Asférické čočky s vysokou přesností

Společnost asphericon se specializuje na výrobu a opracování obzvláště přesných asférických čoček. Nejlepší kvalita a nedostižná přesnost jsou přitom hlavními pilíři produktů, které pro vás vyvíjíme – od jednotlivé asférické optiky přes montovanou optiku až po komplexní systémy.

Výhody asférických čoček

Nasazením asférické čočky v optických systémech se dociluje mnoha výhod. Přitom jsou výsledky porovnání asférické čočky vůči klasické sférické následující. Výhody asfér jsou:

korektura sférické aberace
zmenšení systému
redukce hmotnosti

KOREKTURA ABERACÍ

U sférických čoček nutně vznikají vady zobrazení, tzv. sférické aberace (viz obrázek vlevo). Důsledkem je lehce nejasné, neostře působící zobrazení, neboť světelné svazky nedorazí na optickou osu v jednom ohniskovém bodě. Svazky se v závislosti na své vzdálenosti od optické osy různě silně lámou: ty, které jdou periferními pásmy čočky, se lámou silněji. Asférická čočka naproti tomu je rotačně symetrická, s jedním nebo více nesférickými povrchy, které se odchylují od tvaru koule. Tyto povrchy mění svůj rádius zakřivení s rostoucí vzdáleností od optické osy.

Přesně tyto vlastnosti umožňují, aby se svazky setkávaly v jednom bodě a sférická aberace tak byla korigována. Díky nejmodernějším výrobním technologiím je pro asphericon možné vyrábět i v sérii asférické čočky s nejvyšší přesností.

Asféra — Obrázek 1: Vznik aberace u sférické čočky (vlevo) a korektura při použití asférické čočky (vpravo).

ZMENŠENÍ OPTICKÝCH SYSTÉMŮ A REDUKCE HMOTNOSTI

V oblasti designu optiky umožňuje použití asférické čočky zmenšení optického systému. Optická aplikace, která vyžaduje k realizaci několik sférických čoček, může být někdy nahrazena jednou jedinou asférickou čočkou. Umožňuje to vysoká korekční hodnota aberací. Snížením počtu optických komponent, je navíc celý systém kompaktnější a je také možné redukovat jeho celkovou hmotnost. Názorný příklad pro zmenšení optického systému je možné najít v oblasti rozšiřování svazku. Monolitický rozšiřovač svazku a|BeamExpander se pro každý prvek skládá pouze z jedné jediné asférické čočky. Díky afokálnímu charakteru se dají jednotlivé monolity zařazovat i sériově. To umožňuje vysokou variabilitu v oblasti rozšiřování svazků. V porovnání s konvenčními systémy jako jsou Keplerův dalekohled a Galileův dalekohled se konstrukční délka redukuje až o 50 %, a to při stejném zvětšení a kvalitě. Pro konkrétní případ aplikace jsou tři uvedené optické systémy níže znázorněny s 10násobným zvětšením. Výsledek: s asférickým systémem se redukuje konstrukční velikost až o 50 %. Navíc systém funguje kompletně na hranici difrakčního limitu, a to i při kombinaci až 5 rozšiřovačů svazku a|BeamExpander.

Obrázek 2: Porovnání systémů rozšíření svazku Keplerova dalekohledu, Galileova dalekohledu a prvku a|BeamExpander (založeného na asférických čočkách) pro 10násobné rozšíření svazku.

Co jsou asférické čočky? – Matematický popis

Na základě tvaru odchylujícího se od koule je třeba komplexnějšího opisu rotačně symetrické asférické optiky. Tradičně mohou být asférické profily povrchů čoček popsány následujícím vzorcem.

