Технология оптического приборостроения

Перемещая объектив 2 в тубусе, изображение перекрестия трубки можно поместить практически на любом расстоянии S от торца тубуса объектива. Величина S лежит в пределах от –5 см до –∞ и от +∞ до +5 см, что позволяет наблюдать автоколлимационные блики от поверхностей линз с радиусами любой величины. При этом изменяется увеличение βоб.

Для удобства определения децентрировки С на тубусе трубки нанесена шкала величины

к = m/4 βоб βм,

выраженной в микрометрах, для разных положений объектива 2 в тубусе. Определив по сетке трубки число делений N, занимаемых диаметром окружности биения автоколлимационного блика от поверхности линзы, определяют децентрировку по формуле

C= кN.

10.6.Соединение оптических деталей

10.6.1.Склеивание

Общими требованиями, которые предъявляются к неразъемному соединению оптических деталей, являются сохранение оптических свойств деталей, минимальные деформации поверхностей после соединения, обеспечение необходимой механической прочности, термо- и влагостойкости, химической стойкости. При выборе клеящего вещества и проведения техпроцесса склеивания необходимо учитывать, что затвердение клея, сопровождающееся усадкой, не вызывает деформации или искажения склеиваемых деталей в том случае, если затвердение протекает при постоянной или медленно изменяющейся температуре. Склеивание деталей без деформаций возможно проводить также и клеем, отвердевающим при комнатной температуре.

Техпроцессу склеивания линз предшествует их попарная комплектация по N и по толщинам с учетом толщины слоя клея. Толщину клея не контролируют, а обеспечивают в пределах 0,005–0,015 мм.

120

Комплектация линз снижает суммарную погрешность толщин склеиваемых линз и тем самым обеспечивает получение заданных значений фокусных отрезков и качества изображения.

Соединяемые поверхности попарно скомплектованных линз чистят, удаляют пыль и ворсинки, накладывают одну на другую, осматривают в проходящем свете и комплектами устанавливают на выставленную по горизонтали плоскость. Если применяемый клей требует нагрева деталей, то последние устанавливают парами на электроплиту или в термостат, а клей нагревают в пробирке, которую помещают в глицериновую ванну, нагретую до определенной температуры. Перед склеиванием положительную линзу снимают с отрицательной, на поверхность наносят каплю клея

инакладывают на нее положительную линзу. Затем линзы переносят на чистый черный бархат и деревянной рукояткой с пробковым наконечником накладывают на верхнюю линзу, которую при этом слегка вращают

иперемещают, удаляя пузырьки воздуха и избыток клея. Склеенные линзы устанавливают на прибор для проверки центрирования линз и перемещением положительной линзы по отрицательной добиваются совмещения их оптических осей (предварительное центрирование). После этого детали устанавливают на электроплиту, где выдерживают 10–15 мин при темпера-

туре 80–90 С, и повторно просматривают на приборе, устраняя децентрировку линз (окончательное центрирование). Излишки клея с цилиндрической поверхности склеенных линз удаляют лезвием и протирают салфеткой, смоченной органическим растворителем.

Центрированные линзы помещают в термостат для полимеризации (затвердевания) клея, где их выдерживают в течение 8–10 ч при темпера-

туре 50–55 С.

Трехлинзовые сборки склеивают в два приема. Вначале склеивают две линзы, а после полной полимеризации клея и подготовки склеиваемых поверхностей приклеивают третью линзу.

Расклеить линзы до наступления полной полимеризации клея можно путем их нагрева до 100–140 С. После полной полимеризации клея линзы расклеивают нагревом в глицериновой ванне при температуре 230–240 С в течение нескольких часов. Однако такое разъединение связано с риском порчи деталей, особенно сделанных из флинтовых стекол. Механическую расклейку ножом из мягкой стали применяют для линз из прочного стекла и с тупыми фасками, но при этом на отрицательных линзах могут образоваться выколки. Применяется также термический способ разъединения, при котором склеенные линзы быстро охлаждают, помещая их в жидкий азот. В результате разницы ТКЛР происходит разъединение деталей. Такое связано с риском порчи деталей.

Имеются клеи, которыми склеивают оптические детали непосредственно при комнатной температуре, но после этого для ускорения полиме-

ризации предварительно отцентрированные линзы нагревают до 70−90 С

121

ивыдерживают в течение 10–15 мин. Во время полимеризации производят контроль центрирования. Клей полностью полимеризуется в течение 24–48 ч при комнатной температуре.

