-
Die
Erfindung betrifft ein Werkzeug und ein Verfahren zur Feinbearbeitung
von Oberflächen optischer Elemente. Optische Elemente,
beispielsweise Linsen aus Quarzglas, werden in der Regel durch einen
mehrstufigen Bearbeitungsprozess gefertigt. Dabei wird zunächst
mittels eines Vorschleifvorganges aus einem Rohling die gewünschte
Form grob vorgefertigt. Nachfolgend wird die so entstandene Rohform einem
Feinschleifverfahren unterzogen. Allerdings ergibt sich auch durch
das Feinschleifen noch keine Oberflächenqualität
des optischen Elementes, die den üblichen Anforderungen
an die optische Qualität des optischen Elementes genügt.
Um eine hinreichend hohe Oberflächengüte zu erhalten,
ist in der Regel ein abschließender Poliervorgang bzw.
Läppvorgang erforderlich. Nach dem Stand der Technik werden
hierzu üblicherweise Werkzeuge verwendet, die beispielsweise
in Form von Halbschalen ausgebildet sind und die das zu bearbeitende
optische Element in der Weise bearbeiten, dass sie in einer überlagerten
Oszillations- und Rotationsbewegung über das optische Element
geführt werden. Nachteilig herbei ist, dass für
eine Vielzahl unterschiedlicher Formen der zu fertigenden optischen
Elemente entsprechend angepasste Feinbearbeitungwerkzeuge in Form
der oben genannten Halbschalen vorgehalten werden müssen.
Dies führt zu einem beträchtlichen Aufwand im
Hinblick auf Pflege und Lagerung der genannten Werkzeuge.
-
Aus
der
DE 44 42 181 C2 ist
ein Werkzeug zur Feinbearbeitung optischer Flächen bekannt,
bei der eine elastische Membran zusammen mit einem Halter einen
Hohlraum begrenzt, der mit einer unter bestimmten Bedingungen plastisch
verformbaren Masse gefüllt ist. Die plastisch verformbare
Masse kann steuerbar eine nachgiebige oder starre Stützschicht
für die Membran bilden. Das in der genannten Schrift gezeigte
Werkzeug ist dabei in der Weise ausgebildet, dass es während
des Bearbeitungsvorganges die gesamte zu bearbeitende Oberfläche
des optischen Elementes zumindest durch den Oszillationshub der
Bearbeitung erreicht. Durch das in der genannten Schrift beschriebene
Werkzeug kann erreicht werden, dass die Bearbeitung von sphärischen oder
auch rotationssymmetrischen Körpern mit verschiedenen geometrischen
Parametern mit ein und demselben Werkzeug erfolgen kann. Die Bearbeitung
von Freiformen ist allerdings mit den oben beschriebenen Werkzeugen
nicht möglich.
-
Die
genannten Freiformen werden üblicherweise mit sogenannten
Subaperturwerkzeugen bearbeitet. Derartige Werkzeuge zeichnen sich
dadurch aus, dass die für die Bearbeitung der Oberfläche wirksame
Fläche, der sogenannte Bearbeitungsabschnitt, erheblich
kleiner ist als die zu bearbeitende Oberfläche und damit
lediglich Teilbereiche der Oberfläche zum selben Zeitpunkt
bearbeiten kann. Dies führt dazu, dass die genannten Subaperturwerkzeuge üblicherweise
in Bahnen über die zu bearbeitende Fläche geführt
werden. Hierdurch ergibt sich für die Auslegung eines derartigen
Werkzeuges ein Zielkonflikt:
Wählt man den Bearbeitungsabschnitt
des Werkzeuges vergleichsweise nachgiebig, so folgt das Werkzeug
zwar den zonal unterschiedlichen Formen der Freiform. Aufgrund der
Nachgiebigkeit des Werkzeuges werden jedoch dann auch die Fehler
in der Oberfläche nicht ausreichend effektiv beseitigt.
-
Wählt
man den Bearbeitungsabschnitt des Werkzeuges hingegen zu hart, verliert
das Werkzeug die Fähigkeit, sich beim Abfahren der Oberfläche
an die zonal unterschiedlichen Geometrien der Freiform anzupassen
und es kommt zu unerwünschtem Abtrag von Material, so dass
die Feinbearbeitung ihrerseits Fehler in der Oberfläche
erzeugt.
-
Es
ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug und ein
Verfahren zur Feinbearbeitung von Oberflächen anzugeben,
das eine möglichst große Flexibilität
bei der Bearbeitung von Oberflächen optischer Elemente,
insbesondere bei der Bearbeitung von Freiformflächen, gewährleistet.
