DE19757836C1 - Verfahren zur Herstellung eines doppelt-konvexen Linsenschirmes und Formkern zur Herstellung dieses Linsenschirmes - Google Patents

Abstract

Zur Herstellung eines doppelt-konvexen Linsenschirmes aus Fresnellinsen wird ein Formkern (16) benutzt, der aus mehreren Ringen (17a, 17b, 17c) zusammengesetzt ist. Jeder Ring (17a, 17b, 17c) besteht aus Segmenten (22), die jeweils an ihrer Außenfläche (23) mit einer Fresnelstruktur (30) versehen sind. Der Formkern (16) kann aus Segmenten mit unterschiedlichen Linsenstrukturen zusammengesetzt werden. Er erzeugt einen Linsenschirm, der über sämtliche Linsen hinweg konstante Wandstärke hat. Damit wird ein gleichmäßiges Strahlungs-Absorptionsverhalten des Linsenschirmes erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines doppelt-konvexen Linsenschirmes, der mehrere aus Fresnellinsen bestehende Linsenelemente aufweist, sowie einen Formkern zur Herstellung dieses Linsenschirmes.

Fresnellinsen, die auch als Stufenlinsen oder Zonenlin­ sen bezeichnet werden, bestehen aus einer flachen Plat­ te transparenten Materials, in deren eine Seite säge­ zahnförmige Rillen eingearbeitet sind, deren Wirkflan­ ken dieselbe Wirkung erzeugen wie eine Linse mit ins­ gesamt sphärischer Außenfläche. Es ist bekannt, Linsen­ schirme, die zahlreiche Fresnellinsen enthalten, als ebene Kunststoffplatten herzustellen, aus denen der Benutzer einzelne Linsenelemente herausschneiden kann.

Bewegungsmelder, die einen Infrarotsensor enthalten, sind ebenfalls mit Linsenschirmen aus Fresnellinsen ausgestattet, welche das Erfassungsgebiet des Bewe­ gungsmelders bestimmen. Um ein möglichst großes und lückenloses Erfassungsgebiet sicherzustellen, werden Panorama-Linsenschirme benötigt, die einerseits eine Rundumerfassung in einer horizontalen Ebene ermögli­ chen, andererseits aber auch eine lückenlose Erfassung in einer vertikalen Ebene.

Um in beiden Ebenen eine korrekte optische Abbildung zu gewährleisten, ist der Einsatz eines doppelt-konvexen Linsenschirmes erforderlich. Während ein Linsenelement mit einfacher Krümmung, also ein zylindrisches Element, durch Biegen einer ebenen Linse erzeugt werden kann, ist eine solche Herstellung bei doppelt-konvexen Lin­ senelementen nicht möglich.

Bewegungsmelder erfordern einen Linsenschirm mit zahl­ reichen Linsenelementen. Wird ein solcher Linsenschirm im Spritzgußverfahren hergestellt, wie es aus der DE 44 28 628 und der DE 44 14 078 bekannt ist, benötigt man dafür sehr komplexe Formwerkzeuge. Stellt sich heraus, daß ein mit diesem Formwerkzeug hergestellter Linsen­ schirm den praktischen Anforderungen nicht genügt, ist es praktisch unmöglich, das Formwerkzeug zu verändern. In solchen Fällen muß ein sehr teures neues Formwerk­ zeug angefertigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines doppelt-konvexen Linsenschirmes anzugeben, mit dem Linsenschirme von hoher Qualität und Präzision relativ einfach herstellbar und variierbar sind.

