RU2018431C1

RU2018431C1 - Method of manufacturing metal optical members

Info

Publication number: RU2018431C1
Authority: RU
Inventors: В.Б. Знаменский; В.В. Арутюнян
Original assignee: Арутюнян Владимир Васильевич; Знаменский Вадим Борисович
Priority date: 1989-06-05
Filing date: 1989-06-05
Publication date: 1994-08-30

Abstract

FIELD: instrumentation in particular, optical instrument-making industry. SUBSTANCE: method involves cutting metal optical member workpiece so that the values of linear thermal expansion coefficient of metal in the plane of optical surface of member to be manufactured are unequal in all directions. To do that, the workpiece is cut in the direction parallel to that of rolling. Then mechanical and thermal treatment are conducted with the following aging, grinding, polishing and quality control of optical surfaces of member manufactured. EFFECT: high quality of optical surfaces and enhanced reliability in operation. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для создания металлооптических элементов (плоские, сферические и асферические зеркала, многогранные отражатели, решетки и т.п.), входящие в состав оптических схем глубокоохлаждаемых оптико-электронных приборов различного назначения и работающих при криогенных и более низких температурах. The invention relates to optical instrumentation and is intended to create metal-optical elements (flat, spherical and aspherical mirrors, multifaceted reflectors, gratings, etc.) that are part of the optical circuits of deep-cooled optical-electronic devices for various purposes and operating at cryogenic and lower temperatures .

При расчете и построении оптических схем приборов учитывается, что в результате прохождения оптической системы излучением, падающим под большими углами или асимметрично относительно ее оптической оси, сферическая волновая поверхность излучения может деформироваться. Возникновение астигматизма волнового фронта излучения приводит к ухудшению разрешающей способности прибора. Астигматизм, как правило, исправляют таким подбором дополнительного оптического элемента, чтобы этот элемент (цилиндрическая линза, тороидальное зеркало, решетка и т.п.) обладал астигматизмом требуемой величины и противоположного направления и при введении в рассматриваемую оптическую систему компенсировал ее астигматизм. When calculating and constructing optical circuits of devices, it is taken into account that as a result of the passage of the optical system by radiation incident at large angles or asymmetrically with respect to its optical axis, the spherical wave surface of the radiation can be deformed. The occurrence of radiation wavefront astigmatism leads to a deterioration in the resolution of the device. Astigmatism, as a rule, is corrected by selecting an additional optical element so that this element (a cylindrical lens, a toroidal mirror, a grating, etc.) possesses astigmatism of the required magnitude and opposite direction and, when introduced into the optical system under consideration, compensates for its astigmatism.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления оптических элементов с торическими поверхностями [1], заключающийся в изготовлении заготовки, механической и термической обработке, старении, шлифовке, полировке и контроле качества поверхности зеркала. Основным недостатком этого способа является сложность и трудоемкость формообразования астигматической поверхности, требующая изготовления специальной оснастки и нетрадиционных приемов обработки. Еще более существенным недостатком является негарантированность стабильности формы оптической поверхности при работе в условиях глубокого вакуума и криогенных температур. Closest to the proposed is a method of manufacturing optical elements with toric surfaces [1], which consists in the manufacture of blanks, mechanical and heat treatment, aging, grinding, polishing and quality control of the mirror surface. The main disadvantage of this method is the complexity and the complexity of the formation of the astigmatic surface, which requires the manufacture of special equipment and non-traditional processing techniques. An even more significant drawback is the lack of guarantee of the stability of the shape of the optical surface when operating in high vacuum and cryogenic temperatures.

Целью изобретения является получение стабильной по астигматизму формы оптической поверхности элементов, работающих в условиях вакуума и криогенных температур. The aim of the invention is to obtain astigmatism-stable forms of the optical surface of elements operating under vacuum and cryogenic temperatures.

Цель достигается тем, что в способе изготовления металлооптических элементов, заключающемся в том, что изготавливают заготовку, осуществляют ее механическую и термическую обработку, старение, шлифование, полирование и контроль качества оптической поверхности элемента, заготовку элемента вырезают так, что значение термического коэффициента линейного расширения металла параллельно плоскости оптической поверхности изготавливаемого элемента. The goal is achieved by the fact that in the method of manufacturing metal-optical elements, which consists in the manufacture of a preform, its mechanical and heat treatment, aging, grinding, polishing and quality control of the optical surface of the element, the preform of the element is cut so that the value of the thermal coefficient of linear expansion of the metal parallel to the plane of the optical surface of the manufactured element.

