DE69827457T2

DE69827457T2 - Verfahren zur Herstellung von Formwerkzeugen zum Formen von optischen Oberflächen

Info

Publication number: DE69827457T2
Application number: DE69827457T
Authority: DE
Inventors: David Anthony Rochester Richards
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: JPH11221774A; EP0924043A3; US5855966A; DE69827457D1; EP0924043A2; EP0924043B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Präzisionspolieren nichtplanarer asphärischer Oberflächen und im Besonderen auf das Präzisionspolieren nichtsphärischer Oberflächen wie zum Beispiel von Asphären im Allgemeinen, Toroiden und anderen anamorphotischen Formen für die Herstellung von Formpresswerkzeugen zum Formpressen optischer Elemente.
Keramische Materialien wie beispielsweise Siliciumcarbid sind als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Formpresswerkzeugen für die Formung von Glaslinsen eingesetzt worden. Die Herstellung von Formpresswerkzeugen aus solchen keramischen Materialien erfordert die Fähigkeit, diese Materialien bis zu sehr niedrigen Linsenkrümmungstoleranzen und einem sehr hohen Maß an Spiegelglanz zu polieren. Das Polieren dieser Materialien wird ferner durch den Wunsch erschwert, nichtsphärische Oberflächen wie zum Beispiel ganz allgemein Asphären (über Kegelschnitte hinaus), Toroiden und andere anamorphotische Formen herstellen zu wollen. Das lässt sich selbst bei der Herstellung von Werkzeugen für die Formung von Kunststoffoptiken nicht leicht bewerkstelligen, ganz zu schweigen von der Herstellung von Werkzeugen für die Formung von Glasoptiken in großen Stückzahlen. Das Polieren einer Oberfläche mit einer sich nicht hin- und her bewegenden mechanischen Vorrichtung zur Erlangung von Spiegelglanz und der angestrebten Oberflächenkrümmung ist eine sehr schwierige Aufgabe. Selbst wenn dieses Polieren sich durchführen lässt, so ist es doch im allgemeinen sehr kostspielig, weil es sehr zeitaufwendig ist und von hochqualifiziertem Personal ausgeführt werden muss. Die Schwierigkeit steigt weiter an, wenn große Stückzahlen gefertigt werden müssen und viele von diesen polierten Werkzeugen für den Betrieb benötigt werden.
Obwohl das Polieren von Formpresswerkzeugen schwierig ist, hat die Fähigkeit zur Herstellung anspruchsvoller Oberflächen durch Präzisionsschleifen im Laufe der Jahre beträchtlich zugenommen. Die interferometrische Prüfung geschliffener Oberflächen lässt sich bequem ausführen. Oberflächenrauheiten der Größenordnung von 50 Å RMS lassen sich gegenwärtig bei guter Einhaltung der angestrebten Oberflächenkrümmung mit Hilfe von CNC-Schleifmaschinen erreichen. Diese CNC-Schleifmaschinen arbeiten relativ schnell. Es besteht daher der Wunsch, geschliffene Oberflächen schneller polieren zu können als das mit mechanischen Vorrichtungen des bisherigen Standes der Technik ohne Hin- und Herbewegung möglich ist.
US-A-4, 842,633, das am 27. Juni 1998 Kuribayashi et al. erteilt wurde, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Formpresswerkzeugen für die Formung von optischen Elementen und Beugungsgittern aus Glas, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Ausgangsmaterial in eine angestrebte Konfiguration überführt wird. Das bearbeitete Grundmaterial wird mit einem hitzebeständigen Film beschichtet. Auf den hitzebeständigen Film wird ein Resist aufgebracht, und durch Erzeugung eines gewünschten Musters darin erhält man ein Formpresswerkzeug, das die gewünschte Konfiguration der Formpresswerkzeugsoberfläche aufweist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Formpresswerkzeugen für das Formpressen optischer Flächen zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale von Anspruch 1 oder Anspruch 7 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den betreffenden Ansprüchen definiert.
