DE3430499A1 - Verfahren und vorrichtung fuer das laeppen bzw. polieren optischer flaechen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung fuer das laeppen bzw. polieren optischer flaechenInfo
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Description
| — -- | (Brenz) | 3 Π Lt 9i ^ | P | |
| ! I |
G | |||
| 5 | Firma Carl Zeiss, 7920 Heidenheim | bzw. Polieren | ||
| 10 | ||||
| 15 | Verfahren und Vorrichtung für das Läppen | |||
| optischer Flächen | ||||
| 20 | ||||
| 25 | 84033 | |||
| 30 | 84033 | |||
| 35 | ||||
Verfahren und Vorrichtung für das Läppen bzw. Polieren optischer Flächen ι
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Läppen
bzw. Polieren von vorzugsweise asphärischen optischen Flächen, wie z.B. Spiegeln für astronomische Teleskope.
Das Läppen und Polieren großer asphärischer Astro-Spiegel ist eine sehr
zeitaufwendige Arbeit, da es äußerst schwierig ist, die exakte Form des Spiegels mit der zur Beobachtung im optischen Spektralbereich erforder-'"lichen
Genauigkeit von Bruchteilen der Lichtwellenlänge, typisch etwa 10-50 nm RMS, über die gesamte Spiegelfläche zu erreichen.
Gewöhnlich geht man so vor, daß zuerst eine sphärische Fläche geläppt
und poliert wird, wobei man einen Krümmungsradius wählt, der der ge-15wünschten
asphärischen Oberfläche am nächsten kommt, und anschließend mit Werkzeugen, die sehr viel kleiner als die Spiegelfläche sind, die
asphärische Deformation hineinpoliert.
Diese Polierarbeit wird immer wieder unterbrochen durch interferometri-20sche
Prüfungen, in denen die verbleibenden Restfehler ermittelt werden. Je näher man dem Ziel kommt, um so mehr verlagert sich dabei die Arbeit
von der Beseitigung rotationssymmetrischer Fehler hin zur Beseitigung nicht-symmetrischer, lokaler Restfehler.
25Aus Applied Optics, Vol. 21, Nr. 3 (1982) S. 561-564 ist es bekannt, den
beschriebenen Prozeß teilweise dadurch zu automatisieren, indem man das Werkzeug rechnergesteuert so über die zu beobachtende Fläche führt, daß
seine Verweilzeit an verschiedenen Stellen der Fläche, abhängig von dem dort zu erzielenden Materialabtrag, verschieden groß ist.
Da mit diesem Verfahren jedoch die verschiedenen Teilflächen des Werkstücks
durch ein relativ kleines Werkzeug nacheinander bearbeitet werden, ist die Fertigungslaufzeit sehr hoch.
Außerdem ist es sehr schwierig mit dieser Technik die Randpartien des
Werkstücks zu bearbeiten, da sich das Werkzeug dort irregulär verhält.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine
Vorrichtung anzugeben, mit denen sich auch große, insbesondere asphärische Flächen, relativ schnell und mit einer für optische Elemente
geforderten Genauigkeit bearbeiten lassen. Das Verfahren sollte eine
5automatisch gesteuerte Bearbeitung erlauben. j
Vorrichtung anzugeben, mit denen sich auch große, insbesondere asphärische Flächen, relativ schnell und mit einer für optische Elemente
geforderten Genauigkeit bearbeiten lassen. Das Verfahren sollte eine
5automatisch gesteuerte Bearbeitung erlauben. j
Gelöst wir'd diese Aufgabe durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw.
4 angegebenen Maßnahmen.
4 angegebenen Maßnahmen.
