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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine stäbchenförmige
Vorform für optische Bauteile, ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen stäbchenförmigen Vorform, die Verwendung
der stäbchenförmigen Vorform, sowie ein Verfahren
zur Herstellung optischer Bauteile und die Verwendung solcher optischen
Bauteile.
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Gemäß dem
Stand der Technik werden Linsen für Mikrooptiken mit beispielsweise
einem Durchmesser von 1 mm in der Regel wie in 2 gezeigt
hergestellt. Ein Glasbarren 10 wird in längliche
Quader 12 zerschnitten (A) und durch sogenanntes „Hot-Rolling” (B)
in Glasstäbchen 14 überführt.
Allerdings weisen durch Hot-Rolling hergestellte Glasstäbchen
keine ausreichende Rundheit und Geradheit auf. So erhaltene Stäbchen
werden daher anschließend beispielsweise durch spitzenloses
Rundieren (C) zu Stäbchen 16 mit ausreichender
Rundheit und Geradheit weiterverarbeitet und in dieser Form an die
Hersteller von Mikrooptiken ausgeliefert. Bei der Weiterverarbeitung
der stäbchenförmigen Vorformen können
diese bei Bedarf weiter zu noch dünneren Stäbchen
von beispielsweise 1,6 bis 1,8 mm Durchmesser geschliffen werden,
bevor sie in zylinderförmige Abschnitte bzw. Rohkugeln
zerschnitten werden. Die Rohkugeln werden schließlich durch Schleifen
und/oder Pressen und/oder Polieren zu Linsen für Mikrooptiken
weiterverarbeitet. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens
ist der hohe Glasanteilsfaktor von beispielsweise ca. 70 bei einem
Kugeldurchmesser von 1 mm, d. h. für die Herstellung einer
Linse einer bestimmten Masse wird die 70fache Menge an Rohmaterial
benötigt. Weiterhin können aufgrund der Brüchigkeit
solcher Stäbchen aus optischem Glas bei diesem Verfahren
nur relativ kurze stäbchenförmige Vorformen, d.
h. Stäbchen mit einer Länge von höchstens
150 mm hergestellt werden. Auch der Schritt des Hot-Rollings schränkt
die Einsatzfähigkeit des Verfahrens ein, da kristallisationsempfindliche
Gläser mittels Hot-Rolling nicht verarbeitbar sind. Durch
das relativ lange Erwärmen auf eine Temperatur o berhalb
des Erweichungspunkts werden Stäbchen solcher Gläser
durch Kristallisation bei Hot-Rolling unbrauchbar. Selbst bei nicht
kristallisationsempfindlichen Gläsern ist die Geometrie
der durch das Verfahren gemäß dem Stand der Technik
erhaltbaren Stäbchen eingeschränkt. Es können
nur Stäbchen mit einer maximalen Länge von ca.
150 mm und/oder einem minimalen Durchmesser von 3 mm hergestellt werden.
Längere und/oder dünnere Stäbchen sind
mit dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik
nicht herstellbar.
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Verfahren
zum Ziehen von dünnen Stäbchen sind aus der Herstellung
von optischen Fasern prinzipiell bekannt. Glasfasern für
optische Lichtleitung bestehen jedoch aus einem Kernglas und einen
den Kern umhüllenden Mantelglas. Das Mantelglas dient zum
einen dazu, eine Totalreflexion des Lichts an der Grenzfläche zwischen
Kern und Mantel zu erreichen. Zum anderen dient das Mantelglas auch
dazu, die Glasfaser mechanisch zu stabilisieren. Als Mantelglas
wird dazu ein Glas gewählt, welches einen geringeren thermischen
Ausdehnungskoeffizient α und eine höhere Glasübergangstemperatur
Tg als das verwendete Kernglas aufweist. Durch
die relativ zum Kernglas höhere Glasübergangstemperatur
erkaltet beim Ziehen der Faser das Mantelglas schneller als das
Kernglas. Weiter erzeugt der relativ zum Kernglas geringere Ausdehnungskoeffizient eine
Spannung in der Glasfaser, welche die Glasfaser mechanisch stabilisiert.
Bisher war man davon ausgegangen, dass beim Ausziehen eines Glasstabs
ohne ein solches Mantelglas kein mechanisch stabiles Stäbchen
erhalten werden kann, da der mechanisch stabilisierende Effekt des
Mantels fehlen würde.
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Da
Stäbchen als Vorform für Mikrooptiken kein Mantelglas
aus einer anderen Glaszusammensetzung aufweisen dürfen,
wurden sie bisher nicht über Faserziehverfahren hergestellt.
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Somit
bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die vorstehend
genannten Probleme des Stands der Technik zu lösen und
eine stäbchenförmige Vorform und ein Verfahren
zur Herstellung von optischen Bauteilen be reitzustellen, mit welchem
in wirtschaftlicher Weise optische Bauteile hergestellt werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen beschriebenen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.
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Insbesondere
wird eine stäbchenförmige Vorform für
optische Bauteile bereitgestellt, welche ein optisches Glas und
eine feuerpolierte Oberfläche umfasst und welche einen
Durchmesser von höchstens 10 mm aufweist.
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Die
Figuren zeigen:
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1 zeigt
eine schematische Abbildung der erfindungsgemäßen
stäbchenförmigen Vorform. Das Stäbchen
weißt eine Länge L auf und mittlere Durchmesser
d1 und d2.
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2 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung stäbchenförmiger
Vorformen gemäß dem Stand der Technik.
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3 zeigt
eine schematisch bevorzugte Ausführungsform zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Vorform.
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4 zeigt
schematisch die mögliche Herstellung eines Glasstabs durch
kontinuierliches Ziehen aus der Schmelze.
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5 zeigt
eine schematische Abbildung einer Gussform für einen Glasstab.
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6 zeigt
schematisch das Herstellen von Glaskugeln durch Schleiftrennen.
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Die
erfindungsgemäße Vorform weist durch das Herstellungsverfahren
eine feuerpolierte Oberfläche auf und unterscheidet sich
schon in dieser Hinsicht von stäbchenförmigen
Vorformen gemäß dem Stand der Technik. Eine solche feuerpolierte
Oberfläche ist bei der Weiterverarbeitung der Vorform vorteilhaft,
da sich die von der Vorform abgetrennten Abschnitte besser durch
einen Blankpressvorgang verpressen lassen.
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Vorzugsweise
beträgt der Durchmesser der Vorform höchstens
8 mm, mehr bevorzugt höchstens 6 mm, am meisten bevorzugt
höchstens 4 mm. Die erfindungsgemäße
Vorform weist in der Regel einen Durchmesser von mindestens 0,5
mm, vorzugsweise mindestens 1 mm, mehr bevorzugt mindestens 2 mm
auf. Gemäß weiterer Ausführungsformen
können jedoch auch Durchmesser der Vorform von höchstens
1 mm realisiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorform kann in jeder beliebigen
Länge hergestellt werden. Vorzugsweise weist sie eine Länge
L von mindestens 50 mm, mehr bevorzugt mindestens 100 mm, weiter
bevorzugt mindestens 140 mm, am meisten bevorzugt mindestens 155
mm auf. Die erfindungsgemäße Vorform kann auch
in einer Länge von 1000 mm und mehr hergestellt werden,
jedoch sind solche großen Längen für
die Weiterverarbeitung in der Regel nicht vorteilhaft.
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Überraschenderweise
weist die erfindungsgemäße Vorform trotz der Herstellung über
einen Ziehvorgang eine ausgezeichnete Geradheit auf. Unter „Geradheit” wird
dabei die Abweichung der Vorform von der Geraden in μm
je 100 mm Vorform verstanden. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße
Vorform eine solche Abweichung von der Geraden von höchstens
100 μm bei einer Stablänge von 100 mm auf.
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Für
die Herstellung von optischen Bauteilen von Mikrooptiken oder Stablinsen
bzw. Zylinderlinsen ist ferner ein über die gesamte Länge
der Vorform gleichmäßiger Durchmesser der Vorform
wünschenswert, da so die nach dem Vereinzeln erhaltenen
Abschnitte der Vorform die gleiche Größe und die
gleiche Masse aufweisen. Beim anschließenden Verpressen
der Rohkugeln ist so die Pressform optimal mit Glassmasse ausgefüllt.
Außerdem kann dadurch der Glaseinsatz minimiert werden.
Daher beträgt die Abweichung der Durchmes ser d1 und/oder
d2 über die Länge L der erfindungsgemäßen
Vorform, d. h. die „Rundheit” der Vorform, vorzugsweise
höchstens ± 100 μm, mehr bevorzugt höchstens ± 50 μm
und am meisten bevorzugt höchstens ± 20 μm.
Wie in 1 gezeigt, bezeichnet d1 den Durchmesser der Vorform
in einer ersten Richtung und d2 den Durchmesser der Vorform in einer
zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung.
