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PATENTANSPRÜCHE
1. Optisches Bauelement mit Fassung, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung aus faserverstärktem Verbundwerkstoff besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient demjenigen des optischen Bauelements entspricht, tind dass die Fassung mit dem optischen Bauelement formschlüssig verbunden ist.
2. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff aus mit Kohlefasern verstärktem Kunststoff besteht.
3. Optisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlefasern eine durchschnittliche Länge von 0,1 bis 0,5, vorzugsweise von 0,1 bis 0,2 mm aufweisen und dass ihr Gewichtsanteil im Verbundmaterial zwischen 20 und 45%, vorzugsweise etwa 30% beträgt.
4. Optisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff aus kohlefasergefülltem Polyetherimid besteht.
5. Verfahren zur Herstellung eines Körpers, bestehend aus optischem Bauelement und Fassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement auf die optisch wirksame Oberfläche in einer Spritzgussform eingelegt wird, welche die äusseren Abmessungen der Fassung bestimmt, und dass das optische Bauelement in einem Arbeitsgang mit dem Verbundwerkstoff umspritzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil vor dem Umspritzen auf die Verarbeitungstemperatur des Verbundwerkstoffs vorgewärmt wird.
Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement mit Fassung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers.
Optische Bauelemente, wie Linsen oder Prismen, stellen selbst hochempfindliche Bauteile dar, die entsprechend geschützt und gesichert in optischen Geräten zu lagern sind.
Zu diesem Zweck sind verschiedenartige Fassungen bekannt, deren Aufgabe einerseits darin besteht, dass empfindliche optische Bauelement gegen äussere Einflüsse, wie Stösse, zu schützen, und andererseits eine einfache und sichere Befestigung des Bauelements innerhalb des Gerätes zu ermöglichen.
Aus der DD-PS 159308 ist es bekannt, das optische Bauteil in einer separaten Metallfassung mit Hilfe eines Klebers zu befestigen. Dabei stellt der Kleber nicht nur die eigentliche Befestigung des optischen Bauteils in der Fassung dar, sondern er dient auch zur Kompensation von mechanischen Spannungen, welche als Folge von thermischen Belastungen zwischen beiden Teilen auftreten können. Ursache solcher Spannungen sind unterschiedliche Temperaturkoeffizienten der beiden Teile. Zur Herstellung derartig gefasster Teile ist es aus der DE-PS 32 11 867 bekannt, das optische Bauelement zunächst mit Hilfe eines Justierwerkzeugs innerhalb der Fassung auszurichten und anschliessend die Klebeverbindung vorzunehmen. Danach muss das Klebematerial längere Zeit aushärten.
Erst nach dem Aushärten kann in einem weiteren Arbeitsgang das Justierwerkzeug entfernt werden.
Der Nachteil der bekannten Fassung sowie des bekannten Herstellungsverfahrens liegt in dem aufwendigen, mehrstufigen Vorgehen bei der Herstellung, wie dies durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien (Glas und Metall) bedingt ist. Ausserdem ist die bekannte elastische Lagerung des optischen Bauelementes mit Hilfe eines Klebers häufig nicht genügend alterungsbeständig, so dass sich das Bauelement aus seiner Soll-Lage entfernt und damit zu optischen Abweichungen führt, die insbesondere bei Präzisionsgeräten unzulässig sind. Die dann erforderlichen Nachjustierungen am Gerät sind zeit- und kostenaufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Bauelement mit Fassung sowie ein Herstellungsverfahren zu schaffen, mit denen die genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll sich das Teil einfach und kostengünstig herstellen lassen und die Masshaltigkeit des optischen Bauelementes gegenüber der Fassung auch über längere Zeit gewährleistet sein, so dass keine Nachstellungen an optischen Geräten aufgrund mangelnder Masshaltigkeit mehr erforderlich sind.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 5 definierte Erfindung gelöst.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung und des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens besteht in der besonders grossen Masshaltigkeit und Spannungsfreiheit des optischen Bauelementes in der Fassung sowie in der Möglichkeit, das Teil in einem einzigen Arbeitsgang herzustellen.
