DE3035536A1

DE3035536A1 - Geraet zur bearbeitung von linsenoberflaechen

Info

Publication number: DE3035536A1
Application number: DE19803035536
Authority: DE
Inventors: W. Duane Southbridge Mass. Hamilton
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: AO Inc 07950 SOUTHBRIDGE MASS US
Priority date: 1979-09-21
Filing date: 1980-09-20
Publication date: 1981-04-09
Also published as: FR2465558B1; JPS5645361A; IT8049454A0; IT1127867B; CA1127850A; FR2465558A1; US4271636A

Description

PATENTANWALT-DR. HERMANN O. TH. DltfHL-DIPLOMPHYSIKER D-8000 MÖNCHEN 19 - FLOGG ENSTRASS E 17 - TE L E FO N= 0 8 9/1 7 70

A-1427-D

19.9.198ο

D/bl

Anmelderin:

American Optical Corporation,

Southbridge, Massachusetts, USA 01550

Gerät zur Bearbeitung von Linsenoberflächen

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Postacheckkonto München Nr. 948 54-807 Reuschelbank München (BLZ 70030300) Konto Nr. 423.11343 Telex 5215145 Zeus Telegrammadresse/Cable Adress: Zeuspatent

PATENTANWALT-DR. HERMANN O. TH. DiEHL-DIPLOMPHYSIKER D-8000 MÖNCHEN 19 - FLOGGENSTRASSE 17 - T E LE FO N: O 8 9/17 70 61

A-1427-D

19.9.198ο

Anmelderin:

American Optical Corporation, Southbridge, Massachusetts, USA 01550 1o

Gerät zur Bearbeitung von Linsenoberflächen

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bearbeitung von Linsenoberflächen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dient insbesondere zur Herstellung torischer Oberflächen.

Eine torische Oberfläche ist eine Oberfläche mit einer zusammengesetzten Krümmung, wie sie vielfach auf dem Gebiet der Augenoptik zur Korrektur des Astigmatismus verwendet wird. Unter der Bezeichnung "zusammengesetzte Krümmung" wird hierbei verstanden, dass der Krümmungsradius in einem Meridian sich von dem Krümmungsradius in einem zweiten, hierzu orthogonalen Meridian unterscheidet. Diese Krümmungen werden gewöhnlich als die sphärische und die zylindrische Komponente des Torus bezeichnet, wobei die zylindrische Komponente üblicherweise diejenige mit der grössten Brechkraft, dh. die mit dem kleinsten Krümmungsradius ist.

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Aufgrund der grossen kommerziellen und praktischen Bedeutung torischer Linsenoberflächen wurde eine Anzahl von Techniken zur Herstellung derartiger Linsenoberflächen entwickelt. Bei einer frühen derartigen Technik wurden vorgeformte Werkzeuge verwendet, von denen jedes die Gestalt der bei der speziellen Linse erwünschten torischen Kurve aufwies, dh. die ein Spiegelbild der erwünschten Linsenoberflächengestalt war. Mit diesem vorgefertigten Werkzeug und entsprechenden Schleifpasten wurde die Linsenoberfläche derart geschliffen, dass diese allmählich die Gestalt des Werkzeuges annahm. Auf diesem Wege liessen sich ausreichend genaue torische Oberflächen herstellen. Aufgrund der raschen Abnutzung des Werkzeugs und der Notwendigkeit, für die Herstellung von Hunderten von benötigten 5 Kombinationen unterschiedlicher meridionaler Krümmungsradien eine ungeheure Lagerhaltung zu betreiben, wurde zunehmend dazu übergegangen, vorgefertigte Werkzeuge durch rotierende, napf- oder ringförmige Werkzeuge zu ersetzen.

Diese napf- oder ringförmigen Werkzeuge haben typischerweise eine ringförmige Arbeitskante, welche das Werkstück, sei es aus Glas oder Kunststoff; abarbeitet. Die torische Oberfläche wird dadurch erzeugt, dass der Radius, durch den das ringförmige Werkzeug verschwenkt wird, wesentlich gleich einem der erwünschten Radien der Linsenoberflächenkrümmung gehalten wird. Der zweite Krümmungsradius in einem hierzu senkrechten Meridian wird durch ein Verkippen des Ringwerkzeugs erzeugt, so dass das Profil des Werkzeugs annähernd die Krümmung des zweiten Radius einnimmt. Diese Anpassungsfähigkeit, unabhängig sowohl den Schwenkradius als auch den Neigungswinkel zu ändern, ermöglicht es, auf eine grosse Lagerhalterung von Werkzeugen zu verzichten.

