لنزهای نوری چگونه ساخته می شوند: مواد، سنگ زنی و پوشش ها

لنزهای نوری با شکل دادن و صیقل دادن مواد شفاف، معمولاً پلیمرهای شیشه ای یا پلاستیکی نوری، به اشکال منحنی دقیقی ساخته می شوند که نور را به روش های کنترل شده خم می کنند. این فرآیند ترکیبی از انتخاب مواد خام، سنگ زنی، پرداخت، پوشش و بازرسی کیفیت است که هر مرحله مستقیماً بر عملکرد نوری نهایی تأثیر می گذارد.

مواد اولیه مورد استفاده در لنزهای نوری

انتخاب ماده، ضریب شکست، وزن، مقاومت در برابر خراش و انتقال نور لنز را تعیین می کند. دو دسته اصلی شیشه های نوری و پلاستیک های نوری هستند.

شیشه نوری

شیشه نوری از ماسه سیلیس با خلوص بالا مخلوط شده با مواد افزودنی مانند اکسید باریم، اکسید لانتانیم یا ترکیبات بدون سرب برای تنظیم ضریب شکست تولید می‌شود. معمولاً به ضریب شکست بین می رسد 1.5 و 2.0 و برای ابزارهای با دقت بالا مانند لنزهای دوربین، میکروسکوپ و تلسکوپ مناسب است. لنزهای شیشه ای مقاومت عالی در برابر خراش و پایداری شیمیایی دارند، اما سنگین تر از جایگزین های پلاستیکی هستند.

پلاستیک های نوری

لنزهای پلاستیکی از پلیمرهایی مانند CR-39 (آلیل دی گلیکول کربنات)، پلی کربنات و پلاستیک های با شاخص بالا ساخته می شوند. CR-39 که در دهه 1940 معرفی شد، یکی از پرکاربردترین مواد در لنزهای عینک باقی مانده است زیرا سبک وزن است و وضوح نوری خوبی با ضریب شکست 1.50 . پلی کربنات، با ضریب شکست حدود 1.59 ، در برابر ضربه مقاوم است و معمولا در عینک ایمنی و عینک کودک استفاده می شود.

مرحله ذوب و قالب گیری شیشه

برای عدسی های شیشه ای، فرآیند تولید با ذوب مواد خام در کوره در دمای بیش از حد آغاز می شود. 1400 درجه سانتیگراد . شیشه مذاب به دقت هم زده و فیلتر می شود تا حباب های هوا و ناخالصی ها از بین برود که در غیر این صورت باعث ایجاد اعوجاج نوری می شود. پس از سرد شدن در شیشه های جامد، مواد آنیل می شوند، به این معنی که برای کاهش تنش داخلی و بهبود پایداری ساختار، دوباره گرم شده و به آرامی خنک می شوند.

برای لنزهای پلاستیکی، این فرآیند معمولاً شامل قالب گیری یا ریخته گری تزریقی است. در ریخته‌گری، مونومر مایع بین دو قالب با شکل دقیق ریخته می‌شود و با استفاده از گرما یا نور فرابنفش طی چند ساعت پخت می‌شود. قالب‌گیری تزریقی که در تولید انبوه استفاده می‌شود، شامل تزریق پلیمر مذاب تحت فشار بالا به قالب‌های فلزی است که نتایج ثابتی را در چند ثانیه ایجاد می‌کند. قالب‌های دقیق با تلورانس‌هایی به همان اندازه سخت تراشیده می‌شوند 0.1 میکرومتر برای اطمینان از دقیق بودن سطوح نوری

سنگ زنی و شکل دادن به منحنی لنز

پس از تشکیل یک شیشه خالی، باید با انحنای صحیح آسیاب شود. این کار با چرخ‌های سنگ‌زنی با نوک الماس انجام می‌شود که به تدریج مواد را حذف می‌کنند در حالی که قسمت خالی می‌چرخد. این فرآیند چندین مرحله را دنبال می کند:

1. سنگ زنی خشن بیشتر مواد اضافی را حذف می کند و منحنی اصلی را ایجاد می کند.
2. آسیاب ریز از مواد ساینده به تدریج ریزتر برای صاف کردن بیشتر سطح استفاده می کند.
3. وسط قرار دادن باعث می شود که محور نوری لنز به درستی با مرکز فیزیکی هماهنگ شود.
4. لبه ها قطر بیرونی لنز را به تناسب یک قاب یا محفظه خاص شکل می دهد.

هر مرحله سطح را به مشخصات مورد نیاز نزدیک می کند. یک سطح محدب نور را به سمت یک نقطه کانونی همگرا می کند، در حالی که یک سطح مقعر آن را واگرا می کند. شعاع انحنا از فاصله کانونی مورد نظر و خواص مواد با استفاده از معادله سازنده لنز، یک فرمول نوری استاندارد که هندسه لنز را به توان نوری مرتبط می‌کند، محاسبه می‌شود.

