Design von Asphären mit großem Durchmesser

Die optische Industrie erlebt Trends sowohl zur Erhöhung der Laserleistung als auch zur Weiterentwicklung der Beschichtungstechnologie, um dieser Nachfrage gerecht zu werden. Eine Optik muss jedoch nicht immer modernste Beschichtungstechnologie verwenden, um Hochleistungslaser in ein System zu implementieren. Eine zweite Lösung besteht darin, die Größe des Strahls und damit die Größe der Optik zu erhöhen, was die Gesamtleistung oder Energiedichte pro Flächeneinheit auf der Optik verringert. Dies erfordert große Strahlaufweitungsoptiken sowie Fokussierungsoptiken weiter entlang des Strahlengangs.

Ein zweiter Katalysator für die Vergrößerung der optischen Größe wäre jedes Lichtsammelsystem, das kollimiertes Licht sammelt. Je größer der Durchmesser einer Optik, desto mehr Fläche muss gesammelt werden. In diesen beiden Fällen und unzähligen anderen gibt es Leistungssteigerungen, die durch die Konstruktion von asphärischen Linsen im Gegensatz zu sphärischen Linsen realisiert werden können. Früher haben Konstrukteure möglicherweise gezögert, Asphären mit Durchmessern von mehr als 100 mm zu konstruieren, da sie Bedenken hinsichtlich der Herstellbarkeit und der verfügbaren Messtechnik hatten, um eine so große Asphäre zu verifizieren. Mit Fortschritten sowohl in der Fertigung als auch in der Messtechnik sind jetzt jedoch Asphären mit einer Größe von bis zu 200 mm im Handel erhältlich.

Groß gegen sehr groß

Bei der Erörterung großer Asphären ist es wichtig, zwischen großen Asphären und sehr großen Asphären zu unterscheiden, die nicht von einer einzelnen Person in der Hand getragen werden können und eine mechanische Unterstützung erfordern, um sie zu bewegen. Diese stellen noch größere Herausforderungen dar und erfordern eine sehr detaillierte Planung des Herstellungsprozesses im Voraus.

Obwohl es durchaus Spaß macht, eine 1,02-Meter-Optik auf einer Poliermaschine mit einem Vorschlaghammer auszurichten, liegt der Fokus dieses Artikels auf den Fertigungsgrenzen seriengefertigter Großasphären. Für diese Linsen gelten zusätzlich zu den allgemeinen Überlegungen zur Herstellbarkeit für Asphären normaler Größe Designüberlegungen und -beschränkungen.

Überlegungen zur Herstellung

Durchmesser

Eine offensichtliche Produktionsgrenze, die mir in den Sinn kommt, ist die Größe der Asphären-Schleif- und Poliermaschinen. Viele Maschinenhersteller kennzeichnen ihre Modelle praktischerweise (z. B. CNC100, CNC200 oder CNC300), was in der Regel mit dem Bewegungsbereich der Maschine zusammenhängt. Leider bedeutet dies nicht, dass eine „CNC200“-Maschine verwendet werden kann, um eine große Asphäre mit einem Durchmesser von 200 mm zu bearbeiten.

Zunächst wird während des Herstellungsprozesses ein Rohling mit größerem Durchmesser verwendet, der dann in einem der letzten Bearbeitungsschritte auf den endgültigen Durchmesser besäumt wird. Aber noch wichtiger ist, dass die Größenbeschränkung einer Maschine durch eine Kombination aus der Kinematik der Maschine und der Form der Optik gegeben ist. Nehmen wir zum Beispiel an, dass die Optik mit der Vorderseite nach oben auf einer Spindel in der Mitte der Maschine platziert wird und ein sich drehendes Scheibenwerkzeug radial bewegt wird, beginnend an einer Kante und endend an der anderen, und die vertikale Position des Werkzeugs ist von der Maschine entsprechend der Form der Optik eingestellt. Daraus folgt, dass das Werkzeug für eine konkave Optik viel weniger horizontal bewegt werden muss, um ein gleich großes Teil zu bearbeiten, als für eine konvexe Optik.

Der Ingenieur für die optische Fertigung kann möglicherweise einige Millimeter zusätzlichen Bereich herauspressen, indem er die Prozessparameter optimiert, aber diese werden sich höchstwahrscheinlich negativ auf die Kosten und/oder die Qualität und/oder die Vorlaufzeit auswirken. Im obigen Beispiel könnte man den Durchmesser der Scheibe verringern, aber dies wird die Schnittgeschwindigkeit begrenzen und die Prozesszeit erhöhen und den Werkzeugverschleiß erhöhen. Daher weisen diese Labels nicht auf eine feste Grenze hin, sondern auf einen Übergang von wirtschaftlich zu teuer zu nicht machbar.

