עדשות אספריות יצוקות מזכוכית קלקוגנית מספקות אלטרנטיבה, חדשה וחסכונית, לעדשות בתחום ה-IR המסורתיות עבור מתכננים אופטיים וכן עבור יצרני מערכות אופטיות. לעדשות אספריות מזכוכית קלקוגנית כמה יתרונות ייחודיים אשר עושים אותן נחשקות לשימוש במערכות IR המכילות אלמנטים רבים.
רוב הזכוכיות הקלקוגניות קיימות בשוק האינפרא אדום מאז סוף שנות ה-70. עד לא מזמן, טכניקת ייצור עדשות מחומר זה התבצעו בשתי שיטות: על ידי ליטוש קונבנציונאלי (עדשות ספריות) או על ידי ליטוש יהלום – SPDT (עדשות אספריות). זוהי אותה טכניקה שמשתמשים עבור גבישים לאינפרא אדום כמו גרמניום ואבץ סלניד.
בשנים האחרונות, טכניקת היציקה של עדשות אספריות שפותחה עבור זכוכית אופטית מסורתית, הותאמה עבור חומר קלקגוני. התפתחות זו התבססה כשיטה לייצור כמויות גדולות בשוק עדשות
ה-IR וכתוצאה מכך מחיר העדשה הוזל משמעותית.
זכוכית קלקוגנית
זכוכית קלקוגנית הינה חומר אמורפי שאינו תחמוצת. היא לא מכילה תחמוצות כמו SiO2 ,B2O3 ,PbO וכדומה. במקומן, זכוכית אופיינית זו מכילה גרמניום, אנטימון/ארסן וסלניום/גופרית. החוסר בחמצן ושאר אלמנטים מסורתיים מאפשר לזכוכית העברה מ-1 מיקרומטר עד כ-12 מיקרומטר (תלוי זכוכית). עם זאת, חוסר (או היעדר) של מרכיבים קונבנציונאליים של זכוכית אשר מספקים קישורים (מולקולאריים) הכרחיים מוביל להתרחבות תרמית בהשוואה לזכוכיות העשויות מתחמוצת. מבחינה מבנית, זכוכיות קלקוגניות בינאריות כמו למשל ארסן סלניום יש יותר במשותף עם פולימרים מזכוכיות מבוססות סיליקה מסורתיות.
ההבדל המבני, בנוסף, תורם ל-Tg נמוך (טמפרטורת העברה של הזכוכית). לזכוכיות קלקוגניות מסחריות יש Tg בטווח של
כ-370°C ועד התחום הנמוך 150°C. נתון ההופך את הזכוכית הקלקוגנית למתאימה ביותר לטכניקת דחיסת היציקה
ולכלים, אך עם זאת, גם Tg נמוך יכול להוות מגבלה.
בהשוואה לחומרי אינפרא אדום אחרים אשר מעבירים באותו תחום ספקטראלי, ישנם מספר הבדלים. באשר לזכוכיות עם תחמוצת, זכוכית קלקוגנית מאופיינת בהתרחבות תרמית גבוהה יותר מאשר חומרי אינפרא אדום מסורתיים כמו גרמניום, ZnSe ו-ZnS. במקרים מסוימים, ההתרחבות התרמית יכולה להיות אף גבוהה פי שלושה, למרות זאת, קצב השינוי של מקדם השבירה ביחס לשינוי הטמפרטורה (dn/dT) דומה לחומרים אחרים (למעט גרמניום שהרחבתו התרמית גבוהה פי ארבעה). בנוסף, זכוכית קלקוגנית אינה סובלת מהפסדים בהעברה כתוצאה מטמפרטורה (כמו במקרה של גרמניום).
זכוכית קלקוגנית יצוקה
התהליך הכללי של יציקת עדשות אספריות בכמויות גדולות מאוד בשל. הוא פותח במשך ה-20 שנה האחרונות לערך, והגיע לעדשות אספריות מדויקות מתחת ל-1 מילימטר ועד 60 מילימטר קוטר, כאשר עלויות הייצור יורדות בעקבות אוטומציה. אותו התהליך חל גם על עדשות זכוכית קלקוגנית.
