Ontwerpen Van Grote-diameter Asferen Voor Hoogvermogen Lasersystemen

De optische industrie ervaart trends van zowel toenemend laservermogen als de vooruitgang van coatingtechnologie om aan deze vraag tegemoet te komen. Echter, een optica hoeft niet altijd leidende coatingtechnologie te gebruiken om hoogvermogen lasers in een systeem te implementeren. Een tweede oplossing is om de grootte van de bundel te vergroten, en daarmee de grootte van de optica, wat de algehele vermogens- of energiedichtheid per eenheid oppervlakte op de optica zal verlagen. Dit vereist grote bundel-uitbreidingsoptica, alsook focusserende optica verderop in het optische pad.

Een tweede katalysator voor het vergroten van de optica-grootte zou elk lichtverzamelingssysteem zijn dat gecollimeerd licht verzamelt. Hoe groter de diameter van een optica, hoe meer oppervlakte om te verzamelen. In beide gevallen, en talloze andere, zijn er prestatieverbeteringen die gerealiseerd kunnen worden door asferische lenzen te ontwerpen in plaats van spherische lenzen. Eerder kunnen ontwerpers terughoudend zijn geweest om asferen met diameters groter dan 100 mm te ontwerpen, met zorgen rondom fabricageerbaarheid en metrologieapparatuur beschikbaar om een zo grote asfeer te verifiëren. Echter, met vooruitgang in zowel fabricage als metrologie, zijn asferen zo groot als 200 mm nu commercieel beschikbaar.

Groot Versus Zeer Groot

Bij het bespreken van grote asferen, is het belangrijk om een onderscheid te maken tussen grote asferen en zeer grote asferen, die niet door een enkele persoon handgemaakt kunnen worden en mechanische ondersteuning vereisen om ze te verplaatsen. Die presenteren nog meer uitdagingen en vereisen het vooraf in groot detail uitplannen van het fabricageproces.

Hoewel het zeker leuk is om een 1,02 meter optica op een polijstmachine te aligneren met een zwaanhamer, is de focus van dit artikel op de fabricagelimieten van massaproducerde grote asferen. Deze lenzen hebben ontwerpoverwegingen en beperkingen naast de algemene fabricageerbaarheidsoverwegingen voor normaal-grote asferen.

Fabricage Overwegingen

Diameter

Een duidelijke fabricagelimiet die in gedachten komt is de grootte van de asfeer slijp- en polijsmachines. Veel machinefabrikanten labelen hun modellen comfortabel (bijv. CNC100, CNC200 of CNC300), wat doorgaans gerelateerd is aan het bewegingsbereik van de machine. Helaas betekent dit niet dat een "CNC200" machine gebruikt kan worden om een 200 mm diameter grote asfeer te machineeren.

Allereerst, tijdens het fabricageproces wordt een grotere diameter blank gebruikt, wat vervolgens afgeschuurd wordt tot de finale diameter in een van de laatste verwerkingsstappen. Maar nog belangrijker, de groottebeperking van een machine wordt gegeven door een combinatie van de kinematica van de machine en de vorm van de optica. Laten we bijvoorbeeld aannemen dat de optica opwaarts gericht op een spil in het midden van de machine geplaatst wordt, en een draaiende schijfgereedschap wordt radiaal bewogen, startend aan één rand en eindigend aan de andere, en de verticale positie van het gereedschap wordt aangepast door de machine zoals vereist door de vorm van de optica. Daaruit volgt dat voor een concave optica het gereedschap veel minder horizontaal hoeft te reizen om hetzelfde grote deel te machineeren dan voor een convexe optica.

De optische fabricageingenieur kan misschien een paar extra millimeters bereik uithalen door de procesparameters te tweaken, maar deze zullen waarschijnlijk negatief van invloed zijn op kosten en/of kwaliteit en/of levertijd. In het bovenstaande voorbeeld kan men de diameter van het wiel verkleinen, maar dit zal de snij snelheid beperken en de processtijd en gereedschapslijst verhogen. Als zodanig, duiden deze labels niet op een harde limiet, maar een overgang van economisch naar duur naar niet haalbaar.

