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)的性能均可以通過使用非球面透鏡而不是球面透鏡來提高。

在過去的幾年里，光學(xué)設(shè)計(jì)師可能對(duì)使用直徑超過100毫米的非球面透鏡持保留意見，因?yàn)橹谱骱蜏y(cè)量這么大的非球面有一ding的難度。不過，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越受歡迎，盡管它們帶來了一些標(biāo)準(zhǔn)尺寸非球面所沒有的制造和計(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)人來說太大而無法徒手搬運(yùn)。移動(dòng)它們需要借助機(jī)械支撐，這就帶來了更多的困難，需要對(duì)它們的制造和計(jì)量過程進(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。在非球面制造的開始階段，使用超da的毛坯，然后在制造過程的*hou階段將其削成所需的末端直徑。考慮在拋光機(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)于凸透鏡來說，刀具的水平移動(dòng)距離必xu超過透鏡的直徑。因此，機(jī)器的運(yùn)動(dòng)范圍需要超過透鏡的直徑。

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(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，制造從簡單經(jīng)濟(jì)過渡到昂貴，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)生足夠的扭矩來完成其任務(wù)。機(jī)器可能需要專門為重型光學(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，以便在制造過程中進(jìn)行簡單的轉(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)范圍來覆蓋透鏡的全部通光孔徑。

矢高

非球面輪廓通常在制造過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)針來緩解上述問題可能對(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)于大尺寸非球面來說，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有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案來測(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)制造商來說可能成本過高或無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)量過程中，可測(cè)量的RoC范圍受到干涉儀軌道長度的限制。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)備來測(cè)量，但這一過程成本更高、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的圓盤，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說，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)于大尺寸非球面來說，壓片和切割盤的成本是相當(dāng)?shù)摹浩拿烤韮r(jià)格比盤片高一些，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，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

在鍍膜過程中，大尺寸非球面的矢高增加也會(huì)帶來問題。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)槿绱耍谡麄€(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

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