Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung optischer Elemente durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, vorzugsweise mit Laserstrahlung .

Die konventionelle Fertigung optischer Elemente, welche von einer sphärischen Oberflächenform abweichen, benötigt sowohl eine lange Vorbereitungs- als auch Herstellungszeit und ist demnach zeit- und kostenintensiv. Asphären und Freiformflächen können jedoch mehrere sphärische Elemente ersetzen und dadurch zu geringeren Bauteilabmessungen und reduziertem Gewicht führen. Die hier vorgestellte Fertigungskette soll dazu dienen, optische Elemente wie beispielsweise Linsen mit variabler Oberflächenkontur ausgehend von einem Rohling durch die Bearbeitung mit energetischer Strahlung schnell, flexibel und kostengünstig herzustellen.

Stand der Technik

Die Hauptfertigungstechnologie für hochpräzise, refraktive optische Elemente in der Optikfertigung stellt derzeit das Schleifen dar. Dabei werden

einerseits Preformen (vorgeformte Rohglasteile) mit minimiertem Schleifaufwand zu fertigen Linsen

umgeschliffen und andererseits mit vergleichsweise hohem Schleifaufwand Linsen direkt aus Glasronden geschliffen. Da dem Schleifen ein statistischer

Abtragprozess zugrunde liegt, ist es für die

Herstellung von einfachen Geometrien wie sphärischen oder planaren Flächen geeignet. Dabei wird das Glas über einen Linienkontakt und damit eine vergleichsweise große Fläche bearbeitet. Asphärische Oberflächengeo- metrien oder Freiformflächen lassen sich nur mit erheblichem Aufwand durch Schleifen erzeugen, da in diesem Fall aufgrund der von der sphärischen Form abweichenden Oberfläche kein Linien- sondern ein

Punktkontakt zur Bearbeitung verwendet werden muss .

Blankpressen und Heißprägen stellen replizierende und damit kostengünstige Alternativen zur Fertigung einzelner Optiken mittels etablierter Schleiftechno- logien dar. Durch Verwendung verschiedenster Werkzeugmaterialien, wie Edelstahl, Keramik, Hartmetalle, usw. können Kunststoffe und Glas für optische Anwendungen durch Heißprägen oder Blankpressen abgeformt werden. Eine Nachbearbeitung der geprägten Optik ist nicht erforderlich. Die zeitaufwändige Herstellung der hochpräzisen Prägeformen wird durch kurze Taktzeiten (derzeit mehrere Minuten) beim Replikationsprozess ausgeglichen und ermöglicht den wirtschaftlichen

Einsatz dieser Technologie. Gläser mit hohen Verarbeitungstemperaturen (z.B. Quarzglas) können zurzeit nicht bearbeitet werden, obwohl sie für diverse

Anwendungen (UV-Bereich, hohe Laserleistung, hohe thermische Belastung) sehr interessant sind. Darüber hinaus erfordern Umformtemperaturen von zwischen 400 und 800 °C temperaturstabile und ultraharte Werkzeugmaterialien. Diese können nur mit großem Zeitaufwand schleifend unter entsprechendem Werkzeugverschleiß bearbeitet werden.

Das gängigste Polierverfahren für Glaselemente ist das Nass-Schleifen mittels Hartstoffen, z.B. Sic

(Siliziumkarbid) , Korund oder Diamant, die je nach Zweck in Scheiben, Papier oder Metall gebunden sind oder als Suspension vorliegen. Mit sinkender Korngröße sinken Abtragsleistung, Rauheit und Risstiefe der bearbeiteten Fläche. In zeitaufwändiger Weise werden Risse bis in die Wurzel entfernt und Rauheitswerte in Abhängigkeit vom zu polierenden Werkstoff bis minimal Ra « 0,1 nm erreicht. Allerdings werden hierfür große Mengen an Verbrauchsmaterialien verwendet. Schleif- und Poliermittel können zudem in die Oberfläche eingearbeitet werden und dadurch Absorptions- und Streuverluste steigern, was z.B. bei Laserstrahlquellen zur Zerstörung der Optiken führen kann. Die dargestellte Politur ist im Wesentlichen nur für ebene und sphärische Oberflächen geeignet. Für das Polieren von asphärischen und Freiformflächen wird zunehmend das magnetorheologische Polieren (MRF) angewendet. Auf ein drehendes Trägerrad wird kontinu- ierlich eine magnetische Flüssigkeit aufgetragen. In der Kontaktzone zum zu polierenden Glas wird die

Flüssigkeit durch ein Magnetfeld versteift . Der

Materialabtrag erfolgt somit lokal, wodurch sich das Verfahren für asphärische Oberflächen eignet. Der besondere Vorteil liegt in den konstanten Prozessbedingungen, die einen definierten Materialabtrag erlauben. Konkave und filigrane Oberflächen können jedoch nur begrenzt bearbeitet werden, da die verwen- deten Trägerräder eine erhebliche Größe aufweisen.

Typische Bearbeitungszeiten für MRF-Präzisionspolituren von Quarz-Asphären liegen im Bereich von einer Stunde. Weiterhin ist im Bereich der Mikrobearbeitung das

Abtragen von Glas mit Laserstrahlung bekannt. Dies kann auf verschiedene Arten erfolgen. So kann bspw. Quarzglas unter Verwendung von gepulster C0 ₂ -LaserStrahlung abgetragen werden. Die von einem C0 ₂ -Laser emittierte Strahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 μπι wird von Quarzglas zu etwa 20% reflektiert und zu etwa 80% oberflächennah absorbiert. Dadurch erfolgt bei genügend großer Intensität eine Materialverdampfung und dadurch ein Materialabtrag, der durch die Variation von Laser- leistung, Pulsdauer und weiteren Parametern kontrolliert werden kann. Mit dieser Technik konnten Mikro- linsen (0 = 1 mm) mit einer Abtragrate von 0,0004 mm ³ /s und einer resultierenden Oberflächenrauheit von Ra * 1 μπι gefertigt werden. Ein derartiges Verfahren für die Mikrobearbeitung von Glas bleibt jedoch hinter den für die wirtschaftliche Herstellung von Makrooptiken erforderlichen zu bearbeitenden Abmessungen sowie benötigten hohen Abtragraten zurück. DE 10 2007 058 105 AI beschreibt ein Verfahren zur

Bearbeitung von optischen Elementen mittels Laser- ablation, bei dem die Technik des laserinduzierten Nassätzens zur Bearbeitung eines Rohlings eingesetzt wird. Die Bearbeitung erfolgt dabei ausgehend von einem Grobabtrag bis hin zu einem Feinstabtrag.

Die US 5,257,706 A beschreibt ein Laser-Ablations- verfahren zur Formung optischer Oberflächen mittels Laserstrahlung im UV-Bereich. Weiterhin ist es beispielsweise aus der DE 102 28 743 AI bekannt, Werkstückoberflächen mit Laserstrahlung zu polieren. Das Polieren der Oberflächen wird durch eine oberflächennahe Aufheizung des Materials mit C0 ₂ - Laserstrahlung auf knapp unterhalb der Verdampfungs- temperatur und ein Ausfließen der Rauheiten infolge der Grenzflächenspannung ermöglicht. Durch die Verwendung von Lasern zur Oberflächenpolitur wird der Polier- prozess von der aktuell vorliegenden Form des Werkstücks entkoppelt, so dass sich nahezu beliebige

Geometrien und Freiformflächen polieren lassen. Die Laserpolitur von Glas beruht also auf der Umverteilung von Material durch Umschmelzen und ist somit im Grund- prinzip der konventionellen Flammpolitur von Glas ähnlich. Aufgrund der hohen Präzision der Energieeinbringung werden beim Polieren mit Laserstrahlung aber signifikant kleinere Rauheiten als bei der Flammpolitur erreicht . Mikrorauheiten werden dabei besonders

effektiv geglättet. Zur Vermeidung von Rissen wird bei rissempfindlichen Gläsern eine Vorheizung eingesetzt.

