Teknologi for produksjon av optisk forminnsats
Optiske polymerkomponenter har blitt stadig viktigere i dagens marked. Ettersom ytelseskravene til optiske elementer fortsetter å øke, står produksjonsprosessene overfor betydelige utfordringer. Blant disse skiller produksjonen av støpeinnsatser for replikeringsprosesser seg ut som spesielt kritiske, og har direkte innvirkning på den endelige kvaliteten på optiske komponenter. Denne gjennomgangen undersøker tilgjengelige produksjonsteknologier for å hjelpe ingeniører med å ta informerte beslutninger i praktiske applikasjoner.
Polymeroptiske elementer gir betydelige fordeler i forhold til konvensjonelle glasslinser. De muliggjør rask masseproduksjon gjennom sprøytestøping eller sprøytestøping-til lavere produksjonskostnader. I tillegg kan monterings- og justeringsfunksjoner integreres direkte i optiske komponenter, noe som eliminerer behovet for ekstra fikstur og monteringsprosedyrer. Fra lyssystemer til bilapplikasjoner, fra bildeenheter til sensorer, fortsetter applikasjonsdomenene til polymeroptiske elementer å utvide seg.
Fremveksten av mikrostrukturerte optiske komponenter fortjener spesiell oppmerksomhet. Å legge til mikrostrukturfunksjoner til linseoverflater kan forbedre ytelsen betydelig, redusere systemvekten, korrigere aberrasjoner og forme lysstråler. Mikrostrukturer som mikrolinsearrayer, diffraktive optiske elementer, Fresnel-linser og prismearrayer spiller viktige roller i felt inkludert solkonsentrasjon, stråleforming og målesystemer.
Klassifiseringssystem for produksjonsteknologier
Produksjonsteknologier for optiske støpeinnsatser kan deles inn i to hovedkategorier: metoder som skaper overflater med optisk kvalitet, og teknikker for å lage optiske mikrostrukturer. Siden optiske støpeinnsatser vanligvis krever ekstremt høy formnøyaktighet og overflatekvalitet, tjener disse to faktorene som kjerneverdier for å evaluere ulike teknologier.
Ultra-Precision Machining: The Foundation of Optical Manufacturing
Siden fremveksten på 1960-tallet har ultra-presisjonsmaskineri vært den mest brukte metoden for å produsere optiske støpeinnsatser. Kjernefordelen med denne teknologien ligger i å oppnå nanometer-posisjonsnøyaktighet, og dermed oppnå eksepsjonell overflatekvalitet og formnøyaktighet. Diamant-bearbeidede komponenter har vanligvis overflateruheter under 10 nanometer, og oppnår speil-kvalitetsfinish uten etter-behandling.
For å få deler av høy-kvalitet, må maskinkomponenter yte sine grenser. Diamantbearbeidingssystemer bruker granitt som base, utstyrt med høy-posisjoneringssystemer med høy-hastighet, høyhastighetsspindler og presise armaturer og driftsutstyr. Luftlagrede spindler og hydrostatiske lagre muliggjør presis bevegelse av verktøy og deler, med posisjonskontroll garantert av glassgitter med oppløsning under 1 nanometer. Temperaturkontroll er like kritisk, og krever vedlikehold innenfor ±0,1K eller mindre områder.
Enkelt-krystalldiamant danner verktøyets banebrytende kant på grunn av sin enestående hardhet og evne til å lage ekstremt skarpe kanter med en kantrundhet under 50 nanometer. Den oppnåelige delens kvalitet og presisjon avhenger sterkt av diamantverktøyets kvalitet. Imidlertid er diamantbearbeiding begrenset til ikke-jernholdige materialer, noe som gjør nikkel-fosforbelegg til en industristandard. Nikkel-fosfor kan bearbeides med diamantverktøy med praktisk talt ubetydelig verktøyslitasje.
Diamantdreiingrepresenterer standardprosessen for produksjon av rotasjonssymmetriske optiske komponenter, egnet for produksjon av sfæriske og asfæriske linseformer. Oppnåelig overflatekvalitet avhenger i stor grad av prosessfaktorer og materialfaktorer. Primære påvirkningsfaktorer inkluderer spindelhastighet, verktøyspissradius og matehastighet. Høye spindelhastigheter, store verktøyspissradier og langsomme matehastigheter forbedrer generelt overflateruheten.
