Линза Советский патент 1986 года по МПК G02B3/02 

I Изобретение относится к устройству оптических линз и может быть использовано при работе в области пониженных температур, в частности в условиях космоса. Известны линзы из неоднородного прозрачного материала, фокусирующее действие которых обусловлено рефракцией света из-за переменного по ради усу линзы показателя преломления материала. Недостатком таких линз, изготовленных методом ионного обмена 1яли парафазным осаждением, является недостаточно большой перепад показателей преломления между максимумом (в центре) и минимумом (на периферии) д п 0,01. При увеличении л п в линзе возникают недопустимо большие тер моупругие напряжения, которые приводят к разрушению линзы. Наиболее близкой к изобретению яв ляется линза в виде прямого кругового цилиндра, вьтолненная из неоднородного по составу стекла, показатель преломления которого осесимметрично уменьшается от оси к наружной поверхности. Недостатком линзы является иаличие на ее поверхности термоупругого напряжения растяжения. Это связано с тем, что при легировании с поверхности в процессе ионного обмена иона ми более легких металлов, чем содержащиеся в исходной заготовке, материал линзы имеет коэффициент теплового расширения, увеличивающийся от оси к поверхности. Наличие растяжения на наружной поверхности приводит к разрушению линзы с ,01 при эксплуатации в области пониженных температур (в диапазоне от -150 до -100°С), в котором работает оборудование космических аппаратов. Целью изобретения является увеличеиие срока службы линзы при работе в условиях отрицательных температур путем ограничения в ней остаточных термоупругих напряжений. Указанная цель достигается тем, что в линзе в виде прямого кругового цилиндра, вьтолненной из неоднородного по составу стекла, показатель преломления которого осесимметрично уменьшается от оси к наружной поверхности, линза выполнена из материала, коэффициент теплового 332 расширения которого удовлетворяет условиям 0 5 ;(О Ь3.10: ГЕад:1 2) где вг„ - значения коэффициента теплового расширения на поверхности;значение максимального коэффициента теплового расширения;усредненный по сечению линзы коэффициент теплового расширения. На фиг.1 представлено распределение по сечению линзы концентраций компонент стекла в рассмотренном примере реализации; на фиг.2-9 - другие возможные распределения концентраций компонент по сечению линз. Сущность изобретения заключается в том, что выбор состава стекла и изменение этого состава в теле линзы определяется тем, чтобы обеспечивалось требуемое распределение показателя преломления по сечению линзы при определенном ограничении перепада коэффициента температурного расширения стекла по объему линзы, исходя из условий обеспечения требуемой долговечности линзы при ее эксплуатации в области пониженных температур, где термоупругие напряжения достигают максимума (несколько десятков кг/мм) . Такое ограничение перепада коэффициента теплового расширения по сечению при одновременном создании требуемого перепада показателя преломления (лп 0,001) достигается путем введения в состав стекла компонент из ряда: окислы или соли кремния, германия, алюминия, фосфора, бора, титана и др., а также фтор, азот и др., причем одновременно изменяются концентрации по крайней мере двух компонент из указанного ряда. Суммарная концентрация всех компонент выбрана такой, что, во-первых, на наружной поверхности линзы Гкоторая в основном подвержена разрушению из-за наличия на ней дефектов в виде трещин, царапин и т.