Склейка оптических линз

Задачи, связанные со склейкой линз, встречаются практически на любом оптическом производстве. Линзы – оптические детали из однородных прозрачных материалов, ограниченные двумя преломляющими рабочими поверхностями, из которых хотя бы одна является поверхностью тела вращения (сферическая, асферическая, цилиндрическая, коническая). По характеру преобразования пучка их делят на собирающие и рассеивающие, по форме поверхностей – на плосковыпуклые и плосковогнутые, двояковыпуклые и двояковогнутые, мениски, бифокальные, линзы Френеля и аксиконы.

Из чего делают линзы и почему это важно для склейки

Основной материал – оптическое стекло различных марок. В последнее время широко применяются линзы из оптических полимеров: полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат, сополимеры, zeonex – в массовом производстве фотографической техники (в том числе с асферическими поверхностями, получаемыми точным прессованием или литьём под давлением), в осветительных системах (линзы Френеля), очковых линзах, окулярах и лупах. Это существенно облегчает вес и снижает стоимость.

Линзы для инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра делают из специальных марок стекла (К515, ИКС), кварцевого стекла, оптической керамики и оптических кристаллов – флюорита, сильвина, фтористого лития, германия.

Для технолога это значит две вещи. Во-первых, у материалов разный показатель преломления, и клей подбирают под конкретную пару. Во-вторых, полимерные линзы чувствительны к растворителям и напряжениям, а часть материалов (германий, некоторые ИК-кристаллы) вообще не пропускает ультрафиолет – через такую деталь засветить шов невозможно.

Зачем линзы склеивают

Одиночные сферические линзы из-за больших аберраций редко применяются самостоятельно – чаще используют склеенные линзовые блоки, выполняющие те же функции с существенно меньшими аберрациями. Цель соединения – точная фиксация взаимного положения деталей и уменьшение количества света, отражаемого свободными поверхностями.

Пример: между положительной линзой из стекла К8 и отрицательной из ТФ1 воздушный промежуток даёт около 18 % отражённого света. Если привести поверхности в соприкосновение или заполнить промежуток средой с показателем преломления, равным или близким показателю одной из линз, потери снижаются примерно до 10 %. Оставшиеся свободные поверхности затем просветляют.

Наибольшее распространение получили блоки из двух линз (реже трёх и более) – положительной и отрицательной из стёкол разных марок (крон и флинт). Они применяются, например, как объективы и оборачивающие линзы телескопических приборов: у двухлинзовых склеек хорошо исправляются сферическая аберрация, хроматизм и кома.

Требования к оптическому клею

Этим требованиям отвечают оптические клеи на основе полимеров, отверждаемых ультрафиолетом. Дополнительный плюс УФ-систем для оптики: состав не схватывается, пока не включена лампа, – у оператора есть время на центрирование блока, а фиксация занимает секунды.

Показатель преломления марок «Спектр»

Оптическое стекло имеет n примерно 1,5–1,6 (кроны около 1,5, флинты выше). Из линейки «Спектр» по показателю преломления к стеклу близки, например, УФ-смола R2 (n ≈ 1,5) и водостойкий УФ-клей Р-22 (n ≈ 1,49, шов малозаметен). Для тонкого капиллярного шва подходят самые текучие марки – 5-L, 15-L, 28-L; для полимерных линз – A-200.

Важная оговорка. Ответственная оптика (объективы, призмы, приборные блоки) – это отдельный класс задач со своими требованиями к n, светопропусканию и стабильности. Специализированных оптических клеёв класса Norland NOA в линейке нет: марку подбирают индивидуально и только после испытаний на реальных компонентах. Подробнее об этом – в статье аналоги УФ-клеёв.

Последовательность склейки

1. Подготовка деталей и клея. Соединяемые поверхности предварительно скомплектованных линз промывают, чистят и накладывают друг на друга. Показатель правильной комплектации и качественной чистки – свободное перемещение линз относительно друг друга на тонкой воздушной подушке и появление интерференционной картины при уменьшении воздушной прослойки нажатием на верхнюю линзу.
2. 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 – 0,01–0,02 мм. Уменьшение толщины клеящего слоя увеличивает механическую прочность и морозостойкость соединения.
3. Центрирование компонента. До затвердевания клея совмещают оптические оси склеиваемых линз, контролируя взаимное положение оптическим прибором.
4. Облучение. Компонент засвечивают ультрафиолетовой лампой в положении, исключающем смещение линз относительно друг друга и нарушение центрировки.

Склеенные детали должны удовлетворять требованиям чертежа: допуску C на децентрировку, чистоте клеящего слоя, чистоте и точности формы внешних поверхностей. Технологию процесса определяют тип, размер и материал деталей, технические требования к соединению, агрегатное состояние клея и его свойства.