Zunächst wird ein Grundmaterial oder Substrat mit einem Material beschichtet, das bei relativ niedrigen Temperaturen fließt. Die Dicke der Beschichtung sollte mit der RMS-Oberflächenrauheit konsistent sein, das heißt, die Dicke der Beschichtung sollte mindestens so groß sein wie die Summe der mittleren Größe der Vertiefungen und der mittleren Größe der Erhöhungen, die auf der Oberfläche durch den Schleifvorgang entstehen. Das Beschichtungsmaterial wird sodann auf mindestens seine Schmelztemperatur erhitzt, damit es fließt und so einen durch die Oberflächenspannung bedingten Beschichtungszustand einnimmt. Das gewählte Beschichtungsmaterial muss die Substratoberfläche benetzen. Ist ein gleichmäßiger glatter oberflächenspannungsbedingter Beschichtungszustand erreicht, lässt man die Beschichtung abkühlen und erstarren, wodurch eine spiegelnde Oberfläche erhalten wird, die auf der geschliffenen Substratoberfläche aufliegt. Die spiegelnde Oberfläche wird dann über die Grenzfläche hinaus in das Substrat hinein geätzt, sodass kein Beschichtungsmaterial zurück bleibt. Die einzigen Phänomene, die zur Oberflächenrauheit der geätzten Oberfläche des Substrats beitragen, sind die unterschiedlichen Ätzraten der beiden beteiligten Materialien und eventuelle Ungleichförmigkeiten des Ätzstrahls. Fachpersonal von durchschnittlicher Geschicklichkeit ist in der Lage, diese Faktoren in der Weise zu steuern, dass nur ganz geringfügige Effekte resultieren.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein fertiges Formpresswerkzeug;
2 einen Teilquerschnitt des fertigen Formpresswerkzeugs mit einer auf die Oberfläche des fertigen Formpresswerkzeugs aufgebrachten Beschichtung;
3 einen Teilquerschnitt des fertigen Formpresswerkzeugs mit der darauf aufgebrachten Beschichtung, die zur Bildung einer oberflächenspannungsbedingten gleichmäßigen glatten Oberfläche der Beschichtung erhitzt wurde.
4 einen Teilquerschnitt des fertigen Formpresswerkzeugs mit einer durch Ätzen erhaltenen präzisionspolierten Oberfläche.
5 eine perspektivische Ansicht des in 4 dargestellten fertigen Formpresswerkzeugs.
Wenn wir uns zunächst 1 zuwenden, so sehen wir dort ein exemplarisches fertiges Formpresswerkzeug 10. Das fertige Formpresswerkzeug 10 kann aus einer Reihe von Materialien hergestellt werden, die selbstverständlich aufgrund ihrer feinkörnigen (vorzugsweise amorphen) Struktur und ihrer Kompatibilität mit dem Pressmilieu ausgewählt werden, in dem sie für die Formung von Glasoptik eingesetzt werden. Das bevorzugte Material für das fertige Formpresswerkzeug 10 ist Siliciumcarbid, das durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase erzeugt wurde. Andere Materialien, die eingesetzt werden können, schließen Zircondioxid, Wolframcarbid, Vycor^®, Gläser usw. ein. Auf dem fertigen Formpresswerkzeug 10 befindet sich eine fertige Oberfläche 12. Die fertige Oberfläche 12 erhält man in einem Präzi sionsschleifvorgang, wie er zum Beispiel mit einer CNC-Schleifmaschine ausgeführt werden kann. Auf solche Weise erhält man die fertige Oberfläche 12 bei guter Einhaltung der angestrebten Oberflächenkrümmung und mit einer Oberflächenrauheit im Bereich zwischen etwa 50 Å RMS und etwa 100 Å RMS. Die fertige Oberfläche 12 stellt natürlich die Negativform der in der Formung von Glasoptik gewünschten zu formenden Oberfläche dar. Wahrscheinlich treten einige kleine Risse 13 auf, die von der fertigen Oberfläche 12 ausgehen und in das Substrat hinein verlaufen.
