Procédé pour la production de lentilles, miroirs et autres éléments optiques à haute précision optique. La présente invention a pour objet un pro cédé pour la production de lentilles, miroirs et autres éléments optiques à haute précision optique qui se distinguent des lentilles ordi naires pour postes lumineux avertisseurs, si gnaux de trafic et phares d'automobiles par leur qualité supérieure au point de vue opti que.
Des lentilles ou éléments optiques du genre précité à haute précision optique, tels que. par exemple, les lentilles asphériques, miroirs, prismes, etc., susceptibles d'éviter des aberrations sphériques et autres (à l'exception de celles chromatiques) et de pourvoir, d'au tre part. à une capacité optique standard avec un seul membre composant, étaient soit très coûteux à fabriquer ou, dans le cas d'éléments optiques zonaux, tels que ceux du type Fresnel, leur production a été impossible ou du moins prohibitive au point de vue du coût.
Il est en pratique impossible d'ajuster les zones séparées desdits .éléments optiques zonaux ou de maintenir leurs ajustements de manière que leurs axes ou surfaces soient si tués exactement dans l'axe ou plan optique du système.
Dans le brevet anglais no 416398, on a décrit un procédé pour la fabrication de len tilles et autres éléments optiques de préci sion à partir de ce qui est appelé verre "plastique", par moulage de ce dernier et par pression à chaud à des températures. modérées entre des matrices dont les faces actives sont optiquement polies.
Dans ce genre de fabrica tion, les courbures définitives des surfaces des lentilles ou autres éléments optiques ne coïn cident pas absolument exactement, à des tem pératures ordinaires, avec celles des matrices optiques employées pour le moulage, étant donné que les "surfaces de la matrice et de l'élément-en verre plastique moulé se refroi dissent plus rapidement que les portions inté rieures de l'élément en verre plastique moulé.
Par conséquent, il est impossible de produire avec ce procédé un élément optique en verre plastique qui, tout en ayant un grand angle d'ouverture, est d'une haute précision optique.
Le procédé faisant l'objet de l'invention, dans lequel du verre "plastique" est pressé entre des matrices optiquement polies, résout le problème indiqué. A cet effet, ce procédé est caractérisé en ce que pour produire un élé ment optique à face au moins sensiblement sphérique, on donne à la.
matrice la forme sphérique correspondant approximativement à celle que doit recevoir l'élément optique à fa briquer, après quoi on établit au moins un élé ment optique par moulage au moyen de cette matrice et détermine le degré dont cet élé ment optique varie de la forme exacte re quise, par une méthode d'essayage interféro- métrique, pour ensuite corriger la. matrice d'une manière correspondante par un polis sage local de celle-ci qui permet alors de pro duire des éléments optiques de la forme exacte requise.
Pour produire, d'après le procédé suivant l'invention, une lentille asphérique ayant une courbure de surface prédéterminée, on peut s'y prendre, par exemple, comme suit: Le verre plastique est moulé d'une ma nière connue, par exemple comme indiqué au brevet anglais susmentionné. En ce qui con cerne la matrice, on lui donne d'abord une surface a sphérique, prédéterminée approxima tivement correcte, à l'aide d'un instrument vérificateur tel que, par exemple, une jauge qui permet de réaliser une précision de l'or dre de seulement 0,025 mm ou au mieux de 0,0025 mm.
Ensuite, une ou plusieurs lentilles préliminaires sont moulées dans la matrice après quoi on détermine le degré de correc tion de cette ou ces lentilles par rapport à la courbure asphérique exacte requise, par des méthodes d'essayage interférométriques et on effectue un polissage local correspon dant de la surface de matrice jusqu'à ce qu'elle présente la forme optique exacte re quise permettant alors de produire des len tilles à surface asphérique exacte.
Il est évi dent que le mode de procédé tel que décrit ci-dessus permet de réaliser, grâce au polis- sage local de la matrice déterminé par une comparaison interférométrique, une précision approchant la limite de tolérance Raleigh de )/4.
Le procédé suivant l'invention permet de produire une lentille exactement sphérique ayant un angle d'ouverture relativement grand et une haute précision optique. A cet effet, on peut procéder, par exemple, de la façon suivante:
On effectue le moulage du verre plastique de la manière sus-indiquée et compense les effets de température non-uniformes en don- nant d'abord à la matrice une forme exacte ment sphérique, après quoi on établit une ou plusieurs lentilles préliminaires, détermine par des méthodes d'essayage interférométriques le degré de déviation ou correction de cette ou ces lentilles par rapport à la courbure sphérique exacte requise et effectue alors un polissage local de la matrice conformément au degré de déviation ou correction trouvé, pour ensuite produire, par moulage,
des lentilles à grand angle d'ouverture et d'une forme exac tement sphérique.
