光学行业正在经历越来越多的激光功率和涂层技术进步以适应这种需求的趋势。然而,光学器件并不总是需要利用前沿涂层技术来实现高功率激光器进入系统。第二种解决方案是增加光束的尺寸,从而增加光学器件的尺寸,这将降低光学器件上的每单位区域的整体功率或能量密度。这需要大的光束膨胀光学器件,以及沿着光路进一步聚焦光学器件。

图1.在研磨和抛光过程中,凸起非球面需要更大的水平运动范围。

增加光学尺寸的第二个催化剂是任何收集准直光的光收集系统。光学的直径越大,收集的表面积就越大。在这两种情况下,以及无数其他情况下,可以通过设计非球面透镜而不是球面透镜来实现性能的提高。在此之前,设计人员可能对直径大于100毫米的非球面的设计犹豫不决,担心制造能力和检验如此大的非球面所需的计量设备。然而,随着制造和计量技术的进步,200毫米的非球面现在已经商业化。

大vs非常大

在讨论大型非球面时,重要的是在大型非球面和非常大的非球面之间进行区分,这不能由一个人手动,并且需要机械支撑以移动它们。这些甚至更具挑战,并要求将制造过程的规划更详细地。

虽然使用大锤在抛光机上对准1.02米的光学器件肯定是有趣的,但本文的重点是大规模生产的大型非球面的制造限制。除了正常大小的非球面的一般可制造性考虑之外,这些镜头还具有设计考虑和限制。

制造考虑因素

直径

到目前一体的明显制造限制是购物中心磨削和抛光机的尺寸。许多机器制造商方便地标记其型号(例如CNC100,CNC200或CNC300),这往往与机器的运动范围有关。不幸的是,这并不意味着“CNC200”机器可用于机器为直径200毫米的大购物中心。

对于初学者,在制造过程中,使用较大的直径坯料,然后在最后一个处理步骤之一中将其边缘向下向下缩小到最终直径。但更重要的是,通过机器的运动学和光学形状的组合给出机器的尺寸限制。例如,让我们假设光学器件面向机器中心的主轴上,并且旋转盘式工具径向移动,从一个边缘开始,另一个边缘开始,并且工具的垂直位置由机器根据光学形状的要求调节。从那里,它遵循的是,对于凹形光学器件,该工具必须越来越小水平地移动到机器相同的尺寸部分而不是凸光学器件。

光学制造工程师可能能够通过调整过程参数来挤出额外的几毫米范围,但这些可能会产生负面影响和/或质量和/或提前期。在上面的示例中,可以减小车轮的直径,但这会限制切割速度并增加处理时间并增加工具磨损。因此,这些标签并不表示硬限制,而是从经济到昂贵到不可行的过渡。

重量

除了光学器件的尺寸外,间歇龙虾研磨和抛光机还限制了它能够机器的最大重量。根据机器的运动学,光学器件可能是旋转和/或翻译的,并且影响这些运动的电机需要具有足够的扭矩以产生所需的加速度。在某些情况下,这意味着该机器必须专门为重型工件配置,这可能导致更长的循环时间,从而提高成本。

一般来说,机器制造商选择足够强大的电机,以便在尺寸类中加工工件的典型重量,因此这应该不太问题。然而,请记住,在制造期间,光学器件通常粘合到载体中,以便于机器和测量设备之间易于转移和对准,这也增加了重量。

计量方面的考虑

直径

说到测量,不应忽视计量设备的局限性。当然,计量平台需要足够的行程来达到光学器件的全直径。

矢状面高度

图2。用于非球面测量的触觉轮廓仪的触头。

在制造过程中,通常使用触觉轮廓仪测量间歇镜。随着光学尺寸的增加,也可能增加了矢状高度(但这非常取决于Asphere的实际设计)。除了旅行范围之外,触觉型曲线仪的另一个限制因子是所用触控笔的高度。这限制了能够达到凸沥分的顶点的能力,以测量相对侧的表面的轮廓(图2)。

