СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПО АПЕРТУРЕ Российский патент 1995 года по МПК G02B3/04 C03B23/22 G02B27/60 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к оптике и лазерной технике, может быть использовано в оптико-механической промышленности для изготовления объективов с малыми аберрациями и большим динамическим диапазоном освещенностей.

Современные способы создания асферических поверхностей сложны и трудоемки [1] и требуют сложного программного обеспечения и оборудования, высокоточного контрольно-измерительного комплекса, что не позволяет широко внедрять в производство методы асферизации, особенно при изготовлении линзовых систем.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу получения оптических деталей с плавным изменением оптических характеристик по апертуре является способ изготовления аподизирующих диафрагм [2] в котором изготавливают полированные пластины из стекол различного химического состава, согласованных по коэффициентам термического расширения и разнице показателей преломления, различающихся по оптической плотности, спекают их в монолитный блок, затем нагретый до температуры размягчения стекол блок деформируют криволинейными пуансоном и матрицей так, чтобы граничная поверхность приняла заданную конфигурацию. После охлаждения заготовку подвергают холодной обработке до получения плоскопараллельной слоистой пластины с плавным изменением пропускания по апертуре. Назначение такой детали повышение равномерности распределения энергии излучения по сечению пучка за счет устранения дифракционных максимумов. Этот способ позволяет получать аподизирующие диафрагмы высокого качества со сложным профилем распределения поглощения по образцу.

Он не позволяет получать оптические детали с заданным распределением фазовой неоднородности (т. е. получать формирователи волнового фронта типа корректоров, фокусаторов и т.д.), так как в нем используются стекла, согласованные по показателю преломления. Кроме того, в этом способе не учитывается утоньшение заготовки при прессовании, что приводит к отступлению получаемой в результате прессования асферической поверхности от заданной. Это явление при изготовлении амплитудных аподизирующих диафрагм является несущественным, поскольку для них нет строгих требований к точности изготовления профиля пропускания, однако при изготовлении деталей с фазовым асферическим профилем требования к точности изготовления преломляющих поверхностей возрастают и становятся препятствием для получения этим способом работоспособных деталей.

Цель изобретения расширение возможностей способа для изготовления с высокой точностью методом спекания и горячего формообразования оптических деталей различного функционального назначения.

Цель достигается тем, что в способе, включающем изготовление полированных пластин из стекол различного химического состава, согласованных по коэффициентам термического расширения, спекание их в монолитный блок, прессование блока криволинейными поверхностями при температуре размягчения стекол и последующую холодную обработку спрессованного блока, спекают стекла с различными показателями преломления n₁ и n₂, прессуют на глубину t_пр (1 K)t_заг + h_max, где К коэффициент утоньшения заготовки в процессе прессования; t_заг толщина заготовки из стекол; h_max требуемая максимальная величина деформации граничной поверхности, при этом поверхности прессующих инструментов матрицы и пуансона рассчитывают, исходя из условия эквидистантного расположения их и граничной поверхности спеченных слоев.

После спекания стекол в монолитный блок его прессуют инструментами с плоской центральной частью размером r₁ и криволинейной периферийной областью размером r_o r₁, где r_o радиальный размер детали, при этом r₁ выбирают из условия (1 r₁/r_o)= 0,1- 0,50, a n₁-n₂ и h_max из условия (n₁ -n₂)/h_max (1. 50)λ, где λ длина волны рабочего излучения, а последующую холодную обработку производят до образования плоскопараллельной пластины.

Асферическую граничную поверхность спеченных прозрачных в монолитный блок стекол и h_max рассчитывают, исходя из условия равенства оптических путей через преломляющие поверхности, при этом n₁-n₂ выбирают из условия максимальной компенсации аберраций оптической системы.

По крайней мере одну поверхность спрессованного блока обрабатывают до получения сферической поверхности заданного радиуса.

Прессуют блок из прозрачных стекол инструментами, рабочая поверхность которых является конической, цилиндрической или комбинацией одного или нескольких видов таких поверхностей в зависимости от требуемого распределения интенсивности излучения.