Sakte verktøy servoteknologible utviklet for å møte de høye kravene til asymmetriske optiske elementer. Den bygger på tradisjonelle diamantdreieoppsett, og legger til Z-aksesvingninger under bearbeiding. Slow tool servo kan produsere svært nøyaktige asymmetriske deler uten ekstra maskinutstyr. Denne teknologien kan brukes til å produsere mikrolinsearrayer, prismearrayer, diffraktive optiske elementer, asfærer utenfor aksen og friformede optiske overflater.
Rask verktøyservoteknologiligner treg verktøyservo, men bruker en ekstra aktuator for å oscillere verktøyspissen. Rask verktøyservo tillater presis verktøyposisjonering, men med betydelig mindre slag enn langsom verktøyservoteknologi, typisk fra flere mikrometer til flere hundre mikrometer. Rask verktøyservo brukes ofte til å produsere diamant-dreide overflater med strukturer som mikroprismer og linsearrayer.
Diamantfresingbruker diamantkule-endefreser med en enkelt skjærekant, med verktøyet som roterer med høy hastighet for å fjerne spon i mikrometerområdet. Sammenlignet med diamantdreiing går fresingen merkbart tregere, men gir større frihet i design. Diamantfresing brukes først og fremst til å produsere ikke-glatte overflater, spesielt mikrolinsematriser og friformede overflater.
Flueskjæringbruker et roterende verktøy med diamanten plassert utenfor-aksen, slik at diamanten ikke opprettholder permanent kontakt med materialet. Flueskjæring kan effektivt skape flate overflater med optisk overflatekvalitet over store områder og er også en egnet metode for å lage mikrostrukturer og friformsoptikk.
Gjennombrudd innen ultra-presisjonsbearbeiding av stål
Siden herdet stål er det mest populære ingeniørmaterialet, har betydelig forskning blitt viet til å oppnå maskinering av jernholdige materialer med diamantverktøy. Primære verktøyslitasjemekanismer inkluderer adhesjon og oppbygget-kantdannelse, slitasje og tretthet, termisk friksjonsslitasje og tribokjemisk slitasje. Kjemiske mekanismer representerer hovedårsaken til verktøyslitasje.
For å unngå alvorlig verktøyslitasje har forskere foreslått ulike tilnærminger:
Ultralyd vibrasjonsskjæringer den mest lovende metoden for maskinering av jernholdige materialer med diamantverktøy. Skjæreverktøyet vibrerer elliptisk, noe som reduserer friksjonskrefter og kontakttid mellom diamant og underlag betydelig. Denne teknologien er nyttig ikke bare for maskinering av jernholdige materialer, men muliggjør også overflatemikrostrukturering samtidig som den oppnår optisk overflatekvalitet med Ra<10 nanometers.
Optimalisering av skjæreforholdrepresenterer en annen metode for å redusere diamantslitasje. Forskningsteam har forsøkt forskjellige skjæreforhold, inkludert kryogen maskinering og maskinering under gassmiljøer. Diamantsvinging under kryogene forhold kan redusere verktøyslitasjen betydelig, med overflateruhet bedre enn 25 nanometer.
Verktøy uten bindemiddel for kubisk bornitridrepresenterer en av de mest lovende metodene for å oppnå optiske overflater på jernholdige materialer. Kubisk bornitrid har utmerket varmebestandighet og kjemisk stabilitet, med hardhet nest etter diamant. Ved dreiing av rustfritt stål med en hardhet på 52HRC med bindemiddelfri kubisk bornitridverktøy, overflateruhet på Ra<10 nanometers can be obtained.
Andre formingsteknologier
Maskinering av elektrisk utladninger en termoelektrisk maskineringsprosess som fjerner materiale gjennom en serie elektriske gnister mellom verktøyelektroden og arbeidsstykket. Maskinering av elektrisk utladning kan produsere svært nøyaktige former med relativt høye materialfjerningshastigheter. Oppnåelig overflatekvalitet er imidlertid utilstrekkelig for optiske applikasjoner, og krever etter-behandling som sliping, kutting eller polering for å oppnå jevne og nøyaktige optiske overflater. Maskinering av mikro-elektrisk utladning er spesielt egnet for applikasjoner som krever mikrostrukturer med høyt-aspekt-forhold, med strukturstørrelser så små som 3 mikrometer og sideforhold opp til 100.
