МАСТЕР-МАТРИЦА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОПИЙ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2020 года по МПК G02B5/18 B29D11/00 

Изобретение относится к технологической оснастке, применяемой при формировании штриховых структур на оптических поверхностях со сложной геометрической формой, а именно, к разработке конструкции мастер-матрицы для изготовления копий дифракционных оптических элементов, и может быть использовано в оптико-электронном приборостроении при массовом изготовлении выпуклых и вогнутых дифракционных решеток с асферическими поверхностями.

Наиболее трудоемким этапом при изготовлении технологической оснастки для копирования дифракционных оптических элементов является этап изготовления уникальных прецизионных мастер-матриц с асферической поверхностью на сферической заготовке, которые очень сложно производить в большом количестве при осуществлении массового выпуска выпуклых и вогнутых дифракционных оптических элементов с асферическими рабочими поверхностями.

Известен прецизионный дифракционный оптический элемент-матрица, используемый в способе изготовления копий дифракционных оптических элементов, содержащий полированную подложку, имеющую асферическую поверхность, на которой сформирована штриховая структура [RU 2030770 В2. МПК G02B 5/18. Дата публикации - 10.03.1995 г.].

Прототипом является прецизионная мастер-матрица (эталон), содержащая полированную подложку, имеющую асферическую поверхность [Справочник технолога-оптика / Под. ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. С. 333, рис. 7.1, г, С. 335-336]. Данная мастер-матрица, в случае формирования штриховой структуры на тонком металлическом слое на асферической поверхности, может быть использована для изготовления копий дифракционных оптических элементов.

Подложка, имеющая асферическую поверхность, изготавливается с высоким уровнем точности. Наиболее распространенными являются методы формообразования асферических поверхностей путем их шлифовки и полировки [В.К. Кирилловский, Е.В. Гаврилов. Оптические измерения. Часть 7. Инновационные методы контроля при изготовлении прецизионных асферических поверхностей. СПб ГУ ИТМО. 2009.- С. 6-8].

Основным недостатком аналога и прототипа является технологическая сложность и высокая трудоемкость изготовления мастер-матрицы из-за необходимости тонкого шлифования, полирования, прецизионной ручной доводки (ретуши) эталонной асферической поверхности и нарезания на ней штриховой структуры.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструкции мастер-матрицы, позволяющей упростить технологию и снизить трудоемкость ее изготовления за счет исключения операции асферизации сферической подложки мастер-матрицы, включающей тонкое шлифование, полирование и прецизионную доводку асферической поверхности и операции по нарезанию на ней штриховой структуры.

Техническая задача решается тем, что мастер-матрица для изготовления копий дифракционных оптических элементов, содержащая подложку с выполненной на ней асферической поверхностью, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит внутренний и внешний асферические слои из отвержденной полимерной композиции, при этом подложка выполнена со шлифованной сферической поверхностью, отвержденная полимерная композиция внутреннего асферического слоя, расположенного между подложкой и внешним асферическим слоем, содержит наполнитель в виде порошка с размером частиц не более 10 мкм из той же предварительно отвержденной полимерной композиции, а штриховая структура с тонким металлическим слоем сформирована на внешнем асферическом слое.

На фиг. 1 изображена предлагаемая мастер-матрица для изготовления копий дифракционных оптических элементов.

Мастер-матрица содержит подложку 1, имеющую шлифованную сферическую поверхность 2, на которую дополнительно нанесен внутренний асферический слой 3 отвержденной полимерной композиции с наполнителем 4 и внешний асферический слой 5 отвержденной полимерной композиции без наполнителя, на поверхности которой сформированы штрихи 6 с тонким металлическим слоем 7.

При нанесении внешнего асферического слоя 5 на внутренний асферический слой 3 одновременно формируются штрихи 6 с тонким металлическим слоем 7.

Для этого предварительно на эталонную дифракционную решетку, с которой копируется профиль штрихов мастер-матрицы, напылением в вакууме наносится разделительный слой, а затем на него наносится тонкий металлический слой 7, который затем будет перенесен на рабочую поверхность мастер-матрицы со штрихами 6.

Штрихи 6 мастер-матрицы формируются в процессе копирования эталонной дифракционной решетки на внешний асферический слой 5. При отверждении полимерной композиции внешнего асферического слоя 5 и разъеме эталонной дифракционной решетки по разделительному слою от мастер-матрицы, тонкий металлический слой 7 остается на рабочей поверхности сформированных штрихов 6 мастер-матрицы.

