대구경 비구면 설계

광학 산업은 이러한 수요를 수용하기 위해 레이저 출력이 증가하고 코팅 기술이 발전하는 추세를 경험하고 있습니다. 그러나 광학 장치가 시스템에 고출력 레이저를 구현하기 위해 항상 첨단 코팅 기술을 활용할 필요는 없습니다. 두 번째 솔루션은 빔의 크기를 늘리고 따라서 광학 장치의 크기를 늘리는 것입니다. 그러면 광학 장치의 단위 면적당 전체 전력 또는 에너지 밀도가 낮아집니다. 이를 위해서는 대형 빔 확장 광학 장치와 광학 경로를 따라 더 멀리 초점 광학 장치가 필요합니다.

광학 크기를 증가시키는 두 번째 촉매는 시준된 빛을 수집하는 모든 집광 시스템입니다. 옵틱의 직경이 클수록 수집할 표면적이 더 커집니다. 이 두 경우와 셀 수 없이 많은 다른 경우에 구면 렌즈가 아닌 비구면 렌즈로 설계함으로써 실현할 수 있는 성능 향상이 있습니다. 이전에는 설계자가 직경이 100mm보다 큰 비구면에서 설계하는 것을 주저했을 수 있으며, 제조 가능성과 너무 큰 구면체를 검증하는 데 사용할 수 있는 계측 장비에 대한 우려가 있습니다. 그러나 제조 및 계측 모두의 발전으로 인해 200mm만큼 큰 비구면이 이제 상업적으로 이용 가능합니다.

대형 대 매우 큼

큰 구에 대해 논의할 때 큰 구와 매우 큰 구를 구별하는 것이 중요합니다. 이 구는 한 사람이 손으로 옮길 수 없고 이동하려면 기계적 지원이 필요합니다. 이는 훨씬 더 많은 도전 과제를 제시하며 제조 공정을 사전에 매우 상세하게 계획해야 합니다.

썰매 망치를 사용하여 연마 기계에 1.02미터 광학을 정렬하는 것은 확실히 재미있지만 이 기사의 초점은 대량 생산되는 대형 비구면의 제조 한계에 있습니다. 이러한 렌즈에는 일반 크기의 비구면에 대한 일반적인 제조 가능성 고려 사항 외에도 설계 고려 사항 및 제한 사항이 있습니다.

제작 고려사항

직경

마음에 떠오르는 명백한 제조 한계는 구면 연삭 및 연마 기계의 크기입니다. 많은 기계 제조업체는 기계의 동작 범위와 관련된 경향이 있는 모델(예:CNC100, CNC200 또는 CNC300)에 편리하게 레이블을 지정합니다. 불행히도 이것이 "CNC200" 기계를 사용하여 직경 200mm의 큰 비구면을 가공할 수 있다는 의미는 아닙니다.

우선, 제조 공정 중에 더 큰 직경의 블랭크가 사용되며, 그런 다음 마지막 처리 단계 중 하나에서 최종 직경으로 축소됩니다. 그러나 더 중요한 것은 기계의 크기 제한이 기계의 운동학과 광학 장치의 모양의 조합에 의해 결정된다는 것입니다. 예를 들어, 광학 장치가 기계 중앙의 스핀들에 위로 향하게 배치되고 회전하는 디스크 도구가 방사형으로 이동하여 한쪽 가장자리에서 시작하여 다른 가장자리에서 마무리되며 도구의 수직 위치가 다음과 같다고 가정해 보겠습니다. 광학의 모양에 의해 요구되는 대로 기계에 의해 조정됩니다. 여기에서 볼록 광학 부품보다 동일한 크기의 부품을 가공하기 위해 오목 광학 장치의 경우 도구가 수평으로 훨씬 덜 이동해야 합니다.

광학 제조 엔지니어는 공정 매개변수를 조정하여 추가로 몇 밀리미터의 범위를 좁힐 수 있지만 비용 및/또는 품질 및/또는 리드 타임에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 높습니다. 위의 예에서 휠의 직경을 줄일 수 있지만 이는 절삭 속도를 제한하고 공정 시간을 증가시키며 공구 마모를 증가시킵니다. 따라서 이러한 레이블은 엄격한 제한이 아니라 경제적인 것에서 고가의 것으로, 실현 불가능한 것으로의 전환을 나타냅니다.