Anstelle einer separaten Fassung, in welcher das optische Bauelement bisher elastisch gelagert werden musste, erfüllt die erfindungsgemässe angeformte Fassung gleichzeitig die Funktion einer Fassung und eines Klebers. Eine elastische Lagerung des optischen Bauelementes in der Fassung entfällt. Trotzdem ist das optische Bauelement in der Fassung stets kräftefrei in der gewünschten Position fixiert, so dass Deformationen der optisch aktiven Fläche und als Folge davon Abbildungsfehler vermieden werden. Die hohe Masshaltigkeit wirkt sich besonders vorteilhaft bei hochpräzisen Geräten aus sowie bei Linsensystemen, bei denen die Fassungen ohne Zwischenlage von Justierringen direkt aneinander montiert werden können.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Schnittdarstellung einer mit einer Fassung umspritzten Linse,
Fig. 2 die Schnittdarstellung eines mit einer Fassung umspritzten Prismas,
Fig. 3 die Schnittdarstellung eines Linsensystems mit zwei direkt aneinander anliegenden Linsenfassungen, und
Fig. 4 die Schnittdarstellung einer Spritzform mit eingelegtem optischen Bauelement, a) in geschlossenem und b) in geöffnetem Zustand.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Bauteil besteht aus einer optischen Linse 1 und einer angespritzten Fassung 2.
Die Fassung ist in den äusseren Randbereichen der Linse 1, die optisch nicht genutzt werden, kraft- und formschlüssig mit dem Linsenkörper verbunden. Die Fassung 2 ist im Beispiel mit einem äusseren Passring 3 versehen, mit dessen Hilfe das Teil in einem optischen Gerät positionsgenau montiert werden kann.
Die Fassung 2 besteht aus einem Verbundmaterial, welches den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Glas des optischen Bauelementes, im Beispiel der Linse 1. Das Verbundmaterial besteht im bevorzugten Ausführungsbeispiel aus einem härtbaren Kunststoff, der mit Kohlefasern angereichert ist. Als Kunststoff lässt sich für den vorliegenden Zweck beispielsweise Kohlefaser-gefülltes Polyetherimid verwenden. Die Kohlefasern haben im Beispiel eine Länge von 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,1 bis 0,2 mm. Ihr Gewichtsanteil im Verbund beträgt zwischen 20 und 45%, vorzugsweise ca. 30%.
Der Ausdehnungskoeffizient des im Beispiel verwendeten Glases beträgt 7,0 x 104/K. Der Ausdehnungskoeffizient des verwendeten Kunststoffes ohne Faserverstärkung beträgt
60 x 10-6/K. Er ist also wesentlich grösser als derjenige des Glases, weshalb sich der Kunststoff nicht ohne weiteres als Fassungsmaterial eignen würde. Überraschenderweise hat sich jedoch erwiesen, dass sich im Verbundmaterial durch geeignete Wahl der oben spezifizierten Faseranteile im Kunststoff der Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials im ausgehärteten Zustand derart einstellen lässt, dass er genau demjenigen des verwendeten optischen Glases entspricht. Vorteilhafterweise weist das Verbundmaterial ausserdem einen sehr geringen Feuchtigkeitskoeffizienten auf, der im Beispiel kleiner ist als 0,1%. Dies bedeutet, dass die Fassung auch besonders feuchtigkeitsstabil ist.
Ausser den erwähnten Kohlefasern eignen sich auch andere, ähnliche Fasermaterialien für den vorliegenden Verwendungszweck, z.B. Aramidfasern, Borfasern oder dergl.
Fig. 2 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel ein optisches Prisma 4 in einer angeformten Prismenfassung 5. Auch in diesem Beispiel sind die optisch aktiven Flächen des Prismas, nämlich die innere Reflexionsfläche 6, sowie die Einlassbzw. Auslassflächen 7, 8 vom Fassungsmaterial freigehalten.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Linsensystem, bestehend aus einer ersten Linse 10 mit angeformter Fassung 11, und einer gekitteten Linse 12a, 12b mit angeformter Fassung 13. Auch die gekittete Linse 12a, 12b ist also mit einer einzigen angeformten Fassung versehen. Die Passflächen zwischen den Fassungen 11 und 13 sind masshaltig, so dass keine weiteren Pass- oder Justiermittel dazwischen erforderlich sind.
