大尺寸非球面透镜制造的七大考量

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大尺寸非球面透镜

赋能高功率光学系统

在光学应用中，对更高功率激光器的追求正在推动光学镀膜技术的极限。然而，处理更高功率光束的另一种解决方案是增加光束直径，为此需要更大的光学元件（图1）。这会降低整个光学元件的功率或能量密度，以及激光诱导损伤的可能性。

在光路的更远处，需要大的光束扩展光学元件和聚焦透镜。光收集系统是增加光学元件尺寸的另一个驱动力。具有较大表面积的光学元件可以收集更多的光。在这两种情况以及其他许多情况下，光学系统的性能均可以通过使用非球面透镜而不是球面透镜来提高。

在过去的几年里，光学设计师可能对使用直径超过100毫米的非球面透镜持保留意见，因为制作和测量这么大的非球面有一定的难度。不过，非球面制造和计量方面取得的最新进展使得直径达200毫米的非球面透镜得以商用，如Edmund Optics® 的TECHSPEC® 200毫米直径精密非球面透镜已于近期面世。

图 1: 大直径非球面透镜越来越受欢迎，尽管它们带来了一些标准尺寸非球面所没有的制造和计量挑战。

1、“大” 的定义是什么？

为了正确讨论大尺寸非球面透镜，有必要对 “大尺寸”和“超大尺寸”非球面透镜进行区分。"超大尺寸"透镜一般指对个人来说太大而无法徒手搬运。移动它们需要借助机械支撑，这就带来了更多的困难，需要对它们的制造和计量过程进行彻底的前期规划。除了典型的非球面透镜外，这些超大尺寸透镜还有其他的考虑因素和限制，本文重点讨论 "大尺寸 "可批量生产的非球面透镜的制造，这些非球面透镜仍然可以由单人携带。

2、加工方面的考量

要确定以下因素会如何影响定制非球面透镜的尺寸或成本，请联系我们.

直径

在制造大尺寸非球面透镜时，可以安装在研磨和抛光机中的光学元件的直径是一个明显的限制。值得庆幸的是，许多计算机数控（CNC）研磨和抛光机型号的名称描述了该机器的运动范围。例如，"CNC200 "通常意味着机器有200毫米的运动范围，而 "CNC100 "则有100毫米的运动范围。然而，这并不意味着 "CNC200 "可以制造直径为200毫米的非球面镜。

一台机器所能制造的最大光学元件尺寸受限于机器的运动学和光学元件的形状。在非球面制造的开始阶段，使用超大的毛坯，然后在制造过程的最后阶段将其削成所需的末端直径。考虑在抛光机中心的主轴上有一个镜片毛坯。一个旋转的刀具在零件上从一个边缘向另一个边缘径向移动，调整工具的垂直高度以形成非球面的形状。如图2所示，对于凸透镜来说，刀具的水平移动距离必须超过透镜的直径。因此，机器的运动范围需要超过透镜的直径。

图 2: 在研磨和抛光过程中，凸面（b）比凹面（a）需要更大的水平运动范围。

可以调整一些参数以略微增加运动范围，尽管这些调整通常会导致需要对质量或成本进行权衡。例如，在上述情况下，可以减少旋转圆盘刀具的直径以减少所需的运动范围，但这将降低抛光速度，同时增加抛光时间和工具磨损。由于这些权衡，研磨和抛光机不一定会对什么尺寸的零件可行有硬性的截断规定。相反，他们将有一个区域，在这个区域里，制造从简单经济过渡到昂贵，然后再到不可行。

重量

制造机器也有一个他们可以处理的最大重量的限制，这显然随着部件直径的扩大而增加。虽然限制因机器而异，但控制透镜旋转或平移的电机必须能够产生足够的扭矩来完成其任务。机器可能需要专门为重型光学元件进行配置，往往会导致周期时间的增加，因此成本也会增加。光学元件通常也被粘在一个载体上，以便在制造过程中进行简单的转移和校准，这也增加了额外的重量。

