Технология за производство на вложки за оптични форми

Полимерните оптични компоненти стават все по-важни на днешния пазар. Тъй като изискванията за производителност на оптичните елементи продължават да нарастват, производствените процеси са изправени пред значителни предизвикателства. Сред тях производството на формовъчни вложки за процеси на репликация се откроява като особено критично, което пряко влияе върху крайното качество на оптичните компоненти. Този преглед разглежда наличните в момента производствени технологии, за да помогне на инженерите да вземат информирани решения в практически приложения.

Полимерните оптични елементи предлагат значителни предимства пред конвенционалните стъклени лещи. Те позволяват бързо масово производство чрез леене под налягане или-компресионно формоване при по-ниски производствени разходи. Освен това функциите за монтаж и подравняване могат да бъдат директно интегрирани в оптични компоненти, елиминирайки необходимостта от допълнителни приспособления и процедури за сглобяване. От осветителни системи до автомобилни приложения, от устройства за изображения до сензори, областите на приложение на полимерните оптични елементи продължават да се разширяват.

Появата на микроструктурирани оптични компоненти заслужава специално внимание. Добавянето на микроструктурни характеристики към повърхностите на лещите може значително да подобри производителността, да намали теглото на системата, да коригира аберациите и да оформи светлинните лъчи. Микроструктури като масиви от микролещи, дифракционни оптични елементи, френелови лещи и призмени масиви играят жизненоважна роля в области, включително слънчева концентрация, оформяне на лъча и измервателни системи.

Система за класификация на производствените технологии

Производствените технологии за вложки за оптични форми могат да бъдат разделени на две основни категории: методи, които създават повърхности с оптично качество, и техники за създаване на оптични микроструктури. Тъй като вложките за оптични форми обикновено изискват изключително висока точност на формата и качество на повърхността, тези два фактора служат като основни показатели за оценка на различни технологии.

Изключително{0}}прецизна обработка: Основата на оптичното производство

От появата си през 60-те години на миналия век ултра-прецизната обработка остава най-често използваният метод за производство на оптични вложки за форми. Основното предимство на тази технология се състои в постигането на точност на позициониране-ниво на нанометър, като по този начин се постига изключително качество на повърхността и точност на формата. Обработените с диамант-компоненти обикновено показват грапавост на повърхността под 10 нанометра, постигайки огледално-качествено покритие без последваща-обработка.

За да се получат високо{0}}качествени части, машинните компоненти трябва да работят на предела на възможностите си. Системите за диамантена обработка използват гранит като основа, оборудвани с високо-системи за позициониране, високо-скоростни шпиндели и прецизни приспособления и работно оборудване. Шпиндели с въздушни лагери и хидростатични лагери позволяват прецизно движение на инструменти и части, с контрол на позицията, гарантиран от стъклени решетки с разделителна способност под 1 нанометър. Контролът на температурата е също толкова критичен, изискващ поддръжка в рамките на ±0,1K или по-малки диапазони.

Един{0}}кристалният диамант представлява режещия ръб на инструментите поради изключителната си твърдост и способността да създава изключително остри ръбове със закръгленост на ръбовете под 50 нанометра. Постижимото качество и прецизност на детайлите зависят силно от качеството на диамантения инструмент. Обработката с диаманти обаче е ограничена до цветни метали, което прави покритието от никел-фосфор индустриален стандарт. Никел-фосфорът може да се обработва с диамантени инструменти с практически незначително износване на инструмента.

Диамантено стругованепредставлява стандартен процес за производство на ротационно симетрични оптични компоненти, подходящи за производство на форми за сферични и асферични лещи. Постижимото качество на повърхността зависи до голяма степен от факторите на процеса и материалните фактори. Основните влияещи фактори включват скорост на шпиндела, радиус на върха на инструмента и скорост на подаване. Високите скорости на шпиндела, големите радиуси на върха на инструмента и бавните скорости на подаване обикновено подобряват грапавостта на повърхността.

