WO2024022976A1 - Verfahren zur montage oder bestimmung der lage eines optischen halbzeugs auf einem fertigungsdorn bei der fertigung einer sphärischen oder asphärischen linse - Google Patents

Verfahren zur montage oder bestimmung der lage eines optischen halbzeugs auf einem fertigungsdorn bei der fertigung einer sphärischen oder asphärischen linse Download PDF

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WO2024022976A1
WO2024022976A1 PCT/EP2023/070309 EP2023070309W WO2024022976A1 WO 2024022976 A1 WO2024022976 A1 WO 2024022976A1 EP 2023070309 W EP2023070309 W EP 2023070309W WO 2024022976 A1 WO2024022976 A1 WO 2024022976A1
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semi
finished product
optical
mandrel
auxiliary element
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Dr. Engelbert HOFBAUER
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Hofbauer Dr Engelbert
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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
    • B24B13/005—Blocking means, chucks or the like; Alignment devices
    • B24B13/0055—Positioning of lenses; Marking of lenses
    • 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
    • B24B47/00—Drives or gearings; Equipment therefor
    • B24B47/22—Equipment for exact control of the position of the grinding tool or work at the start of the grinding operation
    • B24B47/225—Equipment for exact control of the position of the grinding tool or work at the start of the grinding operation for bevelling optical work, e.g. lenses
    • 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
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/12—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation involving optical means

Definitions

  • the present invention relates to a method for assembly or. Fixation or to determine the position or Orientation of an optical semi-finished product on a manufacturing mandrel in the production of a spherical or aspherical lens, in which the semi-finished product has a spherical or aspherical first surface that has been ground and polished on one side and a second surface opposite this, which is still ground to complete the lens and polished, and the first surface is placed on the production mandrel and cemented.
  • the aspherical semi-finished products When producing an asphere, there is a risk of decentering both as a displacement of the vertex and as a tilting (apex offset and axis tilting) and this is completely independent of each other. Therefore, the aspherical semi-finished products must be subject to certain centering rules during the grinding and polishing process and adapted accordingly Manufacturing spindles (mandrels) are positioned to avoid waste during production. A subsequent centering process, as is usual in the production of spheres, is then no longer possible.
  • Assembling semi-finished aspheres onto production mandrels as precisely as possible is a challenge that must be overcome in order to produce precise aspheres with centering errors of less than 30 arcseconds and a lateral offset L of values of less than 5 pm.
  • Tactile devices can be used for this, but high investments are required, the accuracy is limited and the measurement times for high spatial resolution are very long.
  • can Optical components can be scratched by tactile devices.
  • the centering dimension itself cannot be measured on both sides in one clamping.
  • the asphere must be fixed in a special holder and replaced or replaced. be rotated . There remain special clamping errors that can be more than 1 pm and thus mean tilt angle errors of more than one arc minute for small radii ⁇ 10 mm.
  • the centering process of a spherical lens is usually carried out using a clamping centering machine.
  • the tension takes place via precisely manufactured bells on precisely aligned spindles.
  • the centering of the lens occurs through a self-centering process when the tangential angles at the edge of the lens are large enough. If the centering process works very well, the optical axis created by the two centers of curvature is parallel to the cylinder axis and coincides with the cylinder axis after the centering process. If this is not the case, e.g. B.
  • the mandrel centering method is used.
  • the lens is then measured on a mandrel using an optical measuring instrument such as a . B. adjusted and glued using an autocollimator.
  • the reference for the alignment of a spherical-aspherical lens is based on a mechanical surface such as the edge cylinder.
  • the spherical surface (base A) and the edge cylinder (base B) are used, as shown in Figure 1.
  • the aspherical axis then has an inclination and a lateral displacement L from the Reference axis at the apex of the asphere. This is defined in ISO 10110-6 and is also referred to as "external centering error" as it relates to external dimensions and/or external surface references.
  • the centering error is reduced to just one aspect, the lateral offset of the center of curvature CI to the aspherical axis or the equivalent angle of inclination o, in the same way as for a spherical lens.
  • This is also referred to as the "internal centering error”.
  • the internal centering error of an asphere is therefore an inherent offset of the center of curvature of the spherical surface to the aspheric axis of the second surface. This internal centering error is an existing error that is inherent in the lens.
  • FIG. 3a The schematic sequence of the manufacturing process of double aspheres is shown in Figure 3.
  • a glass blank 1 is first applied to a production mandrel 2 (FIG. 3a).
  • the glass blank 1 is ground and polished on the first aspherical surface (FIG. 3b).
  • the polishing process in the polishing machine is not shown here.
  • a first edge processing takes place (Fig. 3c).
  • the semi-finished product 3 with the finished ground and polished first aspherical surface is cemented on the mandrel 2 (Fig. 3d) and then on the second Aspheric surface ground and polished (Fig. 3e).
  • the polishing process is again not shown.
  • the final edge processing takes place (Fig. 3f).
  • grinding the first asphere surface in the step of FIG. 3b is relatively unproblematic since it is measured on the mandrel 2 and quality control can therefore take place.
  • the crucial step takes place during re-clamping or cementing (Fig. 3d) after grinding and polishing the first aspherical surface and the subsequent processing of the edge. Precise alignment on the mandrel 2 before grinding the second aspherical surface is essential. This is currently done with measuring probes. Once clamped, the second aspherical surface is then ground and polished and the edge is finally removed. When the asphere 4 is then removed from the mandrel 2 for the final measurements, it can no longer be clamped again.
  • a cut or milled glass block or a pre-pressed blank is blocked on a mandrel and first processed in the grinding machine.
  • the sphere or For aspheres the best fit sphere (BFS) is ground with the help of a diamond-tipped cup tool or a diamond pellet-studded shaping tool.
  • the edge cylinder is then edge-centered using another machining spindle, usually in the same machine.
