Линза

 

ЛИНЗА в виде прямого кругового цилиндра, выполненная из неоднородного по составу стекла, показатель преломления которого осесимметрично уменьшается от оси к наружной поверхности, отличаюШ а я с я тем, что, с целью увеличения срока службы линзы при работе в условиях отрицательных температур путем ограниченияв ней остаточных термоупругих напряжений, линза вьшолнена из материала, коэффициент теплового расширения которого удовлетворяет условиям oi ii2l 1. л. I -ь и ei где oi - значение коэффициента теплового расширения на поверхности линзы; oi., - значение максимального коэф (Л фициента теплового расширения линзы; 06 - усредненный по сечению линзы коэффициент теплЬвого расширения. 00 со со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

PECAYSJlHH

333 А1 (}9} (И} (5}} 4 G 02 В 3/02

ВСГО." з ,,И) 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К.А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ; 4 t 4, а, ам аз- ° ч- е ан з

1 3 10 град т

У

0С м

)с--а l +

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3576644/18-10 (22) 08.04.83 (46) 30.10.86. Бюл. В 40 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР (72) И.В.Александров, М.ЕеЖаботинский и О. Е.Шушпанов ,(53) 535.317(088.8) (56) The Marconi Peview 44, 220, P.P. 2-30, )98!.

Патент США )) 3827785, кл. G 02 В 3/00, )974. (54)(57) ЛИНЗА в виде прямого кругового цилиндра, выполненная из неоднородного по составу стекла, показатель преломления которого осесимметрично уменьшается от оси к наружной поверхности, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что, с целью увеличения срока службы линзы при работе в условиях отрицательных температур путем ограничения в ней остаточных термоупругих напряжений, линза выполнена из материала, коэффициент теплового расширения которого удовлетворяет условиям где М „ — значение коэффициента теплового расширения на поверхности линзы Ю с и„ вЂ” значение максимального козффициента теплового расширения линзы;

0 — усредненный по сечению линзы коэффициент теплового расширения.

7 г/а

РаССтояние (7т оси

1267333 2 расширения которого удовлетворяет условиям (-б -1

1 3 ° 10 град

41 + о7, м

1 с

М (2) Изобретение относится к устройству оптических линз и может быть использовано при работе в области пониженных температур, в частности в условиях космоса..

Известны линзы иэ неоднородного прозрачного материала, фокусирующее действие которых обусловлено рефракцией света из-за переменного по радиусу линзы показателя преломления материала.

Недостатком таких линз, изготовленных методом ионного обмена или парафаэным осаждением, является недостаточно большой перепад показателей преломления между максимумом (в центре) и минимумом (на периферии) д и e0 Ql. При увеличении д и в лин-. зе возникают недопустимо большие термоупругие напряжения, которые приводят к разрушению линзы, Наиболее близкой к изобретению является линза в виде прямого кругового цилиндра, выполненная из неоднородного по составу стекла, показа1 тель преломления которого осесимметрично уменьшается от оси к наружной поверхности.

Недостатком линзы является наличие на ее поверхности термоупругого напряжения растяжения. Это связано с тем, что при легировании с поверхности в процессе ионного обмена ионами более легких металлов, чем содержащиеся в исходной заготовке, материал линзы имеет коэффициент теплового расширения, увеличивающийся от оси к поверхности. Наличие растяжения на наружной поверхности приводит к разрушению линзы с дп «.0,01, при эксплуатации в области пониженных температур (в диапазоне от -!50 до -100 С), в котором работает оборудование космических аппаратов.

Целью изобретения является увеличение срока службы линзы при работе в условиях отрицательных температур путем ограничения в ней остаточных термоупругих напряжений.

Указанная цель достигается тем, что в линзе в виде прямого кругового цилиндра, выполненной иэ неоднородного по составу стекла, показатель преломления которого осесимметрично уменьшается от оси к наружной поверхности, линза выполнена из материала, коэффициент теплового где м — значения коэффициента теплового расширения на поверх10 ности; е „ — значение максимального коэффициента теплового расширения;

o7. — усредненный по сечению лин15 зы коэффициент теплового расширения.

На фиг.l представлено распределенйе по сечению линзы концентраций компонент стекла в рассмотренном примере реализации; на фиг.2-9 - другие возможные распределения концентраций компонент по сечению линз.

