大口径球の設計

光学業界は、この需要に対応するために、レーザー出力の増加とコーティング技術の進歩の両方の傾向を経験しています。ただし、光学部品は、システムに高出力レーザーを実装するために、常に最先端のコーティング技術を利用する必要はありません。 2番目の解決策は、ビームのサイズ、したがって光学系のサイズを大きくすることです。これにより、光学系の単位面積あたりの全体的なパワーまたはエネルギー密度が低下します。これには、大きなビーム拡張光学系と、光路に沿ってさらに集束光学系が必要です。

光学サイズを大きくするための2番目の触媒は、コリメートされた光を収集する任意の集光システムです。光学部品の直径が大きいほど、収集する表面積が大きくなります。これらの両方の場合、および他の無数の場合、球面レンズではなく非球面レンズで設計することによって実現できるパフォーマンスの向上があります。以前は、設計者は、直径が100 mmを超える非球面レンズの設計に躊躇していた可能性があり、非常に大きな非球面レンズを検証するために利用できる製造可能性と計測機器に懸念を抱いていました。ただし、製造と計測の両方の進歩により、200mmもの大きさの球が現在市販されています。

大対非常に大

大きな球体について議論するときは、大きな球体と非常に大きな球体を区別することが重要です。これらの球体は、一人で運ぶことはできず、移動するために機械的なサポートが必要です。それらはさらに多くの課題を提示し、製造プロセスを事前に詳細に計画する必要があります。

スレッジハンマーを使用して研磨機に1.02メートルの光学部品を位置合わせするのは間違いなく楽しいですが、この記事の焦点は、大量生産された大きな球の製造限界にあります。これらのレンズには、通常のサイズの球体の一般的な製造可能性の考慮事項に加えて、設計上の考慮事項と制限があります。

製造上の考慮事項

直径

頭に浮かぶ明らかな製造上の限界は、非球面研削および研磨機のサイズです。多くの機械メーカーは、モデル（CNC100、CNC200、CNC300など）に便利なラベルを付けています。これは、機械の可動域に関連する傾向があります。残念ながら、これは「CNC200」マシンを使用して直径200mmの大きな非球面レンズを加工できることを意味するものではありません。

手始めに、製造プロセス中に、より大きな直径のブランクが使用され、最後の処理ステップの1つで最終的な直径にエッジダウンされます。しかし、もっと重要なことは、機械のサイズ制限は、機械の運動学と光学部品の形状の組み合わせによって与えられることです。たとえば、光学部品が機械の中央にあるスピンドルに上向きに配置され、回転するディスクツールが半径方向に移動し、一方の端からもう一方の端で終了するとします。ツールの垂直位置は次のとおりです。光学部品の形状に応じて、機械によって調整されます。そこから、凹型光学部品の場合、凸型光学部品の場合よりも、同じサイズの部品を加工するために工具が水平方向に移動する必要がはるかに少なくなります。

光学製造エンジニアは、プロセスパラメータを微調整することで、余分な数ミリメートルの範囲を絞り出すことができる場合がありますが、これらは、コストや品質、および/またはリードタイムに悪影響を与える可能性があります。上記の例では、ホイールの直径を小さくすることができますが、これにより切削速度が制限され、処理時間が長くなり、工具の摩耗が増加します。そのため、これらのラベルは厳しい制限を示しているのではなく、経済的なものから高価なもの、実現不可能なものへの移行を示しています。

重量

光学部品の寸法に加えて、非球面研削および研磨機には、加工できる最大重量にも制限があります。機械の運動学によっては、光学部品が回転および/または平行移動する場合があり、これらの動作に影響を与えるモーターには、必要な加速度を生成するのに十分なトルクが必要です。場合によっては、これは、機械を重いワークピース用に特別に構成する必要があることを意味します。これにより、サイクル時間が長くなり、コストが高くなる可能性があります。

一般に、機械メーカーは、サイズクラスのワークピースに典型的な重量を機械加工するのに十分な強度のモーターを選択するため、これはそれほど問題にはなりません。ただし、製造中、光学部品は通常、機械と測定機器の間の移動と位置合わせを容易にするためにキャリアに結合されるため、重量も増加することに注意してください。

計測に関する考慮事項

直径

測定について言えば、計測機器の限界を見逃してはなりません。そしてもちろん、計測プラットフォームには、光学部品の直径全体に到達するのに十分な移動量が必要です。

矢状面の高さ

製造中、非球面は通常、触覚プロフィロメーターを使用して測定されます。光学部品のサイズが大きくなると、矢状面の高さも大きくなる可能性があります（ただし、これは非球面の実際の設計に大きく依存します）。移動範囲に加えて、触覚プロフィロメータの別の制限要因は、使用されるスタイラスの高さです。これにより、反対側の表面のプロファイルを測定するために、凸非球面の頂点に到達できる量が制限されます（図2）。

