автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Технологические процессы изготовления точных градиентных и асферических оптических элементов

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ И АСФЕРИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1. Аналитический обзор методов изготовления градиентных оптических элементов

1.2. Метод вакуумной асферизации оптических элементов

1.3. Применение асферических поверхностей и градиентных элементов в оптических системах

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАДИЕНТНО-АСФЕРИЧЕСКИХ СЛОЕВ ВАКУУМНЫМ МЕТОДОМ

2.1. Физические явления, возникающие при испарении вещества и конденсации его паров в вакууме

2.2. Модель формирования слоев, полученных из одного точечного источника на подвижной подложке

2.3. Формирование слоев на подвижной подложке из нескольких источников испарения

2.4. Методика получения градиентно-асферических слоев на оптических элементах вакуумным методом

2.5. Обоснование оптимальных условий формирования градиентно-асферических слоев

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

ПОЛОЖЕНИЙ И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

3.1. Разработка и исследование технологического оборудования и оснащения для градиентной асферизации точных оптических элементов

3.2. Исследование испарительных систем

3.3. Расчет и исследование синглета с градиент-но-асферическим слоем

3.4. Определение технологических режимов и расчет функциональных масок для изготовления экспериментальных образцов

3.5. Исследование спектральных, точностных и эксплуатационных характеристик экспериментальных образцов

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ

Интенсивное развитие науки и техники в настоящее время предъявляет к оптическим системам высокие требования. При построении оптических систем на традиционной элементной базе, основу которой составляют линзы из однородного материала и зеркала со сферическими поверхностями, эти требования часто оказываются противоречивыми и невыполнимыми. Например, высокая коррекция аберраций, необходимая для высокоразрешающих систем, может быть достигнута только за счёт использования большого количества элементов, а это усложняет конструкции приборов, увеличивает их массу, уменьшает коэффициент пропускания и т.д. Сложной проблемой является также расширение спектральной области использования оптических систем с малым числом оптических элементов, применение которых позволило бы эффективно решать как насущные, так и перспективные задачи оптического приборостроения.

Физические явления, которые могли бы быть положены в основу действия принципиально новых оптических элементов, известны давно. Одним из таких явлений является фокусировка излучения при его распространении в неоднородной (градиентной) оптической среде.

В градиентных линзах используются прозрачные среды, в которых показатель преломления является непрерывной функцией f(x,y,z) координат точек изотропной среды. При этом традиционный набор конструктивных параметров (r,d,n) дополняется функцией распределения показателя преломления.

Градиентные оптические элементы представляются наиболее универсальными и перспективными по сравнению с другими нетрадиционными элементами (например, асферическими зеркалами и линзами, дифракционными оптическими элементами), так как сочетание градиентной среды с преломляющими поверхностями позволяет получить весьма высокие оптические характеристики даже у простейших оптических элементов, например линз.

В публикации [1] подробно анализируются известные технологические процессы изготовления градиентных оптических элементов, и делается вывод, что в настоящее время единственным серийноспособным и экономически выгодным для изготовления оптических изображающих систем является метод ионного обмена.

Однако существенными недостатками метода ионного обмена являются ограничения по размерам градиентных элементов (диаметр сКЮмм) и низкий перепад показателей преломления

Аптах<0,1). Дальнейшее освоение градиентных оптических элементов используемых в оптических системах объективов, микроскопов, телескопов зависит от технологических возможностей изготовления элементов больших геометрических размеров с относительно большим перепадом показателя преломления (Дп>0,1) [2].

Очевидно, что уже в начале разработки градиентных оптических систем необходимо ориентироваться на определенную технологию, обеспечивающую достижение необходимых параметров градиентных сред. Наряду с общими для оптических материалов требованиями следует учитывать, что для градиентных изображающих линз особенно важна высокая точность и воспроизводимость конкретного вида функций распределения показателя преломления (РПП), заложенного на этапе проектирования .

Проблемы улучшения качества изображения, повышения оптических характеристик, уменьшения габаритных размеров и массы оптических систем до настоящего времени в основном решаются путём использования в них асферических оптических элементов.

Диссертационная работа посвящена проблемам технологии изготовления оптических элементов, сочетающих в себе гради-ентность показателя преломления оптической среды и асферичность формы рабочих поверхностей оптических деталей.

Автором работы сделана попытка (судя по литературе -впервые) создания технологического процесса изготовления градиентных асферических элементов, на основе новейших вакуумных технологий. Именно эти элементы представляют наибольший интерес для ряда новых областей применения оптических элементов, благодаря своим специфическим, но мало изученным свойствам [7].

Обзор современного состояния методов изготовления градиентных оптических элементов и асферических элементов, изложенный ниже, определил цель диссертационной работы:

Создание теоретических основ и промышленное освоение технологического процесса изготовления нового типа оптических деталей - точных градиентных и асферических элементов для применения в принципиально новых оптических приборах и комплексах.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ существующих методов изготовления градиентных оптических элементов.

2 :. Разработаны теоретические основы технологии формирования градиентно - асферических элементов.