В процессе экспериментальных исследований динамики изменения формы оптической поверхности сферических и асферических металлооптических элементов, изготовленных из металлов и их сплавов при их глубоком охлаждении, была выявлена взаимосвязь формы оптических поверхностей, работающих в условиях вакуума и криогенных температур, от физико-химических свойств собственно металлической заготовки. Вопреки ожидаемому высококачественные сферические и асферические зеркала, изготовленные по технологическому процессу, предусматривающему весь комплекс операций старения, отжига и термообработки с качеством оптической поверхности ( σ_w = 0,1λ ), в условиях глубокого вакуума и охлаждения повели себя аномально. Так, например, форма их оптических поверхностей ухудшилась в 10-15 раз (фиг.1, кривая 1). В результате многократно проведенных экспериментов однозначно было показано, что причина этого в анизотропии термического коэффициента линейного расширения заготовки.In the process of experimental studies of the dynamics of the shape of the optical surface of spherical and aspherical metal-optical elements made of metals and their alloys during their deep cooling, the relationship between the shape of optical surfaces operating under vacuum and cryogenic temperatures, on the physicochemical properties of the metal billet itself was revealed. Contrary to what is expected, high-quality spherical and aspherical mirrors manufactured by a technological process that provides for the whole range of aging, annealing, and heat treatment operations with optical surface quality (σ _w = 0.1λ) behaved abnormally under conditions of high vacuum and cooling. So, for example, the shape of their optical surfaces worsened 10-15 times (Fig. 1, curve 1). As a result of repeated experiments, it was unequivocally shown that the reason for this is the anisotropy of the thermal coefficient of linear expansion of the workpiece.

Заготовку зеркала из алюминиевого сплава 1201 нарезают из плиты таким образом, что направление оси будущего зеркала было перпендикулярно плоскости проката плиты. В этом случае направление анизотропии термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) сплава лежит в плоскости оптической поверхности изготавливаемого зеркала. Затем осуществляют традиционные для изготовления металлооптических элементов технологические операции: выполняют токарную обработку заготовки зеркала, механическую и термическую обработки, старение, термоциклирование, шлифование, полирование. В данном случае выполняют несколько циклов обработки, отжига и закаливания при разных температурах (нагрев до (535 ±5)^оС в течение часа и охлаждение, затем нагрев до 185-195^оС в течение 20-36 ч с охлаждением и последующим повышением температуры до 280-290^оС в течение 20-35 мин, охлаждением и вновь повышением температуры до (120 ±5)^оС, поддержанием этой температуры в течение 4-6 ч с последующим охлаждением элемента вновь до комнатной температуры. Термоциклирование будущего зеркала проводят с охлаждением до температур жидкого азота и жидкого гелия и последующими нагревом и охлаждением до комнатной температуры. В дальнейшем выполняют полировку зеркала, один термоцикл по описанному режиму и осуществляют контроль состояния оптической поверхности зеркала.The billet of the mirror made of aluminum alloy 1201 is cut from the plate in such a way that the direction of the axis of the future mirror is perpendicular to the plane of rolling of the plate. In this case, the direction of anisotropy of the thermal coefficient of linear expansion (TEC) of the alloy lies in the plane of the optical surface of the manufactured mirror. Then, the technological operations traditional for the manufacture of metal-optical elements are carried out: they perform turning of the mirror blank, mechanical and thermal processing, aging, thermal cycling, grinding, polishing. In this case, perform several processing cycles, annealing and tempering at different temperatures (the heating before (535 ± 5) ^{° C} for one hour and cooled, then heated to 185-195 ^C for 20-36 h with cooling and consequent increase in temperature to 280-290 ^C for 20-35 min, and again cooled to a temperature increase (120 ± 5) ^{° C,} maintaining this temperature for 4-6 hours, followed by cooling the element to room temperature again. Thermocycling was performed with a mirror future cooling to temperatures of liquid nitrogen and liquid helium and the last heating and cooling to room temperature, then polishing the mirror, one thermal cycle according to the described mode, and monitoring the state of the optical surface of the mirror.

