Исследование рабочей поверхности оптического элемента из поликристаллического кремния на технологическом этапе асферизации

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Исследование рабочей поверхности оптического элемента из поликристаллического кремния на технологическом этапе асферизации

И.В. Малышев

Проведены результаты оптимизации технологического процесса формообразования асферической поверхности на подложке из поликристаллического кремния. Благодаря оптимизации получено значительное ускорение технологического процесса асферизации оптических элементов из поликристаллического кремния. Оптимизация произведена за счет сочетания различных методов контроля формы поверхности и уточнения функции материалосъема во время обработки.

кремний поликристаллический асферизация формообразование

Введение

В настоящее время для отслеживание гео и метеоусловий на земле наилучшим средством являются оптические комплексы космического базирования, работающие в УФ и видимом диапазонах. При производстве подобных оптических систем сохраняется тенденция повышения оптических характеристик ее компонентов и сокращения сроков их изготовления.

Благоприятное сочетание физико-механических, теплофизических свойств кремния делает поликристаллический кремний чрезвычайно перспективным материалом для создания зеркал телескопов рефлекторов. [1]

При одинаковой жесткости (прогибе под действием собственного веса) относительная масса зеркал контролируется параметром (г3/Е)1/2, где г -- удельный вес материала (Н/м2), Е -- модуль упругости (ГПа).[2] По этому параметру кремний занимает одну из лидирующих позиций.

По коэффициенту термодеформаций б/л (б - температурный коэффициент линейного расширения 10-6К-1, л -- теплопроводность Вт/м·К), определяющему величину температурной ошибки при теплообмене зеркала с окружающей средой, кремний не имеет равных и превосходит такой материал, как легированный плавленый кварц ULE(США). [2]

Время жизни термодеформаций (длительность переходных процессов, время установления теплового равновесия) обратно пропорциональное температуропроводности, у кремния имеет значение, приближенное к меди. [2]

Особенности межатомных связей в кремнии обуславливают проявление упругих свойств кремния при любых разумных температурах. Другими словами, механические и термоупругие напряжения не приводят к появлению необратимых статочных деформаций в зеркалах из кремния.

Благоприятное сочетание физико-механических и теплофизических свойств кремния позволяет свести к минимуму воздействие внешних источников размерной нестабильности зеркал, таких как гравитационные и температурные поля. Подобные деформации являются обратимыми и исчезают при прекращении воздействия внешнего фактора.

Таким образом, кремний является перспективным материалом для создания телескопических систем. Он сочетает высокую удельную жёсткость, приближающуюся к жёсткости силицированного карбида кремния и бериллия, с высокой температурной стабильностью, характеризующейся отношением коэффициента линейного расширения материала и его теплопроводности, по которой поликристаллический кремний превосходит такие распространённые для производства крупногабаритной оптики материалы как легированный плавленый кварц ULE (Corning Glass), церодур (Shott).

Свойства некоторых материалов используемых для изготовления крупногабаритных аэрокосмических зеркал приведены в таблице 1.[3]

Таблица 1.

В настоящее время известен ряд технологических процессов получения асферических поверхностей на подложке из поликристаллического кремния, но все они характеризуются большой длительностью технологического процесса либо недостаточной точностью формы получаемой оптической поверхности. Например, изготовление вторичного гиперболического зеркала для объектива телескопа УФТ-1 диаметром 90мм. заняло более двух месяцев. Поэтому при изготовлении подобного зеркала телескопа УФТ-2 было решено оптимизировать технологический процесс асферизации с целью сокращения времени при сохранении оптических свойств и параметров зеркала.

Технологический процесс асферизации и используемые способы контроля формы оптической поверхности.

В данной работе рассмотрена технология обработки асферической поверхности путем распределения работы притира по зонам на классическом шлифовально-полировальном станке. Подобный способ позволяет получить точную форму поверхности, малую шероховатость и хорошую чистоту оптической поверхности, но требует длительного времени работы специалиста высокой квалификации. [4]

Для оптимизации технологического процесса была изучена функция материалосъема при зонной обработке оптического элемента инструментом различного вида (малоразмерный инструмент - планшайба малого диаметра, секторный инструмент). Контроль функции материалосъема и формы полученной поверхности детали производился с помощью комплекса контактных и оптических методов.

На этапе тонкого шлифования асферической поверхности проводилось определение и дальнейшее уточнение функции материалосъема. Контроль формы поверхности осуществлялся производился с помощью контактного асферометра. Принцип действия прибора заключается в сравнении величины асферичности от «ближайшей» сферы и асферичности от обрабатываемой заготовки в контролируемой зоне обработки (Рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

На этапе асферизации полированием для контроля формы поверхности асферической поверхности использовались контактный профилограф-профилометр Talysurf PGI 1240 и интерферометр Zygo. По интерференционным и теневым картинам, полученным методом анаберационных точек и теневому методу Фуко можно получить информацию о форме обрабатываемой поверхности [5], а с помощью профилографа-профилометра оперативно получить количественную информацию об ошибке формы поверхности (Рис 2., Рис 3) и функции материалосъема в обрабатываемой зоне. На финишном этапе формообразования на профилографе-профилометре Talysurf PGI 1240 поверхность аттестовывалась по параметрам шероховатости.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Применение такой совокупности методов контроля в комплексе с исследованием функции материалосъема позволило эффективно управлять процессом асферизации, и значительно сократить его продолжительность.

Интерференционная картина готового зеркала изображена на рисунке 4. Полученные результаты отражены в таблице 2.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Таблица 2.

Заключение

В ходе создания гиперболического зеркала из монокристаллического кремния для телескопа УФТ-2 проведена оптимизация технологического процесса асферизации. Исследование функции материалосъема монокристаллического кремния позволило создать формализованный объем данных о процессе съема, что в совокупности с перекрывающейся метрологической линейкой (совмещение нескольких методов контроля) позволило значительно сократить время обработки оптического элемента. На рисунке 5 представлены изменения значений СКО формы поверхности в процессе обработки для зеркала УФТ-1 и УФТ-2. Из рисунка видно, что процесс асферизации приобрел совершенно иной характер. Из колебательно-сходящегося итерационного он превратился в монотонно-сходящийся итерационный процесс, что значительно сократило его длительность.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Вышеописанные принципы управления и контроля технологии формообразования кремниевых оптических элементов в настоящее время используются при исследованиях обработки и формообразования оптических элементов из карбида кремния. Производство заготовок крупногабаритных зеркал из карбида кремния начато в Государственном Оптическом Институте им. С.И. Вавилова.

Работа выполнена при государственной финансовой поддержке Российского научного фонда (Соглашение № 14-23-00136).

Литература

В.Д.Стариченкова, Д.Б. Никитин, Ю.П. Химич. Изготовление асферических зеркал из кремния для УФ-телескопа.

Д.Б. Никитин, Д.А. Серегин, Ю.П. Химич. Формообразование оптических поверхностей крупногабаритных зеркал из поликристаллического кремния.// Оптический журнал, 2005, N12, с. 50.

Ю.П. Химич, Д.Б. Никитин, Д.А. Серегин. Оптическое формообразование крупногабаритного асферического зеркала из карбида кремния.// Оптический журнал, 2010, N12, с. 65.

Изготовление асферической оптики. Н.П. Заказнов, В.В. Горелик. Издательство «Машиностроение», Москва 1978г. 248 стр.

Д.Т. Пуряев. Методы контроля оптических асферических поверхностей. - М., Машиностроение, 1987. 109 стр.

Размещено на Allbest.ru