Dans le cas d'éléments optiques zonaux, tels que ceux du type Fresnel, la matrice peut être établie, dans un mode d'exécution particulier du procédé, au moyen de plusieurs portions de dimensions latérales appropriées, longitudinalement relativement déplaçables, maintenues au déplacement longitudinal rela tif requis pendant le moulage par pression à chaud du verre plastique, afin de donner par là. à celui-ci la forme requise type Fresnel ou autre.
Les portions de la matrice peuvent être établies initialement toutes à la même longueur et pendant qu'elles sont. uniformé ment assemblées. une face de l'ensemble ainsi formé peut recevoir la forme élémentaire opti- quement exacte, sphérique ou autre régulière, et être corrigée d'après un essayage interféro- métrique d'un élément moulé avec cette ma- trice. Ensuite,
lesdites portions peuvent être relativement déplacées longitudinalement les unes par rapport aux autres de la quantité re quise pour réaliser la relation de surface de moulage étagée pour une lentille Fresnel ou autre élément optique de ce genre.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exem ples, deux modes d'exécution du procédé sui vant l'invention.
La fig. 1 est une section diamétrale d'une lentille du type Fresnel à une échelle exagé rément grande pour faciliter l'explication de l'invention; La fig. 2 -est une section similaire d'une matrice composite au moyen de laquelle la lentille Fresnel de la fig. 1 a été moulée;
La fig. 3 est une coupe similaire illustrant la manière de confectionner ladite matrice composite; La fig. 4 est une section similaire mon trant une lentille asphérique ou sphérique cor rigée ainsi qu'une matrice servant à son mou lage.
En se référant aux fig. 1, 2 et 3, on re marquera que la lentille montrée en fig. 1 est faite en verre "plastique" moulé par pression à chaud entre une matrice inférieure (non représentée) et une matrice supérieure repré sentée à la fig. 2, laquelle est confectionnée de la. manière décrite ci-après et comme re présenté à la fig. 3.
Pour une lentille Fresnel à trois zones, par exemple, ladite matrice su périeure comprend trois portions, à savoir un noyau ou cylindre central 1, de section circu laire, une portion tubulaire 2 entourant join- tivement le noyau 1 et une portion tubulaire extérieure 3 entourant jointivement la portion tubulaire intermédiaire 2. Bien entendu, il peut y avoir plus de deux portions tubulaires de ce genre suivant le nombre de zones que la lentille doit avoir. Les portions ou sections 1, 2 et 3 peuvent être en fer ou en acier adouci.
Au début, les sections 1, 2 et 3 ont leurs extrémités supérieures à fleur les unes des autres, mais pour confectionner la matrice au son ébauche, lesdites extrémités seront ajus tées à la position étagée de la fig. 3, celle-ci dépendant du degré d'étagement relatif que doivent avoir les. différentes zones de la len tille Fresnel (fig. 1). A cet effet, les trois sections 1, 2 et 3 auront initialement toutes la même longueur, étant ensuite tronquées ou coupées convenablement à leur extrémité su périeure pour présenter la forme en gradin requise.
Les trois sections sont alors assem blées de façon que leurs extrémités inférieures se trouvent dans le plan indiqué par la ligne 4 à la fig. 3. Dans cette position, les trois sections 1, 2 et 3 peuvent être rigidement fixées en position au moyen d'une cale 5 enfi lée dans des trous appropriés pratiqués dans lesdites sections et retenant l'ensemble des sections immuablement dans la position repré sentée à la fig. 3.
La face inférieure de l'é bauche de matrice ainsi établie est ensuite., comme on l'a fait remarquer ci-dessus, corri gée par un polissage local après moulage d'un élément optique et .détermination du degré dont cet élément varie de la forme requise, par une méthode d'essayage interféromé- trique, de façon à réaliser une surface concave exactement sphérique, hautement polie, comme il est décrit plus loin en regard de la fi-. 4.
La cale 5 peut alors être retirée et l'en semble des sections 1, 2 et 3 sera retourné sens dessus dessous et posé sur une surface plane, de sorte que les extrémités auparavant supérieures des sections viendront toutes se trouver alignées sur cette surface plane. alors que la formation étagée en gradin apparaî tra aux surfaces concaves sphéro-partielles aux extrémités opposées. Dans cette position relative des sections, celles-ci seront calées par la cale précitée introduite en 5a dans un autre jeu de trous pratiqués dans les sections (fig. 2).
