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光学复制工艺生产的反射镜一般都可以在基座加工时,直接完成机械接口的加工,可以节省光学元件的装配工序及安装微调所需的成本,因此相对传统的工艺,光学复制技术大大的节约了这部分的成本。从反射光学元件的光学复制工艺的特点,我们往往更喜欢采用金属作为基底材料,而不是玻璃材料。金属作为基底材料比玻璃材料更加适合于光学复制,这样也能降低单个元件的材料成本。考虑到透射光学元件,我们必须采用透明的材料(通常使用光学玻璃),由于相对于普通工艺而言,透射光学元件的表面总需要抛光的;因此如果光学元件的表面是球面或平面的话,光学复制工艺不是成本最低的方法。但是如果表面是非球面的话,光学复制工艺将具有最大的成本优势。
普通光栅或者全息光栅,无论是反射型或透射型的光栅一般都采用光学复制技术进行批量生产,而且是该类产品最有效的一种生产方法,我们在此不进行复述。
平面金属反射镜同玻璃材质相比较,加工简便很多。它们可以通过机械车床直接加工成方形、椭圆形或者其他不规则的形状,以符合光学孔径及安装的要求。并且十分方便的就能同整个系统整合在一起。
光/机接口可以设计加工成同镜面平面成任意角度、或者可以设计在一个较远的位置;也或可以设计成特殊的形式, 机械机构或光路可以在反射镜的前、后通过。以目前我们生产的扫描反射镜为例,它们的轴承就是直接设计穿过反射镜,而且元件的正反面都有反射镜面。
考虑到我们通常可以将不同的复制平面反射镜的模具使用在其他的产品上,因此可以大大地减少客户在生产或试制过程中的成本。
光学元件的表面精度也是选择光学复制工艺的一个主要因素。对于精度要求比较低的光学元件,一般可以通过对平板玻璃或玻璃片的直接镀膜进行加工,因此不必考虑复制工艺;而且从成本角度看,普通低精度的加工工艺简单、快速,比光学复制工艺要低很多。因此只有当平面反射镜要求达到一个相当高的精度时,才会考虑使用光学复制工艺。 只要保留合适的直径/厚度比,大尺寸的金属平面复制反射镜通常都可以达到1/10波长的表面精度。批量生产这一精度的、尺寸在2英寸(50mm)以下的复制反射镜,成本相当低。批量生产尺寸在4英寸(100mm)左右的复制反射镜,也是实际可行的。我们可以批量生产12英寸(300mm)左右的,达到这一精度的反射镜;但是考虑到合格率的问题,成本可能较高。对于12英寸(300mm)以上的反射镜,一般精度在1/4波长复制工艺的合格率较高。设计复制平面光学元件时,直径/厚度比和基座材料的选用对成本有十分关键的影响。轻量化或者低物理惯量,是另一个考虑采用光学复制技术的重要因素。从很多应用实例看,用户选择复制工艺往往是出于对轻量化或降低物理惯量的需求,而非对表面的精度的要求。金属材质的基座十分易于轻量化加工,考虑到价格,很多设计会采用铝合金。相比传统工艺,需要对铝合金表面进行抛光后,再进行渗镍;光学复制工艺可以直接将光学表面直接转到铝合金基座上,无需渗镍的工艺。
通过普通的加工工艺得到绝对精度很高的球面是非常贵的,但是通过光学复制工艺可以解决这一问题。我们先有一个高精度的模具,它的曲率精度很高,通过复制后可以将这个精度转移到复制元件上。考虑到模具加工虽然贵,但是可以分摊到以后长期生产的产品上,因此每个产品分担的这部分成本就比较少了。 采用普通的自动加工中心(CNC)对基座进行低精度的非球面车削加工,成本不高;而高精度的光学表面可以直接复制到基座上,应用光学复制技术生产非球面光学元件是成本最低的工艺。对于高精度的非球面模具加工成本很高,但是考虑到它可以分摊到以后的长期供应的复制元件上,每个元件所负担的费用是很有限的。 不管是数量只有几个的,空间试验用的轻量化、高精度、离轴抛物面光学元件;还是有一定批量的,比较简单的、相对没有特别高精度要求的光学元件,都可以考虑采用光学复制的技术生产。
下列是我们经常生产的几种非球面(包含离轴非球面)
采用光学复制技术生产的透射光学元件相对较少。一般非球面的光学件、复眼透镜阵列、施密特板、激光唱片播放器镜头、照相机镜头以及相位板等光学元件实际上都可用光学复制工艺生产。采用光学复制技术生产的元件的尺寸可以从1mm到1m。基底材料往往是光学玻璃或光学塑料。采用的环氧树脂一般有两种功能,可以掩饰钻石车削留在模具表面的痕迹,同时提高基底材料的表面精度。目前理波光电富兰克林工厂所使用的环氧树脂,在紫外波段到近红外波段,都具有良好透过率。
中空角锥反射器,又称自反射元件是目前正采用光学复制技术批量生产的元件之一。这些元件目前常用在不能有玻璃棱镜的光路中、必须轻量化的用途中、会产生震动、冲击的工作环境中,以及对元件的热稳定性有要求的设备上。复制工艺所使用的模具为阳模,采用传统的抛光工艺制成。如果客户的要求批量较少,我们可以采用3片同时复制的技术;如果批量较大,我们会订制浇铸铝合金基座或者烧结基座,以降低成本。
中空光程转换器是指输出光线同入射光线平行,并且在中空的空间内改变了光程的元件。从某种意义上说,它们是将光程改变过的光线进行反射的器件,它们由一组平面反射镜或屋脊反射镜构成。屋脊反射镜可以通过光学复制的技术生产,精度可达1弧秒;根据不同的要求进行装配,如试验室测量的要求,理波光电富兰克林工厂可以提供装配精度达到1弧秒的组件,也可以根据比较恶劣环境的要求,提供达到5弧秒装配精度的组件。有两种镀膜可供选择: 铝膜及金膜。为了防止使用过程中出现的震动、冲击以及保证热稳定性的要求,中空光程转换器可全部由铝合金构成,没有任何玻璃部件。