DE19802976A1 - Verfahren zur Herstellung und Einrichtung zum Einspannen stabförmiger Mikrooptiken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung stabförmiger Mikrooptiken, d. h. Mikro­ linsen und Mikroarrays, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Einspannein­ richtung.

Mikrooptiken werden heute in vielfältigen technischen Gebieten angewendet, sei es der Medi­ zintechnik im Bereich der minimalinvasiven Chirurgie, sei es in der Kommunikations- und In­ formationstechnik als Verstärker oder Koppelelemente oder im Bereich der Hochleistungs­ diodenlaser, z. B. als Kollimationsoptiken.

Stabförmige Mikrooptiken werden bisher als sphärische Bauteile gefertigt. Sphärische Glaslin­ sen lassen sich auf konventionellem Wege mit abbildenden Diamantwerkzeugen und einem an­ schließenden Polierprozeß herstellen. Hierzu wird eine spezielle Schleifscheibe benutzt. Eine stirnseitig in die Schleifscheibe eingebrachte Schleifnut weist eine Querschnittsform auf, die der zu erzeugenden Querschnittsform der Mikrooptik entspricht. Um eine hinreichend genaue und am Umfang der Schleifscheibe gleichmäßige Querschnittsform zu erreichen, müssen zu deren Herstellung rotierende Werkzeuge verwendet werden, so daß auf diese Weise nur kreisförmige Querschnitte hergestellt werden können und sich somit nur sphärische Bauteile fertigen lassen.

Sphärische Kunststofflinsen aus Plexiglas werden mittels Gieß- oder Ziehverfahren hergestellt.

Sphärische Optiken weisen für die genannten Anwendungsbereiche jedoch in der Regel von vornherein ungenügende optische Eigenschaften auf, d. h. daß sie eine zu geringe Strahlbünde­ lung und somit eine zu große Verlustwirkung haben.

Kunststofflinsen sind darüber hinaus nur für bestimmte Anwendungsfälle geeignet, da sich auf­ grund der hohen Energieeinkopplung in die Optiken Probleme hinsichtlich ihrer thermischen Beständigkeit ergeben. Auch ist die klebetechnische Anbindung der Optiken an die Basisträger, die in der Regel aus einem festeren Material, beispielsweise Saphirglas, bestehen, problematisch, da es unter den gegebenen thermischen Bedingungen leicht zu einem Ablösen der Kunststofflin­ sen kommt.

Durch Ziehverfahren hergestellte Kunststofflinsen weisen darüber hinaus rauhe und wellige Oberflächen auf. Ursächlich hierfür sind die durch den thermischen Prozeß bedingten Oberflä­ chenspannungen, die neben der Oberflächengüte auch die Formgenauigkeit der Bauteile negativ beeinflussen. Weiterhin zeigen sich durch den Erstarrungsvorgang des gezogenen Teils Span­ nungsprofile, die die optische Abbildungsgüte negativ beeinflussen.

Aus optischen und thermischen Gründen sowie Gründen der Formgenauigkeit und Oberflächen­ güte ist die Herstellung asphärischer Mikrostablinsen, vorzugsweise aus Glas, wünschenswert.

Darüberhinaus ist es wünschenswert, Strahlteiler für die Anwendung in Hochleistungsdiodenla­ sern, sogenannte Mikroarrays, wirtschaftlich und qualitätsgerecht herstellen zu können. Derarti­ ge Mikroarrays weisen an ihrer Lichtaustrittsseite plane Flächenabschnitte mit einer Breite in der Größenordnung von 400 µm auf, die jeweils in einem bestimmten Winkel zur Lichteintrittsseite stehen. Es wurde versucht, solche Mikroarrays aus einzelnen Prismen zusammenzusetzen, was aber zu ungenügenden Ergebnissen geführt hat und darüber hinaus wiederum die bereits geschil­ derten Probleme hinsichtlich der Verklebung mit sich bringt.

Mittels konventioneller Schleiftechnik, wie sie oben angesprochen ist, lassen sich asphärische Mikrostablinsen weder schleifen noch polieren.

Die konventionelle Schleiftechnik setzt eine flächenhafte Berührung zwischen Werkzeug und Werkstück voraus, mit der asphärische Flächen nicht herstellbar sind.

Auch ein Polieren ist nicht möglich, da sich im Gegensatz zu einem Polieren sphärischer Flächen die Polierkräfte während des Poliervorganges nicht gleichmäßig auf das Werkstück aufbringen lassen, so daß die Linsen während des Polierens nicht definierte Formabweichungen erfahren würden. Ohne Polierbearbeitung lassen sich herkömmlich geschliffene Werkstücke, die dann eine milchige Oberfläche aufweisen, aber ohnehin nicht verwenden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Mi­ krostablinsen und Mikroarrays aus Glas in kleinen bis mittleren Serien mit hoher Präzision und auch mit größeren Asphärizitäten wirtschaftlich hergestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein stabförmiger Rohling in eine Ein­ spanneinrichtung eingespannt wird, die auf gegenüberliegenden Seiten des Rohlings im wesent­ lichen gleichmäßig entlang einer zu dessen Längsachse parallelen Linie oder Fläche wirkt, daß der Rohling mittels eines rotierenden Schleifwerkzeugs, dessen Achse parallel zur Längsachse des Rohlings verläuft und das normal zur Längsachse des Rohlings bewegt wird, mit an dessen Umfang wirksamer Schleiffläche in mindestens einem Arbeitsgang in die gewünschte Form ge­ schliffen wird, und daß mindestens der letzte Arbeitsgang mit einer Sprödbruch vermeidenden Spanungstiefe erfolgt und dabei ein Schleifwerkzeug mit in einer hochharten Bindung gehalte­ nen Diamantkörnern verwendet wird, deren Oberflächen zuvor mittels Abrichten im eingebauten Zustand des Schleifwerkzeugs im Bereich der Schleiffläche von Bindungsmaterial freigelegt sind.

Als Linsenrohling dient ein quaderförmig zugeschnittener Barren aus strahlungstransparentem Material. Typische Werkstoffe sind optische Gläser mit hohem Brechungsindex wie Lanthanflinte oder Schwerflinte sowie Halbleitermaterialien, z. B. Galliumphosphit.

Die Eintrittsseite der Mikrooptiken ist im Normalfall poliert. Die Abmessungen der Optiken ori­ entieren sich an der letztendlich zu erreichenden Geometrie. Zielsetzung bei der Dimensionie­ rung des Linsenrohlings ist die Minimierung des abzutragenden Aufmaßes, um eine asphärische Oberfläche zu erzeugen. Um eine einwandfreie Qualität der geschliffenen Seite zu gewährlei­ sten, d. h. um Randzonenbeschädigungen aus vorhergehenden Bearbeitungsoperationen zu eli­ minieren, sollte das minimale Aufmaß jedoch 300 µm nicht unterschreiten. Für Stablinsen liegen die Abmessungen typischerweise im Bereich von 12 × 1 × 0,8 mm³. Das Fertigungsverfahren ist jedoch nicht auf diese Abmessungen beschränkt. Vielmehr können Linsen oder Keilformen wie bei den Mikroarrays beliebiger Abmessung hergestellt werden.

Mindestens dann, wenn ein Schleifwerkzeug mit einer Diamantkörnung ab einer bestimmten Größe Verwendung findet, z. B. ab Körnung D3 gemäß dem internationalen FEPA-Standard, sieht das Verfahren erfindungsgemäß außerdem vor, daß die Diamantkörner vor dem Schleifvor­ gang derart abgestumpft wurden, daß sie weitgehend glatte, im wesentlichen in einer gemeinsa­ men, das Schleifwerkzeug umhüllenden Zylinderfläche liegende Dachflächen aufweisen.

Zur Herstellung stabförmiger Mikrolinsen wird ein Schleifwerkzeug mit die Werkstücklänge des Rohlings überdeckender, zur Herstellung stabförmiger Mikroarrays ein Schleifwerkzeug mit der Breite eines Arrayfeldes entsprechender Breite verwendet.

Das Abrichten des Schleifwerkzeugs erfolgt an einem rotierenden Abrichtkörper, beispielsweise aus Korund, dessen Achse rechtwinklig zur Achse des Schleifwerkzeugs verläuft. Alternativ dazu kann das Abrichten auch mit einem an sich bekannten elektrolytischen Verfahren erfolgen.

Das Abstumpfen der Diamantkörner des Schleifwerkzeugs wird mit Hilfe einer rotierenden Hochleistungskeramik vorgenommen, deren Achse ebenfalls rechtwinklig zur Achse des Schleifwerkzeugs verläuft.

