FI86816B

FI86816B - Device and process for grinding and polishing optical components

Info

Publication number: FI86816B
Application number: FI911684A
Authority: FI
Inventors: Tapio Korhonen
Original assignee: Opteon Oy
Priority date: 1991-04-08
Filing date: 1991-04-08
Publication date: 1992-07-15
Also published as: FI86816C; FI911684A0; FI911684A

Description

8681 68681 6

MENETELMÄ JA LAITE OPTISTEN KOMPONENTTIEN HIOMISEKSI JA KIILLOTTAMISEKSIMETHOD AND APPARATUS FOR GRINDING AND POLISHING OPTICAL COMPONENTS

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laite optisten komponenttien hiomiseksi ja kiillottamiseksi.The invention relates to a method and a device for grinding and polishing optical components.

Nykyisin suurten teleskooppien peilit pyritään tekemään mahdollisimman ohuiksi ja kevyiksi. Tämä johtuu siitä, että 5 jos peili on raskas, niin tällöin myös teleskoopin muun rakenteen tulee olla luja ja massiivinen. Raskaat peilien tukirakenteet ovat kuitenkin monimutkaisia ja luonnollisesti myös kalliita. Näin ollen on selvää, että keventämällä peilejä voidaan säästyä monilta rakenteellisilta ongelmil-10 ta.Today, the aim is to make the mirrors of large telescopes as thin and light as possible. This is because if the mirror is heavy, then the rest of the structure of the telescope must also be strong and massive. However, heavy mirror support structures are complex and, of course, also expensive. Thus, it is clear that by lightening the mirrors, many structural problems can be spared.

Teleskooppien ohuet peilit pystytään nykyisellä tekniikalla tukemaan käyttöolosuhteissa niin hyvin, ettei niissä tapahdu haitallisia muodonmuutoksia. Joissakin tapauksissa peilin muotoa voidaan jopa parantaa tukijärjestelmän aktii-15 visella säätömahdollisuudella.With current technology, the thin mirrors of telescopes can be supported so well under operating conditions that they do not undergo harmful deformations. In some cases, the shape of the mirror can even be improved by actively adjusting the support system.

Tavallinen optisen peilin hiontamenetelmä on sellainen, että hiottaessa peili pyörii ja työstötyökalu liikkuu edestakaisin peilin pinnalla. Tahdistamalla peilin ja työstötyökalun liikkeet sopivasti saadaan hionta tapahtu-20 maan tasaisesti koko hiottavalla alueella. Suuret peilit eivät yleensä ole yhtä kappaletta, vaan ne on muodostettu useista, toisiinsa liitetyistä kappaleista.The usual method of grinding an optical mirror is such that when grinding, the mirror rotates and the machining tool moves back and forth on the surface of the mirror. By synchronizing the movements of the mirror and the machining tool appropriately, grinding takes place evenly over the entire grinding area. Large mirrors are usually not a single piece, but are formed of several pieces connected to each other.

Ongelmaksi muodostuu kuitenkin peilien tukeminen hionnan ja kiillotuksen aikana. Peiliä työstettäessä joudutaan siihen 25 kohdistamaan.huomattavan suuria voimia, jotta peilipinnan ja levymäisen työstötyökalun välissä oleva jauhemainen hioma-/kiillotusaine aikaansaisi aihion riittävän nopean ja tehokkaan pinnan kulumisen. Tämä voima aiheuttaa peiliai-hiossa muodonmuutoksia, jotka huonontavat työstön lopputu-30 losta.However, the problem is to support the mirrors during grinding and polishing. When machining the mirror, considerable forces must be applied to it in order for the powdered abrasive / polishing agent between the mirror surface and the plate-like machining tool to cause a sufficiently fast and efficient wear of the surface of the blank. This force causes deformations in the mirror blank, which impair the end of machining.

2 8681 62 8681 6

Aihion taipumisesta työstön aikana voi aiheutua, että tukipisteiden kohdalta kuluminen on voimakkaampaa. Toinen haittavaikutus voi olla se, että peilin kennomaisessa rakenteessa kennorakenne tulee näkyviin pinnan muodossa.Bending of the blank during machining can result in more wear at the support points. Another side effect may be that in the cell-like structure of the mirror, the cell structure becomes visible in the form of a surface.

5 Peilin osien rajapintojen näkymistä ei kuitenkaan voida sallia, koska nykyisen tarkkuusoptiikan muototarkkuusvaati-mukset ovat suuruusluokkaa 10'5 mm.5 However, the visibility of the interfaces of the parts of the mirror cannot be allowed, because the shape accuracy requirements of the current precision optics are of the order of 10'5 mm.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada optinen työstömenetelmä, jolla ei ole edellä esitettyjä epäkohtia.The object of the present invention is to provide an optical processing method which does not have the above drawbacks.

