DE10207379A1

DE10207379A1 - Process for grinding and polishing free-form surfaces, in particular rotationally symmetrical aspherical optical lenses

Info

Publication number: DE10207379A1
Application number: DE10207379A
Authority: DE
Inventors: Sven Kiontke; Hermann Doehler
Original assignee: Asphericon GmbH
Current assignee: Asphericon GmbH
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2003-09-04
Also published as: US20050215175A1; AU2003215573A1; ATE343454T1; WO2003070427A2; DE50305484D1; EP1478490B1; WO2003070427A3; EP1478490A2

Abstract

A method for re-grinding and polishing free-form surfaces, especially rotationally symmetrical aspherical optical lenses by tools. in which the virtual levelling of a coarsely pre-grinded lens, for example, is calculated by interferometric measurement and by calculation with a desired form; pressure, rotational speed and sojourn time of the tools are controlled by means of said virtual levelling and the surface of the lens, for example, is divided up into partial areas. The partial areas correspond to the size of the tools. A zeroized approximation is calculated for the control of the tools. Said zeroized approximation enables the interaction of the partial areas to be estimated. By taking into account the estimated interaction, a sojourn time for each tool on each partial area is calculated as a function of pressure and rotational speed of the tool for each partial area, using a linear equation system and the tools are controlled accordingly. The invention also relates to tools and tool arrangements in addition to especially precise aspherical lenses.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen und Polieren von Freiformflächen, insbesondere von rotationssymmetrischen asphärischen optischen Linsen. The invention relates to a method for grinding and polishing free-form surfaces, especially of rotationally symmetrical aspherical optical lenses.

Im Gegensatz zu bisher vielfach eingesetzten sphärischen Linsen besitzen diese asphärischen Linsen spezielle optische Eigenschaften, die theoretisch das physikalische Optimum darstellen. Das bedeutet in der Praxis, daß die mit diesen asphärischen Linsen realisierten Abbildungen wesentlich lichtstärker und schärfer sind. Sie vermeiden Fehler wie die sphärische Abberation. Ähnliches gilt für die noch unregelmäßigeren Flächen, die hier als Freiformflächen bezeichnet werden. Sie können konische, wellenartige, zylindrische oder andere Formen annehmen. Die möglichen Einsatzgebiete sind bei ihnen noch größer. In contrast to spherical lenses that have been widely used to date, these have aspherical lenses Lenses special optical properties that theoretically represent the physical optimum represent. In practice, this means that they are realized with these aspherical lenses Images are much brighter and sharper. You avoid mistakes like that spherical aberration. The same applies to the even more irregular areas, which here as Freeform surfaces are called. They can be conical, wavy, cylindrical or take other forms. The possible areas of application are even greater for them.

Es besteht folglich die dringende Notwendigkeit, diese Oberflächen kostengünstig zu fertigen. Dies ist derzeit nicht möglich, da sich alle im Einsatz befindlichen Verfuhren auf die Fähigkeiten erfahrener Bediener und/oder den Einsatz von Produktionsautomaten stützen, die nur mit sehr kleinen Werkzeugen arbeiten. Die Durchmesser dieser Werkzeuge sind meist nur etwa ein Zehntel so groß wie die der Werkstücke. Aus diesem Grund sind die bisher schleifend und polierend hergestellten Asphären sehr teuer. There is therefore an urgent need to manufacture these surfaces inexpensively. This is not possible at the moment, since all the operations in use are on the Support the skills of experienced operators and / or the use of production machines, who only work with very small tools. The diameters of these tools are mostly only about a tenth the size of that of the workpieces. For this reason, they are so far Aspheres made by grinding and polishing are very expensive.

Diese Erfindung setzt an diesen Problempunkten an. Zum einen werden das Schleifen und das Polieren und hierbei im besonderen die korrespondierenden Korrekturdurchgänge nicht mehr von Hand, sondern durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 fortfolgend (ff) gesteuert. Zum anderen sorgen die in den Ansprüchen 23 ff beschriebenen Werkzeuge für einen wesentlich höheren, aber trotzdem genau steuerbaren und reproduzierbaren Abtrag. Die Erfindung ermöglicht damit wesentlich geringere Fertigungskosten. This invention addresses these issues. On the one hand, grinding and that No more polishing and especially the corresponding corrections by hand, but controlled sequentially (ff) by a method according to claims 1. On the other hand, the tools described in claims 23 ff provide one much higher, but still precisely controllable and reproducible stock removal. The The invention thus enables significantly lower manufacturing costs.

Es gab bereits mehrere Versuche diese Problematik zu lösen, unter anderem durch das Verfahren des Patentes JP 9066464. Bisher jedoch ohne Erfolg. Bei dem in dieser Druckschrift offenbarten Verfahren wird die zu bearbeitende Oberfläche in Bereiche eingeteilt. Anschließend werden alle diese zusammen in einem linearen Gleichungssystem berechnet. In der Praxis ist es jedoch unmöglich, ein solches Gleichungssystem in Kombination mit effektiven Werkzeugen für die gesamte Freiformfläche zu lösen. Darauf weist auch das in der besagten Drucksschrift beschriebene Beispiel durch seine extreme Einfachheit hin. Der hier dargestellte Fehler ist in dem Sinne gar keiner, da nur eine fast ebene Fläche bearbeitet wird. There have been several attempts to solve this problem, including through the Method of the patent JP 9066464. So far, however, without success. With the in this publication disclosed method, the surface to be processed is divided into areas. Then all of these are calculated together in a linear system of equations. In practice, however, it is impossible to combine such a system of equations with effective tools for the entire freeform surface. This is also pointed out in the said document described example by its extreme simplicity. This here In the sense, the displayed error is not one at all, since only an almost flat surface is processed.

Folglich ist es nicht möglich, mit diesem Verfahren die Genauigkeit der Oberfläche durch entsprechende Steuerung der Werkzeuge zu steigern. Consequently, it is not possible to measure the accuracy of the surface with this method appropriate control of the tools.

