Aspheres met grote diameter ontwerpen

De optische industrie ervaart trends van zowel toenemend laservermogen als de vooruitgang van coatingtechnologie om aan deze vraag te voldoen. Een optiek hoeft echter niet altijd geavanceerde coatingtechnologie te gebruiken om krachtige lasers in een systeem te implementeren. Een tweede oplossing is om de bundel te vergroten, en dus de grootte van de optica, waardoor het totale vermogen of de energiedichtheid per oppervlakte-eenheid op de optiek wordt verlaagd. Dit vereist optica met grote bundeluitbreiding, evenals focusserende optica verder langs het optische pad.

Een tweede katalysator voor het vergroten van de optische afmeting zou elk lichtverzamelsysteem zijn dat gecollimeerd licht verzamelt. Hoe groter de diameter van een optiek, hoe meer oppervlakte om te verzamelen. In beide gevallen, en in talloze andere, zijn er prestatieverbeteringen die kunnen worden gerealiseerd door asferische lenzen te ontwerpen in plaats van sferische lenzen. Voorheen aarzelden ontwerpers om te ontwerpen in asferen met een diameter groter dan 100 mm, omdat ze zich zorgen maakten over de maakbaarheid en meetapparatuur die beschikbaar was om een ​​zo grote asphere te verifiëren. Door de vooruitgang in zowel de productie als de metrologie zijn aspheres tot wel 200 mm nu in de handel verkrijgbaar.

Groot versus zeer groot

Bij het bespreken van grote aspheres is het belangrijk om onderscheid te maken tussen grote aspheres en zeer grote aspheres, die niet door één persoon met de hand kunnen worden gedragen en mechanische ondersteuning nodig hebben om ze te verplaatsen. Die bieden nog meer uitdagingen en vereisen een gedetailleerde planning van het productieproces.

Hoewel het zeker leuk is om een ​​optiek van 1,02 meter op een polijstmachine uit te lijnen met een voorhamer, ligt de focus van dit artikel op de productielimieten van in massa geproduceerde grote asferen. Deze lenzen hebben ontwerpoverwegingen en beperkingen naast de algemene produceerbaarheidsoverwegingen voor asferen van normale grootte.

Overwegingen bij de fabricage

Diameter

Een voor de hand liggende productielimiet die in je opkomt, is de grootte van de asphere-slijp- en polijstmachines. Veel machinefabrikanten labelen hun modellen handig (bijv. CNC100, CNC200 of CNC300), wat meestal verband houdt met het bewegingsbereik van de machine. Helaas betekent dit niet dat een "CNC200"-machine kan worden gebruikt om een ​​grote as met een diameter van 200 mm te bewerken.

Om te beginnen wordt tijdens het fabricageproces een blanco met een grotere diameter gebruikt, die vervolgens in een van de laatste bewerkingsstappen wordt afgekant tot de uiteindelijke diameter. Maar wat nog belangrijker is, de beperking van de grootte van een machine wordt bepaald door een combinatie van de kinematica van de machine en de vorm van de optiek. Laten we bijvoorbeeld aannemen dat de optiek met de voorkant naar boven op een spil in het midden van de machine wordt geplaatst en dat een draaiend schijfgereedschap radiaal wordt bewogen, beginnend bij de ene rand en eindigend bij de andere, en de verticale positie van het gereedschap is aangepast door de machine zoals vereist door de vorm van de optiek. Van daaruit volgt dat voor een concave optiek het gereedschap veel minder horizontaal hoeft te bewegen om hetzelfde onderdeel te bewerken dan voor een convexe optiek.

De optische fabricage-ingenieur kan misschien een extra paar millimeter bereik uitknijpen door de procesparameters aan te passen, maar deze zullen hoogstwaarschijnlijk een negatieve invloed hebben op de kosten en/of kwaliteit en/of doorlooptijd. In het bovenstaande voorbeeld zou men de diameter van het wiel kunnen verkleinen, maar dit zal de snijsnelheid beperken en de procestijd verlengen en de gereedschapsslijtage verhogen. Als zodanig geven deze labels geen harde grens aan, maar een overgang van economisch naar duur naar niet haalbaar.