10 Keksinnölle on tunnusomaista se, että optisen aihion ja työstötyökalun välinen pintapaine aikaansaadaan imemällä näiden kappaleiden väliin alipaine, jolloin ulkoinen ilmanpaine aikaansaa työstöön tarvittavan pintapaineen. Koska tavanomaisessa optisessa työstössä käytettävät pintapaineet 15 ovat muutaman kPa suuruusluokkaa, niin vastaavan pintapaineen aikaansaamiseksi tarvittava alipaine on vain muutamia sadasosia 100 kPa normaalista ilmanpaineesta.The invention is characterized in that the surface pressure between the optical blank and the machining tool is obtained by sucking a vacuum between these pieces, whereby the external air pressure provides the surface pressure required for machining. Since the surface pressures 15 used in conventional optical machining are of the order of a few kPa, the vacuum required to achieve a corresponding surface pressure is only a few hundredths of 100 kPa of normal atmospheric pressure.

Kiillotuksen ja yleensä myös hiomisen aikana käytetään pinnaltaan uritettuja työstötyökaluja. Urien tarkoituksena 20 on auttaa nesteeseen sekoitetun hioma/kiillotusjauheen tasaista leviämistä. Käytettävä neste on yleensä vettä.Grooved machining tools are used during polishing and usually also grinding. The purpose of the grooves 20 is to assist in the even distribution of the abrasive / polishing powder mixed with the liquid. The liquid used is usually water.

Urat helpottavat myös työkalun irrottamista työstettävästä pinnasta, koska hiottaessa tai kiillotettaessa suuria, yhtenäisiä ja erittäin tasaisia pintoja vastakkain on 25 vaarana pintojen imeytyminen lähtemättömästi yhteen.The grooves also make it easier to remove the tool from the surface to be machined, because when sanding or polishing large, uniform and very smooth surfaces against each other, there is a risk of the surfaces being permanently absorbed together.

Pintojen välisen alipaineen aikaansaamiseksi uritus on jaettava sopiviksi lohkoiksi, joita rajoittaa yhtenäinen reuna-alue. Alipaine voidaan tällöin aikaansaada pumppaamalla ilmaa pois lohkon urituksesta. Aihion ja työkalun 30 välissä oleva vesi toimii hyvänä tiivisteenä. Koska hieno-hionnassa ja erityisesti kiillotuksessa käytettävien jauheiden hiukkasten koot ovat vain joitakin mikrometrejä, niin ne eivät merkittävästi huononna tiiviyttä.To create a vacuum between the surfaces, the groove must be divided into suitable blocks bounded by a uniform edge area. The vacuum can then be created by pumping air out of the groove in the block. The water between the blank and the tool 30 acts as a good seal. Since the particle sizes of the powders used in fine grinding and especially in polishing are only a few micrometers, they do not significantly impair the tightness.

Koska pintojen välinen paine aikaansaadaan alipaineen 8681 6 3 avulla, niin on mahdollista tasapainottaa työstötyökalu siten, ettei sen painosta aiheudu lainkaan ulkoisia voimia aihioon. Tällöin aihiossa ei myöskään esiinny taipumista, mikä mahdollistaa erittäin ohuiden optisten komponenttien 5 työstön. Alipaineen avulla on jopa mahdollista kompensoida aihion omasta painosta aiheutuvaa taipumista tukijärjestelmässä, mikäli alipaine on riittävän suuri voittamaan aihion painon työstettävällä alueella.Since the pressure between the surfaces is provided by a vacuum 8681 6 3, it is possible to balance the machining tool so that no external forces are exerted on the blank by its weight. In this case, there is also no bending in the blank, which enables the machining of very thin optical components 5. The vacuum makes it even possible to compensate for the deflection of the blank due to its own weight in the support system, if the vacuum is large enough to overcome the weight of the blank in the area to be machined.

Keksinnön mukainen menetelmä on helposti sovellettavissa 10 aihion aktiiviseen muotoiluun, jolloin on mahdollista muuttaa työstötehokkuutta aina sen mukaan, kuinka suuri paikallinen kuluminen halutaan aikaansaada. Tällöin työstö-työkalun pinta jaetaan useiksi lohkoiksi, joiden alueella vallitsevaa alipainetta säädetään itsenäisesti halutun 15 kulutustavoitteen mukaan. Keksinnön mukainen menetelmä on myös helppo automatisoida liittämällä työstötyökalun ohjaus työstötapahtumaa ohjaavaan tietokoneeseen.The method according to the invention is easily applicable to the active shaping of the blank, whereby it is possible to vary the machining efficiency always according to how much local wear is to be achieved. In this case, the surface of the machining tool is divided into several blocks, in the area of which the prevailing vacuum is adjusted independently according to the desired consumption target. The method according to the invention is also easy to automate by connecting the control of the machining tool to the computer controlling the machining event.

Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiinn, joissa 20 Kuvio 1 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaista hionta-laitteistoa sivultapäin nähtynä.The invention will now be described, by way of example, with reference to the accompanying drawings, in which Figure 1 shows schematically a side view of a grinding apparatus according to the invention.

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaista työstö-työkalua ja aihiota päältäpäin nähtynä.Figure 2 is a schematic plan view of a machining tool and blank according to the invention.

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaista työstötyökalua altapäin 25 nähtynä.Figure 3 shows a machining tool according to the invention seen from below.

Piirustuksen kuviossa 1 on esitetty optinen aihio 10, kuten esimerkiksi teleskoopin peili, ja työstötyökalu 11 esitetty sivulta päin nähtyinä ja leikattuina. Työkalu 11 on jaettu kahteen erikseen toimivaan osastoon 12 ja 13 ja 30 työkalun 11 aihiota 10 vasten oleva pinta on varustettu urilla 14 ja 15. Tässä esimerkkitapauksessa työkalu 11 on teleskooppipeiliä 10 kiillottavaa kiillotuspikeä.Figure 1 of the drawing shows an optical blank 10, such as a telescopic mirror, and the machining tool 11 seen from the side and cut away. The tool 11 is divided into two separate compartments 12 and 13, and the surface of the tool 11 against the blank 10 is provided with grooves 14 and 15. In this example, the tool 11 is a polishing pitch for polishing the telescopic mirror 10.

Osaston 12 kaikki urat 14 ovat yhteydessä toisiinsa ja 8681 6 4 samoin myös osaston 13 kaikki urat 15 ovat keskenään yhteydessä. Osastojen 12 ja 13 välinen alue 16 muodostaa yhtenäisen työstöpinnan, joka yhdessä työstössä käytettävän nesteen kanssa toimii osastojen 12 ja 13 välisenä tiivis-5 teenä. Työstössä käytettävä neste on tavallisesti vettä.All the grooves 14 of the compartment 12 are connected to each other and 8681 6 4 likewise all the grooves 15 of the compartment 13 are connected to each other. The area 16 between the compartments 12 and 13 forms a uniform machining surface which, together with the liquid used in machining, acts as a seal between the compartments 12 and 13. The fluid used in processing is usually water.

Työstettävän optisen aihion 10 ja työkalun 11 välinen pintapaine aikaansaadaan imemällä tyhjiöpumpulla 20 alipaine urien 14 ja 15 muodostamiin tiloihin. Tasaisen alipaineen aikaansaamiseksi käytetään apuna myös alipainesäi-10 liötä 21 ja eri osastojen 12 ja 13 urissa 14 ja 15 vallitsevia alipaineita säädetään venttiileillä 22 ja 23.The surface pressure between the optical blank 10 to be machined and the tool 11 is provided by sucking a vacuum into the spaces formed by the grooves 14 and 15 by means of a vacuum pump 20. In order to achieve a uniform vacuum, the vacuum tank 10 is also used as an aid, and the vacuum in the grooves 14 and 15 of the various compartments 12 and 13 is controlled by valves 22 and 23.

Osastojen 12 ja 13 urissa 14 ja 15 vallitsevia alipaineita mitataan antureilla 24 ja 25. Nämä anturit 24 ja 25 ovat yhteydessä tietokoneeseen 26, joka seuraa osastoissa 12 ja 15 13 vallitsevia alipaineita. Tietokone 26 säätää anturien 24 ja 25 ilmoittamien tietojen perusteella osastojen 12 ja 13 alipaineita säätöventtiilien 22 ja 23 avulla. Kummankin osaston 12 ja 13 alipaineen säätö voidaan suorittaa täysin erillisinä toisistaan riippumatta. Tietokone 26 voidaan 20 myös ohjelmoida tekemään työstö ennalta määrätyn ohjelman mukaan niin, että pintapaine ja siten myös työstötehokkuus saadaan joka hetki halutun suuruiseksi optisen aihion 10 jokaisessa kohdassa.The vacuum in the grooves 14 and 15 of the compartments 12 and 13 is measured by sensors 24 and 25. These sensors 24 and 25 are connected to a computer 26 which monitors the vacuum in the compartments 12 and 15 13. Based on the information provided by the sensors 24 and 25, the computer 26 adjusts the vacuum in the compartments 12 and 13 by means of the control valves 22 and 23. The vacuum control of each of the compartments 12 and 13 can be performed completely separately. The computer 26 can also be programmed to perform machining according to a predetermined program so that the surface pressure and thus also the machining efficiency can be made to the desired value at each point in the optical blank 10.

Kuviossa 2 on esitetty kaaviollisesti päältäpäin nähtynä 25 teleskooppipeilin aihio 10 ja työstötyökalu 11. Hiottaessa peiliaihiota 10 pyöritetään ja työkalu 11 liikkuu edestakaisin niin, että peilin jokainen kohta tulee tasaisesti työstetyksi. Kuviosta nähdään myös, että työstötyökalu 11 on jaettu osastoihin 12 ja 13, joita voidaan säätää erik-30 seen. Osastoja voi olla useampiakin kuin tässä esimerkkitapauksessa on esitetty. Työkalun 11 osastojen 12 ja 13 päällä on putkiliitokset 22 ja 23 säätöventtiilejä varten ja putkiliitokset 24 ja 25 paineantureita varten.Figure 2 is a schematic top view of the telescopic mirror blank 10 and the machining tool 11. When grinding, the mirror blank 10 is rotated and the tool 11 moves back and forth so that each point of the mirror is evenly machined. It can also be seen from the figure that the machining tool 11 is divided into compartments 12 and 13, which can be adjusted to the Erik-30. There may be more compartments than shown in this example case. On top of the compartments 12 and 13 of the tool 11 there are pipe connections 22 and 23 for control valves and pipe connections 24 and 25 for pressure sensors.

Kuviossa 3 on esitetty työkalu 11 altapäin. Kummankin 8681 6 5 osaston 12 ja 13 alapinnalle on muodostettu urien 14 ja 15 muodostamat uraverkostot. Niiden tarkoituksena on aikaansaada työstötyökalun 11 ja hiottavan aihion väliin alipaine, joka aiheuttaa aihion pintaan kohdistuvan, mahdol-5 lisimman tasaisen pintapaineen. Kuviosta nähdään aukot 22 ja 23, joihin on liitetty alipainesäiliöön johtavat putket, sekä aukot 24 ja 25, joihin on liitetty paineanturit.Figure 3 shows the tool 11 from below. Groove networks formed by grooves 14 and 15 are formed on the lower surface of each of the compartments 12 and 13 of 8681 6 5. Their purpose is to create a vacuum between the machining tool 11 and the grinding blank, which causes the most uniform surface pressure to be applied to the surface of the blank. The figure shows the openings 22 and 23 to which the pipes leading to the vacuum vessel are connected, and the openings 24 and 25 to which the pressure sensors are connected.

Tyhjiöpumpulla saadaan aukkojen 22 ja 23 kautta osastojen 13 ja 13 uriin 14 ja 15 alipaineet, jotka on säädettävissä 10 tietokoneen ja paineanturien 24 ja 25 avulla joka hetki halutun suuruisiksi.The vacuum pump provides openings 22 and 23 in the grooves 14 and 15 of the compartments 13 and 13, which can be adjusted to the desired size at any time by means of a computer 10 and pressure sensors 24 and 25.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön erilaiset sovellutusmuodot voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.It will be apparent to those skilled in the art that various embodiments of the invention may vary within the scope of the claims set forth below.

Claims

6 868 1 6

A method for grinding and / or polishing optical components, comprising contacting at least one tool (11) directly or via a grinding / polishing medium with the surface of an optical blank (10) to be ground and / or polished, after which the tool and the blank is moved relative to each other, characterized in that the compressive force required for grinding and / or polishing between the tool (11) and the optical blank (10) is obtained by sucking a vacuum between the tool and the blank, the external air pressure providing the required surface pressure.

A method according to claim 1, characterized in that a vacuum is sucked between the optical blank (10) and the tool (11), which is most preferably a few hundredths of 100 kPa of normal atmospheric pressure.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that different vacuum is applied to the various parts of the tool (11), if necessary, so that the surface pressure 20 between the optical blank (10) and each part (12, 13) of the tool is separately of the desired size.

An apparatus for grinding and / or polishing optical components, the apparatus comprising at least one tool (11) which can be brought into contact with the surface of the optical blank (10) to be ground and / or polished, directly or by means of an abrasive / polishing medium, and a mechanism for moving the tool and the blank relative to each other, characterized in that grooves (14, 15) are formed in the surface of the tool (11) against the optical blank (10), which are connected to the vacuum device (20, 21) for grinding 30 and / or to provide the compressive force required for polishing.

Device according to Claim 4, characterized in that the tool (11) is divided into at least two compartments (12, 13) which are separately connected to the vacuum device (20, 21) so that the surface pressures of the various compartments of the tool can be arranged independently. to size 5.

Device according to Claim 4 or 5, characterized in that a groove pattern (14, 15) closed at the edges is formed in the compartment (12, 13) of the tool (11), to which the ducts of the vacuum valve 10 (22, 23) and the pressure sensor (24) are connected. 25) for. 8 86816