Прецизионное реплицирование всех видов оптических поверхностей — научно-технологическая основа кардинальных преобразований в современном оптическом производстве

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Лукин А.В., Мельников А.Н. Прецизионное реплицирование всех видов оптических поверхностей — научно-технологическая основа кардинальных преобразований в современном оптическом производстве // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 10. С. 42–50. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-42-50

Lukin A.V., Melnikov A.N. Precision replication of all types of optical surfaces—scientific and technological basis for the radical transformation of modern optical production [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 10. P. 42–50. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-42-50

Ссылка на англоязычную версию:

A. V. Lukin and A. N. Melnikov, "Precision replication of all types of optical surfaces—scientific and technological basis for the radical transformation of modern optical production," Journal of Optical Technology. 89(10), 589-594 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000589

Аннотация:

Предмет исследования. Обсуждаются наработки и предлагаемые новации в научно-производственном объединении «Государственный институт прикладной оптики» в области совершенствования технологий прецизионного реплицирования всех видов оптических поверхностей (плоских, сферических, асферических, а также «free-form») в целях обеспечения возможности серийного и массового изготовления так называемых комбинированных оптических элементов (КОЭ) и организации на их основе крупномасштабного выпуска объективов различного назначения для широкой спектральной области. Цель работы — ознакомление отечественного и зарубежного научного технологического сообщества, а также руководителей и технологов оптических предприятий, с новыми предложениями по возможности кардинальных преобразований в современном оптическом производстве на основе реализации усовершенствованной технологии прецизионного реплицирования всех видов оптических поверхностей линз и зеркал. Метод. В основу технологии формообразования рабочих поверхностей оптических элементов всех типов (линз, зеркал, призм и др.) положено прецизионное реплицирование их рабочих поверхностей с высокоточных и аттестованных мастер-матриц в относительно тонких полимерных слоях на подложки из стекла или иных оптических материалов. При этом целесообразно использование смол холодного отверждения, преимущественно, фотополимеризующихся композиций. Основные результаты. Показано, что кардинальное решение проблемы организации серийного и массового производства оптических элементов с рабочими поверхностями любого вида возможно на основе технологии прецизионного реплицирования с использованием полимерных материалов холодного отверждения. Получающиеся при этом комбинированные оптические элементы состоят из стеклянной основы с относительно тонкими одним или двумя слоями полимера, имеющими внешние поверхности заданной формы. Использование малоусадочных полимерных материалов холодного отверждения гарантирует отсутствие у комбинированных оптических элементов термических деформаций, а также их высокую идентичность в каждой партии. Они обладают высокими механическими, термическими и оптическими свойствами «стеклянной» оптики, но при этом себестоимость их серийного изготовления многократно ниже. Нами установлено, что (при соблюдении технологической гигиены) по форме поверхности (N, ΔN), классу чистоты (Р) и параметрам шероховатости (Rz, Ra) реплицированные поверхности идентичны рабочей поверхности породившей их мастер-матрицы. Кроме того, по сохраняемости и стойкости к климатическим воздействиям комбинированные оптические элементы практически не уступают соответствующим «чисто» стеклянным аналогам, что подтверждено результатами многократных комплексных испытаний различных типов комбинированных оптических элементов в течение нескольких лет.Предложена иерархическая система мастер-матриц, включающая эталонные, контрольные и рабочие матрицы, причём эталонные матрицы всегда должны изготавливаться парами: выпуклая и вогнутая (по аналогии со сферическими пробными стёклами). Практическая значимость. В результате резкого роста в последнее время потребностей оптико-электронного приборостроения в объективах различного назначения для широкой спектральной области (смартфоны, планшеты, цифровые фотоаппараты, видеопроекторы, аналитические приборы, тепловизионная аппаратура, системы видеонаблюдения и безопасности, оптические наблюдательные приборы космического базирования и др.) возникла острая необходимость существенного увеличения производительности и снижения себестоимости изготовления базовых оптических элементов. Технологии прецизионной репликации открыли принципиальную и практическую возможности решения этой проблемы.

Ключевые слова:

прецизионное реплицирование, оптические поверхности, комбинированный оптический элемент, асферическая оптика, объективы различного назначения, оптическое производство

Коды OCIS: 240.6700, 160.5470, 230.4040, 220.3630, 220.1250, 090.2890, 220.4610

Список источников:

