Productietechnologie voor optische matrijsinzetstukken

Optische componenten van polymeren zijn steeds belangrijker geworden in de huidige markt. Omdat de prestatie-eisen voor optische elementen blijven stijgen, worden productieprocessen geconfronteerd met aanzienlijke uitdagingen. Hiervan valt de productie van matrijsinzetstukken voor replicatieprocessen op als bijzonder kritisch, omdat deze een directe invloed heeft op de uiteindelijke kwaliteit van optische componenten. Deze review onderzoekt de momenteel beschikbare productietechnologieën om ingenieurs te helpen weloverwogen beslissingen te nemen in praktische toepassingen.

Optische elementen van polymeer bieden aanzienlijke voordelen ten opzichte van conventionele glazen lenzen. Ze maken snelle massaproductie mogelijk door middel van spuitgieten of spuitgieten-compressie tegen lagere productiekosten. Bovendien kunnen montage- en uitlijningsfuncties rechtstreeks in optische componenten worden geïntegreerd, waardoor de noodzaak voor extra bevestigingen en montageprocedures wordt geëlimineerd. Van verlichtingssystemen tot automobieltoepassingen, van beeldapparatuur tot sensoren: de toepassingsdomeinen van optische polymeerelementen blijven zich uitbreiden.

De opkomst van microgestructureerde optische componenten verdient speciale aandacht. Het toevoegen van microstructuurkenmerken aan lensoppervlakken kan de prestaties aanzienlijk verbeteren, het systeemgewicht verminderen, aberraties corrigeren en lichtbundels vormgeven. Microstructuren zoals microlensmatrixen, diffractieve optische elementen, Fresnel-lenzen en prisma-arrays spelen een cruciale rol op gebieden als zonneconcentratie, bundelvorming en meetsystemen.

Classificatiesysteem van productietechnologieën

Productietechnologieën voor optische matrijsinzetstukken kunnen in twee hoofdcategorieën worden onderverdeeld: methoden die oppervlakken met optische kwaliteit creëren, en technieken voor het creëren van optische microstructuren. Omdat optische matrijsinzetstukken doorgaans een extreem hoge vormnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit vereisen, dienen deze twee factoren als kerngegevens voor het evalueren van verschillende technologieën.

Ultra-precisiebewerking: de basis van optische productie

Sinds de opkomst ervan in de jaren zestig is ultra-precisiebewerking nog steeds de meest gebruikte methode voor het produceren van optische matrijsinzetstukken. Het belangrijkste voordeel van deze technologie ligt in het bereiken van positioneringsnauwkeurigheid op nanometerniveau-, waardoor een uitzonderlijke oppervlaktekwaliteit en vormnauwkeurigheid wordt verkregen. Met diamant-bewerkte componenten vertonen doorgaans een oppervlakteruwheid van minder dan 10 nanometer, waardoor afwerkingen van spiegel-kwaliteit worden bereikt zonder na-nabewerking.

Om onderdelen van hoge-kwaliteit te verkrijgen, moeten machineonderdelen tot het uiterste presteren. Diamantbewerkingssystemen gebruiken graniet als basis, uitgerust met zeer-precieze positioneringssystemen, hoge-snelheidsspindels en nauwkeurige armaturen en bedieningsapparatuur. Luchtgelagerde spindels en hydrostatische lagers maken een nauwkeurige beweging van gereedschappen en onderdelen mogelijk, waarbij de positiecontrole wordt gegarandeerd door glazen roosters met een resolutie van minder dan 1 nanometer. Temperatuurregeling is net zo belangrijk en vereist onderhoud binnen ±0,1K of kleiner bereik.

Enkel{0}}kristaldiamant vormt de snijkant van gereedschappen vanwege de uitstekende hardheid en het vermogen om extreem scherpe randen te creëren met een randrondheid van minder dan 50 nanometer. De haalbare kwaliteit en precisie van het onderdeel zijn sterk afhankelijk van de kwaliteit van het diamantgereedschap. Diamantbewerking is echter beperkt tot non-ferromaterialen, waardoor nikkel-fosforcoating een industriestandaard is. Nikkel-fosfor kan worden bewerkt met diamantgereedschappen met vrijwel verwaarloosbare gereedschapsslijtage.