  • the lens is blocked and then blocked onto the first, ground surface again on the mandrel in order to technically process the second side.
  • the edge of the lens can be e.g. B. can be centered using a mechanical or optical dial indicator.
  • the processing is then carried out as on the first page and the lens edge, which has an oversize (approx. 0.2 to 0.02 mm), is centered again. This means that the asphere runs exactly to the edge of the cylinder.
  • the lens is blocked so that the aspherical surface lies downwards.
  • U. U. It is provided with a protective varnish to protect it from damage.
  • the main task now is to restore the already completed and, if necessary, to bring the lower surface provided with protective varnish optimally onto the mandrel axis so that the lower aspheric axis is parallel and coincident with the mandrel axis and thus with the machining axis.
  • the heated lens is pressed onto the ring edge using the warm wax putty applied to the heated mandrel (approx. 60 degrees C) and the edge cylinder is centered mechanically.
  • the influences listed below with z. T. large deviations can be expected:
  • Dial indicator is usually not accurate enough When blocking the semi-finished product onto the mandrel, different influences become apparent, which significantly influence the centering process and the centering accuracy and can therefore lead to an internal centering error when producing the asphere.
  • the object of the present invention is to avoid or at least reduce the internal centering error during the manufacturing process of spherical-aspherical lenses or double-sided aspherical lenses.
  • the proposed method is used for assembly or Fixing an optical semi-finished product on a manufacturing mandrel during the production of a spherical or aspherical lens. It can also be used to determine the location or Orientation of the optical semi-finished product on a manufacturing mandrel when manufacturing a spherical or aspherical lens.
  • the optical semi-finished product already has a spherical or aspherical first surface that has been ground and polished on one side and a second surface opposite this, which is still ground and polished to complete the lens needs to be polished.
  • the semi-finished product is placed with the first surface on the production mandrel, preferably adjusted and then cemented or cemented. blocked .
  • the method therefore relates to cementing on the mandrel of Figure 3d described above.
  • the process is characterized by the fact that the adjustment or position or Orientation of the semi-finished product is checked or determined using a special optical process and/or the adjustment (in particular the above centering process) is carried out using the special optical process.
  • a transparent optical auxiliary element with a polished upper surface and a lower surface adapted to the second surface of the semi-finished product is applied to the second surface of the semi-finished product via a medium for index adjustment as an intermediate layer, in particular an immersion oil.
  • the optical auxiliary element is irradiated with an optical beam (or several optical beams) in such a way that the optical beam is partially reflected on the upper surface of the auxiliary element and on the first surface of the semi-finished product.
  • At least the beam component reflected by the first surface of the semi-finished product, preferably both reflected beam components, is or are detected with at least one spatially resolving optical detector.
  • This procedure makes it possible to detect a reflection of the measuring beam or optical steel from the first surface of the semi-finished product, and thus the adjustment of the semi-finished product on the Manufacturing mandrel before cementing based on the recorded reflections.
  • the manufacturing mandrel is preferably rotated during the measurement.
  • the use of the reflex from the already completed spherical or aspherical first surface is only made possible by the attached auxiliary element and the medium used for index adjustment.
  • the measurement cannot be used for adjustment, but only to record the position or Orientation of the semi-finished product, in particular its lower surface, can be carried out in order to then correctly carry out the processing of the second surface based on this information.
  • an auxiliary element is preferably used, which is designed as a plane-parallel plate or as a concave or convex lens with a flat lower surface. If the second surface of the semi-finished product is convex or concave, an auxiliary element is preferably used which has a concave or convex lower surface and a flat, concave or convex upper surface.
  • the auxiliary element is preferably designed in such a way that it completely or almost completely covers the second surface of the semi-finished product.
  • the measurements are preferably carried out with the optical beam or with two of the optical beams for detecting the reflected beam components in the method both in the center and at the edge of the semi-finished product.
  • Fig. 1 an exemplary representation of the external centering error of a spherical-aspherical lens with an inclined aspherical axis and lateral offset L at the apex of the aspheric surface (apex);
  • Fig. 2 an exemplary representation of the internal centering error of a spherical-aspherical lens with the aspherical axis as the reference axis and the offset of the spherical center of curvature;
  • Fig. 3 the schematic sequence of the manufacturing process when producing a double asphere
  • Fig. 4 a representation of the determination of the orientation of an optical semi-finished product on a manufacturing mandrel according to an exemplary embodiment of the proposed method with a plane-parallel plate as an optical auxiliary element;
  • Fig. 5 two exemplary representations of the use of differently designed auxiliary elements depending on the shape of the semi-finished product in the proposed method
  • Fig. 6 two exemplary representations of the measurement of the semi-finished product at two different positions in the embodiments of FIG. 5.
  • the proposed method is used in the manufacturing process of a spherical or aspherical lens, as already described by way of example in the introduction to the description in conjunction with FIG. 3.
  • Figure 4 shows an exemplary representation of the determination of the orientation of the optical semi-finished product 3 on a manufacturing mandrel 2 according to an embodiment of the proposed method.
  • the semi-finished product has a flat second surface.
  • a plane-parallel plate is used here as the optical auxiliary element 5.
  • Figure 4 shows the semi-finished product 3 with a spherical first surface in the present example, on which a corresponding lacquer is applied.
  • the production mandrel 2 on which this semi-finished product 3 is placed and with which it is to be cemented is only shown in the figure.
  • the plane-parallel plate in this example is then placed as an auxiliary element 5, which correspondingly has a polished top side.
  • auxiliary element 5 Between the underside of this auxiliary element 5 and the second surface of the semi-finished product 3 there is an immersion oil (not shown in the figure) for index adjustment.
  • immersion oil (not shown in the figure) for index adjustment.
  • VFS vignetting field stop technology
  • V-SPOT vignetting field stop technology
  • test specimen is a semi-finished product consisting of:
  • an auxiliary element 5 is used which has a correspondingly complementary shape on the underside.