3.Выполнены конструкторские работы по модернизации существующего технологического оборудования.

4.Разработан технологический процесс изготовления градиентных асферических элементов с оптимизацией технологических параметров их изготовления.

5:* Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы градиентно - асферического элемента.

В диссертационной работе были использованы основные принципы технологии вакуумной асферизации оптических элементов путём нанесения дополнительного слоя материала на рабочие поверхности оптических элементов, а также принципиальные особенности технологии нанесения оптических покрытий .

Цель и задачи исследования предопределили структуру диссертационной работы, взаимное расположение и относительный объём её разделов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1.Предложена конструкторско-технологическая концепция создания градиентно-асферических слоёв и на её базе выработаны принципы изготовления оптических элементов с новыми коррекционными возможностями.

2.Выполнены теоретические и экспериментальные исследования с целью разработки основ промышленной технологии, изготовления высокоточных оптических элементов с асферическими поверхностями и градиентностью показателя преломления оптической среды.

3. Определены и исследованы методы и средства технологического контроля процессов получения асферических 9 и градиентных слоев, наносимых на рабочую поверхность оптического элемента вакуумным методом.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная технология обеспечивает изготовление высокоточных оптических элементов, сочетающих в себе неоднородность оптической среды по заданному закону и асферичность формы рабочей поверхности в едином технологическом процессе и с высокой точностью воспроизводимости.

Существенным преимуществом данной технологии является возможность изготовления градиентно-асферического элемента с функцией распределения показателя преломления неоднородной среды и уравнением асферической рабочей поверхности произвольных порядков.

Предложенная технология является единственно приемлемой из всех существующих технологий изготовления градиентных и асферических оптических элементов для высокоточных оптических систем и комплексов.

Апробация работы. Используя предложенную технологию, изготовлен опытный градиентно-асферический элемент, результаты измерений выходных параметров которого полностью подтвердили расчетные характеристики

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ И АСФЕРИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Основные результаты работы, изложенные в третьей главе, защищены патентами на изобретения [42,43].

5. Изготовлен, проверен и аттестован контрольный гради-ентно-асферический элемент, полностью подтвердивший правильность научного поиска высокоэффективного технологического процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен, разработан, экспериментально проведен и подготовлен для промышленного освоения технологический процесс изготовления принципиально новых оптических элементов с градиентно-асферическими слоями (с уравнением асферической поверхности и функцией распределения показателя преломления произвольного порядка). Новизна и полезность метода подтверждена патентами на изобретения.

2. Предложенный высокопроизводительный метод позволяет в едином технологическом цикле наносить коррекционные слои с осевым распределением показателя преломления произвольного порядка и уравнением асферической поверхности произвольного порядка с диапазоном диаметров до 200 мм, асферичностью до 30 мкм, перепадом показателя преломления вдоль оптической оси до 0,5. Погрешность отклонения нормали асферической поверхности от номинального значения не превышает 5 угловых секунд.

3. Разработанный метод имеет большие перспективы применения не только по прямому назначению, но и в сопредельных областях знаний, в частности, для получения особо точных спектроделительных оптических покрытий, изготовления сложных композиционных элементов полимерной и адаптивной оптики; теоретически возможно применение новой технологии для изготовления интраокулярных линз с целью коррекции зрения при заболеваниях катарактой и глаукомой.

4. Цель диссертации, сформулированная во введении, с точки зрения автора, достигнута.

1. Казаков В.И., Сеник Б.Н. Технология изготовления градиентных сред оптических элементов. // Аналитический обзор за 1985-1990 г.г. - М., 1991. - 65 с. (Информ-техника, № 5436).

2. Gradient-index wide-angle photographic objective design. / G. Leland, J. Alkinson, G.D. Downie, D. Moore, J.M. Stagaman, L.L. Voci // Applied Optics.-1984. Vol.23, No.11. - P.1735-1741.

3. Патент № 2065192 (РФ). Однолинзовый объектив с градиентным слоем / В. И. Казаков, В. В. Потелов, Б.Н. Сеник, Г.А. Точкина. // Открытия, изобретения, . -1996.- № 22.

4. Moore D.T. Gradient-index optics: a review // Applied Optics.- 1980.- Vol.19, No.7. P.1035-1038.

5. Baak Tr. Silicon oxynitride, a material for GRIN op-, tics II Applied Optics.-1982.-Vol.21, No.6.- P.1069-1072.

6. Howard J.W., Ryan-Howard D.P. Optical design of thermal imaging systems utilizing gradient-index optical materials // Optical Engineering.-1985.-Vol.24, No.2. P.263-266.

7. Pickering M.A., Taylor R.L. Moore D.T. Gradient infrared optical material prepared by a chemical vapor deposition process // Applied Optics.-1986.-Vol.25, No.19.-P.3364-3372.

8. Физика тонких пленок.-M.: Мир, 1972.- Т.5. 140 с.