תהליך היצוק הבסיסי עבור זכוכית קלקוגנית זהה לתהליך המתבצע בזכוכית אופטית מסורתית עם כמה שינויים קלים. התהליך מתחיל עם סט יציקות מפוברקות על מנת להניב את העקמומיות הנדרשת בעדשה המוגמרת. בשל Tg נמוך של הזכוכית הקלקוגנית, ניתן להפיק תועלת מיציקות מתכת הנוצרו בתהליך ליטוש יהלום משום שטמפרטורת היציקות נמוכה מספיק שהמתכת שומרת על רוב עוצמתה. לא כמו זכוכיות מסורתיות, ייצוק של זכוכיות קלקוגניות חייב להתבצע בסביבה אינרטית, ללא חמצן. חמצון של הזכוכית במהלך תהליך המיצוק יביא איתו ירידה בהעברה.
הבלנק (Preform), הינו זכוכית קלקוגנית הממוקמת בין התבניות. בלנק הוא חלק זכוכית מלוטשת באיכות הצורה והמשטח ההכרחית. צורתה תלויה בעדשה הרצויה, אבל בלנק טיפוסי מעוצב ככדורים ספריים. טכניקת השחזה וליטוש מסורתית נחשבת כמספיקה לייצור בלנק.
לאחר מכן מערכת התבנית-זכוכית מחוממת לטמפרטורת דפוס שבו זכוכית בלנק נדחסת בצורה של התבניות. ההתפשטות התרמית הגבוהה יותר של זכוכית קלקוגנית דורשת עיבוד מדורג כדי למנוע מהזכוכית להישבר במהלך תהליך הדפוס. התוצאה מתהליך זה הוא עדשת קלקוגנית שאינה דורשת כל טיפול נוסף.
החיסכון בעלויות הראשוניות קשור לתהליכי הדפוס ומתבניות רב-שימושיות. טכניקת ייצור התבניות כוללת ליטוש יהלום וליטוש קונבנציונאלי (לתבניות מחומרים קראמיים). אלה הם אותם הטכניקות המשמשות לייצור ישיר של עדשות אינפרא-אדומות. ההבדל הוא שקבוצה אחת של תבניות יכולה לייצר בין אלפים לעשרות אלפי עדשות, ובכך להקטין את הביקוש לציוד עיבוד שבבי יקר והגדלת התפוקה. בנוסף, במקום עיבוד עדשה אחת בכל פעם למכונת דפוס התהליך יכול לייצר עדשות מרובות במחזור לחיצה אחד במכונה אחת. מחזור לחיצה טיפוסי נע בין 10 עד 15 דקות, שהוא קצר יותר באופן משמעותי ממחזור של השחזת יהלום.
טכנולוגית יציקה נוכחית מסוגלת לעצב עדשות אולטרה מדויקות מזכוכית קלקוגנית עד 60 מ”מ קוטר ומאוד מדויקות עד 150mm קוטר. בשל העובדה שזכוכיות קלקוגניות יכולות להיות מעוצבות על תבניות מתכת שנוצרו בתהליך השחזת יהלום, ניתן לשלב בקלות רבה יותר דיפרקטיביות ישירות למשטחים אספריים, עוזר להפחית את כמות האלמנטים במערכות אופטיות אינפרא אדומות מורכבות, ולאחר מכן להפחית את העלויות.
יישומים ויתרונות
פלח שוק גדול וצומח ללא הרף בתחום אינפרא אדום הוא הדמיה תרמית. ישנם יישומים רבים בתחום ההדמיה התרמית אינפרא אדום. בסביבה הרפואית, רופאים יכולים לצפות על טמפרטורת גוף מקומית דרך מצלמת IR על מומים שונים. בתחנות כוח גרעיניות, ישנו שימוש רב במצלמות IR עבור חיפוש מהיר של נזילות חום במערכות קירור. בנוסף, הדמיה תרמית יכולה לשמש לבדיקות לא הרסניות וניטור ביישומים מסחריים (למגורים) וכן ביישומים תעשייתיים.
