High-End dokončovací procesy

Pro dosažení nejvyšší přesnosti a minimalizaci tvarových odchylek mohou být optické prvky podrobeny závěrečnému korekčnímu kroku, tzv. finishingu. Ten slouží k ještě přesnějšímu opracování povrchu leštěním a umožňuje zónové korekce i těch nejjemnějších odchylek. Společnost asphericon nabízí dva různé high-end dokončovací procesy pro zušlechtění povrchové struktury optických komponent:

• magnetoreologické leštění (Magnetorheological Finishing-Technology®) a
• Ångströmové leštění.

Tyto postupy budou níže vysvětleny a porovnány. Nejprve se zaměříme na magnetoreologické dokončování (MRF). Tato korekční metoda je mechanický lešticí proces pro optické povrchy. Cílený lokální úběr materiálu koriguje optický povrch a umožňuje dosáhnout velmi nízkých hodnot drsnosti (Rq < 0,3 nm). Technologie MRF umožňuje flexibilní návrh vysoce kvalitní přesné optiky díky využití magnetoreologických vlastností materiálových složek.

Magnetoreologické dokončování

Korekční proces MRF pracuje s magnetoreologickou kapalinou složenou z magnetických částic, lešticích prostředků a vody. MR kapalina je nepřetržitě nanášena tryskou na rotující kotouč (viz obr. 1). Pod povrchem kotouče se nachází magnet generující magnetické pole, které mění viskozitu „inteligentní“ kapaliny. Železné částice se zarovnají a vytvoří tuhou strukturu přiléhající ke kotouči; voda a abrazivní částice se koncentrují jako zpevněná tenká lešticí vrstva na povrchu (viz obr. 2). Obrobek je upnut v pohyblivém držáku a ponořen do lešticí vrstvy na opracovávaném povrchu. Začíná leštění povrchu obrobku (viz obr. 3). Poloha obrobku může být plně automaticky nastavována pro úsporu času. Cílený úběr materiálu umožňuje lokální korekci tvarových chyb. Výsledkem jsou nejnižší hodnoty drsnosti povrchu pro optiku nejvyšší kvality. Technologie MRF se vyznačuje maximální přesností, determinismem a opakovatelností při výrobě přesné optiky.

Figure: Process steps of MRF procedure

Výhody technologie MRF

Proces MRF vyniká svými možnostmi leštění a korekce v oblasti krátkých i dlouhých vlnových délek. Vysoký determinismus se projevuje ve velmi dobrém plánování korekcí chyb, což vede k nejlepším výsledkům leštění. Proces dále přesvědčuje svou jednoduchou aplikovatelností. Vysoká flexibilita MRF umožňuje snadné přizpůsobení široké škále optických povrchů. Díky tomu lze vyrábět mnoho optických komponent pro široké spektrum aplikací.

Následující výhody lze pro tento korekční proces uvést:

Oblasti použití

Proces zušlechťování MRF má široké spektrum použití díky rozmanitosti vyráběné optiky. Různé geometrie pro krátkovlnnou i dlouhovlnnou oblast jsou snadno dosažitelné. Leštění v rámci technologie MRF lze proto provádět jak na klasických optických prvcích, jako jsou sféry, tak na složitějších površích, jako jsou asféry (nebo freeform optika). Například čočky pro mikroskopii jsou leštěny pomocí MRF technologie, aby se minimalizovalo rozptýlené světlo a dosáhlo se mimořádně ostrého obrazu. Také nároky na optiku používanou v systémech LIDAR jsou velmi vysoké, protože je vystavena silným vlivům prostředí, jako je sluneční záření a teplo. Pro zajištění optimální funkčnosti vyžadují optické komponenty dokonalý optický povrch, který lze dosáhnout pomocí technologie MRF.