Одну из полированных пластин изготавливают из поглощающего стекла, оптическую плотность которого и величину h_max выбирают по заданному минимальному пропусканию в центре детали, а n₁-n₂ из условия внесения минимальных аберраций в оптическую систему, при этом граничную поверхность рассчитывают, исходя из заданного профиля пропускания.

Наличие заданного изменения толщин слоев вдоль радиального направления h(r) в сочетании с использованием стекол с различными характеристиками: показателями преломления или оптическими плотностями позволяют создать изменение оптических свойств по апертуре детали: изменяющуюся оптическую толщину Δn ˙ h(r) или изменяющееся пропускание τ(r) exp[- K ˙ h(r)] Это позволяет управлять фазой проходящего излучения, внося заданную оптическую неоднородность, корректировать направление его распространения в зависимости от координаты и формировать заданный волновой фронт в заданном направлении. Использование различных оптических плотностей позволяет управлять амплитудным распределением проходящего излучения. Возможность использовать стекла с комбинацией этих характеристик позволяет создавать амплитудно-фазовые фильтры различного назначения. Выбор конкретных значений h_max ˙ K ˙ Δn определяется особенностями решения конкретной задачи, в отличие от прототипа, на выбор стекол, в котором наложены ограничения и при помощи которого можно изготавливать только амплитудные аподизирующие диафрагмы.

Исследования показали, что при формообразовании по данному способу граничная поверхность является оптически прозрачной, локальные искажения поверхности пренебрежимо малы, что позволяет получать детали высокого качества, с границей спекания, не искажающей проходящего излучения. Учет утоньшения заготовки в процессе прессования дает возможность управлять формированием строго заданного профиля граничной поверхности, выбирая точно глубину прессования, и создавать детали с диапазоном изменения оптической неоднородности от 0,1λ до 100λ при точностях изготовления заданного профиля, соответствующих требованиям, предъявляемым к оптическим деталям, что также не позволяет прототип. Использование принципа эквидистантности позволяет рассчитывать поверхности прессующих инструментов, тем самым сформировать заданный закон изменения оптических свойств детали по апертуре.

Перед прессованием для получения высококачественной границы спекания заготовки, так же как и в прототипе, тщательно шлифуют и полируют. Температуры, при которых производят спекание и прессование, зависят от вязкости стекол.

Простота и элементарные требования к технологии позволяют говорить о возможности при помощи этого способа серийного изготовления оптических деталей различного функционального назначения, т.е. об универсальности способа.

Введение в известную совокупность таких отличительных признаков, как учет утоньшения заготовок из стекла при прессовании, использование принципа эквидистантности для расчета поверхностей прессующих инструментов при заданном профиле граничной поверхности, формирование фазового рельефа коническими, цилиндрическими поверхностями прессующих инструментов или их комбинацией, использование прозрачных стекол, позволяющих одним и тем же способом получать оптические детали различного функционального назначения, авторами не обнаружено. К тому же вообще не известно применение спекания и горячего формообразования для получения деталей с изменяющимися фазовыми характеристиками и для получения амплитудных фильтров для объективов ни в нашей стране, ни за рубежом. На основании вышеизложенного можно говорить о высоком изобретательском уровне.

Предложенным способом были изготовлены аподизирующие диафрагмы из пары прозрачных стекол с Δn n₁ n₂ 1,4 ˙ 10^-3. Глубина прессования составляла t_пр 1,6 мм, k 0,89, прессование осуществлялось оснасткой с плоской центральной частью прессующих инструментов и закругленной периферийной частью. Размер кромки с переменной фазовой неоднородностью составлял Δr/r_o 12,2r_o, максимальный размер диафрагмы был 7 мм. Максимальный фазовый набег на краю h_max ˙ Δn 1,5λ, где λ длина волны рабочего излучения. После прессования и охлаждения деталь обрабатывали до получения плоскопараллельной пластины.