Diamant draaienvertegenwoordigt het standaardproces voor het vervaardigen van rotatiesymmetrische optische componenten, geschikt voor het produceren van sferische en asferische lensmallen. De bereikbare oppervlaktekwaliteit hangt grotendeels af van procesfactoren en materiaalfactoren. Primaire beïnvloedende factoren zijn onder meer de spilsnelheid, de gereedschapstipradius en de voedingssnelheid. Hoge spiltoerentallen, grote gereedschapspuntradii en lage voedingssnelheden verbeteren over het algemeen de oppervlakteruwheid.

Slow-tool-servotechnologieis ontwikkeld om te voldoen aan de hoge eisen van asymmetrische optische elementen. Het bouwt voort op traditionele diamantdraaiopstellingen en voegt Z--asoscillatie toe tijdens de bewerking. Een langzame gereedschapservo kan zeer nauwkeurige asymmetrische onderdelen produceren zonder extra machineapparatuur. Deze technologie kan worden gebruikt voor de productie van microlens-arrays, prisma-arrays, diffractieve optische elementen, off- asferen en optische oppervlakken met vrije vorm.

Snelle gereedschapservotechnologielijkt op een langzame gereedschapservo, maar gebruikt een extra actuator om de gereedschapspunt te laten oscilleren. Snelle gereedschapservo maakt nauwkeurige gereedschapspositionering mogelijk, maar met een aanzienlijk kleinere slag dan langzame gereedschapservotechnologie, doorgaans variërend van enkele micrometers tot enkele honderden micrometers. Snelle gereedschapservo wordt vaak gebruikt voor het vervaardigen van diamant-gedraaide oppervlakken met structuren zoals microprisma's en lensarrays.

Diamant frezenmaakt gebruik van diamantkogel-vingerfrezen met een enkele snijkant, waarbij het gereedschap op hoge snelheid draait om spanen in het micrometerbereik te verwijderen. Vergeleken met diamantdraaien gaat frezen merkbaar langzamer, maar biedt het een grotere ontwerpvrijheid. Diamantfrezen wordt voornamelijk gebruikt voor het vervaardigen van niet-gladde oppervlakken, met name microlensarrays en vrijevormoppervlakken.

Vlieg snijdenmaakt gebruik van roterend gereedschap waarbij de diamant buiten-as is geplaatst, zodat de diamant geen permanent contact met het materiaal onderhoudt. Met vliegensnijden kunnen op efficiënte wijze vlakke oppervlakken met optische oppervlaktekwaliteit over grote oppervlakken worden gecreëerd en is het ook een geschikte methode voor het creëren van microstructuren en vrijevormoptiek.

Doorbraken in de ultra-precisiebewerking van staal

Omdat gehard staal het meest populaire technische materiaal is, is er substantieel onderzoek besteed aan het bewerken van ferromaterialen met diamantgereedschappen. Primaire mechanismen voor gereedschapslijtage omvatten adhesie en opbouw-randvorming, slijtage en vermoeiing, thermische wrijvingsslijtage en tribochemische slijtage. Chemische mechanismen vormen de belangrijkste oorzaak van gereedschapslijtage.

Om ernstige gereedschapsslijtage te voorkomen, hebben onderzoekers verschillende benaderingen voorgesteld:

Ultrasoon trillingssnijdenis de meest veelbelovende methode voor het bewerken van ferromaterialen met diamantgereedschappen. Het snijgereedschap trilt elliptisch, waardoor de wrijvingskrachten en de contacttijd tussen diamant en substraat aanzienlijk worden verminderd. Deze technologie is niet alleen nuttig voor het bewerken van ferromaterialen, maar maakt ook microstructurering van oppervlakken mogelijk terwijl optische oppervlaktekwaliteit wordt bereikt met Ra<10 nanometers.