Ångströmový lešticí proces asphericon

Když záleží na každém fotonu, je nutné eliminovat rozptýlené světlo nebo realizovat aplikace s vysokým laserovým výkonem, umožňuje Ångströmové leštění dosáhnout drsnosti až 5 Å (Rq měřeno na ploše 1000x1000 µm dle ISO 10110) na optických površích. Proces je propojen s CNC obráběním. Optimalizovaný CNC proces umožňuje korekci krátkofrekvenčních chyb. Nejvyšší přesnosti lze dosáhnout díky speciálně vyvinutým nástrojům a technologii. To umožňuje vytvářet povrchy v dosud nevídané kvalitě. Přesnost povrchu přitom zůstává zachována.

Vysoce přesné Ångströmové leštění založené na CNC výrobě je umožněno patentovaným řídicím softwarem speciálně vyvinutým společností asphericon. Lešticí proces je plně automaticky řízen, což umožňuje dosáhnout jedinečných hodnot drsnosti 5 Å. Ångströmové leštění lze znázornit na libovolném optickém povrchu. Povrch žádné optiky není ideální, protože dlouhofrekvenční chyby vedou k odchylkám od ideálního tvaru (viz obr. 1). Při bližším pohledu obsahuje dlouhofrekvenční chyba mnoho krátkofrekvenčních chyb – tzv. prostorových frekvencí (viz obr. 2). Ångströmové leštění zcela koriguje krátkofrekvenční chyby kombinací optimalizovaného CNC procesu s unikátním softwarovým řízením (viz obr. 3). Zůstávají pouze dlouhofrekvenční chyby, které lze pomocí technologie asphericon minimalizovat. Ångströmové leštění lze použít pro opracování různých prvků v optickém rozsahu, např. u satelitních čoček nebo optiky ultrakrátkopulzních laserů.

Fig. 1: Ideal surface deviates from real surface, long-frequency errors present

Fig. 2 & 3 - Left: Zoom before Ångström-Polishing (short frequency errors, local frequencies) Right: Zoom after Ångström-Polishing (short frequency errors removed, local frequencies corrected

Výhody Ångströmového leštění

Nízký a přesný úběr materiálu patentovaného Ångströmového leštění odlišuje tento proces od ostatních high-end dokončovacích metod bezprecedentní přesností v oblasti krátkých vlnových délek. V měřené oblasti 1000 x 1000 µm lze dosáhnout hodnot drsnosti pod 5 Å.

Přehled výhod Ångströmového leštění:

Příklady použití

Jednou z výhod Ångströmové metodiky je široké spektrum aplikací pro různé optické prvky. Leštění optických skel (sféry i asféry), krystalů nebo např. IR materiálů je bez problémů možné a zajišťuje optimální využití fotonů. Trvale bezchybné zobrazovací vlastnosti opracovaných prvků činí tento high-end finishing ideálním doplňkem výrobního procesu. Vysoce přesné tolerance povrchu a minimální hodnoty drsnosti jsou zvláště důležité v leteckém a kosmickém průmyslu, zejména u optiky pro satelity a satelitní kamery. Také v různých měřicích zařízeních, například v atomové interferometrii, jsou zapotřebí vysoce přesné optické komponenty pro dosažení nejlepších výsledků měření.

Shrnutí – porovnání korekčních procesů

Porovnání výše uvedených high-end dokončovacích procesů ukazuje, že každý lešticí proces má své specifické výhody. V závislosti na výrobních požadavcích, materiálech nebo požadované přesnosti může každý z uvedených procesů dosahovat vynikajících výsledků.

Technologie MRF se vyznačuje širokým spektrem korekcí v oblasti krátkých i dlouhých vlnových délek, a proto je považována za jakéhosi „univerzála mezi lešticími procesy“. Ångströmové leštění vyniká zejména velmi nízkým zbytkovým rozptylem a minimálními hodnotami drsnosti.

Rozhodnutí o volbě konkrétní metody high-end finishingu závisí na různých faktorech. Klíčové jsou především specifické požadavky zákazníka, přičemž společnost asphericon vždy hledá nejefektivnější řešení pro jejich splnění. V závislosti na materiálu a požadované přesnosti poskytují různé finishingové procesy optimalizovaná řešení pro dosažení nejlepších povrchových kvalit u široké škály optiky.