Проект

Разработка прибора для контроля формы плоских, сферических и асферических поверхностей СТАРТ-2009 № 6894р/9490

Актуальность и цели проекта

Создание современных оптических систем уже невозможно без использования асферических линз. В любом фотообъективе современной цифровой камеры можно найти, по крайней мере, две асферики. Одна асферическая линза заменяет 2-3 обычные сферические линзы. В CD и DVD проигрывателях, мобильных телефонах используются исключительно асферические линзы. В других высокотехнологичных приложениях – приборах ночного видения, микролитографии и космических системах - необходима оптика с большим числом асферических поверхностей. Применение асферики обеспечивает существенное уменьшение массы и габаритов оптических приборов, улучшение качества изображения, светосилы и угла поля зрения. Объем мирового рынка оптических элементов превышает 75 млрд. евро, из них 7.5 млрд. евро приходится на долю асферических элементов, причем эта доля быстро растет (http://www.nanometer.ru/2008/05/29/rosnanoteh_53015.html).

Традиционные объективы изготавливаются из сферических линз. Оптические компоненты, описываемые постоянным радиусом кривизны в пределах каждой поверхности, технологичны в изготовлении и поэтому дёшевы. Однако им присущи сферические аберрации, которые ухудшают качество изображения и ограничивают максимально возможную апертуру.

Асферическая оптика – это оптические системы с зеркальными и линзовыми компонентами, имеющими отражающие или преломляющие поверхности несферической формы. Эти поверхности бывают эллипсоидальными, цилиндрическими, параболическими и т. д., либо имеют произвольно заданные отклонения от сферической формы. Теория и полезность асферических линз были известны давно, однако из-за исключительной сложности сверхточной обработки поверхности стекла и измерения формы асферических поверхностей, методы производства асферических линз не были внедрены в практику до самого последнего времени, вплоть до появления компьютерно-управляемых прецизионных станков алмазного микроточения, полировки и шлифовки.

Потребители асферической оптики предъявляют высочайшие требования к точности ее изготовления. Оптика широкого применения изготавливается с точностью обработки поверхности стекла порядка 50-100 нм, в то время как для оптики специального назначения точность должна быть ~5-10 нм и выше. Качество асферики определяется с одной стороны точностью процесса изготовления, а с другой стороны точностью систем контроля формы этой поверхности. При этом в производстве оптики актуален тезис: «если нельзя измерить, то невозможно создать».

Современные компьютерные технологии прецизионной трехмерной обработки материалов (лучевые, ионные, алмазное микроточение и др.) уже позволяют создавать компоненты с оптическими поверхностями произвольной формы и неровностью в единицы нанометров. Однако, существующие в настоящее время методы и приборы не обеспечивают контроль формы асферических поверхностей с требуемой точностью и производительностью. Развитие передовых оптических технологий, широкое их внедрение в производство невозможно без опережающего развития методов и средств измерений («нанометрология»). В частности, высокая себестоимость контроля ведёт к значительному повышению цены изделий. Поэтому актуальной является задача разработки и создания достаточно дешевого, простого и компактного прибора для бесконтактного нанометрического контроля формы оптических поверхностей широкого диапазона: плоских, сферических и асферических. Такой прибор, в частности, смог бы встраиваться в станок алмазного точения (или полировки) асферики и осуществлять контроль непосредственно в процессе формообразования, т.е. во время процесса шлифовки и полировки. Активная обратная связь может корректировать погрешности станка. Такая встроенная в станок измерительная система позволит существенно повысить выход годных изделий, обеспечить высокую точность, скомпенсировать погрешности системы точения, сократить время изготовления и повысить экономическую эффективность. Аналогичных измерительных систем в мире не существует, несмотря на то, что прецизионные станки алмазного точения выпускаются рядом фирм Германии, Японии и США и в последнее время активно закупаются Россией.

В этой связи задачей настоящего проекта является разработка прибора для бесконтактного контроля параметров асферической оптики, что позволит оптическим предприятиям выпускать более дешевую и точную высокотехнологическую продукцию. Предлагается разработать и создать компактный и виброустойчивый универсальный лазерный интерферометр с дифракционными оптическими элементами (синтезированными голограммами) для обеспечения бесконтактного контроля асферики. Предусматривается, что такой интерферометр можно будет встраивать в прецизионные станки точения асферической оптики. В основу проекта положены некоторые ключевые решения, которые были разработаны и запатентованы Институтом автоматики и электрометрии СО РАН (ИАиЭ) и авторами Проекта.

Реализация Проекта позволит преодолеть наметившуюся сейчас технологическую зависимость России от ведущих оптических держав мира.

Разработка прибора для бесконтактного нанометрического контроля асферических поверхностей находится в русле мировых научных приоритетов и соответствует наиболее приоритетным направлениям фундаментальных и прикладных исследований, включенных в Перечень критических технологий РФ.

Следует также отметить, что одним из первых проектов, принятых ГК Роснанотех в 2008 г., является проект «Нанофабрикация асферических оптических элементов». Однако вопросы метрологии и контроля формы поверхности асферических линз в процессе обработки были вынесены за рамки данного проекта в связи с тем, что исполнители не имеют опыта и возможности создании метрологического оборудования на современной элементной базе. Таким образом, данный проект остался без метрологического обеспечения.