Technologie výroby optických vložek forem

Polymerové optické komponenty jsou na dnešním trhu stále důležitější. Vzhledem k tomu, že požadavky na výkon optických prvků stále rostou, čelí výrobní procesy značným výzvám. Mezi nimi vyniká jako zvláště kritická výroba vložek forem pro replikační procesy, které přímo ovlivňují konečnou kvalitu optických komponent. Tento přehled zkoumá aktuálně dostupné výrobní technologie, aby pomohl inženýrům činit informovaná rozhodnutí v praktických aplikacích.

Polymerové optické prvky nabízejí významné výhody oproti běžným skleněným čočkám. Umožňují rychlou hromadnou výrobu prostřednictvím vstřikování nebo vstřikování-lisování při nižších výrobních nákladech. Kromě toho mohou být montážní a seřizovací prvky přímo integrovány do optických komponent, což eliminuje potřebu dalších přípravků a montážních postupů. Od osvětlovacích systémů po automobilové aplikace, od zobrazovacích zařízení po senzory se aplikační domény polymerních optických prvků stále rozšiřují.

Zvláštní pozornost si zaslouží vznik mikrostrukturovaných optických komponent. Přidání mikrostrukturních prvků na povrch čočky může podstatně zvýšit výkon, snížit hmotnost systému, opravit aberace a tvarovat světelné paprsky. Mikrostruktury, jako jsou pole mikročoček, difrakční optické prvky, Fresnelovy čočky a hranolová pole, hrají zásadní roli v oblastech, včetně sluneční koncentrace, tvarování paprsku a měřicích systémů.

Klasifikační systém výrobních technologií

Výrobní technologie pro optické vložky forem lze rozdělit do dvou hlavních kategorií: metody, které vytvářejí povrchy s optickou kvalitou, a techniky pro vytváření optických mikrostruktur. Protože optické vložky forem obvykle vyžadují extrémně vysokou přesnost tvaru a kvalitu povrchu, slouží tyto dva faktory jako základní metriky pro hodnocení různých technologií.

Ultra{0}}Přesné obrábění: Základ optické výroby

Od svého vzniku v 60. letech minulého století zůstalo ultra-přesné obrábění nejběžněji používanou metodou výroby optických vložek forem. Hlavní výhoda této technologie spočívá v dosahování přesnosti polohování na-úrovni nanometrů, čímž se dosahuje výjimečné kvality povrchu a přesnosti tvaru. Diamantové-obráběné součásti obvykle vykazují drsnost povrchu nižší než 10 nanometrů a dosahují tak zrcadlové -kvalitní povrchové úpravy bez následného-opracování.

Chcete-li získat vysoce kvalitní{0}}díly, musí součásti stroje fungovat na hranici svých možností. Diamantové obráběcí systémy využívají jako základ žulu a jsou vybaveny vysoce-systémy pro přesné polohování, vysokorychlostními vřeteny- a přesnými přípravky a provozním vybavením. Vřetena vzduchových ložisek a hydrostatická ložiska umožňují přesný pohyb nástrojů a dílů s kontrolou polohy zaručenou skleněnými mřížkami s rozlišením pod 1 nanometr. Řízení teploty je stejně důležité a vyžaduje údržbu v rozsahu ±0,1 K nebo menším.

Jedno-krystalický diamant tvoří ostří nástrojů díky své výjimečné tvrdosti a schopnosti vytvářet extrémně ostré hrany se zaoblením hran pod 50 nanometrů. Dosažitelná kvalita a přesnost dílu silně závisí na kvalitě diamantového nástroje. Diamantové obrábění je však omezeno na ne-železné materiály, takže nikl-fosforový povlak je průmyslovým standardem. Nikl-fosfor lze obrábět diamantovými nástroji s prakticky zanedbatelným opotřebením nástroje.

Diamantové soustruženípředstavuje standardní proces výroby rotačně symetrických optických komponent, vhodných pro výrobu sférických a asférických forem na čočky. Dosažitelná kvalita povrchu závisí do značné míry na faktorech procesu a materiálových faktorech. Primární ovlivňující faktory zahrnují otáčky vřetena, poloměr hrotu nástroje a rychlost posuvu. Vysoké otáčky vřetena, velké poloměry hrotu nástroje a pomalé rychlosti posuvu obecně zlepšují drsnost povrchu.

