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Verfahren zur Beseitigung der Abbildungsfehler von Linsen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung der Abbildungsfehler von Linsen.
Optische Systeme besitzen bekanntlich eine Anzahl von Fehlern, die mit ihrem Aufbau und ihrer Struktur zusammenhängen und ihr Anwendungsgebiet begrenzen.
Zu diesen Fehlern zählen in erster Linie die unter der allgemeinen Bezeichnung Aberrationen bekannten Fehler.
Die geometrischen Aberrationen ergeben sich dadurch, dass die verschiedenen Wellenflächen nicht mehr sphärisch sind, kein Anastigmatismus mehr vorhanden ist und das Bild eines Punktes nicht mehr ein Punkt ist, wenn die Öffnung oder Neigung eines Strahlenbündels zur Achse eines optischen Systems mit diesem einen solchen Winkel bildet, dass sin und arc nicht mehr als zusammenfallend angesehen werden können.
Da die Form dieser Wellenflächen eine komplexe Funktion des Brechungsindex des verwendeten optischen Materials oder Glases und der Krümmungsradien der das optische System bildenden strahlenbrechendenElementeist, bestanden die bisher bekannten Korrekturen dieser Aberrationen darin, die Krümmung bestimmter, das optische System bildender strahlenbrechender Elemente geringfügig zu verändern sowie letzteres aus einer zuweilen grossen Zahl von Linsen herzustellen, die jeweils voneinander verschiedene Brechungsindices besitzen. Im besonderen Fall dünner Linsen sind bekanntlich beispielsweise die Sammellinsen an ihren Rändern zu stark konvergent, und die Zerstreuungslinsen sind im Gegensatz dazu an ihren Rändern zu divergent.
Dieser Fehler führt insbesondere zur den Optikern wohlbekannten sphärischen Aberration, mit der im übrigen grösstenfalls die andern Aberrationen zusammenhängen.
Die Veränderungen des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts sind die Ursache einer andern Gruppe von Aberrationen, der sogenannten chromatischen Aberrationen, die man in einem bestimmten Ausmass mit Hilfe achromatischer oder apochromatischer Systeme begrenzen kann, ohne dass es jedoch stets möglich wäre, diese Fehler auf ein für alle Verwendungszwecke annehmbares Mass zu begrenzen.
Schliesslich zeigen die optischen Systeme ausser den Aberrationen noch andere, auf die Wellennatur des Lichts zurückzuführende Fehler, die mit den Beugungserscheinungen zusammenhängen. Das Bild eines hellen Punktes ist beispielsweise von einer Reihe von Beugungsringen umgeben, welche die Wahrnehmung eines benachbarten, weniger hellen Bildes behindern und infolgedessen das Auflösungsvermögen herabsetzen.
Anderseits ist bekannt, dass energiereiche korpuskulare oder elektromagnetische Strahlungen bei den optischen Eigenschaften von Materialien, die ihnen ausgesetzt werden, tiefgreifende physikalische Veränderungen bewirken. Strahlen mit einem hohen Korpuskelgewicht, insbesondere die Neutronen, die Protonen und Ionen, verändern den Brechungsindex, der je nach dem Fall erheblich erhöht oder verringert wird. Dagegen verringern die Strahlen, die mit der Elektronenhülle in Wechselwirkung treten, beispielsweise die Elektronen, y-oder Röntgenstrahlen, die Durchlässigkeit.
Die Veränderungen des Brechungsindex rühren insbesondere von Atomverschiebungen her, die durch Kernzusammenstösse beim Beschiessen mit unmittelbar oder mittelbar erzeugten energiereichen schweren Teilchen stattfinden.
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Diese Verschiebungen führen tatsächlich zur Bildung von Lücken zwischen den Atomen, indem einige
Atome aus ihren ursprünglichen Gitterplätzen herausgedrängt werden und infolgedessen Atome auf Zwi- schengitterplätzen vorhanden sind.
