СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
METHOD OF MAKING OPTICAL-MECHANICAL MODULE

Настоящее изобретение относится к технологии конструирования, сборки и юстировки оптических устройств, и наиболее эффективно может быть использовано в оптическом приборостроении в процессах, включающих соединение оптических материалов с металлами.
Стандартная технология создания оптического прибора включает изготовление размерных заготовок из оптических материалов, шлифовку и полировку оптических поверхностей, нанесение оптических покрытий, изготовление корпуса, сборочных оптико-механических модулей /ОММ/, сборку и юстировку. Под оптико-механическим модулем понимается оптический элемент, закрепленный в оправе. Сборка оптического прибора происходит последовательно путем установки оптического элемента в металлическую оправу. Для этого применяют пружинные планки, резьбовые и проволочные кольца; используют технологию завальцовки или приклеивание. Такие технические решения обычно приводят к неполному использованию оптической поверхности и завышению, иногда на 10-15%, расхода материала. Процесс юстировки требует специфической и высокой квалификации исполнителей, плохо поддается автоматизации. В связи с этим имеет место стремление конструкторов к созданию ОММ, в которых для соединения с оправой используют периферийные участки оптического элемента вне световой зоны.
Перспективным способом для достижения этой цели является склейка или пайка. Для склейки используют полимерные клеящие материалы, имеющие определенные недостатки: старение, выделение газов в вакууме, пониженную устойчивость к перепаду температур, недостаточную воспроизводимость. Технология пайки имеет более удобные потребительские характеристики, более перспективна, однако адгезия припоя к оптическим материалам, как правило, недостаточна.
Известен способ изготовления оптико-механического изделия [R.B. Belser. „A Technique of Soldering to Thin Metal Films". The review of scientific Instruments, V.25, #2, 1954, p.180-183], включающий очистку соединяемых поверхностей, нанесение на соединяемые поверхности вакуумным напылением пленки из широкого класса неорганических материалов, включающих металлы и неметаллы, и спаивание индием или припоем на его основе. Недостатком такого способа соединения является необходимость применения технологии вакуумного напыления, что технически и технологически сложно, не всегда доступно и имеет ограничения для использования.
Известен способ изготовления оптико-механического модуля, выбранный авторами в качестве прототипа [Пат. США №6392824, МПК С03С 27/04, G02B 07/02, публ. 21.05.2002.], включающий оптическую и конструкторскую проработку прибора, изготовление размерной заготовки из кварца или фтористого кальция с очищенной соединяемой поверхностью, изготовление соразмерной оправы из металла с очищенной соединяемой поверхностью и нанесение на соединяемые поверхности методами вакуумного напыления и гальваники промежуточных слоев из цинка, никеля, алюминия, хрома и золота с последующей пайкой их индием. Предложенная технология является сложной, многоступенчатой, а потому недостаточно точной и надежной.
z
Авторами было показано, что, вопреки существующему мнению, детали из металлов и неметаллов могут быть спаяны непосредственно индием с необходимой и достаточной для оптического приборостроения прочностью, без предварительного нанесения на соединяемые поверхности тонких пленок из других материалов, если соединяемые поверхности отполированы до значений шероховатости R≤0,1 мкм.
Смоченные индием поверхности в последующем могут быть спаяны с помощью стандартных операций с образованием припоя толщиной порядка 0,15 мм. Толщина слоя припоя ≤0,15 мм, обеспечивает с одной стороны достаточные для применения в оптическом приборостроении прочностные характеристики соединения, а с другой стороны не вносит заметного вклада в термодеформации устройства за счет различий коэффициента термического расширения (КТР) припоя и соединяемых материалов.
Предложенное авторами техническое решение представляет собой новую, универсальную технологию изготовления оптических приборов на основе неразъемных соединений наиболее распространенных оптических материалов, таких как германий, кремний, лейкосапфир, кварц, стекло, с металлической оправой с прочностью, достаточной для применений в оптическом приборостроении, устойчивых к воздействию вибрации и работающих в широком температурном диапазоне. Спай не показывает признаков изменения характеристик во времени, допускает нагрев в вакууме.
z
Такой технический результат получен авторами, когда в способе изготовления оптико-механического модуля, включающем изготовление размерной заготовки из оптического материала и соразмерной оправы из металла, подготовку соединяемых поверхностей, введение между соединяемыми поверхностями заготовки и оправы припоя, позиционирование заготовки и оправы с помощью оснастки и последующую пайку индием, материал оптического элемента и оправы выбирают из перечня материалов, обладающих адгезией к индию, подготовку соединяемых поверхностей заготовки и оправы осуществляют полированием до значения шероховатости R≤0,1 мкм, соединяемые поверхности заготовки и оправы нагревают до температуры большей температуры плавления индия, смачивают поверхности припоем и охлаждают, а процесс пайки осуществляют под давлением, обеспечивающим компенсацию уменьшения объема припоя в процессе фазового перехода.
