EP1977860A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von optischen Elementen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von optischen Elementen Download PDF

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EP1977860A1
EP1977860A1 EP08102962A EP08102962A EP1977860A1 EP 1977860 A1 EP1977860 A1 EP 1977860A1 EP 08102962 A EP08102962 A EP 08102962A EP 08102962 A EP08102962 A EP 08102962A EP 1977860 A1 EP1977860 A1 EP 1977860A1
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EP
European Patent Office
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blank
liquid jet
jet
incidence
profile
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EP08102962A
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English (en)
French (fr)
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EP1977860B1 (de
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Oliver FÄHNLE
Wilhelmus Messelink
Mark Meeder
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Fisba Optik AG
Original Assignee
Fisba Optik AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/04—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for treating only selected parts of a surface, e.g. for carving stone or glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing optical elements according to the features of the preamble of the independent claims.
  • fluid jet polishing For polishing, correcting or processing of optical elements, it is known to remove material with an abrasive liquid jet. With this technology called fluid jet polishing, it is possible to shape and polish optical surfaces of glass bodies, for example.
  • the fluid jet polishing technique is for example from OW Fähnle / H. van Brug / HJ Frankena in "Fluid Jet Polishing of Optical Surfaces", Applied Optics 37 (28), 6771-6773, 1998 , described.
  • mini- and micro-lenses are here and hereinafter understood lenses having a diameter of 0.1 to 5 mm. It is therefore an object of the present invention to avoid the disadvantages of the known, in particular therefore to provide a method and a device by means of which aspheric mini and microlenses can be produced with high precision in a simple manner.
  • the device according to the invention and the method according to the invention should moreover permit the production of such lenses in a flexible manner.
  • optical elements In particular, this aspheric mini and microlenses are to be produced. However, it is also conceivable to produce other optical elements with small dimensions according to the invention.
  • a blank is provided.
  • the blank is made of a transparent material, typically of glass.
  • the blank is processed with an abrasive liquid jet. This will remove material from the blank.
  • the liquid jet has a jet diameter which is greater than the dimension of the blank in a plane perpendicular to the direction of the liquid jet.
  • the blank typically has a size of 0.1 to 5 mm.
  • the method according to the invention also works with larger diameters, provided that an abrasive jet with a sufficiently large diameter is made available. It has been found that in this case a specific, inhomogeneous removal profile is produced on the surface of the blank. This profile is dependent inter alia on the different angles of incidence of the beam at the different points of the blank, in particular a spherical blank. If such a larger jet of liquid is used, the typically spherical surface of the blank is eroded irregularly, typically aspherized.
  • the liquid jet is so under at least two different Incident angles led against the blank that a predetermined Abtragprofil is generated.
  • a blank is processed, which is spherical at least in the region of the surface to be machined.
  • the desired profile or the desired asphericity can be achieved particularly simply due to the difference between the desired shape and the blank shape.
  • the inventive method is carried out according to the known principle of fluid jet polishing.
  • water is typically used as the liquid in which as abrasive material CeO 2 or SiC or other commercially available grinding or polishing agents are mixed.
  • the blanks typically have dimensions of a few tenths of a millimeter.
  • the liquid jet has a beam diameter of about 1-6 mm.
  • the jet is conveyed at a delivery pressure of 5 to 20 bar and impinges at a speed of 40 to 80 m / s on the surface of the blank.
  • the jet and the blank are moved relative to one another such that the jet is rotated about the center of the at least partially spherical blank. In this way, it is possible to predict with particular accuracy predetermined removal profiles relative to a spherical blank.
  • the blank is particularly preferably brought into a predetermined shape by a desired Abtragprofil is formed as the difference between the shape of the blank and the desired shape as a combination of a plurality of Basisabtragprofilen.
  • Each base removal profile corresponds to the machining of the blank at a predetermined angle of incidence of the liquid jet. From a plurality of such basic ablation profiles, therefore, the desired ablation profile can be produced as a linear combination.
  • This combination of the ablation profiles represents the spatial deviation of the desired optical element, in particular the aspherical lens from the blank, in particular from the base sphere.
  • the removal profile of the blank is then compiled as a linear combination of the basic removal profiles.
  • the desired removal rate can be easily generated from a linear combination of the simulated base profiles. Therefore it is also readily possible to determine and select basic profiles with particularly suitable angles of incidence. It is therefore not necessary to assume fixed angular positions with fixed distances. Thus, optimized angles can be selected so that the asphere can also be produced with minimal residence times.
  • the device according to the invention serves to produce optical elements, typically aspherical mini and microlenses.
  • the device has a holding arrangement for at least one blank.
  • the device is also provided with a jet device for delivering an abrasive liquid jet.
  • the jet device is designed to deliver a jet of liquid having a jet diameter which is greater than the dimension of the blank in a plane perpendicular to the direction of the liquid jet.
  • the jet device for discharging the abrasive liquid jet and the holding device are movable relative to each other such that the liquid jet impinges on the blank at different angles of incidence.
  • the holding arrangement is movable with the blank. This type of reciprocal movement is particularly simple, since it is sufficient to move the holding device so that the blank moves around its center. However, it is basically also conceivable to move only the blasting device or the blasting device and the holding arrangement for the blank.
  • the control of the movements is a bit more complex. However, it can be easily realized with a CNC control.
  • the holding device for receiving a blank having a size of 0.1 - 5 mm is formed.
  • the blasting device is typically designed to produce a liquid jet having a delivery pressure of 5 to 20 bar and an impact velocity of the liquid jet onto the blank of 40 to 80 m / s.
  • the device is also preferably provided with a computer arrangement, by means of which the relative position between the direction of the liquid jet and the position of the holding device of the blank is adjustable. That way Automatically create a desired removal profile automatically.
  • the calculating means may be designed to determine a combination of predefined basic removal profiles for generating a desired ablation profile.
  • a plurality of basic removal profiles are advantageously stored in the device according to the invention and assigned to individual angles of incidence.
  • the invention also relates to a computer program product which contains a plurality of predefined basic removal profiles which are assigned to different angles of incidence of an abrasive liquid jet under predetermined conditions such as glass type, size of the blank, properties of the beam.
  • the computer program executes the method described above for producing optical elements in the device described above when the program is running on a computer.
  • FIG. 1 schematically show the basic principle of the present invention.
  • a blank 20 in the form of a partial sphere is mounted in a holding arrangement 11.
  • the blank 20 is a glass blank with a radius of 0.45 mm, that is, a diameter D of 0.9 mm.
  • an abrasive liquid jet 32 material is removed from the surface 22 of the blank 20.
  • the abrasive liquid jet 32 is discharged from a nozzle 31.
  • the liquid jet 32 is directed in a direction R which is approximately perpendicular to the surface of the holder 11.
  • the angle between the perpendicular and the direction R of the liquid jet is 0 °.
  • the abrasive liquid jet 32 has a beam diameter d, which is about 1.5 mm.
  • the beam diameter d is thus greater than the diameter D of the blank in a plane E perpendicular to the direction R of the liquid jet.
  • the rate is greater in a second surface area 22c, in which the liquid jet impinges on the surface at an angle between 0 ° and 90 °. This results in an ablation dependent on the surface area of the blank and, as a result, a specific removal profile.
  • the blank 20 is pivoted relative to the nozzle 3 and its center Z, so that an angle ⁇ of approximately 10 ° results between the direction R of the liquid jet 32 and the perpendicular L.
  • the removal rate in the surface area 22f is greatest, while the removal rate in the areas 22e and 22d is nearly zero.
  • FIG. 3 shows different removal profiles at six different angles of incidence ⁇ of the liquid jet 32.
  • FIG. 3 shows only half the profile (ie the removal profile from a center plane of the blank up to an angle of 50 ° with respect to the center plane.)
  • the X-axis from 0 to 50 ° corresponds to the measuring range of an interferometer, by means of which the removal profiles were measured
  • the Y-axis shows the relative normalized material removal perpendicular to the spherical surface starting from a spherical blank 20.
  • FIG. 3 shows, depending on the angular position of the liquid jet 32 different removal profiles.
  • a combination of these individual basic removal profiles can be predicted mathematically to generate a predefined removal profile.
  • This removal profile corresponds to the difference between the shape of the blank 20 and the desired, aspherical shape of the optical component to be produced, in particular a lens.
  • FIG. 4 schematically shows a device 10 according to the present invention.
  • the device 10 consists essentially of a holding arrangement 11 for holding the blank 20.
  • the relative movement between the blank 20 and the nozzle 31 must be very close to the center of the blank.
  • the blank is held so that it projects at least half out of the holding assembly 11 and can be acted upon by the liquid jet.
  • the liquid jet 32 can be discharged through the nozzle 31 as part of a jet device 30.
  • the nozzle 31 is movably mounted with a nozzle holder 33, so that the liquid jet 32 is pivotable about the center Z of the blank 20.
  • a blank was held movably in three translation axes in the X, Y and Z directions.
  • the rotational movements were generated by the nozzle 31.
  • the individual movements were controlled by a high-precision CNC machine. Of course, other arrangements are conceivable in which, for example, only the holding assembly 11 would be pivoted to hold the blank 20.
  • the nozzle 31 is connected in a manner known per se via a fluid connection 35 to an apparatus 36 for producing an abrasive liquid jet.
  • This is typically a volumetric pump.
  • the device 10 has a computer arrangement 34.
  • different basic removal profiles are stored.
  • the basic removal profiles correspond to the removal profile for a certain angle of incidence ⁇ of the liquid jet 32 to the blank 20.
  • Per predetermined operating conditions material and size of the blank, type of liquid jet
  • a desired removal profile can be calculated as a difference between the shape of the blank and the shape of the desired aspheric component by a linear combination of different base removal profiles.
