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Die vorliegende Erfindung betrifft
im Allgemeinen die Herstellung feinpolierter, nicht planarer, asphärischer
Oberflächen
und insbesondere das Feinpolieren nicht sphärischer Oberflächen, wie
asphärische
Körper,
Toroide und andere anamorphotische Formen im Formenwerkzeugbau zur
Herstellung optischer Elemente.
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Keramiken, wie Siliciumcarbid, dienen
als Grundmaterial, aus dem Formenwerkzeuge für die Herstellung von Glaslinsen
gefertigt werden. Die Herstellung von Formenwerkzeugen aus derartigen
Keramiken ertordert die Fähigkeit,
diese Materialien nach sehr engen Maßtoleranzen und zur Erzielung einer
sehr hohen Genauigkeit an gerichteter Strahlung zu polieren. Das
Polieren dieser Materialien wird noch komplizierter durch das Bemühen, asphärische Obertlächen herzustellen,
wie allgemeine asphärische
Körper
(abgesehen von Kegelschnitten), Toroiden und anderen anamorphotischen
Formen. Das ist im Bereich der Herstellung von Werkzeugen für das Gießen von
optischen Kunststoffelementen keine einfache Aufgabe, ganz abgesehen
von der Herstellung von Formen für
optische Glaselemente in großer Stückzahl.
Das Polieren einer Oberfläche
mit einer mechanischen Vorrichtung, die nicht hin- und her verfährt, um
eine gerichtete Strahlung und ein bestimmtes Oberflächenmaß zu erzielen,
ist eine sehr schwierige Aufgabe. Auch wenn ein derartiges Polierergebnis
erzielt wird, ist es normalerweise sehr kostspielig, da dieser Prozess
sehr zeitaufwändig
ist und den Einsatz hochqualifizierter Fachleute ertordert. Die
Problematik verstärkt
sich noch, wenn es sich um eine Anwendung mit hoher Stückzahl handelt,
bei der viele dieser polierten Werkzeuge für den Betrieb erforderlich
sind.
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Obwohl das Polieren von Formenwerkzeugen
schwierig ist, hat sich die Möglichkeit,
anspruchsvolle Oberflächen
durch Feinschleifen zu erzeugen, im Laufe der Jahre erheblich verbessert.
Interferometrische Tests geschliffener Flächen lassen sich leicht durchführen. Derzeit
ist eine Oberflächenrauheit
im Bereich von 5 nm im quadratischen Mittel durch Betrieb von numerisch
gesteuerten Schleifwerkzeugen erzielbar. Derartige CNC-Schleifwerkzeuge
arbeiten relativ schnell. Es ist daher wünschenswert, geschliffene Oberflächen schneller
zu polieren als dies mit nicht hin und her bewegbaren mechanischen
Vorrichtungen nach dem Stand der Technik möglich ist.
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Verfahren nach dem Stand der Technik
zur Herstellung polierter, nicht planarer Oberflächen von Formen zur Herstellung
optischer Elemente werden in US-A-842633 und US-A-5538674 beschrieben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen feinpolierter, nicht
planarer, asphärischer
Oberflächen
bereitzustellen.
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Der Erfindung liegt weiterhin die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen feinpolierter Formwerkzeugoberflächen zum
Formen asphärischer
optischer Elemente bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Polieren
nettoförmiger
Schleifflächen
oder Formwerkzeuge zum Ausbilden asphärischer, optischer Glaselemente
auf schnellerem Wege als mit herkömmlichen mechanischen Polierverfahren,
die ohne Hin- und Herbewegung arbeiten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
zudem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenrauheit
einer geschliffenen Oberfläche,
die ein Grundoberflächenprofil
aufweist, bereitzustellen, während
gleichzeitig eine fein geschliffene Oberfläche mit einem hochwertigen
Oberflächenprofil
erzielt wird.
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Diese und zahlreiche andere Merkmale,
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Lesen
und Betrachten der vorliegenden detaillierten Beschreibung, der
Ansprüche
und der Zeichnungen deutlich. Diese Merkmale, Aufgaben und Vorteile
werden verwirklicht, indem zunächst
die Oberfläche
des Formwerkzeugs fein geschliffen wird, um ein nettoförmiges Formwerkzeug
mit einer darin befindlichen nettoförmigen Formoberflächen zu
erhalten. Die Oberfläche,
aus der das nettoförmige Formwerkzeug
besteht, ist vorzugsweise Siliciumcarbid, das durch chemisches Aufdampfen
herstellbar ist. Weitere Materialien, die für den Träger in der Herstellung des
nettoförmigen
Formwerkzeugs verwendbar sind, sind Stahl, Zirconiumdioxid, Wolframcarbid, Vycor®, Glas usw.
