Conception d'asphères de grand diamètre

L'industrie de l'optique connaît des tendances à la fois d'augmentation de la puissance laser et de l'avancement de la technologie de revêtement pour répondre à cette demande. Cependant, une optique n'a pas toujours besoin d'utiliser une technologie de revêtement de pointe pour implémenter des lasers haute puissance dans un système. Une deuxième solution consiste à augmenter la taille du faisceau, et donc la taille de l'optique, ce qui va diminuer la puissance globale ou la densité d'énergie par unité de surface sur l'optique. Cela nécessite des optiques à large expansion de faisceau, ainsi que des optiques de focalisation plus loin le long du chemin optique.

Un deuxième catalyseur pour augmenter la taille optique serait tout système de collecte de lumière qui collecte la lumière collimatée. Plus le diamètre d'une optique est grand, plus la surface à collecter est importante. Dans ces deux cas, et dans d'innombrables autres, il existe des augmentations de performances qui peuvent être réalisées en concevant des lentilles asphériques par opposition aux lentilles sphériques. Auparavant, les concepteurs hésitaient peut-être à concevoir dans des asphères d'un diamètre supérieur à 100 mm, s'inquiétant de la fabricabilité et de l'équipement de métrologie disponible pour vérifier une asphère aussi grande. Cependant, grâce aux progrès de la fabrication et de la métrologie, des asphères aussi grandes que 200 mm sont désormais disponibles dans le commerce.

Grand contre très grand

Lorsque l'on parle de grandes asphères, il est important de faire une distinction entre les grandes asphères et les très grandes asphères, qui ne peuvent pas être portées à la main par une seule personne et nécessitent un support mécanique pour les déplacer. Celles-ci présentent encore plus de défis et nécessitent de planifier en amont le processus de fabrication dans les moindres détails.

Bien qu'il soit vraiment amusant d'aligner une optique de 1,02 mètre sur une machine à polir à l'aide d'un marteau de forgeron, cet article se concentre sur les limites de fabrication des grandes asphères produites en série. Ces lentilles ont des considérations et des limites de conception en plus des considérations générales de fabrication pour les asphères de taille normale.

Considérations relatives à la fabrication

Diamètre

Une limite de fabrication évidente qui vient à l'esprit est la taille des machines de meulage et de polissage asphère. De nombreux fabricants de machines étiquettent commodément leurs modèles (par exemple CNC100, CNC200 ou CNC300), ce qui a tendance à être lié à l'amplitude de mouvement de la machine. Malheureusement, cela ne signifie pas qu'une machine "CNC200" peut être utilisée pour usiner une grande asphère de 200 mm de diamètre.

Pour commencer, pendant le processus de fabrication, une ébauche de plus grand diamètre est utilisée, qui est ensuite réduite au diamètre final dans l'une des dernières étapes de traitement. Mais plus important encore, la limitation de taille d'une machine est donnée par une combinaison de la cinématique de la machine et de la forme de l'optique. Par exemple, supposons que l'optique est placée face vers le haut sur une broche au centre de la machine et qu'un outil à disque rotatif est déplacé radialement, en commençant par un bord et en terminant par l'autre, et que la position verticale de l'outil est ajustée par la machine en fonction de la forme de l'optique. De là, il s'ensuit que pour une optique concave l'outil doit se déplacer beaucoup moins horizontalement pour usiner une pièce de même dimension que pour une optique convexe.

L'ingénieur en fabrication optique peut être en mesure d'extraire quelques millimètres supplémentaires de plage en ajustant les paramètres du processus, mais ceux-ci auront très probablement un impact négatif sur les coûts et/ou la qualité et/ou les délais. Dans l'exemple ci-dessus, on pourrait réduire le diamètre de la meule, mais cela limitera la vitesse de coupe et augmentera le temps de traitement et augmentera l'usure de l'outil. En tant que tels, ces labels n'indiquent pas une limite stricte, mais une transition d'économique à coûteux à irréalisable.

Poids

En plus des dimensions d'une optique, une machine de meulage et de polissage asphère a également une limite sur le poids maximum qu'elle est capable d'usiner. Selon la cinématique de la machine, l'optique peut être tournée et/ou translatée et les moteurs qui affectent ces mouvements doivent avoir suffisamment de couple pour générer l'accélération requise. Dans certains cas, cela signifie que la machine doit être configurée spécifiquement pour les pièces lourdes, ce qui peut entraîner des temps de cycle plus longs et donc des coûts plus élevés.

En général, les fabricants de machines sélectionnent des moteurs suffisamment puissants pour usiner les poids typiques des pièces de la classe de taille, ce qui devrait donc poser moins de problème. Cependant, gardez à l'esprit que lors de la fabrication, l'optique est généralement collée à un support pour faciliter le transfert et l'alignement entre les machines et l'équipement de mesure, ce qui ajoute également du poids.

Considérations métrologiques

Diamètre

En parlant de mesures, les limites de l'équipement de métrologie ne doivent pas être négligées. Et, bien sûr, la plate-forme de métrologie doit avoir une course suffisante pour atteindre le diamètre complet de l'optique.

Hauteur sagittale

Lors de la fabrication, une asphère est généralement mesurée à l'aide d'un profilomètre tactile. Avec l'augmentation de la taille de l'optique, il est également probable que la hauteur sagittale soit augmentée (mais cela dépend beaucoup de la conception réelle de l'asphère). Un autre facteur limitant d'un profilomètre tactile, en plus de la plage de déplacement, est la hauteur du stylet utilisé. Cela limite sa capacité à atteindre le sommet d'une asphère convexe pour mesurer le profil de la surface du côté opposé (Figure 2).