  • the computer assembly 34 accordingly controls the position of the nozzle 31 via a CNC machine.
  • the nozzle 32 can be pivoted in the holder 33 by an angle ⁇ relative to the center Z of the blank 20 (shown in dashed lines).
  • angle ⁇ relative to the center Z of the blank 20
  • predetermined angular positions at a distance of 5 ° or 10 ° are conceivable.
  • the determination of profiles in the various angular positions can be done on the basis of simulations, starting from a real base profile. A real measurement in certain angular positions is therefore not necessary in this case.
  • the removal profile corresponds to the difference to a partially spherical blank 20.
  • the rear side 23 of the blank is ground flat, preferably before the blank is positioned in the holding arrangement.
  • the optical calculation of the lens ie, the difference between the spherical shape of the blank and the aspherical shape of the lens 21 is shown in FIG FIG. 6 shown.
  • the difference corresponds to the target removal profile.
  • Abtragonne provided in the range between 0 and a maximum of 12 microns. This results in the aspheric form.
  • FIG. 7 schematically a comparison between a desired Abtragprofil (desired profile) and a linear combination of Basisabtragprofilen shown, which form an approximation of the desired profile.
  • the removal rate is normalized (maximum removal corresponds to -1).
  • FIG. 8 an alternative embodiment is shown. Instead of in FIG. 3
  • the measured base profiles shown are based on the example according to FIG. 8 on simulated basic profiles, which are calculated from a measurement for an angle of incidence of 0 °.
  • the differences between the simulated and the measured base profiles are sufficiently small that a corresponding lens could also be produced on the basis of such simulated profiles.
  • the advantage here is that so that any profiles can be calculated for different angles of incidence.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)
  • Turning (AREA)

Abstract

In einem Verfahren zum Herstellen von optischen Elementen wird auf einem Rohling (20) mit einem abrasiven Flüssigkeitsstrahl (32) Material abgetragen. Der Flüssigkeitsstrahl (32) weist eine Strahldicke (d) auf, die grösser ist als die Dimension (D) des Rohlings (20) in einer Ebene (E) senkrecht zur Richtung (R) des Flüssigkeitsstrahls. Indem der Flüssigkeitsstrahl (32) unter unterschiedlichen Einfallswinkeln (±) auf den Rohling (20) geführt wird, können vordefinierte Abtragprofile in asphärischer Form erzielt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von optischen Elementen gemäss den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Patenansprüche.
  • Zum Auspolieren, Korrigieren oder Bearbeiten von optischen Elementen ist es bekannt, mit einem abrasiven Flüssigkeitsstrahl Material abzutragen. Bei dieser Fluid Jet Polishing genannten Technologie ist es möglich, optische Oberflächen beispielsweise von Glaskörpern zu formen und zu polieren. Die Fluid Jet Polishing Technik ist beispielsweise von O. W. Fähnle/H. van Brug/H. J. Frankena in "Fluid Jet Polishing of optical surfaces", Applied Optics 37(28), 6771-6773, 1998, beschrieben.
  • Für optische Anwendungen wie beispielsweise DVD Systeme oder für Laseroptiken zur Einkopplung in Lichtleitfasern werden asphärische Linsen mit sehr kleinen Dimensionen benötigt.
  • Mit heute bekannten Herstellmethoden ist es schwierig, solche kleinen Mini- oder Mikrolinsen mit ausreichender Präzision herzustellen. Unter Mini- und Mikrolinsen werden hier und im Folgenden Linsen verstanden, welche einen Durchmesser von 0.1 bis 5 mm aufweisen. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels welchen sich asphärische Mini- und Mikrolinsen mit hoher Präzision auf einfache Art und Weise herstellen lassen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren sollen ausserdem auf flexible Weise die Herstellung von solchen Linsen erlauben.
  • Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Das Verfahren dient zum Herstellen von optischen Elementen. Insbesondere sollen damit asphärische Mini- und Mikrolinsen herstellt werden. Es ist aber auch denkbar, andere optische Elemente mit kleinen Dimensionen erfindungsgemäss herzustellen.
  • In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein Rohling bereitgestellt. Der Rohling besteht aus einem transparenten Material, typischerweise aus Glas. Der Rohling wird mit einem abrasiven Flüssigkeitsstrahl bearbeitet. Dadurch wird Material vom Rohling abgetragen.
  • Erfindungsgemäss weist der Flüssigkeitsstrahl einen Strahldurchmesser auf, der grösser ist als die Dimension des Rohlings in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Flüssigkeitsstrahls. Der Rohling weist typischerweise eine Grösse von 0.1 bis 5 mm auf. Grundsätzlich funktioniert das erfindungsgemässe Verfahren auch bei grösseren Durchmessern, sofern ein Abrasivstrahl mit ausreichend grossem Durchmesser zur Verfügung gestellt wird. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Fall ein bestimmtes, inhomogenes Abtragprofil auf der Oberfläche des Rohlings erzeugt wird. Dieses Profil ist unter anderem abhängig von den unterschiedlichen Einfallswinkeln des Strahls an den verschiedenen Stellen des Rohlings, insbesondere eines kugelförmigen Rohlings. Wenn ein derart grösserer Flüssigkeitsstrahl verwendet wird, wird die typischerweise kugelförmige Oberfläche des Rohlings unregelmässig abgetragen, typischerweise asphärisiert.
  • Für die Bearbeitung des Rohlings wird gemäss der Erfindung der Flüssigkeitsstrahl derart unter mindestens zwei unterschiedlichen Einfallswinkeln gegen den Rohling geführt, dass ein vorbestimmtes Abtragprofil erzeugt wird.
  • Bevorzugt wird ein Rohling bearbeitet, der zumindest im Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche kugelförmig ausgebildet ist. Ausgehend von der Kugelform des Rohlings lässt sich das gewünschte Profil bzw. die gewünschte Asphärität besonders einfach aufgrund der Differenz der gewünschten Form zur Rohlingform erzielen.
  • Es ist auch denkbar, bei bestimmten Anwendungen andere Formen von Rohlingen, beispielsweise auch zylinderförmige Rohlinge zu verwenden.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren erfolgt nach dem an sich bekannten Prinzip des Fluid Jet Polishing. Dabei wird typischerweise als Flüssigkeit Wasser verwendet, in die als Abrasivmaterial CeO2 oder SiC oder andere handelsübliche Schleif- oder Poliermittel beigemischt sind.
  • Die Rohlinge weisen typischerweise Dimensionen von einigen Zehntel Millimetern auf. Erfindungsgemäss weist der Flüssigkeitsstrahl einen Strahldurchmesser von ca. 1 - 6 mm auf. Typischerweise wird der Strahl mit einem Förderdruck von 5 bis 20 bar gefördert und trifft mit einer Geschwindigkeit von 40 bis 80 m/s auf der Oberfläche des Rohlings auf.
  • Besonders bevorzugt werden der Strahl und der Rohling in Bezug zueinander derart bewegt, dass der Strahl um den Mittelpunkt des zumindest teilweise kugelförmigen Rohlings gedreht wird. Auf diese Weise lassen sich besonders genau vorbestimmte Abtragprofile bezogen auf einen kugelförmigen Rohling vorhersagen.
  • Der Rohling wird dabei besonders bevorzugt in eine vorbestimmte Form gebracht, indem ein gewünschtes Abtragprofil als Differenz zwischen der Form des Rohlings und der gewünschten Form als Kombination einer Mehrzahl von Basisabtragprofilen gebildet wird. Dabei entspricht jedes Basis-Abtragprofil der Bearbeitung des Rohlings unter einem vorbestimmten Einfallswinkel des Flüssigkeitsstrahls. Aus einer Mehrzahl von solchen Basis-Abtragungsprofilen lässt sich daher das gewünschte Abtragungsprofil als lineare Kombination herstellen. Diese Kombination der Abtragungsprofile stellt die räumliche Abweichung des gewünschten optischen Elements, insbesondere der asphärischen Linse von dem Rohling, insbesondere von der Basiskugel dar. Durch die Bestimmung der Abtragungsrate bzw. des Abtragungsprofils bei verschiedenen Einfallswinkeln, beispielsweise um 10° voneinander getrennt, kann ein Satz von Basis-Abtragprofilen ermittelt werden. Das Abtragprofil des Rohlings wird dann als lineare Kombination der Basis-Abtragprofile zusammengestellt. Ausserdem ist es bevorzugt möglich, ausgehend von einem bekannten Abtragprofil bei einem Winkel von 0° die weiteren Basisprofile für einen beliebigen Auftreffwinkel zu simulieren. Dies ermöglicht es, mit einem einzigen gespeicherten Abtragsprofil (für einen Auftreffwinkel von 0°) die weiteren Basisprofile zu simulieren, ohne Messungen durchführen zu müssen. Die gewünschte Abtragrate kann einfach aus einer linearen Kombination der simulierten Basisprofile erzeugt werden. Deshalb ist es auch ohne weiteres möglich, Basisprofile mit besonders geeigneten Auftreffwinkeln zu bestimmen und auszuwählen. Es muss daher nicht von festen Winkelpositionen mit fixen Abständen ausgegangen werden. Damit können optimierte Winkel ausgewählt werden, so dass die Asphäre auch mit minimalen Verweilzeiten hergestellt werden kann.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung dient zum Herstellen von optischen Elementen, typischerweise asphärischen Mini- und Mikrolinsen. Die Vorrichtung weist eine Halteanordnung für wenigstens einen Rohling auf. Die Vorrichtung ist ausserdem mit einer Strahlvorrichtung zur Abgabe eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls versehen. Die Strahlvorrichtung ist zur Abgabe eines Flüssigkeitsstrahls ausgebildet, der einen Strahldurchmesser aufweist, der grösser ist als die Dimension des Rohlings in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Flüssigkeitsstrahls. Die Strahlvorrichtung zur Abgabe des abrasiven Flüssigkeitsstrahls und die Haltevorrichtung sind bezogen zueinander derart bewegbar, dass der Flüssigkeitsstrahl unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf den Rohling auftrifft. Bevorzugt ist die Halteanordnung mit dem Rohling bewegbar. Diese Art der gegenseitigen Bewegung ist besonders einfach, da es ausreicht, die Haltevorrichtung so zu bewegen, dass sich der Rohling um seinen Mittelpunkt bewegt. Es ist aber grundsätzlich auch denkbar, nur die Strahlvorrichtung oder die Strahlvorrichtung und die Halteanordnung für den Rohling zu bewegen. Die Steuerung der Bewegungen ist dabei zwar etwas komplexer. Sie kann mit einer CNC-Steuerung jedoch ohne weiteres realisiert werden.
  • Bevorzugt ist die Haltevorrichtung zur Aufnahme eines Rohlings mit einer Grösse von 0.1 - 5 mm ausgebildet.
  • Die Strahlvorrichtung ist typischerweise zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahls mit einem Förderdruck von 5 bis 20 bar und mit einer Auftreffgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls auf den Rohling von 40 bis 80 m/s ausgebildet.
  • Die Vorrichtung ist ausserdem bevorzugt mit einer Rechneranordnung versehen, mittels welcher die Relativposition zwischen der Richtung des Flüssigkeitsstrahls und der Position der Haltevorrichtung des Rohlings einstellbar ist. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach automatisiert ein gewünschtes Abtragprofil erstellen.
  • Insbesondere können die Rechenmittel zum Bestimmen einer Kombination von vordefinierten Basis-Abtragprofilen zum Erzeugen eines gewünschten Abtragungsprofils ausgebildet sein. Dazu sind vorteilhaft eine Mehrzahl von Basis-Abtragprofilen in der erfindungsgemässen Vorrichtung gespeichert und einzelnen Einfallswinkeln zugeordnet.
  • Die Erfindung betrifft ausserdem ein Computerprogrammprodukt, welches eine Mehrzahl von vordefinierten Basis-Abtragprofilen enthält, welche unterschiedlichen Einfallswinkeln eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls unter vorbestimmten Bedingungen wie Glassorte, Grösse des Rohlings, Eigenschaften des Strahls zugeordnet sind. Erfindungsgemäss führt das Computerprogramm das vorstehend beschriebene Verfahren zum Herstellen von optischen Elementen in der vorbeschriebenen Vorrichtung aus, wenn das Programm auf einem Computer läuft.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen und in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    schematische Darstellung der Erzeugung eines bestimmten Abtragprofils bei einem ersten Einfallswinkel
    Figur 2:
    schematische Darstellung der Erzeugung eines Abtragsprofils bei einem zweiten Einfallswinkel
    Figur 3:
    Diagramm der Messung von verschiedenen Abtragprofilen bei unterschiedlichen Einfallswinkeln
    Figur 4:
    schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung
    Figur 5:
    schematische Darstellung eines Rohlings und einer Linse
    Figur 6:
    Darstellung der Optikrechnung einer Linse
    Figur 7:
    Vergleich eines Sollabtragprofils mit einer linearen Kombination von Basisprofilen und
    Figur 8:
    Diagramm von durch Simulation erzeugten Abtragprofilen unter verschiedenen Winkeln
  • Figuren 1 und 2 zeigen schematisch das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung. Ein Rohling 20 in der Form einer Teilkugel ist in einer Halteanordnung 11 gelagert. Der Rohling 20 ist ein Glasrohling mit einem Radius von 0.45 mm, das heisst einem Durchmesser D von 0.9 mm. Mittels eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls 32 wird Material von der Oberfläche 22 des Rohlings 20 abgetragen. Der abrasive Flüssigkeitsstrahl 32 wird von einer Düse 31 abgegeben. In Figur 1 ist der Flüssigkeitsstrahl 32 in eine Richtung R gerichtet, die etwa senkrecht zur Oberfläche der Halterung 11 steht. Der Winkel zwischen der Lotrechten und der Richtung R des Flüssigkeitsstrahls beträgt 0°. Der abrasive Flüssigkeitsstrahl 32 weist einen Strahldurchmesser d auf, der ca. 1.5 mm beträgt. Der Strahldurchmesser d ist also grösser als der Durchmesser D des Rohlings in einer Ebene E senkrecht zur Richtung R des Flüssigkeitsstrahls. Daraus ergeben sich unterschiedliche Abtragraten an unterschiedlichen Oberflächenbereichen des Rohlings 20. Beispielsweise ist insbesondere die Abtragung in ersten Oberflächenbereichen 22a und 22b, in denen der Flüssigkeitsstrahl 32 senkrecht oder parallel auf den Rohling 20 auftrifft, gering. Die Rate ist grösser in einem zweiten Oberflächenbereich 22c, in dem der Flüssigkeitsstrahl unter einem Winkel zwischen 0° und 90° auf die Oberfläche auftrifft. Dadurch ergibt sich eine von dem Oberflächenbereich des Rohlings abhängige Abtragung und dadurch ein bestimmtes Abtragprofil.
  • In Figur 2 ist der Rohling 20 bezogen auf die Düse 3 und sein Zentrum Z verschwenkt, so dass sich zwischen der Richtung R des Flüssigkeitsstrahls 32 und der Lotrechten L ein Winkel α von ca. 10° ergibt. In der Situation gemäss Figur 2 ist die Abtragrate im Oberflächenbereich 22f am grössten, während die Abtragrate in den Bereichen 22e und 22d nahezu Null ist. Bei der Bearbeitung des Rohlings 20 mit einer Position der Düse 31 gemäss Figur 2 ergibt sich daher ein unterschiedliches Abtragungsprofil am Rohling 20.
  • Durch weitere Variationen der Position der Düse 31 lässt sich eine Vielzahl von verschiedenen Abtragungsprofilen erzeugen. Figur 3 zeigt verschiedene Abtragprofile unter sechs verschiedenen Einfallswinkeln α des Flüssigkeitsstrahls 32. Figur 3 zeigt jeweils nur das halbe Profil (d. h. das Abtragungsprofil von einer Mittenebene des Rohlings bis zu einem Winkel von 50° bezogen auf die Mittenebene. Die X-Achse von 0 bis 50° entspricht dem Messbereich eines Interferometers, mittels welchem die Abtragungsprofile gemessen wurden. Entlang der Y-Achse ist der relative normalisierte Materialabtrag senkrecht zur Kugelfläche ausgehend von einem kugelförmigen Rohling 20 dargestellt.
  • Wie Figur 3 zeigt, ergeben sich je nach Winkellage des Flüssigkeitsstrahls 32 unterschiedliche Abtragprofile. Eine Kombination aus diesen einzelnen Basis-Abtragprofilen lässt sich zur Erzeugung eines vordefinierten Abtragprofils rechnerisch vorherbestimmen. Dieses Abtragprofil entspricht der Differenz zwischen der Form des Rohlings 20 und der gewünschten, asphärischen Form der herzustellenden optischen Komponente, insbesondere einer Linse.
  • Figur 4 zeigt schematisch eine Vorrichtung 10 gemäss der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10 besteht im Wesentlichen aus einer Halteanordnung 11 zum Halten des Rohlings 20. Beim Betrieb muss insbesondere auf die Zentrierung des Rohlings geachtet werden. Die Relativbewegung zwischen dem Rohling 20 und der Düse 31 muss sehr genau um den Mittelpunkt des Rohlings erfolgen. Dazu ist der Rohling so gehalten, dass er wenigstens zur Hälfte aus der Halteanordnung 11 vorsteht und vom Flüssigkeitsstrahl beaufschlagt werden kann.
    Der Flüssigkeitsstrahl 32 ist durch die Düse 31 als Teil einer Strahlvorrichtung 30 abgebbar. Die Düse 31 ist mit einer Düsenhalterung 33 bewegbar gelagert, so dass der Flüssigkeitsstrahl 32 um das Zentrum Z des Rohlings 20 schwenkbar ist. Gemäss einem Ausführungsbeispiel wurde ein Rohling in drei Translationsachsen in X-, Y- und Z-Richtung bewegbar gehalten. Die Rotationsbewegungen wurden durch die Düse 31 erzeugt. Die Steuerung der einzelnen Bewegungen erfolgte durch eine hochpräzise CNC-Maschine. Selbstverständlich sind aber auch andere Anordnungen denkbar, bei denen beispielsweise ausschliesslich die Halteanordnung 11 zum Halten des Rohlings 20 verschwenkt würde.
  • Die Düse 31 ist in an sich bekannter Art und Weise über eine Flüssigkeitsverbindung 35 mit einer Vorrichtung 36 zur Erzeugung eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls verbunden. Dabei handelt es sich typischerweise um eine volumetrische Pumpe.
  • Ausserdem weist die Vorrichtung 10 eine Rechneranordnung 34 auf. In der Rechneranordnung 34 sind verschiedene Basis-Abtragprofile gespeichert. Die Basis-Abtragprofile entsprechen jeweils dem Abtragprofil für einen bestimmten Einfallswinkel α des Flüssigkeitsstrahls 32 auf den Rohling 20. Pro vorbestimmte Betriebsbedingungen (Material und Grösse des Rohlings, Art des Flüssigkeitsstrahls) ist jeweils für mehrere verschiedene Winkel je ein Abtragprofil gespeichert. Mittels der Rechneranordnung 34 lässt sich durch lineare Kombination von verschiedenen Basis-Abtragprofilen ein gewünschtes Abtragprofil als Differenz zwischen der Form des Rohlings und der Form der gewünschten asphärischen Komponente errechnen. Die Rechneranordnung 34 steuert entsprechend die Position der Düse 31 via eine CNC-Maschine.
  • Die Düse 32 kann in der Halterung 33 um einen Winkel α bezogen auf das Zentrum Z des Rohlings 20 verschwenkt werden (gestrichelt dargestellt). Typischerweise sind vorbestimmte Winkelpositionen im Abstand von 5° oder 10° denkbar. Alternativ ist es auch denkbar, Winkelpositionen in unregelmässigen Abständen zu verwenden, welche den Herstellvorgang optimieren, insbesondere Verweilzeiten pro Winkelbereich minimieren. Die Bestimmung von Profilen in den diversen Winkelpositionen kann dabei aufgrund von Simulationen ausgehend von einem realen Basisprofil erfolgen. Eine reale Messung in bestimmten Winkelpositionen ist daher in diesem Fall nicht notwendig.
  • Das Abtragprofil entspricht der Differenz zu einem teilweise kugelförmigen Rohling 20. Die Rückseite 23 des Rohlings wird plan geschliffen, vorzugsweise bevor der Rohling in die Halteanordnung positioniert wird.
  • Die Optikrechnung der Linse, d. h. die Differenz zwischen der sphärischen Form des Rohlings und der asphärischen Form der Linse 21 ist in Figur 6 dargestellt. Die Differenz entspricht dem Sollabtragprofil. In Abhängigkeit der Winkelposition (0° = Mitte der Linse, ca. 58° = äusserer Rand der Linse) werden unterschiedliche Abtragungen im Bereich zwischen 0 und maximal 12 µm vorgesehen. Dadurch ergibt sich die asphärische Form.
  • In Figur 7 ist schematisch ein Vergleich zwischen einem gewünschten Abtragprofil (desired profile) und einer linearen Kombination von Basisabtragprofilen gezeigt, welche eine Näherung für das gewünschte Profil bilden. Die Abtragrate ist normalisiert (maximaler Abtrag entspricht -1).
  • Mit bekannten Abtragprofilen (konkret Abtragprofile für 0°, 10°, 20°, 30°, 40° und 50° des Einfallswinkels des Strahls auf den Rohling) wurde eine lineare Kombination bestimmt, mit welcher das Sollprofil möglichst gut angenähert werden kann. Diese lineare Kombination ist in Fig. 7 im Vergleich zum Sollprofil dargestellt. Typischerweise wurde zum Erzielen des in Figur 7 dargestellten Profils aus einer linearen Kombination eine Bearbeitung wie folgt errechnet:
    Verweilzeit / normalisiert auf Gesamtzeit Basisprofil verwenden
    0 0°-Profil nein
    0 10°-Profil nein
    0.0851 20°-Profil ja
    0.1501 30°-Profil ja
    0 40°-Profil nein
    0.7647 50°-Profil ja
  • Im konkreten (errechneten) Beispiel werden also Abtragungen mit einem Einfallswinkel von 20°, 30° und 50° vorgeschlagen. Die Verweilzeit der Abtragung des Profils, welches durch Einstrahlwinkel von 50° erzeugt wird, beträgt 76%. Die Bearbeitungszeit für Abtragungen mit einem Einfallswinkel von 20° bzw. 30° betragen 8.5% bzw. 15%. Das gezeigte Ausführungsbeispiel erfolgte durch Simulation in Theorie. Entsprechend könnte das Profil in Praxis hergestellt werden.
  • In Figur 8 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt. Anstelle der in Figur 3 dargestellten gemessenen Basisprofile beruht das Beispiel gemäss Figur 8 auf simulierten Basisprofilen, welche ausgehend von einer Messung für einen Einfallswinkel von 0° errechnet werden. Die Unterschiede zwischen den simulierten und den gemessenen Basisprofilen sind ausreichend gering, so dass eine entsprechende Linse auch auf der Grundlage von solch simulierten Profilen herstellbar wäre. Vorteilhaft dabei ist, dass damit auch beliebige Profile für unterschiedliche Einfallswinkel berechnet werden können.

Claims (21)

  1. Verfahren zum Herstellen von optischen Elementen (21), insbesondere asphärischen Mini- und Mikrolinsen, enthaltend die Schritte
    - Bereitstellen wenigstens eines Rohlings (20)
    - Bearbeiten des Rohlings (20) mit einem abrasiven Flüssigkeitsstrahl (32) zum Abtragen von Material des Rohlings (20),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Flüssigkeitsstrahl (32) einen Strahldurchmesser (d) aufweist, der grösser ist als die Dimension (D) des Rohlings (20) in einer Ebene (E) senkrecht zur Richtung (R) des Flüssigkeitsstrahls (32) und
    dass für die Bearbeitung des Rohlings (20) der Flüssigkeitsstrahl (32) unter mindestens zwei unterschiedlichen Einfallswinkeln (α) derart auf den Rohling (20) gerichtet wird, dass ein gewünschtes Abtragprofil erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohling (20) verwendet wird, der im Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche wenigstens teilweise kugelförmig ausgebildet ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls Wasser ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flüssigkeitsstrahl (32) als Abrasivmaterial CeO2 oder SiC beigefügt ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (32) einen Strahldurchmesser (d) von 1 - 6 mm aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling einen Durchmesser von 1 bis 5 mm aufweist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der abrasive Flüssigkeitsstrahl (32) mit einem Förderdruck von 5 bis 20 bar in einer Förderanordnung (35) gefördert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (32) mit einer Geschwindigkeit von 40 bis 80 m/s auf die zu bearbeitende Oberfläche (22) des Rohlings (20) auftrifft.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Rohlings (20) unter verschiedenen Winkeln des Flüssigkeitsstrahls (32) dadurch erfolgt, dass eine Halteanordnung (11) für den Rohling (20) um den Mittelpunkt (Z) des wenigstens teilweise kugelförmigen Rohlings (20) verschwenkt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (20) dadurch bearbeitet wird, dass dem Rohling (20) Material gemäss einem Abtragprofil entfernt wird, wobei das Abtragprofil als Kombination einer Mehrzahl von Basis-Abtragprofilen gebildet ist und wobei jedes Basis-Abtragprofil der Bearbeitung des Rohlings (20) unter einem vorbestimmten Einfallswinkel (α) des Flüssigkeitsstrahls (32) auf den Rohling (20) entspricht.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Basisprofil ein gemessenes Basisprofil für die Bearbeitung des Rohlings (20) unter einem ersten Einfallswinkel ist, und dass weitere Basisabtragprofile für weitere vorbestimmte Einfallswinkel durch Simulation aufgrund des ersten Basisprofils berechnet werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Einfallswinkel α der unteren Basisprofile derart ausgewählt werden, dass eine Asphäre mit minimalen Verweilzeiten pro Einfallswinkel herstellbar ist.
  13. Vorrichtung (10) zum Herstellen von optischen Elementen (21), insbesondere von asphärischen Mini- und Mikrolinsen, mit, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    - einer Halteanordnung (11) für wenigstens einen Rohling (20)
    - einer Strahlvorrichtung (30) zur Abgabe eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls (32),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strahlvorrichtung (30) zur Abgabe des abrasiven Flüssigkeitsstrahls (32) derart ausgebildet ist, dass ein Flüssigkeitsstrahl (32) erzeugbar ist, der einen Strahldurchmesser (d) aufweist, der grösser ist als die Dimension (D) des Rohlings (20) in einer Ebene (E) senkrecht zu der Strahlrichtung (R) des Flüssigkeitsstrahls (32) und
    dass die Strahlvorrichtung (30) zur Abgabe des abrasiven Flüssigkeitsstrahls (32) und die Haltevorrichtung (11) für den Rohling (20) gegenseitig derart bewegbar sind, dass der Flüssigkeitsstrahl (32) unter wenigstens zwei unterschiedlichen Einfallswinkeln (α) auf den Rohling (20) auftrifft.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (11) zur Aufnahme eines Rohlings (20) mit einem Durchmesser (D) von < 5 mm ausgebildet ist.
  15. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlvorrichtung (30) zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahls mit einem Strahldurchmesser (d) von 1 - 6 mm ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlvorrichtung (30) zum Erzeugen eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls ausgelegt ist, der mit einer Geschwindigkeit von 40 bis 80 m/s auf die Oberfläche (22) des zu bearbeitenden Rohlings (20) auftrifft.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Rechnermittel (34) aufweist, mittels welchen die relative Position der Richtung des Flüssigkeitsstrahls (32) bezogen auf die Halterung (11) des Rohlings (20) einstellbar ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnermittel (34) zum Bestimmen einer Kombination von vordefinierten Basisabtragprofilen zur Erzeugung eines gewünschten Abtragprofils ausgebildet sind.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung eine Mehrzahl von Basis-Abtragprofilen gespeichert sind, welche der Bearbeitung eines Rohlings (20) unter einem bestimmten Einfallswinkel des Flüssigkeitsstrahls (32) zugeordnet sind.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung ein Basisabtragprofil für einen ersten Abtragwinkel gespeichert ist, und dass die Vorrichtung zum Berechnen einer Mehrzahl von weiteren Basis-Abtragprofilen für weitere bestimmte Einfallswinkel des Flüssigkeitsstrahls (32) durch Simulation ausgebildet ist.
  21. Computerprogrammprodukt, in welchem wenigstens ein Basis-Abtragprofil gespeichert ist, welches dem Materialabtrag eines Rohlings (20) unter einem bestimmten Einfallswinkel (α) eines Flüssigkeitsstrahls (32) auf die Oberfläche des Rohlings (20) entspricht, wobei das Computerprogrammprodukt ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19 ausführt, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft.
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