Design großdurchmessiger Asphären für Hochleistungslaser-Systeme

Die Optikindustrie erlebt Trends sowohl steigender Laserleistung als auch Fortschritten in der Beschichtungstechnologie, um dieser Nachfrage gerecht zu werden. Ein Optik muss jedoch nicht immer modernste Beschichtungstechnologie nutzen, um Hochleistungslaser in ein System zu implementieren. Eine zweite Lösung ist die Vergrößerung des Strahls und damit der Optik, was die Gesamtleistungs- oder Energiedichte pro Flächeneinheit auf der Optik senkt. Dies erfordert große Strahlerweiterungsoptiken sowie Fokussieroptiken weiter entlang des optischen Pfads.

Ein zweiter Katalysator für die Vergrößerung der Optikgröße wäre jedes Lichtsammelsystem, das kollimiertes Licht sammelt. Je größer der Durchmesser einer Optik, desto mehr Oberfläche zum Sammeln. In beiden Fällen und unzähligen anderen können Leistungssteigerungen durch das Design von asphärischen Linsen gegenüber sphärischen Linsen realisiert werden. Zuvor zögerten Designer möglicherweise, Asphären mit Durchmessern über 100 mm zu designen, aufgrund von Bedenken hinsichtlich Fertigbarkeit und verfügbarer Messtechnik zur Verifizierung einer so großen Asphäre. Mit Fortschritten in sowohl Fertigung als auch Messtechnik sind Asphären bis zu 200 mm nun kommerziell verfügbar.

Groß vs. Sehr Groß

Bei der Diskussion großer Asphären ist es wichtig, eine Unterscheidung zwischen großen Asphären und sehr großen Asphären zu treffen, die nicht von einer einzelnen Person handgetragen werden können und mechanische Unterstützung zum Bewegen benötigen. Diese stellen noch größere Herausforderungen dar und erfordern detaillierte Vorausplanung des Fertigungsprozesses.

Obwohl es definitiv Spaß macht, eine 1,02 Meter Optik auf einer Poliermaschine mit einem Vorschlaghammer auszurichten, liegt der Fokus dieses Artikels auf den Fertigungsgrenzen massenproduzierter großer Asphären. Diese Linsen haben Designüberlegungen und -beschränkungen zusätzlich zu den allgemeinen Fertigbarkeitsüberlegungen für normalgroße Asphären.

Fertigungsüberlegungen

Durchmesser

Eine offensichtliche Fertigungsgrenze ist die Größe der Asphären-Schleif- und Poliermaschinen. Viele Maschinenhersteller kennzeichnen ihre Modelle bequem (z. B. CNC100, CNC200 oder CNC300), was tendenziell mit dem Bewegungsbereich der Maschine zusammenhängt. Leider bedeutet dies nicht, dass eine „CNC200“-Maschine verwendet werden kann, um eine 200 mm große Asphäre zu bearbeiten.

Zum einen wird während des Fertigungsprozesses ein größerer Rohling verwendet, der dann in einem der letzten Verarbeitungsschritte auf den endgültigen Durchmesser gekantet wird. Aber wichtiger ist, dass die Größenbegrenzung einer Maschine durch eine Kombination der Kinematik der Maschine und der Form der Optik gegeben ist. Nehmen wir an, die Optik wird mit der Vorderseite nach oben auf einer Spindel in der Mitte der Maschine platziert, und ein rotierendes Scheibenwerkzeug wird radial bewegt, beginnend an einem Rand und endend am anderen, und die vertikale Position des Werkzeugs wird von der Maschine angepasst, wie es die Form der Optik erfordert. Daraus folgt, dass für eine konkave Optik das Werkzeug viel weniger horizontal reisen muss, um das gleiche große Teil zu bearbeiten, als für eine konvexe Optik.

Der optische Fertigungsingenieur könnte möglicherweise ein paar zusätzliche Millimeter Bereich herausquetschen, indem er die Prozessparameter anpasst, aber diese werden höchstwahrscheinlich Kosten und/oder Qualität und/oder Lieferzeit negativ beeinflussen. Im obigen Beispiel könnte man den Durchmesser des Rads reduzieren, aber dies wird die Schnittgeschwindigkeit begrenzen und die Prozesszeit und den Werkzeugverschleiß erhöhen. Als solche geben diese Bezeichnungen keine harte Grenze an, sondern 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 könnte die Optik gedreht und/oder translatiert werden, und die Motoren, die diese Bewegungen beeinflussen, benötigen genug Drehmoment, um die erforderliche Beschleunigung zu erzeugen. In einigen Fällen bedeutet dies, dass die Maschine spezifisch für schwere Werkstücke konfiguriert werden muss, was zu längeren Zykluszeiten und damit höheren Kosten führen könnte.