Призмы и пластины склеивают так же, как и линзы. При этом призмы склеивают в приспособлении, позволяющем установить их в нужном положении. Проверка правильности склейки производится на специальных контрольно-юстированных (КЮ) приборах. Полимеризацию клеящего слоя осуществляют в этом же приспособлении.

Если по ТУ требуется защита клеевых соединений от атмосферного воздействия, то место склейки таких деталей по периметру защищают клеем ОК-46 или акриловым. Для гашения бликов и отраженных лучей на нерабочие поверхности наносят черный матовый лак.

Нарушение технологического процесса склеивания может привести к расклейкам в виде звездочек, пузырьков, точек, трещин, пятен, дубовых листочков и к нарушению чистоты клеевого соединения в виде пылинок

иворсинок. Расклейки появляются из-за плохой чистоты клеевого соединения, а также воздействий механических усилий, промывочных жидкостей, перепадов температур и других факторов.

Для контроля чистоты клеевого соединения и обнаружения расклеек

детали подсвечивают в торец и просматривают невооруженным глазом или с помощью лупы 6х на темном фоне.

Из-за натяжений в клеящем слое или нарушений режимов сушки могут возникать дефекты формы поверхностей, которые контролируются с помощью пробного стекла или по разрешающей способности (при наличии дефектов формы поверхностей разрешающая способность блока ухудшается).

10.6.2.Соединение методом глубокого оптического контакта

Соединение оптических деталей под действием сил молекулярного сцепления, упрочнения термической обработкой или облучением инфракрасными (ИК) лучами называют глубоким оптическим контактом (ГОК). ГОК – неразъемное соединение, прочность которого близка к прочности материалов самих оптических деталей.

Технологический процесс соединения методом ГОК сводится к следующему.

Сначала на контактируемую поверхность одной из соединяемых деталей наносят пленку двуокиси кремния толщиной 130–150 нм. Пленка в зависимости от материала соединяемых деталей образуется или травлением в азотной кислоте, или гидролизом паров четыреххлористого кремния. Сущность последнего метода заключается в том, что в присутствии влажного воздуха пары четыреххлористого кремния (SiCl4) гидролизуются, образуя ортокремниевую кислоту в дисперсном состоянии. Постепенно отдавая воду и адсорбируясь на поверхности детали, они образуют про-

122

зрачный слой двуокиси кремния. Уравнение реакции можно записать в следующем виде:

SiCl4 + 4H2O = Si(OH)4 + 4HCl;

Si(OH)4 = SiO2 + 2H2O.

Осажденную пленку сушат при температуре 100 С в течение 0,5 ч или в этиловом спирте в течение 10–15 мин и детали соединяют методом оптического контакта по обычной технологии. Для упрочнения оптического контакта до монолита соединенный узел подвергают термической обработке при температуре 250 С в течение 8 ч или облучают инфракрасными излучателями с последующим охлаждением блока (вместе с печью).

Поверхности деталей, подлежащие соединению ГОК, должны быть изготовлены с точностью N 0,5, N 0,1. Допускается обработка со-

единяемых поверхностей деталей с N 0,5, но противоположными по знаку значениями. Метод ГОК – трудоемкий.

10.7.Изготовление пробных стекол

10.7.1.Изготовление сферических пробных стекол

Сферические основные пробные стекла (ОПС) всех радиусов изготовляют парами, состоящими из выпуклого (+) и вогнутого (–) стекол. Контрольные пробные стекла (КПС) и рабочие пробные стекла (РПС) всех радиусов изготовляют только одного знака: радиусы КПС соответствуют кривизне контролируемой детали, радиусы РПС имеют противоположный знак.

Взависимости от значения радиуса кривизны применяют разные технологические процессы изготовления основных пробных стекол.

Вчастности, выпуклые ОПС радиусом от 0,5 до 37,5 мм изготовляют по технологии обработки выпуклых стекол, имеющих толщину Н = 1,2r. По этой технологии измерения радиуса r проводят косвенно, как половину диаметра D шарика.

ОПС шлифуют на станках модели ШП вручную, поштучно на чугунных и латунных шлифовальниках, расположенных снизу, с применением абразивных суспензий.

Вкачестве наклеечных приспособлений применяют деревянные ручки, которые приклеивают к нерабочей стороне заготовок. Мерительным инструментом на стадии предварительной обработки служат радиусные шаблоны, а на завершающей – скобы, микрометры и другие измерительные устройства, которыми измеряют диаметр шарика.

Процесс шлифования выпуклых поверхностей толщиной больше полусферы имеет следующую особенность: при обработке необходимо постоянно подрезать центральную зону шлифовальника. Невыполнение этого

123

требования приводит к усиленному съему припуска с заготовки на ее вершине (особенно после подачи абразивной суспензии), в результате чего образуется деформированная (сплюснутая) сфера.