Gegenstand der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden. The object of the invention is to avoid these disadvantages.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Freiformfläche (1 oder 4) in Bereiche (Fig. 1 und Fig. 2), z. B. von der Größe des Werkzeuges entsprechend, aufgeteilt wird. Jeder dieser Bereiche enthält dann noch immer eine Vielzahl von Stellen, die in die Berechnung einfließen und wird einzeln mit einem separaten linearen Gleichungssystem gelöst. Da sich die Bereiche gegeneinander resultierend aus der Breite des Bearbeitungswerkzeuges beeinflussen, muß man deren Wechselwirkung berücksichtigen. Zu diesem Zweck fließt in das jeweilige lineare Gleichungssystem eine nullte Näherung ein, welche diese Wechselwirkung abschätzt. Diese Wechselwirkung zeigt auch das auf der Fläche (4) im Bereich B8 positionierte Werkzeug (2), welches trotzdem B7 bearbeitet und damit beeinflusst. This object is achieved in that the free-form surface ( 1 or 4 ) in areas ( Fig. 1 and Fig. 2), for. B. is divided according to the size of the tool. Each of these areas then still contains a large number of points that are included in the calculation and is solved individually with a separate linear system of equations. Since the areas influence each other as a result of the width of the machining tool, their interaction must be taken into account. For this purpose, a zero approximation flows into the respective system of linear equations, which estimates this interaction. This interaction also shows the tool ( 2 ) positioned on the surface ( 4 ) in the area B8, which nevertheless processes and influences B7.

Weiterhin werden alle Werkstück- und Werkzeugspezifika wie die Rotationsgeschwindigkeiten berücksichtigt. Die aus der Vielzahl der Gleichungssysteme resultierende Vielzahl der Lösungsmengen werden wieder kombiniert und zur Steuerung des Werkzeuges während des Schleifens oder Polierens eingesetzt. Furthermore, all workpiece and tool specifics such as the Rotation speeds taken into account. Those from the multitude of systems of equations resulting multitude of solution quantities are combined again and used to control the Tool used during grinding or polishing.

In Abhängigkeit von der erforderlichen Oberflächengenauigkeit und den vorhandenen Fehlern im Vergleich zum Durchmesser des verwendeten Werkzeuges sind unterschiedliche Größen der Bereiche sinnvoll. Auf Grund der Wechselwirkung der Bereiche untereinander in Abhängigkeit von der Werkzeugbreite ist es sinnvoll, daß die Bereiche die gleiche oder die doppelte Breite des Werkzeuges aufweisen (siehe auch Fig. 2). Depending on the required surface accuracy and the existing errors compared to the diameter of the tool used, different sizes of the areas make sense. Due to the interaction of the areas with one another depending on the tool width, it makes sense that the areas have the same or twice the width of the tool (see also FIG. 2).

Durch die Kontrolle der das Schleifen und das Polieren bestimmenden Einflussfaktoren besteht die Möglichkeit, den Abtrag auf der Oberfläche per Verweildauer und/oder per Rotationsgeschwindigkeit und/oder per Anpreßdruck des Werkzeuges und/oder per Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes zu steuern. By controlling the influencing factors that determine grinding and polishing there is the possibility of removing the surface by dwell time and / or by Rotation speed and / or by contact pressure of the tool and / or by To control the rotational speed of the workpiece.

Durch den Einsatz des Verfahrens wird es möglich, gerade nur so viel Material von der Oberfläche abzutragen, daß die Sollfläche danach so entsteht, daß der tiefste Punkt der unkorrigierten (Ist-)Fläche (Fig. 5 Minima der Kurve 7), da dieser nahezu nicht bearbeitet wurde, immer noch Teil der erzeugten Sollfläche ist. Praktisch wurde so wenig wie möglich Material abgetragen, aber trotzdem die Sollform realisiert. Es wurde der minimal notwendige Abtrag realisiert. Dies ist ein entscheidender Aspekt zur Reduzierung der Bearbeitungszeit. Bisher wird meist so lange poliert, bis irgendwann die Mindestgenauigkeit erfüllt wird. Das hat zur Folge, daß eher so viel Material wie in Fig. 6 Kurve 13 dargestellt abgetragen und die Bearbeitung damit unnötig verlängert wird. Through the use of the method, it is possible to remove just as much material from the surface that the target area then arises so that the lowest point of the uncorrected (actual) area ( Fig. 5 minima of curve 7 ), since this is almost has not been processed, is still part of the target area created. Practically as little material as possible was removed, but the target shape was nevertheless achieved. The minimum necessary removal was realized. This is a crucial aspect for reducing the processing time. So far, polishing has mostly been carried out until the minimum accuracy is met at some point. As a result, as much material as shown in Fig. 6 curve 13 is removed and the processing is thus unnecessarily extended.

Im Gegensatz zu beliebigen Freiformflächen weisen rotationssymmetrische Freiformflächen eine Regelmäßigkeit in Form Ihrer Rotationssymmetrie auf. Es ist unerheblich, wie die Linse innerhalb Ihrer Symmetrieachse verdreht wird, der Querschnitt der Oberflächenform wie beispielsweise in Fig. 4 Oberfläche (1) bleibt gleich. Werden selbige Oberflächen mit Verfahren, welche die Rotationssymmetrie ausnutzen (siehe ebenfalls Fig. 4), bearbeitet, so sind auch die Fehler der Oberfläche rotationssymmetrisch verteilt. Dann ist es möglich, die Steuerung des Abtrages nur radial durchzuführen. Für die Steuerung einer solchen Bearbeitung wird das vorgestellte Verfahren in eine eindimensionale Form überführt. Der virtuelle Abtrag und die Verteilung der Bereiche beschränkt sich auf den eindimensionalen, radialen Bereich (siehe Fig. 5). Die Bearbeitung geschieht dann unter Rotation von Werkzeug und Werkstück. In contrast to any free-form surfaces, rotationally symmetrical free-form surfaces have a regularity in the form of their rotational symmetry. It is irrelevant how the lens is rotated within its axis of symmetry, the cross section of the surface shape as for example in Fig. 4 surface ( 1 ) remains the same. If the same surfaces are processed using methods that utilize the rotational symmetry (see also FIG. 4), the surface defects are also distributed rotationally symmetrically. Then it is possible to control the removal only radially. To control such processing, the method presented is converted into a one-dimensional form. The virtual removal and the distribution of the areas is limited to the one-dimensional, radial area (see FIG. 5). The machining then takes place with the rotation of the tool and workpiece.