凹面光学部品には、頂点を測定するために光学部品に到達するための同様の制限があります。光学製造エンジニアが自由に使える計測プラットフォームからさらにマイレージを絞り出すために適用できるトリックがいくつかありますが、これらもコストや品質、リードタイムに影響します。

精度

さらに、より大きなスタイラスを使用する必要があると、重量、屈曲、および不安定性が増加するため、計測の精度に悪影響を与える可能性があり、したがって、コストおよび/または品質および/またはリードタイムにも悪影響を与える可能性があります。

非球面

裏側

通常、非球面レンズの非球面裏側は、製造可能性分析とコストに限定的な影響を及ぼします。大きな球の場合、これはもはや真実ではありません。明らかに、使用する機器は光学部品のサイズに対応できる必要があります。さらに問題となるのは、計測ソリューションであり、通常は大口径干渉計です。光学ショップがプリズム、ビームスプリッター、ウィンドウなどのコンポーネントも製造している場合は、既存の機器を活用できる可能性があります。それでも、10インチ（254 mm）を超える平面を測定するための標準ソリューションを持っている非球面レンズメーカーは多くありません。

大口径干渉計および関連する大口径透過球への投資は、多くの場合、費用がかかりすぎるか、利用できないため、凸球の裏側の場合、計測ソリューションはさらに制限されます。凸面と凹面の両方の球面裏面の場合、直径が大きいほど曲率半径（RoC）が大きくなります。通常、RoCは、レールに沿って取り付けられた光学部品を使用して、猫の目の位置（干渉計のビームが球面上の単一の点に接触する場所）と共焦点位置（干渉計のビームの点焦点がにある場所）の間でステージを移動することによって制御されます。曲率半径）。したがって、測定できるRoCの範囲は、レールの長さによって制限されます。

さらに、インプロセス制御にテストプレートを使用することは、大口径の光学部品にとってリスクが高く面倒です。言うまでもなく、上記と同じ問題がテストプレート自体の製造にも当てはまります。

もちろん、非球面レンズの裏側を測定するために、利用可能な非球面計測を利用することができます。ただし、これにより、製造プロセスがコストがかかり非効率になります。これは、球面が高価なプラットフォームでの測定時間について非球面側と競合し、球面計測がより時間がかかる傾向があるため、および/または球面光学では通常見られない追加のスキルが必要になるためです。職人。そのため、通常、製造中に非球面計測を使用して球面をすばやく覗き見して、プロセスを監視し、必要に応じてプロセスパラメータを調整することは実用的ではありません。

直径

前述のように、最後の処理ステップの1つとして、パーツの直径が最終的な直径にエッジダウンされます。光学ショップに専用のエッジングマシンが1つ以上ない場合、またはそれらが大径を処理するのに十分な大きさでない場合、部品は非球面研削盤でエッジングする必要があります。これは非効率的で高価です。

表面の品質と検査

間違いなく、作成された表面の欠陥の数は、処理された領域と相関しています。そのため、ISOまたはMIL規格を使用して指定されているかどうかにかかわらず、より大きな直径の光学部品で厳密な表面品質公差仕様を維持することはより困難です。さらに、より大きな直径の光学部品は取り扱いがより困難であり、そのため、取り扱いの誤りによる表面欠陥のリスクが高くなります。さらに、表面検査は、多くの取り扱いが必要なため、大径の光学部品では特に面倒です。

空白

ブランクは、カットディスク（適切な直径のロッドからカットされたディスク）またはプレス（カスタムメイドの金型で焼きなまし）のいずれかとして提供されます。通常のサイズの球体の場合、正確な材料に応じて、大量生産にプレスを使用する方が3倍または4倍経済的です。大きな非球面ブランクの場合、体積が増加するにつれて、材料費が人件費の原動力になります。そのため、特にプレスのリードタイムが長く、中心の厚さが約40 mmに制限されていることを考えると、プレスは大きな非球面ブランクに使用するのに有利ではなくなります。

コーティング

前述のように、光学部品のサイズが大きくなると、矢状面の高さも大きくなる可能性があります。これはコーティングの均一性に悪影響を与えるため、大きな非球面レンズの通常サイズの非球面レンズで一般的なものと同じコーティングの均一性を指定すると、プレミアムが発生する可能性が高いことに注意してください。

これらの製造および計測の考慮事項を念頭に置くことで、光学設計で大径の球体を光学システムに組み込むことができます。結果として得られるシステムは、高出力レーザーアプリケーションと高スループットの集光システムへの道を開きます。本当に大きい方が良い場合もあります。

この記事は、EdmundOpticsSingaporeのテクノロジーディレクターであるWilhelmusMesselinkによって書かれました。ショーン・スカーフォ、レンズ、エドマンド・オプティクス（ニュージャージー州バーリントン）の製品ラインマネージャー。詳細については、Messelinkまでお問い合わせください。このメールアドレスはスパムボットから保護されています。表示するにはJavaScriptを有効にする必要があります。このメールアドレスのScarfo氏はスパムボットから保護されています。表示するにはJavaScriptを有効にする必要があります。または、にアクセスしてください。 ここ 。