ОПС радиусом свыше 37,5 мм изготовляют парами одновременно. Грубое шлифование выполняют на чугунных шлифовальниках поштучно вручную на станках ШП. Контроль радиусов осуществляют шаблонами. Тонкое шлифование заготовок выполняют попарно: стекло на стекле. В качестве шлифовальника на шпиндель станка попеременно закрепляют то выпуклое, то вогнутое стекло. При этом у нижней заготовки края срабатываются быстрее, чем середина, а у верхней середина срабатывается быстрее, чем край. Умелое использование этой закономерности позволяет целенаправленно изменять значения r притирающихся поверхностей. Контроль значений r ведут на сферометре поочередным измерением стрелки h обоих стекол с последующим расчетом r.

В процессе полирования, которое выполняется по обычной технологии, r контролируют посредством сопряжения выпуклого и вогнутого стекол. Половина измеренной ошибки устраняется последующим полированием, например, первого стекла. При этом роль пробного выполняет второе стекло. Затем, используя в роли пробного первое стекло, полированием второго стекла устраняют оставшуюся часть ошибки сопряжения.

Контрольные и рабочие пробные стекла изготовляют по обычной технологии с контролем КПС по ОПС, а РПС – по КПС.

Изготовленные пары пробных стекол, находясь в сопряжении друг с другом в течение нескольких часов, изменяют вид интерференционной картины. Как правило, маленькая яма переходит в большую, а маленький бугор – в небольшую яму. Это явление есть результат действия упругих сил в деталях, которое зависит от многих факторов (жесткости конструкции пробного стекла, физико-механических свойств материала, величины и распределения остаточных напряжений и др.). Поэтому в процессе изготовления ОПС заведомо вводится соответствующая поправка, учитывающая возможное изменение интерференционной картины после отстоя.

10.7.2. Изготовление плоских пробных стекол

Плоские ОПС изготовляют путем последовательной подгонки трех стекол. Для получения точных плоских поверхностей одно стекло (например первое) принимают за эталонное, подгоняя к нему второе и третье стекла (рис. 10.25, а и б). Если стекло 1 имеет «яму», например, в одну полосу, то стекла 2 и 3 будут иметь «бугор» также в одну полосу. При сопряжении стекол 2 и 3 общий «бугор» составит две полосы (рис. 10.25, в). Обрабатывая стекла 2 и 3, их общую выпуклость уменьшают до одной полосы. После этого, приняв за эталон последовательно второе и третье стекло, подгоняют к нему два других, и так продолжается до тех пор, пока не получатся три точные плоскости.

124

2) по общим ошибкам: допуски на параметры (коэффициенты) уравнения поверхности ( P , q , Si , ti ) в процентах.

Рис. 11.1. Параметры асферических деталей

5. Асферичность:

1) вершинная А1 – наибольшее отступление данной асферичекой поверхности от соприкасающейся с ней в ее вершине сферы, радиус которой R1 равен радиусу кривизны асферической поверхности при ее вершине

(рис. 11.1, а); 2) для кольцевых и внеосевых деталей вычисляют сагиттальную асфе-

ричность А2 – наибольшее отступление данной асферической поверхности от соприкасающейся с ней в точке меньшего светового диаметра сферы, радиус R2 которой равен сагиттальному радиусу кривизны асферической

поверхности в указанной точке (рис. 11.1, б);

126

3) асферичность относительно ближайшей сферы: «трехточечная» асферичность a5 , мм, – отступление асферической поверхности от сферы,

проходящей через ее вершину и точку светового диаметра (для сплошных поверхностей, рис. 11.1, в) и «четырехточечная» асферичность a4 , мм, –

отступление от сферы, проходящей через точки внутреннего и внешнего световых диаметров (для кольцевых и внеосевых деталей, рис. 11.1, г), причем a3,4 – соответствующие наибольшие отступления.

6. Градиент асферичностей i – наибольшее изменение соответствующей асферичности в некоторой точке. С геометрической точки зрения i представляет собой угол между касательными к асферической поверхности

ик соответствующей сфере в данной точке.

7.Конструктивные особенности деталей. По этому показателю различают детали: кольцевые и сплошные соосные, внеосевые, зеркала и линзы.

