Projetando esferas de grande diâmetro

A indústria óptica está experimentando tendências de aumento da potência do laser e o avanço da tecnologia de revestimento para atender a essa demanda. No entanto, uma óptica nem sempre precisa utilizar tecnologia de revestimento de ponta para implementar lasers de alta potência em um sistema. Uma segunda solução é aumentar o tamanho do feixe e, portanto, o tamanho da óptica, o que diminuirá a potência geral ou a densidade de energia por unidade de área na óptica. Isso requer óptica de expansão de feixe grande, bem como óptica de foco mais adiante no caminho óptico.

Um segundo catalisador para aumentar o tamanho óptico seria qualquer sistema de coleta de luz que esteja coletando luz colimada. Quanto maior o diâmetro de uma óptica, mais área de superfície para coletar. Em ambos os casos, e em inúmeros outros, há aumentos de desempenho que podem ser obtidos projetando em lentes asféricas em oposição a lentes esféricas. Anteriormente, os projetistas podem ter hesitado em projetar em esferas com diâmetros maiores que 100 mm, tendo preocupações com a fabricação e equipamentos de metrologia disponíveis para verificar uma esfera tão grande. No entanto, com os avanços tanto na fabricação quanto na metrologia, esferas de até 200 mm estão agora disponíveis comercialmente.

Grande versus Muito Grande

Ao discutir grandes aesferas, é importante fazer uma distinção entre grandes aesferas e aesferas muito grandes, que não podem ser transportadas manualmente por uma única pessoa e requerem suporte mecânico para movê-las. Esses apresentam ainda mais desafios e exigem um planejamento antecipado do processo de fabricação em grande detalhe.

Embora seja definitivamente divertido alinhar uma óptica de 1,02 metro em uma máquina de polir usando uma marreta, o foco deste artigo está nos limites de fabricação de grandes esferas produzidas em massa. Essas lentes têm considerações e limitações de design além das considerações gerais de fabricação para aspheres de tamanho normal.

Considerações de fabricação

Diâmetro

Um limite de fabricação óbvio que vem à mente é o tamanho das máquinas de retificação e polimento de esferas. Muitos fabricantes de máquinas rotulam convenientemente seus modelos (por exemplo, CNC100, CNC200 ou CNC300), o que tende a estar relacionado à amplitude de movimento da máquina. Infelizmente, isso não significa que uma máquina “CNC200” possa ser usada para usinar uma esfera grande de 200 mm de diâmetro.

Para começar, durante o processo de fabricação é usado um blank de maior diâmetro, que é então rebaixado até o diâmetro final em uma das últimas etapas de processamento. Mas, mais importante, a limitação de tamanho de uma máquina é dada por uma combinação da cinemática da máquina e da forma da óptica. Por exemplo, suponhamos que a ótica seja colocada sobre um fuso no centro da máquina, e uma ferramenta de disco giratório seja movida radialmente, começando em uma borda e terminando na outra, e a posição vertical da ferramenta seja ajustado pela máquina conforme exigido pela forma da óptica. A partir daí, segue-se que para uma óptica côncava a ferramenta tem que se deslocar muito menos horizontalmente para usinar a peça do mesmo tamanho do que para uma óptica convexa.

O engenheiro de fabricação óptica pode ser capaz de espremer alguns milímetros extras de alcance ajustando os parâmetros do processo, mas isso provavelmente afetará negativamente o custo e/ou qualidade e/ou prazo de entrega. No exemplo acima, pode-se reduzir o diâmetro do rebolo, mas isso limitará a velocidade de corte e aumentará o tempo de processo e aumentará o desgaste da ferramenta. Como tal, esses rótulos não indicam um limite rígido, mas uma transição do econômico para o caro para o inviável.

Peso

Além das dimensões de uma óptica, uma máquina de polimento e retificação de esferas também tem um limite de peso máximo que pode usinar. Dependendo da cinemática da máquina, a ótica pode ser girada e/ou transladada e os motores que afetam esses movimentos precisam ter torque suficiente para gerar a aceleração necessária. Em alguns casos, isso significa que a máquina deve ser configurada especificamente para peças pesadas, o que pode levar a tempos de ciclo mais longos e, portanto, a custos mais altos.

Em geral, os fabricantes de máquinas selecionam motores fortes o suficiente para usinar os pesos típicos das peças na classe de tamanho, portanto, isso deve ser um problema menor. No entanto, lembre-se de que, durante a fabricação, a óptica normalmente é colada a um transportador para facilitar a transferência e o alinhamento entre máquinas e equipamentos de medição, o que também adiciona peso.

Considerações sobre metrologia

Diâmetro

Falando em medições, as limitações dos equipamentos de metrologia não devem ser menosprezadas. E, claro, a plataforma de metrologia precisa ter deslocamento suficiente para atingir o diâmetro total da óptica.

Altura Sagital

Durante a fabricação, uma asfera é normalmente medida usando um perfilômetro tátil. Com o aumento do tamanho da óptica, também é provável que a altura sagital seja aumentada (mas isso depende muito do design real da esfera). Outro fator limitante de um perfilômetro tátil, além do alcance de deslocamento, é a altura da ponta utilizada. Isso limita o quanto ele é capaz de alcançar sobre o vértice de uma esfera convexa para medir o perfil da superfície do lado oposto (Figura 2).