  • the auxiliary element 5 can be designed with a correspondingly concave or convex upper surface, as indicated schematically in Figures 5 and 6.
  • Figures 5 and 6 show examples of semi-finished products 3 with a concave and a convex (polished) aspherical first surface.
  • the second surface is simply ground flat.
  • the immersion oil 7 between the auxiliary element 5 and the semi-finished product 3 is indicated in these figures.
  • the two auxiliary elements 5 are plano-concave or polished on both sides. plano-convex elements that also perform the function of an auxiliary lens.
  • plano-convex or plano-concave lens as an auxiliary element 5 instead of a plane-parallel plate is recommended for curved or negative (hollow) surfaces or for measurements at the very edge (with bad thorns) in order to better adapt the positions of both reflections with good angular resolution receive .
  • either two of the measuring devices EP are used for measuring at two different positions, both in the center and at the edge of the semi-finished product 3, or they are measured one after the other at the two different positions with a measuring device EP.
  • a measuring device EP This is shown schematically in Figure 6.
  • the vignetting field stop method which is preferably used in the proposed method, as is also known from EP 1636542 B1, is a measuring principle that uses vignetting as a physical effect to determine tilt or inclination angles on surfaces through reflected light to eat .
  • the measuring beam is a quasi-parallel beam set of infinite light sources on a widely spread illuminated field near the focal point of a collimating lens.
  • a beam splitter brings the reflected light onto a camera or a detector with appropriate spatial resolution.
  • the exit pupil of this collimator system is projected into the image field behind the focal point of the collimator in addition to a plane mirror or a lens in front of the system.
  • the exit hatch This is called the exit hatch, and because the camera is in the focal plane, there is a blurred image of the exit hatch on the camera. Thanks to this unfocused exit hatch, the problem of losing focus never arises, as with the classic AC (autocollimator). Thanks to this physical effect of vignetting, your field of vision is no longer restricted. Therefore, only the camera or Detector size, which preferably corresponds to the size of the illuminated field, the field of view, which depends only on the focal length of the collimator and the size of the unfocused exit pupil (V-SPOT) on the camera. The size of the V-SPOT then depends on the distance to the plane mirror from the exit pupil or, in the case of a curved surface, depends on the auxiliary lens and the radius of curvature of the DUT.
  • V-SPOT unfocused exit pupil

Landscapes

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

Abstract

Bei einem Verfahren zur Montage oder zur Bestimmung der Lage eines optischen Halbzeugs (3) auf einem Fertigungsdorn (2) bei der Fertigung einer sphärischen oder asphärischen Linse wird die Lage des Halbzeugs (3) auf dem Fertigungsdorn (2) mit einem optischen Verfahren bestimmt und/oder eine Justierung des Halbzeugs (3) auf dem Fertigungsdorn (2) mit Hilfe eines optischen Verfahrens durchgeführt wird, bei dem ein transparentes optisches Hilfselement (5) mit einer polierten oberen und einer der zweiten Oberfläche des Halbzeugs (3) angepassten unteren Oberfläche mit einem zwischenliegenden Medium (7) zur Indexanpassung auf die zweite Oberfläche des Halbzeuges (3) aufgebracht und so mit wenigstens einem optischen Strahl (6) durchstrahlt wird, dass der optische Strahl (6) an der oberen Oberfläche des Hilfselementes (5) und an der ersten Oberfläche des Halbzeugs (3) jeweils teilweise reflektiert und wenigstens der von der ersten Oberfläche des Halbzeugs (3) reflektierte Strahlanteil mit einem ortsauflösenden optischen Detektor erfasst wird.

Description

Verfahren zur Montage oder Bestimmung der Lage eines optischen Halbzeugs auf einem Fertigungsdorn bei der Fertigung einer sphärischen oder asphärischen Linse
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Montage bzw . Fixierung oder zur Bestimmung der Lage bzw . Orientierung eines optischen Halbzeugs auf einem Fertigungsdorn bei der Fertigung einer sphärischen oder asphärischen Linse , bei dem das Halbzeug eine einseitig fertig geschli f fene und polierte sphärische oder asphärische erste Oberfläche und eine dieser gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist , die zur Fertigstellung der Linse noch geschli f fen und poliert werden muss , und mit der ersten Oberfläche auf den Fertigungsdorn aufgesetzt und gekittet wird .
In der Industrie gewinnt der Einsatz von leistungsstarken, hochpräzisen und gleichzeitig leichten optomechanischen Abbildungssystemen immer mehr an Bedeutung . Der Einsatz von asphärischen Oberflächen spielt eine zunehmende Rolle , da die Anzahl der Linsen reduziert und Abmessungen und Gewicht deutlich minimiert werden können .
Bei Herstellung einer Asphäre besteht die Gefahr einer Dezentrierung sowohl als Verschiebung des Scheitels als auch als Verkippung ( Scheitelversatz und Achsverkippung) und dies völlig unabhängig voneinander . Daher müssen die asphärischen Halbzeuge während des Schlei f- und Polierprozesses bestimmten Zentrierregeln unterworfen und entsprechend angepasst auf den Fertigungsspindeln ( Fertigungsdorne ) positioniert werden, um Ausschuss während der Produktion zu vermeiden . Ein nachträglicher Zentriervorgang, wie bei der Herstellung von Sphären üblich, ist dann nicht mehr möglich .
