Каширин В.И. Основы формообразования оптических поверхностей: курс лекций - файл n1.doc

Каширин В.И. Основы формообразования оптических поверхностей: курс лекций
скачать (14734.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc14735kb.03.11.2012 12:00скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
УДК 681.4.022 : 535.21

ББК: 34.96 + 22.34

К 31

Рецензенты:

Лаборатория сегнетоэлектриков НИИ ФПМ УрГУ им. М. Горького (проф. д-р физ.-мат. наук В.Я. Шур); доц. канд. физ.-мат. наук М.П. Андронов (ФГУП «ПО Уральский оптико-механический завод»)
В.И. Каширин

К 31 Основы формообразования оптических поверхностей: курс лекций - / В.И. Каширин, Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2006.
ISBN 5 – 321 – 00939 – 2
Даны основные понятия об оптических поверхностях. Указаны области применения сложных поверхностей в оптических системах. Анализируются методы формообразования и контроля точных оптических поверхностей. Рассматриваются оборудование и приспособления, используемые при производстве асферической оптики.

Библиогр.: 76 назв. Табл. 8. Рис. 124. Прил.

УДК 681.4.022 : 535.21

ББК: 34.96 + 22.34

ISBN 5 – 321 – 00939 – 2 © ГОУ ВПО «Уральский государственный

технический университет – УПИ», 2006

О Г Л А В Л Е Н И Е
Предисловие ………………………………………………………. ………

Сокращения и условные обозначения, принятые в курсе лекций ………

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ.

ЛЕКЦИЯ 1. Основные понятия, используемые в «Курсе» ………………

Раздел 2. ОБЗОР ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ.

ЛЕКЦИЯ 2. Классификация методов формообразования оптических поверхностей .……………………………….……….

Раздел 3. ОБЗОР ОБОРУДОВАНИЯ.

ЛЕКЦИЯ 3. Оборудование оптических цехов ………

Раздел 4. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПРОСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ЛЕКЦИЯ 4. Изготовление заготовок ОД …………………...

ЛЕКЦИЯ 5. Тонкая шлифовка и полировка ОД ………..…..

Раздел 5. ВИДЫ АП И МЕТОДЫ ИХ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 6. Аберрации оптических систем и свойства АП .

ЛЕКЦИЯ 7. Универсальный асферический профиль……....

ЛЕКЦИЯ 8. Использование геометрических свойств АП ….

ЛЕКЦИЯ 9. Метод упругой деформации. Часть I ................ .

ЛЕКЦИЯ 10. Метод упругой деформации. Часть II ...............

ЛЕКЦИЯ 11. Вакуумный метод ...........…………………....... .

ЛЕКЦИЯ 12. Расчет вакуумной маски ...................................

ЛЕКЦИЯ 13. Распределение работы по зонам ......................

ЛЕКЦИЯ 14. Асферизация ОД на станках фирмы LOH. …

ЛЕКЦИЯ 15. Доводка АП на станке Q22 фирмы Schneider..

ЛЕКЦИЯ 16. Изготовление крупногабаритной оптики. …...

Раздел 6. КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ И ТОЧНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ЛЕКЦИЯ 17. Изображение и точность поверхностей .........

ЛЕКЦИЯ 18. Факторы, влияющие на точность ...................

Раздел 7. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

ЛЕКЦИЯ 19. Контроль шлифованных поверхностей ……..

ЛЕКЦИЯ 20. Теневые методы ..............................................

ЛЕКЦИЯ 21. Интерференционые методы ............................

Раздел 8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

ЛЕКЦИЯ 22. Перспективные направления изготовления и контроля АП .

Приложения …………………………………….……….……….
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

Более 100 лет служили фоточувствительные покрытия на основе серебра. Сегодня всем очевидно, что приборы с зарядовой связью окончательно вытеснили серебросодержащие фотоприемники. На очереди традиционная оптика. Работы, ведущиеся по созданию дифракционных элементов, хотя имеют в настоящее время очень скромные результаты, но направлены на поиски принципиального решения, в котором традиционным оптическим деталям не будет места.

Именно в этот переломный период приходится подводить итоги технологическим изысканиям в области асферической оптики.

Даже мне, приверженцу традиционной оптики, очевидно, что асферические поверхности имеют в оптических системах вполне определенное и весьма ограниченное применение. Однако непредвзятый анализ принципиальных возможностей дифракционной оптики, особенно в области астрономии, оставляет традиционной оптике надежду на долгую жизнь: «по качеству волнового фронта, по энергетике – что может быть лучше первоклассного параболического зеркала?» – Л.В. Тевелев (ГИПО, 1985).