"lODie erfindungsgemäße Lösung erreicht durch die Verwendung eines die
ganze Fläche gleichzeitig bearbeitenden Werkzeugs eine drastische Ver- ■
kürzung der Bearbeitungszeit für das Läppen bzw. Polieren von Astro- j
optik. Dennoch lassen sich örtlich unterschiedliche Formabweichungen j
leicht wegpolieren, weil der Materialabtrag durch eine rechnerisch ein- :
15gestellte Druckverteilung, die auf die Rückseite des Werkzeugs ausgeübt ·
wird, gesteuert wird. Da die zu bewegende Bearbeitungsmembran nur eine I
vergleichsweise geringe Masse besitzt, lassen sich hohe Relativgeschwin- [
digkeiten zwischen Werkzeug und Werkstück erzielen, wodurch die Bear- ]
beitungszeit ebenfalls verringert wird,
ι
ι
! Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachstehenden
Beschreibung der Figuren 1-4 der beigefügten Zeichnungen entnehmbar,
in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
25Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Läppwerkzeugs
in einer vertikalen Schnittebene;
Fig. 2 zeigt das Läppwerkzeug aus Fig. 1 im Schnitt längs der Linie
H-II;
H-II;
Fig. 3a zeigt eine detailliertere Prinzipskizze eines Aktuators 5 aus
Fig I;
Fig. 3b ist eine weitere Prinzipskizze eines Aktuators 5 aus Fig. 1;
35
35
-V- "
ί
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der dynamischen Kräfte, die ;
beim Betrieb des in Figur 1 - 3 skizzierten Läppwerkzeugs auftreten .
^Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Läpp- und Polierwerkzeug dient zur
Bearbeitung der Oberfläche eines ortsfest aufgestellten Werkstücks 1,
das in diesem Ausführungsbeispiel die Form eines konkaven, asphärischen
Kreisringsegments besitzt.
lODas Läpp- bzw. Polierwerkzeug besteht im wesentlichen aus einer dünnen,
elastischen Platte 2, die auf das Werkstück 1 aufgelegt ist. Diese
Platte 2 besitzt etwa die gleichen Abmessungen wie das Werkstück 1, kann jedoch auch etwas größer oder kleiner sein. Sie trägt an ihrer Unterseite
den Läpp- bzw. Poliergrund, bestehend aus einer Vielzahl von ein-J 15zelnen Läpp- bzw. Polierpads 3.
Die Dicke der nachfolgend als "Membran" bezeichneten, elastischen Platte
2 hängt von der Größe des Werkstücks 1 und seiner asphärischen Deformation
ab und kann bei Spiegelabmessungen von ca. 4m beispielsweise einige 20cm betragen. Als Material für die Membran 2 kann Aluminium verwendet
sein, jedoch sind auch andere Materialien, beispielsweise Kunststoffe, geeignet.
Die Membran 2 ist durch justierbare Spannelemente in Form von Stahlsei-25len
9 in Achsrichtung des Spiegels 1 weich in einen ringförmigen Rahmen
7 eingespannt, der seinerseits auf vier nach Lage und Winkel exakt justierten
Führungen 8a-d aufliegt. Der Rahmen 7 und damit auch die darin eingespannte Membran 2 werden von zwei den Führungen 8a und 8d zugeordneten
Antrieben 4a und 4b querkraftfrei in eine schwingende Bewegung versetzt, wobei Amplitude und Frequenz der Bewegung durch einen hier
nicht dargestellten Rechner gesteuert werden.
j Auf der Rückseite der Membran 2 sind eine Vielzahl von Belastungsele-
! menten 5 dicht nebeneinander angeordnet, die sich mit individuell ein-3gstellbarer
Kraft über Luftlager 6 auf der Membran 2 abstützen. Natürlich
kann anstelle des Luftlagers auch ein anderes geeignetes reibungsarmes Lager, beispielsweise ein Wasserdrucklager verwendet werden. Gehalten
- 4— —
werden die nachfolgend als Aktuatoren bezeichneten Belastungselemente 5
von einer ebenso wie das Werkstück 1 ortsfest aufgestellten Brückenkonstruktion 10. Über die in Fig. 3a und 3b näher dargestellten Akuatoren
läßt sich eine relativ zur Lage des Werkstücks 1 während des Läppprozeßes
feststehende Druckverteilung erzeugen, d.h. jedem Punkt der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche ist ein vorgebbarer Bearbeitungsdruck
zugeordnet, über den der gewünschte Materialabtrag an der jeweiligen
Stelle individuell eingestellt werden kann. Die Luftlager ό sorgen für
eine gleichmäßige Belastung der jedem Aktuator 5 zugeordneten Membran-10fläche.