Neben den Oberflächenformfehlern besteht in der industriellen Fertigung der Bedarf nach einer schnell und einfach zu handhabenden Charakterisierung und Modi fikation innerer und äußerer Zentrierfehler zur perfekten Montage von Linsenmultiplets . Aus diesen Anforderungen resultieren erhöhte Anforderungen an messtechnische Geräte sowie an die In-situ- Quali f i zierung der Proben unter Produktionsbedingungen . Bei der Fertigung von Asphären kommt es teilweise zu hohen Ausschussraten durch Zentrierfehler > 0 , 5 ' . Eine genaue Messung des inneren Zentrierfehlers an asphärischen Linsen steht noch nicht zur Verfügung . Auch interf erometrische Messungen sind für eine Zentriermessung nicht geeignet . Punktsensorbasierte Sensoren sind ungeeignet , da es zu viele Freiheitsgrade gibt und somit viele Fehler auftreten . Die Messung mit Punktsensoren ist nur mit gut zentrierten Systemen möglich .
Die möglichst exakte Montage von halbfertigen Asphären auf Fertigungsdornen ist eine Heraus forderung, die bewältigt werden muss , um präzise Asphären mit Zentrierfehlern von weniger als 30 Bogensekunden und einem seitlichen Versatz L von Werten von weniger als 5 pm herzustellen . Dafür können taktile Geräte eingesetzt werden, aber es sind hohe Investitionen erforderlich, die Genauigkeit ist begrenzt und die Mess zeiten für hohe Ortsauflösung sind sehr lang . Außerdem können durch taktile Geräte optische Bauteile zerkratzt werden . Das Zentriermaß selbst kann nicht beidseitig in einer Aufspannung gemessen werden . Die Asphäre muss hierzu in einer speziellen Halterung fixiert und getauscht bzw . gedreht werden . Dabei bleiben besondere Spannfehler, die mehr als 1 pm betragen können und damit Kippwinkel fehler von mehr als einer Bogenminute bei kleinen Radien < 10 mm bedeuten .
Üblicherweise erfolgt der Zentriervorgang einer sphärischen Linse mit einer Spann-Zentriermaschine . Die Spannung erfolgt über präzise gefertigte Glocken auf exakt ausgerichteten Spindeln . Die Zentrierung der Linse erfolgt durch einen selbst zentrierenden Vorgang, wenn die Tangentialwinkel am Linsenrand groß genug sind . Wenn der Zentriervorgang sehr gut funktioniert , ist die durch die beiden Krümmungsmittelpunkte erzeugte optische Achse parallel zur Zylinderachse und fällt nach dem Zentriervorgang mit der Zylinderachse zusammen . Tri f ft dies nicht zu, z . B . bei einer Meniskuslinse mit großem Radius oder einer homozentrischen Linse , wird i . d . R . das Dorn-Zentrier- Verfahren verwendet . Die Linse wird dann auf einem Dorn unter Verwendung eines optischen Messinstruments wie z . B . einem Autokollimator j ustiert und geklebt .
Im Allgemeinen basiert die Referenz für die Ausrichtung einer sphärisch-asphärischen Linse auf einer mechanischen Oberfläche wie dem Randzylinder . In den meisten Fällen (vor allem bei kurzem Randzylinder ) werden die sphärische Oberfläche (Basis A) und der Randzylinder (Basis B ) verwendet , wie in Figur 1 dargestellt . Die asphärische Achse hat dann eine Neigung und eine seitliche Verschiebung L von der Bezugsachse am Scheitelpunkt der Asphäre . Dies ist in ISO 10110- 6 definiert und wird auch als „äußerer Zentrierfehler" bezeichnet , da er sich auf äußere Abmessungen und/oder äußere Oberflächenreferenzen bezieht .
Wird die sphärisch-asphärische Linse so verschoben und geneigt , dass die asphärische Achse mit der Bezugsachse (Bezugsachse = asphärische Achse ) zusammenfällt (vgl . Figur 2 ) , wird der Zentrierfehler auf nur einen Aspekt reduziert , den seitlichen Versatz des Krümmungs Zentrums CI zur asphärischen Achse oder den äquivalenten Neigungswinkel o, in der gleichen Weise wie für eine sphärische Linse . Dies wird auch als „innerer Zentrierfehler" bezeichnet . Der innere Zentrierfehler einer Asphäre ist somit ein immanenter Versatz des Krümmungsmittelpunktes der Kugel fläche zur Asphärenachse der zweiten Fläche . Dieser innere Zentrierfehler ist ein dem Obj ektiv immanenter bestehender Fehler .
Stand der Technik
Der schematische Ablauf des Herstellungsprozesses von Doppelasphären ist in Figur 3 dargestellt . Hierbei wird zunächst ein Glasrohling 1 wird auf einen Fertigungsdorn 2 aufgebracht ( Fig . 3a ) . Der Glasrohling 1 wird an der ersten Asphärenf läche geschli f fen und poliert ( Fig . 3b ) . Der Poliervorgang in der Poliermaschine ist hierbei nicht abgebildet . Im nächsten Schritt erfolgt eine erste Randbearbeitung ( Fig . 3c ) . Das Halbzeug 3 mit der fertig geschli f fenen und polierten ersten Asphärenf läche wird auf dem Dorn 2 umgekittet ( Fig . 3d) und anschließend an der zweiten Asphärenf lache geschliffen und poliert (Fig. 3e) . Der Poliervorgang ist wiederum nicht abgebildet. Schließlich erfolgt noch die finale Randbearbeitung (Fig. 3f) .
Bei der Herstellung von Doppelasphären ist das Schleifen der ersten Asphärenf lache im Schritt der Fig. 3b relativ unproblematisch, da diese auf dem Dorn 2 vermessen wird und somit eine Qualitätskontrolle stattfinden kann. Der entscheidende Schritt findet beim Umspannen bzw. Umkitten (Fig. 3d) nach dem Schliff und der Politur der ersten Asphärenf lache und der anschließenden Bearbeitung des Randes statt. Eine genaue Ausrichtung auf dem Dorn 2 vor dem Schleifen der zweiten Asphärenf läche ist unabdingbar. Dies wird aktuell mit Messtastern durchgeführt. Einmal aufgespannt, wird die zweite Asphärenf läche dann geschliffen und poliert und der Rand final abgetragen. Wenn die Asphäre 4 dann für die Endmessungen vom Dorn 2 genommen wird, kann Sie nicht mehr erneut aufgespannt werden. Dies bedeutet, dass die Asphäre nicht korrigiert werden kann und somit bei Nichteinhalten der Spezifikationen als Ausschuss endet. Eine automatische Nachkorrektur nach dem Schliff der zweiten Asphären- fläche ist ebenfalls nicht möglich. Typischerweise ergeben sich mit dieser Herstellungstechnik aufgrund von Unzulänglichkeiten beim Umkitten von der einen auf die andere Linsenfläche bzw. fehlenden Zwischenergebnissen einer Zentrierfehlermessung Zentrierfehler des Endprodukts von ca. 3-10'.