Кроме того, что уже стало «классикой» для асферической оптики, в данный Курс лекций я включил результаты нескольких своих исследований:

  1. Приспособление для шлифовки и полировки анаморфотов;

  2. Технологию изготовления шарообразных линз;

  3. Формообразование асферических шлифовальников;

  4. Замечания о пределе разрешения двойных звезд;

  5. Теневой прибор с нейтрализацией влияния комы;

  6. Экспресс-контроль оптики решеткой Ронки;

  7. Аберрометр с плавной раздвижкой четырех отверстий;

  8. Лабораторный компенсатор волновой аберрации;

  9. Двухзеркальный компенсатор;

  10. Интерференционный контроль эшелонов Майкельсона

и некоторые другие, менее значительные.

Ключом к пониманию всего «Курса» является понятие об универсальном асферическом профиле, введенное в 1984 году. Анализ общего выражения волновой аберрации произвольной оптической системы подвел к выводу о том, что оптике нужны не всякие поверхности, не «всевозможные лекальные кривые», как подчеркнул тогда В.В. Горелик, а только определенный класс истинно оптических поверхностей. Весь формульный аппарат расчета технологических параметров, используемых при асферизации оптических деталей, опирается на представление о том, что съем или нанесение материала на исходную сферу составляет универсальный профиль Кербера.

Перед началом изложения хотелось бы подчеркнуть, что точность, с которой оптик обычно обрабатывает поверхности своих деталей, т. е. отступление реальных поверхностей от математически точных поверхностей, – составляет несколько десятков атомных слоев. Такое возможным оказывается благодаря трем «китам» традиционной оптической технологии: взаимному притиру инструмента и детали, использованию самоустанавливающихся звеньев станок – инструмент – деталь, а также прецизионной доводке поверхностей с применением в качестве обратной связи интерференционного метода контроля.

С 80-х годов XX века в оптике шел бурный процесс синтеза. Результаты высоких технологий из различных отраслей интенсивно внедрялись в оптику. Были разработаны и внедрены высокооборотные шпиндели на воздушных подшипниках, на базе которых родились станки точного алмазного точения. Были разработаны высокоточные индукционные датчики, позволяющие воспроизводить позиционирование исполнительных механизмов с точностью менее 1 мкм. Повсеместно началось использование лазерного излучения, обеспечивающего длину когерентности в несколько метров. Вычленение тонкой структуры электромагнитного колебания – за счет определения тысячных долей его фазы – позволило регистрировать ошибки поверхностей в ангстремах.

Широкое использование вычислительной техники и компьютерных технологий позволило:

- автоматизировать метод последовательных приближений;

- обеспечивать надежную обратную связь;

- выполнять с высокой точностью кропотливую работу;

- обеспечивать воспроизводимость результатов;

- эмулировать процессы перед началом их выполнения с целью предупреждения возможных ошибок;

- выполнять по программе сложные комплексы технологических операций;

- обеспечить безопасность процессов.

В результате внедрения перечисленных технических решений традиционная оптическая технология вышла на принципиально новый уровень качества продукции и производительности. И это еще раз убеждает в жизнеспособности традиционной оптики.

Конечно, данному «Курсу лекций» должно предшествовать обстоятельное введение в пространство оптических понятий со своеобразной «оптической математикой». По ходу процесса формообразования приходится производить инженерную оценку качества обрабатываемой поверхности. Здесь специалист должен владеть математическим аппаратом расчета оптических систем. Именно поэтому в «Курс» включены две лекции (6-я и 7-я), а также § 1 – 4 Лекции 17, тематически выходящие за рамки «Курса», но необходимые по смыслу. В курсовой работе приходится лишь исподволь имитировать расчет аберраций простейших оптических систем. Остается только сожалеть, что приходится читать «Курс» без развернутого введения в вычислительную оптику и надеяться, что в будущем такое положение будет исправлено.

Параллельно курсу «Основ формообразования» читается «Курс технологии изготовления оптических деталей», поэтому в нашем «Курсе» мы только отчасти касаемся подробностей абразивной обработки оптических материалов и специальных нюансов асферизации в вакууме.

Для удобства пользования «Курсом лекций» все сокращения вынесены в начало. В конце каждой лекции включен список литературы для углубленного знакомства с темой, вызвавшей интерес.

Нумерация лекций – сквозная, рисунков и таблиц – внутри лекции, формул - внутри параграфа.

Екатеринбург, декабрь 2005 г

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Два года чтения Курса лекций, замечания, сделанные В.В. Гореликом и В.Г. Куксом понуждают к переработке Курса.
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ,

ПРИНЯТЫЕ В КУРСЕ ЛЕКЦИЙ

ОС – оптическая система.

ОД – оптическая деталь.

