光学工业正经历着激光功率的增加和涂层技术的进步以适应这一需求的趋势。然而,光学并不总是需要利用前沿涂层技术来实现高功率激光器的系统。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,这将降低光学器件的整体功率或单位面积的能量密度。这需要大的光束扩展光学,以及聚焦光学进一步沿光路。

图1所示。凸非球面在磨削和抛光过程中需要较大的水平运动范围。

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

当讨论大的非球面时,区分大的非球面和非常大的非球面是很重要的。非常大的非球面不能由一个人手动携带,需要机械支持来移动它们。这些都带来了更多的挑战,需要预先对制造过程进行非常详细的规划。

虽然用大锤将1.02米的光学球对准抛光机上绝对是一件有趣的事,但本文的重点是大规模生产大型非球面的制造限制。这些镜头有设计考虑和限制,除了一般的制造考虑正常大小的非球面。

加工注意事项

直径

一个明显的制造限制浮现在脑海中,那就是非球面研磨抛光机的大小。很多机器厂家很方便的给自己的型号贴上标签(例如CNC100、CNC200、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”机器可以用来加工直径为200毫米的大非球面。

首先,在制造过程中使用更大直径的毛坯,然后在最后的一个加工步骤中逐渐缩小到最终直径。但更重要的是,机器的尺寸限制是由机器的运动学和光学的形状的组合给出的。例如,让我们假设面临的视神经被放置在轴中心的机器,和一个旋转的磁盘工具是径向移动,从一个边缘和完成其他的垂直位置工具调整的机器根据光的形状。从那里,它遵循,为凹光学工具必须旅行更少的水平,以机器的相同大小的部分比为凸光学。

光学制造工程师或许可以通过调整工艺参数来挤出额外的几毫米范围,但这很可能会对成本和/或质量和/或交货时间产生负面影响。在上面的例子中,一个人可以减少车轮的直径,但这将限制切削速度,增加加工时间和增加刀具磨损。因此,这些标签并不表示硬性限制,而是从经济到昂贵到不可行的转变。

重量

除了光学元件的尺寸外,非球面研磨抛光机也有其能够加工的最大重量的限制。根据机器的运动学,光学元件可能会旋转和/或平移,而影响这些运动的电机需要有足够的扭矩来产生所需的加速度。在某些情况下,这意味着机器必须为重型工件配置,这可能导致更长的循环时间,从而更高的成本。

一般来说,机器制造商选择足够强大的电机来加工尺寸级工件的典型重量,所以这应该不是一个问题。但是,请记住,在制造过程中,光学器件通常绑定在一个载体上,以便于机器和测量设备之间的转移和校准,这也增加了重量。

计量方面的考虑

直径

谈到测量,不能忽视计量设备的局限性。当然,测量平台需要有足够的行程来达到光学的全部直径。

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非球面。随着光学尺寸的增加,矢状面高度也可能增加(但这在很大程度上取决于球面的实际设计)。除了行程范围外,触觉轮廓仪的另一个限制因素是使用的触控笔的高度。这限制了它能够到达凸面球面的顶点来测量相对面轮廓的范围(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。

精度

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。

Non-Aspheric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,在过程控制中使用测试板是危险和麻烦的大直径光学。更不用说同样的困难,如上所述,适用于制造测试板本身。

当然,要测量非球面透镜的背面,可以利用现有的非球面测量技术。然而,这使得制造过程昂贵而低效,因为球面将与非球面在昂贵的平台上竞争测量时间,非球面测量往往更耗时和/或需要额外的技能,通常在球面光学工匠。因此,在制造过程中使用非球面测量来快速观察球面表面来监控工艺过程并在必要时调整工艺参数是不现实的。

直径

如前所述,作为最后的加工步骤之一,零件的直径逐渐下降到最终直径。如果眼镜店没有一台或多台专用磨边机,或者它们不够大,不能处理大直径的零件,就必须在非球面磨床上磨边。这既低效又昂贵。

表面质量及检验

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

毛坯可以作为切割盘(一个圆盘从一个适当的直径棒切割)或压制(退火在定制的模具)。对于一般大小的球体,根据具体的材料,在大批量生产中使用压力机可以节省3- 4倍的成本。对于一个较大的非球面毛坯,随着体积的增加,材料成本成为超过人工成本的驱动因素。因此,对于大的非球面坯料,冲压变得不那么有利,特别是考虑到冲压有更长的前置时间和被限制在中心厚度约40毫米。

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。

考虑到这些制造和计量方面的考虑,光学设计可以将大直径非球面纳入其光学系统。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。有时候,越大越好。

本文由新加坡Edmund Optics技术总监Wilhelmus Messelink撰写;以及Shawn Scarfo, Edmund Optics (Barrington, NJ)镜头产品线经理。如需更多信息,请联系梅塞林克先生此电子邮件地址正在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正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。,或者访问在这里


光子与成像技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号光子与成像技术杂志。

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