Контроль качества формы оптической поверхности сферических и асферических металлических зеркал проводился на криовакуумном стенде с помощью неравноплечного интерферометра типа Физо. Интерференционная картина формировалась при взаимодействии двух фронтов от одного источника на длине волны λ = 0,6328 мкм излучения, один из которых отражался от эталонной полупрозрачной поверхности, а другой - от исследуемой поверхности. Качество поверхности зеркала контролировалось в нормальных условиях вне вакуумной камеры стенда. После установки зеркала в камеру проводился повторный контроль. Это позволяло исключить появление возможных искажений поверхности зеркала при закреплении его в испытательном оборудовании и установка термометров сопротивления ТСУ-2, по результатам показаний которых определялась температура на зеркале и в камере. Влияние вакуума и охлаждения оснастки на эталонную поверхность находилось в пределах погрешностей интерферометра (0,08 λ ). Градиентов температуры в направлении радиусов зеркала, отстоящих друг от друга на 120^о, в пределах точности регистрации температуры (0,5^оС) в течение всего процесса охлаждения не было установлено. Достигнутые значения температуры на зеркале поддерживались стабильными с точностью ±1^оС.The quality control of the shape of the optical surface of spherical and aspherical metal mirrors was carried out on a cryovacuum bench using a non-shoulder Fizerot type interferometer. An interference pattern was formed during the interaction of two fronts from one source at a wavelength of λ = 0.6328 μm of radiation, one of which was reflected from the reference translucent surface, and the other from the surface under study. The surface quality of the mirror was controlled under normal conditions outside the vacuum chamber of the stand. After installing the mirror in the camera, a second control was carried out. This made it possible to exclude the occurrence of possible distortions of the mirror surface when fixing it in test equipment and the installation of TSU-2 resistance thermometers, the results of which determined the temperature on the mirror and in the chamber. The effect of vacuum and tooling cooling on the reference surface was within the error range of the interferometer (0.08 λ). Temperature gradients in the direction of the mirror radii spaced from each other at ^120, within the accuracy of registration of temperature (0.5 ° ^C) during the cooling process has not been ascertained. The achieved temperature values on the mirror were kept stable with an accuracy of ± 1 ^о С.

Оценка качества оптической поверхности зеркала проводилась на величине среднеквадратичного отклонения σ_w между волновыми фронтами излучения, отраженными от эталонной поверхности и поверхности исследуемого зеркала. Для исключения влияния формы и конструкции зеркала на результаты исследований все зеркала, подвергнутые контролю, были одинаковой конструкции и имели одинаковые геометрические параметры: диаметр 170 мм с радиусом кривизны отражающей поверхности 500 мм. Все технологические операции, связанные с изготовлением зеркал из алюминиевого сплава 1201, были идентичными. Это позволило проследить за влиянием метода изготовления заготовки на качество зеркала.The quality of the optical surface of the mirror was evaluated at the standard deviation σ _w between the radiation wave fronts reflected from the reference surface and the surface of the mirror under study. To exclude the influence of the shape and design of the mirror on the research results, all the mirrors subjected to control were of the same design and had the same geometric parameters: diameter 170 mm with a radius of curvature of the reflecting surface 500 mm. All technological operations associated with the manufacture of mirrors from aluminum alloy 1201 were identical. This made it possible to trace the influence of the method of manufacturing a workpiece on the quality of the mirror.

На фиг. 1 представлен график методов изготовления заготовки и его влияние на качество оптической поверхности зеркала при его охлаждении. In FIG. Figure 1 shows a graph of the manufacturing methods of the preform and its effect on the quality of the optical surface of the mirror during its cooling.

Кривая 1. Динамика изменения значений σ_w зеркала, изготовленного из заготовки в виде плиты, с изменением температуры (К).Curve 1. Dynamics of changes in the values of σ _{w of a} mirror made of a billet in the form of a plate with a change in temperature (K).

Кривая 2. Динамика изменения значений σ_w зеркала, изготовленного из заготовки в виде прутка, с изменением температуры (К).Curve 2. Dynamics of changes in the values of σ _{w of a} mirror made of a workpiece in the form of a bar with a change in temperature (K).

