CC BY
265
УДК 681.7.066.3
А.Н. Соснов, М.М. Кузнецов, Н.К. Соснова, Л.А. Канушина СГГА, Новосибирск
МЕТОДЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
В статье рассказывается об основных методах формообразования асферических поверхностей оптических деталей, приводится критический анализ их сильных и слабых сторон.
A.N. Sosnov, M.M. Kuznetsov, N.K. Sosnova, L.A. Kanushina SSGA, Novosibirsk
METHODS OF ASPHERICAL SURFACES GEOMETRY GENERATION FOR OPTICAL DETAILS
The paper presents the main methods of aspheric surfaces geometry generation for optical details. Their advantages and disadvantages are reviewed.
В течение длительного времени пристальное внимание оптотехников привлечено к асферической оптике. Это связано с перспективами значительного сокращения габаритов оптических систем и улучшения их оптических характеристик, за счет использования асферических поверхностей.
Преимущества, которыми обладают оптические системы с асферическими поверхностями, благодаря наличию у них дополнительных, по сравнению с обычной сферической оптикой, расчетных параметров, достаточно широко и давно известны. Еще Декарт, Ньютон, Кассегрен, Грегори занимались исследованием этого вопроса и практически применяли асферические поверхности в своих оптических системах для устранения аберраций и улучшения качества изображения. Однако значительные трудности, связанные со сложностью расчета, изготовления и контроля асферической оптики, долгое время сдерживали и ограничивали ее широкое использование.
В последние годы здесь наметился значительный прогресс, который объясняется двумя обстоятельствами:
- Внедрением в расчетную практику современной электронно -вычислительной техники, что позволило преодолеть трудности, связанные с большим объемом вычислительной работы;
- Совершенствованием известных и разработкой новых методов контроля, благодаря использованию лазеров, разнообразных компенсаторов, анаберрационных точек поверхностей вращения второго порядка, сферических и асферических пробных стекол, применению средств контроля с использованием голографии.
В настоящее время, в нашей стране и за рубежом рассчитано большое количество оптических систем с асферическими поверхностями для телескопов, аэрофотоаппаратов, оптико-волоконных и лазерных линий связи, осветительных устройств микроскопов и проекционных приборов, окуляров, кино - и фотоаппаратов, микрообъективов и других приборов, отличающихся лучшим качеством изображения, повышенными оптическими характеристиками или меньшими габаритами.
Однако и сейчас проблема получения асферической оптики производительными методами с точностью, требуемой от поверхностей, применяемых в оптических системах, еще ждет своего окончательного решения.
Решение рассматриваемой проблемы производится за счет использования методов формообразования асферических поверхностей, основанных на:
- Пластическом изменении формы материала;
- Асферизации путем деформации материала в пределах его упругости;
- Нанесении дополнительного слоя материала;
- Удалении с заготовки избыточного слоя материала.
Последнее направление получения асферической оптики наиболее универсально и имеет широкую область применения. Поэтому к нему привлечено основное внимание технологов и исследователей.
Формообразование требуемой асферической поверхности методами, основанными на этом направлении, достигается благодаря:
- Распределению износа по зонам обрабатываемой поверхности;
- Исследованию геометрических свойств обрабатываемых поверхностей.
Актуальность и перспективность применения методов получения асферических поверхностей, благодаря использованию для этой цели геометрических свойств последних (геометрического формообразования), объясняется возможностями реализации этих методов с помощью плоских и сферических шаблонов и других простейших устройств. Кроме того, методы геометрического формообразования, во многих случаях, могут быть реализованы с использованием притира - метода, который до настоящего времени является в промышленности практически единственным средством получения поверхностей оптической точности (доли мкм).
Известные методы геометрического формообразования основаны на:
- Траекторном копировании;
- Копировании шаблона, контактирующего с заготовкой;
- Взаимном притире заготовки и инструмента;
- Взаимном притире с элементами траекторного копирования.
Траекторное копирование.
Все способы асферизации, относящиеся к этой группе, в конечном счете сводятся к обеспечению принудительного перемещения инструмента по заданной траектории, соответствующей профилю одного из сечений обрабатываемой поверхности.
Большие возможности в реализации этого направления открывает применение разнообразных шаблонов, профиль которых переносится инструментом на обрабатываемую поверхность.
Известны основанные на применении шаблонов станки Пери и Ванштейна, а так же станок Берча, в которых использованы для формообразования дифференциальные свойства обрабатываемых поверхностей. Шаблоном в этих станках служит кулачок с профилем, соответствующем эволюте образующей изготавливаемой поверхности.
Копирование шаблона, контактирующего с заготовкой.
