CC BY
5
УДК 535.417
DOI 10.33764/2618-981X-2022-8-1-27-32
Изготовление дифракционного оптического элемента методом прецизионного алмазного микроточения
Н. А. Гурии1-2-3*
1 АО «Новосибирский приборостроительный завод», г. Новосибирск, Российская Федерация
2 Институт автоматики и электрометрии СО РАН г. Новосибирск, Российская Федерация
3 Сибирский государственный университет геосистем и технологий, г. Новосибирск,
Российская Федерация
* e-mail:gna200694@yandex.ru
Аннотация. В работе рассматривается процесс изготовления дифракционного оптического элемента методом прецизионного алмазного микроточения на примере дифракционной линзы. Процесс состоит из подготовительного этапа и этапа изготовления заданного дифракционного элемента на специализированном оборудовании с компьютерным программным управлением. Подготовительный этап включает в себя подбор специального алмазного резца с ответным вылетом угла резца относительно рассчитанной микроструктуры дифракционного элемента, подготовку и изготовление необходимой оснастки, в том числе креплений, с помощью которых устанавливается и юстируется оптическая деталь, на поверхности которой формируется дифракционная линза. На следующем этапе в программное обеспечение компьютера вносятся заданные значения параметров зон линзы, значения параметров алмазного резца, и запускается сам процесс изготовления дифракционной линзы.
Ключевые слова: алмазное точение, дифракционная линза
Fabrication of a diffractive optical element by the precision diamond micro-turning method
N. A. Gurin1-2-3*
1 JSC "Novosibirsk Instrument-Making Plant", Novosibirsk, Russian Federation 2 Institute of Automation and Electrometry SB RAS, Novosibirsk, Russian Federation
3 Siberian State University of Geosystems and Technologies, Novosibirsk, Russian Federation
* e-mail: gna200694@yandex.ru
Abstract. The paper considers the manufacturing process of a diffractive optical element by precision diamond micro-turning using a diffractive lens as an example. The process consists of a preparatory stage and the stage of manufacturing a given diffractive element on specialized equipment with computer program control. The preparatory stage includes selection of a special diamond cutter with a response offset of the cutter angle relative to the calculated microstructure of the diffractive element, the preparation and manufacture of the necessary equipment, including fasteners, with the help of which the optical part is installed and adjusted, on the surface of which a diffractive lens is formed. After that, the specified values of the parameters of the lens zones, the values of the parameters of the diamond cutter are entered into the computer software, and the process of manufacturing a diffractive lens is started.
Key words: diamond turning, diffractive lens
Введение
Одним из важнейших требований, предъявляемых к современным методам изготовления серийной оптической продукции, является технологичность прецизионных процессов производства. В настоящее время для обеспечения требуемых технических характеристик оптических систем и элементов в процессе их проектирования закладывается, например, изготовление элементов по технологии прецизионного алмазного микроточения [1-5]. Алмазное микроточение оптических элементов является, по сути, аналогом механической обработки металлических деталей на токарном станке.
Отличие заключается в том, что обрабатываемые алмазным режущим инструментом детали являются не только твердыми металлическими или полимерными материалами, но и хрупкими - стеклянными или полупроводниковыми аморфно-кристаллическими материалами. Каждый год увеличивается потребность в обработке алмазным точением оптических деталей с двухсторонней асферической формой поверхности. При эксплуатации оборудования и проведении технологического процесса алмазного точения необходимо обеспечение жестких требований к производственному помещению (отсутствие вибраций, пыли, постоянство температуры, влажности), в котором размещено оборудование.
Решаемая задача
Станок прецизионного алмазного микроточения позволяет значительно расширить номенклатуру выпускаемых оптических элементов и деталей из таких материалов как: кристаллический германий оптический (КГО), кремний, селе-нид и сульфид цинка, золото, платина, свинец, полиметилметакрилат, он же авиационный пластик (ПММА) и т.д. Форма поверхности может быть изготовлена как сферическая, так и двухсторонняя асферическая поверхность высших порядков, а так же возможно изготовление дифракционных линз, элементов киноформной и аксиконической оптики с чистотой поверхности не ниже II класса по ГОСТ 11141-84.