АП – асферическая поверхность.

АП-2 – асферическая поверхность 2-го порядка.

АП-ВП – асферическая поверхность высокого порядка.

ДОЭ – дифракционный оптический элемент, иначе – искусственная или синтезированная голограмма, – пространственный фильтр, выделяющий из волнового колебания определенную фазу.

ГШП – глубокая шлифовка и полировка.

ЧКХ – частотно-контрастная характеристика ОС.

? – отступление АП от сферы сравнения.

?0 – отступление АП от вершинной сферы, измеренное на краю ОД.

?m – максимальное отступление АП от ближайшей сферы сравнения.

Н – половина диаметра ОД.

? = – расстояние от центра ОД в относительных единицах,

у – текущая ордината.

ОМП – журнал «Оптико-механическая промышленность».

Изв. КрАО – известия Крымской астрофизической обсерватории.

JOSA – The Journal of the Optical Society of America.

МВТУ ныне МГТУ – Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана.

ГИПО – Государственный институт прикладной оптики.

ЛИТМО – Ленинградский институт точной механики и оптики.

ГОИ – Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова.

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ
ЛЕКЦИЯ 1.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КУРСЕ



§1. Место дисциплины в науке

1.1. Структура науки о свете:

1.2. Задачи, решаемые технической оптикой

Техническая оптика охватывает все технические приложения физической науки о свете. Наука находится на стадии становления, и определения «прикладная», «техническая», «инженерная» в применении к практической оптике надо признать как неудачные: помимо результатов аналитической геометрии и вычислительной математики для решения насущных проблем приходится привлекать приложения из различных разделов механики, химии и других областей знания.

Техническая оптика порождает теорию оптических приборов – науку, рассматривающую весь спектр вопросов, связанных с расчетом, конструированием и работой оптического прибора. Теория оптических приборов включает в себя помимо расчета оптических систем приложения из теории интерференции и дифракции, теории измерений, сопромата, физическую химию процессов обработки и соединения оптических деталей. Своими корнями она глубоко уходит в технологические проблемы оптико-механической промышленности.

Дисциплина «Основы формообразования оптических поверхностей» является технологической ветвью теории оптических приборов. Как следует из названия, она призвана освещать проблемы, возникающие в процессе изготовления исполнительных поверхностей оптических деталей. Проблемы эти непростые, особенно при асферизации поверхностей.

Для успешного освоения дисциплины необходимо иметь основательные знания по аналитической геометрии и расчету оптических систем, хорошо ориентироваться в программировании и вычислительной технике, превосходно знать возможности современного оптического оборудования и технологические нюансы процессов шлифовки и полировки оптического стекла, владеть современными методами контроля оптики, иметь навыки конструирования.
§ 2. Экскурс в историю технической оптики

Линзы из горного хрусталя, изготовленные около 4500 лет назад, были обнаружены Генрихом Шлиманом в 1890 г. при раскопках Трои. Линзы с разным увеличением из стекла были найдены в Саргоне (Месопотамия) – они датируются 400 – 600 гг. до н. э. В музее Грузии в Тбилиси имеется уникальная античная линза диаметром 45 мм из горного хрусталя, изготовленная в начале IX в. н. э. (см. [1, с. 3]).

Факт поджога Архимедом неприятельского флота был подтвержден экспериментально в 1973 г.: 70 отполированными щитами с размером 1х1,5 м с расстояния 55 м были зажжены деревянные модели римских кораблей.

Р. Бэкон обнаружил сферическую аберрацию зеркала в XIII в.

Математик Вителло в 1270 г. показал, что резкое изображение звезды можно получить на оси в фокусе параболоида.

Труба Г. Галилея появилась в 1609 году, труба И. Кеплера – в 1611. Станок для асферизации линз был предложен Р. Декартом в 1637 г.

Окуляр и «воздушный» телескоп Гюйгенс разработал в 1652 г.

Параболоид И. Ньютон изготовил в 1668 г. Известно, что длительный период жизни Ньютона был посвящен исследованию сплавов различных металлов. Очевидно, что в этот период он вел поиски материала, способного стать основой для оптических зеркал. Можно полагать, что Ньютон в этом отношении был предшественником нашего соотечественника Д.Д. Максутова, который в 1930-е гг. пытался найти альтернативу стеклу для крупногабаритных зеркал.

В середине 17 в. Э. Торричелли использует интерференционные кольца для контроля точности оптических поверхностей.

Интересно отметить, что около 1700 г. А. Левенгук изготавливал объективные линзы для своих микроскопов методом отлива стеклянных капель в воду.

Большой вклад в теорию оптических приборов внесли Л. Эйлер, О. Френель, К. Гаусс, А, Зейдель, Г. Эйри, Э. Аббе, Д. Рэлей.

