EP1478490A2 - Verfahren zum nachschleifen und polieren von freiformfl chen , insbesondere von rotationssymmetrischen asph rischen optis chen linsen - Google Patents

Verfahren zum nachschleifen und polieren von freiformfl chen , insbesondere von rotationssymmetrischen asph rischen optis chen linsen

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EP1478490A2
EP1478490A2 EP03742562A EP03742562A EP1478490A2 EP 1478490 A2 EP1478490 A2 EP 1478490A2 EP 03742562 A EP03742562 A EP 03742562A EP 03742562 A EP03742562 A EP 03742562A EP 1478490 A2 EP1478490 A2 EP 1478490A2
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EP
European Patent Office
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tool
tools
free
polishing
removal
Prior art date
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EP03742562A
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English (en)
French (fr)
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EP1478490B1 (de
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Sven Kiontke
Hermann DÖHLER
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Asphericon GmbH
Original Assignee
Asphericon GmbH
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Publication date
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Publication of EP1478490B1 publication Critical patent/EP1478490B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B51/00—Arrangements for automatic control of a series of individual steps in grinding a workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B24B13/06—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor grinding of lenses, the tool or work being controlled by information-carrying means, e.g. patterns, punched tapes, magnetic tapes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring 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

Definitions

  • the invention relates to a method for grinding and polishing free-form surfaces, in particular rotationally symmetrical aspherical optical lenses.
  • these aspherical lenses have special optical properties that theoretically represent the physical optimum. In practice, this means that the images realized with these aspherical lenses are much brighter and sharper. You avoid errors like spherical aberration.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages.
  • rotationally symmetrical free-form surfaces In contrast to any free-form surfaces, rotationally symmetrical free-form surfaces have a regular shape in the form of their rotational symmetry. It is irrelevant how the lens is rotated within its axis of symmetry, the cross-section of the surface shape as for example in Fig. 4 surface (1) remains the same. If the same surfaces are processed using methods that utilize the rotational symmetry (see also FIG. 4), the surface defects are also distributed rotationally symmetrically. Then it is possible to control the removal only radially. To control such processing, the method presented is converted into a one-dimensional form. The virtual removal and the distribution of the areas is limited to the one-dimensional, radial area (see FIG. 5). The machining then takes place with the rotation of the tool and workpiece.
  • overlapping areas are also permitted.
  • the areas B1, B2, B3 ... B9 shown in FIG. 10 overlap in pairs by 50%. For example, B3 overlaps half with B4 and half overlaps with B5. There are 16 common support points or calculation points.
  • this process enables the use of tools (2) with diameters from one eighth to one quarter of the diameter of the workpiece (Fig. 11) and is still able to correct the surface (1) (see also in embodiment).
  • tools (2) with diameters from one eighth to one quarter of the diameter of the workpiece (Fig. 11) and is still able to correct the surface (1) (see also in embodiment).
  • the use of these tools alone enables a more than six-fold increase in removal and a corresponding reduction in processing time.
  • the existing errors (7 in FIG. 12), which must be removed in order to achieve the required accuracy, are decisive for the use of tools. It is generally known that the tools used for correlating may only be as wide as the narrowest error, here 20 mm, which must be removed. With this method it is possible to use tools that are twice as wide or. have twice the diameter of 40 mm as the errors to be corrected. The errors are corrected as before, but in a quarter of the time, since the machining area quadruples with the tool, which is twice as wide as before.
  • the polishing or grinding film (14 from FIG. 13), the material of the tool (2) coming into contact with the processing surface should have a homogeneous structure which is free from bubbles, cracks or the like.
  • the composition of the material itself should also be macroscopically uniform.
  • a reproducible removal is essentially achieved when the tools rest vertically on the surface.
  • 16 illustrates an arrangement of several tools, all of which lie tangentially on the surface.
  • machining the surface is also possible and useful if the tools are not moving.
  • the tools are arranged in such a way that the entire free-form surface is machined, which is the case in the example from FIG. 14.
  • each of the individual tools is controlled separately.
  • it is easier, especially if the handling system of the tools for several lenses is to be universal, if each of the tools has a movable foot that meets the condition that the tool lies tangentially on the free surface even if it is not entirely correct Delivery guaranteed.
  • the individual tools can be mechanically bundled in a rod-shaped composite (18).
  • Round composites (17) are also an option for combining individual tools (2). In terms of the tangential support of the tool, they are particularly advantageous on a round, rotationally symmetrical free-form surface (1).
  • the exemplary embodiment relates to an aspherical optical lens that is to be corrected.
  • the lens is measured interferometrically.
  • FIG. 3 shows the error distribution measured before processing. Since the previous polishing out of the lens, as can be seen very well in FIG. 3, already took place in a rotationally symmetrical manner, the errors present on the surface are distributed rotationally symmetrically. In the meantime, both the lens and the tool rotate, the tool travels radially from the edge of the lens with a vertical orientation to its surface to the center of the lens (FIG. 4). The correction of the errors should be controlled along this path by the dwell time. In contrast to general free-form surfaces, the entire error analysis for the correction of this lens is limited to the radial distance. A somewhat descriptive example is chosen here to simplify the illustration. The application of the method to general free-form surfaces means only a transformation in two dimensions, i.e. the use of a surface instead of only one (radial) path.
