Технология оптического приборостроения

пластинку из стали, латуни или оргстекла, перемещается возвратно-посту- пательно со скоростью около 30 дв. ход/мин параллельно самому себе и оси вращения заготовки. Соприкосновение заготовки и инструмента происходит по линии. Для сохранения первоначального профиля ножа 2 применяется сменная металлическая лента 3.

Рис. 11.5. Асферизация деталей ножевым инструментом

Шлифование выполняют свободным абразивом. Полирование производят на том же оборудовании ножевым инструментом, обтянутым, пропитанным смолой сукном.

11.3.5. Обработка методом квазисвободного притира

По данному методу можно обрабатывать (шлифовать и полировать) выпуклые и вогнутые асферические поверхности любого порядка. Применяется пру- жинно-каблучный инструмент, который соприкасается с заготовкой по площадкам конечных размеров. Его рабочая поверхность разбита на ряд площадок конечных размеров простой конфигурации, называемых каблуками 1, которые самоустанавливаются относительно поверх-

Рис. 11.6. Асферизация деталей ности заготовки 2 благодаря наличию

методом квазисвободного притира сферического шарнира 3 (рис. 11.6).

Постоянное силовое замыкание каждого из каблуков с поверхностью обрабатываемой заготовки, которой служит сфера ближайшего радиуса, осуществляется пружинами 5. Корпус инструмента 4 вращается вокруг своей оси и имеет возвратно-поступательное перемещение относительно заготовки, передаваемое поводком 6. Расположение и количество каблучных элементов рассчитывают, исходя из распределения слоя припуска по поверхности сферической заготовки. Приемы шлифования и полирова-

130

ния в данном случае такие же, как и при обработке сферических и плоских поверхностей.

11.4. Контроль асферических поверхностей

11.4.1. Контактные методы

Главное достоинство контактных методов заключается в том, что они применимы как для полированных, так и для шлифованных поверхностей, и их можно использовать непосредственно на рабочем месте. Однако эти методы имеют сравнительно невысокую точность. Они позволяют проверить поверхность в отдельных точках или зонах, т. е. относятся к дискретным методам, причем контакт измерительного инструмента с контактируемой поверхностью не исключает возможности повреждения последней.

Одним из контактных методов является измерение с помощью сферометров (рис. 11.7). В данном случае для ряда сечений с заранее выбранными координатами yi измеряют

стрелки прогиба zi и сравнивают их с рас-

четными значениями. Для контроля одной поверхности необходимо иметь набор, состоящий, как правило, из 4–12 колец.

пробные стекла (рис. 11.8). Последние накладывают на контролируемую поверхность и наблюдают интерференционную картину.

Профиль асферической поверхности определяют по толщине воздушного промежутка, исходя из формулы

t N / 2,

где N – число интерференционных колец, наблюдаемых на участке уi;

λ – длина волны источника света, используемого в процессе измерений.

Определение величин у и N проводят на измерительном микроскопе типа УИМ.

Необходимым условием правильного наложения РПС на контролируемую АП является расположение центра кривизны сферической поверхности на оси симметрии АП. Признаком выполнения этого условия является симметричность интерференционных колец, т. е. одинаковое их число слева и справа от вершины в любом меридиональном сечении.

131

анаберрационные точки расположены по разные стороны от поверхности. Для параболоида (рис. 11.9, д, е) одна анаберрационная точка находится в оптическом фокусе, а другая – в бесконечности.

Рис. 11.9. Контроль асферической поверхности методом анаберрационных точек

Идея использования анаберрационных точек для контроля асферических поверхностей вращения второго порядка заключается в следующем. Если поверхность имеет идеальную форму и точечный источник света расположен в одном из геометрических фокусов, то отраженные от поверхности лучи образуют сферический волновой фронт, центр кривизны которого совпадает с другим геометрическим фокусом. Различные методы контроля, основанные на использовании анаберрационных точек, по существу, сводятся к исследованию тем или иным способом (интерференционным, теневым методом Фуко, голографическим и др.) сферического волнового фронта, образованного отраженными от поверхности лучами.

Если, например, требуется проконтролировать выпуклый параболоид, то удобно использовать автоколлимационную установку Б. А. Чунина, схема которой приведена на рис. 11.10. Здесь лучи света от осветителя 1 направляются в фокус параболоида 2 и при точной обработке его поверхности отражаются параллельным пучком. При прохождении этого пучка через зрительную трубу 3 в центре ее сетки будет наблюдаться изображение диафрагмы осветителя 1 (в виде точки или линии). Если поверхность параболоида неправильная, то лучи соберутся в некоторой точке А, расстояние ∆ до которой можно определить непосредственно по сетке трубы 3. Вращая осветитель 1 по стрелке Б относительно оси, проходящей через фокус F параболоида, можно проконтролировать всю поверхность в меридиональном сечении.