Unglücklicherweise wird jedoch bei der Verwendung des Kippwinkels, mit Hilfe dessen der eine wirksame Schneidradius 5 des Werkzeuges verändert wird, ein elliptischer Fehler ein-

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geführt, so dass die gebildete Linsenoberfläche nicht einem echten Toroid entspricht. Dieser elliptische Fehler ist in den meisten Fällen sehr ausgeprägt. Er macht es notwendig, die Linsenoberfläche anschliessend nachzuschleifen, um diesen Fehler zu beheben.

Es wurde eine Anzahl von Versuchen unternommen, um die Probleme zu überwinden, die mit diesem unerwünschten elliptischen Fehler einhergehen. In einem Falle wurde der elliptisehe Fehler dadurch minimiert, dass man das Werkzeug gegenüber der Linse in einer Reihe von komplexen Bewegungen führt, was entsprechend komplexe und teure Maschinen notwendig macht und sich nicht zur Verwendung in normalen Produktionsabläufen eignet. Neuere Versuche verwendeten ein Schleifwerkzeug, das über einen der erwünschten Krümmungsradien verschwenkt wurde, wobei sein eigener Krümmungsradius dem zweiten auf der Linse zu erzeugenden erwünschten Krümmungsradius entsprach. Hier wird jedoch wieder ein getrenntes Werkzeug für jeden zweiten Krümmungsradius notwendig, so dass immer noch eine teure Lagerhaltung von Werkzeugen benötigt wird. Der Zwang zu einer derart grossen Lagerhaltung wurde jedoch weiter reduziert, indem man das obengenannte napf- oder ringförmige Werkzeug verwendete, welches mit einem Radius verschwenkt wurde, wobei das orthogonale Werkzeugprofil die Kurve längs eines zweiten Meridians einnahm, welche gleichzeitig mit einer oszillierenden Bewegung der Linse gegenüber dem Werkzeug abgewandelt wurde. Dieses Vorgehen ermöglicht theoretisch die Herstellung der erwünschten Linsenober flächen. Es ist jedoch äusserst mühselig und schwierig anzuwenden. Des weiteren fehlt ihm die für eine optimale Oberflächenbearbeitung notwendige Stabilität.

Beispiele der vorstehend erwähnten Techniken zur Erzeugung von torischen Linsenoberflächen und der zugehörigen Geräte sind in den ÜS-Patentschriften 2,548,418; 2,633,675;

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2,724,218; 3,117,396; 3,492,764 und 3,624,969 beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Voraussetzungen für eine einfache Herstellung exakter torischer oder sphärischer Oberflächen zu schaffen, ohne dass dabei insbesondere elliptische Fehler in. für die Korrektur von Astigmatismus vorgesehenen Brillengläser-Oberflächen entstehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.

Mit dem erfindungsgemassen Gerät gelingt es, eine Vielzahl von Kombinationen aus sphärischen und zylindrischen Linsenkrümmungen unter Verwendung eines einzigen Schneidwerkzeugs mit festem Radius herzustellen.

Die Herstellung torischer und sphärischer Linsenoberflächen lässt sich mittels des erfindungsgemassen Geräts bei minimalen Ausrüstungsproblemen und ohne spezielle Handhabungsfähigkeiten durchführen.

Das erfindungsgemässe Gerät enthält einen Maschinensockel. Ein Werkstückhaltearm ist durch diesen Maschinensockel gelagert, wobei der Werkstückhaltearm bezüglich des Sockels um eine erste Schwenkachse verschwenkt werden kann, zwecks Verschwenken eines von dem Werkstückhaltearm getragenen Werkstücks um diese erste Achse. An dem Maschinensockel ist des weiteren ein Haltearm für ein Schneidwerkzeug derart gelagert, dass der Haltearm bezüglich des Sockels um eine zweite, senkrecht zur ersten Achse verlaufende Achse verschwenkbar ist, um das von dem Haltearm getragene Werkstück um die zweite Achse zu verschwenken. Das Gerät enthält des weiteren Einrichtungen, um ein Werkstück auf dem Werkstückhaltearm zu befestigen, sowie Einrichtungen, um ein Schneidwerk-

