超精密研磨技術のための非球面光学レンズ

イメージング品質の需要が市場で増加し続けるにつれて、高精度の光学非球面レンズは、光学機器、宇宙レーザー通信、航空宇宙、およびその他の分野でますます使用されています。 従来の球面レンズと比較して、非球面レンズは曲率半径が変化するように設計されており、近軸光線と周辺光線の焦点を一致させることができます。 これにより、波面収差、コマ収差、歪みなどの光学収差が低減され、球面画像エラーが効果的に補正されます。 さらに、非球面レンズは、高いイメージング品質を実現するための追加のレンズの必要性を排除し、よりコンパクトで軽量な光学システムの開発を容易にします。

コンピュータ制御の光学表面化 (CCOS)

コンピューター制御光学サーフェシング (CCOS) は、従来の研磨経験と最新の数値制御技術を組み合わせた高度な処理技術です。 技術がより洗練されるにつれて、それは徐々に主流の技術になるために伝統的な研磨方法に取って代わりました非球面レンズ中国での処理。 実際の処理中に、ターゲットワークピースの表面形態データを制御システムに事前に入力することができます。 特定の研磨環境に基づいて、ツールヘッドの滞留時間、速度、研磨経路、研磨圧力などの重要な要素、同様に、pH値および研磨スラリーの浓度、工具配向角度および温度のような二次条件が制御される。 検出と処理を繰り返すことにより、光学表面精度とターゲット表面精度の間の誤差が継続的に減少し、最終的に目的の表面精度が実現します。

古典的な研磨技術と比較して、CCOSは、光学面全体の研磨プロセスを可能な限り正確にシミュレートできる決定論的加工方法であり、それによって比較的高い加工精度を実現します。 ただし、ツールヘッドのサイズが小さいため、大径の非球面レンズを研磨する際の処理効率が低いという問題にも直面しています。 さらに、研磨パッドが時間の経過とともに摩耗するため、除去機能は一貫して安定したままではなく、ある程度精度に影響を与える可能性もあります。

ストレスラップ研磨技術

非球面光学素子の製造における小型工具ヘッドの処理効率を向上させるために、より高い材料除去率を達成するために、より大きな工具ヘッドがしばしば使用され、研磨ラップは一般的に大型のツールヘッドとして機能します。 しかし、大きな研磨ラップと非球面光学素子との適合性が低いため、高精度の処理を実現することは困難になります。 この問題に対処するために、科学者はツールヘッド (研磨ラップ) の最適化に焦点を当て、ストレスラップ研磨技術を開発しました。

応力ラップ研磨技術には、ワークピースを研磨するための研磨ラップのアクティブな変形が含まれます。 具体的には、半径方向の平行移動と応力ラップの回転を含む動的研削および研磨プロセス中に、コンピューターが応力ラップをリアルタイムで制御します。 この制御は、処理されている非球面の理論的な表面形状と一致するように、ラップ表面の動的変形を誘発します。 これにより、アクティブラップ処理中に、研磨ラップが非球面に準拠し、より安定した材料除去とより高い精度が可能になります。

CCOSテクノロジーと比較して、ストレスラップ研磨テクノロジーはより高い処理効率を提供し、表面の高点を優先的に除去して、局所的な中〜高周波数エラーを効果的に修正できます。 これにより、広範囲の空間周波数にわたって自然に滑らかな鏡面が得られ、大径の非球面光学系の処理に特に適しています。 2メートル、4メートル、さらには8メートルのサイズのプライマリミラーを効率的かつ正確に処理するための主要な技術の1つになりました。 ただし、アクチュエータを調整して曲げモーメントとトルクを変更し、応力ラップがワークピースの表面に接触したままになるようにする必要があるため、制御プロセスがより複雑になります。

エアバッグ研磨技術

エアバッグ研磨は依然としてCCOSの基本的な形状補正理論を採用していますが、ポリを使用しています一定の圧力を持つフレキシブルエアバッグとその表面に接着されたポリウレタン研磨パッドの層からなるフィッシングツールヘッド。 研磨中、研磨される光学素子のサイズおよび形状に応じて、エアバッグの内部空気圧をリアルタイムで調整することができる。 これにより、研磨ツールヘッドがワークピースの表面にほぼ完全に一致するようになり、光学素子の局所的な研磨領域における除去機能が一致することが保証される。 これにより、表面粗さが効果的に改善され、後処理の表面精度が制御されます。