Beim aktuellen Stand der Technik wird somit bei der Herstellung von Präzisions-Asphären mit der konventionellen Schleif- und Poliertechnik mit unbestimmter Schneide ein geschnittener oder gefräster Glasblock oder ein vorgepresster Rohling ( sog . Blank) auf einen Dorn geblockt und zunächst in der Schlei fmaschine bearbeitet . Dazu wird im Vorprozess zunächst die Sphäre bzw . bei Asphären die Best-Fit- Sphäre (BFS ) mit Hil fe eines diamantbestückten Topfwerkzeuges oder eines Diamant-Pellets besetzten Formwerkzeuges geschli f fen . Nach dem Schlei fen der ersten Oberfläche wird anschließend in der Regel in derselben Maschine der Randzylinder mit einer weiteren Bearbeitungsspindel randzentriert .
Der Dorn mit Prüfling wird aus der Maschine genommen, die Linse abgeblockt und dann auf die erste , geschli f fene Fläche wieder auf den Dorn geblockt , um die zweite Seite schlei f technisch zu bearbeiten . Je nach Anforderung kann beim Aufblocken (mit vorzugsweise thermischem Wachs ) der Linsenrand mit z . B . einer mechanischen oder optischen Messuhr aus zentriert werden . Anschließend wird die Bearbeitung wie auf der ersten Seite durchgeführt und der mit Aufmaß ( ca . 0 , 2 bis 0 , 02 mm) behaftete Linsenrand nochmals nachzentriert . Damit läuft die Asphäre exakt zum Zylinderrand .
Der anschließende Polierprozess wird in der CNC- Poliermaschine durchgeführt . Diese nun zu bearbeitende Seite der Asphäre wird, weil sie perfekt zur Spindel läuft , beim Polieren erfahrungsgemäß eine optimale Asphärenf läche geben, mit einer perfekt zentrierten Asphärenachse über alle Bereiche der Asphäre , nämlich Zentrum, Zone und Rand . Da bei dieser zentrierten Asphärenf läche über die CNC-Steuerung die Bahn der Asphäre exakt abgefahren wird und keinerlei Dezentrierung und Exzentri zität vorliegt , wird überall auf der Fläche der exakt gleiche Footprint erwartet und der Polierprozess perfekt durchgeführt . Es gibt also keine Polierfehler durch unterschiedliche Footprints und unterschiedliche Verweildauer und somit eine exakt rotationssymmetrische Fläche auch am Scheitel der Linse .
Im nun folgenden Schritt wird die Linse umgeblockt , so dass die asphärische Fläche nach unten zum Liegen kommt . U . U . wird sie , um sie vor Beschädigung zu schützen, mit einem Schutzlack versehen . Die Hauptaufgabe besteht nun darin, die bereits fertiggestellte und ggf . mit Schutzlack versehene untere Fläche optimal auf die Dornachse zu bringen, damit die untere Asphärenachse parallel und koinzident zur Dornachse und damit zur Bearbeitungsachse liegt . Im einfachsten Fall wird für diese Justage die erwärmte Linse über den am erwärmten Dorn ( ca . 60 Grad C ) aufgebrachten Warmwachskitt auf die Ringschneide gedrückt und der Randzylinder mechanisch aus zentriert . Hier ist j edoch aufgrund der im Folgenden angeführten Einflüsse mit z . T . großen Abweichungen zu rechnen :
• Planlauf des Dorns 1 bis 20 Mikron (von hoher Qualität bis Standard)
• Rundlauf des Dorns 2 bis 50 Mikron (von hoher Qualität bis Standard)
• Variation der Lackierung (Analyse erster Ordnung) 10 bis 20 Mikron
• Rundheit des Zylinders 1 - 5 Mikron
• Rauheit des Zylinders 1 - 10 Mikron Rq
• Temperaturunterschiede beim Blocken ( 20 ° - 65 ° C )
• Messuhr ist meist nicht genau genug Beim Blocken des Halbzeuges auf den Dorn werden also unterschiedliche Einflüsse of fensichtlich, welche den Zentrierprozess und die Zentriergenauigkeit erheblich beeinflussen und damit zu einem inneren Zentrierfehler bei der Herstellung der Asphäre führen können .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den inneren Zentrierfehler während des Herstellungsprozesses von sphärisch-asphärischen Linsen oder doppelseitig asphärischen Linsen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung oder den Aus führungsbeispielen entnehmen .