Technologie pomalého servomotorubyl vyvinut pro splnění vysokých požadavků na asymetrické optické prvky. Vychází z tradičních nastavení diamantového soustružení a přidává oscilaci osy Z- během obrábění. Servo pro pomalé nástroje může vyrábět vysoce přesné asymetrické díly bez dalšího strojního vybavení. Tuto technologii lze použít k výrobě polí mikročoček, hranolových polí, difrakčních optických prvků, mimoosých asfér a optických povrchů volného tvaru.

Rychlý nástroj servo technologiepřipomíná pomalé servo nástroje, ale používá další akční člen k oscilaci hrotu nástroje. Rychlý servopohon nástrojů umožňuje přesné polohování nástroje, ale s výrazně menším zdvihem než technologie pomalého servomotoru, typicky v rozsahu od několika mikrometrů do několika set mikrometrů. Rychlý nástrojový servopohon se běžně používá k výrobě diamantově-soustružených povrchů se strukturami, jako jsou mikrohranoly a pole čoček.

Diamantové frézovánípoužívá diamantové kuličkové-frézy s jedním břitem, přičemž nástroj se otáčí vysokou rychlostí k odstranění třísek v rozsahu mikrometrů. Ve srovnání s diamantovým soustružením je frézování znatelně pomalejší, ale nabízí větší volnost v designu. Diamantové frézování se primárně používá k výrobě -hladkých povrchů, zejména polí mikročoček a povrchů volného tvaru.

Řezání mouchypoužívá rotační nástroj s diamantem umístěným mimo osu-, takže diamant neudržuje trvalý kontakt s materiálem. Letmým řezáním lze efektivně vytvářet rovné povrchy s optickou kvalitou povrchu na velkých plochách a je také vhodnou metodou pro vytváření mikrostruktur a volné optiky.

Průlomy v ultra{0}}přesném obrábění oceli

Protože tvrzená ocel je nejoblíbenějším strojírenským materiálem, věnuje se značný výzkum dosažení obrábění železných materiálů diamantovými nástroji. Mezi primární mechanismy opotřebení nástrojů patří adheze a tvorba{1}}nahromaděných ostří, otěr a únava, tepelné opotřebení třením a tribochemické opotřebení. Chemické mechanismy představují hlavní příčinu opotřebení nástroje.

Aby se zabránilo silnému opotřebení nástroje, výzkumníci navrhli různé přístupy:

Řezání ultrazvukovými vibracemije nejslibnější metodou pro obrábění železných materiálů diamantovými nástroji. Řezný nástroj vibruje elipticky, což výrazně snižuje třecí síly a dobu kontaktu mezi diamantem a substrátem. Tato technologie je užitečná nejen pro obrábění železných materiálů, ale umožňuje také mikrostrukturování povrchu při dosažení optické kvality povrchu s Ra<10 nanometers.

Optimalizace řezných podmínekpředstavuje další způsob snížení opotřebení diamantu. Výzkumné týmy zkoušely různé řezné podmínky včetně kryogenního obrábění a obrábění v plynném prostředí. Diamantové soustružení za kryogenních podmínek může výrazně snížit opotřebení nástroje s drsností povrchu lepší než 25 nanometrů.

Nástroje z kubického nitridu boru bez pojivapředstavují jednu z nejslibnějších metod získávání optických povrchů na železných materiálech. Kubický nitrid boru má vynikající tepelnou odolnost a chemickou stabilitu, s tvrdostí na druhém místě za diamantem. Při soustružení nerezové oceli s tvrdostí 52HRC pomocí nástrojů z kubického nitridu boru bez pojiva drsnost povrchu Ra<10 nanometers can be obtained.

Další technologie tváření

Obrábění elektrickým výbojemje termoelektrický proces obrábění, který odstraňuje materiál prostřednictvím řady elektrických jisker mezi nástrojovou elektrodou a obrobkem. Obrábění elektrickým výbojem může vytvářet vysoce přesné tvary s relativně vysokými rychlostmi úběru materiálu. Dosažitelná kvalita povrchu je však pro optické aplikace nedostatečná a vyžaduje následné-zpracování, jako je broušení, řezání nebo leštění, aby se získaly hladké a přesné optické povrchy. Mikro-obrábění elektrickým výbojem je zvláště vhodné pro aplikace vyžadující mikrostruktury s vysokým-poměrem-poměrů, s velikostí struktury jen 3 mikrometry a poměrem stran až 100.

