CN103459072A - 用于光学元件的对中方法 - Google Patents

Abstract

一种对中圆形光学元件的方法，其使用适于以两种强度夹持元件的非自对中的卡盘。元件在卡盘中旋转，同时用探针测量其外边沿的横向位置。确定元件的随其角位置变化的极大和极小偏摆的位置。在极大边沿偏摆定位在预定点的角位置处停止卡盘旋转。减小卡盘的夹持，使得元件仍保持在卡盘中，但可沿横向方向移动而不损伤其表面。沿连接极大偏摆的预定点和卡盘旋转轴线的方向移动元件，以减小元件的偏摆。重复上述过程，直至实现所期望的对中。

Description

用于光学元件的对中方法

技术领域

本发明涉及使光学元件对中（或定中心）用以在其上执行材料加工步骤的领域，尤其是用于在金刚石车床中使用。

背景技术

为了在由可通过切割动作而非碾磨去除的材料制成的光学元件上产生精密光学表面，通常优选的方法是使用单点金刚石刀具对材料进行机加工。如本领域中所公知，这种金刚石车削可用于在此类光学元件上产生复杂的球形和非球形表面。该方法采用高度精确的机床，其能提供具有与光学元件所需精确度相适合的形状和光滑度的表面。由于加工的灵敏度，必须采用特殊的夹持方法来将元件保持在机器中，通常是基于真空吸持。

用于机加工任何此种光学元件的基本起始点是该元件应当准确地对中在真空吸盘中，以使所生成的光学成形件的光轴相对于该元件的外边缘正确地对中，该外边缘一般而言是用来将元件安装在最终的光学组件中的基准边缘。因此，在金刚石车削期间对元件的对中为关键工序，并且在最少的时间内高精度地执行该工序而不会在元件的灵敏光学表面上造成任何损伤的能力对于有效生产此类金刚石车削元件很是必要。此外，需要该工序是自动的，以便与元件的自动车削相适合。

对中用于金刚石车削的元件的当前方法相对于这些标准而言并不令人满意。当前的方法一般是非自动的，需要熟练工人的人工操作，或者如果是自动的，则对光学表面有破坏性。

在US6,884,204、US6,767,407、US2008/0164663、US2007/0228673、JP2003157589、JP10043985以及在WO2004/103638中描述了用于在金属加工机床以及其它应用中使用的现有技术的对中方法，而后者为用于对中的光学方法。在转让给本申请的受让人的US6,460,437及其继续申请中示出了用于机加工此类元件的示例性真空吸盘。

因此，存在对一种用于光学金刚石车削的对中方法的需求，该方法克服了现有技术的系统和方法中的至少一些不利情况。

在本说明书的这个部分及其它部分中提及的每个公布文本的公开内容在此通过引用每个均以全文并入。

发明内容

本公开描述了一种新的示例性系统，用于将光学元件相对于其外边缘对中，以对其表面执行金刚石车削。由于光学表面的灵敏性质，故重要的是元件在稳固地夹持于其卡盘中时不经受在垂直于其光轴的方向上的任何横向运动。在这种金刚石车床中，卡盘通常为真空吸盘，其通过在吸盘本体和工件表面之间产生真空来夹持元件。本系统之所以不同于现有技术的这种系统，在于尽管在元件旋转的同时执行对对中性缺失（lack ofcentricity）的测量，但仅在元件静止时才执行对中动作本身。当元件旋转，例如在对其机加工时，真空程度很高，使得吸盘稳固地夹持元件。当期望对中元件时，将真空降低至使元件不被稳固夹持的程度，并且对中动作能够将其移动而不会在光学表面上引起刮痕。对中期间的真空度由部件的尺寸和重量决定，并且通过在车削之后对部件的目视检查来检验没有损伤。通过调整真空保持参数，可降低和消除外观损伤。

