Тема 7. Конструирование оптических деталей и узлов

Детали, изготовленные из прозрачного для оптического излучения материала и входящие в оптическую схему прибора, называются оптическими. К ним относятся линзы, зеркала, призмы, светофильтры, прозрачные шкалы, сетки и защитные стекла. Исключение составляют зеркала с наружным покрытием и дифракционные решетки, которые могут быть выполнены из непрозрачного материала.

У оптических деталей можно выделить две группы параметров, необходимых для их изготовления.

Первая группа (расчетные) — параметры, которые характеризуют оптическое действие линз: к ним относятся световые диаметры, толщина линзы по оси и радиусы кривизны преломляющих поверхностей, а так же константы оптического стекла и технические требования к нему, допуски на качество поверхности, чистоту и центрировку.

Вторая группа (конструктивные) — параметры, влияющие на способ крепления. К этой группе относится полный диаметр линзы, выбираемый при окончательном оформлении конструкции линзы в зависимости от способа крепления ее в оправе, а также размеры и расположение фасок.

Фаски, классифицируются на три группы:

· Технологические – предназначенные для удаления мелких выколок, образовавшихся при центрировке и для предохранения деталей от выколок;

· Конструкторские – предназначенные для крепления оптических элементов завальцовкой или обеспечения центрировки; причем размер фаски берется в отличие от механических деталей по гипотенузе;

· Конструктивные – предназначенные для удаления излишков стекла, уменьшения массы, обеспечения условий удобного крепления.

Первые два вида фасок нормализованы и выбираются в зависимости от диаметра оптических элементов; конструктивные фаски не нормализованы и определяются из конструктивных соображений.

Существуют следующие способы крепления линз: крепление завальцовкой (закаткой), крепление резьбовым (зажимным) кольцом, крепление пружинящими планками, проволочным (разрезным) кольцом и крепление приклеиванием. Первые два вида крепления используются наиболее широко, так как они являются универсальными.

Крепление завальцовкой. При этом способе линза удерживается в оправе тонкой кромкой, которая приобретает свою конечную форму в результате пластического деформирования металла во время завальцовки (рис.7.1). Такое крепление является неразъемным. Крепежная кромка оправы после завальцовки находится в сопряжении с конусной поверхностью специальной фаски линзы, при этом она не должна выступать за пределы фаски.

Крепление завальцовкой позволяет избежать необходимости проведения юстировочных работ, так как перекос и децентрировка линз исключаются одновременной обработкой наружного диаметра оправы и подрезкой её опорных торцев с использованием автоколлимационного метода.

Рис. 7.1 Крепление линз завальцовкой

Достоинства:

+ высокая надежность крепления, особенно для линз малого диаметра;

+ отсутствие пережимов в стекле при правильной технологии процесса завальцовки;

+ высокоточное совмещение оптических и механических баз и отсутствие необходимости котировочных работ после крепления оптической детали.

Недостатки:

– падение надежности крепления с увеличением габаритных размеров детали;

– высокая точность изготовления опорных поверхностей оправы и линзы.

Резьбовое соединение. Крепление линз резьбовым кольцом применяют, когда невозможно применить крепление завальцовкой. При этом способе крепления оптическая деталь прижимается к опорному уступу оправы резьбовым кольцом, кромка которого нажимает на деталь с противоположной стороны. Это крепление является разъемным. На рис. 7.2 показаны примеры конструкций узлов крепления линз резьбовым кольцом.

Рис. 7.2 Крепление оптической детали резьбовым кольцом

В отличие от крепления завальцовкой этот вид крепления является жестким. Поэтому, при работе в сложном температурном режиме, возможно существенное ухудшение качества крепления. Помимо того, при креплении резьбовым кольцом трудно обеспечить равномерный прижим оптической детали по всей окружности опорного уступа из-за погрешностей изготовления резьбы, погрешностей расположения торца резьбового кольца (неперпендикулярность), а также погрешностей формы уступа и торца.

Для предотвращения от самоотвинчивания резьбовых колец их необходимо контрить. Для этого применяют установочные винты, завертываемые в резьбовое отверстие оправы или резьбового кольца с внутренней резьбой. При недостатке места установочный винт, может быть, завернут в торец оправы и резьбового кольца с внешней резьбой, для чего при сборке под установочный винт засверливают резьбовое отверстие. Резьбовые кольца могут также контриться с помощью грунтовок или уплотнителей.