Da bisher keine Verfahren existieren, die den Einsatz großer Werkzeuge ermöglichen und gleichzeitig die Oberflächengenauigkeit erhöhen bzw. auf ein gewünschtes Maß steigern, war es bisher immer notwendig, mehrfach nachzubearbeiten und wiederholt nachzumessen. Dieses Verfahren ermöglicht erstmals simultan den Einsatz großer Werkzeuge bei gleichzeitiger Steigerung der Oberflächengenauigkeit in einem Bearbeitungsdurchgang. Beide Aspekte in Kombination mit der Kontrolle aller die Bearbeitung beeinflussenden Größen verringern die Produktionszeit auf zehn und weniger Minuten (vergleiche hierzu auch das Ausführungsbeispiel). Since there are no processes that allow the use of large tools and at the same time increase the surface accuracy or increase it to a desired level So far it has always been necessary to rework several times and to measure repeatedly. For the first time, this procedure enables the use of large tools simultaneous increase in surface accuracy in one machining pass. Both aspects in combination with the control of all influencing the processing Sizes reduce production time to ten or fewer minutes (see also the embodiment).

Zum Teil werden sehr hohe Anforderung an die Genauigkeit der Oberflächen gestellt. Trotzdem sollen die Fertigungskosten gering gehalten werden. Bisher ist das nicht möglich. Bereits bei vergleichsweise großen und breiten Fehlern wird mit kleinen Werkzeugen gearbeitet, woraus sehr lange Fertigungszeiten resultieren. Dazu kommt, daß zwischen den Bearbeitungsdurchgängen, sowohl bei der Verwendung von gleichen als auch von anderen, gewechselten Werkzeugen, wiederholt die Oberfläche vermessen wird. Dies erfordert durch Ein- und Ausspannen und die erforderliche Meßzeit einen hohen Aufwand, der die Produktionskosten stark mehrt. In some cases, very high demands are placed on the accuracy of the surfaces. Nevertheless, the manufacturing costs should be kept low. So far this is not possible. Even with comparatively large and wide errors, small tools are used worked, which results in very long production times. In addition, between the Machining passes, both when using the same and different, changed tools, the surface is repeatedly measured. This requires through Clamping and unclamping and the required measuring time are very expensive Production costs increase significantly.

Durch die werkzeugspezifische Verwendung des virtuellen Abtrages dieses Verfahrens, ist das Ergebnis einer ersten Bearbeitung mit einem größeren Werkzeug auch ohne Nachmessung bekannt (siehe Fig. 7 Kurve 10). Darauf aufbauend kann zur weiteren Steigerung der Genauigkeit auf Basis desselben Verfahrens unter Anwendung eines anderen für das kleinere Werkzeug spezifischen virtuellen Abtrages eine Steuerung für die sich anschließende Bearbeitung mit diesem kleineren Werkzeug berechnet werden. Die Gesamtbearbeitung ist wesentlich kürzer, als wenn von Beginn an nur mit dem zuletzt verwendeten, kleineren Werkzeug bearbeitet worden wäre. Die Einsparung des Nachmessens ermöglicht weitere Kostensenkungen. Due to the tool-specific use of the virtual removal of this method, the result of a first machining with a larger tool is known even without re-measurement (see FIG. 7 curve 10 ). Building on this, a control for the subsequent machining with this smaller tool can be calculated to further increase the accuracy on the basis of the same method using another virtual removal specific for the smaller tool. The overall machining process is considerably shorter than if the machining had only been carried out with the smaller tool last used. The saving of re-measuring enables further cost reductions.

Um die Einsatzbereiche des Verfahrens zu vergrößern, werden neben nicht überlappenden Bereichen auch überlappende Bereiche zugelassen. Die in Fig. 10 gezeigten Bereiche B1, B2, B3 . . . B9 überlappen paarweise zu 50%. Beispielsweise überlappt B3 zur Hälfte mit B4 und dieser wiederum zur Hälfte mit B5. Es existieren jeweils 16 gemeinsame Stützstellen bzw. Berechnungspunkte. In order to increase the areas of application of the method, in addition to non-overlapping areas, overlapping areas are also permitted. The areas B1, B2, B3 shown in FIG. 10. , , B9 overlap by 50% in pairs. For example, B3 overlaps half with B4 and half overlaps with B5. There are 16 common support points or calculation points.

Eine Ausweitung der Überlappung der Bereiche bis zu dem Extremfall, daß sich benachbarte Bereiche nur noch um einen Wert unterscheiden, ergibt um so bessere Steuerungen für die Korrektur der Oberfläche. Für das Beispiel in Fig. 10 würde das bis zu 132 Bereiche (B1, B2, . . ., B132) zur Folge haben. An expansion of the overlap of the areas to the extreme case that adjacent areas differ by only one value results in better controls for the correction of the surface. For the example in FIG. 10, this would result in up to 132 areas (B1, B2,..., B132).

Bezüglich der Überlappung der Bereiche gilt das entsprechende auch für den zweidimensionalen Fall. Die Anzahl der Bereiche nimmt hier quadratisch zu, da die Überlappung der Bereiche in zwei Dimensionen möglich ist. With regard to the overlap of the areas, the same also applies to the two-dimensional case. The number of areas increases quadratically here because the The areas can overlap in two dimensions.

Mit diesem Verfahren ist es erstmals möglich, asphärische Glaslinsen schleifend und polierend innerhalb von 20 min herzustellen. With this method it is possible for the first time to grind and aspherical glass lenses can be polished within 20 min.

Insbesondere konkave Linsen stellen sehr hohe Ansprüche an die Steuerung während der Bearbeitung. Es ist unter Anwendung dieses Verfahrens erstmalig möglich, konkave Linsen mit einem best fit Krümmungsradius von weniger 50 mm innerhalb von 40 min. schleifend und polierend mit einer pv-Genauigkeit von besser als 600 nm herzustellen. Concave lenses in particular place very high demands on the control during the Processing. Using this method, it is possible for the first time to use concave lenses with a best fit radius of curvature of less than 50 mm within 40 min. dragging and polishing with a pv accuracy of better than 600 nm.

