高出力レーザーシステム向け大口径非球面レンズ設計

光学業界はレーザー出力増大と、この需要に対応するコーティング技術進歩の両トレンドを経験しています。しかし、光学素子が必ずしも最先端コーティング技術を利用して高出力レーザーをシステムに実装する必要はありません。第二の解決策はビームサイズを大きくし、したがって光学素子サイズを大きくすることで、光学素子単位面積あたりの全体的出力またはエネルギー密度を低減することです。これには大口径ビーム拡大光学系と、光学経路さらに先の集光光学系が必要です。

光学素子サイズ増大の第二触媒は、平行光を集光するあらゆる集光システムです。光学素子直径が大きいほど、集光面積が大きくなります。これ両ケースと無数の他ケースで、球面レンズではなく非球面レンズを設計採用することで性能向上が実現できます。以前、設計者は直径100mm超の非球面設計を躊躇することがありました。製造可能性と、そんなに大きな非球面を検証できる測定機器の可用性への懸念からです。しかし、製造と測定の両面で進歩により、直径200mmまでの非球面が商業的に入手可能になりました。

大口径と超大口径

大口径非球面を議論する際、大口径非球面と超大口径非球面を区別することが重要です。後者は単独で手持ちできず、移動に機械的サポートを必要とします。これらはさらなる課題を提示し、製造プロセスを事前に詳細に計画する必要があります。

1.02メートル光学素子を研磨機でスレッジハンマーを使ってアライメントするのは確かに楽しいですが、本記事の焦点は量産大口径非球面の製造限界です。これらレンズには、通常サイズ非球面の一般的製造考慮事項に加え、設計考慮と限界があります。

製造考慮事項

直径

思い浮かぶ明確な製造限界は、非球面研削研磨機のサイズです。多くの工作機械メーカーはモデルに便利なラベル（CNC100、CNC200、CNC300など）を付け、これは機械の動作範囲に関連しがちです。残念ながら、「CNC200」機械で200mm径大口径非球面が加工できるとは限りません。

まず、製造工程でより大径ブランクを使用し、最終工程の一つで最終径までエッジダウンします。しかしより重要なのは、機械のサイズ限界が機械のキネマティクスと光学素子形状の組み合わせで決まることです。例えば、光学素子を機械中心のスピンドルに面を上向きで配置し、回転ディスクツールを半径方向に、一方の端から他方へ移動させ、ツール垂直位置を光学素子形状に応じて機械が調整するとします。そこから、凹面光学素子では同サイズ部品加工にツールが水平移動する距離が凸面光学素子よりはるかに少ないことが導かれます。

光学製造エンジニアはプロセスパラメータ調整で数ミリ余分に絞り出せるかもしれませんが、これらはコスト・品質・納期に悪影響を及ぼす可能性が高いです。上例ではホイール径を減らせますが、切削速度制限と工程時間増加、工具摩耗増加を招きます。したがってこれらラベルはハードリミットではなく、経済的から高コスト、非実現への移行を示します。

重量

光学素子寸法に加え、非球面研削研磨機には加工可能な最大重量限界があります。機械キネマティクスにより、光学素子が回転・移動し、これら動作に影響するモーターに必要加速度を生成する十分なトルクが必要です。場合により、重量ワーク専用に機械構成が必要となり、サイクルタイム長期化とコスト増につながる可能性があります。

一般的に工作機械メーカーは、サイズクラス典型ワーク重量に十分なモーターを選定するため、これはあまり問題になりません。しかし、製造中は光学素子が通常キャリアに接着され、機械間・測定機器間の容易な移動とアライメントのために使用されることも覚えておくべきです。これも重量増要因です。

測定考慮事項

直径

測定について言えば、測定機器の限界を見逃せません。もちろん、測定プラットフォームは光学素子全径に到達する十分な移動範囲が必要です。

サジタルハイト

製造中、非球面は通常接触式プロフィロメーターで測定されます。光学素子サイズ増大に伴い、サジタルハイトも増大する可能性が高いです（ただし実際の非球面設計に大きく依存）。接触式プロフィロメーターの移動範囲に加え、もう一つの限界要因はスタイラス高さです。これは凸面非球面の頂点をどれだけ越えて反対側面プロファイルを測定できるかを制限します（図2）。