پولیش برای شفافیت نوری

پولیش کاری است که یک لنز زمینی را به یک لنز شفاف نوری تبدیل می کند. پس از سنگ زنی، سطح همچنان دارای خراش های میکروسکوپی است. پولیش با استفاده از یک لپ نرم، که معمولاً از زمین یا پلی یورتان ساخته شده است، همراه با یک دوغاب ساینده بسیار ریز مانند اکسید سریم یا اکسید آلومینیوم معلق در آب، آنها را از بین می برد.

فرآیند پرداخت باید به زبری سطح کمتر از یک نانومتر (یک میلیاردم متر) برای کاربردهای نوری با کیفیت بالا. این سطح صافی به نور اجازه عبور بدون پراکندگی را می دهد. در تولید اپتیک های پیشرفته، از ماشین های پولیش کنترل شده کامپیوتری برای حفظ فشار یکنواخت در سطح لنز استفاده می شود و از تغییر شکل نامنظم به نام مناطق یا لبه های رو به پایین جلوگیری می کند.

لنزهای غیر کروی، که دارای انحنای تدریجی در حال تغییر در سراسر سطح به جای شعاع ثابت هستند، نیاز به پرداخت دقیق تری دارند زیرا ابزارهای کروی استاندارد نمی توانند با مشخصات آنها مطابقت داشته باشند. اینها اغلب با استفاده از پرداخت مغناطیسی تولید می شوند، تکنیکی که از یک سیال کنترل شده مغناطیسی برای صیقل دادن سطح با دقت محلی بالا استفاده می کند.

پوشش های ضد انعکاس و محافظ

پوشش ها به طور قابل توجهی عملکرد لنز را بهبود می بخشند و پس از پرداخت اعمال می شوند. انواع اصلی عبارتند از:

• پوشش ضد انعکاس: لایه های نازکی از اکسیدهای فلزی مانند فلوراید منیزیم یا دی اکسید سیلیکون با استفاده از فرآیندی به نام رسوب فیزیکی بخار در یک محفظه خلاء رسوب می کنند. این لایه ها از تداخل برای خنثی کردن نور منعکس شده استفاده می کنند و انتقال نور را از حدود 92 درصد برای شیشه های بدون پوشش به بیش از حد افزایش می دهند. 99.5 درصد .
• پوشش سخت: در درجه اول برای لنزهای پلاستیکی برای افزایش مقاومت در برابر خراش استفاده می شود. بدون آن، سطوح پلاستیکی به راحتی تحت استفاده معمولی خراشیده می شوند.
• پوشش مسدود کننده UV: اشعه ماوراء بنفش را جذب می کند تا از چشم در برابر آسیب های خورشید محافظت کند. بسیاری از پلاستیک ها در حال حاضر UV را به طور طبیعی جذب می کنند، اما پوشش اضافی این محافظت را گسترش می دهد.
• پوشش آبگریز: یک لایه نازک بر پایه فلوئور که آب و روغن ها را دفع می کند و تمیز کردن لنز را آسان تر می کند و از لکه شدن آن جلوگیری می کند.
• پوشش فیلتر نور آبی: این به طور فزاینده ای در عینک های کامپیوتری و مطالعه رایج است و به طور انتخابی انتقال نور مرئی با طول موج کوتاه را در حدود 400 تا 450 نانومتر کاهش می دهد.

پوشش ها در لایه هایی به ضخامت چند صد نانومتر اعمال می شوند. تعداد و ترکیب لایه ها برای هدف قرار دادن طول موج های خاص و اهداف عملکرد مهندسی شده است.

کنترل کیفیت و تست

هر لنز قبل از خروج از کارخانه باید استانداردهای سختگیرانه ای داشته باشد. بررسی های کیفیت در چند مرحله انجام می شود و شامل موارد زیر است:

• تداخل سنجی: یک پرتو لیزر شکافته شده و از طریق عدسی هدایت می شود تا بی نظمی های سطح را با دقت نانومتری اندازه گیری کند. انحرافات در الگوی تداخل، نقص در شکل سطح را نشان می دهد.
• اندازه گیری توان: برای لنزهای تجویزی، یک لنزومتر تأیید می کند که توان نوری با مشخصات مورد نیاز مطابقت دارد و معمولاً به اندازه 0.06 دیوپتر مثبت یا منفی است.
• بازرسی بصری: تکنسین های آموزش دیده هر لنز را در زیر نور با شدت بالا از نظر خراش، تراشه، نقص پوشش یا گنجاندن ذرات در مواد بررسی می کنند.
• تست انتقال: بررسی می کند که لنز درصد صحیح نور را در سراسر طیف مرئی منتقل می کند.

برای اپتیک های دقیق مورد استفاده در ابزارهای علمی، تلورانس ها بسیار سخت تر از عینک های مصرف کننده است. به عنوان مثال، عدسی که در دستگاه لیتوگرافی برای تولید نیمه هادی استفاده می شود، باید الزامات دقت سطح را که در کسری از طول موج نور اندازه گیری می شود، برآورده کند.