Gewicht

Naast de afmetingen van een optiek heeft een asphere slijp- en polijstmachine ook een limiet op het maximale gewicht dat hij kan bewerken. Afhankelijk van de kinematica van de machine kan de optiek worden rondgedraaid en/of vertaald en moeten de motoren die deze bewegingen beïnvloeden voldoende koppel hebben om de vereiste versnelling te genereren. In sommige gevallen betekent dit dat de machine specifiek voor zware werkstukken moet worden geconfigureerd, wat kan leiden tot langere cyclustijden en dus hogere kosten.

Over het algemeen selecteren machinefabrikanten motoren die sterk genoeg zijn om de typische gewichten van werkstukken in de grootteklasse te bewerken, dus dit zou minder een probleem moeten zijn. Houd er echter rekening mee dat de optiek tijdens de fabricage meestal aan een drager is bevestigd voor eenvoudige overdracht en uitlijning tussen machines en meetapparatuur, wat ook extra gewicht toevoegt.

Metrologische overwegingen

Diameter

Over metingen gesproken, de beperkingen van de meetapparatuur mogen niet over het hoofd worden gezien. En natuurlijk moet het metrologieplatform voldoende beweging hebben om de volledige diameter van de optiek te bereiken.

Sagittale hoogte

Tijdens de productie wordt een asphere meestal gemeten met behulp van een tactiele profielmeter. Met een grotere afmeting van de optiek is het ook waarschijnlijk dat de sagittale hoogte wordt vergroot (maar dit hangt sterk af van het daadwerkelijke ontwerp van de asphere). Een andere beperkende factor van een tactiele profilometer, naast het bereik, is de hoogte van de gebruikte stylus. Dit beperkt hoeveel het kan reiken over de top van een convexe asfeer om het profiel van het oppervlak aan de andere kant te meten (Figuur 2).

Een concave optiek heeft een analoge beperking om in de optiek te reiken om het hoekpunt te meten. Er zijn enkele trucs die de optische fabricage-ingenieur kan toepassen om wat meer kilometers uit het metrologieplatform dat hij/zij tot zijn beschikking heeft te persen, maar deze zullen opnieuw de kosten en/of kwaliteit en/of doorlooptijd beïnvloeden.

Nauwkeurigheid

Bovendien kan het gebruik van een grotere stylus de nauwkeurigheid van de metrologie negatief beïnvloeden vanwege het toegenomen gewicht, de flex en instabiliteit, en dus ook een negatieve invloed hebben op de kosten en/of kwaliteit en/of doorlooptijd.

Niet-asferische oppervlakken

Achterkant

Typisch heeft de niet-asferische achterkant van een asferische lens een beperkte invloed op de maakbaarheidsanalyse en kosten. Voor grote asferen geldt dit niet meer. Uiteraard moet de gebruikte apparatuur geschikt zijn voor de grootte van de optiek. Meer problematisch is de metrologische oplossing, typisch een interferometer met grote opening. Als een optische winkel ook componenten zoals prisma's, bundelsplitsers en vensters produceert, kan deze hoogstwaarschijnlijk gebruikmaken van de bestaande apparatuur. Toch hebben niet veel asphere-fabrikanten een standaardoplossing om vlakke oppervlakken te meten die groter zijn dan 10 inch (254 mm).

Voor convexe sferische achterkanten zijn de metrologische oplossingen zelfs nog beperkter, omdat investeren in de interferometer met grote opening en bijbehorende transmissiebollen met grote opening vaak onbetaalbaar of niet beschikbaar is. Voor zowel convexe als concave sferische achterzijden gaat een grotere diameter hand in hand met een grotere kromtestraal (RoC). Meestal wordt de RoC geregeld door een platform te verplaatsen met de optiek gemonteerd langs een rail tussen de positie van het kattenoog (waar de straal van de interferometer contact maakt met een enkel punt op het bolvormige oppervlak) en de confocale positie (waar het brandpunt van de straal van de interferometer zich op de kromtestraal). Het bereik van RoC dat kan worden gemeten, wordt dus beperkt door de lengte van de rail.

