Asférické mýty – fakta a fikce

Asféry získávají stále větší význam a staly se standardními komponentami v mnoha oblastech použití. Najdeme je ve fotoobjektivech s vysokou světelnou intenzitou nebo širokoúhlých objektivech, v endoskopech, magneskopech a dalekohledech, ale i v high-tech aplikacích, například v letectví a kosmonautice. S rozvojem moderních výrobních technologií se zastaralé představy a předsudky o asférách mění v mýty. Některé z nich si představíme níže a ukážeme, které asférické mýty lze dnes považovat za překonané.

Mýtus 1: Cena asféry roste s odchylkou od nejlepší přizpůsobené sféry!

Rozšířený předpoklad říká, že výrobní náklady a tím i prodejní cena asférického objektivu rostou s odchylkou od nejlepší přizpůsobené sféry.

Ve skutečnosti geometrie, tj. odchylka od nejlepší přizpůsobené sféry, nemá přímý vliv na výrobní náklady. Moderní výrobní technologie nabízejí vysokou míru flexibility při volbě nástrojů, což výrazně zvyšuje rozsah možných geometrických tvarů.

Kromě volby materiálu a průměru objektivu má na výrobní náklady mnohem větší vliv odchylka povrchového tvaru a kvalita povrchu. Specifikace povrchu určují, která výrobní a měřicí strategie bude použita, a tím i výrobní dobu. Oba faktory se přímo odrážejí v ceně.

Mýtus 2: Asféry by neměly mít inflexní body!

Existují případy, kdy konstrukce objektivu bez inflexních bodů nedosáhne požadovaného výkonu. Dlouhou dobu se považovalo za nemožné inflexní body vyrobit tradičními výrobními technologiemi. Interferometrické měření asféry s inflexními body bylo také problematické nebo dokonce nemožné.

Díky moderním výrobním technologiím a sofistikovaným interferometrickým algoritmům je nyní jediným limitujícím faktorem velikost nejmenšího nástroje při výrobě geometrií s inflexními body. Současně by neměl být nejmenší lokální poloměr křivosti menší než 10 mm. S ohledem na tyto požadavky není výroba asférických povrchů s inflexními body složitější než výroba jiných konkávních geometrií.

Fig. 1: Representation of an asphere with inflection points

Mýtus 3: Výška a nepravidelnost postačují pro definici odchylky povrchového tvaru asférického povrchu!

Výška (power) a nepravidelnost se používají k určení odchylky povrchového tvaru u plochých a sférických povrchů. Díky procesům obrábění celého povrchu je dosaženo dostatečného popisu, protože odchylky od nominálního tvaru jsou převážně rotačně symetrické a představují dlouhovlnné chyby.

Tvar asféry vyžaduje výrobu v subaperturách, což znamená, že relativně malý brousek nebo lešticí nástroj zpracovává části povrchu objektivu. Vzniklé odchylky často nejsou rotačně symetrické a mají tendenci být vysokofrekvenční.

Fig. 2: Measured slope deviation of an asphere of the a|FizeriC 4 “with R/D 0.55

Pro adekvátní určení kvality povrchu asféry jsou proto k výšce a nepravidelnosti doplněny odchylky sklonu (RMSΔS).

Mýtus 4: Interferometrické měření asfér je možné pouze s CGH!

Interferometry jsou považovány za standardní přístroje pro metrologii sférických povrchů. Překrytím sférického referenčního svazku s odraženým svazkem od měřeného objektu vzniká interferenční obrazec – tzv. interferogram. Odchylky měřeného objektu od ideálního sférického tvaru jsou takto viditelné.

Asféra se odlišuje od sférického tvaru, proto nelze tento princip měření aplikovat jeden k jednomu. Sférická vlna nezasahuje kolmo na asférický povrch ve všech bodech.

V minulosti bylo interferometrické měření asfér možné pouze pomocí CGH – počítačem generovaného hologramu. CGH vytváří vlnoplochu ve tvaru nominální asféry, čímž vzniká interferogram ukazující odchylku měřeného objektu po překrytí obou svazků. CGH je významným nákladovým faktorem, protože musí být vyroben individuálně pro každou geometrii objektivu.

Fig. 3: Interferogram of an asphere

Moderní měřicí algoritmy a metrologická zařízení tento problém řeší a umožňují interferometrické měření bez nutnosti pořízení CGH. Díky těmto asférickým interferometrům je poprvé možné měřit asféry efektivně a flexibilně, zejména v malých sériích.

Mýtus 5: Vysoce přesné povrchy lze dosáhnout pouze u asfér s malou odchylkou od nejlepší přizpůsobené sféry!

Tento předpoklad lze zřejmě vysvětlit rozšířeným názorem, že prvním výrobním krokem je výroba nejlepší přizpůsobené sféry.

Ve skutečnosti je tvar asféry nejprve vytvořen CNC broušením. Následný lešticí proces a další high-end dokončovací procesy zajišťují vysoce přesný povrchový tvar. I strmé asféry lze těmito procesy vyrobit s nejvyšší přesností. Například RMSi 6 nm lze realizovat pro sklony až 42°. Výroba objektivů s maximálním sklonem 90° je aktuálně možná s nepravidelností 2 interferenčních pruhů.

Fig. 4: Lens drawing and interferogram of the aspheric surface of one a|BeamExpander with a maximum slope of 42°, with a measured RMSi of 6 nm

Mýtus 6: Asféry nejsou vhodné pro sériovou výrobu!

Stále přetrvává názor, že asféry jsou vhodné pouze pro laboratorní sestavy, výzkum a vývoj nebo náročné aplikace.

Díky nejmodernějším výrobním a metrologickým postupům lze asféry vyrábět sériově se stabilní a reprodukovatelnou přesností.

Zvýšením velikosti série jsou náklady na nastavení rovnoměrně rozděleny, což vede k nižší jednotkové ceně. Moderní řízení strojů a výrobní měřicí technologie optimalizují výrobní proces, zvyšují výtěžnost a zkracují výrobní dobu.

Přesné asféry se již ve velkém množství používají v oblastech, jako je laserové zpracování materiálů, medicínská technologie, metrologie a zpracování obrazu.

Mýtus 7: Drsnost pod Sq=5Å je na asférických površích nemožná!

Celoplošné opracování plochých povrchů a sfér činí drsnost několika Ångströmů již běžnou záležitostí. Kvůli geometrii asféry se však používá zcela odlišná technologie – tzv. subaperturové opracování, které může na povrchu objektivu zanechat vysokofrekvenční mikrostruktury. Tyto struktury byly důvodem, proč bylo v minulosti téměř nemožné dosáhnout náročných hodnot drsnosti na asférách, podobně jako u plochých povrchů a sfér.

Díky kontinuálnímu vývoji interního řídicího softwaru a moderních výrobních technologií je nyní možné optimalizovat výrobní proces tak, aby podle geometrie a materiálu objektivu bylo možné dosáhnout drsnosti Sq=5 Å.

Ångströmové leštění asphericonu podporuje uživatele v oblasti UV a vysokovýkonných laserů, aby se předešlo rozptýlenému světlu, a to dosažením nejnižší drsnosti povrchu 5 Å (Sq podle ISO 10110) na téměř všech asférických površích.

Fig. 5: Differentiation of various materials according to surface roughness

Existují další mýty o asférách, které byste chtěli vyvrátit z vašeho pohledu? Pošlete nám zprávu e-mailem a podělte se o ně.