EP1711311B2 - Vorrichtung und verfahren zum polieren einer optischen fläche sowie verfahren zum herstellen eines polierwerkzeugs - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum polieren einer optischen fläche sowie verfahren zum herstellen eines polierwerkzeugs Download PDF

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EP1711311B2
EP1711311B2 EP05700889A EP05700889A EP1711311B2 EP 1711311 B2 EP1711311 B2 EP 1711311B2 EP 05700889 A EP05700889 A EP 05700889A EP 05700889 A EP05700889 A EP 05700889A EP 1711311 B2 EP1711311 B2 EP 1711311B2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
polishing
polishing tool
outer contour
axis
axial thickness
Prior art date
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Active
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EP05700889A
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French (fr)
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EP1711311A1 (de
EP1711311B1 (de
Inventor
Christoph Kuebler
Hexin Wang
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Carl Zeiss Vision International GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss Vision International GmbH
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Publication date
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Publication of EP1711311B1 publication Critical patent/EP1711311B1/de
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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
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B24B13/02—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor by means of tools with abrading surfaces corresponding in shape with the lenses to be made
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D13/00—Wheels having flexibly-acting working parts, e.g. buffing wheels; Mountings therefor
    • B24D13/14—Wheels having flexibly-acting working parts, e.g. buffing wheels; Mountings therefor acting by the front face
    • B24D13/142—Wheels of special form

Definitions

  • the invention relates to a device for polishing an optical surface, comprising a polishing head, the polishing tool along a common axis one behind the other, a first, preferably rigid body, a second, elastic body and a polishing pad, each extending substantially radially to the axis , according to the preamble of claim 1 or claim 2.
  • the invention further relates to a method of polishing an optical surface.
  • the invention relates to a method for producing a polishing tool which has, along a common axis, one after the other a first, preferably rigid body, a second, elastic body and a polishing pad which extend in each case substantially radially to the axis.
  • optical surfaces all such surfaces of optical components are meant as e.g. Surfaces, in particular aspheric surfaces or free-form surfaces, of spectacle lenses, mirrors, plastic optics, etc.
  • Eyeglass lenses are usually made from a blank by machining the so-called prescription surface or surfaces. This is the optically relevant design of the lens fixed. Finally, the lens is still polished, which, however, no significant change in the optical properties may be more effected.
  • a polishing head For polishing a surface of a spectacle lens, a polishing head is usually used which has a polishing tool whose polishing surface is at least approximately adapted to the shape of the surface of the spectacle lens to be polished.
  • the polishing tool and / or the spectacle lens are hinged, in particular with a ball joint, mounted and are guided relative to each other with a predetermined movement, usually with the help of multi-axis robots.
  • polishing spherical or toric spectacle lenses it is less problematic due to the relatively simple shape of the surface to be polished to find a suitable, complementary formed polishing tool that can be performed with simple movements over the surface and there causes no undue deformation. Due to the large number of possible spherical or toric spectacle lenses, it is only necessary to have a corresponding large number of polishing tools available.
  • a polishing body is used, which is rigid in use, but before, for example, by heating, is displaceable in a plastic state, so that he can first adapt to any surface in this plastic state before it solidifies.
  • polishing tools have in common that they are rigid in use and therefore can only be used for polishing regularly shaped surfaces.
  • a polishing body which may be deformable during use. This deformability is achieved by a bundle of parallel metallic rods, which are mounted at one end on an elastic membrane and individually displaceable. The total area formed by its end face at the other end adapts to the shape of the surface to be polished.
  • polishing tools like every membrane has a course of elasticity in which the center is the softest point and the elasticity decreases radially outward, ie the membrane becomes stiffer or the spring characteristic becomes steeper. This is, as stated in the present invention, disadvantageous for polishing tools of the type of interest here, because this elasticity profile causes larger shape errors. Furthermore, it is disadvantageous in these polishing tools that the movement of the rods is associated with mechanical friction, so that hardly any dynamic polishing processes can be realized.
  • a body of elastic material is disposed between a rigid support body and the polishing pad in the polishing tool.
  • the axial thickness of the elastic body in the known polishing tools is constant and the material of the elastic body is homogeneous.
  • the elasticity in the radial direction is constant.
  • polishing aspherical or punctiform asymmetric free-form surfaces can not be used without problems.
  • Such free-form surfaces have also been polished by means of numerically controlled polishing machines or polishing robots.
  • polishing machines usually the polishing tool is CNC-guided over the surface of the spectacle lens to be polished.
  • the polishing head drives the polishing tool usually rotationally and presses it simultaneously against the surface to be polished.
  • Aspherical or point-symmetric free-form surfaces have curvatures that change over the surface.
  • the polishing tool moves during polishing at least over part of this irregularly curved surface. It must therefore be able to adapt with its elasticity to the respective local curvature, specifically in such a way that the polishing pressure is as constant as possible over the contact surface. Only then does a predeterminable, constant removal result, and the polished surface becomes optimally smooth. If this can not be ensured and the polishing pressure fluctuates across the contact surface, the desired aspheric surface topography is deformed and thus degraded in optical quality. Such deformations occur with known polishing tools in conventional production processes and therefore have to be compensated step by step, with iterative reworking methods. However, this is time consuming and expensive.
  • the general state of the art in the field of polishing tools is the DE 296 08 954 U1 to mention.
  • This document describes an adaptable grinding head for clamping in rotating tools.
  • the grinding head has a body coated with abrasive material, which consists of a soft, extremely yielding material, such as foam rubber.
  • the grinding head is mushroom-shaped, cone-shaped or spherical in axial section, so that it is thinner in the edge region than in the middle. This makes it harder in the edge area.
  • a similar grinding head is also in the US 3,043,065 disclosed. This known grinding head is mushroom-shaped and therefore also harder in the edge region than in the middle.
  • JP 61-103768 A another grinding head of also mushroom-shaped.
  • This grinding head is divided into three concentric areas, which consist of the same material, but in which air bubbles are embedded in different concentrations.
  • the central area contains the largest density of air bubbles, so that the effective surface is the smallest. It is the largest at the edge.
  • the invention is therefore the object of developing a device and a method of the type mentioned in such a way that these disadvantages are avoided.
  • this object is achieved in that a device of the aforementioned type is used.
  • this object is achieved according to claim 17 or 18.
  • the invention provides an incredibly simple polishing tool, which is similar to polishing tools known from its structure, but due to its design, it is also able to grind irregularly curved free-form surfaces on spectacle lenses without an irregular removal occurring during polishing, in contrast to conventional polishing tools.
  • This is achieved by a targeted influencing the elasticity of the polishing pad-bearing elastic body in the radial direction by the elastic body is softer in the radial direction from the inside to the outside, thus having an increasingly flatter spring characteristic.
  • the second body is preferably softer in the radial outward direction.
  • This measure has the advantage that the contact pressure is transmitted particularly evenly to the surface to be polished.
  • the second body has an increasing axial thickness in the radial direction.
  • This measure has the advantage that the desired radial stiffness profile can be set almost arbitrarily if the radial profile of the axial thickness is set accordingly. In this way the tool can be very sensitively optimized.
  • the second body abuts with an inner contour of the first body and with an outer contour of the polishing pad, wherein the profile of the axial thickness over the radial direction is determined in dependence on the radial shape of the contours.
  • This measure has the advantage that an optimization with two contours is possible, so that the outer contour can be adapted particularly well to the surface to be polished, and essentially the inner contour can be used to set the desired radial profile.
  • the inner contour is concave and the outer contour is concave, or the inner contour is convex and the outer contour is concave.
  • the outer contour is spherical or aspherical or formed as a freeform surface.
  • the second body is made of a material whose elastic modulus is greater than 0.02 N / mm 2 .
  • material for the second body is preferred if it is selected from the group of rubber, rubber, polyurethane, polyetherurethane, elastomer.
  • a particularly economical production is possible if the second body is a casting.
  • a further embodiment of the invention is characterized in that the second body is formed of a material whose elasticity in the radial direction increases from the inside to the outside, i. the compression spring characteristic becomes increasingly flatter from the inside to the outside.
