RU2373054C2

RU2373054C2 - Method of making master model for making flat spherical fresnel lens (versions)

Info

Publication number: RU2373054C2
Application number: RU2007129792/12A
Authority: RU
Inventors: Андрей Васильевич Скрипец (UA); Андрей Васильевич Скрипец; Владимир Дмитриевич Тронько (UA); Владимир Дмитриевич Тронько; Владимир Николаевич Краснов (UA); Владимир Николаевич Краснов; Михаил Леонтьевич Марченко (UA); Михаил Леонтьевич Марченко; Елена Владимировна Кожохина (UA); Елена Владимировна Кожохина
Original assignee: Национальный Авиационный Университет
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-11-20
Also published as: RU2007129792A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of making master model for making a flat spherical Fresnel lens involves initial mechanical processing of a work piece from solid non-deformable material so as to obtain the reverse of the desired profile of the lens. For this purpose two work pieces are processed to make identical reverse spherical profiles, after which each is conventionally divided into n layers which form planes perpendicular the principal optical axis. Even layers, including the centre, are cut from the first work piece, and odd layers are cut from the second work piece, after which a cylinder is cut from each layer, the axis of which coincides with the principal optical axis, and the outer diametre is equal to the diametre of the largest opening of the corresponding layer. The obtained elements are attached by flat faces on the non-deformable flat surface symmetrically with the principal optical axis, after which a protective layer is deposited on a shaping surface.

EFFECT: invention simplifies making a master model for making Fresnel lenses and allows for doing without high-precision equipment in making the master model, while retaining accuracy of making spherical surfaces.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптической технике, преимущественно к технологии изготовления сферических линз с несплошными поверхностями.The invention relates to optical technology, mainly to the technology of manufacturing spherical lenses with non-continuous surfaces.

В различных отраслях промышленности для коллимации пучков света большой апертуры широкое распространение получили плоские сферические линзы Френеля, состоящие из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, имеющих в сечении форму призм. Данная конструкция характеризуется простотой в изготовлении, малой толщиной и весом.In various industries for the collimation of large aperture light beams, Fresnel flat spherical lenses, consisting of separate concentric rings of small thickness adjacent to each other and having the shape of prisms in cross section, are widely used. This design is characterized by ease of manufacture, small thickness and weight.

Для изготовления сферических линз Френеля способом литья под давлением или способом прессования в условиях промышленного производства используют специальную технологическую оснастку, получившую название "мастер-модель". Чаще всего, мастер-моделью является формообразующая поверхность, выполненная в виде обратного (негативного) профиля рабочей поверхности соответствующей линзы Френеля. Мастер-модель используется совместно с пресс-формой для литья или прессования линз.For the manufacture of spherical Fresnel lenses by injection molding or extrusion in industrial production, special technological equipment called the “master model” is used. Most often, the master model is the shape-forming surface, made in the form of the inverse (negative) profile of the working surface of the corresponding Fresnel lens. The master model is used in conjunction with a mold for casting or pressing lenses.

Известен способ обработки оптических поверхностей для изготовления линз Френеля (Кропивенко И.С. и др. Изготовление оптических деталей из органического стекла. - Оптико-механическая промышленность, 1969, №7, стр.60). Способ заключается в механическом вырезании на вращающейся заготовке профиля линзы, задаваемом с помощью копира. Способ характеризуется низкой точностью обработки из-за кинематических погрешностей.A known method of processing optical surfaces for the manufacture of Fresnel lenses (I. Kropivenko and others. The manufacture of optical parts from organic glass. - Optical-mechanical industry, 1969, No. 7, p. 60). The method consists in mechanically cutting a profile of a lens on a rotating workpiece, defined with a copier. The method is characterized by low processing accuracy due to kinematic errors.

Известен способ изготовления линз-оригиналов или матриц для пресс-форм, реализованный в устройстве для обработки линз Френеля (авт.св. СССР №724344), заключающийся в механическом вырезании заданного профиля на вращающейся заготовке. Способу присущи те же недостатки.A known method of manufacturing original lenses or molds for molds, implemented in a device for processing Fresnel lenses (ed. St. USSR No. 724344), which consists in mechanically cutting a given profile on a rotating workpiece. The method has the same disadvantages.

