设计大直径非球面

光学行业正在经历增加激光功率和改进涂层技术以适应这种需求的趋势。然而，光学器件并不总是需要利用领先的镀膜技术将高功率激光器应用到系统中。第二种解决方案是增加光束的尺寸，从而增加光学器件的尺寸，这将降低光学器件上每单位面积的总功率或能量密度。这需要大光束扩展光学器件，以及沿光路进一步聚焦的光学器件。

增加光学尺寸的第二个催化剂是任何收集准直光的光收集系统。光学元件的直径越大，收集的表面积越大。在这两种情况下，以及无数其他情况下，通过设计与球面透镜相对的非球面透镜可以实现性能提升。以前，设计人员可能对直径大于 100 毫米的非球面设计犹豫不决，担心可用于验证如此大的非球面的可制造性和计量设备。然而，随着制造和计量方面的进步，200 毫米大的非球面现在已经上市。

大与非常大

在讨论大非球面时，重要的是要区分大非球面和超大非球面，后者不能由一个人手持，需要机械支撑才能移动。这些会带来更多挑战，需要提前详细规划制造过程。

尽管使用大锤在抛光机上校准 1.02 米光学元件绝对很有趣，但本文的重点是大规模生产的大型非球面镜的制造限制。除了普通尺寸非球面的一般可制造性考虑之外，这些镜头还具有设计考虑和限制。

制造注意事项

直径

想到的一个明显的制造限制是非球面研磨和抛光机的尺寸。许多机器制造商方便地标记他们的模型（例如 CNC100、CNC200 或 CNC300），这往往与机器的运动范围有关。不幸的是，这并不意味着一台“CNC200”机器就可以加工一个直径为200毫米的大非球面。

首先，在制造过程中使用较大直径的坯料，然后在最后一个加工步骤中将其磨边至最终直径。但更重要的是，机器的尺寸限制是由机器的运动学和光学元件的形状共同决定的。例如，让我们假设光学元件朝上放置在机器中心的主轴上，旋转圆盘刀具径向移动，从一个边缘开始，在另一边缘完成，刀具的垂直位置为由机器根据光学元件的形状要求进行调整。从那里可以得出结论，对于凹面光学元件，加工相同尺寸的零件所需的刀具水平移动量要比凸面光学元件少得多。

光学制造工程师可能能够通过调整工艺参数来挤出额外的几毫米范围，但这些很可能会对成本和/或质量和/或交货时间产生负面影响。在上面的示例中，可能会减小砂轮的直径，但这会限制切削速度并增加加工时间并增加刀具磨损。因此，这些标签并不表示硬性限制，而是从经济到昂贵再到不可行的过渡。

重量

除了光学元件的尺寸外，非球面研磨和抛光机还对其能够加工的最大重量有限制。根据机器的运动学，光学元件可能会旋转和/或平移，影响这些运动的电机需要有足够的扭矩来产生所需的加速度。在某些情况下，这意味着机器必须专门针对重型工件进行配置，这可能会导致更长的循环时间，从而提高成本。

一般来说，机器制造商会选择足够强大的电机来加工该尺寸级别工件的典型重量，因此这应该不是问题。但是请记住，在制造过程中，光学元件通常会粘合到载体上，以便在机器和测量设备之间轻松转移和对齐，这也会增加重量。

计量注意事项

直径

谈到测量，计量设备的局限性不容忽视。当然，计量平台需要有足够的行程才能达到光学元件的全直径。

矢状高度

在制造过程中，通常使用触觉轮廓仪测量非球面。随着光学器件尺寸的增加，矢状高度也可能增加（但这在很大程度上取决于非球面的实际设计）。除了行程范围之外，触觉轮廓仪的另一个限制因素是所用触针的高度。这限制了它能够达到多少凸面非球面的顶点来测量另一侧的表面轮廓（图 2）。

