CC BY
67
УДК 65.015.13
ОБ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛЯ СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА СПЕКТРА
Виктор Сергеевич Ефремов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оп-тотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: ews49@mail.ru
Диана Георгиевна Макарова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: diana_ssga@mail.ru
В статье рассмотрена возможность оптимизации формообразования оптических поверхностей для субмиллиметрового диапазона спектра на основе критериев качества изображения, допусков на изготовление и трудоемкости для некоторых материалов прозрачных в субмиллиметровом диапазоне спектра.
Ключевые слова: технология, формообразование, субмиллиметровый, допуски размеров, формы, расположения, шероховатости, трудоемкость.
ABOUT OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL PROCESS FORMING OF OPTICAL SURFACES FOR THE SUBMILLIMETRIC RANGE OF THE SPECTRUM
Victor S. Efremov
The Siberian state university of geosystems and technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Science, Associate Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383)343-91-11, e-mail: ews49@mail.ru
Diana G. Makarova
The Siberian state university of geosystems and technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., the post-graduate student faculty Nanosistem and optotechnics, tel. (383)343-22-11, e-mail: diana_ssga@mail.ru
In paper possibility of optimization forming of optical surfaces for a subcross-section range of a spectrum surveyed on the basis of criteriaa of performance of the map, manufacturing tolerances and complexity for some materials transparent in a subcross-section range of a spectrum.
Key words: Technology, forming, submillimetric, admissions of the sizes, forms, arrangements, roughnesses, labour input.
В настоящее время для получения оптических поверхностей применяют следующие способы формообразования:
- точение, фрезерование, шлифовка или полировка;
- прессование или отливка из пластического или вязкого материала;
- пластическое изменение формы исходных поверхностей давлением или нагреванием заготовки в определенных пределах;
- нанесение на исходную поверхность слоя дополнительного слоя вещества, распределенного по поверхности в соответствии с определенным законом, путем напыления, наплавления или нанесением гальванического покрытия.
Свои преимущества и недостатки имеет каждый из этих методов. Выбор способа зависит от ряда факторов, в том числе - от требуемой точности изготовляемой детали.
Наиболее перспективными из известных способов при массовом изготовлении деталей среднего уровня точности можно считать прессование и полимеризацию из пластических материалов. Основным недостатком этих методов являются ошибки, возникающие из-за усадки материала во время полимеризации или прессования, а также искажение поверхностей с течением времени (в процессе естественного старения).
На выбор технологии формообразования оптической поверхности детали в СМД спектра влияет несколько факторов:
- первый определяется серийность изготовления деталей;
- второй определяется областью «прозрачности» материала. В отличие от визуального спектра в СМД диапазоне пропускают излучение оптические материалы с разными физическими свойствами (металлы, кристаллы, стекла, пластики) технологии обработки, которых могут не совпадать;
- физические свойства материалов влияют на допуски изготовления поверхностей, которые могут лежать в широком диапазоне значений;
- длины волн, на которых рассчитываются допуски для изготовления и контроля оптических деталей отличаются на три порядка от визуального диапазона.
Как известно, точность изготовления детали определяется четырьмя типами допусков:
- допуском размера (радиуса сферической поверхности - К),
- допуском формы (отступлением формы поверхности от сферы - ЛК),
- допуском расположения (децентрировка - С и наклон сферической поверхности),
- допуском шероховатости (высота микронеровностей сферической поверхности - Яа или Кг).
Анализ влияния допусков на качество изображения показывает, что первые три допуска определяются параметрами качества изображения (например, размером аберрационного кружка, концентрацией энергии в пикселе ФПУ и т.д.), а четвертый - шероховатость, определяется из соображений обеспечения максимального пропускания излучения для конкретного оптического материала.
Существует несколько методов назначения допусков: подобия, прецедентов и расчетный. Наиболее рациональный, а для новых разработок единственно применимый - расчетный метод. Для расчета допусков проведем моделирование с помощью пакета прикладных программ (ППП) «7ешах».
Для моделирования выберем одиночную линзу в воздухе при падении на нее параллельного пучка лучей. Линзы из разных оптических материалов при одинаковых оптических параметрах должны иметь одинаковое значение крите-
рия качества изображения. В качестве критерия качества изображения выберем RMS - среднеквадратический размер пятна рассеяния. Это хороший критерий оценки качества систем не достигающих «дифракционного», т.е. более одной длины волны.
Выбор материала линзы обусловлен величиной показателя преломления материала для Х=200мкм из интервала значений от 1,5 до 4. Полиэтилен (n=1,5137), кварц кр. (n=2,1170), кремний (n=3,4165). Разделение материалов по показателю преломления хорошо разделяет материалы по физическим свойствам на пластики, оптические кристаллы и металлы полупроводники. Физические свойства материалов определят технологии формообразования оптических поверхностей. На рис.1 приведены оптическая схема исследуемой оптической детали и ее характеристика качества изображения RMS.
