Технология прецизионного прессования асферических линз из халькогенидного стекла
Прецизионное прессование линз — это технология изготовления высокоточных оптических элементов (в том числе со сложной геометрией: асферическими, дифракционными поверхностями или free-form) путём компрессионного формования стеклянной заготовки. Иными словами, заготовку нагревают, чтобы стекло стало податливым, а затем прессуют в пресс-форме, после чего сразу получают готовую линзу без последующей шлифовки и полировки.
Процесс прецизионного прессования, как правило, разбит на следующие этапы:
- Сначала готовят пресс-форму, поверхность которой повторяет форму будущей линзы.
- Заготовку из специального стекла (moldable glasses - MG) помещают между двумя пресс-формами.
- Пресс-формы нагревают инфракрасным излучением, чтобы стекло размягчилось до нужной вязкости.
- Затем к заготовке прикладывают контролируемое давление. Этот процесс часто происходит в вакууме или в азотной среде, дабы избежать нежелательных химических взаимодействий.
- После прессования заготовку контролируемо охлаждают. Такое охлаждение помогает снять внутренние напряжения и предотвратить деформацию стекла при остывании.
Схема процесса прецизионного прессования линз
Особый интерес технология прецизионного прессования представляет для изготовления асферических линз, поскольку традиционный метод обработки асферической поверхности (алмазное точение) является достаточно длительным и трудоёмким. Этот интерес усугубляется теми преимуществами, которые имеет асферическая форма линзы перед обычной сферической, ведь, как известно, асферическая кривизна поверхности позволяет лучше скорректировать сферические аберрации и периферический астигматизм, что в свою очередь делает асферические линзы более адаптируемыми к различным потребностям визуализации. Не секрет, что одна хорошо рассчитанная линза с асферикой второго порядка может заменить в объективе две сферические, снизив тем самым его массогабаритные характеристики и улучшив качество изображения.
Сравнение оптических свойств сферической и асферической линз
Важным моментом является и то, что для изготовления асферических линз методом прецизионного прессования подходят не только заготовки из обычного оптического стекла, но и из халькогенидного (халькогенидные стекла – класс аморфных материалов на основе халькогенов серы, селена и теллура), имеющего пропускающую способность в инфракрасном диапазоне. И если в сложных оптических системах диапазона MWIR (3-5 мкм) по-прежнему превалируют германиевые линзы из-за более высокого показателя преломления и низкой дисперсии, то для небольших атермальных объективов с фиксированным фокусным расстоянием диапазона LWIR (8-14 мкм) халькогенидное стекло представляет собой достойную альтернативу германию, поскольку в данном случае халькогенидные линзы способны обеспечивать сопоставимое качество изображения при меньшей массе, лучшей температурной стабильности и существенно более низкой стоимости серийного производства.
Заготовки для прецизионного прессования линз из халькогенидного стекла марки IRG206
Установка прецизионного прессования линз представляет собой достаточно сложный приборный комплекс, включающий в себя следующие компоненты:
- Нагревательные камеры с точным контролем температуры. Часто процесс прессования проводится в вакууме или в среде инертного газа — это нужно, чтобы при высоких температурах (свыше 450 °C) кислород не вызвал деградации поверхности линзы.
- Системы приложения давления (механические или гидравлические прессы).
- Системы охлаждения с контролируемой скоростью, чтобы снять внутренние напряжения в материале.
- Модули автоматизации, отвечающие за загрузку заготовок, смену пресс-форм и мониторинг процесса прецизионного прессования.
- Метрологическое оборудование для контроля качества готовой оптической поверхности.
Таким образом установка прецизионного прессования — это не замкнутая система, а звено в цепочке, которая может работать в связке с другим оборудованием для изготовления оптических деталей, предназначенным для шлифовки/полировки, центрирования и нанесения покрытий.
Оборудование для изготовления оптики | Лазерные Компоненты
Успех процесса прецизионного прессования линз сильно зависит от качества пресс-формы. Её элементы (матрица и пуансон) должны обладать высокой термостойкостью, химической инертностью (это особенно важно для халькогенидных стёкол) и антиадгезионными свойствами, чтобы не было схватывания со стеклом. Данная технология имеет особое преимущество при серийном производстве. Её ключевое превосходство заключается в том, что одна пресс-форма позволяет штамповать сотни линз — это многократно окупает её создание. С помощью такого метода также возможно получение целых массивов линз.