무게

광학 장치의 치수 외에도 비구면 연삭 및 연마 기계는 가공할 수 있는 최대 중량에도 제한이 있습니다. 기계의 운동학에 따라 광학 장치가 회전 및/또는 변환될 수 있으며 이러한 동작에 영향을 미치는 모터는 필요한 가속을 생성하기에 충분한 토크를 가져야 합니다. 어떤 경우에는 기계가 무거운 공작물에 맞게 특별히 구성되어야 하므로 사이클 시간이 길어지고 비용이 증가할 수 있습니다.

일반적으로 기계 제조업체는 크기 등급에서 공작물의 일반적인 중량을 기계로 가공할 수 있을 만큼 충분히 강한 모터를 선택하므로 이는 문제가 되지 않습니다. 그러나 제조하는 동안 광학 장치는 일반적으로 기계와 측정 장비 간의 쉬운 이동 및 정렬을 위해 캐리어에 결합되어 무게가 추가된다는 점을 명심하십시오.

측정 고려 사항

직경

측정에 대해 말하면 계측 장비의 한계를 간과해서는 안 됩니다. 물론 계측 플랫폼은 광학계의 전체 직경에 도달할 수 있는 충분한 이동 거리가 있어야 합니다.

시상 높이

제조 중에 구면은 일반적으로 촉각 프로파일로미터를 사용하여 측정됩니다. 옵틱의 크기가 증가하면 시상 높이도 증가할 가능성이 있습니다(그러나 이는 구면의 실제 디자인에 따라 크게 달라짐). 이동 범위 외에도 촉각 프로파일로미터의 또 다른 제한 요소는 사용된 스타일러스의 높이입니다. 이것은 반대쪽 표면의 프로파일을 측정하기 위해 볼록 비구면의 꼭짓점에 도달할 수 있는 범위를 제한합니다(그림 2).

오목 광학 장치는 정점을 측정하기 위해 광학 장치에 도달하는 것과 유사한 제한이 있습니다. 광학 제조 엔지니어가 사용할 수 있는 계측 플랫폼에서 더 많은 마일리지를 끌어내기 위해 적용할 수 있는 몇 가지 트릭이 있지만, 이는 다시 비용 및/또는 품질 및/또는 리드 타임에 영향을 미칩니다.

정확도

또한, 더 큰 스타일러스를 사용해야 하는 경우 증가된 중량, 유연성 및 불안정성으로 인해 측정 정확도에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 비용 및/또는 품질 및/또는 리드 타임에도 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

비구면 표면

뒷면

일반적으로 비구면 렌즈의 비구면 후면은 제조 가능성 분석 및 비용에 제한적인 영향을 미칩니다. 큰 구의 경우 이것은 더 이상 사실이 아닙니다. 분명히 사용되는 장비는 광학 장치의 크기를 수용할 수 있어야 합니다. 더 문제는 일반적으로 큰 구경 간섭계인 계측 솔루션입니다. 광학 공장에서 프리즘, 빔 스플리터 및 창과 같은 구성 요소도 생산하는 경우 기존 장비를 활용할 가능성이 큽니다. 그럼에도 불구하고 10인치(254mm)를 초과하는 평면 표면을 측정하는 표준 솔루션을 가지고 있는 비구면 제조업체는 많지 않습니다.

볼록한 구면 후면의 경우 대구경 간섭계 및 관련 대구경 투과구에 투자하는 것이 비용이 많이 들거나 사용할 수 없기 때문에 계측 솔루션은 훨씬 더 제한적입니다. 볼록한 구면과 오목한 구면 뒷면 모두에서 더 큰 직경은 더 큰 곡률 반경(RoC)과 함께 사용됩니다. 일반적으로 RoC는 캣츠 아이 위치(간섭계의 빔이 구면의 단일 지점과 접촉하는 위치)와 공초점 위치(간섭계 빔의 포인트 초점이 곡률 반경). 따라서 측정할 수 있는 RoC의 범위는 레일의 길이에 의해 제한됩니다.