  • the error of the entire measured area is first averaged over the radial average. 5 shows the result in curve 7.
  • the entire method works on 130 support points, on which calculations are made. The virtual removal is known for each position. Building on this, a dwell time is generated and used to control the removal during processing. Each of these interpolation points was generated with measured values from FIG. 3. In this example, these 130 support points correspond to a distance of 20 mm.
  • the virtual removal of the tool is calculated on the basis of footprints for the entire surface.
  • the tool has a width of 33 points, about 5 mm.
  • the areas should have the width of the tool.
  • a system of equations is now set up and solved for each of these areas, which reduces the error of the surface in this area by the influence of the adjacent areas estimated for the zero approximation (for Bl: B2 / for B2: Bl, B3 / for B3: B2, B4 / and for B4: B3) and the virtual removal at each of the 33 positions belonging to the area.
  • the example shows that the method is able to correct difficult surface defects in an extremely short time when using large tools.
  • the large tool diameter ratio tool: workpiece / 1: 8
  • the ability of the process to remove just enough to reduce only the actually existing error plays a significant part in the shortening of the production time.
  • FIG. 6 shows a curve 13 which illustrates how much removal is removed in such cases. In this case, the processing time would increase to 20 minutes. It is also crucial that this result was achieved in one processing step without repeated measuring and reworking.
  • Fig. 1 division of a round free-form surface (1) in areas (3) when using the
  • Fig. 2 Division of a rectangular free-form surface (4) into areas (3) which are delimited by the area boundaries (5) and correspond to the size of the tool (2) (top view on the free-form surface)
  • Fig. 3 Two-dimensional error distribution (6) of a rotationally symmetrical optical
  • FIG. 5 Radial average of the error distribution (7) on the rotationally symmetrical optical lens from FIG. 4; this corresponds to the minimum necessary removal 6: shifted radial average of the error distribution (13) on the rotationally symmetrical optical lens from FIG. 4; This corresponds to the removal that has often been carried out to date
  • Fig. 7 Illustration of the method with the actual state of the surface defect (7), the forecast removal (sum of 8 and 9) and the forecast remaining error after processing (10) Residence times determined by the method (11)
  • Fig. 9 The remaining on the surface processed with these residence times (11)
  • Fig. 10 Exemplary distribution of 50% overlapping areas (Bl, ..., B9) within a radial average of a rotationally symmetrical surface
  • Fig. 11 Size relationships between tool and workpiece 1: 8 and 1: 4
  • Fig. 12 Size comparison between the narrowest error in the error distribution () and the
  • Tool (2) Fig. 13 Tool with adapted polishing or grinding film (14) with vertical edges (15)
  • Fig. 14 Arrangement of several tools (2) on the round free-form surface (1)
  • Fig. 15 Arrangement of several tools (2) on the rectangular free-form surface (4)
  • Fig. 16 Arrangement of several tools (2) that are tangential Lie on the freeform surface (1) with a vertical orientation.
  • Fig. 17 Arrangement of round mechanical assemblies (17) of tools (2) on a round free-form surface (1)
  • Fig. 18 Arrangement of rod-shaped mechanical assemblies (18) of tools (2) on a rectangular free-form surface (4)

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Description

Verfahren zum Schleif en . und Polieren von Freiformflächen, insbesondere von rotationssymmetrischen asphärischen optischen Linsen
"Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen und Polieren von Freiforrnflächen, insbesondere von rotationssyinmetrischen asphärischen optischen Linsen. Im Gegensatz zu bisher vielfach eingesetzten sphärischen Linsen besitzen diese asphärischen Linsen spezielle optische Eigenschaften, die theoretisch das physikalische Optimum darstellen. Das bedeutet in der Praxis, daß die mit diesen, asphärischen Linsen realisierten Abbildungen wesentlich lichtstärker und schärfer sind. Sie vermeiden Fehler wie die sphärische Abberation. hnliches gilt für die noch unregelmäßigeren Flächen, die hier als Freiforrnflächen bezeichnet werden. Sie können konische, wellenartige, zylindrische oder andere Formen annehmen. Die möglichen Einsatzgebiete sind bei ihnen noch größer. Es besteht folglich die dringende Notwendigkeit, diese Oberflächen kostengünstig zu fertigen. Dies ist derzeit nicht möglich, da sich alle im Einsatz befindlichen Verfahren auf die Fähigkeiten erfahrener Bediener und / oder den Einsatz von Produl tionsautomaten stützen, die nur mit sehr kleinen Werkzeugen arbeiten. Die Durchmesser- dieser Werkzeuge sind meist nur etwa ein Zehntel so groß wie die der Werkstücke. Aus diesem Grund sind die bisher schleifend und polierend hergestellten Asphären sehr teuer.
Diese Erfindung setzt an diesen Problempunkten an. Zum einen werden das Schleifen und das Polieren und hierbei im besonderen die korrespondierenden Korrekturdurchgänge nicht mehr von Hand, sondern durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 fortfolgend (ff) gesteuert. Zum anderen sorgen die in den Ansprüchen 23 ff beschriebenen Werkzeuge für einen wesentlich höheren, aber trotzdem genau steuerbaren und reproduzierbaren Abtrag. Die Erfindung ermöglicht damit wesentlich geringere Fertigungskosten.
