Номенклатура и основы организации производства оптических деталей. Спецобработка оптических деталей

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИАИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедр этт

Реферат

на тему:

«Номенклатура и основы организации производства оптических деталей. Спецобработка оптических деталей»

МИНСК, 2008

Линзы.

Самой распространенной оптической деталью является линза (от немецкого слова «линзе» - чечевица). Линзой называют оптическую деталь, ограниченную двумя преломляющими поверхностями 1 и 2 (рис. 1.4), одна из которых может быть плоской.

Рис. 1. Виды линз

В большинстве случаев линзы ограничены сферическими поверхностями. Линзы могут быть следующих видов: а -- двояковыпуклая, б -- плосковыпуклая, в -- мениск положительный (толщина в центре линзы больше, чем па краю), г -- двояковогнутая, д -- плосковогнутая, е -- мениск отрицательный (толщина линзы в. центре меньше, чем на краю). Линзы видов а, б, в (см. рис. 1) называют положительными или собирающими. У них толщина в центре больше, чем на краю. Линзы видов г, д, е называют отрицательными или рассеивающими. У них толщина в центре меньше, чем на краю.

Линза ограничена также нерабочей цилиндрической поверхностью, ось которой является геометрической осью линзы. Прямую, соединяющую центры С₁ и С₂ сферических поверхностей линзы (см. рис. 1), или перпендикуляр, опущенный из центра С₁ сферы па плоскую поверхность линзы называют оптической осью линзы. Световой луч, проходящий через линзу по оптической оси, не преломляется. Линзу, у которой оптическая и геометрическая оси не совпадают, называют нецентрированной.

Положительная линза собирает падающие на нее параллельные лучи света в одну точку (рис. 2,а). Эта точка лежит на оптической оси и называется главным фокусом линзы F'. Отрицательная линза рассеивает падающие на нее параллельные лучи (рис. 2,6). Если рассеянные линзой лучи продолжить в противоположном направлении, то они сойдутся в фокусе линзы F'.

У положительных линз главный фокус действительный, а у отрицательных - мнимый, так как в нем пересекаются продолжения лучей, а не сами лучи.

Положение главного фокуса относительно линзы оказывает существенное влияние на характер получаемого с помощью линзы изображения и принимается за одну из важнейших характеристик линзы.

Величину характеризующую оптические свойства линзы и равную обратному значению главного фокусного расстояния f, называют оптической силой линзы D=1/f'.

Рис. 2. Ход лучей в линзах

Единица измерения оптической силы -- диоптрия, которая будет у линзы, имеющей главное фокусное расстояние, равное одному метру. Оптическая сила собирающей линзы положительна, а рассеивающей - отрицательная.

Оптическая сила линзы определяется радиусами кривизны ее сферических поверхностей R₁,R₂ и показателем преломления материала линзы n:

D?(n--l)(l/R₁ + l/R₂).

Для выпуклых поверхностей величина радиуса берется со знаком « + », а для вогнутых со знаком « - ». Для плоских поверхностей R = ?.

Растр.

Оптическую деталь, состоящую из большого числа малых линзовых или зеркальных элементов, имеющих - оптическую силу, называют растром. Применение растров в оптических системах привело к созданию разнообразных оптических приборов с совершенно новыми характеристиками. Известны растровые окуляры, объективы, телескопические системы. Простейшей растровой оптической системой, фокусирующей лучи, является линза Френеля, состоящая из кольцевых преломляющих участков.

Пластины.

Пластиной называют оптическую деталь, ограниченную двумя плоскими и параллельными друг другу поверхностями. Пластины применяют в оптических приборах в качестве защитных, покровных и выравнивающих стекол. Пластины из цветных стекол, а также из стекол, имеющих специальные покрытия, используют в качестве светофильтров -- деталей, которые пропускают только свет определенной длины волны.

Если на пластину нанесены штрихи (линии соответствующей формы, цифры или условные знаки), то такую пластину называют сеткой, шкалой или мирой. Их используют для измерения линейных и угловых величин, а также в процессе наблюдения объектов через приборы. Пластины имеют круглую, прямоугольную или любую другую форму.

Зеркала.