Gegenstand der Erfindung ist die Ausnutzung dieser Veränderungen des Brechungsindex unter Wir- kung bestimmter Strahlungen zum Zweck einer Korrektur der Aberrationen optischer Systeme, indem nicht mehr, wie bisher allein, die Krümmungen der strahlenbrechenden Elemente, sondern auch die
Brechungsindices der Gläser oder optischen Materialien, welche die verschiedenen Linsen oder strahlen- brechenden Anordnungen des Systems bilden, verändert werden. Dies geschieht mit Hilfe einer zuneh- menden Bestrahlung, welche eine kontinuierliche örtliche Veränderung des Brechungsindex mindestens einer zum optischen System gehörenden Linse oder strahlenbrechenden Anordnung von der Achse bis zum Rand erzeugt.
Indem so den Optikern die Möglichkeit gegeben wird, in kontinuierlicher Weise den zweiten der beiden die optischen Eigenschaften eines Systems bestimmenden Parameter, nämlich Krümmungsradien und Brechungsindices, zu verändern, eröffnet die Erfindung neue, sehr bedeutsame Möglichkeitenzur Herstellung optischer Systeme, die hinsichtlich der Aberrationen korrigiert sind. Sie ermöglicht insbesondere bei einer äquivalenten Zahl von Linsen eine bisher unerreichte Präzision oder bei einer gerin- geren Zahl von Linsen ein zentriertes System mit optischen Eigenschaften, welche mit denen vergleich- bar sind, die man bisher nur mit Hilfe eines komplizierten Satzes von Linsen mit je einem homogenen Brechungsindex erreichen konnte.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass das Linsenmaterial einer örtlich unterschiedlichen Strahlungsdosis eines Flusses aus schweren Partikeln mit hoher Energie, die im bestrahlten Material eine De1okalisierungvon Atomen bewirken, ausgesetzt wird, um örtlich unterschiedliche Brechungsindices des Materials zu erhalten, worauf die bestrahlten Linsen einer Wärmebehandlung zur Entfärbung bei einer unterhalb der zur Ausheilung des Brechungsindex (Rückführung auf seinen ursprünglichen Wert) ausrei- chenden Temperatur ausgesetzt werden. Bei nach dem erfindungsgemässen Verfahren behandelten Linsen mit veränderlichem Brechungsindex ist es möglich, starke Krümmungen der strahlenbrechenden Oberflächen mit den korrigierten geometrischen und chromatischen Aberrationen zu vereinbaren.
Die Grössenordnungen der erhaltenen Brechungsindexveränderungen gehen von 0,01 (Siliziumdioxydgläser) bis 0,08 (Quartz), was die Korrektion von Linsen mit entsprechenden Öffnungen ermöglicht.
Bevorzugt verwendete Strahlungen sind die von einem Kernreaktor ausgesandten schnellen oder thermischen Neutronen. Im Fall der Verwendung schneller Neutronen wirken diese unmittelbar auf die Atome des verwendeten Glases oder optischen Materials ein. Wenn man dagegen thermische Neutronen benutzt, muss man erfindungsgemäss ein Glas (oder optisches Material) verwenden, das einen bestimmten Anteil an einem Element wie Bor 10 oder Lithium 6 enthält, das unter der Wirkung von Neutronen schnelle Teilchen erzeugen kann. Die Reaktion (n, a) findet am Bor 10 oder Lithium 6 im Inneren des Glases selbst statt, dessen Brechungsindex man verändern will, und es sind die so erzeugten Cl-Teilchen, die in diesem Fall die Kemzusammenstösse bewirken, welche zu einer bestimmten Zahl von Verdrängungen der getroffenen Atome führen.
Bei dieser Bestrahlungsart ist die Zuführung einer geringen Menge an einem Element mit grossem Reaktionsquerschnitt (z. B. Bor 10) notwendig, um eine
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schnellen Neutronen schwieriger ist, da diese durch elastische Zusammenstösse gebremst werden. Die Weglängen der Cl-Teilchen sind kurz, in der Grössenordnung von Mikron.
Die Wirkungsquerschnitte der Verdrängung sind viel grösser bei thermischen Neutronen als bei schnellen Neutronen. Der Wirkungsquerschnitt der Reaktion des Bor 10 nimmt von 4000 Barns für thermische Neutronen auf einen Streuquerschnitt von 4 Barns für schnelle Neutronen ab. Beispielsweise beträgt der Gesamtwirkungsquerschnitt des Siliciums (Reaktion und Streuung) nur 2,5 Barns für Neutronen mit einer Energie zwischen 0,01 eV und 3 keV. Die schnellen Neutronen sind von geringerer Bedeutung, weil die thermischen Neutronen in den Spektren der verwendeten Atomreaktoren, insbesondere der Schwimmbadreaktoren, deutlich überwiegen.
