Проектирование асфер большого диаметра

В оптической промышленности наблюдаются тенденции как увеличения мощности лазера, так и совершенствования технологии покрытия, чтобы удовлетворить этот спрос. Тем не менее, оптика не всегда должна использовать передовую технологию покрытия для внедрения мощных лазеров в систему. Второе решение состоит в том, чтобы увеличить размер луча и, следовательно, размер оптики, что снизит общую мощность или плотность энергии на единицу площади оптики. Для этого требуется оптика с большим расширением луча, а также фокусирующая оптика дальше по оптическому пути.

Вторым катализатором увеличения оптического размера может стать любая система сбора света, собирающая коллимированный свет. Чем больше диаметр оптики, тем больше площадь собираемой поверхности. В обоих этих случаях, а также в бесчисленном множестве других, есть улучшения производительности, которые могут быть реализованы путем разработки асферических линз, а не сферических линз. Раньше конструкторы, возможно, не решались проектировать асферы диаметром более 100 мм, опасаясь технологичности и наличия метрологического оборудования для проверки асфер такого размера. Однако благодаря достижениям как в производстве, так и в метрологии асферы размером до 200 мм стали коммерчески доступными.

Большие и очень большие

При обсуждении больших асфер важно проводить различие между большими асферами и очень большими асферами, которые не могут быть перенесены одним человеком и требуют механической поддержки для их перемещения. Они создают еще больше проблем и требуют предварительного планирования производственного процесса в мельчайших деталях.

Хотя выравнивать 1,02-метровую оптику на полировальном станке с помощью кувалды, безусловно, интересно, в этой статье основное внимание уделяется производственным ограничениям больших асфер массового производства. Эти линзы имеют конструктивные особенности и ограничения в дополнение к общим соображениям технологичности для асфер нормального размера.

Вопросы изготовления

Диаметр

Очевидным производственным ограничением, которое приходит на ум, является размер станков для шлифовки и полировки асфер. Многие производители станков удобно маркируют свои модели (например, CNC100, CNC200 или CNC300), что, как правило, связано с диапазоном движения станка. К сожалению, это не означает, что станок с ЧПУ200 можно использовать для обработки большой асферы диаметром 200 мм.

Во-первых, в процессе производства используется заготовка большего диаметра, которая затем обтачивается до конечного диаметра на одном из последних этапов обработки. Но что еще более важно, ограничение размера машины определяется комбинацией кинематики машины и формы оптики. Например, предположим, что оптика размещена на шпинделе в центре станка лицевой стороной вверх, а вращающийся дисковый инструмент перемещается радиально, начиная с одного края и заканчивая другим, а вертикальное положение инструмента равно регулируется машиной в соответствии с формой оптики. Отсюда следует, что для вогнутой оптики инструмент должен перемещаться по горизонтали гораздо меньше для обработки детали того же размера, чем для выпуклой оптики.

Инженер-изготовитель оптики может выжать дополнительные несколько миллиметров диапазона, изменив параметры процесса, но это, скорее всего, негативно повлияет на стоимость и/или качество и/или время выполнения заказа. В приведенном выше примере можно было бы уменьшить диаметр круга, но это ограничит скорость резания, увеличит время обработки и повысит износ инструмента. Таким образом, эти ярлыки указывают не на жесткое ограничение, а на переход от экономичного к дорогому и к неосуществимому.

Вес

В дополнение к размерам оптики, станок для шлифовки и полировки асфер также имеет ограничение на максимальный вес, который он может обрабатывать. В зависимости от кинематики машины оптика может вращаться и/или перемещаться, а двигатели, которые влияют на эти движения, должны иметь достаточный крутящий момент для создания необходимого ускорения. В некоторых случаях это означает, что станок должен быть настроен специально для тяжелых заготовок, что может привести к увеличению продолжительности цикла и, следовательно, к увеличению затрат.

Как правило, производители станков выбирают двигатели, достаточно мощные для обработки заготовок с массой, типичной для заготовок данного размера, так что это не должно быть проблемой. Однако имейте в виду, что во время производства оптика обычно приклеивается к держателю для удобства переноса и выравнивания между машинами и измерительным оборудованием, что также увеличивает вес.

Соображения по метрологии

Диаметр

Говоря об измерениях, нельзя упускать из виду ограничения метрологического оборудования. И, конечно же, метрологическая платформа должна иметь достаточный ход, чтобы охватить весь диаметр оптики.

Сагиттальная высота

Во время изготовления асфера обычно измеряется с помощью тактильного профилометра. С увеличением размера оптики также вероятно увеличение сагиттальной высоты (но это очень сильно зависит от фактической конструкции асферы). Другим ограничивающим фактором тактильного профилометра, помимо диапазона перемещения, является высота используемого стилуса. Это ограничивает то, насколько он может достичь вершины выпуклой асферы для измерения профиля поверхности на противоположной стороне (рис. 2).