さらに、エアバッグ研磨プロセス全体はCNCシステムによって制御されます。 研磨は、制御された速度と圧力で設定された経路に沿って「歳差」方式 (ジャイロスコープの動きと同様) で実行されます。 パラメータは柔軟で制御可能であり、研磨プロセス中の材料除去の安定性を保証します。

現在、リソグラフィ対物レンズの加工において、エアバッグ研磨技術は、イオンビーム研磨前の主流の前処理技術となっている。 しかし、研磨スポットサイズが小さく、エアバッグ研磨の材料除去率が低いため、大径の非球面 (メートルスケール以上) に必要な処理時間は非常に長い。 さらに、中〜高周波数エラーが発生しやすい。

Magnetorheological研磨

磁気研磨 (MRP) は、電磁気学、分析化学、流体力学の理論を統合した高度な処理技術です。 その「研磨ツールヘッド」は、勾配磁場のレオロジー変化を受け、粘塑性特性を備えた「柔軟な研磨モールド」を形成する磁気レオロジー流体です。 この型の形状と硬度の両方は、磁界によってリアルタイムで制御することができます。

研磨中、磁気生理学的流体によって形成された「ツールヘッド」は、接触領域にせん断力を生成します。 ワークピースの回転角度と速度を調整することにより、表面全体で均一な材料除去を実現でき、滑らかな仕上がりになります。 この技術により、研磨プロセスを正確に制御できるため、複雑な光学部品に高品質の表面を実現するのに適しています。

従来の処理方法と比較して、磁気生理学的研磨 (MRP) にはいくつかの利点があります。 磁場強度を調整することにより、固化した磁気熱流体の形状と硬度を変更できるため、高い研磨効率で光学要素からの正確かつ定量的な材料除去が可能になります。 さらに、加工される光学素子の表面は応力の変化に伴って変形せず、表面下の損傷層の形成を防ぎ、高い表面品質を保証する。

さらに、磁気生理学的流体によって形成された研磨ヘッドは摩耗を経験しないので、除去機能は一貫して継続的なままである。 しかしながら、MRPは、任意の曲率半径を有する凸面にのみ適している。 凹面の場合、曲率半径は研磨ホイールの半径より大きくなければならない。

現在、アメリカの会社QEDは、2メートルから4メートルまでの直径を処理できるMRP装置を開発しました。 この装置は、大口径の天文非球面鏡の高精度処理にすでに使用されています。

イオンビーム研磨

イオンビーム研磨 (IBP) は、原子レベルでの応力のない非接触研磨を実現します。 この原理では、イオン源を使用して特定のエネルギーと空間分布を持つイオンビームを放出し、真空環境で光学レンズの表面に衝突します。 光学表面上の原子が十分なエネルギーを受け取ると、それらは表面結合力を克服し、物理的なスパッタリングを受け、それによって原子レベルの研磨を達成します。

この技術により、非常に正確な材料除去が可能になり、超滑らかで高精度の表面を必要とするアプリケーションに最適です。 イオンビーム研磨の非接触性は、機械的な導入のリスクを排除します光学表面の完全性を保証する応力または変形。

その高い研磨精度、表面下の損傷の欠如、および高い安定性のために、イオンビーム研磨 (IBP) は、光学処理分野において高く評価されている。 エッジ効果や表面および表面下の損傷の問題はありません。 IBPは、磁気生理学的研磨 (MRP) と並んで、過去30年間の光学処理における最も革新的な技術の1つと考えられています。

しかし、原子レベルの研磨技術として、IBPは材料除去率が相対的に低い。 これは、大径の非球面ミラーの最終的な高精度の表面要件を達成するのに特に適しています。 現在、イオンビーム研磨を使用してリソグラフィ対物レンズ用の非球面を製造すると、最大1 nmのRMS (Root Mean Square) 値で表面精度を実現できます。 このレベルの精度は、高度な光学アプリケーションにとって重要であり、光学コンポーネントの最高の品質と性能を保証します。