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Die
Erfindung betrifft ein diffraktives optisches Element sowie ein
Verfahren zu seiner Herstellung.
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In
jüngster Zeit besteht eine gesteigerte Nachfrage nach Infrarot-Geräten,
die in unterschiedlichen Lebensbereichen Verwendung finden wie z.
B. im Automobilbau. Hierzu werden preiswerte optische Elemente,
insbesondere diffraktive optische Elemente benötigt, die
insbesondere in Frequenzbereich von 700 bis 6000 nm transparent
sind.
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Es
ist bekannt, dass in diesem Bereich aufgrund ihrer optisch transparenten
Eigenschaften Chalkogenidgläser besonders gut geeignet
sind. Diese Gläser besitzen eine verhältnismäßig
niedrige Transformationstemperatur TG und
lassen sich ungeachtet der Probleme bezüglich ihrer Oxidierbarkeit leicht
mechanisch strukturieren.
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Diffraktive
optische Elemente aus Chalkogenidglas haben jedoch den Nachteil,
dass sie mechanisch nicht stabil genug und insbesondere wegen ihrer
geringen Biegesteifigkeit nicht problemlos handhabbar sind. Bei
der Herstellung wird üblicherweise die strukturierte Oberfläche
durch eine nachträgliche mechanische Bearbeitung erzeugt.
Hierdurch resultiert eine hohe Ausschussrate bei entsprechend hohen
Fertigungskosten.
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Die
US 6,157,488 schlägt
vor, ein diffraktives optisches Element aus mehreren miteinander
zu einem Sandwich verklebten Schichten herzustellen. Die Verklebung
unterschiedlicher Werkstoffe führt jedoch immer wieder
zu optischen Fehlern und einer aufwendigen Herstellung.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein diffraktives optisches Element
bereitzustellen, das eine hohe Transparenz im Infrarotbereich aufweist,
gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit besitzt und mit hoher
optischer Güte herstellbar ist.
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Eine
weitere Teilaufgabe bestand darin, ein entsprechendes Herstellungsverfahren
für derartige diffraktive optische Elemente anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem diffraktiven
Element gelöst, bei dem mindestens eine erste Glasschicht
und eine Substratschicht stoffschlüssig durch Formpressen
miteinander verbunden sind.
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Eine
stoffschlüssige Verbindung durch Formpressen zeichnet sich
dadurch aus, dass die beteiligten Schichten durch atomare oder molekulare
Kräfte zusammengehalten werden. Es handelt sich dabei um
nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung
der Verbindungsmittel trennen lassen. Zwischen der Glasschicht und
der Substratschicht sind keine Formschlusselemente vorhanden. Die Verbindung
findet erst in dem formgebenden Werkzeug statt, wobei mindestens
das Glas noch plastisch verformbar ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist in der ersten Glasschicht
eine diffraktive optische Struktur ausgebildet.
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Vorzugsweise
ist auf der ersten Glasschicht gegenüberliegenden Seite
der Substratschicht eine zweite Glasschicht aufgebracht, wodurch
eine besonders stabile Bauweise erreicht wird.
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Die
diffraktive optische Struktur sollte dann auf der zur Substratschicht
abgewandten Seite der ersten und/oder zweiten Glasschicht ausgeformt sein.
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Es
hat sich als besonders günstig herausgestellt, wenn die
diffraktive optische Struktur eine Tiefe von 1 μm bis 10 μm
aufweist. Die Tiefe berechnet sich wie folgt: Tiefe
= (n × λ):Δn
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Dabei
ist λ die Wellenlänge und Δn die
Differenz des Brechungsindex von Glas und Luft beziehungsweise einer
ersten und einer zweiten Glasschicht.
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Bei
n < 10 tritt eine
Beugung des Lichtes auf, bei n > 10
Brechung.
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Vorteilhafterweise
ist die Substratschicht mit einer Dicke von 1 mm bis 2 mm ausgebildet.
Die Glasschicht kann eine Dicke von 10 μm bis 200 μm, bevorzugt
80 μm bis 120 μm aufweisen.