Elektrokjemisk maskineringfjerner materiale gjennom anodisk oppløsning av metall under elektrolyse. Sammenlignet med konvensjonelle maskineringsteknologier tilbyr elektrokjemisk maskinering høye materialfjerningshastigheter, anvendbarhet på alle materialhardheter, fravær av verktøyslitasje og glatte overflater. Denne teknologien kan brukes til etter-behandling av konvensjonelt maskinerte arbeidsstykker, når det kalles elektrokjemisk polering. Ved å bruke forbedrede elektrokjemiske maskineringsprosesser kan overflateruheten nå 0,06 mikrometer.
Slipingbrukes ofte til produksjon av optiske former. Siden ruhet som kan oppnås under sliping er utilstrekkelig for optiske applikasjoner, må etter{1}}behandling som polering utføres. Ultra-presisjonssliping kan bruke resinoid-diamantskiver eller kubiske bornitridskiver for å oppnå god formnøyaktighet og overflateruhet til Ra<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.
Mikrostrukturproduksjonsteknologier
LIGA Process: Pioneer of High-Precision Microstructures
LIGA står for tre tyske ord: litografi, galvanisering og støping. Denne teknologien ble utviklet på 1980-tallet og er mye brukt til å produsere sprøytestøpeverktøy. For deler med strukturer med høyt-aspekt-forhold gir denne teknologien spesielle fordeler sammenlignet med andre produksjonsteknologier, og produserer mikrostrukturer mindre enn 1 mikrometer.
LIGA-prosessen beskriver en prosesskjede med tre påfølgende operasjoner. Det første trinnet er en litografisk prosess for strukturering av underlaget. Etterpå finner en nikkel galvaniseringsprosess sted, ved å bruke det strukturerte substratet som master for å lage formen. Det siste trinnet kan bruke sprøytestøping eller varmpreging for å produsere deler. Den primære anvendelsen av LIGA-prosessen i optikk er å produsere diffraktive optiske elementer, og den kan også produsere mikrolinsearrayer, mikroprismer, mikrospeil og bølgeledere.
Nanoimprint Lithography: The Art of Nanoscale Precision
Nanoimprint-litografi er en litografisk teknologi som tillater høy-gjennomstrømningsmønster av polymer-nanostrukturer. Denne teknologien ble først foreslått i 1995 og består av tre hovedtrinn: først produseres en master ved hjelp av mikrostrukturteknologi, deretter replikeres masterstrukturen til en form, og til slutt skjer pregingsprosessen.
Nanoimprint litografi har to varianter: termisk preging bruker oppvarming for å heve motstandstemperaturen over glassovergangstemperaturen, etterfulgt av avkjøling til romtemperatur; UV-preging bruker ultrafiolett lys for å herde resisten, og krever gjennomsiktige former. Ved å bruke nanoimprint litografiteknologi kan nanostrukturer med funksjonsstørrelser under 10 nanometer produseres og replikeres. Det er ofte brukt i fotonikkapplikasjoner, inkludert hologrammer, diffraktive strukturer, anti-reflekterende strukturer, mikrolinse-arrayer og rull-til-applikasjoner.
Laser Direct Writing: Fleksibel mikrostrukturoppretting
Sammenlignet med laserbearbeiding bruker direkte laserskriving en laserstråle for å strukturere fotoresist, på samme måte som litografiprosesser som brukes i halvlederproduksjon. Et tynt lag med fotoresist avsettes på underlaget, deretter struktureres fotoresisten ved hjelp av laser direkte skriveprosessen. Laser direkte skriving tillater produksjon av binære og kontinuerlige strukturer og er svært ofte brukt for produksjon av Fresnel- eller diffraktive strukturer, spesielt på plane underlag.
Sammenlignet med litografimetoder, unngår direkte laserskriving kravene til sub-mikrometerjustering av påfølgende eksponeringstrinn. For å replikere slike strukturer, må det produseres forminnsatser, som kan bruke nikkel galvanisering. Strukturen produsert i fotoresisten representerer mesteren, etterfulgt av støping. Nylig utvikling av laserdirekteskriving har gjort strukturering på buede underlag mulig, og overvunnet plane underlagsbegrensninger. Strukturstørrelser er vanligvis rundt 5 mikrometer, men kan også reduseres til 1-3 mikrometer.