Кривая 3. Динамика изменения величины астигматизма А зеркала, изготовленного из заготовки в виде плиты с изменением температуры (К). Curve 3. Dynamics of changes in the magnitude of astigmatism A of a mirror made of a billet in the form of a plate with a change in temperature (K).

Кривая 4. Динамика изменения значений σ_W _- _A зеркала, изготовленного из заготовки в виде плиты с изменением температуры (К).Curve 4. Dynamics of changes in σ _W _- _A values of a mirror made of a billet in the form of a plate with a change in temperature (K).

Кривая 5. Температурная зависимость термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) алюминиевого сплава 1201. Curve 5. Temperature dependence of the thermal coefficient of linear expansion (TEC) of aluminum alloy 1201.

На фиг. 2 представлены интерферограммы зеркальной поверхности металлооптических элементов, изготовленных из заготовок из прутка (а, б, в) и плиты (г, д, е) при температурах Т = 293 К (а, в и г, е) и Т = =10 К (б и д). In FIG. Figure 2 shows interferograms of the mirror surface of metal-optical elements made of blanks from a bar (a, b, c) and a plate (d, e, e) at temperatures T = 293 K (a, c and d, e) and T = 10 K (b and d).

Испытания изготовленных по предлагаемому способу металлооптических элементов с исключением всех возможных источников погрешностей методики выявило стабильность их астигматизма при работе в вакууме и глубоком охлаждении, в то время как зеркала, изготовленные из прутка, были свободны от астигматизма оптической поверхности. Tests of metal-optical elements manufactured by the proposed method with the exception of all possible sources of error of the technique revealed the stability of their astigmatism when working in vacuum and deep cooling, while mirrors made from a rod were free from astigmatism of the optical surface.

Действительно, сравнение среднеквадратичных отклонений волновых фронтов излучения σ_w (кривая 2) и значений его отклонений σ_W _- _A (кривая 4) за вычетом искажений формы повеpхности, вносимых астигматизмом А (кривая 3), показывает, что основной вклад в искажение волнового фронта излучения, отраженного от охлаждаемого зеркала, заготовка которого вырезалась из прокатанной плиты, определяется астигматизмом. Астигматизм проявляется после достижения температуры на зеркале ниже 265К и определяет около 80% величины всего искажения волнового фронта излучения при охлаждении зеркала. Для исследованных зеркал, изготовленных из плиты, при их охлаждении до минимальной температуры (10К) величина астигматизма возросла более, чем в 10 раз. После отогрева зеркала до нормальной температуры величина и направление астигматизма принимали первоначальное значение и ориентацию, которые имело зеркало после изготовления.Indeed, a comparison of the standard deviations of the radiation wave fronts σ _w (curve 2) and its deviations σ _W _- _A (curve 4), minus surface distortions introduced by astigmatism A (curve 3), shows that the main contribution to the distortion of the radiation wave front reflected from a cooled mirror, the billet of which was cut from a rolled plate, is determined by astigmatism. Astigmatism manifests itself after reaching a temperature on the mirror below 265K and determines about 80% of the total distortion of the radiation wavefront when the mirror is cooled. For the studied mirrors made of a plate, when they were cooled to a minimum temperature (10K), the magnitude of astigmatism increased by more than 10 times. After the mirror was warmed to normal temperature, the magnitude and direction of astigmatism assumed the initial value and orientation that the mirror had after manufacturing.

