Saphir-Fenster Sie kommen in optischen Instrumenten, Halbleiteranlagen, Lasersystemen, Druckbehältern, Sensoren für die Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Anwendungsbereichen zum Einsatz, in denen sowohl optische Transparenz als auch mechanische Beständigkeit erforderlich sind.
Vor dem Versand muss ein Saphirfenster geprüft werden, um sicherzustellen, dass seine Abmessungen, Oberflächenbeschaffenheit, optischen Eigenschaften und Verpackung den Zeichnungen und Kaufspezifikationen des Kunden entsprechen.
Diese Prüfung ist komplexer als die bloße Überprüfung, ob das Fenster transparent oder frei von sichtbaren Rissen ist. Ein Saphirfenster kann mit bloßem Auge einwandfrei erscheinen, dennoch übermäßige Dickenschwankungen, Oberflächenformfehler, Keilform, Unebenheiten in der Beschichtung oder mikroskopische Verunreinigungen aufweisen.
Ein umfassender Qualitätskontrollprozess kann Folgendes umfassen:
- Überprüfung des Materials und der Kristallorientierung
- Sichtprüfung
- Maßprüfung
- Messung der Dicke und der Gesamtdickenabweichung
- Prüfung der Oberflächenqualität
- Prüfung der Ebenheit und der durchgelassenen Wellenfront
- Parallelitäts- oder Keilprüfung
- Messung der Oberflächenrauheit
- Prüfung der optischen Übertragung
- Beschichtungsprüfung
- Kanten- und Fasenprüfung
- Überprüfung der Sauberkeit
- Abschließende Dokumentation und Verpackungskontrolle
Der genaue Prüfplan hängt von der Funktion des Saphirfensters und den vom Kunden vorgegebenen Toleranzen ab.
1. Warum die Inspektion vor dem Versand wichtig ist
Saphir ist bekannt für seine hohe Härte, chemische Beständigkeit, thermische Stabilität und mechanische Festigkeit. Diese Materialvorteile garantieren jedoch nicht automatisch, dass ein fertiges Fenster in einem optischen System die gewünschte Leistung erbringt.
Fertigungsprozesse wie Kristallschneiden, Schleifen, Läppen, Polieren, Reinigen und Beschichten können zu Maß- oder optischen Abweichungen führen.
Zu den typischen Risiken zählen:
- Falsche Durchmesser- oder Konturmaße
- Übermäßige Dickenschwankungen
- Oberflächenkratzer oder Vertiefungen
- Edge-Chips
- Schlechte Oberflächenebenheit
- Übermäßiger Keil
- Hohe Oberflächenrauheit
- Interne Einschlüsse
- Beschichtungsfehler
- Partikelverunreinigung
- Verpackungsschäden
Die Inspektion vor dem Versand soll dazu dienen, diese Probleme zu erkennen, bevor das Produkt den Kunden erreicht.
Bei Standardfenstern für industrielle Anwendungen kann die Prüfung auf einer Sichtprüfung und einfachen Maßmessungen beruhen. Bei Komponenten in Laserqualität oder für interferometrische Anwendungen sind unter Umständen kalibrierte Interferometer, Spektralphotometer, Oberflächenprofilmessgeräte und detaillierte Prüfberichte erforderlich.
2. Prüfung der Zeichnungen und Spezifikationen
Die Prüfung sollte mit einer Überprüfung der Zeichnung, der Bestellung und der technischen Anforderungen des Kunden beginnen.
Der Inspektor sollte Folgendes bestätigen:
- Werkstoffgüte
- Saphir-Orientierung
- Fensterform
- Durchmesser, Länge und Breite
- Dicke und Dickentoleranz
- Lichtdurchlass
- Anforderungen an die Oberflächenqualität
- Anforderung an die Ebenheit
- Parallelitäts- oder Keilvoraussetzung
- Oberflächenrauheit
- Kantenbearbeitung
- Optische Beschichtung
- Sende-Wellenlänge
- Prüfnorm
- Erforderliche Berichte oder Bescheinigungen
Dieser Schritt ist wichtig, da manche Spezifikationen unterschiedlich ausgelegt werden können, wenn die Messmethode nicht eindeutig definiert ist.
Beispielsweise kann in einer Zeichnung eine Ebenheit von λ/4 angegeben sein, ohne dass die Testwellenlänge, die freie Apertur oder die Art der Abweichung – Oberflächenabweichung oder Wellenfrontfehler – genannt wird.
