СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНЗ ИЗ ЛЕЙКОСАПФИРА Российский патент 2009 года по МПК G02B1/02 B29D11/00 

Изобретение относится к технологии линз для оптических систем современных оптоэлектронных и оптических приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК областях спектров, и может быть использовано при получении полусферических линз из лейкосапфира.

Известен способ получения оптических линз, включающий получение выпукло-вогнутых заготовок пластической деформацией изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов А1₂О₃ полусферическим пуансоном или пуансоном в виде сферического сегмента и ориентации оси симметрии заготовки по оптической оси линзы при последующих технологических операциях (см. патент РФ №2285757, опубликован 20.10.2006 по индексу МПК С30В 33/00). Указанный способ не позволяет получать полусферические линзы лейкосапфира без двойного лучепреломления.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения оптических линз из монокристаллов, в котором изготовление вогнуто-выпуклых заготовок осуществляют путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластин из Z-срезов кристаллов Аl₂О₃, которую осуществляют пуансоном в виде сферического сегмента. Затем входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую, имеющую уравнение осевого сечения при r и α - параметрах полярной системы координат, n-показатель преломления обыкновенного луча, R-радиус внешней поверхности пуансона, обеспечивающую после преломления прохождение лучей вдоль оптических осей, при этом оптическую ось линзы ориентируют по оси симметрии заготовки (см. патент РФ №2313809, опубликованный 10.09.2006 по индексу МПК G02B 1/2, B29D 11/00.

Данным способом получают изотропные асферические линзы для параллельного пучка света без двулучепреломления, прозрачные в области 25000-2000 см^-1. Однако указанный способ позволяет получать линзы с достаточно ограниченным рабочим апертурным углом из-за высоких потерь на отражение, связанных с большими значениями углов падения лучей на периферии линзы, и трудностью получения асферической поверхности заданного профиля при механической обработке лейкосапфира.

Задачей предлагаемого технического решения является получение полусферических линз из лейкосапфира для параллельного пучка света без двулучепреломления, прозрачных в области 25000-2000 см^-1.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения оптических линз из лейкосапфира, включающем изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов Аl₂O₃ с помощью пуансона с заданным профилем рабочей поверхности и последующее формирование заданной входящей поверхности линзы с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала, в отличие от прототипа пластическую деформацию изгиба осуществляют пуансоном, поверхность которого является поверхностью вращения с профилем, описываемым уравнением параболы: у^c=αx+b, где с=0,7369n+1,0110,
α ∈ [2/85; 4.26] b ∈ [-1.93;-0.55] в зависимости от n - показателя преломления, δ₀ - толщины линзы вдоль оси симметрии х и R - радиуса полусферической поверхности линзы. Далее входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как полусферическую, радиусом R до заданной толщины δ₀, обеспечивающей после преломления прохождение лучей вдоль оптических осей, при этом оптическую ось линзы ориентируют по оси симметрии заготовки. Причем δ₀ может изменяться от 0,05 до 0,6 R, что оптимально обеспечивает после преломления прохождение лучей вдоль оптических осей.

Сущность изобретения заключается в следующем: монокристаллы Аl₂О₃, т.е. лейкосапфир - кристаллическая среда, обладающая уникальным сочетанием оптических и термомеханических характеристик, является оптически одноосным кристаллом. Группа симметрии лейкосапфира содержит зеркально-поворотную ось шестого порядка - ось Z, что обусловливает осевую симметрию свойств монокристалла, в том числе оптических. Поэтому оптические свойства кристаллов лейкосапфира характеризуются двумя значениями показателя преломления, n_o и n_e, которым соответствуют две волновые поверхности показателя преломления (сфера и эллипсоид вращения в рамках правил Френеля для решения задач распространения света в анизотропных средах), симметричные относительно оси Z кристалла. Вдоль направления оптической оси свет распространяется, как в оптически изотропной среде, т.е. направления лучей и оптических нормалей электромагнитных волн совпадают. Во всех остальных направлениях распространение света зависит от двух значений показателя преломления и характеризуется тем, что между направлением луча и волновой нормалью образуется угол, характеризующий двойное лучепреломление кристалла. Единственное направление, при распространении вдоль которого луч света не разлагается на обыкновенный и необыкновенный, является оптической осью кристалла. Плоскопараллельная пластинка, перпендикулярная этой оси, называется пластинкой Z-среза.

Особенностью процесса неоднородной пластической деформации Z-дисков лейкосапфира является сохранение перпендикулярности к рабочей поверхности пуансона оси Z кристалла при формоизменении последнего, что позволило в случае прототипа получить прямой конус оптических осей.

Для получения полусферической линзы из лейкосапфира без двулучепреломления для параллельного пучка света, направленного по оптической оси линзы, недостаточно условий, изложенных в способе-прототипе, т.к. изменены требования к внешней поверхности линзы. При полусферической внешней поверхности и веерообразном расположении оптических осей не обеспечивается прохождение лучей после преломления вдоль оптических осей, а при несовпадении оси симметрии заготовки и оптической оси линзы возникает вредное двулучепреломление в линзе. Это ограничивает использование данного уникального оптического материала, обладающего широкой спектральной областью прозрачности и высокими значениями показателя преломления, для изготовления полусферических собирательных и рассеивающих линз.

