고출력 레이저 시스템용 대구경 비구면 렌즈 설계

광학 산업은 레이저 출력이 증가하고 이를 수용하기 위한 코팅 기술이 발전하는 추세를 경험하고 있습니다. 그러나 광학 소자가 항상 최첨단 코팅 기술을 활용하여 고출력 레이저를 시스템에 구현할 필요는 없습니다. 두 번째 해결책은 빔 크기를 늘리고 따라서 광학 소자 크기를 늘리는 것입니다. 이는 광학 소자 단위 면적당 전체 전력 또는 에너지 밀도를 낮춥니다. 이는 큰 빔 확장 광학과 광학 경로 더 앞쪽의 집속 광학을 필요로 합니다.

[그림 1]은 대구경 비구면 렌즈를 보여줍니다.

광학 소자 크기를 늘리는 두 번째 촉매는 평행광을 수집하는 모든 광 수집 시스템입니다. 광학 소자 직경이 클수록 수집할 표면적이 더 많습니다. 이 두 경우와 수많은 다른 경우에서 구면 렌즈 대신 비구면 렌즈를 설계함으로써 실현할 수 있는 성능 향상이 있습니다. 이전에는 설계자들이 제조 가능성과 계측 장비 가용성에 대한 우려로 직경 100mm 이상의 비구면 설계에 주저했을 수 있습니다. 그러나 제조와 계측의 발전으로 이제 직경 200mm까지 비구면을 상업적으로 이용할 수 있습니다.

대형 vs 초대형

대형 비구면을 논의할 때 대형 비구면과 초대형 비구면을 구분하는 것이 중요합니다. 초대형 비구면은 한 사람이 손으로 운반할 수 없고 이동을 위해 기계적 지원이 필요합니다. 이들은 훨씬 더 많은 도전을 제시하며 제조 공정을 처음부터 매우 상세하게 계획해야 합니다.

1.02미터 광학 소자를 망치로 연마 기계에 정렬하는 것은 확실히 재미있지만, 이 기사의 초점은 대량 생산 대형 비구면의 제조 한계입니다. 이 렌즈들은 일반 크기 비구면에 대한 일반적인 제조 가능성 고려사항 외에도 설계 고려사항과 제한이 있습니다.

제작 고려사항

직경

명백한 제조 한계는 비구면 연마 및 폴리싱 기계의 크기입니다. 많은 기계 제조업체가 모델에 편리하게 라벨을 붙입니다(예: CNC100, CNC200, CNC300). 이는 기계의 이동 범위와 관련이 있는 경향이 있습니다. 불행히도 이는 'CNC200' 기계로 200mm 직경 대형 비구면을 가공할 수 있다는 것을 의미하지는 않습니다.

우선 제조 공정 중 더 큰 직경 블랭크를 사용하며, 이는 마지막 가공 단계 중 하나에서 최종 직경으로 에지 다운됩니다. 더 중요하게는 기계의 크기 제한은 기계의 운동학과 광학 소자 모양의 조합에 의해 주어집니다. 예를 들어 광학 소자가 기계 중앙의 스핀들에 위를 향하게 놓여지고 회전 디스크 공구가 방사상으로 이동하여 한 가장자리에서 시작하여 다른 가장자리에서 끝나며, 공구의 수직 위치가 광학 소자 모양에 따라 기계에 의해 조정된다고 가정해 봅시다. 거기서 오목 광학 소자의 경우 볼록 광학 소자와 같은 크기의 부품을 가공하는 데 훨씬 적은 수평 이동이 필요함을 알 수 있습니다.

광학 제작 엔지니어는 공정 매개변수를 조정하여 몇 밀리미터의 범위를 더 짜낼 수 있지만, 이는 비용 및/또는 품질 및/또는 납기에 부정적 영향을 미칠 가능성이 높습니다. 위 예에서 디스크 직경을 줄일 수 있지만 이는 절단 속도를 제한하고 공정 시간과 공구 마모를 증가시킵니다. 따라서 이러한 라벨은 엄격한 한계를 나타내지 않고 경제적에서 비경제적, 비실현 가능으로의 전환을 나타냅니다.