3、计量方面的考量

直径

所有用于计量的设备也必须能够检查大直径光学元件的整个表面。与所讨论的制造方面的考虑相似，计量工具需要有足够的运动范围来覆盖透镜的全部通光孔径。

矢高

非球面轮廓通常在制造过程中使用接触式轮廓仪进行测量，以获得迭代反馈。随着非球面直径的增加，矢高或弧形表面的厚度可能会增加，尽管这取决于具体的非球面设计。接触式轮廓仪使用的测针的高度也可能会限制可测量的矢高，图 3 展示了这是如何影响轮廓仪在凸面顶点以外的延伸以测量镜片远端的表面轮廓。

图 3: 用于非球面测量的接触式轮廓仪的测针可能会限制大尺寸非球面可测量的矢高。

类似的限制可能会影响凹面的计量。光学制造工程师可以再次对工艺参数进行一些调整，以略微增加刀具的运动范围，但这些调整也常常导致在质量、成本或交货时间方面的权衡。

测量精度

此外，使用较大的测针来缓解上述问题可能对测量的准确性产生负面影响。测针重量增加以及由此产生的弯曲和不稳定会导致计量性能下降。

4、对非-非球面表面的考量

后表面

非球面透镜的后表面通常是平面或球面。虽然后表面通常对非球面的整体成本和可制造性影响不大，但对于大尺寸非球面来说，这一点会有所不同。显然，该后表面的研磨、抛光和计量也需要有覆盖元件所需的运动范围。由于大口径干涉仪通常用于测量类似的平面，因此计量工作可能特别具有挑战性。由于 Edmund Optics® 也生产平面光学元件，包括窗口、棱镜和分光镜，所以用于测量这些类型光学元件的设备可同时用于测量非球面的平面后表面。许多非球面制造商可能没有一个标准的解决方案来测量大于6英寸的平面。

对于凸形球面的背面，计量选择甚至更加有限。对于许多光学制造商来说可能成本过高或无法获得所需的大尺寸透射球和大口径干涉仪，。对于凹面和凸面的球面后表面，镜片直径的增加对应于曲率半径（RoC）的增加。在干涉仪测量过程中，可测量的RoC范围受到干涉仪轨道长度的限制。光学元件通常在导轨上的猫眼位置（干涉仪光束在表面上单点接触的位置）和共焦位置（干涉仪光束的点焦与RoC相接的位置）之间的轨道上平移。

此外，用于过程计量的测试板变得很笨重，难以用于大尺寸非球面透镜。上述制造和计量方面的考虑也适用于测试板的制作。

透镜的后表面可以使用与测量非球面相同的设备来测量，但这一过程成本更高、效率更低。平面或球面表面将从非球面上花费的更复杂的计量中节省出时间。非球面测量通常更耗时，需要更多熟练的光学制造工程师。这使得对镜片两侧使用相同的计量方法是不现实的。

直径

在制造过程的最后阶段，非球面被削成其最终直径。光学制造商必须确保他们的磨边机能够处理如此大直径的光学元件，否则，使用非球面研磨机对镜片进行磨边会增加成本和交货时间。

5、检查和表面质量

如果制造工艺的其他参数保持不变，则可以认为被检查的光学表面的大小与当前表面缺陷的数量相关。这使得在较大直径的光学元件上保持一定的表面质量规格变得更加困难。不管是使用ISO还是MIL标准来表征表面质量，这一点都适用。大尺寸光学元件也更难处理，而且由于处理不当，出现表面缺陷的风险也会增加。

6、大尺寸透镜胚料

用于非球面制造的透镜胚料要么是从所需毛坯直径的杆上切割下来的圆盘，要么是在定制的模具中压制退火。对于标准尺寸的非球面透镜来说，在大批量生产中，压片的成本效益通常是切片的3倍或4倍，尽管这取决于所使用的确切基片材料。然而，对于大尺寸非球面来说，压片和切割盘的成本是相当的。压片的每卷价格比盘片高一些，但压片不需要钻芯或锯齿。对于较小的元件，钻芯或锯切占了毛坯成本的很大一部分。然而，如果元件很大，那么这些工艺所占的成本比例就会降低。压制的交付周期通常较长，并且仅限于中心厚度小于40毫米的光学元件。

7、镀膜的考量

在镀膜过程中，大尺寸非球面的矢高增加也会带来问题。整个部件的高度变化会对镀膜的均匀性产生负面影响。正因为如此，在整个透镜上保持一定的镀膜均匀性规格将比在较小透镜上保持相同规格的成本要高。对于直径增大的大尺寸非球面透镜，还必须提供 Tooling。

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