Eine der als optisches Material geeigneten Zusammensetzungen entspricht einem technischen Glas auf der Grundlage von Siliziumdioxyd mit einem Gehalt von 0, 70/0 Bor 10 in Form von B d (] 2, 5%).
Das Naturbor (Gemisch von Bor 10 und Bor 11) enthält selbst 18, 83% Bor 10. Der Reaktionswirkungsquerschnitt dieses Glases beträgt etwa 28 Barns (0, 7% von 4000), sein Streuquerschnitt nur etwa 2 Barns.
Der Prozentanteil von Bor 10 oder Lithium kann bei den benutzten Gläsern innerhalb erheblicher Grenzen in der Grössenordnung von 0, 1 bis l% schwanken.
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Systems besitzen. Falls die Strahlung ein Fluss thermischer Neutronen ist, kann die Schwächungsvorrichtung vorteilhafterweise aus einem Glaskörper aus mit einem thermische Neutronen absorbierenden Element, wie Lithium, Bor oder Cadmium, dotiertem Glas bestehen. Das Profil des Glaskörpers wird berechnet in Abhängigkeit vom Gesetz der Bestrahlung, die man erhalten will, um die kontinuierliche Veranderung des Brechungsindex entsprechend dem Abstand von der Achse zu erreichen.
Der Schwächungskörper kann, falls das aus Gründen seiner leichteren Herstellung erforderlich ist, selbst aus mehreren aneinandergefügten Elementen bestehen, deren Schwächungswirkungen sich addieren, wobei jedes Element ein verschiedenes Absorptionsvermögen besitzen kann. Nachdem das Profil des Schwächungskörpers einmal theoretisch berechnet ist, kann es durch Autoradiographie einer Metallfolie aus beispielsweise Gold oder Kupfer experimentell überprüft und nötigenfalls nachgearbeitet werden. Dazu wird die Metallfolie durch den Schwächungskörper hindurch mit einem Neutronenfluss bestrahlt, und ihre Aktivität ermöglicht die Feststellung, ob die in Abhängigkeit von der Entfernung von der Achse empfangene Dosis genau dem berechneten notwendigen Betrag entspricht.
Nach einer andern Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens kann man die Bestrahlung ohne Schwächungskörper mit der gewünschten Dosis an jedem Punkt der das zu korrigierende zentrierte optische System bildenden Linsen erreichen. Bei dieser Ausführungsform wird die Oberflache jeder Linse von einem Strahlenbüschel oder-mantel unter Relativbewegung der Linse bezüglich des auf sie wirkenden Strahlenflusses nach allen möglichen technischen Verfahren der Relativbewegung überstrichen.
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Im Ergebnis soll jeder Punkt der Linse am Ende der Behandlung genau die nach der Berechnung zur Er- zielung der gewünschten Korrektur erforderliche Neütronendosis erhalten haben. Man kann beispiels- weise die Linse um ihre Achse drehen, um eine Drehverteilung der integrierten Dosis zu erzielen, und sie längs eines Meridians einstellen. Man kann auch die beiden angegebenen Methoden kombinieren und eine Drehung des mit Schwächungskörpern versehenen Stückes um seine Achse vornehmen. Dies bringt den Vorteil, dieBestrahlung über die Kreise hinweg auszugleichen, wenn die Flüsse nicht homogen sind. Man kann dann die Dosis auf einem Meridian einstellen.
Schliesslich erfordert die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens noch die Entfärbung der behandelten Gläser, die im allgemeinen unter den folgenden Bedingungen stattfindet. In den meisten
Fällen führt die Bestrahlung zu einer Verfärbung der Gläser, die ihre Lichtdurchlässigkeit verlieren und in dieser Hinsicht regeneriert werden müssen. Erfindungsgemäss ist das einfachste Mittel zur Vornahme dieser Regenerierung das Erwärmen des zu entfärbenden Glasstückes während einer bestimmten Zeit und bei einer solchen Temperatur, dass die Schwelle der Rückgängigmachung (Heilung) des Brechungsindex nicht erreicht wird.