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zeug auf dem Haltearm zu lagern. Es sind auch Mittel vorgesehen, um selektiv das gehalterte Werkstück und das Schneidwerkzeug punktuell in Arbeitskontakt miteinander zu bringen. Das Gerät enthält schliesslich eine Justiereinrichtung, welche dazu dient, die Abstände des Punkts, an dem Werkstück und Schneidwerkzeug in Arbeitskontakt stehen, von der ersten und der zweiten Achse entsprechend den erwünschten Krümmungen der zu erzeugenden Linsenoberfläche zu variieren. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass ein Verschwenken des Werkstückhaltearms und des Haltearms für das Schneidwerkzeug um die erste bzw. die zweite Achse an dem Werkstück eine zweifach gekrümmte Oberfläche erzeugt, wobei diese Oberfläche torisch ist, wenn der Abstand des Arbeitspunkts von der ersten und der zweiten Achse unterschiedlich ist, während man eine sphärische Krümmung erhält, wenn diese Abstände gleich sind.

Mit der Erfindung wird somit ein Gerät zur Bearbeitung von Linsenoberflächen geschaffen, das ein System von zwei Schwenkachsen und ein Schneidwerkzeug mit festem Radius verwendet. Die Linse wird hierbei quer zu dem Schneidwerkzeug längs eines ersten kreisförmigen Weges bewegt, wodurch die sphärische Komponente einer durch spanabhebende Bearbeitung zu erzeugenden torischen Oberfläche entsteht. Durch eine gleichzeitige Schwenkbewegung des Werkzeugs orthogonal hierzu quer über die Linsenoberfläche längs eines zweiten kreisförmigen Weges wird die zylindrische Komponente der torischen Oberfläche gebildet. Durch Einstellung der Radien der ersten oder der zweiten kreisförmigen Bahn lassen sich die verschiedensten Kombinationen von sphärischen und zylindrischen Krümmungen erzielen.

Die beiliegenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. 35

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Fig.1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig.2 zeigt in schematischer Darstellung die Durchführung des Arbeitsvorganges, bei dem eine torische Linse mit Hilfe des in Fig.1 gezeigten Geräts hergestellt wird;

Fig.3 zeigt eine Seitenansicht von einer abgewandelten Ausführungsform eines Schneidwerkzeuges, das bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendbar ist.

Das Gerät 1o enthält einen Sockel 12 mit Führungen 14 (im dargestellten Fall einer Schwalbenschwanzführung) und einem Schlitten 16. Der Schlitten 16, der so ausgebildet ist, dass er längs der Führungen 14 verschiebbar ist, trägt einen Schwenkzapfen 18, der einen Werkstückhalterungsarm 2o lagert. Ein Reitstock 22, der als Werkstück eine Linse L aufnimmt, ist gleitend verschieblich in Führungen 24 des Arms · 2o aufgenommen zwecks Einstellung der Arbeitslage der Linse

2ο L längs der Führung.

Ein Schneidwerkzeug 26 mit festem Radius, das von einem Motor 28 angetrieben ist, befindet sich an einem Schlitten 3o, der längs Führungen 32 verschiebbar ist. Die Führungen 32 sind auf dem Haltearm 34 für das Schneidwerkzeug angebracht.

Ein Pfosten 36, der über ein Lager 38 im Sockel 12 verschwenkbar ist, trägt derart einen Arm 34, dass eine Verschwenkung des Pfostens 36 im Lager 38 das Schneidwerkzeug 26 in einer Kreisbahn um die Achse A quer zur Linse L verschwenkt.

Der Abstand von der Achse A zu dem wirksamen Schnittpunkt P des Schneidwerkzeugs legt den kürzeren oder zylindrischen Radius der in der Linse zu erzeugenden torischen Krümmung fest, während der Abstand von der Achse C zu dem gleichen

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wirksamen Punkt P des Schneidwerkzeugs 26 den längeren oder sphärischen Radius des Torus festlegt. Der wirksame Schnittpunkt P des Werkzeugs 26 wird als ein Punkt auf einer Achse B angesehen, der einen Abstand von der Achse des Motors 28 entfernt liegt, welcher gleich dem Radius des Schneidwerkzeuges ist.

Bei der Einstellung des Geräts 1o für die Herstellung einer torischen Oberfläche auf der Linse L mit vorbestimmter zylindrischer und vorbestimmter sphärischer Krümmung 4o,42 (s.