Optimaliseren van snijomstandighedenvertegenwoordigt een andere methode om diamantslijtage te verminderen. Onderzoeksteams hebben verschillende snijomstandigheden geprobeerd, waaronder cryogene bewerking en bewerking onder gasomgevingen. Diamantdraaien onder cryogene omstandigheden kan de slijtage van het gereedschap aanzienlijk verminderen, met een oppervlakteruwheid van beter dan 25 nanometer.

Bindmiddelloze gereedschappen van kubisch boornitridevertegenwoordigen een van de meest veelbelovende methoden voor het verkrijgen van optische oppervlakken op ferromaterialen. Kubisch boornitride bezit een uitstekende hittebestendigheid en chemische stabiliteit, waarbij de hardheid na diamant op de tweede plaats komt. Bij het draaien van roestvrij staal met een hardheid van 52HRC met behulp van kubisch boornitridegereedschap zonder bindmiddel, oppervlakteruwheid van Ra<10 nanometers can be obtained.

Andere vormtechnologieën

Bewerking van elektrische ontladingenis een thermo-elektrisch bewerkingsproces waarbij materiaal wordt verwijderd via een reeks elektrische vonken tussen de gereedschapselektrode en het werkstuk. Machinale bewerking met elektrische ontlading kan zeer nauwkeurige vormen produceren met relatief hoge materiaalverwijderingssnelheden. De haalbare oppervlaktekwaliteit is echter onvoldoende voor optische toepassingen, waardoor na-bewerkingen zoals slijpen, snijden of polijsten nodig zijn om gladde en nauwkeurige optische oppervlakken te verkrijgen. Micro-bewerking met elektrische ontlading is bijzonder geschikt voor toepassingen die microstructuren met een hoge-aspect-verhouding vereisen, met structuurafmetingen zo klein als 3 micrometer en aspectverhoudingen tot 100.

Elektrochemische bewerkingverwijdert materiaal door anodische oplossing van metaal tijdens elektrolyse. Vergeleken met conventionele bewerkingstechnologieën biedt elektrochemische bewerking hoge materiaalverwijderingspercentages, toepasbaarheid op elke materiaalhardheid, afwezigheid van gereedschapsslijtage en gladde oppervlakken. Deze technologie kan worden gebruikt voor de na-nabewerking van conventioneel bewerkte werkstukken, ook wel elektrochemisch polijsten genoemd. Met behulp van verbeterde elektrochemische bewerkingsprocessen kan de oppervlakteruwheid 0,06 micrometer bereiken.

Slijpenwordt vaak gebruikt voor het vervaardigen van optische mallen. Omdat de tijdens het slijpen bereikbare ruwheid onvoldoende is voor optische toepassingen, moet er na-nabewerking zoals polijsten worden uitgevoerd. Bij ultra-precisieslijpen kunnen harsachtige diamantschijven of kubieke boornitrideschijven worden gebruikt om een ​​goede vormnauwkeurigheid en oppervlakteruwheid van Ra te bereiken<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Productietechnologieën voor microstructuren

LIGA-proces: pionier op het gebied van microstructuren met hoge-precisie

LIGA staat voor drie Duitse woorden: lithografie, galvaniseren en gieten. Deze technologie is ontwikkeld in de jaren tachtig en wordt veel gebruikt voor de productie van spuitgietgereedschappen. Voor onderdelen met structuren met een hoge-aspect-verhouding biedt deze technologie speciale voordelen vergeleken met andere productietechnologieën, waarbij microstructuren worden geproduceerd die kleiner zijn dan 1 micrometer.

Het LIGA-proces beschrijft een procesketen van drie opeenvolgende bewerkingen. De eerste stap is een lithografisch proces voor het structureren van het substraat. Daarna vindt een nikkel-galvanisatieproces plaats, waarbij het gestructureerde substraat als master wordt gebruikt om de mal te maken. De laatste stap kan gebruik maken van spuitgieten of heet embossen om onderdelen te produceren. De primaire toepassing van het LIGA-proces in de optica is het vervaardigen van diffractieve optische elementen, en het kan ook microlensarrays, microprisma's, microspiegels en golfgeleiders produceren.