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Montage bzw . Fixierung eines optischen Halbzeugs auf einem Fertigungsdorn bei der Fertigung einer sphärischen oder asphärischen Linse . Es lässt sich auch zur Bestimmung der Lage bzw . Orientierung des optischen Halbzeugs auf einem Fertigungsdorn bei der Fertigung einer sphärischen oder asphärischen Linse einsetzen . Das optische Halbzeug weist beim vorgeschlagenen Verfahren bereits eine einseitig fertig geschli f fene und polierte sphärische oder asphärische erste Oberfläche und eine dieser gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist , die zur Fertigstellung der Linse noch geschli f fen und poliert werden muss . Bei dem Verfahren wird das Halbzeug mit der ersten Oberfläche auf den Fertigungsdorn aufgesetzt , vorzugsweise dabei j ustiert und anschließend gekittet bzw . geblockt . Das Verfahren betri f ft also das Umkitten auf dem Dorn der vorangehend beschriebenen Figur 3d . Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus , dass die Justage oder Lage bzw . Orientierung des Halbzeugs dabei mit einem speziellen optischen Verfahren überprüft oder bestimmt und/oder die Justage ( insbesondere der obige Zentrierprozess ) mit Hil fe des speziellen optischen Verfahrens durchgeführt wird . Bei diesem optischen Verfahren wird ein transparentes optisches Hil fselement mit einer polierten oberen und einer der zweiten Oberfläche des Halbzeugs angepassten unteren Oberfläche über ein Medium zur Indexanpassung als Zwischenschicht , insbesondere ein Immersionsöl , auf die zweite Oberfläche des Halbzeugs aufgebracht . Das optische Hil fselement wird dabei so mit einem optischen Strahl ( oder auch mit mehreren optischen Strahlen) durchstrahlt , dass der optische Strahl an der oberen Oberfläche des Hil fselementes und an der ersten Oberfläche des Halbzeugs j eweils teilweise reflektiert wird . Wenigstens der von der ersten Oberfläche des Halbzeugs reflektierte Strahlanteil , vorzugsweise beide reflektierten Strahlanteile , wird bzw . werden dabei mit wenigstens einem ortsauf lösenden optischen Detektor erfasst .
Durch diese Vorgehensweise ist es trotz der noch nicht polierten zweiten Oberfläche des Halbzeugs möglich, einen Reflex des Messstrahls bzw . optischen Stahls von der ersten Oberfläche des Halbzeugs zu erhalten, und damit die Justage des Halbzeugs auf dem Fertigungsdorn vor dem Verkitten auf Basis der erfassten Reflexe durchzuführen . Der Fertigungsdorn wird dabei vorzugsweise während der Messung in Rotation versetzt . Die Nutzung des Reflexes von der bereits fertiggestellten sphärischen oder asphärischen ersten Oberfläche wird erst durch das aufgesetzte Hil fselement und das dabei genutzte Medium zur Indexanpassung ermöglicht . Alternativ kann die Messung auch nicht zur Justage , sondern nur zur Erfassung des Lage bzw . Orientierung des Halbzeugs , insbesondere dessen unterer Oberfläche , durchgeführt werden, um dann die Bearbeitung der zweiten Oberfläche auf Basis dieser Information korrekt durchzuführen .
Bei einer planen zweiten Oberfläche des Halbzeugs wird vorzugsweise ein Hil fselement eingesetzt , das als planparallele Platte oder als konkave oder konvexe Linse mit einer planen unteren Oberfläche ausgebildet ist . Bei einer konvexen oder konkaven zweiten Oberfläche des Halbzeugs wird vorzugsweise ein Hil fselement eingesetzt , das eine konkave oder konvexe untere Oberfläche und eine plane , konkave oder konvexe obere Oberfläche aufweist .
Das Hil fselement ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise so ausgebildet , dass es die zweite Oberfläche des Halbzeugs vollständig oder nahezu vollständig überdeckt . Vorzugsweise werden die Messungen mit dem optischen Strahl oder mit zwei der optischen Strahlen zur Erfassung der reflektierten Strahlanteile bei dem Verfahren sowohl im Zentrum als auch am Rand des Halbzeugs durchgeführt .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Aus führungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert . Hierbei zeigen :
Fig . 1 eine beispielhafte Darstellung des äußeren Zentrierfehlers einer sphärisch-asphärischen Linse mit geneigter asphärischer Achse und seitlichem Versatz L am Scheitelpunkt der asphärischen Oberfläche ( Scheitelpunkt ) ;
Fig . 2 eine beispielhafte Darstellung des inneren Zentrierfehlers einer sphärisch-asphärischen Linse mit der asphärischen Achse als Bezugsachse und dem Of fset des sphärischen Krümmungsmittelpunktes ;
Fig . 3 den schematischen Ablauf des Herstellungsprozesses bei der Herstellung einer Doppelasphäre ;
Fig . 4 eine Darstellung der Bestimmung der Orientierung eines optischen Halbzeugs auf einem Fertigungsdorn gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens mit einer planparallelen Platte als optisches Hil fselement ;
Fig . 5 zwei beispielhafte Darstellungen der Verwendung unterschiedlich ausgestalteter Hil fselemente in Abhängigkeit von der Form des Halbzeugs beim vorgeschlagenen Verfahren; und Fig . 6 zwei beispielhafte Darstellungen der Vermessung des Halbzeugs an zwei unterschiedlichen Positionen bei den Ausgestaltungen der Figur 5 .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das vorgeschlagene Verfahren wird beim Herstellungsprozess einer sphärischen oder asphärischen Linse eingesetzt , wie er beispielhaft bereits in der Beschreibungseinleitung in Verbindung mit Figur 3 beschrieben wurde .
Figur 4 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Bestimmung der Orientierung des optischen Halbzeugs 3 auf einem Fertigungsdorn 2 gemäß einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens . In diesem Beispiel weist das Halbzeug eine plane zweite Oberfläche auf . Als optisches Hil fselement 5 wird hier eine planparallele Platte eingesetzt . Figur 4 zeigt hierzu das Halbzeug 3 mit einer im vorliegenden Beispiel sphärischen ersten Oberfläche , auf der ein entsprechender Lack aufgebracht ist . Der Fertigungsdorn 2 , auf den dieses Halbzeug 3 aufgesetzt wird und mit dem es verkittet werden soll , ist lediglich andeutungsweise in der Figur dargestellt . Auf die noch nicht bearbeitete , in diesem Fall plane , zweite Oberfläche wird dann die in diesem Beispiel planparallele Platte als Hil fselement 5 aufgesetzt , die entsprechend eine polierte Oberseite aufweist . Zwischen der Unterseite dieses Hil fselementes 5 und der zweiten Oberfläche des Halbzeugs 3 befindet sich ein in der Figur nicht dargestelltes Immersionsöl zur Indexanpassung . Zur Durchstrahlung mit dem optischen Strahl wird bei dieser und auch den anderen möglichen Ausgestaltungen des Verfahrens vorzugsweise die so genannte Vignettierungs-Field-Stop-Technologie (VFS bzw . V-SPOT ) eingesetzt , mit der beide Reflexe , also der Reflex von der oberen Oberfläche des Hil fselementes
5 und der Reflex von der ersten Oberfläche des Halbzeugs 3 , auf einem Detektor erfasst werden können, ohne irgendeine Fokussierung zu ändern . Mit dieser Technologie ist es möglich, den lokalen, meridionalen Steigungs fehler in der Zone oder am Rand der asphärischen Fläche präzise zu erfassen und zusammen mit der Zentrierabweichung des Scheitels die asphärische Achse und damit den inneren Zentrierfehler zu bestimmen .
Durch die Verwendung dieser VFS-Technologie mit der entsprechenden, in Figur 4 darstellten Messeinrichtung EP, werden die oben rechts in der Figur dargestellten zwei Reflexe erhalten, zu denen der Strahlverlauf des entsprechend ausgedehnten Messstrahls
6 in der Figur angedeutet ist . Aus der Lage dieser Reflexe kann dann die momentane Lage bzw . Orientierung des Halbzeugs 3 bestimmt werden .
Eine beispielhafte Durchführung der Fixierung dieses Halbzeugs 3 auf dem Fertigungsdorn 2 wird im folgenden Beispiel kurz erläutert .
Beispiel :
1 . Der Prüfling ist ein Halbzeug bestehend aus
- einseitig fertig polierter Sphäre oder Asphäre
- Rückseite plan geschli f fen; 2. Aufbringen eines Immersionsöls entsprechend der Brechzahl des Halbzeugs (1,4 - 1, 6) auf die Rückseite des Halbzeugs;
3. Auf legen einer planparallelplatten hoher Güte aus Glas als Hilfselement in entsprechender Größe;
4. Einstellung der Messeinrichtung EP (ELWIMAT) über Winkel a gemäß DoE, so dass gleichzeitig je ein Reflex von Vorder- und Rückseite auf dem Detektor ausgewertet werden kann;
5. Justierung des Halbzeugs durch geeignete Positionierung des Halbzeugs auf dem Dorn (kleinste Zentrierkreise) ;
6. Fixieren des Halbzeugs; ggf. Füllen des Spaltes mit Kleber;
7. Aushärten bzw. abkühlen lassen und Ergebnis überprüfen bei Raumtemperatur;
8. Planplatte entfernen, Flächen reinigen;
9. Halbzeug auf der zweiten Seite schleifen und anschließend polieren (gemäß bekannten Fertigungsprozessen) .
In Fällen, in denen die noch nicht fertig bearbeitete, zweite Oberfläche gekrümmt ist, beispielsweise eine konvexe oder konkave Form aufweist, wird ein Hilfselement 5 verwendet, das an der Unterseite eine entsprechend komplementäre Form aufweist .
Damit die von der Messeinrichtung ausgehenden Messstrahlen die bereits bearbeitete erste Oberfläche des Halbzeugs 3 auch möglichst nahe am Rand treffen, kann das Hilfselement 5 mit einer entsprechend konkaven oder konvexen oberen Oberfläche ausgebildet sein, wie in den Figuren 5 und 6 schematisch angedeutet. Bei diesen Figuren sind als Beispiele Halbzeuge 3 mit einer konkaven und mit einer konvexen (polierten) asphärischen ersten Oberfläche dargestellt . Die zweite Oberfläche ist lediglich plan geschli f fen . Das Immersionsöl 7 zwischen Hil fselement 5 und Halbzeug 3 ist in diesen Figuren angedeutet . Bei den beiden Hil fselementen 5 handelt es sich um beidseitig polierte plankonkave bzw . plankonvexe Elemente , die auch die Funktion einer Hil fslinse ausüben . Die Verwendung einer derartigen Plankonvex- oder Plankonkavlinse als Hil fselement 5 anstelle einer Planparallelplatte empfiehlt sich für krumme oder negative (Hohl- ) Flächen oder für Messungen ganz am Rand (bei schlechten Dornen) , um eine bessere Anpassung der Lagen beider Reflexe bei guter Winkelauflösung zu erhalten .
Vorzugsweise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Justierung oder Vermessung entweder zwei der Messeinrichtungen EP zur Vermessung an zwei unterschiedlichen Positionen, sowohl im Zentrum als auch am Rand des Halbzeugs 3 , eingesetzt oder mit einer Messeinrichtung EP nacheinander an den zwei unterschiedlichen Positionen gemessen . Dies ist in Figur 6 schematisch dargestellt .
