Tehnologija izdelave optičnih vložkov za kalupe

Polimerne optične komponente postajajo vse bolj pomembne na današnjem trgu. Ker zahteve glede zmogljivosti za optične elemente še naprej naraščajo, se proizvodni procesi soočajo s precejšnjimi izzivi. Med temi izstopa kot posebej kritična proizvodnja kalupnih vložkov za postopke replikacije, ki neposredno vplivajo na končno kakovost optičnih komponent. Ta pregled preučuje trenutno razpoložljive proizvodne tehnologije za pomoč inženirjem pri sprejemanju informiranih odločitev v praktičnih aplikacijah.

Polimerni optični elementi nudijo pomembne prednosti pred običajnimi steklenimi lečami. Omogočajo hitro množično proizvodnjo z brizganjem ali-brizganjem s stiskanjem ob nižjih proizvodnih stroških. Poleg tega je mogoče funkcije za namestitev in poravnavo neposredno integrirati v optične komponente, s čimer se odpravi potreba po dodatnih pritrdilnih elementih in postopkih sestavljanja. Od svetlobnih sistemov do avtomobilskih aplikacij, od slikovnih naprav do senzorjev, področja uporabe polimernih optičnih elementov se še naprej širijo.

Posebno pozornost si zasluži pojav mikrostrukturiranih optičnih komponent. Dodajanje funkcij mikrostrukture površinam leč lahko bistveno izboljša zmogljivost, zmanjša težo sistema, popravi aberacije in oblikuje svetlobne žarke. Mikrostrukture, kot so nizi mikroleč, difrakcijski optični elementi, Fresnelove leče in nizi prizm, igrajo ključno vlogo na področjih, vključno s koncentracijo sonca, oblikovanjem žarkov in merilnimi sistemi.

Klasifikacijski sistem proizvodnih tehnologij

Proizvodne tehnologije za optične kalupne vložke lahko razdelimo v dve veliki kategoriji: metode, ki ustvarjajo površine z optično kakovostjo, in tehnike za ustvarjanje optičnih mikrostruktur. Ker optični vložki za kalupe običajno zahtevajo izjemno visoko natančnost oblike in kakovost površine, ta dva dejavnika služita kot temeljni merili za ocenjevanje različnih tehnologij.

Ultra{0}}precizna obdelava: temelj optične proizvodnje

Ultra-precizna obdelava je od svojega pojava v šestdesetih letih prejšnjega stoletja ostala najpogosteje uporabljena metoda za izdelavo optičnih vložkov za kalupe. Glavna prednost te tehnologije je doseganje nanometrske-natančnosti pozicioniranja, s čimer se doseže izjemna kakovost površine in natančnost oblike. Diamantno obdelane-komponente običajno kažejo površinsko hrapavost pod 10 nanometrov, s čimer dosežejo zrcalno-kakovost zaključkov brez naknadne-obdelave.

Za pridobitev visoko{0}}kakovostnih delov morajo komponente stroja delovati na svojih mejah. Diamantni obdelovalni sistemi uporabljajo granit kot osnovo in so opremljeni z visoko-natančnimi sistemi za pozicioniranje, visoko-hitrostnimi vreteni ter natančnimi vpenjali in delovno opremo. Zračno uležajena vretena in hidrostatični ležaji omogočajo natančno premikanje orodij in delov, pri čemer nadzor položaja zagotavljajo steklene rešetke z ločljivostjo pod 1 nanometrom. Nadzor temperature je enako kritičen, saj zahteva vzdrževanje znotraj ±0,1K ali manjših razponov.

Eno-kristalni diamant tvori rezalni rob orodij zaradi svoje izjemne trdote in zmožnosti ustvarjanja izjemno ostrih robov z zaobljenostjo robov pod 50 nanometrov. Dosegljiva kakovost in natančnost delov sta močno odvisna od kakovosti diamantnega orodja. Vendar pa je obdelava diamantov omejena na ne-neželezne materiale, zaradi česar je prevleka iz niklja-fosforja industrijski standard. Nikelj-fosfor je mogoče obdelati z diamantnimi orodji s skoraj zanemarljivo obrabo orodja.

Diamantno struženjepredstavlja standardni postopek izdelave rotacijsko simetričnih optičnih komponent, primernih za izdelavo kalupov za sferične in asferične leče. Dosegljiva kakovost površine je v veliki meri odvisna od procesnih dejavnikov in materialnih dejavnikov. Primarni vplivni dejavniki vključujejo hitrost vretena, polmer konice orodja in podajalno hitrost. Visoke hitrosti vretena, veliki radiji konice orodja in počasne hitrosti podajanja na splošno izboljšajo hrapavost površine.

