KR100564104B1 - 비구면 마이크로 렌즈 가공용 인-라인 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한 번의 공정으로 비구면 마이크로 렌즈를 생산하는 인-라인 시스템(in-line system)으로서, 초정밀 비구면 마이크로 렌즈 가공기기 및 각종 광학 렌즈 가공용 정밀기기에 사용되고 회전 테이블 위에 공작물(즉, 비구면 렌즈)을 잡아주는 세개의 지그와 각각의 지그에 장착된 공작물을 가공하기 위한 에어 스핀들을 장착하여 공작물을 회전시키면서 각각의 회전축 선단에 연삭 휠이나 각종 치공구를 장착한 에어 스핀들을 서보 모터와 서보 컨트롤러를 사용하여 정밀하게 제어하면서 초정밀 비구면 마이크로 렌즈를 가공하는 장치이다.

비구면 렌즈, 에어 스핀들, 폴리싱.

Description

비구면 마이크로 렌즈 가공용 인-라인 시스템{in-line system of aspherical surface micro lens}

도 1은 종래기술에 따른 비구면 렌즈용 가공장치의 구성을 나타낸 도면.

도 2a와 도 2b는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 세 개의 에어 스핀들과 공작물 지그가 회전 테이블 위에 함께 설치되고 공작물 테이블이 회전하면서 개별 공정이 이루어지는 비구면 렌즈용 인-라인 시스템(in-line system)의 구성을 보이고 있는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 각각의 스핀들 기능에 의해 비구면 마이크로 렌즈를 가공하는 순서를 나타낸 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 황삭용 에어 스핀들 200: 정삭용 에어 스핀들

300: 폴리싱용 에어 스핀들 400: 공작물

500: 회전 테이블 600: 공작물 스핀들

본 발명은 초정밀 비구면 마이크로 렌즈 가공기기 및 각종 광학 렌즈 가공용 정밀기기 등에 사용되며, 한 번의 공정으로 연삭 및 폴리싱 가공을 하는 비구면 마이크로 렌즈용 인-라인 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회전 테이블 위에 세 개의 공작물 지그와 세 축으로 비구면 렌즈 가공용 에어 스핀들을 설치하고 또한 비구면 형상 프로그램에 의해서 첫 번째 연삭휠을 장착한 에어 스핀들을 이용하여 비구면의 기본 형상을 가공하고 두 번째 연삭휠을 장착한 에어 스핀들을 이용하여 정밀한 비구면 렌즈 형상을 가공 후 세 번째 폴리싱 패드를 장착한 에어 스핀들이 표면 거칠기 향상을 위한 가공을 함으로써 한 번의 공작물 장착으로 비구면 마이크로 렌즈를 완성시킬 수 있는 인-라인 시스템(in-line system)에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 렌즈 가공기기란 렌즈 이송장치와 렌즈 고정장치, 렌즈 가공장치로 구성되며, 상기 렌즈 고정장치로 마이크로 렌즈를 고정하고 상기 렌즈 이송장치를 이용해 가공부로 이동하고 상기 렌즈 가공장치로 연삭 및 연마를 통해 반구형으로 굴곡 처리된 마이크로 렌즈를 다시 외주면을 일정한 형상으로 절삭하여 가공하는 장치이다.

한편 비구면의 반사경이나 렌즈는 광학적인 수차를 보정할 수 있기 때문에 그 사용이 비약적으로 늘어나고 있다. 또한 렌즈의 매수를 줄여 경박 단소한 제품 제작이 가능하기 때문에 최근에는 멀티미디어 및 정보통신기술의 급속한 발달과 함께 광기록장치, 광통신시스템, 디스플레이어 등의 소형화 추세가 두드러지고 있다. 광학시스템의 소형화는 필연적으로 적용되는 개별 광학부품의 소형화를 수반하여야 하며, 특히 광학계의 핵심요소인 렌즈류의 소형화가 중요한 기술적 과제로 부각되 고 있다. 이는 기존 렌즈의 광학적 성능을 유지하면서 렌즈 자체의 크기를 줄이기 위해서는 가공 정밀도 역시 소형화되는 비율만큼 보장되어야 하기 때문이다. 향후에도 이런 경향이 계속 진행되는 동시에 양산화, 저가격화의 요구도 점점 심해질 것이 예상된다.

종래의 렌즈가공은 폴리싱 방법을 이용하거나, 금형을 만들어 압축, 사출등의 다양한 방법을 적용하여 원하는 형태의 렌즈를 구현하는 방식에 기초를 두고 있는데 크게 재질에 따라서 2가지 방법이 있다.

즉, 저가인 플라스틱 렌즈의 경우 성형부 코어를 초정밀 가공하여, 사출성형 금형에 조립, 정밀 사출기에서 사출하는 방법이 있다. 하지만 플라스틱 재질 특성상 고온이 발생되는 픽업류나 고신뢰도를 요구하는 제품에는 적용에 제약이 따른다.