Эти методы обработки, имеющие много общего с методами траекторного копирования, обеспечивают более высокую точность формообразования оптических поверхностей. Увеличение точности здесь достигается благодаря возможности притира заготовки к инструменту - шаблону с помощью связанного или свободного абразива.
Большинство методов, относящихся к этой группе, реализуют условия притира по таким линейным участкам поверхности, которые не изменяют кривизну при перемещении по поверхности.
Н.П. Заказнов и Л.Я. Шевченко предложили выполнить инструмент в виде пространственного шаблона, состоящего из стержней, которые расположены по прямолинейным образующим однополостного гиперболоида вращения. Таким образом, метод обработки с помощью названного инструмента можно отнести к методам использующим для формообразования свойства семейства линий постоянной кривизны на обрабатываемой поверхности. Метод позволяет обрабатывать выпуклые поверхности, эквидистантные двуполостному гиперболоиду вращения.
Взаимный притир.
Несомненно, что исключительные по точности результаты широкого применения в промышленности «классического» метода изготовления сферической оптики определяются, главным образом, совокупностью особенностей его геометрических предпосылок и взаимного притира инструмента и обрабатываемого изделия.
Поэтому одним из развивающихся направлений получения асферической оптики является выявление и использование геометрических свойств обрабатываемых поверхностей для создания условий формообразования асферических поверхностей, аналогичных тем, которыми характеризуется «классический метод».
В настоящее время достаточно широко известен и практически реализован метод обработки асферических поверхностей ножевым инструментом. Метод основан на свойствах плоских, проходящих через фокус сечений поверхностей вращения второго порядка, иметь постоянный радиус кривизны при вершине. В
этом случае, обработка поверхности производится пластиной типа ножа, которая притирается при помощи свободного абразива к поверхности вращающейся заготовки, совершая при этом колебательное движение вокруг оси, перпендикулярной оси вращения заготовки и проходящей через один из фокусов изготавливаемой поверхности.
Взаимный притир с элементами траекторного копирования.
Использование геометрических свойств обрабатываемых поверхностей позволяет построить процессы получения асферической оптики, аналогичные хорошо освоенному в промышленности методу обработки асферических поверхностей путем взаимного притира заготовки к инструменту.
Однако возможности методов геометрического формообразования этим не исчерпываются. Имеются данные, в которых обоснованы пути дальнейшего повышения точности процесса формообразования разнообразных оптических поверхностей, а так же возможности интенсификации этого процесса.
Например, за счет создания таких процессов обработки асферических оптических поверхностей, которые соединяют в себе взаимный притир заготовки и инструмента с элементами траекторного копирования. Последние обеспечивают непрерывную правку во время обработки рабочей поверхности инструмента, сохраняя тем самым ее стабильность, и открывают возможности активного контроля и автоматического управления процессом формообразования обрабатываемой поверхности.
Непрерывная правка инструмента реализуется благодаря использованию для этой цели геометрических свойств семейств линий постоянной кривизны на рабочей поверхности инструмента.
В начале 1980-х годов компания Canon провела исследования и разработки в области литья стеклянных асферических линз с большой апертурой и в 1985 году успешно разработала действующую производственную систему. Эти стеклянные асферические линзы производятся прямым литьем стекла в формовочной машине с использованием асферической металлической формы ультравысокой точности. При этом обеспечивается высокая точность, удовлетворяющая требованиям к качеству сменных объективов для зеркальных камер, а также возможность серийного производства при относительно низких затратах.
В 1990 году компания Canon добавила в свой арсенал четвертую технологию производства асферических линз, разработав технологию копирования асферических линз с использованием смолы, застывающей под действием ультрафиолетового облучения, для формирования асферического слоя на поверхности сферической линзы. При разработке объективов EF эти четыре типа асферических линз обеспечили конструкторам компании Canon исключительную гибкость, позволяя выбирать наилучший тип линз для каждого применения. Асферические линзы особенно полезны для: компенсации сферических аберраций в объективах с большой апертурой, компенсации искажений в широкоугольных объективах, производства высококачественных компактных зум-объективов [1].
Заключение.
Общим свойством, объединяющим все методы геометрического формообразования, является использование для получения асферической оптики особенностей геометрических форм обрабатываемых поверхностей:
- Свойств плоских сечений;
- Инвариантных свойств;
- Дифференциальных свойств;
- Копирование асферических линз с использованием смолы;
- Линий постоянной кривизны на обрабатываемых поверхностях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. [Электронный ресурс]. -Режим доступа
http://www.fotikdv.ru/index.php/2010/03/sverxtochnye-asfericheskie-lmzy/
© А.Н. Соснов, М.М. Кузнецов, Н.К. Соснова, Л.А. Канушина, 2011