Das bei dem vorgeschlagenen Verfahren bevorzugt verwendete Vignettierungs-Field-Stop-Verf ahren, wie es auch aus der EP 1636542 Bl bekannt ist , ist ein Messprinzip, das die Vignettierung als physikalischen Ef fekt nutzt , um Neigungs- oder Neigungswinkel auf Oberflächen durch reflektiertes Licht zu messen . Der Messstrahl ist ein quasi-paralleler Strahlsatz von unendlichen Lichtquellen auf einem weit gesprei zten beleuchteten Feld nahe dem Brennpunkt einer Kollimationslinse . Ein Strahlteiler bringt das reflektierte Licht auf eine Kamera oder einen entsprechend ortsauf lösenden Detektor . Die Austrittspupille dieses Kollimatorsystems wird zusätzlich zu einem Planspiegel oder einer Linse vor dem System in das Bildfeld hinter dem Fokuspunkt des Kollimators proj i ziert . Dies wird als Ausgangsluke bezeichnet , und da sich die Kamera in der Brennebene befindet , gibt es ein unscharfes Bild der Ausgangsluke auf der Kamera . Durch diese unkonzentrierte Ausstiegsluke entsteht nie das Problem, aus dem Fokus zu geraten, wie beim klassischen AC (Autokollimator ) . Durch diesen physikalischen Ef fekt der Vignettierung ist man nicht mehr im Sichtfeld eingeschränkt . Daher begrenzt nur die Kamera- bzw . Detektorgröße , die vorzugsweise der Größe des beleuchteten Feldes entspricht , das Sichtfeld, das nur von der Brennweite des Kollimators und der Größe der unfokussierten Austrittspupille (V-SPOT ) auf der Kamera abhängt . Die Größe des V-SPOT ist dann abhängig vom Abstand zum Planspiegel von der Austrittspupille oder bei gekrümmter Oberfläche abhängig von der Vorsatzlinse und dem Krümmungsradius des DUT .
Durch die Verwendung dieses Verfahrens anstelle eines klassischen AG ist die Vignettierung kein Problem mehr, sondern eine einfache Lösung, um Oberflächenprofile und Zentrierabweichungen auf nicht sphärischen Oberflächen mit hoher Auflösung zu messen . Bezugs zeichenliste
1 Glasrohling
2 Fertigungsdorn
3 Halbzeug
4 Asphäre
5 optisches Hil fselement
6 Messstrahl
7 Immersionsöl
EP Messeinrichtung
C Krümmungsmittelpunkte
R Radien

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Montage bzw. Fixierung oder zur Bestimmung der Lage bzw. Orientierung eines optischen Halbzeugs (3) auf einem Fertigungsdorn (2) bei der Fertigung einer sphärischen oder asphärischen Linse, bei dem das Halbzeug (3) eine einseitig fertig geschliffene und polierte sphärische oder asphärische erste Oberfläche und eine dieser gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, die zur Fertigstellung der Linse noch geschliffen und poliert werden muss, und mit der ersten Oberfläche auf den Fertigungsdorn (2) aufgesetzt und gekittet wird, wobei die Lage oder Orientierung des Halbzeugs (3) auf dem Fertigungsdorn (2) mit einem optischen Verfahren bestimmt und/oder eine Justierung des Halbzeugs (3) auf dem Fertigungsdorn (2) mit Hilfe eines optischen Verfahrens durchgeführt wird, bei dem ein transparentes optisches Hilfselement (5) mit einer polierten oberen und einer der zweiten Oberfläche des Halbzeugs (3) angepassten unteren Oberfläche mit einem zwischenliegenden Medium (7) zur Indexanpassung auf die zweite Oberfläche des Halbzeuges (3) aufgebracht und so mit wenigstens einem optischen Strahl (6) durchstrahlt wird, dass der optische Strahl (6) an der oberen Oberfläche des Hilfselementes (5) und an der ersten Oberfläche des Halbzeugs (3) jeweils teilweise reflektiert und wenigstens der von der ersten Oberfläche des Halbzeugs (3) reflektierte Strahlanteil, vorzugsweise beide reflektierten Strahlanteile, mit wenigstens einem ortsauf lösenden optischen Detektor erfasst werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (5) bei einer planen zweiten Oberfläche des Halbzeugs (3) als planparallele Platte oder als konkave oder konvexe Linse mit einer planen unteren Oberfläche ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfselement (5) bei einer konvexen oder konkaven zweiten Oberfläche des Halbzeugs (3) eine entsprechend konkave oder konvexe untere Oberfläche und eine plane, konkave oder konvexe obere Oberfläche aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (5) so ausgebildet ist, dass es die zweite Oberfläche des Halbzeugs (3) vollständig oder nahezu vollständig überdeckt, und dass Messungen mit dem optischen Strahl (6) oder mit zwei der optischen Strahlen (6) zur Erfassung der reflektierten Strahlanteile sowohl im Zentrum als auch am Rand des Halbzeugs (3) durchgeführt werden . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des optischen Verfahrens eine Messeinrichtung (EP) eingesetzt wird, bei der der optische Strahl (6) mit einer ausgedehnten Lichtquelle erzeugt und vor dem Auftreffen auf das Halbzeug (3) über eine optische Anordnung kollimiert wird, wobei zwischen der Lichtquelle und dem optischen Detektor eine den optischen Strahl (6) begrenzende Apertur eingesetzt wird, die als vignettierende Feldblende wirkt und durch die der Strahl (6) nach Reflexion an der oberen Oberfläche des Hilfselementes (5) und an der ersten Oberfläche des Halbzeugs (3) unscharf als Lichtfleck bzw. Lichtflecke auf den optischen Detektor abgebildet und mit dem optischen Detektor erfasst wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als die den Strahl (6) begrenzende Apertur eine Blende mit fester oder einstellbarer Blendenöffnung eingesetzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgedehnte Lichtquelle mit einer Leuchtfläche bereitgestellt wird, die mindestens die Größe einer Detektionsfläche des optischen Detektors aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (3) mit dem Fertigungsdorn (2) während der Messung bzw. der Durchführung des optischen Verfahrens um die Rotationsachse des Fertigungsdorns (2) gedreht wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2113142A1 (de) * 1970-03-19 1971-10-07 Sira Institute Vorrichtung zur elektro-optischen Ermittlung der Stellung einer Linse
EP1636542B1 (de) 2003-06-20 2007-09-05 Engelbert Hofbauer Verfahren und messvorrichtung zur berührungslosen messung von winkeln oder winkeländerungen an gegenständen
EP1997585A1 (de) * 2007-05-31 2008-12-03 Nidek Co., Ltd. Vorrichtung zum Befestigen von Saugnäpfen

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