Аподизирующие свойства такой диафрагмы исследовались в установке с He-Ne лазером. Получено уменьшение дифракционных осцилляций по сравнению с жесткой диафрагмой на 40% Причем по сравнению с амплитудными диафрагмами, полученными по прототипу, фазовые имеют расширенную область аподизации.

Поскольку фазовая аподизирующая диафрагма изготовлена из прозрачных стекол, то отсутствуют потери излучения из-за поглощения, которые есть в амплитудных диафрагмах. Кроме того, в фазовых отсутствует нагрев из-за поглощающего слоя, следовательно, их можно использовать в мощных лазерных установках. Прототип не позволяет изготавливать фазовые аподизирующие диафрагмы.

Предлагаемым способом изготовлена также партия корректоров и линз с коррекцией аберраций из прозрачных стекол с разницей показателей преломления Δn0,128. Корректоры рассчитывались для компенсации аберраций линзы с относительным отверстием D/f 1:1,5 и объектива с D/f 1:4. Граничная поверхность составляющих стекол рассчитывалась, исходя из равенства оптических путей через стекла с показателями преломления n₁и n₂. Рассчитанная асферическая поверхность имела сложный характер. Оснастка для прессования изготавливалась на станке с числовым программным управлением с точностью ±1 мкм. При изготовлении линзы с компенсацией аберраций выпуклая поверхность прессовки полировалась до сферы расчетного радиуса, а противоположная ей поверхность делалась плоской. Диаметр D₁ 7 мм у корректора и D₂ 20 мм у линзы с коррекцией аберраций. Толщина заготовок в первом случае была t_заг1 3,3 мм, во втором t_заг2 5,9 мм, глубина прессования Q_пр12,0 мм, коэффициент утоньшения К₁ 0,78, Q_пр2 3,7 мм, k₂ 0,82. Прессование производилось при температуре размягчения стекла Т 690^оС.

В результате получили плоскопараллельные пластины с возрастающей от центра к периферии оптической толщиной детали. В последнем случае получили двухкомпонентную линзу с коррекцией аберраций. Полученные интерферограммы показывают высокое оптическое качество границы спекания двух стекол, отсутствие локальных искажений при высокой симметрии всей детали. Прототип не позволяет делать детали такого типа.

Предложенным способом было изготовлено 4 типа фазовых элементов для фокусирования лазерного излучения: в кольцо, линию, квадрат и крест. Стеклянная подложка изготавливалась из стекла с n₁ 1,653 на длине волны λ= 0,63 мкм и представляла собой плоскопараллельную пластину, на которую накладывали другую плоскопараллельную пластину с показателем преломления n₂ 1,523. Предварительно спеченные заготовки прессовались при температуре 690^оС. Рабочие поверхности прессующих инструментов были: коническими (с тремя различными углами при вершине конуса для получения окружностей нескольких диаметров), цилиндрическими, в виде двух пересе- кающихся цилиндров, в виде четырех пересекающихся под углами цилиндров для получения кольца, линии, креста и квадрата соответственно. Прессовку как и в предыдущих случаях охлаждали и подвергали холодной обработке до получения плоскопараллельной пластины.

Работоспособность детали проверяли помещением ее в пучок мощного лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм перед линзой с фокусным расстоянием 0,5 м. По полученному на металлической пластине ожогу можно было оценить качество полученного изображения. Кроме того, детали помещали в пучок He-Ne лазера с длиной волны 0,63 мкм перед линзами с фокусными расстояниями 1,5 м и 0,475 м, и на экране наблюдали получаемое распределение сфокусированного излучения. Размер сфокусированного изображения при этом можно изменять, беря линзы с различным фокусным расстоянием. Полученные контуры имеют ширину линий, близкую к дифракционной, а их геометрическая форма определяется профилем прессующих поверхностей оснастки.