Der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3a skizzierte Aktuator 5a besteht'
aus einer in der Brücke 10 verschieblich gelagerten, zylindrischen Hülse j
11, die sich auf dem Luftlager 6 abstützt. Eine Feder 12 im Inneren der '
15Hülse 11 läßt sich von einem in der Hülse 11 geradgeführten Zylinder 13 ,
zusammendrücken, der von einer Gewindespindel 14 auf der Achse eines an '
der Brücke 10 befestigten Motors 15 angetrieben wird. Der Motor 15 wird ]
ebenso wie die den übrigen, nicht dargestellten Aktuatoren zugeordneten Motore von einem-Rechner 16 angesteuert und stellt die Kraft, mit der
20die Feder 12 auf das Luftlager 6 drückt, vor Beginn des Läppprozeßes
[ ein. Aufgrund der Selbsthemmung in der Spindel 14 kann der Motor 15 nach
der Einstellung des Bearbeitungsdruckes stromlos bleiben.
Anstelle des vorstehend beschriebenen Aktuators 5a kann auch der in Fig.
253b dargestellte Aktuator 5b verwendet werden, der einen einfacheren
Aufbau besitzt. Die in der Brücke 10 geführte und auf dem Luftlager 6
abgestützte Stange 17 des Aktuators 5b ist an ihrem oberen Ende mit einem Permanentmagneten versehen, der von einer auf der Brücke 10 fest
montierten Spule 18 umgeben ist. Hier wird der gewünschte Druck also
30nach Art eines Tauchspulenantriebs erzeugt.
Wie in Fig. 1 dargestellt sind auf der Unterseite der Membran 2 mehrere
einzelne Pads 3 aufgenommen. Zwischen den Pads 3 ist Platz gelassen für
die Bearbeitungsflüssigkeit, die seitlich eingespritzt und an der tief-35sten
Stelle wieder abgesaugt wird. Bei der Bearbeitung von achsialsymmetrischen
Spiegeln mit zentraler Bohrung, wie sie in der Astronomie gängig sind, ist es zweckmäßig das Absaugen der Polierflüssigkeit durch
die zentrale Bohrung des Spiegels vorzunehmen.
Das mit Hilfe der in den Fig. 1 - 3b beschriebenen Vorrichtungen durchzuführende
Läpp- bzw. Polierverfahren läuft folgendermaßen ab: 5
Zuerst werden in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch interferometrische
Prüfverfahren, die Abweichungen der grob, z.B. sphärisch
bearbeiteten Fläche des Werkstücks 1 von seiner Soll-Form ermittelt.
""^Anschließend wird rechnerisch aus den abzutragenden Formabweichungen die
Druckverteilung berechnet, die bei vorgegebener Läpp- bzw. Poliergeschwindigkeit
während einer bestimmten Bearbeitungszeit zu den gewünschten Ergebnissen führt. Für diese Rechnung kann von der von Preston gefundenen
Beziehung Gebrauch gemacht werden, wonach das abzutragende
15Materialvolumen V dem Produkt aus Werkzeugfläche F, Flächendruck P, der
Bearbeitungszeit t und der Relativgeschwindigkeit ν zwischen Werkzeug
und Werkstück etwa proportional ist (F.W.Preston, "The therm and design
of plateglass finishing machines, Journal of the Society of Glass Technology, Vol. IX, No. 42, 1927). Demgemäß ist der Materialabtrag durch
20die Membran 2 unter jedem der Aktuatoren 5 in erster Näherung proportional
der Kraft, mit der der Aktuator die Membran 2 an der betreffenden
Stelle auf die Oberfläche des Werkstücks 1 drückt. Die Kraft läßt sich also individuell z.B. als digitale Stromwertvorgabe für die Versorgungseinheit 17 des in Fig. 3b dargestellten Aktuators 5b einstellen. Dadurch
25lassen sich lokal unterschiedliche Materialabtragungen erzielen, obwohl
die gesamte Werkstückoberfläche gleichzeitig und durch ein einziges
Werkzeug bearbeitet wird.
