RU2310216C2

RU2310216C2 - Method of making optical lenses with minimal birefringence

Info

Publication number: RU2310216C2
Application number: RU2005109584/28A
Authority: RU
Inventors: Василий Николаевич Ветров (RU); Василий Николаевич Ветров; Борис Александрович Игнатенков (RU); Борис Александрович Игнатенков; Виктор Александрович Письменный (RU); Виктор Александрович Письменный; Гурий Тимофеевич Петровский (RU); Гурий Тимофеевич Петровский; Энгельс Николаевич Рыжиков (RU); Энгельс Николаевич Рыжиков; Константин Владимирович Дукельский (RU); Константин Владимирович Дукельский
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2007-11-10
Also published as: RU2005109584A

Abstract

FIELD: optical engineering.

SUBSTANCE: method can be used for making lenses of leukosapphire and of other single-axis crystals for optical systems working within visible and IR spectral areas. Concave-convex blanks are made by plastic deformation of curve of flat-parallel plates from Z-cut of Al₂O₃ crystals. Plastic deformation of curve is made by means of chisel made in form of spherical segment. Entering surface of lens is formed by means of methods of rejection of excess layer of material out of blank as aspheric surface. Equation of axial cross-section of that aspheric surface looks like y=5,395 10^-5x³+0,008x²+0,012x-0,023. Optical axis of lens is oriented along axis of symmetry of blank. Concave-convex lenses produced have minimal birefringence for convergent beams being transparent within 25000-2000 cm^-1 area.

EFFECT: wider area of transparency.

2 dwg

Description

Изобретение относится к технологии линз оптических систем современных оптических и оптоэлектронных приборов, работающих в видимой и ИК-областей спектров, и может быть использовано при получении линз из лейкосапфира, в частности, в сходящемся пучке лучей.The invention relates to the technology of lenses of optical systems of modern optical and optoelectronic devices operating in the visible and IR spectral regions, and can be used to obtain lenses from leucosapphire, in particular, in a converging beam of rays.

Известен способ получения оптических деталей пресс-ковкой пластин моно- и поликристаллических материалов на основе твердых растворов оксидов магния и алюминия (см. Amer. Ceram. Soc. Bull, 1981, 60, N 2, p.255-256). Указанный способ не позволяет получать вогнуто-выпуклые линзы из оптических кристаллических сред с некубической структурой.A known method for producing optical parts by pressing forging plates of mono- and polycrystalline materials based on solid solutions of magnesium and aluminum oxides (see Amer. Ceram. Soc. Bull, 1981, 60, No. 2, p. 255-256). The specified method does not allow to obtain concave-convex lenses from optical crystalline media with a non-cubic structure.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является технология получения линз из Z-срезов кристаллов MgF₂ и Al₂O₃, которые подвергают пластической деформации изгиба. Однако указанный способ не обеспечивает минимизацию двулучепреломления, т.к. не учитывает расхождение направлений сходящихся лучей и оптических осей, а также условия центрирования и ориентации заготовки оптической детали относительно линзы (см. патент РФ №1773956, приоритет от 13.02.90, МПК С30В 33/00, 29/12, 29/20, опубл. 07.11.92).Closest to the proposed technical solution is the technology for producing lenses from Z-sections of MgF ₂ and Al ₂ O ₃ crystals, which are subjected to plastic bending. However, this method does not minimize birefringence, because does not take into account the divergence of the directions of the converging beams and optical axes, as well as the conditions of centering and orientation of the workpiece of the optical part relative to the lens (see RF patent No. 1773956, priority from 13.02.90, IPC С30В 33/00, 29/12, 29/20, publ. . 07.11.92).

Задачей предлагаемого технического решения является получение вогнуто-выпуклых линз с минимальным двулучепреломлением для сходящихся лучей света, прозрачных в области 25000-2000 см^-1.The objective of the proposed technical solution is to obtain concave-convex lenses with minimal birefringence for converging rays of light, transparent in the region of 25000-2000 cm ^-1 .

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения оптических линз, включающем изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластин из Z-среза кристаллов Al₂O₃, в котором в отличие от прототипа пластическую деформацию изгиба осуществляют пуансоном в виде сферического сегмента, а входящую поверхность линзы формируют с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую, уравнение осевого сечения которой имеет следующий вид: у=5,395 10^-5х³+0.008х²+0.012х-0.023, причем оптическую ось линзы ориентируют вдоль оси симметрии заготовки.This goal is achieved in that in a method for producing optical lenses, including concave-convex blanks by plastic bending of plane-parallel plates from a Z-section of Al ₂ O ₃ crystals, in which, unlike the prototype, plastic bending is carried out by a punch in the form of a spherical segment, and the incoming surface of the lens is formed using the methods of removing from the workpiece an excess layer of material as aspherical, the axial section equation of which has the following form: y = 5.395 10 ^-5 x ³ + 0.008x ² + 0.012x-0. 023, and the optical axis of the lens is oriented along the axis of symmetry of the workpiece.

