-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer geschwärzten metallischen Blende für ein optisches System sowie ein Verfahren zum Schwärzen einer Blende. Ferner betrifft die Erfindung eine geschwärzte Blende, ein optisches System und ein Endoskop mit einer solchen Blende.
-
In optischen Systemen, wie sie zum Beispiel in Endoskopen zum Einsatz kommen, werden Blenden verwendet, um die Ausdehnung von Lichtbündeln im Strahlengang des optischen Systems zu begrenzen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Blenden geschwärzt sind, so dass unerwünschtes Streulicht absorbiert werden kann. So ist es möglich, unerwünschte Reflexe an der Blende zu vermeiden.
-
In solchen herkömmlichen optischen Systemen werden häufig Blenden aus Messing eingesetzt, die mittels Beizen geschwärzt werden. Hierzu wird die Blende in eine Beize eingetaucht, wodurch sich ihre Oberfläche schwarz einfärbt.
-
Die Schwärzung durch Beizen weist jedoch verschiedene technische Nachteile auf. Zunächst ist es für das Beizen erforderlich, dass das Messing, aus dem die Blende hergestellt ist, Blei enthält.
-
Blei ist ein Gefahrenstoff, daher ist der Einsatz von bleihaltigen Materialien unerwünscht. Neben dem im Messing enthaltenen Blei ist auch die Beize selbst ein Gefahrenstoff und daher in der Handhabung nicht unproblematisch. Ferner ist das Ergebnis der Schwärzung durch Beizen nicht immer im gewünschten Maße reproduzierbar. So kann es anstatt zu einer tiefschwarzen Färbung zu Schattierungen in Braun- oder Blautönen kommen. Zudem ist die gefärbte Oberfläche der Blende vielfach glänzend, was die Absorptionsfähigkeit für Streulicht verringert. Um diesen Effekt zu vermeiden, ist es erforderlich, die Blende vor dem Beizen anzurauen. Schließlich werden durch das Beizen vielfach die Ränder der Blende angegriffen, wodurch sich die Kontur der Blende, vor allem der Blendenöffnung, verändern kann.
-
Aus
WO 2016/207659 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Oberfläche mittels eines gepulsten Lasers geschwärzt wird.
-
In
US 2008/0216926 A1 ist ein Verfahren gezeigt, bei dem ein Material durch Bestrahlung mittels eines Lasers mit Pulslängen im Femtosekundenbereich verändert wird.
-
DE 10 2011 114 850 A1 offenbart eine Streulichtblende für ein optisches Erfassungssystem, das eine den Streulichteinfall reduzierende Oberflächenstruktur mit Strukturelementen aufweist, deren Strukturdimension im sub-µm Bereich liegen.
-
EP 2 957 896 A1 zeigt eine optische Vorrichtung zur Leitung eines Strahlenbündels sowie eine Blende zum Einbauen in diese. Diese Blende wird beispielsweise ausgestanzt oder mittels Laserschneiden aus einem Halbzeug herausgelöst.
-
In
US 5,691,853 A ist eine Linse für ein Endoskop offenbart. Das Dokument zeigt eine Aperturblende, die geschwärzt wird.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Schwärzen einer Blende für ein optisches System, eine verbesserte geschwärzte Blende, ein verbessertes optisches System und Endoskop mit einer solchen Blende anzugeben, wobei insbesondere die oben genannten Nachteile des Beizens vermieden werden sollen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer geschwärzten metallischen Blende für ein optisches System, wobei die Blende durch Bestrahlen mit einem gepulsten Laser geschwärzt wird, das dadurch weitergebildet ist, dass die Blende mittels desselben gepulsten Lasers, mit dem die Blende geschwärzt wird, aus einem Rohling ausgeschnitten wird.
-
Das Schwärzen der Blende mittels eines gepulsten Lasers, genauer genommen mit einem gepulsten Laserstrahl, hat viele Vorteile gegenüber dem Schwärzen der Blende mittels des herkömmlichen Beizverfahrens. Das Material der Blende kann flexibler gewählt werden. So ist es bei Einsatz eines gepulsten Lasers insbesondere nicht notwendig, dass als Material der Blende Messing eingesetzt wird. Es ist ferner insbesondere nicht notwendig, dass das Material der Blende Blei enthält. Auch die Verwendung einer aus Gefahrenstoffen bestehenden Beize kann vorteilhaft vermieden werden. Durch den Einsatz eines gepulsten Laserstrahls kann eine sehr gleichmäßige tiefschwarze Färbung erreicht werden. Außerdem ist die Oberfläche der Blende matt und somit nahezu reflexfrei.
-
Vor oder nach dem Schwärzen muss die Blende aus einem Rohling, aus dem die Blende gefertigt wird, herausgelöst werden. Dies geschieht beispielsweise in einem Schneide- oder Stanzverfahren.
-
Die Blende wird mittels desselben gepulsten Lasers, mit dem die Blende geschwärzt wird, aus einem Rohling ausgeschnitten.
-
Wenn sowohl das Schwärzen der Blende als auch das Ausschneiden der Blende mittels desselben Lasers durchgeführt wird, kann sowohl Zeit als auch zusätzlicher Geräteaufwand eingespart werden.