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Zweckmäßigerweise
beträgt die Differenz des Brechungsindex Δn der
ersten und/oder zweiten Glasschicht sowie der Substratschicht ≥ 0,2.
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Vorzugsweise
umfasst die erste und oder zweite Glasschicht ein Chalkogenidglas,
ein Sulfidglas, ein Selenidglas oder ein Halogenidglas bzw. ein Germanatglas
(IRG2), Lanthan-Schwerflintglas (IRG3) Calciumaluminiumsilicatglas
(IRGN0), Bleisilicatglas (IRG7), Flourphosphatglas (IRG9), Calciumaluminatglas
(IRG11) oder bis zu einer Wellenlänge von 4 μm
ein Zinkkronglas (IRG15).
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Ebenso
können Chalkogenide Gläser bei Wellenlängen
bis zu 12 μm eingesetzt werden.
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Die
Substratschicht sollte aus einem Substrat bestehen, das eine TG oder ein TM > TG des
Glasmaterials der Glasschicht aufweist (TM = Schmelztemperatur
der Glasschicht, TG = Übergangstemperatur
vom Glas).
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Günstigerweise
ist die Substratschicht aus einem im IR-Bereich transparenten kristallinen
Material ausgebildet. Dieses verhält sich optisch neutral und
ermöglicht einen Durchgang des Lichtes. Bei dem kristallinen
Material kann es sich zum Beispiel um Ge, Ga, As, Mgf2,
CaF2, BaF2, Si handeln.
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Alternativ
hierzu kann die Substratschicht auch ein Metall oder Silizium umfassen.
Lichtundurchlässige Materialien wie das Metall eignen sich für
die Substratschicht nur, wenn dessen Verwendung auf die außerhalb
vom Strahlengang erfassten Bereiche der Substratschicht beschränkt
bleibt oder in Reflexion.
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Es
hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Substratschicht
Löcher aufweist und die Glasschicht in den Löchern
ausgebildet ist. Die Löcher können zu einem Linsen-Array
zusammengefasst sein.
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Die
Substratschicht kann auch in Form einer Platte oder eines sphärischen
Elementes ausgeformt sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Substratschicht
in Form eines Halterings für die Glasschicht ausgebildet.
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Die
Teilaufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines diffraktiven
optischen Elements gelöst, bei dem mindestens ein Glasschmelzetropfen mit
einer Temperatur von TG + 80°C
bis +125°C in einem Formwerkzeug mit einem Substrat zusammengebracht
und durch Pressformen zu einem einstückigen Formkörper
zusammengefügt wird.
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Vorzugsweise
wird während des Pressformens gleichzeitig eine diffraktive
optische Struktur in die Oberfläche mindestens einer Glasschicht
eingebracht.
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Besonders
günstige Festigkeitseigenschaften werden erreicht, wenn
auf den Formkörper ein weiterer Glasschmelzetropfen aufgebracht
und mit dem Formkörper verpresst wird.
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Vor
dem Zusammenbringen eines Glastropfens mit dem Substrat sollte dieses
auf eine Temperatur TS > TG + 90° der
Glasschmelze vorgewärmt werden. Dadurch wird die intrinsische
Spannung in den Glasschichten reduziert (TS =
Temperatur des Substrates, TG = Übergangstemperatur
vom Glas).
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Vorteilhafterweise
wird die Oberfläche des Substrats vor dem Einbringen in
das Formwerkzeug aufgeraut. Hieraus resultiert der Vorteil eines
besonders günstigen Anhaftens des Glases an dem Substrat.
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Auch
ist es möglich, die Glasmenge der ersten Glasschicht gegenüber
der zweiten Glasschicht unterschiedlich groß zu wählen,
so dass beim Pressen und Verformen auch eine Verformung oder Krümmung
des Substrates eintritt.