Es gab bereits mehrere Versuche diese Problematik zu lösen, .unter anderem durch das Verfahren des Patentes JP9066464. Bisher jedoch ohne Erfolg. Bei dem in dieser Druckschrift offenbarten Verfahren wird die zu bearbeitende Oberfläche in Bereiche eingeteilt. Anschließend werden alle diese zusammen in einem linearen Gleichungssystem berechnet, hi der Praxis ist es jedoch unmöglich, ein solches Gleichungssystem in Kombination mit effektiven Werkzeugen für die gesamte Freiformfiäche zu lösen. Daraufweist auch das in der besagten Drucksschrift beschriebene Beispiel durch seine extreme Einfachheit hin. Der hier dargestellte Fehler ist in dem Sinne gar keiner, da nur eine fast ebene Fläche bearbeitet wird. Folglich ist es nicht möglich, mit diesem Verfahren die Genauigkeit der Oberfläche durch entsprechende Steuerung der Werkzeuge zu steigern.
Gegenstand der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Freiformfläche (1 oder 4) in Bereiche (Fig.l und Fig.2), z.B. von der Größe des Werkzeuges entsprechend, aufgeteilt wird. Jeder dieser Bereiche enthält dann noch immer eine Vielzahl von Stellen, die in die Berechnung einfließen und wird einzeln mit einem separaten linearen Gleichungssystem gelöst. Da sich die Bereiche gegeneinander resultierend aus der Breite des Bearbeitungswerkzeuges beeinflussen, muß man deren Wechselwirkung berücksichtigen. Zu diesem Zweck fließt in das jeweilige lineare Gleichungssystem eine nullte Näherung ein, welche diese Wechselwirkung abschätzt. Diese Wechselwirkung zeigt auch das auf der Fläche (4) im Bereich B8 positionierte Werkzeug (2), welches trotzdem B7 bearbeitet und damit beeinflusst.
Weiterhin werden alle Werkstück- und Werkzeugspezifika wie die Rotationsgeschwindigkeiten berücksichtigt. Die aus der Vielzahl der Gleichungssysteme resultierende Vielzahl der Lösungsmengen werden wieder kombiniert und zur Steuerung des Werkzeuges während des Schleifens oder Polierens eingesetzt.
In Abhängigkeit von der erforderlichen Oberflächengenauigkeit und den vorhandenen Fehlern im Vergleich zum Durchmesser des verwendeten Werkzeuges sind unterschiedliche Größen der Bereiche sinnvoll. Auf Grund der Wechselwirkung der Bereiche untereinander in Abhängigkeit von der Werkzeugbreite ist es sinnvoll, daß die Bereiche die gleiche oder die doppelte Breite des Werkzeuges aufweisen (siehe auch Fig. 2).
Durch die Kontrolle der das Schleifen und das Polieren bestimmenden Einflussfaktoren besteht die Möglichkeit, den Abtrag auf der Oberfläche per Verweildauer und/oder per Rotationsgeschwindigkeit und/oder per Anpreßdruck des Werkzeuges und/oder per Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes zu, steuern.
Durch den Einsatz des Verfahrens wird es möglich, gerade nur so' viel Material von der Oberfläche abzutragen, daß die Sollfläche danach so entsteht, daß der tiefste Punkt der unkorrigierten (Ist-) Fläche (Fig. 5 Minima der Kurve 7), da dieser nahezu nicht bearbeitet wurde, immer noch Teil der erzeugten Sollfläche ist. Praktisch wui'de so wenig wie möglich Material abgetragen, aber trotzdem die Sollform realisiert. Es wurde der minimal notwendige Abtrag realisiert. Dies ist ein entscheidender Aspekt zur Reduzierung der Bearbeitungszeit. Bisher wird meist so lange poliert, bis irgendwann die Mindestgenauigkeit erfüllt wird. Das hat zur Folge, daß eher so viel Material wie in Fig. 6 Kurve 13 dargestellt abgetragen und die Bearbeitung damit unnötig verlängert wird.
Im Gegensatz zu beliebigen Freiforrnflächen weisen rotationssymmetrische Freiforrnflächen eine Regelmäßigkeit in Form Ihrer Rotationssymmetrie auf. Es ist unerheblich, wie die Linse innerhalb Ihrer Symmetrieachse verdreht wird, der Querschnitt der Oberflächenform wie beispielsweise in Fig. 4 Oberfläche (1) bleibt gleich. Werden selbige Oberflächen mit Verfahren, welche die Rotationssymmetrie ausnutzen (siehe ebenfalls Fig. 4), bearbeitet, so sind auch die Fehler der Oberfläche rotationssymmetrisch verteilt. Dann ist es möglich, die Steuerung des Abtrages nur radial durchzuführen. Für die Steuerung einer solchen Bearbeitung wird das vorgestellte Verfahren in eine eindimensionale Form überführt. Der virtuelle Abtrag und die Verteilung der Bereiche beschränkt sich auf den eindimensionalen, radialen Bereich (siehe Fig. 5). Die Bearbeitung geschieht dann unter Rotation von Werkzeug und Werkstück.