Es ist tatsächlich bemerkenswert und eine wichtige Voraussetzung für erfindungs- gemässe Verfahren, dass bei bestimmten Gläsern der Temperaturbereich, in welchem die Verfärbung aufgehoben wird, niedriger als der oder höchstens angrenzend an den Temperaturbereich liegt, in dem die Rückgängigmachung der durch Bestrahlung erhaltenen Brechungsindexveränderungen erfolgt. Für
Siliciumdioxydgläser insbesondere erfolgt die Verfärbungsbeseitigung in einem Temperaturbereich von
100 bis 320 C, während die Rückgängigmachung des Brechungsindex bei Temperaturen von im allge- meinen zwischen 320 und 15000C stattfindet. Ein Erwärmen von einigen 10 h im Mittel im angegebenen Temperaturbereich genügt, um die Verfärbung des Glases vollständig auszulöschen.
Man kann auch die Entfärbung des Glases durch Einwirkung von Licht (das eine selektive Wirkung auf die Farb- zentren besitzt) und insbesondere von ultraviolettem Licht durchführen oder beschleunigen. Schliesslich sei bemerkt, dass die Blei oder Ceroxyd enthaltenden Gläser selbst für hohe Neutronendosen eine gute Beständigkeit gegen Verfärbung zeigen.
Gemäss einem andern Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens kann der zur Bestrahlung verwendete Neutronenfluss, falls erforderlich, durch einen aus einem neutronenabsorbierenden Material hergestellten Kollimator ausgerichtet und gleichförmig gestaltet werden. Das ist insbesondere notwendig, wenn man als Quelle thermischer Neutronen einen Schwimmbadreaktor verwendet, dessen Fluss in der Nähe des Reaktorkerns im wesentlichen isotrop ist.
Ausserdem kann bekanntlich die Einwirkung energiereicher Strahlen auf das optische Material im Inneren des Materials selbst Veränderungen der Volumendichte hervorrufen, die meist zu nicht zu vernachlässigenden Volumenveränderungen führen. Wenn die Bestrahlung des oder der optischen Materialien, die zur Herstellung der das zu korrigierende strahlenbrechende System bildenden Linsen verwendet werden, vor dem Schleifen der Linsen erfolgt, hat diese physikalische Erscheinung keine merklichen Auswirkungen, wenn dagegen die verschiedenen, das optische System bildenden Linsen nach dem Schleifen behandelt werden, können daraus Volumenveränderungen folgen, die zu Veränderungen der Krümmungen und infolgedessen zu mit dem gewünschten Ergebnis nicht zu vereinbarenden Wellenflächen führen.
Im letzteren Fall ist es gelegentlich notwendig, die während der Bestrahlungsbehandlung aufgetretenen Veränderungen der Linsenkrümmungen durch eine zusätzliche Schleif- bzw.
Polierbehandlung zu korrigieren.
Die verschiedenen angegebenen Merkmale werden erläutert durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Ausführungsform. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnungen. Hierin zeigen : Fig. 1 die Kurve der Veränderung des Brechungsindex-n-eines Borosilikatglases in Abhängigkeit von der empfangenen Dosis < ss thermischer Neutronen ; Fig. 2 eine zu korrigierende plankonvexe Linse ; Fig. 3 die Neutronendosis < , welche die Linse der Fig. 2 in jedem Punkt in Abhängigkeit vom Abstand-h-zur Achse erhalten muss, um die Korrektur der sphärischen Aberration zu erreichen ; Fig. 4 das Profil des Schwächungskörpers aus Glas, den man in den Weg eines gleichförmigen Neutronenflusses einschalten muss, um die in Fig. 3 gezeigte Verteilungsfunktion zu erhalten ;
Fig. 5 einebesondereAusführungsform des Schwächungskörpers, der hier aus zwei gegeneinandergelegten Teilen zusammengesetzt ist ; Fig. 6 im axialen Schnitt einen Kollimator der Art, wie man ihn zur Gleichmässiggestaltung eines isotropen Neutronenflusses verwenden kann, um eine Bestrahlung nach dem erfindungsgemässen Verfahren vorzunehmen.