-
Vorzugsweise wird zum Herstellen der Blende ein Rohling zunächst geschwärzt und anschließend die Blende aus dem Rohling ausgeschnitten. Eine Durchführung des Verfahrens in dieser Reihenfolge ist vorteilhaft, da keine Fixierung der ausgeschnittenen Blende während des Schwärzens notwendig ist. Es ist ausreichend und technisch wesentlich einfacher, lediglich den Rohling zu fixieren.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Rohling eine Metallfolie und die Blende wird aus der Metallfolie gefertigt. Insbesondere weist die Metallfolie eine Materialstärke von 5 µm bis 50 µm, ferner insbesondere eine Materialstärke von 10 µm bis 30 µm, auf.
-
Bei dem Rohling handelt es sich also bevorzugt um eine Metallfolie. Blenden mit einer Materialstärke von 10 µm bis 30 µm sind besonders vorteilhaft in optischen Systemen für Endoskope, da diese Blenden nur sehr wenig Platz beanspruchen und sehr leicht sind.
-
Als Material des Rohlings oder der Blende kommt bevorzugt Edelstahl zum Einsatz. Vorteilhaft weist Edelstahl keinen nennenswerten Bleianteil und somit keine Gefahrenstoffe auf. Edelstahl ist ferner korrosionsbeständig und somit langlebig.
-
Gemäß einer Ausführungsform hat der gepulste Laser eine Pulslänge von kleiner als 100 ps, insbesondere kleiner 50 ps, ferner insbesondere zumindest näherungsweise eine Pulslänge von 15 ps. Genau genommen hat der zur Behandlung des Rohlings bzw. der Blende eingesetzte Laserstrahl die zuvor genannten Pulslängen. Der zum Herstellen der Blende eingesetzte Laser ist also mit anderen Worten in der Lage, einen entsprechenden gepulsten Laserstrahl bereitzustellen.
-
Die Verwendung von gepulsten Lasern mit Pulslängen im Pikosekundenbereich ist besonders vorteilhaft, da diese gepulsten Laser sowohl zum Ausschneiden als auch zum Schwärzen der Blenden geeignet sind. Hierbei ist insbesondere entscheidend, dass diese Laser einen sehr geringen Wärmeübertrag auf den Rohling erzeugen. Daher erwärmt sich der Rohling während der Bearbeitung nur sehr geringfügig, wodurch vermieden werden kann, dass sich der Rohling während der Laserbehandlung verzieht.
-
Die Pulslängen sollten unter 100 ps liegen, da ansonsten keine ausreichende Schwärzung der Blende eintritt. Um den Wärmeeintrag weiter zu reduzieren und eine noch einheitlichere Schwärzung der Blende zu erreichen, können auch gepulste Laser mit Pulslängen im Femtosekundenbereich eingesetzt werden.
-
Vorzugsweise weist der gepulste Laser eine Pulsfrequenz von wenigstens 1 kHz, insbesondere wenigstens 100 kHz, insbesondere zumindest näherungsweise 1 GHz auf. Mit anderen Worten ist also der zum Herstellen der geschwärzten metallischen Blende eingesetzte Laser dazu geeignet, einen gepulsten Laserstrahl mit der angegebenen Frequenz bereitzustellen. Eine höhere Pulsfrequenz erlaubt eine schnelle Bearbeitung der Rohlinge bzw. der Blende, was sich vorteilhaft auf die Effizienz des Verfahrens auswirkt.
-
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine geschwärzte Blende für ein optisches System, hergestellt durch das zuvor beschriebene Verfahren.
-
Zudem wird die Aufgabe gelöst durch ein optisches System mit dieser geschwärzten Blende.
-
Schließlich wird die Aufgabe gelöst durch ein Endoskop mit diesem optischen System.
-
Mithilfe des gepulsten Lasers können vorteilhaft Blenden mit kleinem Baumaß sehr gleichmäßig geschwärzt werden. Aus diesem Grund ist der Einsatz eines Lasers zum Schwärzen von Blenden von optischen Systemen eines Endoskops, welche einen sehr kleinen Durchmesser aufweisen, besonders vorteilhaft.
-
Im Übrigen treffen auf die geschwärzte Blende, dass optische System und das Endoskop gleiche o. ä. Vorteile zu wie sie bereits im Hinblick auf das zuvor beschriebene Verfahren zum Herstellen der geschwärzten Blende erwähnt wurden.
-
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
-
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Blende,
- 2 eine schematische Darstellung einer Blende und einer Laservorrichtung in Seitenansicht,
- 3 eine schematische Darstellung eines Rohlings mit einem zu schwärzenden Bereich und vorgesehenen Schnittlinien,
- 4 eine schematische Darstellung von Laserpulsen, dargestellt durch eine Auftragung der Energie eines gepulsten Lasers gegen die Zeit.
-
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
-
1 zeigt schematisch und vereinfacht die Draufsicht einer Blende 1, wie sie in optischen Systemen, beispielsweise für ein Endoskop, eingesetzt wird. Die Blende 1 hat einen ringförmigen Blendenkörper 2 mit einer beispielsweise kreisrunden Blendenöffnung 3. Um Reflexe am Blendenkörper 2 zu vermeiden, wird dieser eingeschwärzt.