Servo tehnologija počasnega orodjaje bil razvit za izpolnjevanje visokih zahtev asimetričnih optičnih elementov. Gradi na tradicionalnih nastavitvah diamantnega struženja in med obdelavo doda nihanje osi Z-. Slow tool servo lahko izdeluje zelo natančne asimetrične dele brez dodatne strojne opreme. To tehnologijo je mogoče uporabiti za izdelavo nizov mikroleč, nizov prizm, difrakcijskih optičnih elementov, zunaj{4}}asfer in optičnih površin proste oblike.

Tehnologija hitrega servo orodjaspominja na počasen servo orodja, vendar uporablja dodaten aktuator za nihanje konice orodja. Hitri servo orodja omogočajo natančno pozicioniranje orodja, vendar z bistveno manjšim hodom kot počasna servo tehnologija orodja, običajno v razponu od nekaj mikrometrov do nekaj sto mikrometrov. Hitri servo orodja se običajno uporabljajo za izdelavo diamantno-struženih površin s strukturami, kot so mikroprizme in nizi leč.

Diamantno rezkanjeuporablja rezkarje z diamantno kroglo-z enim rezalnim robom, pri čemer se orodje vrti z visoko hitrostjo za odstranjevanje ostružkov v mikrometrskem območju. V primerjavi z diamantnim struženjem je rezkanje opazno počasnejše, vendar ponuja več svobode pri oblikovanju. Diamantno rezkanje se uporablja predvsem za izdelavo ne-gladkih površin, zlasti nizov mikroleč in prostih površin.

Rezanje muhuporablja vrteče se orodje z diamantom, postavljenim zunaj-osi, tako da diamant ne ohranja trajnega stika z materialom. Fly cutting lahko učinkovito ustvari ravne površine z optično kakovostjo površin na velikih površinah in je tudi primerna metoda za ustvarjanje mikrostruktur in optike prostih oblik.

Preboj v ultra-precizni obdelavi jekla

Ker je kaljeno jeklo najbolj priljubljen inženirski material, je bilo veliko raziskav namenjenih doseganju strojne obdelave železnih materialov z diamantnimi orodji. Primarni mehanizmi obrabe orodja vključujejo adhezijo in nastanek-robov, abrazijo in utrujenost, obrabo zaradi trenja in tribokemično obrabo. Kemični mehanizmi so glavni vzrok obrabe orodja.

Da bi preprečili hudo obrabo orodja, so raziskovalci predlagali različne pristope:

Ultrazvočno rezanje z vibracijamije najbolj obetavna metoda za obdelavo železnih materialov z diamantnimi orodji. Rezalno orodje vibrira eliptično, kar bistveno zmanjša sile trenja in kontaktni čas med diamantom in podlago. Ta tehnologija ni uporabna le za strojno obdelavo železnih materialov, temveč omogoča tudi površinsko mikrostrukturiranje ob doseganju optične kakovosti površine z Ra<10 nanometers.

Optimizacija rezalnih pogojevpredstavlja drugo metodo za zmanjšanje obrabe diamanta. Raziskovalne skupine so poskusile različne pogoje rezanja, vključno s kriogeno obdelavo in obdelavo v plinskem okolju. Diamantno struženje v kriogenih pogojih lahko znatno zmanjša obrabo orodja, pri čemer je površinska hrapavost boljša od 25 nanometrov.

Orodja iz kubičnega borovega nitrida brez vezivapredstavljajo eno najbolj obetavnih metod za pridobivanje optičnih površin na železnih materialih. Kubični borov nitrid ima odlično toplotno odpornost in kemično stabilnost, po trdoti pa je takoj za diamantom. Pri struženju nerjavnega jekla s trdoto 52HRC z orodji iz kubičnega borovega nitrida brez veziva je površinska hrapavost Ra<10 nanometers can be obtained.

Druge tehnologije oblikovanja

Obdelava z električnim praznjenjemje termoelektrični obdelovalni proces, ki odstranjuje material z nizom električnih isker med elektrodo orodja in obdelovancem. Obdelava z električnim praznjenjem lahko proizvede zelo natančne oblike z relativno visokimi stopnjami odstranjevanja materiala. Vendar je dosegljiva kakovost površine nezadostna za optične aplikacije, ki zahtevajo naknadno-obdelavo, kot je brušenje, rezanje ali poliranje, da dobimo gladke in natančne optične površine. Obdelava z mikro-električnim praznjenjem je še posebej primerna za aplikacije, ki zahtevajo mikrostrukture z visokim-razmerjem-visokih stranic, z velikostjo strukture do 3 mikrometrov in razmerji stranic do 100.