Отмеченный недостаток устраняется с помощью изложенной новой совокупности признаков изобретения.

В результате пластической деформации пуансоном, поверхность которого в центральном сечении описывается предложенным уравнением параболы, происходит разворот оптических осей относительно оси симметрии на углы, соответствующие изменению углов падения параллельного пучка лучей, направленных вдоль последней с учетом заданных величины радиуса R и толщины линзы δ_о, причем толщину достаточно задать только в одной точке по оси х для получения единственного решения. Ось симметрии заготовки и оптическая ось линзы должны совпадать между собой для исключения возникновения угла рассогласования между лучом и оптической осью линзы, обусловливающим возникновение двулучепреломления. Параллельный пучок света, направленный по оси координат х и падающий на входящую полусферическую поверхность линзы из лейкосапфира, после преломления пройдет вдоль оптических осей без двойного лучепреломления, т.к. изменению угла падения при отклонении от центра соответствует заданный разворот оптических осей кристалла, обеспечивающий отсутствие угла рассогласования между лучом и оптической осью для каждой точки поверхности.

В качестве примера были получены полусферические линзы из лейкосапфира диаметром 50 и 80 мм для видимой и ИК областей спектра. Полученные линзы имели характеристики, которые сведены в таблицу.

Как видно из таблицы, при пластической деформации изгиба пуансоном, имеющим в центральном сечении форму параболы, и формировании полусферической входящей поверхности линзы радиусом R, после преломления обеспечивается прохождение лучей вдоль оптических осей кристалла. При этом ось симметрии заготовки и оптическая ось линзы должны совпадать между собой, обеспечивая отсутствие двулучепреломления в линзе для параллельного пучка лучей.

Для промежуточных значений длин волн излучения в окне прозрачности лейкосапфира коэффициенты уравнения параболы получают расчетным путем.

Таблица № опыта Длина волны λ (мкм) Радиус R (мм) и толщина δ₀(мм) Уравнение сечения пуансона Отклонение (град) оси симметрии заготовки от оптич. оси линзы Двулучепреломление 1 0,535 80,0 у^2,32=4,205×-0,549 0 Отсутствует     2,0       2 1,100 80,0 у^2,30=4,202×-0,547 0 Отсутствует     2,0       3 4,206 80,0 у^2,24=4,255х-0,545 0 Отсутствует     2,0       4 0,535 50,0 у^2,32=2,853×-1,928 0 Отсутствует     14,6       5 1,100 50,0 у^2,30=3,344×-1,569 0 Отсутствует     10,0       6 4,206 50,0 у^2,24=3,452×-1,643 0 Отсутствует     10,0       7 0,535 80,0 у^2,32=4,077х-0,734 0 Отсутствует     4,0       8 0,535 81,5 у^2,32=4,077х-0,734 0 Есть     4,0       9 0,535 78,0 у^2,32=4,077х-0,734 0 Есть     4,0       10 0,535 80,0 у^2,32=4,205×-0,549 5 Есть     2,0       11 1,100 80,0 у^2,30=4,202×-0,547 15 Есть     2,0       12 4,206 80,0 у^2,24=4,255х-0,545 15 Есть     2,0      

Способ включает изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов Аl₂O₃ пуансоном, поверхность которого является поверхностью вращения с профилем, описываемым уравнением параболы у^c=αх+b, где с=0,7369n+1,0110, α ∈ [2.85; 4.26] b ∈ [-1.93; -0.55] в зависимости от n - показателя преломления, δ₀ - толщины линзы вдоль оси симметрии и R - радиуса полусферической поверхности. Далее входящую поверхность линзы формируют удалением с заготовки слоя материала как полусферическую, радиусом R, до заданной толщины δ₀, обеспечивающей после преломления прохождение лучей вдоль оптических осей. Оптическую ось линзы ориентируют по оси симметрии заготовки. Технический результат - получение полусферических линз из лейкосапфира для параллельного пучка света без двулучепреломления, прозрачных в области 25000-2000 см^-1. 1 табл.

Способ получения оптических линз из монокристаллов, включающий изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов Аl₂O₃ пуансоном с заданным профилем рабочей поверхности и последующего формирования входящей поверхности линзы с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала, отличающийся тем, что пластическую деформацию изгиба осуществляют пуансоном, поверхность которого является поверхностью вращения с профилем, описываемым уравнением параболы у^c=αх+b, где с=0,7369n+1,0110, α ∈ [2,85; 4,26] b ∈ [-1,93; -0,55] в зависимости от n - показателя преломления, δ₀ - толщины линзы вдоль оси симметрии и R - радиуса полусферической поверхности, далее входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как полусферическую, радиусом R, до заданной толщины δ₀, обеспечивающей после преломления прохождение лучей вдоль оптических осей, при этом оптическую ось линзы ориентируют по оси симметрии заготовки.