Бавна серво технология на инструментае разработен, за да отговори на високите изисквания на асиметричните оптични елементи. Надграждайки традиционните настройки за струговане на диаманти, той добавя осцилация на оста Z- по време на обработка. Бавното серво устройство може да произвежда високоточни асиметрични части без допълнително машинно оборудване. Тази технология може да се използва за производство на масиви от микролещи, призмени масиви, дифракционни оптични елементи, извън{4}}осови асфери и оптични повърхности със свободна форма.

Бърза серво технология на инструментанаподобява бавно серво устройство, но използва допълнителен задвижващ механизъм за осцилиране на върха на инструмента. Бързото серво устройство позволява прецизно позициониране на инструмента, но със значително по-малък ход от бавната серво технология на инструмента, обикновено вариращо от няколко микрометра до няколкостотин микрометра. Бързото серво устройство обикновено се използва за производство на диамантено-струговани повърхности със структури като микропризми и масиви от лещи.

Диамантено фрезованеизползва фрези с диамантена топка-с един режещ ръб, като инструментът се върти с висока скорост, за да отстрани стружки в микрометровия диапазон. В сравнение с диамантеното струговане, фрезоването е значително по-бавно, но предлага по-голяма свобода в дизайна. Диамантеното фрезоване се използва предимно за производство на не-гладки повърхности, особено масиви от микролещи и повърхности със свободна форма.

Подрязване на мухиизползва въртящ се инструмент с диамант, позициониран извън-ос, така че диамантът не поддържа постоянен контакт с материала. Рязането с летене може ефективно да създава плоски повърхности с оптично качество на повърхността върху големи площи и също така е подходящ метод за създаване на микроструктури и оптика със свободна форма.

Пробив в свръх-прецизната обработка на стомана

Тъй като закалената стомана е най-популярният инженерен материал, значителни изследвания са посветени на постигането на машинна обработка на железни материали с диамантени инструменти. Основните механизми на износване на инструмента включват адхезия и образуване на-натрупани ръбове, абразия и умора, термично износване при триене и трибохимично износване. Химическите механизми представляват основната причина за износването на инструментите.

За да се избегне силното износване на инструментите, изследователите са предложили различни подходи:

Ултразвуково вибрационно рязанее най-обещаващият метод за обработка на железни материали с диамантени инструменти. Режещият инструмент вибрира елипсовидно, като значително намалява силите на триене и времето за контакт между диаманта и субстрата. Тази технология е полезна не само за обработка на железни материали, но също така позволява повърхностно микроструктуриране, като същевременно се постига оптично качество на повърхността с Ra<10 nanometers.

Оптимизиране на условията на рязанепредставлява друг метод за намаляване на износването на диаманти. Изследователските екипи са опитали различни условия на рязане, включително криогенна обработка и обработка в газова среда. Диамантеното струговане при криогенни условия може значително да намали износването на инструмента, като грапавостта на повърхността е по-добра от 25 нанометра.

Инструменти от кубичен борен нитрид без свързващо веществопредставляват един от най-обещаващите методи за получаване на оптични повърхности върху железни материали. Кубичният борен нитрид притежава отлична устойчивост на топлина и химическа стабилност, като твърдостта му е на второ място след диаманта. При струговане на неръждаема стомана с твърдост 52HRC с помощта на инструменти от кубичен борен нитрид без свързващо вещество, грапавостта на повърхността е Ra<10 nanometers can be obtained.

Други технологии за формоване

Електроерозионна обработкае процес на термоелектрическа обработка, който премахва материала чрез поредица от електрически искри между електрода на инструмента и детайла. Електроразрядната обработка може да произведе много точни форми с относително високи скорости на отнемане на материал. Постижимото качество на повърхността обаче е недостатъчно за оптични приложения, изискващи последваща-обработка като шлайфане, рязане или полиране за получаване на гладки и точни оптични повърхности. Микро-обработката с електроразряд е особено подходяща за приложения, изискващи микроструктури с високо-аспектно-съотношение, с размери на структурата до 3 микрометра и аспектно съотношение до 100.