В качестве наполнителя 4 использован порошок с размером частиц не более 10 мкм из той же предварительно отвержденной полимерной композиции.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1

Подложка 1 предлагаемой мастер-матрицы представляет собой выпуклую сферическую шлифованную подложку с размерами 70×60×15 мм с радиусом кривизны рабочей поверхности 500 мм, выполненную из оптического стекла марки К8.

На сферическую шлифованную рабочую поверхность 2 подложки 1 мастер-матрицы нанесен методом копирования внутренний асферический слой 3 толщиной 300-400 мкм, представляющий собой отвержденную полимерную композицию на основе пропиленгликольмалеинатфталата с наполнителем 4.

Внутренний асферический слой 3 из отвержденной полимерной композиции с наполнителем 4 позволяет использовать в качестве подложки мастер-матрицы подложку 1, шлифованную до сферической поверхности 2, и, тем самым, исключить этап тонкого шлифования, полирования и прецизионной доводки мастер-матрицы для получения асферической поверхности. В качестве наполнителя 4 использован порошок с размером частиц не более 10 мкм из материала внутреннего асферического слоя 3 (из предварительно отвержденной полимерной композиции на основе пропиленгликольмалеинатфталата в количестве 60% от объема отверждаемой полимерной композиции).

Наличие наполнителя 4 во внутреннем асферическом слое 3 мастер-матрицы позволяет снизить степень линейной усадки полимерной композиции до 4%, что, в свою очередь, позволяет выполнить однократное нанесение на сферическую шлифованную рабочую поверхность 2 внутреннего асферического слоя 3 и, тем самым, снизить трудоемкость изготовления мастер-матрицы за счет снижения в 3-5 раз времени формирования внутреннего асферического слоя 3.

На поверхность внутреннего асферического слоя 3 мастер-матрицы нанесен методом копирования внешний асферический слой 5 толщиной 50 мкм, представляющий собой отвержденную полимерную композицию на основе пропиленгликольмалеинатфталата без наполнителя.

Внешний асферический слой 5 без наполнителя необходим для обеспечения точности повторения рельефа копируемой поверхности.

Отсутствие наполнителя 4 во внешнем асферическом слое 5, кроме обеспечения точности повторения рельефа копируемой поверхности, позволяет исключить искажения геометрии рельефа, приводящие к увеличению светорассеяния.

Одновременно с нанесением внешнего асферического слоя 5 на его поверхности копированием с эталонной дифракционной решетки формируются штрихи 6 с тонким металлическим слоем 7 с частотой 1200 штр/мм, с шагом штриха 0,83 мкм и глубиной порядка 0,3 мкм.

Тонкий металлический слой 7 из алюминия толщиной 0,6 мкм повышает износоустойчивость рабочей поверхности мастер-матрицы со штрихами 6.

Изготовление предлагаемой мастер-матрицы производится без трудоемких операций тонкого шлифования, полирования и прецизионной ручной доводки (ретуши) асферической поверхности, при этом изготовление шлифованной сферической подложки 1 мастер-матрицы осуществляется на оптическом станке с ЧПУ, а также без использования делительной машины для формирования штрихов 6.

Подготовительный этап ее изготовления включает в себя обработку подложки грубой фрезой, последующее шлифование подложки для получения сферической поверхности (время операции - приблизительно 3 часа) и напыление в вакууме тонкого металлического слоя 7 на эталонную дифракционную решетку, с которой копируется профиль штрихов мастер-матрицы (время операции - приблизительно 8 часов).

Окончательный этап изготовления мастер-матрицы включает в себя однократное нанесение на подложку 1 мастер-матрицы методом копирования внутреннего асферического слоя 3 и внешнего асферического слоя 5 с формированием штрихов 6 на его поверхности (время операции - приблизительно 5 часов).

Таким образом, общее время изготовления мастер-матрицы составляет приблизительно 16 часов.

По окончании процесса изготовления мастер-матрицы контролируют параметры ее оптической поверхности на соответствие техническим требованиям (теневая картина и коэффициент отражения).

Мастер-матрица, изготовленная для осуществления массового выпуска копий вогнутой дифракционной решетки с компенсированными аберрациями на тороидальной поверхности с размерами 70×60×15 мм с радиусами кривизны рабочей поверхности в меридиальной и в сагиттальной плоскостях, равными 500 мм и 334 мм, соответственно, зеркально повторяет рельеф копируемой поверхности эталонной дифракционной решетки и соответствует техническим требованиям (теневая картина и коэффициент отражения).

