Optinių formų įdėklų gamybos technologija
Polimeriniai optiniai komponentai šiandieninėje rinkoje tampa vis svarbesni. Kadangi optinių elementų našumo poreikiai ir toliau didėja, gamybos procesai susiduria su dideliais iššūkiais. Tarp jų ypač svarbus yra formų įdėklų, skirtų replikacijos procesams, gamyba, tiesiogiai įtakojanti galutinę optinių komponentų kokybę. Šioje apžvalgoje nagrinėjamos šiuo metu turimos gamybos technologijos, padedančios inžinieriams priimti pagrįstus sprendimus praktiškai.
Polimeriniai optiniai elementai turi didelių pranašumų, palyginti su įprastiniais stiklo lęšiais. Jie leidžia sparčiai masinę gamybą naudojant įpurškimo arba įpurškimo -suspaudimo formavimą mažesnėmis gamybos sąnaudomis. Be to, montavimo ir išlyginimo funkcijos gali būti tiesiogiai integruotos į optinius komponentus, todėl nereikia papildomų tvirtinimo detalių ir surinkimo procedūrų. Nuo apšvietimo sistemų iki automobilių taikomųjų programų, nuo vaizdo gavimo įrenginių iki jutiklių – polimerinių optinių elementų taikymo sritis ir toliau plečiasi.
Ypatingo dėmesio nusipelno mikrostruktūrinių optinių komponentų atsiradimas. Pridėjus lęšių paviršių mikrostruktūros ypatybes, galima žymiai pagerinti našumą, sumažinti sistemos svorį, ištaisyti aberacijas ir formuoti šviesos spindulius. Mikrostruktūros, tokios kaip mikrolęšių matricos, difrakciniai optiniai elementai, Frenelio lęšiai ir prizmių matricos, atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį srityse, įskaitant saulės koncentraciją, pluošto formavimą ir matavimo sistemas.
Gamybos technologijų klasifikavimo sistema
Optinių formų įdėklų gamybos technologijas galima suskirstyti į dvi pagrindines kategorijas: metodus, kuriais sukuriami optinės kokybės paviršiai, ir optinių mikrostruktūrų kūrimo būdus. Kadangi optinių formų įdėklai paprastai reikalauja itin didelio formos tikslumo ir paviršiaus kokybės, šie du veiksniai yra pagrindiniai įvairių technologijų vertinimo rodikliai.
Ultra-Tikslus apdirbimas: optinės gamybos pagrindas
Nuo pat septintojo dešimtmečio atsiradimo itin tikslus apdirbimas išliko dažniausiai naudojamas optinių formų įdėklų gamybos būdas. Pagrindinis šios technologijos pranašumas yra padėties nustatymo tikslumas nanometru{3}}, taip išgaunant išskirtinę paviršiaus kokybę ir formos tikslumą. Deimantais{5}}apdirbtų komponentų paviršiaus šiurkštumas paprastai yra mažesnis nei 10 nanometrų, todėl veidrodinė{7}kokybė pasiekiama be papildomo apdorojimo.
Norint gauti aukštos kokybės{0}}dalis, mašinos komponentai turi veikti neviršijant savo ribų. Deimantų apdirbimo sistemose kaip pagrindas naudojamas granitas, įrengtos didelio-tikslios padėties nustatymo sistemos, didelės-greičių verpstės ir tikslūs tvirtinimai bei valdymo įranga. Oro guolių velenai ir hidrostatiniai guoliai leidžia tiksliai judėti įrankius ir dalis, o padėties valdymą garantuoja stiklinės grotelės, kurių skiriamoji geba mažesnė nei 1 nanometras. Temperatūros kontrolė yra vienodai svarbi, todėl ją reikia prižiūrėti ±0,1 K ar mažesniuose diapazonuose.