Известен способ изготовления мастер-модели по заявке ЕР 0011331, выбранный в качестве прототипа заявляемого изобретения. Способ предусматривает начальную механическую обработку поверхности заготовки из твердого недеформируемого материала с целью получения обратного профиля. В качестве твердого недеформируемого материалом может быть использован кремнийсодержащий материал (керамика или стекло). Материал может обрабатываться с помощью алмазного точения (керамика) или с помощью шлифования (кремнийсодержащие стекла) для получения заданного обратного профиля. После этого на поверхность кремнийсодержащего материала наносится покрытие из никеля или сплава никеля с последующей механической обработкой поверхности никеля режущим инструментом, оптической полировкой для получения заданного профиля и вакуумным нанесением на поверхность указанного профиля слоя защитного покрытия из инертного нерастрескивающегося материала (для защиты от царапин). Способ характеризуется сложностью и предполагает использование высокоточного оборудования.A known method of manufacturing a master model according to the application EP 0011331, selected as a prototype of the claimed invention. The method provides for the initial machining of the surface of a workpiece from a solid non-deformable material in order to obtain an inverse profile. As a solid non-deformable material, a silicon-containing material (ceramic or glass) can be used. The material can be processed using diamond turning (ceramic) or by grinding (silicon-containing glass) to obtain a given inverse profile. After that, a nickel or nickel alloy coating is applied to the surface of the silicon-containing material, followed by mechanical processing of the nickel surface with a cutting tool, optical polishing to obtain a given profile, and vacuum coating of the inert non-cracking material with a protective coating layer (to protect it from scratches). The method is characterized by complexity and involves the use of high-precision equipment.

В основу изобретения положена задача упрощения изготовления мастер-модели для производства линз Френеля путем использования концентрических колец, вырезанных из двух заготовок, имеющих одинаковый обратный или прямой профиль образующей сферической поверхности. Это позволит отказаться от использования в процессе изготовления мастер-модели высокоточного оборудования с сохранением точности формирования сферических поверхностей.The basis of the invention is the task of simplifying the manufacture of a master model for the production of Fresnel lenses by using concentric rings cut from two blanks having the same inverse or forward profile forming a spherical surface. This will make it possible to refuse to use high-precision equipment in the manufacturing process of the master model while maintaining the accuracy of the formation of spherical surfaces.

Задача решается за счет того, что в первом варианте способа изготовления мастер-модели для производства плоской сферической линзы Френеля, заключающегося в начальной механической обработке заготовки из твердого недеформируемого материала с целью получения обратного заданного профиля линзы с дальнейшим нанесением на формообразующую поверхность защитного слоя, в соответствии с изобретением сначала обрабатывают две заготовки с целью получения одинаковых обратных сферических профилей, после чего каждую заготовку условно разделяют на n слоев, образуемых плоскостями, перпендикулярными главной оптической оси, далее из первой заготовки вырезают четные, считая от центра, слои, а из второй - нечетные слои, после чего из каждого слоя вырезают цилиндр, ось которого совпадает с главной оптической осью, а внешний диаметр равен диаметру максимального отверстия соответствующего слоя, далее полученные элементы закрепляют плоскими торцами на недеформируемой плоской поверхности симметрично главной оптической оси, после чего на формообразующую поверхность наносят защитный слой.The problem is solved due to the fact that in the first embodiment of the method of manufacturing a master model for the production of a flat spherical Fresnel lens, which consists in the initial machining of a workpiece from a solid non-deformable material in order to obtain an inverse predetermined lens profile with a further application of a protective layer on the forming surface, in accordance with the invention, two blanks are first processed in order to obtain the same inverse spherical profiles, after which each blank is conventionally divided into n layers formed by planes perpendicular to the main optical axis, then even, counting from the center, layers are cut out from the first blank and the layers are odd from the second, after which a cylinder is cut out of each layer, the axis of which coincides with the main optical axis, and the outer diameter equal to the diameter of the maximum hole of the corresponding layer, then the obtained elements are fixed with flat ends on a non-deformable flat surface symmetrically to the main optical axis, after which a protective layer is applied to the forming surface.

Кроме того, аналогичный эффект может быть достигнут при изготовлении мастер-модели с предварительно изготовленного эталонного макета линзы.In addition, a similar effect can be achieved in the manufacture of a master model from a prefabricated reference lens layout.