Частые ошибки

Автоматизированная склейка

Современное оборудование для склейки оптических линз позволяет собирать блок менее чем за 10 секунд с остаточной погрешностью менее 2 мкм. Достигается это за счёт ультрафиолетовых светодиодов, обеспечивающих быстрое отверждение и надёжную фиксацию, и систем автоматического совмещения линз по одной оптической оси.

Типовые характеристики такого оборудования:

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

Порядок работы: оператор наносит клей на нижнюю линзу, размещает верхнюю, удаляет излишки и устанавливает будущую склейку на патроне с вакуумной фиксацией; затем опускается прижимающая рамка, и программа рассчитывает координаты автоколлимационных точек, определяет децентрировку каждой поверхности, совмещает оси и фиксирует положение ультрафиолетовыми светодиодами. Для последующих деталей серии настройка не повторяется – это и даёт выигрыш на партии.

Что учесть при выборе состава

Вязкость определяет, как клей поведёт себя при сведении линз: слишком текучий уйдёт из зоны контакта, слишком густой не даст выйти на 0,01–0,02 мм и задержит воздух – подробнее в статье какую вязкость УФ-клея выбрать. Длину волны подбирают под фотоинициатор состава и прозрачность деталей: 365, 395 и 405 нм. Для засветки блоков подойдут линейная лампа УФ LED 365 нм или лампа 395 нм со светильником; поверхности обезжиривают изопропиловым спиртом. Общая технология УФ-склейки – в статье склейка по УФ-технологии, весь ассортимент – в разделе УФ-клей.

Часто задаваемые вопросы

Зачем вообще склеивать линзы, а не ставить их с зазором?
Склейка точно фиксирует взаимное положение деталей и снижает потери света на отражение: воздушный промежуток между линзами К8 и ТФ1 даёт около 18 % отражённого света, заполнение средой с близким n – примерно 10 %.

Каким должен быть показатель преломления клея?
Близким к показателю преломления одной из линз – тогда отражение на границе раздела минимально. Оптическое стекло имеет n около 1,5–1,6; из линейки «Спектр» близки R2 (n ≈ 1,5) и Р-22 (n ≈ 1,49).

Какой толщины должен быть клеевой слой?
Минимально возможным – 0,01–0,02 мм. Уменьшение толщины увеличивает механическую прочность и морозостойкость соединения.

Как понять, что поверхности подготовлены правильно?
Линзы должны свободно перемещаться относительно друг друга на тонкой воздушной подушке, а при нажатии на верхнюю линзу должна появляться интерференционная картина. Это признак правильной комплектации и качественной чистки.

Почему для оптики удобны именно УФ-клеи?
Состав не схватывается до включения лампы: есть время совместить оптические оси и проконтролировать положение прибором, а фиксация занимает секунды. Двухкомпонентные системы такой свободы не дают.

Можно ли склеивать полимерные линзы?
Да, но полимеры (полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат, zeonex) чувствительны к растворителям и напряжениям: обезжиривать только спиртом, состав подбирать из марок для пластиков и обязательно проверять на образцах.

Что делать, если одна из деталей не пропускает УФ?
Засветить шов через непрозрачную деталь нельзя. Свет подают через вторую линзу или с торца; если обе детали непрозрачны для ультрафиолета (например, германий), УФ-технология не подходит.

Откуда берутся пузыри в шве и чем они опасны?
Обычно из-за быстрого сведения линз или взбалтывания состава. В оптике пузырь – это не только косметика: он рассеивает свет и нарушает однородность слоя. Линзы сводят медленно и дают составу выйти на минимальную толщину до засветки.

Подходят ли клеи «Спектр» для ответственной оптики?
Для несложных задач – да, при подтверждении на образцах. Специализированных оптических клеёв класса Norland NOA в линейке нет: под объективы, призмы и приборные блоки марку подбирают индивидуально и только после испытаний.

Насколько быстро можно склеивать серийно?
На современном оборудовании с УФ-светодиодами – менее 10 секунд на блок при остаточной погрешности менее 2 мкм, для линз диаметром от 5 до 150 мм.

Обращайтесь, если необходима помощь с выбором УФ-клея и УФ-ламп – детально проконсультируем по возникшим вопросам.

E-mail: market@nipg.ru
Тел.: +7 (831) 414-01-71, 8 (800) 600-76-32
Мессенджеры: WhatsApp, Telegram, МАХ

Материал подготовлен техническим специалистом ООО НИПГ «Спектр». При полном или частичном копировании материалов ссылка на источник обязательна.