采用下列构件执行对中工序：

1.具有可变保持力的卡盘；

2.测量量规，其测量梢端距旋转轴线为一已知的预测距离，该测量量规能沿着垂直于旋转轴线的轴线测量元件的偏摆（run-out）；

3.对中工具，其操作梢端定位成距旋转轴线为一已知的距离，并且其能沿着该轴线移动元件。

对对中性缺失的测量可由机械量规或者任何其它适度灵敏的位置传感器（例如光学位置探针）来执行，所述位置传感器在元件旋转时沿着元件外边缘的预定义方向（最方便的是垂直于旋转轴线）追踪横向位置。位置传感器应当例如通过预先测量其距卡盘轴线的距离来预先校准，使得其相对于卡盘轴线的绝对位置已知。如果元件未对中，则当其旋转时量规会显示在两个极值之间的周期性的波动读数，这两个极值表示元件边缘距卡盘旋转轴线的极大和极小偏摆或者偏心距离（throw）。测得的元件边缘的横向位置与元件的旋转角位置关联。控制系统确定与由量规所测得的最大横向偏摆点相关联的角位置，该位置表示元件的外边缘在此距卡盘旋转轴线最远的角位置。为了校正此横向偏移，元件应当在与最大横向偏摆对应的此角位置与预定径向线对齐时停止，并且元件沿着该线朝向卡盘的旋转轴线横向移动一距离，该距离达到位置量规的最大和最小读数之间的差值的一半，这表示与元件中心的偏差。在实践中，此种横向运动可通过以下方式来执行：当元件在最大偏摆的角位置处停止时松开卡盘对元件的夹持，沿预定的径向线方向朝向卡盘的旋转轴线横向地移动对中工具，直至其碰触到元件的边缘，并且从该碰触点移动的量达到位置传感器的最大和最小读数之间的差值的一半。对中工具的位置也要例如通过预先测量其梢端距卡盘轴线的距离进行预校准，以使其相对于卡盘轴线的绝对位置已知。对中工具恰好碰触元件边缘的点可通过对偏摆的测量来确定。部件的最大边缘位置和偏摆由探针来测量。对中工具的附加运动量由位置量规的最大和最小读数之间的差值乘以预定义的因数（从10%至100%不等，但通常数量级为约70%或更大）来给定，用以提供对对中工序的快速收敛。

再次收紧对元件的夹持，并且使元件旋转以确定其现在是否已准确地对中。如果该过程已很好地进行，则偏摆现在应当很小（如果全然存在的话），并且一般可由另一过程或者可能更多的对中例行过程来完全地消除。在上述过程中，声称对中工具的移动将要达到位置传感器的最大和最小读数之间的差值的一半。如果尝试在第一校正步骤中将元件移动位置量规的最大和最小读数之间差值的正好一半，以便在一次迭代中消除对中性缺失，则存在校正运动将会使最佳位置被过调节的可能性，因此需要沿相反方向的校正，并且有可能需要沿各相反方向的一系列逐渐减小的校正，以便收敛于真正的对中位置。因此，通常有利的是并不试图在第一校正步骤中完全正确地校正偏摆，而是进行稍小于偏移距离一半的校正移动以避免过调节正好中心的位置，并且仅从一个方向在迭代减小的步骤中收敛于正好中心的位置。这一方法通常用最小数目的迭代步骤产生收敛。对中工具的移动量可相对于偏摆测量值来制定。举例而言，如果将用以消除偏摆的移动的70%的程度确定为合适的程度，则对中工具的向内运动始终制定为上一偏摆消除测量值的70%，并且这将使偏摆正向收敛至最小程度，至小于所期望的预定程度。然而，应当理解的是，该方法还可在试图达到距离差值的正好一半的运动时进行，即使这可能涉及一定程度的过调节。然而，这种移动对中工具使其将部件移动至预先测量的对中位置的布置可能导致不能收敛以及获得良好对中的更长的过程。

在大部分的金刚石车床中，卡盘一般是静止的，而各种切割、测量和对中工具在机器控制下相对于静止的卡盘沿水平方向运动。然而，应当理解的是，刀具和卡盘中工件之间的相对运动为本发明中起作用的运动。因此，本约定并不意图限制本发明，而且还意图使本发明同样适用于此次序反转、即刀具等处于静止位置而卡盘在机器控制下运动的情况。