Elektrochemické obráběníodstraňuje materiál anodickým rozpouštěním kovu během elektrolýzy. Ve srovnání s konvenčními technologiemi obrábění nabízí elektrochemické obrábění vysoké rychlosti úběru materiálu, použitelnost na jakoukoli tvrdost materiálu, absenci opotřebení nástroje a hladké povrchy. Tuto technologii lze použít pro následné-zpracování konvenčně obráběných obrobků, kdy se nazývá elektrochemické leštění. Pomocí zlepšených procesů elektrochemického obrábění může drsnost povrchu dosáhnout 0,06 mikrometrů.

Broušeníse běžně používá pro výrobu optických forem. Vzhledem k tomu, že drsnost dosažitelná během broušení je pro optické aplikace nedostatečná, je nutné provést dodatečné{1}}zpracování, jako je leštění. Ultra-přesné broušení může používat pryskyřičné diamantové kotouče nebo kotouče z kubického nitridu bóru k dosažení dobré tvarové přesnosti a drsnosti povrchu Ra<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Technologie výroby mikrostruktur

Proces LIGA: Průkopník vysoce{0}}přesných mikrostruktur

LIGA znamená tři německá slova: litografie, galvanické pokovování a lisování. Tato technologie byla vyvinuta v 80. letech 20. století a je široce používána pro výrobu nástrojů pro vstřikování. U dílů se strukturami s vysokým -poměrem stran- nabízí tato technologie ve srovnání s jinými výrobními technologiemi zvláštní výhody, protože vytváří mikrostruktury menší než 1 mikrometr.

Proces LIGA popisuje procesní řetězec tří po sobě jdoucích operací. Prvním krokem je litografický proces strukturování substrátu. Poté probíhá proces galvanického pokovování niklem s použitím strukturovaného substrátu jako předlohy k vytvoření formy. Posledním krokem může být vstřikování nebo ražení za tepla k výrobě dílů. Primární aplikací procesu LIGA v optice je výroba difrakčních optických prvků a může také vyrábět pole mikročoček, mikrohranoly, mikrozrcadla a vlnovody.

Nanotisková litografie: Umění přesnosti v nanoměřítku

Nanoimprintová litografie je litografická technologie, která umožňuje vysoce{0}}propustné vzorování polymerních nanostruktur. Tato technologie byla poprvé navržena v roce 1995 a skládá se ze tří hlavních kroků: nejprve je matrice vyrobena pomocí technologie mikrostruktury, poté je matricová struktura replikována do formy a nakonec dochází k procesu otiskování.

Nanoimprintová litografie má dvě varianty: termální otisk využívá zahřívání ke zvýšení teploty rezistu nad teplotu skelného přechodu, po kterém následuje ochlazení na pokojovou teplotu; UV potisk využívá ultrafialové světlo k vytvrzení rezistu, což vyžaduje průhledné formy. Pomocí nanoimprintové litografické technologie lze vyrábět a replikovat nanostruktury s velikostí prvků pod 10 nanometrů. Běžně se používá ve fotonických aplikacích včetně hologramů, difrakčních struktur, anti-reflexních struktur, polí mikročoček a aplikací roll-to{5}}roll.

Přímé laserové psaní: Flexibilní vytváření mikrostruktury

Ve srovnání s laserovým obráběním využívá přímé laserové psaní laserový paprsek ke strukturování fotorezistu, podobně jako litografické procesy používané při výrobě polovodičů. Na substrát je nanesena tenká vrstva fotorezistu, poté je fotorezist strukturován pomocí procesu přímého laserového psaní. Laserový přímý zápis umožňuje výrobu binárních a spojitých struktur a je velmi běžně používán pro výrobu Fresnelových nebo difrakčních struktur, zejména na rovinných substrátech.

Ve srovnání s litografickými metodami se přímé laserové psaní vyhýbá sub{0}}mikrometrovým požadavkům na zarovnání následných expozičních kroků. Pro replikaci takových struktur musí být vyrobeny vložky forem, které mohou používat galvanické pokovování niklem. Struktura vytvořená ve fotorezistu představuje předlohu, po níž následuje odlévání. Nedávný vývoj přímého laserového zápisu umožnil strukturování na zakřivených substrátech a překonal tak omezení plošného substrátu. Velikosti struktury jsou typicky kolem 5 mikrometrů, ale mohou být také zmenšeny na 1-3 mikrometry.