Gewicht

Zusätzlich zu den Abmessungen einer Optik hat eine Asphären-Schleif- und Poliermaschine auch eine Grenze für das maximale Gewicht, das sie bearbeiten kann. Abhängig von der Kinematik der Maschine kann die Optik gedreht und/oder verschoben werden, und die Motoren, die diese Bewegungen bewirken, müssen über genügend Drehmoment verfügen, um die erforderliche Beschleunigung zu erzeugen. In einigen Fällen bedeutet dies, dass die Maschine speziell für schwere Werkstücke konfiguriert werden muss, was zu längeren Zykluszeiten und damit höheren Kosten führen kann.

Im Allgemeinen wählen Maschinenhersteller Motoren aus, die stark genug sind, um die für Werkstücke in dieser Größenklasse typischen Gewichte zu bearbeiten, sodass dies weniger ein Problem darstellen sollte. Beachten Sie jedoch, dass die Optik während der Herstellung normalerweise auf einen Träger geklebt wird, um den Transport und die Ausrichtung zwischen Maschinen und Messgeräten zu erleichtern, was auch das Gewicht erhöht.

Metrologische Überlegungen

Durchmesser

Apropos Messungen, die Grenzen der Messtechnik sollten nicht übersehen werden. Und natürlich muss die Metrologieplattform genügend Verfahrweg haben, um den vollen Durchmesser der Optik zu erreichen.

Sagittale Höhe

Während der Herstellung wird eine Asphäre typischerweise mit einem taktilen Profilometer gemessen. Mit zunehmender Größe der Optik ist es wahrscheinlich, dass auch die Sagittalhöhe zunimmt (dies hängt jedoch stark von der tatsächlichen Konstruktion der Asphäre ab). Ein weiterer limitierender Faktor eines taktilen Profilometers neben dem Verfahrbereich ist die Höhe des verwendeten Taststiftes. Dies begrenzt, wie weit es über den Scheitelpunkt einer konvexen Asphäre reichen kann, um das Profil der Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite zu messen (Abbildung 2).

Eine konkave Optik hat eine analoge Einschränkung, um in die Optik zu greifen, um den Scheitelpunkt zu messen. Es gibt einige Tricks, die der Ingenieur für die optische Fertigung anwenden kann, um die Messplattform, die ihm zur Verfügung steht, noch weiter zu nutzen, aber diese wirken sich wiederum auf die Kosten und/oder die Qualität und/oder die Vorlaufzeit aus.

Genauigkeit

Darüber hinaus kann die Verwendung eines größeren Tasters die Genauigkeit der Messtechnik aufgrund des erhöhten Gewichts, der Biegung und der Instabilität negativ beeinflussen und sich somit auch negativ auf die Kosten und/oder die Qualität und/oder die Lieferzeit auswirken.

Nicht asphärische Oberflächen

Rückseite

Typischerweise hat die nicht asphärische Rückseite einer asphärischen Linse einen begrenzten Einfluss auf die Herstellbarkeitsanalyse und die Kosten. Für große Asphären gilt dies nicht mehr. Offensichtlich muss die verwendete Ausrüstung in der Lage sein, die Größe der Optik aufzunehmen. Problematischer ist die Metrologielösung, typischerweise ein Interferometer mit großer Apertur. Wenn ein Optikgeschäft auch Komponenten wie Prismen, Strahlteiler und Fenster herstellt, kann es höchstwahrscheinlich die vorhandene Ausrüstung nutzen. Trotzdem haben nicht viele Asphärenhersteller eine Standardlösung zum Messen planarer Oberflächen über 10 Zoll (254 mm).

Für konvexe sphärische Rückseiten sind die messtechnischen Lösungen sogar noch eingeschränkter, da die Investition in das Interferometer mit großer Apertur und die dazugehörigen Transmissionskugeln mit großer Apertur oft unerschwinglich oder nicht verfügbar ist. Sowohl bei konvexen als auch bei konkaven sphärischen Rückseiten geht ein größerer Durchmesser mit einem größeren Krümmungsradius (RoC) einher. Typischerweise wird das RoC gesteuert, indem ein Tisch mit der Optik entlang einer Schiene zwischen der Katzenaugenposition (wo der Strahl des Interferometers einen einzelnen Punkt auf der sphärischen Oberfläche berührt) und der konfokalen Position (wo sich der Punktfokus des Interferometerstrahls befindet) bewegt wird der Krümmungsradius). Daher ist der messbare RoC-Bereich durch die Länge der Schiene begrenzt.