Elektronstråleskriving og ionstrålelitografi
Elektronstråleskrivinger en alternativ metode for fotoresist-strukturering, lik laser-direkteskrivingsteknologi, som brukes til å produsere masterstrukturer etterfulgt av nikkelgalvaniseringsprosesser. Denne teknologien ble opprinnelig utviklet for halvledermaskeskriving, men kan også brukes til å produsere mikro-optiske elementer, spesielt egnet for å generere Fresnel- og diffraktive strukturer.
Elektronstråleskriving brukes i halvlederprosesser, så det er investert betydelig innsats i å fremme oppnåelig oppløsning. Elektronstråleskriveoppløsning i PMMA-basert fotoresist kan være så lav som 10 nanometer. Denne teknologien kan også brukes som en poleringsprosess for metalloverflater, ved å bruke ufokuserte elektronstråler for å skanne overflater, med metalloverflatesmelting som fører til redusert overflateruhet.
Ionestrålelitografibruker fokuserte ionestråler for å skanne overflater, og skaper dermed svært små strukturer. Denne teknologien er veldig lik elektronstråleskriving, men ioner er tyngre og har mer ladning, med ionestrålebølgelengder mindre enn elektroner, noe som resulterer i høyere oppløsning. Ved bruk av fokuserte ionestråler har strukturstørrelser under 5 nanometer blitt rapportert. Denne teknologien brukes også som en poleringsmetode for litografiske optiske elementer, ved å bruke lav-energiioner for å fjerne formfeil og redusere ruhet, for å oppnå overflateruhet av Ra<1 nanometer.
Laserbearbeiding og polering
Bruk av kort-puls- og ultrakort-pulslasere er en ny teknologi for ulike mikromaskineringsapplikasjoner og kan brukes til å strukturere støpeverktøy. Den primære fordelen med laserbearbeiding er at nesten alle materialer kan bearbeides. Når alle parametere er optimalisert, kan laserbearbeiding til og med brukes som en poleringsbehandling, med overflatekvalitet som når Ra<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.
Polering og lappinger etterbehandlinger som skaper glatte overflater ved hjelp av udefinerte skjærekanter. Felles for alle poleringsprosesser er bruken av slipemidler for å glatte overflater, med slipemidler suspendert i væske for å danne en slurry. Polering kan skape svært høy overflatekvalitet i nano- og sub-nano-området, men fjerningshastigheten er generelt svært lav. Polering kan brukes til å behandle plane, sfæriske, asfæriske og friformede arbeidsstykker samt strukturerte overflater.
Teknologivalg
For å støtte beslutninger for å velge passende produksjonsmetoder, kan vi skille mellom tre kategorier: forming, mikrostrukturering og etter-behandling.
For formingsmetoder kan sliping og ultra-presisjonsmaskinering oppnå høy presisjon og gode overflater, men med betydelig redusert materialfjerningshastighet sammenlignet med elektrokjemisk maskinering og maskinering med elektrisk utladning. Ultra-bearbeiding som formingsmetode er fortsatt den mest lovende teknologien, spesielt når presis forming kreves i optiske støpeinnsatser. Når komplekse geometrier er nødvendige, gir ingen annen teknologi så stor frihet i design som ultra-bearbeiding.
For mikrostrukturteknologier er oppnåelig strukturstørrelse en viktig faktor. Som en tommelfingerregel, når strukturstørrelsen avtar og formnøyaktigheten øker, reduseres arealet som kan struktureres på grunn av lengre behandlingstid. Ultra-presisjonsmaskinering er ikke bare en egnet metode for å forme støpeinnsatser, men kan også brukes til å lage mikrostrukturer. Spesielt kan flueskjæringsprosessen raskt og økonomisk produsere store strukturerte områder i centimeterområdet.
For alle bearbeidingsmetoder der overflatekvaliteten er utilstrekkelig for optiske applikasjoner, kan etter{0}}behandling forbedre overflatekvaliteten. Spesielt kan polering og lapping produsere optiske overflater. Det bør imidlertid tas i betraktning at etter-behandlingsoperasjoner kan påvirke den generelle form- og formnøyaktigheten.