EP1478490B1

EP1478490B1 - Verfahren zum nachschleifen und polieren von freiformflächen, insbesondere von rotationssymmetrischen asphärischen optischen linsen

Info

Publication number: EP1478490B1
Application number: EP03742562A
Authority: EP
Inventors: Sven Kiontke; Hermann DÖHLER
Original assignee: Asphericon GmbH
Current assignee: Asphericon GmbH
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: WO2003070427A2; AU2003215573A1; DE50305484D1; ATE343454T1; DE10207379A1; US20050215175A1; EP1478490A2; WO2003070427A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen und Polieren von Freiformflächen, insbesondere von rotationssymmetrischen 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. Ähnliches gilt für die noch unregelmäßigeren Flächen, die hier als Freiformflächen 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 Produktionsautomaten 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 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.
In der Praxis ist es jedoch unmöglich, ein solches Gleichungssystem in Kombination mit effektiven Werkzeugen für die gesamte Freiformfläche zu lösen. Darauf weist, auch das in der besagten Druckschrift 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.
Nach FR 2 448 417 A ist ein Verfahren zum Bearbeiten optischer Elemente, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bekannt, bei dem die Oberflächen der optischen Fläche mit einem Werkzeug bearbeitet wird, dessen Durchmesser wesentlich kleiner ist als der Durchmesser des zu bearbeitenden optischen Teils. Dabei werden für Ringgebiete der optischen Fläche Anpressdruck und Aufenthaltsdauer des Werkzeugs als veränderliche Parameter genommen.
Nachteilig ist dabei ebenfalls, dass das Verfahren wegen der kleinen Werkzeuge sehr zeitaufwendig ist und dass das Verfahren nur für rotationssymmetrische optische Teile geeignet ist.
Gegenstand der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Freiformfläche (1 oder 4) wird in Bereiche (Fig. 1 und Fig. 2), z.B. von der Größe des Werkzeuges entsprechend, aufgeteilt. 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 B 7 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 wurde 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 Freiformflächen weisen rotationssymmetrische Freiformflächen 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 Bearbeitungsdurchgang. Beide Aspekte in Kombination mit der Kontrolle aller die Bearbeitung beeinflussenden Größen verringern die Produktionszeit auf zehn und weniger Minuten (vergleiche hierzu auch das Ausführungsbeispiel).
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 Produktionskosteen 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 kleineren 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 B1, 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 umso bessere Steuerungen für die Korrektur der Oberfläche. Für das Beispiel in Fig. 10 würde das bis zu 132 Bereiche (B1, B2, ..., B132) 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 Krümmungsradius von weniger 50 mm innerhalb von 40 min. schleifend und polierend mit einer pv-Genauigkeit von besser als 600 mm 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 Korrektur verwendeten Werkzeuge nur so breit sein dürfen, wie der schmalste 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 mn 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 Bearbeitungsbedingung 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 Kühlmittelzufuhr (16) gewährleistet werden kann, werden senkrechte Kanten 15 (Fig. 13) in dieses homogene Material des Polier- oder Schleifpad's eingebracht, durch die das Polier- oder Kühlmittel unter der gesamten Werkzeugfläche annähernd gleichmäßig wirken kann.
Um die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu steigern, ist es notwendig, die Abtragsfläche zu vergrößern. Eine Vergrößerung der Werkzeuge ist jedoch nicht möglich, da dann die notwendige Genauigkeit nicht mehr erricht 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 rotationssymmetrische Freiformflächen 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, Freiformflächen, 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 Werkzeuge einen beweglichen Fuß aufweist, der die Bedingung, dass das Werkzeug tangential auf der Freiformfläche aufliegt auch bei nicht ganz korrekter Zustellung gewährleistet.
Die Steuerung mehrerer Werkzeuge auf einer Freiformfläche (1 oder 4) ist insbesondere auf kleinen Flächen technologisch sehr anspruchsvoll. Werden jeweils mehrere Werkzeuge (2) in mechanischen Verbunden zusammengefasst, ist bei verringerter 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 Verbunde (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 Verbunde 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 Ausführungsbeispiel 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 rotationssymmetrische 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 Freiformflächen auf die radiale Strecke begrenzt. Zur vereinfachten Darstellung wird hier ein etwas anschauliches Beispiel gewählt. Die Anwendung des Verfahrens bei allgemeinen Freiformflächen 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 Linsenmittelpunkt, 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 eines 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 B1, 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 B1: B2 / für B2: B1, 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 Verweilzeitsteuerung benötigte 5,48 min. Die radial gemittelte Verteilung der Oberfläche nach der Korrektur zeigt Fig. 9 in Kurve 12. Zwischen den Stützstellen 0 und 70 wurde eine Genauigkeit von besser 150 nm erreicht. Von der Stelle 70 bis zum Rand der Linse konnte noch eine pv-Genauigkeit von pv 400 nm 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 ereicht wurde.
Es ist auch möglich, Werkzeuge mit einer Polier- oder Schleiffolie aus insbesondere Polyurethan, zu verwenden, ohne Bläschen und ohne Einkerbungen oder sonstige Inhomogenitäten, wobei Polier- oder Schleiffolienmaterial verwendet wird.
Dieses Werkzeug kann mit absichtlich eingearbeiteten Ritzen mit steilen bis senkrechten Kanten zur besseren Polier- und Kühlmittelzufuhr versehen sein, wobei die Ritzen groß genug sind, dass sie nicht mit Polier- oder Kühlmittel verstopft werden.
Eine Werkzeuganordnung, welche mehrere die Freiformfläche, ausgenommen eine Planfläche, gleichzeitig bearbeitende Werkzeuge aufweist, kann derart eingesetzt werden, dass die gleichzeitig bearbeitete Fläche mehr als fünf Prozent der Freiformfläche mit Ausnahme der Planfläche und der sphärischen Fläche beträgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können beim Vor- bzw. Auspolieren der Freiformfläche nach dem Schleifen die vorhandene Genauigkeit erhalten bleiben oder verbessert werden.

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: Zweidimensionale 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 rotationssymmetrisch 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: VeraIlschaulichung 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 (B1, ..., 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 schmalsten Fehler der Fehlerverteilung 0 und dem Werkzeug (2)
Fig. 13: Werkzeug mit adaptierter polier- oder Schleiffolie (14) mit senkrechten Kanten (15)
Fig. 14: Anordnung von mehreren Werkzeugen (2) auf der runden Freiformfläche (1)
Fig. 15: Anordnung von mehreren Werkzeugen (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 Werkzeugen (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 = zweidimensionale rotationssymmetrische Fehlerverteilung
7 = radialer Durchschnitt der zweidimensionalen rotationssymmetrischen Fehlerverteilung
8/9 = prognostizierter Abtrag
10 = prognostizierter verbleibender Fehler
11 = bestimmte Verweilzeiten
12 = nach der Bearbeitung auf der Oberfläche tatsächlich verbleibender Restfehler
13 = zu großer, bisher oft abgetragene Fehler
14 = Polier- oder Schleiffolie aus homogenem Material
15 = senkrechte Kanten für Polier- oder Kühlmittelzufuhr
16 = Polier- oder Kühlmittel
17 = mechanische Verbunde von Werkzeugen in runder Ausführung
18 = mechanische Verbunde von Werkzeugen in stabförmiger Ausführung

Claims

Verfahren zum Schleifen und Polieren von Freiformflächen (1, 4), insbesondere von rotationssymmetrischen asphärischen, optischen Flächen wie Linsen oder Spiegel, durch ein Werkzeug (2) oder mehrere Werkzeuge (2), 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 (2) oder der Werkzeuge (2) 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 (2) oder der Werkzeuge (2) errechnet wird, anhand der nullten Näherung virtuell die Wechselwirkung der Teilbereiche untereinander abgeschätzt wird und unter Berücksichtigung der abgeschätzten Wechselwirkung ein Verweilzeitverlauf des Werkzeugs (2) oder für jedes Werkzeug (2) für jeden Teilbereich unter Berücksichtigung von Andruck, Rotationsgeschwindigkeit und Poliermittelverhalten des Werkzeugs (2) bzw. der Werkzeuge (2) für jeden Teilbereich durch ein lineares Gleichungssystem errechnet wird und das Werkzeug (2) oder die Werkzeuge (2) entsprechend gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche der Größe des Werkzeugs (2) oder eines der Werkzeuge (2) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche der doppelten Größe des Werkzeugs (2) oder eines der Werkzeuge (2) entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweildauer des Werkzeugs (2) oder eines der Werkzeuge (2) zur Steuerung des Abtrags variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des oder eines Werkzeugs (2) zur Steuerung des Abtrags variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks zur Steuerung des Abtrags variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpressdruck des Werkzeugs (2) oder eines der Werkzeuge (2) zur Steuerung des Abtrags variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche, 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Korrektur der Oberfläche nur der minimal notwendige Abtrag abgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für rotationssymmetrische Freiformflächen (1), 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Erreichen einer gewünschten Oberflächenfonn-Genauigkeit nur einmal geschliffen oder poliert wird, was nur eine kurze Bearbeitungszeit von ca. zehn oder weniger Minuten bedingt.
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 (2) erfolgt, was höchste Genauigkeit mit sich führt und eine Zeitersparnis gegenüber einmaligem Schleifen oder Polieren mit den kleinsten Werkzeugen (2) gewährleistet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche nicht überlappen oder zumindest teilweise überlappen.