Außerdem ist die Verwendung von Testplatten für die In-Prozeß-Kontrolle für Optiken mit großem Durchmesser riskant und umständlich. Ganz zu schweigen von den gleichen Schwierigkeiten wie oben erwähnt gelten für die Herstellung der Testplatten selbst.

Um die Rückseite einer asphärischen Linse zu messen, könnte man natürlich die verfügbare Asphärenmesstechnik verwenden. Dies macht den Herstellungsprozess jedoch kostspielig und ineffizient, da die sphärische Oberfläche mit der asphärischen Seite um die Messzeit auf einer teuren Plattform konkurrieren würde und die Asphärenmesstechnik tendenziell zeitaufwändiger ist und/oder zusätzliche Fähigkeiten erfordert, die normalerweise nicht in der sphärischen Optik zu finden sind Handwerker. Daher ist es in der Regel nicht praktikabel, während der Herstellung einen kurzen Blick auf die sphärische Oberfläche zu werfen, um den Prozess zu überwachen und die Prozessparameter bei Bedarf anzupassen.

Durchmesser

Wie bereits erwähnt, wird als einer der letzten Bearbeitungsschritte der Durchmesser des Teils auf den endgültigen Durchmesser abgekantet. Wenn das Optikgeschäft nicht über eine oder mehrere spezielle Kantenschleifmaschinen verfügt oder diese nicht groß genug sind, um den großen Durchmesser zu bewältigen, müssen die Teile auf der Asphärenschleifmaschine geschliffen werden. Dies ist sowohl ineffizient als auch teuer.

Oberflächenqualität und Inspektion

Die Anzahl der erzeugten Oberflächenfehler korreliert wohl mit der bearbeiteten Fläche. Daher ist es schwieriger, eine enge Toleranzspezifikation für die Oberflächenqualität bei einer Optik mit größerem Durchmesser einzuhalten, unabhängig davon, ob sie unter Verwendung des ISO- oder MIL-Standards spezifiziert ist. Außerdem ist eine Optik mit größerem Durchmesser schwieriger zu handhaben und als solche einem höheren Risiko von Oberflächendefekten aufgrund von falscher Handhabung ausgesetzt. Darüber hinaus ist die Oberflächeninspektion bei Optiken mit großem Durchmesser besonders umständlich, da sie viel Handhabung erfordern.

Leer

Der Rohling kann entweder als geschnittene Scheibe (eine Scheibe, die von einer Stange mit angemessenem Durchmesser geschnitten wird) oder als Pressling (geglüht in kundenspezifischen Formen) geliefert werden. Bei Asphären normaler Größe kann es je nach Material um den Faktor 3 oder 4 wirtschaftlicher sein, Pressteile für die Großserienfertigung zu verwenden. Bei einem großen Asphärenrohling werden die Materialkosten mit zunehmendem Volumen zum treibenden Faktor gegenüber den Arbeitskosten. Als solches wird die Verwendung von Presslingen für große Asphären-Rohlinge weniger vorteilhaft, insbesondere wenn man bedenkt, dass Pressungen eine längere Vorlaufzeit haben und auf eine Mittendicke von ungefähr 40 mm begrenzt sind.

Beschichtung

Wie zuvor erwähnt, ist es mit zunehmender Größe der Optik wahrscheinlich auch, dass die sagittale Höhe zunimmt. Dies wirkt sich negativ auf die Gleichmäßigkeit der Beschichtung aus. Denken Sie also daran, dass die Spezifikation der gleichen Beschichtungsgleichmäßigkeit, wie sie für Asphären mit normaler Größe typisch ist, auf einer großen Asphäre höchstwahrscheinlich einen Aufpreis nach sich zieht.

Unter Berücksichtigung dieser Herstellungs- und Metrologieüberlegungen können optische Konstruktionen Asphären mit großem Durchmesser in ihre optischen Systeme integrieren. Die resultierenden Systeme ebnen den Weg für Hochleistungslaseranwendungen und Lichtsammelsysteme mit hohem Durchsatz. Manchmal ist größer wirklich besser.

Dieser Artikel wurde verfasst von Wilhelmus Messelink, Technischer Direktor, Edmund Optics Singapur; und Shawn Scarfo, Produktlinienmanager, Objektive, Edmund Optics (Barrington, NJ). Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Herrn Messelink unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann., Mr. Scarfo at Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .