كيف تصنع العدسات البصرية: المواد والطحن والطلاءات

العدسات البصرية يتم تصنيعها عن طريق تشكيل وتلميع المواد الشفافة، والأكثر شيوعًا هي الزجاج البصري أو البوليمرات البلاستيكية، إلى أشكال منحنية دقيقة تعمل على ثني الضوء بطرق يمكن التحكم فيها. تجمع العملية بين اختيار المواد الخام، والطحن، والتلميع، والطلاء، وفحص الجودة، حيث تؤثر كل مرحلة بشكل مباشر على الأداء البصري النهائي.

المواد الخام المستخدمة في العدسات البصرية

يحدد اختيار المادة مؤشر انكسار العدسة ووزنها ومقاومتها للخدش وانتقال الضوء. الفئتان الأساسيتان هما الزجاج البصري والبلاستيك البصري.

الزجاج البصري

يتم تصنيع الزجاج البصري من رمل السيليكا عالي النقاء الممزوج بمواد مضافة مثل أكسيد الباريوم أو أكسيد اللانثانم أو مركبات خالية من الرصاص لضبط معامل الانكسار. وعادة ما يحقق مؤشرات الانكسار بين 1.5 و 2.0 مما يجعلها مناسبة للأدوات عالية الدقة مثل عدسات الكاميرا والمجاهر والتلسكوبات. توفر العدسات الزجاجية مقاومة ممتازة للخدش وثباتًا كيميائيًا ولكنها أثقل من البدائل البلاستيكية.

البلاستيك البصري

تصنع العدسات البلاستيكية من البوليمرات مثل CR-39 (كربونات الأليل ديجليكول) والبولي كربونات والبلاستيك عالي المؤشر. لا تزال مادة CR-39، التي تم تقديمها في الأربعينيات من القرن العشرين، واحدة من أكثر المواد المستخدمة على نطاق واسع في عدسات النظارات لأنها خفيفة الوزن وتوفر وضوحًا بصريًا جيدًا مع معامل انكسار قدره 1.50 . البولي كربونات، مع معامل انكسار حوالي 1.59 ، مقاوم للصدمات ويشيع استخدامه في نظارات السلامة ونظارات الأطفال.

مرحلة صهر وتشكيل الزجاج

بالنسبة للعدسات الزجاجية، تبدأ عملية التصنيع بصهر المكونات الخام في فرن عند درجات حرارة تتجاوز ذلك 1400 درجة مئوية . يتم تقليب الزجاج المصهور وتصفيته بعناية لإزالة فقاعات الهواء والشوائب، والتي من شأنها أن تسبب تشوهات بصرية. بمجرد تبريدها إلى فراغات زجاجية صلبة، يتم تلدين المادة، مما يعني إعادة تسخينها وتبريدها ببطء لتخفيف الضغط الداخلي وتحسين الاستقرار الهيكلي.

بالنسبة للعدسات البلاستيكية، تتضمن العملية عادةً القولبة بالحقن أو الصب. في عملية الصب، يتم صب المونومر السائل بين قالبين محددين الشكل ومعالجته باستخدام الحرارة أو الأشعة فوق البنفسجية على مدى عدة ساعات. يتضمن قولبة الحقن، المستخدمة في الإنتاج الضخم، حقن البوليمر المنصهر تحت ضغط عالٍ في قوالب معدنية، مما ينتج عنه نتائج متسقة في ثوانٍ. يتم تصنيع القوالب الدقيقة وفقًا لتفاوتات ضيقة مثل 0.1 ميكرومتر لضمان دقة الأسطح البصرية.

طحن وتشكيل منحنى العدسة

بعد تشكيل الزجاج الفارغ، يجب أن يتم طحنه إلى الانحناء الصحيح. يتم ذلك باستخدام عجلات طحن ذات رؤوس ماسية تعمل على إزالة المواد تدريجيًا أثناء دوران المادة الفارغة. وتتبع العملية عدة مراحل:

1. يزيل الطحن الخشن معظم المواد الزائدة ويحدد المنحنى الأساسي.
2. يستخدم الطحن الناعم مواد كاشطة أكثر دقة بشكل تدريجي لتنعيم السطح بشكل أكبر.
3. يضمن التوسيط محاذاة المحور البصري للعدسة بشكل صحيح مع المركز الفعلي.
4. تشكل الحواف القطر الخارجي للعدسة لتناسب إطارًا أو مبيتًا محددًا.

كل مرحلة تجعل السطح أقرب إلى المواصفات المطلوبة. يعمل السطح المحدب على تقريب الضوء نحو النقطة البؤرية، بينما يؤدي السطح المقعر إلى تباعده. يتم حساب نصف قطر الانحناء من الطول البؤري المطلوب وخصائص المواد باستخدام معادلة صانع العدسات، وهي صيغة بصرية قياسية تربط هندسة العدسة بالطاقة الضوئية.

تلميع للوضوح البصري

التلميع هو ما يحول العدسة الأرضية إلى عدسة واضحة بصريًا. بعد الطحن، لا يزال السطح يحتوي على خدوش مجهرية. يزيل التلميع هذه العناصر باستخدام طبقة ناعمة، مصنوعة عادةً من القار أو البولي يوريثين، بالإضافة إلى ملاط ​​كاشط ناعم للغاية مثل أكسيد السيريوم أو أكسيد الألومنيوم المعلق في الماء.

يجب أن تحقق عملية التلميع خشونة سطحية أقل من نانومتر واحد (واحد من المليار من المتر) للتطبيقات البصرية عالية الجودة. هذا المستوى من النعومة يسمح للضوء بالمرور دون تشتت. في صناعة البصريات المتطورة، يتم استخدام آلات تلميع يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر للحفاظ على ضغط موحد عبر سطح العدسة، مما يمنع التشوه غير المنتظم المعروف باسم المناطق أو الحواف المنعطفة.

تتطلب العدسات شبه الكروية، التي لها انحناء يتغير تدريجياً عبر السطح بدلاً من نصف قطر ثابت، تلميعًا أكثر دقة لأن الأدوات الكروية القياسية لا يمكن أن تتطابق مع شكلها. غالبًا ما يتم إنتاجها باستخدام التشطيب المغناطيسي، وهي تقنية تستخدم سائلًا يتم التحكم فيه مغناطيسيًا لتلميع السطح بدقة محلية عالية.

الطلاءات المضادة للانعكاس والحماية

تعمل الطلاءات على تحسين أداء العدسة بشكل كبير ويتم تطبيقها بعد التلميع. الأنواع الرئيسية تشمل:

• طلاء مضاد للانعكاس: يتم ترسيب طبقات رقيقة من أكاسيد المعادن مثل فلوريد المغنيسيوم أو ثاني أكسيد السيليكون في غرفة مفرغة باستخدام عملية تسمى ترسيب البخار الفيزيائي. تستخدم هذه الطبقات التداخل لإلغاء الضوء المنعكس، مما يزيد من انتقال الضوء من حوالي 92 بالمائة للزجاج غير المطلي إلى أكثر 99.5 بالمائة .
• طلاء صلب: يتم تطبيقه بشكل أساسي على العدسات البلاستيكية لزيادة مقاومة الخدش. وبدونها، تخدش الأسطح البلاستيكية بسهولة عند الاستخدام العادي.
• طلاء حجب الأشعة فوق البنفسجية: يمتص الأشعة فوق البنفسجية لحماية العين من أضرار أشعة الشمس. العديد من المواد البلاستيكية تمتص الأشعة فوق البنفسجية بشكل طبيعي، ولكن الطلاء الإضافي يزيد من هذه الحماية.
• طلاء مسعور: طبقة رقيقة من الفلور تطرد الماء والزيوت، مما يجعل تنظيف العدسة أسهل ويمنع التلطخ.
• طلاء ترشيح الضوء الأزرق: وهذا شائع بشكل متزايد في أجهزة الكمبيوتر ونظارات القراءة، وهو يقلل بشكل انتقائي من انتقال الضوء المرئي ذو الطول الموجي القصير حوالي 400 إلى 450 نانومتر.

يتم تطبيق الطلاء في طبقات رقيقة تصل إلى بضع مئات من النانومترات. تم تصميم عدد الطبقات وتكوينها لاستهداف أطوال موجية وأهداف أداء محددة.

مراقبة الجودة والاختبار

يجب أن تستوفي كل عدسة معايير صارمة قبل مغادرة المصنع. تتم فحوصات الجودة على مراحل متعددة وتشمل:

• قياس التداخل: يتم تقسيم شعاع الليزر وتوجيهه عبر العدسة لقياس عدم انتظام السطح بدقة النانومتر. تكشف الانحرافات في نمط التداخل عن عيوب في شكل السطح.
• قياس الطاقة: بالنسبة للعدسات الطبية، يؤكد مقياس العدسة أن القوة الضوئية تتوافق مع المواصفات المطلوبة ضمن التفاوتات المسموح بها عادةً والتي تكون ضيقة مثل زائد أو ناقص 0.06 ديوبتر.
• التفتيش البصري: يقوم الفنيون المدربون بفحص كل عدسة تحت ضوء عالي الكثافة بحثًا عن الخدوش أو الرقائق أو عيوب الطلاء أو وجود جزيئات في المادة.
• اختبار الإرسال: التحقق من أن العدسة تنقل النسبة الصحيحة من الضوء عبر الطيف المرئي.

بالنسبة للبصريات الدقيقة المستخدمة في الأجهزة العلمية، تكون التفاوتات المسموح بها أكثر صرامة بكثير من النظارات الاستهلاكية. على سبيل المثال، يجب أن تلبي العدسة المستخدمة في آلة الطباعة الحجرية لتصنيع أشباه الموصلات متطلبات دقة السطح المقاسة بأجزاء من الطول الموجي للضوء.