-
Diese
Aufgabe wird durch das Werkzeug mit den Merkmalen des An spruchs
1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen
und Varianten der Erfindung.
-
Das
erfindungsgemäße Werkzeug zur Feinbearbeitung
optischer Elemente, beispielsweise ein Polier- oder Läppwerkzeug,
zeigt einen Werkzeughalter zur Befestigung an einer Werkzeugaufnahme einer
Feinbearbeitungsmaschine sowie einen mittels einer flexiblen Membran
gebildeten Aufnahmeraum für ein Stützmedium. Die
Membran weist einen Bearbeitungsabschnitt auf und es sind Mittel
zur Beeinflussung mindestens einer mechanischen Eigenschaft des
Stützmediums vorhanden, die mit einer Steuerungseinrichtung
verbunden sind. Der Bearbeitungsabschnitt auf der Membran mit einem
Durchmesser von 20 mm bis 50 mm ist dabei kleiner als die zu bearbeitende
Fläche auf dem optischen Element; mit anderen Worten handelt
es sich bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug um
ein sogenanntes Subaperturwerkzeug.
-
Bei
dem Stützmedium kann es sich um eine elektro- bzw. magnetorheologische
Flüssigkeit, wie zum Beispiel eine Flüssigkeit
mit feinkörnigen Eisenpartikeln handeln. Bei den Mitteln
zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaft des Stützmediums kann
es sich dann um induktive oder kapazitive Mittel wie beispielsweise
Induktionsspulen oder Kondensatorplatten handeln.
-
Die
Steuerungseinrichtung kann in einer vorteilhaften Variante der Erfindung
geeignet sein, die Mittel zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaft
des Stützmediums in der Weise anzusteuern, dass die mechanische
Eigenschaft wie beispielsweise die Viskosität des Stützmediums
während der Bewegung des Werkzeuges über das optische
Element intermittierend verändert wird.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Feinbearbeitung
optischer Elemente wird ein Werkzeug mit einem Werkzeughalter und
einem Bearbeitungsabschnitt, der kleiner als die zu bearbeitende Fläche
auf dem optischen Element ist, in Bahnen über die zu bearbeitende
Fläche geführt. Der Bearbeitungsabschnitt ist
auf einer flexiblen Membran angeordnet, welche gegebenenfalls zusammen mit
einem Werkzeughalter einen Aufnahmeraum für ein Stützmedium
bildet. Mindestens eine mechanische Eigenschaft des Stützmediums
wird dabei intermittierend während des Feinbearbeitungsprozesses
beeinflusst, insbesondere periodisch verändert, wobei in
einer vorteilhaften Variante der Erfindung die Periodendauer der
Veränderung der mechanischen Eigenschaft in Abhängigkeit
der Bahngeschwindigkeit des Werkzeuges auf der zu bearbeitenden
Fläche und/oder der Form der zu bearbeitenden Fläche
gewählt wird.
-
Dabei
kann die Periodendauer zwischen 0,01 s bis 0,2 s gewählt
werden; ferner kann es sich bei dem Stützmedium um eine
elektro- bzw. magnetorheologische Flüssigkeit handeln,
deren mechanischen Eigenschaften mittels eines elektrischen oder magnetischen
Feldes beeinflusst werden können.
-
Bei
der genannten mechanischen Eigenschaft des Stützmediums
kann es sich insbesondere um die Viskosität handeln.
-
Das
Werkzeug kann als ein Polier- oder Läppwerkzeug ausgebildet
sein.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 bis 3 das
erfindungsgemäße Werkzeug beim Bearbeiten einer
exemplarischen Oberfläche mit von 1 bis 3 fortschreitender Zeit.
-
Die
Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Werkzeuges
ist nachfolgend anhand der 1 bis 3 dargestellt.
Dabei zeigen die 1 bis 3 im zeitlichen
Ablauf die Bewegung eines Werkzeuges 1 über eine
zu bearbeitende Fläche 7 eines optischen Elementes 2.
Das optische Element 2 kann dabei als Quarzglaslinse ausgebildet
sein. Die zu bearbeitende Fläche 7 des optischen
Elementes 2 ist als Freiform ausgebildet; d. h. sie ist
weder sphärisch noch in anderer Weise rotationssymmetrisch.