Une optique concave a une limitation analogue pour atteindre l'optique pour mesurer le sommet. Il existe quelques astuces que l'ingénieur en fabrication optique peut appliquer pour tirer un peu plus de profit de la plate-forme de métrologie dont il dispose, mais celles-ci affecteront à nouveau le coût et/ou la qualité et/ou les délais.

Précision

De plus, l'utilisation d'un stylet plus grand peut affecter négativement la précision de la métrologie en raison de l'augmentation du poids, de la flexibilité et de l'instabilité, et donc également affecter négativement le coût et/ou la qualité et/ou le délai.

Surfaces non asphériques

Envers

Typiquement, la face arrière non asphérique d'une lentille asphérique a une influence limitée sur l'analyse de fabricabilité et le coût. Pour les grandes asphères, ce n'est plus vrai. Évidemment, l'équipement utilisé doit pouvoir s'adapter à la taille de l'optique. Plus problématique est la solution de métrologie, typiquement un interféromètre à grande ouverture. Si un magasin d'optique produit également des composants tels que des prismes, des séparateurs de faisceau et des fenêtres, il peut très probablement tirer parti de l'équipement existant. Même ainsi, peu de fabricants d'asphères ont une solution standard pour mesurer des surfaces planes au-delà de 10 pouces (254 mm).

Pour les dos sphériques convexes, les solutions de métrologie sont encore plus limitées, car investir dans l'interféromètre à grande ouverture et les sphères de transmission à grande ouverture associées est souvent d'un coût prohibitif ou indisponible. Pour les dos sphériques convexes et concaves, un plus grand diamètre va de pair avec un plus grand rayon de courbure (RoC). En règle générale, le RoC est contrôlé en déplaçant une platine avec l'optique montée le long d'un rail entre la position de l'œil de chat (où le faisceau de l'interféromètre entre en contact avec un seul point sur la surface sphérique) et la position confocale (où le foyer ponctuel du faisceau de l'interféromètre est à le rayon de courbure). Ainsi, la plage de RoC pouvant être mesurée est limitée par la longueur du rail.

De plus, l'utilisation de plaques de test pour le contrôle en cours de fabrication est risquée et fastidieuse pour les optiques de grand diamètre. Sans oublier que les mêmes difficultés que celles mentionnées ci-dessus s'appliquent à la fabrication des plaques d'essai elles-mêmes.

Bien sûr, pour mesurer la face arrière d'une lentille asphérique, on pourrait utiliser la métrologie asphère disponible. Cependant, cela rend le processus de fabrication coûteux et inefficace, car la surface sphérique serait en concurrence avec le côté asphérique pour le temps de mesure sur une plate-forme coûteuse et la métrologie asphère a tendance à prendre plus de temps et/ou nécessite des compétences supplémentaires que l'on ne trouve généralement pas dans l'optique sphérique. artisans. En tant que tel, il n'est généralement pas pratique de jeter un coup d'œil rapide à la surface sphérique en utilisant la métrologie asphère pendant la fabrication pour surveiller le processus et ajuster les paramètres du processus si nécessaire.

Diamètre

Comme mentionné précédemment, lors de l'une des dernières étapes de traitement, le diamètre de la pièce est ramené au diamètre final. Si l'optique ne dispose pas d'une ou plusieurs meuleuses dédiées, ou si elles ne sont pas assez grandes pour traiter le grand diamètre, les pièces devront être meulées sur la rectifieuse asphère. C'est à la fois inefficace et coûteux.

Qualité et inspection des surfaces

On peut dire que le nombre d'imperfections de surface créées est en corrélation avec la zone traitée. En tant que tel, il est plus difficile de maintenir une spécification de tolérance de qualité de surface serrée sur une optique de plus grand diamètre, qu'elle soit spécifiée à l'aide de la norme ISO ou MIL. De plus, une optique de plus grand diamètre est plus difficile à manipuler et, en tant que telle, présente un risque plus élevé de défauts de surface dus à une mauvaise manipulation. De plus, l'inspection de surface est particulièrement lourde pour les optiques de grand diamètre, car elles nécessitent beaucoup de manipulations.

Vide

L'ébauche peut se présenter soit sous la forme d'un cut-disk (un disque découpé dans une tige de diamètre adéquat) soit d'un pressage (recuit dans des moules sur mesure). Pour les asphères de taille normale, il peut être 3 ou 4 fois plus économique d'utiliser des presses pour une production à grand volume, en fonction du matériau exact. Pour une grande ébauche d'asphère, le coût du matériau devient le facteur déterminant du coût de la main-d'œuvre, à mesure que le volume augmente. En tant que tels, les pressages deviennent moins avantageux à utiliser pour les grandes ébauches d'asphère, d'autant plus que les pressages ont un délai d'exécution plus long et sont limités à une épaisseur centrale d'environ 40 mm.

Revêtement

Comme mentionné précédemment, avec l'augmentation de la taille de l'optique, il est également probable que la hauteur sagittale soit augmentée. Cela aura une influence négative sur l'uniformité du revêtement, alors gardez à l'esprit que spécifier la même uniformité de revêtement que celle typique pour les asphères de taille normale sur une grande asphère entraînera très probablement une prime.

Garder à l'esprit ces considérations de fabrication et de métrologie permet aux conceptions optiques d'incorporer des asphères de grand diamètre dans leurs systèmes optiques. Les systèmes résultants ouvrent la voie à des applications laser haute puissance et à des systèmes de collecte de lumière à haut débit. Parfois, plus c'est gros, mieux c'est.

Cet article a été rédigé par Wilhelmus Messelink, directeur de la technologie, Edmund Optics Singapore ; et Shawn Scarfo, Product Line Manager, Lenses, Edmund Optics (Barrington, NJ). Pour plus d'informations, contactez M. Messelink à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser., M. Scarfo à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la voir., ou visitez ici .