Da bisher keine Verfahren existieren, die den Einsatz großer Werkzeuge ermöglichen und gleichzeitig die Oberflächengenauigkeit erhöhen bzw. auf ein gewünschtes Maß steigern, war es bisher immer notwendig, mehrfach nachzubearbeiten und wiederholt nachzumessen. Dieses Verfahren ermöglicht erstmals simultan den Einsatz großer Werkzeuge bei gleichzeitiger Steigerung der Oberflächengenauigkeit in einem Bearbeirungsdurchgang. Beide Aspekte in Kombination mit der Kontrolle aller die Bearbeitung beeinflussenden Größen verringern die Produktionszeit auf zehn und weniger Minuten (vergleiche hierzu auch das Ausfülrrungsbeispiel).
Zum Teil werden sehr hohe Anforderung an die Genauigkeit der Oberflächen gestellt. Trotzdem sollen die Fertigungskosten gering gehalten werden. Bisher ist das nicht möglich. Bereits bei vergleichsweise großen und breiten Fehlern, wird mit kleinen Werkzeugen gearbeitet, woraus sehr lange Fertigungszeiten resultieren. Dazu kommt, daß zwischen den Bearbeitungsdurchgängen, sowohl bei der Verwendung von gleichen als auch von anderen, gewechselten Werkzeugen, wiederholt die Oberfläche vermessen wird. Dies erfordert durch Ein- und Ausspannen und die erforderliche Meßzeit einen hohen Aufwand, der die Produktionskosten stark mehrt.
Durch die werkzeugspezifische Verwendung des virtuellen Abtrages dieses Verfahrens, ist das Ergebnis einer ersten Bearbeitung mit einem größeren Werkzeug auch ohne Nachmessung bekannt (siehe Fig. 7 Kurve 10). Darauf aufbauend kann zur weiteren Steigerung der Genauigkeit auf Basis desselben Verfahrens unter Anwendung eines anderen für das kleinere Werkzeug spezifischen virtuellen Abtrages eine Steuerung für die sich anschließende Bearbeitung mit diesem Ideineren Werkzeug berechnet werden. Die Gesamtbearbeitung ist wesentlich kürzer, als wenn von Beginn an nur mit dem zuletzt verwendeten, kleineren Werkzeug bearbeitet worden wäre. Die Einsparung des Nachmessens ermöglicht weitere Kostensenkungen.
Um die Einsatzbereiche des Verfahrens zu vergrößern, werden neben nicht überlappenden Bereichen auch überlappende Bereiche zugelassen. Die in Fig. 10 gezeigten Bereiche Bl, B2, B3 ... B9 überlappen paarweise zu 50 %. Beispielsweise überlappt B3 zur Hälfte mit B4 und dieser wiederum zur Hälfte mit B5. Es existieren jeweils 16 gemeinsame Stützstellen bzw. Berechnungspunkte.
Eine Ausweitung der Überlappung der Bereiche bis zu dem Extremfall, daß sich benachbarte Bereiche nur noch um einen Wert unterscheiden, ergibt um so bessere Steuerungen für die Korrektur der Oberfläche. Für das Beispiel in Fig. 10 würde das bis zu 132 Bereiche (Bl, B2, ... , B 132) zur Folge haben.
Bezüglich der Überlappung der Bereiche gilt das entsprechende auch für den zweidimensionalen Fall. Die Anzahl der Bereiche nimmt hier quadratisch zu, da die Überlappung der Bereiche in zwei Dimensionen möglich ist.
Mit diesem Verfahren ist es erstmals möglich, asphärische Glaslinsen schleifend und polierend innerhalb von 20 min herzustellen. Insbesondere konkave Linsen stellen sehr hohe Ansprüche an die Steuerung während der Bearbeitung. Es ist unter Anwendung dieses Verfahrens erstmalig möglich, konkave Linsen mit einem best fit KLrihnmungsradius von weniger 50 mm innerhalb von 40 min. schleifend und polierend mit einer pv-Genauigkeit von besser als 600 nm herzustellen.
Zur entscheidenden Verringerung der Bearbeitungszeiten ermöglicht dieses Verfahren den Einsatz von Werkzeugen (2) -mit Durchmessern von einem Achtel bis einem Viertel des Durchmessers des Werkstückes (Fig. 11) und ist trotzdem in der Lage die Oberfläche (1) zu korrigieren (siehe auch im Ausführungsbeispiel). Im Vergleich mit bisherigen Werkzeugen mit der Größe von etwa einem Zehntel wird allein durch den Einsatz dieser Werkzeug eine mehr als Versechsfachung des Abtrages und eine entsprechende Verkürzung der Bearbeitungszeit möglich.
Bestimmend für den Einsatz von Werkzeugen sind die vorhandenen Fehler (7 in Fig. 12), die zum Erreichen der geforderten Genauigkeit entfernt werden müssen. Allgemein bekannt ist, daß die zur Korrel tur verwendeten Werkzeuge nur so breit sein dürfen, wie der schmälste Fehler, hier 20 mm, der entfernt werden muß. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Werkzeuge einzusetzen, die doppelt so breit sind resp. den doppelten Durchmesser von 40 mm aufweisen, wie die zu korrigierenden Fehler. Die Fehler werden wie bisher korrigiert, jedoch in einem viertel der Zeit, da sich die Bearbeitungsfläche mit dem im Vergleich zu bisher doppelt so breiten Werkzeug vervierfacht.