Ebenso sollte ein Kratz- und Risswert das anzuwendende Prüfsystem angeben. Die Norm ISO 10110-7 legt fest, wie zulässige Oberflächenfehler innerhalb eines definierten Prüfbereichs gekennzeichnet werden, darunter lokale Fehler, lange Kratzer und Kantenabsplitterungen.
Die Prüfergebnisse sollten stets anhand der vereinbarten Zeichnung bewertet werden und nicht anhand einer allgemeinen Vorstellung davon, was ein “gutes” Saphirfenster ausmacht.
3. Sichtprüfung der Oberfläche
Die Sichtprüfung ist in der Regel einer der ersten Schritte der Qualitätskontrolle.
Das Saphirfenster wird unter kontrollierten Lichtbedingungen geprüft, um sichtbare Mängel wie beispielsweise folgende zu erkennen:
- Kratzer
- Ausgrabungen
- Gruben
- Risse
- Chips
- Polierspuren
- Flecken
- Rückstand
- Fingerabdrücke
- Beschichtungsfehler
- Fremdkörper
Zu den Prüfbedingungen können ein dunkler Hintergrund, gerichtete Beleuchtung, Vergrößerung und ein festgelegter Betrachtungsabstand gehören.
Der Prüfer sollte die gesamte optische Apertur begutachten und dabei auch überprüfen, ob sich etwaige Mängel innerhalb oder außerhalb der funktionalen freien Apertur befinden.
Ein kleiner Defekt nahe dem Außenrand hat möglicherweise keinen Einfluss auf den Strahlengang, während derselbe Defekt in der Mitte der freien Apertur möglicherweise nicht akzeptabel ist.
Bei der Sichtprüfung sollte zudem zwischen Oberflächenverschmutzungen und dauerhaften Schäden unterschieden werden. Eine durch Reinigungsrückstände verursachte Spur kann nach einer erneuten Reinigung verschwinden, während ein Polierkratzer Teil der Oberfläche bleibt.
4. Kratz- und Grabprüfung
Bei der Kratz- und Grabprüfung werden lokale Oberflächenmängel untersucht.
In der üblichen optischen Notation gibt eine Angabe wie 60-40 oder 20-10 die zulässige Qualität hinsichtlich Kratzern und Vertiefungen an. Niedrigere Werte stehen im Allgemeinen für strengere Anforderungen an die Oberflächenqualität.
Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen unter anderem:
| Kratz- und Grab-Stufe | Allgemeine Anwendung |
|---|---|
| 80-50 | Sicherheitsfenster für gewerbliche Zwecke |
| 60-40 | Allgemeine Industrieoptik |
| 40-20 | Präzisionsbildgebungssysteme |
| 20-10 | Laser und wissenschaftliche Optik |
| 10-5 | Hochpräzise optische Systeme |
Die Kratz- und Grabprüfung sollte nicht mit der Messung der Oberflächenrauheit verwechselt werden.
Bei der Kratzprüfung werden vereinzelte sichtbare Mängel bewertet, während bei der Rauheitsmessung die mikroskopische Struktur über einen gemessenen Bereich hinweg bewertet wird.
Die Norm ISO 10110-7 befasst sich mit der Kennzeichnung von Oberflächenfehlern in optischen Zeichnungen, während die Norm ISO 14997 praktische Verfahren zur Bewertung solcher Fehler beschreibt.
Bei beschichteten Saphirfenstern muss die Prüfung auch Kratzer in der Beschichtung, kleine Löcher, Flecken und lokale Haftungsmängel umfassen.
5. Maßprüfung
Bei der Maßprüfung wird überprüft, ob die tatsächliche Geometrie des Saphirfensters mit der Zeichnung übereinstimmt.
Zu den gängigen Messgrößen gehören:
- Außendurchmesser
- Länge und Breite
- Eckenradius
- Lochdurchmesser
- Abmessungen der Aussparung
- Stufenabmessungen
- Fasenbreite
- Fasenwinkel
- Dicke
- Kantenstärke
- Lage der gebohrten oder bearbeiteten Merkmale
Je nach Toleranz können die Prüfer Folgendes verwenden:
- Digitale Messschieber
- Außenmikrometer
- Höhenmessgeräte
- Werkzeugmikroskope
- Optische Komparatoren
- Koordinatenmessgeräte
- Berührungslose Bildverarbeitungssysteme
Die Kontaktmessung muss sorgfältig durchgeführt werden. Obwohl Saphir äußerst kratzfest ist, kann punktueller Druck durch ein Messwerkzeug dünne Kanten oder beschichtete Oberflächen beschädigen.
