Mendesain Asfer Berdiameter Besar

Industri optik mengalami tren peningkatan daya laser dan kemajuan teknologi pelapisan untuk mengakomodasi permintaan ini. Namun, optik tidak selalu perlu menggunakan teknologi pelapisan terdepan untuk mengimplementasikan laser berdaya tinggi ke dalam sistem. Solusi kedua adalah meningkatkan ukuran berkas, dan oleh karena itu ukuran optik, yang akan menurunkan daya keseluruhan atau kepadatan energi per satuan luas pada optik. Hal ini memerlukan optik perluasan berkas cahaya yang besar, serta optik pemfokusan lebih jauh di sepanjang jalur optik.

Katalis kedua untuk meningkatkan ukuran optik adalah sistem pengumpulan cahaya apa pun yang mengumpulkan cahaya terkolimasi. Semakin besar diameter optik, semakin banyak area permukaan untuk dikumpulkan. Dalam kedua kasus ini, dan banyak kasus lainnya, ada peningkatan performa yang dapat diwujudkan dengan mendesain dalam lensa asferis yang berlawanan dengan lensa sferis. Sebelumnya, desainer mungkin ragu untuk mendesain di bidang dengan diameter lebih besar dari 100 mm, karena khawatir akan kemampuan manufaktur dan peralatan metrologi yang tersedia untuk memverifikasi bidang yang begitu besar. Namun, dengan kemajuan di bidang manufaktur dan metrologi, asphere sebesar 200 mm kini tersedia secara komersial.

Besar Versus Sangat Besar

Saat membahas bidang besar, penting untuk membedakan antara bidang besar dan bidang sangat besar, yang tidak dapat dibawa dengan tangan oleh satu orang dan memerlukan dukungan mekanis untuk memindahkannya. Mereka menghadirkan lebih banyak tantangan dan memerlukan perencanaan proses manufaktur di awal dengan sangat detail.

Meskipun sangat menyenangkan untuk menyelaraskan optik 1,02 meter pada mesin pemoles menggunakan palu godam, fokus artikel ini adalah pada batas produksi asfera besar yang diproduksi secara massal. Lensa ini memiliki pertimbangan dan batasan desain selain pertimbangan kemampuan manufaktur umum untuk asfer berukuran normal.

Pertimbangan Fabrikasi

Diameter

Batas manufaktur yang jelas yang terlintas dalam pikiran adalah ukuran mesin gerinda dan pemoles asphere. Banyak produsen mesin dengan mudah memberi label model mereka (misalnya CNC100, CNC200 atau CNC300), yang cenderung terkait dengan rentang gerak mesin. Sayangnya, ini tidak berarti bahwa mesin “CNC200” dapat digunakan untuk mengerjakan asphere besar berdiameter 200 mm.

Sebagai permulaan, selama proses pembuatan blanko berdiameter lebih besar digunakan, yang kemudian diturunkan ke diameter akhir di salah satu langkah pemrosesan terakhir. Tetapi yang lebih penting, batasan ukuran mesin diberikan oleh kombinasi kinematika mesin dan bentuk optik. Sebagai contoh, mari kita asumsikan bahwa optik ditempatkan menghadap ke atas pada spindel di tengah mesin, dan pahat disk yang berputar digerakkan secara radial, mulai dari satu sisi dan berakhir di sisi lainnya, dan posisi vertikal pahat adalah disesuaikan oleh mesin seperti yang dipersyaratkan oleh bentuk optik. Dari sana, dapat disimpulkan bahwa untuk optik cekung, alat harus bergerak jauh lebih sedikit secara horizontal untuk mengerjakan bagian berukuran sama daripada untuk optik cembung.

Insinyur fabrikasi optik mungkin dapat memeras beberapa milimeter tambahan jangkauan dengan mengutak-atik parameter proses, tetapi ini kemungkinan besar akan berdampak negatif pada biaya dan/atau kualitas dan/atau waktu tunggu. Dalam contoh di atas, seseorang mungkin mengurangi diameter roda, tetapi ini akan membatasi kecepatan potong dan meningkatkan waktu proses dan meningkatkan keausan pahat. Dengan demikian, label ini tidak menunjukkan batas yang pasti, tetapi transisi dari ekonomis ke mahal ke tidak layak.