Les sections 1, 2 et 3 ainsi ver rouillées dans leur position relative consti tuent alors la véritable forme ou matrice de moulage pour la pression à chaud de la len tille Fresnel représentée à, la fig. 1.
On comprend que l'étendue de la, zone en gradin de la lentille Fresnel peut être réalisée par d'autres manières que celle décrite en re gard des fig. ,2 et<B>3,</B> l'essentiel étant que les différentes portions ou sections de la matrice composite puissent être fixées dans leurs posi tions relatives requises. Ainsi, à titre d'exem ple élémentaire, les sections peuvent être en.
prise par filetage les unes avec les autres, pour pouvoir être déplacées longitudinale ment les unes par rapport aux autres, alors qu'elles seraient verrouillables contre toute rotation relative par des chevilles disposées pour être insérées dans des trous longitudi naux des sections.
Il faudra bien veiller à ce que le centre de courbure de la surface sphérique de l'é bauche de matrice soit situé dans l'axe géo métrique du noyau central 1 et des sections tubulaires 2, 3, mais on peut prouver théori quement que le degré d'exactitude requis à. ce point de vue est bien moindre que l'exacti- i.ude requise au point de vue de l'alignement. des axes des différentes zones, cette exacti tude étant obtenue facilement et automatique ment par le mode de confection décrit de la matrice.
La fig. 4 montre, à titre d'exemple, en 6. une simple lentille plan-convexe et en 7 l'une des deux matrices servant à la formation de cette lentille, la contre-matrice n'étant pas re présentée. Bien entendu, la lentille et la. ma trice peuvent être du type de celles des fig. 1 et 5.
La lentille 6 représentée est supposée avoir une face supérieure exactement sphé rique, tandis que la face conformatrice opti- quement polie 8 de la matrice est supposée être asphérique, comme cela est indiqué avec exagération par les parties noircies 9, ou bien la lentille peut être supposée comme étant asphérique. Ainsi, les parties noircies 9 re présentent la portion de la surface de matrice enlevée par polissage, de façon à pourvoir, comme résultat final,
à une surface supérieure vraiment sphérique sur la lentille 6, ou bien lesdites parties noircies 9 peuvent représen ter la différence entre la vraie surface sphé rique telle qu'elle est supposée être indiquée par la face supérieure de la lentille 6 dans la figure, et la surface asphérique que la len tille doit avoir, auquel cas la surface 8 de la matrice aura, bien entendu, approximative ment cette forme asphérique, corrigée égale ment, si on le désire, au point de vue d'ef fets de refroidissement non-uniformes.
Dans ce mode d'exécution, la lentille 6 par exemple, qui a été moulée au moyen rie surfaces de matrice sphériques suivant un pro cédé déterminé, est monté dans un interféro mètre d'essayage de lentille tel que celai de Tv#yman et Green qui est décrit, par exem ple dans le brevet anglais no 1302?4 ou dans le livre "Application of Interferometry", Ilfethuen & Co Ltd., 36, Essex Street, Londres, et les déformations de la partie frontale d'onde à partir de sa forme idéale seront en registrées ou déterminées.
Si, dans une région ou zone donnée de la lentille, l'erreur obser vée est de X longueurs d'onde de lumière, la correction t requise dans la surface de len tille sera donnée par la formule: 2t (,u-1) = X, où ,u désigne l'index réfractaire du ma tériel. Comme les corrections usuellement re quises sont seulement de l'ordre de peu de longueurs d'onde de lumière, il est souvent suffisamment exact d'écrire t = X.
Si, alors, la matrice est montée à la ma nière d'un miroir de l'interféromètre d'es sayage de lentille précité et est parfaitement sphérique, on n'observera pas de franges. Une déformation locale de y unités de longueur d'onde produira un déplacement de franges de 2 y franges. Il en résulte qu'il est seulement nécessaire de polir localement la matrice op tique jusqu'à ce qu'elle donne en essayage interférométrique la moitié du nombre de
bandes données par la lentille originale mou lée au moyen de matrices sphériques. La cor rection doit évidemment avoir lieu dans le sens opposé.
Process for the production of lenses, mirrors and other optical elements with high optical precision. The present invention relates to a process for the production of lenses, mirrors and other optical elements with high optical precision which differ from ordinary lenses for warning light stations, traffic signals and automobile headlights by their superior quality. optical point of view.