Um einen über die Zeit konstanten Abtrag zu gewährleisten, müssen die Bearbeitungsbedingungen gleichbleibend sein. Deshalb soll die Polier- oder Schleiffolie (14 aus Fig. 13), das mit der Bearbeitungsoberfläche in Kontakt tretende Material des Werkzeuges (2), eine homogene Struktur besitzen, die frei von Blasen, Rissen oder ähnlichem ist. Auch die Zusammensetzung des Materiales selber soll makroskopisch gleichmäßig sein.
Damit aber trotzdem eine gleichmäßige Polier- oder Kühhnittelzufuhr (16) gewährleistet werden kann, werden senkrechte Kanten 15 (Fig. 13) in dieses homogene Material des Polieroder Schleifpad's eingebracht, durch die das Polier- oder Kühlmittel unter der gesamten Werkzeugfläche annähernd gleichmäßig wirken kann. Um die Bearbeitungsgeschwindigkeit weiter zu steigern, ist es notwendig, die Abtragsfläche zu vergrößern. Eine Vergrößerung der Werkzeuge ist jedoch nicht möglich, da dann die notwendige Genauigkeit nicht mehr erreicht werden kann.
Dieses Problem umgeht man, in dem mehrere Werkzeuge (2) gleichzeitig auf der Freiformfläche (1 oder 4) zur Bearbeitung eingesetzt werden (Fig. 14 und 15). Die erreichbare Genauigkeit ist ebenso hoch wie bei der Verwendung nur eines Werkzeuges dieser Größe.
Ein reproduzierbarer Abtrag wird hierbei im wesentlichen dann erzielt, wenn die Werkzeuge senkrecht auf der Oberfläche aufliegen. Fig. 16 verdeutlicht eine Anordnung mehrer Werkzeuge, die alle tangential auf der Oberfläche aufliegen.
Bei der Bearbeitung rotationssymmetrischer Freiforrnflächen ist die Bewegung jedes der Werkzeuge entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren entlang einer radialen Strecke vorteilhaft.
Sollen besonders viele Werkzeuge gleichzeitig die Fläche bearbeiten, ist es vorteilhaft, wenn die Bewegung der Werkzeuge entlang nicht-radialer Strecken erfolgt.
Sind die Werkzeuge besonders angeordnet, so ist eine Bearbeitung der Fläche auch dann möglich und sinnvoll, wenn sich die Werkzeuge nicht bewegen.
Es ist in diesem Fall anzustreben, daß bei rotierender Freiformfläche die Werkzeuge so angeordnet werden, daß die gesamte Freiformfläche bearbeitet wird, was in dem Beispiel aus Fig. 14 der Fall ist.
Nur durch die Anordnung mehrerer Werkzeuge ist es möglich, Freiforrnflächen, die weder sphärisch noch plan sind, mit mehr als 5 Prozent gleichzeitig bearbeiteter Fläche der gesamten Freiformfläche so zu bearbeiten, daß der Prozeß beherrschbar bleibt und seinen korrigierenden Charakter behält.
Der Einsatz mehrerer Werkzeuge wird damit verbessert, daß jedes der einzelnen Werkzeuge separat gesteuert wird. Beim Einsatz vieler Werkzeuge ist es, insbesondere wenn das Handlingsystem der Werkzeuge für mehrere Linsen .universell sein soll, einfacher, wenn jedes der Werlczeuge einen beweglichen Fuß aufweist, der die Bedingung, daß das Werkzeug tangential auf der Freifor fläche aufliegt auch bei nicht ganz korrekter Zustellung gewährleistet.
Die Steuerung mehrerer Werlczeuge auf einer Freifoπnfläche (1 oder 4) ist insbesondere auf kleinen Flächen technologisch sehr anspruchsvoll. Werden jeweils mehrere Werlczeuge (2) in mechanischen Verbunden zusammengefasst, ist bei venϊngerter feinmechanischer Komplexität eine Steuerung des Abtrages immer noch in ausreichendem Maße möglich. (Fig. 17 und 18)
Die einzelnen Werkzeuge können, wie in Fig. 18 zu sehen, in einem stabförmigen Verbund (18) mechanisch gebündelt werden.
Ebenfalls sind runde Verbünde (17) eine Möglichkeit Einzelwerkzeuge (2) zu kombinieren. Sie sind im Sinne der tangentialen Auflage des Werkzeuges speziell auf einer runden rotationssymmetrischen Freiformfläche (1) von Vorteil.
Selbige Verbünde werden unter Berücksichtigung des veränderten Abtrages, wie Einzelwerkzeuge mit dem Verfahren nach Anspruch 1 ff gesteuert. Der virtuelle Abtrag muß entsprechend angepaßt werden.
Ausführungsbeispiel:
Das Ausfuhrungsbeispiel betrifft eine asphärische optische Linse, die korrekturpoliert werden soll. Zu diesem Zweck wird die Linse interferometrisch vermessen. Die vor der Bearbeitung gemessene Fehlerverteilung zeigt Fig. 3. Da das vorangegangene Auspolieren der Linse, wie in Fig. 3 sehr gut zu sehen ist, bereits auf rotationssy metrische Weise stattfand, sind die auf der Oberfläche vorhandenen Fehler rotationssymmetrisch verteilt. Währenddessen sowohl die Linse als auch das Werkzeug rotieren, fährt das Werkzeug vom Rand der Linse auf radialem Weg mit senkrechter Ausrichtung zu deren Oberfläche zur Linsenmitte (Fig. 4). Die Korrektur der Fehler soll entlang dieses Weges durch die Verweilzeit gesteuert werden. Die gesamte Fehlerbetrachtung zur Korrektur dieser Linse wird im Gegensatz zu allgemeinen Freiforrnflächen auf die radiale Strecke begrenzt. Zur vereinfachten Darstellung wird hier ein etwas anschauliches Beispiel gewählt. Die Anwendung des Verfahrens bei allgemeinen Freiforrnflächen bedeutet lediglich eine Transformation in zwei Dimensionen, also die Verwendung einer Fläche anstatt nur einer (radialen) Strecke.