Для того, чтобы убедиться, что развитие астигматизма не вызвано условиями закрепления зеркала на испытательном оборудовании, зеркало внутри своей оправы было повернуто на 120^о и повторно охлаждено. При этом направление главной оси астигматизма также изменилось на 120^о и во всех случаях в охлажденном состоянии зеркала принимало направление, совпадающее с направлением проката материала заготовки, из которого изготавливались зеркала. Корреляция характера изменения оптической деформации σ_w (кривая 2) и развитие астигматизма А (кривая 3) с одной стороны и динамика искажения оптической поверхности зеркала без учета астигматизма σ_W _- _A (кривая 4) с другой указывает на существенный вклад астигматизма в искажение оптической поверхности зеркала. Астигматизм оптической поверхности зеркала вызывается развитием линейных деформаций материала по его направлениям, связанных с изменением температуры. Если направление проката материала, из которого изготавливается зеркало, находится в плоскости оптической поверхности, то в процессе охлаждения зеркала появляется астигматизм, обусловленный именно различием термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материала в направлениях проката и перпендикулярно этому направлению. Изменение величины астигматизма не существенно при высоких температурах: 0,1 мкм при нормальных условиях по сравнению с 2 мкм при температуре зеркала 10К.In order to make sure that the development of astigmatism is not caused by the conditions for fixing the mirror on the test equipment, the mirror inside its frame was rotated 120 ^° and re-cooled. In this case, the direction of the main axis of astigmatism also changed by 120 ^° and in all cases, in the cooled state of the mirror, it took the direction coinciding with the direction of the rental of the workpiece material from which the mirrors were made. The correlation of the nature of changes in optical deformation σ _w (curve 2) and the development of astigmatism A (curve 3) on the one hand and the dynamics of distortion of the optical surface of the mirror without taking into account astigmatism σ _W _- _A (curve 4) on the other hand indicates a significant contribution of astigmatism to distortion of the optical surface mirrors. Astigmatism of the optical surface of the mirror is caused by the development of linear deformations of the material in its directions associated with a change in temperature. If the direction of the rental of the material from which the mirror is made is in the plane of the optical surface, then astigmatism appears during the cooling of the mirror, which is caused precisely by the difference in the thermal coefficient of linear expansion (TEC) of the material in the directions of the rental and perpendicular to this direction. The change in the magnitude of astigmatism is not significant at high temperatures: 0.1 microns under normal conditions compared with 2 microns at a mirror temperature of 10K.

Таким образом простейшим способом получения стабильных по астигматизму форм оптических поверхностей металлооптических элементов является вырезание заготовки элемента так, что направление анизотропии термического коэффициента линейного расширения параллельно плоскости оптической поверхности изготавливаемого элемента. Сравнение интерферограмм, приведенных на фиг.2, наглядно демонстрирует развитие астигматизма (г, д, е) зеркала, заготовка которого вырезалась из плиты прокатанного сплава 1201, и его отсутствие у зеркал, изготовленных из прутка (а, б, в). Все испытанные зеркала восстанавливали первоначальную форму (фиг.2а и г) зеркальной поверхности после охлаждения (фиг.2в и е). Thus, the simplest way to obtain astigmatism-stable forms of the optical surfaces of metal-optical elements is to cut the blank of the element so that the direction of the anisotropy of the thermal coefficient of linear expansion parallel to the plane of the optical surface of the manufactured element. A comparison of the interferograms shown in figure 2, clearly demonstrates the development of astigmatism (g, e, e) of the mirror, the blank of which was cut from a plate of rolled alloy 1201, and its absence in mirrors made of a rod (a, b, c). All tested mirrors restored their original shape (figa and d) of the mirror surface after cooling (figv and e).

Новый подход к технологии изготовления металлооптических элементов из сплавов металла позволил создавать оптические поверхности с астигматизмом, величина которого определяется температурой охлаждения элемента и сохраняется стабильной при поддержании температуры, неизменной в течение требуемого времени. A new approach to the manufacturing technology of metal-optical elements from metal alloys allowed creating optical surfaces with astigmatism, the value of which is determined by the cooling temperature of the element and remains stable while maintaining the temperature unchanged for the required time.

Рассмотренный в предлагаемом изобретении способ изготовления металлооптических элементов по совокупности существенных признаков заявляемого технического решения позволил получить качественно новый эффект следовательно техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия". Considered in the present invention, a method of manufacturing a metal-optical elements on the basis of the essential features of the claimed technical solution allowed to obtain a qualitatively new effect, therefore, the technical solution meets the criterion of "Significant differences".

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING METAL-OPTICAL ELEMENTS, including the preparation of a workpiece, mechanical and heat treatment, aging, grinding, polishing and quality control of the optical surface of the element, characterized in that, in order to obtain an astigmatism-stable shape of the optical surface when operating under vacuum and cryogenic temperatures , the blank of the element is cut out so that the thermal coefficient of linear expansion of the metal in the plane of the optical surface of the manufactured element in all directions uneven.

2. The method according to claim 1, characterized in that the surface with a thermal coefficient of linear expansion of the metal, unequal in all directions, is obtained by cutting the workpiece parallel to the direction of hire.