Для более подробного знакомства с исследованиями зарубежных оптиков см. [1]. История создания и развития телескопа излагается в [2], микроскопа – в [3]; современные конструкции оптических телескопов представлены в [4]. Для углубленного изучения вопросов технической оптики см. работы Вавилова, Тудоровского, Слюсарева, Максутова, Турыгина, Русинова, Волосова, Гальперна, Чуриловского, Михельсона.
§ 3. Основные понятия дисциплины

Оптический прибор размещен в корпусе, который выполняет функцию несущей конструкции оптической системы прибора.

Оптические системы (ОС) состоят из оптических деталей (ОД). Габаритный расчет ОС удобно производить с помощью матричной алгебры (см. [16]). Однако получение высокого качества изображения, даваемого ОС, особенно на широком плоском поле, представляет собой сложнейшую физико-математическую проблему (см. [12]). Раздел «Расчет оптических систем» теории оптических приборов посвящен поиску решения указанной проблемы. Разработка ОС является самостоятельной задачей. Как правило, в новом приборе стараются применить какую-либо из известных ОС, трансформировав ее соответствующим образом без потери основных характеристик.

ОС бывают: линзовые, зеркальные, зеркально-линзовые, дифракционные, смешанные.

ОД , входящие в состав ОС, бывают: линзы, зеркала, призмы, пластины, сетки, лимбы, окна, люки и т. д.

Каждая ОД ограничена исполнительными (рабочими), вспомогательными и свободными поверхностями.

Исполнительные поверхности предназначены для выполнения деталью своего служебного назначения. Это полированные сферические или асферические поверхности.

Вспомогательные поверхности ОД служат для присоединения к ним оправ, упоров и установочных плат. Это щлифованные цилиндрические или плоские поверхности, используемые как базовые в процессе сборки оптического прибора.

Свободные поверхности завершают конструкцию ОД. Они не соприкасаются с другими деталями прибора и выполняются шлифованными – с целью предохранения ОД от заколов.

В нашем «Курсе» предметом изучения будут исполнительные поверхности ОД. Мы рассмотрим назначение рабочих поверхностей в ОС и методы изготовления и контроля их формы.
3.1. Виды оптических поверхностей.

Все оптические поверхности можно разделить на четыре категории: сферические (в том числе плоские), асферические, анаморфоты и дифракционные.

В литературе встречается термин «несферические поверхности». Мы будем использовать термин «асферический», означающий, что поверхность имеет заданное расчетом плавно изменяющееся отступление от исходной сферической или плоской поверхности.

С математической точки зрения оптические поверхности образованы вращением плоской кривой относительно ее оси симметрии. Эта кривая называется образующей. Вид уравнения образующей кривой определяет вид поверхности.

Плоскость образуется вращением прямой относительно перпендикулярной ей оси; конус – вращением прямой относительно осевой линии, проходящей под некоторым углом к прямой; сфера образуется вращением окружности; асферические поверхности 2-го порядка образованы вращением плоской кривой, описываемой уравнением y2 = ax + (e2 - 1)x2, где e2 – квадрат эксцентриситета поверхности 2-го порядка; асферические поверхности высокого порядка образованы вращением плоской кривой, описываемой уравнением y2 = ax + bx2 + cx3 + …; дифракционные поверхности образуются вращением ступенчатых, ломаных линий заданной конфигурации.

Асферические поверхности (АП) разделяют на следующие виды:

- асферические поверхности 2-го порядка (АП-2):

= эллипсоиды, 0 < e2 < 1,

= параболоиды, e2 = 1,

= гиперболоиды, e2 > 1;

- асферические поверхности высокого порядка (АП-ВП).

На рис. 1.1 представлены кривые, образующие АП-2, имеющие одинаковые радиусы кривизны при вершине.

Рис. 1.1. Образующие АП-2 с одинаковым радиусом кривизны при вершине
Оптические поверхности подразделяются на осесимметричные (с одной осью симметрии) и поверхности двоякой кривизны – с двумя осями симметрии (анаморфоты).

К осесимметричным относятся плоскость, конус, сфера, осесимметричные АП. К анаморфотам – цилиндр и тор.

Анаморфоты имеют во взаимно перпендикулярных сечениях различную кривизну. Эти поверхности образуются перемещением образующей одного радиуса вдоль окружности другого радиуса (или вдоль прямой), расположенной в плоскости, перпендикулярной первой.

Если в оптическом приборе используется только часть осесимметричной АП, то такую деталь называют внеосевой. Потребность во внеосевых деталях возникает из-за желания исключить в зеркальных системах центральное экранирование (рис. 1.2), вызывающее большие светопотери.