Ferner soll ein Formkern zur Herstellung eines Linsen­ schirms angegeben werden, mit dem Linsenschirme von hoher Qualität und Präzision relativ einfach herstell­ bar und variierbar sind.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 und den im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Formkern benutzt, der aus zahlreichen separaten Segmenten be­ steht, die zu dem Formkern zusammengefügt sind. Die Segmente haben jeweils eine doppelt-konvexe Außenflä­ che, in die die betreffende Fresnelstruktur eingearbei­ tet ist. Die Segmente bilden einen bandförmigen offenen oder geschlossenen Ring. Die Herstellung der Fresnel­ strukturen an den Außenflächen der Segmente erfolgt separat von Segment zu Segment. Dadurch ist es möglich, an den Segmenten gleiche oder unterschiedliche Fresnel­ strukturen anzubringen. Soll der Linsenschirm verändert werden, ist es lediglich erforderlich, einzelne Segmen­ te auszuwechseln. Auf diese Weise kann die optische Charakteristik des mit dem Formkern zu erzeugenden Lin­ senschirmes verändert werden. Auch wenn der Formkern durch Kratzer o. dgl. beschädigt wurde, ist es lediglich erforderlich, die beschädigten Segmente zu ersetzen.

Das Herstellen der Fresnelstrukturen an den Segmenten kann durch spanende Bearbeitung und anschließendes Po­ lieren erfolgen. Auch eine Bearbeitung mittels Funken­ erosion oder Laserstrahl ist möglich.

Die Herstellung der Segmente erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß zunächst Segmentrohlinge aus Stabmaterial, beispielsweise aus Rundstäben, hergestellt werden. Die­ se Segmentrohlinge haben an den Stirnseiten sphärische glatte Außenflächen. In diese Außenflächen werden die Fresnelstrukturen eingearbeitet. Anschließend erfolgt das Herstellen der Segmente durch Erzeugen bzw. Bear­ beiten der Segment-Seitenflächen der Segmentrohlinge in der Weise, daß die Segmente zu einem doppelt-konvexen Formkern zusammengesetzt werden können.

Die Außenflächen der einzelnen Segmente, die den Ring oder eine aus mehreren Ringen bestehende Struktur bil­ den, sind so geformt, daß sie eine stetige Gesamtfläche bilden. Dies bedeutet, daß die Außenfläche des Ringes oder der Ringstruktur keine Knickstellen hat, natürlich abgesehen von der Fresnelstruktur der Außenfläche, die eine Mikrostruktur bildet. Die stetige Gesamtstruktur der Außenfläche des Formkerns hat zur Folge, daß in Verbindung mit einer entsprechend ausgebildeten Hohl­ form ein Linsenschirm erzeugt wird, dessen Wandstärke an allen Stellen gleich ist, so daß keine örtlichen Dickenunterschiede auftreten. Solche Dickenunterschiede würden dazu führen, daß das Absorptionsverhalten des aus Kunststoff bestehenden Linsenschirmes örtlich dif­ feriert, so daß sich Zonen unterschiedlicher Empfind­ lichkeit ausbilden würden.

Die Erfindung betrifft ferner einen Formkern zur Her­ stellung eines doppelt-konvexen Linsenschirmes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Linsenschirm ent­ lang der Linie I-I von Fig. 2,

Fig. 2 eine Draufsicht des Linsenschirmes nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung eines aus drei seg­ mentierten Ringen bestehenden Formkernes,

Fig. 4 eines der Segmente des Formkernes und

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Form zur Herstel­ lung des Linsenschirmes.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Linsenschirm 10 ist ein Panorama-Linsenschirm für einen Bewegungsmel­ der. Er weist eine kuppelförmige oder kalottenförmige Haube 11 auf, die doppelt-konvex gekrümmt ist und bei­ spielsweise kugelförmige Gestalt hat.

Der Linsenschirm 10 besteht aus einem einstückigen Kunststoffteil aus transparentem Polyethylen. Der Haube 11 ist ein Rand 12 angeformt.

Während die Außenseite der Haube 11 glatt ist, ist die Innenseite mit zahlreichen Linsenelementen 13 versehen, die als Fresnellinsen ausgebildet sind. Auch jedes Lin­ senelement 13 ist doppelt-konvex gekrümmt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lin­ senelemente 13 in Form von drei konzentrischen Ringen angeordnet, welche den Mittelbereich 14 umgeben. Im Mittelbereich 14 sind einige Linsen in Form von sphäri­ schen Linsen 15 ausgebildet.