9. Красюк Б.А., Корнеев Г.И. Оптические системы связи и световодные датчики.-М.: Радио и связь, 1985. 192 с.

10. Koike Y., Hidaka Н., Ohtsuka Y. Plastic axial gradient-index lens // Applied Optics.-1985.-Vol. 24, No.24.-P.4321-4325.

11. Ohtsuka Y., Koike Y., Yamazaki H. Studies on the light-focusing plastic rod. 6: The photocopolymer rod of methyl methacrylate with vinyl benzoate // Applied Optics.- 1981.-Vol.20, No.2.-P.280-285.

12. Koike Y., Hatanaka H.f Ohtsuka Y. Studies on the light-focusing plastic rod. 17: Plastic GRIN rod lens prepared by photocopolimerization of a fernery monomer system // Applied Optics.- 1984. -Vol.23, No.ll.-P.1779-1783.

13. Koike Y., Kimoto Y.f Ohtsuka Y. Studies on the light-focusing plastic rod. 12: The GRIN fiber lens of methyl metacrylate-vinyl phenylacetate copolymer // Applied Optics.- 1982.- Vol.21, No.61.- P.1057-1062.

14. Якобсон P. Неоднородные и совместно напыленные однородные пленки для оптических применений // Физика тонких пленок. М.: Мир, 1978. - Т.8. - 303с.

15. Gradient-index plastic optical fiber composed of methyl methacrylate and vinyl phenylacetate copolymers /Y.Koike,E. Nihei, N. Tanio, Y. Ohtsuka // Applied Optics.- 1990.-Vol.29, No.18.- P.2686-2691.

16. Gradient index rod lens made by a double ion-exchange process / S. Ohmi, H. Sakai, Y. Asahara at all // Applied Optics.- 1988.-Vol.27, No.3.-P.4 96-499.

17. Patent 4758071 (US), G02B 9/02. Collimator lens. 19.07.88.

18. Simmons J.H. Optical properties of waveguides made by porous glass process // Applied Optics.-1979.-Vol.18, No.16.- P.2732-2733.

19. Горбунов А.Ф., Сулейманов Н.Р. Получение оптических слоев с заданным показателем преломления методом испарения двух веществ // ОМП (JI).- 1985. № 8.-С. 29-31.

20. Patent 3631660 А1 (DE), G02B 3/00. Kollimatorlense und fahren zu deren Herstellung. 19.03.1987.

21. Кондратов А.В., Потапенко А.А. Термическое испарение в вакууме при производстве изделий радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1986.- 60 с.

22. Patent N 4655556 (US), G02 13/08. Lens system for optical disks. 07.07.1985.

23. Patent N 4571034 (US), G02 B13/08. Lens system for optical recording disks. 25.07.1983.

24. Patent N 4684221 (US), G02 B3/04. Graded refractive index single lens system. 04.08.1987.

25. Patent N 4772105 (US), G02 B3/04. Graded refractive index lens system. 20.09.1988.

26. Patent N 4063312 (JP), G02 B9/00. Refractive index distribution type single lens. 28.02.1992.

27. Patent N 3194508A (JP), G02 B9/00, 26.08.1991.

28. Patent N 63067114 (JP), G02 B29C33/12. Mold assembly for ruleanizing tire. 25.03.1988.

29. Patent N 415610 (JP), G02 B9/00. 21.01.1991.

30. Patent N 3158817 (JP), G02 B15/20. Variable power lens. 07.08.1991.

31. Холлэнд Jl. Нанесение тонких пленок в вакууме. -М.: Госэнергоиздат, 1963.-228 с.

32. Первеев А.Ф., Муранова Г.А., Фролова Н.П. Влагостойкие просветляющие покрытия на основе окислов //ОМП (Л).- 1972.- №11.-С.69-70.

33. Сопоставление показателей преломления ИК-спектров пленок Si02, полученных различными методами / А.Я. Балагуров, В.П. Пелинас, В.Н. Петров, Б.М. Самойлов. // ОМП (Л).- 1979.-№ 2.-С.38.

34. Патент № 2078468 (РФ). Способ коррекции оптической системы / В.И. Крючков, В.В. Некрасов, С.Н. Бездидь-ко, В.Е. Ефремов, В.В. Потелов, Б.Н. Сеник // Открытия, изобретения, . 1997.- № 27.

35. Патент № 20784 67. Способ получения коррекционных слоев на оптическом элементе. / В.Г. Крючков, С.Н. Бездидько, В. В. Потелов, Н.П. Заказнов, Б.Н. Сеник. // Открытия, изобретения, . 1997.- № 12.

36. Шапочкин Б.А., Кузичев В.И. Расчет масок для изготовления асферических поверхностей нанесением дополнительного слоя вещества в вакууме // Расчеты оптических систем: Сборник статей / МВТУ им. Н.Э. Баумана. М.: Оборонгиз, 1961.- С.50-60.

37. Сеник Б.Н., Крючков В.Г. Вакуумные методы получения градиентных оптических пленок. М., 1992. - 30 с. (Обзор. Информтехника, № 5536).