Рис. 1.2. Система с внеосевыми зеркалами: 1 – главное зеркало;

2 - вторичное зеркало; 3 – оптическая ось; 4 – вертикальная ось

симметрии; F' – фокус ОС
По определению АП имеет разные радиусы кривизны на разных расстояниях от оси вращения, поэтому для численного определения величины асферичности к такой поверхности проводится сфера сравнения. Расстояние между сферой сравнения и АП определяется по нормали к сфере.

Ближайшая сфера сравнения проводится через вершину и край АП (3-точечная сфера), а при наличии в АП центрального отверстия – через края отверстия и ОД (4-точечная сфера). Ближайшей сфера названа оттого, что наибольшее расстояние от нее до АП является наименьшим для всех возможных сфер.

При формообразовании для получения минимального съема материала целесообразно ОД с АП изготавливать из исходной заготовки, имеющей сферические поверхности, ближайшие к заданным АП.
3.2. Назначение АП

На рис. 1.3 указаны [6] основные области применения ОД с АП. Как видим, асферическая оптика находит основное применение в сложных высокоточных оптических приборах. Целесообразность введения АП в ОС устанавливается в результате проведения численного эксперимента, заключающегося в аберрационном расчете нескольких вариантов ОС.

Использование АП во многих случаях обеспечивает уменьшение массы и габаритных размеров оптического прибора, повышение качества изображения, увеличение угла поля зрения и светосилы ОС. Нередко только применение АП позволяет получить оптический прибор с желаемыми характеристиками.
§ 4. Виды ошибок оптических поверхностей

На рис. 1.4 приведена классификация АП в зависимости от размеров, сложности профиля и требуемой точности.

Качество ОС определяется точностью формообразования каждой оптической поверхности, т. е. ошибками отступления реальной поверхности от геометрически правильной, идеальной.

Отступления реальной поверхности от идеальной могут иметь плавный характер, регулярный или случайный, хаотический: в первом и втором случаях ошибка легко поддается моделированию и обработке, в последнем случае можно подсчитать только среднестатистическую величину или среднеквадратичное уклонение.

Кроме того, по расположению ошибки бывают зональными, местными или общими.

К зональным ошибкам относят ошибки, имеющие одинаковый вид и значение на одной зоне, т. е. на одном расстоянии от оси вращения поверхности.



Рис. 1.3. Применение АП в оптическом приборостроении

Рис. 1.4. Классификация АП по основным параметрам
К местным ошибкам относят ошибки, расположенные на поверхности локально.

К общим ошибкам относятся асимметрия поверхности и астигматизм. В первом случае радиусы кривизны поверхности имеют монотонное, но нежелательное изменение от одного ее края к другому. Во втором – радиусы кривизны во взаимно перпендикулярных сечениях имеют разные значения, то есть поверхность имеет вид тора.
В последнее время в оптических приборах стали применяться нетрадиционные оптические детали – дифракционные оптические элементы (ДОЭ) [8], изготовленные, как правило, на тонких плоских пластинах, в которых используется явление дифракции света на структурах поверхности этих элементов: линзы Френеля, голограммы и киноформы, бинарные структуры. ДОЭ представляет собой пространственный фильтр, рассекающий волновой фронт по заданной планировке. В оптических системах ДОЭ выполняют ту же роль, которую ранее выполняли ОД со сферическими и асферическими поверхностями. ДОЭ нашли широкое применение в лазерных системах связи, в системах обработки информации и метрологии, где преимущества ДОЭ перед традиционной оптикой неоспоримы.

Раздел оптики, изучающий оптические свойства как самих ДОЭ, так и систем, составленных из ДОЭ, называется дифракционной оптикой.

Применение «плоской» оптики заманчиво. Однако в этой области пока очень много проблем. Это вызвано строением поверхности ДОЭ: большие светопотери на микроструктурах, недолговечность и высокая опасность запыленности микроструктур, большой хроматизм. О полном переходе на «плоскую» оптику пока говорить преждевременно.
В нашем курсе мы будем изучать основные закономерности формообразования осесимметричных сферических и асферических поверхностей на деталях, выполненных из оптического стекла. Из всех известных методов формообразования мы остановимся только на четырех: метод, в котором используются геометрические свойства АП, метод упругой деформации, метод вакуумной асферизации и метод распределения работы по зонам – как наиболее зарекомендовавших себя при изготовлении высокоточной оптики.

По ходу изложения для полноты картины – в силу необходимости – мы будем вынуждены касаться и упомянутых ДОЭ, и оптических элементов, выполненных из полимеров, и даже на основе жидкостей.
Литература к лекции 1

1. Гуриков В. Становление прикладной оптики / В. Гуриков. – М.: Наука, 1983.