Elektrokemična obdelavaodstranjuje material z anodnim raztapljanjem kovine med elektrolizo. V primerjavi s konvencionalnimi tehnologijami obdelave ponuja elektrokemična obdelava visoke stopnje odstranjevanja materiala, uporabnost za vse trdote materiala, odsotnost obrabe orodja in gladke površine. To tehnologijo je mogoče uporabiti za naknadno-obdelavo konvencionalno obdelanih obdelovancev, ko se imenuje elektrokemično poliranje. Z uporabo izboljšanih elektrokemičnih obdelovalnih procesov lahko površinska hrapavost doseže 0,06 mikrometra.

Brušenjese običajno uporablja za izdelavo optičnih kalupov. Ker je hrapavost, ki jo je mogoče doseči med brušenjem, nezadostna za optične aplikacije, je treba izvesti naknadno-obdelavo, kot je poliranje. Ultra{3}}natančno brušenje lahko uporablja rezinoidna diamantna kolesa ali kolesa iz kubičnega borovega nitrida za doseganje dobre natančnosti oblike in površinske hrapavosti Ra<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Tehnologije izdelave mikrostruktur

Proces LIGA: pionir visoko{0}}preciznih mikrostruktur

LIGA pomeni tri nemške besede: litografija, galvanizacija in oblikovanje. Ta tehnologija je bila razvita v osemdesetih letih prejšnjega stoletja in se pogosto uporablja za izdelavo orodij za brizganje. Za dele s strukturami z visokim -razmerjem-visokih razmerij ta tehnologija nudi posebne prednosti v primerjavi z drugimi proizvodnimi tehnologijami, saj proizvaja mikrostrukture, manjše od 1 mikrometra.

Proces LIGA opisuje procesno verigo treh zaporednih operacij. Prvi korak je litografski postopek za strukturiranje substrata. Nato se izvede postopek galvanizacije z nikljem, pri čemer se strukturirani substrat uporablja kot glavni za ustvarjanje kalupa. Zadnji korak lahko za izdelavo delov uporabi brizganje ali vroče vtiskovanje. Primarna uporaba procesa LIGA v optiki je izdelava difrakcijskih optičnih elementov, poleg tega pa lahko proizvaja nize mikroleč, mikroprizme, mikrozrcala in valovode.

Nanoimprint litografija: Umetnost natančnosti v nanometrskem merilu

Nanoimprint litografija je litografska tehnologija, ki omogoča-visoko zmogljivo vzorčenje polimernih nanostruktur. Ta tehnologija je bila prvič predlagana leta 1995 in je sestavljena iz treh glavnih korakov: najprej se matrica izdela s tehnologijo mikrostrukture, nato se matrica posnema v kalup in na koncu pride do postopka vtiskovanja.

Nanoimprint litografija ima dve različici: termični vtis uporablja segrevanje za dvig temperature upora nad temperaturo posteklenitve, čemur sledi ohlajanje na sobno temperaturo; UV odtis uporablja ultravijolično svetlobo za utrjevanje rezista, kar zahteva prozorne kalupe. Z uporabo tehnologije litografije z nanoimprintom je mogoče izdelati in posnemati nanostrukture z velikostjo elementov pod 10 nanometrov. Običajno se uporablja v aplikacijah fotonike, vključno s hologrami, uklonskimi strukturami, proti-odsevnimi strukturami, nizi mikroleč in aplikacijami roll-to-roll.

Neposredno lasersko pisanje: ustvarjanje fleksibilne mikrostrukture

V primerjavi z lasersko obdelavo lasersko neposredno pisanje uporablja laserski žarek za strukturiranje fotorezista, podobno kot litografski postopki, ki se uporabljajo v proizvodnji polprevodnikov. Na substrat se nanese tanka plast fotorezista, nato pa se fotorezist strukturira s postopkom neposrednega laserskega pisanja. Lasersko direktno pisanje omogoča izdelavo binarnih in zveznih struktur in se zelo pogosto uporablja za izdelavo Fresnelovih ali difrakcijskih struktur, zlasti na ravninskih substratih.

V primerjavi z litografskimi metodami se lasersko neposredno pisanje izogne ​​zahtevam sub-mikrometrske poravnave zaporednih korakov osvetlitve. Za posnemanje takšnih struktur je treba izdelati kalupne vložke, ki lahko uporabljajo galvanizacijo z nikljem. Struktura, proizvedena v fotorezistu, predstavlja master, ki mu sledi ulivanje. Nedavni razvoj laserskega direktnega pisanja je omogočil strukturiranje na ukrivljenih substratih, s čimer so presežene omejitve ravnih substratov. Velikosti strukture so običajno okoli 5 mikrometrov, lahko pa se tudi zmanjšajo na 1-3 mikrometre.