В данной работе рассматривается изготовление дифракционной линзы. Технология обработки заключалась в подборе специального дифракционного алмазного резца с ответным вылетом угла резца относительно рассчитанной пилообразной дифракционной структуры.
Для начала операции прецизионного точения требуется подготовить оснастку, на которую крепится оптическая заготовка. В данном случае использовался вакуумный патрон из материала Д16, он протачивался сначала в ответный радиус оптической заготовки из ПММА классическим резцом, после получения ответного радиуса классический резец заменялся на алмазный и протачивал три прохода для устранения шероховатости на вакуумном держателе. Про-
точка алмазным резцом требуется для минимизации возможностей поцарапать оптическую деталь.
Заготовка из материала ПММА крепится на вакуумный патрон методом вакуумного прижима, после чего при помощи микронной индикаторной головки оптическая заготовка позиционируется по диаметру для минимизации биений. После этого в программное обеспечение станка вносятся параметры зон Френеля и происходит эмуляция зон (рис. 1).
Рис. 1. Эмуляция линзы Френеля
Далее вводится количество зон и их глубина, и станок высчитывает для себя порядок прохода каждой зоны (рис. 2-3). Затем в программу вносятся параметры алмазного резца (рис. 4). Стоит обратить внимание, что параметры резца берутся из конструкторской документации, прилагаемой производителем резца. После вышеупомянутых настроечных операций приступают к выравниванию плоскости оптической заготовки, она же «косина», путем проточки алмазным резцом по плоскости. После того как плоскостность поверхности удовлетворяет требованию конструкторской документации, запускается программа для выточки дифракционной линзы методом «выхаживания».
Zones Lilt
Zen« Lirt
F^ES!JE.L <Jeslg-"- (va Stable step height?]
ИойЪ#г -if :D!ltl ■ 52
23ПС CHSOOOO iff.]
t Di**i/2 tutu) Sii-p HiiirfLt {ЗЫСГОПЯ}
1 0,5000000 4.573752
г i.ooooooo 13. ^г<пг
3 I.5000003 22, SiSiS
4 2.0000000 32. 007 37
$ 2.5000000 41. 14444
f 50. 27554
1 3,5000000 39929
$ 1.0000 (ГСО £8. 51428
5 4 . 'SO00000 77. (1 907
10 5.0000000 JC. 71217
Ь.SQOOOOtl 9$, 4 92 OS
12 S.0000000 104 .8511
13 i.5000000 113
14 7. Oil 00 000 122
IS 7,5000000 131
1« 3,0000000 140 ■ 9352
П e.soooaoo J*9 .9001
19 9.0000000 IS«
15 5.5000000 if 7 .7505
20 10.0000000 17i .{317
21 13.5000000 125 .4»!
22 11.0000000 194
23 11.5000000 203 .0714
24 12.0000000 211 .£002
24 12 .ooooooo 211. 8062
ЗБ 12 ,5000000 220. 5025
24 13 .0000000 129. 1512
13 .5000000 237. 7515
26 14 ,0000000 24«. 30 03
2b 14 .5000000 254. 7S42
30 15 .0000000 2i3.23
31 15 ,5000000 27L. 60 «3
32 К .0000000 279. 9131
33 Li ,5000000 235 M53
34 17 .0000000 i96.ja
3! 17 ■SOOOOOO 304.41
3« IS .0000000 312.419
37 IB .5000000 320. 3425
за 19 .0000000 329. 17(2
35 L9 ,5000000 335- $154
40 20 .0000000 343. 5555
41 20 .5000000 361. 0917
42 21 .0000000 3 65. 51S$
43 21 .5000000 3(5. £321
44 22 .0000000 373. 02(3
45 22 .5000000 эео, Q955
4£ 23 .0000000 387. 0357
47 23 .5000ООО 3S3. £403
48 24 .0000000 400, 5941
45 24 .5000000 407. 0215
50 25 .00 00 ООО 413,307
51 25 ,5000000 419, 5945
52 2« .0000000 425. £3&5
Рис. 2. Расчет параметров зон линзы
Рис. 3. Рассчитанные зоны с углубление и шагом
Рис. 4. Настройка резца
Обсуждение
Основные области применения технологии прецизионного алмазного точения - следующие.