\( z(h) = \frac {h^2}{R(1+\sqrt{1-(1+k) \frac{h^2}{R^2})}} + \sum_{i=2}^{n} A_{2i} h^{2i}\)

z = klenutí čočky
h = vzdálenost kolmo k optické ose (výška dopadu)
R = rádius
k = kónická konstanta
A_2i = asférické koeficienty korekturního polynomu

Pokud se příslušný asférický koeficient rotačně symetrické asféry rovná nule, bude na výsledný profil plochy nahlíženo jako na kónický. V závislosti na kónické konstantě k slouží jako popis tvaru povrchu jedna z následujících kuželoseček:

Kónická konstanta	kuželosečka
k = 0	koule
k > -1	elipsoid
k = -1	paraboloid
k < -1	hyperboloid

S ISO 10110 novelizovaným v roce 2015 existuje alternativa k tradičnímu popisu asférických povrchů. Na základě ortonormálních polynomů je možno za jejich pomocí namodelovat reálný rozdíl prohnutí vůči nejlépe přizpůsobenému kulovému tvaru asférické čočky. Nový vzorec obsahuje přídavně kvocient povrchu Qm a zní:

\( z(h) = \frac {h^2}{R[1+\sqrt{1- \frac{h^2}{R^2}]}} + (\frac{h}{h_0})^2 \frac {[1- (\frac{h}{h_0})^2]}{\sqrt{1-(\frac{h}{R})^2}} \sum_{m=0}^{N} A_m*Q_m (\frac{h^2}{h_0^2})\)

S přepracovaným vzorcem vznikají rozsáhlé výhody, které popis povrchů zjednodušují. Velkou výhodou je, že je k popisu profilu povrchu třeba méně signifikantních čísel. Další výhoda vzniká, co se týká odchylky prohnutí. Tu je možno odhadnout tak, že se největší koeficient Am vynásobí maximální amplitudou pro řád tohoto koeficientu.

Asférický profil povrchu

Tři nejčastěji uváděné vady povrchu jsou:

vada tvaru,
zvlnění a
povrchová drsnost.

Představují odchylky reálné plochy vůči ploše ideální, a to i pro asférické čočky. Parametry k popisu profilu povrchu umožňují po obrobení určení jakosti vyrobeného profilu čočky. Vysoká kvalita povrchu může být mimo jiné realizována prostřednictvím vysoké stability procesu.

Parametry povrchu	Vady tvaru	Zvlnění	Drsnost povrchu
Odchylka od tvaru

Obrázek 3: Porovnání tří nejčastějších odchylek povrchu (vada tvaru, zvlnění a drsnost povrchu) dle charakteru a druhu odchylky.

VADA TVARU

Vada tvaru popisuje výškové rozdíly od nejhlubšího k nejvyššímu bodu kontrolovaného povrchu. Obrazně se říká od vrcholu do údolí, přičemž se vada tvaru udává přes hodnotu PV, peak-to-valley. Pro kontrolu povrchu asférické čočky je hodnota PV jednou z nejdůležitějších specifikací povrchu. Ta se vyhodnocuje ve vlnách nebo v interferenčních proužcích (Fringes). Kromě toho je odchylku možné interpretovat jako RMS nebo mikrometrická odchylka. Hodnota RMS (Root Mean Square) popisuje průměrný kvadratický rozdíl skutečné plochy vůči ploše plánované při zohlednění vadné plochy.

ZVLNĚNÍ

Vady zvlnění na asférické čočce mohou vzniknout např. leštícími nástroji během procesu obrábění. Tato odchylka povrchu je také specifická dle aplikace. Zvlnění má delší vlnovou délku než drsnost, pročež jsou k její kontrole vyfiltrovány krátké vlnové délky. Smí pojít pouze nízké frekvence. Často se mluví o vadě sklonu, která se zjišťuje na definované délce. Údaj o tolerancích zvlnění je nezbytný pouze tehdy, když má zvlnění vliv na optický účel asférické čočky.

DRSNOST POVRCHU

Drsnost povrchu popisuje nejmenší nepravidelnosti na optickém povrchu. Proto jsou pro účely analýzy zkoumány pouze krátké vlnové délky a nízké frekvence vyfiltrovány. Drsnost povrchu platí jako měřítko jakosti pro lešticí operace. Vliv na optické aplikace asférické čočky může být často rozhodující. Tak může vést vysoká míra drsnosti k rychlejšímu opotřebení asféry, jakmile na ni působí vysoké výkony, např. u laseru. Navíc snižují rozptyly kvalitu výsledků měření, přičemž nízká drsnost povrchu platí za vysokou známku kvality. V oblastech jako měřicí technika nebo letectví a kosmonautika se na kvalitu povrchu klade veliký důraz. Stanovení drsnosti povrchu patří k výrobnímu procesu zejména pro oblast vysoce kvalitních asférických čoček.

asphericon stanovuje standardy ve výrobě vysoce přesné optiky

asphericon se specializuje na výrobu asférických čoček broušením, leštěním, obráběním diamantem, jakož i High-End Finishing. Přitom je polotovar podrobován různým pracovním operacím:

broušení nebo obrábění diamantem pro tvarování,
leštění broušené asférické čočky,
měření za účelem kontroly tvaru a povrchu,
měření a obrábění asférické optiky prostřednictvím High-End Finishing.