Существенным отличием заявляемого способа является использование полусферического пуансона или пуансона в виде сегмента сферы при пластической деформации изгиба, а входящая поверхность линзы является асферической, которую формируют путем удаления с заготовки избыточного слоя материала при совмещении оси симметрии заготовки с оптической осью линзы.A significant difference of the proposed method is the use of a hemispherical punch or punch in the form of a sphere segment during plastic deformation of the bend, and the incoming surface of the lens is aspherical, which is formed by removing an excess layer of material from the workpiece while aligning the axis of symmetry of the workpiece with the optical axis of the lens.

Сущность изобретения заключается в следующем: монокристаллы AL₂О₃, т.е. лейкосапфир - кристаллическая среда, обладающая ценными оптическими свойствами и уникальным их сочетанием, является оптически одноосным кристаллом.The invention consists in the following: single crystals AL ₂ About ₃ , i.e. leucosapphire - a crystalline medium with valuable optical properties and their unique combination, is an optically uniaxial crystal.

Закономерности распространения света в кристаллической пластинке вырезанной из одноосного кристалла зависят от ориентации оптической оси по отношению к поверхности пластинки и падающему лучу. В случае, если плоскопараллельная пластинка вырезана перпендикулярно оптической оси, т.е. получен Z-срез кристалла, и луч направлен вдоль оптической оси, то двойное лучепреломление отсутствует.The patterns of light propagation in a crystal plate cut from a uniaxial crystal depend on the orientation of the optical axis with respect to the surface of the plate and the incident beam. In case the plane-parallel plate is cut perpendicular to the optical axis, i.e. obtained a Z-slice of the crystal, and the beam is directed along the optical axis, then birefringence is absent.

Для получения линзы с минимальным двулучепреломлением для сходящихся лучей пучка света недостаточно пластической деформации изгиба. В данном случае, обеспечивая веерообразное (радиальное) расположение оптических осей, не обеспечивается прохождение лучей после преломления вдоль направления последних, а из-за несовпадения оси симметрии заготовки и оптической оси линзы образуется угол между направлением луча и оптической оси, который изменяется по аппретуре линзы и обуславливает двулучепреломление. Это ограничивает использование уникального материала, обладающего широкой спектральной областью прозрачности и высокими значениями показателя преломления, для изготовления вогнуто-выпуклых линз.To obtain a lens with minimal birefringence for converging beams of a light beam, plastic bending is not enough. In this case, providing a fan-shaped (radial) arrangement of the optical axes, the rays cannot be transmitted after refraction along the direction of the latter, and due to the mismatch of the symmetry axis of the workpiece and the optical axis of the lens, an angle is formed between the direction of the beam and the optical axis, which varies along the lens causes birefringence. This limits the use of a unique material with a wide spectral region of transparency and high values of the refractive index for the manufacture of concave-convex lenses.

Отмеченный недостаток устраняется тем, что пластическую деформацию изгиба проводят полусферическим пуансоном или пуансоном в виде сегмента сферы, а входящую поверхность линзы изготавливают как асферическую поверхность, которая обеспечивает, после преломления, прохождение гомоцентрического пучка, читай центрированного сходящегося пучка лучей вдоль оптических осей, образующих прямой круглый конус, при этом ось симметрии заготовки ориентируют вдоль оптической оси линзы для исключения возникновения двулучепреломления, обусловленного ассиметрией линзы.The noted drawback is eliminated by the fact that bending plastic deformation is carried out by a hemispherical punch or a punch in the form of a sphere segment, and the incoming lens surface is made as an aspherical surface, which ensures, after refraction, the passage of a homocentric beam, read a centered converging beam of rays along the optical axes forming a straight circular round cone, while the axis of symmetry of the workpiece is oriented along the optical axis of the lens to exclude the occurrence of birefringence due to lens asymmetry.

В результате пластической деформации полусферическим пуансоном или сферическим сегментом происходит разворот оптических осей вдоль радиусов полусферы и далее входящую поверхность линзы изготавливают с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала как асферическую поверхность (фиг.1).As a result of plastic deformation by a hemispherical punch or a spherical segment, the optical axes rotate along the hemisphere radii and then the incoming lens surface is made using the methods of removing an excess layer of material from the workpiece as an aspherical surface (Fig. 1).

На фиг.1 показана схема получения линзы из лейкосапфира с минимальным двулучепреломлением, где: 1 - исходный плоско-параллельный диск Z-среза кристалла; 2 - линза, изогнутая полусферическим пуансоном, у которой 3 - профиль внешней поверхности после деформации изгиба (показано пунктиром), а 4 - асферический профиль внешней поверхности изготовленной линзы; 5 - ось симметрии заготовки 2, совпадающая с осью изготовленной линзы.Figure 1 shows the scheme for obtaining lenses from leucosapphire with minimal birefringence, where: 1 - the original plane-parallel disk Z-section of the crystal; 2 - a lens curved by a hemispherical punch, in which 3 is the profile of the external surface after bending deformation (shown by the dotted line), and 4 is the aspherical profile of the external surface of the manufactured lens; 5 - axis of symmetry of the workpiece 2, coinciding with the axis of the manufactured lens.