Der Fehler der gesamten, vermessenen Fläche wird zunächst auf den radialen Durchschnitt gemittelt. Das Ergebnis zeigt Fig. 5 in Kurve 7. Die innen liegende 0, der Anfang der Abszissenachse, bezeichnet den Linsennnttelpunkt, das rechts liegende Ende den Linsenrand. Dargestellt ist nur der Fehler der Oberfläche mit einem peak to valley (pv) von ca. 1700 nm. Das gesamte Verfahren arbeitet in diesem Beispiel auf 130 Stützstellen, auf denen gerechnet wird. Für jede Stelle ist der virtuelle Abtrag bekannt. Darauf aufbauend wird jeweils eine Verweilzeit erzeugt und zur Steuerung des Abtrages während der Bearbeitung genutzt. Jede dieser Stützstellen wurde mit Meßwerten der Fig. 3 erzeugt. Diese 130 Stützstellen entsprechen bei diesem Beispiel einer Strecke von 20 mm.
Der virtuelle Abtrag des Werkzeuges wird auf Basis eüies Footprints für die gesamte Oberfläche berechnet.
Nun wird die radiale Arbeitsstrecke von 20 mm in Bereiche eingeteilt (Fig. 5). Das Werkzeug hat eine Breite von 33 Punkten, etwa 5 mm. Die Bereiche sollen die Breite des Werkzeuges haben. Damit ergeben sich 4 Bereiche Bl, B2, B3 und B4. Für jeden dieser Bereiche wird jetzt ein Gleichungssystem aufgestellt und gelöst, welches den Fehler der Oberfläche in diesem Bereich gemindert um die mittels der Nullten Näherung abgeschätzte Beeinflussung der angrenzenden Bereiche (für Bl: B2 / für B2: Bl, B3 / für B3: B2, B4 / und für B4: B3) und den virtuellen Abtrag an jeder der zu dem Bereich gehörenden 33 Stellen enthält.
Als Ergebnis entstehen die in Fig. 8 dargestellten Verweilzeiten 11. Die aus den vier einzelnen Gleichungssystemen stammenden Verweilzeiten an den jeweils 33 Stellen wurden hier wieder zusammengefügt. Diese Verweilzeiten bedingen den prognostizierten Abtrag, der sich aus der Summe der Kurven 8 und 9 aus Fig. 7 zusammensetzt. Die resultierende, prognostizierte Fehlerverteilung der Oberfläche zeigt Kurve 10. Die Bearbeitung der Oberfläche mit dieser Verweilzeitsteuerüng benötigte 5,48 min. Die radial gemittelte Verteilung der Oberfläche nach der Korrelctur zeigt Fig. 9 in Kurve 12. Zwischen den Stützstellen 0 und 70 wurde eine Genauigkeit von besser 150 um erreicht. Von der Stelle 70 bis zum Rand der Linse konnte noch eine pv-Genauigkeit von pv 400 mn erreicht werden. Damit entspricht die prognostizierte Fehlerverteilung bis auf kleine Abweichungen im Betrag der tatsächlich nach der Bearbeitung entstandenen Fehlerverteilung.
Das Beispiel zeigt, daß das Verfahren in der Lage ist, bei Verwendung von großen Werkzeugen schwierige Oberflächenfehler in extrem kurzer Zeit zu korrigieren. Wesentlichen Anteil an der Verkürzung der Fertigungszeit hat neben dem großen Werkzeug (Durchmesserverhältnis Werkzeug : Werkstück / 1 : 8) die Fähigkeit des Verfahrens genau so viel abzutragen, daß nur der tatsächlich vorhandene Fehler abgetragen wird. Mit den bisher verwendeten Verfahren wurde meist sehr viel mehr Abtrag realisiert, so daß die Bearbeitung sehr viel mehr Zeit in Anspruch nahm. Fig. 6 zeigt eine Kurve 13, die veranschaulicht, wie viel Abtrag in solchen Fällen zu viel abgetragen wird. Die Bearbeitungszeit würde in dem Fall auf 20 min steigen. Entscheidend ist auch, daß dieses Ergebnis in nur einem Bearbeitungsdurchgang ohne wiederholtes Nachmessen und Nachbearbeiten erreicht wurde.