Рис. 3 . Плоские зеркала

Зеркалом называют оптическую деталь, ограниченную одной отражающей поверхностью. Эта поверхность может быть плоской, сферической и асферической, т. е. отличающейся от сферы. Зеркало может быть с наружным (рис. 3, а) и внутренним отражением (рис. 3,6). В первом случае луч не проходит через материал зеркала -- наружное отражение света; во втором -- луч проходит через материал зеркала, поэтому поверхность, проводящая луч, должна быть полированной. В первом случае материал может быть как прозрачным, так и непрозрачным; во втором только прозрачным. На прозрачные материалы для улучшения отражения света наносят зеркальные покрытия (на рис. 3 показаны штриховой линией). Эти покрытия представляют собой тонкие слои металлов или диэлектриков.

Призмы.

Призмой называют оптическую деталь с плоскими преломляющими и отражающими поверхностями, образующими между собой двугранные углы. Если угол между преломляющими поверхностями составляет менее 5°, то такую оптическую деталь называют клином.

Призмы разделяют на преломляющие, предназначенные для разложения (дисперсии) света, и отражательные -- для изменения направления оптической оси прибора, оборачивания изображения и разделения пучков лучей.

Отражательные призмы обозначают двумя буквами и числом градусов в угле, на который отклоняется луч после прохождения призмы. Первая буква указывает число отражающих граней: А -- одну, Б -- две, В -- три. Вторая буква характеризует геометрию призмы: Р -- равнобедренная, П -- пента, С -- ромбическая. «Крышу» условно считают за одну грань и обозначают буквой «к» после первой буквы.

Прямоугольная призма с одной отражающей гранью АР-90 (рис. 4, а) изменяет направление хода лучей на 90^о и дает зер-кальное изображение предмета. На рис. 4 стрелочками показано положение предмета и его изображение. Прямоугольная призма с двумя отражающими гранями БР-180 (рис. 4,б) изменяет направление хода лучей на 180°, сохраняя вид изображения. Призма-ромб из двух параллельных преломляющих и двух параллельных отражающих граней БС-0 (рис. 4, в) не изменяет вида изображения и сохраняет направление хода лучей, но смещает при этом оптическую ось системы. Призма Дове, или призма прямого видения из двух преломляющих и одной отражающей граней АР-0 (рис. 4, г), дает зеркальное изображение предмета без изменения хода лучей. Прямоугольная призма с одной отражающей. гранью «крышей» (гипотенузная грань заменена двумя гранями -- «крышей» с прямым углом между ними) АкР-90 (рис. 4, д) изменяет направление хода лучей на 90° и полностью оборачивает изображение -- сверху вниз и слева направо. Пентапризма БП-90 (рис. 4,е) изменяет ход лучей на 90° и дает прямое изображе-ние. Отражающие грани имеют зеркальное покрытие, так как углы падения на них меньше угла полного внутреннего отражения.

Рис. 4. Типы призм

Принцип действия большинства призм основан на явлении полного внутреннего отражения. На границе двух сред свет, падающий под углом i₁, частично отражается под углом i₂ и частично проходит в другую среду с преломлением под углом i₁' (рис. 6) и при достижении определенного i, он полностью отражается, что нашло применение при конструировании призм с отражающими гранями без покрытий и созданию деталей (рис 7.) обеспечивающих прохождение лучей без потерь на большие расстояния.

Рис. 6. Полное внутреннее Рис. 7. Оптический световод отражение

При некотором угле падения i_n угол преломления становится равным i'₁ = 90°, т. е. луч не проходит во вторую среду. Такое явление, при котором свет, падающий на поверхность раздела двух прозрачных сред из оптически более плотной среды, полностью отражается от этой поверхности, называют полным внутренним отражением

Производственный процесс

Производственный процесс -- понятие более широкое, включающее в себя кроме технологического процесса все другие вспомогательные процессы, подготовку производства, контроль, цеховой и заводской транспорт и т.д.

Основным элементом технологического процесса является операция. Операция-это часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте до начала обработки следующей детали. Шлифование, полирование, промывка, нанесение фасок, центрирование, нанесение покрытия -- это все отдельные операции изготовления оптической детали. Каждая операция может состоять из нескольких переходов.

Переход -- это часть операции, в течение которой обрабатывают одну и ту же поверхность детали, одним и тем же инструментом, при неизменном режиме работы станка. Например, шлифование сферической поверхности линзы на шлифовально-полировальном станке осуществляют в несколько переходов: абразивами № 6, М28, М10. Полирование этой сферической поверхности хотя и производят на том же станке, но такой вид обработки является другой операцией, так как выполняется другим инструментом (полировальником) и при других режимах. Все операции и переходы осуществляют с применением некоторых приемов. Прием -- совокупность отдельных движений в процессе выполнения работы: пуск станка, его останов, включение подачи СОЖ и т. д.

