大型非球面：實現高功率光學系統

大型非球面：實現高功率光學系統

在光學應用中，更高功率激光器的發展正在推動光學鍍膜技術的極限。然而，處理更高功率光束的另一種解決方案是增加光束直徑，這需要更大的光學元件（圖1）。這降低了光學元件上的功率或能量密度，降低了激光誘導損傷的可能性。需要沿著光束路徑進一步延伸的大光束擴展光學器件和聚焦透鏡。光收集系統是增加光學器件尺寸的另一個驅動因素。更多的光可以被具有更大表面積的光學器件收集。在這兩種情況以及許多其他情況下，還可以通過使用非球面透鏡而不是球面透鏡來提高光學系統的性能。在過去的幾年里，光學設計師可能對使用直徑超過100毫米的非球面透鏡持保留態度，因為很難制造和測量如此大的非球面。然而，在非球面的制造和計量方面的最新進展使得直徑為200mm的非球面可以在市場上買到，如TechSpec®200mm直徑的精密非球面透鏡。

圖1：大直徑非球面透鏡越來越受歡迎，盡管它們帶來了一些標準尺寸非球面所沒有的制造和計量挑戰。

“大"到底是什么意思？

為了正確討論大型非球面，有必要區分“大型"和“非常大型"非球面。“非常大"的鏡頭對于一個人來說太大了，無法用手攜帶。需要機械支撐來移動它們，這帶來了更多的困難，并且需要對它們的制造和計量過程進行徹di的前期規劃。除了典型的非球面透鏡之外，還有與這些透鏡相關的其他考慮和限制，本文重點關注仍可由單人攜帶的“大型"批量生產的非球面的制造。

制造注意事項

要確定以下考慮因素如何影響定制非球面鏡片的尺寸或成本，請聯系我們。

直徑

當制造大的非球面時，可以安裝在研磨和拋光機中的光學器件的直徑是一個明顯的限制。值得慶幸的是，許多計算機數控（CNC）研磨和拋光機型號的名稱描述了機器的運動范圍。例如，“ CNC200 "通常表示機器具有200mm的運動范圍，而“ CNC100 "則具有100mm的運動范圍。然而，這并不意味著“ CNC200 "可以制造直徑為200mm的非球面。

機器可以制造的最大光學器件尺寸受到機器的運動學和光學器件的形狀的限制。在非球面制造開始時，使用尺寸過大的坯料，然后在制造過程結束時將其邊緣縮小到所需的最終直徑。考慮主軸上拋光機中心的透鏡毛坯。旋轉盤工具在部件上從一個邊緣到另一個邊緣徑向移動，并且調整工具的垂直高度以形成非球面的形狀。如圖2所示，對于凸透鏡，工具必須水平移動超過透鏡的直徑。因此，機器的運動范圍需要超過透鏡直徑。

圖2：在研磨和拋光過程中，凸面（B）比凹面（A）需要更大的水平運動范圍。

可以調整一些參數以略微增加運動范圍，盡管這些調整通常會導致質量或成本的權衡。例如，在上述情況下，可以減小旋轉盤工具的直徑以減小所需的運動范圍，但是這將降低拋光速度，同時增加拋光時間和工具磨損。由于這些權衡，研磨和拋光機不一定會對可行的零件尺寸進行硬切割。相反，它們將具有一個區域，在該區域，制造從簡單和經濟轉變為昂貴，然后轉變為不可行。

重量

制造機器對其可以處理的最大重量也有限制，這顯然隨著部件直徑的擴大而增加。雖然限制因機器而異，但控制鏡頭旋轉或平移的電機必須能夠產生足夠的扭矩來完成其任務。機器可能需要專門針對重型光學器件進行配置，這通常會導致周期時間增加，從而導致成本增加。在制造過程中，為了簡單的轉移和對準，光學器件通常也被粘附到載體上，這增加了額外的重量。

計量注意事項

直徑

用于計量的所有設備還必須能夠檢查大直徑光學器件的整個表面。與針對制造所討論的考慮因素類似，度量工具需要具有足以覆蓋透鏡的全通光孔徑的運動范圍。

弧矢高度

非球面輪廓通常在制造過程中使用用于迭代反饋的觸覺輪廓儀來測量。隨著非球面直徑的增加，弧矢高度或曲面的厚度可能會增加，盡管這會根據具體的非球面設計而變化。觸覺表面光度儀使用的觸針高度也可能限制可以測量的矢狀高度，圖3展示了這如何影響表面光度儀超出凸面頂點的延伸，以測量鏡片遠側的表面輪廓。

