Способ получения оптических линз из монокристаллов

Способ может использоваться для получения линз сложной конфигурации из лейкосапфира и других одноосных кристаллов для оптических систем современных оптических и оптоэлектронных приборов, работающих в видимой и инфракрасной областях спектра. Способ включает изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов Al₂О₃ пуансоном в виде сферического сегмента. Оптическую ось линзы ориентируют по оси симметрии заготовки. Входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую поверхность, которая обеспечивает после преломления прохождение параллельного пучка лучей вдоль оптических осей. Уравнение осевого сечения асферической поверхности в полярной системе координат имеет следующий вид r=(R(n-1))/((n(1+tg²α)^1/2-1)cosα), где r и α - параметры полярной системы координат, n - показатель преломления обыкновенного луча, R - радиус поверхности пуансона. Технический результат - получение вогнуто-выпуклых линз для параллельного пучка света без двулучепреломления, прозрачных в области 25000-2000 см^-1. 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии получения линз оптических систем современных оптических и оптоэлектронных приборов, работающих в видимой и ИК-области спектров, и может быть использовано при получении линз из лейкосапфира и других одноосных кристаллов.

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, № 2, p.255-256.) Указанный способ не позволяет получать вогнуто-выпуклые линзы из оптических кристаллических сред с некубической структурой.

Наиболее близкой 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 условия центрирования и ориентации оси симметрии заготовки оптической детали и готовой линзы, а также изготовление входящей асферической поверхности линзы, обеспечивающей прохождение параллельного пучка лучей после преломления вдоль оптических осей, образующих веер после пластической деформации (см. патент РФ №1773956, приоритет от 13.02.90, МПК C30В 33/00, 29/12, 29/20, опубл. 07.11.92).

Задачей предлагаемого технического решения является получение вогнуто-выпуклых линз для параллельного пучка света без двулучепреломления, 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 плоско-параллельных пластинок из Z-среза кристаллов Al₂O₃, в отличие от прототипа, пластическую деформацию изгиба осуществляют пуансоном в виде сферического сегмента, далее входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую поверхность, которая обеспечивает после преломления прохождение параллельного пучка лучей вдоль оптических осей, а оптическую ось линзы ориентируют по оси симметрии заготовки, причем уравнение осевого сечения асферической поверхности в полярной системе координат имеет следующий вид r=(R(n-1))/((n(1+tg²α)^1/2-1)cosα), где r и α - параметры полярной системы координат, n - показатель преломления обыкновенного луча, R - радиус рабочей поверхности пуансона.

Существенным отличием заявляемого способа является использование полусферического пуансона или пуансона в виде сегмента сферы при пластической деформации изгиба и формирование входящей поверхности линзы как асферической, которая обеспечивает, после преломления, прохождение лучей вдоль сходящегося пучка оптических осей, образующих прямой круглый конус, при этом оптическую ось линзы ориентируют по оси симметрии заготовки.

Сущность изобретения заключается в следующем: монокристаллы Al₂O₃, т.е. лейкосапфир - кристаллическая среда, обладающая ценными оптическими свойствами и уникальным их сочетанием, является оптически одноосным кристаллом. Группа симметрии лейкосапфира содержит зеркально-поворотную ось шестого порядка - ось Z, что обуславливает осевую симметрию свойств монокристалла, в том числе оптических. Поэтому оптические свойства кристаллов лейкосапфира характеризуются двумя значениями показателя преломления, n_о и n_e, которым соответствуют две волновые поверхности показателя преломления (сфера и эллипсоид вращения в рамках правил Френеля для решения задач распространения света в анизотропных средах), симметричные относительно оси Z кристалла. Вдоль направления оптической оси свет распространяется как в оптически изотропной среде, т.е. направления лучей и оптических нормалей электромагнитных волн совпадают. Во всех остальных направлениях распространение света зависит от двух значений показателя преломления и характеризуются тем, что между направлением луча и волновой нормалью образуется угол. Указанная особенность позволяет выделить подобные материалы как оптически одноосные кристаллы и весьма ограничивает их использование в проходной оптике.