In 2 wird das fertige Formpresswerkzeug 10 dargestellt, das eine Schicht oder eine Beschichtung 14 aufweist, die auf die fertige Oberfläche 12 aufgebracht wurde. Die Schicht oder die Beschichtung 14 muss bei relativ niedrigen Temperaturen fließen und sie muss das Substrat benetzen, das heißt das Material, aus dem das fertige Formpresswerkzeug 10 gemacht wird. Die Beschichtung 14 muss eine Schmelztemperatur aufweisen, die unter der Schmelztemperatur oder der Glasübergangstemperatur des Materials liegt, aus dem das fertige Formpresswerkzeug 10 besteht. Zusätzlich muss das für die Beschichtung 14 gewählte Material das für das fertige Formpresswerkzeug 10 gewählte Material benetzen. Wenn Siliciumcarbid als Substratmaterial für das fertige Formpresswerkzeug 10 gewählt wird, kann Zinn für die Beschichtung 14 eingesetzt werden. Wird Hartkohlenstoff (mitunter als amorpher Diamant bezeichnet) als Substratmaterial für das fertige Formpresswerkzeug 10 gewählt, kann eine Kupfer-Molybdänlegierung für die Beschichtung 14 verwendet werden. Um eine gleichmäßig aufgetragene, relativ dünne Schicht oder Beschichtung 14 zu erhalten, wird die Beschichtung 14 vorzugsweise durch Verdampfung auf die fertige Oberfläche 12 aufgebracht. Andere Beschichtungsmethoden wie beispielsweise Sputtern und Ionenplattieren können je nach dem verwendeten Material eingesetzt werden. Das fertige Formpresswerkzeug 10 mit der darauf aufgebrachten Schicht 14 wird dann in einen Ofen überführt, wo seine Temperatur über die Fließtemperatur der Beschichtung 14 hinaus erhöht wird. Wie in 3 dargestellt, bildet sich dadurch eine oberflächenspannungsbedingte gleichmäßige glatte Oberfläche 16 auf der Beschichtung 14. Das fertige Formpresswerkzeug 10 und die Schicht 14 lässt man dann abkühlen, wodurch letztere zu einer oberflächenspannungsbedingten gleichmäßigen glatten spiegelnden Oberfläche erstarrt, die den interferometrischen Test besteht. Das fertige Formpresswerkzeug 10 mit der oberflächenspannungsbedingten gleichmäßigen glatten Oberfläche 16 wird dann in eine Ätzvorrichtung wie beispielsweise eine Vorrichtung zur Ionenstrahl ätzung eingebracht, und die Schicht 14 wird vollständig abgeätzt, dergestalt, dass die oberflächenspannungsbedingte gleichmäßige glatte Oberfläche 16 über die fertige geschliffene Oberfläche 12 hinweg bis zum fertigen geschliffenen Formpresswerkzeug 10 heruntergeätzt wird. Dadurch resultiert, wie in 4 dargestellt, ein Formpresswerkzeug 18 mit einer durch die oben beschriebene Ätztechnik erzeugten Pressformoberfläche 20.
Wie oben erwähnt, muss die Endformoberfläche 12 eine ausgezeichnete Genauigkeit der angestrebten Oberflächenkrümmung aufweisen. Unter ausgezeichneter Genauigkeit der angestrebten Oberflächenkrümmung wird verstanden, dass die Tests auf Einhaltung der angestrebten Oberflächenkrümmung mit einer Genauigkeit von ungefähr einem Viertel der Wellenlänge (λ/4) bezüglich der Rautiefe erfolgen. Das Schleifen unter Erhalt einer Oberflächenrauheit von etwa 50 Å RMS bis etwa 100 Å RMS kann mit einer CNC-Schleifmaschine in ungefähr ein bis zwei Stunden erfolgen.
Beispielsweise wurde ein fertig geformtes Formpresswerkzeug 10 aus Siliciumcarbid hergestellt und darin mit einer CNC-Schleifmaschine eine fertig geformte Fläche 12 erzeugt. Die fertig geformte Fläche 12 war asphärisch und im Allgemeinen konkav. Die vorliegende fertig geformte Fläche 12 hatte eine Oberflächenrauheit von ungefähr 100 Å RMS, wie Messungen mit einem Profilmessgerät mit Taststift ergaben. Die fertig geformte Fläche 12 wurde dann durch Verdampfen mit einer Zinnschicht einer Dicke von etwa 200 Å beschichtet. Das mit der Zinnbeschichtung versehene fertig geformte Formpresswerkzeug 10 wurde dann in einen Ofen eingebracht und auf 240 °C erhitzt. Zinn fließt bei ungefähr 232 °C. Das Zinn floss und bildete überraschenderweise eine oberflächenspannungsbedingte gleichmäßige glatte Oberfläche 16 mit Spiegelglanz. Es scheint ferner so zu sein, dass das Zinn oxidiert. Nachdem die oberflächenspannungsbedingte gleichmäßige glatte Oberfläche 16 abgekühlt war, wurde die Schicht 14 durch Ionenstrahlätzung in der Weise abgeätzt, dass die oberflächenspannungsbedingte gleichmäßige glatte Oberfläche 16 bis in das Substrat des fertig geformten Formpresswerkzeugs 10 hinein heruntergeätzt wurde. Die resultierende Formpresswerkzeugoberfläche 20 wurde nach dem Ätzen erneut abgetastet. Die Oberflächenrauheit hatte sich auf einen Wert von ungefähr 75 Å RMS verbessert. Die Werte für die Rautiefe verschoben sich in ähnlicher Weise. Die Genauigkeit der angestrebten Oberflächenkrümmung änderte sich nicht.
