DE19814045A1 - Verfahren zur Herstellung von Zylinder-Mikrooptiken mit der Diamantschleiftechnik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer asphärischen, plan-konvexen Mikro-Zylinderlinse, bei dem ein Materialrohling aus strahlungstransparentem Material in einer Halteeinrichtung auf seiner freien Außenfläche durch Relativ-Bewegung zwischen einem spanabhebenden Werkzeug und dem Materialrohling spanabhebend bearbeitet wird mit folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen eines quaderförmigen Materialrohlings, der mindestens eine optisch polierte Oberfläche aufweist; Halten des Materialrohlings in einer Halteeinrichtung derart, daß die optisch polierte Oberfläche mit einer Anlagefläche der Halteeinrichtung durch Krafteinwirkung in Kontakt steht; Spanabhebende Bearbeitung des Materialrohlings mittels planem Diamantschleifwerkzeug, wobei diese Schleiffläche parallel zur Linsenlängsachse bewegt wird, wobei zunächst eine Grobbearbeitung mit einem Schleifwerkzeug grober Körnung durchgeführt wird, an die sich ein Schlichtvorgang mit einem feinkörnigen Schleifwerkzeug anschließt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer asphärischen, plan-konve­ xen Mikro-Zylinderlinse, bei dem ein Materialrohling aus strahlungstransparentem Material in einer Halteeinrichtung auf seiner freien Außenfläche durch Relativ-Bewe­ gung zwischen einem spanabhebenden Werkzeug und dem Materialrohling spanab­ hebend bearbeitet wird.

Zur Kollimation von Laserstrahlung werden Linsen, d. h. transmissive Optiken, einge­ setzt, um ein divergierendes Strahlungsbündel zu kollimieren. In bestimmten opti­ schen Anwendungsfällen werden hierzu Zylinderlinsen verwendet. Solche Zylinder­ linsen finden darüberhinaus ihre besondere Anwendung in Verbindung mit Hochlei­ stungs-Laserdioden, um den in einer Richtung stark divergierenden Strahl zu einem parallelen Strahl zu bündeln. Aufgrund der geringen Baugröße werden die dort ein­ gesetzten Zylinderlinsen auch als Mikro-Zylinderlinsen bezeichnet.

Zur Herstellung solcher Zylinderlinsen, insbesondere solcher Mikro-Zylinderlinsen, sind verschiedene Technologien bekannt; hierzu zählen Preßverfahren, Spritzver­ fahren, Drehverfahren, oder sie werden durch verschiedene Ziehprozesse hergestellt.

Bei den bekannten Preßverfahren werden zur Herstellung einzelner Linsen Negativ­ formen verwendet, deren Fertigung sehr zeitaufwendig und teuer ist. Solche Negativformen, die sehr präzise hergestellt werden müssen, werden z. B. durch ein Erodierverfahren in einem Material-Rohling erodiert. Anschließend muß die Oberflä­ che der Form oder der Formen auf optische Qualität poliert werden. Dieser Arbeits­ schritt erfordert, insbesondere im Hinblick auf Mikro-Zylinderlinsen, kleinste Polier­ köpfe, die durch das Gesenk geführt werden und nur punktuell geringe Material- Mengen abtragen können, wodurch das Verfahren sehr zeitaufwendig ist, um eine Endform mit den erforderlichen optischen Qualitätsanforderungen zu erstellen. Wei­ terhin wird die Poliergüte bei Formen für Zylinderlinsen durch den fehlenden Auslauf in der Negativform an den Linsenenden erschwert bzw. eine verminderte Güte er­ reicht, wodurch die Güte der Enden der in solchen Formen gespritzten Zylinderlin­ sen beeinträchtigt wird. Üblicherweise werden in solche Gesenke bzw. Negativfor­ men Glasrohlinge gepreßt, die zuvor in der gewünschten Abmessung angefertigt worden sind.

Die bekannten Spritzverfahren zeigen die gleichen Nachteile bezüglich der Werk­ zeugherstellung, die vorstehend im Rahmen des Preßverfahrens beschrieben wur­ den. Die Spritzverfahren zeichnen sich allerdings dadurch aus, daß Materialien ge­ spritzt werden, zum Beispiel Kunststoffe, die relativ niedrige Verfahrenstemperaturen erfordern. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Linsen, die z. B. aus Kunststoff ge­ spritzt werden, Schlieren und unter Umständen eine Inhomogenität des Brechungs­ index aufgrund unterschiedlicher Polymerisation des Materials aufweisen.