이러한 문제점을 해결할 수 잇는 유리렌즈의 경우 고가의 성형 금형을 제작해야 하며, 고가의 고온 성형기를 이용하여 렌즈를 성형해야 한다. 이러한 고온 성형기는 약 800℃의 고온에서 금형에 의해 유리렌즈를 성형하기 때문에 금형의 수명이 문제가 되고 성형용 유리재질이 몇가지로 한정되기 때문에 광학계 설계에 제약이 따르는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해서 경쟁력 있는 비구면 유리렌즈 가공 시스템 개발이 매우 높게 요구되어 왔다.

한편 종래에 널리 사용되고 있는 비구면 마이크로 렌즈용 가공 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 크게 세 개 부분으로 나뉘어진다. 즉, 비구면 렌즈(이하 "공작물"이라 하고, 필요에 따라서는 비구면 렌즈로 칭함)를 잡아주는 공작물 스핀 들부, 공작물을 가공하는 연삭 주축 스핀들부와 시스템의 베드부로 구성된다. 세부적으로는 공작물을 고정시켜주는 공작물 스핀들(30)과 상기 공작물을 가공하는 연삭 주축 스핀들(10), 상기 연삭 주축 스핀들(10)을 상/하 방향으로 이송시켜주는 Z축 이송 스테이지(60), 상기 연삭 주축 스핀들(10)을 전/후, 좌/우로 이송시켜주는 X축, Y축 이송 스테이지 하우징(50), 상기 공작물의 센터를 잡아주는 비젼 유닛(20), 시스템을 지탱해주는 방진 베드(40)로 구성된다.

상기한 바와 같이 구성된 종래의 비구면 마이크로 렌즈용 가공기기는 하나의 공작물 스핀들(30)과 하나의 연삭 주축 스핀들(10)로 구성되어 있으며, 상기 공작물 스핀들(30)이 회전하면서 연삭 주축 스핀들(10)에 의해서 공작물이 가공된다.

종래의 비구면 마이크로 렌즈용 가공기기의 공정은 비구면 렌즈 형상 프로그램을 이용하여 장치에 입력을 한 후 공작물을 공작물 스핀들(30)에 고정을 하고 연삭 주축 스핀들(10)을 이용하여 가공을 한 후 상기 공작물 스핀들(30)에서 공작물을 탈착하여 가공물을 측정 후 오차량을 계산해서 보정량을 입력한 후 공작물 스핀들(30)에 장착을 했을 경우 가공물의 중심이 바뀌어 정확한 형상을 가공할 수 없는 단점이 있다.

그리고 자주 공작물을 장착ㆍ탈착함으로써 제품을 생산하는데 많은 시간이 소요되며, 비구면 렌즈의 정밀도 및 생산 효율성이 저하되는 요인이 되어 왔다. 또한 비구면 형상을 가공하고 난 후 고정밀도의 비구면 렌즈 성능을 가지기 위해서 표면 거칠기 향상은 필수적이다.

하지만 표면 거칠기를 향상시키기 위해서 또 다른 가공기기를 이용해 폴리싱 공정을 거쳐야 하고 이때 다시 비구면 형상을 측정한 후 보정량을 계산하여 다시 폴리싱 가공기기에 입력하여 가공해야 하는 단점이 있다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 한 번의 공정으로 비구면 마이크로 렌즈를 완성할 수 있도록 세 개의 공작물 스핀들과 세 축의 연삭용 에어 스핀들을 장착하여 비구면 형상을 만들 수 있도록 황삭용 연삭 스핀들을 이용하여 1차 가공을 하고 정삭용 연삭 스핀들을 이용하여 2차 가공을 한 후 폴리싱용 스핀들을 이용하여 3차 가공을 하고 난 후 기상측정시스템을 이용하여 제품의 정밀도를 측정함으로써 한 번의 공정으로 제품을 생산할 수 있는 비구면 마이크로 렌즈용 인-라인(in-line system) 시스템을 제공함에 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 가공 공정을 줄임으로써 제품의 가공 오차 및 가공 시간을 줄이고 또한 비구면 마이크로 렌즈의 형상 정밀도 및 표면 거칠기를 높일 수 있는 비구면 마이크로 렌즈용 인-라인(in-line system) 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 세 개의 공작물 스핀들과 세 축의 가공용 스핀들을 사용함으로써 가공 오차 및 소요 시간을 단축시킬 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

후술될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있 어 한 개의 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.

본 발명에서는 회전 테이블 위에 세 개의 공작물 스핀들을 장착하고 공작물 스핀들에 직각으로 세 개의 가공용 스핀들을 장착함으로써 한 번의 공정으로 비구면 형상을 만들어 낼 수 있는 연삭공정과 비구면 렌즈의 광학 정밀도를 결정짓는 표면 거칠기를 향상시킬 수 있는 폴리싱 공정을 인-라인(in-line)시키므로서 가공 오차 및 제품의 정밀도를 높이는 장치를 제안한다. 이러한 인-라인 시스템의 상세구성은 후술하는 실시예 1에 의해 용이하게 이해될 것이다.