בביקורת גבולות, הקרנה בשדה התעופה, ויישומי אבטחה כלליים, מצלמות IR הופכות חיוניות יותר ויותר, אבל גם מורכבות ויקרות יותר. ככל ששוק
ההדמיה התרמית IR ימשיך לגדול כך העלויות של מערכות אלה יופחתו. כבר היום, מערכות הדמיה תרמית IR מותקנות בכלי רכב אישיים, כמו גם בכלי רכב חירום שירות כגון כבאיות וניידות המשטרה. עם זאת, הפחתת עלויות נוספת נדרשת להגדיל את החדירה לשווקים אלה.
משום שאת טכנולוגיית יציקת הזכוכית ניתן ליישם ישירות לזכוכיות קלקוגניות, ניתן לייצר עדשות אספריות ועדשות אספריות דיפרקטיביות מזכוכית קלקוגנית בנפחי ייצור בינוניים ועד גבוהים עם אחידות מושלמת בין העדשות ובמחיר משתלם מאוד. מלבד העלות הנמוכה של עדשות יצוקות מזכוכית קלקוגנית, יש מספר יתרונות נוספים כאשר מתכננים מערכת הדמיה IR. לדוגמא, היתרונות הרגילים של הקטנת אברציה כדורית ומורכבות אופטית מופחתת חלים גם כאן. ובכך יעילות ההעברה הכוללת של מערכת תהיה גבוהה יותר והפחתה של אלמנטים פירושו יותר מערכות קומפקטיות ומשקל נמוך יותר.
מנכ”ל פרולוג אופטיקה, שי לביא:
“בישראל אנו רואים בשנים האחרונות יותר ויותר שימוש בעדשות מזכוכית קלקוגנית, הן בתחום הצבאי והן בתחום הרפואי. השימוש הינו בפרויקטים משמעותיים וחשובים לחברות הישראליות”, מסביר שי, “מבחינת עלות – תועלת, אנו רואים כי בדרישה לייצור בכמויות בינוניות ומעלה (החל ממאות בודדות) ישנו חסכון בעלויות בטכניקת יציקה על פני טכניקות ייצור אחרות”.
לזכוכית קלקוגנית אינדקס שבירה נמוך יחסית (כ- בטווח של 8 עד 12 מיקרומטר) ופיזור גבוה יותר (מספר אבה כ-70), בהשוואה לגרמניום. כך ניתן לשלב עדשות יצוקות מזכוכית קלקוגנית עם חומרים אחרים (כגון עדשות גרמניום) לתיקון אברציות כרומטיות. בנוסף, ניתן לתכנן מערכת אופטית שלמה על ידי שימוש ביציקה עם מבנה דיפרקטיבי וכתוצאה מכך להגיע לביצועים אופטיים כוללים טובים יותר.
לבסוף, מקדם ההתפשטות התרמית של זכוכיות קלקוגניות מותאם באופן הדוק עם כמה מתכות כמו אלומיניום ונחושת. על ידי התאמת ההתפשטות התרמית של חומרי העדשה, ניתן יהיה לתכנן מערכת אופטומכאנית א-תרמית, ולשפר את ביצועים על טמפרטורה באופן משמעותי.
סיכום
הדרישה למערכות אופטיות בתחום האינפרא אדום ובעלות נמוכה ממשיכה לגדול. וככל שהעלויות מופחתות, כך נוצרים יישומים נוספים שיכולים להפיק תועלת מטכנולוגית האינפרא אדומה. עדשות אספריות יצוקות קלקוגנית הן הפיתוח הטכנולוגי המוביל שיאפשר להפחתת העלויות הדרושה, תוך מתן גמישות בעיצוב מערכות, וביצועי מערכת משופרים.
האל קון הינו יו”ר הכוונה עסקית של Archer OpTx, ספקית מובילה של עדשות אספריות יצוקות ורכיבים אופטיים.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת פרולוג אופטיקה