Die bisher für die Fertigung optischer Elemente mit Durchmessern oberhalb von einem Millimeter

eingesetzten Technologien sind zwar für die Fertigung optischer Elemente mit sphärischen Oberflächen

geeignet, lassen sich aber nicht flexibel für die

Fertigung optischer Elemente mit nicht-sphärischen Oberflächen einsetzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Fertigung optischer Elemente anzugeben, das die Fertigung auch von größeren optischen Elementen (Durchmesser > 1 mm) mit nicht ^¬ sphärischen Oberflächen flexibel und mit geringer

Herstellungszeit ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patent- ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden

Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst ein Rohling für die Fertigung des optischen Elements bereitgestellt, der vorzugsweise aus Quarzglas besteht. Der Rohling kann beispielsweise ein zylindrisches, sphärisches oder auch planes Bauteil sein. In einer ersten Fertigungsphase erfolgt die Bearbeitung

mindestens einer Oberfläche des Rohlings zur Annäherung an eine Soll -Oberflächenkontur durch Grobabtrag von Material mittel energetischer Strahlung. Dieser Grobabtrag wird ebenso wie die nachfolgenden Bearbeitungs- schritte vorzugsweise mit Laserstrahlung durchgeführt, kann jedoch auch mit einer anderen Art energetischer Strahlung erfolgen, bspw. mit Ionen oder Elektronenstrahlen. Vorzugsweise erfolgt der Grobabtrag in einem Durchgang, d. h. durch einmaliges Führen des energetischen Strahls über die zu bearbeitende Oberfläche. Die unterschiedlich hohen Abtragraten für die An- näherung an die Soll-Oberflächenkontur werden dabei durch Variation der Leistung des energetischen Strahls und/oder durch Variation der Bewegungsgeschwindigkeit des energetischen Strahls über die Oberfläche erreicht. In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt der Grobabtrag iterativ in mehreren Durchgängen bzw. Abtragphasen, wobei nach jeder Abtragphase die Oberflächenkontur optisch vermessen und mit der Soll -Oberflachenkontur verglichen wird. Auf Basis des Vergleichs erfolgt dann jeweils ein neuer Abtragvorgang, bis die gewünschte Annäherung an die Soll-Oberflächenkontur erreicht ist. Für den Grobabtrag wird vorzugsweise ein Laser mit einer Laserleistung zwischen 100 W und 5 kW eingesetzt, insbesondere ein C0 ₂ -Laser. Die Abtragrate sollte beim Grobabtrag vorzugsweise bei > 10 mm ³ /s liegen,

insbesondere bei > 20 mm ³ /s.

Nach dem Grobabtrag, durch den die gewünschte Oberflächenkontur innerhalb vorgegebener Toleranzen vorzugsweise bereits erreicht wird, erfolgt entweder direkt oder nach einer zwischengeschalteten Feinst- abtragphase ein Polieren der Oberfläche mittels

energetischer Strahlung. Unter dem Polieren wird in der vorliegenden Patentanmeldung ein Polieren ohne

Materialabtrag verstanden. Bei diesem Polieren wird vorzugsweise die Viskosität des Oberflächenmaterials des Rohlings durch Erhitzung mit der energetischen Strahlung verringert, wobei sich aufgrund der Ober- flächenspannung eine glättende Wirkung ergibt. Nach einem Polierdurchgang in direktem Anschluss an den Grobabtrag in einer der Verfahrensalternativen wird die Oberflächenkontur und Oberflächenrauheit der polierten Oberfläche vorzugsweise optisch vermessen und mit der Soll-Oberflächenkontur und Soll-Oberflächenrauheit verglichen. Liegt eine Abweichung vor, die außerhalb einer jeweils vorgegebenen Toleranzgrenzen liegt, so schließt sich ein Feinstabtrag der Oberfläche mittels energetischer Strahlung an. Bei diesem Feinstabtrag werden eventuell noch vorhandene Welligkeiten oder sonstige Abweichungen von der Soll-Oberflächenkontur oder Soll-Oberflächenrauheit verringert, bis diese innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen liegen.

Vorzugsweise erfolgt der Feinstabtrag wiederum

iterativ, wobei nach jeder Abtragphase die Oberflächenkontur und Oberflächenrauheit jeweils erneut vermessen und mit der Soll-Oberflächenkontur und Soll-Ober- flächenrauheit verglichen werden. Auf Basis des

Vergleichs erfolgt dann jeweils ein neuer Durchgang, d.h. ein weiterer Feinstabtrag, bis die jeweils gemessene Abweichung innerhalb der vorgegebenen Toleranz- grenze liegt. Der Feinstabtrag kann auch jeweils im Wechsel mit einem Poliervorgang durchgeführt werden. In diesem Fall, werden nach jeder Abtragphase und nach jeder Polierphase die Oberflächenkontur und Oberflächenrauheit jeweils erneut vermessen und mit der Soll-Oberflächenkontur und Soll-Oberflächenrauheit verglichen. Auf Basis des Vergleichs erfolgt dann jeweils ein neuer Durchgang, d.h. ein weiterer Feinst- abtrag bzw. ein weiterer Poliervorgang, bis die jeweils gemessene Abweichung innerhalb der vorgegebenen

Toleranzgrenze liegt.

Beim Feinstabtrag werden im Gegensatz zum Grobabtrag nur sehr geringe Materialmengen abgetragen. Dies erfolgt vorzugsweise, indem ein energetischer Strahl mit geringerer Leistung als beim Grobabtrag auf die Oberfläche fokussiert und mit variabler Bewegungsgeschwindigkeit über die Oberfläche geführt wird, wobei durch gezielte lokale Reduktion der Bewegungsgeschwindigkeit lokal Material verdampft wird, während in Bereichen mit höherer Bewegungsgeschwindigkeit aufgrund des geringeren Energieeintrags kein Materialabtrag erfolgt. Bei Einsatz eines Lasers, insbesondere eines C0 ₂ -Lasers oder eines Ultrakurzpuls-Lasers, wird für den Feinstabtrag vorzugsweise eine Laserleistung zwischen 1 W und 250 W eingesetzt. Vorzugsweise

erfolgen der Grobabtrag und der Feinstabtrag bei der vorliegenden Erfindung durch direkte Einwirkung der energetischen Strahlung auf die Oberfläche des Roh- lings, d.h. ohne ein zusätzliches Abtragungsmittel.

In einer zweiten Verfahrensalternative wird der Feinstabtrag in der oben beschriebenen Weise vor dem Polieren durchgeführt . Dies bietet sich vor allem in Fällen an, in denen eine Abweichung von der Soll-

Oberflächenkontur oder Soll-Oberflächenrauheit bereits nach dem Grobabtrag durch Feinstabtrag so beseitigt werden kann, dass nach dem Polieren kein weiterer

Feinstabtrag mehr erforderlich ist, um die gewünschte Oberflächenkontur und Oberflächerauheit innerhalb der Toleranzgrenzen zu erhalten.

Der Poliervorgang erfolgt vorzugsweise mit

Laserstrahlung als energetischer Strahlung. Hierzu kann ein C0 ₂ -Laser im kontinuierlichen Betrieb eingesetzt werden, der vorzugsweise defokussiert über die

Oberfläche geführt wird, beispielsweise mittels einer oszillierenden Bewegung. Die Laserintensitäten liegen beim Polieren vorzugsweise zwischen 10 W/cm ² und 1000 W/cm ² bei einem Strahldurchmesser des Laserstrahls auf der Oberfläche von mindestens 2 mm. Durch die vorgeschlagene Fertigungskette, bei der bereits der Grobabtrag mittels energetischer Strahlung erfolgt, lassen sich asphärische Oberflächen und nahezu beliebige Freiformflächen flexibel erzeugen. Unter Grobabtrag ist hierbei ein Materialabtrag zu verstehen, bei dem die Abtragtiefe pro Überfahrt vorzugsweise bei > 5 /xm und das abgetragene Volumen pro Zeit vorzugsweise bei > 10 mm ³ /s, besonders bevorzugt bei > 20 mm ³ /s, liegen. Beim Feinstabtrag liegen hingegen die Abtragtiefe pro Überfahrt vorzugsweise bei < 1 μπι, besonders bevorzugt bei < 100 nm, und das abgetragene Volumen pro Zeit vorzugsweise bei ^ 5 mm ³ /s. Grundsätzlich zielt der Grobabtrag auf eine möglichst große Abtragrate ab, während der Feinstabtrag eine möglichst geringe Abtragtiefe pro Überfahrt erreichen soll. Die gewünschte Oberflächenkontur kann dabei alleine durch Steuerung der Laserleistung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des energetischen Strahls über die zu bearbeitende Oberfläche erzeugt werden. Durch eine aus- reichende Laserleistung lassen sich für eine schnelle Fertigung ausreichend hohe Abtragraten erzielen. Durch das anschließende Polieren und ggf. den zusätzlichen Feinstabtrag werden die gewünschte Oberflächenrauheit erreicht und eventuell noch Abweichungen von der Ober- flächenkontur korrigiert. Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist die Flexibilität des Gesamtprozesses bezogen auf die Oberflächenform bzw. Oberflächenkontur und die dadurch erreichbare Individualisierung sowie eine im Vergleich zu bisherigen Techniken sehr viel kürzere Herstellungszeit. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, auch hochschmelzende Gläser wie bspw. Quarzglas zu

verarbeiten. Gerade für Quarzglasoptiken in der Laserindustrie verspricht das Laserpolieren aufgrund dessen geringerer resultierender Mikrorauheit eine höhere Zerstörschwelle und dadurch ein stabileres und langlebigeres Produkt .

Das Verfahren lässt sich für alle Bereiche der Herstellung optischer Elemente einsetzen. Haupt- anwendungsgebiet ist die Fertigung von asphärisch geformten Linsen und optischen Elementen mit

Freiformflächen in kleinen Mengen, da die geringe

Vorlauf- und Fertigungszeit sowie die hohe Flexibilität des Verfahrens deutliche Vorteile gegenüber den

etablierten Herstellungsverfahren bringen. Das

vorgeschlagene Verfahren eignet sich jedoch auch für anders geformte optische Elemente, prinzipiell für optische Elemente mit beliebiger Oberflächenform. Als Materialien kommen bspw. Gläser, Glaskeramiken und Kunststoffe zum Einsatz. Für die einzelnen Verfahrensabschnitte des

Grobabtrags, des Polierens und des Feinstabtrags kann vorteilhaft die gleiche Strahlquelle, bspw. der gleiche Laser, eingesetzt werden. Selbstverständlich lassen sich die einzelnen Prozessabschnitte jedoch auch mit unterschiedlichen Strahlquellen realisieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematisierte Darstellung der vorgeschlagenen Fertigungskette; und

Fig. 2 das Schema einer geschliffenen Sphäre als Ausgangszustand für die Fertigung eines Elementes mit asphärischer

Oberfläche .

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das vorgeschlagene Verfahren wird im Folgenden anhand der in Figur 1 dargestellten beispielhaften Fertigungskette zur Herstellung eines optischen

Elements nochmals näher erläutert. Entsprechend ihrem vorgegebenen Design wird die

Form des optischen Elementes aus einem zylindrischen, sphärischen oder auch planen Rohling 1 aus Quarzglas zunächst durch Lasergrobabtragen, d. h. verdampfendes Abtragen mit Laserstrahlung, angenähert. Dabei wird das Werkstück nach einem ersten Abtragvorgang vermessen und bis zum Unterschreiten einer definierten Abweichungs- toleranz iterativ weiteren feineren Grobabtragprozessen unterzogen. Anschließend wird die entstandene Oberfläche durch Erniedrigung der Viskosität mit Laser- Strahlung poliert, worauf erneut ein Soll -Ist -Vergleich von Geometrie und Oberflächengüte erfolgt. Gegebenenfalls wird nun eine Formkorrektur durch Laser- Präzisionsabtragen (Feinstabtrag) bzw. durch Laserschmelzen an dem optischen Element vorgenommen, das anschließend wiederum vermessen wird. Dieser letzte

Prozesstakt wird wiederholt, bis das fertig gestellte optische Element 2 im Rahmen der gewünschten Toleranz mit dem Design übereinstimmt. Der Lasergrobabtrag dient dem schnellen Entfernen nicht benötigten Materials, um die Soll-Oberflächen ^¬ kontur möglichst schnell zu erreichen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf einer großen Abtragrate und dadurch einer kurzen Prozesszeit für diesen Herstellungs- schritt. Durch eine hohe kontinuierliche Laserleistung von bis zu 5 kW am Werkstück und die Arbeit im

Strahlfokus wird eine lokal hoch aufgelöste große

Abtragrate von über 20 mm ³ /s erreicht. Wie bei den weiteren Prozessschritten wird der Laserstrahl mittels eines Scanners oder eines Achssystems auf der zu bearbeitenden Glasoberfläche positioniert . Eine

Absaugung des entstehenden Glasdampfs verhindert eine Beschädigung der Anlagenkomponenten und die mögliche Beeinträchtigung des Prozesses durch Absorption der Laserstrahlung in der Dampfwölke.

Die nach dem Grobabtrag entstehende Oberfläche erreicht durch die Ausrichtung auf eine große Abtragrate nicht die für optische Elemente benötigte Qualität in Bezug auf Oberflächenrauheit und Formgenauigkeit . Diese wird durch den folgenden Polierschritt erreicht, welcher die Oberfläche lediglich erhitzt, um deren Viskosität zu erniedrigen, und diese ohne weiteren Materialabtrag aufgrund der Oberflächenspannung

glättet. Dabei wird der Laser stark defokussiert im kontinuierlichen Betrieb durch eine Oszillation der Scannerspiegel in einer Quasilinie über das Werkstück geführt und erhitzt das Material bis knapp unter den Verdampfungspunkt . Je näher die Oberflächentemperatur der Verdampfungstemperatur kommt, desto geringer werden die sich ergebenden Oberflächenrauheiten. Eine Temperaturkontrolle kann entweder manuell über eine Prozessbeobachtung oder aber automatisch durch ein Pyrometer inklusive Regelung erfolgen, wobei eine zu große Temperatur durch entstehende Dampfwolken beim Überschreiten der Verdampfungstemperatur erkannt werden kann. Der Polierschritt kann bspw. mit einem

Linienfokus oder auch mit einer integralen Bestrahlung durchgeführt werden. Letzteres bietet sich insbesondere bei flachen Oberflächen an.

Durch den Poliervorgang wird die Mikrorauheit der bearbeiteten Oberfläche bereits effektiv und im für Optiken ausreichenden Maß geglättet. Es entsteht jedoch eine Welligkeit mit Wellenlängen > 100 μτα, welche durch den Polier-Prozess nicht entfernt werden kann. Nach einer durch eine geeignete Messung festgestellten Lage und Orientierung dieser Welligkeiten werden sie durch den im dritten Prozessschritt angewandten Feinstabtrag entfernt. Dabei wird lokal begrenzt Material von wenigen nm Dicke von der Werkstückoberfläche entfernt, ohne die davor erreichte Oberflächenrauheit zu

verändern. Dazu wird der Laser mit geringer kontinuierlicher Leistung fokussiert auf die Probe gerichtet, welche sich bis knapp unter den Verdampfungspunkt erwärmt. Durch eine Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls über das herzustellende

Werkstück vergrößert sich die lokale Energieeinbringung, so dass die Temperatur steigt und statt des Aufschmelz- ein Verdampfungsprozess eintritt. Dieser Prozess ist sehr genau steuerbar und erlaubt eine örtlich hoch aufgelöste Bearbeitung der Oberfläche. Zum Lasergrob- sowie Laserfeinstabtrag können wahlweise C0 ₂ -LaserStrahlung oder Ultrakurzpulslaser verwendet werden. Das abzutragende Volumen liegt bei Ultrakurzpulslasern prinzipbedingt im Fokuspunkt, bei C0 ₂ -Laserstrahlung kann der Abtrag auch defokussiert und sowohl im kontinuierlichen als auch gepulsten

Betrieb erfolgen. Die erreichbare Abtragrate liegt bei Verwendung von C0 ₂ -Lasern aufgrund der höheren verfügbaren Leistungen sowie der Möglichkeit der kontinu- ierlichen Bearbeitung bei weitem höher als bei Einsatz eines Ultrakurzpulslasers, wobei letztere eine lokal besser aufgelöste Bearbeitung ermöglichen. Da das

Polieren vorzugsweise ausschließlich mit C0 ₂ -Laser- strahlung erfolgt, wird auch für die Abtragprozesse die Verwendung eines C0 ₂ -Lasers favorisiert.

Bei verschiedenen Werkstoffen wird das Bauteil (Rohling bzw. optisches Element) vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur vorgeheizt, um BauteilSpannungen während der Bearbeitung zu reduzieren. Die erhöhte Temperatur wird vorzugsweise auch über einen Zeitraum nach der Bearbeitung aufrecht erhalten. Auch ein Temperprozess kann nachgeschaltet werden .