Износоустойчивость рабочей поверхности мастер-матрицы с тонким металлическим слоем 7, сопоставима с износоустойчивостью асферической поверхности подложки из оптического стекла известной мастер-матрицы (прототипа).

Количество копий оптических поверхностей, получаемых при помощи предлагаемой мастер-матрицы и известной мастер-матрицы (прототипа), также сопоставимо и составляет приблизительно 20 единиц.

Были проведены климатические и вибрационные испытания образцов предлагаемой мастер-матрицы, которые показали, что она выдерживает воздействие повышенной влажности и вибраций, а также воздействие перепадов температуры при эксплуатации в диапазоне от -70°С до +90°С.

Пример 2 (прототип)

Подложка данной мастер-матрицы представляет собой полированную подложку, выполненную из оптического стекла марки К8, имеющую заданную асферическую поверхность, с размерами 70×60×15 мм с радиусом кривизны рабочей поверхности в меридиальной и в сагиттальной плоскостях равными 500 мм и 334 мм, соответственно.

На асферической поверхности полированной подложки сформирована штриховая структура с частотой 1200 штр/мм, с шагом штриха 0,83 мкм и глубиной порядка 0,3 мкм.

Изготовление мастер-матрицы производится с использованием трудоемких операций тонкого шлифования, полирования на оптическом станке с ЧПУ и прецизионной ручной доводки (ретуши) асферической поверхности.

Подготовительный этап ее изготовления включает следующие процессы обработки поверхности подложки мастер-матрицы:

- обработка подложки грубой фрезой и последующее шлифование для получения сферической поверхности (время операции - приблизительно 3 часа);

- тонкое шлифование подложки для получения асферической поверхности (время операции - приблизительно 8 часов);

- полирование асферической поверхности подложки (время операции - приблизительно 24 часа);

- прецизионная доводка асферической поверхности (время операции - приблизительно 12 часов).

Окончательный этап изготовления мастер-матрицы включает следующие процессы обработки асферической поверхности:

- напыление в вакууме путем термического испарения на асферическую поверхность тонкого металлического слоя из алюминия толщиной 0,6 мкм с использованием вакуумной установки (время операции - приблизительно 8 часов);

- нарезание штрихов на тонком металлическом слое (время операции -приблизительно 168 часов).

Общая трудоемкость изготовления мастер-матрицы, выбранной в качестве прототипа, составляет приблизительно 223 часа.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения, благодаря тому, что мастер-матрица содержит внутренний слой отвержденной полимерной композиции с наполнителем и внешний слой без наполнителя, на котором сформирована штриховая структура с тонким металлическим слоем, позволяет упростить технологию и снизить трудоемкость ее изготовления приблизительно в 13-14 раз за счет исключения операций тонкого шлифования подложки для получения асферической поверхности, полирования этой поверхности и ее прецизионной доводки, а также операции по нарезанию штрихов на асферической поверхности.

Изобретение относится к технологической оснастке, применяемой при формировании штриховых структур на оптических поверхностях со сложной геометрической формой, и может быть использовано при массовом изготовлении выпуклых и вогнутых дифракционных решеток с асферическими поверхностями. Мастер-матрица содержит подложку с рабочей асферической поверхностью, на которой сформирована штриховая структура с тонким металлическим слоем. Мастер-матрица дополнительно содержит внутренний и внешний асферические слои из отвержденной полимерной композиции. Подложка выполнена со шлифованной сферической поверхностью, отвержденная полимерная композиция внутреннего асферического слоя, расположенного между подложкой и внешним асферическим слоем, содержит наполнитель в виде порошка с размером частиц не более 10 мкм из той же предварительно отвержденной полимерной композиции, а штриховая структура с тонким металлическим слоем сформирована на внешнем асферическом слое. Технический результат - упрощение технологии и снижение трудоемкости изготовления мастер-матрицы. 1 ил.

Мастер-матрица для изготовления копий дифракционных оптических элементов, содержащая подложку с выполненной на ней асферической поверхностью, на которой сформирована штриховая структура с тонким металлическим слоем, отличающаяся тем, что дополнительно содержит внутренний и внешний асферические слои из отвержденной полимерной композиции, при этом подложка выполнена со шлифованной сферической поверхностью, отвержденная полимерная композиция внутреннего асферического слоя, расположенного между подложкой и внешним асферическим слоем, содержит наполнитель в виде порошка с размером частиц не более 10 мкм из той же предварительно отвержденной полимерной композиции, а штриховая структура с тонким металлическим слоем сформирована на внешнем асферическом слое.