Сущность изобретенная заключается в том, что выбор состава стекла и изменение этого состава в теле линзы определяется тем, чтобы обеспечивалось требуемое распределение показателя преломления по сечению линзы при определенном ограничении перепа30 да коэффициента температурного расширения стекла по объему линзы, исходя из условий обеспечения требуемой долговечности линзы при ее эксплуатации в области пониженных температур, где термоупругие напряжения достигают максимума (несколько десятков кг/мм . Такое ограничение перейк пада коэффициента теплового расширения по сечению при одновременном создании требуемого перепада показателя преломления (д и > 0,001) достигается путем введения в состав стекла компонент иэ ряда: окислы

45 или соли кремния, германия, алюминия, фосфора, бора, титана и др., а также фтор, азот и др., причем одновременно изменяются концентрации по крайней мере двух компонент из указанного ряда. Суммарная концентрация всех компонен выбрана такой, что, во-первых, на наружной поверхности линзы (которая в основном подвержена разрушению из-за наличия на ней дефектов в виде трещин, царапин и т.д.) существует не растяжение, как в линзе-прототипе, а сжатие ° Это гарантировано неравенством (I) . Вовторых, величина перепада коэффици3 1 2673

Линза изготовлена методом осаждения слоев стекла с плавно изменяю, щимся составом на торец вращающейся и перемещающейся оправки. Стекло формируется в результате высокотемпературной (1500 — 2000 С) реакции окисления хлоридов компонент (в данном случае в пламя кислородно-водородной горелки вводятся хлориды кремния, титана, германия,и бора, а так. же кислород). Распределение показателя преломления по сечению достигается соответствующим распределением по сечению потоков хлоридов. Изготовленная пористая заготовка затем помещается на несколько часов в печь о при 700 С для остекловывания (заплывания пор) и получения монолитного цилиндрического стеклянного стержня, из которого вырезают 9трезок - заготовку линзы. Плоские торцы отрезают, затем шлифуют и полируют. Указанный стержень можно перетянуть в стержень меньшего диаметра путем нагрева под растягивающей нагрузкой. Это позволяет сформировать из исходного стержня линзы практически любого меньшего диаметра.

В качестве базового объекта при оценке экономической эффективнооти выбраны наиболее распространенные сейчас линзы из одного стекла. ТехSO ента теплового расширения по сечению линзы ограничена условием (2), обеспечивающим долговечность линзы не менее, чем 50 лет при эксплуатации в области пониженных температур от -150 до †.100 С.

Окислы фосфора, германия, титана, азот и др. вызывают увеличение показателя преломления при их введении в состав стекол на основе дву- !р окиси кремния. Понижение показателя преломления в радиальном направлении от оси линзы достигается либо снижением в этом направлении концент-, рации компонент, увеличивающих показатель преломления, например германия, либо увеличением в этом направлении концентрации компонент, снижающих показатель преломления, например.фтора либо тем и другим одно- 20 временно. Преимуществом линзы перед прототипом — линзой из неоднородного стекла, изготовленной ионным обменом — является большая долговечность и меньшая стоимость, Так длитель- 25 ность процесса ионного обмена при изготовлении линзы-прототипа составо ляет 120-180 ч при 500 С Данная линза изготовляется за несколько часов. 30

Пример. Линза в виде прямого кругового цилиндра с диаметром 7 мм и длиной 25 мм выполненна из неоднородного стекла, показатель преломления которого осесимметрично уменьшается от оси (фокусирующая линза), так что перепад показателя преломления составляет 0,03..Фокусное расстояние линзы F = 10 мм, Стекло линзы содержит следующие компоненты: 40 двуокись кремния, двуокись германия, двуокись титана, трехокись бора.

Показатель преломления на оси и и на поверхности линзы и „ составляет

l,47I и 1,441 соответственно. KTP на оси o(и на поверхности линзы

М составляет .57 10 град и

30 10 град" среднее значение

KTP К = 44 10 град, что удовлетворяет условиям (11 и (2). На поверхности линзы существует термоупругое сжатие в 2 кг/мм .

Долговечность линзы проверена динамическим и циклическими испытаниями на симметричный изгиб при температурах сухого льда (-60 С). Пе33 4 ресчет результатов испытаний на обо ласть от -150 до -100 С позволяет утверждать, что с погрешностью 20Х укаэанная линза не разрушится в течение 3 лет при эксплуатации в обо области мператур от -150 до — 100 С. нология их изготовления включает такие долгие, трудоемкие и энергоемкие операции как варка оптического стекла, его отжиг, полировка и шлифовка поверхностей линзы требуемой формы. На изготовление линзы требуется от нескольких дней до месяца. Линза согласно изобретению выполняется путем парофазового осаждения слоев стекла на вращающуюся и постепенно перемещающуюся затравку. Эта технология используется в производстве заготовок для волоконных световодов. Для изготовления линзы согласно изобретению требуется несколько часов.

1267333

Фиг3 а

Рассгпояние om оси

Фиг. Ф

l267333 га

1 l /й

Фиг.б

1 г/а. О

Расстояние om ocu

Фиг.7.1267333

1 г/и

Составитель Г. Татарникова

Редактор Т. Парфенова Техред N.Ходанич Корректор М.Пожо

Подписное

Заказ 5770/43 Тираж 501

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

IIo делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4