Merancang Asferik Besar Diameter untuk Sistem Laser Daya Tinggi

Industri optik mengalami tren baik peningkatan daya laser maupun kemajuan teknologi pelapisan untuk mengakomodasi permintaan ini. Namun, optik tidak selalu perlu menggunakan teknologi pelapisan terdepan untuk mengimplementasikan laser daya tinggi ke dalam sistem. Solusi kedua adalah dengan meningkatkan ukuran sinar, dan dengan demikian ukuran optik, yang akan menurunkan densitas daya atau energi keseluruhan per satuan area pada optik. Ini memerlukan optik ekspansi sinar besar, serta optik pemfokusan lebih jauh di jalur optik.

Katalis kedua untuk meningkatkan ukuran optik adalah sistem pengumpulan cahaya apa pun yang mengumpulkan cahaya kolimat. Semakin besar diameter optik, semakin luas permukaan untuk dikumpulkan. Dalam kedua kasus ini, dan banyak lagi, ada peningkatan kinerja yang dapat direalisikan dengan merancang lensa asferik sebagai alih-alih lensa sferik. Sebelumnya, para desainer mungkin ragu untuk merancang asferik dengan diameter lebih besar dari 100 mm, dengan kekhawatiran tentang kelayakan manufaktur dan peralatan metrologi yang tersedia untuk memverifikasi asferik yang begitu besar. Namun, dengan kemajuan dalam manufaktur dan metrologi, asferik sebesar 200 mm sekarang tersedia secara komersial.

Besar vs Sangat Besar

Saat membahas asferik besar, penting untuk membedakan antara asferik besar dan asferik sangat besar, yang tidak dapat dibawa oleh satu orang dan memerlukan dukungan mekanis untuk dipindahkan. Yang ini mempresentasikan tantangan yang lebih besar dan memerlukan perencanaan proses manufaktur di depan dengan detail yang besar.

Meskipun tentu menyenangkan untuk meratahi optik 1,02 meter pada mesin penggerus menggunakan palu besar, fokus artikel ini adalah pada batas manufaktur asferik besar yang diproduksi massal. Lensa ini memiliki pertimbangan desain dan keterbatasan selain pertimbangan kelayakan manufaktur umum untuk asferik berukuran normal.

Pertimbangan Manufaktur

Diameter

Salah satu batas manufaktur yang jelas muncul adalah ukuran mesin penggerusan dan pengkilapan asferik. Banyak produsen mesin dengan nyaman melabeli model mereka (mis. CNC100, CNC200 atau CNC300), yang cenderung terkait dengan jangkauan gerakan mesin. Sayangnya, ini tidak berarti mesin “CNC200” dapat digunakan untuk menggerus asferik besar diameter 200 mm.

Untuk memulai, selama proses manufaktur, blank dengan diameter lebih besar digunakan, yang kemudian dirapikan ke diameter akhir dalam salah satu langkah pemrosesan terakhir. Tapi yang lebih penting, batasan ukuran mesin ditentukan oleh kombinasi kinematika mesin dan bentuk optik. Misalnya, anggaplah optik diletakkan menghadap ke atas pada poros di tengah mesin, dan alat piringan berputar digerakkan secara radial, mulai dari satu tepi dan berakhir di ujung lain, dan posisi vertikal alat disesuaikan oleh mesin sesuai dengan bentuk optik. Dari situ, berarti bahwa untuk optik cekung, alat harus berjalan jauh lebih sedikit secara horizontal untuk menggerus bagian berukuran sama daripada untuk optik cembung.

Insinyur fabrikasi optik mungkin dapat mencuri beberapa milimeter tambahan jangkauan dengan menyesuaikan parameter proses, tetapi kemungkinan besar ini akan berdampak negatif pada biaya dan/atau kualitas dan/atau waktu entrega. Dalam contoh di atas, seseorang mungkin mengurangi diameter roda, tetapi ini akan membatasi kecepatan pemotongan dan meningkatkan waktu proses serta meningkatkan keausan alat. Sebagai akibatnya, label-label ini tidak menunjukkan batas keras, tetapi transisi dari ekonomis ke mahal ke tidak dapat dilakukan.