Dėl išskirtinio kietumo ir gebėjimo sukurti itin aštrias briaunas, kurių kraštų apvalumas mažesnis nei 50 nanometrų, vienas{0}}kristalinis deimantas yra pjovimo briauna. Pasiekiama dalių kokybė ir tikslumas labai priklauso nuo deimantinio įrankio kokybės. Tačiau deimantų apdirbimas apsiriboja ne-geležies medžiagomis, todėl nikelio-fosforo danga yra pramonės standartas. Nikelio{7}}fosforą galima apdirbti deimantiniais įrankiais, kurių įrankių nusidėvėjimas yra beveik nereikšmingas.
Deimantų tekinimasyra standartinis sukimosi simetriškų optinių komponentų, tinkamų sferinių ir asferinių lęšių formoms gaminti, gamybos procesas. Pasiekiama paviršiaus kokybė labai priklauso nuo proceso veiksnių ir medžiagų veiksnių. Pagrindiniai įtakos veiksniai yra suklio greitis, įrankio antgalio spindulys ir pastūmos greitis. Dideli suklio apsisukimai, dideli įrankio antgalio spinduliai ir lėtas pastūmos greitis paprastai pagerina paviršiaus šiurkštumą.
Lėto įrankio servo technologijabuvo sukurta siekiant patenkinti aukštus asimetrinių optinių elementų reikalavimus. Remiantis tradicinėmis deimantų tekinimo sąrankomis, apdirbant jis prideda Z-ašies virpesius. Lėtas įrankis gali pagaminti labai tikslias asimetrines dalis be jokios papildomos mašinos įrangos. Ši technologija gali būti naudojama gaminant mikrolęšių matricas, prizmių matricas, difrakcinius optinius elementus, ne-ašies asferas ir laisvos formos optinius paviršius.
Greita įrankių servo technologijaprimena lėtą įrankio servo valdiklį, bet naudoja papildomą pavarą, kad svyruotų įrankio antgalis. Greitas įrankio servo įrenginys leidžia tiksliai nustatyti įrankio padėtį, tačiau su žymiai mažesniu eiga nei lėto įrankio servo technologija, paprastai nuo kelių mikrometrų iki kelių šimtų mikrometrų. Greito įrankio servosistema dažniausiai naudojama gaminant deimantu{2}}tekintus paviršius su tokiomis struktūromis kaip mikroprizmės ir lęšių matricos.
Deimantinis frezavimasnaudoja deimantinius rutulinius{0}}galinius frezus su viena pjovimo briauna, o įrankis sukasi dideliu greičiu, kad pašalintų drožles mikrometro diapazone. Palyginti su deimantiniu tekėjimu, frezavimas yra pastebimai lėtesnis, tačiau suteikia daugiau laisvės projektuojant. Deimantinis frezavimas pirmiausia naudojamas ne-lygiems paviršiams, ypač mikrolęšių matricoms ir laisvos formos paviršiams, gaminti.
Musės pjovimasnaudoja besisukantį įrankį, kurio deimantas yra ne{0}}ašyje, todėl deimantas nepalaiko nuolatinio kontakto su medžiaga. Pjovimas muselėmis gali efektyviai sukurti plokščius paviršius su optinio paviršiaus kokybe dideliuose plotuose, taip pat yra tinkamas būdas kurti mikrostruktūras ir laisvos formos optiką.
Proveržis itin{0}}tikslaus plieno apdirbimo srityje
Kadangi grūdintas plienas yra populiariausia inžinerinė medžiaga, buvo atlikta daug tyrimų, siekiant apdirbti juodąsias medžiagas deimantiniais įrankiais. Pagrindiniai įrankio susidėvėjimo mechanizmai apima sukibimą ir{1}}kraštų susidarymą, dilimą ir nuovargį, trinties terminį susidėvėjimą ir tribocheminį susidėvėjimą. Cheminiai mechanizmai yra pagrindinė įrankių nusidėvėjimo priežastis.
Siekiant išvengti didelio įrankių nusidėvėjimo, mokslininkai pasiūlė įvairius metodus:
Ultragarsinis vibracinis pjovimasyra perspektyviausias juodųjų medžiagų apdirbimo deimantiniais įrankiais metodas. Pjovimo įrankis vibruoja elipsiškai, žymiai sumažindamas trinties jėgas ir sąlyčio tarp deimanto ir pagrindo laiką. Ši technologija naudinga ne tik apdirbant juodąsias medžiagas, bet ir leidžia suformuoti paviršių mikrostruktūrą, tuo pačiu užtikrinant optinio paviršiaus kokybę naudojant Ra.<10 nanometers.