Bei Präzisionsbauteilen sollten die Messgeräte kalibriert und für die geforderte Messunsicherheit geeignet sein.
6. Dickenmessung
Die Dicke ist ein entscheidender Parameter, da sie die mechanische Festigkeit, die optische Weglänge, die Passgenauigkeit bei der Montage und die Druckbeständigkeit beeinflusst.
Die Dicke kann wie folgt gemessen werden:
- Mechanische Mikrometer
- Digitale Dickenmessgeräte
- Berührungslose optische Messgeräte
- Interferometrische Dickenmesssysteme
Messungen sollten in der Regel an mehreren Stellen und nicht nur an einem einzigen Punkt durchgeführt werden.
Bei einem runden Saphirfenster können folgende Prüfpunkte berücksichtigt werden:
- Mitte
- Vier oder mehr Punkte entlang des mittleren Radius
- Stellen in der Nähe der nutzbaren Kante
Anhand dieses Messmusters lässt sich feststellen, ob das Fenster eine gleichmäßige Dicke oder ein keilförmiges Profil aufweist.
Die Messkraft muss insbesondere bei dünnen Fenstern kontrolliert werden. Eine zu hohe Kraft kann das Bauteil verbiegen und zu einem ungenauen Messergebnis führen.
7. Schwankungen der Gesamtdicke
Die Gesamtdickenabweichung, üblicherweise mit TTV abgekürzt, ist die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen gemessenen Dicke innerhalb des festgelegten Bereichs.
TTV lässt sich wie folgt ausdrücken:
TTV = Maximale Dicke − Minimale Dicke
Ein niedriger TTV-Wert ist bei folgenden Anwendungen wichtig:
- Optische Bildgebung
- Halbleiter-Ausrüstung
- Präzisionssensorbaugruppen
- Verbundene optische Stapel
- Interferometrische Systeme
- Fenster, die strikte Parallelität erfordern
Ein Saphirfenster kann zwar die Nenn-Dickentoleranz einhalten, dennoch aber die TTV-Anforderung nicht erfüllen.
Beispielsweise können zwar alle Messwerte innerhalb des zulässigen Gesamtdickenbereichs liegen, doch kann der Unterschied zwischen der einen und der anderen Seite dennoch zu groß sein.
Die TTV kann je nach erforderlicher Genauigkeit mithilfe mechanischer Messsysteme, kapazitiver Messgeräte oder optischer interferometrischer Verfahren gemessen werden.
8. Prüfung von Durchmesser, Form und Umriss
Bei runden Fenstern sollte der Prüfer Folgendes überprüfen:
- Nennweite
- Durchmessertoleranz
- Rundheit
- Randbedingung
- Gleichmäßigkeit der Fase
Bei rechteckigen oder individuell geformten Fenstern kann die zusätzliche Überprüfung Folgendes umfassen:
- Länge und Breite
- Rechtwinkligkeit
- Maße der parallelen Seiten
- Eckenradius
- Profilgenauigkeit
- Lochposition
Ein Fenster mit korrekten Nennmaßen kann dennoch zu Montageproblemen führen, wenn es eine schlechte Rundheit oder ein ungenaues Eckprofil aufweist.
Bildverarbeitungssysteme eignen sich besonders für unregelmäßige Formen, da sie den gemessenen Umriss mit CAD-Daten abgleichen können.
9. Kanten- und Fasenprüfung
Der Rand eines Saphirfensters ist aus mechanischer Sicht von Bedeutung, da Risse häufig an beschädigten Rändern entstehen.
Bei der Kantenprüfung sollte Folgendes festgestellt werden:
- Chips
- Mikrorisse
- Scharfe Ecken
- Ungleichmäßige Fasen
- Schleifspuren
- Lokalisierte Fraktur
- Unvollständige Kantenpolitur
Eine Fase oder Abschrägung trägt dazu bei, die beim Schneiden und Schleifen entstehende empfindliche scharfe Kante zu beseitigen.
Der Inspektor kann Folgendes überprüfen:
- Fasenbreite
- Fasenwinkel
- Gleichmäßigkeit am Umfang
- Maximal zulässige Größe von Randspänen
- Ob Chips in die freie Apertur gelangen
Kantenfehler, die die optische Durchlässigkeit nicht wesentlich beeinträchtigen, können dennoch die mechanische Festigkeit verringern. Dies ist insbesondere bei Druckfenstern, Vakuum-Sichtfenstern und Bauteilen von Bedeutung, die in Druckhalterungen eingebaut sind.
10. Prüfung der Oberflächenebenheit
Die Ebenheit beschreibt, wie stark eine optische Oberfläche von einer idealen Ebene abweicht.