Nanoimprint-lithografie: de kunst van precisie op nanoschaal

Nanoimprint-lithografie is een lithografische technologie die patroonvorming met hoge- doorvoer van polymere nanostructuren mogelijk maakt. Deze technologie werd voor het eerst voorgesteld in 1995 en bestaat uit drie hoofdstappen: eerst wordt een master vervaardigd met behulp van microstructuurtechnologie, vervolgens wordt de masterstructuur in een mal gerepliceerd en ten slotte vindt het afdrukproces plaats.

Nanoimprint-lithografie kent twee varianten: bij thermisch afdrukken wordt gebruik gemaakt van verwarming om de resisttemperatuur boven de glasovergangstemperatuur te brengen, gevolgd door afkoelen tot kamertemperatuur; Bij UV-imprint wordt gebruik gemaakt van ultraviolet licht om de resist uit te harden, waarvoor transparante mallen nodig zijn. Met behulp van nano-imprint-lithografietechnologie kunnen nanostructuren met kenmerkgroottes van minder dan 10 nanometer worden geproduceerd en gerepliceerd. Het wordt vaak gebruikt in fotonica-toepassingen, waaronder hologrammen, diffractieve structuren, anti-reflecterende structuren, microlensmatrixen en rol-naar-rol-toepassingen.

Laser Direct Writing: flexibele creatie van microstructuren

Vergeleken met laserbewerking gebruikt laser direct schrijven een laserstraal om fotoresist te structureren, vergelijkbaar met lithografische processen die worden gebruikt bij de productie van halfgeleiders. Er wordt een dunne laag fotoresist op het substraat afgezet, waarna de fotoresist wordt gestructureerd met behulp van het directe laserschrijfproces. Direct laserschrijven maakt de vervaardiging van binaire en continue structuren mogelijk en wordt zeer algemeen gebruikt voor de vervaardiging van Fresnel- of diffractieve structuren, vooral op vlakke substraten.

Vergeleken met lithografische methoden vermijdt laser direct schrijven de vereisten voor uitlijning onder de micrometer van opeenvolgende belichtingsstappen. Om dergelijke structuren te repliceren, moeten vorminzetstukken worden vervaardigd, waarbij gebruik kan worden gemaakt van nikkelgalvanisatie. De structuur die in de fotoresist wordt geproduceerd, vertegenwoordigt de master, gevolgd door het gieten. Recente ontwikkelingen op het gebied van direct laserschrijven hebben structurering op gebogen substraten mogelijk gemaakt, waardoor de beperkingen van vlakke substraten worden overwonnen. Structuurgroottes zijn doorgaans ongeveer 5 micrometer, maar kunnen ook worden teruggebracht tot 1-3 micrometer.

Elektronenbundelschrijven en ionenbundellithografie

Schrijven met elektronenbundelsis een alternatieve methode voor het structureren van fotoresist, vergelijkbaar met directe laserschrijftechnologie, die wordt gebruikt voor het vervaardigen van masterstructuren gevolgd door nikkelgalvaniseringsprocessen. Deze technologie is oorspronkelijk ontwikkeld voor het schrijven van halfgeleidermaskers, maar kan ook worden gebruikt voor het vervaardigen van micro-optische elementen, met name geschikt voor het genereren van Fresnel- en diffractieve structuren.

Elektronenbundelschrijven wordt gebruikt in halfgeleiderprocessen, dus er zijn aanzienlijke inspanningen geïnvesteerd in het bevorderen van een haalbare resolutie. De schrijfresolutie van elektronenbundels in op PMMA-gebaseerde fotoresist kan zo laag zijn als 10 nanometer. Deze technologie kan ook worden gebruikt als polijstproces voor metalen oppervlakken, waarbij onscherpe elektronenstralen worden gebruikt om oppervlakken te scannen, waarbij het smelten van het metaaloppervlak leidt tot verminderde oppervlakteruwheid.