Zur entscheidenden Verringerung der Bearbeitungszeiten ermöglicht dieses Verfahren den Einsatz von Werkzeugen (2) mit Durchmessern von einem Achtel bis einem Viertel des Durchmessers des Werkstückes (Fig. 11) und ist trotzdem in der Lage die Oberfläche (1) zu korrigieren (siehe auch im Ausführungsbeispiel). Im Vergleich mit bisherigen Werkzeugen mit der Größe von etwa einem Zehntel wird allein durch den Einsatz dieser Werkzeug eine mehr als Versechsfachung des Abtrages und eine entsprechende Verkürzung der Bearbeitungszeit möglich. To significantly reduce the machining times, this method enables the use of tools ( 2 ) with diameters of one eighth to one quarter of the diameter of the workpiece ( Fig. 11) and is nevertheless able to correct the surface ( 1 ) (see also in the exemplary embodiment ). In comparison to previous tools with the size of about a tenth, the use of these tools alone enables a more than six-fold increase in removal and a corresponding reduction in machining time.

Bestimmend für den Einsatz von Werkzeugen sind die vorhandenen Fehler (7 in Fig. 12), die zum Erreichen der geforderten Genauigkeit entfernt werden müssen. Allgemein bekannt ist, daß die zur Korrektur verwendeten Werkzeuge nur so breit sein dürfen, wie der schmalste Fehler, hier 20 mm, der entfernt werden muß. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Werkzeuge einzusetzen, die doppelt so breit sind resp. den doppelten Durchmesser von 40 mm aufweisen, wie die zu korrigierenden Fehler. Die Fehler werden wie bisher korrigiert, jedoch in einem viertel der Zeit, da sich die Bearbeitungsfläche mit dem im Vergleich zu bisher doppelt so breiten Werkzeug vervierfacht. The existing errors ( 7 in FIG. 12), which must be removed in order to achieve the required accuracy, are decisive for the use of tools. It is generally known that the tools used for the correction may only be as wide as the narrowest error, here 20 mm, which has to be removed. With this method it is possible to use tools that are twice as wide or. have twice the diameter of 40 mm as the errors to be corrected. The errors are corrected as before, but in a quarter of the time, since the machining area quadruples with the tool, which is twice as wide as before.

Um einen über die Zeit konstanten Abtrag zu gewährleisten, müssen die Bearbeitungsbedingungen gleichbleibend sein. Deshalb soll die Polier- oder Schleiffolie (14 aus Fig. 13), das mit der Bearbeitungsoberfläche in Kontakt tretende Material des Werkzeuges (2), eine homogene Struktur besitzen, die frei von Blasen, Rissen oder ähnlichem ist. Auch die Zusammensetzung des Materiales selber soll makroskopisch gleichmäßig sein. In order to ensure constant removal over time, the machining conditions must be constant. Therefore, the polishing or grinding film ( 14 from FIG. 13), the material of the tool ( 2 ) coming into contact with the processing surface, should have a homogeneous structure which is free from bubbles, cracks or the like. The composition of the material itself should also be macroscopically uniform.

Damit aber trotzdem eine gleichmäßige Polier- oder Kühlmittelzufuhr (16) gewährleistet werden kann, werden senkrechte Kanten 15 (Fig. 13) in dieses homogene Material des Polier- oder Schleifpad's eingebracht, durch die das Polier- oder Kühlmittel unter der gesamten Werkzeugfläche annähernd gleichmäßig wirken kann. However, so that a uniform supply of polishing or coolant ( 16 ) can be guaranteed, vertical edges 15 ( FIG. 13) are introduced into this homogeneous material of the polishing or grinding pad, by means of which the polishing or coolant act approximately uniformly under the entire tool surface can.

Um die Bearbeitungsgeschwindigkeit weiter zu steigern, ist es notwendig, die Abtragsfläche zu vergrößern. Eine Vergrößerung der Werkzeuge ist jedoch nicht möglich, da dann die notwendige Genauigkeit nicht mehr erreicht werden kann. To further increase the processing speed, it is necessary to remove the surface to enlarge. However, it is not possible to enlarge the tools, because then the necessary accuracy can no longer be achieved.

Dieses Problem umgeht man, in dem mehrere Werkzeuge (2) gleichzeitig auf der Freiformfläche (1 oder 4) zur Bearbeitung eingesetzt werden (Fig. 14 und 15). Die erreichbare Genauigkeit ist ebenso hoch wie bei der Verwendung nur eines Werkzeuges dieser Größe. This problem is avoided by using several tools ( 2 ) simultaneously on the free-form surface ( 1 or 4 ) for processing ( FIGS. 14 and 15). The accuracy that can be achieved is just as high as when using only one tool of this size.

Ein reproduzierbarer Abtrag wird hierbei im wesentlichen dann erzielt, wenn die Werkzeuge senkrecht auf der Oberfläche aufliegen. Fig. 16 verdeutlicht eine Anordnung mehrer Werkzeuge, die alle tangential auf der Oberfläche aufliegen. A reproducible removal is essentially achieved when the tools rest vertically on the surface. Fig. 16 illustrates an arrangement of several tools which rest tangentially on the surface of all.

Bei der Bearbeitung rotationssymmetrischer Freiformflächen ist die Bewegung jedes der Werkzeuge entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren entlang einer radialen Strecke vorteilhaft. When machining rotationally symmetrical free-form surfaces, the movement is each of them Tools according to the method described above along a radial path advantageous.

Sollen besonders viele Werkzeuge gleichzeitig die Fläche bearbeiten, ist es vorteilhaft, wenn die Bewegung der Werkzeuge entlang nicht-radialer Strecken erfolgt. If a particularly large number of tools are to work on the surface at the same time, it is advantageous if the tools move along non-radial paths.

Sind die Werkzeuge besonders angeordnet, so ist eine Bearbeitung der Fläche auch dann möglich und sinnvoll, wenn sich die Werkzeuge nicht bewegen. If the tools are specially arranged, then the surface can also be machined possible and useful if the tools are not moving.

