Склейка оптических линз

Применение полимеров уф-отверждения в процессе склейки оптических линз

Задачи, связанные со склейкой линз, встречаются практически на любом оптическом производстве.

Линзами называются оптические детали из однородных, прозрачных для оптического диапазона длин волн материалов, ограниченные двумя преломляющими рабочими поверхностями, из которых по крайней мере одна является поверхностью тела вращения (сферическая, асферическая, цилиндрическая, коническая поверхности), применяемые в оптических приборах для преобразования формы пучков излучения и построения изображений различных объектов.

По характеру преобразования пучка различают собирающие и рассеивающие линзы; по сочетанию форм рабочих преломляющих поверхностей их подразделяют на плосковыпуклые (вогнутые), двояковыпуклые (вогнутые), мениски (с радиусами кривизны, одинаковыми по знаку), би-фокальные (с разными радиусами кривизны на частях одной из рабочих поверхностей), линзы Френеля (с плоской и ступенчатой поверхностями), аксиконы (с плоской и конической поверхностями).

В качестве материала для линз используется в основном оптическое стекло различных марок. Однако в последнее время широкое применение получили линзы из оптических полимеров (полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат, сополимер, zeonex), в частности в массовом производстве линз фотографической техники широкого потребления (в том числе с асферическими поверхностями, получаемыми точным прессованием или литьем под давлением), линз осветительных систем (например, линз Френеля), очковых линз, линз окуляров, лупы, что существенно облегчает их вес и уменьшает стоимость.

Линзы, работающие в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, изготавливаются из специальных марок стекол (например, К515, ИКС), кварцевого стекла, оптической керамики, из оптических кристаллов (флюорита, сильвина, фтористого лития, германия и пр.).

Склеенные линзовые блоки

Одиночные сферические линзы, вследствие больших аберраций, редко применяются как самостоятельные элементы оптических приборов. Чаще используются комбинации из нескольких линз, склеенные линзы (склейки, линзовые блоки), выполняющие те же функции, что и одиночные линзы, но со значительно меньшими аберрациями.

Цель соединения деталей между собой - точная фиксация их взаимного положения и уменьшение количества света, отражаемого свободными поверхностями. Если, например, между положительной линзой из стекла марки К8 и отрицательной линзой из стекла марки ТФ1 будет воздушный промежуток, то количество света, отражаемого свободными поверхностями, составит ~ 18%. Приведя поверхности в соприкосновение, или заполнив промежуток между ними средой с показателем преломления равным или близким показателю преломления одной из линз, потери света на отражение уменьшаются примерно до 10%. Для уменьшения потерь излучения на отражение от оставшихся свободных поверхностей до минимума останется только их просветлить. Склеивание - наиболее распространенный способ соединения оптических деталей. Технологию этого процесса определяют: тип, размер и материал деталей, технические требования к соединению, агрегатное состояние клея и его свойства. Склеенные детали должны удовлетворять требованиям, заданным чертежом, в частности: допуску С на децентрировку, чистоте клеящего слоя, чистоте и точности формы внешних поверхностей и др.

Большое распространение в оптическом производстве получили склеенные блоки из двух линз (реже трех линз и более) — положительной и отрицательной, изготовленные из стекол различных марок (типа крон и флинт). Они применяются, например, в качестве объективов и оборачивающих линз телескопических приборов. У двухлинзовых склеек могут быть хорошо исправлены сферическая аберрация, хроматизм и кома, другие же аберрации устранить достаточно полноценно невозможно.

Для склеивания линз (и других оптических деталей) применяют специальные оптические клеи.

Что касается современных клеящих веществ, то в последнее время все большую популярность набирают оптические клеи, в основе которых лежат полимеры, отверждаемые лучами ультрафиолетовой части спектра. Эти клеевые составы удовлетворяют следующим требованиям: прозрачность, бесцветность, чистота, оптическая однородность и определенный показатель преломления, механическая прочность, отсутствие возникновения существенных напряжений при полимеризации, морозостойкость и термостойкость соединения.

Последовательность склейки оптических линз

Процесс склеивания линз состоит из нескольких последовательно выполняемых операций:

·    подготовка деталей и клея. Соединяемые поверхности предварительно скомплектованных линз промывают, чистят и накладывают друг на друга. Их свободное перемещение относительно друг друга на тонкой воздушной подушке и появление интерференционной картины при уменьшении воздушной прослойки нажатием на верхнюю линзу является показателем правильности комплектации и качественной чистки соединяемых поверхностей.

·    собственно склеивание. Сняв положительную линзу, на поверхность отрицательной наносят необходимое количество клея. Вновь установив положительную линзу и прижимая её к нижней, толщину слоя доводят до минимально возможной (до 0,01 - 0,02 мм). Уменьшение толщины клеящего слоя увеличивает механическую прочность и морозостойкость соединения.

·    центрирование компонента. До затвердевания клея совмещают оптические оси склеиваемых линз. Их взаимное положение контролируют с помощью оптического прибора.

·    облучение компонента ультрафиолетовой лампой в положении, исключающем смещение линз относительно друг друга и нарушение их центрировки.

В заключении необходимо сказать несколько слов о том, что современное технологическое оборудование для склейки оптических линз позволяет склеивать линзы менее чем за 10 секунд с остаточной погрешностью менее 2 мкм. Достигаются такие результаты с применением:

·    ультрафиолетовых светодиодов, обеспечивающих быстрое отвердевание клея и надежную фиксацию линз друг относительно друга;

·    технологии «Умное выравнивание», обеспечивающие совмещение склеиваемых линз вдоль одной оптической оси, избавляя от необходимости точно настраивать положение первой (нижней) линзы;

Основные технические характеристики оборудования:

диаметр склеиваемых линз от 5мм до 150 мм;
время склейки менее 10 с;
погрешность измерения децентрировки не более 0,1 мкм;
погрешность склейки не более 2 мкм.

 
Последовательность работы оборудования:

1.   Оператор наносит клей на поверхность первой (нижней) линзы, размещает на ней вторую (верхнюю) линзу и, удалив излишки клея, устанавливает будущую склейку на пластиковом патроне, зафиксировав при помощи вакуума и ограничительных винтов.

2.   Две совмещенные линзы устанавливают на пластиковом патроне и опускают прижимающую рамку с пьезоманипуляторами. Благодаря ограничительным винтам в основании патрона все последующие линзы данного типа можно без труда установить в это же положение.

3.   Запускают программу склейки. Для склейки первых деталей в серии потребуется создать оптическую схему, после чего программа автоматически рассчитает координаты автоколлимационных точек, определит величину децентрировки каждой поверхности, совместит оптические оси двух линз и зафиксирует их положение при помощи ультрафиолетовых светодиодов. Таким образом, для склейки последующих деталей в серии потребуется нажатие одной кнопки в программе.

Программа позволяет выполнить склейку большой партии деталей за короткий промежуток времени, снижая при этом участие оператора в процедуре склейки до минимума и обеспечивая высокую точность склейки линз различных типоразмеров на одном приборе.