Lenses or optical elements of the aforementioned type with high optical precision, such as. for example, aspherical lenses, mirrors, prisms, etc., capable of avoiding spherical and other aberrations (with the exception of chromatic ones) and of providing, on the other hand. to standard optical capability with a single component member, were either very expensive to manufacture or, in the case of zonal optical elements, such as those of the Fresnel type, their production was impossible or at least cost prohibitive. .
It is in practice impossible to adjust the separate areas of said zonal optical elements or to maintain their adjustments so that their axes or surfaces are so killed exactly in the axis or optical plane of the system.
In British Patent No. 416398, a process has been described for the manufacture of lenses and other precision optical elements from what is called "plastic" glass, by molding the latter and by hot pressing at temperatures. . moderate between matrices whose active faces are optically polished.
In this type of manufacture, the final curvatures of the surfaces of the lenses or other optical elements do not coincide absolutely exactly, at ordinary temperatures, with those of the optical matrices used for the molding, since the surfaces of the matrix and the molded plastic glass element cools more quickly than the interior portions of the molded plastic glass element.
Therefore, it is impossible to produce with this method a plastic glass optical element which, while having a large aperture angle, is of high optical precision.
The method object of the invention, in which "plastic" glass is pressed between optically polished dies, solves the stated problem. To this end, this process is characterized in that in order to produce an optical element with an at least substantially spherical face, the.
die the spherical shape corresponding approximately to that which the optical element to be manufactured is to receive, after which at least one optical element is established by molding by means of this die and the degree by which this optical element varies from the exact shape is determined required, by an interferometric test method, to then correct the. matrix in a corresponding manner by local polishing thereof which then makes it possible to produce optical elements of the exact shape required.
To produce, according to the process according to the invention, an aspherical lens having a predetermined surface curvature, one can do, for example, as follows: The plastic glass is molded in a known manner, for example as indicated in the aforementioned British patent. As far as the matrix is concerned, it is first given a spherical surface, predetermined approximately correct, using a verifying instrument such as, for example, a gauge which makes it possible to achieve a precision of the only 0.025 mm or at best 0.0025 mm.
Next, one or more preliminary lenses are molded into the die after which the degree of correction of this or these lens (s) with respect to the exact aspherical curvature required is determined by interferometric test methods and a corresponding local polishing is carried out. of the die surface until it has the exact optical shape required to produce lenses with an exact aspherical surface.
It is evident that the method of the method as described above makes it possible to achieve, by virtue of the local polishing of the matrix determined by an interferometric comparison, a precision approaching the Raleigh tolerance limit of) / 4.
The method according to the invention makes it possible to produce an exactly spherical lens having a relatively large opening angle and high optical precision. For this purpose, one can proceed, for example, in the following way:
The molding of the plastic glass is carried out in the above-mentioned manner and compensates for the non-uniform temperature effects by first giving the matrix an exact spherical shape, after which one or more preliminary lenses are established, determined by interferometric test methods the degree of deviation or correction of this or these lens (s) with respect to the exact spherical curvature required and then performs a local polishing of the die in accordance with the degree of deviation or correction found, to then produce, by molding,
lenses with a wide aperture angle and an exactly spherical shape.
In the case of zonal optical elements, such as those of the Fresnel type, the matrix can be established, in a particular embodiment of the method, by means of several portions of suitable lateral dimensions, longitudinally relatively movable, maintained in longitudinal displacement. rela tive required during hot pressure molding of plastic glass, in order to give thereby. to this one the required form Fresnel type or other.
Portions of the die can be initially set all the same length and as they are. uniformly assembled. one face of the assembly thus formed can receive the optically exact elementary shape, spherical or other regular, and be corrected according to an interferometric fitting of an element molded with this matrix. Then,
said portions may be relatively displaced longitudinally with respect to each other by the amount required to achieve the stepped molding surface relationship for a Fresnel lens or other such optical element.
The appended drawing illustrates, by way of example, two embodiments of the method according to the invention.
Fig. 1 is a diametral section of a Fresnel type lens on an exaggeratedly large scale to facilitate the explanation of the invention; Fig. 2 -is a similar section of a composite matrix by means of which the Fresnel lens of FIG. 1 was cast;
Fig. 3 is a similar section illustrating the manner of making said composite matrix; Fig. 4 is a similar section showing an aspherical or spherical corrected lens as well as a matrix used for its mooring.
Referring to Figs. 1, 2 and 3, it will be noted that the lens shown in fig. 1 is made of "plastic" glass molded by hot pressure between a lower die (not shown) and an upper die shown in FIG. 2, which is made from. manner described below and as shown in FIG. 3.
