大尺寸非球面透鏡制造的七大考量

原創(chuàng)EO精密光學(xué)團(tuán)隊(duì) Edmund Optics 愛(ài)特蒙特光學(xué)

▎大尺寸非球面透鏡

賦能高功率光學(xué)系統(tǒng) ▎

在光學(xué)應(yīng)用中，對(duì)更高功率激光器的追求正在推動(dòng)光學(xué)鍍膜技術(shù)的極xian。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，為此需要更大的光學(xué)元件（圖1）。這會(huì)降低整個(gè)光學(xué)元件的功率或能量密度，以及激光誘導(dǎo)損傷的可能性。

在光路的更遠(yuǎn)處，需要大的光束擴(kuò)展光學(xué)元件和聚焦透鏡。光收集系統(tǒng)是增加光學(xué)元件尺寸的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。具有較大表面積的光學(xué)元件可以收集更多的光。在這兩種情況以及其他許多情況下，光學(xué)系統(tǒng)的性能均可以通過(guò)使用非球面透鏡而不是球面透鏡來(lái)提高。

在過(guò)去的幾年里，光學(xué)設(shè)計(jì)師可能對(duì)使用直徑超過(guò)100毫米的非球面透鏡持保留意見(jiàn)，因?yàn)橹谱骱蜏y(cè)量這么大的非球面有一ding的難度。不過(guò)，非球面制造和計(jì)量方面取得的*xin進(jìn)展使得直徑達(dá)200毫米的非球面透鏡得以商用，如Edmund Optics® 的TECHSPEC® 200毫米直徑精密非球面透鏡已于近期面世。

圖1:大直徑非球面透鏡越來(lái)越受歡迎，盡管它們帶來(lái)了一些標(biāo)準(zhǔn)尺寸非球面所沒(méi)有的制造和計(jì)量挑戰(zhàn)。

1 “大” 的定義是什么？

為了正確討論大尺寸非球面透鏡，有必yao對(duì) “大尺寸”和“超da尺寸”非球面透鏡進(jìn)行區(qū)分。"超da尺寸"透鏡一般指對(duì)個(gè)人來(lái)說(shuō)太大而無(wú)法徒手搬運(yùn)。移動(dòng)它們需要借助機(jī)械支撐，這就帶來(lái)了更多的困難，需要對(duì)它們的制造和計(jì)量過(guò)程進(jìn)行徹di的前期規(guī)劃。除了典型的非球面透鏡外，這些超da尺寸透鏡還有其他的考慮因素和限制，本文重點(diǎn)討論 "大尺寸 "可批量生產(chǎn)的非球面透鏡的制造，這些非球面透鏡仍然可以由單人攜帶。

2 加工方面的考量

要確定以下因素會(huì)如何影響定制非球面透鏡的尺寸或成本，請(qǐng)聯(lián)系我們。

直徑

在制造大尺寸非球面透鏡時(shí)，可以安裝在研磨和拋光機(jī)中的光學(xué)元件的直徑是一個(gè)明顯的限制。值得慶幸的是，許多計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）研磨和拋光機(jī)型號(hào)的名稱描述了該機(jī)器的運(yùn)動(dòng)范圍。例如，"CNC200 "通常意味著機(jī)器有200毫米的運(yùn)動(dòng)范圍，而 "CNC100 "則有100毫米的運(yùn)動(dòng)范圍。然而，這并不意味著 "CNC200 "可以制造直徑為200毫米的非球面鏡。

一臺(tái)機(jī)器所能制造的*da光學(xué)元件尺寸受限于機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和光學(xué)元件的形狀。在非球面制造的開(kāi)始階段，使用超da的毛坯，然后在制造過(guò)程的*hou階段將其削成所需的末端直徑?？紤]在拋光機(jī)中心的主軸上有一個(gè)鏡片毛坯。一個(gè)旋轉(zhuǎn)的刀具在零件上從一個(gè)邊緣向另一個(gè)邊緣徑向移動(dòng)，調(diào)整工具的垂直高度以形成非球面的形狀。如圖2所示，對(duì)于凸透鏡來(lái)說(shuō)，刀具的水平移動(dòng)距離必xu超過(guò)透鏡的直徑。因此，機(jī)器的運(yùn)動(dòng)范圍需要超過(guò)透鏡的直徑。

圖2:在研磨和拋光過(guò)程中，凸面（b）比凹面（a）需要更大的水平運(yùn)動(dòng)范圍。

可以調(diào)整一些參數(shù)以略微增加運(yùn)動(dòng)范圍，盡管這些調(diào)整通常會(huì)導(dǎo)致需要對(duì)質(zhì)量或成本進(jìn)行權(quán)衡。例如，在上述情況下，可以減少旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)刀具的直徑以減少所需的運(yùn)動(dòng)范圍，但這將降低拋光速度，同時(shí)增加拋光時(shí)間和工具磨損。由于這些權(quán)衡，研磨和拋光機(jī)不一ding會(huì)對(duì)什么尺寸的零件可行有硬性的截?cái)嘁?guī)定。相反，他們將有一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域里，制造從簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)過(guò)渡到昂貴，然后再到不可行。