Berat

Selain dimensi optik, mesin gerinda dan pemoles asphere juga memiliki batasan berat maksimum yang dapat dikerjakan mesin. Bergantung pada kinematika mesin, optik mungkin berputar dan/atau diterjemahkan dan motor yang memengaruhi gerakan ini perlu memiliki torsi yang cukup untuk menghasilkan akselerasi yang diperlukan. Dalam beberapa kasus, ini berarti bahwa alat berat harus dikonfigurasi secara khusus untuk benda kerja berat, yang dapat menyebabkan waktu siklus yang lebih lama dan dengan demikian biaya yang lebih tinggi.

Secara umum, pabrikan mesin memilih motor yang cukup kuat untuk mengerjakan beban tipikal benda kerja di kelas ukuran, jadi ini seharusnya tidak menjadi masalah. Namun, perlu diingat bahwa selama pembuatan, optik biasanya diikat ke pembawa untuk memudahkan transfer dan penyelarasan antara mesin dan peralatan pengukuran, yang juga menambah bobot.

Pertimbangan Metrologi

Diameter

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

Tinggi Sagittal

Selama pembuatan, asphere biasanya diukur menggunakan profilometer taktil. Dengan bertambahnya ukuran optik, kemungkinan tinggi sagital juga meningkat (tetapi ini sangat tergantung pada desain asfer yang sebenarnya). Faktor pembatas lain dari profilometer taktil, selain jangkauan perjalanan, adalah ketinggian stylus yang digunakan. Ini membatasi seberapa banyak yang dapat dicapainya di atas titik asfer cembung untuk mengukur profil permukaan di sisi yang berlawanan (Gambar 2).

Optik cekung memiliki batasan analog untuk menjangkau optik untuk mengukur titik. Ada beberapa trik yang dapat diterapkan oleh insinyur fabrikasi optik untuk memeras jarak tempuh lebih jauh dari platform metrologi yang dia miliki, tetapi ini akan kembali memengaruhi biaya dan/atau kualitas dan/atau waktu tunggu.

Akurasi

Selain itu, harus menggunakan stylus yang lebih besar dapat berdampak negatif pada keakuratan metrologi karena peningkatan bobot, kelenturan, dan ketidakstabilan, dan dengan demikian juga berdampak negatif pada biaya dan/atau kualitas dan/atau waktu tunggu.

Permukaan Non-Aspheric

Bagian belakang

Biasanya, bagian belakang non-asferis dari lensa asferis memiliki pengaruh terbatas pada analisis dan biaya manufakturabilitas. Untuk aspheres besar ini tidak lagi benar. Tentunya, peralatan yang digunakan harus mampu mengakomodasi ukuran optik. Lebih bermasalah adalah solusi metrologi, biasanya interferometer aperture besar. Jika toko optik juga memproduksi komponen seperti prisma, beamsplitter, dan jendela, kemungkinan besar toko optik tersebut dapat memanfaatkan peralatan yang ada. Meski begitu, tidak banyak produsen asphere yang memiliki solusi standar untuk mengukur permukaan planar lebih dari 10 inci (254 mm).

Untuk bagian belakang sferis cembung, solusi metrologi bahkan lebih terbatas, karena berinvestasi pada interferometer bukaan besar dan bidang transmisi bukaan besar terkait seringkali mahal atau tidak tersedia. Untuk bagian belakang bola yang cembung dan cekung, diameter yang lebih besar berjalan seiring dengan radius kelengkungan (RoC) yang lebih besar. Biasanya, RoC dikendalikan dengan menggerakkan panggung dengan optik yang dipasang di sepanjang rel antara posisi mata kucing (di mana sinar interferometer menyentuh satu titik pada permukaan bola) dan posisi confocal (di mana titik fokus sinar interferometer berada di jari-jari kelengkungan). Dengan demikian, jangkauan RoC yang dapat diukur dibatasi oleh panjang rel.

