大型非球面：實(shí)現(xiàn)高功率光學(xué)系統(tǒng)

在光學(xué)應(yīng)用中，更高功率激光器的發(fā)展正在推動(dòng)光學(xué)鍍膜技術(shù)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(xué)元件（圖1）。這降低了光學(xué)元件上的功率或能量密度，降低了激光誘導(dǎo)損傷的可能性。需要沿著光束路徑進(jìn)一步延伸的大光束擴(kuò)展光學(xué)器件和聚焦透鏡。光收集系統(tǒng)是增加光學(xué)器件尺寸的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素。更多的光可以被具有更大表面積的光學(xué)器件收集。在這兩種情況以及許多其他情況下，還可以通過(guò)使用非球面透鏡而不是球面透鏡來(lái)提高光學(xué)系統(tǒng)的性能。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態(tài)度，因?yàn)楹茈y制造和測(cè)量如此大的非球面。然而，在非球面的制造和計(jì)量方面的最新進(jìn)展使得直徑為200mm的非球面可以在市場(chǎng)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(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)。

“大”到底是什么意思？

為了正確討論大型非球面，有必要區(qū)分“大型”和“非常大型”非球面?！胺浅４蟆钡溺R頭對(duì)于一個(gè)人來(lái)說(shuō)太大了，無(wú)法用手?jǐn)y帶。需要機(jī)械支撐來(lái)移動(dòng)它們，這帶來(lái)了更多的困難，并且需要對(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之外，還有與這些透鏡相關(guān)的其他考慮和限制，本文重點(diǎn)關(guān)注仍可由單人攜帶的“大型”批量生產(chǎn)的非球面的制造。

制造注意事項(xiàng)

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(qǐng)聯(lián)系我們。

直徑

當(dāng)制造大的非球面時(shí)，可以安裝在研磨和拋光機(jī)中的光學(xué)器件的直徑是一個(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)的名稱描述了機(jī)器的運(yùn)動(dòng)范圍。例如，“ CNC200 ”通常表示機(jī)器具有200mm的運(yùn)動(dòng)范圍，而“ CNC100 ”則具有100mm的運(yùn)動(dòng)范圍。然而，這并不意味著“ CNC200 ”可以制造直徑為200mm的非球面。

機(jī)器可以制造的最大光學(xué)器件尺寸受到機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和光學(xué)器件的形狀的限制。在非球面制造開(kāi)始時(shí)，使用尺寸過(guò)大的坯料，然后在制造過(guò)程結(jié)束時(shí)將其邊緣縮小到所需的最終直徑?？紤]主軸上拋光機(jī)中心的透鏡毛坯。旋轉(zhuǎn)盤工具在部件上從一個(gè)邊緣到另一個(gè)邊緣徑向移動(dòng)，并且調(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，工具必須水平移動(dòng)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)致質(zhì)量或成本的權(quán)衡。例如，在上述情況下，可以減小旋轉(zhuǎn)盤工具的直徑以減小所需的運(yùn)動(dòng)范圍，但是這將降低拋光速度，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)不一定會(huì)對(duì)可行的零件尺寸進(jìn)行硬切割。相反，它們將具有一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域，制造從簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘嘿F，然后轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢尚小?/p>

重量

制造機(jī)器對(duì)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(kuò)大而增加。雖然限制因機(jī)器而異，但控制鏡頭旋轉(zhuǎn)或平移的電機(jī)必須能夠產(chǎn)生足夠的扭矩來(lái)完成其任務(wù)。機(jī)器可能需要專門針對(duì)重型光學(xué)器件進(jìn)行配置，這通常會(huì)導(dǎo)致周期時(shí)間增加，從而導(dǎo)致成本增加。在制造過(guò)程中，為了簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)移和對(duì)準(zhǔn)，光學(xué)器件通常也被粘附到載體上，這增加了額外的重量。

計(jì)量注意事項(xiàng)

直徑

用于計(jì)量的所有設(shè)備還必須能夠檢查大直徑光學(xué)器件的整個(gè)表面。與針對(duì)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(yùn)動(dòng)范圍。

弧矢高度

非球面輪廓通常在制造過(guò)程中使用用于迭代反饋的觸覺(jué)輪廓儀來(lái)測(cè)量。隨著非球面直徑的增加，弧矢高度或曲面的厚度可能會(huì)增加，盡管這會(huì)根據(jù)具體的非球面設(shè)計(jì)而變化。觸覺(jué)表面光度儀使用的觸針高度也可能限制可以測(cè)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(diǎn)的延伸，以測(cè)量鏡片遠(yuǎn)側(cè)的表面輪廓。