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Die
erfindungsgemäße Vorform umfasst ein optisches
Glas, wobei die erfindungsgemäße Vorform überraschenderweise
und im Gegensatz zum Stand der Technik fast jedes optische Glas
umfassen kann.
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Insbesondere
kann das optische Glas aus der Gruppe, umfassend Lanthanboratgläser,
wie beispielsweise Lanthanschwerflintgläser (LASF), Lanthanflintgläser
(LAF), Lanthankrongläser (LAK), Barytkrongläser (BAK),
Barytflintgläser (RAF), Barytleichtflintgläser
(RALF), Barytschwerflinte (BASF), Schwerflintgläser (SF), Flintgläser
(F), Leichtflintgläser (LF), Doppelleichtflintgläser
(LLF), Kronflinte (KF), Krongläser (K), Zinkkrongläser
(ZK), Schwerkrongläser (SK), Schwerstkrongläser
(SSK), Borkrongläser (BK), Fluorkrongläser (FK),
Phosphatkrongläser (PK), Phosphatschwerkrongläser
(PSK), Kurzflintsondergläser (KZFS), ausgewählt
werden.
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Insbesondere
kann die erfindungsgemäße Vorform auch kristallisationsempfindliche
Gläser umfassen, welche durch die Verfahren gemäß dem
Stand der Technik nicht in Stäbchen überführbar
waren. Unter kristallisationsempfindlichen Gläsern sind
erfindungsgemäß insbesondere solche Gläser
gemeint, deren Erweichungspunkt EW sich
nicht mittels Messung durch ein Fadenziehviskosimeter gemäß DIN/ISO
7994-3 (Bestimmung der Viskosität mit dem Fadenziehviskosimeter)
bestimmen lässt, da Kristallisation auftritt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße
Vorform ein optisches Glas, welches durch Wiedererwärmen
und Verpressen beispielsweise durch einen Blankpressvorgang (Engt. „precise
pressing”) weiterverarbeitbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorform umfasst vorzugsweise
ein Glas mit einer Glasübergangstemperatur Tg von
höchstens 700°C, mehr bevorzugt höchstens
600°C, am meisten bevorzugt höchstens 550°C.
Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße
Vorform ein LowTG-Glas, d. h. ein Glas mit
einer Glasübergangstemperatur TG von
höchstens 600°C.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Vorform, umfassend die Schritte
- – Bereitstellen eines Glasstabes mit
einem Durchmesser von mindestens 15 mm und höchstens 60
mm, welcher ein optisches Glas umfasst,
- – Erwärmen mindestens eines Abschnitts des
Glasstabes auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur
EW des Glases.
- – Ziehen der Vorform aus dem erwärmten Abschnitt
des Glasstabs.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst in der Regel
den Schritt Bereitstellen eines Glasstabes mit einem Durchmesser
von mindestens 15 mm und/oder höchstens 60 mm. Ein solcher
Glasstab kann als Vorform bzw. Ausgangsprodukt für die
erfindungsgemäße stäbchenförmige
Vorform dienen.
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Ein
solcher Glasstab weist vorzugsweise eine Länge von mindestens
400 mm, vorzugsweise mindestens 800 mm auf. Längere Glasstäbe
sind in der Regel wirtschaftlicher, da im Verhältnis weniger
Glasverluste zu Beginn und Ende des Ziehvorgangs auftreten.
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Vorzugsweise
weist der Durchmesser eines zum Ziehen der erfindungsgemäßen
stäbchenförmigen Vorform verwendeten Glasstabs
eine Abweichung der Rundheit bzw. Ovualität bzw. Abweichung
des Querschnitts von der Kreisform von höchstens ± 500 μm,
mehr bevorzugt von höchstens ± 200 μm
auf. Bei größeren Abweichungen kann sich die mangelnde
Rundheit des Glasstabes auf die ausgezogene Vorform auswirken und
es kann keine Vorform mit ausreichender Rundheit wie vorstehend
beschrieben erhalten werden.
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Ein
solcher Glasstab kann durch Sägen und rundierendem Schleifen
aus einem Glasbarren hergestellt werden, direkt aus einer Glasschmelze
mittels einer Form 32 und Ziehrollen 34 gezogen
werden, wie beispielhaft in 4 gezeigt,
oder mittels einer Form aus der Glasschmelze gegossen werden. Eine
solche Form 40 zum Gießen eines Glasstabs ist
schematisch in 5 gezeigt. Sofern ein Glasstab
mit nicht ausreichender Rundheit erhalten wird, ist es erfindungsgemäß bevorzugt,
einen solchen Glasstab einem rundierenden Schleifvorgang zu unterziehen.