BROUŠENÍ A LEŠTĚNÍ

Polotovary jsou již vytvarované čočky, které jsou výchozím materiálem pro další proces k výrobě asférické čočky. V první pracovní operaci se polotovar brousí, aby mu byl dán požadovaný tvar. Pro tuto komplexní operaci jsou používány různé brusné nástroje a technologie. Schopnost simulace jednotlivých kroků procesu umožňuje díky jedinečnému řídicímu software CNC od asphericon realizaci v dosud nevídané formě pro vysokou flexibilitu a spolehlivost během celého procesu. Následně zaujímá důležitou část výroby proces leštění. Krok za krokem se povrch přepracovává tak, aby bylo dosaženo stanovených požadavků (např. tvarové odchylky povrchu). Leštění může probíhat opracováním geometricky neurčitým velmi jemným zrnem, ale také chemickým úběrem. Hotová vyleštěná čočka disponuje hladce vyleštěným povrchem bez pórů a hloubkových trhlin, jakož i požadovanou přesností tvaru a jakostí povrchu.

OBRÁBĚNÍ DIAMANTEM

Proces obrábění diamantem je alternativním obráběcím postupem k tvarování asférické čočky. K opracování povrchu čočky je používán monokrystalický diamant. Ten je oproti brusným nástrojům podstatně menší a jemnější. Z důvodu jeho vysoké tvrdosti je možné ultra přesné obrobení čočky, čímž je dosaženo zlepšené kvality povrchu. Diamantem mohou být vedle asférické čočky z plastu obráběny také neželezné kovy, nikl-fosforové vrstvy, krystaly a IR skla.

Měření asférické optiky

Následné měření asférické čočky slouží ke kontrole tvaru a povrchu, aby bylo možné zjistit a korigovat případné existující odchylky. Asférická čočka může být v závislosti na stavu obrobení a přesnosti měřena kontaktně a opticky, resp. bezdotykově. Celoplošné přesné měření asférických čoček a jiné optiky u společnosti asphericon zahrnuje:

Kontaktní měřicí postupy až do průměru 260 mm
Celoplošné bezdotykové měření do průměru 420 mm
Bezdotykové měření centrální tloušťky
Měření drsnosti Ra < 0,5 nm RMS, měřící pole až 1x1 mm
Měření tvaru free form optiky, tvarové tolerance a drsnosti
Měření/ kontrolu polohy objímek a držáků, montovaných asférických čoček a kompletních systémů
Konfokální 3D charakterizaci defektů

KONTAKTNÍ MĚŘENÍ POVRCHŮ

Při kontaktních měřicích postupech se plocha optiky objede snímačem. Zjišťují se skutečné výškové rozdíly na projeté dráze měření na povrchu vůči plánované ploše objektu měření. Zjištěná data výškových rozdílů jsou následně analyzována a vyhodnocována softwarem. K přesnému určení kontury povrchu je třeba tuhý systém snímačů, jakož i co možná nejkonstantnější přítlačná síla kuličky sondy. Ke komplexnějším dotykovým měřicím přístrojům patří např. 3D souřadnicová měřicí zařízení a měřák tvaru Mahr MFU, přičemž oba tyto typy zařízení jsou u asphericon používány.