Pjovimo sąlygų optimizavimasyra dar vienas būdas sumažinti deimantų nusidėvėjimą. Mokslinių tyrimų grupės bandė įvairiomis pjovimo sąlygomis, įskaitant kriogeninį apdirbimą ir apdirbimą dujų aplinkoje. Deimantų tekinimas kriogeninėmis sąlygomis gali žymiai sumažinti įrankių susidėvėjimą, kai paviršiaus šiurkštumas didesnis nei 25 nanometrai.
Kubiniai boro nitrido įrankiai be rišamųjų medžiagųyra vienas iš perspektyviausių būdų gauti optinius paviršius ant juodųjų medžiagų. Kubinis boro nitridas pasižymi puikiu atsparumu karščiui ir cheminiu stabilumu, kietumu nusileidžia tik deimantams. Sukant nerūdijantį plieną, kurio kietumas 52HRC, naudojant berišiklius kubinius boro nitrido įrankius, paviršiaus šiurkštumas Ra<10 nanometers can be obtained.
Kitos formavimo technologijos
Elektros išlydžio apdirbimasyra termoelektrinis apdirbimo procesas, kurio metu medžiaga pašalinama per elektrines kibirkštis tarp įrankio elektrodo ir ruošinio. Elektros išlydžio apdirbimas gali pagaminti labai tikslias formas su santykinai dideliu medžiagų pašalinimo greičiu. Tačiau pasiekiama paviršiaus kokybė yra nepakankama optinėms reikmėms, todėl norint gauti lygų ir tikslų optinį paviršių, reikalingas tolesnis-apdirbimas, pvz., šlifavimas, pjovimas ar poliravimas. Mikro-elektrinio išlydžio apdirbimas ypač tinka tais atvejais, kai reikalingos didelio-krašto-santykio mikrostruktūros, kurių konstrukcijų dydis yra net 3 mikrometrai, o kraštinių santykis iki 100.
Elektrocheminis apdirbimaspašalina medžiagą per anodinį metalo tirpimą elektrolizės metu. Palyginti su įprastomis apdirbimo technologijomis, elektrocheminis apdirbimas pasižymi dideliu medžiagų pašalinimo greičiu, pritaikymu bet kokiam kietumui, įrankių nusidėvėjimo nebuvimą ir lygų paviršių. Šią technologiją galima naudoti po-įprastai apdirbtų ruošinių apdirbimui, kai tai vadinama elektrocheminiu poliravimu. Naudojant patobulintus elektrocheminius apdirbimo procesus, paviršiaus šiurkštumas gali siekti 0,06 mikrometrų.
Šlifavimasdažniausiai naudojamas optinėms formoms gaminti. Kadangi šlifavimo metu pasiekiamo šiurkštumo optinėms reikmėms nepakanka, reikia atlikti tolesnį{1} apdorojimą, pvz., poliravimą. Itin tiksliai šlifuojant galima naudoti resinoidinius deimantinius arba kubinius boro nitrido ratus, kad būtų pasiektas geras Ra formos tikslumas ir paviršiaus šiurkštumas<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.
Mikrostruktūrų gamybos technologijos
LIGA procesas: didelio{0}}tiksliųjų mikrostruktūrų pradininkas
LIGA reiškia tris vokiškus žodžius: litografija, galvanizavimas ir liejimas. Ši technologija buvo sukurta devintajame dešimtmetyje ir plačiai naudojama gaminant liejimo įpurškimo įrankius. Dalims su aukšto -krašto- santykio struktūromis ši technologija suteikia ypatingų pranašumų, palyginti su kitomis gamybos technologijomis, gaminant mažesnes nei 1 mikrometras mikrostruktūras.