При прессовании поверхность матрицы ограничивает снизу деформацию детали, а пуансон оказывает давление сверху, при этом эквидистантно расположенная граничная поверхность спеченных стекол занимает промежуточное положение, соответствующее поверхностям пуансона и матрицы. Поэтому на точность формирования фазового профиля оказывает точность изготовления рабочих поверхностей оснастки. Таким образом для получения правильного рисунка необходимо лишь точное выполнение рабочих поверхностей оснастки для прессования, что легко осуществляется на станках с числовым программным управлением. При этом строгих требований к выбору разницы показателей преломления не предъявляется, поскольку его величина влияет в основном на размер рисунка, который можно регулировать изменением фокусного расстояния фокусирующей системы. При изготовлении таких деталей для получения оптически прозрачной границы раздела и чтобы избежать напряжений на границе соединения, использовались стекла, имеющие близкие коэффициенты термического расширения 2 ˙ 10^-7 град^-1. Прессование производилось на глубину 0,5-1 мм, диаметр готовых фазовых фильтров был 15 и 30 мм.

Изготовлен опытный образец амплитудного фильтра, предназначенный для работы совместно с фотографическим объективом для обеспечения рабочего диапазона интенсивностей 10000. Фильтр изготавливался из пары стекол со специально подобранным спектром поглощения поглощающего стекла, которое имело интегральный коэффициент поглощения для видимого диапазона К_s 4,3 мм^-1, а на длине волны 0,63 мкм К_0,63 8,8 мм^-1, τ_min 0,011, при этом h_max 0,51 мм. Разница показателей преломления составляющих стекол была 0,0001. Диаметр фильтра составлял D_о 15 мм, диаметр затемненного участка D₁ 3,0 мм. Функция пропускания фильтра измерялась на длине волны 0,63 мкм при помощи He-Ne лазерного источника и фотоприемника с динамическим диапазоном 1000. Для видимого диапазона измерения производились на микрофотометре. Получаемое отступление по оптической плотности ΔD ± 0,4, что соответствует допустимой теоретической погрешности. Внедрение оптически более плотного стекла в прозрачную подложку осуществлялось при температуре 680^оС прессующим инструментом с профилями рабочих поверхностей, рассчитанными, исходя из условия эквидистантного расположения их и граничной поверхности, которая в свою очередь рассчитывалась, исходя из заданного распределения функции пропускания τ((r). После охлаждения образец обрабатывали, как и в предыдущем случае.

Проведенные эксперименты показали, что использование такого амплитудного фильтра в объективе увеличивает его рабочий динамический диапазон в ≈ 10000 раз без ухудшения частотно-контрастной характеристики.

Прототип позволяет получать оптические фильтры амплитудные диафрагмы. Однако этим способом нельзя получать амплитудные фильтры для объективов со строго заданной функцией пропускания из-за того, что в нем не учитывается ряд факторов, приводящих к отступлению от требуемого профиля.

Из вышесказанного следует, что изобретение имеет преимущества перед прототипом. Предложенный способ, в отличие от прототипа, позволяет изготавливать не только амплитудные аподизирующие диафрагмы, но и также оптические детали различного назначения: оптические детали с фазовым рельефом, позволяющие компенсировать аберрации оптических систем, формирователи заданного профиля распределения интенсивности на объекте, фазовые аподизирующие диафрагмы, а также амплитудные фильтры с плавным изменением пропускания для различных целей.

Предлагаемый способ, как и прототип, прост, имеет высокую повторяемость результатов, не требует специального сложного дорогостоящего оборудования для изготовления при его помощи деталей, не требует промежуточных этапов контроля изготовления асферических поверхностей.

Заявляемый способ имеет широкие возможности для организации серийного производства, не требует особых материалов, особого оборудования, легко позволяет перейти на автоматизированные линии изготовления.

Устройства, полученные по этому способу, могут работать в различных спектральных диапазонах, что обуславливается возможностью использования в способе стекол, имеющих разнообразные спектральные характеристики. Они могут использоваться в мощных лазерных установках для технологических целей. Эффективность преобразования с их помощью излучения близка к 100% Кроме того, по сравнению с известными способами получения асферических корректоров и способами построения оптических систем с малыми остаточными аберрациями, предлагаемый способ гораздо проще, дешевле, технологичнее, позволяет создавать компактные, неразъюстируемые оптические системы с малым числом компонентов, не требует сложных устройств контроля. При его помощи можно остаточные аберрации сводить к нулю, производя тонкую коррекцию аберрации высших порядков.