Zusätzlich ist es möglich die Aktuatoren insgesamt mit ihrer Aufhängung
30um im Vergleich zur Amplitude der Membranbewegung kleine Beträge seitwärts
zu bewegen. Dadurch wird verhindert, daß sich die Aktuatoren auf das Werkstück durchprägen, was z.B. dann geschehen könnte, wenn die
Steifigkeit der Membran 2 relativ gering gewählt ist. Die zur Durchführung
dieser Zusatzbewegung nötigen Einrichtungen sind hier nicht in den
35Figuren dargestellt.
Wenn die rechnerisch ermittelte Bearbeitungszeit abgelaufen ist, nach
■ -(T- :
der das Werkstück 1 seine Endform erreicht haben sollte, wird der Bearbeitungsprozeß
gestoppt und das Werkstück nochmals vermessen. Während dieser Vermessung kann das Werkzeug bereits wieder neu für den folgenden J
Läppprozeß präpariert werden. \
Bei der Neupräparation wird die Membran 2 "entspannt" d.h. sie wird auf
ein dem zu bearbeitenden Werkstück 1 in seiner Form möglichst nahekommendes,
sphärisches Abdrückwerkzeug oder auf das Werkstück selbst aufgepreßt·
Zur Beschleunigung dieses Abdrückvorganges wird zweckmäßigerweise
über die Aktuatoren 5 eine im Vergleich zum vorhergehenden Läpp- bzw.
Poliervorgang gegensätzliche Druckverteilung auf die Membran 2 ausgeübt. Wenn die Membran auf dem Werkstück selbst abgedrückt wird, entspricht
! ihre Abmessung der Werkstückfläche. Bei der Bearbeitung ist es in diesem j
i Falle zweckmäßig die Aktuatoren, die am Rand angeordnet sind, dynamisch ;
^anzusteuern und immer dann, wenn die Membran im Zuge der Polierbewegung ,
unter dem betreffenden Aktuator weggezogen ist, diesen zu entlasten. Das I ist dann, wenn mit einem separaten Abdrückwerkzeug gearbeitet wird, j
nicht erforderlich. In diesem Falle kann die Membran und das Abdrück- j
werkzeug in ihren Abmessungen größer als das zu bearbeitende Werkstück :
20ausgeführt werden, so daß die zu läppende Fläche in jeder Phase der .
Membranbewegung von ihr bedeckt wird. j
In der vorstehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Läpp- und Polierverfahrens
wurde vom Ideal fall ausgegangen, daß durch die Polierbewegung
25der Membran 2 nur ortsabhängig unterschiedliche, in der Ebene der Werkstückoberfläche
wirkende Kräfte ausgeübt werden. Da die Oberfläche des Werkstücks 1 jedoch gekrümmt ist, entstehen durch die zwischen Membran
und Werkstück wirkenden Reibungskräfte Druckkräfte Δ P, die sich den an
den Aktuatoren 5 eingestellten Kräften P überlagern (siehe Fig.4). Die
30Kräfte^P wirken subtraktiv auf der ziehenden Seite der Membran, auf der
anderen Seite additiv. Da bei der Oszillationsbewegung die ziehende
Seite ständig wechselt, ist dieser Effekt, solange die KräfteΔΡ kleiner
als die kleinste Bearbeitungskraft Pmin sind, nicht kritisch. Der Effekt
beeinflußt aber die anwendbare Dynamik der Polierdrucke, da er die
35Größenordnung der kleinsten Polierdrucke Pmin bestimmt. Die Größe des
Effekts ist eine Funktion des Neigungswinkels CG und damit des Öffnungsverhältnisses des Werkstückes. Bei großen Öffnungsverhältnissen der
Spiegelfläche des Werkstücks 1 größer als etwa F/1,O ist es zweckmäßig
eine rechnergesteuerte, dynamische Kompensation vorzusehen, bei der die
Kräfte der Aktuatoren 5 um einen Betrag abhängig von Amplitude und Richtung
der momentanen Läppbewegung korrigiert werden. Hierzu sind die ^relativ schnell reagierenden Aktuatoren nach Fig. 3b'besonders gut geeignet
.