Es ist in diesem Fall anzustreben, daß bei rotierender Freiformfläche die Werkzeuge so angeordnet werden, daß die gesamte Freiformfläche bearbeitet wird, was in dem Beispiel aus Fig. 14 der Fall ist. In this case, it is desirable that, with the free-form surface rotating, the tools are arranged in such a way that the entire free-form surface is machined, which is the case in the example from FIG. 14.

Nur durch die Anordnung mehrerer Werkzeuge ist es möglich, Freiformflächen, die weder sphärisch noch plan sind, mit mehr als 5 Prozent gleichzeitig bearbeiteter Fläche der gesamten Freiformfläche so zu bearbeiten, daß der Prozeß beherrschbar bleibt und seinen korrigierenden Charakter behält. Only by arranging several tools is it possible to create free-form surfaces that neither are spherically still flat, with more than 5 percent simultaneously processed area of the entire To process freeform surfaces so that the process remains manageable and its corrective character.

Der Einsatz mehrerer Werkzeuge wird damit verbessert, daß jedes der einzelnen Werkzeuge separat gesteuert wird. The use of multiple tools is improved so that each of the individual tools is controlled separately.

Beim Einsatz vieler Werkzeuge ist es, insbesondere wenn das Handlingsystem der Werkzeuge für mehrere Linsen universell sein soll, einfacher, wenn jedes der Werkzeuge einen beweglichen Fuß aufweist, der die Bedingung, daß das Werkzeug tangential auf der Freiformfläche aufliegt auch bei nicht ganz korrekter Zustellung gewährleistet. When using many tools, it is especially when the handling system of the tools should be universal for multiple lenses, easier if each of the tools has one Movable foot which has the condition that the tool is tangential on the Free-form surface is guaranteed even if the delivery is not entirely correct.

Die Steuerung mehrerer Werkzeuge auf einer Freiformfläche (1 oder 4) ist insbesondere auf kleinen Flächen technologisch sehr anspruchsvoll. Werden jeweils mehrere Werkzeuge (2) in mechanischen Verbunden zusammengefasst, ist bei verringerter feinmechanischer Komplexität eine Steuerung des Abtrages immer noch in ausreichendem Maße möglich. (Fig. 17 und 18) Controlling several tools on a free-form surface ( 1 or 4 ) is technologically very demanding, especially on small surfaces. If several tools ( 2 ) are combined in mechanical assemblies, the removal can still be controlled to a sufficient extent with reduced precision mechanical complexity. ( Figs. 17 and 18)

Die einzelnen Werkzeuge können, wie in Fig. 18 zu sehen, in einem stabförmigen Verbund (18) mechanisch gebündelt werden. As can be seen in FIG. 18, the individual tools can be mechanically bundled in a rod-shaped composite ( 18 ).

Ebenfalls sind runde Verbunde (17) eine Möglichkeit Einzelwerkzeuge (2) zu kombinieren. Sie sind im Sinne der tangentialen Auflage des Werkzeuges speziell auf einer runden rotationssymmetrischen Freiformfläche (1) von Vorteil. Round composites ( 17 ) are also an option for combining individual tools ( 2 ). In terms of the tangential support of the tool, they are particularly advantageous on a round, rotationally symmetrical free-form surface ( 1 ).

Selbige Verbunde werden unter Berücksichtigung des veränderten Abtrages, wie Einzelwerkzeuge mit dem Verfahren nach Anspruch 1 ff gesteuert. Der virtuelle Abtrag muß entsprechend angepaßt werden. Same groups are taking into account the changed deduction, such as Individual tools controlled by the method according to claim 1 ff. The virtual removal must be adjusted accordingly.

embodiment

Das Ausführungsbeispiel betrifft eine asphärische optische Linse, die korrekturpoliert werden soll. Zu diesem Zweck wird die Linse interferometrisch vermessen. Die vor der Bearbeitung gemessene Fehlerverteilung zeigt Fig. 3. Da das vorangegangene Auspolieren der Linse, wie in Fig. 3 sehr gut zu sehen ist, bereits auf rotationssymmetrische Weise stattfand, sind die auf der Oberfläche vorhandenen Fehler rotationssymmetrisch verteilt. Währenddessen sowohl die Linse als auch das Werkzeug rotieren, fährt das Werkzeug vom Rand der Linse auf radialem Weg mit senkrechter Ausrichtung zu deren Oberfläche zur Linsenmitte (Fig. 4). Die Korrektur der Fehler soll entlang dieses Weges durch die Verweilzeit gesteuert werden. The exemplary embodiment relates to an aspherical optical lens which is to be polished by correction. For this purpose, the lens is measured interferometrically. The error distribution measured before processing is shown in FIG. 3. Since the previous polishing out of the lens, as can be seen very well in FIG. 3, already took place in a rotationally symmetrical manner, the errors present on the surface are distributed rotationally symmetrically. In the meantime, both the lens and the tool rotate, the tool travels radially from the edge of the lens with a vertical alignment to its surface to the center of the lens ( FIG. 4). The correction of the errors should be controlled along this path by the dwell time.

Die gesamte Fehlerbetrachtung zur Korrektur dieser Linse wird im Gegensatz zu allgemeinen Freiformflächen auf die radiale Strecke begrenzt. Zur vereinfachten Darstellung wird hier ein etwas anschauliches Beispiel gewählt. Die Anwendung des Verfahrens bei allgemeinen Freiformflächen bedeutet lediglich eine Transformation in zwei Dimensionen, also die Verwendung einer Fläche anstatt nur einer (radialen) Strecke. The overall error consideration for correcting this lens is in contrast to general Free-form surfaces limited to the radial path. For a simplified representation, here is a chosen a descriptive example. The application of the procedure to general Freeform surfaces only mean a transformation in two dimensions, that is Use an area instead of just a (radial) distance.