무게

광학 소자 치수 외에도 비구면 연마 및 폴리싱 기계는 가공할 수 있는 최대 무게 한계가 있습니다. 기계 운동학에 따라 광학 소자가 회전되고/또는 이동되며 이러한 움직임에 영향을 주는 모터는 필요한 가속도를 생성하기에 충분한 토크를 가져야 합니다. 일부 경우 이는 기계가 무거운 공작물에 특별히 구성되어야 함을 의미하며, 이는 더 긴 사이클 시간과 따라서 더 높은 비용으로 이어질 수 있습니다.

일반적으로 기계 제조업체는 크기 등급의 일반적인 공작물 무게를 가공할 수 있을 만큼 강력한 모터를 선택하므로 이는 덜 문제여야 합니다. 그러나 제조 중 광학 소자는 일반적으로 기계와 계측 장비 간 쉬운 이송과 정렬을 위해 캐리어에 본딩되며, 이는 무게도 추가합니다.

계측 고려사항

직경

측정 측면에서 계측 장비의 한계를 간과해서는 안 됩니다. 그리고 물론 계측 플랫폼은 광학 소자의 전체 직경에 도달할 만큼 충분한 이동 범위가 있어야 합니다.

새깃 높이(Sagittal Height)

[그림 2]는 새깃 높이를 보여줍니다.

제조 중 비구면은 일반적으로 촉각 프로필로미터로 측정됩니다. 광학 소자 크기 증가에 따라 새깃 높이도 증가할 가능성이 높습니다(하지만 이는 실제 비구면 설계에 매우 많이 의존합니다). 촉각 프로필로미터의 이동 범위 외에 또 다른 제한 요소는 사용되는 스타일러스의 높이입니다. 이는 볼록 비구면의 정점을 넘어 반대쪽 표면 프로필을 측정하기 위해 얼마나 도달할 수 있는지를 제한합니다(그림 2).

오목 광학 소자는 정점을 측정하기 위해 광학 소자 내부로 도달하는 것과 유사한 제한이 있습니다. 광학 제작 엔지니어가 보유한 계측 플랫폼에서 약간 더 많은 마일리지를 짜내기 위해 적용할 수 있는 트릭이 있지만, 이는 다시 비용 및/또는 품질 및/또는 납기에 영향을 미칩니다.

정확도

[그림 3]은 정확도 관련 사항을 보여줍니다.

또한 더 큰 스타일러스를 사용해야 하면 무게, 휨, 불안정성 증가로 인해 계측 정확도에 부정적 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 비용 및/또는 품질 및/또는 납기에도 부정적 영향을 미칩니다.

비비구면 표면

뒷면

일반적으로 비구면 렌즈의 비비구면 뒷면은 제조 가능성 분석과 비용에 제한된 영향을 미칩니다. 대형 비구면에서는 더 이상 그렇지 않습니다. 분명히 사용 장비는 광학 소자 크기를 수용할 수 있어야 합니다. 더 문제가 되는 것은 계측 솔루션, 일반적으로 대구경 간섭계입니다. 광학 공장이 프리즘, 빔스플리터, 윈도우 같은 구성 요소도 생산한다면 기존 장비를 활용할 수 있습니다. 그렇다고 해도 10인치(254mm) 이상의 평면 표면을 측정하는 표준 솔루션을 가진 비구면 제조업체는 많지 않습니다.

볼록 구면 뒷면의 경우 계측 솔루션은 훨씬 더 제한적입니다. 대구경 간섭계와 관련 대구경 투과 구에 투자하는 것이 종종 비용 금지적이거나 불가능하기 때문입니다. 볼록 및 오목 구면 뒷면 모두 더 큰 직경은 더 큰 곡률 반경(RoC)과 함께 갑니다. 일반적으로 RoC는 광학 소자가 장착된 스테이지를 레일을 따라 고양이 눈 위치(간섭계 빔이 구면 표면의 단일 점에 접촉하는 위치)와 공초점 위치(간섭계 빔의 점 초점이 곡률 반경에 있는 위치) 사이로 이동하여 제어됩니다. 따라서 측정 가능한 RoC 범위는 레일 길이에 의해 제한됩니다.