Im Innern des Linsenschirmes wird ein (nicht darge­ stellter) Infrarotsensor positioniert. Jedes der Lin­ senelemente 13 fokussiert auf den Infrarotsensor. Daher leitet jedes Linsenelement Strahlung aus einem ihm zu­ geordneten Überwachungs-Winkelbereich auf den Sensor. Entsprechend den individuellen Anforderungen können die Linsenelemente, die jeweils auf demselben Ring angeord­ net sind, untereinander gleich sein.

In Fig. 3 ist der Formkern 16 einer Spritzgußform dar­ gestellt, mit der der Linsenschirm 10 hergestellt wer­ den kann. Dieser Formkern weist drei Ringe 17a, 17b, 17c auf, von denen jeder aus einer Scheibe besteht, die aus einer Kugel ausgeschnitten ist, wobei die oberen und unteren Seitenflächen 18, 19 parallel zueinander verlau­ fen und die Umfangsfläche 20 sphärisch gekrümmt ist. Jeder Ring weist innen ein durchgehendes Loch 21 auf.

Jeder Ring ist in zahlreiche Segmente 22 unterteilt, von denen jedes an seiner Außenfläche 23 eine negative Fresnelstruktur in Form konzentrischer sägezahnförmiger Rillen aufweist. Jedes der Segmente 22 hat rechte und linke Seitenflächen 27, die zur Achse des Ringes hin konvergieren. Die Außenfläche 23 ist von seitlichen Kanten 28 und oberen und unteren Endkanten 29 begrenzt. Benachbarte Segmente 23 desselben Ringes stoßen mit ihren seitlichen Kanten 28 gegeneinander, jedoch ist der Übergang stetig, d. h. knickfrei, so daß die kugeli­ ge Außenfläche nicht unterbrochen oder gestört wird. Gleiches gilt auch für die Endkanten 29. An den Endkan­ ten 29 stoßen zwei benachbarte Ringe 17a, 17b oder 17b, 17c gegeneinander, ohne daß die Stetigkeit der Au­ ßenfläche unterbrochen würde.

Jedes Segment wird aus einem stabförmigen Segmentroh­ ling hergestellt. Der Segmentrohling besteht aus einem zylindrischen oder eckigen Stabmaterial mit sphärischer Außenfläche an einer Stirnseite. Die Krümmung dieser Außenfläche entspricht der Krümmung des späteren Lin­ senschirmes. Die Außenfläche ist zunächst glatt. Der Segmentrohling wird dann in eine Werkzeugmaschine ein­ gespannt und in die sphärische Außenfläche 23 wird die Fresnelstruktur spanabhebend eingearbeitet. Der dadurch entstehende Segmentrohling hat eine Außenfläche 23, die zu groß ist, d. h. Übermaß aufweist, und im übrigen ei­ nen stabförmigen Körper. Anschließend werden die Sei­ tenflächen 18, 19 und 27 des Stabmaterials hergestellt, und zwar in der Weise wie sie benötigt werden, damit die Segmente von untereinander gleicher Form den jewei­ ligen Ring 17a, 17b, 17c ergeben.

In Fig. 4 sind die Flanken der Fresnelstruktur 30 er­ kennbar. Jede Wirkflanke besteht aus einer sphärischen Fläche, die durch Bearbeitung der Außenfläche 23 ent­ standen ist.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in Fig. 3 sind sämtliche Segmente eines Ringes untereinander gleich. Die Segmente werden zu dem jeweiligen Ring zusammenge­ fügt. Zu diesem Zweck können sie zusammengreifende (nicht dargestellte) Eingriffsteile aufweisen, wie bei­ spielsweise Nut und Feder. Es ist aber auch möglich, die Segmente durch Klebung zu verbinden. Bei Bedarf besteht jedoch die Möglichkeit, ein einzelnes Segment herauszulösen und durch ein anderes Segment zu erset­ zen.

Der Formkern 16 setzt sich hier aus den Ringen 17a, b, c zusammen.

In Fig. 5 ist eine Form dargestellt, bei der der Form­ kern 16 aus Fig. 3 zusammen mit einer Hohlform 32 be­ nutzt wird. Der Formhohlraum 33 wird mit Kunststoff ausgefüllt, der dann zu dem Linsenschirm härtet.