凹面光学元件对于伸入光学元件以测量顶点具有类似的限制。光学制造工程师可以应用一些技巧来从他/她可以使用的计量平台中挤出更多的里程，但这些会再次影响成本和/或质量和/或交货时间。

准确度

此外，由于重量、弯曲度和不稳定性的增加，必须使用更大的测针可能会对计量精度产生负面影响，从而也会对成本和/或质量和/或交货时间产生负面影响。

非球面

背面

通常，非球面透镜的非非球面背面对可制造性分析和成本的影响有限。对于大的非球面，这不再适用。显然，所使用的设备需要能够适应光学器件的尺寸。更成问题的是计量解决方案，通常是大孔径干涉仪。如果一家眼镜店还生产棱镜、分束器和窗户等组件，它很可能可以利用现有设备。即便如此，没有多少非球面制造商拥有测量超过 10 英寸（254 毫米）平面表面的标准解决方案。

对于凸球形背面，计量解决方案更加有限，因为投资大孔径干涉仪和相关的大孔径透射球通常成本过高或无法获得。对于凸面和凹面球形背面，较大的直径与较大的曲率半径 (RoC) 密切相关。通常，RoC 是通过在猫眼位置（干涉仪光束接触球面上的单个点）和共焦位置（干涉仪光束的点焦点位于曲率半径）。因此，可测量的 RoC 范围受到钢轨长度的限制。

此外，使用测试板进行过程控制对于大直径光学器件来说既危险又麻烦。更不用说上面提到的同样的困难适用于测试板本身的制造。

当然，要测量非球面透镜的背面，可以使用可用的非球面计量。然而，这使得制造过程成本高且效率低，因为球面将在昂贵的平台上与非球面竞争测量时间，并且非球面计量往往更耗时和/或需要球面光学中通常不具备的额外技能工匠。因此，在制造过程中使用非球面计量来快速查看球面以监控工艺并在必要时调整工艺参数通常是不切实际的。

直径

如前所述，作为最后的加工步骤之一，零件的直径被磨边到最终直径。如果眼镜店没有一台或多台专用磨边机，或者如果它们的尺寸不足以处理大直径，则必须在非球面磨床上对零件进行磨边。这既低效又昂贵。

表面质量和检验

可以说，产生的表面缺陷的数量与处理的区域相关。因此，无论是使用 ISO 还是 MIL 标准指定，在较大直径的光学元件上保持严格的表面质量公差规范更加困难。此外，较大直径的光学元件更难以处理，因此由于处理不当而导致表面缺陷的风险更高。此外，大直径光学器件的表面检测尤其麻烦，因为它们需要大量处理。

空白

坯料可以作为切割盘（从足够直径的棒材上切割下来的盘）或压制件（在定制模具中退火）。对于常规尺寸的非球面，使用压制件进行大批量生产可能会经济 3 倍或 4 倍，具体取决于确切的材料。对于大型非球面毛坯，随着体积的增加，材料成本成为劳动力成本的驱动因素。因此，冲压件对于大型非球面坯料的使用变得不太有利，特别是考虑到冲压件的交货时间较长并且中心厚度限制在大约 40 毫米。

涂层

如前所述，随着光学器件尺寸的增加，矢状高度也可能增加。这将对涂层均匀性产生负面影响，因此请记住，在大非球面上指定与常规尺寸非球面相同的涂层均匀性很可能会产生溢价。

牢记这些制造和计量考虑因素允许光学设计将大直径非球面纳入其光学系统。由此产生的系统为高功率激光应用和高通量光收集系统铺平了道路。有时更大确实更好。

本文由 Edmund Optics Singapore 技术总监 Wilhelmus Messelink 撰写；以及 Edmund Optics（新泽西州巴灵顿）镜头产品线经理 Shawn Scarfo。欲了解更多信息，请联系 Mr. Messelink 在此电子邮件地址已受到防止垃圾邮件机器人的保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。, Mr. Scarfo at 此电子邮件地址已受到防止垃圾邮件机器人的保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问 这里 .