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Zum
besseren Verständnis ist die Erfindung anhand von insgesamt
vier Figuren erläutert. Es zeigen die:
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1a:
das Einbringen von Glas in ein Formwerkzeug gemäß eines
ersten bevorzugten Herstellungsverfahrens;
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1b:
das Verpressen des Glases in einem Formwerkzeug mit einem Substrat
gemäß des ersten Herstellungsverfahrens;
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1c:
das Aufbringen einer weiteren Glasschicht auf das Substrat und die
darunter liegende Glasschicht gemäß des ersten
Herstellungsverfahrens;
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1d:
das Verpressen der weiteren Glasschicht mit dem Substrat und der
darunter liegenden Glasschicht gemäß des ersten
Herstellungsverfahrens;
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1e:
das Abkühlen des Formwerkzeugs mit dem darin befindlichen
Glas und Substrat gemäß des ersten Herstellungsverfahrens;
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1f:
das Öffnen des Formwerkzeugs und weitere Abkühlen
gemäß des ersten Herstellungsverfahrens;
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1g:
einen vergrößerten Querschnitt eines mit dem ersten
Herstellungsverfahren erzeugten diffraktiven optischen Elementes;
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2a:
das Einbringen von Glas in ein Formwerkzeug gemäß eines
zweiten bevorzugten Herstellungsverfahrens;
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2b:
das Verpressen des Glases in einem Formwerkzeug mit einem Substrat
gemäß des zweiten Herstellungsverfahrens;
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2c:
das Aufbringen einer weiteren Glasschicht auf das Substrat und die
darunter liegende Glasschicht gemäß des zweiten
Herstellungsverfahrens;
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2d:
das Verpressen der weiteren Glasschicht mit dem Substrat und der
darunter liegenden Glasschicht gemäß des zweiten
Herstellungsverfahrens;
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2e:
das Abkühlen des Formwerkzeugs mit dem darin befindlichen
Glas und Substrat gemäß des zweiten Herstellungsverfahrens;
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2f:
das Öffnen des Formwerkzeugs und weitere Abkühlen
gemäß des zweiten Herstellungsverfahrens;
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2g:
einen vergrößerten Querschnitt eines mit dem zweiten
Herstellungsverfahren erzeugten diffraktiven optischen Elementes;
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3:
das Einbringen von Glas in Löcher einer Substratschicht
gemäß eines dritten Herstellungsverfahrens und
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4:
die Anordnung von Glas in einem Haltering gemäß eines
vierten Herstellungsverfahrens.
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Die 1a bis 1g zeigen
jeweils in einem schematischen Querschnitt das erfindungsgemäße
Herstellungsverfahren gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform. Dabei wird, wie in 1a zu
erkennen, zunächst eine Glasschmelze 10 bestehend
beispielsweise aus einem Chalkogenidglas mit hoher Temperatur T1 aus einer ersten Aufgabevorrichtung 15 in
ein darunter befindliches Formwerkzeug 11 aufgegeben. Das
Formwerkzeug 11 ist mit der Temperatur T2 beheizt,
die niedriger als die Temperatur T1 gewählt
ist.
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Das
Formwerkzeug 11 weist zur Aufnahme der Glasschmelze 10 eine
topfförmige Ausnehmung auf, deren Abmessung der späteren
Kontur des diffraktiven optischen Elementes entspricht. Bei der
gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform der 1a bis 1g ist
der Boden des Formwerkzeugs 11 plan ausgebildet. Die flüssig
in das Formwerkzeug 11 aufgegebene Glasschmelze 10 bildet
darin eine erste plane Glasschicht 1 aus.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt wird bei konstanter Temperatur
T2 des Formwerkzeugs 11 auf die
Glasschicht 1 eine Substratschicht 2 aufgebracht und
mittels eines Druckstempels 17 ein Druck P1 auf die
Glasschicht 1 und die Substratschicht 2 eingeprägt.
Aufgrund der Druck- und Temperaturverhältnisse werden beide
Schichten 1 und 2 zu einem Formkörper 12 verpresst.
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Wie
in 1c dargestellt ist, wird auf den immer noch bei
konstanter Temperatur T2 im Formwerkzeug 11 liegenden
Formkörper 12 eine zweite Glasschicht 4 aufgebracht.