Beschreibung der Bilder:
Fig. 1: Einteilung einer runden Freiformfläche (1) in Bereiche (3) bei Anwendung des
Werkzeuges (2) mit Durchmesser 16 mm (Draufsicht auf die Freiformfläche) Fig. 2: Einteilung einer rechteckigen Freiformfläche (4) in durch die Bereichsgrenzen (5) voneinander abgegrenzte Bereiche (3), die der Größe des Werkzeuges (2) entsprechen (Draufsicht auf die Freiformfläche) Fig. 3: Zweidünensionale Fehlerverteilung (6) einer rotationssymmetrischen optischen
Linse (Asphäre) Fig. 4: Bewegungsabläufe bei der Bearbeitung einer rotationssymmetrischen optischen
Linse (1) mit einem (Polier-) Werkzeug (2) (Seitenansicht / Schnittdarstellung) Fig. 5: Radialer Durchschnitt der Fehlerverteilung (7) auf der rotationssymmetrischen optischen Linse aus Fig. 4; dies entspricht dem minimal notwendigen Abtrag Fig. 6: Verschobener radialer Durchschnitt der Fehlerverteilung (13) auf der rotationssymmetrischen optischen Linse aus Fig. 4; dies entspricht dem bisher oft realisierten Abtrag Fig. 7: Veranschaulichung des Verfahrens mit Ist-Zustand des Oberflächenfehlers (7), dem prognostizierten Abtrag (Summe aus 8 und 9) und dem prognostizierten verbleibendem Fehler nach der Bearbeitung (10) Fig. 8: Die durch das Verfahren bestimmten Verweilzeiten (11) Fig. 9: Der auf der mit diesen Verweilzeiten (11) bearbeiteten Oberfläche verbleibende
Oberflächenfehler (12) Fig. 10: beispielhafte Verteilung von zu 50 % überlappenden Bereichen (Bl, ..., B9) innerhalb eines radialen Durchschnitts einer rotationssymmetrischen Fläche Fig. 11 : Größenverhältnisse zwischen Werkzeug und Werkstück 1 :8 und 1 :4 Fig. 12: Größenvergleich zwischen dem schmälsten Fehler der Fehlerverteilung () und dem
Werkzeug (2) Fig. 13: Werkzeug mit adaptierter polier- oder Schleiffolie (14) mit senkrechten Kanten (15) Fig. 14: Anordnung von mehreren Werlczeugen (2) auf der runden Freiformfläche (1) Fig. 15: Anordnung von mehreren Werlczeugen (2) auf der rechteckigen Freiformfläche (4) Fig. 16: Anordnung mehrer Werkzeuge (2), die tangential d.h. mit senkrechter Orientierung auf der Freiformfläche (1) aufliegen. Fig. 17: Anordnung von runden mechanischen Verbunden (17) von Werlczeugen (2) auf einer runden Freiformfläche (1) Fig. 18: Anordnung von stabförmigen mechanischen Verbunden (18) von Werkzeugen (2) auf einer rechteckigen Freiformfläche (4)
Zahlen an den Bildern:
1 = runde Freiformfläche
2 = Werkzeug
3 = durchnummerierten Bereiche (B1,B2, ...)
4 = rechteckige Freiformfläche
5 = Bereichsgrenzen
6 = zweidünensionale rotationssymmetrische Felllerverteilung = radialer Durchschnitt der zweidimensionalen rotationssymmetrischen Fehlerverteilung /9 = prognostizierter Abtrag 0 = prognostizierter verbleibender Fehler 1 = bestimmte Verweilzeiten 2 = nach der Bearbeitung auf der Oberfläche tatsäclilich verbleibender Restfehler 3 = zu großer, bisher oft abgetragene Fehler 4 = Polier- oder Schleiffolie aus homogenem Material 5 = senkrechte Kanten für Polier- oder Kühlmittelzufuhr 6 = Polier- oder Kühlmittel 7 = mechanische Verbünde von Werkzeugen in runder Ausführung 8 = mechanische Verbünde von Werkzeugen in stabförmiger Ausführung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schleifen und Polieren von Freiforrnflächen, insbesondere von rotationssymmetrischen asphärischen, optischen Flächen wie Linsen oder Spiegel, durch ein Werkzeug oder mehrere
Werkzeuge, wobei ein virtueller Abtrag von einer vorbearbeiteten, vorzugsweise vorgeschliffenen optischen Fläche durch vorzugsweise interferometrische Vermessung und Vergleich von festgestellter Ist- mit der Sollform berechnet wird, Andruck, Rotationsgeschwindigkeiten und Verweildauer bzw. Fortbewegung des Werkzeugs oder der
Werkzeuge aufgrund des virtuellen Abtrags gesteuert werden und dazu die Oberfläche der optischen Fläche in Teilbereiche unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine nullte Näherung für die Steuerung des Werkzeugs oder der Werkzeuge errechnet wird, anhand der nullten Näherung virtuell die Wechselwirkung der
Teilbereiche untereinander abgeschätzt wird und unter Berücksichtigung der abgeschätzten Wechselwirkung ein Verweilzeitverlauf des Werkzeugs oder für jedes Werkzeug für jeden Teilbereich unter Berücksichtigung von Andruck, Rotationsgeschwindigkeit und Poliermittelverhalten des Werkzeugs bzw. der Werkzeuge für jeden Teilbereich durch ein lineares Gleichungssystem errechnet wird und das Werkzeug oder die Werkzeuge entsprechend gesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Teilbereiche der Größe des Werkzeugs oder eines der Werkzeuge entsprechen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Teilbereiche der doppelten Größe des Werkzeugs oder eines der Werkzeuge entsprechen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweildauer des Werkzeugs oder eines der Werkzeuge zur Steuerung des Abtrags variiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des oder eines
Werkzeugs zur Steuerung des Abtrags variiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks zur Steuerung des Abtrags variiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpressdruck des Werkzeugs oder eines der Werkzeug zur Steuerung des Abtrags variiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Korrektur der Oberfläche nur der minimal notwendige Abtrag abgetragen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für rotationssymmetrische Freiforrnflächen, insbesondere asphärische Linsen oder Spiegel, dadurch gekennzeichnet, dass der virtuelle Abtrag in eine ein-dimensionale Form überführt wird, und die grob vorgeschliffene z.B. Linse, beim Schleifen und Polieren rotiert.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Erreichen einer gewünschten
Oberflächenform-Genauigkeit nur einmal geschliffen oder poliert wird,
. was nur eine kurze Bearbeitungszeit von ca. zehn oder weniger inuten'bedingt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit oder ohne bevorzugt interferometrischen Nachmessung oder eine andere Nachmessung eine geringe Anzahl von Malen des Schleifens oder Polierens mit jedem Mal verkleinerten
Werkzeugen erfolgt, was höchste Genauigkeit mit sich führt und eine Zeitersparnis gegenüber einmaligem Schleifen oder Polieren mit den kleinsten Werkzeugen gewährleistet.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche nicht überlappen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche etwas überlappen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche sehr stark überlappen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche so stark überlappen, dass sie sich nur noch um einen Wert oder wenige Werte unterscheiden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche unterschiedliche Größen haben.