Bobot

Selain dimensi optik, mesin penggerusan dan pengkilapan asferik juga memiliki batas pada bobot maksimal yang mampu diolah. Tergantung pada kinematika mesin, optik mungkin diputar dan/atau diterjemahkan dan motor yang mempengaruhi gerakan ini perlu memiliki torsi yang cukup untuk menghasilkan akselerasi yang diperlukan. Dalam beberapa kasus, ini berarti mesin harus dikonfigurasi khusus untuk benda kerja berat, yang mungkin mengarah pada waktu siklus yang lebih lama dan dengan demikian biaya lebih tinggi.

Secara umum, produsen mesin memilih motor yang cukup kuat untuk mengolasi bobot yang tipikal dari benda kerja dalam kelas ukuran, jadi ini seharusnya kurang menjadi masalah. Namun, ingatlah bahwa selama manufaktur optik biasanya ditempel pada pembawa untuk transfer dan perataan yang mudah antara mesin dan peralatan pengukuran, yang juga menambahkan bobot.

Pertimbangan Metrologi

Diameter

Bicara tentang pengukuran, keterbatasan peralatan metrologi tidak boleh diabaikan. Dan, tentu saja, platform metrologi perlu memiliki cukup perjalanan untuk mencapai diameter penuh optik.

Tinggi Sagittal

Selama manufaktur, asferik biasanya diukur menggunakan profilometer taktil. Dengan peningkatan ukuran optik, kemungkinan tinggi sagittal juga meningkat (tetapi ini sangat tergantung pada desain asferik aktual). Faktor pembatas lain dari profilometer taktil, selain rentang perjalanan, adalah tinggi stilus yang digunakan. Ini membatasi seberapa jauh ia dapat mencapai melewati vertex asferik cembung untuk mengukur profil permukaan di sisi sebaliknya (Gambar 2).

Optik cekung memiliki batasan yang analog untuk mencapai ke dalam optik untuk mengukur vertex. Ada beberapa trik yang dapat diterapkan oleh insinyur fabrikasi optik untuk mendapatkan lebih banyak jarak dari platform metrologi yang dimilikinya, tetapi ini lagi akan mempengaruhi biaya dan/atau kualitas dan/atau waktu entrega.

Akurasi

Selain itu, harus menggunakan stilus yang lebih besar dapat berdampak negatif pada akurasi metrologi karena bobot, fleksi, dan ketidakstabilan yang meningkat, dan dengan demikian juga berdampak negatif pada biaya dan/atau kualitas dan/atau waktu entrega.

Permukaan Non-Asferik

Belakang

Biasanya, permukaan belakang non-asferik dari lensa asferik memiliki pengaruh terbatas pada analisis kelayakan manufaktur dan biaya. Untuk asferik besar ini tidak lagi benar. Jelas, peralatan yang digunakan perlu dapat menampung ukuran optik. Yang lebih bermasalah adalah solusi metrologi, biasanya interferometer bukaan besar. Jika bengkel optik juga memproduksi komponen seperti prisma, beam splitter, dan jendela, kemungkinan besar dapat memanfaatkan peralatan yang ada. Meski begitu, tidak banyak produsen asferik yang memiliki solusi standar untuk mengukur permukaan datar di luar 10 inci (254 mm).

Untuk bola belakang sferik cembung, solusi metrologi semakin terbatas, karena berinvestasi dalam interferometer bukaan besar dan bola transmisi bukaan besar terkait sering terlalu mahal atau tidak tersedia. Untuk bola belakang sferik cembung dan cekung, diameter yang lebih besar berjalan bersamaan dengan radius kelengkungan (RoC) yang lebih besar. Biasanya, RoC dikontrol dengan memindahkan panggung dengan optik yang dipasang di sepanjang rel di antara posisi mata kucing (di mana beam interferometer menyentuh satu titik pada permukaan sferik) dan posisi konfokal (di mana fokus titik beam interferometer berada pada radius kelengkungan). Jadi, rentang RoC yang dapat diukur dibatasi oleh panjang rel.