공정 내 통제를 위한 테스트 플레이트 사용은 대구경 광학 소자에 대해 위험하고 번거롭습니다. 테스트 플레이트 자체 제조에 위에서 언급한 같은 어려움이 적용된다는 점은 말할 것도 없습니다.

물론 비구면 렌즈 뒷면을 측정하기 위해 사용 가능한 비구면 계측을 활용할 수 있습니다. 그러나 이는 구면 표면이 비싸고 비구면 측면을 위해 측정 시간을 경쟁하게 만들고 비구면 계측은 구면 광학 장인이 일반적으로 갖고 있지 않은 추가 기술과 더 많은 시간이 필요하므로 제조 공정을 비용이 많이 들고 비효율적으로 만듭니다. 따라서 제조 중 공정을 모니터링하고 필요시 공정 매개변수를 조정하기 위해 구면 표면을 비구면 계측으로 빠르게 살펴보는 것은 일반적으로 비현실적입니다.

직경

앞서 언급했듯이 마지막 가공 단계 중 하나로 부품 직경이 최종 직경으로 에지 다운됩니다. 광학 공장에 전용 에징 머신이 하나 이상 없거나 대구경을 처리할 만큼 충분히 크지 않으면 부품을 비구면 연마 기계에서 에지해야 합니다. 이는 비효율적이고 비쌉니다.

표면 품질 및 검사

아마도 생성된 표면 결함 수는 가공된 면적과 상관관계가 있습니다. 따라서 더 큰 직경 광학 소자에서 엄격한 표면 품질 공차 사양을 유지하는 것이 더 어렵습니다. ISO 또는 MIL 표준으로 지정되든 상관없이. 또한 더 큰 직경 광학 소자는 다루기 더 어렵고, 따라서 취급 부주의로 인한 표면 결함 위험이 더 높습니다. 또한 표면 검사는 대구경 광학 소자에 특히 번거롭습니다. 많은 취급이 필요하기 때문입니다.

블랭크

블랭크는 적절한 직경의 막대에서 자른 컷디스크 또는 프레싱(맞춤형 금형에서 어닐링)으로 올 수 있습니다. 일반 크기 비구면의 경우 정확한 소재에 따라 대량 생산 시 프레싱을 사용하는 것이 3~4배 더 경제적일 수 있습니다. 대형 비구면 블랭크의 경우 부피가 증가함에 따라 소재 비용이 인건비보다 주도적 요인이 됩니다. 따라서 프레싱은 대형 비구면 블랭크에 덜 유리해지며, 특히 프레싱은 더 긴 리드타임을 가지고 있고 센터 두께 약 40mm로 제한된다는 점을 고려하면 더욱 그렇습니다.

코팅

앞서 언급했듯이 광학 소자 크기 증가에 따라 새깃 높이도 증가할 가능성이 높습니다. 이는 코팅 균일성에 부정적 영향을 미치므로, 일반 크기 비구면에 전형적인 것과 같은 코팅 균일성을 대형 비구면에 지정하면 거의 확실히 프리미엄이 발생할 것임을 명심하세요.

이러한 제조 및 계측 고려사항을 염두에 두면 광학 설계자는 대구경 비구면을 광학 시스템에 통합할 수 있습니다. 결과 시스템은 고출력 레이저 응용 및 고처리량 광 수집 시스템의 길을 엽니다. 때로는 더 큰 것이 진정으로 더 낫습니다.

이 기사는 Edmund Optics Singapore 기술 이사 Wilhelmus Messelink와 Edmund Optics(미국 뉴저지주 배링턴) 렌즈 제품 라인 매니저 Shawn Scarfo가 작성했습니다. 자세한 정보는 이메일(스팸 방지를 위해 자바스크립트 필요) 또는 여기를 방문하세요.