重量

制造機(jī)器也有一個(gè)他們可以處理的*da重量的限制，這顯然隨著部件直徑的擴(kuò)大而增加。雖然限制因機(jī)器而異，但控制透鏡旋轉(zhuǎn)或平移的電機(jī)必xu能夠產(chǎn)生足夠的扭矩來(lái)完成其任務(wù)。機(jī)器可能需要專門(mén)為重型光學(xué)元件進(jìn)行配置，往往會(huì)導(dǎo)致周期時(shí)間的增加，因此成本也會(huì)增加。光學(xué)元件通常也被粘在一個(gè)載體上，以便在制造過(guò)程中進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)移和校準(zhǔn)，這也增加了額外的重量。

3 計(jì)量方面的考量

直徑

所有用于計(jì)量的設(shè)備也必xu能夠檢查大直徑光學(xué)元件的整個(gè)表面。與所討論的制造方面的考慮相似，計(jì)量工具需要有足夠的運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)覆蓋透鏡的全部通光孔徑。

矢高

非球面輪廓通常在制造過(guò)程中使用接觸式輪廓儀進(jìn)行測(cè)量，以獲得迭代反饋。隨著非球面直徑的增加，矢高或弧形表面的厚度可能會(huì)增加，盡管這取決于具體的非球面設(shè)計(jì)。接觸式輪廓儀使用的測(cè)針的高度也可能會(huì)限制可測(cè)量的矢高，圖 3 展示了這是如何影響輪廓儀在凸面頂點(diǎn)以外的延伸以測(cè)量鏡片遠(yuǎn)端的表面輪廓。

圖3:用于非球面測(cè)量的接觸式輪廓儀的測(cè)針可能會(huì)限制大尺寸非球面可測(cè)量的矢高。

類似的限制可能會(huì)影響凹面的計(jì)量。光學(xué)制造工程師可以再次對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行一些調(diào)整，以略微增加刀具的運(yùn)動(dòng)范圍，但這些調(diào)整也常常導(dǎo)致在質(zhì)量、成本或交貨時(shí)間方面的權(quán)衡。

測(cè)量精度

此外，使用較大的測(cè)針來(lái)緩解上述問(wèn)題可能對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生負(fù)mian影響。測(cè)針重量增加以及由此產(chǎn)生的彎曲和不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致計(jì)量性能下降。

4 對(duì)非-非球面表面的考量

后表面

非球面透鏡的后表面通常是平面或球面。雖然后表面通常對(duì)非球面的整體成本和可制造性影響不大，但對(duì)于大尺寸非球面來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)會(huì)有所不同。顯然，該后表面的研磨、拋光和計(jì)量也需要有覆蓋元件所需的運(yùn)動(dòng)范圍。由于大口徑干涉儀通常用于測(cè)量類似的平面，因此計(jì)量工作可能特別具有挑戰(zhàn)性。由于 Edmund Optics® 也生產(chǎn)平面光學(xué)元件，包括窗口、棱鏡和分光鏡，所以用于測(cè)量這些類型光學(xué)元件的設(shè)備可同時(shí)用于測(cè)量非球面的平面后表面。許多非球面制造商可能沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案來(lái)測(cè)量大于6英寸的平面。

對(duì)于凸形球面的背面，計(jì)量選擇甚至更加有限。對(duì)于許多光學(xué)制造商來(lái)說(shuō)可能成本過(guò)高或無(wú)法獲得所需的大尺寸透射球和大口徑干涉儀，。對(duì)于凹面和凸面的球面后表面，鏡片直徑的增加對(duì)應(yīng)于曲率半徑（RoC）的增加。在干涉儀測(cè)量過(guò)程中，可測(cè)量的RoC范圍受到干涉儀軌道長(zhǎng)度的限制。光學(xué)元件通常在導(dǎo)軌上的貓眼位置（干涉儀光束在表面上單點(diǎn)接觸的位置）和共焦位置（干涉儀光束的點(diǎn)焦與RoC相接的位置）之間的軌道上平移。

此外，用于過(guò)程計(jì)量的測(cè)試板變得很笨重，難以用于大尺寸非球面透鏡。上述制造和計(jì)量方面的考慮也適用于測(cè)試板的制作。

透鏡的后表面可以使用與測(cè)量非球面相同的設(shè)備來(lái)測(cè)量，但這一過(guò)程成本更高、效率更低。平面或球面表面將從非球面上花費(fèi)的更復(fù)雜的計(jì)量中節(jié)省出時(shí)間。非球面測(cè)量通常更耗時(shí)，需要更多熟練的光學(xué)制造工程師。這使得對(duì)鏡片兩側(cè)使用相同的計(jì)量方法是不現(xiàn)實(shí)的。