또한, 공정 제어를 위한 테스트 플레이트의 사용은 큰 직경의 광학 장치에 대해 위험하고 번거롭습니다. 위에서 언급한 것과 동일한 어려움이 테스트 플레이트 자체의 제조에도 적용된다는 것은 말할 것도 없습니다.

물론 비구면 렌즈의 뒷면을 측정하기 위해 사용 가능한 구면 측정을 사용할 수 있습니다. 그러나 고가의 플랫폼에서 측정 시간에 대해 구면이 비구면과 경쟁하고 비구면 계측은 더 많은 시간이 소요되는 경향이 있고 구면 광학에서 일반적으로 볼 수 없는 추가 기술이 필요한 경향이 있기 때문에 이렇게 하면 제조 프로세스가 비용이 많이 들고 비효율적입니다. 장인. 따라서 제조 과정에서 공정을 모니터링하고 필요한 경우 공정 매개변수를 조정하기 위해 비구면 계측을 사용하여 구면을 빠르게 들여다보는 것은 일반적으로 비현실적입니다.

직경

앞서 언급했듯이 마지막 가공 단계 중 하나로 부품의 직경을 최종 직경까지 축소합니다. 안경점에 하나 이상의 전용 에징 기계가 없거나 큰 직경을 처리하기에 충분히 크지 않은 경우 부품은 구면 연삭 기계에서 에지를 가공해야 합니다. 이는 비효율적이며 비용도 많이 듭니다.

표면 품질 및 검사

틀림없이, 생성된 표면 결함의 수는 처리된 영역과 상관 관계가 있습니다. 따라서 ISO 또는 MIL 표준을 사용하여 지정되었는지 여부에 관계없이 더 큰 직경의 광학 장치에서 엄격한 표면 품질 공차 사양을 유지하는 것이 더 어렵습니다. 또한, 더 큰 직경의 광학 장치는 다루기가 더 어렵고, 따라서 잘못된 취급으로 인한 표면 결함의 위험이 더 높습니다. 또한, 표면 검사는 많은 취급이 필요하기 때문에 특히 대구경 광학 기기의 경우 번거롭습니다.

공백

블랭크는 컷 디스크(적절한 직경의 막대에서 절단된 디스크) 또는 프레싱(맞춤형 몰드에서 풀림)로 제공될 수 있습니다. 일반 크기의 비구면의 경우 정확한 재료에 따라 대량 생산을 위해 프레스를 사용하는 것이 3배 또는 4배 더 경제적일 수 있습니다. 큰 구면 블랭크의 경우 부피가 증가함에 따라 재료 비용이 인건비보다 중요한 요인이 됩니다. 따라서 프레스는 리드 타임이 더 길고 중심 두께가 약 40mm로 제한된다는 점을 고려할 때 대형 비구면 블랭크에 사용하는 것이 유리하지 않습니다.

코팅

이전에 언급했듯이 광학의 크기가 증가함에 따라 시상 높이도 증가할 가능성이 있습니다. 이는 코팅 균일성에 부정적인 영향을 미치므로 큰 구면에서 일반 크기의 구면과 동일한 코팅 균일성을 지정하면 프리미엄이 발생할 가능성이 높다는 점을 명심하십시오.

이러한 제조 및 계측 고려 사항을 염두에두면 광학 설계에서 광학 시스템에 대구경 구를 통합할 수 있습니다. 결과 시스템은 고출력 레이저 응용 분야 및 고처리량 집광 시스템을 위한 길을 열어줍니다. 때로는 더 큰 것이 더 좋습니다.

이 기사는 Edmund Optics Singapore의 기술 이사인 Wilhelmus Messelink가 작성했습니다. 및 Shawn Scarfo, 렌즈 제품 라인 관리자, Edmund Optics(뉴저지 배링턴). 자세한 내용은 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있습니다.에서 Mr. Messelink에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있습니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 을(를) 방문하십시오. 여기 .