Bei der Politur der fertig geformten Flächen 12 ist es erforderlich, all die kleinen Risse zu beseitigen, die von der fertig geschliffenen Fläche 12 ausgehen und bis in das Substrat reichen. Das Präzisionspolieren mit einer sich nicht hin und her bewegenden mechanischen Vorrichtung kann für die Fertigstellung einer asphärischen Oberfläche ungefähr eine Woche erfordern. Mit Hilfe der Methode der vorliegenden Erfindung kann diese Fläche durch Ionenstrahlätzen tief hinab in das Substrat bis unter die winzigen Risse in ein paar Stunden erfolgen. Es ist wichtig, eine Formpresswerkzeugoberfläche 20 ohne Risse zu erzielen, da die Bedingungen, unter denen das Formpresswerkzeug 18 eingesetzt wird, das heißt die Formpresswerkzeugtemperatur und der auf dem Formpresswerkzeug 18 lastende Druck, während der Formung von Glasoptik eine rasch voranschreitende Qualitätsverschlechterung der Formpresswerkzeugoberfläche 20 zur Folge haben, wenn die Risse nicht beseitigt werden.
Je nach dem für die Bildung des fertig geformten Formpresswerkzeugs 10 gewählten Material ist es möglich, dass die fertig geformte Fläche 12 anders als durch Schleifen hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann ein Metall wie beispielsweise ein Werkzeugstahl als Grundmaterial für das fertig geformte Formpresswerkzeug 10 gewählt werden. Eine Zwischenschicht von spanbarem Material wie beispielsweise Nickel, Kupfer, Messing, Gold, Aluminium usw. kann auf das fertig geformte Formpresswerkzeug 10 aufgebracht werden. Anstatt die darin befindliche fertig geformte Fläche 12 zu schleifen, kann die fertig geformte Fläche 12 durch Einpunkt-Diamant-Zerspanung erzeugt werden. Die Einpunkt-Diamant-Zerspanung hinterlässt jedoch eine Oberfläche mit Ringen oder Schallplattenrillen ähnelnden Spuren, die unerwünscht ist und die letztlich die Funktionsweise der mit dem Formpresswerkzeug geformten Optik nachteilig beeinflussen kann. Das für die Schicht oder die Beschichtung 14 gewählte Material muss einen Schmelzpunkt haben, der natürlich niedriger ist als der Schmelzpunkt des für das fertig geformte Formpresswerkzeug 10 ausgesuchten Materials. Das ist nötig, um sicherzustellen, dass die Genauigkeit der angestrebten Oberflächenkrümmung der fertig geformten Oberfläche 12 nicht beeinträchtigt wird, wenn die Beschichtung 14 auf den Schmelzpunkt erhitzt wird, damit sie auf der Fläche 12 fließt. Auch hier muss das für die Beschichtung 14 gewählte Material das Grundmaterial, d.h. das für das fertig geformte Formpresswerkzeug 10 gewählte Material, benetzen können. Sobald die oberflächenspannungsbedingte gleichmäßige glatte Fläche 16 gebildet ist, wird die Schicht 14 durch Ionenstrahlätzung in der Weise abgeätzt, dass die oberflächenspannungsbedingte gleichmäßige glatte Fläche 16 unter Bildung einer Formpresswerkzeugoberfläche 20 bis in das Substrat hinein heruntergeätzt wird
Es ist möglich, dass je nach dem für die Beschichtung 14 gewählten Material und in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Oxidation eine Härte erzielt werden kann, die die Formgebung damit gestattet. Das heißt, dass das fertig geformte Formpresswerkzeug 10 mit der auf der Beschichtung 14 gebildeten oberflächenspannungsbedingten gleichmäßigen glatten Oberfläche 16 bereit für die Pressformung ist, ohne dass die Beschichtung 14 abgeätzt werden muss. Wenn die Pressformung bei vorhandener Beschichtung 14 ausgeführt werden soll, muss die durch Oxidation der Beschichtung 14 erreichte Härte sich mindestens der Härte des Substrats annähern. Das würde die Möglichkeit zulassen, dass eine Härte der Beschichtung 14 erzielt wird, die die Härte des Substrats übertrifft.
