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"Perfectionnements aux éléments optiques".
La présente invention se rapporte d'une manière générale à des perfectionnements aux éléments optiques et à des procédés perfectionnés pour la préparation de ces élé- ments.
La fabrication d'éléments optiques. de haute préci- sion en partant du verre est longue et pénible, et demande une main d'oeuvre hautement qualifiée. Ces éléments optiques sont généralement fabriqués en partant d'ébauches en verre qui doivent être exemptes de tous défauts, tels que les inclusions solides, les bulles, les crapauds, les plis, les stries importantes, les cordes et autres. On moule ou l'on presse les ébauches en verre à la forme voulue et on en
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usine ensuite les surfaces optiques, parpressage, roulage et polissage, pour leur donner le contour de finition vou- lu. Les opérations de moulage et de polissage ne se prêtent pas aux méthodes de fabrication en série et, pour cette raison, le prix de revient des éléments optiques de haute précision de ce genre est élevé.
La'prés'ente invention a pour l'un :le ses objets un élément optique perfectionné, susceptible d'une fabrication rapide et peu coûteuse et se prêtant aux méthodes de fabri- cation de série. A cet effet et confort ment a l'une des caractéristiques de l'invention, l'élément optique perfec- tionné comprend un élément de base, présentent une surface optiquement discontinue dont lecontour est à peu près celui de la surface optique finie de l'élément,
et une couche de revêtement liée à cette surface optiquement discontinue et présentant une face découverte à fina optique uni. comme représenté sur le dessin, l'élément de base est constitué de préférence en une matière quelconque, relativement peu coûteuse, telle que porcelaine, terre cuite, tuile non vi- trifiée, plâtre de Paris, ou tout autre matière peu côuteu- se, présentant la rigidité voulue.
Le revêtement peut être constitué en n'importe quelle matiére plastique synthétique appropriée sur laquelle il est possicle de constituer uns surface à fini optique par moulage ou coulée.
Un autre objet de l'invention consiste en un procédé perfectionné pour former un élément optique, procédé qui consiste à établir un élément de base, présentant une surface optiquement discontinu'.; dont de contour est à peu près ce- lui de la surface optique unie de l'élénent à appliquer un revêtement a la surface de cet élément de 'case et à, couler ce revêtement :le manière à le lier à l'élément :le base et à constituer sur ce revêtement une surface découverte opti-
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quement unie.
La fig. 1 est une vue en coupe d'un mode de réalisa- t ion préféré de l'invention.
La fig. 2 est une vue en coupe fragmentaire agran- die d'une partie de l'élément optique de la fig. l,mais montrant la surface formée sur l'élément de base rendue rugueuse par meulage.
La fig. 3 est une vue semblable à la fig. 2 mais montrant la surfaceformée sur l'élément debase rendue rugueuses par sablage.
La fig. 4 est une vue semblable à la fig. 2 mais montrant l'élément de base constitué en une matière poreu- se et la fig. 5 est une vue en coupe schématique montrant un procédé préféré pour l'application du revêtement à l'élément de base.
.L'élément optique 10 du dessin est représenté comme comportant une surface réfléchissante 12 sphérique concave.
La forme de cette surface peut cependant être parabolique, hyperbolique ou présenter toute autre forme ou courbure voulue. L'élément optique 10 représenté convient tout partiouliérement à servir de réflecteur dans un système de projection Schmidt mais il est évident qu'il pourrait servir comme réflecteur dans d'autres applications. Ces réflecteurs ont en général de 15 à 35 cm. de diamètre en- viron, mais peuvent, dans certains cas, atteindre 1.80 mètre dediamètre ou davantage.
L'élément optique 10 comprend un étaient .le base rigide 14, présentant une surface sphérique concave 16 qui présente approximativement le contour de la surface réfléchissante 12. L'élément de base 14 est constitué de préférence dans une matière rigide qui reste inaltérée du
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fait des variations de température usuelles auxquelles ii
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peut être soumis.
L'élément :±. e 'oa s est de préférence, quoique non né(;8ôôaÍl'8i"Sl:t, prévu en une matière peu coûteuse, susceptible d'être voulue 1:, la forme voulus.