2. Современный телескоп / О.А. Мельников [и др]. – М.: Наука, 1968.

3. Майстров Л.Е. Приборы и инструменты исторического значения. Микроскопы / Л.Е. Майстров. – М.: Наука, 1974.

4. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы / Н.Н. Михельсон. – М.: Наука, 1976.

5. Семибратов М.Н. Технология оптических деталей / В.Г. Зубаков, М.Н. Семибратов, С.К. Штандель. Изд. 2-е. - М.: Машиностроение, 1985.

6. Заказнов Н.П. Изготовление асферической оптики / Н.П. Заказнов, В.В. Горелик. – М.: Машиностроение, 1978.

7. Справочник технолога-оптика / под ред. М.А. Окатова; изд. 2-е. - С.-Петербург: Политехника, 2004.

8. Бобров С.Т. Оптика дифракционных элементов / С.Т. Бобров [и др]. – Л.: Машиностроение, 1986.

9. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций 3-го порядка / В.Н. Чуриловский. – Л.: Машиностроение, 1968.

10. Апенко М. Прикладная оптика / М. Апенко, А. Дубовик. – М.: Наука, 1971.

11. Борн М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – М.: Наука, 1975.

12. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем / Г.Г. Слюсарев. – Л.: Машиностроение, 1975.

13. Слюсарев Г.Г. О возможном и невозможном в оптике / Г.Г. Слюсарев. – Л.: Машиностроение, 1953.

14. Русинов М. Техническая оптика / М. Русинов. – Л.: Машиностроение, 1979.

15. Александров П.С. Лекции по аналитической геометрии / П.С. Александров. М.: Наука, 1968.

16. Джерард А. Введение в матричную оптику / А. Джерард, Дж.Н. Берг. – М.: Мир, 1978.

17. Гуриков В. Э.Аббе.
Раздел 2. ОБЗОР ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ
ЛЕКЦИЯ 2

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
В этом разделе мы кратко рассмотрим методы формообразования оптических поверхностей: сферических и асферических.

Как мы видели при классификации АП, асферическая оптика может быть грубой, средней и высокой точности. Назначение ОД предопределяет выбор метода формообразования ее поверхностей.

Благодаря своим геометрическим свойствам сферические поверхности не вызывают особых трудностей при своем формообразовании, поэтому основное внимание в этом разделе, как и в других разделах «Курса», обращено на особенности формообразования АП.

Для формообразования АП применяют различные технологические направления (рис. 2.1). Остановимся на тех из них, которые в последние десятилетия утвердились на практике.


Рис. 2.1. Классификация методов формообразования АП

§ 1. Метод литья в форму

Методом литья в форму удается получать ОД с удовлетворительной точностью геометрии только из полимеров. Для стекол – ввиду их высокой вязкости – метод может быть использован только для изготовления исходной заготовки (рис. 2.2).

Литье под давлением позволяет улучшить качество поверхностей и повысить класс чистоты.
Рис.2.2. Отливка стекла в форму: 1 – клещи; 2 – горшок; 3 – форма; 4 – тележка


§ 2. Метод пластического деформирования исходной заготовки

Пластическому деформированию подвергаются заготовки при прессовании и моллировании.
2.1. Моллирование

Процесс, в ходе которого поверхность заготовки, обращенная к рабочей части формы, под действием нагрева за счет пластической деформации материала заготовки принимает эту форму, а внешняя поверхность заготовки деформируется так, что получается требуемая АП, не нуждающаяся в последующей обработке, называют моллированием.
Рис. 2.3. Этапы процесса моллирования. а: исходная заготовка 1 уложена в форму; б: процесс моллирования завершен; в: готовая деталь вырезана из моллированной заготовки по линиям 2
На рис. 2.3 показаны этапы этого процесса. Выпукло-вогнутый мениск 1 с полированной вогнутой сферической поверхностью и шлифованной выпуклой сферической поверхностью центрируют в форме (рис. 2.3, а). Затем заготовку и форму нагревают в электрической печи до тем­пературы 700° С, превышающей тем­пературу размягчения стекла заготовки (570° С). В результате размягчения выпуклая поверхность заготовки деформируется и заполняет форму. При этом внеш­няя, полированная поверхность заготовки получает вид, определяемый параметрами заготовки и рабочей частью формы (рис. 2.3, б). После охлаждения производят механическую обра­ботку, результат которой показан на рис. 2.3, в.

Форма для моллирования изготавливается из керамики или жаропрочного чугуна.

Брак из-за включений на полированной поверхности, ошибок профиля и дефектов, возникающих при охлаждении, составляет примерно 30% от общего числа моллированных заготовок. Интересно отметить, что во время моллирова­ния показатель преломления материала заготовки изменяется на 0.002.