Im Allgemeinen wählen Maschinenhersteller Motoren, die stark genug sind, um die typischen Gewichte von Werkstücken in der Größenklasse zu bearbeiten, daher sollte dies weniger ein Problem sein. Bedenken Sie jedoch, dass die Optik während der Fertigung typischerweise an einen Träger gebondet wird für einfachen Transfer und Ausrichtung zwischen Maschinen und Messgeräten, was auch Gewicht hinzufügt.

Messtechnische Überlegungen

Durchmesser

Was Messungen betrifft, sollten die Beschränkungen der Messtechnik nicht übersehen werden. Und natürlich muss die Messtechnikplattform genügend Verfahrweg haben, um den vollen Durchmesser der Optik zu erreichen.

Sagittale Höhe

Während der Fertigung wird eine Asphäre typischerweise mit einem taktilen Profilometer gemessen. Mit zunehmender Größe der Optik ist es auch wahrscheinlich, dass die sagittale Höhe zunimmt (aber dies hängt sehr stark vom tatsächlichen Design der Asphäre ab). Ein weiterer begrenzender Faktor eines taktilen Profilometers, zusätzlich zum Verfahrweg, ist die Höhe des Taststifts. Dies begrenzt, wie weit er über den Scheitelpunkt einer konvexen Asphäre erreichen kann, um das Profil der Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite zu messen (Abbildung 2).

Eine konkave Optik hat eine analoge Beschränkung für das Erreichen in die Optik, um den Scheitelpunkt zu messen. Es gibt einige Tricks, die der optische Fertigungsingenieur anwenden kann, um etwas mehr Laufleistung aus der Messtechnikplattform herauszuholen, die er zur Verfügung hat, aber diese werden wieder Kosten und/oder Qualität und/oder Lieferzeit beeinflussen.

Genauigkeit

Zusätzlich kann die Verwendung eines größeren Taststifts die Genauigkeit der Messtechnik aufgrund des erhöhten Gewichts, der Biegung und Instabilität negativ beeinflussen und damit auch Kosten und/oder Qualität und/oder Lieferzeit negativ beeinflussen.

Nicht-asphärische Oberflächen

Rückseite

Typischerweise hat die nicht-asphärische Rückseite einer asphärischen Linse einen begrenzten Einfluss auf die Fertigbarkeitsanalyse und Kosten. Für große Asphären ist dies nicht mehr wahr. Offensichtlich muss die verwendete Ausrüstung die Größe der Optiken aufnehmen können. Problematischer ist die Messtechnik-Lösung, typischerweise ein Großapertur-Interferometer. Wenn ein Optikbetrieb auch Komponenten wie Prismen, Strahlteiler und Fenster fertigt, kann er höchstwahrscheinlich die vorhandene Ausrüstung nutzen. Dennoch haben nicht viele Asphärenhersteller eine Standardlösung zur Messung planarer Oberflächen über 10 Zoll (254 mm) hinaus.

Für konvexe sphärische Rückseiten sind die Messtechnik-Lösungen noch begrenzter, da die Investition in das Großapertur-Interferometer und die zugehörigen Großapertur-Transmissionskugeln oft kostenträchtig oder nicht verfügbar ist. Für sowohl konvexe als auch konkave sphärische Rückseiten geht ein größerer Durchmesser Hand in Hand mit einem größeren Krümmungsradius (RoC). Typischerweise wird der RoC durch Bewegen einer Bühne mit der darauf montierten Optik entlang einer Schiene zwischen der Cat's-Eye-Position (wo der Interferometerstrahl einen einzelnen Punkt auf der sphärischen Oberfläche kontaktiert) und der Konfokalposition (wo der Punkfokus des Interferometerstrahls am Krümmungsradius ist) kontrolliert. Somit ist der messbare RoC-Bereich durch die Länge der Schiene begrenzt.

