СПОСОБ КОПИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
METHOD OF COPYING OPTICAL SURFACES

Изобретение относится к технологии формообразования оптических поверхностей со сложной геометрией путем копирования поверхности прецизионных мастер-матриц в тонких полимерных слоях на сферических подложках из оптических материалов, а именно, рабочих поверхностей комбинированных (гибридных) оптических элементов, дифракционных оптических элементов, и может быть использовано в оптико-электронном приборостроении при серийном изготовлении линз, зеркал, преимущественно с асферическими рабочими поверхностями, и штриховых структур, например, выпуклых и вогнутых дифракционных решеток.
Известен способ изготовления гибридной асферической линзы, согласно которому обрабатывают сферическую линзу, осаждают слой материала асферической линзы на сферическую линзу и прижимают мастер-матрицу, имеющую асферическую поверхность, к слою материала асферической линзы для формирования гибридной асферической линзы поверх сферической линзы, при этом слой материала асферической линзы выполнен из полимерной смолы с адгезивными свойствами [WO 2004/097488 А1 от 01.05.2004 г. МПК G02B 7/02. Дата публикации - 11.11.2004 г.].
Известен способ изготовления оптического элемента путем репликации, включающий заполнение зазора между подложкой и формой жидкой фотополимеризующейся полимерной композицией, отверждение полимерной композиции для получения точного реплицированного слоя, причем указанные этапы репликации повторяются многократно, при этом каждый последующий слой реплик формируется поверх слоя реплик, полученных во время предыдущих циклов репликации [US 7736550 В2. МПК B29BD 11/00. Дата публикации - 15.06.2010 г.].
Известен способ изготовления копий дифракционных оптических элементов, включающий нанесение на поверхность дифракционного оптического элемента-матрицы слоя полимерного клея, размещение на слое полимерного клея прозрачной подложки из стекла, отверждение полимерного клея и отделение копии от матрицы, при этом полимерный клей содержит олигоэфиракрилат, причем в полимерный клей дополнительно вводят инициатор фотополимеризации [RU 2030770 В2. МПК G02B 5/18. Дата публикации - 10.03.1995 г.].
Известен способ репликации оптических поверхностей, согласно которому наносят полимерную композицию на рабочую поверхность сферической подложки, прижимают мастер-матрицу, имеющую заданную рабочую поверхность, к полимерной композиции, отверждают слой полимерной композиции, причем указанные этапы репликации повторяются троекратно [Лукин А.В., Мельников А.Н., Ахметов М.М., Берденников А.В., Гайнутдинов И.С., Жданова А.В., Иванов В.П., Лисова Е.Г., Могилюк И.А. Реплицированная асферическая оптика. Основные аспекты организации серийного и массового производства // Контенант. 2017. Том 16. №2. С. 167-172, рис. 1б, рис. 7].
Прототипом является способ копирования оптических поверхностей, включающий нанесение адгезионного покрытия на рабочую поверхность сферической подложки (стеклянной заготовки, имеющей сферическую поверхность), нанесение полимерной композиции (синтетической полимерной смолы) на адгезионное покрытие, прижим к полимерной композиции мастер-матрицы (эталона) с предварительно нанесенным на ее рабочую поверхность разделительным слоем, отверждение полимерной композиции, в результате которого формируется заданная реплицированная оптическая поверхность (слой синтетической полимерной смолы с отпечатком асферической поверхности), отделение от нее мастер-матрицы по разделительному слою, удаление остатков разделительного слоя с реплицированной оптической поверхности [Справочник технолога-оптика / Под. ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. С. 333-334, рис. 7.1].
Основным недостатком аналогов и прототипа является использование полимерной композиции, имеющей высокую степень линейной усадки при отверждении, которая достигает 9-10%, причем слой полимерной композиции на сферической подложке в различных зонах, при копировании асферической поверхности прецизионной мастер-матрицы, имеет разную толщину, и его линейная усадка вызывает соответствующие аберрации, что приводит к необходимости выполнения большого количества циклов копирования (от 3 до 5 циклов) оптической поверхности со сложной геометрией.
Техническим результатом изобретения является снижение количества циклов копирования оптических поверхностей со сложной геометрией за счет снижения степени линейной усадки полимерной композиции.
Технический результат достигается тем, что в способе копирования оптических поверхностей, включающем нанесение адгезионного покрытия на рабочую поверхность сферической подложки, нанесение полимерной композиции на основе ненасыщенных полиэфирных смол на адгезионное покрытие, прижим к полимерной композиции мастер-матрицы с предварительно нанесенным на ее рабочую поверхность разделительным слоем, отверждение полимерной композиции, в результате которого формируется заданная реплицированная оптическая поверхность, отделение от нее мастер-матрицы по разделительному слою, удаление остатков разделительного слоя с реплицированной оптической поверхности, согласно настоящему изобретению, перед нанесением полимерной композиции на адгезионное покрытие в нее дополнительно вводят наполнитель, в качестве которого используют порошок из предварительно отвержденной и измельченной полимерной композиции, применяемой в процессе копирования, в количестве 15-60% от объема полимерной композиции. В качестве наполнителя используют порошок с размером частиц не более 10 мкм.