圖3：用于非球面計(jì)量的觸覺(jué)輪廓儀的觸針可能會(huì)限制大型非球面測(cè)量的矢狀高度。

類似的限制可能影響凹面的度量。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，以略微增加工具的運(yùn)動(dòng)范圍，但這些調(diào)整通常也會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量、成本或交付周期的權(quán)衡。

測(cè)量精度

此外，使用較大的觸針來(lái)緩解上述問(wèn)題可能會(huì)對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生負(fù)面影響。增加的觸針重量以及由此產(chǎn)生的彎曲和不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致較差的計(jì)量性能。

非球面的注意事項(xiàng)

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(duì)非球面的總成本和可制造性具有小的影響，但是對(duì)于大的非球面，這種影響會(huì)改變。顯然，該背面的研磨、拋光和計(jì)量也需要具有所需的運(yùn)動(dòng)范圍以覆蓋零件。計(jì)量可能特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榇罂讖礁缮鎯x通常用于測(cè)量類似的平面表面。由于Edmund Optics®還制造平面光學(xué)器件，包括窗口、棱鏡和分束器，因此用于測(cè)量這些類型光學(xué)器件的設(shè)備用于非球面的平面背面。許多非球面制造商可能沒(méi)有用于測(cè)量大于6英寸的平面的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。

對(duì)于凸球形背面，度量選項(xiàng)甚至更受限制。需要大的透射球和大孔徑干涉儀，并且對(duì)于許多光學(xué)制造商來(lái)說(shuō)可能成本過(guò)高或不可用。對(duì)于凹的和凸的球形后表面，透鏡直徑的增加對(duì)應(yīng)于曲率半徑（ROC）的增加。在干涉儀測(cè)量期間，可以測(cè)量的ROC的范圍受到干涉儀軌道長(zhǎng)度的限制。光學(xué)器件通常在貓眼位置（干涉儀光束在單個(gè)點(diǎn)處與表面接觸的點(diǎn)）和共焦位置（干涉儀光束的點(diǎn)焦點(diǎn)與ROC并置的點(diǎn)）之間的軌道上平移。

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

可以使用用于測(cè)量非球面的相同設(shè)備來(lái)測(cè)量透鏡的后表面，但是該過(guò)程更加昂貴和低效。平面或球面將從更復(fù)雜的度量中花費(fèi)時(shí)間，否則這些時(shí)間將花費(fèi)在非球面上。非球面計(jì)量通常更耗時(shí)，并且需要更熟練的光學(xué)制造工程師。這使得對(duì)透鏡的兩側(cè)使用相同的度量是不切實(shí)際的。

直徑

在制造過(guò)程結(jié)束時(shí)，非球面被向下磨邊至其最終直徑。光學(xué)制造商必須確保他們的磨邊機(jī)能夠處理這種大直徑的光學(xué)器件，否則，由于使用非球面磨床來(lái)磨邊透鏡，成本和交貨時(shí)間將會(huì)增加。

檢驗(yàn)表面質(zhì)量

可以認(rèn)為，如果制造過(guò)程的其他參數(shù)保持不變，則被檢查的光學(xué)表面的尺寸與當(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)器件上保持一定的表面質(zhì)量規(guī)格變得更加困難。無(wú)論使用ISO標(biāo)準(zhǔn)還是MIL標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表征表面質(zhì)量，這一點(diǎn)都適用。大型光學(xué)器件也更難處理，并且由于處理不當(dāng)而增加了表面缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)尺寸的非球面透鏡，壓制通常比用于大批量生產(chǎn)的切割盤的成本效益高3倍或4倍，盡管這根據(jù)所使用的確切基底材料而有所不同。然而，對(duì)于大的非球面，壓制和切割圓盤的成本是相當(dāng)?shù)?。壓制的單位體積價(jià)格略高于圓盤，但壓制不需要鉆芯或鋸切。對(duì)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(guò)程在成本中所占的百分比較低。壓制通常也具有較長(zhǎng)的交付周期，并且僅限于中心厚度小于40mm的光學(xué)器件。

涂層注意事項(xiàng)

在涂覆過(guò)程中，大的非球面增加的矢狀高度也可能是問(wèn)題。整個(gè)部件的高度變化會(huì)對(duì)涂層的均勻性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在整個(gè)透鏡上保持一定的涂層均勻性規(guī)格將比在較小透鏡上保持相同規(guī)格的成本更高。還必須為大非球面的增大直徑提供工具。