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Ainsi l'élément de '.)."Se 14 peut être constitué en matière céramique telle que porcelaine, poterie, terre cuite, ou toute autre matière céramique, susceptible d'être coulée puis mise au feu et cuite jusqu'à prendre un état rigide stable.
L'élémer.t de base 14 peut être constitué aussi en hydrates minéraux, tels par exemple que le ciment de Portland, ou le plâtre de Paris, ou encore en métal ,ou en verre ou en pierre naturelle, comme par exemple,la
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sa90nite. :u'élé..aent de base peut êtr<3 aussi c;onsti'(1u, en une matière plastique, U¯".3i11n12, 'JJ11t!. tLlu8, remplie au moyen d'une charge, telle par exemple que l'amiante ou toute autre matière fi creuse, ou il peut encore être constitué en plâtre, ou ciment imprégné d'une matière
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plastique synthétique .
L'éléraent de base peut éj#1,îe,<ent $tre constitué en matières fi0±JU23,Qraniques natu- relles, combinées entre elles pour constituer une feuille stabilisée comme, par exemple, le I1C6lotex", la "IIIasonit311 , (fabriqués respectivement par la welotex corporation,et la Masonite corporation de Chicago, illinois. U..A.) ou en matière équivalente .
Toutes les matières que l'on a mentionnées à l'exception de la pierre naturelle telle que la saponite peuvent être moulées et coulées d'une manièrerelativement économique . par contre, les pierres naturelles doivent être découpées à forme et avoir leur suface meule.' à un contour voisin de celui de la surface optique finie 12 de l'élément, cependant le coût de cette opération est sensiblement inférieur à celui du
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meulage ou du polissage d'un élément optique en verre.
La surface concave 16 de l'élément de base 14, quoique pouvant paraître lisse à l'oeil nu, présente en fait des irrégularités ou des discontinuités optiques.
La surface 16 est couverte de préférence de très petits pores, de fentes ou de crevasses ou encore on peut la rendre légèrement rugueuse par un meulage fin, un sablage ou tout autre moyen susceptible de produire sur la surfa- ce 16 de légères irrégularités. Les matières céramiques et les hydrates minéraux sont, en général, suffisamment poreux pour assurer une adhérence satisfaisante entre l'élément de base 14 et le revêtement 18 qui fournit la surface optique finie 12 de l'élément . Dans le cas de l'élément de base en verre ou en métal au contraire, il est désirable derendre la surfacerugueuse, soit par meulage fin, sit par sablage de manière 11, assurer la présence d'un grand nombre de rainures ou de très petites cavités dans la surface concave 16.
L'élément de base 20 peut, si on le désire,avoir la forme d'une coquille ou d'un bâti portant une surface 16. de mode de construction est particulièrement indiqué lorsque l'élément de base 20 doit être léger.
Le revêtement 18 est constitué en une matière suscep- tible d'être coulée à la forme voulue et à laquelle on donne directement une surface optiquement lisse, au cours de sa formation, sans aucune opération ultérieure de po- lissage ou de surfaçage.
Les matières préférées pour le revêtement 18 sont les résines organiques, qui sont suffisamment homogènes et dures pour pouvoir être utilisées optiquement et qui peuvent être coulées ou moulées avec précision par poly- mérisation dans le moule. titre d'exemple de résines présentant ce caractère, on peut citer le méthacrylate de @ cyclohexyle, le styrène, le méthacrylate deméthyle,le
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méthacrylate de benzyle, et l'orthocl1'loiQst yréne . un a également uLonx.t:;t4 que 1.es GC'01...1 =i É:: r'r'Li i i 1 . ¯ , '.
J tJ¯r3 qu la styrène, l'orthochlorostyrèneet d'autres corps de la famille du styrène ainsi que les des acides
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"urylLill.13, et acrylinue alpha substitué et notamment des a:,i.l::; i.;éthuerylicjues, et les copolymères et do ceux-ci fournissent des matières poli- mérysables qui conviennent le dieux a, l'tw,f7u:E,ent de la couche de revêtement 18. Il doit néanmoins être expressé- ment entendu que l'invention vise toutes les matiéres qui durcissent aisément dans un moule et présentent, après durcissement, une surface optique finie lisse.
