JP2014503369A - 光学エレメントを中心配置する方法 - Google Patents

Abstract

２つの強さでエレメントを掴むように適応された非自己中心配置型チャックを使って円形光学エレメントを中心配置する方法。エレメントは、プローブでその外縁の横方向位置を測定しながら、チャック中で回転される。その角度位置の関数としてのエレメントの最大および最小の振れの位置が決定される。最大縁振れが予め決められた点に配置された角度位置でチャックの回転が停止される。エレメントが依然としてチャック中に保持されているがその表面を損傷すること無く横方向に動かされることができるように、チャックの掴みが削減される。エレメントは、エレメントの振れを削減するために、最大の振れの予め決められた点とチャックの回転の軸を接続する方向に動かされる。手順は、望ましい中心配置が達成されるまで繰り返される。

Description

本発明は、特にダイヤモンド旋盤での使用のための、光学エレメント上で材料加工ステップを行うための光学エレメントの中心配置の分野に関する。

研磨ではなく、カッティングアクションによって除去されることができる材料で作られた光学エレメント上に精密な光学表面を作成するためには、シングルポイントのダイヤモンドツールを使った材料の切削加工がしばしば好ましい方法である。そのようなダイヤモンド旋削は、技術分野で知られているように、そのような光学エレメント上に複雑な球状および非球状表面を作成するのに使われることができる。方法は、高度に正確な機械工具を利用し、それは光学エレメントに要求された正確さと整合する形状と円滑さを有する表面を提供することができる。プロセスの感度のため、一般的に真空吸着に基づいて、機械中にエレメントを保持するために、特別な締め付け方法が使われなければならない。

あらゆるそのような光学エレメントの切削加工のために本質的に重要な開始点は、一般的に最終的な光学アッセンブリー中にエレメントを載置するに使われる参照エッジである、エレメントの外側エッジに対して、作成された光学形態の光学軸が正しく中心配置されるように、エレメントが真空チャック中で正確に中心配置されることである。従って、ダイヤモンド旋削中のエレメントの中心配置は、決定的に重要なプロセスであり、最小の時間で、高い正確さをもって、それでもエレメントの敏感な光学表面上にいかなる損傷も加えること無く、このプロセスを行う能力は、そのようなダイヤモンド旋削されたエレメントの効率的な作成のために本質的に重要である。更には、エレメントの自動旋削と整合するために、プロセスが自動的であることの必要がある。

ダイヤモンド旋削のためのエレメントの中心配置の現行の方法は、これらの判断基準に関して満足できるものではない。現行の方法は、一般的に非自動的であり熟練した作業員による手動操作を要求するかまたは、もし自動化されていれば、光学表面に損傷を与えるものである。

金属加工の機械工具での使用およびその他の応用のための従来技術の中心配置方法は、米国特許番号6,884,204、米国特許番号6,767,407、米国特許出願公開番号2008/0164663、米国特許出願公開番号2007/0228673、日本国特許出願公開番号2003157589、日本国特許出願公開番号10043985、および国際特許出願公開番号ＷＯ2004/103638に開示されており、最後のものは中心配置の光学的方法についてのものである。そのようなエレメントを切削加工するために使われる例示的真空チャックは、本願の譲渡人に譲渡された米国特許番号6,460,437とその継続に示されている。

従って、従来技術のシステムおよび方法の不利点の少なくともいくつかを克服する、光学的ダイヤモンド旋削での使用のための中心配置方法の必要が存在する。

明細書のこのセクションおよびその他のセクションで言及された出版物の各々の開示は、各々その全体が、ここに引用により組み込まれる。

本開示は、それらの表面のダイヤモンド旋削を行うための、それらの外側エッジに対する光学エレメントの中心配置のための新しい例示的システムを記載する。光学表面の敏感な性質のため、それがそのチャック中にしっかりと締め付けられている間に、エレメントがその光学軸と垂直な方向でのいかなる横向きの動きにも曝されないことが重要である。そのようなダイヤモンド旋盤では、チャックは通常、チャック本体とワークピースの表面の間に真空を生成することによってエレメントを掴む真空チャックである。本システムは、中心性の欠如の測定がエレメントが回転されている間に行われる一方で、中心配置アクションそのものはエレメントが静止している間だけに行われるという点で、そのような従来技術のシステムとは異なる。それを切削加工する時のように、エレメントが回転されている間は、チャックがエレメントをしっかりと掴むように真空レベルは高い。エレメントを中心配置することが望まれる時には、真空は、エレメントがしっかりと掴まれておらず、中心配置アクションが光学表面上に引っ掻き傷を引き起こすこと無くそれを動かすことができるようなレベルまで削減される。中心配置中の真空の度合いは、パートのサイズおよび重量によって規定され、損傷の無さは、旋削後のパートの視覚的検査によって検証される。あらゆる明白な損傷は、真空保持パラメータの調節によって削減され排除されることができる。

中心配置プロセスは、以下のコンポーネンツを使って行われる：
１． 可変な保持力をもったチャック
２． その測定先端が回転軸から既知の予め測定された距離にあり、回転軸と垂直な軸に沿ってエレメントの振れを測定することができる、測定ゲージ
３． その作動先端が回転軸から既知の距離に位置しており、その軸に沿ってエレメントを動かすことができる、中心配置ツール。

中心性の欠如の測定は、光学的位置プローブのような、機械的ゲージまたはあらゆるその他の好適な感度の位置センサーによって行われてもよく、それはエレメントが回転するにつれてエレメントの外側エッジの、最も好都合には回転の軸と垂直な、予め規定された方法に沿って横方向の位置を追跡する。位置センサーは、チャック軸に対するその絶対的な位置が既知であるように、チャック軸からのその距離を予め測定することによってのように、予め校正されるべきである。もしエレメントが中心配置されていなければ、それが回転するにつれて、ゲージは、チャックの回転の軸からのエレメントエッジの最大および最小の振れまたは到達距離を表す２つの極限値の間の循環して変動する読み取り値を示す。エレメントのエッジの測定された横方向の位置は、エレメントの回転角度位置と相関している。制御システムが、ゲージによって測定された最大の横方向の振れの点と関連付けられた角度位置を決定し、この位置はそこにおいてエレメントの外側エッジがチャックの回転の軸から最も遠い角度位置を表す。この横方向のオフセットを補正するために、エレメントは、予め決められた放射状ラインと揃えられた最大の横方向の振れに相当するこの角度位置で停止されるべきであり、エレメントは、位置ゲージの最大および最小の読み取り値の間の差の半分までの距離によってチャックの回転の軸に向けてそのラインに沿って横方向に動かされており、これはエレメントの中心性からの逸脱を表している。実際には、この横方向の動きは、エレメントが最大の振れの角度位置において停止されていて、エレメント上のチャックの掴みを弛め、中心配置ツールを、それがエレメントのエッジにタッチするまでチャックの回転の軸に向けて横方向に予め決められた放射状ラインの方向に沿って動かし、そのタッチの点から、位置センサーの最大および最小の読み取り値の間の際の半分までの量で動かす、ことによって行われても良い。中心配置ツールの位置もまた、チャック軸に対するその絶対的な位置が既知であるように、チャック軸からのその先端の距離を予め測定することによってのように、予め校正される。そこにおいて中心配置ツールがエレメントのエッジに丁度タッチする点は、逃げ部の測定から決定されることができる。パートの最大のエッジ位置と逃げ部は、プローブによって測定される。中心配置ツールの追加の動きの量は、位置ゲージの最大および最小の読み取り値の間の差に予め規定されたファクター（１０％から１００％までだが、中心配置プロセスの素早い収束を提供するために、通常は７０％以上のオーダーのもの）を掛けたものによって与えられる。

エレメント上の掴みが再度引き締められ、それが今度は正確に中心配置されているかどうかを決定するためにエレメントが回転される。もし手順がうまく実行されていれば、振れは、もしあったとしても今度は小さいはずであり、一般的にもう一回かもしかするとそれより多くの中心配置ルーティン手順によって完全に排除され得る。上記の手順では、中心配置ツールの動きは、位置センサーの最大および最小の読み取り値の間の差の半分までであると述べられた。一回の繰り返しで中心性の欠如を排除するために、位置ゲージの最大および最小の読み取り値の間の差の正確に半分によって最初の補正ステップでエレメントを動かすことがもし試みられれば、補正の動きが最適な位置をオーバーシュートし、よって反対方向への補正、および可能性として真に中心配置された位置に収束するために反対の方向での一連の漸次減少する補正、を要求する可能性がある。従って、最初の補正ステップで振れを正確に補正することを試みるのではなくて、むしろオーバーシュートを避けるために、オフセット距離の半分よりも僅かに少ない補正の動きをして、繰り返し的に減少するステップで一方向のみから正確な中心性の位置に収束すること、が一般的に有利である。この方法は一般的に、最小数の繰り返しステップでの収束に結果としてなる。中心配置ツールの動きの量は、振れ測定に対してなされても良い。もし、例えば、振れを排除するための動きの７０％のレベルが好適なレベルとして決定されれば、中心配置ツールの内向きの動きは常に最後の振れ排除測定の７０％となるようになされ、それは、最小レベルまでの、望まれた予め決められたレベルよりも少ないまでの、振れの正の収束を引き起こす。しかしながら、距離差の正確に半分の動きを達成することが試みられた時に、仮にこれがいくらかのオーバーシュートを含み得たとしても、方法はまた実装可能であることが理解されるべきである。但し、それがパートを予め測定された中心配置された位置まで動かすような、そのような中心配置ツールを動かすことの配置は、収束の欠如と、良好な中心配置を得るためのより長い手順に結果としてなり得る。

大抵のダイヤモンド旋盤では、チャックが一般的に静的である一方で、様々なカッティング、測定および中心配置ツールが静的なチャックに対して水平方向で機械制御の下で動く。しかしながら、ツールとチャック中のワークピースの間の相対的な動きが、この発明における動作的な動きであることが理解されるべきである。従って、この取り決めは発明を制限することが意図されておらず、発明は、静止した位置にあるツール等と機械制御の下で動くチャックでもってこの秩序が逆転されたとしても、等しく適用可能であることが意図されている。

一例示的実装は、回転式非自己中心配置型チャック中の円形光学エレメントを中心配置する方法であって、
(i)光学エレメントチャックを提供することであって、チャックは掴みの少なくとも２つのレベルで光学エレメントを掴むように適応されていることと、
(ii)距離測定プローブで光学エレメントの外縁の横方向位置の測定を行いながら、チャック中で光学エレメントを回転することと、
(iii)光学エレメントの角度位置の関数として、光学エレメントの外縁の最大および最小の振れの位置を決定することと、
(iv)最大縁振れが予め決められた点に配置されるような角度位置でチャックの回転を停止することと、
(v)光学エレメントが依然として保持されているがその表面を損傷すること無く横方向にチャック中で動かされることができるように、チャックの掴み力を削減することと、
(vi)光学エレメントの振れを削減するために、最大の振れの予め決められた点とチャックの回転の軸を接続する方向に光学エレメントを動かすことと、
を含む方法が関与する。

もっと他の実装は、上記の通りの方法を行い、そこでは光学エレメントは、最大および最小の振れの間の差の半分までの距離でか、または最大および最小の振れの間の差の正確に半分となることが意図された距離でのどちらかで、動かされる。上記の方法のいずれかは、中心配置がより正確に達成されるように、中心配置する方法を繰り返す更なるステップを含んでいても良い。

この方法のいくつかの実装では、チャックが真空チャックであっても良い。加えて、光学エレメントは、中心配置ツールの手段によってか、または測定プローブ自体によってのどちらかで、動かされても良い。後者の場合、測定プローブは、位置測定を行うための第1のより低いレベルと、エレメントを中心配置するための第２のより高いレベルという、２レベルの印加力モードを備えていても良い。

現在請求されている発明は、図面との関係でとられた以下の詳細な記載から、より完全に理解され評価されるであろう。

図１は、中心配置プロセスを行うための、ダイヤモンド旋盤の真空チャック中に載置された例示的光学エレメントを概略的に描く。 図２Ａは、この開示に記載された例示的手順による、それにより図１のチャック中でエレメントが中心配置されるところの手順を描く。 図２Ｂは、この開示に記載された例示的手順による、それにより図１のチャック中でエレメントが中心配置されるところの手順を描く。 図２Ｃは、この開示に記載された例示的手順による、それにより図１のチャック中でエレメントが中心配置されるところの手順を描く。 図２Ｄは、この開示に記載された例示的手順による、それにより図１のチャック中でエレメントが中心配置されるところの手順を描く。 図３は、図２Ａから２Ｄに記載された通りに、中心配置プロセスを行う例示的方法のフローチャートである。

ここで図1を参照すると、それはダイヤモンド旋盤の真空チャック１２中に載置された例示的光学エレメント１０を概略的に描く。チャックは非自己中心配置型のデバイスであるので、最初に載置された時にエレメントは一般的に非中心的な位置を取る。この開示に記載されたシステムおよび方法が動作するやり方を描写するために、図1では中心性の欠如が誇張されており、そこではエレメント１０は、チャック着座面１６の下端１３の上に上端より多く掛かるように示されている。そのような光学エレメントのダイヤモンド旋削のために使われるチャックの一般的なタイプは真空チャックであり、それはチャックの着座面１６中の通路１４に生成された真空の手段によって、その背面をマッチする着座面の上に引っ張ることによってエレメントを掴む。真空が1気圧までのその最大値で印加された時には、エレメントはチャック中にしっかりと保持され、動くこと無くダイヤモンドツールによって切削加工されることができる。真空レベルが削減された時には、エレメントはチャック中により緩く保持され、掴みの好適なレベルの下で、チャック着座面がエレメントの表面を引っ掻くこと無しにチャック中で動かされることができる。

ここで図２Ａから２Ｄを参照すると、それらはこの出願に記載された例示的手順による、それによりチャック中でエレメントが中心配置されるところの手順を描く。チャックは、機械制御によって回転させられ、それはチャックの角度位置の正確な追跡を保つ。この角度位置は図２Ａから２Ｃではディスプレイ上に描かれているが、実際にはそれは機械制御によって生成されたデータ出力であり、それは物理的に表示される必要は無い。角度位置は、中心配置を行うために中心配置システム制御によって使われる。チャックの回転中心が図２Ａから２ＣではＯとして印されている一方で、光学エレメントの光学的中心はＣとして印されている。位置測定プローブ２０が、機械制御によって決定された通りに、角度位置の関数としてエレメントの振れを追跡するために、回転する光学エレメントの外縁に適用される。位置測定プローブ２０は、機械的ゲージまたは光学的プロ−ブのような、あらゆる好適なタイプのものであることができる。位置測定プロ−ブ２０は、エレメントが回転するにつれてのシステムの出力がエレメントの角度位置の関数としての縁振れに相当する電子的信号であるように、測定された距離に相当する電気的信号を生成する。図２Ａは、エレメントが最大の振れの位置にある、エレメントの縁に接触している測定プローブを示す。ここで図２Ｄを参照すると、それはチャックの角度位置の関数としての位置感知プローブの出力の典型的なプロットを示す。観察されるように、エレメントが回転するにつれて、距離プローブは、チャックの回転の軸Ｏからのエレメントエッジの最大および最小の振れまたは到達距離を表す２つの極限値の間の循環して変動する出力ｄを示す。回転速度は、距離センサーが測定された振れにおける変化を正確に追従するように十分に素早く応答することができるようになっていなければならない。

ここで図２Ｂを参照すると、それは最小の振れの位置におけるエレメントの縁に接触しているプローブを示し、それはもしエレメントが丸ければ図２Ａに示された位置から１８０°回転されているはずである。例示的な位置読み取り値が、これら２つの位置の各々についてプローブの隣りに示されている。示された例では、８．５４４ｍｍと７．６５２ｍｍの示された読み取り値の間の差は０．８９２ｍｍである一方、最大および最小の振れの位置の角度読み取り値はそれぞれ１５．５°と１９５．５°として与えられる。あらゆるランダムな偏差を平均化するようにこれらの測定値を多数のサイクルに渡って平均することが可能である。

ここで図２Ｃを参照すると、それは中心配置動作の次のステップを示す。チャックは、図２Ｂに示された角度の関係から知られる通りの最大の振れの点が予め決められた位置にあると、機械制御によって停止される。中心配置ツール２８は、この予め決められた位置において配置されている。チャックの真空掴みがそれから削減されて、光学エレメントが、その着座面を引っ掻くことの恐れ無しにだがエレメントがチャックから落っこちるほど多くでは無く、動かされることができるようになる。回転するチャックの軸がそれから、中心配置ツール２８がエレメントのエッジ縁に丁度タッチするまで、システム制御の下で動かされ、それから、図２Ｂのステップで決定された最大および最小の振れの読み取り値の差の半分、この例では０．８９２ｍｍの半分、これは０．４４６ｍｍである、までに等しい距離で、予め決められた位置をチャック回転中心と繋ぐライン中を、中心配置ツールに向けて動かされる。中心配置ツールはよって、もし測定と補正が絶対的に正確であれば、ここで振れが排除されるはずであるような距離だけエレメントを押す。真空チャックの掴みはそれから、そのより上の作動値まで増加されることができ、距離プローブを使って振れの別のチェックが行われる。もしここで振れが予め決められた閾値レベルの下であれば、中心配置は、光学エレメントを切削加工するために十分に良好であると仮定することができ、今正確に中心配置されたエレメントが旋削されるかまたはそうでなければ機械中で操作される。

実際には、最初の中心配置動作は一般的に完全に正確ではないので、測定された振れは望まれる閾値の下ではなく、あらゆる残存する中心性の欠如が本質的に完全に排除されることができるまで、第２かまたはそれよりもっと更なる繰り返しの中心配置サイクルが行われる。

測定プロ−ブと中心配置ツールは別々の要素として示されているが、位置測定をするための軽い接触と、パートを動かすための固定された剛体モードに入るための、測定の範囲の機械的端点においてのような、より重い接触、という接触の２つの圧力レベルをそれに備えることによってのようにして、それが中心配置ツールとしても機能することができるように、測定プローブを適応することが可能である。

ここで図３を参照すると、それは中心配置プロセスを行う上記の例示的方法のフローチャートである。

ステップ３０では、エレメントがチャック中に載置され、回転される。

ステップ３１では、チャックの角度位置の関数としての縁振れの位置が距離センサーを使って測定される。

ステップ３２では、最大および最小の振れ値が決定され、それらの値におけるチャックの角度位置が決定される。

ステップ３３では、最大の振れの位置が直線的に可動な中心配置ツールの反対の予め決められた位置にあって、チャックが停止される。

ステップ３４では、チャックの掴みが弛められて、光学エレメントがエレメントの着座面を引っ掻くこと無しに中心配置ツールによって押されることができるようになる。

ステップ３５では、中心配置ツールのエッジが最大の振れの点におけるエレメントに丁度タッチするような位置にあるまで、中心配置ツールが真空チャックに向けて前進させられる。

ステップ３６では、光学エレメントの最大および最小の振れの間の差の半分までの距離で、中心配置ツールがチャック軸に向けて前進させられる。

ステップ３７では、チャックの掴みが再度増加され、振れが再度チェックされながら、その中で光学エレメントが回転される。

ステップ３８では、最大および最小の振れの間の差が決定され、予め決められた閾値レベルと比較される。もし閾値レベルより下であれば、制御はステップ３９に行き、そこでは、望まれる通りに、中心配置された光学エレメントが切削加工されることができる。もし予め決められた閾値レベルより大きければ、プロセスはステップ３３に戻り、中心配置が望まれる切削加工アクションのために十分に良好であるまで、光学エレメントの位置調節の更なる一巡が行われる。

本発明は、以上において特に示され記載されたものによって限定はされないということが当業者によって理解される。むしろ本発明の範囲は、以上において記載された様々な特徴の組み合わせとサブ組み合わせの両方と、上記の記載を読んだ際に当業者に起こるであろうもので従来技術にはないものであるそれらへの変形および変更、を含む。

Claims (8)

1. 回転式非自己中心配置型チャック中の円形光学エレメントを中心配置する方法であって、
   光学エレメントチャックを提供することであって、前記チャックは掴みの少なくとも２つのレベルで前記光学エレメントを掴むように適応されていることと、
   距離測定プローブで前記光学エレメントの外縁の横方向位置の測定を行いながら、前記チャック中で前記光学エレメントを回転することと、
   前記光学エレメントの角度位置の関数として、前記光学エレメントの前記外縁の最大および最小の振れの位置を決定することと、
   最大縁振れが予め決められた点に配置されるような角度位置で前記チャックの回転を停止することと、
   前記光学エレメントが依然として保持されているがその表面を損傷すること無く横方向に前記チャック中で動かされることができるように、前記チャックの掴み力を削減することと、
   前記光学エレメントの前記振れを削減するために、最大の振れの前記予め決められた点と前記チャックの回転の軸を接続する方向に前記光学エレメントを動かすことと、
   を含む方法。
2. 前記光学エレメントは、前記最大および最小の振れの間の差の半分までの距離で動かされる、請求項1による方法。
3. 前記光学エレメントは、前記最大および最小の振れの間の差の正確に半分となることが意図された距離で動かされる、請求項１による方法。
4. 前記中心配置がより正確に達成されるように、前記中心配置する方法を繰り返す更なるステップを含む、請求項１〜３のいずれかによる方法。
5. 前記チャックが真空チャックである、請求項１〜４のいずれかによる方法。
6. 前記光学エレメントは、中心配置ツールの手段によって動かされる、請求項1〜５のいずれかによる方法。
7. 前記光学エレメントは、測定プローブ自体によって動かされる、請求項６による方法。
8. 前記測定プローブは、位置測定を行うための第1のより低いレベルと、前記エレメントを中心配置するための第２のより高いレベルという、２レベルの印加力モードを備えている、請求項７による方法。

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