-
Eine zur Durchführung eines Verfahrens zum Schwärzen einer Blende 1 geeignete Vorrichtung 24 ist in 2 schematisch und vereinfacht dargestellt. Ein Laser 5, der einen gepulsten Laserstrahl 6 erzeugt, wird so angeordnet, dass der gepulste Laserstrahl 6 auf einen zu schwärzenden Bereich 9 einer Metallfolie 7 trifft. Der Laser 5 ist mit einer nicht dargestellten Rastervorrichtung versehen, beispielsweise einem bewegbaren Spiegel oder einem Prisma, sodass der gesamte zu schwärzende Bereich 9 abgerastert werden kann. Die beispielhaft als Rohling eingesetzte Metallfolie 7 weist eine Materialstärke 4 von beispielsweise 10 µm bis 30 µm auf. Die Metallfolie 7 besteht beispielsweise aus Edelstahl.
-
Das Schwärzen von Edelstahl durch Bestrahlung mit einem gepulsten Laser 6 beruht vermutlich auf der Bildung von Fe-Cr-Spinellen, wodurch es zu einer tiefschwarzen Färbung der Oberfläche des Stahls kommt.
-
3 zeigt in Draufsicht eine schematisch vereinfachte Darstellung der Metallfolie 7, aus der die Blende 1 ausgeschnitten wird. Bei dem Verfahren gemäß Aspekten der Erfindung wird der Laser 6 zunächst über den zu schwärzenden Bereich 9 gerastert, wodurch sich die Oberfläche der Metallfolie 7 in diesem Bereich 9 schwarz einfärbt. Dieser Bereich 9 kann entweder genau der Form der auszuscheidenden Blende 1 entsprechen, oder auch einen anderen Bereich umfassen, der aber wenigstens den zu schwärzenden Bereich 9 vollständig einschließt.
-
Nach dem Schwärzen fährt der Laser 6 die Schnittlinien 10 an, sodass die Blende 1 aus dem Rohling herausgelöst werden kann. Der Laser 6 wird entlang den Schnittlinien 10 verfahren. Zuvor werden die Parameter des Lasers 5 so angepasst, dass abhängig von der Materialstärke der Metallfolie 7 die Blende 1 herausgelöst werden kann, die Metallfolie 7 also erfolgreich geschnitten wird. In der Regel wird hierzu mehr Energie pro Flächeneinheit als für das Schwärzen erforderlich sein. So wird die Metallfolie 7 entlang den Schnittlinien 10 nicht geschwärzt, sondern vollständig durchtrennt.
-
Bei dem Verfahren kann es entweder vorgesehen sein, dass nur die Vorderseite 8 der Metallfolie 7 oder aber beide Seiten geschwärzt werden. Dies kann sowohl vor dem Ausschneiden der Blende 1 als auch nach dem Ausschneiden der Blende 1 erfolgen. Sollen beide Seiten der Blende 1 geschwärzt werden, wird diese beispielsweise nach dem Schwärzen ihrer Vorderseite 8 um 180° gedreht, sodass auch ihre Rückseite geschwärzt werden kann.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung der Laserpulse 20 des Laserstrahls 6, wobei die Energie über der Zeit aufgetragen ist. Als Länge des Laserpulses 20 wird dessen Halbwertsbreite (FWHM, Full Width at Half Maximum), also die zeitliche Breite des Laserpulses 20, bei der Hälfte seines maximalen Energiewerts, angesehen. Die Pulshöhe 23 entspricht der maximalen Energie des Laserpulses 20. Der Pulsabstand 22 ist der zeitliche Abstand der Maxima benachbarter Laserpulse 20. Die Pulsfrequenz entspricht somit dem inversen Pulsabstand 22.
-
Zum Laserschneiden von stark wärmeleitenden Materialien, wie beispielsweise Edelstahl, ist es vorteilhaft, wenn gepulste Laser mit einer kleinen Pulslänge 21, beispielsweise im Pikosekundenbereich, eingesetzt werden, da auf diese Weise der Wärmeeintrag des Lasers 6 sehr gering gehalten wird. Gepulste Laser 6 mit Pulslängen 21 kleiner als 100 ps sind ebenfalls zum Schwärzen von Edelstahl geeignet, wobei kleinere Pulslängen 21 zu einer gleichmäßigeren Schwärzung führen. Zum Schwärzen und Schneiden von Stahl können aber auch Femtosekundenlaser mit einer Pulslänge 21 von beispielsweise 900 fs eingesetzt werden.
-
Alle genannten Merkmale auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Blende
- 2
- Blendenkörper
- 3
- Blendenöffnung
- 4
- Materialstärke
- 5
- Laser
- 6
- Laserstrahl
- 7
- Metallfolie
- 8
- Vorderseite
- 9
- Bereich
- 10
- Schnittlinie
- 20
- Laserpuls
- 21
- Pulslänge
- 22
- Pulsabstand
- 23
- Pulshöhe
- 24
- Vorrichtung