Sie kann in physikalischen Einheiten oder als Bruchteil einer Wellenlänge angegeben werden, zum Beispiel:
- 1λ
- λ/2
- λ/4
- λ/10
Die jeweilige Referenzwellenlänge und die Messöffnung sollten angegeben werden.
Die Norm ISO 10110-5 legt Regeln für die Angabe von Toleranzen der Oberflächenform in optischen Zeichnungen fest.
Die Ebenheit wird üblicherweise mit einem optischen Interferometer gemessen. Dabei wird die Saphiroberfläche mit einer kalibrierten Referenzoberfläche verglichen und das daraus resultierende Interferenzmuster analysiert.
Moderne Phasenverschiebungsinterferometer können eine vollständige Oberflächenkarte erstellen, aus der Folgendes hervorgeht:
- Abweichung zwischen Spitzen- und Talwert
- RMS-Oberflächenfehler
- Leistung
- Unregelmäßigkeit
- Astigmatismus
- Lokale Oberflächenverformung
Das NIST beschreibt den direkten interferometrischen Vergleich mit einer Referenzplatte sowie drei Kalibrierungsverfahren zur präzisen Ebenheitsmessung.
Die Art der Aufspannung ist besonders wichtig bei der Vermessung großer oder dünner Saphirfenster. Schwerkraft, Kantenklemmung oder der Druck der Spannvorrichtung können das Werkstück verformen und die gemessene Oberflächenform verändern. Untersuchungen des NIST haben gezeigt, dass durch die Aufspannung verursachte Verformungen und das Durchhängen unter dem Einfluss der Schwerkraft die Ergebnisse der Präzisionsebenheitsmessung erheblich beeinflussen können.
11. Parallelitäts- und Keilprüfung
Unter Parallelität versteht man das Winkelverhältnis zwischen der vorderen und der hinteren optischen Oberfläche.
Sind die beiden Flächen nicht parallel, enthält das Fenster einen Keil.
Parallelität kann in folgenden Fällen festgelegt werden:
- Bogenminuten
- Bogensekunden
- Milliradian
- Mikroradian
- Dickenabweichung
Ein zu großer Keil kann folgende Auswirkungen haben:
- Strahlabweichung
- Bildverschiebung
- Doppelte Reflexionen
- Optischer Ausrichtungsfehler
- Ungleiche optische Weglänge
Zu den Prüfverfahren gehören:
- Mehrpunkt-Dickenmessung
- Prüfung mit einem Autokollimator
- Interferometrische Messung
- Prüfung der Laserstrahlablenkung
Mit einem Autokollimator lassen sich Reflexionen von der Vorder- und Rückseite beobachten. Anhand des Winkelabstands zwischen den reflektierten Bildern lässt sich dann die Beziehung zwischen den Oberflächen bestimmen.
Bei Laserfenstern kann manchmal bewusst ein Keil vorgesehen sein, um unerwünschte Interferenzen zwischen den Reflexionen zu verhindern. Daher sollte der Prüfer nicht davon ausgehen, dass stets vollkommen parallele Oberflächen erforderlich sind.
12. Prüfung mittels durchgelassener Wellenfront
Die Oberflächenebenheit gibt Aufschluss über die Form einer einzelnen Oberfläche, während die Prüfung mittels durchgelassener Wellenfronten den kombinierten optischen Effekt des gesamten Saphirfensters bewertet.
Ein Fehler der übertragenen Wellenfront kann folgende Ursachen haben:
- Verformung der Vorderseite
- Verformung der Rückseite
- Dickenabweichung
- Kristallinhomogenität
- Keil
- Restspannung
- Zunehmende Verformung
Bei der Prüfung durchläuft ein Referenzstrahl das Saphirfenster, und die durchgelassene Wellenfront wird mit einer Referenzwellenfront verglichen.
Dieser Test ist besonders wichtig für:
- Hochauflösende Bildgebung
- Interferometrie
- Laserstrahlführung
- Optische Messtechnik
- Präzisionsmesstechnik
Ein Saphirfenster kann zwar eine akzeptable Oberflächenebenheit aufweisen, dennoch aber eine inakzeptable Verzerrung der durchgelassenen Wellenfront verursachen.
Daher können anspruchsvolle Anwendungen sowohl die Oberflächenebenheit als auch den Fehler der durchgelassenen Wellenfront vorschreiben.
13. Messung der Oberflächenrauheit
Die Oberflächenrauheit beschreibt mikroskopische Unebenheiten, die nach dem Polieren zurückbleiben.