Моллирование может быть реко­мендовано для серийного изготовления неответ­ственных, в основном, светотехнических ОД с АП не­высокой точности. В качестве наиболее простой заготовки для моллирования используют плоскопараллельный диск, укладываемый на коль­цевую опору.

Основным фактором, влияющим на точность при моллировании, является разность коэффициентов линейного расширения формы и стекла. Увеличение времени контакта размягченного стекла с поверхностью формы приводит к спеканию детали с формой, поэтому целесообразно с помощью датчиков фиксировать момент полного контакта стекла и формы.
2.2. Прессование

В качестве материала для прессования разнооб­разных ОД используют органические стекла, например полиметилметакрилаты марок СО-95, СО-120, СО-140 (ГОСТ 10667-74), СОЛ, СТ-1, 2-55 (ГОСТ 15809-70), ТОСП, ТОСН, ТОСС (ГОСТ 17662-72), выпускаемые в виде листов тол­щиной 0,8—30 мм.

Температура размягчения полимеров находится в низком температурном диапазоне (90—140° С), не требующем больших затрат на нагревание и теплоизоляцию.

При нагревании пластмасс происходит обильное выделение вредных газов и летучих веществ, поэтому процесс формования органических стекол производится под вытяжкой.
с д


Рис. 2.4. Прессформы для пластического формования оптических деталей. с – линз Френеля: 1 – заглушка; 2 – шаблон; 3 – ценрирующее кольцо. д – пластин Шмидта: 1 – упругая пластинка; 2,6 – гайки; 3,4 – кольца; 5 – основание: 7 – винт
Недостатком полимерных материалов является нестабильность их физико-механических и технологических свойств. Полученные ОД имеют низкую точность, малую твердость поверхностей, нестабильные геометрические размеры, микротрещины в толще материала («серебро»). Применение пластмассовых ОД объясняется их малой себе­стоимостью.

Основным инструментом при пластической обработке ОД является прессформа. Рис. 2.4 иллюстрирует конструкции и способы образования рабочих поверхностей прессформ, используемых для формования сложных ОД: линз Френеля (с) и пластин Шмидта (д).
§ 3. Метод центробежного формообразования параболоидов

Астрономы для получения параболоидных зеркал с вертикальной осью использовали вра­щающийся с постоянной скоростью сосуд с налитой в него ртутью. Это зеркало, естественно, не удобно в эксплуатации.




Рис. 2.5. Устройство для изготовления параболоидов с использованием центробежных сил: 1 – цилиндрический сосуд; 2 – рабочая жидкость; 3 – вспомогательная жидкость
Идея получения параболоидного зеркала, которое образуется поверхностью вращающейся жидкости, использована для создания «жестких» зеркал. Во вращающемся цилиндре 1 (рис. 2.5) находятся два жидких несмешивающихся вещества 2 и 3. Более легкое из них, вещество 2, при обычной температуре твердое, а веще­ство 3 — жидкое. Следовательно, при некоторой повышенной температуре, когда вещество 2 находится в жидком состоянии, при вращении цилиндра с определенной постоянной скоростью обеспечивается требуемая форма параболоидного зеркала. Затем при снижении температуры, но при сохранении скорости вращения параболоид затвердевает. После нанесения отражающего слоя на соответствующую поверхность получается вогнутое или вы­пуклое параболоидное зеркало. Использование жидкости 3 поз­воляет изготовить выпуклое зеркало, обеспечивает конструктив­ность вогнутого зеркала и удобство его отделения от цилиндри­ческой формы. По описанной технологии изготавливают отражатели для фонарей.

Вместо вещества, твердеющего при обычной температуре, могут использоваться эпоксидные смолы, твердеющие при комнатной температуре. Зеркала можно армировать стеклотканью, снижая их чувствительность к термическим ударам. Таким способом получают зеркала со све­товым диаметром 250 — 900 мм, а также короткофокусные зер­кала для солнечных печей и других целей.

Основные недостатки метода – невозможность полного устранения вибрации и, как следствие, недопустимо большая шероховатость и макронеровности образуемой поверхности. Кроме того, метод ограничен получением только параболоидов. Из материалов с повышенной вязкостью (стекол) можно изготавливать только грубые заготовки.

Интересно отметить, что в наше время в телескопах используются параболические зеркала, основанные на вращающейся ртути. Одно из таких зеркал имеет диаметр 6 м [4].
§ 4. Методы нанесения материала на исходную заготовку.