Bovendien is het gebruik van testplaten voor in-process controle riskant en omslachtig voor optica met grote diameter. Om nog maar te zwijgen van dezelfde moeilijkheden als hierboven vermeld, gelden voor de vervaardiging van de testplaten zelf.

Om de achterkant van een asferische lens te meten, zou men natuurlijk gebruik kunnen maken van de beschikbare asfeermetrologie. Dit maakt het fabricageproces echter kostbaar en inefficiënt, aangezien het sferische oppervlak zou concurreren met de asferische zijde voor meettijd op een duur platform en asfeermetrologie meer tijdrovend is en/of aanvullende vaardigheden vereist die niet typisch gevonden worden in sferische optica ambachtslieden. Als zodanig is het doorgaans onpraktisch om tijdens de productie snel een kijkje te nemen op het bolvormige oppervlak met behulp van asphere-metrologie om het proces te bewaken en indien nodig de procesparameters aan te passen.

Diameter

Zoals eerder vermeld, wordt als een van de laatste bewerkingsstappen de diameter van het onderdeel afgekant tot de uiteindelijke diameter. Als de optische winkel niet over een of meer speciale kantenmachines beschikt, of als ze niet groot genoeg zijn om de grote diameter aan te kunnen, moeten de onderdelen worden geslepen op de asphere-slijpmachine. Dit is zowel inefficiënt als duur.

Oppervlaktekwaliteit en inspectie

Ongetwijfeld correleert het aantal gecreëerde oppervlakte-imperfecties met het verwerkte gebied. Als zodanig is het moeilijker om een ​​strakke tolerantiespecificatie voor oppervlaktekwaliteit te handhaven op een optiek met een grotere diameter, ongeacht of deze is gespecificeerd met behulp van de ISO- of MIL-standaard. Bovendien is een optiek met een grotere diameter moeilijker te hanteren en als zodanig een groter risico op oppervlaktedefecten als gevolg van verkeerd gebruik. Bovendien is oppervlakte-inspectie vooral omslachtig voor optica met een grote diameter, omdat ze veel handelingen vereisen.

Leeg

De blanco kan worden geleverd als een gesneden schijf (een schijf gesneden uit een staaf met voldoende diameter) of een persing (gegloeid in op maat gemaakte mallen). Voor asferen van normale grootte kan het een factor 3 of 4 keer zuiniger zijn om persingen te gebruiken voor productie van grote volumes, afhankelijk van het exacte materiaal. Voor een grote asphere-blanco worden de materiaalkosten de drijvende factor boven de arbeidskosten, naarmate het volume toeneemt. Als zodanig worden persingen minder voordelig om te gebruiken voor grote asphere-blanks, vooral gezien het feit dat persingen een langere doorlooptijd hebben en beperkt zijn tot een middendikte van ongeveer 40 mm.

Coating

Zoals eerder vermeld, is het bij een grotere afmeting van de optiek ook waarschijnlijk dat de sagittale hoogte wordt vergroot. Dit heeft een negatieve invloed op de coatinguniformiteit, dus houd er rekening mee dat het specificeren van dezelfde coatinguniformiteit als typisch voor aspheres van normale grootte op een grote asphere hoogstwaarschijnlijk een premie met zich meebrengt.

Door deze fabricage- en metrologische overwegingen in gedachten te houden, kunnen optische ontwerpen asferen met een grote diameter in hun optische systemen opnemen. De resulterende systemen maken de weg vrij voor krachtige lasertoepassingen en lichtopvangsystemen met een hoge doorvoer. Soms is groter echt beter.

Dit artikel is geschreven door Wilhelmus Messelink, directeur technologie, Edmund Optics Singapore; en Shawn Scarfo, Product Line Manager, Lenzen, Edmund Optics (Barrington, NJ). Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de heer Messelink via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., Mr. Scarfo op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., of bezoek hier .