Zusätzlich ist die Verwendung von Testplatten für die In-Prozess-Kontrolle riskant und umständlich für großdurchmesserige Optiken. Ganz zu schweigen von den gleichen Schwierigkeiten wie oben erwähnt, die auch für die Herstellung der Testplatten selbst gelten.

Natürlich könnte man zur Messung der Rückseite einer asphärischen Linse die verfügbare Asphären-Messtechnik nutzen. Dies macht den Fertigungsprozess jedoch kostspielig und ineffizient, da die sphärische Oberfläche mit der asphärischen Seite um Messzeit auf einer teuren Plattform konkurriert und Asphären-Messtechnik tendenziell zeitaufwändiger ist und/oder zusätzliche Fähigkeiten erfordert, die nicht typischerweise bei sphärischen Optikhandwerkern zu finden sind. Daher ist es typischerweise unpraktisch, während der Fertigung einen schnellen Blick auf die sphärische Oberfläche mit Asphären-Messtechnik zu werfen, um den Prozess zu überwachen und Prozessparameter bei Bedarf anzupassen.

Durchmesser

Wie bereits erwähnt, wird als einer der letzten Verarbeitungsschritte der Durchmesser des Teils auf den endgültigen Durchmesser gekantet. Wenn der Optikbetrieb nicht über ein oder mehrere dedizierte Kantmaschinen verfügt, oder wenn diese nicht groß genug für den großen Durchmesser sind, müssen die Teile auf der Asphären-Schleifmaschine gekantet werden. Dies ist sowohl ineffizient als auch teuer.

Oberflächenqualität und Inspektion

Man könnte argumentieren, dass die Anzahl der Oberflächenfehler mit der bearbeiteten Fläche korreliert. Daher ist es schwieriger, eine enge Oberflächenqualitätstoleranzspezifikation auf einer größeren Durchmesseroberfläche einzuhalten, ob spezifiziert nach ISO- oder MIL-Standard. Zusätzlich ist eine größere Durchmesseroberfläche schwieriger zu handhaben und somit einem höheren Risiko von Oberflächenfehlern durch unsachgemäße Handhabung ausgesetzt. Zusätzlich ist die Oberflächeninspektion besonders umständlich für großdurchmesserige Optiken, da sie viel Handhabung erfordern.

Rohling

Der Rohling kann entweder als Schnittscheibe (eine Scheibe, die aus einem Stab ausreichenden Durchmessers geschnitten wird) oder als Pressling (in maßgefertigten Formen geglüht) kommen. Für normalgroße Asphären kann es ein Faktor 3- bis 4-mal ökonomischer sein, Presslinge für die Hochvolumenproduktion zu verwenden, abhängig vom exakten Material. Für einen großdurchmesserigen Asphärenrohling wird der Materialkosten der treibende Faktor über den Arbeitskosten, da das Volumen zunimmt. Daher werden Presslinge für großdurchmesserige Asphärenrohlinge weniger vorteilhaft, besonders wenn man bedenkt, dass Presslinge eine längere Lieferzeit haben und auf eine mittlere Dicke von ca. 40 mm begrenzt sind.

Beschichtung

Wie zuvor erwähnt, ist es bei zunehmender Größe der Optik auch wahrscheinlich, dass die sagittale Höhe zunimmt. Dies wird die Beschichtungshomogenität negativ beeinflussen, also bedenken Sie, dass die Spezifikation der gleichen Beschichtungshomogenität wie typisch für normalgroße Asphären auf einer großen Asphäre höchstwahrscheinlich einen Aufschlag verursachen wird.

Die Berücksichtigung dieser Fertigungs- und Messtechniküberlegungen ermöglicht es optischen Designs, großdurchmesserige Asphären in ihre optischen Systeme zu integrieren. Die resultierenden Systeme ebnen den Weg für Hochleistungslaseranwendungen und Hochdurchsatz-Lichtsammelsysteme. Manchmal ist größer wirklich besser.

Dieser Artikel wurde von Wilhelmus Messelink, Director of Technology, Edmund Optics Singapore; und Shawn Scarfo, Product Line Manager, Lenses, Edmund Optics (Barrington, NJ) verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Messelink unter dieser E-Mail-Adresse (JavaScript erforderlich), Herrn Scarfo unter dieser E-Mail-Adresse (JavaScript erforderlich), oder besuchen Sie hier.