Fig.2) wird der Schlitten 3o längs des Arms 34 bis zu einer Stelle verschoben, an welcher der Punkt P der Schneidkante 44 (s. Fig.1 und 2) des Schneidwerkzeugs 26 längs der Achse B einen Abstand von der vertikalen Achse A aufweist, der gleich 5 dem Radius der erwünschten Krümmung für die zylindrische Komponente der zu erzeugenden torischen Oberfläche ist. Der Schlitten 3o wird dann in den Führungen 32 mittels einer herkömmlichen Keilarretierung 46 oder anderer üblicherweise bei Maschinenschlitten für derartige Zwecke verwendeten Einrichtungen arretiert.

Während die Linse L ausser Anlage an dem Schneidwerkzeug 26 gehalten wird, erfolgt eine Justierung des Schlittens 16 längs der Führungen 14, bis der Schlitten einen Punkt erreicht hat, bei dem der Abstand von dem Arbeitskontakt P der Schneidkante 44 des Schneidwerkzeugs 26 zur Achse C (s. Fig.2) gleich dem Radius der sphärischen Komponente der auf der Linse L zu erzeugenden torischen Oberfläche ist. Eine Keilarretierung 48 oder eine äquivalente Arretierung wird anschliessend angezogen, um diese Einstellung des Schlittens 16 zu fixieren.

Der Reitstock 22 wird längs der Achse B mittels der Führungen 24 um eine Strecke in Richtung auf die Schneidkante 44 5 des Schneidwerkzeugs 26 verschoben, welche der Tiefe des

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auf der Linse zu erzeugenden Schnitts entspricht, wonach eine Keilarretierung 5o oder eine äquivalente Arretierung angezogen wird, um den Reitstock in dieser Lage zu fixieren.

Mit den obigen Einstellungen und nach Anschalten des Motors 28 wird eine torische Oberflächenkrümmung erzeugt, indem gleichzeitig oder aufeinanderfolgend das Schneidwerkzeug 26 um die Achse A und der Reitstock 22, dh. die Linse L, um die Achse C verschwenkt werden. Einzel- oder Mehrfachdurchgänge des Werkzeugs und der Linse L in der zylindrischen Richtung 4o und/oder in der sphärischen Richrung 42 können mit gleichzeitigen zusätzlichen Justierungen des Reitstocks 22 bezüglich der Schnittiefe durchgeführt werden,

Es versteht sich, dass der Reitstock 22 und die Schlitten 16,3o, auch wenn dies in der Zeichnung nicht im einzelnen dargestellt ist, mit einem Motorantrieb versehen sein können. Auch die Schwenkbewegung des Schneidwerkzeugs 26 und der Linse L um die Achsen A bzw. C können durch einen Motorantrieb oder manuell mit Hebel- oder Kurbeleinrichtungen bewirkt werden, welche ebenfalls nicht dargestellt sind. Kurbel, Hebel und/oder Motorantriebsmechanismen, welche sich für die obengenannten Zwecke eignen, sind wohlbekannt und beispielshalber in den vorstehend aufgeführten Beispielen von Vorrichtungen gemäss dem Stand der Technik dargestellt.

Es wird des weiteren darauf hingewiesen, dass die Befestigung der Linse L in dem Reitstock 22 in herkömmlicher Weise bewirkt wird, beispielsweise durch Befestigung bzw. Aufkitten der Linse auf einen Block, der seinerseits an einem sich verjüngenden Aufnahmedorn 52 oder einer äquivalenten Vorrichtung befestigt ist. In den vorstehend erwähnten Beispielen gemäss dem Stand der Technik sind verschiedene geeignete Linsenhalterungsmöglichkeiten dargestellt.

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Unter der Bezeichnung "Linse" wird im Zuge der vorliegenden Anmeldung jede Art einer solchen in ihren verschiedensten Ausführungsformen verstanden, einschliesslich gegossener, geformter oder gepresster Rohlinge aus Kunststoff oder Glas in vollständig-unbearbeitetem oder halbbearbeitetem Zustand, dh. Linsen bei denen durch einen Giessvorgang oder ein Schleifen eine Seite fertig oder teilweise fertig behandelt ist, mit oder ohne Endpolitur.