또한 본 발명은 회전 테이블 위에 공작물을 고정하는 세 개의 공작물 스핀들을 장착하고, 공작물 스핀들은 진동 및 외부 영향을 적게 받게하기 위해서 정밀도 높은 에어 스핀들을 장착하였으며, 또한 각각의 공작물 스핀들에 직각으로 비구면 가공용 에어 스핀들을 장착하였고, 각각의 가공용 에어 스핀들은 고정밀의 컨트롤러에 의해서 개별적으로 제어가 되는 시스템을 채택하였다.

따라서 종래의 가공 시스템은 개별적으로 가공 후 측정하므로서 정밀도 저하 및 제품 완성시간이 많이 걸렸지만 본 발명의 인-라인 시스템(in-line system)을 적용하여 가공 오차를 줄임으로써 고정밀도의 렌즈를 생산할 수 있고 단시간 내에 대량의 렌즈를 가공할 수 있도록 하는 기술적 사상을 구현하고자 하는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 상기 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 회전 테이블 위에 세 개의 공작물을 고정할 수 있는 에어 스핀들과 세 개의 공작물에 직각으로 세 축의 가공용 에어 스핀들이 함께 설치되고 한 번의 공정으로 연삭 및 폴리싱 공정을 할 수 있는 비구면 마이크로 렌즈용 인-라인 시스템(in-line system)의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 각각의 스핀들 기능에 의해 비구면 마이크로 렌즈를 가공하는 순서를 나타낸 흐름도이다.

상기 도면들을 참조하면, 본 발명의 비구면 마이크로 렌즈용 인-라인 시스템은 회전 테이블(500) 위에 공작물(400)을 고정하는 에어 스핀들(600)을 장착하고 공작물(400)에 직각으로 세 축의 가공용 에어 스핀들(100,200,300)을 장착한 시스템으로서, 세 축의 에어 스핀들은 서보 컨트롤러에 의해서 개별적으로 제어가 가능하게 설계되었다.

따라서 황삭용 에어 스핀들(100)을 이용하여 1차 비구면 렌즈 형상을 가공한 후, 회전 테이블(500)이 90°로 회전을 해서 이동을 하면 1차 가공된 렌즈는 정삭용 에어 스핀들(200)에 의해 정밀한 비구면 형상으로 가공이 수행된다.

다음 정삭이 끝이 나면 회전 테이블(500)이 90°로 회전하여 이동되면서 폴리싱 패드를 장착한 에어 스핀들(300)에 의해 폴리싱을 함으로써 표면 거칠기를 향상시키는 시스템으로 구성되어 있다.

상기 폴리싱 공정이 끝난 후 기상측정시스템(도시하지 않음)을 통하여 초기 입력한 비구면 형상값과 측정 후 테이터값을 비교 분석하여 오차가 있을 경우 오차량 만큼 보정하여 다시 가공함으로써 고정밀도 비구면 마이크로 렌즈를 얻을 수 있 다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 비구면 마이크로 렌즈용 가공기기를 인-라인(in-line)시킴으로써 기존의 가공기기에서 공작물 고정장치에 공작물을 고정시키고 가공을 한 후 공작물을 고정장치에서 탈착시킨 후 공작물을 측정하고 초기 비구면 형상 입력 데이터와 비교하여 오차가 발생했을 경우 오차 보정 데이터값을 입력하여 공작물 고정장치에 재장착할 때 공작물의 중심이 바뀌어 정확한 형상으로 가공되지 못하는 점과 단계별 가공 공정에 따른 번거로움과 또한 가공 시간이 오래 걸리는 단점을 해소할 수 있는 상승적인 효과가 있다.

Claims (2)

1. 통상의 비구면 렌즈 고정장치 및 이송장치와 렌즈 가공장치를 구비한 장치에서 회전 테이블 위에 세 개의 공작물 에어 스핀들과 각각의 공작물 가공용 세 개의 에어 스핀들과 기상측정시스템이 구비된 비구면 마이크로 렌즈용 인-라인 시스템에 있어서,

   상기 비구면 렌즈의 형상을 가공하는 황삭용 에어 스핀들과,

   상기 황삭용 에어 스핀들에 의해 가공된 렌즈를 정밀한 비구면 형상으로 가공하는 정삭용 에어 스핀들과,

   상기 정삭용 에어 스핀들에 의해 가공된 렌즈의 표면 거칠기를 향상시키는 폴리싱용 에어 스핀들로 구성되며;

   상기 세 개의 공작물 스핀들은 회전 테이블 위에 설치되고, 상기 가공용 에어 스핀들은 공작물에 직각으로 설치되며, 상기 공작물은 각각의 가공용 스핀들에 가공이 끝난 후 상기 회전 테이블에 의해서 회전을 하고, 상기 가공용 스핀들에 의해 가공됨을 특징으로 하는 비구면 마이크로 렌즈용 인-라인 시스템.
2. (삭제)

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