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Diseño de esferas de gran diámetro

La industria óptica está experimentando tendencias tanto de aumento de la potencia del láser como del avance de la tecnología de recubrimiento para satisfacer esta demanda. Sin embargo, una óptica no siempre necesita utilizar tecnología de recubrimiento de vanguardia para implementar láseres de alta potencia en un sistema. Una segunda solución es aumentar el tamaño del haz y, por lo tanto, el tamaño de la óptica, lo que reducirá la potencia total o la densidad de energía por unidad de área en la óptica. Esto requiere una óptica de expansión de haz grande, así como una óptica de enfoque más a lo largo del camino óptico.

Un segundo catalizador para aumentar el tamaño de la óptica sería cualquier sistema de recolección de luz que esté recolectando luz colimada. Cuanto mayor sea el diámetro de una óptica, mayor será el área de superficie para recolectar. En ambos casos, y en muchos otros, hay aumentos de rendimiento que se pueden lograr mediante el diseño de lentes asféricas en lugar de lentes esféricas. Anteriormente, los diseñadores pueden haber dudado en diseñar en esferas con diámetros superiores a 100 mm, ya que les preocupaba la capacidad de fabricación y el equipo de metrología disponible para verificar una esfera tan grande. Sin embargo, con los avances tanto en la fabricación como en la metrología, ahora están disponibles comercialmente esferas de hasta 200 mm.

Grande frente a muy grande

Cuando se habla de asferas grandes, es importante hacer una distinción entre las aesferas grandes y las aesferas muy grandes, que no pueden ser transportadas por una sola persona y requieren soporte mecánico para moverlas. Estos presentan aún más desafíos y requieren una planificación detallada del proceso de fabricación por adelantado.

Aunque definitivamente es divertido alinear una óptica de 1,02 metros en una máquina pulidora usando un mazo, el enfoque de este artículo está en los límites de fabricación de esferas grandes producidas en masa. Estos lentes tienen consideraciones y limitaciones de diseño además de las consideraciones generales de fabricación para asferas de tamaño normal.

Consideraciones de fabricación

Diámetro

Un límite de fabricación obvio que viene a la mente es el tamaño de las máquinas de esmerilado y pulido asphere. Muchos fabricantes de máquinas etiquetan convenientemente sus modelos (por ejemplo, CNC100, CNC200 o CNC300), lo que tiende a estar relacionado con el rango de movimiento de la máquina. Desafortunadamente, esto no significa que una máquina "CNC200" pueda usarse para mecanizar una gran esfera de 200 mm de diámetro.

Para empezar, durante el proceso de fabricación se utiliza una pieza en bruto de mayor diámetro, que luego se rebaja hasta el diámetro final en uno de los últimos pasos de procesamiento. Pero lo que es más importante, la limitación de tamaño de una máquina viene dada por una combinación de la cinemática de la máquina y la forma de la óptica. Por ejemplo, supongamos que la óptica se coloca hacia arriba en un husillo en el centro de la máquina, y una herramienta de disco giratorio se mueve radialmente, comenzando en un borde y terminando en el otro, y la posición vertical de la herramienta es ajustado por la máquina según lo requiera la forma de la óptica. De ahí se deduce que para una óptica cóncava la herramienta tiene que desplazarse mucho menos horizontalmente para mecanizar la pieza del mismo tamaño que para una óptica convexa.

El ingeniero de fabricación óptica podría obtener unos pocos milímetros adicionales de rango ajustando los parámetros del proceso, pero lo más probable es que esto afecte negativamente el costo y/o la calidad y/o el tiempo de entrega. En el ejemplo anterior, se podría reducir el diámetro de la rueda, pero esto limitará la velocidad de corte y aumentará el tiempo de proceso y el desgaste de la herramienta. Como tal, estas etiquetas no indican un límite estricto, sino una transición de económico a costoso o no factible.

Peso

Además de las dimensiones de una óptica, una máquina de esmerilado y pulido asphere también tiene un límite en el peso máximo que puede mecanizar. Dependiendo de la cinemática de la máquina, la óptica puede girar y/o trasladarse y los motores que afectan estos movimientos deben tener suficiente par para generar la aceleración requerida. En algunos casos, esto significa que la máquina debe configurarse específicamente para piezas de trabajo pesadas, lo que puede generar tiempos de ciclo más largos y, por lo tanto, un costo más alto.

En general, los fabricantes de máquinas seleccionan motores lo suficientemente fuertes como para mecanizar los pesos típicos de las piezas de trabajo en la clase de tamaño, por lo que esto debería ser un problema menor. Sin embargo, tenga en cuenta que durante la fabricación, la óptica generalmente se une a un soporte para facilitar la transferencia y alineación entre máquinas y equipos de medición, lo que también agrega peso.

Consideraciones de metrología

Diámetro

Hablando de mediciones, no se deben pasar por alto las limitaciones del equipo de metrología. Y, por supuesto, la plataforma de metrología debe tener suficiente recorrido para alcanzar el diámetro completo de la óptica.

Altura sagital

Durante la fabricación, una esfera se suele medir con un perfilómetro táctil. Con el aumento del tamaño de la óptica, también es probable que aumente la altura sagital (pero esto depende en gran medida del diseño real de la asfera). Otro factor limitante de un perfilómetro táctil, además del rango de recorrido, es la altura de la aguja utilizada. Esto limita cuánto puede llegar sobre el vértice de una esfera convexa para medir el perfil de la superficie en el lado opuesto (Figura 2).