一个示例性实施方式涉及一种将圆形光学元件对中在旋转的、非自对中的卡盘中的方法，包括：

（i）提供光学元件卡盘，该卡盘适于用至少两个夹持等级来夹持光学元件，

（ii）旋转卡盘中的光学元件，同时用距离测量探针测量光学元件的外边沿的横向位置，

（iii）确定光学元件的外边沿的极大和极小偏摆的位置，所述极大和极小偏摆的位置随光学元件的角位置变化，

（iv）在一角位置处停止卡盘的旋转，使得极大的边沿偏摆定位在预定点处，

（v）减小卡盘的夹持力，使得光学元件仍被保持，但能在卡盘中沿横向方向运动而不损坏其表面，以及

（vi）沿连接极大偏摆的预定点和卡盘的旋转轴线的方向移动光学元件，以减小光学元件的偏摆。

还有其它的实施方式来执行如上所述的方法，其中光学元件移动一距离，该距离或者达到最大和最小偏摆之间差值的一半，或者意图达到最大和最小偏摆之间差值的正好一半。任一上述的方法可包括重复所述对中方法以便更为准确地实现所述对中的另一步骤。

在本方法的一些实施方式中，所述卡盘可为真空吸盘。此外，光学元件可借助于对中工具或者通过测量探针本身而运动。在后一情形中，测量探针可配备有两个等级的施力模式，也即用于执行位置测量的较低的第一等级，以及用于使所述元件对中的较高的第二等级。

附图说明

结合附图，通过下面的详细描述将更为完全地理解和领会当前所主张的发明，附图中：

图1示意性地示出了安装在金刚石车床的真空吸盘中用于执行对中工序的示例性光学元件；

图2A至图2D示出了根据本公开内容中描述的示例性过程将元件对中于图1的吸盘中的过程；以及

图3为执行如图2A至2D中描述的对中工序的示例性方法的流程图。

具体实施方式

现在参照图1，其示意性地示出了安装在金刚石车床的真空吸盘12中的示例性光学元件10。由于吸盘并非自对中装置，故元件在首次安装时一般将占据非中心位置。为了例示本公开描述的系统和方法操作的方式，在图1中放大了对中性缺失，其中元件10示出为悬置于吸盘座置表面16的底端13上超出其顶端。用于这种金刚石车削光学元件的常见类型的卡盘为真空吸盘，该真空吸盘通过借助在吸盘座置表面16中的通道14内产生的真空将元件的背部表面牵拉至匹配的座置表面上来夹持元件。当以其高达1个大气压的最大值施加真空时，元件被稳固地保持在吸盘中并且能够由金刚石刀具进行机加工而不会移动。当真空程度降低时，元件较为松动地保持在吸盘中，并且在合适程度的夹持下可在吸盘中移动而吸盘座置表面不会刮擦元件表面。

现在参照图2A至2D，例示了根据本申请描述的示例性过程将元件对中在吸盘中的过程。吸盘通过机器控制进行旋转，这保持了对吸盘的角位置的准确追踪。该角位置在图2A至2C的显示器上例示，但在实践中，它是由机器控制所产生的、不需要物理显示的数据输出。角位置由对中系统控制所使用以执行对中。吸盘的旋转中心在图2A至2C中标记为O，而光学元件的光学中心标记为C。位置测量探针20被施加至旋转的光学元件的外边沿以追踪元件的偏摆，该偏摆随由机器控制所确定的角位置而变化。位置测量探针20可为任何合适的类型，例如机械量规或光学探针。位置测量探针20产生对应于所测得距离的电信号，使得在元件旋转时的系统输出为对应于边沿偏摆的电子信号，该边沿偏摆随元件的角位置变化。图2A示出了在元件处于极大偏摆位置的情况下接触元件边沿的测量探针。现在参照图2D，其示出了位置感测探针的输出随吸盘的角位置变化的典型曲线图。如所观察到的，随着元件旋转，距离探针示出处于两个极值之间的周期性的波动输出d，该两个极值表示元件边缘距吸盘旋转轴线O的极大和极小偏摆或者偏心距离。旋转速度必须使距离传感器能够快速地响应，快到足以准确地跟随所测得的偏摆的变化。

现在参照图2B，其示出了在极小偏摆的位置处接触元件边沿的探针，如果元件为圆形，则该极小偏摆位置应当自图2A所示的位置旋转180°。紧邻探针示出的是对于这两个位置中的每个的示例性位置读数。在所示的实例中，所示读数8.544mm和7.652mm之间的差值为0.892mm，而极大和极小偏摆位置的角度读数分别给定为15.5°和195.5°。有可能的是，取多个周期对这些测量值求平均来剔除任何随机偏差获得平均数。