Gewicht

Naast de afmetingen van een optica, heeft een asfeer slijp- en polijsmachine ook een limiet op het maximum gewicht dat het in staat is te machineeren. Afhankelijk van de kinematica van de machine, kan de optica gedraaid en/of vertaald worden en de motoren die deze bewegingen beïnvloeden moeten voldoende koppel hebben om de vereiste versnelling te genereren. In sommige gevallen betekent dit dat de machine specifiek geconfigureerd moet worden voor zware werkstukken, wat kan leiden tot langere cyclus tijden en dus hogere kosten.

In het algemeen selecteren machinefabrikanten motoren sterke genoeg om de gewichten te machineeren typisch voor werkstukken in de grootteklasse, dus dit zou minder een issue moeten zijn. Houd er echter rekening mee dat tijdens de fabricage de optica typisch gebonden wordt aan een drager voor eenvoudige overdracht en alignering tussen machines en meetapparatuur, wat ook gewicht toevoegt.

Metrologie Overwegingen

Diameter

Sprekend over metingen, moeten de beperkingen van de metrologieapparatuur niet over het hoofd worden gezien. En, natuurlijk, het metrologieplatform moet voldoende reikwijdte hebben om de volledige diameter van de optica te bereiken.

Sagittaal Hoogte

Tijdens de fabricage wordt een asfeer typisch gemeten met een tastende profilometer. Met toegenomen grootte van de optica, is het ook waarschijnlijk dat de sagittaal hoogte toeneemt (maar dit hangt erg af van het daadwerkelijke ontwerp van de asfeer). Een andere beperkende factor van een tastende profilometer, naast het reikwijdtebereik, is de hoogte van de stylus gebruikt. Dit beperkt hoeveel het in staat is om over de vertex van een convexe asfeer te reiken om het profiel van het oppervlak aan de overkant te meten (Figuur 2).

Een concave optica heeft een analoge beperking voor het bereiken in de optica om de vertex te meten. Er zijn enkele trucs die de optische fabricageingenieur kan toepassen om nog meer kilometer uit het metrologieplatform te halen dat hij/zij tot hun beschikking heeft, maar deze zullen weer kosten en/of kwaliteit en/of levertijd beïnvloeden.

Nauwkeurigheid

Bovendien kan het moeten gebruiken van een grotere stylus negatief van invloed zijn op de nauwkeurigheid van de metrologie door het verhoogde gewicht, buiging, en onstabiliteit, en dus ook negatief van invloed zijn op kosten en/of kwaliteit en/of levertijd.

Niet-Asferische Oppervlakken

Achterkant

Typisch heeft de niet-asferische achterkant van een asferische lens een beperkte invloed op de fabricageerbaarheidsanalyse en kosten. Voor grote asferen is dit niet langer waar. Zeker, de gebruikte apparatuur moet in staat zijn de grootte van de optica te accommoderen. Problematischer is de metrologieoplossing, typisch een grote opening interferometer. Als een optische winkel ook componenten produceert zoals prisma's, bundelscheiders, en vensters, kan het waarschijnlijk de bestaande apparatuur benutten. Toch hebben niet veel asfeerfabrikanten een standaardoplossing om platte oppervlakken te meten boven de 10 inch (254 mm).

Voor convexe spherische achterkanten zijn de metrologieoplossingen nog meer beperkt, aangezien investeren in de grote opening interferometer en geassocieerde grote opening transmissiesferen vaak kostprohibitief of onbeschikbaar is. Voor zowel convexe als concave spherische achterkanten, gaat een grotere diameter hand in hand met een grotere straal van kromming (RoC). Typisch wordt de RoC gecontroleerd door een trap met de optica gemonteerd te bewegen langs een rail tussen de cat's eye positie (waar de interferometerbundel een enkel punt op het spherische oppervlak contacteert) en confocale positie (waar de puntfocus van de interferometerbundel op de straal van kromming is). Dus het bereik van RoC dat gemeten kan worden is beperkt door de lengte van de rail.