INTERFEROMETRICKÉ MĚŘENÍ POVRCHU

Mnohem běžnější jsou pro kontroly asférických povrchů interferometrické měřicí postupy. Interferometry jsou založené na principu interference, tzn. složení dvou koherentních světelných vln (kontrolního svazku a referenčního svazku) přes sebe. Vznikne charakteristický interferenční obrazec ve formě proužků, který je použit k vyhodnocení optického povrchu. Interferenční proužky jsou rozdíly v intenzitě, které vznikají posunem fází kontrolních a referenčních vln. To znamená, že na základě toho jsou viditelné odchylky povrchu asférické čočky od ideálního tvaru. K tomu, aby byla vytvořena asférická referenční vlnoplocha, je k měření asférické čočky částečně doplňkově třeba počítačově generovaný hologram (CGH). Takové měření se při měřicích postupech s posunem fází opakuje s více posuny referenční plochy, čímž vznikne celoplošná mapa vad měřené asférické čočky. Zcela bez CGH měří měřicí systém MarOpto TWI 60, který je společností asphericon používán od roku 2017 a který je považován za špičku v optické měřicí technice. Moderní interferometr měří prostřednictvím různě nakloněných vlnoploch a kontroluje tak asférické čočky a free form optiky v sekundové rychlosti.

High-End Finishing pro preciznější povrchy

Posledním krokem opracování v rámci výroby asférické čočky je proces High-End Finishing. Ten slouží jako finální korekturní operace k ještě přesnějšímu opracování povrchu. Technologie ION-Finish™ (= bodové opracování optických povrchů pomocí zaměřovaného iontového svazku) vyvinutá firmou asphericon a magnetorheologická technologie (krátce MRF, jako mechanický postup nanášení politury s magnetoheologickou kapalinou z magnetických částic, lešticího prostředku a vody) umožňují přesnosti λ/600 RMS na rovinných plochách – a to i v sériové výrobě. Navíc nabízí asphericon Ångström leštění coby postup pro asférické povrchy s hodnotami drsnosti 5 Å (Rq dle ISO 10110). Tato povrchová úprava je plně automaticky řízená na základě CNC a je možné ji obzvláště doporučit k opracování optiky, které jsou používány do aplikací s vysokými laserovými výkony.

Příklady aplikace asférické čočky

Možnosti aplikace asférické optiky vyplývají zejména z jejích výhod oproti sférickým optikám. Největší výhodou jsou korektury sférických aberací a s tím spojené lepší zobrazovací vlastnosti.

Například dnešní dalekohledy jsou téměř vždy asférické, především pak ty o větším průměru. Také do objektivů s přiblížením jsou montovány asférické čočky. Nejenže přitom zmenšují velikost systému, ale také zvyšují kvalitu obrazu v porovnání s aplikacemi se sférickými čočkami.

Asférické čočky mohou být nasazeny k pozorování hvězd, ale i v letectví a kosmonautice. Například satelit Sentinel-4 obsahuje ve svém spektrometru asférickou optiku od firmy asphericon. Pro nasazení ve vesmíru musí optiky vykazovat nejen vynikající optické vlastnosti, nýbrž také odolávat extrémním podmínkám okolního prostředí. Více k projektu Sentinel-4 se dozvíte zde.

Další oblastí aplikace je tvarování laserového svazku, jako je vytváření profilů Top-Hat. V systému tvarování svazku se dvěma asférickými čočkami k vytvoření rozložení Top-Hat například první čočka přerozděluje vstupní laserové svazky (Gaussovo rozdělení) nejprve tak, že v určité vzdálenosti nastaví homogenní rozptyl intenzity. Druhou čočkou se následně svazek kolimuje – čímž vzniká charakteristické rozložení Top-Hat. Takové asférické aplikace jsou zajímavé například ve zpracování materiálů (např. řezání kovů), ale také v medicíně (např. dermatologie). Detailní popis tvarování laserového svazku asférickou čočkou a další příklady aplikace naleznete na našem blogu.

Také zobrazovací oftalmologicko-instrumentální postupy pracují s asférickými čočkami. Namontované ve speciálních instrumentech podporují při preventivních a postoperativních vyšetřeních, ošetřeních a diagnózách v oku, jako například základních vyšetřeních očního pozadí pomocí štěrbinové lampy nebo kamery pozadí. Vedle vysokého rozlišení zobrazení garantují asférické čočky kompaktní konstrukci oftalmologických pozorovacích systémů, jakož i velmi dobrou kvalitu zobrazení.