Изготовление металлооптических элементов, таких как металлические зеркала плоской, сферической и асферической форм из таких материалов как алюминий и медь, при этом шероховатость обрабатываемой поверхности составляет не более 2 нм [6,7]. В сравнении с классическими станками токарного типа нормального класса точности станки серии БМО способны получать шероховатость Яа 0,8. Станок алмазного точения относится к прецизионному классу точности, что позволяет ему получать шероховатость поверхности не хуже Яа 0,012.
Изготовление оптических деталей с рабочими поверхностями сложной асферической формы. Классические станки по асферизации (такие как Ор11оТеЬс и БаЙБ^Ь) ограничены крутизной линзы выхода полировального инструмента, что значительно снижает возможности выбора порядка и формы асферической поверхности. Благодаря прецизионному станку алмазного точения мы способны изготавливать детали диаметром до 250 мм любой асферической формы.
Киноформные элементы для инфракрасных оптических систем [7]. Сильное поглощение инфракрасного света оптическими материалами резко сужает пере-
чень материалов, которые могут быть на практике использованы в инфракрасной области спектра. Из-за этого возникает проблема исправления инфракрасных хроматических аберраций. Использование киноформ позволяет как скорректировать хроматические аберрации, так и уменьшить количество необходимых оптических элементов в устройствах, работающих в инфракрасной области спектра.
Заключение
Таким образом, технология прецизионного алмазного точения обладает существенными дополнительными возможностями по сравнению с известными технологическими процессами полирования, вакуумной и термопластической формовкой. В частности, эта технология позволяет совместить получение оптического элемента с плоской, сферической или асферической поверхностью и дифракционной структуры на ней в рамках единого непрерывного технологического процесса. При этом обеспечивается получение количественных оптических характеристик элемента, трудно достижимых другими известными методами изготовления.
Благодарности
Автор считает необходимым выразить искреннюю благодарность своему коллеге - В. Л. Парко - за плодотворную совместную работу, а также своему научному руководителю Ю.Ц. Батомункуеву - за полезное обсуждение цели, задач и результатов данной работы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Солк С.В., Сабинин В.Е. Новые области применения технологии алмазного микроточения // Оптический журнал. - 2005. - Т. 72. - № 11. - С. 82-85.
2. Добровольский Г.Г., Саксеев П.Ю. Алмазное микроточение кремния и германия (обзор) // Сверхтвердые материалы. - 2004. - № 1. - С. 46-51.
3. Клименко С. А., Манохин А.С. Термодинамический анализ напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя изделия, обработанного алмазным микроточением // Процессы механической обработки в машиностроении. - 2010. - В. 9. - С. 74-81.
4. Арутюнян В.В., Шевцов С.Е. Формообразование оптических поверхностей методом алмазного микроточения на материалах, применяемых в ИК диапазоне спектра // Контенант. -2013. - Т. 12. - № 2. - С. 60-63.
5. Solk S., Shevtsov S., Iakovlev A. Designing of optical elements manufactured by diamond turning // Proc. of SPIE. - 2000. - V. 4231. - P. 181-188.
6. Черезова Л.А., Михайлов А.В. Применение ионной обработки в нанотехнологиях получения высокоточных поверхностей оптических деталей // Оптический журнал. - 2010. -Т. 77. - № 5. - С. 51-54.
7. Мирошников М.М., Любарский С.В., Любарский Н.Х. Оптические зеркала для космической инфракрасной астрономии // Оптический журнал. - 2010. - Т. 77. - № 4. - С. 36-40.
© Н. А. Гурин, 2022