Daarnaast is het gebruik van testplaten voor in-proces controle riskant en lastig voor grote diameter optica. Niet te noemen de dezelfde moeilijkheden als hierboven genoemd gelden voor de fabricage van de testplaten zelf.

Natuurlijk, om de achterkant van een asferische lens te meten, kan men gebruikmaken van de beschikbare asfeer metrologie. Echter, dit maakt het fabricageproces kostbaar en inefficiënt, aangezien het spherische oppervlak zou concurreren met de asferische kant voor meetijd op een duur platform en asfeer metrologie neigt ertoe meer tijd te consumeren en/of additionele vaardigheden te vereisen die niet typisch in spherische optica ambachtslieden gevonden worden. Als zodanig is het typisch onpraktisch om een snelle blik op het spherische oppervlak te werpen met asfeer metrologie tijdens de fabricage om het proces te monitoreren en procesparameters aan te passen indien nodig.

Diameter

Zoals eerder vermeld, als een van de laatste verwerkingsstappen, wordt de diameter van het deel afgeschuurd tot de finale diameter. Als de optische winkel geen een of meer toegewijde afschuurmachines heeft, of als ze niet groot genoeg zijn om de grote diameter te hanteren, zullen de delen moeten worden afgeschuurd op de asfeer slijpmachine. Dit is zowel inefficiënt als duur.

Oppervlakte Kwaliteit En Inspectie

Redelijkerwijs correleert het aantal oppervlakteimperfecties met het verwerkte oppervlak. Als zodanig is het moeilijker om een strakke oppervlakte kwaliteit tolerantie specificatie te handhaven op een grotere diameter optica, of gespecificeerd met de ISO of MIL standaard. Bovendien is een grotere diameter optica moeilijker te hanteren en, als zodanig, bij een hoger risico op oppervlaktedefecten door mishandeling. Bovendien is oppervlakte-inspectie met name lastig voor grote diameter optica, aangezien ze veel hantering vereisen.

Blank

De blank kan ofwel komen als een gesneden schijf (een schijf gesneden van een staaf van adequate diameter) of een persing (geanneald in custom-made malen). Voor reguliere-grootte asferen, kan het een factor 3- of 4-keer meer economisch zijn om persingen te gebruiken voor hoge-volume productie, afhankelijk van het exacte materiaal. Voor een grote asfeer blank, wordt de materiaalkost de drijvende factor over de arbeidskost, naarmate het volume toeneemt. Als zodanig worden persingen minder voordelig om te gebruiken voor grote asfeer blanks, met name rekening houdend met dat persingen een langere levertijd hebben en beperkt zijn tot een centrumdikte van ongeveer 40 mm.

Coating

Zoals eerder vermeld, met toegenomen grootte van de optica, is het ook waarschijnlijk dat de sagittaal hoogte toeneemt. Dit zal negatief van invloed zijn op de coatinguniformiteit, dus houd er rekening mee dat het specificeren van dezelfde coatinguniformiteit als typisch voor reguliere-grootte asferen op een grote asfeer waarschijnlijk een premie zal opleveren.

Deze fabricage- en metrologieoverwegingen in gedachten houdend, stelt optische ontwerpen in staat om grote diameter asferen in hun optische systemen te incorporeren. De resulterende systemen banen de weg voor hoogvermogen laserapplicaties en hoge-doorvoer lichtverzamelingssystemen. Soms is groter echt beter.

Dit artikel is geschreven door Wilhelmus Messelink, Director of Technology, Edmund Optics Singapore; en Shawn Scarfo, Product Line Manager, Lenses, Edmund Optics (Barrington, NJ). Voor meer informatie, neem contact op met Mr. Messelink via dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript vereist), Mr. Scarfo via dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript vereist), of bezoek hier.