Линза

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 333 19) (И) 94 602 В 3/О рсРГа: " Я ПИСАНИ БРЕТЕНИ наи эл Е.Жаботиняет условиям 3 О гр06 фмс0(56) ТЬе Магсоп Р.Р. 2-301 1981 1 ре ента теп на поверхС 4) (57) ального коэфого расшиА в вид ра, вып прямого крулненная из нау стекла, по- которого ос гово о цилинодного дно аза оста чению лин ель преломлен есимруж но уменьшаетс т ос и ч теплЬв й поверхности, о т ю -асшире Расстояние ОС ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Ордена Трудового Крмени институт радиотехнитроники АН СССР(53) 535.317(088.8) Патент США38277кл, С 02 В 3/00, 1974 щ 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 выполнена из материала, коэффициент теплового расширения которого удовлетворе о - значение коэффилового расширенности линзы;О, - значение максимфициента тепловрения линзы;К - усредненный позы коэффициент1267333 2 расширения которого удовлетворяет условиям р,с 0(2) Изобретение относится к устройству оптических линз и может бытьиспользовано при работе в областипониженных температур, в частностив условиях космоса.Известны линзы иэ неоднородногопрозрачного материала, фокусирующеедействие которых обусловлено рефракцией света из-за переменного по радиусу линзы показателя преломленияматериала,Недостатком таких линз, изготовленных методом ионного обмена илипарафаэным осаждением, является недостаточно большой перепад показателей преломления между максимумом (вцентре) и минимумом (на периФерии)д и еО,О. 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, показатель 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 поверх ности;б - значение максимального коэффициента теплового расширения;бб - усредненный по сечению лин зы коэффициент тепловогорасширения.На фиг.1 представлено распределенйе по сечению линзы концентрацийкомпонент стекла в рассмотренном примере реализации; на фиг.2-9 " другиевозможные распределения концентраций компонент по сечению линз.Сущность изобретенная заключаетсяв том, что выбор состава стекла и изменение этого состава в теле линзыопределяется тем, чтобы обеспечивалось требуемое распределение показателя преломления по сечению линзыпри определенном ограничении перепа- ЗОда Коэффициента температурного расши.рения стекла по объему линзы, исходя из условий обеспечения требуемойдолговечности линзы при ее эксплуатации в области пониженных температур, где термоупругие напряжения достигают максимума (несколько десятков кг/мм. Такое ограничение перейпада коэффициента теплового расширения по сечению при одновременномсоздании требуемого перепада показателя преломления ( д и0,001) достигается путем введения в составстекла компонент иэ ряда: окислы 45или соли кремния, германия, алюминия, фосфора, бора, титана и др.,а также фтор, азот и др., причем одновременно изменяются концентрациипо крайней мере двух компонент изуказанного ряда, Суммарная концентрация всех компонен выбрана такой,что, во-первых, на наружной поверхности линзы (которая в основном подвержена разрушению из-за наличия наней дефектов в виде трещин, царапин 55 и т,д,) существует не растяжение,как в линзе-прототипе, а сжатиеЭтогарантировано неравенством (1) . Вовторых, величина перепада коэффици3 12673 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 1,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 печьопри 700 С для остекловывания заплывания пор) и получения монолитного цилиндрического стеклянного стержня, из которого вырезают 9 трезок - 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 приоценке экономической эффективноотивыбраны наиболее распространенныесейчас линзы из одного стекла. Тех 50 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 в .100 С.Окислы фосфора, германия, титана, азот и др. вызывают увеличение показателя преломления при их введении в состав стекол на основе дву- О окиси кремния. Понижение показателя преломления в радиальном направлении от оси линзы достигается либо снижением в этом направлении концент-, рации компонент, увеличивающих пока эатель преломления, например германия, либо увеличением в этом направлении концентрации компонент, снижающих показатель преломления, например.фтора либо тем и другим одно временно. Преимуществом линзы перед прототипом - линзой из неоднородного стекла, изготовленной ионным обменом - является большая долговечность и меньшая стоимость, Так длитель ность процесса ионного обмена при изготовлении линзы-прототипа составоляет 20-80 ч при 500 С Данная линза изготовляется за несколько часов. 30П р и м е р, 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 Р = 1 О мм, Стекло линзы содержит следующие компоненты: двуокись кремния, двуокись германия, двуокись титана, трехокись бора. Показатель преломления на оси и и на поверхности линзы исоставляет 1,471 и 1,441 соответственно. КТР на оси Ж и на поверхности линзы М составляет 5710 град и 30 10 град"1 , среднее значение КТР К = 4410 град , что удовлетворяет условиям (1) 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 1,-60 С), Пе 33 4ресчет результатов испытаний на оболасть от -50 до -100 С позволяет утверждать, что с погрешностью 203 укаэанная линза не разрушится в течение 3 лет при эксплуатации в обо области температур от -150 до -00 С. нология их изготовления включает такие долгие, трудоемкие и энергоемкие операции как варка оптического стекла, его отжиг, полировка ишлифовка поверхностей линзы требуемой формы, На изготовление линзытребуется от нескольких дней до месяца. Линза согласно изобретениювыполняется путем парофазовогоосаждения слоев стекла на вращающуюся и постепенно перемещающуюсязатравку. Эта технология используется в производстве заготовок дляволоконных световодов, Для изготовления линзы согласно изобретениютребуется несколько часов..1267333 Составитель Г.ТатаРедактор Т.Парфенова Техред М.Ходанич ко Корректор М.Пож О/43 Тираж 501 ВНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская на