Innovativ teknik är nyckeln till att tackla några av samhällets viktigaste utmaningar – och många av dessa tekniker har ett optiskt system i kärnan. Exempel inkluderar halvledarlitografisystem utformade för att skapa allt mindre och mer energieffektiva mikrochips, satellitbaserade högupplösta jordobservationssystem, och grundforskning inom området gravitationsvågdetektering. I optikens rike, dock, även de minsta brister kan leda till spritt ljus, vilket orsakar minskad kontrast och lägre ljusutbyte. Dagens optiska system förlitar sig därför på optimerad design och omfattande inspektion av hela ytan av optiska komponenter. För att uppnå detta, Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF utvecklar ljusspridningsmättekniker som kan upptäcka oönskat spritt ljus.

Ytkvaliteten på en optisk yta är nyckeln till att uppnå den erforderliga nivån av bildkvalitet. Ingen yta är helt fri från brister. Till och med kristaller – som är mycket nära att representera en idealisk fast substans – uppvisar defekter och brister. Att få rätt balans redan i den optiska designfasen kräver detaljerade specifikationer inom ett antal områden, inklusive omfattningen av ofullkomliga punkter på ytan som anses vara acceptabla och i vilken grad eventuella nödvändiga beläggningar och andra faktorer kan påverka dessa värden.

Dessa uppgifter kan tillhandahållas av Fraunhofer IOF, som utvecklar ett brett utbud av ljusspridningsmätsystem och sensorer samt motsvarande analysmetoder och ljusspridningsmodeller. Dessa verktyg kan användas för att applicera en virtuell beläggning, gör det möjligt för forskare att göra förutsägelser om ljusspridning innan produktionen äger rum. De banar också väg för in-line karakterisering av komplex optik – med andra ord, utföra automatiserad inspektion och fullständig analys av en yta baserat på dess design- och konstruktionsdatauppsättningar.

"Dessa verktyg kan hjälpa till att få den optimala balansen mellan tillverkningskostnader och användbara fördelar. Optiken som används i satelliter är ett bra exempel. Utmaningen här är att producera flera optik av samma typ - till exempel som en flygmodell, återställningsmodul etc. – samtidigt som den arbetar inom gränserna för vad som är tekniskt möjligt i en produktionsmiljö, särskilt för applikationer vid korta våglängder. Det är därför det är så viktigt att lita på robusta och meningsfulla, in-line analyser som erbjuds av ljusspridningsmättekniker, säger Marcus Trost, som leder karaktärsgruppen på Fraunhofer IOF.

Ljusspridningsmätteknik ger tydliga fördelar

Ytdefekter mäts traditionellt med mikroskopi, interferometri eller taktila metoder som innebär att man sonderar ytan med en diamantnål. Dessa tekniker är mycket tidskrävande och dyra, dock. För släta ytor, ljusspridningsmätsystem erbjuder redan ett beprövat alternativ som kombinerar hög känslighet med snabb, beröringsfria mätningar. Vad mer, de är inte känsliga för vibrationer, vilket gör dem till ett mycket robust alternativ. Som ett exempel, det skulle ta över 40 år att inspektera hela ytan på en spegel med 60 centimeter i diameter med ett atomkraftmikroskop, ändå kan ljusspridningstekniker användas för att göra samma jobb på bara några timmar.

Det gör denna metod till ett bra val för att möta industrins och forskningens allt högre krav på optiska komponenter. Det gör det också möjligt att uppfylla höga funktions- och kvalitetsstandarder samtidigt som kostnader och produktionstider optimeras. Fraunhofer IOF tillgodoser redan den internationella efterfrågan på optikkarakterisering från tillverkare av optiska system, och det har också byggt upp ett gediget nätverk av expertis i Tysklands "Optics Valley", ett kluster av högteknologiska företag i Jena-regionen.

Satellituppdrag gynnas redan

Fraunhofer IOF har redan bidragit med sin expertis för att tillverka och optimera ett antal satellitoptik, inklusive German Aerospace Centers Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP). Från och med i år, detta projekt syftar till att sammanställa den mest detaljerade spektralt upplösta informationen som någonsin förvärvats om ekosystem på jordens yta. Fraunhofer IOF:s kompetens har också tillämpats på de multispektrala jordobservationsapplikationerna som ingår i European Space Agencys Sentinel-program. ESA kommer också att skjuta upp ett nytt teleskop i rymden i år:rymdteleskopet Euclid kommer att göra en ny undersökning av universums yttersta delar, banar väg för nya insikter om mörk materia och mörk energi.

Redo att integreras i produktionen

Till skillnad från traditionella mättekniker, denna metod är inte känslig för vibrationer, gör det lättare att integrera i produktionsprocesser. Som ett exempel, Fig. 2 visar integrationen av en kompakt ljusspridningssensor i en ultraprecisionsdiamantsvarv som är speciellt utvecklad för snabb och flexibel karakterisering av grovhet och defekter. Detta gör att karakteriseringen av ytjämnhet kan utföras in-line i tillverkningsprocessen och tillåter till och med att processparametrar kan modifieras efter behov.

Fraunhofer IOF:s mätsystem uppfyller även kriterierna för Fraunhofer fyrprojektet "Hierarkiska svärmar som produktionsarkitektur med optimerad utnyttjande (SWAP)". Detta projekt syftar till att identifiera nya tekniska koncept för att forma framtidens produktion. Dess huvudfokus ligger på övergången från traditionell bearbetning av arbetsstycken i en definierad sekvens av processer till en mer kollaborativ och (halv)autonom produktion.