Методы компенсации объема припоя в процессе фазового перехода известны. Компенсацию усадки припоя на величину 1-2% его объема в процессе фазового перехода индия из жидкости в твердую фазу можно осуществить путем уменьшения зазора между соединяемыми поверхностями за счет внешних усилий. Если соединяемые поверхности имеют форму типа „вал - втулка”, применяют разборные оправы любой формы, допускающие сжатие в процессе отверждения, конусные сочленения или используют оснастку, позволяющую осуществлять давление непосредственно на жидкий припой.
Совокупность операций: нагрев поверхности до температуры, большей температуры плавления припоя, смачивание поверхности припоем и охлаждение, -далее обозначим как «залуживание».
Под пайкой авторы понимают нагрев залуженных соединяемых поверхностей до плавления припоя, фиксацию положения соединяемых деталей под давлением и охлаждение.
Под оптической и конструкторской проработкой прибора понимают выбор оптической схемы и конструкции корпуса исходя из возможности его сборки из ОММ без специальных операций юстировки.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Выбирают оптическую схему прибора и конструируют корпус исходя из возможности его сборки из оптико-механических модулей без специальных операций юстировки. Подходы к решению этих задач известны.
z
z
Изготавливают размерную заготовку из оптического материала и полируют поверхность заготовки, предназначенную для соединения, до значений шероховатости R≤0,1 мкм, используя для этого общеизвестные технологии: химического полирования, обработки методами алмазного микроточения или традиционным полированием. Изготавливают оправу из металла. Оправу конструируют исходя из условий последующего монтажа ОММ в корпусе прибора, как правило, без дополнительной юстировки, для чего выполняют ее с посадочными отверстиями и базовыми поверхностями. Под базовой понимают поверхность ОММ, которая при монтаже в корпусе прибора обеспечивает с заданной точностью расчетное положение его оптической оси и фокуса относительно остальных оптических элементов и минимизирует потребность в дополнительной юстировке. Соединяемую поверхность оправы также полируют до значений шероховатости R≤0,1 мкм.
Для пайки используют оснастку, которая с необходимой точностью обеспечивает взаимное позиционирование оптической заготовки и оправы. Соединяемые поверхности залуживают индием, размещают детали в оснастке, нагревают до температуры плавления припоя и после того, как заготовка и оправа примут нужное взаимное положение в пространстве, осуществляют сжатие, компенсирующее усадку припоя, и остужают. Подходы к конструированию оснастки и решению задачи компенсации усадки известны.
Полученную заготовку ОММ размещают на полировальном станке или станке алмазного микроточения и обрабатывают оптическую поверхность исходя из условия достижения заданного положения оптической оси и (или) фокуса относительно базовой поверхности и посадочных отверстий оправы.
Общие подходы для решения этих задач известны. Проведение текущих контрольных операций процесса полирования по заявляемому способу ускорено за счет стандартизации размещения ОММ на измерительном стенде. При необходимости полирования второй оптической поверхности, первую защищают съемной полимерной (металлической) крышкой. ОММ размещают в вакуумной установке для напыления оптических покрытий, используя посадочные отверстия оправы и не применяя специальной оснастки. Крепление оправы на периферийной части оптического элемента позволяет исключить появление незапыленной каймы по краю оптической поверхности. Выбирают технологии получения вакуумных покрытий, не предполагающие нагрев до температур, сопоставимых с температурой плавления припоя. Готовые ОММ размещают в корпусе оптического прибора без дополнительной юстировки. При необходимости компенсации отдельных дефектов оптической схемы используют упрощенные методики, включающие размещение прокладок из металлической фольги заданной толщины на базовых поверхностях. Если необходимо получить ОММ с минимальными термодеформациями, в качестве материала заготовки и оправы выбирают материалы с близкими КТР.
Достоинством предложенного способа является также стабильность положения фокуса и оптической оси ОММ относительно базовых поверхностей в условиях разнообразных механических и температурных воздействий, что подтверждено соответствующими испытаниями и интерферометрическими измерениями.