  • This measure has the advantage that one is free in the shape of the second body within wide limits. It is therefore possible to form the second body with a constant thickness, ie circular disk-shaped, but nevertheless has the desired radial profile of the elasticity due to the special, inhomogeneous nature of the material, in which the second body is softer radially on the outside than inside.
  • polishing pad any entity that can represent a polishing surface.
  • the polishing pad may merely be a polishing paste, or it may be physically formed as a polishing membrane, polishing pad or polishing layer material.
  • the present invention preferably relates to the polishing of surfaces of spectacle lenses or mirrors or aspherical mirrors or aspheric optical surfaces.
  • the polishing tool may be according to embodiments of the invention either to the axis round or non-circular. It may also be articulated either in the axle or off-axis.
  • the second body is produced in the radial direction with increasing axial thickness, wherein the second body with an inner contour to the first body and with an outer contour of the Polierbelag_angrenzend made and the course of the axial thickness over the Radial direction is determined depending on the radial shape of the contours.
  • Fig. 1 10 denotes a device for polishing a spectacle lens 12.
  • spectacle lens is to be understood only as an example because the invention can be used quite generally in optical surfaces. This means surfaces of optical components, such as surfaces, in particular aspherical surfaces or free-form surfaces of spectacle lenses, mirrors, plastic optics, etc.
  • FIG. 1 the spectacle lens 12 is held by a conventional holder 14, in the example shown spatially fixed.
  • a first axis is designated 15. This is at the same time the geometric axis of the body of the spectacle lens 12 and the vertical axis of the holder 14.
  • the spectacle lens has an inner rear surface 16 and an outer front surface 18.
  • the inner surface 16 is the so-called prescription surface, which is optically processed in a predetermined manner and, in particular, is designed as a free-form surface.
  • a polishing head 20 carries at its free end a polishing tool 22.
  • the polishing tool 22 has a first, preferably rigid body 24 in the form of a shell. This is followed flush with a second, elastic body 26, which is also referred to as a buffer.
  • a polishing pad 28 On its opposite side, in turn, there is a polishing pad 28.
  • the polishing pad 28 may consist only of an applied polishing paste or may be its own physical entity, e.g. a polishing membrane, a polishing pad or a polishing layer material.
  • the first body 24 is provided on its rear side with a ball socket 30 or other suitable hinge part into which engages a ball head 32 of a symbolized actuator 34 of a polishing robot (not shown) which extends along a second axis 36.
  • the thus indicated joint allows pivoting movements of the polishing tool 22 relative to the spectacle lens, but at the same time makes it possible to rotate the polishing tool 22 about the second axis 36. This makes it possible to drive the polishing tool 22 and to guide it with the polishing pad 28 over the surface 16 of the spectacle lens 12 to be polished, as is known to the person skilled in the art.
  • the second elastic body 26 is preferably made of rubber or rubber. It can also consist of a polyurethane material, eg polyurethane, polyether urethane or an elastomer. Such materials are known and available, for example, under the trade names Sylomer, Sylodyn and Sylodamp from Getzner.
  • the elastic modulus E of this material should be greater than 0.02 N / mm 2 .
  • the elements 24, 26 and 28 sit in the direction of the second axis 36 close to each other and extend substantially in the radial direction. As will be explained, in the context of the present invention a distinction is made between round and non-round polishing tools 22.
  • the second axis 36 need not necessarily be located in the center of the polishing tool 22.
  • the present invention also includes other embodiments in eccentric or tumbling construction.
  • the polishing tool 22 is again shown schematically with the three elements 24, 26 and 28. It is important in this embodiment that the second body 26 has an axial thickness D which varies with the distance from the axis 36. This is therefore provided because the elasticity of the second body 26 in the radial direction from the inside to the outside in a predetermined manner, ie with a predetermined profile to increase. This means that the second, elastic body is softened towards the outside, thus has an increasingly flatter spring characteristic.
  • an elastic plate material a spring characteristic, ie a Depending on the compression (N / mm 2 ) of the deflection (mm), the flatter, the thicker the plate material is.
  • the applied polishing pressure corresponds to the pressure.
  • the already mentioned axial thickness D is measured between the contours 40 and 42.
  • the desired increasing elasticity towards the edge of the polishing tool can alternatively also be achieved by the use of a material for the second body whose elasticity is not homogeneous but increases towards the outside. One is then largely free in the course of the axial thickness as a function of the radial distance from the axis.
  • the radial increase in elasticity towards the edge of the polishing tool can be adjusted continuously or in steps.
  • the direction of the second axis 36 is denoted by z.
  • the radial distance from the second axis is one-dimensional in round polishing tools 22, ie h. In the case of non-round polishing tools 22, it is two-dimensional, ie it is expressed in coordinates x, y.
  • Fig. 2 further shows that the second body 26 is bounded on its upper side by an inner contour 40 and on its lower side by an outer contour 42.
  • the outer contour 42 is substantially equal to the envelope of the contour of the surface 16 to be polished Fig. 2 the inner contour 40 is concave and the outer contour 42 is convex.
  • FIGS. 3 to 6 show variants of Fig. 2 , wherein like elements are given the same reference numerals and differentiated only by adding a letter.
  • the inner contour 40b and the outer contour 42b are concave.
  • the polishing tool 22 is pressed with a pressing force Fk to the surface 16 of the spectacle lens 12 to be polished.
  • Fk a pressing force
  • an optimization process is performed, which is shown in the block diagram of Fig. 7 is illustrated.
  • a first step (block 50), the desired mean polishing pressure pm or the surface pressure in N / mm 2 is set.
  • the necessary contact force Fk in N is determined from the dimensions of the polishing tool 22, that is to say from the size of the contact surface.
  • a third step (block 54), the elasticity modulus E of the material for the second body 26 is selected in N / mm 2 and its center thickness Di determined.
  • a fourth step (block 56), the outer contour 42 of the second body 26 is determined on the surface 16, starting from a basic position of the polishing tool 22.
  • a sixth step (block 60), the polishing movement of the polishing tool 22 on the surface 16 to be polished is determined.
  • this polishing movement is discretized in a sufficiently large number n of small movement increments.
  • an eighth step (block 64), the deviations in the z-direction z_D (h) and z_D (x, y), respectively, between the outer contour 42 of the second body 26 which is displaced and / or twisted with respect to the surface 16 to be polished are positioned at one position i calculated. This is the local jounce surface.
  • a ninth step (block 66), these deviations z_D (h) and z D (x, y) are added at all motion incremental intermediate positions. This happens component by component in the respective polar or Cartesian system.
  • a tenth step (block 68) the minimum deflection depth z_Dmin is recorded and, accordingly, in an eleventh step (block 69), the maximum deflection depth z_Dmax.
  • the required iterations take place via the loops 74, 78 and 80.
  • Variant A thus completely compensates the mean dynamic spring deviation and reduces the dynamic spring pressure deviation by the function of the thickness D of the second body 26.
  • the factor f_a is used as a special factor assigned to the aspheric type.
  • the factor can ideally be between 1/2 and 2.
  • the dynamic spring pressure variations are not compensated in this variant.
  • the design of the second body 26 is carried out for the processing of a toric aspherical surface of a spectacle lens according to variant B.
  • a base radius RB of 150 mm with a refractive index of 1.6 means a refractive index of 4 diopters.
  • a cylinder radius RZ of 100 mm means a refractive index of 6 diopters for the same refractive index.
  • Such an aspheric toric surface thus represents a cylindrical refractive power of 2 diopters.
  • Over 90% of all spectacle lenses have a cylinder effect of less than 2 diopters.
  • the asphericity of the described torus is in the diameter range of 45 mm at about 900 microns.
  • the center thickness Di of the second body 26 is 4 mm.
  • the polishing tool 22 is pressed in a conventional manner, assuming a constant thickness D of the second body 26 of 4 mm against the aforementioned surface with the radii 100/150 mm.
  • the radii of contours 40 and 42 are identical and chosen to be between the two radii of the torus. It then shows that the polishing pressure fluctuations in the outer area amount to at least 96% of the averaged polishing pressure. This causes a strong discontinuous polishing erosion and is counterproductive for a uniform polishing and smoothing effect. It is to be expected a strongly fluctuating polishing process.
