大型非球麵：實現高功率光學係統

大型非球麵：實現高功率光學係統

在光學應用中，更高功率激光器的發展正在推動光學鍍膜技術的極限。然而，處理更高功率光束的另一種解決(jue) 方案是增加光束直徑，這需要更大的光學元件（圖1）。這降低了光學元件上的功率或能量密度，降低了激光誘導損傷(shang) 的可能性。需要沿著光束路徑進一步延伸的大光束擴展光學器件和聚焦透鏡。光收集係統是增加光學器件尺寸的另一個(ge) 驅動因素。更多的光可以被具有更大表麵積的光學器件收集。在這兩(liang) 種情況以及許多其他情況下，還可以通過使用非球麵透鏡而不是球麵透鏡來提高光學係統的性能。在過去的幾年裏，光學設計師可能對使用直徑超過100毫米的非球麵透鏡持保留態度，因為(wei) 很難製造和測量如此大的非球麵。然而，在非球麵的製造和計量方麵的最新進展使得直徑為(wei) 200mm的非球麵可以在市場上買(mai) 到，如TechSpec®200mm直徑的精密非球麵透鏡。

圖1：大直徑非球麵透鏡越來越受歡迎，盡管它們(men) 帶來了一些標準尺寸非球麵所沒有的製造和計量挑戰。

“大"到底是什麽(me) 意思？

為(wei) 了正確討論大型非球麵，有必要區分“大型"和“非常大型"非球麵。“非常大"的鏡頭對於(yu) 一個(ge) 人來說太大了，無法用手攜帶。需要機械支撐來移動它們(men) ，這帶來了更多的困難，並且需要對它們(men) 的製造和計量過程進行徹di的前期規劃。除了典型的非球麵透鏡之外，還有與(yu) 這些透鏡相關(guan) 的其他考慮和限製，本文重點關(guan) 注仍可由單人攜帶的“大型"批量生產(chan) 的非球麵的製造。

製造注意事項

要確定以下考慮因素如何影響定製非球麵鏡片的尺寸或成本，請聯係我們(men) 。

直徑

當製造大的非球麵時，可以安裝在研磨和拋光機中的光學器件的直徑是一個(ge) 明顯的限製。值得慶幸的是，許多計算機數控（CNC）研磨和拋光機型號的名稱描述了機器的運動範圍。例如，“ CNC200 "通常表示機器具有200mm的運動範圍，而“ CNC100 "則具有100mm的運動範圍。然而，這並不意味著“ CNC200 "可以製造直徑為(wei) 200mm的非球麵。

機器可以製造的最大光學器件尺寸受到機器的運動學和光學器件的形狀的限製。在非球麵製造開始時，使用尺寸過大的坯料，然後在製造過程結束時將其邊緣縮小到所需的最終直徑。考慮主軸上拋光機中心的透鏡毛坯。旋轉盤工具在部件上從(cong) 一個(ge) 邊緣到另一個(ge) 邊緣徑向移動，並且調整工具的垂直高度以形成非球麵的形狀。如圖2所示，對於(yu) 凸透鏡，工具必須水平移動超過透鏡的直徑。因此，機器的運動範圍需要超過透鏡直徑。

圖2：在研磨和拋光過程中，凸麵（B）比凹麵（A）需要更大的水平運動範圍。

可以調整一些參數以略微增加運動範圍，盡管這些調整通常會(hui) 導致質量或成本的權衡。例如，在上述情況下，可以減小旋轉盤工具的直徑以減小所需的運動範圍，但是這將降低拋光速度，同時增加拋光時間和工具磨損。由於(yu) 這些權衡，研磨和拋光機不一定會(hui) 對可行的零件尺寸進行硬切割。相反，它們(men) 將具有一個(ge) 區域，在該區域，製造從(cong) 簡單和經濟轉變為(wei) 昂貴，然後轉變為(wei) 不可行。

重量

製造機器對其可以處理的最大重量也有限製，這顯然隨著部件直徑的擴大而增加。雖然限製因機器而異，但控製鏡頭旋轉或平移的電機必須能夠產(chan) 生足夠的扭矩來完成其任務。機器可能需要專(zhuan) 門針對重型光學器件進行配置，這通常會(hui) 導致周期時間增加，從(cong) 而導致成本增加。在製造過程中，為(wei) 了簡單的轉移和對準，光學器件通常也被粘附到載體(ti) 上，這增加了額外的重量。

計量注意事項

直徑

用於(yu) 計量的所有設備還必須能夠檢查大直徑光學器件的整個(ge) 表麵。與(yu) 針對製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動範圍。

弧矢高度

非球麵輪廓通常在製造過程中使用用於(yu) 迭代反饋的觸覺輪廓儀(yi) 來測量。隨著非球麵直徑的增加，弧矢高度或曲麵的厚度可能會(hui) 增加，盡管這會(hui) 根據具體(ti) 的非球麵設計而變化。觸覺表麵光度儀(yi) 使用的觸針高度也可能限製可以測量的矢狀高度，圖3展示了這如何影響表麵光度儀(yi) 超出凸麵頂點的延伸，以測量鏡片遠側(ce) 的表麵輪廓。