Durch das Abrichten wird insbesondere ein genügend großer Spanraum geschaffen, durch den die anfallenden Späne durchfallen, ohne daß sie die Oberfläche der bearbeiteten Optik verletzen können. Mit dem Abstumpfen der Diamantkörner und der Einhaltung einer bestimmten Span­ ungstiefe wird erreicht, daß sich an der Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Werkstück beim Schleifen ein hydrostatischer Druckspannungszustand ausbildet; der zu einem Plastifizieren des Glases und zu einer glatten Spanabhebung führt. Es wird dabei an der Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Werkstück eine Temperatur von etwa 500 bis 800°C erreicht. Im Gegensatz zum herkömmlichen Schleifen erfolgt somit kein Sprödbruch des Glases und damit kein Milcheffekt. Optional kann anschließend noch eine Polierbearbeitung mit einem flexiblen Werkzeug in flä­ chenhaftem Kontakt oder mit Hilfe einer Strahlbearbeitung (Laserstrahlung, Elektronenstrahl oder Ionenstrahlung) erfolgen, bei der es in jedem Fall nur zu einem minimalen Materialabtrag kommt.

Wichtig ist, daß die Optiken durch eine spezielle Einspannvorrichtung in der Bearbeitungspositi­ on gehalten werden.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Spanneinrichtung hat einen Grundkörper mit im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt, dessen eine, einen spitzen Winkel einschließende Kante teilweise zu einer Auflagefläche abgeflacht ist, deren Breite im wesentlichen der Breite eines zu schlei­ fenden Rohlings entspricht, und der eine senkrecht zu der Auflagefläche stehende einseitige An­ schlagfläche hat und an der der Anschlagfläche gegenüberliegenden Seite mit einem eine entlang einer zur Längsachse des Rohlings parallelen Linie oder Fläche wirkende Kraft auf den Rohling ausübenden Spannblech ausgerüstet ist, das nicht oder nicht wesentlich über die Ebene dieser Seite hinausragt.

Die beiden Anschlagflächen müssen eine Ebenheit von 1 bis 2 µm aufweisen, um eine einwand­ freie Fertigung der Optiken zu gewährleisten. Zur Vermeidung von Kratzern sollte die Auflage­ fläche zweckmäßig mit einem Kunststoß beschichtet sein.

Die Optik wird in der Spanneinrichtung entlang ihrer Längsachse von einem vorzugsweise fe­ dernden Spannblech an die Anschlagfläche gepreßt. Die insbesondere linienhafte Einleitung der Spannkräfte garantiert dabei eine verbiegungsfreie Fertigung der Optiken.

Das Spannblech kann dazu am Grundkörper schwenkbar gelagert und mit einem eine Zug- oder Druckkraft auf das Spannblech ausübenden Kraftelement ausgerüstet sein. Zweckmäßig erfolgt die Krafteinleitung mittels einer Feder. Alternativ dazu kann die Krafteinleitung jedoch auch durch einen Exzenter, eine Schraubverbindung etc. erfolgen.

Die Kinematik der Schleifmaschine sieht eine Bewegung der Schleifscheibe senkrecht zur Längsachse der Optik in den beiden verbleibenden Richtungen vor. Es ergibt sich ein linienhafter Kontakt zwischen den Prozeßpartnern. Die Schleifscheibe fährt im Prozeß die gewünschte Kon­ tur ab. Die Programmierung der Bearbeitungsbahn kann mittels Tool-Path-Generator erfolgen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Einspanneinrichtung für eine Mikrostablinse gemäß der Erfindung in ge­ schnittener Vorderansicht,

Fig. 2 die Einspanneinrichtung gemäß Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 3 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes Schleifwerkzeug im Zu­ sammenwirken mit der Spanneinrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 ein Diamantschleifkorn einer unvorbehandelten Schleifscheibe beim Schleifen eines Werkstücks in vergrößerter Darstellung und

Fig. 5 in analoger Darstellung dagegen ein Diamantschleifkorn einer erfindungsgemäß vorbehandelten Schleifscheibe.

Die in Fig. 1 gezeigte Einspanneinrichtung für einen Linsenrohling 1 besteht aus einem Grund­ körper 2 mit dreieckförmigem Querschnitt, dessen obere Kante zu einer Auflagefläche 3 abge­ flacht ist, wobei an einer Seite eine Anschlagfläche 4 für den Linsenrohling 1 verbleibt. Um Kratzer zu vermeiden, ist die Auflagefläche 3 mit einer Kunststoffauflage 5 beschichtet. An der der Anschlagfläche 4 gegenüberliegenden Seite wird der Linsenrohling 1 von einem Spannblech 6 aus Federstahl festgehalten. Das Spannblech 6 ist an einer Achse 7 drehbar gelagert. Die Spannkraft wird mittels einer Druckfeder 8 ausgeübt, die im Grundkörper 2 untergebracht ist.