Таким образом, способ копирования оптических поверхностей включает в себя следующие этапы:
1. Нанесение адгезионного покрытия на рабочую поверхность сферической подложки.
2. Нанесение разделительного слоя на рабочую поверхность мастер-матрицы.
3. Приготовление полимерной композиции, в процессе которой в нее дополнительно вводят наполнитель в количестве 15-60% от объема полимерной композиции в виде порошка с размером частиц не более 10 мкм из предварительно отвержденной и измельченной полимерной композиции, применяемой в процессе копирования.
4. Нанесение полимерной композиции на адгезионное покрытие.
5. Прижим мастер-матрицы к полимерной композиции.
6. Отверждение полимерной композиции на сферической подложке, в результате которого формируется заданная реплицированная оптическая поверхность.
7. Отделение мастер-матрицы от реплицированной оптической поверхности по разделительному слою.
8. Удаление остатков разделительного слоя с реплицированной оптической поверхности.
Оптимальное количество наполнителя в составе полимерной композиции, размер частиц наполнителя определены экспериментально путем пробного копирования оптических поверхностей.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Копирование оптической поверхности дифракционной решетки с компенсированными аберрациями на тороидальной рабочей поверхности с размерами 70×60×15 мм с радиусами кривизны рабочей поверхности в меридиальной и в сагиттальной плоскостях равными 500 мм и 334 мм, соответственно.
Выбирают стандартную подложку с размерами 70×60×15 мм со сферической поверхностью с радиусом кривизны 500 мм и чистотой по 4 классу. Наносят адгезионное покрытие на рабочую поверхность сферической подложки. Наносят разделительный слой на рабочую поверхность мастер-матрицы. При приготовлении полимерной композиции на основе пропиленгликольмалеинатфталата (с предварительно введенными инициатором и ускорителем отверждения в соответствии с действующей нормативной документацией), в нее дополнительно вводят наполнитель в виде порошка с размером частиц не более 10 мкм из предварительно отвержденной и измельченной той же полимерной композиции в количестве 60% от объема не отверждаемой полимерной композиции. На адгезионное покрытие сферической подложки наносят полимерную композицию с наполнителем, после чего сверху к ней прижимают мастер-матрицу и выдерживают до полного отверждения полимерной композиции, в результате чего формируется реплицированная оптическая поверхность. После ее полного отверждения, отделяют мастер-матрицу от сферической подложки по разделительному слою. Затем удаляют остатки разделительного слоя с реплицированной оптической поверхности, в результате чего получают заданную оптическую поверхность. Линейная усадка полимерной композиции после отверждения составила 4-4,5%. Для получения копии оптической поверхности дифракционной решетки было выполнено однократное копирование. По окончании процесса изготовления контролируют параметры копии оптической поверхности на соответствие ее техническим требованиям. Полученная копия дифракционной решетки соответствует требованиям по точности (с допуском на общую ошибку в две интерференционные полосы - 0,55 мкм и местную ошибку в 0,2 интерференционной полосы), по внешнему виду, разрешающей способности, дифракционной эффективности, светорассеянию.
Пример 2.
Копирование оптической поверхности дифракционной решетки в соответствии с технологическим процессом, изложенным в примере 1. Отличием является то, что на этапе приготовления полимерной композиции в нее вводят наполнитель в количестве 15% от ее объема. Линейная усадка полимерной композиции после отверждения составила 8-8,5%. Для получения копии оптической поверхности дифракционной решетки было выполнено двукратное копирование.
Пример 3.
Копирование оптической поверхности дифракционной решетки в соответствии с технологическим процессом, изложенным в примере 1. Отличием является то, что на этапе приготовления полимерной композиции в нее вводят наполнитель в количестве 45% от ее объема. Линейная усадка полимерной композиции после отверждения составила 5,5-6%. Для получения копии оптической поверхности дифракционной решетки было выполнено двукратное копирование.
Пример 4 (прототип).
Копирование оптической поверхности дифракционной решетки в соответствии с технологическим процессом, изложенным в примере 1. Отличием является то, что на этапе приготовления полимерной композиции в нее не вводят наполнитель. Линейная усадка полимерной композиции после отверждения составила 9-10%. Для получения копии оптической поверхности дифракционной решетки с использованием полимерной композиции без наполнителя (прототип) было выполнено трехкратное копирование.
Изложенная технология копирования оптических поверхностей также может быть использована при серийном изготовлении линз и зеркал с асферическими рабочими поверхностями.
Таким образом, использование предлагаемого способа копирования оптических поверхностей, благодаря дополнительному введению в состав полимерной композиции наполнителя в виде мелкодисперсного порошка из предварительно отвержденной и измельченной полимерной композиции, применяемой в процессе копирования, позволяет снизить количество циклов копирования оптических поверхностей со сложной геометрией в 1,5-3 раза за счет снижения степени линейной усадки полимерной композиции с 9-10% до 8,5-4%.