1ИН: -0.000 ИМ
а б
Рис. 1. Одиночная линза в воздухе: а - оптическая схема, б - RMS
Допуск шероховатости Ra определялся из соображений получения минимального отражения от шероховатой поверхности. В работе [2] были предложены соотношения связывающие коэффициент отражения от поверхности (R) с длиной волны излучения (А).
R = R0- Rd, Rd= R0 AnRq 2Д2 (1)
В отечественной практике в место параметра шероховатости Rq используется параметр Ra (среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости), связь между которыми дана в работе [3].
R=Rj(2) Подставив (2) в (1) получим выражение для R от Ra и А.
R = R0 1-8tt3R2JX2 , R= у1Л2/8тг3
Для рассматриваемого случая при Х=200мкм Ra = 12,5мкм.
Результаты расчетов приведены в табл.
185
Таблица
Конструктивные параметры линз и допуски на изготовление оптических поверхностей
Конструктивные параметры линз
Материал оптический Полиэтилен Кварц кр Кремний
п Х=200мкм 1,5137[1] 2,1170 [1] 3,4165 [1]
^ 59,75 83,50 96,12
R2 -355,73 320,53 153,74
S'r 94,50 94,73 94.76
I' 99,99 99,98 99,99
Радиус диска Эри, мкм 1173 1204 1213
RMS, мкм 160 160 160
Допуски на изготовление оптических поверхностей линз
ДR1, мкм 2564 2742 1694
ас х N1 Х=200мкм 0,8 0,6 0,3
р е ■ Х=0,6328мкм 248 190 89
со о п ^1, мкм 8 21 3
5 в Д^1 Х=200мкм 1,0 0,6 0,3/
ДN1 Х=0,6328мкм 310 183 87
и И С, мкм 6428 11021 7453
ДR2, мкм 100096 47156 4797
ас х N2 Х=200мкм 0,8 0,6 0,3
р е ■N2 Х=0,6328мкм 260 195 90
со о Дz2, мкм 675 764 7
п 5 р о Х=200мкм 0,9 0,5 0,3/
Д^2 Х=0,6328мкм 296 177 86
Н 03 С, мкм 26769 31985 9502
Ra, мкм 12,5
н/ч 0,1 0,1 0,2
Ra ^ 0,05), мкм 0,01
н/ч 0,6 0,6 0,7
Техпроцесс формообразования поверхности Литье Алмазное фрезеров. Точение
Для экономической обоснованности упрощение технологического процесса представлены данные времени на обработку детали в нормо-часах для разных шероховатостей поверхности Ra 12,5 и Ra 0,01 [4].
Поскольку значения допусков на изготовление довольно велики, то можно сделать вывод о возможности исключения из процесса формообразования оптической поверхности таких трудоемких операций как шлифование и полирование. Необходимое качество изображения достигается при шероховатости поверхности Ra 12,5.
На рис. 2 представлены графики допусков и норм времени для изготовления первой поверхности линзы с учетом материала и технологии формообразования.
мкм AR, Az, C, Ra
20000
2000
200
20
2
1,5 2
-AR1, мкм
- -Ra
2,5
•Az1, мкм •н/ч Ra 12,5
н/ч 0,79
0,69
0,59
0,49
0,39
0,29
0,19
0,09
3,5
n
С, мкм н/ч Ra 0,01
3
Рис. 2. Значения допусков и норм времени для изготовления первой поверхности линзы с учетом материала и технологии формообразования
Выводы:
- разработка оптической элементной базы для субмиллиметрового диапазона спектра требует оптимизации технологии формообразования преломляющих поверхностей с учетом свойств материалов и серийности производства;
- величины допусков позволяют использовать на первом этапе формообразования поверхностей операции точение, фрезерование и горячее прессование;
- оптимизация технологического процесса при изготовлении деталей СМД диапазона спектра снижает трудоемкость примерно в два-три раз.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ефремов В. С., Макарова Д. Г. Применение дисперсионных формул материалов в субмиллиметровом диапазоне длин волн // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. (1) 17. - С. 122-132.
2. Bennett, H. E.Relation Between Surface Roughness and Specular Reflectanceat Normal Incidence [Text] / H. E. Bennett, J. 0. Porteus // JOSA.-1961.-Vol.51.-№2.-S. 123-129.
3. Овчинников С. С., Тымкул В. М., Кузнецов М. М. Оптический способ контроля шероховатости поверхности // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Ме-ждунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. - С. 282-285.
4. Соболев, С.Ф. Методические указания по разработке технологических процессов изготовления деталей механической обработкой [Текст] / С.Ф. Соболев, Ю.П. Кузьмин. - СПб : СПбГУ ИТМО, 2007. - 118с.
© В. С. Ефремов, Д. Г. Макарова 2015