В таких кристаллах существует единственное направление, при распространении вдоль которого луч света не разлагается на обыкновенный и необыкновенный. Это направление является оптической осью кристалла, а плоскопараллельная пластинка, перпендикулярная этой оси, называется пластинкой Z-среза.

Для получения линзы без двулучепреломления для параллельного пучка света, направленного по оптической оси линзы, недостаточно пластической деформации изгиба. В данном случае, обеспечивается радиальное расположение оптических осей, но не обеспечивается прохождение лучей после преломления, вдоль направления последних, а при несовпадении оси симметрии заготовки и оптической оси линзы из-за возникновения асимметрии возникает вредное двулучепреломление в линзе. Это ограничивает использование данного уникального материала, обладающего широкой спектральной областью прозрачности и высокими значениями показателя преломления, для изготовления вогнуто-выпуклых линз, используемых в сигнальных оптических системах.

Отмеченный недостаток устраняется тем, что пластическую деформацию изгиба проводят полусферическим пуансоном или пуансоном в виде сегмента сферы, а входящую поверхность линзы изготавливают технологическими приемами удаления избыточного слоя материала как асферическую поверхность, которая обеспечивает, после преломления, прохождение лучей параллельного пучка света вдоль сходящегося пучка оптических осей, образующих прямой круглый конус, при этом ось симметрии заготовки и оптическая ось линзы должны совпадать между собой. В результате пластической деформации полусферическим пуансоном или сферическим сегментом происходит разворот оптических осей вдоль радиусов полусферы и далее входящую поверхность линзы изготавливают как асферическую поверхность, которая обеспечивает, после преломления, прохождение лучей параллельного пучка света вдоль оптических осей, образующих прямой круглый конус, причем ось симметрии заготовки и оптическая ось линзы должны совпадать между собой для исключения возникновения двулучепреломления, обусловленного асимметрией линзы. Параллельный пучок света, падающий на входящую асферическую поверхность линзы, после преломления пройдет вдоль радиальных оптических осей без двулучепреломления при соблюдении условия: совпадения оси симметрии заготовки и оптической оси линзы.

В качестве примера были получены вогнуто-выпуклые линзы из лейкосапфира диаметром 80 и 120 мм. Полученные линзы имели следующие характеристики.

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
1	60,0 полусфера	1*	0	Положительная	Отсутствует
2	60,0 полусфера	2*	15	Положительная	Есть
3	переменный параболоид	1*	0	Нулевая	Есть
4	60,0 полусфера	2*	0	Нулевая	Есть
5	60,0 полусфера	1*	8	Положительная	Есть
6	130,0 сегмент сферы	1*	0	Положительная	Отсутствует
7	130,0 сегмент сферы	1*	20	Нулевая	Есть
1* В полярной системе координат r=(R(n-1))/((n(1+tg2α)1/2-1)cosα), где r и α - параметры полярной системы координат, n - показатель преломления обыкновенного луча, R - радиус внешней - рабочей поверхности полусферы.
2* В декартовой системе координат y=5,395 10-5 x3+0.008 х2+0.012 x-0.023, где x и y - координаты сечения асферической поверхности.

Как видно из таблицы, при пластической деформации изгиба пуансоном в виде сферического сегмента, когда входящая поверхность линзы является асферической и обеспечивает после преломления прохождение параллельного пучка лучей вдоль оптических осей и при этом ось симметрии заготовки и оптическая ось линзы совпадают между собой, двулучепреломление в линзе для параллельного пучка отсутствует.

Способ получения оптических линз из монокристаллов, включающий изготовление вогнутовыпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов Al₂O₃, отличающийся тем, что пластическую деформацию изгиба осуществляют пуансоном в виде сферического сегмента, далее входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую поверхность, которая обеспечивает после преломления прохождение параллельного пучка лучей вдоль оптических осей, а оптическую ось линзы ориентируют по оси симметрии заготовки, причем уравнение осевого сечения асферической поверхности в полярной системе координат имеет следующий вид r=(R(n-1))/((n(1+tg²α)^1/2-1)cosα), где r и α - параметры полярной системы координат, n - показатель преломления обыкновенного луча, R - радиус поверхности пуансона.