Способ получения оптических линз с минимальным двулучепреломлением

Способ относится к технологии изготовления линз из лейкосапфира и других одноосных кристаллов для оптических систем, работающих в видимой и инфракрасной областях спектра. Способ включает изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов Al₂O₃. Пластическую деформацию изгиба проводят пуансоном в виде сферического сегмента. После чего входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую поверхность, уравнение осевого сечения которой имеет следующий вид: у=5,395 10^-5x³+0.008x²+0.012х-0.023, a оптическую ось линзы ориентируют вдоль оси симметрии заготовки. Технический результат - получение выпукло-вогнутых линз с минимальным двулучепреломлением для сходящегося пучка лучей, прозрачных в области 25000-2000 см-¹. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии линз оптических систем современных оптических и оптоэлектронных приборов, работающих в видимой и ИК-областей спектров, и может быть использовано при получении линз из лейкосапфира, в частности, в сходящемся пучке лучей.

Известен способ получения оптических деталей пресс-ковкой пластин моно- и поликристаллических материалов на основе твердых растворов оксидов магния и алюминия (см. Amer. Ceram. Soc. Bull, 1981, 60, N 2, p.255-256). Указанный способ не позволяет получать вогнуто-выпуклые линзы из оптических кристаллических сред с некубической структурой.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является технология получения линз из Z-срезов кристаллов MgF₂ и Al₂O₃, которые подвергают пластической деформации изгиба. Однако указанный способ не обеспечивает минимизацию двулучепреломления, т.к. не учитывает расхождение направлений сходящихся лучей и оптических осей, а также условия центрирования и ориентации заготовки оптической детали относительно линзы (см. патент РФ №1773956, приоритет от 13.02.90, МПК С30В 33/00, 29/12, 29/20, опубл. 07.11.92).

Задачей предлагаемого технического решения является получение вогнуто-выпуклых линз с минимальным двулучепреломлением для сходящихся лучей света, прозрачных в области 25000-2000 см^-1.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения оптических линз, включающем изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластин из Z-среза кристаллов Al₂O₃, в котором в отличие от прототипа пластическую деформацию изгиба осуществляют пуансоном в виде сферического сегмента, а входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую, уравнение осевого сечения которой имеет следующий вид: у=5,395 10^-5х³+0.008х²+0.012х-0.023, причем оптическую ось линзы ориентируют вдоль оси симметрии заготовки.

Существенным отличием заявляемого способа является использование полусферического пуансона или пуансона в виде сегмента сферы при пластической деформации изгиба, а входящая поверхность линзы является асферической, которую формируют путем удаления с заготовки избыточного слоя материала при совмещении оси симметрии заготовки с оптической осью линзы.

Сущность изобретения заключается в следующем: монокристаллы AL₂О₃, т.е. лейкосапфир - кристаллическая среда, обладающая ценными оптическими свойствами и уникальным их сочетанием, является оптически одноосным кристаллом.

Закономерности распространения света в кристаллической пластинке вырезанной из одноосного кристалла зависят от ориентации оптической оси по отношению к поверхности пластинки и падающему лучу. В случае, если плоскопараллельная пластинка вырезана перпендикулярно оптической оси, т.е. получен Z-срез кристалла, и луч направлен вдоль оптической оси, то двойное лучепреломление отсутствует.

Для получения линзы с минимальным двулучепреломлением для сходящихся лучей пучка света недостаточно пластической деформации изгиба. В данном случае, обеспечивая веерообразное (радиальное) расположение оптических осей, не обеспечивается прохождение лучей после преломления вдоль направления последних, а из-за несовпадения оси симметрии заготовки и оптической оси линзы образуется угол между направлением луча и оптической оси, который изменяется по аппретуре линзы и обуславливает двулучепреломление. Это ограничивает использование уникального материала, обладающего широкой спектральной областью прозрачности и высокими значениями показателя преломления, для изготовления вогнуто-выпуклых линз.