Примеры конкретного исполнения
-6
-1
z
z
z
Пример 1. На нашем предприятии был изготовлен ОММ, включающий заготовку из оптического германия, имеющего КТР 5,6·10 град, и оправу из стали с КТР, ближайшим к КТР германия. Заготовка в форме цилиндра имела диаметр 62.4 мм, высоту 19 мм. Боковая поверхность цилиндра методом химической полировки была доведена до значения R=0,1 мкм. Оправа имела форму пластины диаметром 84 мм, толщиной 10±0,03 мм с центральным цилиндрическим отверстием диаметром 62,7 мм, стенки этого отверстия были также обработаны на станке алмазного микроотчения до значений R=0,1 мкм. Базовые поверхности оправы методами алмазного точения были также обработаны до значений R=0,1 мкм, имели необходимые значения плоскостности. В оправе были выполнены три посадочных отверстия диаметром 6,5 мм. Соединяемые поверхности залужены припоем из индия, после чего заготовка впаяна в оправу по центру ее высоты, образуя неразъемную конструкцию. Пайку осуществляли при температуре плавления припоя. В процессе пайки применяли специальную оснастку, обеспечивающую взаимное позиционирование заготовки и оправы и сжатие расплава в момент фазового перехода жидкость - твердое тело. Для этого в нижней части ОММ выход для расплава был перекрыт, а сверху обеспечено давление на расплав в площади зазора.
ОММ - линза из германия в оправе, был отполирован на полировальном станке до требуемых значений параметров формы и качества оптических поверхностей без использования наклеечников. При этом отверстия и плоскость поверхности оправы использованы в качестве базовых при достижении требуемого положения фокуса и оптической оси. При полировании второй поверхности первая была защищена накладной крышкой. В последующем на оптические поверхности были нанесены оптические вакуумные покрытия, при этом оправа была использована в качестве оснастки.
6
Световой диаметр ОММ равен диаметру линзы. Экономия материала германия (или увеличение площади световой зоны) составила 8%. Изготовленный ОММ был испытан на устойчивость к внешним воздействиям, которые включали трехкратный цикл перепада температур от - 70 до + 70°С, вибрационные испытания путем воздействия частот 10 - 2000 Гц с амплитудой от 1 до 10g в направлении, перпендикулярном базовой поверхности и количеством знакопеременных циклов 1, 32×10, размещение на оптической поверхности груза массой 3 кг в течение 10 суток. Во всех случаях изменения оптических характеристик относительно базовой поверхности, контролируемые интерферометрически, не обнаружены.
-6
-1
Пример 2. Аналогичные операции были выполнены при изготовлении линзы ОММ из монокристаллического кремния диаметром 92 мм. Для изготовления оправы была выбрана сталь, имеющая КТР, ближайший к КТР кремния, ~4,1·10 град.
Соединяемые поверхности выполнены в форме конуса с углом 7°, что позволило перемещать соединяемые поверхности в процессе фазового перехода за счет приложения внешнего давления и обеспечить их сближение и компенсацию усадки припоя. Проведены операции полирования, контроля и вакуумного напыления. Световой диаметр ОММ был равен диаметру линзы. Экономия материала монокристаллического кремния (или увеличение площади световой зоны) составила 5%. Проведенные испытания оптических характеристик ОММ по режиму, аналогичному испытаниям с германием, отклонений исходных характеристик не выявили. Проведены также испытания, показавшие, что выдерживание в водопроводной воде при комнатной температуре в течение 1 месяца герметичность спая не изменили.
Был проведен расчет выходных оптических характеристик при размещении изготовленных ОММ на расстоянии 39,65 мм один от другого. Изготовлен корпус из титана высотой 39,66 мм с посадочными размерами и отверстиями, соответствующими отверстиям ОММ. Оба модуля закреплены на корпусе. Измеренные оптические характеристики сборки соответствовали расчетным в интервале температур ±50°С. Сборка прибора заняла на 60% меньше времени, качество изображения, определенное по параметрам кружка рассеяния, на 10% лучше по сравнению с контрольным образцом. Дополнительная юстировка не потребовалась.
Показано, что для избранного способа изготовления ОММ технологии сборки и юстировки оптических приборов пригодны для автоматизации.
Таким образом, предложенный авторами способ позволяет создать универсальную технологию изготовления неразъемных соединений наиболее распространенных оптических материалов с металлической оправой с достаточной для оптического приборостроения прочностью, устойчивых к вибрации, работающих в широком температурном диапазоне, удобных для сборки и не требующих специальных действий для юстировки.
Расширены возможности выбора пары металл - оптический материал, что позволяет минимизировать термодеформации оптического прибора.
Полученный ОММ может быть использован для проведения операций шлифовки, формообразования, финишной обработки оптических поверхностей, контроля, напыления покрытий, насыпной сборки. Опорные поверхности оправы во всех технологических операциях служат точкой отсчета для фокуса, или оптической оси ОММ.
Возможность полного использования оптической поверхности (или сокращения расхода материала) особенно актуальна для изделий, имеющих малую площадь оптической поверхности и выполненных из дорогостоящих материалов. Во всех случаях зазор между соединяемыми поверхностями порядка 0,15 мм достаточен для достижения необходимых прочностных характеристик и обеспечивает минимальные искажения при термодеформациях.