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。

用于增加光学尺寸的第二催化剂是收集准直光的任何光收集系统。光学器件的直径越大,收集的表面积越多。在这两个情况下,无数的其他情况下,通过设计与球形透镜相对的非球面透镜设计可以实现的性能增加。以前,设计人员可能犹豫不决,在大于100 mm的直径大于100毫米的非球形中设计,可涉及可用性和计量设备的疑虑,以验证间谍如此大。然而,对于制造和计量的进步,具有大约200毫米的非运动现在可商购获得。

大与非常大

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。

计量考虑因素

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。

矢状高度

图2.触觉轮廓仪用于购物中心计量的曲柄仪。

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)。

凹形光学器件具有达到光学器件的类似限制以测量顶点。有一些技巧使光学制造工程师可以申请挤出更多地里的地里,他/她在他们的处置,但这些会影响成本和/或质量和/或递送时间。

精度

图3。表面质量检测站。

另外,由于重量,弯曲和不稳定性增加,必须使用更大的触控笔可能会对计量的准确性产生负面影响,因此也会产生负面影响成本和/或质量和/或提前期。

非球面表面

背面

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有限。对于大型非球,这不再是真的。显然,所用设备需要能够适应光学器件的大小。更多问题是计量溶液,通常是大孔径干涉仪。如果光学店也生产棱镜,横梁和窗户等部件,它很可能会利用现有设备。即便如此,并不多的多元厂家有一个标准的解决方案来测量超过10英寸(254毫米)的平面表面。

对于凸球面背面,计量溶液更有限,因为在大的孔径干涉仪和相关的大孔径传输球中的投资通常是成本越长或不可用的。对于凸起和凹形球形靠背,较大的直径与较大的曲率半径(ROC)携手共进。Typically, the RoC is controlled by moving a stage with the optic mounted along a rail between the cat’s eye position (where the interferometer’s beam contacts a single point on the spherical surface) and confocal position (where the point focus of the interferometer beam is at the radius of curvature). Thus, the range of RoC that can be measured is limited by the length of the rail.

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,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,与处理的区域产生相关的表面缺陷的数量。因此,无论使用ISO还是MIL标准,更难以在更大直径的光学器件上保持紧密的表面质量公差规范。另外,较大的直径光学器件更难以处理,并且如此,由于误操作,在表面缺陷的风险较高。此外,对于大直径光学器件而言,表面检查尤为繁琐,因为它们需要大量的处理。

空白

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,随着光学尺寸的增加,也可能增加矢状高度。这将对涂层均匀性产生负面影响,因此请记住,在大购物中的常规非球员上指定与典型的典型相同的涂层均匀性很可能会产生溢价。

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。,斯卡福先生在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月号光子和成像技术杂志。

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