Отмеченный недостаток устраняется тем, что пластическую деформацию изгиба проводят полусферическим пуансоном или пуансоном в виде сегмента сферы, а входящую поверхность линзы изготавливают как асферическую поверхность, которая обеспечивает, после преломления, прохождение гомоцентрического пучка, читай центрированного сходящегося пучка лучей вдоль оптических осей, образующих прямой круглый конус, при этом ось симметрии заготовки ориентируют вдоль оптической оси линзы для исключения возникновения двулучепреломления, обусловленного ассиметрией линзы.

В результате пластической деформации полусферическим пуансоном или сферическим сегментом происходит разворот оптических осей вдоль радиусов полусферы и далее входящую поверхность линзы изготавливают с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую поверхность (фиг.1).

На фиг.1 показана схема получения линзы из лейкосапфира с минимальным двулучепреломлением, где: 1 - исходный плоско-параллельный диск Z-среза кристалла; 2 - линза, изогнутая полусферическим пуансоном, у которой 3 - профиль внешней поверхности после деформации изгиба (показано пунктиром), а 4 - асферический профиль внешней поверхности изготовленной линзы; 5 - ось симметрии заготовки 2, совпадающая с осью изготовленной линзы.

На фиг.2 изображена схема прохождения разных пучков лучей через асферическую поверхность 4 линзы, где 6 - гомоцентрические лучи сходящегося пучка; 7 - лучи, некоаксиальные относительно веера осей кристалла; 5 - оптическая ось линзы.

Таким образом, показано, что гомоцентрический пучок света, падающий на входящую асферическую поверхность линзы, после преломления пройдет вдоль радиальных оптических осей без двулучепреломления при совпадении оси симметрии заготовки и оптической оси линзы.

Все остальные лучи образуют угол между направлением луча и оптической осью, что обуславливает возникновение двулучепреломления, однако, определяя асферичность входящей поверхности из условий направления вдоль оптических осей гомоцентрического лучей пучка в линзе, двулучепреломление по всей аппретуре линзы будет минимальным.

В качестве примера были получены вогнуто-выпуклые линзы из лейкосапфира диаметром 60 и 120 мм.

Таблица

№ опыта	Радиус (мм) и форма пуансона	Уравнение осевого сечения асферической пов-ти	Отклонение (град) оси сим. заготовки от оптич. оси линзы	Сила линзы	Двулучепреломление лучей гомоцентр. пучка
1	130,0 Сегмент сферы	1*	0	Положительная	Отсутствует
2	130,0 Сегмент сферы	2*	8	Положительная	Есть
3	60,0 полусфера	2*	0	Нулевая	Есть
4	60,0 полусфера	3*	0	Нулевая	Есть
5	Переменный Параболоид	1*	0	Положительная	Есть
6	60,0 полусфера	1*	0	Нулевая	Отсутствует
7	60,0 полусфера	1*	20	Нулевая	Есть

В декартовой системе координат:

1* у=5,395 10^-5х³+0.008х²+0.012х-0.023

2* y=0,012x²+0,015x-0,03

3* у=√(х²+900)

Как видно из приведенных результатов, для сходящегося пучка лучей двулучепреломление отсутствует, при использовании полусферического пуансона или в виде сферического сегмента при пластической деформации изгиба, при прохождении вдоль оптических осей, что обеспечивается входящей поверхностью, сечение которой описывается уравнением 1*, и только при совпадении оптической оси линзы и оси симметрии заготовки.

Выполнение этого условия является достаточным для получения минимального двулучепреломления по всей апертуре линзы.

Способ получения оптических линз с минимальным двулучепреломлением, включающий изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов Al₂О₃, отличающийся тем, что пластическую деформацию изгиба проводят пуансоном в виде сферического сегмента, а входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую поверхность, уравнение осевого сечения которой имеет следующий вид у=5,395 10^-5x³+0,008x²+0,012x-0,023, при этом оптическую ось линзы ориентируют вдоль оси симметрии заготовки.