Una óptica cóncava tiene una limitación análoga para alcanzar la óptica para medir el vértice. Hay algunos trucos que el ingeniero de fabricación óptica puede aplicar para exprimir un poco más la plataforma de metrología que tiene a su disposición, pero estos nuevamente afectarán el costo y/o la calidad y/o el tiempo de entrega.

Precisión

Además, tener que usar un palpador más grande puede afectar negativamente la precisión de la metrología debido al aumento del peso, la flexión y la inestabilidad y, por lo tanto, también afectar negativamente el costo y/o la calidad y/o el tiempo de entrega.

Superficies no asféricas

Parte trasera

Por lo general, la parte posterior no asférica de una lente asférica tiene una influencia limitada en el análisis y el costo de la capacidad de fabricación. Para grandes asferas esto ya no es cierto. Obviamente, el equipo utilizado debe poder adaptarse al tamaño de la óptica. Más problemática es la solución de metrología, típicamente un interferómetro de gran apertura. Si una tienda de óptica también produce componentes como prismas, divisores de haz y ventanas, lo más probable es que pueda aprovechar el equipo existente. Aun así, no muchos fabricantes de esferas tienen una solución estándar para medir superficies planas de más de 10 pulgadas (254 mm).

Para las partes traseras esféricas convexas, las soluciones de metrología son aún más limitadas, ya que invertir en el interferómetro de gran apertura y las esferas de transmisión de gran apertura asociadas a menudo tiene un costo prohibitivo o no está disponible. Tanto para las partes traseras esféricas convexas como para las cóncavas, un diámetro más grande va de la mano con un radio de curvatura (RoC) más grande. Por lo general, la RoC se controla moviendo una platina con la óptica montada a lo largo de un riel entre la posición del ojo de gato (donde el haz del interferómetro entra en contacto con un solo punto en la superficie esférica) y la posición confocal (donde el punto de enfoque del haz del interferómetro está en el radio de curvatura). Por lo tanto, el rango de RoC que se puede medir está limitado por la longitud del riel.

Además, el uso de placas de prueba para el control durante el proceso es arriesgado y engorroso para la óptica de gran diámetro. Sin mencionar que las mismas dificultades mencionadas anteriormente se aplican a la fabricación de las propias placas de prueba.

Por supuesto, para medir la parte trasera de una lente asférica, se podría utilizar la metrología aesférica disponible. Sin embargo, esto hace que el proceso de fabricación sea costoso e ineficiente, ya que la superficie esférica competiría con el lado asférico por el tiempo de medición en una plataforma costosa y la metrología esférica tiende a consumir más tiempo y/o requiere habilidades adicionales que normalmente no se encuentran en la óptica esférica. artesanos Como tal, normalmente no es práctico echar un vistazo rápido a la superficie esférica usando la metrología de una esfera durante la fabricación para monitorear el proceso y ajustar los parámetros del proceso si es necesario.

Diámetro

Como se mencionó anteriormente, como uno de los últimos pasos del procesamiento, el diámetro de la pieza se reduce hasta el diámetro final. Si el taller de óptica no tiene una o más máquinas biseladoras dedicadas, o si no son lo suficientemente grandes para manejar el gran diámetro, las piezas deberán ser biseladas en la rectificadora asphere. Esto es ineficiente y costoso.

Calidad e inspección de superficies

Podría decirse que el número de imperfecciones superficiales creadas se correlaciona con el área procesada. Como tal, es más difícil mantener una especificación de tolerancia de calidad de superficie estricta en una óptica de mayor diámetro, ya sea que se especifique utilizando el estándar ISO o MIL. Además, una óptica de mayor diámetro es más difícil de manejar y, como tal, presenta un mayor riesgo de defectos superficiales debido a un mal manejo. Además, la inspección de superficies es especialmente engorrosa para las ópticas de gran diámetro, ya que requieren mucha manipulación.

En blanco

El blanco puede venir como un disco cortado (un disco cortado de una varilla de diámetro adecuado) o prensado (recocido en moldes hechos a la medida). Para esferas de tamaño regular, puede ser un factor de 3 o 4 veces más económico usar prensas para producción de alto volumen, dependiendo del material exacto. Para una gran pieza en blanco de una esfera, el costo del material se convierte en el factor determinante del costo de la mano de obra, a medida que aumenta el volumen. Como tal, los prensados ​​se vuelven menos ventajosos para usar en espacios en blanco de una esfera grande, especialmente considerando que los prensados ​​tienen un tiempo de entrega más largo y están limitados a un grosor central de aproximadamente 40 mm.

Revestimiento

Como se mencionó anteriormente, con el aumento de tamaño de la óptica, también es probable que aumente la altura sagital. Esto influirá negativamente en la uniformidad del recubrimiento, así que tenga en cuenta que especificar la misma uniformidad de recubrimiento típica para esferas de tamaño regular en una esfera grande probablemente generará una prima.

Tener en cuenta estas consideraciones de fabricación y metrología permite que los diseños ópticos incorporen esferas de gran diámetro en sus sistemas ópticos. Los sistemas resultantes allanan el camino para aplicaciones láser de alta potencia y sistemas de recolección de luz de alto rendimiento. A veces, más grande es realmente mejor.

Este artículo fue escrito por Wilhelmus Messelink, Director de Tecnología, Edmund Optics Singapur; y Shawn Scarfo, gerente de línea de productos, lentes, Edmund Optics (Barrington, NJ). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Messelink en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Es necesario activar Javascript para visualizarla. Sr. Scarfo en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo o visite aquí .


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