Вогнутая оптика имеет аналогичное ограничение на доступ к оптике для измерения вершины. Есть некоторые приемы, которые инженер по производству оптики может применить, чтобы выжать еще немного из метрологической платформы, которая находится в его/ее распоряжении, но они снова повлияют на стоимость, и/или качество, и/или время выполнения заказа.

Точность

Кроме того, необходимость использования щупа большего размера может отрицательно сказаться на точности метрологии из-за увеличения веса, гибкости и нестабильности и, таким образом, отрицательно сказаться на стоимости и/или качестве и/или времени выполнения заказа.

Неасферические поверхности

Задняя сторона

Как правило, неасферическая задняя сторона асферической линзы имеет ограниченное влияние на анализ технологичности и стоимость. Для больших асфер это уже не так. Очевидно, что используемое оборудование должно соответствовать размеру оптики. Более проблематичным является метрологическое решение, обычно интерферометр с большой апертурой. Если оптический цех также производит такие компоненты, как призмы, светоделители и окна, он, скорее всего, может использовать существующее оборудование. Тем не менее, не многие производители сфер имеют стандартное решение для измерения плоских поверхностей размером более 10 дюймов (254 мм).

Для выпуклых сферических задних сторон метрологические решения еще более ограничены, поскольку инвестиции в интерферометр с большой апертурой и связанные с ним передающие сферы с большой апертурой часто являются непомерно дорогими или недоступными. Как для выпуклых, так и для вогнутых сферических задних сторон больший диаметр идет рука об руку с большим радиусом кривизны (RoC). Как правило, RoC управляется путем перемещения предметного столика с оптикой, установленной вдоль направляющей, между положением кошачьего глаза (где луч интерферометра касается одной точки на сферической поверхности) и конфокальным положением (где точечный фокус луча интерферометра находится в радиус кривизны). Таким образом, диапазон RoC, который можно измерить, ограничен длиной рельса.

Кроме того, использование тестовых пластин для контроля в процессе является рискованным и громоздким для оптики большого диаметра. Не говоря уже о тех же трудностях, о которых говорилось выше, при изготовлении самих тестовых пластин.

Конечно, для измерения задней стороны асферической линзы можно использовать имеющуюся метрологию асфер. Однако это делает производственный процесс дорогостоящим и неэффективным, поскольку сферическая поверхность будет конкурировать с асферической стороной за время измерения на дорогой платформе, а метрология асфер, как правило, требует больше времени и/или требует дополнительных навыков, которые обычно не встречаются в сферической оптике. мастера. Таким образом, обычно нецелесообразно быстро осматривать сферическую поверхность с помощью метрологии асфер во время производства, чтобы контролировать процесс и при необходимости корректировать параметры процесса.

Диаметр

Как упоминалось ранее, на одном из последних этапов обработки диаметр детали обрезается до конечного диаметра. Если в оптическом цехе нет одного или нескольких специализированных кромкооблицовочных станков, или если они недостаточно велики для обработки деталей большого диаметра, кромки деталей придется обрезать на асферическом шлифовальном станке. Это неэффективно и дорого.

Качество и проверка поверхности

Возможно, количество созданных дефектов поверхности коррелирует с обрабатываемой площадью. Таким образом, более сложно поддерживать жесткую спецификацию допуска на качество поверхности на оптике большего диаметра, независимо от того, указано ли это с использованием стандарта ISO или MIL. Кроме того, с оптикой большего диаметра труднее обращаться и, как таковая, возникает более высокий риск дефектов поверхности из-за неправильного обращения. Кроме того, проверка поверхности особенно обременительна для оптики большого диаметра, так как она требует много работы.

Пусто

Заготовка может быть как в виде отрезного диска (диск, вырезанный из прутка соответствующего диаметра), так и прессованного (отожженного в нестандартных формах). Для асфер обычного размера может быть в 3-4 раза экономичнее использовать прессование для крупносерийного производства, в зависимости от конкретного материала. Для большой асферической заготовки стоимость материала становится движущим фактором по сравнению с затратами на рабочую силу по мере увеличения объема. Таким образом, прессование становится менее выгодным для больших асферических заготовок, особенно если учесть, что прессование занимает больше времени и ограничивается толщиной в центре примерно 40 мм.

Покрытие

Как упоминалось ранее, с увеличением размера оптики также вероятно увеличение сагиттальной высоты. Это негативно повлияет на однородность покрытия, поэтому имейте в виду, что указание той же однородности покрытия, которая характерна для асфер обычного размера, на большой асфере, скорее всего, потребует надбавки.

Учет этих производственных и метрологических соображений позволяет разработчикам оптики включать в свои оптические системы асферы большого диаметра. Полученные системы прокладывают путь для применения мощных лазеров и систем сбора света с высокой пропускной способностью. Иногда больше действительно лучше.

Эта статья была написана Вильгельмусом Месселинк, директором по технологиям Edmund Optics Singapore; и Шон Скарфо, менеджер по линейке продуктов, линзы, Edmund Optics (Баррингтон, Нью-Джерси). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Месселинк по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., Mr. Scarfo at Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра или посетите здесь .