133

Сущность метода заключается в том, что вся совокупность лучей, выходящих из дополнительной оптической системы (компенсатора), полностью

совпадает с кривой аберраций нормалей АП, при этом центр кривизны С0 при вершине АП совмещен с параксиальным фокусом F0 компенсатора,

т. е. компенсатор преобразует падающий на него плоский или сферический волновой фронт в асферический, совпадающий с теоретической формой контролируемой АП. Волновой фронт, выходящий из компенсатора, служит своеобразным пробным стеклом, налагаемым на контролируемую АП.

Одним из наиболее простых интерферометров, в котором для контроля АП используется компенсатор, является интерферометр Тваймана– Грина (рис. 11.13), в котором компенсатор 1 преобразует плоский волновой фронт, выходящий из интерферометра, в волновой фронт, совпадающий с расчетным профилем контролируемой АП 2, и, следовательно, все лучи направлены по нормали к последней.

Рис. 11.13. Контроль асферической поверхности на интерферометре Тваймана–Грина

При прохождении лучей через зрительную трубу 3 будут наблюдаться интерференционные кольца или полосы, по которым легко определить погрешность изготовления АП.

135

Глава 12. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШКАЛ И СЕТОК

12.1. Общие сведения о шкалах и сетках

По назначению сетки делятся на визирные (прицельные), измерительные (шкалы, лимбы, растры) и комбинированные. Визирные сетки (рис. 12.1, а) обычно имеют перекрестие (иногда с разрывом в центре) и предназначены для наведения на объект. Измерительные сетки (рис. 12.1, б) представляют собой системы повторяющихся однотипных элементов (линий или фигур), расположенных по определенному закону. Сетки с делениями, нанесенными в линейной мере, называются шкалами, а в угловой – лимбами (рис. 12.1, г). Комбинированные сетки представляют собой системы штрихов, марок, индексов и делений (рис. 12.1, в). Линии, индексы, фигуры и цифры, составляющие сетку, называют элементами сетки.

а б

в г

Рис. 12.1. Типы сеток

Поскольку сетку устанавливают, а следовательно, и рассматривают

вплоскости изображения оптической системы, то все дефекты поверхности этой сетки (точки, царапины, выколки) и внутренние дефекты стекла, из которого она изготовлена (пузырьки, свили, шамот, камни), резко видны

вполе зрения, что затрудняет наблюдение. Поэтому стекло для сеток не должно иметь каких-либо внутренних дефектов, а чистота поверхности детали должна выдерживаться в пределах 1–10, 1–20, 1–40, I, II классов. Такую чистоту деталей сравнительно легко получить полированием волокнистыми полировальниками и сложнее – смоляными.

Большое значение имеет химический состав стекла. Марку стекла выбирают в зависимости от способа нанесения сетки. Если сетка изготавливается травлением в парах плавиковой кислоты, то лучше всего брать

136

стекла марок БК5, БК6, БК10, которые обладают достаточной химической стойкостью и хорошо поддаются травлению (образуется матовый штрих). При изготовлении сеток резанием и фотографическим способом рекомендуется брать стекло марки К8, которое отличается высокой твердостью, химической устойчивостью и хорошо полируется.

Нанесенные на сетку штрихи должны иметь ровные и четкие края при наблюдении под увеличением, равным увеличению прибора, в котором будет установлена сетка. Для окрашенных сеток обязательно постоянство цвета всех штрихов.

12.2. Механические методы изготовления шкал

12.2.1. Резание стекла

Нарезанные штрихи сетки непосредственно на стекле можно получить только при помощи алмаза. Резанием стеклянной подложки изготовляют дифракционные решетки, работающие в проходящем свете.

Алмазные резцы определенной формы изготовляют путем их заточки. Головка алмазного резца для нанесения весьма тонких штрихов (порядка 3 мкм) обычно имеет вид трехгранной пирамиды, вершина которой углубляется в стекло, образуя штрих требуемой ширины.

Для заточки алмаз впаивают медью или серебряным припоем в оправу из низкоуглеродистой стали, затачивают на специальных станках с дисками из перлитного чугуна, в тщательно отшлифованную поверхность которых втирают алмазную пыль. Затачивают резцы также и на агате.

Качество наносимых штрихов во многом зависит от правильного выбора положения режущей кромки и наклона передней грани резца к плоскости заготовки. Для обеспечения постоянства глубины и ширины штрихов резец должен перемещаться с постоянной скоростью. При оптимальной скорости края штрихов получаются четкими и сами штрихи не будут пунктирными.

Подбором той или иной нагрузки на резец и скорости резания можно получить матовый или глянцевый штрихи (для дифракционных решеток необходим последний). При малой нагрузке на режущий инструмент характер разрушения стекла подобен резанию пластического материала, т. е. образуются глянцевые штрихи. Тонкие матовые штрихи необходимы в тех случаях, когда впоследствии их будут запускать черным запуском (например, сетки для окулярных микрометров).

