СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АСФЕРИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ ИЗ ЛЕЙКОСАПФИРА Российский патент 2016 года по МПК G02B1/02 G02B1/08 

Изобретение относится к технологии получения линз оптических систем современных оптических, оптоэлектронных и лазерных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК-областях спектров, и может быть использовано для получения линз из лейкосапфира для немонохроматических пучков лучей, обладающих минимальной частотной дисперсией двулучепреломления.

В настоящее время объективы, в которых применяются кристаллические детали, все шире используются при разных длинах волн излучения или в широком диапазоне прозрачности излучения с сохранением необходимых характеристик. Однако для элементов сложной формы из лейкосапфира основным ограничением применения является двойное лучепреломление. Асферическая линза из лейкосапфира за счет изменения условий преломления падающего пучка лучей позволяет уменьшить угол между необыкновенным лучом и оптической осью кристалла в заданном диапазоне длин волн и рабочей апертуре детали, т.е. снизить двулучепреломление и расширить «мультиспектральность» элемента.

Известен способ получения оптических линз путем пластической деформации изгиба пластинок из Z-среза кристаллов Al₂O₃ полусферическим пуансоном или пуансоном в виде сферического сегмента и ориентации оси симметрии заготовки по оптической оси линзы при последующих технологических операциях (патент РФ №2285757, опубл. 20.10.2006 по индексу МПК С30В 33/00). Указанным способом получить линзу из лейкосапфира с минимальной частотной дисперсией двулучепреломления невозможно, т.к. способ не позволяет учесть частотную дисперсию показателей преломления лейкосапфира.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения оптических линз из монокристаллов, включающий изготовление вогнуто-выпуклой заготовки путем пластической деформации изгиба пластинок из Z-среза кристаллов Аl₂О₃, совмещение оптической оси линзы и оси симметрии заготовки, формирование асферической входящей поверхности линзы, которая обеспечивает после преломления прохождение обыкновенного и необыкновенного лучей вдоль оптической оси кристалла в данной точке поверхности при падении параллельного пучка лучей по оси симметрии детали (см. патент РФ №2313809, опубл. 27.12.2007 по индексам МПК G02B 1/02, B29D 11/29).

Данным способом получают вогнуто-выпуклую линзу для монохроматического света (параллельного пучка лучей, направленных по оси симметрии) без двулучепреломления, прозрачную в области 25000-2000 см^-1. Однако указанный способ не позволяет получать линзу с минимальной частотной дисперсией двулучепреломления для широкого диапазона длин волн излучения для немонохроматического света.

Задачей предлагаемого технического решения является получение линзы из лейкосапфира с минимальной частотной дисперсией двулучепреломления в диапазоне прозрачности материала для немонохроматического пучка света, направленного по оси симметрии детали.

Технический результат достигается за счет формирования асферической поверхности линзы, обеспечивающей наименьший угол между необыкновенными лучами и направлением оптической оси кристалла по апертуре линзы, используя уравнение осевого сечения асферической поверхности соответствующего вида.

Таким образом, задача изобретения достигается способом получения асферической линзы из лейкосапфира, включающим изготовление вогнуто-выпуклой заготовки путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов лейкосапфира пуансоном в виде сферического сегмента, далее входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую поверхность, а оптическую ось линзы совмещают с осью симметрии заготовки, в котором, в отличие от прототипа, формируют асферическую поверхность линзы, обеспечивая наименьший угол между необыкновенными лучами и направлением оптической оси кристалла по апертуре линзы, используя уравнение осевого сечения асферической поверхности:

где x₁=x/R - координата, совпадающая с осью симметрии детали, y₁(x₁)=y/R - координата, перпендикулярная оси x₁;

R - радиус выпуклой входящей поверхности заготовки линзы;

n₁, n₂ - показатели преломления обыкновенных лучей при λ₁ и λ₂;

λ₁ - коротковолновая граница длины волны излучения;

λ₂ - длинноволновая граница длины волны излучения.

Соответственно, вогнутая поверхность линзы - это полусфера с радиусом r=R-h, где h толщина заготовки.

Асферическая линза из лейкосапфира, обладающая минимальной частотной дисперсией двулучепреломления, изготовлена по вышеописанному способу.