В этом случае поставленная задача решается за счет того, что во втором варианте способа изготовления мастер-модели для производства плоской сферической линзы Френеля с эталонного макета линзы, для изготовления которого осуществляют начальную механическую обработку заготовки из твердого недеформируемого материала с целью получения прямого заданного профиля линзы с дальнейшим нанесением на формообразующую поверхность защитного слоя и в соответствии с изобретением сначала обрабатывают две заготовки с целью получения одинаковых прямых сферических профилей, после чего каждую заготовку условно разделяют на n слоев, образуемых плоскостями, перпендикулярными главной оптической оси, далее из первой заготовки вырезают четные, считая от центра, слои, а из второй - нечетные слои, после чего во всех слоях, кроме центрального, вдоль главной оптической оси вырезают отверстия, причем диаметр конкретного отверстия выбирают равным меньшему диаметру образующей окружности соответствующего слоя, далее полученные элементы закрепляют плоскими торцами на недеформируемой плоской поверхности симметрично главной оптической оси, после чего на формообразующую поверхность наносят защитный слой, а полученный эталонный макет сферической линзы Френеля используют для изготовления мастер-модели.In this case, the problem is solved due to the fact that in the second version of the method of manufacturing a master model for the production of a flat spherical Fresnel lens with a reference lens layout, for the manufacture of which initial mechanical processing of the workpiece from a solid non-deformable material is carried out in order to obtain a direct predetermined lens profile with by further applying a protective layer to the forming surface and in accordance with the invention, two blanks are first processed in order to obtain the same straight lines x spherical profiles, after which each preform is conventionally divided into n layers formed by planes perpendicular to the main optical axis, then even, counting from the center, layers are cut from the first preform, and odd layers from the second, and then in all layers except the central , holes are cut along the main optical axis, the diameter of a particular hole being chosen equal to the smaller diameter of the circumference of the corresponding layer, then the obtained elements are fixed with flat ends on an undeformable flat surface ited symmetrically main optical axis, then on the forming surface of the protective layer is applied, and the resulting reference layout spherical Fresnel lens is used for manufacturing the master model.

Первый вариант предлагаемого способа осуществляют следующим образом.The first variant of the proposed method is as follows.

Прежде всего изготавливают две заготовки из твердого недеформируемого материала. После этого в заготовках с помощью известных технологий делают одинаковые сферические выточки, точно повторяющие обратный расчетный профиль сферической линзы. Далее каждую заготовку условно разделяют на n слоев, образуемых плоскостями, перпендикулярными главной оптической оси. Число n выбирают расчетным путем исходя из диаметра линзы, ее максимальной толщины, длины волны доминирующего излучения, величины технологического зазора, который появляется при механическом разделении слоев заготовки. Далее из одной заготовки вырезают четные слои. При этом технологический зазор располагают в нечетных зонах. Аналогично, из второй заготовки вырезают нечетные слои, располагая технологический зазор в четных зонах.First of all, two blanks are made from solid non-deformable material. After that, using the known technologies, the same spherical undercuts are made in the blanks, exactly repeating the inverse calculated profile of the spherical lens. Next, each preform is conventionally divided into n layers formed by planes perpendicular to the main optical axis. The number n is chosen by calculation based on the diameter of the lens, its maximum thickness, the wavelength of the dominant radiation, the magnitude of the technological gap that appears during the mechanical separation of the layers of the workpiece. Next, even layers are cut from one blank. At the same time, the technological gap is located in odd zones. Similarly, the odd layers are cut from the second workpiece, placing the technological gap in even zones.

После этого из каждого слоя вырезают цилиндр, ось которого совпадает с главной оптической осью, а внешний диаметр равен диаметру максимального отверстия соответствующего слоя. Полученные элементы, представляющие собой концентрические кольца, закрепляют, например приклеивают, плоскими торцами на недеформируемой плоской поверхности симметрично главной оптической оси. После этого на формообразующую поверхность наносят защитный слой.After that, a cylinder is cut out of each layer, the axis of which coincides with the main optical axis, and the outer diameter is equal to the diameter of the maximum hole of the corresponding layer. The obtained elements, which are concentric rings, are fixed, for example, glued, with flat ends on an undeformable flat surface symmetrically to the main optical axis. After that, a protective layer is applied to the forming surface.

Второй вариант предлагаемого способа предполагает предварительное изготовление эталонного макета линзы Френеля, с которой впоследствии может быть изготовлена мастер-модель. При этом для изготовления эталонного макета используются аналогичные операции способа. Отличия в способах определяются отличиями формируемого профиля. В первом случае формируют обратный профиль, во втором - прямой.The second variant of the proposed method involves the preliminary production of a reference model of a Fresnel lens, with which a master model can subsequently be made. At the same time, for the manufacture of a reference layout, similar operations of the method are used. The differences in the methods are determined by the differences in the formed profile. In the first case, the inverse profile is formed, in the second - direct.

Второй вариант предлагаемого способа осуществляют следующим образом.The second variant of the proposed method is as follows.