Fig. 4 zeigt die Vorrichtung für die Herstellung eines optischen Bauelementes mit angeformter Fassung. Eine Linse 20 liegt in einer Spritzform 21, welche mit ihren Kanten 22 und 23 den Fassungsbereich abdichtet, so dass kein Fassungsmaterial auf die optisch aktiven Oberflächen der Linse gelangen kann. Die Spritzform 21 ist mit einer Einspritzöffnung 24 sowie einer Entlüftungsöffnung 25 versehen.
Das Herstellungsverfahren besteht aus dem Einlegen und Fixieren des optischen Bauelementes, im Beispiel der Linse 20, in die Form 21 sowie aus dem Einspritzen des Verbundmaterials durch die Einspritzung 24. Die Verarbeitungstemperatur des Verbundmaterials beträgt im Beispiel ca. 370 bis 390 Grad Celsius. Um ein einwandfreies Haften des Verbundmaterials am Glas zu gewährleisten, wird das Glas vor dem Einlegen in die Spritzform oder aber innerhalb der Form etwa auf die Verarbeitungstemperatur des Verbundwerkstoffs vorgewärmt.
Weder durch den Spritzvorgang selbst noch durch das erwähnte Vorwärmen wird eine eventuell vorhandene Oberflächenvergütung oder eine Kittverbindung zwischen optischen Bauteilen beeinträchtigt. Nach dem Aushärten ergibt sich eine spannungsfreie innige Verbindung zwischen dem optischen Bauelement und dem Verbundmaterial.
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PATENT CLAIMS
1. Optical component with holder, characterized in that the holder consists of fiber-reinforced composite material, the thermal expansion coefficient of which corresponds to that of the optical component, and that the holder is positively connected to the optical component.
2. Optical component according to claim 1, characterized in that the composite material consists of plastic reinforced with carbon fibers.
3. Optical component according to claim 2, characterized in that the carbon fibers have an average length of 0.1 to 0.5, preferably 0.1 to 0.2 mm and that their weight proportion in the composite material between 20 and 45%, preferably is about 30%.
4. Optical component according to claim 2, characterized in that the composite material consists of carbon fiber-filled polyetherimide.
5. A method for producing a body consisting of an optical component and socket according to claim 1, characterized in that the optical component is placed on the optically effective surface in an injection mold which determines the outer dimensions of the socket, and that the optical component in is overmolded with the composite material in one operation.
6. The method according to claim 5, characterized in that the optical component is preheated to the processing temperature of the composite material before the extrusion coating.
The invention relates to an optical component with a mount and a method for producing such a body.
Optical components, such as lenses or prisms, are themselves highly sensitive components that must be appropriately protected and secured in optical devices.
For this purpose, various sockets are known, the task of which is on the one hand to protect sensitive optical components against external influences, such as shocks, and on the other hand to enable simple and secure fastening of the component within the device.
From DD-PS 159308 it is known to fix the optical component in a separate metal frame with the help of an adhesive. The adhesive not only represents the actual fastening of the optical component in the holder, but also serves to compensate for mechanical stresses which can occur between the two parts as a result of thermal loads. Such voltages are caused by different temperature coefficients of the two parts. For the manufacture of parts of this type, it is known from DE-PS 32 11 867 to first align the optical component with the aid of an adjusting tool within the mount and then to carry out the adhesive connection. Afterwards the adhesive material has to harden for a longer time.
The adjustment tool can only be removed in a further operation after hardening.
The disadvantage of the known version and the known manufacturing method lies in the complex, multi-stage procedure in the manufacture, as is caused by the use of different materials (glass and metal). In addition, the known elastic mounting of the optical component with the aid of an adhesive is often not sufficiently resistant to aging, so that the component moves away from its desired position and thus leads to optical deviations, which are particularly impermissible in the case of precision devices. The readjustments then required on the device are time-consuming and costly.
The object of the present invention is to provide an optical component with a mount and a production method with which the disadvantages mentioned are avoided. In particular, the part should be simple and inexpensive to manufacture and the dimensional stability of the optical component compared to the mount should also be ensured over a long period of time, so that no adjustments to optical devices due to insufficient dimensional accuracy are required.