17. Asphärische Glaslinse mit einer Genauigkeit von besser als 600 Nanometer, geschliffen und poliert innerhalb von ca. 20 Minuten.
18. Asphärische Glaslinse mit einer Genauigkeit besser als 600 nm mit konkaver Oberfläche, mit BestFit-Krümmungsradius kleiner als 50 mm innerhalb einer Zeit von ca. 40 Minuten geschliffen und poliert.
19. Korrekturwerkzeug zur Bearbeitung rotationssymmetrischer Freiforrnflächen, insbesondere asphärischer Linsen oder Spiegel,
19. Korrekturwerkzeug zur Bearbeitung rotationssymmetrischer Freiforrnflächen, insbesondere asphärischer Linsen oder Spiegel, welches rotiert und mit dem Ziel eingesetzt wird, die Oberfläche zu korrigieren und radial verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen-Durchmesserverhältnisse von Werkzeug zu z. B. Linse ein Achtel bis ein Viertel beträgt.
20. Werkzeug zur Bearbeitung von rotationssymmetrischen Freiforrnflächen, insbesondere asphärischen Linsen oder Spiegel, welches rotiert und radial verschiebbar ist, gekennzeichnet durch eine Größe doppelt so breit wie der schmälste Fehlerberg auf der Freiformfläche, weicher entfernt werden soll.
21 . Werkzeug mit einer Polier- oder Schleiffolie aus insbesondere
Polyurethan, gekennzeichnet durch ein Polier- oder
Schleiffolienmaterial ohne Bläschen und ohne Einkerbungen oder sonstige Inhomogenitäten.
22. Werkzeug analog Anspruch 21 mit absichtlich eingearbeiteten Ritzen mit steilen bis senkrechten Kanten zur besseren Polier- und Kühlmittelzufuhr, wobei die Ritzen groß genug sind, dass sie nicht mit Polier- oder Kühlmittel verstopft werden.
23. Werkzeuganordnung, welche mehrere die Freiformfläche, ausgenommen eine Planfläche, gleichzeitig bearbeitende Werkzeuge aufweist.
24. Werkzeuganordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelwerkzeuge mit senkrechter Orientierung auf der
Oberfläche aufliegen.
25. Werkzeuganordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich jedes der Einzelwerkzeuge auf einer radialen Strecke einer rotationssymetrischen Freiformfläche bewegt.
26. Werkzeuganordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich jedes der Einzelwerkzeuge auf einer nicht-radialen Strecke der Freiformfläche bewegt.
27. Werkzeuganordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einzelwerkzeuge nicht auf der
Freiformfläche bewegen.
28. Werkzeuganordnung nach Anspruch 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelwerkzeuge so auf der Freiformfläche verteilt sind, dass bei rotierender Freiformfläche die gesamte
Freiformfläche bearbeitet wird.
29. Werkzeuganordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig bearbeitete Fläche mehr als fünf Prozent der Freiformfläche mit Ausnahme der Planfläche und der sphärischen
Fläche beträgt.
30. Werkzeuganordnung nach Anspruch 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelwerkzeuge einzeln gesteuert werden.
31 . Werkzeug nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch einen beweglichen Fuss an seiner Bearbeitungsseite, welcher sich so einstellt, dass das Werkzeug tangential auf der Freiformfläche aufliegt.
32. Werkzeuganordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelwerkzeuge in Verbunden vorliegen.
33. Werkzeug nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbünde stabförmig sind.
34. Werkzeug nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbünde rund sind.
35. Werkzeuganordnung nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbünde der Einzelwerkzeuge über die Freiformfläche positioniert und wie ein Einzelwerkzeug bewegt werden.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vor- bzw. Auspolieren der Freiformfläche nach dem Schleifen die vorhandene Genauigkeit erhalten bleibt oder verbessert wird.
37. Werkzeuganordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelwerkzeuge nach einem der Ansprüche 4 bis 7 gesteuert werden.
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