Die beiden Anschlagflächen müssen eine Ebenheit von 1 bis 2 µm aufweisen, um eine einwand­ freie Fertigung der Linsen zu gewährleisten.

Der Linsenrohling 1 wird von dem Spannblech 6 entlang seiner Längsachse an die Anschlagflä­ che 4 gepreßt. Durch die linienhafte Einleitung der Spannkräfte wird eine verbiegungsfreie Ein­ spannung des Linsenrohlings 1 garantiert.

Fig. 3 zeigt die Spanneinrichtung im Zusammenwirken mit einem Schleifwerkzeug. Als Schleifwerkzeug dient eine Schleifscheibe 9, die zum Beispiel in der angegebenen Pfeilrichtung rotiert und deren Rotationsachse auf einem Pfad bewegt wird, wie durch die punktierten Pfeile angedeutet ist.

Die Schleifscheibe 9 weist einen Durchmesser von ca. 75 mm und eine Breite von ca. 15 mm auf.

Die Programmierung der Bearbeitungsbahn erfolgt mittels Tool-Path-Generator.

Die Zeichnung macht deutlich, daß durch die keilförmige Gestaltung des Grundkörpers 2 der Spanneinrichtung und das Spannen des Linsenrohlings 1 an der Oberkante dieses Keils genü­ gend Freiraum für die Bewegung der Schleifscheibe 9 besteht.

Die Schleifscheibe 9 befindet sich stets nur in einem linienförmigen Kontakt mit dem Linsen­ rohling 1.

Das Schleifen des Linsenrohlings 1 erfolgt in zwei Stufen, wobei in der ersten Stufe eine Schleifscheibe 9 vorzugsweise mit einer

Körnungsgröße von D7 bis D91
Konzentration von C15 bis C100

und einer hochharten Kunststoff-, metallischen, keramischen oder galvanischen Bindung benutzt wird.

Die Prozeßparameter für diesen Bearbeitungsschritt liegen im Bereich

v_c = 10 bis 90 m/s (Schleifgeschwindigkeit)
v_f = 10 bis 100 mm/min (Geschwindigkeit der Bearbeitungsbahn)
z = 10 bis 900 µm (Zustellung)

Für den abschließenden Feinschliff gelten für das Werkzeug

Körnungsgröße D1 bis D7
Konzentration C25 bis C125

und wiederum eine hochharte Bindung.

Die Prozeßparameter für diesen Bearbeitungsschritt liegen im Bereich

v_c = 10 bis 90 m/s
v_f = 1 bis 25 mm/min
z = 1 bis 40 µm

An die Schleifscheibe werden hohe Anforderungen gestellt. So muß die Ebenheit der Profilflä­ che ca. 1 µm betragen. Der Rundlauf der Schleifscheibe sollte unter 250 nm liegen und die Wuchtgüte im Bereich von 0,005 mm/s.

Derartig extreme Anforderungen können nur durch das Abrichten des Werkzeugs im eingebau­ ten Zustand erreicht werden. Hierzu wird die Schleifscheibe 9 mittels eines Abrichtkörpers ge­ schärft, das heißt die Diamantkörner werden im oberen Bereich von dem sie umgebenden Bin­ dungsmaterial freigelegt. Das Abrichten erfolgt beispielsweise an einem Korundstein, der um eine um 90° gegenüber der Achse der Schleifscheibe 9 versetzte Achse rotiert. Die typische Schnittgeschwindigkeit liegt hierbei im Bereich von 4 m/s, daß heißt es handelt sich vielmehr um eine Art Läppprozeß.

In der zweiten Stufe werden die Diamantkörner gezielt abgestuft. Hierdurch bilden sich an den Diamantschneiden überwiegend negative Spanwinkel aus. Erst durch diese Vorbereitung können die zur Werkstoffverdrängung notwendigen Druckspannungen auch bei komplexer Spannungs­ überlagerung bei Mehrkorneingriff erzeugt werden. Zum Abstumpfen wird die Schleifscheibe 9 entlang einer hochharten Keramik geführt. Die Keramikscheibe rotiert dabei wiederum in einer um 90° gegenüber der Achse der Schleifscheibe 9 verdrehten Achse.