Das in Fig. 1 dargestellte Werkstück 1 besitzt dort die Form eines
Kreisringsegments. Natürlich ist es auch möglich mit den dargestellten
^Mitteln rotationssymmetrische Werkstücke wie z.B. einstückige Spiegel
für astronomische Teleskope zu bearbeiten. Bei rotationssymmetrischen
Werkstücken ist es zumindest in der Anfangsphase der Bearbeitung, wenn
es um die Beseitigung rotationssymmetrischer Fehler geht zweckmäßig, das Werkstück langsam unter der Membran um seine Achse rotieren zu lassen,
15(J(Tt die Wirkung einzelner Aktuatoren azimutal zu "verschmieren".
Auch können anstelle der Stahlseile 9 zur achsial weichen Einspannung
der Membran 2 andere Lösungen gewählt werden. So ist es beispielsweise
möglich den Rand der Membran zu verjüngen und diese flächig in den Rah-20men
einzuspannen.
Claims (1)
- 343043SPatentansprüche: j1. Verfahren zum Läppen oder Polieren vorzugsweise asphärischer optischer Flächen, wobei die zu bearbeitende Fläche vorher vermessen wird und der Läpp- bzw. Poliervorgang entsprechend den Abweichungen i der Ist-Form der Fläche von einer vorbestimmten Soll-Form gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daßa) auf die Fläche (1) ein Läpp- bzw. Polierwerkzeug aufgelegt wird, welches im wesentlichen die gesamte zu bearbeitende Fläche bedeckt und als flexible Membran (2) ausgebildet ist,b) auf der der Fläche (1) abgewandten Seite der Membran (2) eine Druckverteilung (5) erzeugt wird, die den Abweichungen der Fläche von ihrer Soll-Form entspricht,c) die Membran (2) durch im wesentlichen tangentiale Kräfte (4) über der zu bearbeitenden Fläche bewegt wird, wobei die Druckverteilung(5) relativ zur Fläche (1) im wesentlichen beibehalten wird undd) der Vorgang gestoppt und die Fläche neu vermessen wird, wenn der aus Druck P, Bearbeitungszeit t und Relativgeschwindigkeit ν zwischen Membran und Fläche berechnete Materialabtrag V die vorher gemessenen Abweichungen zwischen Ist-Form und Soll-Form erreicht hat.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) zwischen jedem Bearbeitungsvorgang auf einem separaten Werkzeug abgedrückt wird, das etwa die Soll-Form der zu bearbeitenden Fläche besitzt.3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) zwischen jedem Bearbeitungsvorgang auf der zu bearbeitenden Fläche selbst abgedrückt wird.4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckverteilung (5) auf der Rückseite der Membran (2) dynamisch, abhängig von Amplitude und Richtung der Bewegung der Membran (2) gesteuert wird.3Λ304995. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckverteilung insgesamt mit kleiner Amplitude relativ zur Fläche (1) bewegt wird.^ό. Vorrichtung zum Läppen bzw. Polieren vorzugsweise asphärischer, optischer Flächen, mit einem entsprechend den Abweichungen der Ist-Form der Fläche von ihrer Soll-Form steuerbaren Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, daßα) das Werkzeug als elastische Membran (2) ausgebildet ist, die den Läpp- bzw. Poliergrund trägt,b) auf der der zu bearbeitenden Fläche (1) abgewandten Seite der Membran (2) eine Vielzahl von Belastungselementen (5) angeordnet sind, die sich mit individuell steuerbarer Kraft über ein reibungsarmes Lager (6) auf der Membran (2) abstützen und diese gegen die Fläche (1) drücken,c) ein Antrieb (4) vorgesehen ist, der die Membran unter den relativ zur bearbeitenden Fläche (1) feststehenden, bzw. im Vergleich zu den Amplituden der Membranbewegung geringe Seitwärtsbewegungen ausführenden Belastungselementen (5) im wesentlichen tangential bewegt.7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet., daß es sich bei den Belastungselementen (5) um elektromagnetisch steuerbare Aktuatoren (5b) handelt.8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Belastungselementen um motorisch über ein selbsthemmendes Getriebe (13,14) einstellbare Aktuatoren (5a) handelt.309. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aktuatoren (5a,5b) über hydrostatische Lager (6) auf der Membran (2) abstützen.10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) von einem Spannrahmen (7) gehalten ist, der auf justierbaren Führungsflächen (8) aufliegt.
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