Ionenbundellithografiegebruikt gerichte ionenbundels om oppervlakken te scannen, waardoor zeer kleine structuren ontstaan. Deze technologie lijkt sterk op het schrijven met elektronenstralen, maar ionen zijn zwaarder en dragen meer lading, waarbij de golflengten van de ionenbundel kleiner zijn dan die van elektronen, wat resulteert in een hogere resolutie. Met behulp van gefocusseerde ionenbundels zijn structuurgroottes van minder dan 5 nanometer gerapporteerd. Deze technologie wordt ook gebruikt als polijstmethode voor lithografische optische elementen, waarbij ionen met lage-energie worden gebruikt om vormfouten te verwijderen en de ruwheid te verminderen, waardoor een oppervlakteruwheid van Ra wordt bereikt<1 nanometer.

Laserbewerking en polijsten

Het gebruik van korte-puls- en ultrakorte-pulslasers is een opkomende technologie voor verschillende microbewerkingstoepassingen en kan worden gebruikt voor het structureren van vormgereedschappen. Het belangrijkste voordeel van laserbewerking is dat vrijwel alle materialen kunnen worden bewerkt. Wanneer alle parameters zijn geoptimaliseerd, kan laserbewerking zelfs worden gebruikt als polijstbehandeling, waarbij de oppervlaktekwaliteit Ra bereikt<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Polijsten en leppenzijn afwerkingsbehandelingen die gladde oppervlakken creëren met behulp van ongedefinieerde snijkanten. Wat alle polijstprocessen gemeen hebben is het gebruik van schuurmiddelen om oppervlakken glad te maken, waarbij de schuurmiddelen in vloeistof gesuspendeerd zijn om een ​​slurry te vormen. Polijsten kan een zeer hoge oppervlaktekwaliteit opleveren in het nano- en sub{2}}nanobereik, maar de verwijderingspercentages zijn over het algemeen erg laag. Polijsten kan worden gebruikt voor het bewerken van vlakke, bolvormige, asferische en vrije vormwerkstukken, evenals gestructureerde oppervlakken.

Technologie selectie

Ter ondersteuning van beslissingen voor het selecteren van de juiste productiemethoden kunnen we drie categorieën onderscheiden: vorming, microstructurering en na-nabewerking.

Voor vormmethoden kunnen slijpen en ultra{0}}precisiebewerkingen een hoge precisie en goede oppervlakken opleveren, maar met aanzienlijk lagere materiaalverwijderingssnelheden vergeleken met elektrochemische bewerking en elektrische ontladingsbewerking. Ultra{2}}precisiebewerking als vormmethode blijft de meest veelbelovende technologie, vooral wanneer nauwkeurig vormen vereist is in optische matrijsinzetstukken. Wanneer complexe geometrieën nodig zijn, biedt geen enkele andere technologie zo'n grote ontwerpvrijheid als ultra-precieze bewerking.

Voor microstructuurtechnologieën is de haalbare structuurgrootte een belangrijke factor. Als vuistregel geldt dat naarmate de structuurgrootte afneemt en de vormnauwkeurigheid toeneemt, het oppervlak dat kan worden gestructureerd afneemt als gevolg van langere verwerkingstijden. Ultra-precisiebewerking is niet alleen een geschikte methode voor het vormgeven van vorminzetstukken, maar kan ook worden gebruikt om microstructuren te creëren. In het bijzonder kan het vliegsnijproces snel en economisch grote gestructureerde gebieden in het centimeterbereik vervaardigen.

Voor alle bewerkingsmethoden waarbij de oppervlaktekwaliteit onvoldoende is voor optische toepassingen, kan na{0}}nabewerking de oppervlaktekwaliteit verbeteren. Met name door polijsten en leppen kunnen optische oppervlakken worden vervaardigd. Houd er echter rekening mee dat na-bewerkingen de algehele vorm en vormnauwkeurigheid kunnen beïnvloeden.