Dabei stellt die durchgezogene Linie die reale Form der zu bearbeitenden
Fläche 7 mit den Fehlern 11 bis 14 dar,
wohingegen die gestrichelte Linie die Sollform der Fläche 7 darstellt,
in der die Fehler 11 bis 14 korrigiert sind. Die
Größenordnung der Fehler liegt dabei im Bereich
einer Ortswellenlänge von ca. 1–3 mm. Das Werkzeug 1 zeigt
den als metallischen Körper ausgebildeten Werkzeughalter 3,
der an einer nicht dargestellten Werkzeugaufnahme einer Poliermaschine
befestigt sein kann. Dabei ist der Werkzeughalter 3 mit
der aus einem elastischen Material gebildeten Membran 4 verbunden
und bildet zusammen mit dieser den Aufnahmeraum 5 für
das Stützmedium 8. Als Stützmedium 8 kommen
insbesondere elektro- oder magnetorheologische Flüssigkeiten
in Betracht, welche feinkörnige Eisenpartikel enthalten.
Derartige Flüssigkeiten haben die besondere Eigenschaft, dass
sie unter dem Einfluss eines elektrischen oder magnetischen Feldes
ihre mechanischen Eigenschaften, insbesondere ihre Viskosität, ändern.
Mit anderen Worten ermöglicht es die Verwendung der genannten
Flüssigkeiten, allein durch Anlegen eines elektrischen
oder magnetischen Feldes einerseits die Form und andererseits die
Härte des erfindungsgemäßen Werkzeuges
einzustellen. In 1 sind exemplarisch die Kondensatorplatten 9 sowie
die Induktivität 10 dargestellt, die in Verbindung
mit einer entsprechenden Strom- bzw. Spannungsquelle die jeweils
benötigten Felder erzeugen. Es versteht sich dabei von
selbst, dass je nach verwendetem Stützmedium 8 auch
jeweils nur die Kondensatorplatten 9 oder auch nur die
Induktivität 10 zur Verwendung kommen kann. Damit
ergibt sich die Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften
des erfindungsgemäßen Werkzeuges 1 allein
durch die geeignete Ansteuerung einer mit den Kondensatorplatten 9 bzw. der
Induktivität 10 verbundenen Spannungs- bzw. Stromquelle
die jeweils gewünschten mechanischen Eigenschaften des
erfindungsgemäßen Werkzeuges 1 zu wählen.
Im vorliegenden Beispiel wird die Spannung an den Kondensatorplatten 9 zunächst
so gewählt, dass Viskosität des Stützmediums 8 gering
ist. Damit wird der Bearbeitungsabschnitt 6 des Werkzeugs 1 vergleichsweise
weich und passt sich der Form der zu bearbeitenden Fläche 7 in
dem in 1 dargestellten linken Bereich an. Nach dem Aufsetzen des
Werkzeugs 1 wird eine Spannung an die Kondensatorplatten 9 angelegt,
die dazu führt, dass die Viskosi tät des Stützmediums 8 bis
zu dem gewünschten Grad ansteigt. Damit verhärtet
sich der Bearbeitungsabschnitt 6 des Werkzeugs 1 und
die Bearbeitung kann beginnen. Nachfolgend wird der linke Bereich
der zu bearbeitenden Fläche 7 des optischen Elementes 2 dadurch
feinbearbeitet, dass das Werkzeug 1 in eine oszillierende
oder auch rotierende Bewegung versetzt wird. Dies führt
dazu, dass der Fehler 11 wie auch der Fehler 12 in
der zu bearbeitenden Fläche 7 durch die abrasive
Wirkung des Bearbeitungsabschnitts 6 während der überlagerten Vorschubbewegung
des Werkzeugs 1 von links nach rechts mit einer Vorschubgeschwindigkeit
von 0,01 m/s bis 0,1 m/s abgetragen wird. Insgesamt kann sich dabei
das Werkzeug 1 in Määnderbahnen über die
gesamte zu bearbeitende Fläche 7 des optischen Elementes 2 bewegen.
Das Werkzeug 1 benötigt dabei typischerweise einen
Zeitraum im Bereich von ca. einer bis vier Stunden, um die gesamte
zu bearbeitende Fläche 7 des optischen Elementes
zu überstreichen. Dieser Vorgang kann je nach Anwendung auch
wiederholt werden. Je nach Verwendungsweise des Werkzeuges, beispielsweise
Läppen oder Polieren, kann der Bearbeitungsabschnitt 6 mit
einem entsprechend angepassten zusätzlichen Materialabschnitt,
einem sogenannten Pad, beispielsweise aus Polyurethan, versehen
sein. Aus 1 wird unmittelbar ersichtlich,
dass die aktuelle Form des Werkzeuges 1 beim Passieren
der Wölbung 20 im mittleren Bereich der zu bearbeitenden
Fläche 7 dazu führen würde,
dass die gewünschte Wölbung 20 mindestens teilweise
durch das Werkzeug 1 abgetragen würde und die
gewünschte Form der Fläche 7 in diesem
Bereich verloren gehen würde.