圖3：用於(yu) 非球麵計量的觸覺輪廓儀(yi) 的觸針可能會(hui) 限製大型非球麵測量的矢狀高度。

類似的限製可能影響凹麵的度量。光學製造工程師可以再次對工藝參數進行一些調整，以略微增加工具的運動範圍，但這些調整通常也會(hui) 導致質量、成本或交付周期的權衡。

測量精度

此外，使用較大的觸針來緩解上述問題可能會(hui) 對測量的準確性產(chan) 生負麵影響。增加的觸針重量以及由此產(chan) 生的彎曲和不穩定性會(hui) 導致較差的計量性能。

非球麵的注意事項

背麵

非球麵透鏡的背麵通常為(wei) 平麵或球麵。雖然背麵通常對非球麵的總成本和可製造性具有小的影響，但是對於(yu) 大的非球麵，這種影響會(hui) 改變。顯然，該背麵的研磨、拋光和計量也需要具有所需的運動範圍以覆蓋零件。計量可能特別具有挑戰性，因為(wei) 大孔徑幹涉儀(yi) 通常用於(yu) 測量類似的平麵表麵。由於(yu) Edmund Optics®還製造平麵光學器件，包括窗口、棱鏡和分束器，因此用於(yu) 測量這些類型光學器件的設備用於(yu) 非球麵的平麵背麵。許多非球麵製造商可能沒有用於(yu) 測量大於(yu) 6英寸的平麵的標準解決(jue) 方案。

對於(yu) 凸球形背麵，度量選項甚至更受限製。需要大的透射球和大孔徑幹涉儀(yi) ，並且對於(yu) 許多光學製造商來說可能成本過高或不可用。對於(yu) 凹的和凸的球形後表麵，透鏡直徑的增加對應於(yu) 曲率半徑（ROC）的增加。在幹涉儀(yi) 測量期間，可以測量的ROC的範圍受到幹涉儀(yi) 軌道長度的限製。光學器件通常在貓眼位置（幹涉儀(yi) 光束在單個(ge) 點處與(yu) 表麵接觸的點）和共焦位置（幹涉儀(yi) 光束的點焦點與(yu) ROC並置的點）之間的軌道上平移。

此外，用於(yu) 過程中計量的測試板變得笨重，並且難以用於(yu) 大的非球麵。上述製造和計量考慮也適用於(yu) 測試板的製造。

可以使用用於(yu) 測量非球麵的相同設備來測量透鏡的後表麵，但是該過程更加昂貴和低效。平麵或球麵將從(cong) 更複雜的度量中花費時間，否則這些時間將花費在非球麵上。非球麵計量通常更耗時，並且需要更熟練的光學製造工程師。這使得對透鏡的兩(liang) 側(ce) 使用相同的度量是不切實際的。

直徑

在製造過程結束時，非球麵被向下磨邊至其最終直徑。光學製造商必須確保他們(men) 的磨邊機能夠處理這種大直徑的光學器件，否則，由於(yu) 使用非球麵磨床來磨邊透鏡，成本和交貨時間將會(hui) 增加。

檢驗表麵質量

可以認為(wei) ，如果製造過程的其他參數保持不變，則被檢查的光學表麵的尺寸與(yu) 當前表麵缺陷的數量相關(guan) 。這使得在較大直徑的光學器件上保持一定的表麵質量規格變得更加困難。無論使用ISO標準還是MIL標準來表征表麵質量，這一點都適用。大型光學器件也更難處理，並且由於(yu) 處理不當而增加了表麵缺陷的風險。

大型透鏡毛坯

用於(yu) 非球麵製造的透鏡毛坯要麽(me) 是從(cong) 所需毛坯直徑的棒上切割的圓盤，要麽(me) 是在定製模具中退火的壓製。對於(yu) 標準尺寸的非球麵透鏡，壓製通常比用於(yu) 大批量生產(chan) 的切割盤的成本效益高3倍或4倍，盡管這根據所使用的確切基底材料而有所不同。然而，對於(yu) 大的非球麵，壓製和切割圓盤的成本是相當的。壓製的單位體(ti) 積價(jia) 格略高於(yu) 圓盤，但壓製不需要鑽芯或鋸切。對於(yu) 較小的零件，鑽芯或鋸切占毛坯成本的很大一部分。然而，如果部件較大，則這些過程在成本中所占的百分比較低。壓製通常也具有較長的交付周期，並且僅(jin) 限於(yu) 中心厚度小於(yu) 40mm的光學器件。

塗層注意事項

在塗覆過程中，大的非球麵增加的矢狀高度也可能是問題。整個(ge) 部件的高度變化會(hui) 對塗層的均勻性產(chan) 生負麵影響。因此，在整個(ge) 透鏡上保持一定的塗層均勻性規格將比在較小透鏡上保持相同規格的成本更高。還必須為(wei) 大非球麵的增大直徑提供工具。