Die Kurve der Fig. 1 zeigt in Abhängigkeit von der empfangenen Dosis thermischer Neutronen die
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: SiO (80, 10%) ;Für dieses besondere Glas mit einem Gehalt an Bor 10 von 0, 5% ist, wie ersichtlich, die Veränderung des Brechungsindex mit der Neutronendosis bis lOn/cm und für Temperaturen bis 1000C praktisch linear, Die Veränderung des ursprünglich 1, 477 betragenden Index beträgt 0, 007 für eine Dosis von nahezu 1018n/cm2, was bereits die Korrektur von Linsen mit recht erheblichen Öffnungen ermöglicht, Im beschriebenen Beispiel soll die sphärische Aberration einer plankonvexen Linse, wie in Fig. 2 gezeigt, unterdrückt werden.
Die Planfläche -2- dieser Linse ist dem einfallenden Licht zugewandt, Der Krümmungsradius der konvexen Fläche --4-- beträgt R = 152,10 mm; der Radius-r-- der Linse ist 15 mm. Die Dicke der Linse in der Mitte ist gering, in der Grössenordnung von 2, 5 mm, um die Schwächung des Strahlenflusses durch Bor 10 im Glas zu vermeiden.
Die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens erfordert zunächst die Berechnung der Korrektur des Brechungsindex, die an jedem Punkt der Linse in Abhängigkeit vom Abstand zur Achse vorzunehmen ist, und dementsprechend der Neutronendosis, die von jedem dieser Punkte empfangen werden muss, um die gewünschte Korrektur zu erhalten.
Diese Berechnung geschieht wie folgt :
Für das betrachtete Glas ist der Brechungsindex-n-eine mit der empfangenen Dosis thermischer Neutronen wachsende Funktion und kann für den geradlinigen Teil der Kurve --1der Fig,1 durch die folgende Formel wiedergegeben werden :
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worin n. der ursprüngliche Brechungsindex des Glases vor jeder Bestrahlung, 0 die im Abstand-h-von der Achse empfangene Dosis thermischer Neutronen und b eine Konstante ist.
Die sphärische Aberration Af einer Zone einer dünnen Linse ist durch den bekannten Ausdruck
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EMI5.3
EMI5.4
EMI5.5
EMI5.6
EMI5.7
stand h = 1 von der optischen Acnse-M-der Linse erhalten werden muss (Fig. z).
Durch Vereinigung der Gleichungen (1) und (4) kann man, unter der Voraussetzung, dass man sich stets auf dem geradlinigen Teil der Kurve-1-, der Fig. 1 hält, schreiben :
EMI5.8
EMI5.9
Wenn der verwendete Schwächungskörper aus einem Material mit einem Absorptionskoeffizienten - und einer Dicke --y-- besteht, kann man nach (5) unter der Annahme, dass er sich in einem einfallenden Fluss -0.-befindet, schreiben :
EMI5.10
Wenn man beispielsweise die Zusatzbedingung einführt, dass die Dicke des Schwächungskörpers in
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was endlich der gewünschte mathematische Ausdruck ist, der die Dicke-y-des Schwächungskörpers als Funktion des Abstandes-h-von der Achse angibt.
Im beschriebenen besonderen Beispiel zeigt das Glas eine starke Erhöhung des Brechungsindex mit der Dosis thermischer Neutronen, und die Gleichung lautet :
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Dieses führt zu dem durch Kurve-5-der Fig. 4 wiedergegebenen Profil des Schwächungskörpers im Fall eines gleichförmigen und parallelen Flusses. Fig. 3 zeigt die Form der Kurve des integrierten Flusses in Abhängigkeit vom Abstand von der Achse, und Fig. 4 zeigt im Halbschnitt gemäss einem Meridian das entsprechende Profil des Schwächungskörpers, der z. B. aus Borsilikat-Glas mit Bor10-Dosierung besteht.