圖3：用于非球面計量的觸覺輪廓儀的觸針可能會限制大型非球面測量的矢狀高度。

類似的限制可能影響凹面的度量。光學制造工程師可以再次對工藝參數進行一些調整，以略微增加工具的運動范圍，但這些調整通常也會導致質量、成本或交付周期的權衡。

測量精度

此外，使用較大的觸針來緩解上述問題可能會對測量的準確性產生負面影響。增加的觸針重量以及由此產生的彎曲和不穩定性會導致較差的計量性能。

非球面的注意事項

背面

非球面透鏡的背面通常為平面或球面。雖然背面通常對非球面的總成本和可制造性具有小的影響，但是對于大的非球面，這種影響會改變。顯然，該背面的研磨、拋光和計量也需要具有所需的運動范圍以覆蓋零件。計量可能特別具有挑戰性，因為大孔徑干涉儀通常用于測量類似的平面表面。由于Edmund Optics®還制造平面光學器件，包括窗口、棱鏡和分束器，因此用于測量這些類型光學器件的設備用于非球面的平面背面。許多非球面制造商可能沒有用于測量大于6英寸的平面的標準解決方案。

對于凸球形背面，度量選項甚至更受限制。需要大的透射球和大孔徑干涉儀，并且對于許多光學制造商來說可能成本過高或不可用。對于凹的和凸的球形后表面，透鏡直徑的增加對應于曲率半徑（ROC）的增加。在干涉儀測量期間，可以測量的ROC的范圍受到干涉儀軌道長度的限制。光學器件通常在貓眼位置（干涉儀光束在單個點處與表面接觸的點）和共焦位置（干涉儀光束的點焦點與ROC并置的點）之間的軌道上平移。

此外，用于過程中計量的測試板變得笨重，并且難以用于大的非球面。上述制造和計量考慮也適用于測試板的制造。

可以使用用于測量非球面的相同設備來測量透鏡的后表面，但是該過程更加昂貴和低效。平面或球面將從更復雜的度量中花費時間，否則這些時間將花費在非球面上。非球面計量通常更耗時，并且需要更熟練的光學制造工程師。這使得對透鏡的兩側使用相同的度量是不切實際的。

直徑

在制造過程結束時，非球面被向下磨邊至其最終直徑。光學制造商必須確保他們的磨邊機能夠處理這種大直徑的光學器件，否則，由于使用非球面磨床來磨邊透鏡，成本和交貨時間將會增加。

檢驗表面質量

可以認為，如果制造過程的其他參數保持不變，則被檢查的光學表面的尺寸與當前表面缺陷的數量相關。這使得在較大直徑的光學器件上保持一定的表面質量規格變得更加困難。無論使用ISO標準還是MIL標準來表征表面質量，這一點都適用。大型光學器件也更難處理，并且由于處理不當而增加了表面缺陷的風險。

大型透鏡毛坯

用于非球面制造的透鏡毛坯要么是從所需毛坯直徑的棒上切割的圓盤，要么是在定制模具中退火的壓制。對于標準尺寸的非球面透鏡，壓制通常比用于大批量生產的切割盤的成本效益高3倍或4倍，盡管這根據所使用的確切基底材料而有所不同。然而，對于大的非球面，壓制和切割圓盤的成本是相當的。壓制的單位體積價格略高于圓盤，但壓制不需要鉆芯或鋸切。對于較小的零件，鉆芯或鋸切占毛坯成本的很大一部分。然而，如果部件較大，則這些過程在成本中所占的百分比較低。壓制通常也具有較長的交付周期，并且僅限于中心厚度小于40mm的光學器件。

涂層注意事項

在涂覆過程中，大的非球面增加的矢狀高度也可能是問題。整個部件的高度變化會對涂層的均勻性產生負面影響。因此，在整個透鏡上保持一定的涂層均勻性規格將比在較小透鏡上保持相同規格的成本更高。還必須為大非球面的增大直徑提供工具。