Innovatieve technologieën zijn de sleutel tot het aanpakken van enkele van de belangrijkste uitdagingen van de samenleving - en veel van deze technologieën hebben een optisch systeem als kern. Voorbeelden zijn halfgeleiderlithografiesystemen die zijn ontworpen om steeds kleinere en energiezuinigere microchips te maken, satellietgebaseerde aardobservatiesystemen met hoge resolutie, en fundamenteel onderzoek op het gebied van detectie van zwaartekrachtgolven. Op het gebied van optica, echter, zelfs de kleinste onvolkomenheden kunnen leiden tot verstrooid licht, wat zorgt voor een vermindering van het contrast en een lagere lichtopbrengst. De huidige optische systemen vertrouwen daarom op een geoptimaliseerd ontwerp en uitgebreide inspectie van het volledige oppervlak van optische componenten. Om dit te behalen, het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Optica en Precisietechniek IOF ontwikkelt lichtverstrooiingsmeettechnieken die ongewenst verstrooid licht kunnen detecteren.

De oppervlaktekwaliteit van een optisch oppervlak is de sleutel tot het bereiken van het vereiste niveau van beeldkwaliteit. Geen enkel oppervlak is volledig vrij van onvolkomenheden. Zelfs kristallen - die heel dicht in de buurt komen van een ideale vaste stof - vertonen gebreken en gebreken. Het verkrijgen van de juiste balans al in de optische ontwerpfase vereist gedetailleerde specificaties op een aantal gebieden, inclusief de mate van onvolmaakte punten op het oppervlak die als acceptabel worden beschouwd en de mate waarin eventueel noodzakelijke coatings en andere factoren deze waarden kunnen beïnvloeden.

Deze gegevens kunnen worden verstrekt door Fraunhofer IOF, die een breed scala aan meetsystemen en sensoren voor lichtverstrooiing ontwikkelt, evenals de bijbehorende analysemethoden en lichtverstrooiingsmodellen. Deze tools kunnen worden gebruikt om een ​​virtuele coating aan te brengen, waardoor wetenschappers lichtverstrooiingsvoorspellingen kunnen doen voordat de productie plaatsvindt. Ze maken ook de weg vrij voor in-line karakterisering van complexe optica, met andere woorden, het uitvoeren van geautomatiseerde inspectie en volledige analyse van een oppervlak op basis van de ontwerp- en constructiegegevenssets.

"Deze tools kunnen helpen om de optimale balans te vinden tussen productiekosten en nuttige voordelen. De optica die in satellieten wordt gebruikt, is een goed voorbeeld. De uitdaging hier is om meerdere optica van hetzelfde type te produceren, bijvoorbeeld als vliegmodel, reset module etc. – terwijl het werkt op de limieten van wat technisch haalbaar is in een productieomgeving, met name voor toepassingen op korte golflengten. Daarom is het zo belangrijk om te vertrouwen op robuuste en zinvolle, in-line analyses aangeboden door lichtverstrooiingsmeettechnieken, " zegt Marcus Trost, die aan het hoofd staat van de karakteriseringsgroep bij Fraunhofer IOF.

Meettechniek voor lichtverstrooiing biedt duidelijke voordelen

Oppervlakte-onvolkomenheden worden traditioneel gemeten door microscopie, interferometrie of tactiele methoden waarbij het oppervlak wordt afgetast met een diamanten naald. Deze technieken zijn erg tijdrovend en duur, echter. Voor gladde oppervlakken, lichtverstrooiingsmeetsystemen bieden nu al een beproefd alternatief dat een hoge gevoeligheid combineert met snelle, contactloze metingen. Bovendien, ze zijn niet gevoelig voor trillingen, waardoor ze een zeer robuuste optie zijn. Als voorbeeld, het zou meer dan 40 jaar duren om het hele oppervlak van een spiegel met een diameter van 60 centimeter te inspecteren met een atoomkrachtmicroscoop, toch zouden lichtverstrooiingstechnieken kunnen worden gebruikt om hetzelfde werk in slechts een paar uur te doen.

Dat maakt deze methode een goede keuze om te voldoen aan de steeds hogere eisen van de industrie en het onderzoek naar optische componenten. Het maakt het ook mogelijk om aan hoge functionele en kwaliteitsnormen te voldoen en tegelijkertijd de kosten en productietijden te optimaliseren. Fraunhofer IOF speelt al in op de internationale vraag naar optische karakterisering van producenten van optische systemen, en het heeft ook een solide netwerk van expertise opgebouwd in de Duitse "Optics Valley", een cluster van hightechbedrijven in de regio Jena.

Satellietmissies die al profiteren

Fraunhofer IOF heeft zijn expertise al bijgedragen aan de productie en optimalisatie van een aantal satellietoptieken, inclusief het Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) van het Duitse Aerospace Center. Vanaf dit jaar, dit project heeft tot doel de meest gedetailleerde spectraal opgeloste informatie te verzamelen die ooit is verkregen over ecosystemen op het aardoppervlak. De vaardigheden van Fraunhofer IOF zijn ook toegepast op de multispectrale toepassingen voor aardobservatie die deel uitmaken van het Sentinel-programma van de European Space Agency. De ESA zal dit jaar ook een nieuwe telescoop de ruimte in lanceren:de Euclid-ruimtetelescoop zal een nieuw onderzoek doen naar de verste uithoeken van het heelal, de weg vrijmaken voor nieuwe inzichten in donkere materie en donkere energie.

Klaar om in productie te worden geïntegreerd

In tegenstelling tot traditionele meettechnieken, deze methode is niet gevoelig voor trillingen, waardoor het gemakkelijker kan worden opgenomen in productieprocessen. Als voorbeeld, Fig. 2 toont de integratie van een compacte lichtverstrooiingssensor in een ultraprecieze diamantdraaimachine die speciaal is ontwikkeld voor het snel en flexibel karakteriseren van ruwheden en defecten. Hierdoor kan de karakterisering van de oppervlakteruwheid in-line in het fabricageproces worden uitgevoerd en kunnen zelfs de procesparameters indien nodig worden gewijzigd.

De meetsystemen van Fraunhofer IOF voldoen ook aan de criteria van het Fraunhofer-vuurtorenproject "Hiërarchische zwermen als productiearchitectuur met geoptimaliseerd gebruik (SWAP)". Dit project heeft tot doel nieuwe technologische concepten te identificeren om de toekomst van de productie vorm te geven. De belangrijkste focus ligt op de verschuiving van traditionele werkstukverwerking in een gedefinieerde reeks processen naar een meer collaboratieve en (semi-)autonome productie.