Como a demanda por qualidade de imagem continua a aumentar no mercado, lentes ópticas asféricas de alta precisão estão cada vez mais sendo usadas em instrumentos ópticos, comunicação a laser espacial, aeroespacial e outros campos. Em comparação com as lentes esféricas tradicionais, as lentes asféricas são projetadas com raios de curvatura variados, permitindo que os pontos focais dos raios paraxiais e marginais coincidam. Isso reduz aberrações ópticas, como aberração de frente de onda, coma e distorção, corrigindo efetivamente erros de imagem esféricos. Além disso, as lentes asféricas eliminam a necessidade de lentes adicionais para atingir alta qualidade de imagem, facilitando o desenvolvimento de sistemas ópticos mais compactos e leves.
A superfície óptica controlada por computador (CCOS) é uma técnica de processamento avançada que combina a experiência tradicional de polimento com a moderna tecnologia de controle numérico. À medida que a tecnologia se tornou mais refinada, ela gradualmente substituiu os métodos tradicionais de polimento para se tornar a tecnologia principal para o processamento de lentes asféricas na China. Durante o processamento real, os dados de morfologia da superfície da peça de trabalho alvo podem ser pré-introduzidos no sistema de controle. Com base no ambiente de polimento específico, fatores-chave como o tempo de permanência, velocidade, caminho de polimento e pressão de polimento da cabeça da ferramenta, bem como condições secundárias como o valor de pH e concentração da pasta de polimento, ângulo de orientação da ferramenta e temperatura, são controladas. Por meio de detecção e processamento repetidos, o erro entre a precisão da superfície óptica e a precisão da superfície alvo é continuamente reduzido, alcançando a precisão da superfície desejada.
Em comparação com as técnicas clássicas de polimento, o CCOS é um método de processamento determinístico que pode simular o processo de polimento de toda a superfície óptica com a maior precisão possível, alcançando assim uma precisão de processamento relativamente alta. No entanto, devido ao pequeno tamanho da cabeça da ferramenta, o CCOS também enfrenta a questão da baixa eficiência de processamento ao polir lentes asféricas de grande diâmetro. Além disso, como a almofada de polimento se desgasta com o tempo, a função de remoção não pode permanecer consistentemente estável, o que também pode afetar a precisão até certo ponto.
Para melhorar a eficiência de processamento de pequenas cabeças de ferramentas na fabricação de elementos ópticos asféricos, cabeças de ferramentas maiores são frequentemente usadas para obter taxas de remoção de material mais altas, com voltas de polimento comumente servindo como cabeças de ferramentas de grande porte. No entanto, devido à baixa conformidade de voltas de polimento maiores com elementos ópticos asféricos, alcançar o processamento de alta precisão torna-se um desafio. Para resolver esse problema, os cientistas se concentraram em otimizar a cabeça da ferramenta (polir a volta) e desenvolveram a tecnologia de polimento por tensão.
A tecnologia de polimento de tensão envolve a deformação ativa da volta de polimento para polir a peça de trabalho. Especificamente, durante o processo dinâmico de moagem e polimento, que inclui translação radial e rotação da volta de tensão, um computador controla a volta de tensão em tempo real. Este controle induz a deformação dinâmica da superfície do colo para corresponder à forma teórica da superfície do asférico sendo processado. Isso garante que, durante o processamento do colo ativo, o colo de polimento esteja em conformidade com a superfície asférica, permitindo uma remoção de material mais estável e maior precisão.
Em comparação com a tecnologia CCOS, a tecnologia de polimento por tensão oferece maior eficiência de processamento e pode, de preferência, remover pontos altos da superfície, corrigindo efetivamente os erros locais de frequência média a alta. Isso resulta em uma superfície de espelho naturalmente lisa em uma ampla gama de frequências espaciais, tornando-a particularmente adequada para o processamento de óptica asférica de grande diâmetro. Tornou-se uma das principais tecnologias para o processamento eficiente e preciso de espelhos primários de tamanhos de 2, 4 metros e até 8 metros. No entanto, a necessidade de ajustar os atuadores para alterar os momentos de flexão e torques para garantir que a tensão permaneça em contato com a superfície da peça de trabalho torna o processo de controle mais complexo.
O polimento de airbag ainda emprega a teoria básica de correção de forma do CCOS, mas usa uma cabeça de ferramenta de polimento que consiste em um airbag flexível com um certoPressão e uma camada de almofada de polimento de poliuretano aderiu à sua superfície. Durante o polimento, a pressão interna do ar do airbag pode ser ajustada em tempo real de acordo com o tamanho e a forma do elemento óptico que está sendo polido. Isso garante que a cabeça da ferramenta de polimento esteja quase completamente em conformidade com a superfície da peça de trabalho, garantindo que a função de remoção na área de polimento local do elemento óptico seja consistente. Isso efetivamente melhora a rugosidade da superfície e controla a precisão da superfície de pós-processamento.