Електрохимична обработкапремахва материала чрез анодно разтваряне на метал по време на електролиза. В сравнение с конвенционалните технологии за обработка, електрохимичната обработка предлага високи скорости на отстраняване на материал, приложимост за всякаква твърдост на материала, липса на износване на инструмента и гладки повърхности. Тази технология може да се използва за последваща-обработка на конвенционално обработени детайли, когато се нарича електрохимично полиране. Използвайки подобрени процеси на електрохимична обработка, грапавостта на повърхността може да достигне 0,06 микрометра.

Смиланеобикновено се използва за производство на оптични форми. Тъй като грапавостта, която може да се постигне по време на шлайфане, е недостатъчна за оптични приложения, трябва да се извърши последваща-обработка като полиране. Свръх-прецизното шлайфане може да използва резиноидни диамантени колела или колела от кубичен борен нитрид за постигане на добра точност на формата и грапавост на повърхността на Ra<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Технологии за производство на микроструктури

LIGA Process: Пионер на високо-прецизните микроструктури

LIGA означава три немски думи: литография, галванопластика и формоване. Тази технология е разработена през 80-те години на миналия век и се използва широко за производство на инструменти за леене под налягане. За части със структури с високо-аспектно-съотношение тази технология предлага специални предимства в сравнение с други производствени технологии, произвеждайки микроструктури, по-малки от 1 микрометър.

Процесът LIGA описва верига от процеси от три последователни операции. Първата стъпка е литографски процес за структуриране на субстрата. След това се извършва процес на галванично покритие с никел, като се използва структурираният субстрат като основен за създаване на формата. Последната стъпка може да използва леене под налягане или горещо щамповане за производство на части. Основното приложение на процеса LIGA в оптиката е производството на дифракционни оптични елементи и може също така да произвежда масиви от микролещи, микропризми, микроогледала и вълноводи.

Наноимпринт литография: Изкуството на наномащабната прецизност

Наноимпринт литографията е литографска технология, която позволява високо{0}}моделиране на полимерни наноструктури. Тази технология е предложена за първи път през 1995 г. и се състои от три основни стъпки: първо, шаблонът се произвежда с помощта на микроструктурна технология, след това шаблонът се репликира в матрица и накрая се извършва процесът на отпечатване.

Наноимпринтната литография има два варианта: термичното отпечатване използва нагряване, за да повиши температурата на съпротивлението над температурата на встъкляване, последвано от охлаждане до стайна температура; UV отпечатването използва ултравиолетова светлина за втвърдяване на резиста, което изисква прозрачни форми. Използвайки технологията за наноотпечатване на литография, могат да бъдат произведени и репликирани наноструктури с размери на характеристиките под 10 нанометра. Обикновено се използва в приложения на фотониката, включително холограми, дифракционни структури, анти{3}}отражателни структури, масиви от микролещи и приложения от-to-ролка.

Лазерно директно писане: Създаване на гъвкава микроструктура

В сравнение с лазерната обработка, директното лазерно писане използва лазерен лъч за структуриране на фоторезист, подобно на литографските процеси, използвани в производството на полупроводници. Тънък слой фоторезист се отлага върху субстрата, след което фоторезистът се структурира с помощта на процеса на лазерно директно писане. Лазерното директно писане позволява производството на бинарни и непрекъснати структури и се използва много често за производство на френелови или дифракционни структури, особено върху равнинни субстрати.

В сравнение с литографските методи, лазерното директно писане избягва суб{0}}микрометровите изисквания за подравняване на последователните стъпки на експониране. За да се възпроизведат такива структури, трябва да се произвеждат вложки за матрица, които могат да използват галванопластика с никел. Структурата, произведена във фоторезиста, представлява мастера, последван от отливане. Последните разработки на лазерно директно писане направиха възможно структурирането върху извити субстрати, преодолявайки ограниченията на планарния субстрат. Размерите на структурата обикновено са около 5 микрометра, но могат да бъдат намалени до 1-3 микрометра.