Das beschriebene Herstellungsverfahren eignet sich prinzipiell für optische Elemente mit beliebiger

Oberflächenform. Von besonderer Bedeutung ist es jedoch für alle von der sphärischen Grundform abweichenden Oberflächen wie Asphären oder Freiformflächen. Grund hierfür ist die zeit- und kostenaufwendige Herstellung solcher Elemente mit den oben beschriebenen konventionellen Fertigungsmethoden. Die optische Vermessung der Oberflächenkontur und Oberflächenrauheit erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines chromatischen oder eines interferometrischen Mess- Verfahrens. Das interferometrische Messverfahren kann mittels Weißlicht oder auch mittels Infrarotlicht durchgeführt werden. Die Vermessung des optischen

Elementes kann hierbei auch über deren Unterseite erfolgen, d.h. die der bearbeitenden Oberfläche

gegenüberliegende Seite. Ist diese Seite als polierte Planfläche ausgebildet, dann kann diese polierte und nicht bearbeitete Planfläche des Elementes als

Referenzfläche bei der Vermessung dienen. Im Folgenden wird eine Abschätzung der Prozesszeit für die Fertigung einer Asphäre mithilfe des vorgeschlagenen laserbasierten Fertigungsverfahrens gegeben. Die Gesamtprozesszeit t setzt sich aus den einzelnen Prozesszeiten der Formgebung durch Grobabtragen t _G des Polierprozesses t _P , der Formkorrektur t _F , der Vermessungszeit t _M und der Einrichtzeit t _E für die Mess- apparatur und den Wechsel z.B. zwischen cw- und

gepulstem Mode des Lasers zusammen: t = t _G + t _P + t _M + t _F + t _E

In diesem Beispiel wird eine Asphäre 4 aus einer sphärischen Linse 3 mit 40 mm Durchmesser, einer Höhe des sphärischen Kugelabschnitts h _K , und einer Höhe des zylindrischen Abschnitts h _z gefertigt, wie sie in Figur 2 schematisch angedeutet ist. Das abzutragende Volumen 5 liegt in diesem

Beispiel je nach Form der Asphare im Bereich 1 - 4 cm ³ . Bei einer Abtragrate von 20 mm ³ /s im Grobabtrag

bedeutet dies eine Prozesszeit tG von ^ 200 s. Beim Polieren werden Flächenraten von bis zu 1 cm ² /s

erreicht. Damit wird für die Politur der Asphäre eine Polierzeit von t _P < 20 s benötigt. Bei der Formkorrektur werden die Bereiche korrigiert, die bei der Vermessung der Ist-Geometrie von der zu fertigenden Soll-Geometrie abweichen. Die Formkorrektur durch

Abtragen (Feinstabtrag) erreicht derzeit Abtragraten von bis zu 2 mm ³ /s, so dass für diesen Prozessschritt eine Bearbeitungszeit von t _F = 25 s berücksichtigt wird. Nach den Einzelprozessen der Formgebung und - korrektur wird jeweils ein Soll-Ist-Vergleich der

Geometrie mittels einer entsprechenden Messtechnik durchgeführt. Eine typische Messzeit für eine Asphäre wird mit 30 s pro Messung angenommen, was bei 3

Messzyklen eine Dauer von ca. t _M = 90 s ausmacht.

Zusätzlich wird eine Einrichtungszeit zwischen den Bearbeitungsschritten von insgesamt 15 s berücksichtigt. Die Gesamtprozesszeit berechnet sich damit zu t < 375 s (ca. 6 min.). Die erreichbare Fertigungszeit einer Asphäre mit Laserstrahlung läge damit schließlich um ca. einen Faktor 10 unter dem konventionellen

Schleifen und MRF-Polieren und immerhin noch um einen Faktor 2 unterhalb des Blankpressens (bei der

Verwendung eines Einfachwerkzeugs) , jedoch ohne die Nachteile der kostenintensiven und unflexiblen Form- Werkzeuge. Bezugszeichenliste

Rohling

fertig gestelltes optisches Element sphärische Linse

Asphäre

abzutragendes Volumen