Zu den gängigen Parametern gehören:
- Ra
- Rq
- RMS-Rauheit
- Höhe vom Gipfel bis zum Tal
Zu den Messverfahren können gehören:
- Stiftprofilometrie
- Rasterkraftmikroskopie
- Weißlicht-Interferometrie
- Kohärenz-Scanning-Interferometrie
- Optische Profilometrie
Das NIST definiert die Kohärenz-Scan-Interferometrie als ein Verfahren zur Messung der Oberflächentopografie, bei dem Interferenzstreifen während eines Lichtweg-Scans lokalisiert werden.
Die Oberflächenrauheit wirkt sich aus auf:
- Optische Streuung
- Laserbeständigkeit
- Haftfestigkeit der Beschichtung
- Kurzwellige Transmission
- Bildkontrast
- Reinigungsverhalten
Eine Oberfläche, die die Kratz- und Eindrückprüfung besteht, kann dennoch eine übermäßige mikroskopische Rauheit aufweisen.
Bei Anwendungen mit ultraviolettem Licht, Laser oder geringer Streuung muss die Rauheit unter Umständen separat gemessen werden, selbst wenn die Oberfläche optisch einwandfrei erscheint.
14. Prüfung der optischen Übertragung
Bei der Transmissionsprüfung wird überprüft, wie viel Licht im erforderlichen Wellenlängenbereich durch das Saphirfenster dringt.
Ein Spektralphotometer wird üblicherweise zur Messung der Transmission im Bereich von ultravioletten über sichtbare bis hin zu infraroten Wellenlängen eingesetzt, je nach Gerätekonfiguration und Saphirqualität.
Der Test kann Folgendes feststellen:
- Reduzierte Übertragung
- Unerwartete Absorption
- Fehlerhafte Beschichtungsleistung
- Materialverunreinigung
- Dickenabhängiger optischer Verlust
- Spektrale Inhomogenität
Die Durchlässigkeit sollte entsprechend dem tatsächlichen Anwendungsbereich gemessen werden.
Eine Messung im sichtbaren Licht reicht für ein Fenster, das für den Betrieb im Ultraviolett- oder Infrarotbereich vorgesehen ist, nicht aus.
Bei beschichteten Fenstern spiegelt die gemessene Durchlässigkeit die kombinierte Wirkung folgender Faktoren wider:
- Saphir-Absorption
- Oberflächenreflexion
- Beschichtungsleistung
- Fensterdicke
- Kristallorientierung
- Einfallswinkel
15. Prüfung der Antireflexbeschichtung
Viele Saphirfenster sind mit Antireflexbeschichtungen versehen, um Reflexionen zu reduzieren und die Lichtdurchlässigkeit zu verbessern.
Die Beschichtungsprüfung kann Folgendes umfassen:
- Sichtprüfung
- Spektrale Transmissionsmessung
- Spektrale Reflexionsmessung
- Bewertung der Beschichtungsgleichmäßigkeit
- Haftungsprüfung
- Prüfung der Umweltbeständigkeit
Zu den sichtbaren Beschichtungsfehlern können gehören:
- Lochblenden
- Flecken
- Farbabweichungen
- Kantenfehler
- Kratzer
- Peeling
- Bewölkung
- Verunreinigung
Die wahrgenommene Farbe einer AR-Beschichtung kann sich je nach Betrachtungswinkel und Lichtverhältnissen ändern. Ein sichtbarer Farbunterschied bedeutet nicht immer, dass die Beschichtung außerhalb der Spezifikation liegt.
Die Spektralmessung ist zuverlässiger, da sie die optische Leistung über den gesamten angegebenen Wellenlängenbereich hinweg direkt bewertet.
Bei kritischen Aufträgen kann die Beschichtungsprüfung an mehreren Stellen über die gesamte freie Apertur hinweg durchgeführt werden, um die Gleichmäßigkeit zu überprüfen.
16. Überprüfung der Kristallorientierung
Saphir ist ein Einkristallmaterial mit orientierungsabhängigen optischen und physikalischen Eigenschaften.
Zu den gängigen Ausrichtungen gehören:
- C-Ebene
- A-Ebene
- R-Ebene
- M-Ebene
- Benutzerdefinierte Ausrichtungen außerhalb der Achse
Die Ausrichtung kann sich auswirken auf:
- Doppelbrechung
- Mechanisches Verhalten
- Wärmeausdehnung
- Bearbeitungseigenschaften
- Optisches Polarisationsverhalten
Die Kristallorientierung lässt sich wie folgt überprüfen:
- Röntgenbeugung
- Laue-Beugung
- Orientierungsmarkierungen
- Aufzeichnungen zur Kristallzüchtung bei Lieferanten
Bei allgemeinen Schutzscheiben ist die Ausrichtung möglicherweise nicht immer entscheidend. Bei polarisierten optischen Systemen, Halbleiteranlagen und speziellen wissenschaftlichen Instrumenten kann eine falsche Ausrichtung jedoch die Leistung beeinträchtigen.
