EP0346819A2 - Method and apparatus for the contactless measuring and optionally machining of surfaces - Google Patents

Method and apparatus for the contactless measuring and optionally machining of surfaces Download PDF

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EP0346819A2
EP0346819A2 EP89110657A EP89110657A EP0346819A2 EP 0346819 A2 EP0346819 A2 EP 0346819A2 EP 89110657 A EP89110657 A EP 89110657A EP 89110657 A EP89110657 A EP 89110657A EP 0346819 A2 EP0346819 A2 EP 0346819A2
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EP
European Patent Office
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contour
reference element
measuring
machining
processing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89110657A
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German (de)
French (fr)
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EP0346819A3 (en
Inventor
Karl-Hermann Dipl.-Ing. Netzel
Werner Dr. Preuss
Rudolf Dipl.-Ing. Fetting
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hpo Hanseatische Prazisions- und Orbittechnik I K GmbH
Original Assignee
Hpo Hanseatische Prazisions- und Orbittechnik I K GmbH
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Publication date
Application filed by Hpo Hanseatische Prazisions- und Orbittechnik I K GmbH filed Critical Hpo Hanseatische Prazisions- und Orbittechnik I K GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/02Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation according to the instantaneous size and required size of the workpiece acted upon, the measuring or gauging being continuous or intermittent
    • B24B49/04Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation according to the instantaneous size and required size of the workpiece acted upon, the measuring or gauging being continuous or intermittent involving measurement of the workpiece at the place of grinding during grinding operation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B24B13/015Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor of television picture tube viewing panels, headlight reflectors or the like

Definitions

  • Scanning heterodyne interferometers are preferably used as interferometer measuring devices, which work with two closely adjacent wavelengths. The wavelength relationships correspond to a beat. Such heterodyne interferometers are particularly suitable because they are relatively insensitive to surface roughness.
  • the invention enables the measurement and shaping of large-area, also non-rotationally symmetrical aspheres with a contour accuracy better than 25 nm.
  • the invention is of striking conceptual simplicity, since it requires a minimum of axes, does not make any extraordinary demands on the accuracy of the axes, and extensive control of the processing tools with regard to pressure, speed, alignment and infeed is not necessary.
  • the susceptibility to faults is low due to the high redundancy in the measuring devices, which, together with the possibility of self-checking and error detection, ensures great operational reliability.
  • Several individual parts for example several mirror bodies of a segment mirror, can be measured simultaneously and possibly processed.
  • the measuring or machining process does not have to be interrupted to enable the inspection and control of the surface quality; the workpiece does not have to be removed from the device will.
  • the invention thus enables a very quick and very economical measurement and, if necessary, processing.
  • a reference element 26 extends parallel, as shown in FIG. 4, which is formed, for example, by a polished Zerodur ruler.
  • the reference element 26 is suspended a few millimeters above the surface 34 of the mirror segment 20, and is supported in the exemplary embodiment by the supports for the guide track 24, which rise on the one hand near the axis of rotation and on the other hand on the outer circumference of the measuring machine 10 from the base frame 12.
  • the polishing head 30 is driven and adjusted by devices known in the prior art; an encoder (not shown), which extends along the guideway 32 and which can also be formed by a glass scale, enables the respective radial position of the polishing head 30 to be determined.
  • the polishing head 30 is always at the same distance on the basis of the data stored in the computer to the axis of rotation 15 (center of the rotary table) held like the associated interferometer measuring head 28, d. H. the measuring head of the measuring device 16 preceding in the machining direction A (FIG. 7).
  • the polishing pins of the polishing heads 30 are placed on or lifted from the surface by computer control.
  • the processing pressure of the polishing pins on the surface is adjusted so that the material removal between two interferometer positions is at most equal to the permissible contour tolerance (e.g. 25 nm).
  • the measuring and machining processes are repeated until all mirror segments have reached the target surface contour within the tolerance.
  • fillers can be used and also polished.

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur berührungslosen Vermessung und ggf. abtragenden Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere von großflächigen Spiegeln oder dergleichen, bei dem zur Ermittlung von Konturabweichungen der Oberfläche die Differenz zwischen interferometrisch erfaßten Oberflächenkontur-Istwerten und vorgewählten Oberflächenkontur-Sollwerten bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird eine Bezugskontur wenigstens eines Referenzelements, deren Erstreckung einem Vermessungs-und ggf. Bearbeitungsbereich der Oberfläche im wesentlichen entspricht, interferometrisch bezüglich eines Normals vermessen, dessen Geometrie innerhalb der zulässigen Konturtoleranz der Oberfläche bekannt ist. Die zu vermessende Oberfläche wird in eine definierte räumliche Lage bezüglich des Referenzelementes gebracht, die Beabstandung der Bezugskontur vom Vermessungs- bzw. Bearbeitungsbereich der Oberfläche wird inkrementell interferometrisch erfaßt und die jeweilige Differenz zwischen Ist- und Sollwert wird bestimmt. Für die Bearbeitung wird ggf. ein Materialabtrag von der Oberfläche vorgenommen, dessen Ausmaß die zulässige Konturtoleranz nicht übersteigt. Außerdem betrifft die Erfindung Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren.The invention relates to methods for contactless measurement and, if necessary, machining of surfaces, in particular of large mirrors or the like, in which the difference between interferometrically recorded actual surface contour values and preselected desired surface contour values is determined in order to determine contour deviations of the surface. According to the invention, a reference contour of at least one reference element, the extent of which essentially corresponds to a measurement and, if appropriate, processing area of the surface, is measured interferometrically with respect to a standard, the geometry of which is known within the permissible contour tolerance of the surface. The surface to be measured is brought into a defined spatial position with respect to the reference element, the spacing of the reference contour from the measurement or processing area of the surface is recorded incrementally interferometrically and the respective difference between the actual and target value is determined. For machining, material may be removed from the surface, the extent of which does not exceed the permissible contour tolerance. The invention also relates to devices for carrying out these methods.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur berührungslosen Vermessung und ggf. abtragenden Bearbeitung von Ober­flächen, insbesondere zum Feinstpolieren großflächiger Spiegel oder dergleichen, bei dem die Differenz zwischen interferometrisch erfaßten Oberflächenkontur-Istwerten und vorgewählten Oberflächenkontur-Sollwerten bestimmt und ggt. in Abhängigkeit vom Ergebnis ein oberflächiger Materialabtrag vorgenommen wird.The invention relates to methods for non-contact measurement and, if necessary, machining of surfaces, in particular for fine polishing of large-area mirrors or the like, in which the difference between interferometrically recorded actual surface contour values and preselected desired surface contour values is determined and given. depending on the result, a superficial material removal is carried out.

Außerdem betrifft die Erfindung zur Durchführung dieser Verfahren geeignete Vorrichtungen.The invention also relates to devices suitable for carrying out these methods.

Bekannte Bearbeitungsverfahren dienen zur Erzeugung von Oberflächen mit hochgradiger Formtreue auch bei großen Oberflächen. Anwendung finden diese Verfahren beispiels­weise bei der Herstellung von Reflexionsoptiken, ins­besondere für die Astronomie; ein Beispiel bilden Tele­skopspiegel für den sichtbaren und infraroten Spektral­bereich.Known machining processes are used to produce surfaces with a high degree of shape accuracy, even with large surfaces. These methods are used, for example, in the manufacture of reflection optics, in particular for astronomy; one example are telescope mirrors for the visible and infrared spectral range.

Die formtreue Herstellung insbesondere großflächiger Werkstücke bietet besondere Schwierigkeiten. Dies gilt schon dann, wenn die Oberfläche plan, sphärisch oder rotationssymmetrisch asphärisch (beispielsweise para­bolförmig) ist. Erst recht gilt dies für nicht-rota­tionssymmetrische asphärische Oberflächen; für die Erzeugung solcher Oberflächen gab es bislang kein befriedigendes Verfahren.The true-to-shape production of large workpieces in particular presents particular difficulties. This applies even if the surface is flat, spherical or rotationally symmetrical aspherical (for example parabolic). This is especially true for non-rotationally symmetrical aspherical surfaces; To date, there has been no satisfactory method for producing such surfaces.

Dabei werden insbesondere im Bereich der Astronomie solche Werkstücke dringend benötigt. Spezieller betrifft dies das bestehende Bedürfnis, nicht-rotations­symmetrische asphärische Segmentspiegel für Großtele­skope mit Öffnungen von mehreren Metern ökonomisch her­stellen zu können.Such workpieces are urgently needed, particularly in the field of astronomy. This applies in particular to the existing need to be able to economically produce non-rotationally symmetrical aspherical segment mirrors for large telescopes with openings of several meters.

Zur Herstellung solcher Spiegel folgte man bisher dem klassischen, von Herschel, Ritchey, Anderson und anderen entwickelten Verfahren. Dabei wird zunächst mit großflächigen Schleif- und Polierkörpern die best-ange­näherte sphärische Form hergestellt; mit kleinen Läpp- und Polierscheiben werden sodann die verbliebenen Ab­weichungen zur Soll-Form beseitigt. Der Polierprozeß muß mehrfach durch Inspektionen der erreichten Ist-Form unterbrochen werden, wofür bis heute der Foucault-Test die zuverlässigste Prüfmethode darstellt.Up to now, the classic method developed by Herschel, Ritchey, Anderson and others has been used to produce such mirrors. First, the best approximated spherical shape is created with large-area grinding and polishing bodies; with small lapping and polishing discs, the remaining deviations from the target shape are then eliminated. The polishing process has to be interrupted several times by inspections of the actual shape achieved, for which the Foucault test is still the most reliable test method.

Aus der DE-PS 34 30 499 sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung asphärischer Oberflächen bekannt. Dabei soll ein flexibles Läpp- oder Polierwerk­zeug verwendet werden, welches im wesentlichen die gesamte zu bearbeitende Werkstückoberfläche gleichzeitig bedeckt und am Werkstück mit örtlich unterschiedlichen Drücken anliegt; die örtlichen Druckunterschiede sollen den Abweichungen der Werkstückoberfläche von der Soll-­Form entsprechend gewählt werden. Realisiert wird dies durch eine Membran, die die gesamte Werkstückoberfläche bedeckt und werkstückseitig eine Vielzahl einzelner Bearbeitungskörper trägt. Von der anderen Seite her wird die Membran mitsamt den Bearbeitungskörpern durch einzeln steuerbare Druckschuhe gegen die Oberfläche gedrückt. Die Formtreue soll durch die Steuerung der einzelnen Druck­schuhe hinsichtlich des Bearbeitungsdruckes sowie durch gelegentliche Vermessung des Werkstückes sichergestellt werden, wobei die Membran zwischen jedem Bearbeitungsvor­gang etwa in Soll-Form der zu bearbeitenden Fläche ge­bracht wird. Dazu kann sie beispielsweise auf einem separaten Werkzeug abgedrückt werden, das etwa die Soll-Form der zu bearbeitenden Fläche besitzt.From DE-PS 34 30 499 a method and a device for producing aspherical surfaces are already known. In this case, a flexible lapping or polishing tool is to be used, which essentially covers the entire workpiece surface to be machined at the same time and is applied to the workpiece with locally different pressures; the local pressure differences should be chosen according to the deviations of the workpiece surface from the target shape. This is implemented by a membrane that covers the entire workpiece surface and carries a large number of individual machining bodies on the workpiece side. From the other side, the membrane together with the processing bodies is pressed against the surface by individually controllable pressure shoes. The form accuracy is to be ensured by controlling the individual pressure shoes with regard to the processing pressure and by occasional measurement of the workpiece, the membrane being brought into the shape of the surface to be processed between each processing operation. For this purpose, it can be pressed, for example, on a separate tool, which has approximately the desired shape of the surface to be machined.

Dieses Verfahren ist für die Herstellung größerer asphärischer Oberflächen (etwa ab 1m) wegen der dann über das erlaubte Toleranzband anwachsenden Unsicherheit des Meßsystems wenig geeignet.This method is not very suitable for the production of larger aspherical surfaces (about 1m or more) because of the uncertainty of the measuring system that then increases over the permitted tolerance band.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur berüh­rungslosen Vermessung von Oberflächen, insbesondere von großflächigen Spiegeln o. dgl. zu schaffen, das eine exakte Vermessung beliebig geformter Oberflächen bei geringem Aufwand gestattet.The object of the invention is to create a method for the contactless measurement of surfaces, in particular of large mirrors or the like, which allows an exact measurement of surfaces of any shape with little effort.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur abtragenden Bearbeitung von Ober­flächen anzugeben, die es gestatten, auch große Ober­flächen bei beliebiger, auch nicht-rotationssymmetrisch asphärischer, Gestalt formtreu herzustellen.It is also an object of the invention to provide a method and a device for the machining of surfaces which allow large surfaces to be produced true to shape with any shape, including non-rotationally symmetrical aspherical ones.

Dabei wird eine Formtreue angestrebt, die bezüglich des Werkstückdurchmessers Abweichungen von mehr als 3 x 10⁻⁸m ausschließt. Das bedeutet, daß bei einem Spiegeldurch­messer von 1m beispielsweise eine Formtreue erreicht wird, die besser als 30 Nanometer ist. Gleichzeitig soll eine Mikrorauhigkeit von weniger als 10 Å rms erreicht werden.In doing so, a form accuracy is sought, which excludes deviations of more than 3 x 10⁻⁸m with regard to the workpiece diameter. This means that with a mirror diameter of 1m, for example, a shape accuracy is achieved that is better than 30 nanometers. At the same time, a micro roughness of less than 10 Å rms should be achieved.

Die Bearbeitung großflächiger Werkstücke soll möglich sein, wobei unter großflächig ein Verhältnis von Durch­messer zu mittlerem Krümmungsradius des Werkstücks ver­standen wird, das typischerweise kleiner als 1 zu 10 ist. Dies bedeutet z.B. bei einem Spiegeldurchmesser von 1m einen mittleren Krümmungsradius von mehr als 10m. Die Bearbeitung beliebig geformter Oberflächen soll mög­lich sein, so daß neben planen, sphärischen, rotations­symmetrisch asphärischen auch nicht-rotationssymmetrisch asphärische Oberflächenformen formtreu ausgebildet werden können. Es soll keine Rolle spielen, ob die Oberflächen­krümmung ganzflächig konkav oder konvex oder aber auch zwischen konkav und konvex wechselnd ist, wie z.B. bei Schmidt-Platten.The machining of large-area workpieces should be possible, with large area being understood to mean a ratio of the diameter to the mean radius of curvature of the workpiece, which is typically less than 1 to 10. With a mirror diameter of 1m, for example, this means an average radius of curvature of more than 10m. The processing of surfaces of any shape should be possible, so that in addition to flat, spherical, rotationally symmetrical aspherical and non-rotationally symmetrical aspherical surface shapes can be formed true to shape. It should not matter whether the surface curvature is concave or convex over the entire surface or also alternating between concave and convex, such as with Schmidt plates.

Die Bearbeitung aller polierbarer Substrate soll möglich sein, also z.B. die Bearbeitung von Glassubstraten, ins­besondere Quarzglas; Glaskeramiksubstraten wie bei­spielsweise Zerodur; Keramiksubstraten und Metallsub­straten.It should be possible to process all polishable substrates, e.g. the processing of glass substrates, in particular quartz glass; Glass ceramic substrates such as Zerodur; Ceramic substrates and metal substrates.

Zur Lösung dieser Aufgaben dienen die Merkmale der un­abhängigen Patentansprüche.The features of the independent claims serve to solve these tasks.

Ein Grundzug der Erfindung liegt in dem Konzept, daß die Ist-Kontur der Werkstückoberfläche in-process gemessen und ggf. das Bearbeitungswerkzeug bis zum Erreichen der gewünschten Soll-Kontur in-process gesteuert werden kann. Die erzielbare Konturtreue ist auch bei sehr groß­flächigen, nicht-rotationssymmetrischen Asphären besser als 25 Nanometer. Erfindungsgemäß werden an die Genauig­keiten der verfahrens- und vorrichtungsrelevanten Achsen keine hohen Anforderungen gestellt. Es besteht keine Notwendigkeit, das Bearbeitungswerkzeug hinsichtlich Druckkraft, Geschwindigkeit, Ausrichtung oder Zustellung aufwendig zu kontrollieren. Es ist nicht nötig, den Bear­beitungsprozeß zu Inspektionszwecken zu unterbrechen oder dafür gar das Werkstück aus der Bearbeitungsvorrichtung zu entnehmen; vielmehr erfolgt die Qualitätskontrolle während des Bearbeitungsvorganges selbst.A basic feature of the invention lies in the concept that the actual contour of the workpiece surface can be measured in-process and, if necessary, the machining tool can be controlled in-process until the desired target contour is reached. The achievable contour accuracy is better than 25 nanometers even with very large, non-rotationally symmetrical aspheres. According to the invention, no high demands are made on the accuracy of the axes relevant to the method and the device. There is no need to control the processing tool in terms of pressure, speed, alignment or infeed. It is not necessary to interrupt the machining process for inspection purposes or even to remove the workpiece from the machining device; rather, quality control takes place during the machining process itself.

Erfindungsgemäß wird zunächst aus, insbesondere lineraren, Referenzelementen ein Bezugsystem für die Vermessung der Oberflächenkontur aufgebaut. Dieses Be­ zugsystem kann interferometrisch gegenüber einem Normal eingemessen werden, dessen Geometrie mit der nötigen Genauigkeit bekannt ist. Dieses Bezugsystem ist in den Vorrichtungsaufbau so integriert, daß das anfängliche Einmessen der Referenzelemente mittels derselben Inter­ferometer erfolgen kann, die auch zur Vermessung der Oberfläche dienen. So wird in besonders einfacher Weise eine unmittelbare Anbindung der Meßgeometrie an die Genauigkeit des Geradlinigkeitsnormals erhalten, welches sich auch bei der erforderlichen hohen Genauigkeit (typischerweise kleiner als 10 nm) relativ einfach realisieren läßt, beispielsweise durch eine Quecksil­beroberfläche.According to the invention, a reference system for measuring the surface contour is first constructed from, in particular linear, reference elements. This Be traction system can be measured interferometrically against a standard, the geometry of which is known with the necessary accuracy. This reference system is integrated in the device structure in such a way that the initial measurement of the reference elements can be carried out using the same interferometers that are also used to measure the surface. A direct connection of the measurement geometry to the accuracy of the straightness standard is obtained in a particularly simple manner, which can be implemented relatively easily even with the required high accuracy (typically less than 10 nm), for example by means of a mercury surface.

Vorzugsweise werden als Interferometer-Meßeinrichtungen scannende Heterodyn-Interferometer verwendet, die mit zwei eng benachbarten Wellenlängen arbeiten. Die Wellen­längenbeziehungen entsprechen einer Schwebung. Solche Heterodyn-Interferometer eignen sich insbesondere des­wegen, weil sie gegenüber Oberflächenrauhigkeiten rela­tiv unempfindlich sind.Scanning heterodyne interferometers are preferably used as interferometer measuring devices, which work with two closely adjacent wavelengths. The wavelength relationships correspond to a beat. Such heterodyne interferometers are particularly suitable because they are relatively insensitive to surface roughness.

Die Erfindung ermöglicht es, an die Gradlinigkeit der verfahrens- und vorrichtungsrelevanten Linearachsen in horizontaler wie vertikaler Hinsicht keine besonderen Anforderungen zu stellen. Geradlinigkeiten von 10 Mikro­meter reichen völlig aus.The invention makes it possible to make no special demands on the straightness of the process and device-relevant linear axes in horizontal and vertical terms. Straight lines of 10 microns are sufficient.

Wenn die Oberfläche nicht nur vermessen, sondern auch ab­tragend bearbeitet, beispielsweise geschliffen werden soll, muß die Abtragsrate nicht genau bekannt sein, ebensowenig ist eine zeitliche Kontrolle des Andrucks oder eine Normalausrichtung der Bearbeitungswerkzeuge nötig.If the surface is not only to be measured, but also to be machined, for example, to be ground, the removal rate does not have to be known exactly, nor is there any time control of the pressure or a normal alignment of the processing tools is necessary.

Wenn vorzugsweise eine rotatorische Linearachse, um die das Werkstück gegenüber den Meßeinrichtungen und den Be­arbeitungseinheiten verdreht, sowie mehrere radial ver­laufende Linearachsen verwendet werden, entlang derer die Meß- und Bearbeitungsvorvorgänge ablaufen, kann die Radialabweichung der Rotationsachse in der Größenord­nung von 10 Mikrometern liegen.If a rotary linear axis, about which the workpiece rotates relative to the measuring devices and the processing units, and a plurality of radial linear axes, along which the measuring and machining processes take place, are preferably used, the radial deviation of the axis of rotation can be of the order of magnitude of 10 micrometers.

Die vorzugsweise verwendeten Heterodyn-Interferometer dienen wahlweise zur Messung oder zur Messung des Winkels zwischen Werkstückoberfläche und Referenzelement. Im ersten Fall wird eine Auflösung von 1 nm, im zweiten Fall von 1/20 Bogensekunde erreicht.The preferably used heterodyne interferometers are used either for measuring or for measuring the angle between the workpiece surface and the reference element. A resolution of 1 nm is achieved in the first case, and 1/20 arcsecond in the second case.

Mit besonderem Vorteil werden bei der abtragenden Bear­beitung der Werkstück-Oberfläche mehrere Meßeinrichtungen und Bearbeitungseinheiten radial alternierend über dem rotierenden Werkstück aufgehängt bzw. abgestützt. Bei­spielsweise können je drei unter 120° zueinander ange­ordnete Meßeinrichtungen und drei unter 120° zueinander angeordnete Bearbeitungseinheiten verwendet werden, wo­bei der Winkel zwischen einer Meßeinrichtung und der benachbarten Bearbeitungseinheit 60° beträgt.It is particularly advantageous for several measuring devices and processing units to be suspended or supported radially alternately above the rotating workpiece during the machining of the workpiece surface. For example, three measuring devices arranged at 120 ° to each other and three processing units arranged at 120 ° to each other can be used, the angle between one measuring device and the adjacent processing unit being 60 °.

Wenn nur gemessen wird, wird eine entsprechende Anordnung von drei unter 120° zueinander angeordneten Meßeinrich­tungen eingesetzt; die Bearbeitungseinheiten können dann ganz fehlen oder werden, bei einer Vermessungs- und Bear­beitungsvorrichtung, nicht betätigt.If only measurements are taken, a corresponding arrangement of three measuring devices arranged at 120 ° to one another is used; the processing units can then be completely absent or, in the case of a measuring and processing device, cannot be actuated.

Der simultane Einsatz mehrerer Meßsysteme erbringt eine Vielfalt von Vorteilen, beispielsweise die Möglichkeit einer wechselseitigen Kontrolle der einzelnen Meßein­richtungen; die Erkennung von Störungen wie beispiels­weise Vibrationen, geometrischen Änderungen der Tragkon­struktion, Luftturbulenzen im Strahlengang, Spindel­schlag usw.; die Weiterarbeit auch bei zeitweiligem Aus­fall einer Meßeinrichtung und eine insgesamt sehr viel schnellere Vermessung und ggf. Bearbeitung, insbesondere wenn gleichzeitig mehrere Meßsysteme und ggf. Bearbei­tungseinrichtungen in Drehrichtung hintereinander einge­setzt werden.The simultaneous use of several measuring systems brings a variety of advantages, for example the possibility of a mutual control of the individual measuring devices; the detection of disturbances such as vibrations, geometric changes in the supporting structure, air turbulence in the beam path, spindle stroke, etc .; the further work even in the event of a temporary failure of a measuring device and an overall much faster measurement and possibly processing, in particular if several measuring systems and possibly processing devices are used in succession in the direction of rotation.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung die Vermessung und die Formgebung großflächiger, auch nicht-rotationssymme­trischer Asphären mit einer Konturtreue besser als 25 nm. Die Erfindung ist von schlagender konzeptioneller Einfach­heit, da sie ein Minimum an Achsen benötigt, keine außer­gewöhnliche Anforderung an die Genauigkeit der Achsen stellt und eine aufwendige Kontrolle der Bearbeitungswerk­zeuge hinsichtlich Druckkraft, Geschwindigkeit, Ausrich­tung und Zustellung nicht nötig ist. Die Störanfälligkeit ist wegen der hohen Redundanz in den Meßeinrichtungen ge­ring, was zusammen mit der Möglichkeit der Selbstkon­trolle und Fehlererkennung eine große Betriebssicher­heit gewährleistet. Mehrere Einzelteile, beispielsweise mehrere Spiegelkörper eines Segmentspiegels, können gleichzeitig vermessen und ggf. bearbeitet werden. Der Vermessungs- bzw. Bearbeitungsprozeß muß nicht unter­brochen werden, um die Inspektion und Kontrolle der Oberflächengüte zu ermöglichen; erst recht muß das Werkstück dazu nicht aus der Vorrichtung entnommen werden. Die Erfindung ermöglicht so eine sehr schnelle und sehr ökonomische Vermessung und ggf. Bearbeitung.Overall, the invention enables the measurement and shaping of large-area, also non-rotationally symmetrical aspheres with a contour accuracy better than 25 nm. The invention is of striking conceptual simplicity, since it requires a minimum of axes, does not make any extraordinary demands on the accuracy of the axes, and extensive control of the processing tools with regard to pressure, speed, alignment and infeed is not necessary. The susceptibility to faults is low due to the high redundancy in the measuring devices, which, together with the possibility of self-checking and error detection, ensures great operational reliability. Several individual parts, for example several mirror bodies of a segment mirror, can be measured simultaneously and possibly processed. The measuring or machining process does not have to be interrupted to enable the inspection and control of the surface quality; the workpiece does not have to be removed from the device will. The invention thus enables a very quick and very economical measurement and, if necessary, processing.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher er­läutert. Darin zeigen

  • Fig. 1 eine periphere Anordnung von Spiegelsegmen­ten auf einem Rundtisch einer erfindungsge­mäßen Vermessungsvorrichtung;
  • Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf die Vorrich­tung gemäß Fig. 1;
  • Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht der Vorrich­tung gemäß Fig. 1 und 2;
  • Fig. 4 eine schematisierte Draufsicht auf einen Teil einer Meßeinrichtung;
  • Fig. 5 eine schematisierte Seitenansicht entspre­chend Fig. 4;
  • Fig. 6 eine Rückansicht der Meßeinrichtung gemäß Fig. 4 und 5;
  • Fig. 7 eine schematische Aufsicht auf eine erfin­dungsgemäße Poliervorrichtung und
  • Fig. 8 eine seitliche Schnittansicht der Poliervor­richtung gemäß Fig. 7.
Preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the attached drawing. Show in it
  • 1 shows a peripheral arrangement of mirror segments on a rotary table of a measuring device according to the invention;
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the device according to FIG. 1;
  • 3 shows a sectional side view of the device according to FIGS. 1 and 2;
  • 4 shows a schematic plan view of part of a measuring device;
  • Fig. 5 is a schematic side view corresponding to Fig. 4;
  • 6 shows a rear view of the measuring device according to FIGS. 4 and 5;
  • Fig. 7 is a schematic plan view of a polishing device according to the invention and
  • 8 is a sectional side view of the polishing apparatus shown in FIG. 7.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte erfindungsgemäße Vorrich­tung umfaßt einen großen luftgelagerten Rundtisch, auf dem die zu vermessenden Werkstücke, im Ausführungsbei­spiel mehrere Spiegelsegmente 20, zusammen mit ihren Tragelementen peripher aufgebaut werden. Die als Vermes­sungsmaschine 10 für diese Spiegelsegmente 20 dienende Vorrichtung umfaßt einen Grundrahmen 12, in dem eine Spindel 14 (Fig. 3) gelagert ist, die die Spiegelsegmente trägt. Die Spindel 14 ist gegenüber dem Grundrahmen durch einen Motorantrieb um eine senkrecht zur Zeichnungsebene stehende, zentrale Rotationsachse 15 drehbar; diese Drehung erfolgt relativ langsam, beispielsweise mit einer Umdrehung pro Minute. Außerdem ist mit der Spindel ein (nicht dargestellter) Encoder zur Bestimmung der Winkel­stellung der Spindel 14 gegenüber dem Grundrahmen 12 verbunden. Der Encoder kann als Glasmaßstab ausgeführt werden und gestattet eine Genauigkeit der Winkelstel­lungsbestimmung im Bereich von 10 bis 20 Bogensekunden. Die mittels des Encoders ermittelten Daten zur Stellung der Spindel werden in einen Computer eingegeben.The device according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 comprises a large air-bearing rotary table on which the workpieces to be measured, in the exemplary embodiment a plurality of mirror segments 20, are assembled peripherally together with their supporting elements. The device serving as a measuring machine 10 for these mirror segments 20 comprises a base frame 12 in which a spindle 14 (FIG. 3) is mounted, which carries the mirror segments. The spindle 14 is rotatable relative to the base frame by a motor drive about a central axis of rotation 15 perpendicular to the plane of the drawing; this rotation takes place relatively slowly, for example at one revolution per minute. In addition, an encoder (not shown) for determining the angular position of the spindle 14 relative to the base frame 12 is connected to the spindle. The encoder can be designed as a glass scale and allows an accuracy of the angular position determination in the range of 10 to 20 arc seconds. The data on the position of the spindle determined by the encoder are entered into a computer.

Die Vermessungsmaschine 10 wird vorzugsweise in einem vibrationsentkoppelten, klimatisierten Reinraum aufge­stellt.The measuring machine 10 is preferably set up in a vibration-decoupled, air-conditioned clean room.

Oberhalb der Oberflächen 34 der Spiegelsegmente 20 sind Meßeinrichtungen 16 vorgesehen, die fest mit dem Grund­rahmen 12 verbunden sind und bei der Verdrehung der Spin­del 14 nicht mitverdreht werden.Measuring devices 16 are provided above the surfaces 34 of the mirror segments 20, which are firmly connected to the base frame 12 and are not rotated when the spindle 14 is rotated.

Wie Fig. 2 zeigt, sind drei Meßeinrichtungen 16 vorge­sehen. Der Radialwinkel zwischen zwei Meßeinrichtungen beträgt jeweils 120°.As shown in FIG. 2, three measuring devices 16 are provided. The radial angle between two measuring devices is 120 ° in each case.

Die Meßeinrichtungen 16 sind mit Heterodyn-Interferome­tern ausgestattet. Diese entsprechen im Ausführungsbei­spiel den von der Firma Zygo erhältlichen Heterodyn-­Interferometern vom Typ Axiom 2/20, sind aber hinsicht­lich des Strahlenganges abgewandelt.The measuring devices 16 are equipped with heterodyne interferometers. In the exemplary embodiment, these correspond to the heterodyne interferometers of the Axiom 2/20 type available from Zygo, but are modified with regard to the beam path.

Ein Laserkopf und Empfänger 22 jedes Interferometers ist nahe der Rotationsachse der Spindel 14 so angeordnet, daß der Strahlengang vom Laser radial auswärts gerichtet ist, wie der Pfeil R in Fig. 3 bis 5 angibt. Der Strahlengang zurück zum Empfänger ist radial einwärts gerichtet.A laser head and receiver 22 of each interferometer is arranged near the axis of rotation of the spindle 14 in such a way that the beam path is directed radially outward from the laser, as the arrow R in FIGS. 3 to 5 indicates. The beam path back to the receiver is directed radially inwards.

Entlang dem Strahlengang des Laserkopfs/Empfängers 22 verläuft eine Führungsbahn 24 radial auswärts (Fig. 3), wobei das rotationsachsennahe Ende der Führungsbahn als Halterung für den Laserkopf/Empfänger 22 dienen kann.A guideway 24 runs radially outward along the beam path of the laser head / receiver 22 (FIG. 3), the end of the guideway near the axis of rotation serving as a holder for the laser head / receiver 22.

Ein Meßkopf 28 des Heterodyn-Interferometers ist ent­lang der Führungsbahn 24 in radialer Richtung verschieb­bar, so daß er über die gesame Breite des Spiegelseg­ments 20 in radialer Richtung verfahren werden kann. Die Bewegung des Meßkopfes 28 erfolgt durch im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen.A measuring head 28 of the heterodyne interferometer can be displaced in the radial direction along the guide track 24, so that it can be moved in the radial direction over the entire width of the mirror segment 20. The movement of the measuring head 28 takes place by means known in the prior art.

Die Gradlinigkeit der Führungsbahn 24 in horizontaler wie vertikaler Hinsicht ist relativ unkritisch; Gradinigkei­ten von 10 µm reichen aus.The straightness of the guideway 24 in horizontal and vertical terms is relatively uncritical; Graduations of 10 µm are sufficient.

Entlang der Führungsbahn 24 erstreckt sich ein als En­coder für die Radialstellung des Meßkopfes dienender Glas­maßstab oder dergleichen, der in den Fig. nicht gezeigt ist.A glass scale or the like serving as an encoder for the radial position of the measuring head, which is not shown in the figures, extends along the guideway 24.

Neben der Führungsbahn 24 erstreckt sich, wie Fig. 4 zeigt, parallel ein Referenzelement 26, das beispiels­weise durch ein poliertes Zerodurlineal gebildet wird. Das Referenzelement 26 ist im Abstand einiger Millimeter über der Oberfläche 34 des Spiegelsegmentes 20 aufge­hängt, und wird im Ausführungsbeispiel von den Ab­stützungen für die Führungsbahn 24 getragen, die sich einerseits nahe der Rotationsachse, andererseits am Außenumfang der Vermessungsmaschine 10 vom Grundrahmen 12 erheben.4, a reference element 26 extends parallel, as shown in FIG. 4, which is formed, for example, by a polished Zerodur ruler. The reference element 26 is suspended a few millimeters above the surface 34 of the mirror segment 20, and is supported in the exemplary embodiment by the supports for the guide track 24, which rise on the one hand near the axis of rotation and on the other hand on the outer circumference of the measuring machine 10 from the base frame 12.

Der Meßkopf 28 ermöglicht eine interferometrische Vermes­sung sowohl hinsichtlich des Referenzelementes 26, als auch der Oberfläche 34, wie in Fig. 4 bis 6 einerseits durch eine gepunktete, andererseits durch eine durchge­zogene Linie angedeutet ist.The measuring head 28 enables interferometric measurement both with respect to the reference element 26 and the surface 34, as indicated in FIGS. 4 to 6 on the one hand by a dotted line and on the other hand by a solid line.

Die vom Heterodyn-Interferometer ermittelten Daten wer­den ebenfalls in den genannten Computer eingegeben.The data determined by the heterodyne interferometer are also input into the computer mentioned.

Der Vermessungsvorgang beginnt mit dem Einmessen der Referenzelemente mittels der zugeordneten Heterodyn-­Interferometer. Dazu wird der Meßkopf 28 auf der Füh­rungsbahn 24 entlang dem zugeordneten Referenzelement 26 verfahren, dessen Kontur zunächst nur näherungsweise bekannt ist. Die Vermessung erfolgt bezüglich eines Geradlinigkeitsnormals bekannter Geometrie, beispiels­weise einer Quecksilberoberfläche, mit einer Genauig­keit besser als 10 nm. So wird eine Bezugskontur 26′ am Referenzelement ermittelt, die datenmäegebenen, im Computer bereits gespeicherten Sollwerte können die Abweichungen von der Sollgeometrie bestimmt werden.The measurement process begins with the calibration of the reference elements using the assigned heterodyne interferometer. For this purpose, the measuring head 28 is moved on the guideway 24 along the assigned reference element 26, the contour of which is initially only approximately known. The measurement is carried out with reference to a straightness standard of known geometry, for example a mercury surface, with an accuracy better than 10 nm. A reference contour 26 ′ is determined on the reference element, and the setpoint values given by the data and stored in the computer can be used to determine the deviations from the setpoint geometry.

Falls erforderlich, können Axialschlag der Spindel, Vibrationen und dergleichen überwacht und entsprechende Meßdaten dem Computer zur Kompensation übermittelt werden. Hierzu können beispielsweise weitere unabhängi­ge Interferometer eingesetzt werden.If necessary, axial runout of the spindle, vibrations and the like can be monitored and corresponding measurement data can be transmitted to the computer for compensation. For example, other independent interferometers can be used for this purpose.

Ein (nicht gezeigter) Wellenlängenkompensator mit einer Auflösung von beispielsweise 5 x 10⁻⁹ stellt luftdruck­abhängige Wellenlängenänderungen fest und ermöglicht eine entsprechende Kompensation der Meßdaten.A (not shown) wavelength compensator with a resolution of, for example, 5 x 10⁻⁹ detects changes in wavelength dependent on air pressure and enables a corresponding compensation of the measurement data.

Bei der Messung erfolgt die genannte langsame Drehbewe­gung der Spindel 14, so daß zusammen mit der radialen linearen Bewegung des Meßkopfes 28 die zu vermessenden Oberflächenbereiche spiralförmig radial einwärts oder auswärts von den Meßeinrichtungen überstrichen werden. Wegen der genannten geometrischen Bedingungen sind die Toleranzen bezüglich der Oberflächen-Hauptebene nicht sehr kritisch. Dies gilt natürlich nicht für die Toleran­zen in zur Hauptebene senkrechter Richtung, d. h. Axial­richtung der Spindel 14.During the measurement, the mentioned slow rotational movement of the spindle 14 takes place, so that, together with the radial linear movement of the measuring head 28, the surface areas to be measured are swept spirally radially inwards or outwards by the measuring devices. Because of the geometric conditions mentioned, the tolerances with respect to the main surface plane are not very critical. Of course, this does not apply to the tolerances in the direction perpendicular to the main plane, i. H. Axial direction of the spindle 14.

Während sich die zu vermessende Oberfläche unter der Meßeinrichtung 16 durchbewegt, wird, wie schon gesagt, die Ist-Kontur gemessen und im Computer gespeichert.As already said, while the surface to be measured is moving under the measuring device 16, the actual contour is measured and stored in the computer.

Damit die interferometrisch abgetasteten Werkstück- und Referenzelement-Oberflächen keine Fehlmessungen ergeben, müssen diese staubfrei bleiben. Zur Entfernung von Staub u.dgl. kann eine zwischen den Meßeinrichtungen an­geordnete eine Säuberungsvorrichtung, beispielsweise eine Absaugvorrichtung (nicht gezeigt) eingesetzt werden.To ensure that the workpiece and reference element surfaces scanned interferometrically do not result in incorrect measurements, they must remain dust-free. For removing dust and the like. a cleaning device, for example a suction device (not shown) arranged between the measuring devices, can be used.

Fig. 7 und 8 zeigen eine erfindungsgemäße Poliervorrich­tung, mit der das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren durchgeführt werden kann.7 and 8 show a polishing device according to the invention with which the machining method according to the invention can be carried out.

In ihrem grundsätzlichen Aufbau entspricht die Poliervor­richtung 10′ der bereits anhand Fig. 1 bis 6 beschrie­benen Vermessungsvorrichtung. Daher entsprechen die in Fig. 7 und 8 gezeigten Teile den Teilen in Fig. 1 bis 6, die gleiche Bezugszeichen tragen.In its basic structure, the polishing device 10 'corresponds to the measuring device already described with reference to FIGS. 1 to 6. Therefore, the parts shown in Figs. 7 and 8 correspond to the parts in Figs. 1 to 6 which have the same reference numerals.

Gegenüber der Vermessungsvorrichtung (Fig. 1 bis 6) kommen bei der Poliervorrichtung nur Bearbeitungseinhei­ten 18 hinzu.Compared to the measuring device (FIGS. 1 to 6), only processing units 18 are added to the polishing device.

Die Bearbeitungseinheiten 18 sind ebenfalls fest mit dem Grundrahmen 12 verbunden und werden bei der Verdrehung der Spindel 14 nicht mitverdreht. Im Ausführungsbeispiel sind drei Bearbeitungseinheiten 18 um jeweils 120° zuein­ander versetzt so gegenüber den Meßeinrichtungen 16 ange­ordnet, daß jeweils zwischen zwei Meßeinrichtungen 16 eine Bearbeitungseinheit 18 liegt und der Winkel zwischen benachbarten Meßeinrichtungen 16 und Bearbeitungseinhei­ten 18 gerade 60° beträgt.The processing units 18 are also firmly connected to the base frame 12 and are not rotated when the spindle 14 is rotated. In the exemplary embodiment, three processing units 18 are each offset by 120 ° relative to the measuring devices 16 so that a processing unit 18 is located between two measuring devices 16 and the angle between adjacent measuring devices 16 and processing units 18 is just 60 °.

Die Bearbeitungseinheiten 18 weisen, ähnlich wie die Meß­einrichtungen 16, eine Führungsbahn 32 auf, die oberhalb der Oberfläche 34 des Spiegelsegments 20 verläuft und am nichtverdrehten Teil der Poliermaschine 10′ abgestützt ist.The processing units 18, similar to the measuring devices 16, have a guide track 32 which extends above the surface 34 of the mirror segment 20 and is supported on the non-twisted part of the polishing machine 10 '.

Entlang der Führungsbahn 32 ist ein Polierkopf 30 über die gesamte Radialerstreckung des Spiegelsegments 20 verfahrbar. Größe und Formgebung des Polierstiftes des Polierkopfes 30 werden auf die Geometrie der zu bear­beitenden Oberfläche abgestimmt.Along the guideway 32 is a polishing head 30 over the entire radial extent of the mirror segment 20 movable. The size and shape of the polishing pin of the polishing head 30 are matched to the geometry of the surface to be machined.

Antrieb und Verstellung des Polierkopfes 30 erfolgen durch im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen; ein sich entlang der Führungsbahn 32 erstreckender Encoder (nicht gezeigt), der ebenfalls durch einen Glasmaßstab gebildet werden kann, ermöglicht die Feststellung der jeweiligen Radialposition des Polierkopfes 30. Im Betrieb wird der Polierkopf 30 auf der Grundlage der im Computer gespeicherten Daten stets im gleichen Abstand zur Rota­tionsachse 15 (Rundtischmitte) gehalten wie der zuge­ordnete Interferometermeßkopf 28, d. h. der Meßkopf der in Bearbeitungsrichtung A (Fig. 7) vorausgehenden Meß­einrichtung 16. Die Polierstifte der Polierköpfe 30 wer­den computergesteuert auf die Oberfläche aufgesetzt bzw. von dieser abgehoben. Der Bearbeitungsdruck der Polier­stifte auf die Oberfläche wird so eingestellt, daß der Materialabtrag zwischen zwei Interferometerplätzen höchstens gleich der zulässigen Konturtoleranz (z. B. 25 nm) ist.The polishing head 30 is driven and adjusted by devices known in the prior art; an encoder (not shown), which extends along the guideway 32 and which can also be formed by a glass scale, enables the respective radial position of the polishing head 30 to be determined. In operation, the polishing head 30 is always at the same distance on the basis of the data stored in the computer to the axis of rotation 15 (center of the rotary table) held like the associated interferometer measuring head 28, d. H. the measuring head of the measuring device 16 preceding in the machining direction A (FIG. 7). The polishing pins of the polishing heads 30 are placed on or lifted from the surface by computer control. The processing pressure of the polishing pins on the surface is adjusted so that the material removal between two interferometer positions is at most equal to the permissible contour tolerance (e.g. 25 nm).

Der Bearbeitungsvorgang beginnt, wie der schon be­schriebene Vermessungsvorgang, mit dem Einmessen der Referenzelemente 26. Es folgt die schon beschriebene Vermessung der Oberflächenkontur-Istwerte und die rechnerische Bestimmung der Abweichungen von der Sollgeometrie der Oberfläche.The machining process begins, like the measurement process already described, with the measurement of the reference elements 26. The measurement of the actual surface contour values described above and the calculation of the deviations from the target geometry of the surface follows.

Bei der Drehbewegung der Spindel 14 werden Bearbeitungs­bereiche gebildet, die sich entsprechend den schon be­ schriebenen Vermessungsbereichen spiralförmig radial ein­wärts oder auswärts erstrecken. Der Abstand der Spiral­bahnen entspricht der Wegstrecke, auf der sich die Pfeil­höhe der Spiegeloberfläche in radialer Richtung bezüglich des Referenzelementes um eine Toleranzeinheit ändert, bei­spielsweise um 25 nm. Bei langbrennweitigen Parabolseg­menten macht dies typischerweise einige Zehntel Milli­meter aus, bei günstiger Ausbildung der Referenzele­mente sogar nur einige Millimeter. Diese Bahnabstände werden bei der Wahl der Polierstifte hinsichtlich Größe und Formgebung zugrundegelegt.During the rotational movement of the spindle 14, machining areas are formed which are already in accordance with the written measuring areas extend radially inwards or outwards. The distance of the spiral tracks corresponds to the distance on which the arrow height of the mirror surface changes in the radial direction with respect to the reference element by a tolerance unit, for example by 25 nm. In the case of long focal length parabolic segments, this typically amounts to a few tenths of a millimeter, with a favorable design of the reference elements even only a few Millimeter. These path distances are taken as a basis when choosing the polishing pins with regard to size and shape.

Während sich die Oberfläche unter der Meßeinrichtung 16 durchbewegt, wird ihre Ist-Kontur gemessen und datenmäßig im Computer gespeichert. Mittels dieser gespeicherten Ist-­Konturdaten erfolgt die Steuerung der in Bearbeitungsrich­tung A folgenden Bearbeitungseinheit, also des Polier­kopfes 30. Die Abtragsrate wird dabei so eingestellt, daß der Abtrag zwischen zwei in Bearbeitungsrichtung A auf­einanderfolgenden Meßeinheiten kleiner ist als die To­leranzeinheit (z. B. 25 nm). Das bedeutet, daß zwischen zwei Meßvorgängen nie so viel Material abgetragen werden kann, daß die Konturtoleranz überschritten wird.While the surface is moving under the measuring device 16, its actual contour is measured and stored in terms of data in the computer. These stored actual contour data are used to control the processing unit following in processing direction A, i.e. the polishing head 30. The removal rate is set so that the removal between two successive measuring units in processing direction A is smaller than the tolerance unit (e.g. 25 nm ). This means that between two measuring processes so much material can never be removed that the contour tolerance is exceeded.

Die der genannten Bearbeitungsstation in Bearbeitungsrich­tung A folgende Meßeinrichtung 16 stellt fest, ob der vorausgegangene Bearbeitungsschritt die Oberflächen-Ist­kontur bereits in den Toleranzbereich der Oberflächen-­Sollkontur gebracht hat. Wenn dies der Fall ist, wird die nachfolgende Bearbeitungsstation in diesem Bearbeitungs­bereich nicht betätigt, so daß kein weiterer Abtrag er­folgt.The measuring device 16 following the mentioned processing station in processing direction A determines whether the previous processing step has already brought the actual surface contour into the tolerance range of the desired surface contour. If this is the case, the subsequent processing station in this processing area is not actuated, so that no further removal takes place.

Die Meß- und Bearbeitungsvorgänge werden solange wieder­holt, bis sämtliche Spiegelsegmente innerhalb der Tole­ranz die Oberflächen-Sollkontur erreicht haben.The measuring and machining processes are repeated until all mirror segments have reached the target surface contour within the tolerance.

Die bereits genannte Absaugvorrichtung dient bei der Be­arbeitung vorteilhaft zur Entfernung von Abtragungsrück­ständen.The above-mentioned suction device advantageously serves for the removal of removal residues during processing.

Die Trennung des Meßvorganges zum zugeordneten Bearbei­tungsvorgang (d. h. beim gleichen Oberflächenbereich) in zeitlicher Hinsicht ermöglicht es, daß beim Bearbeiten entstehende lokale Erwärmungen sich vor der nächsten Messung wieder abbauen und Luftwirbel abklingen.The separation of the measuring process from the assigned machining process (i.e. with the same surface area) in terms of time enables local heating that occurs during machining to be reduced again before the next measurement and air vortices to subside.

Wenn eine Unterbrechung der Bearbeitung an Fugen und Aussparungen zwischen einzelnen Werkstückteilen, bei­spielsweise Spiegelsegmenten, unerwünscht ist, können Füllkörper eingesetzt und mitpoliert werden.If an interruption in the machining of joints and recesses between individual workpiece parts, for example mirror segments, is undesirable, fillers can be used and also polished.

Es versteht sich, daß der gesamte Bearbeitungsvorgang beendet wird, sobald die Meßeinheiten das Erreichen der Sollkontur für die gesamte Oberfläche feststellen.It goes without saying that the entire machining process is ended as soon as the measuring units determine that the target contour has been reached for the entire surface.

Claims (58)

1. Verfahren zur berührungslosen Vermessung von Ober­flächen, insbesondere von großflächigen Spiegeln oder dergleichen, bei dem zur Ermittlung von Konturabwei­chungen der Oberfläche die Differenz zwischen inter­ferometrisch erfaßten Oberflächenkontur-Istwerten und vorgewählten Oberflächenkontur-Sollwerten bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß a) eine Bezugskontur wenigstens eines Referenzelements, deren Erstreckung einem Vermessungsbereich der Ober­fläche im wesentlichen entspricht, interferometrisch bezüglich eines Normals vermessen wird, dessen Geome­trie innerhalb der zulässigen Konturtoleranz der Ober­fläche bekannt ist, b) daß die zu vermessende Oberfläche in eine definierte räumliche Lage bezüglich des Referenzelementes ge­bracht und c) die Beabstandung der Bezugskontur vom Vermessungs­bereich der Oberfläche inkrementell interferometrisch erfaßt wird und die jeweilige Differenz zwischen Ist- und Sollwert bestimmt wird.
1. A method for the contactless measurement of surfaces, in particular of large mirrors or the like, in which the difference between interferometrically recorded actual surface contour values and preselected desired surface contour values is determined to determine contour deviations of the surface,
characterized in that a) a reference contour of at least one reference element, the extent of which essentially corresponds to a measurement area of the surface, is measured interferometrically with respect to a standard, the geometry of which is known within the permissible contour tolerance of the surface, b) that the surface to be measured is brought into a defined spatial position with respect to the reference element and c) the spacing of the reference contour from the measurement area of the surface is recorded incrementally interferometrically and the respective difference between the actual value and the target value is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement und die zu bearbeitende Oberfläche relativ zueinander bewegt werden.
2. The method according to claim 1,
characterized in that the reference element and the surface to be machined are moved relative to each other.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement auf eine gedachte Radiallinie bezüglich einer senkrechten Rota­ionsachse durch die Oberflächenhauptebene liegt, um welche Rotationsachse die Oberfläche gedreht wird, so daß der im wesentlichen radial verlaufende Vermessungsbereich einen Teil einer Spirallinie auf der Oberfläche bildet.
3. The method according to claim 2,
characterized in that the reference element lies on an imaginary radial line with respect to a vertical axis of rotation through the main surface plane, about which axis of rotation the surface is rotated, so that the essentially radially extending measurement area forms part of a spiral line on the surface.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß jede von einem Vermessungs­bereich gebildete Spiralbahn der Spirallinie einer Weg­strecke entspricht, auf der sich die Pfeilhöhe der Ober­fläche in radialer Richtung bezüglich der Bezugskontur des Referenzelementes um die Konturtoleranz ändert.
4. The method according to claim 3,
characterized in that each spiral path formed by a measurement area of the spiral line corresponds to a distance on which the arrow height of the surface changes in the radial direction with respect to the reference contour of the reference element by the contour tolerance.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf des Interfero­meters in inkrementellen Schritten entlang der zugeord­neten Radiallinie über den Vermessungsbereich bewegt wird.
5. The method according to claim 3 or 4,
characterized in that the measuring head of the interferometer is moved in incremental steps along the assigned radial line over the measurement area.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Referenzelemente beabstandet aufeinanderfolgend verwendet werden.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
characterized in that several reference elements are used successively spaced apart.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Ist- und Sollwerte durch Laser-Interferometer erfolgt und gegebe­nenfalls der Einfluß der Wellenlängen-Luftdruckabhängig­keit des Laserlichts interferometrisch in Echtzeit zur Korrektur erfaßt wird.
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
characterized in that the actual and target values are determined by laser interferometers and, if necessary, the influence of the wavelength-air pressure dependency of the laser light is recorded interferometrically in real time for correction.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß scannende Heterodyn-Inter­ferometer zusammen mit linearen Referenzelementen ver­wendet werden.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
characterized in that scanning heterodyne interferometers are used together with linear reference elements.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen-Hauptebene im wesentlichen horizontal bezüglich der Gravitations­richtung ausgerichtet wird und das Referenzelement im geringen Abstand von der Oberfläche oberhalb dieser auf­gehängt oder abgestützt wird.
9. The method according to any one of claims 1 to 8,
characterized in that the main surface plane is aligned substantially horizontally with respect to the direction of gravity and the reference element is suspended or supported at a short distance from the surface above it.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche vorbereitend auf eine Konturrichtigkeit im Bereich einiger 10⁻⁶m vor­poliert wird.
10. The method according to any one of claims 1 to 9,
characterized in that the surface is prepolished in preparation for a contour accuracy in the range of a few 10⁻⁶m.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrischen Er­fassungsvorgänge, die Berechnungen sowie die Steuer- und Regelvorgänge bei der Vermessung mittels eines Computers automatisiert vorgenommen werden.
11. The method according to any one of claims 1 to 10,
characterized in that the interferometric acquisition processes, the calculations and the control and regulating processes during the measurement are carried out automatically by means of a computer.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Computers die geometrischen Soll-Daten der Oberfläche berechnet bzw. gespeichert werden.
12. The method according to claim 11,
characterized in that the geometric target data of the surface are calculated or stored by means of the computer.
13. Verfahren zur berührungslosen Vermessung und abtra­genden Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere zum Feinstpolieren großflächiger Spiegel oder dergleichen, bei dem die Differenz zwischen interferometrisch erfaßten Oberflächenkontur-Istwerten und vorgewählten Oberflächen­kontur-Sollwerten bestimmt und in Abhängigkeit vom Ergeb­nis ein oberflächiger Materialabtrag vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß a) eine Bezugskontur wenigstens eines Referenzelements, deren Erstreckung einem Bearbeitungsbereich der Ober­fläche im wesentlichen entspricht, interferometrisch bezüglich eines Normals vermessen wird, dessen Geome­trie innerhalb der zulässigen Konturtoleranz der zu erzielenden Oberfläche bekannt ist, b) daß die zu bearbeitende Oberfläche in eine definierte räumliche Lage bezüglich des Referenzelementes gebracht und c) die Beabstandung der Bezugskontur vom Bearbeitungs­bereich der Oberfläche inkrementell interferometrisch erfaßt sowie die jeweilige Differenz zwischen Ist- und Sollwert bestimmt wird, d) daß in Abhängigkeit vom Ergebnis im Bearbeitungsbe­reich nachfolgend ein Materialabtrag von der Ober­fläche vorgenommen wird, dessen Ausmaß die zulässige Konturtoleranz nicht übersteigt, und e) die Erfaßung gemäß Schritt c) und gegebenenfalls die Bearbeitung gemäß Schritt d) wiederholt werden, bis die Oberflächenkontur innerhalb der Toleranz dem Sollwert entspricht. 13. A method for non-contact measurement and ablative machining of surfaces, in particular for the fine polishing of large-area mirrors or the like, in which the difference between interferometrically detected Surface contour actual values and preselected surface contour setpoints are determined and, depending on the result, a superficial material removal is carried out, characterized in that a) a reference contour of at least one reference element, the extent of which essentially corresponds to a processing area of the surface, is measured interferometrically with respect to a standard, the geometry of which is known within the permissible contour tolerance of the surface to be achieved, b) that the surface to be machined is brought into a defined spatial position with respect to the reference element and c) the spacing of the reference contour from the machining area of the surface is recorded incrementally interferometrically and the respective difference between the actual and target value is determined, d) that, depending on the result in the processing area, material is subsequently removed from the surface, the extent of which does not exceed the permissible contour tolerance, and e) the acquisition according to step c) and optionally the processing according to step d) are repeated until the surface contour corresponds to the target value within the tolerance. 14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Materialabtrag durch wenigstens ein antreibbares gesteuertes Werkzeug einer Bearbeitungseinheit, insbesondere einen oder mehrere Polierstifte erfolgt.
14. The method according to claim 13,
characterized in that the material is removed by at least one drivable controlled tool of a processing unit, in particular one or more polishing pins.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement und eine Bearbeitungseinheit in festem Abstand zueinander angeordnet werden und die zu bearbeitende Oberfläche relativ dazu bewegt wird, so daß der Bearbeitungsbereich nacheinander in entsprechende Stellungen gegenüber dem Referenzelement und der Bearbeitungseinheit gebracht wird.
15. The method according to claim 13 or 14,
characterized in that the reference element and a machining unit are arranged at a fixed distance from one another and the surface to be machined is moved relative thereto, so that the machining region is successively brought into corresponding positions with respect to the reference element and the machining unit.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement und die Bearbeitungseinheit auf gedachten Radiallinien bezüg­lich einer senkrechten Rotationsachse durch die Ober­flächenhauptebene liegen, um welche Rotationsachse die Oberfläche gedreht wird, so daß der im wesentlichen radial verlaufende Bearbeitungsbereich einen Teil einer Spirallinie auf der Oberfläche bildet.
16. The method according to claim 15,
characterized in that the reference element and the processing unit lie on imaginary radial lines with respect to a vertical axis of rotation through the main surface plane, about which axis of rotation the surface is rotated, so that the essentially radially extending processing area forms part of a spiral line on the surface.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß jede der von den Bearbei­tungsbereichen gebildeten Spiralbahnen der Spirallinie einer Wegstrecke entspricht, auf der sich die Pfeilhöhe der Oberfläche in radialer Richtung bezüglich der Be­zugskontur des Referenzelementes um die Konturtoleranz ändert.
17. The method according to claim 16,
characterized in that each of the spiral paths formed by the machining areas of the spiral line corresponds to a distance on which the arrow height of the surface changes in the radial direction with respect to the reference contour of the reference element by the contour tolerance.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Bearbeitungs­werkzeug der Bearbeitungseinheit und der Meßkopf des Interferometers in einander zugeordneten inkrementellen Schritten entlang den jeweiligen Radiallinien bewegt werden.
18. The method according to claim 16 or 17,
characterized in that at least one machining tool of the machining unit and the measuring head of the interferometer are moved along the respective radial lines in incremental steps assigned to one another.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Referenzelemente und Bearbeitungseinheiten alternierend aufeinanderfolgend verwendet werden.
19. The method according to any one of claims 13 to 18,
characterized in that several reference elements and processing units are used alternately in succession.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Ist- und Sollwerte durch Laser-Interferometer erfolgt und gegebe­nenfalls der Einfluß der Wellenlängen-Luftdruckabhängig­keit des Laserlichts interferometrisch in Echtzeit zur Korrektur erfaßt wird.
20. The method according to any one of claims 13 to 19,
characterized in that the actual and target values are determined by laser interferometers and, if necessary, the influence of the wavelength-air pressure dependency of the laser light is recorded interferometrically in real time for correction.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß scannende Heterodyn-Inter­ferometer zusammen mit linearen Referenzelementen ver­wendet werden.
21. The method according to any one of claims 13 to 20,
characterized in that scanning heterodyne interferometers are used together with linear reference elements.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen-Hauptebene im wesentlichen horizontal bezüglich der Gravitationsrich­tung ausgerichtet wird und das Referenzelement im ge­ringen Abstand von der Oberfläche oberhalb dieser auf­gehängt oder abgestützt wird.
22. The method according to any one of claims 13 to 21,
characterized in that the main surface plane is aligned substantially horizontally with respect to the direction of gravity and the reference element is suspended or supported at a short distance from the surface above it.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche vorbereitend auf eine Konturrichtigkeit im Bereich einiger 10⁻⁶m vor­poliert wird.
23. The method according to any one of claims 13 to 22,
characterized in that the surface is preparatory is polished to a contour accuracy in the range of a few 10⁻⁶m.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrischen Er­fassungsvorgänge, die Berechnungen sowie die Steuer- und Regelvorgänge bei der Bearbeitung mittels eines Computers automatisiert vorgenommen werden.24. The method according to any one of claims 13 to 23, characterized in that the interferometric acquisition processes, the calculations and the control and regulation processes are carried out automatically during processing by means of a computer. 25. Verfahren nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Computers die geometrischen Soll-Daten der Oberfläche berechnet bzw. gespeichert werden.
25. The method according to claim 24,
characterized in that the geometric target data of the surface are calculated or stored by means of the computer.
26. Vorrichtung zur berührungslosen Vermessung von Ober­flächen, insbesondere von großflächigen Spiegeln oder dergleichen, mit einer das Werkstück, dessen Oberfläche zu vermessen ist, aufnehmenden Tragstruktur und Meßvor­richtungen zur interferometrischen Erfassung der Ober­flächenkontur,
dadurch gekennzeichnet, daß a) wenigstens ein Referenzelement (26) vorgesehen ist, das sich beabstandet im wesentlich parallel zu einem Vermessungsbereich der Oberfläche (34) erstreckt, b) eine Interferometer-Meßeinrichtung (16) dem Referenz­element (26) zugeordnet ist, mittels derer das Refe­renzelement (26) vermessen und der Abstand zwischen dem Referenzelement (26) und dem Vermessungsbereich erfaßt wird, c) Vorrichtungen (14) zur Erzeugung einer Relativbe­wegung zwischen dem Werkstück (20) und der Meßein­richtung (16) vorgesehen sind.
26. Device for the contactless measurement of surfaces, in particular of large mirrors or the like, with a support structure which receives the workpiece, the surface of which is to be measured, and measuring devices for interferometric detection of the surface contour,
characterized in that a) at least one reference element (26) is provided, which extends at a distance substantially parallel to a measurement area of the surface (34), b) an interferometer measuring device (16) is assigned to the reference element (26), by means of which the reference element (26) is measured and the distance between the reference element (26) and the measurement area is recorded, c) Devices (14) for generating a relative movement between the workpiece (20) and the measuring device (16) are provided.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Tragstruktur (12, 14) zur Aufnahme des Werkstücks mit bezüglich der Gravita­tionsrichtung im wesentlichen waagerecht liegender Ober­flächen-Hauptebene vorgesehen ist.
27. The apparatus according to claim 26,
characterized in that a supporting structure (12, 14) is provided for receiving the workpiece with the main surface plane lying substantially horizontal with respect to the direction of gravity.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur von einem Rundtisch mit einer Spindel (14) gebildet wird, die um eine vertikale Rotationsachse drehbar ist.
28. The device according to claim 27,
characterized in that the support structure is formed by a rotary table with a spindle (14) which is rotatable about a vertical axis of rotation.
29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur bzw. der Rundtisch eine luftgelagerte Spindel (14) aufweist, der ein Encoder zur Ermittlung der Winkelstellung der Spindel bezüglich der nicht verdrehten Tragstruktur zugeordnet ist, wobei die Spindel vorzugsweise einen Axialschlag von weniger als 0,1 Bogensekunden aufweist.
29. The device according to claim 27 or 28,
characterized in that the support structure or the rotary table has an air-bearing spindle (14) to which an encoder is assigned for determining the angular position of the spindle with respect to the non-rotated support structure, the spindle preferably having an axial stroke of less than 0.1 arc seconds.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur einen im Betrieb nicht mitverdrehten Grundrahmen (12) umfaßt.
30. Device according to one of claims 27 to 29,
characterized in that the supporting structure comprises a base frame (12) which is not rotated during operation.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 30,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen (16) ortsfest oberhalb der Oberfläche (34) des Werkstücks (20) angeordnet, insbesondere am Grundrahmen (12) aufgehängt bzw. abgestützt sind und bei der Verdrehung des Werk­stücks nicht mitverdreht werden.
31. Device according to one of claims 26 to 30,
characterized in that the measuring devices (16) are arranged in a stationary manner above the surface (34) of the workpiece (20), in particular are suspended or supported on the base frame (12) and are not rotated when the workpiece is rotated.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 31,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine hori­zontal, insbesondere von der Rotationsachse radial bis über die äußere Begrenzung der zu bearbeitenden Ober­fläche (34) hinaus verlaufende Führungsbahn (24) auf­weist, entlang derer der Interferometer-Meßkopf (28) verfahrbar ist.
32. Device according to one of claims 26 to 31,
characterized in that the measuring device has a guide track (24) which extends horizontally, in particular radially from the axis of rotation to beyond the outer boundary of the surface (34) to be machined, along which the interferometer measuring head (28) can be moved.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 32,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere gleiche Meßeinrichtungen (16) vorgesehen sind, insbesondere drei um 120° um die Rotationsachse des Rundtisches winkelbe­abstandete Meßeinrichtungen (16) vorgesehen sind.
33. Device according to one of claims 26 to 32,
characterized in that several identical measuring devices (16) are provided, in particular three measuring devices (16) spaced at an angle of 120 ° about the axis of rotation of the rotary table.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 33,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen (16) mit Encodern wie beispielsweise Glasmaßstäben oder der­gleichen zur Erfassung der Stellung, insbesondere der Radialstellung des jeweiligen Meßkopfes (28) versehen sind, wobei sich die Encoder insbesondere entlang den Führungsbahnen (24) erstrecken.
34. Device according to one of claims 26 to 33,
characterized in that the measuring devices (16) are provided with encoders such as glass scales or the like for detecting the position, in particular the radial position, of the respective measuring head (28), the encoders in particular extending along the guideways (24).
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 34,
dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometer-Meßein­richtungen (16) als scannende Heterodyn-Interferometer ausgebildet sind, wobei insbesondere die Laserköpfe und Empfänger (22) nahe der Rotationsachse des Rundtisches bzw. der Spindel (14) angeordnet sind.
35. Device according to one of claims 26 to 34,
characterized in that the interferometer measuring devices (16) are designed as scanning heterodyne interferometers, in particular the laser heads and receivers (22) being arranged near the axis of rotation of the rotary table or the spindle (14).
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 35,
dadurch gekennzeichnet, daß ein interferometrischer Wellenlängen-Kompensator vorgesehen ist, der luftdruck­ abhängige Wellenlängenänderungen zur Kompensation er­faßt.
36. Device according to one of claims 26 to 35,
characterized in that an interferometric wavelength compensator is provided, the air pressure dependent wavelength changes detected for compensation.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelemente (26) im wesentlichen linear ausgebildet sind und sich ins­besondere parallel zur zugeordneten Führungsbahn (24) erstrecken, und insbesondere aus langgestreckten mechanisch formstabilen Körpern, beispielsweise einem polierten Zerodurlineal, bestehen.
37. Device according to one of claims 26 to 36,
characterized in that the reference elements (26) are essentially linear and in particular extend parallel to the associated guideway (24), and in particular consist of elongated mechanically dimensionally stable bodies, for example a polished Zerodur ruler.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 37,
dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelemente (26) im Abstand einiger Millimeter über der zu bearbeitenden Oberfläche (34) aufgehängt bzw. abgestützt sind.
38. Device according to one of claims 26 to 37,
characterized in that the reference elements (26) are suspended or supported at a distance of a few millimeters above the surface (34) to be processed.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 38,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiteres unabhängiges Interferometer zur Erfassung des Axial­schlags der Spindel, zur Erfassung von Vibrationen der Vorrichtung und dergleichen vorgesehen ist.
39. Device according to one of claims 26 to 38,
characterized in that at least one further independent interferometer is provided for detecting the axial stroke of the spindle, for detecting vibrations of the device and the like.
40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 39,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Computer zur Speicherung der Sollkontur-Daten, der Istkontur-Meßdaten und zur Be­rechnung der Differenz zwischen beiden vorgesehen ist.
40. Device according to one of claims 26 to 39,
characterized in that a computer is provided for storing the target contour data, the actual contour measurement data and for calculating the difference between the two.
41. Vorrichtung zur abtragenden Bearbeitung von Ober­flächen, insbesondere zum Feinstpolieren großflächiger Spiegel oder dergleichen, mit einer das Werkstück, dessen Oberfläche zu bearbeiten ist, aufnehmenden Tragstruktur, wenigstens einem abtragenden Bearbeitungswerkzeug, Vorrichtungen zur Relativbewegung von Werkstück und Bearbeitungswerkzeug sowie Meßvorrichtungen zur interferometrischen Erfassung der Oberflächenkontur,
dadurch gekennzeichnet, daß a) wenigstens ein Referenzelement (26) vorgesehen ist, das sich beabstandet im wesentlich parallel zu einem Bearbeitungsbereich der Oberfläche (34) erstreckt, b) eine Interferometer-Meßeinrichtung (16) dem Referenz­element (26) zugeordnet ist, mittels derer das Refe­renzelement (26) vermessen und der Abstand zwischen dem Referenzelement (26) und dem Bearbeitungsbereich erfaßt wird, c) wenigstens eine von der Meßeinrichtung (16) beab­standete Bearbeitungseinheit (18) vorgesehen ist, mittels derer das Bearbeitungswerkzeug (30) ab­tragend über den gesamten Bearbeitungsbereich beweg­bar ist, und d) Vorrichtungen (14) zur Erzeugung einer Relativbe­wegung zwischen dem Werkstück (20) einerseits und der Meßeinrichtung (16) sowie der Bearbeitungseinheit (18) andererseits vorgesehen sind, um den Bear­beitungsbereich nacheinander mit der Meßeinrichtung (16) und der Bearbeitungseinheit (18) in einander entsprechende Relativstellungen zu bringen.
41. Device for the removal of surfaces, in particular for the fine polishing of large-area mirrors or the like, with a support structure which receives the workpiece whose surface is to be processed, at least one removal tool, Devices for the relative movement of workpiece and processing tool as well as measuring devices for the interferometric detection of the surface contour,
characterized in that a) at least one reference element (26) is provided, which extends at a distance substantially parallel to a processing area of the surface (34), b) an interferometer measuring device (16) is assigned to the reference element (26), by means of which the reference element (26) is measured and the distance between the reference element (26) and the processing area is detected, c) at least one processing unit (18) spaced from the measuring device (16) is provided, by means of which the processing tool (30) can be removed and moved over the entire processing area, and d) Devices (14) for generating a relative movement between the workpiece (20) on the one hand and the measuring device (16) and the processing unit (18) on the other hand are provided to the processing area in succession with the measuring device (16) and the processing unit (18) in to bring corresponding relative positions.
42. Vorrichtung nach Anspruch 41,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Tragstruktur (12, 14) zur Aufnahme des Werkstücks mit bezüglich der Gravita­ tionsrichtung im wesentlichen waagerecht liegender Ober­flächen-Hauptebene vorgesehen ist.
42. Device according to claim 41,
characterized in that a support structure (12, 14) for receiving the workpiece with respect to the gravita tion direction is essentially horizontally lying surface main plane.
43. Vorrichtung nach Anspruch 42,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur von einem Rundtisch mit einer Spindel (14) gebildet wird, die um eine vertikale Rotationsachse drehbar ist.
43. Device according to claim 42,
characterized in that the support structure is formed by a rotary table with a spindle (14) which is rotatable about a vertical axis of rotation.
44. Vorrichtung nach Anspruch 42 oder 43,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur bzw. der Rundtisch eine luftgelagerte Spindel (14) aufweist, der ein Encoder zur Ermittlung der Winkelstellung der Spindel bezüglich der nicht verdrehten Tragstruktur zugeordnet ist, wobei die Spindel vorzugsweise einen Axialschlag von weniger als 0,1 Bogensekunden aufweist.
44. Device according to claim 42 or 43,
characterized in that the support structure or the rotary table has an air-bearing spindle (14) to which an encoder is assigned for determining the angular position of the spindle with respect to the non-rotated support structure, the spindle preferably having an axial stroke of less than 0.1 arc seconds.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 42 bis 44,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur einen im Betrieb nicht mitverdrehten Grundrahmen (12) umfaßt.
45. Device according to one of claims 42 to 44,
characterized in that the supporting structure comprises a base frame (12) which is not rotated during operation.
46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 45,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen (16) und die Bearbeitungseinheiten (18) ortsfest oberhalb der Oberfläche (34) des Werkstücks (20) angeordnet, insbesondere am Grundrahmen (12) aufgehängt bzw. abgestützt sind und bei der Verdrehung des Werkstücks nicht mitverdreht werden.
46. Device according to one of claims 41 to 45,
characterized in that the measuring devices (16) and the processing units (18) are arranged in a stationary manner above the surface (34) of the workpiece (20), in particular are suspended or supported on the base frame (12) and are not rotated when the workpiece is rotated.
47. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 46,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung und die Bearbeitungseinheit horizontal, insbesondere von der Rotationsachse radial bis über die äußere Begrenzung der zu bearbeitenden Oberfläche (34) hinaus verlaufende Führungsbahnen (24 bzw. 32) aufweisen, entlang derer einesfalls der Interferometer-Meßkopf (28), andernfalls das Bearbeitungswerkzeug (30) verfahrbar ist.
47. Device according to one of claims 41 to 46,
characterized in that the measuring device and the processing unit horizontally, in particular radially from the axis of rotation to beyond the outer boundary of the surface (34) to be machined have guideways (24 or 32), along which the interferometer measuring head (28), otherwise the machining tool (30) can be moved.
48. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 47,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere gleiche, alternierend angeordnete Meßeinrichtungen (16) und Bearbeitungseinheiten (18) vorgesehen sind, insbe­sondere drei um 120° um die Rotationsachse des Rund­tisches winkelbeabstandete Meßeinrichtungen (16) und drei um 120° um die Rotationsachse winkelbeabstandete Bearbeitungseinheiten (18) so vorgesehen sind, daß einander benachbarte Meßeinrichtungen und Bearbeitungs­einheiten unter einem Winkel von 60° zueinander liegen.
48. Device according to one of claims 41 to 47,
characterized in that several identical, alternately arranged measuring devices (16) and processing units (18) are provided, in particular three measuring devices (16) spaced at an angle of 120 ° about the axis of rotation of the rotary table and three processing units (18) at an angle of 120 ° around the axis of rotation are provided so that adjacent measuring devices and processing units are at an angle of 60 ° to each other.
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 48,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen (16) und die Bearbeitungseinheiten (18) mit Encodern wie beispielsweise Glasmaßstäben oder dergleichen zur Er­fassung der Stellung, insbesondere der Radialstellung des jeweiligen Meßkopfes (28) bzw. Werkzeugs (30) versehen sind, wobei sich die Encoder insbesondere entlang den Führungsbahnen (24 bzw. 32) erstrecken.
49. Device according to one of claims 41 to 48,
characterized in that the measuring devices (16) and the processing units (18) are provided with encoders such as, for example, glass scales or the like for detecting the position, in particular the radial position of the respective measuring head (28) or tool (30), the encoders in particular extend along the guideways (24 or 32).
50. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 49,
dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometer-Meßein­richtungen (16) als scannende Heterodyn-Interferometer ausgebildet sind, wobei insbesondere die Laserköpfe und Empfänger (22) nahe der Rotationsachse des Rundtisches bzw. der Spindel (14) angeordnet sind.
50. Device according to one of claims 41 to 49,
characterized in that the interferometer measuring devices (16) are designed as scanning heterodyne interferometers, in particular the laser heads and receivers (22) being arranged near the axis of rotation of the rotary table or the spindle (14).
51. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 50,
dadurch gekennzeichnet, daß ein interferometrischer Wellenlängen-Kompensator vorgesehen ist, der luftdruck­abhängige Wellenlängenänderungen zur Kompensation er­faßt.
51. Device according to one of claims 41 to 50,
characterized in that an interferometric wavelength compensator is provided which detects changes in wavelength dependent on air pressure for compensation.
52. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 51,
dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelemente (26) im wesentlichen linear ausgebildet sind und sich ins­besondere parallel zur zugeordneten Führungsbahn (24) erstrecken, und insbesondere aus langgestreckten mechanisch formstabilen Körpern, beispielsweise einem polierten Zerodurlineal, bestehen.
52. Device according to one of claims 41 to 51,
characterized in that the reference elements (26) are essentially linear and in particular extend parallel to the associated guideway (24), and in particular consist of elongated mechanically dimensionally stable bodies, for example a polished Zerodur ruler.
53. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 52,
dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelemente (26) im Abstand einiger Millimeter über der zu bearbeitenden Oberfläche (34) aufgehängt bzw. abgestützt sind.
53. Device according to one of claims 41 to 52,
characterized in that the reference elements (26) are suspended or supported at a distance of a few millimeters above the surface (34) to be processed.
54. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 53,
dadurch gekennzeichnet, daß elektronische Steuervor­richtungen zur Führung der Werkzeuge (30) auf der Radialposition des Meßkopfes (28) der bezüglich des Bearbeitungsablaufs der Oberfläche (34) vorausgehenden Meßeinrichtung (16) sowie zum Aufsetzen und Abheben des Bearbeitungswerkzeugs (30) auf die bzw. von der Ober­fläche (34) vorgesehen sind.
54. Device according to one of claims 41 to 53,
characterized in that electronic control devices for guiding the tools (30) on the radial position of the measuring head (28) of the measuring device (16) preceding the processing sequence of the surface (34) and for placing and lifting the processing tool (30) on or from the surface (34) are provided.
55. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 54,
dadurch gekennzeichnet, daß Druckeinstellvorrichtungen für das Bearbeitungswerkzeug (30) vorgesehen sind, die den Bearbeitungsdruck des Werkzeugs so einzustellen gestatten, daß der Materialabtrag bei einem Bearbei­tungsschritt höchstens gleich der zulässigen Kontur­toleranz ist.
55. Device according to one of claims 41 to 54,
characterized in that pressure adjusting devices for the machining tool (30) are provided, which adjust the machining pressure of the tool in this way allow the material removal in a machining step to be at most equal to the permissible contour tolerance.
56. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 55,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiteres unabhängiges Interferometer zur Erfassung des Axial­schlags der Spindel, zur Erfassung von Vibrationen der Vorrichtung und dergleichen vorgesehen ist.
56. Device according to one of claims 41 to 55,
characterized in that at least one further independent interferometer is provided for detecting the axial stroke of the spindle, for detecting vibrations of the device and the like.
57. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 56,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Computer zur Speicherung der Sollkontur-Daten, der Istkontur-Meß­daten, zur Berechnung der Differenz zwischen beiden und zur Steuerung der der jeweiligen Meßeinrichtung (16) zuge­ordneten Bearbeitungseinheit (18) vorgesehen ist.
57. Device according to one of claims 41 to 56,
characterized in that a computer is provided for storing the target contour data, the actual contour measurement data, for calculating the difference between the two and for controlling the processing unit (18) associated with the respective measuring device (16).
58. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 57,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Säuberungs-, insbe­sondere Absaugvorrichtung zur Entfernung von Abtragungs­rückständen von der Oberfläche vorgesehen ist.
58. Device according to one of claims 41 to 57,
characterized in that a cleaning device, in particular a suction device, is provided for removing removal residues from the surface.
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