Устройства, полученные по этому способу, компактны, просты в использовании, неразъюстируемы в процессе эксплуатации, имеют минимальные массогабаритные характеристики, что делает их перспективными для использования в компактных оптических устройствах, требующихся в самых различных сферах народного хозяйства: от систем для космических устройств до бытовых теле-, фотосистем.

Таким образом из вышеизложенного следует, что применение такого способа в народном хозяйстве перспективно в экономическом и научном плане.

Использование: оптическое приборостроение, в частности в оптике и лазерной технике, может применяться в оптико-механической промышленности для изготовления объективов с малыми аберрациями и большим динамическим диапазоном освещенностей, для изготовления формирователей заданного распределения интенсивности на поверхности объекта. Сущность изобретения: заданное изменение толщин слоев стекол вдоль радиального направления получают путем горячего формообразования. В сочетании с использованием стекол с различными характеристиками - показателями преломления или оптическими плотностями - это создает изменение оптических свойств по апертуре детали: изменяющуюся оптическую толщину или изменяющееся пропускание. Стекла согласованы по коэффициентам термического расширения. Заданное изменение толщин получают путем прессования прессующими инструментами, рассчитанными при использовании принципа эквидистантности и заданной конфигурации граничной поверхности составляющих стекол, на глубину, учитывающую утоньшение прессовки при горячем формировании. Заготовку после охлаждения обрабатывают до получения плоскопараллельной пластины или до получения линзы заданного радиуса. 5 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПО АПЕРТУРЕ, в котором изготавливают полированные пластины из стекол различного химического состава, согласованных по коэффициентам термического расширения, спекают их в монолитный блок, прессуют блок криволинейными поверхностями при температуре размягчения стекол и производят последующую холодную обработку спрессованного блока, отличающийся тем, что спекают стекла с различными показателями преломления n₁ и n₂, прессуют на глубину
t_пр (1 K)t_заг + h_max,
где K коэффициент утоньшения заготовки в процессе прессования;
t_заг толщина заготовки из стекол;
h_max требуемая максимальная величина деформации граничной поверхности,
при этом поверхности прессующих инструментов матрицы и пуансона рассчитывают, исходя из условия эквидистантного расположения их и граничной поверхности спеченных слоев. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после спекания стекол в монолитный блок его прессуют прессующими инструментами, криволинейная область которых является периферийной и имеет размер r₀ r₁, а центральная часть выполнена плоской размером r₁, где r₀ радиальный размер детали, при этом r₁ выбирают из условия (1 r₁/r₀) 0,1 0,50, а n₁ n₂ и h_max-(n₁-n₂)h_max= (1-50)λ где λ длина волны рабочего излучения, а последующую холодную обработку производят до образования плоскопараллельной пластины. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно рассчитывают асферическую граничную поверхность спеченных в монолитный блок прозрачных стекол и h_max, исходя из условия равенства оптических путей через преломляющие поверхности, при этом n₁ n₂выбирают из условия максимальной компенсации аберраций оптической системы. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одну поверхность спрессованного блока обрабатывают до получения сферической поверхности заданного радиуса. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прессуют блок из прозрачных стекол инструментами, рабочая поверхность которых является конической, цилиндрической или комбинацией одного или нескольких видов таких поверхностей в зависимости от требуемого распределения интенсивности излучения. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что одну из полированных пластин изготавливают из поглощающего стекла, оптическую плотность которого и величину h_max выбирают по заданному минимальному пропусканию в центре детали, а n₁ n₂ из условия внесения минимальных аберраций в оптическую систему, при этом граничную поверхность рассчитывают, исходя из заданного профиля пропускания.