Die Überprüfung der Ausrichtung sollte daher immer dann erfolgen, wenn dies in der Zeichnung angegeben ist.
17. Prüfung auf innere Mängel
Obwohl hochwertiger synthetischer Saphir sehr transparent ist, können dennoch innere Fehler auftreten.
Zu den möglichen internen Funktionen gehören:
- Blasen
- Inklusionen
- Wachstumslinien
- Farbzentren
- Lokaler Dunst
- Innere Anspannung
- Kristallfehler
Die Überprüfung kann wie folgt durchgeführt werden:
- Durchlichtuntersuchung
- Dunkelfeldbeleuchtung
- Prüfung mit polarisiertem Licht
- Optische Mikroskopie
- Laserstreuung
- Bildgebungssysteme
Bei der Untersuchung mit polarisiertem Licht lassen sich innere Spannungsmuster oder kristallbedingte optische Effekte erkennen, die unter normaler Beleuchtung möglicherweise nicht sichtbar sind.
Die Abnahmekriterien sollten zwischen normalen Kristalleigenschaften und Defekten unterscheiden, die die beabsichtigte optische Funktion beeinträchtigen.
18. Doppelbrechung und Spannungsprüfung
Saphir ist aufgrund seiner Kristallstruktur von Natur aus doppelbrechend.
Zusätzlich zu seiner inhärenten Doppelbrechung können durch Bearbeitung, Beschichtung oder Befestigung zusätzliche optische Verzögerungen entstehen.
Bei der Spannungsprüfung können gekreuzte Polarisatoren eingesetzt werden, um ungleichmäßige Muster sichtbar zu machen.
Diese Überprüfung ist insbesondere relevant für:
- Polarisationsempfindliche optische Systeme
- Laser-Anwendungen
- Präzisionsbildgebung
- Geklebte Saphirbaugruppen
- Fenster, die einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt sind
Ein Spannungsmuster deutet nicht automatisch auf einen Defekt hin, doch starke lokale Spannungen in der Nähe einer Kante oder eines Befestigungspunkts können auf die Gefahr von Rissen oder optischen Verzerrungen hindeuten.
19. Sauberkeit und Partikelprüfung
Ein technisch einwandfreies Saphirfenster kann dennoch aussortiert werden, wenn es mit Staub, Öl, Fingerabdrücken oder Verpackungsrückständen beim Kunden ankommt.
Die Endreinigung kann Folgendes umfassen:
- Gefilterte Lösungsmittel
- Ultraschallreinigung
- Spülen mit entionisiertem Wasser
- Berührungsloses Trocknen
- Reinraum-Reinigung
- Ionisierte Luft
Nach der Reinigung sollte das Fenster auf Folgendes überprüft werden:
- Partikel
- Ballaststoffe
- Wasserzeichen
- Lösungsmittelrückstände
- Fingerabdrücke
- Verunreinigungen durch Klebstoff
- Verpackungsabfälle
Der erforderliche Reinheitsgrad hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
Halbleiter-, Vakuum- und Laserkomponenten erfordern in der Regel eine strengere Partikelkontrolle als herkömmliche Schutzabdeckungen.
Gereinigte Fenster sollten ausschließlich mit geeigneten Handschuhen oder berührungslosen Werkzeugen angefasst werden. Der direkte Kontakt mit der optischen Oberfläche sollte vermieden werden.
20. Mechanische und Umweltprüfungen
Bei einigen Saphirfenstern sind über die routinemäßige Maß- und optische Prüfung hinausgehende zusätzliche Prüfungen erforderlich.
Zu den möglichen Untersuchungen gehören:
- Druckprüfung
- Vakuum-Dichtheitsprüfung
- Temperaturwechselbeanspruchung
- Temperatureinwirkung
- Feuchtigkeitsprüfung
- Mechanischer Stoß
- Schwingungsprüfung
- Prüfung der Beschichtungshaftung
- Prüfung der Chemikalienbeständigkeit
Diese Prüfungen werden in der Regel durchgeführt, wenn das Saphirfenster Teil einer fertigen Baugruppe ist oder wenn dies vom Kunden gewünscht wird.