Рабочее место -- это часть производственной площади, закрепленной за рабочим и оснащенной оборудованием, оснасткой, инструментами, тарой и т.д. для выполнения заданной операции.

Разработка технологического процесса.

Для разработки процесса изготовления какой-либо оптической детали необходимо иметь чертеж оптической детали, содержащий все требования к детали, чертеж заготовки, характеристику имеющегося на предприятии оборудования, размер партии выпускаемых изделий и руководящие технические материалы. Разработка технологического процесса должна обеспечивать изготовление качественных деталей, высокую производительность и безопасность труда, наименьшую себестоимость выпускаемой продукции.

Основными документами, отражающими технологический процесс, являются технологические карты, маршрутные и операционные, В маршрутной карте указывают перечень всех операций технологического процесса в порядке их выполнения. Операционную карту составляют отдельно на каждую технологическую операцию. Основным в этой карте является эскиз обработки детали. Деталь вычерчивают в том виде, в котором она получается после завершения данной операции. На эскизе должны быть проставлены все выдерживаемые размеры, классы точности, допуски, посадки, шероховатость обработки и другие необходимые требования. Все другие сведения (режимы обработки, нормы времени, шифр станка, инструмент и т. д.) указывают в соответствующих графах карты.

Для контрольных операций составляют специальные карты контроля, которые помещают в тех местах процесса, где группа ранее выполненных операций должна подвергаться проверке. Порядок контроля и предусмотренные для этого измерительные инструменты указывают в соответствующих графах карты.

Существует три системы технологических процессов: индивидуальные, типовые и групповые. Индивидуальные технологические процессы разрабатывают в условиях массового и крупносерийного производства для каждой детали отдельно и предусматривают также разработку всего комплекса технологической оснастки для обрабатываемой детали.

Типовые технологические процессы разрабатывают для деталей одного класса, близких по конструкции, размерам, точности и общности их производства. Например, прямоугольные призмы биноклей различных названий имеют небольшие конструктивные особенности и составляют один класс деталей. В типовой процесс включают основные элементы конкретного технологического процесса: крепление детали в приспособлении, последовательность операций, тип оборудования и оснастки и т.д. На основе типового технологического процесса можно составить конкретный процесс любой детали данного класса. Типовые процессы сокращают сроки подготовки производства, их применяют для серийного и мелкосерийного производства.

В групповых технологических процессах за основу берут не отдельную деталь, а группу технологически сходных деталей. Сам технологический процесс разрабатывают для комплексной детали, отвечающей всем требованиям группы деталей. Групповые процессы используют в мелкосерийном производстве.

Базирование при обработке оптических деталей

При конструировании, изготовлении и сборке оптических деталей большое значение имеют базовые поверхности или сокращенно базы. Базами называют поверхности, относительно которых определяют положение других поверхностей. Базы могут быть реальными, к которым относят действительно существующие, не воображаемые, поверхности детали, и условными, представляющими геометрические элементы детали -- осевые линии, биссектрисы углов и т. д. Различают конструкторские, сборочные, установочные и измерительные базы.

Конструкторской базой называют поверхность, линию и точку, определяющие взаимную связь и положение элементов детали относительно других се поверхностей. Эти базы могут быть реальными и условными. От них на чертежах проставляют основные размеры. Например, для линз такими базами являются полированные сферические или плоские поверхности и оптическая ось линзы.

Сборочной базой называют поверхность или совокупность поверхностей, линий и точек, с помощью которых деталь ориентируют относительно других деталей при сборке. У линз, входящих в оптическую систему прибора, это боковые цилиндрические поверхности, предназначенные для крепления их в оправе, и сами полированные поверхности линз, в которые упираются торцы промежуточных колец и втулок.

Измерительной базой называют поверхность, от которой производят отсчет размеров. В оптике эти базы чаще всего совмещены с поверхностями, которые контролируют пробными стеклами на сферометрах или интерферометрах.

Установочная база (или базирующийся элемент) - это поверхность, линия и точка, ориентирующие заготовку при обработке относительно инструмента. Придаваемое заготовке положение называют базированием. Установочная база может быть основной и вспомогательной. Основной установочной служит база, используемая при сборке прибора. Например, сферическая поверхность линзы может применяться в качестве базы при обработке и сборке. Вспомогательной установочной называют базу, которая предназначена только для установки детали в процессе ее обработки и не служит в качестве базы при сборке. Например, боковая поверхность призмы, которую используют для крепления при установке в прибор.

