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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines diffraktiven
optischen Elementes.
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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 im 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 A 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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DE 10 2005 045 197
A1 beschreibt eine Hybridlinse und ein Verfahren zu ihrer
Herstellung, wobei ein Keramiksubstrat von einem weiteren Werkstoff
teilweise umschlossen wird.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines
diffraktiven optischen Elementes bereitzustellen, wobei das Element
eine hohe Transparenz im Infrarotbereich aufweist, gleichzeitig
eine hohe mechanische Festigkeit besitzt und mit hoher optischer
Güte herstellbar
ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Herstellungsverfahren für
ein diffraktives Element gelöst,
bei dem mindestens eine erste Glasschicht und eine Substratschicht
stoffschlüssig
durch Formpressen miteinander verbunden werden.
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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 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 werden.
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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), Fluorphosphatglas (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
Aufgabe 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 einem ersten bevorzugten Herstellungsverfahren;
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1b:
das Verpressen des Glases in einem Formwerkzeug mit einem Substrat
gemäß dem ersten
Herstellungsverfahren;
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1c:
das Aufbringen einer weiteren Glasschicht auf das Substrat und die
darunter liegende Glasschicht gemäß dem ersten Herstellungsverfahren;
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1d:
das Verpressen der weiteren Glasschicht mit dem Substrat und der
darunter liegenden Glasschicht gemäß dem ersten Herstellungsverfahren;
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1e:
das Abkühlen
des Formwerkzeugs mit dem darin befindlichen Glas und Substrat gemäß dem ersten
Herstellungsverfahren;
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1f:
das Öffnen
des Formwerkzeugs und weiteres Abkühlen gemäß dem ersten Herstellungsverfahren;
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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 einem zweiten bevorzugten Herstellungsverfahren;
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2b:
das Verpressen des Glases in einem Formwerkzeug mit einem Substrat
gemäß dem zweiten
Herstellungsverfahren;
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2c:
das Aufbringen einer weiteren Glasschicht auf das Substrat und die
darunter liegende Glasschicht gemäß dem zweiten Herstellungsverfahren;
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2d:
das Verpressen der weiteren Glasschicht mit dem Substrat und der
darunter liegenden Glasschicht gemäß dem zweiten Herstellungsverfahren;
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2e:
das Abkühlen
des Formwerkzeugs mit dem darin befindlichen Glas und Substrat gemäß dem zweiten
Herstellungsverfahren;
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2f:
das Öffnen
des Formwerkzeugs und weiteres Abkühlen gemäß dem zweiten Herstellungsverfahren;
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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 einem
dritten Herstellungsverfahren und
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4:
die Anordnung von Glas in einem Haltering gemäß einem vierten Herstellungsverfahren.
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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 Temperatur 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 17 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