Perfekt optik gennem lysspredning

Innovative teknologier er nøglen til at tackle nogle af samfundets nøgleudfordringer – og mange af disse teknologier har et optisk system i deres kerne. Eksempler omfatter halvlederlitografisystemer designet til at skabe stadigt mindre og mere energieffektive mikrochips, satellitbaserede jordobservationssystemer med høj opløsning, og grundforskning inden for gravitationsbølgedetektion. I optikkens område, imidlertid, selv de mindste ufuldkommenheder kan føre til spredt lys, hvilket medfører en reduktion i kontrast og et lavere lysudbytte. Nutidens optiske systemer er derfor afhængige af optimeret design og omfattende inspektion af hele overfladen af ​​optiske komponenter. For at opnå dette, Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF udvikler lysspredningsmåleteknikker, der kan detektere uønsket spredt lys.

Overfladekvaliteten af ​​en optisk overflade er nøglen til at opnå det nødvendige niveau af billedkvalitet. Ingen overflade er fuldstændig fri for ufuldkommenheder. Selv krystaller - som kommer meget tæt på at repræsentere et ideelt fast stof - udviser defekter og mangler. At få den rigtige balance allerede i den optiske designfase kræver detaljerede specifikationer på en række områder, herunder omfanget af ufuldkomne punkter på overfladen, der anses for acceptable, og i hvilken grad eventuelle nødvendige belægninger og andre faktorer kan påvirke disse værdier.

Disse data kan leveres af Fraunhofer IOF, som udvikler en bred vifte af lysspredningsmålesystemer og sensorer samt de tilsvarende analysemetoder og lysspredningsmodeller. Disse værktøjer kan bruges til at påføre en virtuel belægning, giver videnskabsfolk mulighed for at lave lysspredningsforudsigelser, før produktionen finder sted. De baner også vejen for in-line karakterisering af kompleks optik – med andre ord, udfører automatiseret inspektion og komplet analyse af en overflade baseret på dens design- og konstruktionsdatasæt.

"Disse værktøjer kan hjælpe med at få den optimale balance mellem produktionsomkostninger og nyttige fordele. Optikken, der bruges i satellitter, er et godt eksempel. Udfordringen her er at producere flere optikker af samme type - for eksempel som en flyvemodel, reset modul osv. – mens den opererer på grænsen af, hvad der er teknisk muligt i et produktionsmiljø, især til applikationer ved korte bølgelængder. Derfor er det så vigtigt at stole på robuste og meningsfulde, in-line analyser, der tilbydes af lysspredningsmåleteknikker, siger Marcus Trost, som leder karakteriseringsgruppen hos Fraunhofer IOF.

Lysspredningsmåleteknik giver klare fordele

Overfladeufuldkommenheder måles traditionelt ved mikroskopi, interferometri eller taktile metoder, der involverer sondering af overfladen med en diamantnål. Disse teknikker er meget tidskrævende og dyre, imidlertid. Til glatte overflader, lysspredningsmålesystemer tilbyder allerede et gennemprøvet alternativ, der kombinerer høj følsomhed med hurtige, berøringsfri målinger. Hvad mere er, de er ikke modtagelige for vibrationer, gør dem til en yderst robust mulighed. Som et eksempel, det ville tage over 40 år at inspicere hele overfladen af ​​et 60-centimeter-diameter spejl med et atomkraftmikroskop, alligevel kunne lysspredningsteknikker bruges til at udføre det samme arbejde på blot et par timer.

Det gør denne metode til et godt valg til at opfylde de stadig mere krævende krav fra industrien og forskningen til optiske komponenter. Det gør det også muligt at opfylde høje funktions- og kvalitetsstandarder og samtidig optimere omkostninger og produktionstider. Fraunhofer IOF imødekommer allerede den internationale efterspørgsel efter optikkarakterisering fra producenter af optiske systemer, og det har også opbygget et solidt netværk af ekspertise i Tysklands "Optics Valley", en klynge af højteknologiske virksomheder i Jena-regionen.

Satellitmissioner nyder allerede godt af

Fraunhofer IOF har allerede bidraget med sin ekspertise til fremstilling og optimering af en række satellitoptikker, herunder German Aerospace Centers Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP). Fra i år, dette projekt har til formål at samle den mest detaljerede spektralt opløste information, der nogensinde er erhvervet om økosystemer på jordens overflade. Fraunhofer IOF's færdigheder er også blevet anvendt til de multispektrale jordobservationsapplikationer, der er en del af European Space Agencys Sentinel-program. ESA vil også opsende et nyt teleskop ud i rummet i år:Euclid-rumteleskopet vil lave en ny undersøgelse af de fjerneste rækker af universet, baner vejen for ny indsigt i mørkt stof og mørk energi.

Klar til at blive integreret i produktionen

I modsætning til traditionelle måleteknikker, denne metode er ikke følsom over for vibrationer, gør det nemmere at integrere i produktionsprocesser. Som et eksempel, Fig. 2 viser integrationen af ​​en kompakt lysspredningssensor i en ultra-præcision diamantdrejemaskine, der er specielt udviklet til hurtig og fleksibel karakterisering af ruhed og defekter. Dette gør det muligt at udføre karakteriseringen af ​​overfladeruhed in-line i fremstillingsprocessen og tillader endda at ændre procesparametre efter behov.

Fraunhofer IOFs målesystemer opfylder også kriterierne fra Fraunhofer fyrtårnsprojektet "Hierarkiske sværme som produktionsarkitektur med optimeret udnyttelse (SWAP)". Dette projekt har til formål at identificere nye teknologiske koncepter til at forme fremtidens produktion. Dens hovedfokus er på skiftet fra traditionel emnebearbejdning i en defineret sekvens af processer til en mere kollaborativ og (semi-)autonom produktion.