Le tecnologie innovative sono la chiave per affrontare alcune delle sfide chiave della società e molte di queste tecnologie hanno al centro un sistema ottico. Gli esempi includono sistemi di litografia a semiconduttore progettati per creare microchip sempre più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico, sistemi di osservazione della Terra ad alta risoluzione basati su satellite, e la ricerca di base nel campo della rivelazione delle onde gravitazionali. Nel campo dell'ottica, però, anche le più piccole imperfezioni possono portare alla luce diffusa, che provoca una riduzione del contrasto e una minore resa luminosa. I sistemi ottici odierni si basano quindi su un design ottimizzato e su un'ispezione completa dell'intera superficie dei componenti ottici. Per realizzare questo, l'Istituto Fraunhofer per l'ottica applicata e l'ingegneria di precisione IOF sta sviluppando tecniche di misurazione della diffusione della luce in grado di rilevare la luce diffusa indesiderata.

La qualità della superficie di una superficie ottica è la chiave per raggiungere il livello richiesto di qualità dell'immagine. Nessuna superficie è completamente priva di imperfezioni. Anche i cristalli, che si avvicinano molto alla rappresentazione di un solido ideale, mostrano difetti e difetti. Ottenere il giusto equilibrio già nella fase di progettazione ottica richiede specifiche dettagliate in una serie di aree, compresa l'estensione dei punti imperfetti sulla superficie considerati accettabili e il grado in cui eventuali rivestimenti necessari e altri fattori possono influenzare questi valori.

Questi dati possono essere forniti da Fraunhofer IOF, che sviluppa un'ampia gamma di sensori e sistemi di misurazione della diffusione della luce, nonché i corrispondenti metodi analitici e modelli di diffusione della luce. Questi strumenti possono essere utilizzati per applicare un rivestimento virtuale, consentendo agli scienziati di fare previsioni sulla diffusione della luce prima che abbia luogo la produzione. Inoltre aprono la strada alla caratterizzazione in linea di ottiche complesse, in altre parole, eseguire l'ispezione automatizzata e l'analisi completa di una superficie in base ai suoi set di dati di progettazione e costruzione.

"Questi strumenti possono aiutare a ottenere l'equilibrio ottimale tra costi di produzione e benefici utili. L'ottica utilizzata nei satelliti è un buon esempio. La sfida qui è produrre più ottiche dello stesso tipo, ad esempio come modello di volo, modulo di reset ecc. – operando ai limiti di quanto tecnicamente fattibile in un ambiente produttivo in particolare per applicazioni a lunghezze d'onda corte. Ecco perché è così importante fare affidamento su solide e significative, analisi in linea offerte dalle tecniche di misurazione della diffusione della luce, "dice Marco Trost, che dirige il gruppo di caratterizzazione al Fraunhofer IOF.

La tecnica di misurazione della diffusione della luce offre chiari vantaggi

Le imperfezioni superficiali sono tradizionalmente misurate al microscopio, interferometria o metodi tattili che comportano il sondaggio della superficie con un ago diamantato. Queste tecniche richiedono molto tempo e sono costose, però. Per superfici lisce, i sistemi di misurazione della diffusione della luce offrono già un'alternativa collaudata che combina un'elevata sensibilità con velocità misurazioni senza contatto. Cosa c'è di più, non sono suscettibili alle vibrazioni, rendendoli un'opzione altamente robusta. Come esempio, ci vorrebbero più di 40 anni per ispezionare l'intera superficie di uno specchio di 60 centimetri di diametro con un microscopio a forza atomica, tuttavia, le tecniche di diffusione della luce potrebbero essere utilizzate per svolgere lo stesso lavoro in poche ore.

Ciò rende questo metodo una buona scelta per soddisfare i requisiti sempre più esigenti dell'industria e della ricerca per i componenti ottici. Consente inoltre di soddisfare elevati standard funzionali e qualitativi ottimizzando costi e tempi di produzione. Fraunhofer IOF sta già rispondendo alla domanda internazionale di caratterizzazione ottica da parte dei produttori di sistemi ottici, e ha anche costruito una solida rete di competenze nella "Optics Valley" tedesca, un cluster di aziende high-tech nella regione di Jena.

Le missioni satellitari ne stanno già beneficiando

Fraunhofer IOF ha già contribuito con la sua esperienza alla produzione e all'ottimizzazione di una serie di ottiche satellitari, compreso il programma di mappatura e analisi ambientale del Centro aerospaziale tedesco (EnMAP). A partire da quest'anno, questo progetto mira a raccogliere le informazioni risolte spettralmente più dettagliate mai acquisite sugli ecosistemi sulla superficie terrestre. Le competenze del Fraunhofer IOF sono state applicate anche alle applicazioni di osservazione della Terra multispettrale che fanno parte del programma Sentinel dell'Agenzia spaziale europea. L'ESA lancerà anche un nuovo telescopio nello spazio quest'anno:il telescopio spaziale Euclid effettuerà una nuova indagine dei più remoti confini dell'universo, aprendo la strada a nuove intuizioni sulla materia oscura e sull'energia oscura.

Pronto per essere integrato in produzione

A differenza delle tecniche di misurazione tradizionali, questo metodo non è sensibile alle vibrazioni, facilitandone l'integrazione nei processi produttivi. Come esempio, La Fig. 2 mostra l'integrazione di un sensore di diffusione della luce compatto in un tornio diamantato ultrapreciso che è stato sviluppato appositamente per la caratterizzazione rapida e flessibile di rugosità e difetti. Ciò consente di eseguire la caratterizzazione della rugosità superficiale in linea nel processo di produzione e persino di modificare i parametri di processo secondo necessità.

I sistemi di misurazione del Fraunhofer IOF soddisfano anche i criteri del progetto faro Fraunhofer "Sciami gerarchici come architettura di produzione con utilizzo ottimizzato (SWAP)". Questo progetto mira a identificare nuovi concetti tecnologici per plasmare il futuro della produzione. Il suo obiettivo principale è il passaggio dalla lavorazione tradizionale del pezzo in una sequenza definita di processi a una produzione più collaborativa e (semi)autonoma.