Fig. 5 zeigt im gleichen Massstab eine mögliche abgewandelte Ausführungsform des Schwächungskörpers der Fig. 4, wobei dieser aus zwei Stücken (6 und 7) veränderlicher Dicke mit einem bestimmten Borgehalt in jedem Stück besteht. Diese besondere Ausführungsformkann zweckmässig sein, insbesondere zur Vereinfachung der Herstellung aus einfachen Profilen.
Man kann den Körper in den Kanal eines Kernreaktors bringen, um einen Richtungseffekt zu erhalten, jedoch auch ebenso einen Kollimator im Inneren eines Schwimmbadreaktors verwenden, um hohe Flüsse zu erreichen.
Im Fall des beschriebenen Beispiels war die verwendete Quelle thermischer Neutronen ein Schwimmbadkernreaktor mit einem im wesentlichen isotropen Fluss. In diesem Fall verwendet man nach dem erfindungsgemässen Verfahren zur Gleichförmiggestaltung dieses Flusses einen Kollimator, wie er in Fig. 6 dargestellt ist. Letzterer besitzt ein äusseres zylindrisches Gehäuse8-- aus Aluminium, das durch einen oder zwei ebenfalls aus Aluminium bestehende Stopfen-9 und 10-- verschlossen ist, die an den eigentlichen Wänden des Gehäuses --8-- durch Ziehen ausgebildet, eingesetzt oder unter Argon eingeschweisst sind. Ein Kollimator --11- aus Cadmium deckt innen die Seitenwände und den Boden des Gehäuses ab und lässt nur die Öffnung-12-für den Durchgang des Neutronenflusses frei.
Der Schwä- chungskörper-13-wird nach dem erfindungsgemässen Verfahren in den Weg des schematisch durch die Pfeile-F-- angegebenen, von der Öffnung-12-zu der zu korrigierenden Linse-3-hin gerichteten Neutronenflusses gebracht. Hinter dieser Linse sind von einem Aluminiumhalter gehalten, zwei Detektoren -15 und 16-- aus Nickel und Kobalt angeordnet, um den empfangenen schnellen bzw. thermischen Fluss zu messen. Eine Kupfer-oder Goldfolie-17-- kann zwischen dem Schwä- chungskörper --13- und der Linse --3-- angeordnet sein, um durch Aktivierung eine Aufzeichnung der von jedem Punkt der Linse empfangenen Gesammeutronendosis zu erhalten und so das Gesetz der Ver- änderung des Flusses überprüfen zu können. Zu dieser Überprüfung kann ausserdem die Bestrahlung von kurzer Dauer sein.
Die Gesamtanordnung wird im Gehäuse --8-- durch einen Aluminiumkörper --18-
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gegeben wird :
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im beschriebenen Beispiel :
L = 5 cm
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gende Gleichung ausgedrückt wird :
EMI7.4
Für einen ausgeblendeten Fluss am Mittelpunkt desKollimatorbodensvonlO n/cm, sec muss die Bestrahlung im betrachteten Beispiel 7, 10' sec lang, d. h. ein wenig unter 20 h erfolgen, um eine Dosis in der Grössenordnung von 7, 1017n/cm2 zu erhalten.
Nach Beendigung der Bestrahlungsbehandlung kann man durch 24stündiges Erhitzen auf etwa 2600C die Entfärbung erreichen. Gegebenenfalls wird die thermische Entfärbung durch gleichzeitige oder nachfolgende optische Entfärbungen mittels ultraviolettem Licht vervollständigt. Die Linsen werden am Ende der Behandlung nachpoliert. Nach etwa 1monatiger Aufbewahrung zum Abklingen der Radioaktivität wird die Wellenfläche der so korrigierten Linse nach der Interferenzmethode zur Kontrolle überprüft.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Beseitigung der Abbildungsfehler von Linsen, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenmaterial einer örtlich unterschiedlichen Strahlungsdosis eines Flusses aus schweren Partikeln mit hoher Energie, die im bestrahlten Material eine Delokalisierung von Atomen bewirken, ausgesetzt wird, um örtlich unterschiedliche Brechungsindices des Materials zu erhalten, worauf die bestrahlten Linsen einer Wärmebehandlung zur Entfärbung bei einer unterhalb der zur Ausheilung des Brechungsindex (Rückführung auf seinen ursprünglichen Wert) ausreichenden Temperatur ausgesetzt werden.