Die bekannten Ziehverfahren zur Herstellung von Zylinderlinsen gehen von einer maßstäblich vergrößerten Linse aus, die aufgrund ihrer größeren Abmessungen leichter zu handhaben und dadurch leichter herstellbar ist. Durch einen Ziehvorgang wird die Vorform auf die gewünschten Mikroabmessungen reduziert. In der Praxis zeigen sich jedoch wesentliche Mängel des Verfahrens, da die Oberflächen der auf die Mikromaße gezogenen Vorformen meist rauh und wellig sind. Ursache hierfür können die durch den thermischen Prozeß bedingten hohen Oberflächenspannun­ gen sein, die während des Ziehvorgangs nicht zu vermeiden sind. Desweiteren ist die Formgenauigkeit nicht in der geforderten Präzision gegeben. Weiterhin zeigen sich durch den Erstarrungsvorgang des gezogenen Teils Spannungsprofile, die die optische Abbildungsgüte der Linse nachteilig beeinflussen können.

Da die nach den vorstehend angegebenen Verfahren hergestellten Mikro-Linsen in vielen Fällen starke Linsenfehler aufweisen, ist es bekannt, zur Korrektur der Lin­ senfehler Gitterstrukturen auf die endbearbeitete Linsenoberfläche aufzubringen, um durch die beugende Wirkung dieser Strukturen die Linsen optisch zu korrigieren. Es ist ersichtlich, daß solche Korrekturen in jedem Fall Verluste mit sich bringen und die Abbildungsqualität solcher transmissiven Optiken benachteiligen. Darüberhinaus be­ lasten solche zusätzlichen, korrigierenden Verfahrensschritte das Endprodukt mit zusätzlichen Kosten.

In der DE-C1 43 44 271 sind eine Vorform, aus der Zylinderlinsen, insbesondere Mi­ kro-Zylinderlinsen, herstellbar sind, ein Verfahren zur Herstellung solcher Zylinder­ linsen unter Bildung solcher Vorformen sowie die Verwendung der nach den Verfah­ ren hergestellten Zylinderlinsen bekannt. In dieser Druckschrift wird jeweils, und zwar in unterschiedlichen Verfahrensweisen, eine kreisförmige Negativ- oder Posi­ tivform hergestellt, die auf einer Ultrapräzisionsdrehmaschine unter ständigem Ro­ tieren mit hoher Geschwindigkeit gefertigt werden kann. Es wird damit ein positiver Kreisring oder ein Kreisringabschnitt erhalten - in Bezug auf die Negativform wird ein entsprechender Kreisring darin gegossen oder aus einer solchen Vorform extru­ diert -, die einem Vielfachen der Länge einer herzustellenden Zylinderlinse entspre­ chen. Von einem solchen Kreisring oder einem Kreisringsegment werden dann die Einzel-Zylinder abgeteilt. Diese Linsenteile können dann auf einem Träger aufge­ klebt werden, um so die Biegung auszugleichen. Die einzelnen Mikro-Zylinderlinsen haben bereits im Rahmen der Herstellung des Kreisrings oder Kreisringsegments als Vorform ihre endgültige Querschnittskontur. In Bezug auf solche Herstellverfahren ist es demnach erforderlich, die jeweiligen Mikro-Zylinderlinsen, die von dem Kreis­ ring oder den Kreisringsegmenten abgetrennt sind, auf einem Träger mittels Klebe­ mittel aufzubringen.

Ausgehend von dem eingangs angegebenen Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine Mikro-Zylinderlinse mit hoher optischer Abbildungs­ qualität und hoher thermischer Beständigkeit herzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von dem eingangs angegebenen Verfahren, durch die folgenden Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines quaderförmigen Materialrohlings, der mindestens eine optisch polierte Oberfläche aufweist;
Halten des Materialrohlings in einer Halteeinrichtung derart, daß die optisch polierte Oberfläche mit einer Anlagefläche der Halteeinrichtung durch Krafteinwirkung in Kontakt steht;
Spanabhebende Bearbeitung des Materialrohlings mittels planem Diamantschleif­ werkzeug, wobei die Schleiffläche parallel zur Linsenlängsachse bewegt wird, wobei zunächst eine Grobbearbeitung mit einem Schleifwerkzeug grober Körnung durch­ geführt wird, an die sich ein Schlichtvorgang mit einem feinkörnigen Schleifwerkzeug anschließt.

Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Rohlinge, die gemäß dem vorstehend angegebenen Verfahren eingesetzt wer­ den, sind quaderförmig und vorzugsweise aus einem plattenförmigen Ausgangsma­ terial zugeschnitten und auf der optischen Eintrittsseite poliert. Typische Abmessun­ gen solcher quaderförmigen Rohlinge liegen bei 12 mm × 1 × 1,2 mm. Die Eintritts­ fläche bzw. Eintrittsseite hat hierbei typischerweise eine Fläche von 12 mm × 1 mm, wobei sich die Breite von 12 mm aus einer Laserdiodenbreite eines (linearen) Laser­ diodenarrays von ca. 10 mm und einer geeignet geformten Halterungsmöglichkeit an den Rändern der Linse ergibt. Mit dem beschriebenen Verfahren sind Linsen beliebi­ ger Dicke und mit Höhen von 0,5 bis mehreren Zentimetern herstellbar.