Das Schleifen der nettoförmigen Formoberfläche lässt sich
mit einer CNC-Schleifmaschine bewerkstelligen, um eine Oberflächenrauheit im
Bereich von ca. 5 bis ca. 10 nm zu erzielen. Ein muss ein Grundflächenprofil
erzielt werden, insofern als dass die nettoförmige Fläche mit dem Grundflächenprofil
als Profil definiert ist, dessen Abweichung im Bereich von ca. 10
Wellenlängen
liegt (10λ).
Mit einem derart erzielten Grundflächenprofil und einer Oberflächenrauheit
wird ein Sol-Gel einer Glaszusammensetzung, die mit dem Material
des Formwerkzeugsubstrats konsistent ist, auf die nettoförmige Oberfläche aufgetragen.
Die Beschichtung wird teilweise verdichtet, um ein geeignetes Maß an Festigkeit
zu erreichen, das ein Drehen dieser Oberfläche ermöglicht. Die Verdichtung erfolgt
durch Erwärmen.
Die geeignete Temperatur und Erwärmungsdauer
für eine
teilweise Verdichtung werden empirisch ermittelt. Das Profil des
Musters, das in die Oberfläche
gedreht wird, muss für
die nachfolgende Verdichtung in geeigneter Weise kalibriert werden, die
sich dem Drehen anschließt.
Nachdem die Oberfläche
gedreht worden ist, um das erforderliche, hochwertige Oberflächenprofil
zu erhalten, wird die Verdichtung der Schicht mit einem weiteren
Erwärmungsschritt
abgeschlossen. Die Schicht mit der gedrehten Oberfläche wird
dann durch passives oder reaktives Fräsen mit einer Ionenpistole
geätzt,
indem die Schicht mit der gedrehten Oberfläche vollständig weggeätzt wird, um in dem Substrat
eine Oberfläche mit
gutem Profil und guter Rauheit zu erhalten.
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Alternativ hierzu lässt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
mit einem Beschichtungsmaterial praktisch verwerten, bei dem es
sich um eine Emulsion handelt, beispielsweise einem Photolack oder Photoresist.
Nach Aufbringen einer Beschichtung oder Schicht der Emulsion auf
die geschliffene Oberfläche,
wird das nettoförmige
Formwerkzeug mit der darauf aufgebrachten Schicht erwärmt, um
die Emulsion teilweise zu verschmelzen und ein geeignetes Maß an Festigkeit
zu erzielen, das ein Drehen erlaubt. Nachdem die Oberfläche gedreht
worden ist, um das gewünschte
hochwertige Oberflächenprofil und
die Rauheit zu erreichen, wird die Oberfläche erneut erwärmt, um
die Schicht vollständig
zu verschmelzen und damit eine wesentlich größere Härte zu erzielen. Die Schicht
wird dann vollständig
weggeätzt,
um das hochwertige Oberflächenprofil
und die Rauheit auf das Substrat zu übertragen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine
Schnittdarstellung eines nettoförmigen
Formwerkzeugs.
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2 eine
teilweise Schnittdarstellung des nettoförmigen Formwerkzeugs mit einer
auf der nettoförmigen
Formoberflächen
aufgebrachten Beschichtung.
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3 eine
teilweise Schnittdarstellung des nettoförmigen Formwerkzeugs mit der
aufgebrachten Beschichtung, wobei die Beschichtung mit einem Einpunkt-Diamantwerkzeug gedreht
und erwärmt worden
ist, um in der Beschichtung eine glatte spannungsfreie Fläche zu erzielen.
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4 eine
teilweise Schnittdarstellung des nettoförmigen Formwerkzeugs mit einer
fein polierten, geätzten
Oberfläche.
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5 eine
perspektivische Ansicht des nettoförmigen Formwerkzeugs aus 4.
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1 zeigt
das nettoförmige
Formwerkzeug 10 mit einer darin durch Schleifen ausgebildeten nettoförmigen Formoberfläche 12.
Das nettoförmige Formwerkzeug 10 ist
vorzugsweise aus Siliciumcarbid durch chemisches Aufdampfen ausgebildet.
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Weitere Materialien, die als Substrat
zur Herstellung des nettoförmigen
Formwerkzeugs 10 verwendbar sind, sind Stahl, Zirconiumdioxid,
Wolframcarbid, Vycor®,
Glas usw. Die nettoförmige
Formoberfläche 12 wird
geschliffen, um ein Basisoberflächenprofil
zu erzielen, das als Profil definierbar ist, das Abweichungen in
der Größenordnung
von ca. 10 Wellenlängen
(10λ) enthält. Die
Oberflächenrauheit der
nettoförmigen
Formoberfläche 12 kann
im Bereich von ca. 10 nm liegen und liegt im Allgemeinen im Bereich
von ca. 2 nm bis ca. 10 nm. Das Schleifen erfolgt durch eine CNC-Schleifmaschine.
Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit erstrecken sich einige kleine
Risse 12 von der nettoförmigen
Formoberfläche 12 in
das Substrat.
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Wie in 2 gezeigt,
ist eine Beschichtung 14 auf die nettoförmige Formoberfläche 12 aufgebracht.
Das für
die Beschichtung 14 gewählte
Material sollte sich mit dem für
das nettoförmige
Formwerkzeug 10 gewählte
Material verbinden. Die Dicke der Beschichtung 14 sollte
vorzugsweise im Bereich von ca. ein (1) bis ca. zehn (10) μm liegen.
Die Beschichtung 14 muss gleichmäßig aufgebracht sein. Die Faktoren,
die zur Bestimmung der Beschichtungsdicke relevant sind, umfassen
das für
die Beschichtung 14 gewählte
Material und das Maß der
vorhandenen asphärischen
Abweichung. Unter asphärischer
Abweichung ist die Abweichung zwischen dem Profil der nettoförmigen Formoberfläche 12 und
dem gewünschten
Profil zu verstehen. Vorzugsweise ist die Beschichtung 14 ein
Sol-Gel einer Glaszusammensetzung, die mit dem für das nettoförmige Formwerkzeug 10 gewählten Material
konsistent ist. Beispielsweise ist ein Siliciumdioxidgel für die Beschichtung 14 mit
einem nettoförmigen
Formwerkzeug 10 aus geschmolzenem Siliciumdioxid verwendbar.
Die Beschichtung 14 wird teilweise durch Erwärmen verdichtet,
um eine geeignete Härte
oder Festigkeit zu erreichen, damit die Beschichtung 14 auf
einer Drehmaschine gedreht werden kann. Die Beschichtung wird dann
auf einer CNCgesteuerten Drehmaschine gedreht, um eine gedrehte
Oberfläche 16 auf
der Beschichtung 14 zu erhalten, wie in 3 gezeigt. Das Profil des Musters der
gedrehten Oberfläche 16 wird entsprechend
zur nachfolgenden Verdichtung der Schicht 14 kalibriert.
Mit der auf der Schicht 14 derart gedrehten Oberfläche 16 wird
die Verdichtung der Schicht 14 durch Erwärmen abgeschlossen,
wodurch die gedrehte Oberfläche 14 in
eine verdichtete Oberfläche
mit hochwertigem Profil und hochwertiger Rauheit im Bereich von
ca. 2,5 bis ca. 5 nm umgesetzt wird. Ein hochwertiges Profil ist
hier so definiert, dass das Oberflächenprofil eine Rautiefe von
ca. einer Viertelwellenlänge
(λ/4) aufweist.
Die Beschichtung kann dann weggeätzt
werden, vorzugsweise durch passives oder reaktives Fräsen, um
somit die verdichtete Oberfläche 17 in
das Substrat des nettoförmigen
Formwerkzeugs 10 zu übertragen. Daraus
ergibt sich ein Formwerkzeug 18, wie in 4 gezeigt, mit einer durch den Ätzprozess
darin ausgebildeten Formfläche 20.
Das Ätzen
kann selbstverständlich
durch eine Reihe verschiedener Verfahren erfolgen, einschließlich Ionenfräsen mit
Ionenpistole, Hochfrequenz-Sprühätzen oder
chemisch unterstütztes
Hochfrequenz-Sprühätzen.
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Als Alternative zu Sol-Gel ist ein
Photoresist zur Ausbildung der Beschichtung 14 verwendbar.
Es wurde festgestellt, dass sich insbesondere das Photoresist Eagle
2100 ED von Shipley Company, Inc. aus Newton, MA, USA, gleichmäßig auf
die geschliffene Oberfläche 12 auftragen
lässt.
Dieses spezielle Photoresist kann kataphoretisch aus einer wässrigen Emulsion
auf elektrisch leitende Flächen
aufgebracht werden, und zwar unabhängig von der Form oder geometrischen
Komplexität.
Die Dicke dieser Photoresist-Beschichtung sollte vorzugsweise im
Bereich von ca. ein (1) bis ca. zehn (10) μm oder mehr liegen. Sobald eine
Beschichtung 14 des Photoresists aufgebracht worden ist,
wird sie erwärmt,
vorzugsweise indem das nettoförmige
Formwerkzeug 10 mit der darauf befindlichen Schicht 14 in
einen Ofen eingebracht wird, um dadurch ein entsprechendes Maß an Festigkeit
oder Härte
zu erzielen, das ein Drehen ermöglicht.