چگونه لنزهای اسفریک و ترکیبی ساخته می شوند

عدسی‌های کروی سنتی یک نقص نوری رایج به نام انحراف کروی ایجاد می‌کنند که در آن پرتوهایی که از نزدیکی لبه عبور می‌کنند در نقطه‌ای کمی متفاوت از پرتوهای نزدیک به مرکز متمرکز می‌شوند. لنزهای آسفریک این مشکل را با استفاده از سطحی که نزدیک لبه‌ها صاف می‌شود، حل می‌کنند و همه پرتوها را به یک نقطه کانونی مشترک می‌رسانند.

لنزهای شیشه ای آسفریک با سنگ زنی دقیق با ماشین های کنترل شده توسط کامپیوتر تولید می شوند که می توانند مشخصات شعاع متفاوتی را در سراسر سطح دنبال کنند. عدسی‌های پلاستیکی آسفریک از طریق قالب‌گیری تزریقی دقیق‌تر به صرفه‌تر تولید می‌شوند، زیرا قالب نمایه تمام سطح را حمل می‌کند و آن را به هر لنز ریخته‌شده از آن منتقل می‌کند.

عدسی‌های مرکب مانند دوتایی یا سه‌گانه‌ای که در دوربین‌ها و تلسکوپ‌ها استفاده می‌شوند، با چسباندن دو یا چند عنصر منفرد عدسی به هم و با استفاده از چسب نوری با ضریب شکست مطابق با شیشه ساخته می‌شوند. این امر باعث از بین رفتن شکاف هوا بین سطوح، کاهش تلفات انعکاس و اصلاح انحراف رنگی، تمایل طول موج های مختلف به فوکوس در فواصل کمی متفاوت می شود.

نقش طراحی و اتوماسیون به کمک کامپیوتر

تولید نوری مدرن به شدت به طراحی به کمک کامپیوتر و ماشین آلات کنترل عددی متکی است. طراحان نوری از نرم‌افزار ردیابی پرتو برای شبیه‌سازی نحوه عبور نور از طرح عدسی پیشنهادی قبل از برش مواد فیزیکی استفاده می‌کنند. این نرم افزار صدها متغیر از جمله انحنای سطح، خواص مواد و فاصله بین لنزها را برای بهینه سازی عملکرد آزمایش می کند.

هنگامی که طراحی نهایی شد، ماشین‌های کنترل عددی کامپیوتری دستورالعمل‌های دقیق دیجیتالی را برای آسیاب و صیقل دادن هر سطح دنبال می‌کنند. این بسیاری از تغییراتی را که قبلاً از تولید دستی ناشی می شد، حذف می کند. در تأسیسات بزرگ تولید، بازوهای رباتیک لنزهای بین ایستگاه ها را کنترل می کنند و آلودگی و آسیب فیزیکی ناشی از دست زدن به انسان را کاهش می دهند.

نرخ بازده تولید در عینک‌های خودکار مدرن می‌تواند از 95 درصد فراتر رود، در مقایسه با نرخ‌های بسیار پایین‌تر در محیط‌های تولید دستی قبلی. برای اپتیک علمی تخصصی، بازده ممکن است به دلیل تحمل شدید مورد نیاز کمتر باشد، اما سیستم های بازرسی کامپیوتری اطمینان حاصل می کنند که لنزهای معیوب قبل از خروج از مرکز شناسایی و رد می شوند.

تفاوت بین مصرف کننده و ساخت اپتیکال دقیق

عدسی در یک عینک مطالعه روزمره و عدسی در دوربین حرفه ای یا میکروسکوپ تحقیقاتی با استفاده از اصول اولیه یکسانی ساخته می شوند اما از نظر خلوص مواد، تحمل ها و هزینه تفاوت چشمگیری دارند.

• یک لنز عینک پلاستیکی استاندارد ممکن است چند دلار هزینه داشته باشد و تولید آن از طریق قالب گیری تزریقی چند دقیقه طول بکشد.
• یک عنصر لنز دوربین با کارایی بالا می‌تواند ساعت‌ها طول بکشد تا آسیاب، صیقل دادن و آزمایش شود و هزینه‌های مواد به صدها دلار برسد.
• عدسی‌های مورد استفاده در تلسکوپ‌های فضایی یا ماشین‌های لیتوگرافی فرابنفش شدید نیاز به ماه‌ها پرداخت و آزمایش دارند، با تک تک عناصر که ده‌ها هزار دلار یا بیشتر هزینه دارند.

شکاف بین این سطوح تولید نشان می دهد که چگونه نور باید در هر برنامه دقیقاً کنترل شود. در عینک های روزمره، عیوب جزئی تأثیر عملی کمی دارند. در یک سیستم فوتولیتوگرافی نیمه هادی، یک خطای سطحی حتی چند نانومتری می تواند وضوح کل سیستم تصویربرداری را خراب کند.