Zum Einsatz kommende Materialien sind insbesondere hochbrechende Gläser, wie das Glas der Firma Schott mit der Bezeichnung LaFN21, oder Halbleitermaterialien, wie bevorzugt Galliumphosphit.

Während der Bearbeitung des Materialrohlings wird bevorzugt eine Halterung einge­ setzt, die mit Vakkuumkräften, d. h. mittels Druckkräften durch Erzeugen eines Unterdrucks, unterstützt sein kann. Eine solche Halterung faßt die Linse an der 12 mm langen Kante ein. Ähnlich einem Mikroschraubstock wird mittels eines Feder­ stahlblechs die Linse bzw. der Rohling dann an einen 12 mm langen Anschlag ge­ preßt. Der Kontakt der unten liegenden, optisch polierten Rohlingfläche mit der Hal­ tefläche wird durch die Lage der durch die Feder aufgebrachten Kraftwirkungslinie gewährleistet.

Eine 14 mm breite Schleifscheibe kann dann in der Ebene senkrecht zur Linsen­ längsachse verfahren werden. Die Schleifscheibe ist zuvor ausgerichtet, so daß sich eine definierte, optimal gerade Kontaktlinie zwischen Schleifscheibe und Linse bil­ den kann. Mittels eines sogenannten Toolpath Generators kann die als Funktion vorliegende Oberflächenkontur der Asphäre in einen Steuerdatensatz über die NC- Schleifmaschine konvertiert werden. Die Eingriffslinie fährt dann beim Bearbeitungs­ prozeß die gewünschte Kontur ab und erzeugt somit auf dem Glasrohling die asphä­ rische Linsenoberfläche.

Für die Diamantbearbeitung werden vorzugsweise zwei unterschiedliche Schleifpro­ zesse angewandt. Die Vorarbeitung wird mit einer Schleifscheibe grober Spezifikati­ on durchgeführt. Zur Reduktion der beim Bearbeitungsprozeß induzierten Spannung wird mehrmals mit geringer Zustellung und optimierten Prozeßparametern abgetra­ gen. Nach Abschluß des sogenannten Schruppvorgangs hat die Linse bereits eine asphärische Kontur erhalten. Die optische Oberflächengüte wird dann durch einen Schlichtvorgang erzielt. Dazu wird eine feinkörnige Schlichtscheibe verwendet. In diesem Bearbeitungsprozeß wird ein gleichmäßiger Span abgetragen und eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit, die höchstens ca. R_a = 10 nm beträgt, erzielt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer asphärischen, plan-konvexen Mikro-Zylinderlinse, bei dem ein Materialrohling aus strahlungstransparentem Material in einer Halte­ einrichtung auf seiner freien Außenfläche durch Relativ-Bewegung zwischen einem spanabhebenden Werkzeug und dem Materialrohling spanabhebend bearbeitet wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines quaderförmigen Materialrohlings, der mindestens eine optisch polierte Oberfläche aufweist;
Halten des Materialrohlings in einer Halteeinrichtung derart, daß die optisch polier­ te Oberfläche mit einer Anlagefläche der Halteeinrichtung durch Krafteinwirkung in Kontakt steht;
Spanabhebende Bearbeitung des Materialrohlings mittels planem Diamantschleif­ werkzeug, wobei diese Schleiffläche parallel zur Linsenlängsachse bewegt wird, wobei zunächst eine Grobbearbeitung mit einem Schleifwerkzeug grober Körnung durchgeführt wird, an die sich ein Schlichtvorgang mit einem feinkörnigen Schleif­ werkzeug anschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der quaderförmige Ma­ terialrohling aus plattenförmigem Ausgangsmaterial zugeschnitten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite des plattenförmigen Ausgangsmaterials poliert wird, die die optisch polierte Oberfläche des quaderförmigen Materialrohlings bildet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halten des Materialrohlings durch Erzeugen eines Unterdrucks unterstützt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halten des Materialrohlings mittels Federkraft bewirkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Feder­ stahlblechs die optisch polierte Oberfläche des Materialrohlings an die Anlageflä­ che der Halteeinrichtung angepreßt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grobbearbeitung in mehreren Stufen mit geringem Vorschub von Stufe zu Stufe spanabhebend durch­ geführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein solches feinkörni­ ges Schleifwerkzeug für den Schlichtvorgang benutzt wird, um eine Oberflächen­ rauhigkeit von besser als R_a = 10 nm sicherzustellen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spanabhebende Be­ arbeitung mit einer NC-Schleifmaschine durchgeführt wird, in der die als Funktion vorliegende Oberflächenkontur der Asphäre in einen Steuerdatensatz konvertiert wird.