Из двух заготовок из твердого недеформируемого материала с помощью известных технологий делают две плосковыпуклые сферы. Далее каждую заготовку условно разделяют на n слоев, образуемых плоскостями, перпендикулярными главной оптической оси. Из одной заготовки получают четные слои, из другой - нечетные. После этого во всех слоях, кроме центрального, вдоль главной оптической оси вырезают отверстия, причем диаметр конкретного отверстия выбирают равным меньшему диаметру образующей окружности соответствующего слоя. Полученные элементы, представляющие собой концентрические кольца, закрепляют плоскими торцами на недеформируемой плоской поверхности симметрично главной оптической оси, после чего на формообразующую поверхность наносят защитный слой. Полученный эталонный макет сферической линзы Френеля используют для изготовления мастер-модели, например, гальваническим способом.Using two well-known technologies, two plane-convex spheres are made of two blanks of solid non-deformable material. Next, each preform is conventionally divided into n layers formed by planes perpendicular to the main optical axis. Even layers are obtained from one blank, and odd from the other. After that, in all layers except the central one, holes are cut out along the main optical axis, the diameter of a particular hole being chosen equal to the smaller diameter of the circumference of the corresponding layer. The obtained elements, which are concentric rings, are fixed with flat ends on an undeformable flat surface symmetrically to the main optical axis, after which a protective layer is applied to the forming surface. The resulting reference model of a spherical Fresnel lens is used for the manufacture of a master model, for example, in a galvanic manner.

Варианты предлагаемого способа поясняются чертежами, показанными на фиг.1-7.Variants of the proposed method are illustrated by the drawings shown in figures 1-7.

На фиг.1 показана операция способа «условное разделение заготовки на n слоев», где 1 - заготовка, 2 - главная оптическая ось, 3 - сферическая выточка.Figure 1 shows the operation of the method "conditional separation of the workpiece into n layers", where 1 is the workpiece, 2 is the main optical axis, 3 is a spherical undercut.

На фиг.2 показана операция способа «получение четных и нечетных слоев», где 4 - первая заготовка, 5 - вторая заготовка, 6 - четные слои, 7 - нечетные слои, 8 - технологический зазор.Figure 2 shows the operation of the method of "obtaining even and odd layers", where 4 is the first blank, 5 is the second blank, 6 is the even layers, 7 is the odd layers, 8 is the technological gap.

На фиг.3 показана операция первого варианта способа «крепление конических колец на плоской поверхности», где 2 - главная оптическая ось, 9 - поверхность.Figure 3 shows the operation of the first variant of the method "mounting conical rings on a flat surface", where 2 is the main optical axis, 9 is the surface.

На фиг.4 показана операция второго варианта способа «крепление конических колец на плоской поверхности», где 2 - главная оптическая ось, 9 - поверхность.Figure 4 shows the operation of the second variant of the method "mounting conical rings on a flat surface", where 2 is the main optical axis, 9 is the surface.

Для практической реализации предлагаемых вариантов способов могут быть использованы хорошо отработанные технологии обработки оптических деталей, доступные большинству производственных предприятий оптической промышленности.For the practical implementation of the proposed variants of the methods, well-developed technologies for processing optical parts available to most optical manufacturing enterprises can be used.

Наиболее эффективно предлагаемый способ может быть использован при производстве коллиматоров света в светофорах и маяках.The most effectively proposed method can be used in the production of light collimators in traffic lights and beacons.

Claims

1. A method of manufacturing a master model for the production of a flat spherical Fresnel lens, which consists in the initial machining of a workpiece from a solid non-deformable material in order to obtain an inverse predetermined lens profile with a further application of a protective layer on the forming surface, characterized in that two workpieces are first processed to obtaining the same inverse spherical profiles, after which each workpiece is conventionally divided into n layers formed by planes perpendicular to the main optical axis, then even layers counting from the center are cut out from the first workpiece, and odd layers from the second, then a cylinder is cut out of each layer, the axis of which coincides with the main optical axis, and the outer diameter is equal to the diameter of the maximum hole of the corresponding layer, then the obtained elements are fixed with flat ends on a non-deformable flat surface symmetrically to the main optical axis, after which a protective layer is applied to the forming surface.

2. A method of manufacturing a master model for the production of a flat spherical Fresnel lens with a reference lens layout, for the manufacture of which the initial machining of a workpiece from a solid non-deformable material is carried out in order to obtain a direct predetermined lens profile with a further coating on the forming surface of the lens, characterized in that first, two blanks are processed in order to obtain the same straight spherical profiles, after which each blank is conventionally divided into n layers, planes perpendicular to the main optical axis, then even layers are counted from the first workpiece, counting from the center, and odd layers from the second, after which holes are cut in all layers except the central one along the main optical axis, and the diameter of a particular hole is chosen equal to smaller diameter of the circumference of the corresponding layer, then the resulting elements are fixed with flat ends on a non-deformable flat surface symmetrically to the main optical axis, and then onto the forming surface wear protection layer, and the resulting reference layout spherical Fresnel lens is used for manufacturing the master model.