-
Die
Erfindung ermöglicht es nun, durch zyklisches, insbesondere
periodisches Variieren der an den Kondensatorplatten 9 anliegenden
Spannung während des Vorschubes des Werkzeuges 1 dessen Form
kontinuierlich an die jeweils lokale Geometrie der zu bearbeitenden
Freiform anzupassen. Dabei ist es von Vorteil, den beschriebenen
Zyklus aus Erhöhung und Verringerung der Viskosität
innerhalb einer Größenordnung von wenigen, insbesondere
von 1–10 mm Vorschub jeweils einmal anzuwenden. Dabei kann
es stark von der jeweiligen lokalen Form der zu bearbeitenden Oberfläche 7 abhängen,
in welchen Abständen eine Erhöhung/Verringerung
der Viskosität und damit eine Verhärtung/Entspannung des
Werkzeuges 1 vorgenommen wird. In 2 wird die
oben beschriebene Wirkung der Erfindung noch einmal verdeutlicht.
Erkennbar aus 2 wird, dass sich die Form des
Werkzeuges 1 bei der Bearbeitung der Wölbung 20 an
deren Form angeglichen hat, sodass auch der Fehler 13,
der im Bereich der Wölbung 20 lokalisiert ist,
abgetragen werden kann, ohne dass die geometrischen Parameter der
Wölbung 20 durch den Feinbearbeitungsvorgang unerwünscht
verändert werden.
-
Entsprechend
zeigt 3 den Zustand, in dem das Werkzeug 1 den
dargestellten Bereich der zu bearbeitenden Fläche 7 nahezu
vollständig durchfahren hat und lediglich – nach
einer erneuten Formanpassung an den rechten Teil des dargestellten Bereiches – noch
den letzten dargestellten Fehler 14 abträgt. Gut
erkennbar wird aus den 1 bis 3, dass
eine wirksame Beseitigung der Fehler 11 bis 14 auf
der zu bearbeitenden Fläche 7 verfolgt ist, ohne dass
es zu unerwünschten Abweichungen von der gewünschten
Form gekommen ist.
-
Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
besteht darin, dass durch eine Anpassung der Verweilzeit des Werkzeugs 1 im
jeweiligen Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche 7 eine
langwellige Korrektur möglich ist. Dies wird nach der Lehre
der Erfindung dadurch ermöglicht, dass das flexible, anpassbare
Werkzeug 1 verwendet wird. Eine ähnliche Vorgehensweise
wäre mit einem kleinen, harten Werkzeug nach dem Stand
der Technik deswegen nicht möglich, weil das Werkzeug an
die jeweilige Form der zu bearbeitenden Oberfläche 7 – abhängig
von dem jeweils bearbeiteten Bereich – nicht angepasst
werden kann. Nach dem Stand der Technik könnte die geschilderte
Korrektur nur dadurch erreicht werden, dass das Werkstück
zunächst mit einem weichen Werkzeug ”auf Form” bearbeitet wird
und nachfolgend mit einem harten Werkzeug die notwendige Oberflächenrauhigkeit
eingestellt wird. Ein derartiges hartes Werkzeug hätte
jedoch den bereits oben dargestellten Nachteil, dass es nicht in
jeder Zone der Freiformfläche angewendet werden kann. Hierin
liegt der Vorteil der vorliegenden Erfindung, der darin besteht,
dass die Einstellung der gewünschten Oberflächenform
und -rauhigkeit in einem Arbeitsschritt erreicht werden kann. Damit
bietet die Erfindung insbesondere Potential für die Fertigung von
Asphären oder Freiformflächen, die für
optische Elemente in Projektionsbelichtungsanlagen für
die Halbleiterlithographie verwendet werden. Das Werkzeug 1 bewegt
sich hinsichtlich seines Vorschubs üblicherweise bzw. bevorzugt
in dem bereits oben angesprochenen mäander- oder spiralförmigen
Bahnen über die zu bearbeitende Oberfläche 7;
dieser Bewegung ist eine Exzenterbewegung des Werkzeugs 1 selbst überlagert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-