Писане с електронен лъч и литография с йонен лъч

Писане с електронен лъче алтернативен метод за структуриране на фоторезист, подобен на технологията за лазерно директно писане, използван за производство на основни структури, последвани от процеси на галванопластика с никел. Тази технология първоначално е разработена за писане на полупроводникови маски, но може да се използва и за производство на микро-оптични елементи, особено подходящи за генериране на френелови и дифракционни структури.

Записването с електронен лъч се използва в полупроводникови процеси, така че са инвестирани значителни усилия за напредване на постижима разделителна способност. Разделителната способност на запис на електронен лъч във фоторезист на базата на PMMA- може да бъде толкова ниска, колкото 10 нанометра. Тази технология може да се използва и като процес на полиране на метални повърхности, като се използват разфокусирани електронни лъчи за сканиране на повърхности, като топенето на металната повърхност води до намалена грапавост на повърхността.

Йонно-лъчева литографияизползва фокусирани йонни лъчи за сканиране на повърхности, като по този начин създава много малки структури. Тази технология е много подобна на писането с електронен лъч, но йоните са по-тежки и носят повече заряд, с дължини на вълните на йонния лъч, по-малки от електроните, което води до по-висока разделителна способност. С помощта на фокусирани йонни лъчи са докладвани структурни размери под 5 нанометра. Тази технология се използва и като метод за полиране на литографски оптични елементи, като се използват ниско-енергийни йони за отстраняване на грешки във формата и намаляване на грапавостта, като се постига грапавост на повърхността на Ra<1 nanometer.

Лазерна обработка и полиране

Използването на лазери с къс{0}}импулс и ултракъс{1}}импулс е нововъзникваща технология за различни приложения за микрообработка и може да се използва за структуриране на инструменти за формоване. Основното предимство на лазерната обработка е, че могат да се обработват почти всички материали. Когато всички параметри са оптимизирани, лазерната обработка може дори да се използва като полираща обработка, като качеството на повърхността достига Ra<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Полиране и прилепванеса довършителни обработки, които създават гладки повърхности с помощта на недефинирани режещи ръбове. Общото при всички процеси на полиране е използването на абразиви за изглаждане на повърхности, като абразивите се суспендират в течност, за да образуват каша. Полирането може да създаде много високо качество на повърхността в нано и суб{2}}нано диапазоните, но нивата на отстраняване обикновено са много ниски. Полирането може да се използва за обработка на равнинни, сферични, асферични и детайли със свободна форма, както и структурирани повърхности.

Избор на технология

За да подпомогнем решенията за избор на подходящи производствени методи, можем да разграничим три категории: формоване, микроструктуриране и последваща-обработка.

За методите на формоване шлайфането и ултра{0}}прецизната машинна обработка могат да постигнат висока прецизност и добри повърхности, но със значително намалени скорости на отнемане на материал в сравнение с електрохимичната обработка и обработката с електрически разряд. Свръ-прецизната машинна обработка като метод на формоване остава най-обещаващата технология, особено когато се изисква прецизно формоване в оптичните вложки на матрицата. Когато са необходими сложни геометрии, никоя друга технология не предлага толкова голяма свобода в дизайна като свръх-прецизната обработка.

За микроструктурните технологии постижимият размер на структурата е важен фактор. Като основно правило, тъй като размерът на структурата намалява и точността на формата се увеличава, площта, която може да бъде структурирана, намалява поради по-дълго време за обработка. Свръ-прецизната машинна обработка е не само подходящ метод за оформяне на формовъчни вложки, но може да се използва и за създаване на микроструктури. По-специално, процесът на рязане с муха може бързо и икономично да произведе големи структурирани площи в диапазона от сантиметри.

За всички методи на обработка, при които качеството на повърхността е недостатъчно за оптични приложения, последващата-обработка може впоследствие да подобри качеството на повърхността. По-специално, полирането и прилепването могат да произвеждат оптични повърхности. Въпреки това трябва да се има предвид, че операциите по -постобработка могат да повлияят на цялостната форма и точността на формата.