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Ein
solcher Glasstab wird in einer Ziehanlage zu der erfindungsgemäßen
stäbchenförmigen Vorform ausgezogen.
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3 zeigt
schematisch einen Ziehvorgang. Ein Glasstab 21 wird von
oben in eine Ziehanlage eingeführt. Durch eine vorzugsweise
ringförmige Heizeinrichtung 23 in der Ziehanlage
wird der Glasstab 21 lokal auf eine Temperatur oberhalb
der Erweichungstemperatur EW erwärmt
und zu einem dünnen Glasstab 22 mit dem gewünschten
Durchmesser ausgezogen. Der Ziehvorgang kann beispielsweise durch
Ziehrollen 24 unterstützt werden. Von dem entstandenen
dünnen Glasstab 22 werden durch Ritzen und Brechen
und/oder Schneiden stäbchenförmige Vorformen 26 abgetrennt.
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Vorzugsweise
beträgt die beispielsweise durch Ziehrollen auf den dünnen
Glasstab 22 ausgewirkte Ziehkraft mindestens 3 N, vorzugsweise
mindestens 4 N, und/oder höchstens 16 N, vorzugsweise höchstens 15
N. Kleinere oder größerer Ziehkräfte
können in Durchmesserschwankungen der erfindungsgemäßen
Vorform resultieren.
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Vor
dem Ziehvorgang wird der Glasstab mindestens teilweise auf eine
Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur EW erwärmt.
Die für den Ziehvorgang erforderliche Ofentemperatur ist
abhängig von den Glaseigenschaften, der Nachführgeschwindigkeit,
dem Durchmesser der erfindungsgemäßen Vorform
sowie der Ofengeometrie.
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Der
Durchmesser d der Vorform 26 kann durch die Dicke des Glasstabs,
der in der ringförmigen Heizeinrichtung 23 eingestellten
Temperatur, der Nachführgeschwindigkeit des Glasstabs 21 und/oder
der mittels der Ziehrollen 24 geregelten Abziehgeschwindigkeit
eingestellt werden. Vorzugsweise werden beide Durchmesser d1 und
d2 während des Ziehvorgangs inline gemessen und in einem
Regelkreis die Nachführgeschwindigkeit und/oder die Abziehgeschwindigkeit
nachgeregelt.
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Des
weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
von optischen Bauteilen insbesondere Linsen, welches die Schritte
- – Bereitstellen einer erfindungsgemäßen
stäbchenförmigen Vorform,
- – Abtrennen von Abschnitten vorzugsweise gleicher Größe
von der Vorform und
- – Formen von optischen Bauteilen aus den abgetrennten
Abschnitten
umfasst.
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Vorzugsweise
werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur
Herstellung von optischen Bauteilen die Abschnitte beispielsweise
durch Sägen von der Vorform abgetrennt. Anschließend
können diese Abschnitte ggf. nach einen oder mehreren Schleif-
und/oder Poliervorgängen zu optischen Bauteilen verpresst
werden oder alternativ durch einen Schleif- und/oder Poliervorgang
hergestellt werden. Bei einem solchen Pressvorgang kann es sich
um einen Blankpressvorgang handeln, nach dem die optischen Bauteile
nicht mehr durch einen Poliervorgang nachbehandelt werden müssen,
sondern bereits durch den Blankpressvorgang eine ausreichende Oberflächenqualität
aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Vorform einem
Schleiftrennvorgang unterworfen wird, bei welchem das Abtrennen
von Abschnitten und das Formen von Kugeln in einem Schritt bewirkt
wird. Ein solches Schleiftrennen ist schematisch in 6 gezeigt.
Eine Vorform 50 wird zwischen rotierende Schleifkörper 52 eingeführt,
welche eine wellenförmige Oberfläche umfassen.
Durch den Schleifvorgang werden nun nicht nur Abschnitte von der
Vorform abgetrennt, sondern diese gleichzeitig zu Kugeln 54 geschliffen.
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Es
ist auch möglich, dass die Vorform als Ganzes erwärmt
wird und so in eine mehrere hintereinanderliegende Kavitäten
umfassende Pressform eingebracht wird, dass gleichzeitig eine Vielzahl
von Presslingen bzw. Linsen hergestellt werden können.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiter die Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorform zur Herstellung von optischen Bauteilen, insbesondere Linsen,
Prismen usw. Bei solchen Linsen kann es sich beispielsweise um sphärische
und/oder asphärische Linsen handeln.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Linse, welche insbesondere
aus der erfindungsgemäßen Vorform herstellbar
ist und einem Durchmesser von bevorzugt mindestens 0,5 und höchstens
10 mm, vorzugsweise 1,0 bis 5 mm, aufweist.