12.2.2. Изготовление светлопольных сеток

Гравирование заключается в нанесении элементов сетки на слое воска, покрывающем стекло, при помощи резца. Гравируемый материал (воск) передней гранью резца выдавливают в виде сливной стружки или отдель-

137

ных кусков по всей ширине грани резца. В результате образуется бороздка, по сторонам которой воск должен быть нетронутым.

Для получения гравированных элементов постоянной ширины и глубины, с ровными и четкими краями, без заусенцев, трещин и разрыхлений защитный грунт должен:

хорошо поддаваться воздействию резца и удаляться им с поверхности заготовки;

иметь постоянную толщину слоя с минимальной зернистостью; хорошо приставать к поверхности подложки, не морщиться и не от-

ставать при гравировании; не прилипать к граням резца и не оплывать с краев штриха в течение

определенного времени; не крошиться в местах пересечения штрихов;

не иметь загрязнений и пузырей; надежно закрывать поверхность подложки, прочно удерживаться на

ней при травлении и промывке водой и не давать на поверхности загрязнений или налетов, ухудшающих качество сетки;

легко наноситься на поверхность детали и легко удаляться с нее промывкой в растворителе без механического воздействия.

Всем этим требованиям хорошо удовлетворяет чистый вареный пчелиный воск.

Перед нанесением воска деталь тщательно очищают и нагревают до 80–100 С. Воск наносят беличьей кистью, предварительно расплавив его. Толщину слоя воска следует понижать с уменьшением ширины штрихов. При ширине штрихов 5 мкм толщина слоя покрытия должна быть порядка 3 мкм. Покрытую воском деталь охлаждают равномерно и быстро, что позволяет получить мелкозернистую структуру грунта, требуемую для образования ровного штриха. Для быстрого охлаждения деталь после нанесения на нее воска помещают на массивную металлическую плиту. После этого деталь поступает на деление, которое производится на ручных или автоматических машинах стальным резцом. При гравировании по защитному слою на нем могут появиться различные дефекты-царапины, точки, пузырьки воздуха, волоски, пылинки и пр. Эти дефекты выявляют и ретушируют (закрывают) сырым воском с помощью разогретой металлической шпильки в процессе контроля детали после гравирования.

После гравирования детали направляют на операцию травления, которую производят пластиковой (фтористоводородной) кислотой. Процесс травления стекла должен обеспечить:

определенную ширину и глубину штриха, резкость его краев без неровностей и бахромок;

образование глянцевой или матовой поверхности штриха; отсутствие налетов на поверхности стекла под защитным грунтом; отсутствие отслаивания воска от подложки и его разрушения.

138

Матовые штрихи получают травлением стекла в парах плавиковой кислоты (так травят штрихи в среднем от 2 до 15 мкм), а глянцевые – травлением жидкой кислотой методом окунания или тампоном (так травят широкие штрихи).

Перед травлением незащищенные воском места детали обмазывают (покрывают) вареным вазелином. Продолжительность травления невелика и зависит в основном от ширины штриха, концентрации кислоты и температуры воздуха. При оптимальных концентрациях кислоты и температуре воздуха (для стекла БК10 – порядка 1 С) время травления составляет 3–10 с (режим травления подбирают на бракованных деталях).

Для травления сеток можно применять как концентрированный раствор плавиковой кислоты (60–70 %), так и смесь раствора HF более низкой концентрации и серную кислоту H2SO4 высокой концентрации. Например, для травления стекла БК10 можно брать смесь 40%-й HF и концентрированной H2SO4 (удельный вес 1,84) в количестве 25 % (при травлении стекла К8 ухудшается матовость штрихов). Главная роль H2SO4 сводится к увеличению общей кислотности травящей ванны (повышению концентрации Н-ионов) и регенерации кислоты HF, которая выделяется при реакции соли кремнефтористоводородной кислоты с серной кислотой:

BaSiF6 + H2SO4 = BaSO4 + 2HF + SiF4.

По окончании травления деталь промывают проточной водой или раствором щелочи, нейтрализующим кислоту. Защитный слой удаляют растворением его в бензине или в растворе едкой щелочи. Затем деталь промывают в проточной воде, ополаскивают дистиллированной водой, сушат, для удаления соли в канавках штрихов протирают эфиром и трехпроцентной азотной кислотой и полученный рисунок проверяют под микроскопом.

Чтобы в поле зрения прибора протравленный штрих на сетке был более четким, его следует наполнить (запустить) цветным запуском. Применяют следующие запуски: черный (графит, окись меди, двуокись марганца, газовая сажа), белый (окись цинка, двуокись титана, свинцовые белила, эмаль), красный (свинцовый сурик, ртутная киноварь), желтый (охра), зеленый (окись хрома). Эти порошки смешивают с соответствующими свя-

139