LIGA procesas apibūdina trijų nuoseklių operacijų proceso grandinę. Pirmasis žingsnis yra litografinis substrato struktūrizavimo procesas. Po to atliekamas nikelio galvanizavimo procesas, naudojant struktūrinį pagrindą kaip pagrindą formoms sukurti. Paskutiniame etape detalėms gaminti gali būti naudojamas liejimas arba karštas įspaudimas. Pagrindinis LIGA proceso taikymas optikoje yra difrakcinių optinių elementų gamyba, taip pat galima gaminti mikrolęšių matricas, mikroprizmes, mikroveidrodžius ir bangolaidžius.
Nanospaudų litografija: nanomastelio tikslumo menas
Nanoimprinto litografija yra litografijos technologija, leidžianti{0}}suformuoti didelio našumo polimerines nanostruktūras. Ši technologija pirmą kartą buvo pasiūlyta 1995 m. ir susideda iš trijų pagrindinių etapų: pirmiausia, naudojant mikrostruktūros technologiją, gaminamas šedevras, tada pagrindinė struktūra pakartojama į formą ir galiausiai vyksta įspaudimo procesas.
Nanoimprinto litografija turi du variantus: terminis įspaudas naudoja kaitinimą, kad pasipriešinimo temperatūra pakeltų virš stiklėjimo temperatūros, po to atšaldoma iki kambario temperatūros; UV įspaudas naudoja ultravioletinę šviesą atsparumui sukietinti, todėl reikia skaidrių formų. Naudojant nanoimprinto litografijos technologiją, nanostruktūros, kurių objektų dydis mažesnis nei 10 nanometrų, gali būti pagamintos ir atkartotos. Jis dažniausiai naudojamas fotonikos programose, įskaitant hologramas, difrakcines struktūras, anti-atspindinčias struktūras, mikrolęšių matricas ir ritinėjimo-į{5}}programas.
Tiesioginis rašymas lazeriu: lankstus mikrostruktūrų kūrimas
Palyginti su apdirbimu lazeriu, tiesioginis rašymas lazeriu naudoja lazerio spindulį fotorezistui struktūrizuoti, panašiai kaip litografijos procesai, naudojami puslaidininkių gamyboje. Ant pagrindo nusodinamas plonas fotorezisto sluoksnis, tada fotorezistas struktūrizuojamas naudojant tiesioginio rašymo lazeriu procesą. Tiesioginis rašymas lazeriu leidžia gaminti dvejetaines ir ištisines struktūras ir labai dažnai naudojamas Frenelio arba difrakcinėms struktūroms gaminti, ypač ant plokščių substratų.
Palyginti su litografijos metodais, naudojant tiesioginį rašymą lazeriu išvengiama sub{0}}mikrometrinio išlygiavimo reikalavimų, taikomų nuosekliems eksponavimo etapams. Norint atkartoti tokias konstrukcijas, turi būti pagaminti formų įdėklai, kuriuose galima naudoti nikeliavimą. Fotorezistu pagaminta struktūra reprezentuoja meistrą, po kurio seka liejimas. Naujausios lazerinio tiesioginio rašymo raidos leido struktūrizuoti ant lenktų pagrindų, įveikiant plokštuminio pagrindo apribojimus. Konstrukcijos dydis paprastai yra apie 5 mikrometrus, bet taip pat gali būti sumažintas iki 1–3 mikrometrų.
Elektronų pluošto rašymas ir jonų pluošto litografija
Elektronų pluošto rašymasyra alternatyvus fotorezisto struktūrizavimo metodas, panašus į lazerio tiesioginio rašymo technologiją, naudojamas pagrindinių konstrukcijų gamybai, o po to atliekami nikelio galvanizavimo procesai. Ši technologija iš pradžių buvo sukurta puslaidininkinių kaukių rašymui, bet taip pat gali būti naudojama mikro-optinių elementų, ypač tinkamų Frenelio ir difrakcinėms struktūroms generuoti, gamybai.
Elektronų pluošto rašymas naudojamas puslaidininkių procesuose, todėl buvo įdėta daug pastangų siekiant pagerinti pasiekiamą skiriamąją gebą. Elektronų pluošto rašymo skiriamoji geba naudojant PMMA{1}}pagrįstą fotorezistą gali būti tik 10 nanometrų. Ši technologija taip pat gali būti naudojama kaip metalinių paviršių poliravimo procesas, naudojant defokusuotus elektronų pluoštus paviršiams nuskaityti, o metalo paviršius lydosi, todėl sumažėja paviršiaus šiurkštumas.