Получение новой конструкции асферической линзы из лейкосапфира указанным способом позволяет обеспечить уникальные свойства кристаллической оптической линзы, в которой падающий параллельный пучок неполяризованных лучей, направленный по оси симметрии линзы, после преломления на входящей поверхности линзы образует необыкновенный луч, который распространяется под углом р к направлению оптической оси кристалла для данной точки поверхности. При изменении длины волны излучения изменяется угол преломления луча в заданной точке поверхности и соответственно изменяется угол р. Однако форма входящей поверхности линзы сформирована таким образом, что минимизирует изменение угла р в широком диапазоне длин волн излучения по всей апертуре линзы. Минимизация угла р, обуславливающего двулучепреломление в линзе из лейкосапфира, обеспечивается тем, что при малых длинах волн излучения (λ₁) угол падения лучей подобран так, что необыкновенный луч отклоняется от оптической оси кристалла по часовой стрелке (угол р положительный), при больших длинах волн отклонения необыкновенного луча против часовой стрелки получаем отрицательный угол р. Чем меньше диапазон изменения длин волн излучения, тем меньше угол отклонения необыкновенного луча от оптической оси кристалла, и соответственно, двойное лучепреломление асферической линзы из лейкосапфира для немонохроматического света.

На чертеже представлена схема части асферической линзы с минимальной частотной дисперсией двулучепреломления в плоскости, проходящей через ось симметрии детали линзы, здесь показано преломление луча, падающего параллельно оси симметрии детали на входящую поверхность линзы, где: 1 - асферическая линза; Z - оптическая ось кристалла; 2 - входящая выпуклая поверхность линзы; 3 - выходящая вогнутая поверхность линзы; 4 - падающий луч на входящую поверхность 2; 5 и 6 - необыкновенные лучи. Углы p₁ и р₂ образованы между необыкновенными лучами 5 и 6 и оптической осью кристалла Z, соответственно после преломления в данной точке входящей поверхности 2 линзы.

Конкретный пример получения асферической линзы с минимальной частотной дисперсией двулучепреломления для немонохроматического света, т.е. диапазона длин волн от λ₁=0,535 мкм до λ₂=4,206 мкм. Из кристалла лейкосапфира изготавливают диск из Z-среза, который подвергают пластической деформации изгиба и получают полусферическую заготовку линзы с радиусом выпуклой входящей поверхности R=38 мм. Далее заготовку толщиной h=6,0 мм обрабатывают путем удаления избыточного материала методом шлифовки и полировки до получения входящей асферической поверхности, соответствующей в сечении уравнению:

где х(мм) - координата, совпадающая с осью симметрии детали, у(мм) - координата, перпендикулярная х, а вторую вогнутую поверхность линзы формируют как полусферическую с радиусом 32 мм.

Полученная асферическая линза является линзой с минимальной частотной дисперсией двулучепреломления для диапазона длин волн излучения от λ₁=0,535 мкм до λ₂=4,206 мкм, т.е. для видимой и ИК-области спектра.

При падении немонохроматического пучка лучей по оси симметрии линзы после преломления на входящей поверхности линзы необыкновенный луч образует минимальный угол р для разных длин волн излучения, что обуславливает минимум двойного лучепреломления по апертуре линзы.

Линзы, полученные по разработанному способу, являются уникальными оптическими элементами для оптических систем современных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК-областях спектра.

Изобретение может быть использовано при изготовлении асферических линз, применяемых в оптических системах, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК-областях спектра. Способ включает изготовление заготовки в форме полусферы или полусферического сегмента путем пластической деформации плоскопараллельной пластинки из Z-среза кристалла, формирование асферической входящей поверхности линзы путем удаления с заготовки материала согласно уравнению осевого сечения поверхности следующего вида:

где x₁=x/R - координата, совпадающая с осью симметрии детали и осью вращения, y₁(x₁)=y/R - координата, перпендикулярная x₁, R - радиус входящей поверхности заготовки линзы, n₁, n₂ - показатели преломления обыкновенных лучей при коротковолновой и длинноволновой границах длины волны излучения, соответственно. Вогнутая поверхность линзы - полусфера с радиусом r=R-h, где h - толщина заготовки. Технический результат - получение минимальной частотной дисперсии двулучепреломления в диапазоне прозрачности материала для немонохроматического пучка света. 1 ил.

Способ получения асферической линзы из лейкосапфира, включающий изготовление вогнуто-выпуклой заготовки путем пластической деформации изгиба плоскопараллельной пластины из Z-среза кристаллов лейкосапфира пуансоном в виде сферического сегмента, далее входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую поверхность, оптическую ось линзы совмещают с осью симметрии заготовки, отличающийся тем, что заготовку изготавливают в форме полусферы или полусферического сегмента, а сформированная асферическая поверхность линзы обеспечивает наименьший угол между необыкновенными лучами и направлением оптической оси кристалла по апертуре линзы, причем уравнение осевого сечения асферической поверхности имеет следующий вид:

где x₁=x/R - координата, совпадающая с осью симметрии детали, y₁(x₁)=y/R - координата, перпендикулярная оси x₁, R - радиус входящей поверхности заготовки линзы, n₁ и n₂ - показатели преломления обыкновенных лучей при коротковолновой и длинноволновой границах длины волны излучения, соответственно, при этом вогнутая поверхность линзы представляет собой полусферу с радиусом r=R-h, где h толщина заготовки.