Zápis elektronovým paprskem a iontová litografie

Zápis elektronovým paprskemje alternativní metoda strukturování fotorezistu, podobná technologii přímého laserového psaní, používaná pro výrobu hlavních struktur následovaných procesy galvanizace niklem. Tato technologie byla původně vyvinuta pro zápis polovodičových masek, ale lze ji použít i pro výrobu mikro-optických prvků, zvláště vhodných pro generování Fresnelových a difrakčních struktur.

Zápis elektronovým paprskem se používá v polovodičových procesech, takže bylo vynaloženo značné úsilí na zlepšení dosažitelného rozlišení. Rozlišení zápisu elektronovým paprskem ve fotorezistu-založeném na PMMA může být pouhých 10 nanometrů. Tuto technologii lze také použít jako proces leštění kovových povrchů, využívající ke skenování povrchů rozostřených elektronových paprsků, přičemž tavení kovového povrchu vede ke snížení drsnosti povrchu.

Iontová litografievyužívá fokusované iontové paprsky ke skenování povrchů, čímž vytváří velmi malé struktury. Tato technologie je velmi podobná zápisu elektronovým paprskem, ale ionty jsou těžší a nesou více náboje, přičemž vlnové délky iontového paprsku jsou menší než u elektronů, což má za následek vyšší rozlišení. Pomocí fokusovaných iontových paprsků byly hlášeny velikosti struktury pod 5 nanometrů. Tato technologie se také používá jako metoda leštění litografických optických prvků pomocí iontů s nízkou-energií k odstranění tvarových chyb a snížení drsnosti, čímž se dosáhne drsnosti povrchu Ra<1 nanometer.

Laserové obrábění a leštění

Používání laserů s krátkým-pulsem a ultrakrátkým{1}}pulsem je nově vznikající technologií pro různé aplikace mikroobrábění a lze jej použít pro strukturování lisovacích nástrojů. Primární výhodou laserového obrábění je, že lze zpracovávat téměř všechny materiály. Při optimalizaci všech parametrů lze laserové obrábění použít dokonce jako leštění, přičemž kvalita povrchu dosahuje Ra<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Leštění a lapováníjsou dokončovací úpravy, které vytvářejí hladké povrchy pomocí nedefinovaných řezných hran. Co mají všechny leštící procesy společné, je použití brusiva k vyhlazení povrchů, přičemž brusiva suspendovaná v kapalině tvoří kaši. Leštěním lze vytvořit velmi vysokou kvalitu povrchu v rozsahu nano a sub{2}}nano, ale míra odstranění je obecně velmi nízká. Leštění lze použít ke zpracování rovinných, sférických, asférických a volných obrobků i strukturovaných povrchů.

Výběr technologie

Abychom podpořili rozhodování o výběru vhodných výrobních metod, můžeme rozlišit tři kategorie: tváření, mikrostrukturování a následné{0}}zpracování.

U metod tváření, broušení a ultra{0}}přesného obrábění lze dosáhnout vysoké přesnosti a dobrých povrchů, ale s výrazně nižší rychlostí úběru materiálu ve srovnání s elektrochemickým obráběním a obráběním elektrickým výbojem. Ultra-přesné obrábění jako metoda tváření zůstává nejslibnější technologií, zvláště když je u optických vložek forem vyžadováno přesné tváření. Když jsou potřeba složité geometrie, žádná jiná technologie nenabízí tak velkou svobodu při navrhování jako ultra-přesné obrábění.

Pro mikrostrukturní technologie je důležitým faktorem dosažitelná velikost struktury. Obecně platí, že jak se velikost struktury snižuje a přesnost tvaru se zvyšuje, plocha, kterou lze strukturovat, se zmenšuje v důsledku delší doby zpracování. Ultra-přesné obrábění je nejen vhodnou metodou pro tvarování vložek forem, ale lze jej použít i k vytváření mikrostruktur. Obzvláště, proces řezání mouchy může rychle a ekonomicky vyrábět velké strukturované plochy v rozsahu centimetrů.

U všech metod obrábění, kde je kvalita povrchu nedostatečná pro optické aplikace, může následné{0}}zpracování následně kvalitu povrchu zlepšit. Zejména leštěním a lapováním lze vyrobit optické povrchy. Je však třeba vzít v úvahu, že operace po -zpracování mohou ovlivnit celkový tvar a přesnost tvaru.