Der Fehler der gesamten, vermessenen Fläche wird zunächst auf den radialen Durchschnitt gemittelt. Das Ergebnis zeigt Fig. 5 in Kurve 7. Die innen liegende 0, der Anfang der Abszissenachse, bezeichnet den Linsenmittelpunkt, das rechts liegende Ende den Linsenrand. Dargestellt ist nur der Fehler der Oberfläche mit einem peak to valley (pv) von ca. 1700 nm. Das gesamte Verfahren arbeitet in diesem Beispiel auf 130 Stützstellen, auf denen gerechnet wird. Für jede Stelle ist der virtuelle Abtrag bekannt. Darauf aufbauend wird jeweils eine Verweilzeit erzeugt und zur Steuerung des Abtrages während der Bearbeitung genutzt. Jede dieser Stützstellen wurde mit Meßwerten der Fig. 3 erzeugt. Diese 130 Stützstellen entsprechen bei diesem Beispiel einer Strecke von 20 mm. The error of the entire measured area is first averaged to the radial average. The result is shown in FIG. 5 in curve 7. The inside 0, the beginning of the axis of the abscissa, denotes the center of the lens, the end on the right the edge of the lens. Only the surface error with a peak to valley (pv) of approx. 1700 nm is shown. In this example, the entire method works on 130 support points, on which calculations are made. The virtual removal is known for each position. Building on this, a dwell time is generated and used to control the removal during processing. Each of these support points was generated with the measured values from FIG. 3. In this example, these 130 support points correspond to a distance of 20 mm.

Der virtuelle Abtrag des Werkzeuges wird auf Basis eines Footprints für die gesamte Oberfläche berechnet. The virtual removal of the tool is based on a footprint for the entire Surface calculated.

Nun wird die radiale Arbeitsstrecke von 20 mm in Bereiche eingeteilt (Fig. 5). Das Werkzeug hat eine Breite von 33 Punkten, etwa 5 mm. Die Bereiche sollen die Breite des Werkzeuges haben. Damit ergeben sich 4 Bereiche B1, B2, B3 und B4. Für jeden dieser Bereiche wird jetzt ein Gleichungssystem aufgestellt und gelöst, welches den Fehler der Oberfläche in diesem Bereich gemindert um die mittels der Nullten Näherung abgeschätzte Beeinflussung der angrenzenden Bereiche (für B1: B2/für B2: B1, B3/für B3: B2, B4/und für B4: B3) und den virtuellen Abtrag an jeder der zu dem Bereich gehörenden 33 Stellen enthält. Now the radial working distance of 20 mm is divided into areas ( Fig. 5). The tool has a width of 33 points, about 5 mm. The areas should have the width of the tool. This results in 4 areas B1, B2, B3 and B4. A system of equations is now set up and solved for each of these areas, which reduces the error of the surface in this area by the influence of the adjacent areas estimated for the zero approximation (for B1: B2 / for B2: B1, B3 / for B3: B2, B4 / and for B4: B3) and the virtual removal at each of the 33 positions belonging to the area.

Als Ergebnis entstehen die in Fig. 8 dargestellten Verweilzeiten 11. Die aus den vier einzelnen Gleichungssystemen stammenden Verweilzeiten an den jeweils 33 Stellen wurden hier wieder zusammengefügt. Diese Verweilzeiten bedingen den prognostizierten Abtrag, der sich aus der Summe der Kurven 8 und 9 aus Fig. 7 zusammensetzt. Die resultierende, prognostizierte Fehlerverteilung der Oberfläche zeigt Kurve 10. The dwell times 11 shown in FIG. 8 result as a result. The dwell times from the four individual systems of equations at each of the 33 positions were reassembled here. These dwell times result in the forecast removal, which is composed of the sum of curves 8 and 9 from FIG. 7. The resulting, predicted surface error distribution is shown in curve 10 .

Die Bearbeitung der Oberfläche mit dieser Verweilzeitsteuerung benötigte 5,48 min. Die radial gemittelte Verteilung der Oberfläche nach der Korrektur zeigt Fig. 9 in Kurve 12. Zwischen den Stützstellen 0 und 70 wurde eine Genauigkeit von besser 150 nm erreicht. Von der Stelle 70 bis zum Rand der Linse konnte noch eine pv-Genauigkeit von pv 400 nm erreicht werden. Damit entspricht die prognostizierte Fehlerverteilung bis auf kleine Abweichungen im Betrag der tatsächlich nach der Bearbeitung entstandenen Fehlerverteilung. Processing the surface with this dwell time control took 5.48 minutes. The radially averaged distribution of the surface after the correction is shown in FIG. 9 in curve 12 . An accuracy of better than 150 nm was achieved between the support points 0 and 70. From point 70 to the edge of the lens, a pv accuracy of pv 400 nm could still be achieved. This means that the forecast error distribution corresponds, except for small deviations in the amount of the error distribution that actually occurred after processing.

Das Beispiel zeigt, daß das Verfahren in der Lage ist, bei Verwendung von großen Werkzeugen schwierige Oberflächenfehler in extrem kurzer Zeit zu korrigieren. Wesentlichen Anteil an der Verkürzung der Fertigungszeit hat neben dem großen Werkzeug (Durchmesserverhältnis Werkzeug : Werkstück/1 : 8) die Fähigkeit des Verfahrens genau so viel abzutragen, daß nur der tatsächlich vorhandene Fehler abgetragen wird. Mit den bisher verwendeten Verfahren wurde meist sehr viel mehr Abtrag realisiert, so daß die Bearbeitung sehr viel mehr Zeit in Anspruch nahm. Fig. 6 zeigt eine Kurve 13, die veranschaulicht, wie viel Abtrag in solchen Fällen zu viel abgetragen wird. Die Bearbeitungszeit würde in dem Fall auf 20 min steigen. Entscheidend ist auch, daß dieses Ergebnis in nur einem Bearbeitungsdurchgang ohne wiederholtes Nachmessen und Nachbearbeiten erreicht wurde. The example shows that the method is able to correct difficult surface defects in an extremely short time when using large tools. In addition to the large tool (diameter ratio tool: workpiece / 1: 8), the ability of the process to remove just enough to reduce only the actually existing error plays a significant part in the shortening of the production time. With the methods used up to now, a lot more removal was usually realized, so that the processing took a lot more time. FIG. 6 shows a curve 13 which illustrates how much removal is removed in such cases. In this case, the processing time would increase to 20 minutes. It is also crucial that this result was achieved in just one processing step without repeated measuring and reworking.