كيف يتم تصنيع العدسات شبه الكروية والمركبة

تنتج العدسات الكروية التقليدية عيبًا بصريًا شائعًا يسمى الانحراف الكروي، حيث تتركز الأشعة التي تمر بالقرب من الحافة عند نقطة مختلفة قليلاً عن الأشعة القريبة من المركز. تحل العدسات شبه الكروية هذه المشكلة عن طريق استخدام سطح يتسطح بالقرب من الحواف، وبذلك تصل جميع الأشعة إلى نقطة بؤرية مشتركة.

يتم إنتاج العدسات الزجاجية شبه الكروية عن طريق الطحن الدقيق باستخدام آلات يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر والتي يمكنها تتبع ملف تعريف نصف قطر متفاوت عبر السطح. يتم إنتاج العدسات البلاستيكية شبه الكروية بشكل اقتصادي أكثر من خلال القولبة بالحقن الدقيقة، حيث يحمل القالب المظهر الجانبي الكامل للسطح وينقله إلى كل عدسة مصبوبة منه.

يتم تصنيع العدسات المركبة، مثل العدسات المزدوجة أو الثلاثية المستخدمة في الكاميرات والتلسكوبات، عن طريق لصق عنصرين أو أكثر من عناصر العدسة الفردية معًا باستخدام مادة لاصقة بصرية ذات معامل انكسار مطابق للزجاج. يؤدي هذا إلى إزالة فجوة الهواء بين الأسطح، مما يقلل من خسائر الانعكاس ويصحح الانحراف اللوني، وميل الأطوال الموجية المختلفة إلى التركيز على مسافات مختلفة قليلاً.

دور التصميم بمساعدة الكمبيوتر والأتمتة

يعتمد التصنيع البصري الحديث بشكل كبير على التصميم بمساعدة الكمبيوتر وآلات التحكم العددي. يستخدم مصممو البصريات برنامج تتبع الأشعة لمحاكاة كيفية انتقال الضوء عبر تصميم العدسة المقترح قبل قطع أي مادة مادية. يختبر هذا البرنامج مئات المتغيرات، بما في ذلك انحناءات السطح وخصائص المواد وتباعد العدسات لتحسين الأداء.

بمجرد الانتهاء من التصميم، تتبع آلات التحكم العددي بالكمبيوتر تعليمات رقمية دقيقة لطحن وتلميع كل سطح. وهذا يلغي الكثير من التباين الذي كان يأتي في السابق من التصنيع اليدوي. في مرافق الإنتاج الكبيرة، تتعامل الأذرع الآلية مع العدسات بين المحطات، مما يقلل التلوث والأضرار المادية الناجمة عن التعامل البشري.

معدلات إنتاجية الإنتاج في مرافق النظارات الآلية الحديثة يمكن أن تتجاوز 95 بالمائة، مقارنة بمعدلات أقل بكثير في بيئات الإنتاج اليدوية السابقة. بالنسبة للبصريات العلمية المتخصصة، قد تكون الإنتاجية أقل بسبب التفاوتات القصوى المطلوبة، ولكن أنظمة الفحص المحوسبة تضمن تحديد العدسات المعيبة ورفضها قبل مغادرة المنشأة.

الاختلافات بين التصنيع البصري الاستهلاكي والدقيق

يتم تصنيع العدسة الموجودة في نظارات القراءة اليومية والعدسة الموجودة في الكاميرا الاحترافية أو المجهر البحثي باستخدام نفس المبادئ الأساسية ولكنها تختلف بشكل كبير في نقاء المواد والتفاوتات والتكلفة.

• قد تكلف عدسة النظارات البلاستيكية القياسية بضعة دولارات من حيث المواد ويستغرق إنتاجها دقائق معدودة عن طريق القولبة بالحقن.
• يمكن أن يستغرق عنصر عدسة كاميرا واحد عالي الأداء ساعات لطحنه وتلميعه واختباره، مع وصول تكاليف المواد إلى مئات الدولارات.
• العدسات المستخدمة في التلسكوبات الفضائية أو آلات الطباعة الحجرية فوق البنفسجية الشديدة تتطلب أشهرًا من التلميع والاختبار، حيث تكلف العناصر الفردية عشرات الآلاف من الدولارات أو أكثر.

تعكس الفجوة بين مستويات التصنيع هذه مدى دقة التحكم في الضوء في كل تطبيق. في النظارات اليومية، يكون للعيوب البسيطة تأثير عملي ضئيل. في نظام الطباعة الحجرية الضوئية لأشباه الموصلات، يمكن لخطأ سطحي يصل إلى بضعة نانومترات أن يدمر دقة نظام التصوير بأكمله.