Dieses erfolgt über eine zweite Aufgabevorrichtung 16,
in welcher eine weitere Glasschmelze 13 unter einer Temperatur
T3 bereitgehalten wird. Die Temperatur T3 der weiteren Glasschmelze 13 ist
niedriger als die Temperatur T1 der ersten Glasschmelze 10.
Bei der Glasschmelze 13 kann es sich zum Beispiel um ein
Chalkogenidglas, ein Sulfidglas, ein Selenidglas, oder ein Halidglas
handeln.
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Nach
dem Aufbringen der zweiten Glasschicht 4 auf den darunter
befindlichen Formkörper 12, bestehend aus erster
Glasschicht 1 und Substratschicht 2, werden diese
insgesamt drei Schichten 1, 2, 4 erneut
mit einem Druckstempel 17 unter einem vorgebbaren Druck
P2 verpresst. Während dieses zweiten
Pressvorgangs entspricht die Temperatur T2 innerhalb
des Formwerkzeugs 11 zunächst dem anfänglichen
Wert, sinkt dann aber während der Druckeinwirkung P2 des zweiten Pressvorgangs auf eine niedrigere
Temperatur T4 ab. Dieser Abkühlungsvorgang
setzt sich auch nach dem Öffnen des Formwerkzeugs 11 durch
ein laterales Verfahren des Druckstempels 17 fort und sinkt
entsprechend 1f auf den Wert der Temperatur
T5.
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Die 1g zeigt
ein mit dem Verfahren entsprechend der ersten bevorzugten Ausführungsform hergestelltes
diffraktives optisches Element bei Umgebungstemperatur T6. Beidseitig des mittig angeordneten lichtdurchlässigen
Substrates 2 mit der Dicke 5 ist eine erste beziehungsweise
zweite Glasschicht 1, 4 mit einer geringeren Dicke 6 aufgepresst. Die
Substratschicht 2 hat die Form einer symmetrischen Platte 8.
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Während
des Prozessverlaufes ist die Temperatur T2 > T4 > T5 > T6.
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Eine
zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens ist in den 2a bis 2g dargestellt.
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Hierbei
befinden sich auf dem Boden des Formwerkzeugs 11 Strukturelemente 18,
die bei einem Beaufschlagen mit der Glasschmelze 10 eine diffraktive
optische Struktur 3 (siehe 2g) in
der ersten Glasschicht 1 erzeugen. Nach dem Aufgeben der
ersten Glasschicht 1 sowie der darauf befindlichen Substratschicht 2 wird
bei konstanter Tem peratur T2 ein erster
Pressvorgang mit einem Druck P2 durch Absenken
eines Druckstempels 17 eingeleitet. Hierbei verbinden sich
die erste Glasschicht 1 und die Substratschicht 2 zu
einem Formkörper 12.
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Anschließend
wird auf den unter Temperatur T3 gehaltenen
Formkörper 12 eine weitere Glasschmelze 13 mit
einer Temperatur T7 aufgebracht und bei
konstanter Temperatur T3 mit diesem verpresst.
Dieses erfolgt mittels eines absenkbaren Druckstempels 17,
welcher auf die Schichten 1, 2 und 4 mit
einem definierten Druck P2 abgesenkt wird.
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Der
in 2d gezeigte Druckstempel 17 weist auf
seiner Unterseite eine konvex gewölbte Oberfläche
auf, welche während des Pressvorgangs eine dazu komplementäre
konkave Form in der zweiten Glasschicht 4 ausbildet. Demzufolge
erfolgt während des Aufpressens der zweiten Glasschicht 4 auf den
Formkörper 12 gleichzeitig eine optisch relevante
Formgebung der zweiten Glasschicht 4.