For a Fresnel lens with three zones, for example, said upper matrix comprises three portions, namely a core or central cylinder 1, of circular section, a tubular portion 2 jointly surrounding the core 1 and an outer tubular portion 3. adjoining the intermediate tubular portion 2. Of course, there may be more than two such tubular portions depending on the number of zones that the lens must have. Portions or sections 1, 2 and 3 can be iron or softened steel.
At the start, sections 1, 2 and 3 have their upper ends flush with each other, but to make the die to its rough shape, said ends will be adjusted to the stepped position of fig. 3, the latter depending on the relative degree of staging that the. different areas of the Fresnel lens (fig. 1). To this end, the three sections 1, 2 and 3 will initially all have the same length, then being truncated or cut appropriately at their upper end to present the required stepped shape.
The three sections are then assembled so that their lower ends are in the plane indicated by line 4 in fig. 3. In this position, the three sections 1, 2 and 3 can be rigidly fixed in position by means of a wedge 5 threaded into suitable holes made in said sections and retaining all the sections immutably in the position shown. in fig. 3.
The lower face of the die blank thus established is then., As noted above, corrected by local polishing after molding an optical element and determining the degree to which this element varies from the required shape, by an interferometric test method, so as to achieve an exactly spherical, highly polished concave surface, as described below with reference to fig. 4.
The wedge 5 can then be removed and the set of sections 1, 2 and 3 will be turned upside down and placed on a flat surface, so that the previously upper ends of the sections will all be aligned on this flat surface. while the stepped stepped formation will appear at sphero-partial concave surfaces at opposite ends. In this relative position of the sections, they will be wedged by the aforementioned wedge introduced at 5a in another set of holes made in the sections (fig. 2).
The sections 1, 2 and 3 thus rusted in their relative position then constitute the true form or molding die for the hot pressing of the Fresnel lens shown in, FIG. 1.
It will be understood that the extent of the stepped zone of the Fresnel lens can be achieved by other ways than that described with reference to FIGS. , 2 and <B> 3, </B> the main thing being that the different portions or sections of the composite matrix can be fixed in their required relative positions. Thus, as a basic example, the sections can be in.
threaded with each other, so that they can be moved longitudinally relative to each other, while they would be lockable against any relative rotation by dowels arranged to be inserted into longitudinal holes of the sections.
Care must be taken to ensure that the center of curvature of the spherical surface of the die blank is located in the geometrical axis of the central core 1 and of the tubular sections 2, 3, but it can be proved theoretically that the degree of accuracy required at. this point of view is much less than the accuracy required from the point of view of alignment. of the axes of the different zones, this exacti tude being obtained easily and automatically by the described method of making the matrix.
Fig. 4 shows, by way of example, at 6 a simple plano-convex lens and at 7 one of the two matrices used to form this lens, the counter-matrix not being shown. Of course, the lens and the. my trice can be of the type of those in figs. 1 and 5.
The lens 6 shown is assumed to have an exactly spherical top face, while the optically polished shaping face 8 of the die is assumed to be aspherical, as exaggerated by the blackened portions 9, or the lens may be. assumed to be aspherical. Thus, the blackened parts 9 re show the portion of the die surface removed by polishing, so as to provide, as a final result,
to a truly spherical upper surface on the lens 6, or else said blackened portions 9 may represent the difference between the true spherical surface as supposed to be indicated by the upper face of the lens 6 in the figure, and the aspherical surface which the lens must have, in which case the surface 8 of the matrix will, of course, have approximately that aspherical shape, corrected also, if desired, for non-uniform cooling ef fects .
In this embodiment, the lens 6 for example, which has been molded by means of spherical matrix surfaces according to a determined process, is mounted in a lens try-in interferometer such as that of Tv # yman and Green. which is described, for example in UK Patent No. 1302? 4 or in the book "Application of Interferometry", Ilfethuen & Co Ltd., 36, Essex Street, London, and the deformations of the wave front part from of its ideal shape will be recorded or determined.
If, in a given region or zone of the lens, the observed error is X wavelengths of light, the correction t required in the lens surface will be given by the formula: 2t (, u-1) = X, where, u denotes the refractory index of the material. As the corrections usually required are only of the order of a few wavelengths of light, it is often sufficiently accurate to write t = X.
If, then, the matrix is mounted in the manner of a mirror of the aforementioned lens testing interferometer and is perfectly spherical, no fringes will be observed. A local deformation of y wavelength units will produce a fringe displacement of 2 y fringes. It follows that it is only necessary to locally polish the optical matrix until it gives in interferometric try-in half the number of
bands given by the original lens softened by means of spherical matrices. The correction must obviously take place in the opposite direction.