This object is achieved by the invention defined in claims 1 and 5.
The advantage of the device according to the invention and the manufacturing method according to the invention resides in the particularly high dimensional accuracy and freedom from tension of the optical component in the mount and in the possibility of producing the part in a single operation.
Instead of a separate frame, in which the optical component previously had to be mounted elastically, the molded frame according to the invention simultaneously fulfills the function of a frame and an adhesive. An elastic mounting of the optical component in the socket is not necessary. Nevertheless, the optical component is always fixed in the desired position without force, so that deformations of the optically active surface and, as a result, imaging errors are avoided. The high dimensional accuracy is particularly advantageous for high-precision devices and for lens systems in which the frames can be mounted directly on one another without the need for adjustment rings.
Preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
1 is a sectional view of a lens overmolded with a frame,
2 is a sectional view of a prism overmolded with a frame,
Fig. 3 is a sectional view of a lens system with two lens mounts lying directly against one another, and
Fig. 4 is a sectional view of an injection mold with an inserted optical component, a) in the closed and b) in the open state.
The component shown schematically in FIG. 1 consists of an optical lens 1 and a molded frame 2.
The frame is non-positively and positively connected to the lens body in the outer edge regions of the lens 1, which are not used optically. In the example, the socket 2 is provided with an outer fitting ring 3, with the aid of which the part can be mounted in an optical device in the correct position.
The socket 2 consists of a composite material which has the same thermal expansion coefficient as the glass of the optical component, in the example of the lens 1. In the preferred embodiment, the composite material consists of a hardenable plastic which is enriched with carbon fibers. For example, carbon fiber-filled polyetherimide can be used as the plastic for the present purpose. In the example, the carbon fibers have a length of 0.1 to 0.5 mm, preferably 0.1 to 0.2 mm. Their weight percentage in the composite is between 20 and 45%, preferably about 30%.
The coefficient of expansion of the glass used in the example is 7.0 x 104 / K. The coefficient of expansion of the plastic used without fiber reinforcement is
60 x 10-6 / K. It is therefore much larger than that of the glass, which is why the plastic would not be suitable as a frame material. Surprisingly, however, it has been found that the coefficient of expansion of the composite material in the cured state can be set in the composite material in such a way that it corresponds exactly to that of the optical glass used by a suitable choice of the fiber components in the plastic specified above. The composite material also advantageously has a very low moisture coefficient, which in the example is less than 0.1%. This means that the frame is also particularly moisture-resistant.
In addition to the carbon fibers mentioned, other similar fiber materials are also suitable for the present purpose, e.g. Aramid fibers, boron fibers or the like.
2 shows, as a further exemplary embodiment, an optical prism 4 in a molded-on prism holder 5. Also in this example, the optically active surfaces of the prism, namely the inner reflection surface 6, and the inlet or. Outlet surfaces 7, 8 are kept free of the frame material.
3 schematically shows a lens system, consisting of a first lens 10 with a molded-on frame 11, and a cemented lens 12a, 12b with a molded-on frame 13. The cemented lens 12a, 12b is therefore also provided with a single molded-on frame. The mating surfaces between the sockets 11 and 13 are true to size, so that no further mating or adjusting means are required in between.
Fig. 4 shows the device for the production of an optical component with a molded socket. A lens 20 lies in an injection mold 21, which seals the frame area with its edges 22 and 23, so that no frame material can get onto the optically active surfaces of the lens. The injection mold 21 is provided with an injection opening 24 and a ventilation opening 25.
The manufacturing process consists of inserting and fixing the optical component, in the example of the lens 20, into the mold 21 and injecting the composite material through the injection 24. The processing temperature of the composite material in the example is approximately 370 to 390 degrees Celsius. In order to ensure that the composite material adheres perfectly to the glass, the glass is preheated to about the processing temperature of the composite material before being placed in the injection mold or within the mold.
Neither the spraying process itself nor the preheating mentioned affects any surface finish or a putty connection between optical components. After curing, there is a tension-free, intimate connection between the optical component and the composite material.