凹光学仪器在进入光学仪器测量顶点时也有类似的限制。光学制造工程师可以应用一些技巧,从他/她可以使用的计量平台中挤出更多的里程,但这些将再次影响成本和/或质量和/或交付时间。

准确性

图3.表面质量检测站。

此外,由于增加了重量、弯曲度和不稳定性,不得不使用更大的触控笔可能会对计量的准确性产生负面影响,因此也会对成本和/或质量和/或交付时间产生负面影响。

非球面表面

背后

通常,非球面透镜的非球面背面对可制造性分析和成本的影响是有限的。对于大球体来说,这不再是正确的。显然,所使用的设备需要能够适应光学的大小。更有问题的是计量解决方案,通常是大口径干涉仪。如果一家光学商店也生产棱镜、分束器和窗户等组件,它很可能利用现有的设备。即使如此,没有多少非球面制造商有一个标准的解决方案来测量超过10英寸(254毫米)的平面。

对于凸球面的背面,计量解决方案甚至更加有限,因为投资于大口径干涉仪和相关的大口径透射球往往成本高昂或不可用。对于凸球形和凹球形的背面,更大的直径与更大的曲率半径(RoC)密切相关。通常,中华民国控制通过移动一个阶段之间的光学沿着铁路安装猫眼位置(干涉仪的梁接触球面上的一个点)和共焦位置(干涉仪光束的焦点指向曲率半径)。因此,可以测量的RoC范围受轨道长度的限制。

此外,对过程控制的测试板的使用是风险和繁琐的大直径光学器件。更不用说上述相同的困难适用于测试板本身的制造。

当然,为了测量非球面镜片的背面,可以使用可用的间或面间计量。然而,这使得制造过程成本昂贵且低效,因为球面表面与在昂贵的平台上的测量时间的非球面侧竞争,并且在往往更耗时和/或需要额外的技能通常在球形光学中不得找到工匠。因此,在制造过程中使用asphere Metrology在球形表面上快速窥视速度通常是不切实际的,以便在必要时监测过程并调整工艺参数。

直径

如前所述,作为最后一个处理步骤之一,部分的直径被向下沿最终直径。如果光学店没有一个或多个专用边缘机器,或者如果它们不足以处理大直径,则必须在购物中心磨床上侧面。这既效率低,又昂贵。

表面质量和检查

可以说,表面缺陷的数量与加工的区域有关。因此,无论是使用ISO还是MIL标准,在更大直径的光学上保持严格的表面质量公差规范是更加困难的。此外,较大直径的光学更难以处理,因此,在较高的风险表面缺陷,由于错误的处理。此外,表面检查是特别笨重的大口径光学,因为他们需要大量的处理。

空白的

坯料可以作为剪切盘(从直径的杆切割的圆盘)或压制(在定制模具中退火)。对于常规的非球面,可以是使用大量生产压力的3-或4倍的因子,这取决于精确的材料。对于大的间谍空白,随着体积的增加,材料成本将成为劳动力成本上的驱动因子。这样,压力变得较不利于用于大型购物坯料,特别是考虑到压力具有更长的换线时间并且限制在约40mm的中心厚度。

涂层

如前所述,随着视神经的增大,矢状面高度也可能增加。这将对涂层均匀性产生负面影响,因此请记住,在一个大的球面上指定与常规尺寸的非球面相同的涂层均匀性很可能会招致额外的费用。

保持这些制造和计量考虑因素允许光学设计将大直径的非球体纳入其光学系统。由此产生的系统为高功率激光应用和高通量光收集系统铺平了道路。有时更大的真正更好。

本文是由Edmund Optics新加坡埃德蒙光学署署长Wilhelmus Messelink撰写的;和肖恩曲巾,产品线管理器,镜片,Edmund Optics(Barrington,NJ)。有关更多信息,请联系Messelink先生此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。斯卡福先生此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问这里


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在5月,2021号问题光子与成像技术杂志。

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