1. Photonics. Industry Report 2013. Key Data // Электр. дан. EC, 2013. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.photonics21.org/download/ Photonics_industry_report_2013/ photonics_industry_report_2013.pdf.
2. Развитие фотоники в России и мире: Публичн. аналит. доклад / Под рук. д-ра экон. наук И.Г. Дежиной. М.: Битуби, 2016. 432 с.
3. Лукин А.В., Мельников А.Н., Ахметов М.М., Берденников А.В., Гайнутдинов И.С., Жданова А.В., Иванов В.П., Лисова Е.Г., Могилюк И.А. Реплицированная асферическая оптика. Основные аспекты организации серийного и массового производства // Контенант. 2017. Т. 16. № 2. С. 167–172.
4. Лукин А.В., Мельников А.Н. Основные пробные стекла: две новые и актуальные возможности их реализации в оптических технологиях // Фотоника. 2020. Т. 14. № 1. С. 68–74. http://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.68.74 Lukin A.V., Melnikov A.N. Basic test plates: two new and relevant uses in optical technologies // Photonics Russia. 2020. V. 14. No. 1. P. 68–74. http://doi.org/ 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.68.74
5. Лукин А.В., Мельников А.Н. Основные пробные стекла как эталонные мастер-матрицы для серийного и массового производства сферических зеркал и линз // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 8.
С. 49–51. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-08-49-52 Lukin A.V., Mel’nikov A.N. Base test plates as reference master molds for serial and mass production of spherical mirrors and lenses // Journal of Optical Technology. 2020. V. 87. No. 8. P. 485–486. https://doi.org/ 10.1364/JOT.87.000485
6. Окатов М.А., Антонов Э.А., Байгожин А. и др. Справочник технолога-оптика / Под ред. Окатова М.А. СПб.: Политехника, 2004. 679 с.

7. Серова В.Н. Полимерные оптические материалы. СПб.: Изд-во НОТ, 2015. 382 с.
8. Ларионов Н.П., Лукин А.В., Нюшкин А.А., Ходжиев Р.Р. Контроль выпуклых асферических поверхностей с использованием осевых синтезированных голограмм // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 6. С. 45–50. Larionov N.P., Lukin A.V., Nyushkin A.A., Khodzhiev R.R. Monitoring convex aspheric surfaces using axial synthesized holograms // Journal of Optical Technology. 2007. V. 74. No. 6. P. 407–411. https://doi.org/ 10.1364/JOT.74.000407
9. Бейнарович Л.Н., Ларионов Н.П., Лукин А.В. Голографический способ контроля выпуклых асферических поверхностей // А.с. № 721672. Бюл. изобр. 1980. № 10. С. 154.
10. Лукин А.В., Мельников А.Н. Способ изготовления комбинированного оптического элемента // Патент РФ № 2722622. 2020.
11. ГОСТ 2786–82. Стёкла пробные для проверки радиусов и формы сферических оптических поверхностей. Технические условия.
12. ГОСТ 1807–75. Радиусы сферических поверхностей оптических деталей. Ряды числовых значений.
13. Карлин О.Г., Кукс В.Г., Липовецкий Л.Е., Лукин А.В., Мустафин К.С., Хабиров А.З., Хуснутдинов А.Г. Изготовление и контроль асферической оптики. М.: ЦНИИ информации, 1980. 272 с.
14. Максутов Д.Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. М.: Наука, 1984. С. 16–18.
15. Бейнарович Л.Н., Салимова Э.А., Мартынов В.П. Изготовление крупногабаритных зеркал из полимеров методом копирования // Оптико-механическая промышленность. 1971. № 10. С. 41–44.
16. Захаревич Е.М., Шавва М.А. Современные направления и тенденции в области обработки оптических материалов // Лазер-Информ. 2021. № 4 (691). С. 1–3.
17. Агачев А.Р., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Миронова Т.А., Нюшкин А.А., Протасевич Д.В., Рафиков Р.А. Синтезированная голограммная оптика // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 12. С. 23–32. Agachev A.R., Larionov N.P., Lukin A.V., Mironova T.A., Nyushkin A.A., Protasevich D.V., Rafikov R.A. Computer-generated holographic optics // Journal of Optical Technology. 2002. V. 69. No. 12. P. 871–878. https://doi.org/ 10.1364/JOT.69.000871
18. Лукин А.В. Голограммные оптические элементы // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 1. С. 80–87. Lukin A.V. Holographic optical elements // Journal of Optical Technology. 2007. V. 74. No. 1. P. 65–70. https://doi.org/ 10.1364/JOT.74.000065
19. Белозёров А.Ф., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мельников А.Н. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Ч. 1., Ч. 2 // Фотоника. 2014. № 4. С. 12–32; № 5. С. 30–41.
20. Оптический производственный контроль / Под ред. Малакары Д. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.
21. Zwiers R.J.M., Dortant G.C.M. Aspherical lenses produced by a fast high-precision replication process using UV-curable coatings // Applied Optics. 1985. V. 24. № 24. P. 4483–4488. http://doi.org/10.1364/AO.24.004483
22. Wang Q., Zhao Yu., Zhang L., Yu J. New exploration of the optical aspherical replication technique // Proceedings of SPIE. 2010. V. 7655. P. 76551S-1–76551S-5. https://doi.org/10.1117/12.866283
23. Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Антонов А.И. Коррекция хроматизма вариообъективов среднего ИК диапазона // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43. № 4. С. 544–549. http://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-4-544-549