En fait, la couche 18 est très mince, del' ordre 0,127 à 0,254 mm. d'épaisseur, et son épaisseur a été fortement exagérée sur le dessin. On a. constaté, en pra- tique, qu'une matière de cette épaisseur peut aisément être coulée en place sur la surface 16 de l'élément de base sans subir de retrait et sans se fendre, ni présenter le risque de décollement en service.
Il doit être enten- du néanmoins que, grâce à un choix convenable de la ma- tière du revêtement, il est possible d'augmenter dans une mesure appréciable l'épaisseur de celui-ci. on prévoit un moule 20, de préférence en verre, ayant
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une surface convexe 22 meulée et polie à la ú1tJje fa l'rat:) que la surfaceoptique finie 12 de l'élément de moule 20 et, destinée au moulage d'un grand nombre d'éléments d'opti- que.
La dépense encourue par le meulage et le poli.; sage de la surface de moulage 22 du moule 20 se répartit normalement sur un grand nombre d'éléments optiques, fabri- qués au moyen de ce moule et, par suite, le prix de revient unitaire de chaque élément sera sensiblement réduit par rapport à celui des éléments d'optique obtenus par moulage
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et polissage de la surface de chaque élément. Il est évident cependant que l'on pourrait éventuellement utili- ser toute autre matière pour le moule, telle par exemple que du métal, susceptible d'être meulé ou poli pour fournir une surface optiquement lisse qui soit inaltérée par la température de la polymérisation.
A titre d'exemple, on mélange du méthacrylate de cyclohexyle et du méthacrylate de méthyle à l'état de monomères, en proportions à peu près égales, mais ces proportions peuvent varier dans une marge étendue sans affecter le caractère de dureté et d'uniformité de la surfacemoulée. On versealors les liquides mélangés dans la cavité formée par la surface concave 16 de l'élé- ment de base. On met en place sur l'élément de base un mou- la 20 présentant une surface convexe, unie, d'un poli optique, correspondant à la forme de la surface optique finiede l'élément, et on lelaisse s'étaler sous l'effet de son propre poids jusqu'à ce qu' il n 'y ait plus qu'une mince pellicule du mélange de monomères, entre la surface convexe 22 du moule 20 et la surface concave 16 de l'élé- ment de base 14.
La pression du moule sur le mélange, de monomères et l'effet capillaire de la matière de. base poreuse suffiront à provoquer la pénétration des monomères dans les très petits pores ou ouvertures de la surface concave de l'élément de base 14, lorsque celui-ci est constitué en matière céramique, ou en hydrates minéraux coulés tels que le ciment de Portland ou le plâtre de Paris. Or. place alors l'élément de base 14 avec le moule 20 dans un four à une température de 75 C. environ, et on réalise la polymérisation à cette température jusqu'à, ce que la pellicule ou couche de revêtement 18 soit entiè- rement polymérisée.
La polymérisation complète du revête-
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ment s'accomplit en deux heures chviron, après lesquelles on laisse refroidir l'élément de base14 avec le soûle 20 applique, et on sépare le moule 20 de l'élément de base et du revêtement qui lui est lié. Le revêtement 18 présente une surface découverte lisse, a fini optique, qui correspond à la surface convexe 22 fini optique du moule 20.
Après refroidissement convenable la l'élément opti- que 10, par exemple à la température ambiante,on place sur la surface 12 un enduit réfléchissant 24 qui peut être en argent dépose d'une manière oien connue ou encore la surface réfléchissante peut être constitués par le dépôt d'une mince couche d'aluminium évapore. L'élément optique 10 estslors prêt à l'emploi.
Dans le procédé que l'or. vient de décrire, on utilise une matière poreuse pour l'établisement d'un élément de base,mais, comme précédemment indiqué, un élément de base en verre peut être moulé économiquement et facilement avec une surface de forme voisine de celle de la surface opti- que finie de l'élément. Il est évident aussi que l'on pour- rait prévoir un élément de base métallique . Lorsqu'on uti- lise ces matières sensiblement non porouses,il est désirable au moins de rendre la surface rugueuse par un meulage fin qui assure une surface 16a ayant la caractère représenté sur la fig. 2 , parexemple .