Selain itu, penggunaan pelat uji untuk kontrol dalam proses berisiko dan tidak praktis untuk optik berdiameter besar. Belum lagi kesulitan yang sama seperti yang disebutkan di atas berlaku untuk pembuatan pelat uji itu sendiri.

Tentu saja, untuk mengukur bagian belakang lensa asferis, seseorang dapat menggunakan metrologi asferis yang tersedia. Namun, ini membuat proses manufaktur menjadi mahal dan tidak efisien, karena permukaan sferis akan bersaing dengan sisi asferis untuk waktu pengukuran pada platform yang mahal dan metrologi asferis cenderung lebih memakan waktu dan/atau memerlukan keterampilan tambahan yang biasanya tidak ditemukan dalam optik sferis. pengrajin. Oleh karena itu, biasanya tidak praktis untuk mengintip permukaan bola menggunakan metrologi asphere selama manufaktur untuk memantau proses dan menyesuaikan parameter proses jika perlu.

Diameter

Seperti disebutkan sebelumnya, sebagai salah satu langkah pemrosesan terakhir, diameter bagian diturunkan ke diameter akhir. Jika toko optik tidak memiliki satu atau lebih mesin edging khusus, atau jika mereka tidak cukup besar untuk menangani diameter besar, bagian-bagiannya harus dipasang di mesin gerinda asphere. Ini tidak efisien dan mahal.

Kualitas dan Inspeksi Permukaan

Diperdebatkan, jumlah ketidaksempurnaan permukaan yang dibuat berkorelasi dengan area yang diproses. Dengan demikian, lebih sulit untuk mempertahankan spesifikasi toleransi kualitas permukaan yang ketat pada optik berdiameter lebih besar, baik yang ditentukan menggunakan standar ISO atau MIL. Selain itu, optik dengan diameter yang lebih besar lebih sulit untuk ditangani dan, dengan demikian, memiliki risiko cacat permukaan yang lebih tinggi karena kesalahan penanganan. Selain itu, pemeriksaan permukaan sangat rumit untuk optik berdiameter besar, karena memerlukan banyak penanganan.

Kosong

Kosong dapat datang baik sebagai cut-disk (disk dipotong dari batang dengan diameter yang memadai) atau menekan (anil dalam cetakan yang dibuat khusus). Untuk aspheres berukuran biasa, dapat menjadi faktor 3 atau 4 kali lebih ekonomis untuk menggunakan pengepresan untuk produksi volume tinggi, tergantung pada bahan yang tepat. Untuk blanko asphere yang besar, biaya material menjadi faktor pendorong di atas biaya tenaga kerja, seiring dengan peningkatan volume. Dengan demikian, pengepresan menjadi kurang menguntungkan untuk digunakan untuk blanko asferis besar, terutama mengingat pengepresan memiliki waktu tunggu yang lebih lama dan terbatas pada ketebalan tengah sekitar 40 mm.

Pelapis

Seperti disebutkan sebelumnya, dengan peningkatan ukuran optik, kemungkinan tinggi sagital juga meningkat. Ini akan berdampak negatif pada keseragaman lapisan, jadi ingatlah bahwa menentukan keseragaman lapisan yang sama seperti yang biasa dilakukan untuk asfer berukuran biasa pada asfer besar kemungkinan besar akan dikenakan biaya premium.

Dengan mengingat pertimbangan manufaktur dan metrologi ini, desain optik dapat menggabungkan asfer berdiameter besar ke dalam sistem optiknya. Sistem yang dihasilkan membuka jalan bagi aplikasi laser berdaya tinggi dan sistem pengumpulan cahaya dengan throughput tinggi. Terkadang lebih besar memang lebih baik.

Artikel ini ditulis oleh Wilhelmus Messelink, Direktur Teknologi, Edmund Optics Singapore; dan Shawn Scarfo, Manajer Lini Produk, Lensa, Edmund Optics (Barrington, NJ). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Mr. Messelink di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Perlukan JavaScript untuk melihatnya., Mr. Scarfo di Alamat email ini dilindungi dari Spambot. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya., atau kunjungi di sini .