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In
dem nachfolgenden Verfahrensschritt gemäß der 2e wird
der Druck P2 des zweiten Pressvorgangs konstant
gehalten und dabei zur langsamen Verfestigung der Schichten 1, 2 und 4 die Temperatur
T4 abgesenkt. Anschließend wird
die Temperatur T4 des Formwerkzeugs 11 noch
weiter herabgesetzt und erreicht im letzten Verfahrensschritt das
Niveau der Temperatur T5, bei welcher dann
der Druckstempel 18 aus dem Formwerkzeug 12 herausgefahren
wird.
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Das
mit der zweiten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
erzeugte diffraktive optische Element ist vergrößert
in der 2g gezeigt. Dabei ist in der
Oberfläche 14 der ersten Glasschicht 1 eine
nach außen gewandte diffraktive optische Struktur 3 und
in der Oberfläche 14 der zweiten Glasschicht 4 eine
konkave Ausnehmung ausgebildet.
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Eine
dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt die 3. Hierbei sind innerhalb des
Substrates 2 beabstandet zueinander mehrere Löcher 7 ausgeformt.
Das Substrat 2 wird in das Formwerkzeug 11 eingelegt
und eine Glasschmelze in Form von Glasschmelzetropfen 10 aus
einer ersten Aufgabevorrichtung 15 entsprechend der 1a aufgegeben.
Dabei ist die Größe und Anzahl der Glasschmelzetropfen 10 auf
die Größe und Anzahl der Löcher 7 abgestimmt.
Nach dem vollständigen Beschicken aller Löcher 7 wird
der in 3 dargestellte Druckstempel 17 abgesenkt und
die erste Glasschmelze 10 zu einer ersten Glasschicht 1 mit
dem Substrat 2 verpresst.
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Innerhalb
des Formwerkzeugs 11 sind Strukturelemente 18 ausgeformt,
gegen die bei einem Andruck des Druckstempels 17 die erste
Glasschicht 1 gepresst wird. Hierdurch bildet sich während
des Zusammenpressens von Glasschicht 1 und Substrat 2 eine
vorgesehene diffraktive optische Struktur 3 (siehe 2g)
in der zur Substratschicht 2 abgewandten Seite der Glasschicht 1 aus.
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Eine
vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in 4 dargestellt. Hierbei ist das
Substrat 2 als Haltering 9 ausgebildet und umgibt
die erste Glasschicht 1. Die Glasschicht 1 wurde
zuvor entsprechend der 1a durch Aufgabe einer Glasschmelze 10 aus
einer ersten Aufgabevorrichtung 15 in den Haltering 9 erzeugt. Die
Verbindung zwischen Haltering 9 und erster Glasschicht 1 erfolgt
ebenfalls durch ein nachgeschaltetes Absenken des Druckstempels 17.
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- 1
- Glasschicht,
erste Glasschicht
- 2
- Substratschicht,
Substrat
- 3
- diffraktive
optische Struktur
- 4
- zweite
Glasschicht
- 5
- Dicke
Substratschicht
- 6
- Dicke
Glasschicht
- 7
- Löcher
Substratschicht
- 8
- Platte
Substratschicht
- 9
- Haltering
- 10
- Glasschmelze,
Glasschmelzetropfen
- 11
- Formwerkzeug
- 12
- Formkörper
- 13
- weitere
Glasschmelze, weiterer Glasschmelzetropfen
- 14
- Oberfläche
Glasschicht
- 15
- erste
Aufgabevorrichtung
- 16
- zweite
Aufgabevorrichtung
- 17
- Druckstempel
- 18
- Strukturelemente
Formwerkzeug
- TG
- Transformationstemperatur
Glas
- TS
- Temperatur
Substrat
- T1
- Temperatur
erste Glasschmelze
- T2
- Temperatur
Formwerkzeug Prozessbeginn
- T3
- Temperatur
zweite Glasschmelze
- T4
- Temperatur
Formwerkzeug vor Öffnen
- T5
- Temperatur
Formwerkzeug nach Öffnen
- T6
- Umgebungstemperatur
- T7
- Temperatur
weitere Glasschmelze
- P1
- Druck
erster Pressvorgang
- P2
- Druck
zweiter Pressvorgang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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