La surface concave peut être égalemetn rendue rugueuse par sablage ou par attaque chimique, assurant la présence de petites cavités comme indiqué généralement en 16b aur la fig. 3. Après meulage, sablage, ou attaque de la surface 16a ou 16b, on. moule le revêtement 18 sur celle-ci d'une manière identique au moula ge du revêtement sur un élément debase 20 en matière céramique poreuse ou en hydrate minéral poreux,
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Il peut être avantageux dans le cas d'un élément de base poreux de rendre étanche.les surfaces de celui-ci qui sont découvertes pour éviter l'absorption d'humidité par l'élément.
On peut réaliser cette étanchéité de toute manièree appropriée, par exemple, par trempage de l'élément optique 10 dans de la paraffine fondue ou par l'applica- tion de tout autre revêtement impermé ble à l'humidité.
Au contraire, dans le cas de matières non poreuses,telles que le verre ou le métal, il est évident qu'il n'est pas nécessaire de rendre étanuhe l'élément de base 14.
On n'a représenté et décrit qu'un mode de réalisa- tion unique de l'invention, auquel il ;luit être bien en- tendu que celle-ci n'est pas limitée; c'est ainsi par exemple, qu'il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que l'élément optique suivant la présente invention peut avoir toute forme et toutes dimensions voulues;
de même la fa- brication de l'élément de base peut être effectuée par des procédés autres que lemoulage et le revêtement dela pellicule 18 peut être moulé enlace par l'utilisation de résines synthétiques en partie ou en totalité poly- mérisées, soit sous la forme de minces couches ou pelli- cules, soit par dissolution des monomères partiellement ou complètement polymérisés dans un solvant approprié et par évaporation du solvant par tout moyen approprié, en contact avec la surface 22 du moule 20. Le solvant de la solution, lorsque l'élément de base es,t en matière poreuse, peut être diffusé dans la masse poreuse de l'élément de base 14, et la pellicule ou couche 18 durcie en contact avec la surface de moulage 22 du moule 20, sans évaporation du solvant.
Revendications.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"Improvements to optical elements".
The present invention relates generally to improvements in optical elements and to improved processes for the preparation of such elements.
The manufacture of optical elements. high precision starting from glass is long and tedious, and requires highly skilled labor. These optical elements are generally made from glass blanks which must be free of any defects, such as solid inclusions, bubbles, toads, folds, large streaks, strings and the like. The glass blanks are molded or pressed into the desired shape and
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then machines the optical surfaces, by pressing, rolling and polishing, to give them the desired finishing contour. Casting and polishing operations do not lend themselves to mass production methods and, for this reason, the cost of high precision optical elements of this kind is high.
One of the objects of the present invention is an improved optical element, capable of rapid and inexpensive manufacture and suitable for mass production methods. For this purpose and comfortably one of the characteristics of the invention, the improved optical element comprises a base element, has an optically discontinuous surface the outline of which is approximately that of the finished optical surface of the element,
and a coating layer bonded to this optically discontinuous surface and having an exposed face with an optically uniform finish. as shown in the drawing, the base element is preferably made of any relatively inexpensive material, such as porcelain, terracotta, unglazed tile, plaster of Paris, or any other inexpensive material, having the desired rigidity.
The coating can be made of any suitable synthetic plastic material on which it is possible to provide an optically finished surface by molding or casting.
Another object of the invention is an improved method for forming an optical element, which method comprises establishing a base element, having an optically discontinuous surface. whose contour is roughly that of the united optical surface of the element to apply a coating to the surface of this element of 'box and to, pour this coating: the way to bind it to the element: the base and to form on this coating an optimal exposed surface
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firmly united.
Fig. 1 is a sectional view of a preferred embodiment of the invention.
Fig. 2 is an enlarged fragmentary sectional view of part of the optical element of FIG. 1, but showing the surface formed on the base member roughened by grinding.
Fig. 3 is a view similar to FIG. 2 but showing the surface formed on the base element roughened by sandblasting.
Fig. 4 is a view similar to FIG. 2 but showing the base element made of a porous material and FIG. 5 is a schematic sectional view showing a preferred method for applying the coating to the base member.
The optical element 10 of the drawing is shown as having a concave spherical reflecting surface 12.