Pisanje z elektronskim žarkom in litografija z ionskim žarkom

Pisanje z elektronskim žarkomje alternativna metoda za strukturiranje fotorezista, podobna tehnologiji laserskega neposrednega pisanja, ki se uporablja za izdelavo glavnih struktur, ki jim sledijo postopki galvanizacije z nikljem. Ta tehnologija je bila prvotno razvita za pisanje polprevodniških mask, lahko pa se uporablja tudi za izdelavo mikro-optičnih elementov, še posebej primernih za generiranje Fresnelovih in uklonskih struktur.

Zapisovanje z elektronskim žarkom se uporablja v polprevodniških procesih, zato je bilo veliko truda vloženega v napredovanje dosegljive ločljivosti. Ločljivost zapisovanja z elektronskim žarkom v fotorezistu na osnovi PMMA-je lahko le 10 nanometrov. To tehnologijo je mogoče uporabiti tudi kot postopek poliranja kovinskih površin z uporabo defokusiranih elektronskih žarkov za skeniranje površin, pri čemer taljenje kovinske površine povzroči zmanjšano hrapavost površine.

Litografija z ionskim žarkomuporablja fokusirane ionske žarke za skeniranje površin in tako ustvarja zelo majhne strukture. Ta tehnologija je zelo podobna pisanju z elektronskim žarkom, vendar so ioni težji in nosijo več naboja, pri čemer so valovne dolžine ionskega žarka manjše od valovnih dolžin elektronov, kar ima za posledico večjo ločljivost. Z uporabo fokusiranih ionskih žarkov so poročali o strukturnih velikostih pod 5 nanometrov. Ta tehnologija se uporablja tudi kot metoda poliranja za litografske optične elemente z uporabo nizko{4}}energijskih ionov za odstranjevanje napak v obliki in zmanjšanje hrapavosti ter doseganje površinske hrapavosti Ra<1 nanometer.

Laserska obdelava in poliranje

Uporaba kratko{0}}impulznih in ultrakratkih{1}}impulznih laserjev je nastajajoča tehnologija za različne aplikacije mikroobdelovanja in se lahko uporablja za strukturiranje orodij za oblikovanje. Glavna prednost laserske obdelave je, da je mogoče obdelati skoraj vse materiale. Ko so vsi parametri optimizirani, se lahko laserska obdelava uporablja celo kot poliranje, pri čemer kakovost površine doseže Ra<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Poliranje in lepljenjeso končne obdelave, ki ustvarjajo gladke površine z uporabo nedefiniranih rezalnih robov. Vsem postopkom poliranja je skupna uporaba abrazivov za glajenje površin, pri čemer so abrazivi suspendirani v tekočini, da nastane kaša. Poliranje lahko ustvari zelo visoko kakovost površine v nano in sub-nano obsegih, vendar so stopnje odstranjevanja na splošno zelo nizke. Poliranje se lahko uporablja za obdelavo ravnih, sferičnih, asferičnih in prosto oblikovanih obdelovancev ter strukturiranih površin.

Izbira tehnologije

Za podporo odločitvam za izbiro ustreznih metod izdelave lahko ločimo tri kategorije: oblikovanje, mikrostrukturiranje in naknadna-obdelava.

Pri metodah oblikovanja je mogoče z brušenjem in ultra{0}}natančno obdelavo doseči visoko natančnost in dobre površine, vendar z bistveno nižjimi stopnjami odstranjevanja materiala v primerjavi z elektrokemično obdelavo in obdelavo z električnim praznjenjem. Ultra{2}}precizna strojna obdelava kot metoda oblikovanja ostaja najbolj obetavna tehnologija, zlasti kadar je potrebno natančno oblikovanje v optičnih kalupnih vložkih. Ko so potrebne zapletene geometrije, nobena druga tehnologija ne ponuja tako velike svobode pri načrtovanju kot ultra-natančna obdelava.

Pri mikrostrukturnih tehnologijah je dosegljiva velikost strukture pomemben dejavnik. Praviloma velja, da se površina, ki jo je mogoče strukturirati, zmanjša zaradi daljših časov obdelave, ko se velikost strukture zmanjša in natančnost oblike poveča. Ultra{2}}natančna obdelava ni le ustrezna metoda za oblikovanje vložkov kalupov, ampak se lahko uporablja tudi za ustvarjanje mikrostruktur. Zlasti s postopkom muharjenja lahko hitro in ekonomično izdelamo velika strukturirana področja v centimetrskem območju.

Pri vseh metodah obdelave, kjer je kakovost površine nezadostna za optične aplikacije, lahko naknadna-obdelava naknadno izboljša kakovost površine. Zlasti s poliranjem in lepljenjem je mogoče izdelati optične površine. Vendar je treba upoštevati, da lahko postopki naknadne-obdelave vplivajo na splošno obliko in natančnost oblike.