大型非球面：实现高功率光学系统

在光学应用中，更高功率激光器的发展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，这需要更大的光学元件（图1）。这降低了光学元件上的功率或能量密度，降低了激光诱导损伤的可能性。需要沿着光束路径进一步延伸的大光束扩展光学器件和聚焦透镜。光收集系统是增加光学器件尺寸的另一个驱动因素。更多的光可以被具有更大表面积的光学器件收集。在这两种情况以及许多其他情况下，还可以通过使用非球面透镜而不是球面透镜来提高光学系统的性能。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态度，因为很难制造和测量如此大的非球面。然而，在非球面的制造和计量方面的最新进展使得直径为200mm的非球面可以在市场上买到，如TechSpec®200mm直径的精密非球面透镜。

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。

“大”到底是什么意思？

为了正确讨论大型非球面，有必要区分“大型”和“非常大型”非球面。“非常大”的镜头对于一个人来说太大了，无法用手携带。需要机械支撑来移动它们，这带来了更多的困难，并且需要对它们的制造和计量过程进行彻di的前期规划。除了典型的非球面透镜之外，还有与这些透镜相关的其他考虑和限制，本文重点关注仍可由单人携带的“大型”批量生产的非球面的制造。

制造注意事项

要确定以下考虑因素如何影响定制非球面镜片的尺寸或成本，请联系我们。

直径

当制造大的非球面时，可以安装在研磨和抛光机中的光学器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机器的运动范围。例如，“ CNC200 ”通常表示机器具有200mm的运动范围，而“ CNC100 ”则具有100mm的运动范围。然而，这并不意味着“ CNC200 ”可以制造直径为200mm的非球面。

机器可以制造的最大光学器件尺寸受到机器的运动学和光学器件的形状的限制。在非球面制造开始时，使用尺寸过大的坯料，然后在制造过程结束时将其边缘缩小到所需的最终直径。考虑主轴上抛光机中心的透镜毛坯。旋转盘工具在部件上从一个边缘到另一个边缘径向移动，并且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，工具必须水平移动超过透镜的直径。因此，机器的运动范围需要超过透镜直径。

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质量或成本的权衡。例如，在上述情况下，可以减小旋转盘工具的直径以减小所需的运动范围，但是这将降低抛光速度，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可行的零件尺寸进行硬切割。相反，它们将具有一个区域，在该区域，制造从简单和经济转变为昂贵，然后转变为不可行。

重量

制造机器对其可以处理的最大重量也有限制，这显然随着部件直径的扩大而增加。虽然限制因机器而异，但控制镜头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。机器可能需要专门针对重型光学器件进行配置，这通常会导致周期时间增加，从而导致成本增加。在制造过程中，为了简单的转移和对准，光学器件通常也被粘附到载体上，这增加了额外的重量。

计量注意事项

直径

用于计量的所有设备还必须能够检查大直径光学器件的整个表面。与针对制造所讨论的考虑因素类似，度量工具需要具有足以覆盖透镜的全通光孔径的运动范围。

弧矢高度

非球面轮廓通常在制造过程中使用用于迭代反馈的触觉轮廓仪来测量。随着非球面直径的增加，弧矢高度或曲面的厚度可能会增加，尽管这会根据具体的非球面设计而变化。触觉表面光度仪使用的触针高度也可能限制可以测量的矢状高度，图3展示了这如何影响表面光度仪超出凸面顶点的延伸，以测量镜片远侧的表面轮廓。

图3：用于非球面计量的触觉轮廓仪的触针可能会限制大型非球面测量的矢状高度。

类似的限制可能影响凹面的度量。光学制造工程师可以再次对工艺参数进行一些调整，以略微增加工具的运动范围，但这些调整通常也会导致质量、成本或交付周期的权衡。

测量精度

此外，使用较大的触针来缓解上述问题可能会对测量的准确性产生负面影响。增加的触针重量以及由此产生的弯曲和不稳定性会导致较差的计量性能。

非球面的注意事项

背面

非球面透镜的背面通常为平面或球面。虽然背面通常对非球面的总成本和可制造性具有小的影响，但是对于大的非球面，这种影响会改变。显然，该背面的研磨、抛光和计量也需要具有所需的运动范围以覆盖零件。计量可能特别具有挑战性，因为大孔径干涉仪通常用于测量类似的平面表面。由于Edmund Optics®还制造平面光学器件，包括窗口、棱镜和分束器，因此用于测量这些类型光学器件的设备用于非球面的平面背面。许多非球面制造商可能没有用于测量大于6英寸的平面的标准解决方案。

对于凸球形背面，度量选项甚至更受限制。需要大的透射球和大孔径干涉仪，并且对于许多光学制造商来说可能成本过高或不可用。对于凹的和凸的球形后表面，透镜直径的增加对应于曲率半径（ROC）的增加。在干涉仪测量期间，可以测量的ROC的范围受到干涉仪轨道长度的限制。光学器件通常在猫眼位置（干涉仪光束在单个点处与表面接触的点）和共焦位置（干涉仪光束的点焦点与ROC并置的点）之间的轨道上平移。

此外，用于过程中计量的测试板变得笨重，并且难以用于大的非球面。上述制造和计量考虑也适用于测试板的制造。

可以使用用于测量非球面的相同设备来测量透镜的后表面，但是该过程更加昂贵和低效。平面或球面将从更复杂的度量中花费时间，否则这些时间将花费在非球面上。非球面计量通常更耗时，并且需要更熟练的光学制造工程师。这使得对透镜的两侧使用相同的度量是不切实际的。

直径

在制造过程结束时，非球面被向下磨边至其最终直径。光学制造商必须确保他们的磨边机能够处理这种大直径的光学器件，否则，由于使用非球面磨床来磨边透镜，成本和交货时间将会增加。

检验表面质量

可以认为，如果制造过程的其他参数保持不变，则被检查的光学表面的尺寸与当前表面缺陷的数量相关。这使得在较大直径的光学器件上保持一定的表面质量规格变得更加困难。无论使用ISO标准还是MIL标准来表征表面质量，这一点都适用。大型光学器件也更难处理，并且由于处理不当而增加了表面缺陷的风险。

大型透镜毛坯

用于非球面制造的透镜毛坯要么是从所需毛坯直径的棒上切割的圆盘，要么是在定制模具中退火的压制。对于标准尺寸的非球面透镜，压制通常比用于大批量生产的切割盘的成本效益高3倍或4倍，尽管这根据所使用的确切基底材料而有所不同。然而，对于大的非球面，压制和切割圆盘的成本是相当的。压制的单位体积价格略高于圆盘，但压制不需要钻芯或锯切。对于较小的零件，钻芯或锯切占毛坯成本的很大一部分。然而，如果部件较大，则这些过程在成本中所占的百分比较低。压制通常也具有较长的交付周期，并且仅限于中心厚度小于40mm的光学器件。

涂层注意事项

在涂覆过程中，大的非球面增加的矢状高度也可能是问题。整个部件的高度变化会对涂层的均匀性产生负面影响。因此，在整个透镜上保持一定的涂层均匀性规格将比在较小透镜上保持相同规格的成本更高。还必须为大非球面的增大直径提供工具。