Ein in einem Metallgehäuse eingebautes Saphir-Sichtfenster kann zwar alle optischen Prüfungen bestehen, dennoch jedoch versagen, wenn die Dichtung unter Druck undicht wird oder die Baugruppe bei Temperaturwechselbeanspruchung Spannungen aufnimmt.
21. Stichprobenprüfung und Vollprüfung
Nicht bei jedem Fertigungsauftrag müssen alle Maße an jedem Teil gemessen werden.
Die Inspektionsstrategie kann Folgendes umfassen:
Vollständige Inspektion
Jedes Saphirfenster wird auf die vorgegebenen Parameter geprüft.
Dies wird üblicherweise verwendet für:
- Kleine Mengen
- Bauteile mit engen Toleranzen
- Fenster in Laserqualität
- Luft- und Raumfahrtteile
- Hochwertige Sonderanfertigungen
Stichprobenprüfung
Ein festgelegter Prozentsatz oder eine festgelegte Anzahl von Teilen wird geprüft.
Dies könnte geeignet sein für:
- Große Produktionschargen
- Stabile Fertigungsprozesse
- Übliche handelsübliche Toleranzen
- Sich wiederholende Produkte
Bestimmte Merkmale, wie beispielsweise schwere Risse oder Verschmutzungen während des Transports, erfordern unter Umständen dennoch eine Sichtprüfung gemäß 100%, selbst wenn die Maße stichprobenartig geprüft werden.
Der vereinbarte Prüfumfang sollte vor Produktionsbeginn dokumentiert werden.
22. Häufig verwendete Prüfgeräte
Eine Prüfstelle für Saphirfenster kann folgende Geräte verwenden:
| Prüfpunkt | Typische Ausrüstung |
| Durchmesser und Abmessungen | Messschieber, Mikrometer, Koordinatenmessgerät, Bildverarbeitungssystem |
| Dicke und TTV | Dickenmessgerät, Mikrometer, optisches Messgerät |
| Kratzgraben | Prüflampe, Referenzstandard, Mikroskop |
| Ebenheit | Optische Platte, phasenverschiebendes Interferometer |
| Parallelität | Autokollimator, Interferometer, System zur Dickenmessung |
| Oberflächenrauheit | Optischer Profilmesser, AFM, Tasterprofilometer |
| Getriebe | UV-VIS-NIR- oder FTIR-Spektralphotometer |
| Beschichtungsleistung | Spektralphotometer oder Reflektometer |
| Kristallorientierung | Röntgenbeugung oder Laue-System |
| Innere Mängel | Mikroskop, Polarisationslicht-System |
| Sauberkeit | Prüflampe, Mikroskop, Partikelzähler |
| Kantengeometrie | Werkzeugmikroskop, Profilprojektor, Bildverarbeitungssystem |
Die ausgewählten Geräte sollten über eine ausreichende Genauigkeit und Auflösung für die vorgegebene Toleranz verfügen.
23. Prüfprotokolle und Qualitätsunterlagen
Kunden können unterschiedliche Anforderungen an die Qualität der Dokumentation stellen.
Zu den gängigen Dokumenten gehören:
Konformitätsbescheinigung
Eine Konformitätsbescheinigung bestätigt, dass das gelieferte Produkt der Bestellung und der Zeichnung entspricht.
Werkstoffzertifikat
Dadurch lassen sich möglicherweise das Saphir-Material, die Kristallorientierung, die Produktionscharge sowie relevante Informationen zum Rohmaterial ermitteln.
Maßprüfbericht
Dieser Bericht enthält Messwerte zu Durchmesser, Dicke, TTV, Fase und weiteren Maßen.
Bericht zur optischen Prüfung
Dazu können gehören:
- Ergebnis der Kratzbohrung
- Ebenheitskarte
- Ergebnis der übertragenen Wellenfront
- Parallelität
- Oberflächenrauheit
- Übertragungskurve
Beschichtungsbericht
Ein Beschichtungsbericht kann die gemessene Transmission oder Reflexion über den erforderlichen Wellenlängenbereich hinweg angeben.
Rückverfolgbarkeitsprotokoll
Bei regulierten Anwendungen oder Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen kann der Hersteller die Zusammenhänge zwischen folgenden Faktoren dokumentieren:
- Rohstoffcharge
- Produktionscharge
- Prüfdaten
- Beschichtungscharge
- Verpackungsetikett
Die erforderlichen Unterlagen sollten vor Produktionsbeginn bestätigt werden, da erweiterte Berichte zusätzliche Testzeiten und -kosten verursachen können.