Установочные и измерительные базы часто называют технологическими, так как их применяют в технологических процессах изготовления деталей при обработке и контроле. По месторасположению в технологическом процессе установочные базы могут быть черновыми, чистовыми и дополнительными. Черновая технологическая, база служит для выполнения первой операции при креплении на необработанную поверхность заготовки. Чистовую технологическую базу используют для установки детали по ранее обработанной поверхности. Дополнительные технологические базы -- это части детали, необходимые для улучшения и упрощения установки ее на станке или в приспособление. Обычно к таким базам относят дополнительные грани, углубления сложных по форме деталей и многогранных призм.

Выбор технологических баз -- ответственная задача технолога или рабочего, при осуществлении которой необходимо руководствоваться следующими требованиями:

Базовые поверхности должны иметь достаточную протяженность, для обеспечения устойчивого положения детали при се обработке и контроле.

Черновую базу необходимо использовать только для выполнения первой операции. Если все поверхности детали механически обрабатываются, то в качестве черновой базы рекомендуется применять поверхность с наименьшим припуском.

Следует стремиться к выполнению принципа совмещения баз. Установочную измерительную и сборочную базы по возможности необходимо совмещать, это обеспечивает получение наименьших погрешностей при обработке и контроле детали.

Специальная обработка оптических деталей

К специальной обработке оптических деталей относятся следующие операции:

1) нанесение просветляющих пленок с целью уменьшения количества отраженного света от полированных поверхностей (просветление);

2) нанесение отражающих слоев с целью увеличения количества отраженного света (серебрение, алюминирование);

3) нанесение сеток и шкал с целью» получения масштабной шкалы для наблюдения «предмета совместно со шкалой или сеткой, т.е. для определения размеров предмета;

4) нанесение пленок определенной толщины с целью получить пропускание или поглощение света в той или иной области спектра (изготовление специальных интерференционных фильтров).

Ряд специальных операций требует применения концентрированных щелочей и кислот, ртути, специальных растворителей, а также работы с высокими напряжениями, вакуумом, электролитом и пр. Поэтому к такой работе допускаются лица, прошедшие соответствующий инструктаж, относящийся непосредственно к выполняемой работе, и освоившие ее.

Просветление. Полированная поверхность стекла в зависимости от ее марки отражает от 4 до 9% падающих на нее лучей. При большом количестве поверхностей в приборе потери доходят до 80%.

Просветление снижает отражение во много раз. Этим увеличивается количество проходящего света, уменьшается количество рассеянного света, устраняются блики; изображение становится контрастнее.

Просветление может быть химическим и физическим. Химическое основано на химическом взаимодействии стекла с растворами кислот и солей (травление). Основной способ -- капельно-центробежный, заключающийся в нанесении на поверхность детали покрытий из растворов пленкообразующих веществ, например кремнезема, титана. При этом способе промытую и обезжиренную деталь вращают в специальном зажимном патроне станка для просветления со скоростью, установленной технологическим процессом (примерно от 1000 до 12 000 об/мин, что зависит от диаметра детали) и наносят на центр детали каплю раствора определенной концентрации. Операция длится несколько секунд.

Годные пленки упрочняются высушиванием в термостате (повышается механическая и химическая прочность).

Теория и опыт показали, что сочетание нанесения пленки сначала с n_D большим чем у стекла, потом с n_D меньшим, коэффициент отражения можно уменьшить до 0,8%.

Применяется однослойное и многослойное просветление.

Физический способ состоит в термическом испарении и конденсации под специальным колпаком в вакууме наносимого вещества или его катодном распылении на поверхность просветляемой детали. При этом способе достигаются самые наименьшие коэффициенты отражения. Получаемая пленка менее прочна, чем при химическом способе. Однако в настоящее время уже разработаны методы более прочного физического покрытия с подогревом.

Отражающие покрытия. Покрытие зеркал может быть передним или задним, сплошным или полупрозрачным. В качестве материала такого покрытия могут быть использованы серебро, алюминий, хром и т. п.

Процесс серебрения в основном состоит из следующих операций: подготовка поверхности к серебрению; приготовление серебрящего раствора, восстановление металлического серебра, нанесение защитных покрытий.

Для подготовки поверхности используют концентрированную азотную кислоту, 20-процентный раствор щелочи, фильтрованную воду и двухлористое олово (SnCl₂ -- 0,1 -- 0,05%-ный раствор). Серебрящий раствор обычно получают смешиванием двух различных растворов, изго-товленных отдельно (раствор аммиачной комплексной соли серебра и раствора восстановителя). Толщина пленки 0,3--0,5 мкм. Пленка малоустойчива к атмосферным воздействиям.