Man erkennt die sägezahnförmige Fresnelstruktur 30 an der Außenseite des Formkernes 16. Die Breite des Form­ hohlraums 33 ist so bemessen, daß die Täler der Fres­ nelstruktur verbindende Umhüllende 35 an allen Stellen denselben Abstand von der Innenfläche 34 der Hohlform 32 hat, so daß die Wandstärke des Linsenschirmes - ab­ gesehen von der Mikro-Fresnelstruktur 30 - an allen Stellen gleich ist, und zwar auch über mehrere Linsen­ elemente hinweg.

In dem in Fig. 5 dargestellten Fall besitzen sämtliche Spitzen der Fresnelstruktur 30 den gleichen Abstand zur Innenfläche 34 der Hohlform. Abweichungen hierzu sind möglich. Jedenfalls wird sichergestellt, daß der Lin­ senschirm an allen Stellen im wesentlichen gleiche Wandstärke und damit gleiches Absorptionsverhalten hat.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines doppelt-konvex gewölbten Linsenschirmes (10), dessen Oberfläche mehrere aus Fresnellinsen bestehende Linsenelemente (13) aufweist, mit folgenden Schritten:

• a) Herstellen von Segmenten (22), die jeweils eine doppelt-konvex gewölbte Außenfläche (23) sowie keilförmig aufeinander zulaufende Sei­ tenflächen (27) aufweisen, und Erzeugen von Fresnelstrukturen in der Außenfläche (23),
• b) Zusammenfügen der Segmente (22) an ihren Sei­ tenflächen (27) zu mindestens einem offenen oder einem geschlossenen Ring (17a, 17b, 17c), und
• c) Herstellen des Linsenschirms durch einen Spritzvorgang, wobei der mindestens eine Ring (17a, 17b, 17c) als Formkern (16) eines Spritz­ werkzeugs verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt a) folgende Unterschritte aufweist:

• 1. Herstellen von Segmentrohlingen aus Stabmate­ rial mit sphärischer stirnseitiger Außenflä­ che (23),
• 2. Einarbeiten der Fresnelstrukturen (30) in die sphärischen Außenflächen (23) der Segmentroh­ linge und
• 3. Erzeugen der Segment-Seitenflächen (27).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mehrere Ringe (17a, 17b, 17c) von Segmenten (22) mit dop­ pelt-konvexer Außenfläche (23) hergestellt und die Ringe aufeinander angeordnet werden, wobei die Außenflächen der übereinander angeordneten Ringe (17a, 17b, 17c) stetig ineinander übergehen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem das Einarbeiten der Fresnelstrukturen (30) durch spanende Bearbeitung und anschließendes Polieren erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem beim Spritzvorgang neben dem Formkern (16), dessen Außenkontur die innere Gestalt des Linsenschirms vorgibt, eine Hohlform (32) benutzt wird, deren Innenkontur die äußere Gestalt des Linsenschirms vorgibt, wobei die Innenkontur der Hohlform (32) in konstantem Abstand der Außenkontur des Form­ kerns (16) folgt, ohne dabei den in diesen einge­ brachten Fresnelstrukturen zu folgen, so daß die Wandstärke des Linsenschirmes, abgesehen von den Stellen mit den Fresnelstrukturen, überall gleich ist.

6. Formkern zur Herstellung eines doppelt-konvexen Linsenschirms (10), der mehrere aus Fresnellinsen bestehende Linsenelemente (13) aufweist, wobei der Formkern mindestens einen offenen oder geschlosse­ nen Ring (17a, 17b, 17c) aus auswechselbar aneinan­ dergefügten Segmenten (22) aufweist, die jeweils eine doppelt-konvexe Außenfläche (23) und zwei keilförmig aufeinander zulaufende Seitenflächen (27, 28) aufweisen, wobei die Außenflächen (23) der Segmente mit Fresnelstrukturen versehen sind und an den Berührungskanten (28, 29) der Segmente (22) stetig ineinander übergehen.

7. Formkern nach Anspruch 6, bei dem mindestens zwei Ringe (17a, 17b, 17c) so aufeinander angeordnet sind, daß ihre Außenflächen (23) stetig ineinander übergehen.