Uma óptica côncava tem uma limitação análoga para alcançar a óptica para medir o vértice. Existem alguns truques que o engenheiro de fabricação óptica pode aplicar para extrair um pouco mais de quilometragem da plataforma de metrologia que ele tem à sua disposição, mas isso afetará novamente o custo e/ou qualidade e/ou lead time.

Precisão

Além disso, ter que usar uma ponta maior pode afetar negativamente a precisão da metrologia devido ao aumento do peso, flexibilidade e instabilidade e, portanto, também afetar negativamente o custo e/ou qualidade e/ou prazo de entrega.

Superfícies não asféricas

Parte traseira

Normalmente, a parte traseira não asférica de uma lente asférica tem uma influência limitada na análise de fabricação e custo. Para grandes aspheres isso não é mais verdade. Obviamente, o equipamento utilizado precisa ser capaz de acomodar o tamanho da ótica. Mais problemática é a solução de metrologia, tipicamente um interferômetro de grande abertura. Se uma ótica também produz componentes como prismas, divisores de feixes e janelas, ela provavelmente pode alavancar o equipamento existente. Mesmo assim, poucos fabricantes de aspheres têm uma solução padrão para medir superfícies planas além de 10 polegadas (254 mm).

Para partes traseiras esféricas convexas, as soluções de metrologia são ainda mais limitadas, pois investir no interferômetro de grande abertura e nas esferas de transmissão de grande abertura associadas é muitas vezes proibitivo ou indisponível. Para as partes traseiras esféricas convexas e côncavas, um diâmetro maior anda de mãos dadas com um maior raio de curvatura (RoC). Normalmente, o RoC é controlado movendo um palco com a ótica montada ao longo de um trilho entre a posição do olho de gato (onde o feixe do interferômetro entra em contato com um único ponto na superfície esférica) e a posição confocal (onde o foco do ponto do feixe do interferômetro está em o raio de curvatura). Assim, a faixa de RoC que pode ser medida é limitada pelo comprimento do trilho.

Além disso, o uso de placas de teste para controle em processo é arriscado e complicado para ópticas de grande diâmetro. Sem mencionar que as mesmas dificuldades mencionadas acima se aplicam à fabricação das próprias placas de teste.

Claro, para medir a parte traseira de uma lente asférica, pode-se fazer uso da metrologia de asfera disponível. No entanto, isso torna o processo de fabricação caro e ineficiente, pois a superfície esférica estaria competindo com o lado asférico pelo tempo de medição em uma plataforma cara e a metrologia da esfera tende a consumir mais tempo e/ou exigir habilidades adicionais não normalmente encontradas em óptica esférica artesãos. Como tal, normalmente é impraticável dar uma olhada rápida na superfície esférica usando metrologia asphere durante a fabricação para monitorar o processo e ajustar os parâmetros do processo, se necessário.

Diâmetro

Como mencionado anteriormente, como uma das últimas etapas de processamento, o diâmetro da peça é reduzido até o diâmetro final. Se a ótica não tiver uma ou mais máquinas de borda dedicadas, ou se elas não forem grandes o suficiente para lidar com o grande diâmetro, as peças terão que ser bordadas na retificadora de esferas. Isso é ineficiente e caro.

Qualidade e inspeção da superfície

Indiscutivelmente, o número de imperfeições de superfície criadas se correlaciona com a área processada. Como tal, é mais difícil manter uma especificação de tolerância de qualidade de superfície rígida em uma óptica de diâmetro maior, seja especificada usando o padrão ISO ou MIL. Além disso, uma óptica de maior diâmetro é mais difícil de manusear e, como tal, apresenta maior risco de defeitos de superfície devido ao manuseio incorreto. Além disso, a inspeção de superfície é especialmente complicada para ópticas de grande diâmetro, pois exigem muito manuseio.

Em branco

O blank pode vir como disco de corte (um disco cortado de uma haste de diâmetro adequado) ou prensado (recozido em moldes sob medida). Para esferas de tamanho regular, pode ser um fator de 3 ou 4 vezes mais econômico usar prensas para produção de alto volume, dependendo do material exato. Para um blank de esfera grande, o custo do material torna-se o fator determinante sobre o custo da mão de obra, à medida que o volume aumenta. Como tal, as prensas tornam-se menos vantajosas para uso em grandes blocos de asfera, especialmente considerando que as prensas têm um tempo de execução mais longo e são limitadas a uma espessura central de aproximadamente 40 mm.

Revestimento

Como mencionado anteriormente, com o aumento do tamanho da óptica, também é provável que a altura sagital seja aumentada. Isso influenciará negativamente a uniformidade do revestimento, portanto, lembre-se de que especificar a mesma uniformidade de revestimento típica para asferas de tamanho regular em uma esfera grande provavelmente resultará em um prêmio.

Manter essas considerações de fabricação e metrologia em mente permite que os projetos ópticos incorporem asferas de grande diâmetro em seus sistemas ópticos. Os sistemas resultantes abrem caminho para aplicações de laser de alta potência e sistemas de coleta de luz de alto rendimento. Às vezes maior realmente é melhor.

Este artigo foi escrito por Wilhelmus Messelink, Diretor de Tecnologia, Edmund Optics Singapore; e Shawn Scarfo, gerente de linha de produtos, lentes, Edmund Optics (Barrington, NJ). Para mais informações, entre em contato com o Sr. Messelink em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você deve habilitar o JavaScript para visualizá-lo., Sr. Scarfo em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo., ou visite aqui .