Mit Hilfe des Abrichtens und Abstumpfens lassen sich die Anforderungen an den Rundlauf und die Ebenheit der Schleifscheibe 9 erfüllen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen einen Vergleich des Wirkens einer normalen Diamant-Schleifscheibe gegenüber einer erfindungsgemäß vorbehandelten Schleifscheibe. In die Bindungsmasse an der Schleifscheibe 9 sind Diamantkörner 10 mit einem Bindungsüberstand 11 eingebettet, die im Fall der Fig. 4 eine spitze Kontur haben. Diese spitze Kontur bewirkt einen muschelförmigen Ausriß 12 von Glassplittern aus dem Linsenrohling 1, wobei sich durch den Sprödbruch auch Tiefenrisse 13 bilden. Die Oberfläche des Linsenrohlings 1 wird dabei milchig rauh und könnte nur durch ein anschließendes Polieren mit hohem Polierabtrag zu der erforderlichen Güte gelan­ gen.

Durch das Vorbehandeln der Schleifscheibe 9 werden die Diamantkörner in einem genügend großen Spanraum freigelegt und abgeflacht. Durch die sich beim Schleifen mit derartig vorbe­ handelten Diamantkörnern 10 ergebenden Druckspannungen und sich damit an der Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Werkstück einstellenden Temperaturen erfolgt ein plastischer Werk­ stückabtrag 14. Voraussetzung ist, daß eine bestimmte Grenzspanungstiefe 15 beim Schleifen nicht überschritten wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung stabförmiger Mikrooptiken aus strahlungstransparentem Material, vorzugsweise Glas, dadurch gekennzeichnet,
daß ein stabförmiger Rohling in eine Einspanneinrichtung eingespannt wird, die auf gegen­ überliegenden Seiten des Rohlings im wesentlichen gleichmäßig entlang einer zu dessen Längsachse parallelen Linie oder Fläche wirkt,
daß der Rohling mittels eines rotierenden Schleifwerkzeugs, dessen Achse parallel zur Längachse des Rohlings verläuft und das normal zur Längsachse des Rohlings bewegt wird, mit an dessen Umfang wirksamer Schleiffläche in mindestens einem Arbeitsgang in die ge­ wünschte Form geschliffen wird,
und daß mindestens der letzte Arbeitsgang mit einer Sprödbruch vermeidenden Spanungstie­ fe erfolgt und dabei ein Schleifwerkzeug mit in einer hochharten Bindung gehaltenen Dia­ mantkörnern verwendet wird, deren Oberflächen zuvor mittels Abrichten im eingebauten Zustand des Schleifwerkzeugs im Bereich der Schleiffläche von Bindungsmaterial freigelegt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantkörner vor dem Schleifvorgang derart abgestumpft wurden, daß sie weitgehend glatte, im wesentlichen in ei­ ner gemeinsamen, das Schleifwerkzeug umhüllenden Zylinderfläche liegende Dachflächen aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung stabförmi­ ger Mikrolinsen ein Schleifwerkzeug mit die Werkstücklänge des Rohlings überdeckender Breite verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung stabförmi­ ger Mikroarrays ein Schleifwerkzeug mit der Breite eines Arrayfeldes entsprechender Breite verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab­ richten des Schleifwerkzeugs mittels eines rotierenden Abrichtkörpers erfolgt, dessen Achse rechtwinklig zur Achse des Schleifwerkzeugs verläuft.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abrichten des Schleifwerkzeugs elektrolytisch erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstumpfen der Diamantkörner des Schleifwerkzeugs mittels einer rotierenden Hochleistungskeramik er­ folgt, deren Achse rechtwinklig zur Achse des Schleifwerkzeugs verläuft.

8. Einrichtung zum Einspannen von stabförmigen Mikrooptiken für eine Schleifbearbeitung, gekennzeichnet durch einen Grundkörper (2) mit im wesentlichen dreieckförmigem Querschnitt, dessen eine, einen spitzen Winkel einschließende Kante teilweise zu einer Auflagefläche (3) abgeflacht ist, de­ ren Breite im wesentlichen der Breite eines zu schleifenden Rohlings (1) entspricht, und der eine senkrecht zu der Auflagefläche (3) stehende einseitige Anschlagfläche (4) hat und an der der Anschlagfläche (4) gegenüberliegenden Seite mit einem eine entlang einer zur Längsachse des Rohlings (1) parallelen Linie oder Fläche wirkende Kraft auf den Roh­ ling ausübenden Spannblech (6) ausgerüstet ist, das nicht oder nicht wesentlich über die Ebene dieser Seite hinausragt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannblech (6) am Grund­ körper (2) schwenkbar gelagert und mit einem eine Zug- oder Druckkraft auf das Spannblech (6) ausübenden Kraftelement ausgerüstet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft auf das Spann­ blech durch eine sich am oder im Grundkörper (2) abstützende Feder (8) aufgebracht ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spann­ blech (6) aus einem federnden Material besteht.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage­ fläche (3) mit Kunststoff beschichtet ist.