Główne etapy typowego procesu wytwarzania optycznego obejmują nadawanie kształtu, szlifowanie, polerowanie pełnego otworu, a czasami polerowanie narzędziami o małej powierzchni1-3. W związku z rosnącym zapotrzebowaniem na wysokiej jakości komponenty optyczne do systemów obrazowania i laserowych, w ciągu ostatnich kilku dekad nastąpiły znaczące postępy w technologii wytwarzania optycznego. Na przykład, dzięki rozwojowi maszyn do nadawania kształtu szkłu sterowanych numerycznie (CNC), precyzyjne i deterministyczne usuwanie materiału jest obecnie możliwe podczas procesów nadawania kształtu i szlifowania. Podobnie technologie polerowania narzędziami o małej powierzchni (np. komputerowo sterowana obróbka powierzchni optycznych (CCOS), jonowe kształtowanie powierzchni oraz wykańczanie magnetoreologiczne (MRF)) pozwoliły na deterministyczne usuwanie materiału i kontrolę kształtu powierzchni, co w znacznym stopniu wpłynęło na przemysł wytwarzania optycznego. Jednakże pośredni etap procesu wykańczania, czyli polerowanie pełnego otworu, wciąż charakteryzuje się niskim stopniem determinizmu, zazwyczaj wymagając od doświadczonych optyków przeprowadzenia wielu, często długich cykli iteracyjnych z licznymi zmianami procesowymi, aby osiągnąć pożądany kształt powierzchni1-3.
Duża liczba metod polerowania, zmiennych procesowych oraz złożone oddziaływania chemiczne i mechaniczne między obrabianym elementem, tarczą polerską a zawiesiną3-4 sprawiły, że przekształcenie polerowania optycznego z „sztuki” w naukę stało się wyzwaniem. Aby osiągnąć deterministyczne polerowanie pełnej apertury, szybkość usuwania materiału musi być dobrze zrozumiana. Historycznie szybkość usuwania materiału opisywano za pomocą powszechnie stosowanego równania Prestona5
(1)
gdzie dh/dt to średnia szybkość usuwania grubości, kp to stała Prestona, σo to przyłożone ciśnienie, a Vr to średnia prędkość względna między obrabianym elementem a polerownikiem. Rycina 1 schematycznie przedstawia koncepcje fizyczne wpływające na szybkość usuwania materiału zgodnie z równaniem Prestona, w tym przestrzenne i czasowe zmienności prędkości i ciśnienia, różnice między przyłożonym ciśnieniem a rozkładem ciśnienia działającym na obrabiany element oraz efekty tarcia6-8. W szczególności rzeczywisty rozkład ciśnienia działający na obrabiany element jest zależny od szeregu zjawisk (opisanych szczegółowo w innych źródłach6-8), które silnie wpływają na końcową geometrię powierzchni elementu. Ponadto w równaniu Prestona efekty na poziomie mikroskopowym i molekularnym są w dużej mierze ujęte w makroskopowej stałej Prestona (kp), która wpływa na całkowitą szybkość usuwania materiału, chropowatość mikrostrukturalną, a nawet powstawanie rys na obrabianym elemencie. Różne badania rozszerzyły model Prestona o uwzględnienie mikroskopowych oddziaływań pomiędzy cząstkami zawiesiny, polerownikiem a obrabianym elementem w celu wyjaśnienia szybkości usuwania materiału i mikrochropowatości9-16.
Aby uzyskać deterministyczną kontrolę nad kształtem powierzchni podczas polerowania pełnej apertury, każde z opisanych powyżej zjawisk musi zostać zrozumiane, skwantyfikowane, a następnie opanowane. Strategia stojąca za polerowaniem konwergentnym (Convergent Polishing) polega na eliminacji lub minimalizacji niepożądanych przyczyn nierównomiernego usuwania materiału, albo poprzez odpowiednią konstrukcję polerki, albo poprzez kontrolę procesu, tak aby usuwanie materiału było determinowane wyłącznie przez niedopasowanie elementu obrabianego do tarczy polerskiej wynikające z kształtu elementu obrabianego7,17-18. Rycina 2 ilustruje, w jaki sposób kształt elementu obrabianego może prowadzić do konwergencji w oparciu o koncepcję niedopasowania elementu obrabianego i tarczy polerskiej. Rozważmy płaską tarczę polerską i hipotetyczny element obrabiany o złożonym kształcie pokazany w lewym górnym rogu. Niedopasowanie wysokości powierzchni styku (nazywane szczeliną, ΔhoL) wpływa na rozkład ciśnienia w strefie styku (σ) w następujący sposób:
(2)
gdzie h̅ jest stałą opisującą szybkość spadku ciśnienia wraz ze wzrostem szczeliny ΔhoL6. W tym przykładzie obrabiany element ma najwyższe ciśnienie lokalne w centrum (patrz: lewy dolny róg Rysunku 2), w związku z czym w tym miejscu zaobserwuje się najwyższą początkową szybkość usuwania materiału podczas polerowania. W miarę usuwania materiału różnica ciśnień w obrębie elementu obrabianego będzie maleć z powodu zmniejszenia niedopasowania między elementem a tarczą polerską, a element obrabiany będzie dążyć do przyjęcia kształtu tarczy. Po osiągnięciu zbieżności rozkład ciśnienia na elemencie obrabianym, a tym samym usuwanie materiału, będą jednolite w całym elemencie (patrz: prawa strona Rysunku 2). Przykład ten został zilustrowany dla tarczy płaskiej, jednak ta sama koncepcja ma zastosowanie do tarczy sferycznej (zarówno wklęsłej, jak i wypukłej). Ponownie zaznacza się, że proces zbieżności działa tylko wtedy, gdy wyeliminowano wszystkie inne zjawiska wpływające na przestrzenną niejednorodność usuwania materiału. Konkretne środki proceduralne i inżynieryjne zastosowane w protokole Polerowania Zbieżnego zostały opisane w sekcji Dyskusja.
Protokół opisany w poniższym badaniu dotyczy procesu polerowania zbieżnego (Convergent Polishing) specjalnie dla kwadratowego elementu z krzemionkowego szkła kwarcowego o boku 26,5 cm, z powierzchni wstępnie szlifowanej na gładko. W ciągu 8 godzin polerowania (4 godziny na powierzchnię), element ten może osiągnąć płaskość polerowania na poziomie ~λ/2 przy bardzo wysokiej jakości powierzchni (tj. niskiej gęstości zarysowań).