Das Schneidwerkzeug 26 kann mit einer kontinuierlichen Schnittkante 44 aus einem Schleifmaterial wie Siliciumkarbid oder der herkömmlichen, mit Diamantteilchen versetzten Matrix versehen sein (s. Fig.2) oder mit diskreten Schnittpunkten 54, wie dies in Fig.3 gezeigt ist. Die Punkte 54 können im vorhinein ausgewählt oder so geformt sein, dass sie am besten für das zu bearbeitende Linsenmaterial passen.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung durch die Wirkung des Doppe1-schwenksystems erreicht wird, welches wahre sphärische und zylindrische Krümmungen auf einer Linse mittels eines einzigen Schneidwerkzeugs mit festem Radius liefert. Dies bedeutet, dass das ausgewählte Schneidwerkzeug universell für die Herstellung aller Kombinationen von Auftretenden Krümmungen verwendbar ist.

Wenn die Abstände längs der Achse B von dem Arbeitskontaktpunkt P zur Achse A und von dem Arbeitskontaktpunkt P zur Achse C gleichgewählt sind, wird mit dem vorstehend beschriebenen Arbeitsablauf auf der Linse L eine sphärische Oberfläche erzeugt. In allen Fällen werden die Probleme eines elliptischen Fehlers, wie sie beim Stand der Technik auftraten, vermieden.

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Claims

Patentansprüche

1.J Gerät zur Bearbeitung von Linsenoberflächen mit einem

Werkstückhaltearm und einer Halterung für ein Schneidwerkzeug sowie mit Mitteln, um Werkstück und Schneidwerkzeug in Arbeitskontakt miteinander zu bringen, insbesondere zur Herstellung torischer Oberflächen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhaltearm (2o) derart um eine erste Achse

(C) schwenkbar gelagert ist, dass das von ihm getragene Werkstück (L) um diese erste Achse (C) verschwenkt wird, dass die Halterung für das Schneidwerkzeug (26) einen Haltearm (3 4,36) enthält, der um eine zweite, senkrecht zur ersten Achse (C) verlaufende Achse (A) derart schwenkbar gelagert ist, dass das von ihm getragene Schneidwerkzeug (26) um diese zweite Achse (A) verschwenkt wird, und dass Justiermittel (14,16; 22,24; 3o,32) vorgesehen sind, um die Abstände des Punktes (P), an dem Werkstück (L) und Schneidwerkzeug (26) in Arbeitskontakt miteinander stehen, von der ersten und zweiten Achse (C, A) entsprechend den erwünschten Krümmungen der zu erzeugenden Linsenoberfläche zu variieren.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Befestigungseinrichtung für das Werkstück (L) auf dem Werkstückhaltearm (2o), welche einen Maschinen-Reitstock (22) enthält, und/oder durch eine Befestigungseinrichtung für das Schneidwerkzeug (26) an dem Haltearm (34), welche einen Antriebsmotor (28) enthält.

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3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, um Werkstück (L) und Schneidwerkzeug (26) in Arbeitskontakt miteinander zu bringen, eine erste Führungsbahn (24) enthalten, die auf dem Werkstückhaltearm (2o) angebracht ist und längs der der Reitstock (22) in Richtung auf das Werkzeug verschiebbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhaltearm (2o) und der Haltearm (34,3 6) für das Schneidwerkzeug (26) auf einem gemeinsamen Maschinensockel (12) gehaltert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des schwenkbaren Werkstückhaltearms (2o) einen Schlitten (16) enthält, der längs einer zweiten, auf dem Maschinensockel (12) angebrachten Führungsbahn (14) zwecks Verstellung des Abstands zwischen dem Schneidwerkzeug (26) und der ersten Achse (C) verschiebbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hältearm (34,36) für das Schneidwerkzeug (26) einen zwecks Verstellung des Abstands zwischen dem Schneidwerkzeug (26) und der zweiten Achse (A) längs einer dritten Führungsbahn (3 2) verschiebbaren Schlitten (3o) enthält, der das Schneidwerkzeug (26) trägt..

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (3o) den Antriebsmotor (28) haltert, von dem das Schneidwerkzeug (26) angetrieben ist.

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8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Achse (C, A) eine dritte Achse (B) schneiden, welche durch den Punkt (P) hindurchgeht, an dem Werkstück (L) und Schneidwerkzeug (26) in Arbeitskontakt stehen.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug (26) eine kreisförmig angeordnete Schleifkante mit festem Radius aufweist.

1o. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifkante wesentlich kontinuierlich verläuft und aus eingebetteten Schleifteilchen besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifteilchen Diamanten sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifkante eine Folge von im Abstand über den Rand verteilten Schneidspitzen enthält (Fig.3-) .

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