Достоинства резьбового соединения:

+ возможность сборки разборки конструкции оптического узла;

+ использование в тех случаях, когда по конструктивным соображениям крепление завальцовкой невозможно (крепления линз больших диаметров).

Недостатки:

– неравномерный прижим линзы торцом резьбового кольца, что в свою очередь это приводит к нарушению центрировки, местным натяжениям в стекле и ухудшению качества изображения;

– отсутствие компенсаций температурных колебаний, приводит также к местным натяжениям в стекле и даже возможно разрушение линзы;

– необходимость стопорение резьбового кольца при работе в условиях вибрации и ударных нагрузок;

– при завертывании резьбового кольца, его вращение передается на линзу, что вызывает ее проворачивание.

Рис. 7.3 Крепление линз пружинными планками

Крепление пружинящими планками. Этот вид крепления основан на принципе «трех точек» (рис. 7.3). В трех зонах, расположенных под углом 120°, на оптическую деталь нажимают три одинаковые плоские пружины на три выступа пружины, обеспечивая силовое замыкание детали на базирующий уступ оправы. Эти плоские пружины называются пружинящими планками. Прижимные пружинящие планки прикрепляются к оправе винтами, их конструкция и расположение относительно оправы могут быть самыми разнообразными. Конкретное конструктивное решение зависит от особенностей конструкции оправы и всего узла.

Крепление в эксцентриковых оправах. Крепление в эксцентриковых оправах применяется для обеспечения возможности юстировки оправы с линзой относительно оптической оси всей системы. В этих оправах линзы укрепляются завальцовкой или резьбовым кольцом.

Величина эксцентриситета (n) для всех типов оправ - порядка 0,5 мм, что совместно с кольцом позволяет смещать ось до 1 мм в любую сторону.

Правила обеспечения зазоров между линзами и оправой остаются те же, как и для предыдущих случаев.

Крепление методом гальванического наращивания металла в местах соединения. Такой вид крепления применяется главным образом в микрообъективах, на менисках малого диаметра, где затруднительны или невозможны другие способы крепления.

Крепление проволочным кольцом. Этот способ конструктивно прост и технологичен, но используется только для крепления линз в наименее ответственных случаях, когда не предъявляется высоких требований к точности, надежности и герметичности соединения. К таким случаям относятся: рассеиватели, конденсорные линзы.

Рис. 7.4 Крепление линз проволочным кольцом

В случае крепления проволочным кольцом оптическая деталь находится между уступом оправы и выступающей частью проволочного кольца, помещенного в специальную канавку (рис. 7.4). Ширина канавки равна диаметру проволоки, глубина-половине диаметра. Кольца изготовляются из пружинной проволоки. Во избежание выколок, сопряжение оптической детали и кольца должно осуществляться по поверхности её фаски.

Рис. 7.5 Крепление линз приклеиванием

Крепление приклеиванием. В конструктивном отношении этот способ является самым простым, так как он не требует дополнительных элементов крепления, кроме оправы и склеивающего вещества. На рис. 7.5 показаны варианты крепления линз приклеиванием. Однако такое крепление применяется ограниченно. Оно является неразъемным и жестким. При больших перепадах температуры, из-за разницы коэффициентов термического расширения материалов линзы и оправы, возможно расклеивание или возникновение недопустимых напряжений в стекле и деформаций линзы. Поэтому этот способ крепления применяется, как и крепление проволочным кольцом только в неответственных случаях. Приклеивание эффективно, если проектируемое устройство предназначено для работы в лабораторных условиях, особенно, если реализация других способов затруднительна (детали очень малого диаметра). При этом следует учитывать, что некоторые склеивающие вещества при затвердевании сильно уменьшаются в объеме (усаживаются), что может вызвать появление напряжений в оптической детали сразу же после завершения процесса склейки.

Для приклеивания линз к металлическим оправам могут применяться: оптические клеи по ГОСТ 14887-80 (акриловый, эпоксидные ОК-50П, ОК-72 и полиэфирный клей ОК-90 пластифицированный), технические клеи по РТМ 3-522-74 (полиуретановый ПУ-2, шеллачный), герметики по
ОСТ 3-1927-73 (УТ-32, УТ-34), герметик У30 м (ГОСТ 13489-79).