Чем больше асферичность, тем больше требуется технологических переходов, труднее обработка и меньше надежность в получении поверхности с заданной точностью. Наиболее технологичны профили поверхностей, которые приближаются к ближайшей сфере или плоскости с наименьшими отступлениями. Отражающие поверхности должны обрабатываться в четыре раза точнее аналогичных преломляющих поверхностей. Поверхности, имеющие профили с перегибами, или крутые обрабатывать

иконтролировать трудно, поэтому они нетехнологичны.

11.2.Правила выполнения чертежей оптических деталей

сасферическими поверхностями

Чертежи асферических деталей должны содержать следующие наиболее важные, как подлежащие контролю, так и справочные, технологические показатели:

1.Точности асферизации по местным и общим ошибкам.

2.«Вершинную» А1 или сагиттальную А2 асферичности, а также градиенты данных асферичностей ( 1 или 2 ).

3.Отступление a3,4 асферической поверхности от ближайшей сферы

радиуса R3,4 для 10–20 зон детали с указанием радиуса R3,4 .

4.Крутизну поверхности по световому диаметру с.

5.Для асферических поверхностей, изготавливаемых с погрешностью

3 (кроме вогнутых параболоидов и эллипсоидов), на чертеже следует указывать допускаемый размер кружка наименьшего рассеяния Dкр, мм,

дополняя его методикой расчета или соответствующей схемой контроля этого кружка.

127

11.3. Способы формообразования асферических оптических деталей

11.3.1. Вакуумное моллирование

Оптические детали, имеющие асферические поверхности (АП) низкой точности, изготовляют принудительным вакуумным моллированием из плоских полированных стеклянных заготовок.

Круглые заготовки 1 (рис. 11.2) из полированного стекла нагревают в форме 2, имеющей профиль необходимой АП, до температуры начала пластической деформации. После создания вакуума под заготовкой она просаживается в форму 2 под действием избыточного давления p , при-

нимая ее конфигурацию.

Нагрев заготовки 1 до температуры начала пластической деформации стекла Рис. 11.2. Схема вакуумного позволяет получить деталь 3, на поверхно-

моллирования асферических деталей сти которой не отпечатываются микронеровности рабочей поверхности инструмента 2. Такая деталь не требует дальнейшей механической обработки.

11.3.2. Вакуумная асферизация

Данный метод применяется для получения АП с малым отступлением от ближайшей сферы или плоскости. Метод основан на нанесении на исходную сферическую или плоскую полированную поверхность подложки асферизующего слоя неодинаковой толщины. Этим способом можно изготовлять поверхности любого порядка, но максимальная толщина наносимого слоя не может быть больше 10–15 мкм, так как прочность сцепления слоя со стеклом резко уменьшается с увеличением толщины первого.

Для образования АП на стеклянной подложке используют испаритель и маску, расположенную между ним и подложкой, асферизующие слои (моноокись кремния, сернистый цинк и др.) наносят в вакуумной установке на вращающуюся с небольшой скоростью подложку.

Геометрию фасонных вырезов маски (рис. 11.3) рассчитывают в зависимости от требуемого распределения толщины асферизующего вещества по

круговым зонам подложки. Маску изготовляют Рис. 11.3. Маска фотогальваническим способом из латунной фоль- для вакуумной асферизации

128

ги толщиной порядка 0,05 мм. Деталь (или маска) вращается, и за счет фасонного выреза обеспечивается изменение толщины наносимого слоя по зонам АП. В процессе испарения толщину слоя косвенно контролируют фотометрическим устройством. Погрешность t наносимого слоя составляет в среднем 0,1 мкм.

На точность и воспроизводимость вакуумной асферизации большое влияние оказывают соосность вращаемой заготовки, маски и испарителя, а также симметричность молекулярного пучка в пределах необходимого телесного угла. Последнее обеспечивается покрытием испарителя диафрагмой с круглым отверстием диаметром около 10 мм.

11.3.3. Обработка упругим лепестковым инструментом

11.3.4. Обработка способом линейного соприкосновения (обработка ножевым инструментом)

Соприкосновением по линии называют такой способ, при котором инструмент и заготовка в процессе обработки контактируют по узкой полоске – линии. Этим способом производят шлифование и полирование с отступлением от заданной сферической поверхности до 150 мкм.

Обработку ножевым инструментом применяют для получения выпуклых и вогнутых АП второго порядка. Схема обработки параболической поверхности изображена на рис. 11.5. Она основана на свойстве параболоида вращения давать в сечениях, параллельных оси вращения, параболу одного и того же уравнения. Заготовка 1, наклеенная на наклеечное приспособление 4 и первоначально имеющая сферическую поверхность, вращается вокруг оси. Инструмент (нож) 2, представляющий собой тонкую

129