Jonų pluošto litografijanaudoja fokusuotus jonų pluoštus paviršiams nuskaityti, taip sukurdamas labai mažas struktūras. Ši technologija labai panaši į elektronų pluošto rašymą, tačiau jonai yra sunkesni ir turi didesnį krūvį, o jonų pluošto bangos ilgis yra mažesnis nei elektronų, todėl skiriamoji geba yra didesnė. Naudojant sufokusuotus jonų pluoštus, buvo pranešta, kad struktūros dydis yra mažesnis nei 5 nanometrai. Ši technologija taip pat naudojama kaip litografinių optinių elementų poliravimo metodas, naudojant mažos-energijos jonus, kad būtų pašalintos formos klaidos ir sumažintas šiurkštumas, kad būtų pasiektas Ra paviršiaus šiurkštumas.<1 nanometer.
Lazerinis apdirbimas ir poliravimas
Trumpo -impulsinio ir ultratrumpo Pagrindinis lazerinio apdirbimo pranašumas yra tai, kad beveik visas medžiagas galima apdoroti. Kai visi parametrai yra optimizuoti, apdirbimas lazeriu gali būti naudojamas net kaip poliravimas, kai paviršiaus kokybė pasiekia Ra<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.
Poliravimas ir klijavimasyra apdailos procedūros, kurios sukuria lygų paviršių naudojant neapibrėžtas pjovimo briaunas. Visiems poliravimo procesams bendra yra abrazyvų naudojimas paviršiams išlyginti, o abrazyvai suspenduojami skystyje, kad susidarytų srutos. Poliravimas gali sukurti labai aukštą paviršiaus kokybę nano ir sub{2}}nano diapazonuose, tačiau pašalinimo rodikliai paprastai yra labai maži. Poliravimas gali būti naudojamas apdirbant plokščius, sferinius, asferinius ir laisvos formos ruošinius bei struktūrinius paviršius.
Technologijos pasirinkimas
Kad būtų lengviau pasirinkti tinkamus gamybos metodus, galime išskirti tris kategorijas: formavimas, mikrostruktūrizavimas ir tolesnis{0} apdorojimas.
Naudojant formavimo metodus, šlifavimas ir itin{0}}labai tikslus apdirbimas gali pasiekti aukštą tikslumą ir gerą paviršių, tačiau žymiai mažesnis medžiagos pašalinimo greitis, palyginti su elektrocheminiu apdirbimu ir elektros išlydžio apdirbimu. Itin tikslus apdirbimas kaip formavimo metodas išlieka perspektyviausia technologija, ypač kai reikalingas tikslus optinių formų įdėklų formavimas. Kai reikia sudėtingų geometrijų, jokia kita technologija nesuteikia tokios didelės dizaino laisvės kaip itin tikslus apdirbimas.
Mikrostruktūrų technologijoms svarbus veiksnys yra pasiekiamas struktūros dydis. Kaip taisyklė, mažėjant struktūros dydžiui ir didėjant formos tikslumui, plotas, kurį galima struktūrizuoti, mažėja dėl ilgesnio apdorojimo laiko. Itin tikslus apdirbimas yra ne tik tinkamas formų įdėklų formavimo metodas, bet ir mikrostruktūrų kūrimui. Visų pirma, muselių pjovimo procesas gali greitai ir ekonomiškai pagaminti didelius struktūrinius plotus centimetrų diapazone.
Taikant visus apdirbimo būdus, kai paviršiaus kokybė yra nepakankama optinėms reikmėms, vėliau{0}}papildomas apdorojimas gali pagerinti paviršiaus kokybę. Visų pirma poliruojant ir klijuojant galima pagaminti optinius paviršius. Tačiau reikėtų atsižvelgti į tai, kad tolesnio-apdorojimo operacijos gali turėti įtakos bendrai formai ir formos tikslumui.