д.) существует не растяжение, как в линзе-прототипе, а сжатие. Это гарантировано неравенством (l). Вовторых, величина перепада коэффици3ента теплового расширения по сечению линзы ограничена условием (2), обеспечивающим долговечность линзы не менее, чем 50 лет при эксплуатации в области пониженных температур от -150 до . Окислы фосфора, германия, титана, азот и др. вызывают увеличение показателя преломления при их введении в состав стекол на основе дву окиси кремния. Понижение показателя преломления в радиальном направлении от оси линзы достигается либо снижением в этом направлении концеи рации компонент, увеличивающих пока затель преломления, например германия, либо увеличением в этом направ лении концентрации компонент, снижа щих показатель преломления, например, фтора либо тем и другим одновременно . Преимуществом линзы перед прототипом - линзой из неоднородног стекла, изготовленной ионным обменом - является большая долговечност и меньшая стоимость. Так длительность процесса ионного обмена при и готовлении линзы-прототипа составляет 120-180 ч при л. 500 С Данная линза изготовляется за несколько ча сов . Пример. Линза в виде прямог кругового цилиндра с диаметром 7 мм и длиной 25 мм выполненна из неодно родного стекла, показатель преломления которого осесимметрично умень шается от оси (фокусирующая линза, так что перепад показателя преломления составляет 0,03.-Фокусное расстояние линзы F 10 мм, Стекло линзы содержит следунхцие компоненты: двуокись кремния, двуокись германия двуокись титана, трехокись бора. Показатель преломления на оси п и на поверхности линзы п составляет 1,471 и 1,441 соответственно. КТР на оси «;,, и на поверхности линзы itfl составляет 57- 10 и град , среднее значение КТР ot 4410 град , что удовлетворяет условиям (l) и (2). На поверхности линзы существует термоупругое сжатие в 2 кг/мм. Долговечность линзы проверена динамическим и циклическими испытаниями на симметричный изгиб при температурах сухого льда (). Пе33ресчет результатов испытаний на рбласть от -150 до -100 С позволяет утверждать, что с погрешностью 20% указанная линза не разрушится в течение Э лет при эксплуатации в обобласти 1 гмператур от -150 до -100 С. Линза изготовлена методом осаждения слоев стекла с плавно изменяюЩИМся составом на торец вращающейся и перемещающейся оправки. Стекло формируется в результате высокотемпературной (1500 - ) реакции окисления хлоридов компонент (в данном случае в пламя кислородно-водородной горелки вводятся хлориды кремния, титана, германия ,и бора, а так же кислород), Распределение показателя преломления по сечению достигается соответствующим распределением по сечению потоков хлоридов. Изготовленная пористая заготовка затем помещается на несколько часов в печь при 700 С для остекловьшания (заплывания пор) и получения монолит-г ного цилиндрического стеклянного стержня, из которого вырезают ртрезок - заготовку линзы. Плоские торцы отрезают, затем шлифуют и полируют. Указанный стержень можно перетянуть в стержень меньшего диаметра путем нагрева под растягивающей нагрузкой. Это позволяет сформировать из исходного стержня линзы практически любого меньшего диаметра. В качестве базового объекта при оценке.экономической эффективнооти выбраны наиболее распространенньте сейчас линзы из одного стекла. Технология их изготовления включает такие долгие, трудоемкие и энергоемкие операции как варка оптическо- . го стекла, его отжиг, полировка и шлифовка- поверхностей линзы требуемой формы. На изготовление линзы требуется от нескольких дней до месяца. Линза согласно изобретению выполняется путем парофазового осаждения слоев стекла на вращающуюся и постепенно перемещающуюся затравку. Эта технология используется в производстве заготовок для волоконных световодов. Для изготовения линзы согласно изобретению требуется несколько часов.

ЛИНЗА в виде прямого кругового цилиндра, выполненная из неоднородного по составу стекла, показатель преломления которого осесимметрично уменьшается от оси к наружной поверхности, отличаюШ а я с я тем, что, с целью увеличения срока службы линзы при работе в условиях отрицательных температур путем ограниченияв ней остаточных термоупругих напряжений, линза вьшолнена из материала, коэффициент теплового расширения которого удовлетворяет условиям oi ii2l 1. л. I -ь и ei где oi - значение коэффициента теплового расширения на поверхности линзы; oi., - значение максимального коэф(Л фициента теплового расширения линзы; 06 - усредненный по сечению линзы коэффициент теплЬвого расширения. 00 со со

«а

60

20

-/

ПО,

О Фиг.З

1 г/а

-/

f ria