现在参照图2C，其示出了对中操作的下一步骤。在极大偏摆点（由图2B所示的角度关系可知）处于预定位置时，吸盘由机器控制所停止。对中工具28设置在该预定位置。然后将吸盘的真空夹持减小到使光学元件能够移动而不会有刮擦其座置表面的危险，但不会减少到使元件掉出吸盘的程度。然后，旋转吸盘的轴线在系统控制下移动，直至对中工具28恰好碰触到元件的边沿，并且随后沿着连结预定位置与吸盘旋转中心的连线朝向对中工具移动一距离，该距离等于达到极大偏摆和在图2B的步骤中确定的极小偏摆的读数差值的一半，在本实例中，为0.892mm的一半，这便是0.446mm。对中工具因此推动元件一距离，使得如果测量和校正绝对准确的话则现在应当消除了偏摆。然后，可增大真空吸盘的夹持至其较高工作值，并且使用距离探针执行对偏摆的另一检查。如果偏摆现在低于预定阈值水平，则可认为对中对于机加工光学元件而言足够良好，并且现已准确对中了的元件在机器中被车削或以其它方式被操作。

在实践中，由于第一对中操作一般不会完全地准确，故测得的偏摆不会低于期望的阈值，于是执行第二或者甚至进一步迭代的对中周期，直到能基本上完全消除任何残余的对中性缺失。

尽管测量探针和对中工具示出为单独的元件，但有可能的是改动测量探针使得其还能用作对中工具，例如通过使其配备有两个压力等级的接触，也即进行位置测量的轻度接触，以及例如在测量范围的机械端处进入用于移动部件的固定刚性模式的重度接触。

现在参照图3，其为执行对中工序的上述示例性方法的流程图。

在步骤30中，元件安装于吸盘中并且旋转。

在步骤31中，使用距离传感器测量边沿偏摆的位置，该位置随吸盘的角位置变化。

在步骤32中，确定极大和极小的偏摆值，以及在这些值下的吸盘角位置。

在步骤33中，在极大偏摆位置设置在与线性可移动的对中工具相对的预定位置处时使吸盘停止。

在步骤34中，放松吸盘的夹持，以便光学元件能够由对中工具推动而不会刮擦元件的座置表面。

在步骤35中，使对中工具朝向真空吸盘推进，直到对中工具的边缘处于其在极大偏摆点处恰好碰触到元件的位置。

在步骤36中，使对中工具朝向吸盘轴线推进一距离，该距离达到光学元件的极大和极小偏摆之间差值的一半。

在步骤37中，再次增大吸盘的夹持，并且在其中旋转光学元件，同时再次检查偏摆。

在步骤38中，确定极大和极小偏摆之间的差值，并且将该差值与预定的阈值水平相比较。如果低于阈值水平，则控制转至步骤39，在此可根据期望对已对中的光学元件进行机加工。如果大于预定的阈值水平，则工序返回至步骤33，对光学元件执行另一轮的位置调整，直到对中对于期望的机加工动作而言足够良好。

本领域技术人员应理解的是，本发明并不限于上文所具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合和子组合以及对其的变型和修改，这是本领域技术人员在研读以上描述时将会想到的并且不属于现有技术。

Claims (8)

1.一种将圆形光学元件对中在旋转的、非自对中的卡盘中的方法，包括：

提供光学元件卡盘，所述卡盘适于用至少两个夹持等级来夹持所述光学元件；

旋转所述卡盘中的所述光学元件，同时用距离测量探针测量所述光学元件的外边沿的横向位置；

确定所述光学元件的所述外边沿的极大和极小偏摆的位置，所述极大和极小偏摆的位置随所述光学元件的角位置变化；

在一角位置处停止所述卡盘的旋转，使得所述极大的边沿偏摆定位在预定点处；

减小所述卡盘的夹持力，使得所述光学元件仍被保持，但能在所述卡盘中沿横向方向运动而不损坏其表面；以及

沿连接所述极大偏摆的预定点和所述卡盘的旋转轴线的方向移动所述光学元件，以减小所述光学元件的所述偏摆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学元件移动一距离，所述距离达到所述极大和极小偏摆之间差值的一半。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学元件移动一距离，所述距离意图正好是所述极大和极小偏摆之间差值的一半。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括重复所述对中方法以便更为准确地实现所述对中的另一步骤。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述卡盘为真空吸盘。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，借助于对中工具移动所述光学元件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过所述测量探针本身移动所述光学元件。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测量探针配备有两个等级的施力模式，也即用于执行位置测量的较低的第一等级，以及用于使所述元件对中的较高的第二等级。

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