24. Endkontrolle der Verpackung
Die Prüfung ist noch nicht abgeschlossen, wenn das Saphirfenster die optischen Tests bestanden hat.
Die Verpackung muss das Fenster während der Lagerung und des Transports schützen.
Die abschließende Verpackungskontrolle sollte Folgendes bestätigen:
- Die optischen Oberflächen sind sauber
- Die Schutzmaterialien kommen nicht mit den beschichteten Bereichen in Berührung und verursachen dort keinen Abrieb
- Die einzelnen Fenster sind voneinander getrennt
- Die Kanten sind geschützt
- Die Verpackung ist frei von Partikeln
- Die Beschriftungen entsprechen der Reihenfolge
- Die Menge ist korrekt
- Prüfberichte sind enthalten
- Die Außenverpackung ist transportfest
Zu den typischen Verpackungsmethoden gehören:
- Einzelne saubere Beutel
- Linsengewebe
- Schalen mit Schaumstofftrennwänden
- Optische Gehäuse aus Kunststoff
- Vakuumversiegelte, saubere Verpackung
- Zweilagige Schutzkartons
Das Verpackungsmaterial darf keine Fasern, Weichmacher oder Klebstoffrückstände auf die optische Oberfläche abgeben.
Bei beschichteten oder polierten Saphirfenstern sollte die Bewegung im Inneren der Verpackung auf ein Minimum beschränkt werden.
25. Häufige Gründe für die Ablehnung von Sendungen
Saphirfenster werden häufig aus folgenden Gründen abgelehnt:
- Maße außerhalb der Toleranz
- Übermäßige Kratzer oder Kerben
- Randchips, die in die freie Apertur eintreten
- Falsche Fase
- Hoher TTV-Wert
- Mangelnde Ebenheit
- Übermäßiger Keil
- Falsches Beschichtungsspektrum
- Kratzer in der Beschichtung
- Falsche Kristallorientierung
- Oberflächenverunreinigung
- Unvollständige Prüfunterlagen
- Verpackungsschäden
Viele dieser Probleme lassen sich vermeiden, indem man die Zeichnung vor der Fertigung überprüft und die Prüfmethode klar festlegt.
26. Was Käufer vor der Bestellung überprüfen sollten
Um Streitigkeiten im Zusammenhang mit der Begutachtung zu vermeiden, sollten Käufer die folgenden Informationen bereitstellen:
- Saphir-Orientierung
- Gesamtabmessungen und Toleranzen
- Dicke und TTV
- Lichtdurchlass
- Anforderung an das Aufkratzen
- Ebenheit und Referenzwellenlänge
- Parallelität oder Keil
- Oberflächenrauheit
- Beschichtungswellenlänge und Einfallswinkel
- Übermittlungsanforderung
- Spezifikation von Kanten und Fasen
- Grenzwerte für interne Defekte
- Hygieneanforderungen
- Stichprobenprüfung oder vollständige Prüfung
- Erforderliche Bescheinigungen und Berichte
- Verpackungsvorschriften
Eine vollständige Spezifikation hilft dem Hersteller, von Anfang an geeignete Verarbeitungs- und Prüfverfahren auszuwählen.
Schlussfolgerung
Die Inspektion von Saphirfenstern vor dem Versand ist ein mehrstufiger Qualitätskontrollprozess, der die Materialprüfung, Maßkontrolle, Oberflächenbewertung, optische Prüfung, Sauberkeitskontrolle und Verpackungsprüfung umfasst.
Kein einzelner Test kann die Qualität eines Saphirfensters vollständig beschreiben.
Bei der Sichtprüfung werden lokale Fehler erkannt, bei der Maßprüfung wird die Passgenauigkeit der Baugruppe bestätigt, mittels Interferometrie wird die Oberflächenform bewertet, durch Spektralphotometrie wird die optische Leistung gemessen und durch Kristallorientierungsprüfungen wird die Ausrichtung des Materials überprüft.
Der geeignete Prüfplan sollte sich an der tatsächlichen Anwendung orientieren, anstatt für jedes Fenster die strengste verfügbare Toleranz anzuwenden.
Durch die Festlegung der freien Öffnung, der geltenden Normen, der Messverfahren und der erforderlichen Berichte vor Produktionsbeginn können Einkäufer und Hersteller Unklarheiten vermeiden und sicherstellen, dass die Saphirfenster einbaufertig für den Einsatz in optischen Systemen, Halbleitersystemen, Lasersystemen, Vakuumsystemen und Hochdrucksystemen geliefert werden.