凹面光学素子には内側へ到達して頂点を測定する類似の制限があります。光学製造エンジニアが手持ちの測定プラットフォームからさらに距離を稼ぐトリックはいくつかありますが、これもまたコスト・品質・納期に影響します。

精度

さらに、より大型スタイラス使用が重量増、たわみ、不安定性増大により測定精度に悪影響を及ぼし、結果としてコスト・品質・納期に悪影響を与える可能性があります。

非非球面（背面）

背面

通常、非球面レンズの非球面でない背面は製造可能性分析とコストへの影響が限定的です。大口径非球面ではこれは当てはまりません。明らかに、使用機器が光学素子サイズに対応できる必要があります。より問題なのは測定解決策、通常大口径干渉計です。光学工房がプリズム、ビームスプリッター、窓なども製造していれば、既存機器を活用できる可能性があります。それでも、254mm（10インチ）超の平面測定標準解決策を持つ非球面メーカーは多くありません。

凸球面背面の場合、測定解決策はさらに限られます。大口径干渉計と関連大口径透過球への投資は、しばしばコスト面で非現実的または入手不可です。凸・凹両球面背面で、大径はより大きな曲率半径（RoC）を伴います。通常、RoCは光学素子搭載ステージをレール上で移動させ、キャッツアイ位置（干渉計ビームが球面上一点に接触）と共焦点位置（干渉計ビーム焦点が曲率半径に位置）間で制御します。したがって測定可能RoC範囲はレール長で制限されます。

さらに、工程内管理用テストプレート使用は大径光学素子ではリスクが高く煩雑です。テストプレート自体の製造にも上記と同じ困難が適用されます。

もちろん、非球面レンズ背面測定に利用可能な非球面測定を使用できます。しかしこれは製造プロセスを高コスト・非効率にします。球面が高価プラットフォームで非球面側と測定時間を競合し、非球面測定はより時間がかかり、球面光学職人には通常見られない追加スキルを必要とするからです。したがって、製造中に非球面測定で球面をチラ見して工程監視・パラメータ調整するのは通常非現実的です。

直径

前述のように、最終工程の一つで部品径を最終径までエッジダウンします。光学工房に専用エッジングマシンが一つ以上ない、または大径対応でない場合、非球面研削機でエッジングせざるを得ず、これは非効率で高コストです。

表面品質と検査

議論の余地はありますが、生成される表面欠陥数は加工面積に相関します。したがって、より大径光学素子ではタイトな表面品質公差仕様（ISOまたはMIL規格使用時）維持がより困難です。また、大径光学素子は取り扱いが難しく、取り扱い不注意による表面欠陥リスクが高まります。さらに、表面検査は大径光学素子では特に煩雑で、多くの取り扱いを要します。

ブランク

ブランクはカットディスク（適切径ロッドから切り出したディスク）またはプレス品（カスタム金型でアニール）で供給可能です。通常サイズ非球面では、正確な材料によりプレス品が大量生産で3-4倍経済的な場合があります。大口径非球面ブランクでは、体積増加に伴い材料コストが主導要因になります。したがってプレス品は大口径非球面ブランクでは利点が減少し、特にプレス品はリードタイムが長く、中心厚約40mmに制限されることを考慮すると顕著です。

コーティング

前述のように、光学素子サイズ増大に伴いサジタルハイトも増大する可能性が高いです。これはコーティング均一性に悪影響を与えるため、通常サイズ非球面と同等コーティング均一性を大口径非球面で指定すると、プレミアムコスト発生の可能性が高いです。

これら製造・測定考慮事項を念頭に置くことで、光学設計者は大口径非球面を光学システムに組み込めます。結果システムは高出力レーザー応用と高スループット集光システムへの道を開きます。時には、大きいことが本当に良いことなのです。

本記事は、Edmund Optics Singapore技術ディレクターWilhelmus Messelink氏と、Edmund Optics（ニュージャージー州バリントン）レンズ製品ラインマネージャーShawn Scarfo氏によって執筆されました。詳細については、各氏までお問い合わせください。