Obwohl das Verfahren der vorliegenden Erfindung hier mit Bezug auf das Polieren von fertig geformten Formpresswerkzeugen 10 für die Pressformung von Glas- und Kunststoffoptiken beschrieben wurde, sollte es klar sein, dass das Verfahren für das Präzisionspolieren nichtplanarer, asphärischer Oberflächen nicht nur bei Formpresswerkzeugen eingesetzt werden kann. Zum Beispiel kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung direkt für das Polieren von Oberflächen von Glasoptiken verwendet werden. Zwar stellen die hier beschriebenen Abbildungen fertig geformte Flächen 12 dar, die im Allgemeinen konkav sind, es sollte aber daran gedacht werden, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung außerdem bei nichtplanaren, asphärischen Oberflächen Verwendung findet, die auch generell konvex sein können.
Aus dem Vorhergegangenen ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung gut geeignet ist, alle im Vorstehenden erläuterten Ziele und Aufgaben, zusammen mit anderen offenbaren, dem Verfahren innewohnenden Vorteilen, zu erreichen und zu lösen.
Da viele mögliche Ausführungsformen der Erfindung sich realisieren lassen, ohne den Schutzumfang zu verlassen, versteht es sich, dass alle hier behandelten und in der Zeichnung gezeigten Gegenstände der Veranschaulichung dienen und nicht als Beschränkung darauf aufgefasst werden dürfen.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Formpresswerkzeugen zum Formpressen optischer Flächen, mit den Schritten: a) Erzeugen einer Oberfläche mit einer hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit in einem Substrat, um eine Oberflächenrauheit von höchstens etwa 100Å RMS zu erhalten; b) Beschichten der Oberfläche mit einer Materialschicht, die das Substrat benetzt, wobei das Material eine Schmelztemperatur hat, die geringer ist als eine Temperatur, bei der das Substrat sich verzieht, und wobei die Schicht eine Dicke hat, die mindestens so groß ist wie die RMS Oberflächenrauheit; c) Erwärmen der auf der Oberfläche aufgebrachten Materialschicht auf mindestens die Schmelztemperatur, wodurch die Materialschicht derart strömt, dass sie eine glatte Oberfläche mit einer Oberflächenspannung ergibt, die auf die Oberfläche aufbringbar ist; und d) Ätzen der glatten Oberfläche mit Oberflächenspannung bis zum Substrat, um die Schicht vollständig zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des Erzeugens durchgeführt wird durch Präzisionsfeinschleifen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des Erzeugens durchgeführt wird durch Einpunkt-Diamantbohren.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Ätzschritt durchgeführt wird durch Ionenfräsen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Ätzschritt durchgeführt wird durch RF Sputterätzen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Ätzschritt durchgeführt wird durch chemisch unterstütztes RF Sputterätzen.
Verfahren zum Herstellen von Formpresswerkzeugen zum Formpressen optischer Flächen, mit den Schritten: a) Erzeugen einer Oberfläche mit einer hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit in einem Substrat, um eine Oberflächenrauheit von höchstens etwa 100Å RMS zu erhalten, wobei das Substrat eine erste Härte aufweist; b) Beschichten der Oberfläche mit einer Materialschicht, die das Substrat benetzt, wobei das Material eine Schmelztemperatur hat, die geringer ist als eine Glasübergangstemperatur des Substrats und wobei die Schicht eine Dicke hat, die mindestens so groß ist wie die RMS Oberflächenrauheit; c) Erwärmen der auf der Oberfläche aufgebrachten Materialschicht auf mindestens die Schmelztemperatur, wodurch das Schichtmaterial derart strömt, dass es eine spiegelnde Fläche ergibt, die auf die Oberfläche aufbringbar ist; und d) Oxidieren der spiegelnden Fläche, um eine zweite Härte zu erhalten, die der ersten Härte mindestens nahe kommt.
Verfahren nach Anspruch 7, worin der Beschichtungsschritt durch Verdampfen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, worin der Beschichtungsschritt durch Sputtern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, worin der Beschichtungsschritt durch Ionenbeschichtung erfolgt.