直徑

在制造過(guò)程的*hou階段，非球面被削成其*zhong直徑。光學(xué)制造商必xu確保他們的磨邊機(jī)能夠處理如此大直徑的光學(xué)元件，否則，使用非球面研磨機(jī)對(duì)鏡片進(jìn)行磨邊會(huì)增加成本和交貨時(shí)間。

5 檢查和表面質(zhì)量

如果制造工藝的其他參數(shù)保持不變，則可以認(rèn)為被檢查的光學(xué)表面的大小與當(dāng)前表面缺陷的數(shù)量相關(guān)。這使得在較大直徑的光學(xué)元件上保持一ding的表面質(zhì)量規(guī)格變得更加困難。不管是使用ISO還是MIL標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表征表面質(zhì)量，這一點(diǎn)都適用。大尺寸光學(xué)元件也更難處理，而且由于處理不當(dāng)，出現(xiàn)表面缺陷的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。

6 大尺寸透鏡胚料

用于非球面制造的透鏡胚料要么是從所需毛坯直徑的桿上切割下來(lái)的圓盤(pán)，要么是在定制的模具中壓制退火。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)尺寸的非球面透鏡來(lái)說(shuō)，在大批量生產(chǎn)中，壓片的成本效益通常是切片的3倍或4倍，盡管這取決于所使用的確切基片材料。然而，對(duì)于大尺寸非球面來(lái)說(shuō)，壓片和切割盤(pán)的成本是相當(dāng)?shù)?。壓片的每卷價(jià)格比盤(pán)片高一些，但壓片不需要鉆芯或鋸齒。對(duì)于較小的元件，鉆芯或鋸切占了毛坯成本的很大一部分。然而，如果元件很大，那么這些工藝所占的成本比例就會(huì)降低。壓制的交付周期通常較長(zhǎng)，并且僅xian中心厚度小于40毫米的光學(xué)元件。

7 鍍膜的考量

在鍍膜過(guò)程中，大尺寸非球面的矢高增加也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。整個(gè)部件的高度變化會(huì)對(duì)鍍膜的均勻性產(chǎn)生負(fù)mian影響。正因?yàn)槿绱?，在整個(gè)透鏡上保持一ding的鍍膜均勻性規(guī)格將比在較小透鏡上保持相同規(guī)格的成本要高。對(duì)于直徑增大的大尺寸非球面透鏡，還必xu提供 Tooling。

Edmund Optics®大尺寸非球面透鏡

正在為您的應(yīng)用尋找大尺寸非球面透鏡嗎？標(biāo)準(zhǔn)的200毫米直徑的非球面可用于原型設(shè)計(jì)，Edmund Optics® 的制造工程師可以為您的應(yīng)用定制大尺寸非球面透鏡。有時(shí)候，越大真的越好。

精密非球面透鏡

l 直徑達(dá)200毫米的尺寸

l 可提供無(wú)鍍膜或?qū)拵г鐾稿兡みx項(xiàng)

定制非球面透鏡

l 我們的工程師可以帶您了解上述考量

l 有什么可以幫到您？

森泉為您的科研事業(yè)添磚加瓦：

1）激光控制：激光電流源、激光器溫控器、激光器控制、伺服設(shè)備與系統(tǒng)等等

2）探測(cè)器：光電探測(cè)器、單光子計(jì)數(shù)器、單光子探測(cè)器、CCD、光譜分析系統(tǒng)等等

3）定位與加工：納米定位系統(tǒng)、微納運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、多維位移臺(tái)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、微型操作器等等

4）光源：半導(dǎo)體激光器、固體激光器、單頻激光器、單縱模激光器、窄線寬激光器、光通訊波段激光器、CO2激光器、中紅外激光器、染料激光器、飛秒超快激光器等等

5）光機(jī)械件：用于光路系統(tǒng)搭建的高品質(zhì)無(wú)應(yīng)力光機(jī)械件，如光學(xué)調(diào)整架、鏡架、支撐桿、固定底座等等

6）光學(xué)平臺(tái)：主動(dòng)隔振平臺(tái)、氣浮隔振臺(tái)、實(shí)驗(yàn)桌、剛性工作臺(tái)、面包板、隔振、隔磁、隔聲綜合解決方案等等

7）光學(xué)元件：各類晶體、光纖、偏轉(zhuǎn)鏡、反射鏡、透射鏡、半透半反鏡、濾光片、衰減片、玻片等等

8）染料：激光染料、熒光染料、光致變色染料、光致發(fā)光染料、吸收染料等等