4.1. Вакуумное напыление

Технология обеспечивает высокую точность формообразования. Однако диапазон асферичностей ограничен 15 – 30 мкм, что объясняется снижением прочности с ростом толщины наносимого слоя. Кроме того, технология может быть применена только для зеркальных поверхностей, так как наносимые материалы являются инородными для материала подложки.

В Лекции 11 этот метод рассматривается более подробно.
4.2. Наращивание вещества из раствора (расплава)

Метод является обратным аналогом направления съема материала, мало освоен, хотя практически численно не ограничен.

В настоящее время он используется для производства заготовок ОД из кристаллических материалов. Обычно этим методом выращивают монолитные були.

На рис. 2.6, а в качестве примера представлена схема выращивания полых заготовок с толщиной стенки 3 – 8 мм из расплава лейкосапфира методом локального динамического формообразования. К керну (затравке) 2 механически присоединяется поводок 1 установки. За счет разницы скоростей поводка и сосуда с расплавом материала из расплава начинается ускоренный рост оболочки. Конфигурация заготовки определяется наличием источников 5 (А, В, С) локального ее формообразования и своевременным переключением от источника к источнику.

Рис. 2.6. Выращивание полых заготовок из расплава лейкосапфира методом локального динамического формообразования. а – схема процесса: 1 – поводок; 2 – керн; 3 – оболочка; 4 – сосуд с расплавом; 5 – источники (А, В, С); 6 – струя расплава; 7 – ось вращающегося сосуда; 8 – ось выращиваемой оболочки; б – вверху – заготовка, внизу - три отполированные ОД
Разработчики метода (Экспериментальный завод научного приборостроения, г. Черноголовка, Московской области) добились скорости роста кристалла 5 мм/ч. Заготовка, изображенная на рис. 2.6-б, выращена за 10 ч и имеет диаметр 120 мм. Таким же образом выращиваются ленты и полосы из лейкосапфира с размерами до 300х600 мм, толщиной до 8 мм.

Отметим, что описанный способ выращивания полых заготовок из расплава лейкосапфира – это пока еще очень робкое начало большого и серьезного направления формообразования ОД.

§ 5. Методы съема материала с исходной заготовки

Это общее направление формообразования ОД с АП можно разделить на следующие ветви.

5.1. Химическое травление

Используется при изготовлении киноформов (см. [6]).

5.2. Гальванопластика

Малоисследованная область с большими потенциальными возможностями. Сущность метода заключается в том, что в растворе электролита к металлизированной поверхности заготовки ОД и к матрице подводятся потенциалы противоположной полярности; из раствора на ОД происходит осаждение растворенного в электролите вещества (или, наоборот, происходит растворение материала ОД). Форма образуемой АП определяется матрицей.

Гальванопластикой можно изготавливать зеркала и другие оптические элементы диаметром до 3 м и более. Точность изготовления зависит от точности матрицы — негатив­ной копии будущего изделия, выполненной из металла или стекла.

С каждой матрицы можно получить до 20 копий, после чего матрица должна повторно полироваться.

Гальванопластикой изготавливают формы для прессования линз Френеля и растров из полимеров, для чего применена технология производства граммофонных пластинок.

5.3. Ионно-лучевая обработка

Применяется в вакуумных установках. Метод обеспечивает высокую точность формообразования, однако малопроизводителен, используется в основном для доводки АП, а также при изготовлении ДОЭ. Рассматривается более подробно в Лекции 11.

5.4. Механическая обработка с применением абразивных материалов.

Возможны следующие варианты:

- касание инструмента в точке (малом пятне);

- притир по линии;

- квазисвободный притир поверхностей (каблучный метод, метод с применением маски);

- использование упругих свойств материалов инструмента, приспособления, заготовки для получения заданного асферического профиля.

Эти методы дают наивысшее качество поверхностей по точности и чистоте и будут предметом дальнейшего изучения.
Литература к лекции 2

1. Семибратов М.Н. Технология оптических деталей / М.Н. Семибратов [и др].

Изд. 2-е. – М.: Машиностроение, 1985.

2. Заказнов Н.П. Изготовление асферической оптики / Н.П. Заказнов, В.В. Горелик. – М.: Машиностроение, 1978.

3. Справочник технолога-оптика / под ред. М.А. Окатова. Изд. 2-е. – С.-Петербург: Политехника, 2004.

4. Теребиж С.Ю. Современные оптические телескопы / С.Ю. Теребиж. – М.: ФизматГИз, 2005.

5. ФГУП «Экспериментальный завод научного приборостроения» (ЭЗАН). Режим доступа: E-mail: borodin@ezan.ac.ru

6. В.П. Коронкевич и др. Киноформные оптические элементы // В.П. Коронкевич [и др]. – Автометрия. 1985. № 1. С. 3 – 25.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации