WO2016116089A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer fresnelisierten freiformoberfläche, die auf eine planare oder gekrümmte fläche superponiert ist - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer fresnelisierten freiformoberfläche, die auf eine planare oder gekrümmte fläche superponiert ist Download PDF

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    • B23B27/20—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing with diamond bits or cutting inserts

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for ultra-precision processing of a Fresnel lens which describes a non-rotationally symmetric free-form optical surface.
  • the Fresnel structure can be superimposed on a planar or arbitrarily curved surface.
  • Design algorithms and ray tracing programs used in the design of optics allow the efficient design of increasingly complex optics to realize functional integration, improved imaging, increased efficiency, or smaller overall space.
  • the result of the design results in free-form surfaces which, unlike conventional spherical or aspherical optics, have no symmetry along an optical axis.
  • the free-form surface optics should be defined in exactly the same way. Toric lenses, for example, thus also belong to the class of non-rotationally symmetrical free-form surfaces.
  • the Fresnelization of optics with rotation axis is an old known method.
  • the profile of the optics is cut into concentric ring segments each symmetrical to the optical axis and projected piecewise in a plane.
  • Well-known examples are foils from overhead projectors or optics from lighthouses.
  • the rounding in the bottom of the groove must be as slight as possible, since it represents an artifact that does not occur in the original, unsected appearance.
  • groove base roundings of ⁇ 10 ⁇ m are possible since diamond tools have minimum tool radii of up to 1 ⁇ m and smaller.
  • semi-radius tools are often used for Fresnel lens production.
  • the diamond tool is set at an angle such that the Fresnel side is cut with an outer edge of the tool and thus the kinematic roughness is bypassed.
  • Such small structure characteristics can not be realized by conventional optical production with polishing steps to set the lowest possible surface roughness.
  • the laser or electron beam writing is used to produce such fresnelarraer freeform surfaces.
  • Electron beam writing is widely used to introduce micro and nanostructures (binary) into a surface. Unlike continuous diamond cutting, a pulse of the electron beam vaporizes a very small volume of polymer or paint. If the combination of material to be processed, property of the electron beam or laser beam and the path of the electron beam (overlap of the individual pulses) is selected correctly from a process engineering point of view, not only binary structures (wells) but also so-called 2.5 D to 3D geometries can be achieved by this method produce.
  • the electron or laser writing does not achieve the Fresnel lens quality (smooth, precise edge, minimum groove root radius), which is possible by turning the diamond with Fresnel lenses with rotation axis.
  • a monocrystalline diamond tool with a tool radius of less than 50 ⁇ m or a corresponding half-radius tool is used.
  • usable manufacturing data from the optics design data CAD data or polynomial descriptions, or point clouds is generated in order to calculate production programs with highest interpolation point density.
  • FIG. 1 shows a strongly curved optic 1, which is formed symmetrically with respect to the axis of rotation 2,
  • FIG. 2 shows a Fresnelization of the optics shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a plan view of the fresnelized optical system shown in FIG. 2,
  • FIG. 4 shows an example of a free-form optical system
  • Figure 5 is a Fresnelization of the optics shown in Figure 4.
  • FIG. 6 shows a device for producing fresnelized free-form surfaces.
  • FIGS. 1 and 2 show how the profile of the optic 1, which is rotationally symmetrical with respect to the axis 2, can be cut into concentric ring segments 3 and thereby projected piecewise into a plane 4.
  • This method is known as Fresnelization of optics with rotation axis.
  • a plan view of such a Fresnelized optics 5 is shown in FIG.
  • the optics 6 shown in FIG. 4 have no rotational symmetry. However, such an arcuate surface 7, as shown in Figure 5, according to can be fresnelized to a level 8 by projecting sections onto the plane.
  • FIG. 6 shows a device for processing such freeform surfaces.
  • a workpiece 9 is clamped centrally or decentrally in a chuck 10, wherein the chuck is rotatable on a rotation axis 11.
  • This axis of rotation 11 is mounted in a block 12 which is displaceable in the direction of the Y-axis 13 and the X-axis 14.
  • a tool 16 is mounted laterally displaceable.
  • This workpiece 16 is also pivotable about the axis 17 to perform on the workpiece 9 not only turning but also planing.
  • the axes must not be arranged orthogonal to each other and there are any combinations of rotational and translational axes conceivable. In this case, at least two and preferably more than two, such as three, four or five axes should be so controlled to be movable to each other that each individual component of motion is performed synchronously in dependence of one or more other components.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer Fresnellinse, die eine nicht-rotationssymmetrische optische Freiformoberfläche beschreibt, welche auf einer planen oder gekrümmten Fläche superponiert ist. Dies wird erreicht, indem die Fresnellinse durch Drehen und Hobeln mit einem Diamantwerkzeug hergestellt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer fresnelisierten Freiformoberfläche, die auf eine planare oder gekrümmte Fläche superponiert ist
[01] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer Fresnellinse, die eine nicht-rotationssymmetrische optische Freiformoberfläche beschreibt. Die Fresnelstruktur kann dabei auf einer planaren bzw. beliebig gekrümmten Fläche überlagert sein.
[02] Auslegungsalgorithmen und Ray Tracing Programme, die für das Design von Optiken eingesetzt werden, ermöglichen die effiziente Gestaltung immer komplexerer Optiken, um funktionale Integration, verbesserte Abbildung, Effizienzsteigerung oder kleineren Gesamtbauraum zu realisieren. Als Auslegungsergebnis resultieren Freiformflächen, die anders als konventionelle sphärische bzw. asphärische Optiken keine Symmetrie entlang einer optischen Achse aufweisen. Im Weiteren soll die Freiformflächen- optik genau so definiert sein. Torische Linsen beispielsweise gehören somit auch zur Klasse der nicht rotationssymmetrischen Freiformflächen. [03] Abhängig von dem verwendeten Material einer Optik und dem zugehörigen Brechungsindex kann es gemäß dem Brechungsgesetz von Snellius notwendig sein, eine stark gewölbte Optik mit großem Volumen zu entwerfen, um eine große Umlenkung eines Lichtstrahls vornehmen zu können. Auch für Spiegel kann aus dem Optikdesign eine starke Wölbung resultieren, um gewisse optische Funktionalität zu realisieren. Um dennoch kompakt zu bauen bzw. Material zu sparen, ist die Fresnelisierung von Optiken mit Rotationsachse ein alt bekanntes Verfahren. Dabei wird das Profil der Optik in konzentrische Ringsegmente jeweils symmetrisch zur optischen Achse zerschnitten und stückweise in eine Ebene projiziert. Bekannte Beispiele sind Folien aus Overhead Projektoren bzw. Optiken aus Leuchttürmen.
BESTÄTIGUNGSKOPIE [04] Da diese Fresnellinsen, die aus Optiken mit einer Rotationsachse berechnet worden sind, ebenfalls rotationssymmetrisch sind, bietet sich Drehen als Fertigungsverfah- ren an, um derartige Optiken herzustellen. Nutzt man sogenannte Ultrapräzisionsmaschinen und monokristallinen Diamant als Schneidstoff, kann durch die Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide direkt eine optisch funktionale Oberfläche hergestellt werden (Rauheiten < 10 nm Ra, Formhaltigkeit < 2 μπι). Dies ist von großer Bedeutung für die Effizienz einer FresneUinse, da diese maßgeblich durch zwei Einflussfaktoren bestimmt wird. Zum einen müssen die Flanken der FresneUinse eine möglichst geringe Rauheit und eine bestmögliche Formhaltigkeit aufweisen. Zum anderen darf die Ver- rundung im Nutgrund nur so gering ausgeprägt sein, wie gerade möglich, da sie einen Artefakt darstellt, welcher in der ursprünglichen nicht zerschnittenen Optik nicht vorkommt. Nach derzeitigem Stand der Technik sind Nutgrundverrundungen von < 10 μπι möglich, da Diamantwerkzeuge minimale Werkzeugradien von bis zu 1 μηι und kleiner aufweisen. [05] Um den Kompromiss zwischen möglichst glatter Fresnelflanke (Einfluss der kinematischen Rauheit bei kleinem Werkzeugradius) und scharf ausgeprägtem Nutgrund bestmöglich umzusetzen, werden oftmals auch Halbradiuswerkzeuge für die Fresnellinsenfertigung genutzt. Alternativ wird mit einer zusätzlichen Rotationsachse auf einer Ultrapräzisionsdrehmaschine das Diamantwerkzeug je nach Fresnelnut vom Winkel her so eingestellt, dass mit einer Außenflanke des Werkzeugs die Fresnelflanke geschnitten wird und somit die kinematische Rauheit umgangen wird. Derartig kleine Strukturausprägungen lassen sich über konventionelle Optikfertigung mit Polierschritten zur Einstellung geringstmöglicher Oberflächenrauheiten nicht realisieren.
[06] Weist die zu fresnelisierende Optik keine Rotationssymmetrie auf, gilt dasselbe für die resultierende Fresnelstruktur. Da oftmals auch nur Teilsegmente einer Optik sich fresnelisieren lassen, existiert auch keine geschlossene Kontur entlang derer geschnitten werden könnte. Das ultrapräzise Drehen einer fresnelisierten Freiformfläche ist somit nicht möglich. Außerdem bestehen im Stand der Technik keine CAD/CAM Programme, um derartige Oberflächen in ausreichender Qualität als verwertbares CNC Maschinenprogramm zu erstellen.
[07] Alternativ wird das Laser- bzw. Elektronenstrahlschreiben zur Herstellung derartig fresnelisierter Freiformflächen verwendet. Das Elektronenstrahlschreiben wird weit verbreitet eingesetzt, um Mikro- und Nanostrukturen (binär) in eine Oberfläche einzubringen. Anders als bei der kontinuierlich wirkenden Diamantzerspanung wird durch einen Puls des Elektronstrahls ein sehr geringes Volumen aus einem Polymer oder Lack verdampft. Wird aus prozesstechnischer Sicht die Kombination aus zu bearbeitendem Material, Eigenschaft des Elektronenstrahls bzw. Laserstrahls und der Bahnführung des Elektronenstrahls (Überlappung der Einzelpulse) richtig gewählt, lassen sich durch dieses Verfahren nicht nur binäre Strukturen (Näpfchen) sondern auch sogenannte 2.5 D bis 3D Geometrien herstellen.
[08] Trotz Prozessoptimierung der oben beschriebenen Parameterbereiche erreicht das Elektronen- bzw. Laserstrahlschreiben nicht die Fresnellinsenqualität (glatte, präzise Flanke, minimaler Nutgrundradius), die durch Diamantdrehen bei Fresnellinsen mit Rotationsachse möglich ist. Weiterhin werden die Verfahren Elektronen- bzw. Laserstrahlschreiben i.d.R. für Fresnelstrukturen mit Tiefen < 100 μπι eingesetzt. Bei Strukturtiefen im Bereich von 500 μπι werden die Verfahren aufwändig, da mit einem sehr geringen Pulsüberlapp eine große Fläche bearbeitet und ein deutlich erhöhter Material- abtrag realisiert werden muss. Weiterhin sind diese Verfahren in der Regel für die Strukturierung in der Ebene. Die Überlagerung fresnelisierter Freiformflächen auf gekrümmten Oberflächen ist ohne Maschinenanpassungen ebenfalls nicht möglich.
[09] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzustellen, mit dem die Diamantzerspanung mit dem Vorteil der oben beschriebenen guten Oberflächenqualität auf Fresnelflanken und der gleichzeitig erzielbaren geringen Nut- grundverrundung ermöglicht wird, um nicht rotationssymmetrische, fresnelisierte, re- fraktive oder reflektive Freiformoptiken herzustellen. [10] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen. [ 1 1] Die Kombination der Verfahren Drehen und Hobeln bei der Bearbeitung mit einem Diamantwerkzeug ermöglicht es, die für die Herstellung von fresnelisierten Freiformoberflächen benötigten Oberflächenqualitäten bereitzustellen.
[12] Dabei ist es vorteilhaft, wenn kumulativ oder alternativ ein Fast Tool Drehen verwendet wird. Dies ermöglicht ein hochdynamisches Zustellen des Diamantwerk- zeugs abhängig von der jeweiligen Werkzeugposition auf dem Bauteil. Zusätzlich kann mit dem Werkzeug gefräst werden, um eine nicht rotationssymmetrische Fresnellinse herzustellen.
[13] Bei der Durchführung des Verfahrens ist eine synchrone Interpolation von zwei oder vorzugsweise sogar mehr als zwei 2 Achsen auf der verwendeten Ultrapräzisions- maschine vorteilhaft. Die in der Figur 6 dargestellte Anordnung der Achsen ist nur ein Beispiel und es ist für den Fachmann nachvollziehbar, dass je nach Anwendungsfall die Anordnung der Achsen individuell ausgewählt werden muss.
[14] Dadurch wird das beliebige Führen eines Diamantwerkzeugs auf einer Oberfläche entlang einer Kontur mit rotativer Orientierungsanpassung ermöglicht. Das heißt, je nach Drehwinkellage des Werkzeugs relativ zum Werkstück können Werkzeug und Werkstück derart zueinander geschwenkt und oder verschoben werden, dass eine nicht rotationssymmetrische Struktur auf der Oberfläche des Werkstücks entsteht.
[15] Dabei wird vorzugsweise ein monokristallines Diamantwerkzeug mit einem Werkzeugradius kleiner 50 μπι oder ein entsprechendes Halbradiuswerkzeug verwen- det. [16] Um Werkzeug und Werkstück mittels einer Steuerung präzise relativ zueinander zu führen, werden verwertbare Fertigungsdaten aus den Optik Designdaten (CAD Daten bzw. Polynombeschreibungen, bzw. Punktewolken) generiert, um Fertigungsprogramme mit höchster Stützpunktdichte zu berechnen.
[17] Insbesondere werden für die Bearbeitung auf der Basis von Fertigungsdaten Werkzeugbahnen mit Stützpunkt- oder Bahnabständen von weniger als 40 μπι oder sogar von weniger als 20 oder 10 μπι berechnet.
[18] Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Figuren, die nur als Ausführungsbeispiel dienen, erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine stark gewölbte Optik 1, die symmetrisch zur Rotationsachse 2 ausgebildet ist,
Figur 2 eine Fresnelisierung der in Figur 1 gezeigten Optik,
Figur 3 eine Draufsicht auf die in Figur 2 gezeigte fresnelisierte Optik,
Figur 4 ein Beispiel einer Freiformoptik,
Figur 5 eine Fresnelisierung der in Figur 4 gezeigten Optik und
Figur 6 eine Vorrichtung zur Herstellung fresnelisierter Freiformflächen.
[19] Die Figuren 1 und 2 zeigen, wie das zur Achse 2 rotationssymetrische Profil der Optik 1 in konzentrische Ringsegmente 3 zerschnitten werden kann und dadurch stückweise in eine Ebene 4 projiziert wird. Dieses Verfahren ist als Fresnelisierung von Optiken mit Rotationsachse bekannt. Eine Draufsicht auf eine derart fresnelisierte Optik 5 ist in Figur 3 dargestellt.
[20] Die in Figur 4 gezeigte Optik 6 weist keine Rotationssymmetrie auf. Auch eine derartige bogenförmige Oberfläche 7 kann jedoch, wie in Figur 5 gezeigt, entsprechend auf eine Ebene 8 fresnelisiert werden, indem jeweils Teilstücke auf die Ebene projiziert werden.
[21] Eine Vorrichtung zur Bearbeitung derartiger Freiformoberflächen zeigt Figur 6. Dort ist ein Werkstück 9 in ein Futter 10 zentral oder dezentral eingespannt, wobei das Futter auf einer Drehachse 1 1 drehbar ist. Diese Drehachse 11 ist in einem Block 12 gelagert, der in Richtung der Y-Achse 13 und der X-Achse 14 verschiebbar ist. In Richtung der Z- Achse 15 ist ein Werkzeug 16 lateral verschiebbar gelagert. Dieses Werkstück 16 ist außerdem um die Achse 17 schwenkbar, um am Werkstück 9 nicht nur Dreh- sondern auch Hobelarbeiten zu verrichten. [22] Selbstverständlich müssen die Achsen nicht orthogonal zueinander angeordnet sein und es sind beliebige Kombinationen von rotatorischen und translatorischen Achsen denkbar. Dabei sollten zumindest zwei und vorzugsweise mehr als zwei, wie beispielsweise drei, vier oder fünf Achsen derart gesteuert zueinander bewegbar sein, dass jede einzelne Bewegungskomponente synchron in Abhängigkeit einer oder mehrerer weiterer Komponenten durchgeführt wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer fresnelisierten Freiformoberfläche, die auf einer planen oder gekrümmten Fläche superponiert ist, indem mit einem Diamantwerkzeug durch Drehen und Hobeln eine nicht rotationssymmetrische Fresnel- linse hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Diamantwerkzeug ein Fast- oder Slow-Tool Drehen durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Drehen der rotativen Komponente des Vorschubs des Drehens eine weitere lineare Komponente überlagert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere lineare Komponente in Abhängigkeit der Drehwinkellage festgelegt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Diamantwerkzeug auch eine Fräsbearbeitung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug oder das Werkstück auf mehr als zwei Achsen synchron bewegt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass ein monokristallines Diamantwerkzeug oder ein Halbradiuswerkzeug mit einem Werkzeugradius kleiner 50 μπι verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bearbeitung auf der Basis von Fertigungsdaten Werkzeugbahnen mit Stützpunkt- oder Bahnabständen von weniger als 40 μπι, vorzugsweise weniger als 20 μηι und besonders bevorzugt von weniger als 10 μηι berechnet werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Spindel in der ein Werkstück einspannbar ist, einem Werk- zeug, das für die Bearbeitung des Werkstückes als Drehwerkzeug angeordnet ist, wobei der rotativen Komponente des Vorschubs des Drehens eine weitere lineare Komponente überlagert ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 mit einer Steuerung, die eine Bewegung des Werkzeugs relativ zum Werkstück auf mehr als zwei Achsen synchron steuert.
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