V průmyslových oblastech jako jsou výroba, kontrola kvality a robotika, jsou vyžadovány vysoce kvalitní kamerové systémy. Ty jsou vybaveny objektivy, které mohou být založeny na asférických čočkách. Objektivy musí odolávat i těm nejobtížnějším podmínkám, jako jsou například vysoké teploty za stálého nasazení. Jejich úkolem je světlo rozptylované objektem zaměřit na sensor citlivý na světlo. Po absolvování dalších různých procesních kroků se touto cestou dostanou důležitá data ke svému cíli.

Jedna pro trh ještě nová aplikace asférických čoček se nachází v oblasti měřicí techniky. Její nasazení přitom může zřetelně zredukovat celkový počet použitých čoček ve Fizeau transmisní sféře, a kromě toho také zvětšit možnou oblast měření. Další výhoda: objektiv se nasazením menšího počtu čoček také zřetelně lehčí. Informace k použití asférických čoček v objektivech naleznete v referenci k naší asférické Fizeau čočce.

Výrobní kapacity

Sáhněte po individuálním řešení na zakázku Custom nebo využijte inovativní rozmanitosti našich katalogových asfér a|Aspheres StockOptics, které jsou skladem.

	Specifické asféry na zakázku*	Katalogové StockOptics asféry skladem
Průměr	4-300 mm	10-100 mm
Průměr tolerance	+/- 0,03 mm	+/- 0,05 mm
RMS_i	20 nm	≤ 300 nm
Nedokonalosti povrchu (Scratch/Dig) (vady povrchu)	20-10	20-20
Depozice tenkých vrstev	dle přání zákazníka	4 standardní provedení tenkých vrstev
Práh poškození způsobeného laserem	NA	12 J/cm², 100 Hz, 6 ns, 532 nm**
Měření (volitelná opce)	celoplošně interferometricky	celoplošně interferometricky
Dodací lhůty	od cca 3-4 týdnů	od 1 dne

*Best-fit údaje| **100 Hz, 6ns, 532 nm

Asférické čočky od asphericon

Rozhodněte se pro optické prvky od asphericon a profitujte z těchto výhod:

ASFÉRICKÁ OPTIKA NA NEJVYŠŠÍ ÚROVNI

asphericon vyrábí vaše produkty na přání na nejvyšší technologické úrovni. Celosvětově jedinečná technologie řízení našich CNC strojů garantuje perfektně vypracovanou asférickou čočku dle vašich představ v téměř každém tvaru a každé velikosti. Vyrábíme na absolutní hranici možností a dosahujeme přesnosti na atomární úrovni.

Zadání poptávky

OPTIMALIZACE POVRCHŮ S NAPROSTOU PŘESNOSTÍ

Asférická čočka „made by asphericon“ má pro vás optimalizované funkční plochy s jedinečnými vlastnostmi, které nikde jinde nenajdete. Povrchy extrémně precizně opracované různými výrobními postupy zaručeně splní vaše nároky.

Přes technické výzvy, které asférická čočka na výrobce při opracování klade, dalece přesahujeme u High-End-Finishing s naší technologií asphericon ION-FinishTM a Magnetorheological Finishing-Technology® mezinárodní standardy.

Zadání poptávky

KNOW-HOW S EKONOMIČNOSTÍ

Profitujte 1:1 z naší zkušenosti z četných projektů s renomovanými ekonomickými subjekty a průmyslovými partnery. Jsme schopni pro vás cíleně zrealizovat i individuální řešení, která jsou skutečnou výzvou.

Jak u malých, tak i velkých objednacích množství pracujeme s osvědčenou přesností a současně dbáme na to, abychom pracovali efektivně a ekonomicky. Tak, aby byl váš projekt úspěšný!

Zadání poptávky

Vlastní řešení asférických čoček

Objevte možnosti, které pro Vaše asférické čočky in-house poskytujeme:

specifický optický design dle potřeb zákazníka
vysoce kvalitní optické tenké vrstvy
realizace jako montované optické prvky v objímkách a uchycení
kontaktní a interferometrické měření
optická charakterizace

V každé asférické optice od asphericon se skrývají komprimované odborné znalosti a zkušenosti z náročných zákaznických projektů. Vy si zvolíte z četných různých tvarů a materiálů pro všechny vlnové délky ty, které se hodí pro vaši aplikaci, my zajistíme realizaci.