Além disso, todo o processo de polimento do airbag é controlado por um sistema CNC. O polimento é realizado de maneira “precessão” (semelhante ao movimento de um giroscópio) ao longo de um caminho definido com velocidade e pressão controladas. Os parâmetros são flexíveis e controláveis, garantindo a estabilidade da remoção do material durante o processo de polimento.
Atualmente, no processamento de lentes objetivas de litografia, a tecnologia de polimento de airbag tornou-se a principal técnica de pré-processamento antes do polimento de feixe de íons. No entanto, devido ao pequeno tamanho do ponto de polimento e à baixa taxa de remoção de material do polimento do airbag, o tempo de processamento necessário para superfícies asféricas de grande diâmetro (escala de medidor e acima) é muito longo. Além disso, é propenso a gerar erros de frequência média a alta.
O polimento magnetorheológico (MRP) é uma tecnologia de processamento avançada que integra teorias do eletromagnetismo, química analítica e dinâmica de fluidos. Sua “cabeça de ferramenta de polimento” é um fluido magnetoreológico que sofre mudanças reológicas em um campo magnético gradiente, formando um “molde de polimento flexível” com propriedades viscoplásticas. Tanto a forma quanto a dureza deste molde podem ser controladas em tempo real pelo campo magnético.
Durante o polimento, a “cabeça da ferramenta” formada pelo fluido magnetorheológico gera forças de cisalhamento na área de contato. Ajustando o ângulo de rotação e a velocidade da peça de trabalho, a remoção uniforme do material pode ser alcançada em toda a superfície, resultando em um acabamento suave. Essa tecnologia permite um controle preciso sobre o processo de polimento, tornando-o adequado para obter superfícies de alta qualidade em componentes ópticos complexos.
Em comparação com os métodos tradicionais de processamento, o polimento magnetoreológico (MRP) oferece várias vantagens. Ao ajustar a intensidade do campo magnético, a forma e a dureza do fluido magnetorheológico solidificado podem ser alteradas, permitindo a remoção precisa e quantitativa do material de elementos ópticos com alta eficiência de polimento. Adicionalmente, a superfície do elemento óptico que está sendo processado não se deforma com mudanças na tensão, evitando a formação de camadas de dano de subsuperfície e garantindo alta qualidade de superfície.
Além disso, uma vez que a cabeça de polimento formada pelo fluido magnetoreológico não apresenta desgaste, a função de remoção permanece consistentemente contínua. No entanto, o MRP é adequado apenas para superfícies convexas com qualquer raio de curvatura. Para superfícies côncavas, o raio de curvatura deve ser maior que o raio da roda de polimento.
Atualmente, a empresa americana QED desenvolveu equipamentos MRP capazes de processar diâmetros que variam de 2 metros a 4 metros. Este equipamento já está sendo usado para o processamento de alta precisão de espelhos asféricos astronômicos de grande diâmetro.
O polimento de feixe de íons (IBP) atinge o polimento sem estresse e sem contato no nível atômico. O princípio envolve o uso de uma fonte de íons para emitir um feixe de íons com energia específica e distribuição espacial para bombardear a superfície das lentes ópticas em um ambiente de vácuo. Quando os átomos na superfície óptica recebem energia suficiente, eles superam as forças de ligação da superfície e sofrem pulverização catódica física, alcançando assim o polimento em nível atômico.
Essa técnica permite a remoção de material extremamente precisa, tornando-a ideal para aplicações que requerem superfícies ultra-lisas e altamente precisas. A natureza sem contato do polimento do feixe de íons elimina o risco de introdução de tensões ou deformações mecânicas, garantindo a integridade do óptico sUrface.
Devido à sua alta precisão de polimento, ausência de danos no subsolo e alta estabilidade, o polimento por feixe de íons (IBP) é altamente considerado no campo de processamento óptico. Não sofre de efeitos de borda ou problemas de danos de superfície e subsuperfície. Ao lado do polimento magnetoreológico (MRP), o IBP é considerado uma das tecnologias mais inovadoras em processamento óptico nos últimos trinta anos.
No entanto, como uma técnica de polimento de nível atômico, o IBP tem uma taxa de remoção de material relativamente baixa. É particularmente adequado para atingir os requisitos finais de superfície de alta precisão de espelhos asféricos de grande diâmetro. Atualmente, o uso de polimento de feixe de íons para fabricar superfícies asféricas para lentes objetivas de litografia pode atingir uma precisão de superfície com um valor RMS (Root Mean Square) de até 1 nm. Este nível de precisão é crítico para aplicações ópticas avançadas, garantindo a mais alta qualidade e desempenho dos componentes ópticos.
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