The shape of this surface may however be parabolic, hyperbolic or have any other desired shape or curvature. The optical element 10 shown is entirely suitable for serving as a reflector in a Schmidt projection system, but it is obvious that it could serve as a reflector in other applications. These reflectors are generally 15 to 35 cm. around, but in some cases up to six feet in diameter or more.
The optical element 10 comprises a rigid base 14, having a concave spherical surface 16 which approximately presents the contour of the reflecting surface 12. The base element 14 is preferably made of a rigid material which remains unaltered.
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makes the usual temperature variations to which ii
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can be submitted.
The element: ±. e 'oa s is preferably, although not born (; 8ôôaÍl'8i "Sl: t, provided in an inexpensive material, capable of being wanted 1 :, the desired shape.
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Thus the element of '.). "Se 14 may be made of ceramic material such as porcelain, pottery, terracotta, or any other ceramic material, capable of being cast then fired and fired until it takes on a state. rigid stable.
The basic element 14 can also consist of mineral hydrates, such as, for example, Portland cement, or plaster of Paris, or even of metal, or of glass or of natural stone, such as, for example,
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sa90nite. : a basic element can be <3 also c; onsti '(1u, in a plastic material, U¯ ".3i11n12,' JJ11t !. tLlu8, filled by means of a load, such as for example that asbestos or any other fi hollow material, or it may also consist of plaster, or cement impregnated with a material
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synthetic plastic.
The basic element can also be made up of natural fi0 ± JU23, Qranic materials, combined together to form a stabilized sheet such as, for example, I1C6lotex "," IIIasonit311, ( manufactured respectively by the welotex corporation, and the Masonite corporation of Chicago, illinois. U..A.) or equivalent material.
All of the materials mentioned with the exception of natural stone such as saponite can be molded and cast in a relatively economical manner. on the other hand, natural stones must be cut to shape and have their grinding surface. ' to a contour close to that of the finished optical surface 12 of the element, however the cost of this operation is appreciably lower than that of the
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grinding or polishing of a glass optical element.
The concave surface 16 of the base element 14, although it may appear smooth to the naked eye, in fact exhibits optical irregularities or discontinuities.
The surface 16 is preferably covered with very small pores, cracks or crevices, or it can be made slightly rough by fine grinding, sanding or any other means which may produce slight irregularities on the surface 16. Ceramic materials and mineral hydrates are, in general, sufficiently porous to provide satisfactory adhesion between the base member 14 and the coating 18 which provides the finished optical surface 12 of the member. In the case of the base element made of glass or metal, on the contrary, it is desirable to make the surface rough, either by fine grinding, or by sandblasting so as to ensure the presence of a large number of grooves or very small ones. cavities in the concave surface 16.
The base member 20 may, if desired, be in the form of a shell or a frame carrying a surface 16. The construction mode is particularly suitable when the base member 20 is to be light.
The coating 18 is made of a material capable of being cast into the desired shape and to which an optically smooth surface is directly given during its formation without any subsequent polishing or surfacing.
The preferred materials for coating 18 are organic resins, which are sufficiently homogeneous and hard to be usable optically and which can be accurately cast or molded by in-mold polymerization. By way of example of resins having this character, mention may be made of cyclohexyl methacrylate, styrene, demethyl methacrylate,
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benzyl methacrylate, and orthocl1'loiQst yrene. un also uLonx.t:; t4 que 1.es GC'01 ... 1 = i É :: r'r'Li i i 1. ¯, '.
J tJ¯r3 qu styrene, orthochlorostyrene and other bodies of the styrene family as well as acids
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"urylLill.13, and substituted alpha acrylic and especially a :, il ::; i.; ethuerylicjues, and the copolymers and these provide polimerysable materials which are suitable for the a, l'tw, f7u: E, ent of the coating layer 18. It should nevertheless be expressly understood that the invention is directed to all materials which harden easily in a mold and exhibit, after curing, a smooth finished optical surface.
In fact, the layer 18 is very thin, in the order of 0.127 to 0.254 mm. thick, and its thickness has been greatly exaggerated in the drawing. We have. found, in practice, that a material of this thickness can easily be cast in place on the surface 16 of the base element without undergoing shrinkage and without splitting, nor presenting the risk of detachment in service.