Description of the pictures

Fig. 1 Einteilung einer runden Freiformfläche (1) in Bereiche (3) bei Anwendung des Werkzeuges (2) mit Durchmesser 16 mm (Draufsicht auf die Freiformfläche); Fig. 1 division of a round free-form surface ( 1 ) into areas ( 3 ) when using the tool ( 2 ) with a diameter of 16 mm (top view of the free-form surface);

Fig. 2 Einteilung einer rechteckigen Freiformfläche (4) in durch die Bereichsgrenzen (5) voneinander abgegrenzte Bereiche (3), die der Größe des Werkzeuges (2) entsprechen (Draufsicht auf die Freiformfläche); Fig. 2 division of a rectangular free-form surface ( 4 ) into areas ( 3 ) which are delimited from one another by the area boundaries ( 5 ) and correspond to the size of the tool ( 2 ) (top view of the free-form surface);

Fig. 3 Zweidimensionale Fehlerverteilung (6) einer rotationssymmetrischen optischen Linse (Asphäre); Fig. 3 Two-dimensional error distribution ( 6 ) of a rotationally symmetrical optical lens (asphere);

Fig. 4 Bewegungsabläufe bei der Bearbeitung einer rotationssymmetrischen optischen Linse (1) mit einem (Polier-)Werkzeug (2) (Seitenansicht/Schnittdarstellung); Fig. 4 sequences of movements when processing a rotationally symmetrical optical lens ( 1 ) with a (polishing) tool ( 2 ) (side view / sectional view);

Fig. 5 radialer Durchschnitt der Fehlerverteilung (7) auf der rotationssymmetrischen optischen Linse aus Fig. 4; dies entspricht dem minimal notwendigen Abtrag; 5 shows radial average of the error distribution (7) on the rotationally symmetric optical lens of FIG. 4. this corresponds to the minimum necessary removal;

Fig. 6 verschobener radialer Durchschnitt der Fehlerverteilung (13) auf der rotationssymmetrischen optischen Linse aus Fig. 4; dies entspricht dem bisher oft realisierten Abtrag; FIG. 6 shifted radial average of the error distribution ( 13 ) on the rotationally symmetrical optical lens from FIG. 4; this corresponds to the erosion that has often been realized so far;

Fig. 7 Veranschaulichung des Verfahrens mit Ist-Zustand des Oberflächenfehlers (7), dem prognostizierten Abtrag (Summe aus 8 und 9) und dem prognostizierten verbleibendem Fehler nach der Bearbeitung (10); Fig. 7 illustrate the method with actual state of the surface defect (7), the forecasted removal (sum of 8 and 9) and the predicted error remaining after the processing (10);

Fig. 8 die durch das Verfahren bestimmten Verweilzeiten (11); Fig. 8 is the determined by the process residence times (11);

Fig. 9 der auf der mit diesen Verweilzeiten (11) bearbeiteten Oberfläche verbleibende Oberflächenfehler (12); Figure 9 remaining on the machined with these residence times (11) surface surface defects (12).

Fig. 10 beispielhafte Verteilung von zu 50% überlappenden Bereichen (B1, . . ., B9) innerhalb eines radialen Durchschnitts einer rotationssymmetrischen Fläche; FIG. 10 is exemplary distribution of 50% overlapped portions (B1, B9...) Within a radial average of a rotationally symmetric surface;

Fig. 11 Größenverhältnisse zwischen Werkzeug und Werkstück 1 : 8 und 1 : 4; Fig. 11 size ratios between the tool and the workpiece 1: 8 and 1: 4;

Fig. 12 Größenvergleich zwischen dem schmalsten Fehler der Fehlerverteilung ( ) und dem Werkzeug (2); Fig. 12 size comparison between the narrowest error of the error distribution () and the tool ( 2 );

Fig. 13 Werkzeug mit adaptierter polier- oder Schleiffolie (14) mit senkrechten Kanten (15); Fig. 13 tool with adapted polishing or grinding film ( 14 ) with vertical edges ( 15 );

Fig. 14 Anordnung von mehreren Werkzeugen (2) auf der runden Freiformfläche (1); Fig. 14 arrangement of several tools ( 2 ) on the round free-form surface ( 1 );

Fig. 15 Anordnung von mehreren Werkzeugen (2) auf der rechteckigen Freiformfläche (4); Fig. 15 arrangement of several tools ( 2 ) on the rectangular free-form surface ( 4 );

Fig. 16 Anordnung mehrer Werkzeuge (2), die tangential d. h. mit senkrechter Orientierung auf der Freiformfläche (1) aufliegen; Fig. 16 arrangement of several tools ( 2 ) which lie tangentially, ie with a vertical orientation on the free-form surface ( 1 );

Fig. 17 Anordnung von runden mechanischen Verbunden (17) von Werkzeugen (2) auf einer runden Freiformfläche (1); Fig. 17 array of round mechanical compounds (17) of tools (2) on a round free-form surface (1);

Fig. 18 Anordnung von stabförmigen mechanischen Verbunden (18) von Werkzeugen (2) auf einer rechteckigen Freiformfläche (4). Zahlen an den Bildern 1 runde Freiformfläche
2 Werkzeug
3 durchnummerierten Bereiche (B1, B2, . . .)
4 rechteckige Freiformfläche
5 Bereichsgrenzen
6 zweidimensionale rotationssymmetrische Fehlerverteilung
7 radialer Durchschnitt der zweidimensionalen rotationssymmetrischen Fehlerverteilung
8/9 prognostizierter Abtrag
10 prognostizierter verbleibender Fehler
11 bestimmte Verweilzeiten
12 nach der Bearbeitung auf der Oberfläche tatsächlich verbleibender Restfehler
13 zu großer, bisher oft abgetragene Fehler
14 Polier- oder Schleiffolie aus homogenem Material
15 senkrechte Kanten für Polier- oder Kühlmittelzufuhr
16 Polier- oder Kühlmittel
17 mechanische Verbunde von Werkzeugen in runder Ausführung
18 mechanische Verbunde von Werkzeugen in stabförmiger Ausführung
Fig. 18 arrangement of rod-shaped mechanical compounds ( 18 ) of tools ( 2 ) on a rectangular free-form surface ( 4 ). Figures on the pictures 1 round freeform surface
2 tools
3 numbered areas (B1, B2,...)
4 rectangular freeform surface
5 boundaries
6 two-dimensional rotationally symmetrical error distribution
7 radial average of the two-dimensional rotationally symmetrical error distribution
8/9 predicted removal
10 predicted remaining errors
11 specific dwell times
12 residual defects actually remaining on the surface after processing
13 too large errors that have often been removed so far
14 Polishing or sanding film made of homogeneous material
15 vertical edges for polishing or coolant supply
16 polishing or coolant
17 round mechanical assemblies of tools
18 mechanical assemblies of tools in the form of a rod