После серебрения детали промывают дистиллированной водой и высушивают струей сжатого фильтрованного воздуха. Применяют также способ полива и капельно-центробежный способ. Затем слой серебра последовательно покрывают слоем меди в специальных ваннах (электролит) и бакелитового лака. Покрытие лаком может производиться в два слоя. Упрочняют слой сушкой на воздухе и термической обработкой. Коэффициент отражения серебряных зеркальных покрытий должен быть не ниже 88%.

Серебреные зеркала с передним (наружным) отражением применяют редко, так как они очень быстро окисляются в атмосфере воздуха. Защита их специальными пленками пока малоэффективна. Для нанесения отражающих покрытий физическим путем под специальный колпак помещаются на вольфрамовой спирали кусочки материала покрытия, например алюминия, хрома и др. Обработка поверхности производится так же, как и при физическом просветлении: предварительное разрежение откачкой воздуха, обработка электрическим разрядом, создание необходимого вакуума, испарение материала покрытия, подача воздуха и выгрузка деталей. Поверхности алюминированных деталей можно защитить специальными покрытиями, достаточно стойкими против атмосферных воздействий, а защиты хромированных деталей не требуется.

Светоделительные покрытия. Эти покрытия разделяют световой поток на отражаемый и пропускаемый. Применяемые материалы -- металлы (серебро, алюминий, хром, никель) и неметаллические соединения (сернистый цинк).

Покрытия-фильтры. Применяют для ослабления света без изменения его спектрального состава (нейтральные фильтры).

Многослойные (интерференционные) фильтры применяют для выделения нужного монохроматического света, имеющего вполне определенный цвет.

Токопроводящие покрытия. Для того чтобы оптические детали не запотевали или не замерзали, что ухудшает видимость при особых условиях работы прибора, применяют токопроводящие покрытия, которые при пропускании через них тока подогревают детали.

Процесс нанесения таких покрытий заключается в нанесении слоя окислов олова и образования на этом слое контактов для присоединения электропроводов.

Защитные покрытия. Для предохранения поверхности стекла от разрушения, образования налетов, биологических влияний и т. д. наносятся специальные покрытия, которые должны обладать высокой химической и механической прочностью, но не менять оптических свойств стекла. Так, например, стекла некоторых марок обрабатывают слабым водным раствором уксусной кислоты и расплавленным парафином (кислотопарафиновая защита) и др.

Изготовление сеток. Сетки -- плоскопараллельные пластинки с нанесенными на них перекрестиями, шкалами или иными знаками, по которым производят наводку прибора на объект (визирные сетки) или его измерения (измерительные сетки). В зависимости от типа и назначения сетки деления на них наносят следующими способами:

1. Нарезанием алмазным резцом на делительной машине. Получают тонкие штрихи (свыше 1500 на 1 мм) для специальных целей (дифракционные решетки и др.).

2. Травлением в парах плавиковой (фтористоводородной) кислоты обрабатываемой поверхности с нанесением на ней по защитному слою воска делениями, цифрами и знаками. Деления наносят специальными стальными резцами на делительных машинах, а цифры и знаки - на копировальных машинах (пантографах). После снятия защитного покрытия, остаются штрихи на незащищенных участках стекла.

3. Методом фотографирования. Конфигурация шкалы в большом масштабе с большой точностью вычерчивается на листе ватмана. С чертежа в нужном масштабе снимается негатив, который затем печатается контактным или другим способом на сетке, покрытой специальной фотоэмульсией.

4. Путем фотографирования и печати с дополнительной химической и термической обработкой (фототравление) позитива рисунок не только фиксируется на стекле, но и протравливается.

Штрихи сеток, если требуется, покрываются (запускаются) специальной краской нужного цвета (запуск) или светящимся составом.

5. Методом фотолитографии, путем нанесения на покрытые позитивным или негативным фоторезистом подложки по программе светового контура сетки, и в зависимости от последующей химической и термической обработки получать его светлым на темном фоне или темным на светлом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник технолога-оптика под редакцией М.А. Окатова, Политехника Санкт-Петербург, 2004. - 679 с.

2. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и оптических систем. М. Логос, 2000. - 581 с.

3. Апенко М.И., Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Задачник по прикладной оптике, Высшая школа, 2003. - 591 с.