It should be understood, however, that, by means of a suitable choice of the material of the coating, it is possible to increase the thickness of the latter to an appreciable extent. a mold 20 is provided, preferably of glass, having
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a convex surface 22 ground and polished to the ú1tJje fa l'rat :) as the finished optical surface 12 of the mold element 20 and, intended for the molding of a large number of optical elements.
The expense of grinding and polishing .; However, the molding surface 22 of the mold 20 is normally distributed over a large number of optical elements, manufactured by means of this mold and, consequently, the unit cost price of each element will be appreciably reduced compared to that. optical elements obtained by molding
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and polishing the surface of each element. It is obvious, however, that one could possibly use any other material for the mold, such as, for example, metal, capable of being ground or polished to provide an optically smooth surface which is unaffected by the temperature of the polymerization.
For example, cyclohexyl methacrylate and methyl methacrylate are mixed in the form of monomers, in approximately equal proportions, but these proportions can vary within a wide range without affecting the character of hardness and uniformity. of the molded surface. The mixed liquids are then poured into the cavity formed by the concave surface 16 of the base member. A mold 20 having a convex, smooth, optically polished surface corresponding to the shape of the finished optical surface of the member is placed on the base member and allowed to spread beneath the base. effect of its own weight until there is only a thin film of the mixture of monomers between the convex surface 22 of the mold 20 and the concave surface 16 of the base member 14.
The pressure of the mold on the mixture of monomers and the capillary effect of the material. porous base will suffice to cause the penetration of the monomers into the very small pores or openings of the concave surface of the base element 14, when the latter is made of ceramic material, or of cast mineral hydrates such as Portland cement or plaster of Paris. Or. Then places the base element 14 with the mold 20 in an oven at a temperature of about 75 ° C., and the polymerization is carried out at this temperature until the film or coating layer 18 is complete. recently polymerized.
Complete polymerization of the coating
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This is accomplished in about two hours, after which the base member 14 is allowed to cool with the base 20 applied, and the mold 20 is separated from the base member and the coating attached to it. Coating 18 has a smooth, optically finished exposed surface which matches the optically finished convex surface 22 of mold 20.
After suitable cooling of the optical element 10, for example to room temperature, a reflective coating 24 is placed on the surface 12 which may be of silver deposited in a known manner or alternatively the reflective surface may consist of the deposition of a thin layer of aluminum evaporates. The optical element 10 is then ready for use.
In the process that gold. just described, a porous material is used for the establishment of a base element, but, as previously indicated, a glass base element can be economically and easily molded with a surface of similar shape to that of the optimal surface. - that the element is finished. It is also evident that a metallic base element could be provided. When using these substantially non-porous materials, it is desirable at least to roughen the surface by fine grinding which provides a surface 16a having the character shown in FIG. 2, for example.
The concave surface can also be roughened by sandblasting or by chemical attack, ensuring the presence of small cavities as generally indicated at 16b in fig. 3. After grinding, sandblasting, or etching the surface 16a or 16b, one. molds the coating 18 thereon in an identical manner to the molding of the coating on a base member 20 of porous ceramic material or of porous mineral hydrate,
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It may be advantageous in the case of a porous base element to seal the surfaces thereof which are exposed to prevent moisture absorption by the element.
This seal can be achieved in any suitable manner, for example, by dipping the optical element 10 in molten paraffin or by applying any other moisture impervious coating.
On the contrary, in the case of non-porous materials, such as glass or metal, it is obvious that it is not necessary to make the base element 14 waterproof.
Only one embodiment of the invention has been shown and described, to which it should be understood that the latter is not limited; it is thus, for example, that it will become clear to those skilled in the art that the optical element according to the present invention can have any desired shape and all dimensions;
likewise the manufacture of the base element can be effected by methods other than molding and the coating of the film 18 can be molded into it by the use of partially or wholly polymerized synthetic resins, either under the coating. forms thin layers or films, either by dissolving the partially or completely polymerized monomers in a suitable solvent and by evaporating the solvent by any suitable means, in contact with the surface 22 of the mold 20. The solvent of the solution, when l The base element is made of porous material, can be diffused into the porous mass of the base element 14, and the film or layer 18 cured in contact with the molding surface 22 of the mold 20, without evaporation of the solvent.
Claims.
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