Přehled přesného lisování skla (PGM)
Přesné lisování skla (PGM) pro asférické čočky byla představena na počátku 80. let a od té doby se stala klíčovou technologií v různých odvětvích, jako jsou telekomunikace, digitální fotografie a termovizní snímky. Rozšířené přijetí PGM je způsobeno jeho schopností vyrábět vysoce kvalitní, opakovatelnou skleněnou optiku s asférickým povrchem za nízkou cenu a ve velkém množství. Díky tomu je PGM neocenitelným procesem pro optický design, zejména při implementaci principů design-for-manufacturability (DFM) pro optimalizaci výroby.
Výrobní proces PGM
PGM je izotermický proces lisování. Zpočátku se skleněný předlisek umístí mezi přesné formy ve stroji na formování skla. Tyto formy, které zrcadlí požadovaný povrch čočky, jsou upraveny pro tepelné profily a materiálové vlastnosti. Stroj se propláchne dusíkem nebo vakuem a předlisek i formy se zahřejí. Vyvinutí tlaku a ponechání formy vychladnout vede ke konečné čočce.
Podle Zhang a kol. (2019), přesný proces formování skla umožňuje výrobu složitých asférických čoček s vysokou kvalitou povrchu a nízkou drsností, což je zásadní pro vysoce výkonné optické systémy.
Výběr správného materiálu pro asférické čočky
Výběr materiálu je kritickým krokem v jakékoli iniciativě DFM a přesné lisování skla není výjimkou. Správné optické sklo může výrazně zvýšit výkon, zkrátit dodací lhůty a snížit náklady. S více než 200 dostupnými druhy tvarovatelného skla mají designéři značnou svobodu. Pro zúžení možností je však třeba vzít v úvahu faktory, jako je vyrobitelnost, dostupnost a náklady. Včasná jednání s dodavateli mohou pomoci určit nejúčinnější materiál.
Začít s jedním nebo dvěma typy skel a získat včasnou zpětnou vazbu od výrobců může ušetřit čas a náklady. Výrobci často standardizují vybranou skupinu materiálů, aby využili úspor z rozsahu a přenesli úspory nákladů na zákazníky. Jejich zkušenosti s těmito materiály mohou poskytnout cenné poznatky o snížení výkonu, kvality a rizik plánování.
Některé formulace skla mohou negativně ovlivnit životnost nástrojů a zvýšit náklady. Skla vyžadující nižší teploty zpracování snižují riziko oxidace povrchu během lisování, snižují kontaminaci a potřebu údržby. Tyto nižší teploty také zkracují cykly ohřevu a chlazení, zlepšují průchodnost a snižují spotřebu energie.
Vliv PGM na optický design
Pochopení dopadu procesu PGM na optický design je zásadní po výběru materiálu. Tepelná historie skla ovlivňuje jeho fyzikální a optické vlastnosti, a proto konvenční výroba čoček specifikuje rychlosti žíhání. Proces PGM optimalizuje chladicí cyklus, aby se maximalizovala propustnost a minimalizovaly náklady. Rychlost chlazení pro PGM odpovídá rychlosti žíhání hotového výrobku. Přestože je post-žíhání PGM čoček možné, často to zvyšuje náklady, dodací lhůty a snižuje kvalitu povrchu.
Výzkum podle Nguyen a kol. (2020) ukazuje, že PGM čočky typicky vykazují mírné snížení indexu lomu v rozmezí od -0,0006 do -0,010 pro běžná tvarovatelná skla používaná ve viditelných vlnových délkách. Chalkogenidová skla s vyššími indexy vykazují výraznější poklesy v infračerveném spektru.
Zásady návrhu pro přesné skleněné lisované asférické čočky
Začlenění účinných postupů DFM do návrhu přesných skleněných lisovaných součástí zahrnuje několik klíčových principů. Primárním hlediskem je celkový tvarový faktor čočky, přičemž průměry se obvykle pohybují od méně než milimetru do více než 100 mm, ačkoli většina spadá mezi 1 až 25 mm.
I když lze použít různé tvary čoček a předlisky, za výběr předlisku obvykle odpovídá výrobce. Kulový předlisek je pro PGM cenově nejvýhodnější. Zde jsou nastíněna konstrukční pravidla pro kuličkové předlisky, ale pokročilé nebo netypické tvary lze dosáhnout použitím různých geometrií předlisku a měly by být předem projednány s výrobcem.
Středová tloušťka (CT) čočky závisí na jejím tvaru nebo poměru stran. Lze vyrobit velmi tenké CT, až do 0,2 mm, ale mohou vyžadovat předlisky blízkého tvaru sítě, aby se minimalizovalo napětí. Je třeba se vyhnout velkým hodnotám CT, aby se zabránilo teplotním gradientům. Nekontrolované tepelné profily mohou způsobit dvojlom napětí, nehomogenní indexy lomu a potenciální lomy.
Tloušťka hran (ET) pod 0,4 mm může vést k odlamování hran a potížím s manipulací. Vnější průměr (OD) je omezen konstrukcí formovacího nástroje, typicky v rozmezí od méně než 1 mm do více než 25 mm. Velké OD mohou také trpět tepelnými gradienty, které ovlivňují výnosy. Poměry stran OD k CT a ET by měly být založeny na zkušenostech výrobce, aby byla zachována vysoká výtěžnost.
Prolnutí poloměrů a přechodových zón u asférických čoček
Fyzická apertura (PA) by měla být vždy větší než čistá apertura (CA), aby se přizpůsobil poloměru prolnutí, který snižuje koncentraci napětí a poskytuje úlevu řeznému nástroji. Velikost poloměru směsi závisí na povrchu a způsobu výroby. Přechodová zóna mezi CA a poloměrem prolnutí může být potřebná pro zmírnění omezení lisovacích nástrojů a ochranu optického povrchu v CA.
Vysoké sklony na optickém povrchu představují výzvy ve výrobě forem a metrologii. Přesné diamantové broušení a povrchové profilometry jsou obvykle omezeny na sklon těsně pod 55° až 60°. Strmé geometrie mohou vyžadovat vakuové tvarování, aby se zabránilo zachycení plynu, zatímco velmi nízké sklony zvyšují riziko nesouososti.
Příruby a vložka pro asférické čočky
Montážní prvky, jako jsou příruby, lze integrovat přímo do komponent PGM. Při realizaci přírub je třeba vzít v úvahu poloměry přechodu a hrany, aby byly zajištěny odpovídající montážní plochy. Velké příruby zvyšují objem předlisku a náklady na materiál, ale jsou žádoucí pro snadnější montáž.
Další možností, která by měla být přezkoumána odděleně od standardních čoček PGM, je vstřikování, které zahrnuje zalisování čočky přímo do kovového držáku.
Celkem
Začlenění dodavatelů do procesu navrhování a aplikace technik DFM při navrhování přesných skleněných tvarovaných asférických čoček může vést k nákladově efektivním a vysoce vyrobitelným designům. Dodržování těchto pokynů zajišťuje, že výhody PGM budou plně realizovány v procesu optického návrhu.
Výzkum a praktické aplikace ukazují, že přesné lisování skla je vysoce efektivní metodou pro výrobu vysoce kvalitních asférických čoček v měřítku. Jak zdůraznil Smith a Jones (2018)Využití principů DFM v PGM může výrazně zvýšit efektivitu a nákladovou efektivitu výroby optiky.