Claims

1. Method for grinding and polishing free-form surfaces, in particular rotationally symmetrical aspherical, optical surfaces such as lenses or mirrors, using one or more tools, whereby a virtual removal of a pre-processed, preferably pre-prescribed optical surface by preferably interferometric measurement and comparison of the actual value - Calculated with the target shape, pressure, rotation speeds and dwell time or movement of the tool or tools are controlled on the basis of the virtual removal and for this purpose the surface of the optical surface is divided into partial areas, characterized in that a zero approximation for the control of the tool or the tool is calculated, the interaction of the sub-areas with one another is virtually estimated on the basis of the zero approximation and, taking the estimated interaction into account, a dwell time profile of the tool or for each Tool for each sub-area, taking into account the pressure, rotation speed and polishing agent behavior of the tool or tools for each sub-area, is calculated by a linear system of equations and the tool or tools are controlled accordingly.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Partial areas of the size of the tool or one of the tools correspond.

3. The method according to claim 1, characterized in that the Subdivisions twice the size of the tool or one of the Tools correspond.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized that the dwell time of the tool or one the tools for controlling the removal is varied.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized that the rotational speed of the or one Tool for controlling the removal is varied.

6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized that the rotational speed of the workpiece to control the removal is varied.

7. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized that the contact pressure of the tool or one the tool for controlling the removal is varied.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized characterized that only a correction of the surface the minimum necessary removal is deducted.

9. The method according to any one of claims 1 to 8 for rotationally symmetrical free-form surfaces, especially aspherical ones Lenses or mirrors, characterized in that the virtual Removal is converted into a one-dimensional form, and the rough pre-ground z. B. lens, rotated during grinding and polishing.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized characterized that to achieve a desired Surface shape accuracy is only ground or polished once, which is only a short processing time of about ten or less Minutes conditional.

11. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized characterized that with or without preferably interferometric Remeasurement or another remeasurement a small number from painting to grinding or polishing every time reduced Tools are carried out, which entails maximum accuracy and one Time saving compared to grinding or polishing once with the smallest tools guaranteed.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized characterized that the partial areas do not overlap.

13. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized characterized that the partial areas overlap somewhat.

14. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized characterized that the sub-areas overlap very much.

15. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized characterized that the partial areas overlap so much that they differ only by one value or a few values.

16. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized characterized that the sub-areas have different sizes to have.

17. Aspherical glass lens with an accuracy of better than 600 Nanometers, ground and polished within approx. 20 minutes.

18. Aspherical glass lens with an accuracy better than 600 nm with concave surface, with BestFit radius of curvature less than 50 mm ground and polished within a time of approx. 40 minutes.

19. Correction tool for processing rotationally symmetrical Free-form surfaces, especially aspherical lenses or mirrors, which rotates and is used with the aim of closing the surface correct and radially displaceable, characterized in that the size-diameter ratio of tool to z. B. Lens is one eighth to one quarter.

20. Tool for machining rotationally symmetrical Free-form surfaces, especially aspherical lenses or mirrors, which rotates and is radially displaceable, characterized by a Size twice as wide as the narrowest fault mountain on the Freeform surface to be removed.

21. Tool with a polishing or grinding film made in particular Polyurethane, characterized by a polishing or Sanding film material without bubbles and without notches or other inhomogeneities.

22. Tool analogous to claim 21 with intentionally incorporated cracks with steep to vertical edges for better polishing and Coolant supply, the cracks are large enough that they are not with Polish or coolant may become blocked.

23. Tool arrangement, which several the free-form surface, with the exception of a flat surface, tools being machined simultaneously having.

24. Tool arrangement according to claim 23, characterized in that that the individual tools with a vertical orientation on the Lay on the surface.

25. Tool arrangement according to claim 23 or 24, characterized characterized that each of the individual tools on a radial distance of a rotationally symmetrical free-form surface moves.

26. Tool arrangement according to claim 23 or 24, characterized characterized that each of the individual tools on a non-radial path of the freeform surface moves.

27. Tool arrangement according to claim 23 or 24, characterized characterized that the individual tools are not on the Move freeform surface.

28. Tool arrangement according to claim 23 to 27, characterized characterized that the individual tools so on the freeform surface are distributed so that the entire Freeform surface is processed.

29. Tool arrangement according to claim 23, characterized in that the simultaneously worked area is more than five percent of the Free-form surface with the exception of the flat surface and the spherical one Area is.

30. Tool arrangement according to claim 23 to 25, characterized characterized that the individual tools are controlled individually become.

31. Tool according to claim 23, characterized by a movable foot on its processing side, which is so sets that the tool lies tangentially on the free-form surface.

32. Tool arrangement according to one of claims 23 to 31, characterized characterized that the individual tools are available in groups.

33. Tool according to claim 32, characterized in that the Compounds are rod-shaped.

34. Tool according to claim 32, characterized in that the Connections are round.

35. Tool arrangement according to one of claims 32 to 34, characterized characterized that the composites of the individual tools over the Freeform surface positioned and moved like a single tool become.

36. The method according to any one of claims 1 to 16, characterized characterized that when pre-polishing or polishing the free-form surface the existing accuracy is retained after grinding or is improved.

37. Tool arrangement according to claim 30, characterized in that that the individual tools are controlled according to one of claims 4 to 7 become.