  • the radii of the contours 40 and 42 are calculated so that the outer contour 42 presses somewhat shallower than the base radius RB and the radius of the inner contour 40 correspondingly compensates for the difference in thickness from the inside to the outside.
  • the now calculated polishing pressure then returns in its dynamics to less than 40% of the average polishing pressure pm.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Polieren einer optischen Fläche, mit einem Polierkopf, dessen Polierwerkzeug entlang einer gemeinsamen Achse hintereinander einen ersten, vorzugsweise starren Körper, einen zweiten, elastischen Körper sowie einen Polierbelag aufweist, die sich jeweils im Wesentlichen radial zur Achse erstrecken, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2.
  • Eine Vorrichtung dieser Art ist aus JP 2001334449 A bekannt.
  • Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Polieren einer optischen Fläche.
  • Die Erfindung bezieht sich schließlich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Polierwerkzeugs, das entlang einer gemeinsamen Achse hintereinander einen ersten, vorzugsweise starren Körper, einen zweiten, elastischen Körper sowie einen Polierbelag aufweist, die sich jeweils im Wesentlichen radial zur Achse erstrecken.
  • Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von "optischen Flächen" die Rede ist, so sind dabei alle derartigen Flächen optischer Bauelemente gemeint wie z.B. Flächen, insbesondere asphärische Flächen oder Freiformflächen, von Brillengläsern, Spiegeln, Kunststoffoptiken usw..
  • Aus der DE 102 48 105 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt.
  • Brillengläser werden üblicherweise aus einem Rohling durch spanabhebendes Bearbeiten der sogenannten Rezeptfläche oder -flächen hergestellt. Damit liegt die optisch relevante Formgebung des Brillenglases fest. Abschließend wird das Brillenglas noch poliert, wodurch allerdings keine merkliche Veränderung der optischen Eigenschaften mehr bewirkt werden darf.
  • Zum Polieren einer Oberfläche eines Brillenglases wird üblicherweise ein Polierkopf verwendet, der ein Polierwerkzeug aufweist, dessen Polierfläche an die Form der zu polierenden Oberfläche des Brillenglases mindestens näherungsweise angepasst ist. Das Polierwerkzeug und/oder das Brillenglas sind gelenkig, insbesondere mit einem Kugelgelenk, gelagert und werden relativ zueinander mit einem vorgegebenen Bewegungsablauf geführt, meist mit Hilfe von mehrachsigen Robotern.
  • Beim Polieren von sphärischen oder torischen Brillengläsern ist es aufgrund der relativ einfachen Formgebung der zu polierenden Oberfläche weniger problematisch, ein geeignetes, komplementär ausgebildetes Polierwerkzeug zu finden, das mit einfachen Bewegungsabläufen über die Oberfläche geführt werden kann und dort keine unzulässigen Verformungen bewirkt. Aufgrund der Vielzahl möglicher sphärischer oder torischer Brillengläser ist es lediglich erforderlich, eine entsprechende Vielzahl von Polierwerkzeugen zur Verfügung zu haben.
  • In diesem Zusammenhang sind unterschiedliche Gruppen von Polierwerkzeugen bekannt geworden.
  • Bei einer ersten Gruppe derartiger Polierwerkzeuge ( DE 101 00 860 A1 ; EP 0 567 894 B1 ) wird ein stets starrer Polierkörper verwendet, der unveränderbar an die Form der zu polierenden Oberfläche angepasst ist und daher nur für diese Oberfläche einsetzbar ist.
  • Bei einer zweiten Gruppe derartiger Polierwerkzeuge ( DE 44 42 181 ; DE 102 42 422 ) wird ein Polierkörper verwendet, der zwar im Einsatz starr ist, zuvor aber, z.B. durch Erwärmen, in einen plastischen Zustand versetzbar ist, damit er sich zunächst in diesem plastischen Zustand an eine beliebige Oberfläche anpassen kann, ehe er erstarrt.
  • Diesen beiden Gruppen von Polierwerkzeugen ist also gemeinsam, dass sie im Einsatz starr sind und daher nur zum Polieren regelmäßig geformter Oberflächen verwendet werden können.
  • Bei einer dritten Gruppe von Polierwerkzeugen ( EP 0 804 999 B1 ; EP 0 884 135 B1 ; DE 101 06 007 A1 ) ist ein Polierkörper vorgesehen, der auch während des Einsatzes verformbar sein kann. Diese Verformbarkeit wird dabei durch ein Bündel von parallelen metallischen Stäben erreicht, die an einem Ende auf einer elastischen Membran gelagert und individuell verschiebbar sind. Die von ihren Stirnfläche am anderen Ende gebildete Gesamtfläche passt sich dabei der Formgebung der zu polierenden Oberfläche an.
  • Bei diesen Polierwerkzeugen ist zum einen von Nachteil, dass die Membran, wie jede Membran einen Elastizitätsverlauf hat, bei dem das Zentrum der weichste Punkt ist und die Elastizität radial nach außen abnimmt, die Membran also zum Rand hin steifer oder die Federkennlinie steiler wird. Das ist, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde, für Polierwerkzeuge der hier interessierenden Art nachteilig, weil dieser Elastizitätsverlauf größere Formfehler hervorruft. Weiterhin ist bei diesen Polierwerkzeugen nachteilig, dass die Bewegung der Stäbe mit mechanischer Reibung verbunden ist, so dass kaum dynamische Polierprozesse realisiert werden können.
  • Bei einer vierten Gruppe von Polierwerkzeugen ( EP 0 779 128 B1 , Patent Abstracts of Japan zu JP 08-206 952 A ) werden Polierkörper verwendet, die einen unmittelbar pneumatisch verformbaren Polierkörper aufweisen. Auch hier stellt sich der zuvor geschilderte Nachteil eines ungünstigen Elastizitätsverlaufs ein.
  • Bei einer fünften Gruppe von Polierwerkzeugen ( DE 101 06 659 A1 ; DE 102 48 105 A1 ; DE 102 48 104 A1 ; US 2003/0017783 A1 ; WO 03/059572 A1 ), ist in dem Polierwerkzeug ein Körper aus elastischem Material zwischen einem starren Trägerkörper und dem Polierbelag angeordnet.
  • In diesem Fall ist die axiale Dicke des elastischen Körpers bei den bekannten Polierwerkzeugen jedoch konstant und der Werkstoff des elastischen Körpers homogen. Damit ist die Elastizität in radialer Richtung konstant.
  • Insgesamt bleibt daher in Bezug auf bekannte Polierwerkzeuge für die Bearbeitung von optischen Oberflächen, insbesondere Brillengläsern, festzuhalten, dass bei diesen der radiale Verlauf der Pressungssteifigkeit von innen nach außen entweder zunimmt oder konstant ist.
  • Dies ist für relativ einfach geformte Oberflächen (sphärische und torische Oberflächen) ausreichend. Beim Polieren von asphärischen bzw. punktunsymmetrischen Freiformflächen sind derartige Polierwerkzeuge hingegen nicht ohne Probleme einsetzbar.
  • Derartige Freiformflächen werden bislang ebenfalls mittels numerisch gesteuerter Poliermaschinen oder Polierrobotern poliert. Bei diesen Maschinen wird üblicherweise das Polierwerkzeug über die zu polierende Oberfläche des Brillenglases CNCgeführt. Der Polierkopf treibt das Polierwerkzeug meist rotatorisch an und drückt es gleichzeitig gegen die zu polierende Oberfläche.
  • Asphärische bzw. punktunsymmetrische Freiformflächen weisen Krümmungen auf, die sich über der Oberfläche ändern. Das Polierwerkzeug bewegt sich während der Polierbearbeitung mindestens über einen Teil dieser unregelmäßig gekrümmten Oberfläche. Es muss sich daher mit seiner Elastizität der jeweiligen lokalen Krümmung anpassen können, und zwar derart, dass der Polierdruck über die Kontaktfläche hinweg möglichst konstant ist. Nur dann ergibt sich ein vorbestimmbarer, konstanter Abtrag, und die polierte Fläche wird optimal glatt. Wenn dies nicht gewährleistet werden kann und der Polierdruck über die Kontaktfläche hinweg schwankt, wird die gewünschte asphärische Oberflächentopographie deformiert und folglich in ihrer optischen Qualität verschlechtert. Derartige Deformationen treten mit bekannten Polierwerkzeugen in herkömmlichen Produktionsprozessen auf und müssen daher schrittweise, mit iterativen Nachbearbeitungsverfahren wieder kompensiert werden. Das ist jedoch zeit- und kostenaufwendig.
  • Zum allgemeinen Stand der Technik im Bereich von Polierwerkzeugen ist die DE 296 08 954 U1 zu erwähnen. Diese Druckschrift beschreibt einen anpassungsfähigen Schleifkopf zum Einspannen in rotierende Werkzeuge. Der Schleifkopf weist einen mit Schleifmaterial beschichteten Grundkörper auf, der aus einem weichen, extrem nachgebenden Werkstoff besteht, beispielsweise aus Schaumgummi. Der Schleifkopf ist im Axialschnitt pilz-, kegel- oder kugelförmig, so dass er im Randbereich dünner als in der Mitte ist. Damit ist er im Randbereich härter.
  • Ein ähnlicher Schleifkopf ist auch in der US 3,043,065 offenbart. Dieser bekannte Schleifkopf ist pilzförmig und daher gleichfalls im Randbereich härter als in der Mitte.
  • Schließlich beschreibt das Patent Abstract of Japan zu der JP 61-103 768 A noch einen Schleifkopf von ebenfalls pilzförmiger Gestalt. Dieser Schleifkopf ist in drei konzentrische Bereiche unterteilt, die aus dem selben Werkstoff bestehen, in den jedoch Luftblasen in unterschiedlicher Konzentration eingelagert sind. Der zentrale Bereich enthält die größte Dichte von Luftblasen, so dass dort die effektiv abtragende Oberfläche am kleinsten ist. Im Randbereich ist sie am größten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass diese Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll es möglich werden, Brillengläser mit unregelmäßig gekrümmten Freiformflächen mittels einfach aufgebauter Werkzeuge in einer Oberflächenqualität zu polieren, die eine Nachbearbeitung entbehrlich macht.
  • Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. das Kennzeichen des Anspruchs 2 gelöst.
  • Bei einem Verfahren zum Polieren einer optischen Fläche der eingangs zunächst genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art verwendet wird. Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Polierwerkzeugs der eingangs als zweites genannten Art wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 17 oder 18 gelöst.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
  • Die Erfindung stellt nämlich ein verblüffend einfaches Polierwerkzeug zur Verfügung, das von seiner Struktur her bekannten Polierwerkzeugen ähnlich ist, infolge seiner Ausbildung aber im Gegensatz zu herkömmlichen Polierwerkzeugen auch unregelmäßig gekrümmte Freiformflächen an Brillengläsern zu schleifen vermag, ohne dass ein unregelmäßiger Abtrag beim Polieren auftritt. Dies wird durch eine gezielte Beeinflussung der Elastizität des den Polierbelag tragenden elastischen Körpers in radialer Richtung erreicht, indem der elastische Körper in radialer Richtung von innen nach außen hin weicher ausgebildet ist, also eine zunehmend flachere Federkennlinie aufweist.
  • Der zweite Körper ist in radialer Richtung nach außen vorzugsweise kontinuierlich weicher ausgebildet.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Anpresskraft besonders gleichmäßig auf die zu polierende Oberfläche übertragen wird.
  • Der zweite Körper weist in radialer Richtung eine zunehmende axiale Dicke aufweist.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das gewünschte radiale Steifheitsprofil nahezu beliebig eingestellt werden kann, wenn das radiale Profil der axialen Dicke entsprechend vorgegeben wird. Auf diese Weise lässt sich das Werkzeug sehr feinfühlig optimieren.
  • Der zweite Körper grenzt mit einer inneren Kontur an den ersten Körper und mit einer äußeren Kontur an den Polierbelag an, wobei der Verlauf der axialen Dicke über der radialen Richtung in Abhängigkeit vom radialen Verlauf der Konturen bestimmt ist.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine Optimierung mit zwei Konturen möglich ist, so dass die äußere Kontur besonders gut an die zu polierende Oberfläche angepasst werden und im Wesentlichen die innere Kontur zum Einstellen des gewünschten radialen Profils herangezogen werden kann.
  • Die innere Kontur ist konkav und die äußere Kontur konkav, oder die innere Kontur ist konvex und die äußere Kontur konkav.
  • Weiterhin ist bevorzugt, wenn die äußere Kontur sphärisch oder asphärisch oder als Freiformfläche ausgebildet ist.
  • Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel besteht der zweite Körper aus einem Werkstoff, dessen Elastizitätsmodul größer als 0,02 N/mm2 ist.
  • Dieser Elastizitätsbereich hat sich in praktischen Versuchen als optimal erwiesen.
  • Hinsichtlich der Werkstoffauswahl für den zweiten Körper ist bevorzugt, wenn diese aus der Gruppe Gummi, Kautschuk, Polyurethan, Polyätherurethan, Elastomer ausgewählt ist.
  • Eine besonders wirtschaftliche Herstellung ist möglich, wenn der zweite Körper ein Gussteil ist.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Körper aus einem Werkstoff ausgebildet ist, dessen Elastizität in radialer Richtung von innen nach außen zunimmt, d.h. die Pressungsfederkennlinie von innen nach außen zunehmend flacher wird.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass man in der Formgebung des zweiten Körpers in weiten Grenzen frei ist. Man kann daher den zweiten Körper auch mit konstanter Dicke, also kreisscheibenförmig ausbilden, hat aber durch die besondere, inhomogene Beschaffenheit des Werkstoffs trotzdem das gewünschte radiale Profil der Elastizität, bei der der zweite Körper radial außen weicher als innen ist.
  • Wenn im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von einem "Polierbelag" die Rede ist, so ist darunter jedwedes Gebilde zu verstehen, das eine Polierfläche darstellen kann.
  • Somit kann in vorteilhafter Weise der Polierbelag lediglich eine Polierpaste sein, oder er ist körperlich als Poliermembran, Polierpad oder Polierschichtmaterial ausgebildet.
  • Wie bereits erwähnt wurde, bezieht sich die vorliegende Erfindung vorzugsweise auf das Polieren von Oberflächen von Brillengläsern oder Spiegeln oder asphärischen Spiegeln oder asphärischen optischen Flächen.
  • Das Polierwerkzeug kann nach Ausführungsbeispielen der Erfindung entweder zur Achse rund oder unrund sein. Es kann ferner entweder in der Achse oder außerhalb der Achse gelenkig gelagert sein.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Polierwerkzeugs wird der zweite Körper in radialer Richtung mit zunehmender axialer Dicke hergestellt, wobei der zweite Körper mit einer inneren Kontur an den ersten Körper und mit einer äußeren Kontur an den Polierbelag_angrenzend hergestellt und der Verlauf der axialen Dicke über der radialen Richtung in Abhängigkeit vom radialen Verlauf der Konturen bestimmt wird.
  • Diese Maßnahmen haben den bereits weiter oben dargestellten Vorteil, dass das gewünschte radiale Profil der Elastizität in sehr genauer Weise eingestellt werden kann.
  • Hierzu sind erfindungsgemäß für eine praktische Realisierung zwei Varianten vorgesehen:
  • Die erste Variante ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
    1. a) Festlegen eines gewünschten mittleren Polierdrucks pm des Polierwerkzeugs;
    2. b) Bestimmen der notwendigen Anpresskraft Fk aus der Polierfläche des Polierwerkzeugs;
    3. c) Auswählen eines Elastizitätsmoduls E für den Werkstoff des zweiten Körpers;
    4. d) Auswählen einer Mittendicke Di des zweiten Körpers;
    5. e) Auswählen einer anfänglichen äußeren Kontur;
    6. f) Berechnen einer mittleren Einfederungstiefe di für einen zweiten Körper unter der Annahme, dass der zweite Körper eine konstante axiale Dicke D aufweist, die gleich der ausgewählten Mittendicke Di ist;
    7. g) Bestimmen einer Polierbewegung des Polierwerkzeugs auf der zu polierenden Oberfläche;
    8. h) Diskretisieren der Polierbewegung in eine vorbestimmte Anzahl n Bewegungsinkremente, wobei die Anzahl n hinreichend groß gewählt wird;
    9. i) Berechnen einer Einfederungsfläche aus den Abweichungen der axialen Dicke z_Di in Richtung z der Achse zwischen der Oberfläche und der äußeren Kontur in einem vorgegebenen Punkt i bei relativer Polierbewegung zwischen dem Polierwerkzeug und der optischen Fläche;
    10. j) Addieren der Abweichungen z_Di bei allen Punkten i;
    11. k) Bestimmen einer maximalen Abweichung z_Dmax;
    12. l) Bestimmen einer minimalen Abweichung z_Dmin;
    13. m) Bestimmen eines Mittelwerts z_Dm aus allen Abweichungen z_Di;
    14. n) Bilden einer Differenz z_Dmt zwischen dem Mittelwert z_Dm und der Summe einer Kippung und eines zentralen Offsets des Mittelwerts z_Dm;
    15. o) Berechnen der axialen Dicke D in Abhängigkeit von der radialen Richtung h für runde bzw. x, y für unrunde Polierwerkzeuge mit den Unterschritten: K ⁢ 2 h = K ⁢ 2 h + z_Dmt h ;
      Figure imgb0001
      bzw. K ⁢ 2 x y = K ⁢ 2 x y + z_Dmt x y ;
      Figure imgb0002
       D h = Di + Di * z_Dmax h - z_Dmin h / di / f_a ;
      Figure imgb0003
      bzw D x y = Di + Di * z_Dmax x y - z_Dmin x y / di / f_a ;
      Figure imgb0004
       K ⁢ 1 h = K ⁢ 2 h + D h ;
      Figure imgb0005
      bzw. K ⁢ 1 x y = K ⁢ 2 x y + D x y .
      Figure imgb0006
  • Die zweite Variante ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
    1. a) Festlegen eines gewünschten mittleren Polierdrucks pm des Polierwerkzeugs;
    2. b) Bestimmen der notwendigen Anpresskraft Fk aus der Polierfläche des Polierwerkzeugs;
    3. c) Auswählen eines Elastizitätsmoduls E für den Werkstoff des zweiten Körpers;
    4. d) Auswählen einer Mittendicke Di des zweiten Körpers;
    5. e) Auswählen einer anfänglichen äußeren Kontur;
    6. f) Berechnen einer mittleren Einfederungstiefe di für einen zweiten Körper unter der Annahme, dass der zweite Körper eine konstante axiale Dicke D aufweist, die gleich der ausgewählten Mittendicke Di ist;
    7. g) Bestimmen einer Polierbewegung des Polierwerkzeugs auf der zu polierenden Oberfläche;
    8. h) Diskretisieren der Polierbewegung in eine vorbestimmte Anzahl n Bewegungsinkremente, wobei die Anzahl n hinreichend groß gewählt wird;
    9. i) Berechnen einer Einfederungsfläche aus den Abweichungen der axialen Dicke z_Di in Richtung z der Achse zwischen der Oberfläche und der äußeren Kontur in einem vorgegebenen Punkt i bei relativer Polierbewegung zwischen dem Polierwerkzeug und der optischen Oberfläche;
    10. j) Addieren der Abweichungen z_Di bei allen Punkten i;
    11. k) Bestimmen einer maximalen Abweichung z_Dmax;
    12. l) Bestimmen einer minimalen Abweichung z_Dmin;
    13. m) Bestimmen eines Mittelwerts z_Dm aus allen Abweichungen z_Di;
    14. n) Bilden einer Differenz z_Dmt zwischen dem Mittelwert z_Dm und der Summe einer Kippung und eines zentralen Offsets des Mittelwerts z_Dm;
    15. o) Berechnen der axialen Dicke D in Abhängigkeit von der radialen Richtung h für runde bzw. x, y für unrunde Polierwerkzeuge mit den Unterschritten: D h = Di + Di * z_Dmt h / di / f_a ;
      Figure imgb0007
      bzw. D x y = Di + Di * z_Dmt x y / di / f_a ;
      Figure imgb0008
       K ⁢ 1 h = K ⁢ 2 h + D h ;
      Figure imgb0009
      bzw. K ⁢ 1 x y = K ⁢ 2 x y + D x y .
      Figure imgb0010
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und der beigefügten Zeichnung.
  • Beispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Seitenansicht, teilweise aufgebrochen, eines Beispiels eines Polierkopfs zum Polieren einer Oberfläche eines Brillenglases;
    Fig. 2
    eine noch weiter schematisierte Darstellung eines Polierwerkzeugs, wie es in dem Polierkopf gemäß Fig. 1 verwendet wird;
    Fig. 3
    eine Darstellung, ähnlich Fig. 2, eines weiteren Polierwerkzeugs;
    Fig. 4
    eine Darstellung, ähnlich Fig. 2, eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Polierwerkzeugs;
    Fig. 5
    eine Darstellung, ähnlich Fig. 2, eines weiteren Polierwerkzeugs;
    Fig. 6
    eine Darstellung, ähnlich Fig. 2, eine weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Polierwerkzeugs;
    Fig. 7
    ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Polierwerkzeugs.
  • In Fig. 1 bezeichnet 10 als Ganzes eine Vorrichtung zum Polieren eines Brillenglases 12. Es versteht sich dabei, dass der Anwendungsfall "Brillenglas" nur beispielhaft zu verstehen ist, weil die Erfindung ganz allgemein bei optischen Flächen einsetzbar ist. Hiermit sind Flächen optischer Bauelemente gemeint wie z.B. Flächen, insbesondere asphärische Flächen oder Freiformflächen von Brillengläsern, Spiegeln, Kunststoffoptiken usw..
  • In Figur 1 wird das Brillenglas 12 von einem herkömmlichen Halter 14 gehalten, und zwar im dargestellten Beispiel raumfest. Eine erste Achse ist mit 15 bezeichnet. Dies ist zugleich die geometrische Achse des Körpers des Brillenglases 12 und die Hochachse des Halters 14.
  • Das Brillenglas weist eine innere, hintere Oberfläche 16 und eine äußere, vordere Oberfläche 18 auf. Die innere Oberfläche 16 ist im dargestellten Beispiel die sogenannte Rezeptfläche, die in vorbestimmter Weise optisch bearbeitet und insbesondere als Freiformfläche ausgebildet ist.
  • Ein Polierkopf 20 trägt an seinem freien Ende ein Polierwerkzeug 22. Das Polierwerkzeug 22 weist einen ersten, vorzugsweise starren Körper 24 in Form einer Schale auf. An diesen schließt sich bündig ein zweiter, elastischer Körper 26 an, der auch als Buffer bezeichnet wird. An dessen gegenüberliegender Seite wiederum befindet sich ein Polierbelag 28. Der Polierbelag 28 kann nur aus einer aufgebrachten Polierpaste bestehen oder ein eigenes körperliches Gebilde sein, z.B. eine Poliermembran, ein Polierpad oder ein Polierschichtmaterial.
  • Der erste Körper 24 ist auf seiner Rückseite mit einer Kugelpfanne 30 oder einem anderen geeigneten Gelenkteil versehen, in die ein Kugelkopf 32 eines mit 34 symbolisierten Aktuators eines Polierroboters (nicht dargestellt) greift, der sich entlang einer zweiten Achse 36 erstreckt. Das so angedeutete Gelenk lässt Schwenkbewegungen des Polierwerkzeugs 22 relativ zum Brillenglas zu, ermöglicht es aber gleichzeitig, das Polierwerkzeug 22 um die zweite Achse 36 rotieren zu lassen. Damit ist es möglich, das Polierwerkzeug 22 anzutreiben und mit dem Polierbelag 28 über die zu polierende Oberfläche 16 des Brillenglases 12 zu führen, wie dies dem Fachmann bekannt ist.
  • Der zweite, elastische Körper 26 besteht vorzugsweise aus Gummi oder Kautschuk. Er kann auch aus einem polyurethanischen Werkstoff bestehen, also z.B. Polyurethan, Polyätherurethan oder einem Elastomer. Derartige Werkstoffe sind bekannt und z.B. unter den Handelsnamen Sylomer, Sylodyn und Sylodamp von der Fa. Getzner erhältlich. Der Elastizitätsmodul E dieses Werkstoffs sollte größer sein als 0,02 N/mm2.
  • Die Elemente 24, 26 und 28 sitzen in Richtung der zweiten Achse 36 dicht nebeneinander und erstrecken sich im Wesentlichen in radialer Richtung. Wie noch ausgeführt werden wird, unterscheidet man im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwischen runden und unrunden Polierwerkzeugen 22.
  • Es sei ferner noch angemerkt, dass die zweite Achse 36 nicht notwendigerweise im Zentrum des Polierwerkzeugs 22 angeordnet sein muss. Die vorliegende Erfindung schließt auch andere Ausführungsformen in exzentrischer oder taumelnder Bauweise ein.
  • In Fig. 2 ist das Polierwerkzeug 22 noch einmal schematisch mit den drei Elementen 24, 26 und 28 dargestellt. Wichtig ist bei diesem Ausführungsbeispiel, dass der zweite Körper 26 eine axiale Dicke D hat, die sich mit dem Abstand von der Achse 36 ändert. Dies ist deswegen so vorgesehen, weil die Elastizität des zweiten Körpers 26 in radialer Richtung von innen nach außen in vorbestimmter Weise, d.h. mit einem vorgegebenen Profil, zunehmen soll. Dies bedeutet, dass der zweite, elastische Körper nach außen hin weicher wird, also eine zunehmend flachere Federkennlinie hat. Man macht sich dabei die Tatsache zunutze, dass ein elastisches Plattenmaterial eine Federkennlinie, also eine Abhängigkeit der Pressung (N/mm2) von der Einfederung (mm) hat, die umso flacher verläuft, je dicker das Plattenmaterial ist. Beim Polieren einer optischen Fläche entspricht der ausgeübte Polierdruck der Pressung.
  • Die bereits erwähnte axiale Dicke D wird zwischen den Konturen 40 und 42 gemessen.
  • Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass die angestrebte zunehmende Elastizität zum Rand des Polierwerkzeugs hin alternativ auch durch die Verwendung eines Werkstoffs für den zweiten Körper erreicht werden kann, dessen Elastizität nicht homogen ist sondern nach außen hin zunimmt. Man ist dann im Verlauf der axialen Dicke in Abhängigkeit vom radialen Abstand zur Achse weitgehend frei.
  • Es sei ferner erwähnt, dass die radiale Zunahme der Elastizität zum Rand des Polierwerkzeugs hin kontinuierlich oder in Stufen eingestellt werden kann.
  • Für die nähere Erläuterung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Richtung der zweiten Achse 36 mit z bezeichnet. Der radiale Abstand von der zweiten Achse ist bei runden Polierwerkzeugen 22 eindimensional, also h. Bei unrunden Polierwerkzeugen 22 ist er zweidimensional, wird also in Koordinaten x, y ausgedrückt.
  • Fig. 2 zeigt ferner, dass der zweite Körper 26 an seiner Oberseite von einer inneren Kontur 40 und an seiner Unterseite von einer äußeren Kontur 42 begrenzt wird. Die äußere Kontur 42 ist im Wesentlichen gleich der Einhüllenden der Kontur der zu polierenden Oberfläche 16. In Fig. 2 ist die innere Kontur 40 konkav und die äußere Kontur 42 konvex.
  • Die Figuren 3 bis 6 zeigen Varianten von Fig. 2, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur durch Hinzufügen eines Buchstabens differenziert sind.
  • In Fig. 3 ist die innere Kontur 40a konvex und die äußere Kontur 42a plan.
  • In Fig. 4 sind die innere Kontur 40b und die äußere Kontur 42b konkav.
  • In Fig. 5 ist die innere Kontur 40c plan und die äußere Kontur 42c konkav.
  • In Fig. 6 ist die innere Kontur 40d konvex und die äußere Kontur 42d konkav.
  • Das Polierwerkzeug 22 wird mit einer Andrückkraft Fk an die zu polierende Oberfläche 16 des Brillenglases 12 gedrückt. Um den gewünschten gleichförmigen Anpressdruck über die Kontaktfläche zwischen Polierbelag 28 und Oberfläche 16 zu erreichen, wird ein Optimierungsprozess abgewickelt, der im Blockdiagramm der Fig. 7 veranschaulicht ist.
  • Dazu wird für die Polierdruckberechnung von einem vereinfachten Modell des Hooke'schen Gesetzes ausgegangen. Dieses Modell stellt einen eindimensionalen Zusammenhang zwischen dem Polierdruck p(h) bzw. der Flächenpressung für runde bzw. p(x,y) für unrunde Polierwerkzeuge 22 und der Dicke D(h) bzw. D(x,y) des zweiten Körpers 26 dar: p h = E * d h / D h ,
    Figure imgb0011
     bzw. p x y = E * d x y / D x y
    Figure imgb0012
  • In einem ersten Schritt (Block 50) wird nun der gewünschte mittlere Polierdruck pm bzw. die Flächenpressung in N/mm2 festgelegt.
  • In einem zweiten Schritt (Block 52) wird die notwendige Anpresskraft Fk in N aus den Abmessungen des Polierwerkzeugs 22 bestimmt, also aus der Größe der Kontaktfläche.
  • In einem dritten Schritt (Block 54) wird der Elasitizitätsmodul E des Werkstoffs für den zweiten Körper 26 in N/mm2 gewählt und dessen Mittendicke Di festgelegt.
  • In einem vierten Schritt (Block 56) wird die äußere Kontur 42 des zweiten Körpers 26 ausgehend von einer Grundstellung des Polierwerkzeugs 22 auf der Oberfläche 16 festgelegt.
  • In einem fünften Schritt (Block 58) wird die mittlere Einfederungstiefe di bei einem zweiten Körper 26 mit angenommener konstanter Dicke Di nach der Vorgabe des dritten Schritts (Block 54) nach folgender Formel berechnet: di = pm * Di / E
    Figure imgb0013
  • In einem sechsten Schritt (Block 60) wird die Polierbewegung des Polierwerkzeugs 22 auf der zu polierenden Oberfläche 16 bestimmt.
  • In einem siebten Schritt (Block 62) wird diese Polierbewegung in hinreichend große Anzahl n von kleinen Bewegungsinkrementen diskretisiert.
  • In einem achten Schritt (Block 64) werden die Abweichungen in z-Richtung z_D(h) bzw. z_D(x,y) zwischen der gegenüber der zu polierenden Oberfläche 16 verschobenen und/oder verdrehten äußeren Kontur 42 des zweiten Körpers 26 an einer Position i berechnet. Dies ist die lokale Einfederungsfläche.
  • In einem neunten Schritt (Block 66) werden diese Abweichungen z_D(h) bzw. z D(x,y) bei allen bewegungsinkrementellen Zwischenpositionen addiert. Dies geschieht im jeweiligen Polar- bzw. kartesischen System komponentenweise.
  • In einem zehnten Schritt (Block 68) wird die minimale Einfederungstiefe z_Dmin festgehalten und entsprechend in einem elften Schritt (Block 69) die maximale Einfederungstiefe z_Dmax.
  • In einem zwölften Schritt (Block 76) wird schließlich die Kippung und der zentrale Offset der gemittelten asphärischen Deformationsfläche abgezogen, und man erhält einen Wert z_Dmt.
  • Die erforderlichen Iterationen erfolgen dabei über die Schleifen 74, 78 und 80.
  • Mit dem Wert z_Dmt kann dann nach zwei verschienenen Varianten A und B weitergearbeitet werden, die in den Blöcken 84 und 86 mit den zugehörigen Gleichungen IV bis IX bzw. X bis XIII gekennzeichnet sind.
  • In der Variante A wird zunächst die Äußere Kontur 42 um den Wert z_Dmt korrigiert, um die gemittelten Einfederungsabweichungen auszugleichen, und zwar für runde Polierwerkzeuge 22: K ⁢ 2 h = K ⁢ 2 h + z_Dmt h
    Figure imgb0014
     bzw. für unrunde Polierwerkzeuge 22: K ⁢ 2 x y = K ⁢ 2 x y + z_Dmt x y
    Figure imgb0015
  • Die noch nicht kompensierten dynamischen Abweichungen werden über die Funktion der Dicke D des zweiten Körpers 26 vermindert, und zwar für runde Polierwerkzeuge 22: D h = Di + Di * z_Dmax h - z_Dmin h / di / f_a ;
    Figure imgb0016
     bzw. für unrunde Polierwerkzeuge 22: D x y = Di + Di * z_Dmax x y - z_Dmin x y / di / f_a
    Figure imgb0017
  • Die Variante A kompensiert also die mittlere dynamische Federabweichung vollständig und vermindert die dynamische Federdruckabweichung durch die Funktion der Dicke D des zweiten Körpers 26. Die innere Kontur 41 (hier K1 genannt) ergibt sich dann für runde Polierwerkzeuge 22 zu: K ⁢ 1 h = K ⁢ 2 h + D h
    Figure imgb0018
     bzw. für unrunde Polierwerkzeuge 22: K ⁢ 1 x y = K ⁢ 2 x y + D x y .
    Figure imgb0019
  • Bei der Variante B wird auf die Korrektur der äußeren Kontur 42 verzichtet. Dann lassen sich über die Funktionen der Dicke D des zweiten Körpers 26 die gemittelten Federabweichungen z_Dmt vermindern, für runde Polierwerkzeuge 22: D h = Di + Di * z_Dmt h / di / f_a
    Figure imgb0020
     bzw. für unrunde Polierwerkzeuge 22: D x y = Di + Di * z_Dmt x y / di / f_a
    Figure imgb0021
  • Die innere Kontur 40 bzw. K1 ergibt sich dann für runde Polierwerkzeuge 22: K ⁢ 1 h = K ⁢ 2 h + D h
    Figure imgb0022
     bzw. für unrunde Polierwerkzeuge 22: K ⁢ 1 x y = K ⁢ 2 x y + D x y .
    Figure imgb0023
  • Dabei wird der Faktor f_a als dem Asphärentyp zugeordneter spezieller Faktor verwendet. Der Faktor kann idealerweise zwischen 1/2 und 2 liegen. Die dynamische Federdruckvariationen werden bei dieser Variante nicht kompensiert.
    • Beispiele:
  • Die Auslegung des zweiten Körpers 26 erfolgt für die Bearbeitung einer torischen asphärischen Fläche eines Brillenglases nach Variante B. Ausgangspunkt ist eine torische Fläche mit den Radien R1 = 100 mm und R2 = 150 mm. Bei einer torischen Brillenglasoberfläche bedeutet ein Basisradius RB von 150 mm bei einer Brechzahl von 1,6 einen Brechwert von 4 Dioptrien. Ein Zylinderradius RZ von 100 mm bedeutet bei gleichem Brechungsindex einen Brechwert von 6 Dioptrien. Eine solche asphärische torische Fläche stellt also einen zylindrischen Brechwert von 2 Dioptrien dar. Über 90 % aller Brillengläser haben eine Zylinderwirkung von weniger als 2 Dioptrien. Die Aspherizität des beschriebenen Torus liegt im Durchmesserbereich von 45 mm bei ca. 900 µm.
  • Die Anpresskraft wird mit Fk = 90,478 N angenommen. Bei einem Durchmesser der Kontaktfläche von Dm = 45 mm wird dann ein gemittelter Polierdruck pm = 0,057 N/mm2 ausgeübt.
  • Der Elastizitätsmodul wird mit E = 0,25 N/mm2 gewählt. Die Mittendicke Di des zweiten Körpers 26 beträgt 4 mm.
  • Es wird zunächst angenommen, dass die Konturen 40 und 42 identisch sind und dem Radius der sphärischen Fläche von RB = RZ = 150 mm entsprechen. Hierbei erhält man den Idealfall mit konstantem Polierdruck.
    • Beispiel 1 (Stand der Technik):
  • Das Polierwerkzeug 22 wird in herkömmlicher Weise unter der Annahme konstanter Dicke D des zweiten Körpers 26 von 4 mm gegen die vorgenannte Fläche mit den Radien 100/150 mm gepresst. Die Radien der Konturen 40 und 42 sind identisch und so gewählt, dass sie sich zwischen den beiden Radien des Torus befinden. Es zeigt sich dann, dass die Polierdruckschwankungen im äußeren Bereich mindestens 96 % des gemittelten Polierdrucks betragen. Dies bewirkt eine starke diskontinuierliche Polierabtragsbildung und ist für eine gleichmäßige Polier- und Glättwirkung kontraproduktiv. Es ist ein stark schwankender Polierprozess zu erwarten.
    • Beispiel 2 (Erfindung):
  • Es wird daher jetzt erfindungsgemäß ein im radialen Verlauf der Dicke Di optimierter zweiter Körper 26 verwendet, bei dem sich die Dicke Di von 4 mm im Zentrum bis auf DR = 10 mm am Außenrand aufweitet. Der Faktor f_a wird hierbei mit f_a = 2/3 gewählt. Die Radien der Konturen 40 und 42 sind so berechnet, dass die äußere Kontur 42 etwas flacher als der Basisradius RB anpresst und der Radius der inneren Kontur 40 dementsprechend den Dickenunterschied von innen nach außen kompensiert. Der jetzt berechnete Polierdruck geht dann in seiner Dynamik auf weniger als 40 % des gemittelten Polierdrucks pm zurück.
    • Beispiel 3 (Erfindung):
  • Wenn ein sich nach außen von Di = 4mm auf DR = 8 mm verdickender zweiter Körper 26 gewählt wird und die Radien der Konturen 40 und 42 werden analog der vorigen Berechnung ausgelegt, dann liegt die Polierdruckschwankung bei weniger als 47 %, wenn der Faktor f a = 1 angenommen wird.

Claims (18)

  1. Vorrichtung zum Polieren einer optischen Fläche, mit einem Polierkopf (20), dessen Polierwerkzeug (22) entlang einer gemeinsamen Achse (36) hintereinander einen ersten, vorzugsweise starren Körper (24), einen zweiten, elastischen Körper (26) sowie einen Polierbelag (28) aufweist, die sich jeweils im Wesentlichen radial zur Achse (36) erstrecken, wobei der zweite Körper (26) in radialer Richtung (h; x, y) von innen nach außen zunehmend weicher ausgebildet ist, der zweite Körper (26) in radialer Richtung (h; x, y) eine zunehmende axiale Dicke (D) aufweist, der zweite Körper (26) mit einer inneren Kontur (40) an den ersten Körper (24) und mit einer äußeren Kontur (42) an den Polierbelag (28) angrenzt, und der Verlauf der axialen Dicke (D) über der radialen Richtung (h; x,y) in Abhängigkeit vom radialen Verlauf der Konturen (40, 42) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kontur (40b) konkav und die äußere Kontur (42b) konkav ausgebildet sind.
  2. Vorrichtung zum Polieren einer optischen Fläche, mit einem Polierkopf (20), dessen Polierwerkzeug (22) entlang einer gemeinsamen Achse (36) hintereinander einen ersten, vorzugsweise starren Körper (24), einen zweiten, elastischen Körper (26) sowie einen Polierbelag (28) aufweist, die sich jeweils im Wesentlichen radial zur Achse (36) erstrecken, wobei der zweite Körper (26) in radialer Richtung (h; x, y) von innen nach außen zunehmend weicher ausgebildet ist, der zweite Körper (26) in radialer Richtung (h; x, y) eine zunehmende axiale Dicke (D) aufweist, der zweite Körper (26) mit einer inneren Kontur (40) an den ersten Körper (24) und mit einer äußeren Kontur (42) an den Polierbelag (28) angrenzt, und der Verlauf der axialen Dicke (D) über der radialen Richtung (h; x, y) in Abhängigkeit vom radialen Verlauf der Konturen (40, 42) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kontur (40d) konvex und die äußere Kontur (42d) konkav ausgebildet sind.
  3. Vorrichtung nach Ansprüch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Kontur (42) sphärisch ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Ansprüch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Kontur (42) aspharisch ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach Ansprüch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Kontur (42) als Freiformfläche ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper (26) aus einem Werkstoff besteht, dessen Elastizitätsmodul (E) größer als 0,02 N/mm2 ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper (26) aus einem Werkstoff besteht, der aus der Gruppe Gummi, Kautschuk, Polyurethan, Polyätherurethan, Elastomer ausgewählt ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper (26) ein Gussteil ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper (26) aus einem Werkstoff ausgebildet ist, dessen Elastizität in radialer Richtung von innen nach außen zunimmt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Polierbelag (28) eine Polierpaste ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Polierbelag (28) als Poliermembran ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug (22) relativ zur Achse (36) rund ausgebildet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug (22) relativ zur Achse (36) unrund ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug (22) in der Achse (36) gelenkig gelagert ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug (22) außerhalb der Achse (36) gelenkig gelagert ist.
  16. Verfahren zum Polieren einer Oberfläche (16) eines optischen Bauelementes, insbesondere eines Brillenglases (12), dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 verwendet wird.
  17. Verfahren zum Herstellen eines Polierwerkzeugs (20), das entlang einer gemeinsamen Achse (36) hintereinander einen ersten, vorzugsweise starren Körper (24), einen zweiten, elastischen Körper (26) sowie einen Polierbelag (28) aufweist, die sich jeweils im Wesentlichen radial zur Achse (36) erstrecken, wobei der zweite Körper (26) in radialer Richtung (h; x, y) von innen nach außen zunehmend weicher ausgebildet wird, wobei der zweite Körper (26) in radialer Richtung (h; x, y) mit zunehmender axialer Dicke (D) hergestellt wird, wobei der zweite Körper (26) mit einer inneren Kontur (40) an den ersten Körper (24) und mit einer äußeren Kontur (42) an den Polierbelag (28) angrenzend hergestellt und der Verlauf der axialen Dicke (D) über der radialen Richtung (h; x, y) in Abhängigkeit vom radialen Verlauf der Konturen (40, 42) bestimmt wird, des Weiteren mit den Schritten:
    a) Festlegen eines gewünschten mittleren Polierdrucks (pm) des Polierwerkzeugs (20);
    b) Bestimmen der notwendigen Anpresskraft (Fk) aus der Polierfläche des Polierwerkzeugs (20),
    c) Auswählen eines Elastizitätsmoduls (E) für den Werkstoff des zweiten Körpers (26);
    d) Auswählen einer Mittendicke (Di) des zweiten Körpers (26);
    e) Auswählen einer anfänglichen äußeren Kontur (42);
    f) Berechnen einer mittleren Einfederungstiefe (di) für einen zweiten Körper (26) unter der Annahme, dass der zweite Körper eine konstante axiale Dicke (D) aufweist, die gleich der ausgewählten Mittendicke (Di) ist;
    g) Bestimmen einer Polierbewegung des Polierwerkzeugs (20) auf der zu polierenden Oberfläche (16);
    h) Diskretisieren der Polierbewegung in eine vorbestimmte Anzahl (n) Bewegungsinkremente, wobei die Anzahl (n) hinreichend groß gewählt wird;
    i) Berechnen einer Einfederungsfläche aus den Abweichungen der axialen Dicke (z_Di) in Richtung (z) der Achse (36) zwischen der Oberfläche (16) und der äußeren Kontur (42) in einem vorgegebenen Punkt (i) bei relativer Polierbewegung zwischen dem Polierwerkzeug (20) und der optischen Fläche und;
    j) Addieren der Abweichungen (z_Di) bei allen Punkten (i);
    k) Bestimmen einer maximalen Abweichung (z_Dmax);
    l) Bestimmen einer minimalen Abweichung (z_Dmin);
    m) Bestimmen eines Mittelwerts (z_Dm) aus allen Abweichungen (z_Di);
    n) Bilden einer Differenz (z_Dmt) zwischen dem Mittelwert (z_Dm) und der Summe einer Kippung und eines zentralen Offsets des Mittelwerts (z_Dm);
    o) Berechnen der axialen Dicke (D) in Abhängigkeit von der radialen Richtung (h) für runde bzw. (x, y) für unrunde Polierwerkzeuge (22) mit den Unterschritten: K ⁢ 2 h = K ⁢ 2 h + z_Dmt h ;
    Figure imgb0024
    bzw. K ⁢ 2 x y = K ⁢ 2 x y + z_Dmt x y ;
    Figure imgb0025
     D h = Di + Di * z_Dmax h - z_Dmin h / di / f_a ;
    Figure imgb0026
    bzw D x y = Di + Di * z_Dmax x y - z_Dmin x y / di / f_a ;
    Figure imgb0027
     K ⁢ 1 h = K ⁢ 2 h + D h ;
    Figure imgb0028
     bzw. K ⁢ 1 x y = K ⁢ 2 x y + D x y .
    Figure imgb0029
  18. Verfahren zum Herstellen eines Polierwerkzeugs (20), das entlang einer gemeinsamen Achse (36) hintereinander einen ersten, vorzugsweise starren Körper (24), einen zweiten, elastischen Körper (26) sowie einen Polierbelag (28) aufweist, die sich jeweils im Wesentlichen radial zur Achse (36) erstrecken, wobei der zweite Körper (26) in radialer Richtung (h; x, y) von innen nach außen zunehmend weicher ausgebildet wird, wobei der zweite Körper (26) in radialer Richtung (h; x, y) mit zunehmender axialer Dicke (D) hergestellt wird, wobei der zweite Körper (26) mit einer inneren Kontur (40) an den ersten Körper (24) und mit einer äußeren Kontur (42) an den Polierbelag (28) angrenzend hergestellt und der Verlauf der axialen Dicke (D) über der radialen Richtung (h; x, y) in Abhängigkeit vom radialen Verlauf der Konturen (40, 42) bestimmt wird, des Weiteren mit den Schritten:
    a) Festlegen eines gewünschten mittleren Polierdrucks (pm) des Polierwerkzeugs (20);
    b) Bestimmen der notwendigen Anpresskraft (Fk) aus der Polierfläche des Polierwerkzeugs (20),
    c) Auswählen eines Elastizitätsmoduls (E) für den Werkstoff des zweiten Körpers (26);
    d) Auswählen einer Mittendicke (Di) des zweiten Körpers (26);
    e) Auswählen einer anfänglichen äußeren Kontur (42);
    f) Berechnen einer mittleren Einfederungstiefe (di) für einen zweiten Körper (26) unter der Annahme, dass der zweite Körper eine konstante axiale Dicke (D) aufweist, die gleich der ausgewählten Mittendicke (Di) ist;
    g) Bestimmen einer Polierbewegung des Polierwerkzeugs (20) auf der zu polierenden Oberfläche (16);
    h) Diskretisieren der Polierbewegung in eine vorbestimmte Anzahl (n) Bewegungsinkremente, wobei die Anzahl (n) hinreichend groß gewählt wird;
    i) Berechnen einer Einfederungsfläche aus den Abweichungen der axialen Dicke (z_Di) in Richtung (z) der Achse (36) zwischen der Oberfläche (16) und der äußeren Kontur (42) in einem vorgegebenen Punkt (i) bei relativer Polierbewegung zwischen dem Polierwerkzeug (20) und der optischen Fläche;
    j) Addieren der Abweichungen (z_Di) bei allen Punkten (i);
    k) Bestimmen einer maximalen Abweichung (z_Dmax);
    l) Bestimmen einer minimalen Abweichung (z_Dmin);
    m) Bestimmen eines Mittelwerts (z_Dm) aus allen Abweichungen (z_Di);
    n) Bilden einer Differenz (z_Dmt) zwischen dem Mittelwert (z_Dm) und der Summe einer Kippung und eines zentralen Offsets des Mittelwerts (z_Dm);
    o) Berechnen der axialen Dicke (D) in Abhängigkeit von der radialen Richtung (h) für runde bzw. (x, y) für unrunde Polierwerkzeuge (22) mit den Unterschritten: D h = Di + Di * z_Dmt h / di / f_a ;
    Figure imgb0030
    bzw. D x y = Di + Di * z_Dmt x y / di / f_a ;
    Figure imgb0031
     K ⁢ 1 h = K ⁢ 2 h + D h ;
    Figure imgb0032
    bzw. K ⁢ 1 x y = K ⁢ 2 x y + D x y .
    Figure imgb0033
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