Selain itu, penggunaan test plate untuk kontrol dalam proses berisiko dan merepotkan untuk optik diameter besar. Tidak perlu disebutkan kesulitan yang sama seperti di atas juga berlaku untuk pembuatan test plate itu sendiri.

Tentu saja, untuk mengukur belakang lensa asferik, seseorang dapat menggunakan metrologi asferik yang tersedia. Namun, ini membuat proses manufaktur mahal dan tidak efisien, karena permukaan sferik akan bersaing dengan sisi asferik untuk waktu pengukuran pada platform mahal dan metrologi asferik cenderung memakan waktu lebih lama dan/atau memerlukan keterampilan tambahan yang biasanya tidak ditemukan di dalam pengrajin optik sferik. Sebagai akibatnya, biasanya tidak praktis untuk melihat cepat permukaan sferik menggunakan metrologi asferik selama manufaktur untuk memantau proses dan menyesuaikan parameter proses jika perlu.

Diameter

Seperti yang disebutkan sebelumnya, sebagai salah satu langkah pemrosesan terakhir, diameter bagian dirapikan ke diameter akhir. Jika bengkel optik tidak memiliki satu atau lebih mesin raping khusus, atau jika mereka tidak cukup besar untuk menangani diameter besar, bagian akan harus dirapikan pada mesin penggerus asferik. Ini sama tidak efisien dan mahal.

Kualitas Permukaan dan Inspeksi

Arguably, jumlah ketidaksempurna permukaan yang diciptakan berkaitan dengan area yang diproses. Sebagai akibatnya, lebih sulit untuk mempertahankan spesifikasi toleransi kualitas permukaan yang ketat pada optik diameter besar, apakah ditentukan menggunakan standar ISO atau MIL. Selain itu, optik diameter besar lebih sulit untuk ditangani dan, sebagai akibatnya, pada risiko yang lebih tinggi untuk cacat permukaan karena penanganan yang salah. Selain itu, inspeksi permukaan sangat merepotkan untuk optik diameter besar, karena mereka membutuhkan banyak penanganan.

Blank

Blank dapat datang sebagai disk yang dipotong (disc yang dipotong dari batang dengan diameter yang memadai) atau presing (diabaikan dalam cetakan khusus). Untuk asferik berukuran reguler, dapat menjadi faktor 3- atau 4-kali lebih ekonomis untuk menggunakan presing untuk produksi volume tinggi, tergantung pada bahan yang tepat. Untuk blank asferik besar, biaya bahan menjadi faktor yang mendominasi daripada biaya tenaga kerja, seiring peningkatan volume. Sebagai akibatnya, presing menjadi kurang menguntungkan untuk digunakan untuk blank asferik besar, terutama mengingat bahwa presing memiliki waktu entrega yang lebih lama dan terbatas pada tebal pusat sekitar 40 mm.

Pelapisan

Seperti yang disebutkan sebelumnya, dengan peningkatan ukuran optik, kemungkinan tinggi sagittal juga meningkat. Ini akan memengaruhi seragamnya pelapisan, jadi ingatlah bahwa menentukan seragam pelapisan yang sama seperti yang tipikal untuk asferik berukuran reguler pada asferik besar kemungkinan akan menimbulkan biaya premium.

Dengan mempertimbangkan pertimbangan manufaktur dan metrologi ini, desain optik dapat menyatukan asferik diameter besar ke dalam sistem optik mereka. Sistem yang dihasilkan membuka jalan untuk aplikasi laser daya tinggi dan sistem pengumpulan cahaya throughput tinggi. Kadang-kadang lebih besar memang lebih baik.

Artikel ini ditulis oleh Wilhelmus Messelink, Direktur Teknologi, Edmund Optics Singapore; dan Shawn Scarfo, Product Line Manager, Lensa, Edmund Optics (Barrington, NJ). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Tn. Messelink di [email dilindungi], Tn. Scarfo di [email dilindungi], atau kunjungi di sini .