На фиг.2 изображена схема прохождения разных пучков лучей через асферическую поверхность 4 линзы, где 6 - гомоцентрические лучи сходящегося пучка; 7 - лучи, некоаксиальные относительно веера осей кристалла; 5 - оптическая ось линзы.Figure 2 shows a diagram of the passage of different beams of rays through the aspherical surface 4 of the lens, where 6 - homocentric rays of a converging beam; 7 - rays non-coaxial relative to the fan of the crystal axes; 5 - optical axis of the lens.

Таким образом, показано, что гомоцентрический пучок света, падающий на входящую асферическую поверхность линзы, после преломления пройдет вдоль радиальных оптических осей без двулучепреломления при совпадении оси симметрии заготовки и оптической оси линзы.Thus, it was shown that a homocentric light beam incident on the incoming aspherical surface of the lens, after refraction, passes along the radial optical axes without birefringence when the symmetry axis of the workpiece and the optical axis of the lens coincide.

Все остальные лучи образуют угол между направлением луча и оптической осью, что обуславливает возникновение двулучепреломления, однако, определяя асферичность входящей поверхности из условий направления вдоль оптических осей гомоцентрического лучей пучка в линзе, двулучепреломление по всей аппретуре линзы будет минимальным.All other rays form an angle between the direction of the beam and the optical axis, which causes the occurrence of birefringence, however, determining the asphericity of the incoming surface from the conditions of the direction along the optical axes of the homocentric rays of the beam in the lens, birefringence over the entire size of the lens will be minimal.

В качестве примера были получены вогнуто-выпуклые линзы из лейкосапфира диаметром 60 и 120 мм.As an example, concave-convex lenses from leucosapphire with a diameter of 60 and 120 mm were obtained.

ТаблицаTable

№ опытаExperience number Радиус (мм) и форма пуансонаRadius (mm) and punch shape Уравнение осевого сечения асферической пов-тиEquation of axial section of aspherical rotate Отклонение (град) оси сим. заготовки от оптич. оси линзыDeviation (deg) axis sim. blanks from optical lens axis Сила линзыLens power Двулучепреломление лучей гомоцентр. пучкаBirefringence rays homocenter. beam 1one 130,0 Сегмент сферы130.0 Sphere Segment 1*one* 00 ПоложительнаяPositive ОтсутствуетAbsent 22 130,0 Сегмент сферы130.0 Sphere Segment 2*2 * 88 ПоложительнаяPositive Естьthere is 33 60,0 полусфера60.0 hemisphere 2*2 * 00 НулеваяZero Естьthere is 4four 60,0 полусфера60.0 hemisphere 3*3 * 00 НулеваяZero Естьthere is 55 Переменный ПараболоидVariable Paraboloid 1*one* 00 ПоложительнаяPositive Естьthere is 66 60,0 полусфера60.0 hemisphere 1*one* 00 НулеваяZero ОтсутствуетAbsent 77 60,0 полусфера60.0 hemisphere 1*one* 20twenty НулеваяZero Естьthere is

В декартовой системе координат:In a Cartesian coordinate system:

1* у=5,395 10^-5х³+0.008х²+0.012х-0.0231 * y = 5.395 10 ^-5 x ³ + 0.008x ² + 0.012x-0.023

2* y=0,012x²+0,015x-0,032 * y = 0.012x ² + 0.015x-0.03

3* у=√(х²+900)3 * y = √ (x ² +900)

Как видно из приведенных результатов, для сходящегося пучка лучей двулучепреломление отсутствует, при использовании полусферического пуансона или в виде сферического сегмента при пластической деформации изгиба, при прохождении вдоль оптических осей, что обеспечивается входящей поверхностью, сечение которой описывается уравнением 1*, и только при совпадении оптической оси линзы и оси симметрии заготовки.As can be seen from the above results, there is no birefringence for a converging beam of rays, when using a hemispherical punch or as a spherical segment during plastic bending, when passing along the optical axes, which is ensured by the incoming surface, the cross section of which is described by equation 1 *, and only when the optical the axis of the lens and the axis of symmetry of the workpiece.

Выполнение этого условия является достаточным для получения минимального двулучепреломления по всей апертуре линзы.The fulfillment of this condition is sufficient to obtain minimal birefringence over the entire aperture of the lens.

Claims

A method of obtaining optical lenses with minimal birefringence, including the manufacture of concave-convex blanks by plastic bending of plane-parallel plates from a Z-section of Al ₂ O ₃ crystals, characterized in that the plastic bending is carried out by a punch in the form of a spherical segment, and the incoming lens surface is formed with using methods of removing from the workpiece an excess layer of material as an aspherical surface, the axial section equation of which has the following form y = 5.395 10 ^-5 x ³ + 0.008x ² + 0.012x-0.023, at The optical axis of the lens is oriented along the symmetry axis of the workpiece.