Die erforderliche Temperatur und Erwärmungsdauer zur Erzielung der
geeigneten Festigkeit (teilweise Verdichtung) werden empirisch ermittelt. Sobald
die notwendige Festigkeit erzielt worden ist, wird die Beschichtung 14 erneut
gedreht, um eine gedrehte Oberfläche 16 mit
hochwertigem Profil und einer Rauheit im Bereich von ca. 2,5 nm
und 5 nm zu erhalten. Nachdem die gedrehte Oberfläche 16 hergestellt
worden ist, wird die Verdichtung der Schicht 14 abgeschlossen,
indem das nettoförmige
Formwerkzeug 10 mit der darauf befindlichen Beschichtung 14 eingebrannt
wird. Um ein übermäßiges Austrocknen
der Schicht 14 zu verhindern, darf die Einbrenntemperatur
keine 250°C überschreiten.
Die tatsächliche
Temperatur und Erwärmungsdauer
zur Erzielung einer vollständi gen
Verdichtung lassen sich empirisch ermitteln. Laut Literatur von
Shipley Company, Inc. zum Photoresist Eagle 2100 ED bewirkt ein Erwärmen oder
Einbrennen ein Verschmelzen der Mizellen der aufgebrachten Emulsion.
Es ist anzunehmen, dass das Erwärmen
der Schicht 14 zu einer Vernetzung zwischen den Molekülketten
der Polymere in der Emulsion der Schicht 14 führt. Die
Schicht 14 wird dann weggeätzt, wodurch die gedrehte,
verdichtete Oberfläche
in das Substrat des nettoförmigen
Formwerkzeugs 10 übertragen
wird, wodurch das Formwerkzeug 18 mit einer darin ausgebildeten Formoberfläche 20 entsteht.
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Bei Verwendung einer Sol-Gel- oder
eine kataphoretisch aufgebrachten Emulsion hat das darin ausgebildete
nettoförmige
Formwerkzeug eine durch Ätzen
erzielte feinpolierte Formoberfläche 20 darin ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Poliertechnik
ermöglicht
ein Abschließen
des Polierens innerhalb von Stunden, und zwar im Unterschied zu
den Polierverfahren nach dem Stand der Technik, bei denen normalerweise
zum Polieren der gleichen Oberfläche eine
Woche benötigt
würde.
Zudem können
mehrere Werkzeuge gleichzeitig in einer einzelnen Ionenpoliermaschine
poliert werden, wodurch sich die Geschwindigkeit pro Einheit erhöht, mit
der das nettoförmige
Formwerkzeug 10 poliert werden kann.
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Alternativ hierzu kann die Schicht 14 aus weichen
Metallen bestehen, wie beispielsweise Gold, das auf das Substrat
galvanisch aufgebracht und durch Einpunkt-Diamantdrehen bearbeitet werden kann.
Die gedrehte Oberfläche 16 mit
hochwertigem Profil kann dann in das Substrat geätzt werden, so dass die Schicht 14 dadurch
vollständig
entfernt wird, wodurch ein Formwerkzeug 18 mit einer feinpolierten Formoberfläche 20 in
dem harten Substrat entsteht. Die Verwendung weicher Metalle für die Schicht 14 würde ein
hochwertiges Profil der nettoförmigen Formoberfläche 12 aufgrund
der wahrscheinlichen Disparität
zwischen der Ätzgeschwindigkeit
weicher Metalle und des darunter liegenden Substrats erforderlich
machen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch
mit anderen Materialien für
die Schicht 14 durchführen.
Es gibt möglicherweise
andere Materialien, die kataphoretisch aufgebracht werden können, um
die gewünschte
gleichmäßige Beschich tungsdicke
zu erzielen, und die die gewünschte
Härte erbringen
können.
Zudem gibt es möglicherweise
Polymere, die gleichmäßig aufbringbar
sind, um die gewünschte
Beschichtungsdicke und Härte
zu erzielen. Für
jedes Sol-Gel oder jedes für
die Schicht 14 gewählte
Photoresist entspricht die Ätzgeschwindigkeit für das ausgewählte Material
vorzugsweise ziemlich genau oder mindestens ungefähr der Ätzgeschwindigkeit
des Substrats. Das Gleiche gilt für jedes für die Schicht 14 verwendete
potenzielle Polymer.
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Die vorliegende Erfindung ist dazu
geeignet, alle genannten Aufgaben in Verbindung mit weiteren offensichtlichen,
erfindungsgemäßen Vorteilen
zu erfüllen.
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Obwohl die Erfindung mit besonderem
Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern
kann innerhalb des Geltungsbereichs Änderungen und Abwandlungen
unterzogen werden.