A；光學夾具部件溫度為T2，熱輻射系數為ε2，即

式中：σ=5.67×10-12W/(cm2·K4)——斯蒂芬-玻爾茲曼常數。

3 有限元分析

熱應力數值模擬的過程是熱-結構耦合的計算過程。首先利用ANSYS 軟件采用Hex Dominant 和Tetrahedrons 的方法對光學工裝及夾具進行網格劃分（如圖3 所示）。建立夾具的有限元模型，該模型單元數為418 392，節點數為700 471。材料屬性見表1。

表1 光學夾具及轉鼓材料參數表Tab.1 Material parameters of optical fixture and 6-face rotating drum

圖3 紅外窗口的有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model of optical fixture

3.1 施加邊界條件

氣相沉積薄膜過程中，折射轉鼓及夾具置于真空室內，根據鍍膜工藝需要進行整體升溫和降溫處理[8]。定義溫度載荷為初始溫度25℃，升溫至160℃后，恒溫保持，鍍膜溫度變化如圖4 所示。加載重力加速度慣性載荷至轉鼓及光學夾具，值為9.806 m/s2，方向為垂直于公轉盤豎直向下，對公轉盤下底面與大錐齒輪底面施加軸向位移約束。鍍膜過程中結構載荷還包括離心力。離心力是一種慣性力，是以一種旋轉速度的方式施加在4 組上下夾裝塊及折射轉鼓上，旋轉方向為順時針，大小為1 rad/s。現在對工作溫度條件下光學夾具及六面折射轉鼓進行仿真，分析溫度變化對上下夾裝塊及六面折射轉鼓變形的影響。

圖4 真空鍍膜室溫度變化示意圖Fig.4 Diagram of temperature change in coating machine

3.2 仿真結果分析

如圖5 所示，在160 ℃的情況下，六面折射轉鼓的最大熱變形量為0.14 mm，最大應力為10.28 MPa，最大應力小于材料鍺的屈服極限60 MPa[9-10]。所有的變形都呈中心對稱，符合實際情況。4 組六面折射轉鼓變形規律相同，故確定左上角轉鼓為分析對象。沿X 軸最大熱變形量為0.11 mm，沿Y 軸最大熱變形量為0.001 mm，沿Z 軸最大熱變形量為0.06 mm。光學熱變形量越遠離旋轉中心越大，這是一個變形累積的結果，所以，最大熱變形發生在下夾裝塊表面，大小為0.17 mm。如圖6 所示，光學夾具最大等效應力為24.16 MPa，出現在下夾裝塊凹槽處，這是凹槽處幾何突變造成的。六面折射轉鼓及光學夾具在鍍膜過程中滿足應力條件，表明光學夾具設計參數較合理[11]。

圖5 光學夾具及轉鼓變形分布云圖Fig.5 Displacement cloud diagram of optical fixture and 6-face rotating drum

圖6 光學夾具及轉鼓等效應力分布云圖Fig.6 Thermal stress cloud diagram of optical fixture and 6-face rotating drum

4 真空鍍膜實驗

本實驗采用的高精度六面折射轉鼓，通過單點金剛石車削加工制備，其表面光潔度Ⅳ級，表面粗糙度（RMS）為7 nm。真空鍍膜實驗在天星TXX1100-Ⅱ型真空鍍膜機上進行。由于BRUKER TENSOR27 傅里葉紅外光譜儀可測量的基底直徑在Φ30 mm 左右，且轉鼓為斜六面體不便測量，故采用同一夾具上的陪鍍片進行測量，同一工藝流程所鍍出的膜層性能可認為是相同的，陪鍍片規格為Φ25×2 mm。六面折射轉鼓的的膜系為5 層非規整膜系，該膜系結構為

式 中：H——Ge；M——ZnS；L——YbF3；Sub——Ge 基底；Air——空氣；k1～k5——每層膜的系數。

鍍膜前，先用3∶1 的酒精乙醚混合液將襯底反復擦拭干凈，然后烘干后裝入光學夾具，關閉真空室門進行抽真空。為保證實驗結果的可靠性，將所有樣品的沉積溫度均設定為160 ℃。當真空達到2.0×10-3Pa 時，通過氣體質量流量計充入氬氣使工作真空度保持在7.0×10-3Pa，然后打開電子槍，調節束流大小開始鍍膜。鍍膜后的六面折射轉鼓及陪鍍片如圖7 所示。

圖7 鍍膜后的轉鼓及陪鍍片Fig.7 6-face rotating drum and accompanying film after coating

使用BRUKER TENSOR27 傅里葉紅外光譜儀測得真空鍍膜實驗后陪鍍片8～12 μm 的透過率，同時對未鍍膜Ge 基底在8～12 μm 波段透過率進行測量，以排除Ge 基底透過率對實驗的影響，提高實驗準確性，如圖8 所示[12]。通過透過率曲線可知，在10～12 μm 波段實際透過率曲線低于理論仿真通過率曲線，這是因為完成鍍膜的Ge 基底吸收了一部分紅外光[13]。通過傅里葉紅外光譜儀測得陪鍍片8～12 μm 波段透過率平均為94.5%，滿足8～12 μm 透過率93%的技術要求。

圖8 仿真及實驗透過率曲線Fig.8 Simulation and experiment transmittance curve

5 結論

本文針對以往真空鍍膜實驗中光學夾具熱變形導致膜層出現裂紋的現象，運用ANSYS 軟件建立了光學夾具在特定工況溫度條件下的靜力學模型，模擬計算了熱彈性形變量及熱應力。分析結果表明，光學夾具夾持的六面折射轉鼓在特定工況下的最大熱彈性形變量0.14 mm，最大等效應力為10.28 MPa。真空鍍膜實驗測得陪鍍片在8～12 μm 波段的透過率為94.5%，滿足透過率93%的要求。