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Die
vorstehende Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher
erläutert. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die genannten
Beispiele begrenzt.
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Beispiele:
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Glasbarren
aus optischen Gläsern (alle erhältlich bei SCHOTT
AG, Mainz, Deutschland) wurden zersägt und durch Rundieren
der abgetrennten Abschnitte Glasstäbe hergestellt. Die
Glasstäbe wurden weiter zu stäbchenförmigen
Vorformen gezogen. Tabelle 1 nennt die Glastypen, sowie Eigenschaften
der Gläser, Glasstäbe und stäbchenförmigen
Vorformen. Tabelle 1
| Beispiel | Beispiel
2 | Beispiel
3 | Beispiel
4 | Beispiel
5 |
Glastyp | N-LaSF31 | N-LaSF31 | N-LaSF31 | N-LaSF44 | N-KZFS11 |
Tg Glas | 758 | 758 | 758 | 655 | 551 |
EW [°C] | n.
m. | n.
m. | n.
m. | 742 | n.
m. |
Durchmesser Glasstab
[mm] | 20 | 20 | 20 | 38 | 38 |
Aufheiztemperatur
[°C] | 1040 | 1040 | 1040 | 850 | 830 |
Ziehtemperatur
[°C] | 960 | 925 | 925 | 820 | 790 |
Durchmesser Vorform
(mm) | 1,5 | 3,0 | 5,0 | 5,0 | 5,0 |
Tabelle 1 (Fortsetzung)
| Beispiel | Beispiel
7 | Beispiel
8 | Beispiel
9 | Beispiel
10 |
Glastyp | N-LaK34 | N-SF66 | N-SF57
HT | N-LaSF46B | P-LaSF47 |
Tg Glas | 668 | 710 | 629 | 638 | 530 |
EW [°C] | 740 | n.
m. | 716 | 735 | 627 |
Durchmesser Glasstab
[mm] | 22 | 35 | 25 | 25 | 30 |
Aufheiztemperatur
[°C] | 830 | 920 | 825 | 825 | 830 |
Ziehtemperatur
[°C] | 810 | 880 | 800 | 800 | 815 |
Durchmesser Vorform
(mm) | 5,0 | 5,0 | 5,0 | 5,0 | 3,0 |
Tabelle 1 (Fortsetzung)
| Beispiel
11 | Beispiel
12 | Beispiel
13 |
Glastyp | LaSF35 | LaSF35 | P-SK57 |
Tg Glas | 774 | 774 | 493 |
EW [°C] | n.
m. | n.
m | 593 |
Durchmesser
Glasstab [mm] | 14 | 14 | 30 |
Aufheiztemperatur
[°C] | 985 | 985 | 860 |
Ziehtemperatur
[°C] | 970 | 970 | 840 |
Durchmesser
Vorform (mm) | 1,0 | 3,0 | 3,0 |
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Die
Abkürzung „n. m.” bedeutet, dass der
Erweichungspunkt des Glases nicht mit einem Fadenziehviskosimeter
bestimmbar ist. Die Ziehtemperatur kann in einem solchen Fall aufgrund
von Erfahrungswerten ermittelt werden.
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Bei
Durchführung der Beispiele 10 und 13 wurde eine Nachführgeschwindigkeit
des Glasstabs von 10 mm/min gewählt. Bei einem Stabdurchmesser
von 30 mm, einem Durchmesser der erfindungsgemäßen
Vorform von 3 mm ergibt sich eine Ziehgeschwindigkeit von 1000 mm/min.
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Alle
erfindungsgemäßen Vorformen der Beispiele wiesen
eine Geradheit im Bereich von 20 bis 50 μm/100 mm Stablänge
auf.
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Bei
den erfindungsgemäßen Gläsern konnten
Vorformen bis zu einer Länge von 1000 mm gezogen werden.
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Vergleichsbeispiele:
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Vorformen
mit einem Durchmesser kleiner 3 mm konnten mit dem Verfahren gemäß dem
Stand der Technik wie in 2 gezeigt nicht hergestellt
werden. Die maximale Länge der gemäß dem
Stand der Technik herstellbaren Vorformen betrug 150 mm. Ferner
konnten Vorformen aus N-KZFS11 und LaSF35 mittels des herkömmlichen
Verfahrens nicht hergestellt werden, da die Gläser beim
Hot-Rolling kristallisierten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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