大口径非球面透镜设计助力高功率激光系统

光学行业呈现激光功率提升和镀膜技术进步以适应需求的双重趋势。然而，光学元件不总需前沿镀膜技术即可实现高功率激光系统集成。第二方案是增大光束尺寸，从而增大光学元件尺寸，降低光学元件单位面积功率/能量密度。这需要大口径扩束光学元件，以及光路后续的聚焦光学元件。

增大光学元件尺寸的第二催化剂是收集准直光的任何集光系统。光学元件直径越大，集光表面积越大。上述两种情况及无数其他情况，设计非球面透镜而非球面透镜均可实现性能提升。此前设计师可能犹豫设计直径>100mm非球面，担心制造和检测设备能否验证如此大非球面。但随制造和检测进步，直径达200mm非球面现已商业化供货。

大与超大

讨论大非球面时，须区分大非球面和超大非球面——后者单人无法手持搬运，需机械支撑移动。超大非球面挑战更多，需极详细前期规划制造流程。

虽用大锤在抛光机上对准1.02米光学元件很有趣，但本文聚焦批量生产大非球面制造极限。这些透镜除常规非球面制造考量外，还有特定设计考量和限制。

制造考量

直径

显而易见制造极限是非球面磨削抛光机尺寸。许多机床厂商便利地标注型号（如CNC100、CNC200、CNC300），往往关联机床运动范围。可惜“CNC200”不意味能加工200mm直径大非球面。

首先，制造过程用更大直径毛坯，最后工序修边至最终直径。更重要的是，机床尺寸限制由机床运动学和光学元件形状共同决定。假设光学元件面朝上置于机床中心主轴，旋转盘刀具从一侧边缘径向移动至另一侧，刀具垂直位置随光学元件形状由机床调整。由此可知，凹面光学元件加工同尺寸零件所需水平行程远小于凸面。

光学制造工程师或可通过调整工艺参数挤出额外几毫米行程，但极可能负面影响成本/质量/交期。上例中可减小砂轮直径，但会限制切削速度、增加工时、加剧刀具磨损。故这些标号不代表硬性极限，而是从经济到昂贵再到不可行的过渡。

重量

除尺寸外，非球面磨削抛光机也有最大加工重量限制。视机床运动学，光学元件可能旋转和/或平移，驱动这些运动的电机需有足够扭矩产生所需加速度。某些情况下机床须专门配置重工件，可能导致循环时间更长、成本更高。

通常机床厂商选电机足以加工该尺寸典型工件重量，故较少问题。但制造中光学元件通常粘结载具以便在机床和测量设备间轻松转移对准，这也增加重量。

检测考量

直径

谈测量，勿忽视检测设备限制。检测平台须有足够行程覆盖光学元件全直径。

矢高

制造中非球面典型用接触式轮廓仪测量。随光学元件尺寸增大，矢高也可能增加（但极依赖非球面实际设计）。接触式轮廓仪除行程范围外，另一限制是触针高度。这限制其能伸越凸面非球面顶点多远测量对侧表面轮廓（图2）。

凹面光学元件有类似限制：伸入内部测量顶点受限。光学制造工程师可用一些技巧从现有检测平台榨取更多余量，但同样影响成本/质量/交期。

精度

此外，被迫用更大触针可能因重量、挠度、不稳定性负面影响检测精度，进而负面影响成本/质量/交期。

非非球面表面

背面

通常非球面透镜非球面背面对制造分析和成本影响有限。对大非球面不再如此。显然设备须容纳光学元件尺寸。更棘手是检测方案，典型大口径干涉仪。若光学车间也生产棱镜、分束器、窗口片，多半能利用现有设备。即便如此，鲜有非球面制造商有测量>10英寸（254mm）平面标准方案。

凸球面背面检测方案更少，因投资大口径干涉仪及配套大口径透射球常因成本高或不可得而放弃。凸凹球面背面，大直径伴随大曲率半径（RoC）。典型RoC控制是沿导轨移动装光学元件台，在猫眼位置（干涉仪光束接触球面单点）和共焦位置（干涉仪光束点焦在曲率半径）间。故可测RoC范围受导轨长度限制。

此外，用标准测试板做过程控制对大直径光学元件风险大且笨重。更别提制造测试板本身同困难。

当然，可用现有非球面检测测量非球面透镜背面。但这使制造昂贵低效，因球面争夺昂贵平台非球面测量时间，且非球面检测更耗时/需球面光学工匠不常有技能。故制造中用非球面检测快速瞄球面监控工艺调参通常不切实际。

直径

如前所述，最后工序修边至最终直径。若光学车间无专用修边机或不够大，零件须在非球面磨床修边。这既低效又昂贵。

表面质量与检查

可以说表面缺陷数与加工面积相关。故大直径光学元件更难维持严格表面质量公差（无论ISO或MIL标准）。此外大直径光学元件更难搬运，因搬运不当导致表面缺陷风险更高。表面检查对大直径光学元件特别麻烦，因需大量搬运。

毛坯

毛坯或为切割圆盘（从足够直径棒材切割），或为压制件（定制模具退火）。常规非球面用压制件高量产时比切割盘经济3-4倍，视材料而定。大非球面毛坯随体积增大材料成本成主导因素，压制件优势降低，尤其考虑压制件交期长、中心厚度限~40mm。

镀膜

如前所述，随光学元件尺寸增大，矢高也可能增加。这负面影响镀膜均匀性，注意在大非球面指定同常规非球面的镀膜均匀性极可能产生溢价。

牢记这些制造检测考量，让光学设计将大口径非球面纳入光学系统。所得系统铺平高功率激光应用和高通量集光系统之路。有时，更大真更好。

本文由Edmund Optics新加坡技术总监Wilhelmus Messelink和Edmund Optics透镜产品线经理Shawn Scarfo（新泽西州巴灵顿）撰写。更多信息请联系Messelink：This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.，Scarfo：This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.，或访问here .